塔板结构及辅助设备设计共39页
板式塔设备机械设计完整版
板式塔设备机械设计 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】1板式塔设备机械设计任务书设计任务及操作条件试进行一蒸馏塔与裙座的机械设计已知条件为：塔体内径mm D i 2000=，塔高m 30，工作压力为MPa 2.1，设计温度为300℃，介质为原油，安装在广州郊区，地震强度为7度，塔内安装55层浮阀塔板，塔体材料选用16MnR ，裙座选用A Q -235。
设计内容（1）根据设计条件选材；（2）按设计压力计算塔体和封头壁厚； （3）塔设备质量载荷计算； （4）风载荷与风弯矩计算； （5）地震载荷与地震弯矩计算； （6）偏心载荷与偏心弯矩计算； （7）各种载荷引起的轴向应力；（8）塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核； （9）塔体水压试验和吊装时的应力校核； （10）基础环设计； （11）地脚螺栓计算； （12）板式塔结构设计。
.设计要求：（1）进行塔体和裙座的机械设计计算； （2）进行裙式支座校核计算； （3）进行地脚螺栓座校核计算； （4）绘制装备图（A3图纸）2塔设备已知条件及分段示意图按设计压力计算塔体和封头厚度塔设备质量载荷计算风载荷与风弯距计算偏心弯距最大弯距圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核地脚螺栓计算4计算结果总汇1按设计压力计算塔体和封头厚度4后记本设计的任务是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。
计算量比较大，计算公式繁琐，数据比较大。
在计算过程中遇上一些参数是需要从书本的图或表格中查找出，有些数据还需要结合我们的理论课的书本来查找相关系数。
在设计的过程中，我们都会遇到各种各样的问题，但是大家一起努力工作的同时，对不懂的问题进行讨论之后，把遇到的问题都解决了。
只要把大家的力量聚集起来，就没有解决不了的问题。
这次课程设计让我们感受到，工程类的设计是多么的有特色，数据查找难，计算量大，公式繁琐。
最后感谢老师的指导，组员的帮助，其他舍友以及其他同学的共同努力，让本次课程设计顺利完成。
第六章-塔设备的机械设计PPT参考课件
二、 液体再分布器
当液体流经填料层时，液体有流向器壁造 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。
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。
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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,
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。
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第二节 板式塔
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填料塔和填料
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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、
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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
பைடு நூலகம்
图6-5弓形降液管结构
图6-6弓形降液管的液封槽
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2．分块式塔盘
《设计实例板式塔》PPT课件
板式塔的设计内容
工艺流程的设计 板式塔的工艺计算 板式塔的机械设计 塔的辅助设备设计与选型
工艺流程的设计
板式塔的设计从两方面考虑:
1.经济方面:应该充分考虑整个系 统热能的利用,以便降低操作费用. 例如:从塔顶出来的蒸气和从塔底 排出的液体带出的热量可用于预热 原料液或它处. 2.全塔操作的稳定性:若操作不稳 定,就不能保证产品质量的均匀. 有 时也把冷凝器分割为两部分,一部 分预热原料液,另一部分用冷却水 使蒸气冷凝.这样可以用控制冷却 水量来控制冷凝器的操作,同时保 证进料温度一定.为此
率控制。
漏液现象
控制阀孔动能因数在5~6之间。
浮阀塔的负荷性能图
• 雾沫夹带线：指控制ev=0.1kg液/kg气时的Vs—— Ls之间关系
• 溢流液泛线：指降液管内泡沫层高度达到最大允许值 时的Vs——Ls之间关系
• 液相负荷上限线（降液管超负荷线），反映了对于液 体在降液管内停留时间的起码要求
塔釜液体虽然温度很高,但用它来 预热原料液,对液-液传热过程其传 热系数很小,则所需传热面积必然 很大
精馏方案的选定
1.操作压力(常压,加压,减压)-----设计压力一般指塔顶压力 沸点低,常压下为气态的物料-----加压操作,
加压可提高操作的平均温度,有利于塔顶蒸气冷凝热的利用或可使用较便宜 的冷却剂,减少冷凝,冷却的费用.在相同的塔径下,适当提高操作压力,还可提 高塔的处理能力.但P提高,再沸器的T提高,相对挥发度下降.
对于选定的塔板间距是否合适，还要在后面进行 流体力学验算，如果不合适需要重新选定，再估 算塔径。
溢流装置 的结构尺寸
? 堰上清液层高度 作用：维持板上液层及液封
塔设备的机械设计 PPT课件
v max
meq
：垂直地震影响系数最大值，取 v max ：塔器的当量质量，取
0.65 max
meq 0.75m0
任意质量处的垂直地震力计算公式:
F
I I v
mi hi
m
k 1
n
Байду номын сангаас
k
hk
Fv00 (i 1,2, n)
1.2.3
地震弯矩
n
I I ME Fk (hk h) k 1
生产能力大 传质效率高 流体阻力小 操作弹性大 结构简单、材料消耗量小、制造安装方便
便于操作、调节和维修
第一节：塔设备设计的基本知识
1. 塔体承受的各种载荷
自重载荷
风载荷 地震载荷 偏心载荷
1.1
自重载荷
操作质量 m0=m01+ m02+ m03+ m04+ m05+ ma+ me
最大质量 mmax=m01+ m02+ m03+ m04+ mw+ ma+ me 最小质量 mmin=m01+ 0.2m02+ m03+ m04+ ma+ me
m01：塔设备壳体质量 m03：塔设备保温材料质量 m05：操作时塔内物料质量 m02：塔设备内件质量 m04：平台、扶梯质量 me：偏心质量
1.3
风载荷
相邻两计算截面间的水平风力为：
p0 K1K2i q0 f0l0 De0 106 ( N )
式中: K1：体型系数，取0.7 K2i：风振系数 q0：10m处的基本风压值 f0：风压高度变化系数 l0：操作平台所在段的计算长度 De0：有效直径
塔板结构及辅助设备设计
画出原则流程图（带控制点）
2．图例 图例是将物料流程图中画出的有关管线、阀门、设备附件、 计量一控制仪表等图形用文字予以说明。 3．图签 图签是写出图名、设计单位、设计人员、制图人员、审 核人员(签名)、图纸比例尺、图号等项内容的一份表格， 其位置在流程图有下角。 带控制点的工艺流程图一般是由工艺专业人员和自控 专业人员合作绘制出来的。作为化工原理课程设计只要 求能标绘出测量点位置即可。
易维持均匀。(how=6mm)。
3、最大液量线：液体流量过大则降液管内液体停
留时间过短(t=5s)
4、液泛线：降液管内的泡沫层高必须小于板间距与
溢流堰高之和(Hd/Φ =HT+hw)
5、雾沫夹带线：气体流量过大可使液沫夹带过量，
塔板效率即严重下降。(ev=0.1)
弹性的计算及调整
上弹性K上>1.5 下弹性K下>1.5
4.2.1
板面布置
5) 底隙h0：一般应低于外堰高6mm。
h0＜ hW－6mm，防止气体进入降液管;一般不宜小于 20-25mm ，以防堵塞。
6）筛孔布置： 孔径d0: 3-8mm 孔间距：t/d0取2.5-5，实际取3-4 板厚：碳钢3-4mm，不锈钢2-3mm 筛孔面积A0， 开孔区面积Aa 孔数n，开孔按正三角形排列
塔板校核需要输入的数据
表3 筛板塔预选参数 mm 秒
（1）清液层高度 （2）最少停留时间
塔板校核要求
精馏段第一块板和最后一块板的结构完
全相同；
提馏段第一块板和最后一块板的结构完
全相同；
精馏段和提馏段塔板结构可以不同
6、辅助设备计算
P101 E101 E102 C101 进料泵 进料预热器 再沸器 精馏塔
塔设备机械设计
第五章 塔设备设计 9
课程设计 5.3.3 自振周期 将塔设备看成是顶端自由，底端刚性固定，质量沿高 度连续分布的悬臂梁。 其基本震型的自振周期T1按式(5-4)计算：
T1 90 .33 H mo H 10 3 E e Di
(s)
如校核不能满足条件时，须重新设定有 效厚度，重复上述计算，直至满足要求。
第五章 塔设备设计 20
课程设计
5.3.9 塔设备压力试验时的应力校核 5.3.9.1 圆筒应力 对选定的各计算截面按式(5-33)、式 (5-34)、式(5-35)和式(5-36)进行各项应力 计算： 试验压力引起的周向应力：
第五章 塔设备设计 7
5.3.1 塔设备的载荷分析 塔设备在操作时主要承受以下几种载荷作 用： 1、操作压力 2、质量载荷 3、地震载荷 4、风载荷 5、偏心载荷 （各种载荷示意图及符号见图5-3）
第五章 塔设备设计 8
课程设计
（塔设备设计计算常用符号及说明见表5-3）
课程设计
5.3.2 质量载荷 塔设备的操作质量mo（Kg） mo=mo1+mo2+mo3+mo4+mo5+ma+me 塔设备的最大质量mmax mmax =mo1+mo2+mo3+mo4+mw+ma+me 塔设备的最小质量mmin mmin =mo1+0.2mo2+mo3+mo4+ma+me
5.4.1 板式塔的总体结构 其总体结构可以分为五大部分： ①塔体与裙座 ②塔盘结构 ③除沫装置 ④设备接管 ⑤塔附件（扶梯、平台、吊柱、保温圈）
辅助设备选型(化工原理设计)
六 附属设备的设计1.塔高计算间接蒸汽加热裙座高度4m 塔底最后一块板距塔底1.2m 塔顶第一块板距塔顶0.8m理论板数17.36块（不含塔釜），精馏段10.8块，提馏段6.56块。
实际精馏段N/E t =17.36/0.403=42.71块每十块板开一个人孔，板间距为0.8m ，共开4个塔高=0.8*6+0.5*37+1.2+4=28.5 m 2.泵的设计和选型(1).原料泵 ：工艺流程中进料方式采用泵直接进料进料温度30℃，查水3/7.995m kg =ρ，甲醇3/3.794m kg =ρ 液体密度；ρl=1/(O.2 /995.7+0.8/794.3)=827.7 kg/m ³ F=25000000/3600/8000= 0.8681 kg/s V=0.8681/827.7=0.001049 m ³/s假设液体流速为s m /2.1033.02.114.3001049.04u4d =⨯⨯==πVm = 33mm选取管道mm d 32= mm b 5.3= 即mm 5.332⨯φ的热轧无缝钢管mmd i 255.3232=⨯-=m/s14.2025.014.3001049.04d 4u 22i=⨯⨯==πV对加料板面机械能衡算，地面为基准面，假设管路总长L=25m 管路上安装2个ο90的标准弯头 5.1275.0=⨯＝ε 泵排出管路上安装一个摇板式止回阀 2=ε入塔前安装一个半球心阀 5.9=ε 流量计上下各安装一个全开球心阀 8.1224.6=⨯=ε预热器阻力 6.9=ε所以4.356.98.125.925.1=++++＝总ε 进料口离地面高度：Z=4+1.2+14*0.5+2*0.8=13.8 m 30℃时cp 503.08007.0＝＝已醇水μμcp()10.27270.80070.27270.5030.7195cp μ-⨯⨯＝＋＝400049.61493107195.014.2827025.0d 3e ≥=⨯⨯⨯==-μρuR 属于湍流Re 在3000－3000000范围内且粗糙管内径为25mm 的新钢铁管，可用以下公式：023.03664.025.0==eR λm gudl h f 6.138.9214.2)4.35025.025023.0(2)(22=⨯+⨯=+=ζλh p =0.774 kp ΔP=0.774*27=20.9 kp m hgugpZ f6.276.138.9214.28278.99.208.132h 22e =+⨯+⨯+=+∆+∆+∆=∑ρQ=V*3600=0.001049*3600=3.7764m 3/h 选取泵IS50－32－250汽蚀余量m 0.2h =∆ Q=6.3m 3/h he=20m （2）.回流泵原料温度为64.5℃,查得：甲醇3/62.763m kg =ρ 水3/77.980m kg =ρ3/469.777mkg L ＝平均ρL=R*D=1.112*24.106=26.8kmol/h L S =00032.03600=⨯∙ρML假设流体流速为0.8m/smm m uVd 23023.08.014.300032.044==⨯⨯=⨯⨯=π选取Φ28m m 2m m ⨯的冷拔无缝钢管282224i d m m=-⨯=sm dVu i/701.0024.014.300032.04422=⨯⨯=⋅⨯=π假设管路总长L=100m管路上安装3个ο90的标准弯头 25.2375.0=⨯＝ε 泵排出管路上安装一个摇板式止回阀 2=ε回流入塔前安装一个半球心阀 5.9=ε 流量计上下各安装一个全开球心阀 8.1224.6=⨯=ε全凝器的阻力 12=ε所以55.38128.125.9225.2=++++＝总ε 64.5℃时cp 327.04386.0＝＝甲醇水μμcpcp 328.04386.0009.0327.0991.0=⨯+⨯=平均L μ400039513210327.0.7010768024.0d 3e ≥=⨯⨯⨯==-μρuR30.0247680.9075107840000.327310e d uR ρμ-⨯⨯===>⨯属于湍流0.020.0008324dε==所以 0.23680.1(0.00083)0.02438R e λ=⨯+=m gud l h f 45.38.92701.0)55.38024.010002438.0(2)(22=⨯+⨯=+=ζλm hgugpZ f45.32h 2e =+∆+∆+∆=∑ρQ=V*3600=0.00032*3600=1.152m 3/h选取泵IS50－32－125 汽蚀余量32.03.75/ 5.4h m Q m hH m∆===3.原料预热器选用根据费用估算时的计算方式算得的预热器的面积A=3.42m2 (热量衡算时考虑了热量损失)选取换热器基本参数如下：4.冷却器选用根据前面方法算得到的冷却器的面积A=1.53m2选取冷却器基本参数如下5.塔底再沸器的选用根据前面算法算得的再沸器的面积A=22.51m26.全凝器选用蒸汽走壳程，馏出液走管程，()5.322/3530=+水定性温度℃， 由前面算得冷凝面积为38m 27.接管尺寸设计a.进料管前面已经选取mm mm 5.332⨯Φ的热轧无缝钢管， 且流速s /m 14.2u = b.出料管一般可取塔底出料管的料液流速U W 为0.5~1.5 m/s ，循环式再沸器的料液流速可取1.0~1.5 m/s ，(本设计取塔底出料管的料液流速U W 为0.8 m/s)mm d 8.138.014.300012.04=⨯⨯=应该选取mm mm 5.118⨯φ的冷拔无缝钢管 c.塔顶升汽管操作压力为常压时，蒸气导管中常用流速u 为12~20 m/s, 设s m u /10=255d m m ===应选取两根mm mm 4114⨯Φ并联作为排气管 d.回流管①当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内，流速U R 可取0.2~0.5 m/s ②当用泵输送时，可取1.5~2.5 m/s(本设计应用前者，回流液靠重力自流入塔内，流速U R 取0.5 m/s)32.3d mm ===应选取38 2.5mm mm ϕ⨯的热轧无缝钢。
板式塔(筛板塔)设计
4.3 筛孔塔板的设计程序
塔板设计的基本程序是：
（1）选择板间距和初步确定塔径；
（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；
（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必 要，需对某些结构参数加以调整。
4.3.1板间距的选择和塔径的初步确定
一、板间距的选择 HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系 理论上，存在一个经济上最佳的HT； 实际上， HT 的选择常取决于制造和维修的方便，可 参考下表选择。
Ls L eV 1 Vs V
若算出的ev > 0.1kg液体/kg干气，可增大塔径或 板间距使ev下降。
三、溢流液泛条件的校核 为避免发生溢流液泛，必须满足
H fdห้องสมุดไป่ตู้
Hd
H T hw
式中相对泡沫密度 与物系的发泡性有关： 对一般物系， 可取为0.5；对不易发泡物 系 可取为0.6～0.7; 对于容易发泡物系， 可取为0.3～0.4。
精馏可在常压、加压或减压下进 行。 沸点低、常压下为气态的物料必 须选用加压精馏；热敏性、高沸点 物料常用减压精馏。
1.2 进料状态
一般将料液预热到泡点或接近泡点后 送入塔内。这样可使： (1)塔的操作比较容易控制； (2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近， 塔径相似，设计制造比较方便。
1.3 加热方式
1、 2、 3
—— 分别为塔顶、加料、塔底组成的相 对挥发度。
汽液相平衡关系：
pA pB
2.2 相对挥发度 对于理想物系
1 2 3 3
x y 1 1x
3. 工艺计算
3.1 物料衡算
物料衡算的任务 （1）由设计任务所给定的F、 x
塔板结构及辅助设备设计
1)板压降hP
a、干板压降hC：气体通过筛孔的压降（式8-8)
b、板上液层阻力hl’ ：气体通过液层及泡沫层的压降
c、表面张力压头hσ：气体通过筛孔的液层所克服的表
面张力压头
hl’ 和hσ合并考虑称为有效液层阻力hl :
有效液层阻力hl 与液层静压头及泡沫层的状态有关 hl =f( FO , hL)（图8－6） hL = hW + hOW hOW＝0.00284E(L/lW)2/3(平堰)（式7－2）
表1 筛板塔设计原始数据
（1）气相流量 （2）液相流量 （3）气相密度 （4）液相密度 （5）液相表面张力
m3/s m3/s Kg/m3 Kg/m3 dyn3/cm
塔板校核需要输入的数据
表2 筛板塔设计初步结果
（1）塔径
mm
（2）塔板间距
mm
（3）溢流堰长
mm
（4）溢流堰高
mm
（5）降液管底距板高
塔内液面落差
对筛板塔设计，液面落差常可忽略
４）降液管停留时间
—般液体，停留时间应不少于3秒；对易起泡的 液体，停留时间应不少于5秒
t = HT * Af / LS >=5 s
通过停留时间可确定液流量上限线
5）雾沫夹带
原因：
气体对液体的曳力大于液滴的净重 现象：
大量液滴被夹带至上方塔板
结果： 塔板效率急剧降低
每位同学手算一块塔板！ 已知条件: 汽液流量 汽液密度 液相表面张力
4.2.1 板面布置
1）塔径D—初选后校核 初选：参见13-136 校核: 雾沫夹带ev<0.1kg/kg气
注: 采用Hunt公式 (指导书式8-25) hf=2.5hL
停留时间大于5s(式7-1)
塔板结构
板式塔的结构:板式塔的常见塔体由等直径、等壁厚的钢制圆筒及惰圆封头的顶盖构成。
随着化工装置的大型化，为节省原材料，有用不等直径、不等壁厚的塔体。
塔体的厚度除应满足工艺条件的强度外，还应校核风载荷、地震、偏心载荷等所引起的强度和刚度，同时还要考虑水压试验、吊装、运输、开停工等情况。
考虑到安装、检修的需要，塔体上还要设置人孔或手孔、平台、扶梯、吊柱、保温圈等，整个塔体由塔裙座支撑。
塔体的裙座为塔体安放到基础上的连接部分，其高度由工艺条件的附属设备（如再沸器、泵）及管道的布置决定。
裙座承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，为此，它应具有足够的强度和刚度。
可转动的吊柱设置在塔顶，用于安装和检修时运送塔内的构件。
板式塔内部除装有塔板、降液管及各种物料进出口接管外，还有许多附属装置，如除沫器等。
除沫器用于捕集在气流中的液滴，使用高效的除沫器、对于提高分离效率，改善塔后设备的操作状况，回收昂贵的物料以及减少环境的污染等都是非常重要的。
常用有丝网除沫器和折板除沫器。
板式塔为逐板接触式的气液传质设备。
各类型塔板的结构及其特点：按照塔内气、液流动方式，可将塔板分为错流塔板与逆流塔板两类。
错流塔板为塔内气、液两相成错流流动，即液体横向流过塔板，而气体垂直穿过液层，但对整个塔来说，两相基本上成逆流流动。
错流塔板降液管的设置方式及堰高可以控制板上液体流径与液层厚度，以其获得较高的效率。
但是降液管占去一部分塔板面积，影响塔的生产能力，而且，液体横过塔板时要克服各种阻力，因而使板上液层出现位差，此位差称为液面落差。
液面落差大时，能引起板上气体分布不均，降低分离效率。
错流塔板广泛用于蒸馏、吸收等传质操作中。
逆流塔板亦称穿流板，板上不设降液管，气、液两相同时由板上孔道逆向穿流而过。
栅板、淋降筛板等都属于逆流塔板。
这种塔板结构虽简单，板面利用率也高，但需要较高的气速才能维持板上液层，操作范围较小，分离效率也低，工业上应用较少。