塔设备
第八章 塔设备的机械设计 教学重点： 板式塔的基本结构和塔设备的应力校核 教学难点： 风载荷的计算
第八章 塔设备的机械设计 塔体 内件 支座 附件
第一节 塔体与裙座的机械设计 一、塔体厚度的计算 1、按计算压力计算塔体及封头厚度 2、塔体承受的各种载荷计算
承受载荷 介质压力 自重载荷 偏心载荷 风载荷 地震载荷 如图8-3
m01------塔体重量（包括外壳及伸出的接管） m02------塔内件重量 m03------保温层重量 塔设备自重载荷的计算 m01------塔体重量（包括外壳及伸出的接管） m02------塔内件重量 m03------保温层重量 m04------平台和扶梯的重量 m05------物料重量 me-------偏心重量 ma-------附件重量（人孔、法兰） mw------充水重量
塔设备在正常操作时的质量 (8-1) 塔设备在水压试验时的最大质量 (8-2) 塔设备在吊装时的最小质量 (8-3)
安装在7度及7度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力 地震载荷 安装在7度及7度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力 塔设备作为悬壁梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形
风载荷 作用之一 造成风弯矩 作用之二 卡曼涡街 图8-5 风载荷的分布
图8-6 卡曼涡街
图8-7 卡曼涡街
1—1截面，裙座上人孔或较大管线引出孔处的截面； 计算步骤 分段（图8-8） 选危险截面 0—0截面，塔设备的基底截面； 1—1截面，裙座上人孔或较大管线引出孔处的截面； 2—2截面，塔体与裙座连接焊缝处的截面。
图8-8 风载荷计算简图
两相邻计算截面间的水平风力 (8-4) 式中 ─塔设备中第i段的水平风力，N； ─体型系数,取0.7； ─塔设备中第i 计算段的风振系数； ─风压高度变化系数,按表8-5查取； ─各地区的基本风压，N/m2，见表8-4； ─塔设备各计算段的计算高度(见图8-8)，mm； ─塔设备中第i 段的有效直径， mm .
风弯矩 将塔设备沿高度分为若干段，则水平风力在任意截面处的 风弯矩为（图8-8所示） (8-5)
偏心载荷计算 定义：塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备或其它附件 所引起的载荷。 载荷产生的弯矩为： (8-6) 式中 ─重力加速度，m/s2; ─偏心距，即偏心质量中心至塔设备中心线 间的距离，m； ─偏心弯矩，N·m。
重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力 3、塔体稳定校核 第一 筒体轴向应力 计算压力在塔体中引起的轴向应力 重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力 弯矩在塔体中引起的轴向应力
第二 轴向许用压应力 其中B为许用轴向压缩应力。 和B的确定参见本书第5章。
第三
内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在停车情况
外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在正常操作情况
重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力 4、塔体拉应力校核 第一 筒体轴向应力 计算压力在塔体中引起的轴向应力 重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力 弯矩在塔体中引起的轴向应力
第二
最大组合拉应力的求法 第三
内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在正常操作情况
外压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在停车情况
按设计压 力计算的塔体厚度 按稳定条件验算确定的厚度 按抗拉强度验算条件确定的厚度 5、塔体最终厚度的确定 按设计压 力计算的塔体厚度 按稳定条件验算确定的厚度 按抗拉强度验算条件确定的厚度 取上述三者中的最大值，作为塔体的有效厚度。
6、塔设备水压试验时的应力验算（自阅）
2、塔盘结构：塔盘板、降液管、溢流堰、紧固件和支承件。 第二节 板式塔结构 一、总体结构 1、塔体与裙座结构 2、塔盘结构：塔盘板、降液管、溢流堰、紧固件和支承件。 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：人孔、接管等。 5、塔附件：保温圈、吊柱、扶梯、平台等。 图8-15 板式塔的总体结构
二、塔盘结构 塔盘实际上是塔中的气、液通道。为了满足正常操作要求，塔盘结构本身必须具有一定的刚度以维持水平，塔盘与塔壁之间要保持一定的密封性以避免气、液短路。 塔盘的结构有整块式和分块式两种。 整块式塔盘 DN≤700mm 分块式塔盘 DN≥800mm
1、整块式塔盘 图8-16 定距管式塔盘结构
1、整块式塔盘 结构——塔体由若干塔节组成，内装有一定数量 的塔盘，塔节间用法兰连接。 定距管式 组装方式 重叠式
定距管式塔盘 用定距管和拉杆将同一塔节内的几块塔盘支承并固定 在塔节内的支座上，定距管起支承塔盘和保持塔盘间 距的作用。 塔盘与塔体之间的间隙，以软填料密封并用压圈压紧, 见图7-43。高度随塔径增加。 塔径DN=300～500mm时，塔节高度L=800～1000mm；塔径DN=600～700mm时，塔节高度L=1200～1500mm。 为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-6块。
1—塔盘板 2—降液管 3—拉杆 4—定距管 5—塔盘圈 6—吊耳 7—螺栓 8—螺母 9—压板 10 —压圈 11—石棉绳 1—塔盘板 2—降液管 3—拉杆 4—定距管 5—塔盘圈 6—吊耳 7—螺栓 8—螺母 9—压板 10 —压圈 11—石棉绳 图8-17 定距管式塔盘结构
2、分块式塔盘
1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀； 做成分块式的原因 1）在工艺上，塔径大，塔盘过大，分液不均匀； 2）对碳钢，塔板厚3~4mm，不锈钢2~3mm，塔径过大，易形成弧形，安装时水平度不好，从刚度出发，仍要分块； 3）塔板过大，不能放进塔内，因一般从人孔进出，人孔尺寸有限制，因而塔盘受此限制要分块。 与整块式的区别 分块式：无塔盘圈，有支持圈(支持板)，无密封结构 整块式：有塔盘圈，无支持圈(支持板)，有密封结构
塔盘板结构 主要有自身梁式和槽式。 图8-18 塔盘板结构
图8-19 分块式塔盘板（自身梁式）
通道板—— 接近中央处设置，塔内清洗和维修。 在同一垂直位置上，以利采光和拆卸。 也可用一块塔盘板代替，见下图
3、塔盘的支承 对直径不大的塔（＜2000mm)，塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈 对直径较大的塔（＞2000~3000mm），需支承梁结构。
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。 第三节 填料塔 基本特点 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。 科技前沿 开发多种形式、规格和材质的高效，低压降，大流量的填料。 (2) 与不同填料相匹配的塔内件结构。 (3) 填料层中液体的流动及分布规律。 (4) 蒸馏过程的模拟。 图8-20 填料塔
要求：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。 作用：喷出液体，使整个塔截面的填料很好润湿，直接影响塔的处理能力和分离效率。 一、喷淋装置 要求：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。 作用：喷出液体，使整个塔截面的填料很好润湿，直接影响塔的处理能力和分离效率。 管式喷洒器 1、喷洒型 环管多孔喷洒器 莲蓬头喷洒器
DN≤300mm，可选用管式喷洒器，通过填料上的进液管（直、弯或缺口）进行喷洒，结构简单，但喷淋面积较小且不均匀。 图8-21 管式喷洒器
环管多孔喷洒器 DN≤1200mm，可选用单环管多孔喷洒器，结构简单，制造和安装方便，缺点是喷洒面积小，不够均匀，而且液体要求清洁，否则小孔易堵塞。（环管下面开小孔，一般为3~5排）。 图8-22 环管多孔喷洒器
主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊液体，一般可用于塔径小于600mm的塔中。 莲蓬头喷洒器 主要有半球形、碟形、杯形，优点是结构简单，制造安装方便，缺点是小孔易堵塞，不适于处理污浊液体，一般可用于塔径小于600mm的塔中。 图8-23 莲蓬头喷洒器
液体从中央进料管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘上的降液管溢流 2、溢流型 液体从中央进料管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘上的降液管溢流 盘式分布器 图8-24 中央进料的盘式分布器 图8-25 有升气管的盘式分布器
槽式分布器 主要用于DN＞1000mm的塔，其优点是自由截面大，适应性好，处理量大，操作弹性大，其结构见（图8－52），液体先加入分配槽，然后再由分配槽的开口处到喷淋槽，喷淋槽上有堰口，两侧有三角形或矩形的开口，各开口的下缘应位于同一水平面上，再由此溢流到填料上。 图8-26 分布槽
1－主槽 2－分槽 图7-27 槽式孔流分布器
3、冲击型 图8-28 反射板式喷淋器
二、液体再分布器 Di Dl 图8-29 分配锥
当液体流过填料层时，流体慢慢地会从器壁流走（壁流）现象产生，使液体分布不均匀，塔中央部分填料可能没有润湿，起不到作用，降低了整个塔的效率。 1、设置原因 当液体流过填料层时，流体慢慢地会从器壁流走（壁流）现象产生，使液体分布不均匀，塔中央部分填料可能没有润湿，起不到作用，降低了整个塔的效率。 2、主要作用 将上层填料流下的液体收集，再分布，避免塔中心的填料不能被液体湿润而形成“干锥 ”。
3、典型结构 图8-29 分配锥
三、支承结构 1、作用 支承填料 足够的强度、刚度以及足够的自由截面 2、设计要求 3、栅板设计注意问题 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，一般应各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。
图8-30 栅板结构