塔设备机械设计

第一章绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。

在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。

这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。

传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。

以及吸附、离子交换、干燥等方法。

相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。

在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。

为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。

根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。

两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。

不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。

塔体是塔设备的外壳。

常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。

随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。

塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。

另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。

支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。

其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。

它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。

塔设备强度计算的主要的内容是塔体和支座的强度和刚度计算。

化工生产对塔设备的基本要求塔设备设计除应满足工艺要求外，尚需考虑下列基本要求：（1）气、液处理量大，接触充分，效率高，流体流动阻力小。

（2）操作弹性大，即当塔的负荷变动大时，塔的操作仍然稳定，效率变化不大，且塔设备能长期稳定运行。

（3）结构简单可靠，制造安装容易，成本低。

（4）不易堵塞，易于操作、调试及检修。

1.2板式塔板式塔具有物料处理量大，重量轻，清理检修方便，操作稳定性好等优点，且便于满足工艺上的特殊要求，如中间加热或或冷却、多段取出不同馏分、“液化气”较大等。

但板式塔的结构复杂，成本较高。

由于板式塔良好的操作的性能和成熟的使用经验，目前在化工生产的塔设备中，占有很大比例，广泛用于蒸馏、吸收等传质过程。

板式塔内部装有塔盘，塔体上有进料口、产品抽出口以及回流口等。

此外，还有很多附属装置，如除沫器、入手孔、支座、扶梯平台等。

一般各层塔盘结构是相同的，只有最高一层、最低一层和进料层的结构和塔盘间距有所不同。

最高一层塔盘和塔顶之间，要有一定的距离，以便能良好的除沫。

有时，在该段上还装有除沫器。

最低一层塔盘到塔顶的距离一般也高于塔盘间距离，因为塔底空间起着贮槽作用，以保证液体有足够的贮存，使塔底液体不致流空。

塔底大多是直接通入从塔外再沸器来的蒸汽，有时则以列管或蛇管将塔底的液体加热汽化。

进料塔盘的间距也比较高。

对于急剧汽化的料液在进料塔底上须装上挡板、衬板或除沫器，此时进料塔盘间距还得更高一些。

此外，开有人孔的塔盘间距也较大，一般为700mm。

为了塔体的保温，在塔体上有时焊有保温材料的支承圈。

为检修方便，有时还在塔顶装有可转动的吊柱。

可见，板式塔与填料塔的区别仅在于内部结构不同。

对于板式塔来说，内部的主要结构是塔盘结构，包括塔板、降液管及受液盘、溢流堰、紧固件和支撑件等。

1.3浮阀塔浮阀塔从五十年代起已大量应用于工业生产用以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、解析等过程。

大型浮阀塔的塔径可达10m，塔高达83m，塔板有数百块之多。

浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片。

浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定操作。

因此浮阀塔能在较宽的流量范围内保持高效率，其操作弹性比筛板、泡罩和舌形塔盘大得多；由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少，塔板效率比泡罩塔高15%左右；由于气流通过浮阀只有一次收缩、扩大及转弯，故单板压力降比泡罩塔低；浮阀形状简单，液面落差小；由于阀盘大多用不锈钢制造，加之浮阀不停的浮动，所以不易积垢堵塞，故操作周期较泡罩塔长，清理也节省时间；另外。

其结构比较简单，安装容易，制造费仅为泡罩塔的60%~80%，（但为筛板塔的120%~130%）。

1.4原油的分馏石油是由超过8000种不同分子大小的碳氢化合物（及少量硫化合物）所组成的混合物。

石油在使用前必须经过加工处理，才能制成适合各种用途的石油产品。

常见的处理方法为分馏法，利用分子大小不同，沸点不同的原理，将石油中的碳氢化合物予以分离，再以化学处理方法提高产品的价值。

工业上先将石油加热至400℃~500℃之间，使其变成蒸气后输进分馏塔。

在分馏塔中，位置愈高，温度愈低。

石油蒸气在上升途中会逐步液化，冷却及凝结成液体馏分。

分子较小、沸点较低的气态馏分则慢慢地沿塔上升，在塔的高层凝结，例如燃料气、液化石油气、轻油、煤油等。

分子较大、沸点较高的液态馏分在塔底凝结，例如柴油、润滑油及蜡等。

在塔底留下的黏滞残余物为沥青及重油，可作为焦化和制取沥青的原料或作为锅炉燃料。

不同馏分在各层收集起来，经过导管输离分馏塔。

这些分馏产物便是石油化学原料，可再制成许多的化学品。

1.5 设计任务和思想1.5.1.设计任务设计课题为浮阀塔，设计包括结构设计和强度设计。

结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括浮阀塔的材料，确定壁厚和要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求。

1.5.2 .设计思想尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点：1) 根据GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999〈〈管壳式浮阀塔〉〉等国家标准为基础进行设计。

2）满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量的调节。

3）满足经济上的要求，考虑省热能和电能的消耗，设备投资与运行费用，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。

4）保证生产安全，保证浮阀塔具有一定的刚度和强度。

设计中根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，容器是否有足够的腐蚀裕度。

第二章浮阀塔的主体结构设计浮阀塔的总体结构如图2-1所示图2-1 浮阀塔的总体结构图浮阀塔由塔体、内件、及支座等部件组成，如图1、图2所示。

塔体由钢板焊接。

为了满足工艺要求及制造安装的需要，在塔体上设有许多的零部件及接管，如液面计、入孔、手孔、进料管、进气管、出料管、回流管、产品抽样管以及安装温度计及压力表的接管等。

为了安装、检修及操作，在塔体上还装有吊柱、平台及扶梯。

为了安装保温材料，在塔底上焊有一定数量的支撑圈。

浮阀塔采用裙座支承。

板式塔内件主要包括塔盘、降液管、受液管、除沫器等。

各层塔盘间距相等。

但是底层塔盘到塔底的距离（塔底空间）一般比塔底空间要高得多，因为它起着贮槽的作用，使塔底液体不致流空。

顶层塔板到塔顶的距离（塔顶空间）也较大，一般取1.2-1.5m，目的是减少塔顶排气中携带的液体量。

为了更好的分离气体中携带的液体以提高产品质量，还在塔顶设置除沫装置。

进料段空间高度取决于进料介质的状态，因为为液相进料，取为与塔板间距相同。

此外，在开入孔处的塔盘间距要考虑人员进入的需要，设为700mm。

裙座高度由工艺配置决定。

第三章材料选择及零部件结构设计3.1 浮阀塔的材料选择塔设备与其他化工设备一样，置于室外，无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。

这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也较成熟。

本设计的浮阀塔的塔径不大，主要的材料选用钢材。

为了满足腐蚀性介质或低温要求，采用有色金属材料（如钛、铝、铜、银等）或非金属耐腐蚀材料。

浮阀塔的塔盘以及浮阀，由于结构较为复杂，加之安装工艺和使用方面的要求，（如浮阀应能自由浮动），所以以钢材为主，其他材料为辅。

3.2浮阀塔的零部件结构设计3.2.1 浮阀塔盘的结构设计塔盘分为整块式和分块式两种。

当塔径小于900mm时采用整块式塔盘；当塔径大于800mm时，由于人能在塔内安装、拆卸，可采用分块式塔盘；根据本设计的条件，塔径为1600mm，故采用分块式塔盘。

采用分块式塔盘时，为便于安装、检修、清洗，常将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支撑件上。

此时，塔体为一焊制整体圆筒，不分塔节。

分块式塔盘一般采用自身梁式塔板，他的特点是结构简单，制造方便，由于将塔板冲压折边，使其具有足够的刚性，这样不仅简化了塔盘结构，而且可以节约材料。

为进行塔内清洗和检修，使人能进入各层塔盘，可在塔板接近中央处设置一块内部通道板。

又因在一般情况下，塔体设有两个以上的人孔，人可以从上面或下面进入，故通道板应是上、下均可拆的。

3.2.2裙座的结构设计为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。

裙座与塔体的连接采用焊接，焊接接头采用对接型式。

裙座筒体与塔釜封头的外径相等，裙座筒体与塔釜封头的连接焊缝采用全焊透的连续焊，且与塔釜封头外壁圆滑过渡。

3.3浮阀塔其他零部件结构设计3.3.1．降液管及受液盘（1）降液管降液管一般分为圆形和弓形两种，圆形降液管通常在液体负荷或塔径较小时使用，可采用一根或数根圆形或长圆形降液管。

为了增加溢流周边，并提供足够的分离空间，可在降液管前方设置溢流堰，也可将圆形降液管伸出塔盘表面兼做溢流堰，如上图3-1根据本设计的条件，选用圆形降液管。

图3-1 凹形受液盘1-塔壁；2-降液板；3-塔板；4-受液盘；5-支座为防止气体从降液管底部窜入，降液管必须有一定的液封高度'w h 。

降液管底端到下层塔盘受液盘的间距0h 应低于溢流堰高度w h ，通常取0()612w h h mm -=-，本设计取0()10w h h mm -=。

降液管的尺寸，应该使夹带气泡的液流进入降液管后，能分离出气泡，从而仅有清流流往下层塔盘。

（2）受液盘为保证降液管出口处的液封，在塔盘上设置受液盘。

受液盘有平形和凹形两种。