第六章 塔设备的机械设计

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 m0 m01 m02 m03 m04 mw ma me (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： m0 m01 0.2m02 m03 m04 ma me (kg) (6-4)
M
00 E
8CZ 1 m0 g (10 H 3.5 14 H 2.5 h 4h3.5 ) 175H 2.5
(Nmm)

底部截面的地震弯矩 16 I I M E CZ 1 mo gH 35
(Nmm)
（3）风载荷的计算

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。
Fk Cz α1k mk g (N )



式中 Ｃz—— 结构综合影响系数，对圆筒形 直立设备取Cz=0. 5； α1—— 对应于塔器基本自振周期T（利用图630查取α1值时，应使T =T1）的地震影响系数 α值； ηk—— 基本震型参与系数；

关于 α—— 地震影响系数，按图6-30确定；图中曲 Tg 0.9 线部分按公式

（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—— 偏心质量Kg e—— 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
1. 喷洒型

对于小直径的填料塔（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618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。
m0 H T1 90.33H 103 ESe Di 3

不等直径或不等壁厚塔器的基本自振周期（如 图6-31
n hi 3 n hi 3 hi 3 T1 114.8 mi ( ) ( ) 103 ( s) H i 1 Ei H i i 1 Ei 1H i 1 i 1 n


② 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
F

00 v
V max eq g m

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。：
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;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
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



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=K1K2iq0filiDei×10-6 (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H≤20 m时，按式(6-18) 计算； K2i=1+ζViφzi/fi (6-18) q0—— 10 m塔处的基本风压值，N/m2，见表6-4； fi—— 风压高度变化系数，按表6-5查取； ξ—— 脉动增大系数，按表6-6选取； νi—— 第i段脉动影响系数，按表6-7查取； φzi—— 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；
第六章 塔设备的机械设计
第一节 概述

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： ①选材立足国内； ②结构安全可靠，满足工艺要求； ③制造、安装、使用、检修方便。
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。 ５．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。
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S<a,
2．塔体承受的各种载荷的计算


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：
Pc Di 1 4Sei (MPa)
二、 塔盘结构


塔盘在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800~900 mm以下时，建议采用整块式塔盘。 当塔径在800~900 mm以上时，人可以在塔内 进行装拆，一般采用分块式塔盘。
m0 m01 m02 m03 m04 m05 ma me




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；
(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。
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 截面大致相等； (3)槽板扁钢条之间的距离约为填料外径的60％～80 ％； (4)栅板可以制成整块的或分块的。
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。
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）。
M
i i W

li li 1 li 2 Pi Pi 1 (li ) Pi 2 (li li 1 ) (Nmm) 2 2 2

图6-12 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，