塔设备

目录

一、塔设备的应用 (2)

二、塔设备的分类 (2)

2.1 填料塔 (3)

2.2板式塔 (4)

三、塔的强度设计 (5)

3.1塔的强度设计的基本步骤 (5)

3.2 塔设备的强度设计 (6)

3.2.1 塔的固有周期 (6)

3.2.2 塔的载荷分析 (10)

四、塔的强度校核和稳定性计算 (14)

4.1筒体的强度及稳定性校核 (14)

4.2 裙座的强度及稳定性校核 (15)

五、学习体会 (17)

一、塔设备的应用

塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。它可使气（汽）液或液液相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。在塔设备中能进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸，气体的增湿及冷却等。表1中所示为几个典型的实例。

表1 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例

实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际传质和传热的目的。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置性能好坏、对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。因此对设备的研究一直是工程界所关注的热点。随着石油、化工的发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。

为了使塔设备能更有效、更经济的运行，除了要求它满足特定的工艺条件，还应满足以下基本要求。

①满足特定的工艺条件；

②气—液两相能充分接触，相际传热面积大；

③生产能力大，即气、液处理量大；

④操作稳定，操作弹性大，对工作负荷的波动不敏感；

⑤结构简单、制造、安装、维修方便，设备投资及操作成本低；

⑥耐腐蚀，不易堵塞。

二、塔设备的分类

塔设备的种类很多，为了便于比较和选型，必须对塔设备进行分类，常见的分类方法有：

①按操作压力分有加压塔、常压塔及减压塔；

②按单元操作分有精馏塔、吸收塔、解吸塔、淬取塔、反应塔、干燥塔等；

③按内件结构分有板式塔、填料塔。

2.1 填料塔

以填料作为气、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递向流动，并进行气、液两相间的传质和传热。两相的组分浓度和温度沿塔高连续变化。填料塔属于微分接触型的气、液传质设备。如图2.1为填料塔的总体结构：

图2.1 填料塔的总体结构

2.2板式塔

以塔板作为气、液接触和传质的基本构件，液体自上而下流入各层塔板，形成液池，气体以鼓泡或喷射的形式自下而上穿过各层塔板的筛孔、液池，使气、液两相密切接触而传质和传热。两相的组分浓度呈阶梯式变化，板式塔属于逐级接触型的气、液传质设备。如图2.2为板式塔的总体结构。

图2.2 板式塔的总体结构

无论是板式塔还是填料塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。

a.塔体塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒及上

下封头组成。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压力（内压或外压）、温度外，还要考虑风载荷、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求

b.支座塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设备较高、重量较大，

为保证其足够的强度及刚度，通常采用裙式支座。

c.人孔及手孔为安装、检修、检查等需要，往往在塔体上设置人孔或手

孔。不同的塔设备，人孔或手孔的结构及位置等要求不同。

d.接管用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接。按其用途

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。

e.除沫器用于捕集夹带在气流中的液滴。除沫器工作性能的好坏对除沫

效率、分离效果都具有较大的影响。

f.吊柱安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。

三、塔的强度设计

3.1塔的强度设计的基本步骤

塔设备大多安装在室外，靠裙座底部的地脚螺栓固定在混凝土基础上，通常称为自支承式塔，除承受介质压力外，塔设备还承受各种重量（包括塔体、塔内件、介质、保温层、操作平台、扶梯等附件的重量）、管道推力、偏心载荷、风载荷及地震载荷的联合作用，由于在正常工作、停工检修、压力试验等三种工况下，塔所受的载荷并不相同，为了保证塔设备安全运行，必须对其在这三种工况下进行轴向强度及稳定性校核。

轴向载荷及稳定性强度校核的基本步骤：

（1）按设计条件，初步确定塔的厚度和其他尺寸；

（2）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；

（3）危险截面的轴向强度和稳定性校核；

（4）设计计算裙座、其他环板、地脚螺栓等。

在完成设计任务书后，按以下步骤进行塔设备的机械设计。

I.进行强度、刚度和稳定性设计

II.进行结构设计

具体步骤：

I.进行强度、刚度和稳定性设计

①了解设计条件；②选材；③按设计压力计算塔体和封头壁厚；④塔设备质量载荷计算；⑤风载荷与风弯矩计算；⑥地震载荷与地震弯矩计算；⑦偏心载荷与偏心弯矩计算；⑧各种载荷引起的轴向应力；⑨塔体和裙座危险截面的强度和稳定校核；⑩塔体水压试验和吊装时的应力校核；基础环设计；地脚螺栓计算。II.进行结构设计板式塔设计内容如下：

①塔体与裙座结构；②塔盘结构；③除沫装置；④设备连接；⑤塔附件。

塔设备的强度和稳定性计算

设备的载荷分析和设计准则；质量载荷自振周期地震载荷风载荷偏心弯矩，最大弯矩，圆筒轴向应力校核，塔设备压力试验时的应力校核，裙座轴向应力校核，地脚螺栓座，裙座与塔壳焊缝，塔设备法兰当量设计压力，塔设备设计计算实例。

3.2 塔设备的强度设计

3.2.1 塔的固有周期

在动载荷(风载荷、地震载荷)作用下，塔设备各截面变形及内力与塔的自由振动周期(或频率)及振型有关。在进行塔设备载荷计算及强度校核之前，必须首先计算固有（或自振）周期。

在不考虑操作平台及外部管线的限制作用时，若将塔设备视为多个自由度的体系，则它就具有多个固有周期，其中最低的频率为,成为基本固有频率或称基本频率，然后从低到高依次是第二频率，第三频率，对应于任何一个频率，体系中各质点振动后的变形曲线称为振型，与基本频率相对应的周期称为基本固有周期或基本周期。

（1）等直径、等厚度塔的固有周期

对于等直径、等厚度塔，质量沿高度均匀分布，则计算模型通常华为顶端自由、底部固定、质量沿高度分布的悬臂梁，如图3.2.1-1所示，梁在动载荷作用下发生弯曲振动时，其挠度曲线随时间而变化，可表示为y=y(x,t),设塔为理想弹性体、振幅很小、无阻尼、塔高与塔直径之比较大（大于5），由材料力学中的弯曲理论知，在分布惯性力q的作用下的挠曲线微分方程为