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﹡按支承方式--------框架塔、自支承式塔
﹡按塔内件结构--------板式塔、填料塔
四、塔设备的发展及现状
·
塔设备的形式繁多,规模范围也很大
塔设备的大型化发展趋势
(1)强度、刚度及流体均布等方面的问题
(2)全负荷运转
(3)大型塔设备的设计、制造、操作和维修
塔设备的设计内容:
﹡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;
裙座及其它附件;
﹡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;
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(或空塔气速);
进行流体力学验算;
7-2填料塔
1、填料
2、液体分布装置
3、液体再分布装置
4、填料支承装置
2
1、了解工业用填料的主要类型、优缺点及用途
2、掌握主要的液体分布装置和液体再分布装置的结构
3、了解填料支承装置的结构及强度计算
液体分布装置
液体再分布装置
●填料塔是连续式的气液传质设备,气液两相间呈连续逆流接触并进行传质和传热,气液两相组分的浓度沿塔高呈连续变化。
●板式塔中气液两相间逐层逆流接触并进行传质和传热,气液两相组分的浓度沿塔高呈阶梯式变化。
●在结构上,填料塔主要优点:
(1)结构简单,压力降小
(2)便于处理腐蚀性物料(填料一般由耐蚀材料制成)、易起泡沫的物料(气体不是以发泡的形式通过液层,而且填料对气泡有破碎作用)及真空操作(气液阻力降小)
缺点:
(1)体极大、重量大
(2)传质效率较低,操作稳定性较差
(3)不适于处理污浊液体、含尘气体、含有固体颗粒及容易结垢的物料
填料塔总体结构(图7-1)
一、填料
二、填料支承装置
基本要求:
(1)具有足够的强度和刚度
(2)具有足够的自由截面积
(3)结构简单,便于安装,能耐介质腐蚀
1、栅板
(1)栅板的结构
注意:
栅条的间距不能过小,否则会使栅板自由截面积过小,而且填料会堵塞栅条间的气体通道,使气体压力降增大。
(2)栅板的强度计算(了解)
P=PP+PLN
PP=9.8HLtγPN
乱堆填料:
PL=3.43HLtγL×
10-4N
丝网填料:
PL=0.49HLtγL×
M=PL/6N.m
2、
体喷射式支承板
优点:
气体和液体通过不同通道流动,可减小气液流动的阻力
(1)驼峰式气体喷射式支承板
(2)钟罩型气体喷射式支承板
三、液体分布装置
基本要求:
(1)结构简单,制造、安装、维修方便
(2)不需很大的液体压头即能均匀分散液体,液体通道不易堵塞
(3)满足喷淋点数的要求
(一)喷洒型
1、多孔直管式布液器
结构简单
液体分布均匀性较差;
液体不清洁时,小孔容易堵塞;
*2、多孔排管式布液器
喷淋面积大且均匀
操作弹性小;
要求压力稳定;
3、多孔环管式布液器
优点:
结构简单,制造、安装方便
缺点:
喷淋面积小,不够均匀;
要求液体均匀,否则小孔容易堵塞
4、筛孔盘式布液器
气体截面积小,阻力大,操作弹性小
5、莲蓬头式布液器
结构简单,安装、拆卸方便
小孔易堵塞;
雾沫夹带严重;
流量或压力改变时,液体分布状况会产生较大改变
莲蓬头直径:
d=(0.2~0.3)DN
喷洒半角:
α≤40o
小孔数目:
n=1+n1+2n1+3n1+……..+mn1(n1为第一圈圆周上的孔数)
安装高度:
h=(0.5~1)DN
(二)溢流型
喷洒型液体分布装置的局限性:
(1)液体需要有一定的压力才能喷洒。
(2)孔眼容易堵塞。
(3)当塔径较大时液体分布的均匀性较差。
因此,对直径较大的填料塔,多采用溢流型液体分布装置。
1、流盘式布液器
2、溢流槽式布液器
1、
(三)冲击型布液器
1、反射板式布液器
2、宝塔式布液器
四、液体再分布装置
作用:
防止壁流;
防止“干锥”的出现;
对液体进行重新分布;
1、分配锥
2、槽式液体再分布器
3、多孔盘式液体再分布器
4、斜板复合式液体再分布器
7-3板式塔
1、常用板式塔的类型
2、塔盘的结构
3、裙座及除沫器
1、了解板式塔的类型及总体结构
2、掌握塔盘的结构
3、了解裙座及除沫器的结构
塔盘的结构
一、总体结构
板式塔的优点:
效率高、处理量大、重量轻、便于维修
板式塔的缺点:
结构较复杂、阻力降较大
二、板式塔类型
(一)泡罩塔
1、操作弹性大,在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。
2、对物料适应性强,塔板不易堵塞。
1、结构复杂,金属耗量大,造价高,安装和维修不方便。
2、气体压力降大,雾沫夹带较严重,因此限制了气速的提高,生产能力不大。
3、不好操作,液体或蒸汽流量很小时,会形成气液接触不良或蒸汽流动的脉动;
反之会形成雾沫夹带、液泛等。
(二)浮阀塔
1、结构紧凑,生产能力大。
2、蒸汽以水平方向吹入液层,阻力小,气液接触时间长且接触状况良好,故雾沫夹带少,塔板效率高。
3、浮阀可根据气量大小上下浮动,操作弹性大。
4、浮阀结构简单,安装容易,造价较低。
在结构、生产能力、塔板效率等方面不及筛板塔,有待进一步的改进。
(三)筛板塔
1、结构简单,制造容易,造价低。
2、塔板效率较高,生产能力大。
3、对物料的适应性强,不易堵塞。
1、操作弹性小,需保持较稳定的气、液流速。
2、小孔径筛板易堵塞,不适宜处理脏的、粘性大的和带固体颗粒的料液。
(四)穿流式栅板塔
1、无溢流和降液装置,结构简单,安装和维修方便。
2、塔板上的开孔有效面积大,开孔率大,故生产能力大。
3、气、液流动的压力降小,适用于真空蒸馏。
4、孔道不易堵塞,对物料的适应性强。
1、操作弹性小。
2、塔板效率低。
(五)斜喷型塔
1、舌形塔是喷射型塔,气体喷出的方向和液体流动的方向一致,可充分利用气体动能促进气液两相间的接触,提高传质效率。
2、气体不必通过较深的液层,压力降小,雾沫夹带小,可采用较大气速,故生产能力高。
3、结构简单,安装、维修方便。
1、液体被气体冲至塔壁落入降液管,带有大量泡沫,气相夹带严重,塔板效率低。
2、固定舌形塔操作弹性小,气流量小时易漏液;
浮动舌形塔浮舌易损坏。
三、板式塔塔盘结构
(一)塔盘
塔盘设计要求:
(1)有一定的强度和刚度以承载和维持水平
(2)塔盘和塔壁之间应保证一定的密封性以避免气液短路
(3)便于制造、安装和维修
(4)制造成本低
按气液两相流动方式分:
溢流式(错流式):
操作弹性大
穿流式(逆流式):
生产能力大
按塔径大小分——整块式:
D≤700mm
分块式:
D>700mm
任选:
D=700~800mm
补充:
塔盘板及支撑梁的强度和刚度计算
(1)塔盘板
简化为周边简支的矩形薄板,承受均布载荷(包括塔盘板的自重和塔盘板上物料的重量)
a.强度计算
最大弯曲应力:
;
取σ=max{σx,σy}
要求:
σ≤[σ]
操作时:
[σ]=0.65
检修时:
[σ]=0.95
L/b
α
β
γ
1.0
0.0479
0.0433
1.2
0.0626
0.0501
0.0616
1.5
0.0812
0.0499
0.0843
1.8
0.0948
0.1017
2.0
0.0464
0.1106
3.0
0.1189
0.0404
0.1336
4.0
0.1235
0.0384
0.1400
5.0
0.1246
0.0375
0.1416
∞
0.1250
0.1422
b、刚度计算
fmax≤[f]浮阀塔盘:
DN≤2400mm时,[f]=3.2mm
DN>2400mm时,[f]=DN/720mm
泡罩塔盘:
DN≤1830mm时,[f]=1.6mm
DN>1830mm时,[f]=3.2mm
(2)支承梁
(二)降液管和受液盘
1、降液管
2、受液盘
(三)溢流堰
出口堰
(1)保证塔盘上有一定厚度的液层
(2)使液流均匀
(3)增加溢流周边长度,有利于气液分离
进口堰
(1)保证降液管密封
(2)减少水平方向的冲击,使液流均匀流过塔盘
7-4塔设备的附件
1、除沫器
2、裙座
3、吊柱
1、了解除沫器的结构
2、掌握裙座的结构和裙座材料的选择
3、了解吊柱的结构
裙座的结构和裙座材料的选择
一、除沫器
(1)分离塔顶出口气体中夹带的液滴,保证传质效率
(2)减少有价值物料的损失
(3)改善后续设备的操作条件
丝网除沫器
折板除沫器
旋流板除沫器
二、裙座
1、裙座的总体结构
2、裙座材料
(1)裙座与塔内物料不直接接触,也不承受塔内的介质压力,所以不受压力容器用钢的限制,允许采用普通碳素结构钢,如Q235-A、Q235-AF等制造。
当裙座温度≤-20℃时,应选择16Mn,且具有一定的冲击韧性。
(2)当塔底封头材料为合金钢时,座圈上部应设短节,短节材料和底封头相同,以避免不同材料焊接对底封头产生不利影响。
短节长度:
操作温度t<0℃或t>350℃时,短节长度取为保温层厚度的四倍,且不小于500mm。
操作温度t=0~350℃时,短节长度取为250~300mm。
三、吊柱
1、吊柱的作用
2、吊柱的结构
3、吊柱的选用
7-5塔设备的强度计算
1、塔设备的自振周期
2、塔的受载分析
3、筒体的强度计算及校核
4、裙座的强度计算及校核
3
1、掌握筒体的强度计算及校核方法
2、了解裙座的强度计算及校核方
1、塔设备工作时所受的各种载荷分析和计算
2、筒体的强度计算及校核方法
思考题;
综合练习题;
一、塔设备的自振周期
塔设备的振动属多质点体系的振动,具有多个自由度,可出现多种振型,由于塔设备的刚度较大,通常只考虑第一振型。
1、等截面塔的自振周期
2、变截面塔的自振周期
此公式只能计算第一振型的自振周期,第二振型自振周期可根据T2=T1/6计算
●塔任意段的水平位移和塔顶位移的关系:
二、塔的载荷分析
(一)质量载荷
设备操作时的质量:
m0=+m02+m03+m04+m05+ma+me
设备水压试验时的最大质量:
mmax=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me
设备停工检修时的最小质量:
mmin=m01+0.2m02+m03+m04+ma
其中:
m01—设备壳体(包括裙座)质量
m02—设备内件质量
m03—设备保温材料质量
m04—设备上平台、扶梯质量
m05—设备内物料质量
ma—设备上人孔、接管、法兰等附件质量
mw—设备内充水质量
me—偏心质量
●0.2m02是考虑停工检修时壳体上的内件质量,如塔盘支持圈、降液管等
●质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力
●不同截面、不同工作状况(操作或非操作)的载荷不同质量
(二)偏心载荷
ME=9.8me.e
Me----偏心质量
e----偏心距
(三)风载荷
1、水平风力的计算
计算风速V0
↓
基本风压q0=ρV02/2
各段风压qi=fiq0
水平风力Pi=K1K2ifiq0liDei
2、风弯矩的计算
(四)地震载荷
构造地震
塔设备在地震载荷作用下,产生三个方向的运动:
水平方向的振动;
垂直方向的振动;
扭转,其中水平方向的振动危害最大。
地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力,在一般计算中只考虑水平地震力对塔设备的作用。
震级——表示地震时释放能量的大小
地震烈度——表示地震的破坏程度
1、单质点弹性体系水平地震力的计算
F=CZαMpg
CZ----结构系数,钢制圆筒形设备CZ=0.5
α----地震影响系数(图7-76)
Mp----集中于单质点的质量
2、多质点弹性体系水平地震力的计算
Fjk=CZαηjkmkg
ηjk----j振型k质点的振型系数
Yk=Ya(hi/H)3/2
等截面塔:
3、地震弯矩的计算
对于等截面塔:
ME10-0=35/16CZα1mgH2
当H/D>
15或塔设备的高度大于等于20m时,需考虑高振型的影响,采用简化计算方法:
MEI-I=1.25ME1I-I
最大弯矩:
水压试验时:
三、筒体的强度及稳定性校核
(一)各种载荷引起的轴向应力
1、设计压力引起的轴向应力:
2、质量载荷引起的轴向应力:
3、最大弯距引起的轴向应力:
(二)最大组合应力的计算及校核
(1)最大组合拉应力
σLmax=σ1-σ2+σ3<
K[σ]tφ
(2)最大组合压应力
σYmax=σ1+σ2+σ3<
[σ]cr
四、裙座的强度及稳定性校核
1、裙座圈的计算——应力校核
2、基础环的计算——厚度计算
3、地脚螺栓的计算——直径计算
4、裙座圈与筒体焊缝的计算——应力校核
7-6塔设备的振动
1、风诱导振动的原因
2、风诱导振动频率和临界风速的计算
3、塔设备的防振措施
1、掌握风诱导振动的原因
2、了解风诱导振动频率和临界风速的计算
3、了解塔设备的防振措施
一、风的诱导振动
1、卡曼涡街
(1)卡曼涡街的形成原因:
风绕流圆柱体
↓
迎风侧(加速降压),背风侧(减速升压)
边界层流体质点受粘性摩擦力作用
背风侧边界层增厚
流体主流绕流形成漩涡
卡曼涡街
(2)形成卡曼涡街的条件
亚临界区;
超临界区;
2、升力FL=CLρv2A/2
3、风诱导振动频率
Sr=fvD/v
300≤Re≤2×
105时:
Sr=0.2
Re>3.5×
106时:
Sr=0.27
若Sr=0.2
临界风速—塔共振时的风速
vcn=5fcnD=5D/Tcn
塔第一振型临界风速:
vc1=5fc1D=5D/Tc1
当v<vc1时,塔不会发生共振
当v≥vc1时,塔将发生共振,需进行共振时的强度计算
二、塔设备的防振
防振措施:
(1)增大塔的自振频率
(2)采用扰流装置
(3)增加塔的阻尼
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