《常压塔设计论文》版Word下载.docx

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在化工和石油化工生产装置中，塔设备所耗的钢材重量在

各类工艺设备中所占的比例较多，例如在年产250万吨常压

及减压炼油蒸馏装置中耗用的钢材重量占62.4%，年产60

及120万吨催化裂化装置占48.9%。

塔设备的作用是使气（汽）液或液液两相之间进行充分

接触，达到相际传热及传质的目的。

塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一

定的压强，温度规定的气液流量等工艺条件外，还可以从结构上保证气液充分的接触时间，接触空间和接触面积，以达到相际之间比较理想的传热和传质效果。

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，它的操作性能的好坏，对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境

保护等各个方面，都有重大的影响

随着石油，化工生产的迅速发展，塔设备无论其投资费用还是所消耗的钢材重量，在整个过程设备中所占的比例都相当高，占到大概百分之五十的比例。

塔设备的形式繁多，规模范围也很大，其大型化发展趋势有强度，刚度，流体均布等方面的问题；

全负荷运转；

大型塔设备的设计，制造，操作及维修等问题。

塔设备的研究一直是工程界所关注的热点，其合理的造型及设计越来越受到关注和重视。

1.2设计概述塔设备的设计内容有：

（1）结构设计：

确定塔体结构；

塔盘结构；

溢流装置；

紧固件及支持件；

进出口接管结构；

裙座及其他附件。

（2）机械设计：

选择材料；

计算塔体壁厚，裙座壁厚；

计算地脚螺栓直径及数量等。

（3）工艺设计：

计算理论塔板数；

选择塔板效率并确定实际塔板数；

选取板间距并初步确定塔高；

计算塔径。

本设计是把工艺参数，尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行结构设计。

本设计为60万吨/年氧化沥青装置常压塔设计。

设计条件：

工作压力为常压，工作温度为150摄氏度，设计压力为

O.IIMPa，设计温度为180摄氏度。

介质名称：

原油；

基本风压：

450Pa；

地震烈度：

7度；

保温材料厚度140mm。

本塔设备为浮阀塔，塔板数量50块，塔高49.1米,塔体内

径2000mm。

塔体圆筒与封头的材料都选用20R。

设计过程中需要计算塔器质量，塔器自振周期，地震载荷及地震弯矩，并且考虑本塔较薄弱的部分为计算截面。

因为H比D大于15,且H大于30米，所以考虑高振型及横向风振。

进行圆筒应力校核。

裙座壳轴向应力校核。

计算基础环厚度，选取地脚螺栓规格，校核筋板和盖板。

验算裙座与塔壳对接焊缝。

设计计算各个开孔和开孔补强。

1.3对塔设备的要求塔设备应满足特定的工艺条件，如温度、压力及耐腐蚀，并且为了满足工业生产的需要还应达

到下列要求:

（1）生产能力大，即气液处理量大。

如一定塔径的塔设备在较大的气液负荷时，仍能保证该塔正常、有效地操作，则可减少传质设备的体积，使之更加的紧凑。

（2）气液两相充分接触，相际间传热面积大。

只有在气液两相充分接触的情况下，相际的传质才能有效进行。

作为塔设备，应该具有尽可能大的两相接触面积，并使这些接触面积被充分利用，才可能得到较高的传质效率。

（3）操作稳定、操作弹性大。

当塔设备的气相或液相负荷发生一定范围的变化或波动

时，设备仍能正常有效地运行。

（4）阻力小。

流体通过设备时阻力小，即流体的压降小，则可降低能耗，从而减少设备的操作费用。

（5）结构简单可靠，制造安装容易，维修方便，设备的投资及操作费用低。

（6）耐腐蚀，不易堵塞。

工业上应用多种塔型，任何一种塔型都难以达到上列各项要求，而是各具有一定的特点实际上，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。

不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。

。

对于具体的应用场合，也不是对上列等同要求，而是有所偏重。

充分掌握各种塔型的特点，了解具体应用场合的要求，才能在满足多数要求的情况下，对塔型做出合理的选择。

1.4塔设备的分类

（1）按操作压力分：

加压塔、常压塔、减压塔；

（2）按单元操作分：

（3）

精馏塔、吸收塔、解析塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等；

按内件结构分：

板式塔、填料塔。

1.5塔设备的构造填料塔有整齐或乱堆的填料，如拉西环，填料为气液接触的基本元件。

填料塔的操作特点是微分式接触，可以采用逆流或并流操作。

板式塔是由多层塔盘组成，每层板装有不同类型的气液接触元件，如泡罩。

板式塔的操作特点是气液逆流逐级接触。

无论是填料塔还是板式塔，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。

（1）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。

对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径、不等厚度的塔体。

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、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。

（2）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。

（3）人孔及手孔：

为满足安装、检修、检查塔体等需要，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。

（4）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。

（5）除沫器:

用于捕集夹带在气流中的液滴。

其工作性能的好坏对除沫效率、分离效果都具有较大的影响。

（6）吊柱：

安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。

板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干塔板组成。

广泛应用于精馏和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取，还可作为反应器用于气液相反应过程。

操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流到下层塔板。

溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的流动液层。

;

气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板的升气道（泡罩、筛孔、浮阀等），分散成小股气流，鼓泡，通过各层塔板的液层。

每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到液层中去，进行相际接触传质。

在塔板上，气液两相必须保持充分而密切的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触面积，减小传质阻

力。

在塔中，尽量使两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。

气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。

填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。

填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。

液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。

气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。

填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连

续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。

壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。

因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布

装置

液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

过去由于填料塔本体特别是内件的不够完善，使填料塔局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。

近年来，由于填料结构的改进，新型高效填料的开发，以及对填料流体力学、传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展，填料塔已被推广到所有大型气、液传质操作中。

在某些场合，甚至取代了传统的板式塔。

1.6板式塔的分类

（1）按塔板的结构分：

泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔等；

（2）按气液两相流

动方式分：

错流板式塔、逆流板式塔；

（3）按液体流动型式分：

单溢流塔、双溢流塔。

泡罩塔：

泡罩塔板工作的主要部件有泡罩、升气管、降液管、溢流堰等。

优点是：

操作稳定，操作弹性大；

不易堵塞，能处理含有少量污物的物料。

缺点是：

塔板结构复杂，造价高；

塔板上液层较厚，气体流动阻力较大；

液体流过塔板时因阻力而有液面落差，液层深浅不同，使气量分布不均匀，影响板效率。

在新建的塔设备中，泡罩塔已很少见。

浮阀塔：

浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。

这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。

但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。

浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。

塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。

国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

浮阀塔的特点是结构简单，生产能力和操作弹性大，板效

率高，气体压降及液面落差较小，综合性能较优异。

浮阀塔有一个最大的缺点是阀是活动部件，易松脱和卡住，造成工作失常。

筛板塔：

筛板塔的优点是结构简单，造价低，生产能力大，塔板效率

高，压降小。

主要缺点是操作弹性小，小孔筛板容易堵塞。

舌形塔：

舌形塔板的优点是气液并流避免了返混和液面落差，塔板上液层较低，塔板压降较小。

气流方向近于平，相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带量较小，故可以达到较高的生产力。

缺点是张角固定，在气量较小时，经舌形孔喷射的气速低，塔板漏液严重，操作弹性小。

液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上停留的时间太短，液层太薄，板效率降低。

1.7塔选型板式塔和填料塔均可用于蒸馏、吸收等气液传质过程，但在两者之间进行比较及合理选择时，必须考虑多方面因素，如与被处理物物料性质、操作条件和塔的加工、维修等方面有关的因素等。

选型时很难提出绝对的选择标准，而只能提出一般的参考意见，填料塔和板式塔比较的主要区别如下：

（1）填料塔，小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料，则压降较小。

板式塔压降较大。

（2）填料塔，小尺寸填料空塔气速较小，而大尺寸填料

及规整填料，则空塔气速可较大

板式塔空塔气速较大。

（3）填料塔，传统的填料，塔效率较低，而新型乱堆及规整填料则塔效率较高。

板式塔较稳定，塔效率较高。

（4）填料塔的液-气比对液体量有一定的要求。

板式塔的液-气比适用范围较大。

（5）填料塔的持液量较小，板式塔的持液量较大。

（6）填料塔安装及检修较难，板式塔安装及检修较容易。

（7）填料塔的材质是金属材料及非金属材料均可，板式塔的材质是一般使用金属材料。

（8）填料塔的新型填料，投资较大。

板式塔大直径时造价较低。

在进行填料塔和板式塔的选型时，下列情况可考虑优先选用填料塔：

（1）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；

（2）

对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；

（3）具有腐

蚀性的物料，可选用填料塔，因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；

（4）容易发泡的物料，宜选用填料塔，因为在填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可以使泡沫破碎。

下列情况下，可考虑优先选用板式塔：

（1）塔内液体滞液量较大，要求塔的操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定；

液相负荷较小，因为这种情况下，填料塔会由于填料表面湿润不充分而降低其分离效率；

（3）含固体颗粒，容易结

垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵

塞的危险较小；

（4）在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管；

需

要多个进料口或多个侧线出料口。

这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板

上有较多的滞液量，以便与加热或冷却管进行有效地传热。

实践证明，在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔，因为在压力较高时，塔内气液比过小，以及由于气相返混

剧烈等原因，填料塔的分离效果往往不佳。

填料塔的使用场合为处理强腐蚀性物料，液气比大，真空操作要求压力降小的场合。

板式塔的使用场合为处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料的场合。

塔设备的结构形式因为生产的设计工况不同也不尽相

同。

（1）若气相传质阻力大，应采用填料塔，因填料层中，气相呈湍流，液相为膜状流。

反之，受液相控制的系统，应采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，气体在液层中鼓泡。

（2）对于较大的液体负荷，可选用填料塔。

若采用板式塔时，应选用气液并流的塔型，如喷射型塔

盘，或选用板上液流阻力较小的塔型，如筛板和浮阀。

此外，导向筛板塔盘和降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷。

（3）对于较低的液体负荷，一般不宜采用填料塔，因为填料塔要求一定数量的喷淋密度。

如果特殊需要填料塔，可以选用网体填料，这样可以适度地提高喷淋密度，但其应用的范围较窄。

（4）从气液比波动的适宜性看，板式塔要优于填料塔，所以对气液比波动较大的就采用板式塔。

（5）从操作弹性看，板式塔的操作弹性要比填料塔宽。

在板式塔中，以浮阀塔为最大，泡罩塔次之，一般地说，穿流塔的操作弹性最小。

从经济角度上，填料塔和板式塔的选用各有不同。

（1）在多数情况下，塔径大于800mm时，宜用板式塔

塔径小于800mm时，宜用填料塔。

也有例外，在大型填料塔中使用鲍尔环和某些新型填料的效果会优于板式塔

同样，塔径小于800mm时，也有使用板式塔的

（2）一般填料塔比板式塔重。

（3）大塔以板式塔造价较经济。

因为填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面

积计算价格，随着塔径增大而减小。

1.8选材在选择塔设备材料时，应考虑以下几点因素：

（1）在使用温度下有良好的力学性能，即较高的强度，良好

的塑性和冲击韧性以及较低的缺口敏感性；

（2）要求具有

良好的抗氢，氮等气体的腐蚀性能；

（3）要求具有较好的制

造和加工性能，并具有良好的可焊性；

（4）热稳定性好。

2•设计计算部分2.1设计条件设计条件：

工作压力：

常压；

工作温度：

150摄氏度；

设计压力：

O.IIMPa；

设计温度：

180摄氏度；

地震烈度:

塔板数量：

50；

保温材料厚度：

140mm。

塔体内径2000mm,塔高49.1m。

腐蚀余量=1.5mm。

焊接接头系数=0.85。

2.2设备材料的选取，设计参数的确定筒体和封头选用

20R，在设计温度下许用应力=126.6MPa,=245MPa。

2.3筒体和封头的强度计算2.3.1筒体厚度计算厚度=

设计厚度考虑其受到风载荷，地震载荷，偏心载荷和介质压力作用，取名义厚度。

有效厚度。

2.3.2封头厚度封头采用标准椭圆形封头。

封头壁厚设计厚度名义厚度有效厚度。

2.3.3水压试验校核2.4塔器质量计算筒体内径裙座内径。

（1）塔壳和裙座的质量：

（2）人孔，法兰，接管等附属件的质量：

（3）内构件的质量：

（4）保温材料的质量：

（5）平台，扶梯的质量：

（6）物料的质量：

（7）充水质量：

（8）塔器的操作质量：

（9）塔器的最大质量：

（10）塔器的最小质量：