第13章 塔器(塔设备)

作者:365体育官网发布日期:2021-01-13 17:46

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  第13章 塔器(塔设备) 容器设计 本章主要内容 ● 13.1 概述 ● 13.2 板式塔 13.2.1 板式塔的分类 13.2.2 板式塔的结构 ● 13.3 填料塔 13.3.1 填料 13.3.2 填料塔内件的结构设计 ● 13.4 塔的强度设计 13.1 概述 容器设计 13.1.1 塔设备的应用 化工、炼油、石油化工、医药、食品及环境保护等工业部门。 表13-1 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例 装置名称 化工及石 油化工 炼油及 煤化工 化纤 塔设备投资 的比例(%) 25.4 34.85 44.9 装置名称 60万吨,120万吨/年 催化裂化 30万吨/年乙烯 4.5万吨/年丁二烯 塔设备重量 的比例(%) 48.9 25.3 54 13.1 概述 容器设计 13.1.2 塔设备的选型 一、塔设备的分类 (1) 按操作压力分:加压塔、常压塔及减压塔。 (2) 按单元操作分:精馏塔、吸收塔、介吸塔、萃取塔、 反应塔、干燥塔等。 (3) 按内件结构分:填料塔、板式塔。 13.1 概述 容器设计 13.1 概述 容器设计 二、塔的组成 塔体——外壳。除操作压力(内 压或外压)、温度外, 要考虑风载、地震载 荷、偏心载荷,及试 压、运输、吊装时的强 度、刚度及稳定性要求。 塔内件 塔体 支座 人孔或手孔 除沫器 接管 吊柱及扶梯 操作平台等 支座——塔体与基础的 连 接结构。 裙式支座。 13.1 概述 过程设备设计 二、塔的组成 人孔及手孔——为安装、检修、检 查等需要所设置。 除沫器——捕集夹带在气流中的液 滴。 塔内件 塔体 支座 人孔或手孔 除沫器 接管 吊柱及扶梯 操作平台等 吊柱——安装于塔顶,安装、检修时 吊运塔内件。 接管——可分为进液管、出液管、 回流管、进气出气管、侧 线抽出管、取样管、仪表 接管、液位计接管等。 13.2 板式塔 容器设计 板式塔作用 ——逐级(板)接触的气液传质设备。 塔板——气液接触和传质的基本构件。 气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层 使气—液相密切接触而进行传质与传热 两相的组份浓度呈阶梯式变化 3.2 板式塔 1—吊柱 2 —气体出口 3 —回流液入口 4 —精馏段塔盘 5 —壳体 6 —料液进口 7 —人孔 8 —提馏段塔盘 9 —气体入口 10 —裙座 11 —釜液出口 12 —出入口 容器设计 图13-1板式塔的总体结构 塔盘结构 13.2 板式塔 容器设计 13.2.1 板式塔的分类 泡罩塔 筛板塔 浮阀塔 舌形塔等 1.按塔板结构 目前应用最广的是筛板塔及浮阀塔 错流板式塔和逆 流板式塔,或称 有降液管的塔板 见图13—2, 有降液管的塔板 应用较广 和无降液管的塔 板。 2.按气液两相流动方式 13.2 板式塔 容器设计 (a)错流式 (b)逆流式 图 13—2 错流式和逆流式塔板 13.2 板式塔 容器设计 13.2.2.1 塔盘 分类 13.2.2 板式塔的结构 按塔径及结构分为整块式塔盘及分块式塔盘。 整块式塔盘 分块式塔盘 DN≤700mm DN≥800mm 13.2 板式塔 容器设计 一、整块式塔盘 定距管式 组装方式 重叠式 结构——塔体由若干塔节组成,内装有一定数量的塔盘, 塔节间用法兰连接。 13.2 板式塔 容器设计 1. 定距管式塔盘 结构 用定距管和拉杆将同一塔节内的几块塔盘支承并固定 在塔节内的支座上,定距管起支承塔盘和保持塔盘间 距的作用 塔盘与塔体之间的间隙,以软填料密封并用压圈压紧, 见图13-3。高度随塔径增加。 塔径DN=300~500mm时,塔节高度L=800~ 1000mm;塔径DN=600~700mm时,塔节高度 L=1200~1500mm。 为方便安装,每个塔节中的塔盘数为5-6块。 13.2 板式塔 容器设计 1—塔盘板 2—降液管 3—拉杆 4—定距管 5—塔盘圈 6—吊耳 7—螺栓 8—螺母 9—压板 10 —压圈 11—石棉绳 图13-3定距管式塔盘结构 13.2 板式塔 容器设计 2. 重叠式塔盘 结构 塔节下部焊有一组支座,底层塔盘支承在 支座上,依次装入上一层塔盘,塔盘间距 由其下方的支柱保证,并可用三只调节螺 钉调节塔盘的水平。 塔盘与塔壁之间的间隙,同样采用软填料 密封,用压圈压紧,见图13-4。 13.2 板式塔 容器设计 1—调节螺栓 3—支柱 5—塔盘圈 7—支承圈 9—螺母 11—塔盘板 2—支承板 4—压圈 6—填料 8—压板 10—螺柱 12—支座 图13-4 重叠式塔盘结构 13.2 板式塔 容器设计 密封结构——软填料密封,石棉线、聚四氟乙烯纤维编织填料。 1.螺栓 2—螺母 3—压板 4—压圈 5—填料 6—圆钢圈 7—塔盘 图13-5 整块式塔盘的密封结构 13.2 板式塔 容器设计 二、分块式塔盘 ——直径较大,便于制造,安装、检修, 通过人孔送入塔内,焊于塔体内壁塔盘支承件上。 焊制整体圆筒,不分塔节。见图13-6。 要求——结构简单,装拆方便,足够刚 性,便于制造、安装和维修。 13.2 板式塔 容器设计 图13-6 分块式塔盘的组装结构 1—出口堰 2—上段降液板 3—下段降液板 4—受液盘 5—支撑梁 6—支撑圈 7—受液盘 8—入口堰 9—塔盘边板 10—塔盘板 11—紧固件 12—通道板 13—降液板 14—出口堰 15—紧固件 16—连接板 通道板 塔盘结构 13.2 板式塔 容器设计 分类——自身梁式或槽式. 常用自身梁式(将塔盘板冲压出折边, 足够刚性,结构简单,节省钢材), ------------------------见图13-7。 13.2 板式塔 容器设计 图13-7 分块式塔盘板 通道板、自身梁式塔板及其连接 13.2 板式塔 容器设计 通道板—— 接近中央处设置,塔内清洗和维修。 在同一垂直位置上,以利采光和拆卸。 也可用一块塔盘板代替,见图13-6。 13.2 板式塔 容器设计 图13-8双面可拆结构 椭圆垫板 13.2 板式塔 容器设计 13.2.2.2 降液管 一、降液管的型式 结构型式——圆形和弓形两类。 圆形降液管—— 用于液体负荷低,塔径较小, 不容易引起泡沫的场合 (图13-9(a),(b),(c)) 弓型区截面中仅有一小部分用 于有效的降液截面。 13.2 板式塔 容器设计 (a) (b) (c) (d) 弓形区全部截面 用作降液面积 (e) 固定在塔盘上的 弓型降液管 弓型区截面中仅有一小部 分用于有效的降液截面。 图13-9 降液管的型式 13.2 板式塔 过程设备设计 二、降液管的结构 整块式塔盘的降液管, 一般直接焊接于塔盘 板上。 (b)用于不锈钢塔盘 或塔盘板较薄时 (a)用于碳钢 塔盘,或塔盘 板较厚 (a) (b) 图13-10 整块式塔盘的弓型降液管结构 13.2 板式塔 分块式塔盘的降液管,有垂直式和倾斜式 容器设计 垂直式降液管 ——小直径或负 荷小的塔,结构 比较简单 倾斜式降液管——用于降液面积占塔盘 总面积12%以上时,取倾角为10°左右, 使降液管下部的截面积为上部截面积的 55~60%,增加塔盘的有效面积。 图13-11 降液管的形式 13.2 板式塔 容器设计 降液管与塔体的连接——可折式及焊接固定式 (a) (b) ( c) 搭接式,组装 时可调节其位 置的高低 折边辅助梁式,可增加 降液板的刚度,但组装 时不能调节 兼有可调节及 刚性好的结构 图13-12 可折式降液管的组装结构 13.2 板式塔 容器设计 13.2.2.3 受液盘 目的—— 保证降液管出口处的液封, 设在塔盘上。有平型和凹 型两种。 平型受液盘——用于物料 容易聚合的场合。可以避 免在塔盘上形成死角。 图13-60(a)为一种可 拆式平型受液盘。 (a) 1—受液盘 2—降液盘 3—塔盘板 4—塔壁 图13-13 受液盘结构 13.2 板式塔 容器设计 凹型受液盘对液体流 动有缓冲,当液体通 过降液管与受液盘的 压力降大于25mm水 柱,或使用倾斜式降 液管时使用。 可降低塔盘入口处的 液封高度,使液流平 稳,有利于塔盘入口 区更好地鼓泡。凹型 受液盘的深度一般大 于50mm,但不超过 塔板间距的三分之一, 否则应加大塔板间距。 (b) 1—塔壁 2—降液板 3—塔盘板 4—受液盘 5—筋板 图13-14 受液盘结构 13.2 板式塔 容器设计 液封盘 ——为保证降液管出口处的液封,设置在塔 或塔段的最底层塔盘降液管处。 泪孔 ——供停工时排液用。 13.2 板式塔 容器设计 1-支承圈 2-液封盘 3-泪孔 4-降液板 图13-15 弓形降液管液封盘结构 13.2 板式塔 容器设计 1-圆形降液管 2-筋板 3-液封盘 图13-16 圆形降液管 液封盘结构 13.2 板式塔 容器设计 13.2.2.4. 溢流堰 根据位置分为进口堰及出口堰 进口堰—— 平型受液盘,保证降液管的液封,使液体 均匀流入下层塔盘,并减少液流在水平方 向的冲击,设在液流进入端。 13.2 板式塔 容器设计 根据位置分为进口堰及出口堰 出口堰——保持塔盘上液层的高度,并使流体均匀分布。 出口堰上最大溢流强度<100~130m3/(h·m)。决定出口堰长度。 单流型塔盘——出口堰长度 Lw= (0.6~0.8)Di (其中Di为塔的内径); 双流型塔盘——出口堰长度 Lw=(0.5~0.7)Di。 出口堰高度 hw——由物料性能,塔型,液体流量及塔板 压力降等因素确定。 13.2 板式塔 容器设计 图13-17 溢流堰的结构尺寸 13.3填料塔 容器设计 填料塔的作用 ——微分接触型气液传质设备。 填料——气液接触和传质的基本构件。 ——液体在填料表面呈膜状自上而下流动; ——气体呈连续相自下而上与液体作逆流流动,并进行气液 两相间的传质和传热。 ——两相的组份浓度或温度沿塔高呈连续变化。 13.3填料塔 1—吊柱; 2—人孔; 3—排管式液体分布器; 4—床层定位器; 5—规整填料; 6—填料支承栅板; 7—液体收集器; 8—集液管; 9—散管填料; 10—填料支承装置; 11—支座; 12—除沫器; 13—槽式液体再分布器; 14—规整填料; 15—盘式液体分布器; 16—防涡流器 容器设计 图13-18 填料塔的总体结构 填料塔 13.3 填料塔 13.3.1 填料 容器设计 填料——塔的核心内件,提供气-液两相接触的传质和换热 表面,与塔的其它内件共同决定塔的性能。 散装填料 填料分类 规整填料 散装填料——安装时以乱堆为主,也可以整砌。具有一定外形结 构的颗粒体,又称颗粒填料。 环形 散装填料 鞍形 环鞍形 13.3 填料塔 容器设计 13.3.2 填料塔内件的结构设计 13.3.2.1 填料的支承装置 位置: 作用: 安装在填料层的底部。 防止填料穿过支承装置而落下; 支承操作时填料层的重量; 保证足够的开孔率,使气液两相能自由通过。 具备足够的强度及刚度,结构简单,便于安装, 耐腐蚀。 要求: 13.3填料塔 容器设计 图13-19 栅板型支承装置 栅板支承 13.3 填料塔 容器设计 13.3.2.2 填料塔的液体分布器 作用—— 液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上, 形成液体的初始分布。 设计要点—— 液体分布点密度,分布点布液方式, 布液的均匀性等因素。 包括——分布器结构形式、几何尺寸确定、 液位高度或压头大小、阻力等。 13.3 填料塔 容器设计 分布参数—— D≤ 400mm时,每 30cm2的塔截面设一个喷淋点 D≤ 750mm时,每 60cm2的塔截面设一个喷淋点 D≤1200mm时,每240cm2的塔截面设一个喷淋点 规整填料—— 对液体分布均匀要求高,按每20~50cm2塔截 面设置一个喷淋点。 位置——高于填料层表面150~300mm。 结构分类—— 管式、槽式、喷洒式及盘式。 13.3 填料塔 容器设计 一、管式液体分布器 重力型 分类 压力型 重力型排管式液体分布器-----进液口为漏斗形,内置金属丝网过滤器,以防止固体杂质进 入液体分布器内。液位管2及液体分配管3可用圆管或方管制 成。布液管 4一般由圆管制成,且底部打孔以将液体分布到 填料层上部。 13.3 填料塔 容器设计 1-进液口 3-液体分配管 2-液位管 4-布液管 图13-20 重力型排管式液体分布器 13.3 填料塔 容器设计 (a) 排管式 (b) 环管式 图13-21 压力型管式分布器 13.3 填料塔 容器设计 二、槽式液体分布器 ——为重力型分布器, 它是靠液位(液体的重力)分布液体。 孔流型 分为 溢流型 13.3 填料塔 容器设计 1-主槽 2-分槽 图13-22 槽式孔流分布 13.3 填料塔 容器设计 图13-23 槽式溢流型液体分布器 13.3 填料塔 容器设计 三、喷洒式液体分布器 结构——与压力型管式分布器相似,在液体压力下,通过喷 嘴(而不是管式分布器的喷淋孔)将液体分布在填 料上,见图13-23。 早期使用莲蓬头,由于分布性能差,现已很少使用。 现利用喷嘴代替莲蓬头,取得较好的分布效果。 设计 ——喷嘴,包括结构、布置、喷射角度,液体的流量及 关键 安装高度等。 喷嘴喷出的液体呈锥形,为了达到均匀分布,锥底 需有部分重叠,重叠率为30~40%,喷嘴安装于填料 上方约300~800mm处,喷射角度约120°。 13.3填料塔 容器设计 图13-23 喷洒式 液体分布器 1 放大 主管 支管 接管 喷嘴 喷洒式液体分布器 13.3 填料塔 容器设计 四、盘式液体分布器 孔流式 分类 溢流式 1.盘式孔流型液体分布器 结构——在底盘上开有液体喷淋孔并装有升气管。 气液的流道分开,气体从升气管上升,液体 在底盘上保持一定的液位,并从喷淋孔流下。 升气管截面可为圆形,也可为锥形,高度一 般在200mm以下; 13.3 填料塔 容器设计 分布器边圈 与塔壁间的 空间可作为 气体通道。 当塔径在1.2m以下时—— 图13-24 小直径塔用盘式孔流分布器 可制成具有边圈的结构 13.3 填料塔 容器设计 图13-25 盘式溢流型 液体分布器 13.3 填料塔 容器设计 13.3.2.3 液体收集再分布器 作用——消除“壁流”,避免 “干锥”。 ——消除气、液的径向浓度差。 做法——在各段填料之间加液体收集再分布器。 13.3 填料塔 容器设计 Di Dl 图13-26 分配锥 (a)分配锥 13.3填料塔 容器设计 图13-26(b)—— 分配锥上具有通 孔,改进结构。 通孔使通气面积 增加,气速变化 Dl Di 不大。 图13-26 分配锥 (b)具有通孔的分配锥 13.3 填料塔 容器设计 D0 D1 图13-27 玫瑰式壁流 收集再分布器 13.3填料塔 容器设计 13.3.2.4 填料的压紧和限位装置 目的—— 避免气速较高或压力波动较大时,填料层松动所引 起的气、液相的不良分布,及散装填料的流化。 填料压紧器—— 用于陶瓷、石墨等 脆性散装填料。 填料层限位器—— 用于金属、塑料制 散装填料及各种规 整填料。 13.3 填料塔 容器设计 由钢圈、栅条及金属网制成,当塔径较大,可适当增强其重量。 图13-28 网板式填料压板 13.4 塔的强度设计 特点——安装在室外,靠裙座底部的地脚螺栓固定在 混凝土基础上。 介质压力 各种重量 管道推力 承受载荷 偏心载荷 风载荷 地震载荷 包括塔体、塔内件、介 容器设计 质、保温层、操作平台、 扶梯等附件的重量 13.4 塔的强度设计 容器设计 正常操作 三种工况 停工检修 压力试验 三种工况下轴向强度及稳定性校核的基本步骤: 按设计条件,初步确定塔的厚度和其他尺寸。 计算塔设备危险截面的载荷,包括重量、风载荷、地震 载荷和偏心载荷等。 危险截面的轴向强度和稳定性校核。 设计计算裙座、基础环板、地脚螺栓等。 13.4 塔的强度设计 容器设计 塔的强度设计的解题思路 介质压力 各种重量 承受载荷 地震载荷 风载荷 偏心载荷 等等 应力校核 要用到 固有周期T σ1 σ2 M 由轴向力 引起的 σ3 由弯矩引起的 σ总 轴向总应力


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