塔设备的机械设计.ppt

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1、第六章 塔设备的机械设计,塔设备可划分为板式塔和填料塔塔设备的机械设计要求做到：选材立足国内；结构安全可靠，满足工艺要求；制造、安装、使用、检修方便。,第一节 概述,第二节 板式塔,填料塔和填料,一、总体结构,1.塔体与裙座结构这是所有塔设备的基本工作结构和支撑结构。2塔盘结构这是塔设备完成化工过程和操作的主要结构部分。它包括塔盘板、降液管及溢流堰、紧固件和支承件等。3除沫装置用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处。4设备管道包括用于安装、检修塔盘的人孔，用于气体和物料进出的接管，以及安装化工仪表的短管等。塔附件包括支承保温材料的保温圈、吊装塔盘用的吊柱以及扶梯平台等。,二、塔盘结构,塔盘在

2、结构方面要有一定的刚度，以维持水平；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。塔盘结构有整块式和分块式两种。当塔径在800900 mm以下时，建议采用整块式塔盘。当塔径在800900 mm以上时，人可以在塔内进行装拆，一般采用分块式塔盘。,1.整块式塔盘,此种塔的塔体由若干塔节组成，塔节与塔节之间则用法兰连接。每个塔节中安装若干块层层叠置起来的塔盘。塔盘与塔盘之间用管子支承，并保持所需要的间距。图6-2为定距管式支承塔盘结构。,降液管的结构有弓形和圆形两类 图6-3 一般圆形降液管 图6-4 带有滋流堰的圆形降液管 图6-5弓形降液管结构 图6

3、-6弓形降液管的液封槽,2分块式塔盘,在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很不方便。因此，当塔径在800 900 mm以上时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节,分块式塔板示意图,(a)自身梁式(b)槽式,分块式塔盘之间的连接,自身梁式塔盘板的上可拆连接（b）螺柱（c）椭圆垫板 图6-11自身梁式塔盘上、下均可拆连接,以上所述的塔盘紧固方式虽然普遍采用，但所用紧固构件加工量大，装拆麻烦，而且螺栓需用抗锈蚀材料。另一类紧固结构是用楔形紧固件，其特点是结构简单，装拆快，不用特殊材料，成本低等。,图6-

4、12 塔盘板与支持圈的连接（上可拆）图 6-13用楔形紧固件盘连接,三、塔盘的支承,对于直径不大的塔（例如2 000mm以下），塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈。支持圈一般用刻扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成，有时也有用角钢的。若塔盘板的跨度较小，本身刚度足够，则不需要用支承梁，,1600单流塔盘用支持圈支承塔盘的结构详图,图6-15双溢流分块式塔盘支承结构（举例之一）1一塔盘板；2一支持板；3一筋板；4一中心降液板（组合件）;5一两侧降液板（组合件）；6一可调节的溢流堰板；7一主梁；8一支座;9一压板；10一支持圈,图6-16双溢流分块式塔盘支承结构（举例之二）1一弓形塔板；2一切角矩形塔板

5、;3一矩形塔板；4一通道板；5一支持圈；6一侧降液板；7一支持板；8一封板；9一筋板；10一中间受液槽;11一支承座,第三节 填料塔结构,填料塔在传质形式上与板式塔不同，它是一种连续式气液传质设备。这种塔由塔体、喷淋装置、填料、再分布器、栅板以及气、液的进出口等部件组成，典型结构如图6-17所示。,一、喷淋装置,液体喷淋装置设计的不合理，将导致液体分布不良，减少填料的润湿面积，增加沟流和壁流现象，直接影响填料塔的处理能力和分离效率。液体喷淋装置的结构设计要求是：能使整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单，制造维修方便。喷淋装置的类型很多，常用的有喷洒型、溢流型、冲击型等。,1.喷洒型,对于小直

6、径的填料塔（例如300mm以下）可以采用管式喷洒器，通过在填料上面的进液管（可以是直管、弯管或口管）喷洒，如图6-18所示。该结构的优点是简单，缺点是喷淋面积小而且不均匀。,2溢流型,盘式分布器是常用的一种溢流式喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，淋洒到填料上。中央进料的盘式分布器如图6-21所示。喷淋盘一般紧固在焊于塔壁的支持圈上，与塔盘板的紧固相类似。分布板上钻有直径约3mm的小泪孔，以便停车时将液体排净。,3冲击型,反射板式喷洒器是利用液流冲击反射板（可以是平马板或锥形板）的反射飞散作用而分布液体，如图6-24所示。,二、液体再分布器,当液体流经填料层时，液

7、体有流向器壁造成“壁流”的倾向，使液体分布不均，降低了填料塔的效率，严重时可使塔中心的填料不能润湿而成“干锥”。因此在结构上宜采取措施，使液体流经一段距离后再行分布，以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋。在液体再分配器中，分配锥是最简单的，如图6-25(a)所示，沿壁流下的液体用分配锥再将它导至中央。,三、支承结构,填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而且须有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液泛。在填料塔中，最常用的填料支承是栅板，如图6-26所示。在设计栅板的支承结构时，需要注意下述各点。(1)栅板必须有足够的强度和耐腐蚀性；(2)栅板必须有足够的自由截面，一般应和填料的自由截面大

8、致相等；(3)槽板扁钢条之间的距离约为填料外径的6080；(4)栅板可以制成整块的或分块的。,第四节 塔体与裙座的机械设计,一 塔体厚度的计算 自支承式塔设备一般都很高，且承受多种载荷的作用。塔体除应满足强度条件外，还需满足稳定条件。1按计算压力计算塔体及封头厚度按第4章“内压薄壁圆筒与封头的强度设计”的有关规定，计算塔体及封头的有效厚度S。和Sa,2塔体承受的各种载荷的计算,自支承式塔设备的塔体除承受工作介质压力之外，还承受自重载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷的作用。,（1）塔设备自重载荷的计算,塔设备的操作质量：(kg)(6-2)塔设备水压试验时的质量，这时设备质量最大，简称设备最大质量(

9、kg)(6-3)设备吊装时的质量，这时设备质量最小，简称设备最小质量：(kg)(6-4),式中m01 塔设备壳体（包括裙座）质量，按求出的壁厚Sn，Sns，及SnH计算，(Sn，Sns，及SnH分别为塔体、裙座和封头的名义壁厚，mm。)；m02一塔设备内件质量，kg；m03塔设备保温材料质量，kg；m04一平台、扶梯质量，kg；m05操作时塔内物料质量，kg；ma人孔、法兰、接管等附属件质量，kg；mw液压试验时，塔器内充液质量，kg；me偏心质量，kg；,（2）地震载荷的计算,当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地展载荷作用下产生弯曲变形所以，安装在7度及7度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它

10、的抗震能力，计算出它的地震载荷。1.水平地震力直径、壁厚沿高度变化的单个圆筒形直立设备，可视为一个多质点体系，如图6-29所示。,因此，在高度hk处的集中载荷mk所引起的基本震型地震力为：式中 z 结构综合影响系数，对圆筒形直立设备取Cz=0.5；1 对应于塔器基本自振周期T（利用图6-30查取1值时，应使T=T1）的地震影响系数值；k 基本震型参与系数；,关于 地震影响系数，按图6-30确定；图中曲线部分按公式 计算，但不得小于0.2max 式中 Tg 各类场地土的特征周期，见表6-3；amax 地震影响系数a的最大值，按表6-2选取；T 塔设备自振周期，s；T1 塔设备基本自振周期，按式（

11、6-7），式(6-8)计算，s。,等直径等壁厚塔器的基本自振周期不等直径或不等壁厚塔器的基本自振周期（如图6-31,垂直地震力地震烈度为8度或9度区的塔器应考虑上下两个方向垂直地震力作用，如图6-32所示。塔器底截面处的垂直地震力按照下式进行计算式中 avmax 垂直地震影响系数最大值，取avmax=0.65avmax；meq塔器的当量质量，取meq=0.75 m0，kg。：,任意质量i点所产生的垂直地震力按式（(6-13)计算,地震弯矩塔器任意计算截面I-I的基本振型地震弯矩（图6-29）按式6-14计算,对于等直径、等厚度塔器的任意截面I-I的地震弯矩底部截面的地震弯矩,（3）风载荷的计算

12、,图6-31所示为自支承式塔设备受风压作用的示意图。塔体会因风压而发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加。为了计算简便，将风压值按设备高度分为几段，假设每段风压值各自均布于塔设备的迎风面上，如图所示。,两相邻计算截面区间为一计算段，任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。两相邻计算截面间的水平风力为 Pi=K1K2iq0filiDei10-6(N)(6-17)K1 体型系数，取K1=0.7；K2i 塔器各计算段的风振系数，当塔高H20 m时，按式(6-18)计算；K2i=1+Vizi/fi(6-18)q0 10 m塔处的基本风压值，N/m2，见表6-4

13、；fi 风压高度变化系数，按表6-5查取；脉动增大系数，按表6-6选取；i 第i段脉动影响系数，按表6-7查取；zi 第i段振型系数，根据hi/H与u查表6-8。hit 塔器第i段顶截面距地面的高度，m；li 同一直径的两相邻计算截面间距离，mm；Dei 塔器各计算段的有效直径，mm；,2风弯矩,塔设备作为悬臂梁，在风载荷作用下产生弯曲变形。任意计算截面的I-I处的风弯矩按下式计算（如图6-32所示）。（6-19）,（4）偏心载荷的计算,有些塔设备在顶部悬挂有分离器、热交换器、冷凝器等附属设备，这些附属设备对塔体产生偏心载荷。偏心载荷所引起的弯矩为：Me=me g e(6-20)式中 me 偏

14、心质量Kge 偏心质量的重心至塔设备中心线的距离，mm,二、塔体稳定验算,首先假设一个筒体有效厚度Sei，或参照内、外压筒体计算取一有效厚度，按下述要求计算并使之满足稳定条件。计算压力在塔体中引起的轴向应力：,图6-34 应力1分布图 图6-35 应力2分布图 图6-36 应力3分布图,操作或非操作时重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力：弯矩在塔体中引起的轴向应力：式中Mi-imax 计算截面处的最大弯矩，取风弯矩或地震弯矩加25风弯矩两者中的较大值与偏心弯矩之和。,应根据塔设备在操作时或非操作时各种危险情况对1、2、3进行组合，求出最大组合轴向压应力i-imax，并使之等于或小于轴向许

15、用压应力c r 值。轴向许用压应力按下式求取：,例如，内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在停车的情况下，即：max在危险截面2-2上的分布情况见图6-37(b),4塔体拉应力校核,首先假设一个有效厚度或参照稳定验算结果取一有效厚度Sei进行计算。应对操作或非操作时各种情况将1、2、3进行组合，求出最大组合轴向拉应力并使之等于或小于许用应力与焊接接头系数和载荷组合系数的乘积。K为载荷组合系数，取K=l.2。如厚度不能满足上述条件，须重新假设厚度，重复上述计算，直至满足为止。,例如，对于内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在正常操作的情况下，即：(6-30)此max在危险截面2-2上的分

16、布情况见图6-38。外压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在非操作的情况下，即：(6-31)此max在危险截面2-2上的分布情况见图6-39。根据按设计压力计算的塔体厚度Se，按稳定条件验算确定的厚度S ei，以及按抗拉强度验算条件确定的厚度Sei的大小，取其中较大值，再加上厚度附加量，并考虑制造、运输、安装时刚度的要求，最终确定塔体厚度。,图6-38最大组合轴向拉应力（内压）图6-39最大组合轴向拉应力（外压）,5塔设备水压试验时的应力验算,对选定的各危险截面按式（6-32）式（6-35）进行各项应力计算：由试验压力引起的环向应力（6-32）由试验压力引起的轴向应力（6-33）由液压试验时

17、重力引起的轴向应力（6-34）由弯矩引起的轴向应力（6-35）液压试验时圆筒材料的许用轴向压应力按下式确定：(6-36),计算所得的各项应力应满足式（6-37）、式（6-38）和式(6-39)的要求。式中K载荷组合系数，取K=1.2,三、裙座设计,(1)座体它的上端与塔体底封头焊接在一起，下端焊在基础环上。座体承受塔体的全部载荷，并把载荷传到基础环上去。(2)基础环基础环是块环形垫板，它把由座体传下来的载荷，再均匀地传到基础上去。(3)螺栓座由盖板和筋板组成，供安装地脚螺栓用，以便地脚螺栓把塔设备固定在基础上。(4）管孔在裙座上有检修用的人孔、引出孔、排气孔等。现依次介绍座体、基础环、螺栓和螺

18、栓座以及管孔的设计,1座体设计,首先参照塔体厚度选取一座体有效厚度Ses，然后验算危险截面的应力。危险截面位置，一般取裙座基底截面（(0-0截面)或人孔处（(1-1截面)。如基底为危险截面时应满足下列条件：操作时水压试验时 Zsb 裙座圆筒底部的截面系数（=0.785D2isSs），mm3；Asb 裙座圆筒底部的截面积（DisSs），mm2；,操作时,如裙座上人孔或较大管线引出孔处为危险截面时应满足下列条件：操作时水压试验时 Asm 人孔或较大管线引出孔处裙座壳的截面积,2基础环设计,(1)基础环尺寸的确定基础环内、外径一般可参考下式选取：（6-47）式中Dis座体基底截面的内径，mm；Dob

19、基础环的外径，mm；Dib基础环的内径，mm；,(2)基础环厚度计算,操作时或水压试验时，设备重量和弯矩在混凝土基础上（基础环底面上）所产生的最大组合轴向压应力为,式中 Zb 基础环的抗弯截面系数，mm3；Ab 基础环的面积，mm3；基础环的厚度必须满足bmax小于等于混凝土基础的许用应力Ra，如表6-9所示。基础环上的最大压应力bmax可以认为是作用在基础环底上的均匀载荷。,表6-9 混凝土基础的许用应力Ra,基础环上无筋板时（图6-46），基础环作为悬壁梁，在均匀载荷bmax（基础底面上最大压应力）的作用下，如图6-48所示，其最大弯曲应力为（6-49）由此，得基础环厚度的计算公式：(6-

20、50)式中 基础还材料的许用应力，对于低碳钢而言，140 MPa。,基础环上有筋板时（图6-47），基础环的厚度按下式计算：（6-51）式中MS计算力矩，取矩形板X,Y轴的弯矩Ms从中的绝对值较大者，Mx、My从按表6-10计算，Nmm/mm。基础环厚度求出后，应加上壁厚附加量2 mm，并圆整到钢板规格厚度。无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16 mm.。,3.地脚螺栓计算,为了使塔设备在刮风或地震时不致翻倒，必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓，把设备固定在基础上。地脚螺栓承受的最大拉应力为,如果B0则设备自身足够稳定，但是为了固定设备位置，应该设置一定数量的地脚螺栓。如果B 0，则设备必须安装地脚螺栓，并须进行计算。计算时可先按4的倍数假定地脚螺栓数量。，此时地脚螺栓的螺纹根部直径d1按式（(6-52)计算。,4.裙座与塔体的连接,(1)裙座与塔体连接焊缝结构裙座与塔体连接焊缝的结构型式有两种：一是对接焊缝，如图6-50(a),（b）所示；二是搭接焊缝，如图6-50(c),(d)所示。,(2)裙座与塔体对接焊缝的验算对接焊缝J-J截面处的最大拉应力：并使,(3)裙座与塔体搭接焊缝的验算J-J截面处搭接焊缝的剪应力w按式（6-54）或式（6-55）验算：,