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填料吸收塔


5.4 填料吸收塔 5.4.1 设计目标
(1)具有适宜的流体力学条件,可使气液两相接触良好; (2)结构简单,处理能力大,压降低; (3)强化质量传递和能量传递。

5.4.2 设计标准
表 5-11 塔设备设计标准 名称 《钢制压力容器—分析设计标准》 《钢制塔式容器》 《安全阀的设置和选用》 《钢制化工容器结构设计规定》 《钢制化工容

器制造技术规定》 《化工设备设计基础规定》 《设备进、出管口压力损失计算》 标准号 JB4732-95 JB4710-92 HG/T20570.2-95 HG20583-98 HG20584-98 HG/T20643-98 HG/T20570.9-95

5.4.3 设计方案的确定
5.4.3.1 装置流程的确定
填料吸收塔的操作方式有①逆流操作;②并流操作;③吸收剂部分再循环操 作;④多塔串联操作;⑤串联-并联混合操作。采用逆流操作时,气相自塔底进 入由塔底排出,液相自塔顶进入由塔底排出。逆流操作的特点是,传质平均推动 力大, 传质速率快, 分离效率高, 吸收剂利用率高, 工业生产中多采用逆流操作, 该吸收塔的设计采用逆流操作。

5.4.3.2 吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解度来实现的,因此,吸收剂性能 的优劣,是觉得吸收效果的关键之一。选择吸收剂时,主要考虑一下几个方面: ①溶解度;②选择性;③挥发性;④粘度;⑤其他。该吸收塔选用廉价的水作为 吸收剂, 同时, 塔顶进入的水也起到冷凝作用, 使得气相丙烯腈温度下降而液化。

5.4.3.3 操作温度压力的确定
由 aspen 模拟的结果,塔顶的操作压力为 120 作压力为 140 ,温度为 39.4℃。 ,温度为 39.4℃;塔底的操

5.4.3.4 填料的类型与选择
填料是填料塔中气液接触的基本构件, 其性能的优劣是决定填料塔操作性能 的主要因素,因此,塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。 (1)填料的类型 根据装填方式不同,填料可分为散装填料与规整填料。 A、散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,一般以随机的方 式堆积在塔内,又称为乱堆填料或颗粒填料,主要包括:①拉西环填料;②鲍尔 环填料;③阶梯环填料;④弧鞍填料;⑤矩鞍填料;⑥环矩鞍填料等。 B、规整填料是按一定的集合图形排列,蒸汽堆彻的填料。规整填料种类很 多,根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等,目前工业上常用 的规整填料为波纹填料, 其基本类型有丝网形和孔板形两大类, 可用陶瓷、 塑料、 金属等材质制造。加工中,波纹与塔轴的倾角有 300 和 450 两种,倾角为 300 的用代号 BX(或 X)表示,倾角为 450 用代号 CY(或 Y)表示。 金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式,是由金属丝网制成的。其特点 是压降低、分离效率高,特别适用于精密精馏及真空精馏装置,为难分离物系、 热敏性物系的精馏提供了有效的手段。 金属网板波纹填料是板波纹填料的主要形式。 该填料的波纹板片上冲压有许 多φ 4-φ 6mm 的小孔,可起到分配板片上的液体,加强横向混合的作用。金属孔

板波纹填料强度高,耐腐蚀性强,特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。 波纹填料的优点是结构紧凑,阻力小,传质效率高,处理能力大,比表面积 大。 其缺点是不适于处理粘度大、 易聚合或有悬浮物的物料, 且装卸、 清理困难, 造价高。 总体来讲, 规整填料可以实现单位理论级的压降最小,从而它们非常适合于 要求能耗最小并需要很多理论级的分离过程。分离热敏性物系时,它们又可使塔 底温度最低。 尽管规整填料的投资一般比散装填料高,但对分离过程的经济考察 发现,在总费用中能耗经常是决定性因素,因此,许多情况下,宁可采用规整填 料而不用散装填料。 (2)填料的选择 填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等,所选填料既要满足生产工 艺的要求,又要使设备投资和操作费用较低。 考虑到本塔的气相负荷较大,塔径较大,考虑选用规整填料。进行规整填料 种类的选择,应主要注意一下几个方面的问题。 (3)填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,通常考虑一下几个方面。 ①传质效率 传质效率即分离效率,它有两种表示方法:一是以理论级进行

计算的表示方法,以每个理论级当量的填料层高度表示,即 HETP 值;另一是以 传质效率进行计算的表示方法, 以每个传质单元高度相当的填料层高度表示,即 HTU 值。在满足工艺要求的前提下,应选用传质效率高,即 HETP 值低的填料。 常用规整填料的 HETP 值如表 1。 表 5-12 几种常见规整填料的特性参数
填料型号 JKB-125Y JKB-250Y CB-700Y CB-250Y JWB-700Y 理论板数(1/m) 比表面积(m2/m3) 空隙率/% 1-1.2 2-3 5-7 2.5-3 8-10 125 250 700 250 700 98.5 97 85 97 87 压力降(MPa/m)液体负荷(m3/m2.hr) 最大 F 因子 2×10-4 3×10-4 9.3×10-4 3×10-4 4.6-6.6×10-4 0.2-100 0.2-100 0.2-100 0.2-100 0.2-20 3 2.6 1.6 2.6 1.3-2.4

JWB-250X SKB-250Y SKB-350Y

2.5-3 2-2.5 3.5-4

250 250 350

97 97 95

1.05×10-4 3×10-4 2×10-4

0.2-20 0.2-100 0.2-100

3-3.5 2.6 2.0

②通量

在相同的液体负荷下,填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大,

则通量愈大,塔的处理能力愈大。因此,在选择填料种类时,在保证具有较高传 质效率的前提下,应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。 ③填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能, 填料层的压降愈低,

动力消耗越低, 操作费用愈小。 选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。 ④填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性、 抗污阻性及抗热敏性

等。 所选填料应具有较大的操作弹性,以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作 稳定。同时,还应具有一定的抗污阻、抗热敏能力,以适应物料的变化及塔内温 度的变化。 ⑤填料层分段 当确定了总填料层高度后, 应考虑填料层是否需分担,分段的目的是保证填 料层中分布均匀, 同时为上升气体提供横向混合的空间和机会,从而减小放大效 应,提高传质效率。

表 5-13 常见规整填料的分段高度 填料种类 孔板波纹-250Y 500(BX)丝网 700(CY)丝网 分段高度 h/m 6 3 1.5

5.4.3.5 填料规格
工业上常用规整填料的规格和型号有很多表示方法, 国内习惯用比表面积表 示。同种类型的规整填料,其比表面积越大,传质效率越高,但阻力增加,通量 减小,填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、设备投资及操作 费用等方面综合考虑。

5.4.3.6 填料材质的选择
工业上,填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。 ①陶瓷填料。 陶瓷填料具有较好的耐腐蚀性及耐热性,一般可耐出氢氟酸以 外的其他各种无机酸和有机酸。陶瓷填料易碎,不宜在高冲击强度下使用,但具 有较好的润湿性能。 ②金属填料。金属填料可用多种材质制成,碳钢填料造价低,且具有较好的 表面润湿性能,可适用于无腐蚀或低腐蚀的体系;不锈钢填料耐腐蚀性强,但造 价较高。金属填料的抗冲击性强,能在高温、高压、高强度下应用,工业上主要 以金属填料为主。 ③塑料填料。塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP) 、聚乙烯(PE)及聚氯 乙烯(PVC)等,其耐腐蚀性能较好,可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂等,但 具有冷脆性,不宜在 0℃一下使用,但表面润湿性能稍差。

5.4.3.7 不同填料的液体喷淋点密度
为保证填料充分润湿, 传质良好且投资费用较低,应选用合适的液体喷淋密 度。常用填料的液体喷淋密度如表 8。 表 5-14 常用填料的液体喷淋密度 填料类型 金属波纹板-250Y 500(BX)丝网 700(CY)丝网 喷淋密度/m-2 ≥100 ≥200 ≥300

由上述的分析可知, Mellapak-250Y 型规整填料, 每米填料的理论板数较大, 液相通量较大,填料层的压降较小,比表面积较大,是理想的规整填料。考虑到 体系氢氰酸(HCN)有腐蚀作用,选用不锈钢材质。 Mellapak 规整填料为瑞士苏尔寿公司为克服金属丝网波纹填料由于价贵、 易堵和易腐蚀而在推广应用上有局限性的缺点, 而推出的一种能广泛应用的规整 填料。 它由金属薄片压成带斜齿的波纹形片组成填料盘。 波纹对轴线倾角为 300, 450,板片上可开小孔,以促使液体分散和横向混合,板片上可压出沟纹以增进

液体均布和润湿。在安装时,每盘填料上下交错 900 安放。目前已成为高效、低 压降、通量大的通用性规整填料。可用金属、塑料、陶瓷做成。 所选 Mellapak-250Y 型规整填料的规格如下表。 表 5-15 Mellapak-250Y 型规整填料的规格 项目 比表面积(m2/m3) 空隙率 堆密度(Kg/m3) 当量直径 mm 波纹倾角度 材质密度(不锈钢)(Kg/m3) 250 97% 200 12.7 450 指标 每米填料理论板数(m-1) 压力降 MPa/m 气相 F 因子 液体负荷(m3/m2.hr) 峰高 mm 170-2000 2.5-2.8 3×10-4 2.5-3.5 0.2-100 45

5.4.5 吸收塔的物料衡算
由 aspen 模拟结果,可将物料衡算结果总结如下:

5.4.5.1 进料组成
塔顶 表 5-16 塔顶进料情况 温度 组分 水(1) 水(13) C3H3N CHN 总流量 塔底 表 5-17 塔底进料情况 20℃(1) 20℃(13) 压力 120KPa 140KPa 质量流量/ Kg / h 1563.43 1589.14 0.375 0.031 3152.976

摩尔流量/ Kmol / h 86.86 88.29 0.0087 0.001 175.15

温度 组分 水 C3H3N C2H3N CHN CO2 CO-O2 C3H8 C3H6-01 总流量

40℃

压力

140KPa 质量流量/ Kg / h 500 22760.9 1064.6 2455.4 3085.2 1155.9 714.7 352.9 30578.75

摩尔流量/ Kmol / h 27.78 429.45 15.97 90.94 70.12 38.53 16.24 8.40 707.43

换算成操作条件下的总体积流量为

V ? 707.43 ? 22.4 ?

40 ? 273 120000 3 ? m / h ? 21516.81m3 / h 273 101325

5.4.5.2 产品组成
塔顶 表 5-18 塔顶产品组成 温度 组分 水 C3H3N CHN CO2 CO-O2 C3H8 C3H6-01 N2 O2 总流量 39.4℃ 压力 120KPa 质量流量/ Kg / h 4941.072 481.987 2177.118 3083.872 1237.86 713.108 352.17 11473.068 4827.456 29287.711

摩尔流量/ Kmol / h 274.504 11.209 80.634 70.088 41.262 16.207 8.385 3981.181 150.858 4634.328

换算为塔顶条件下的总体积流量为

V ? 4634.328 ? 22.4 ?

40 ? 273 120000 3 ? m / h ? 140955m3 / h 273 101325

塔底 表 5-19 塔底产品组成 温度 组分 水 C3H3N C2H3N CHN CO2 CO-O2 C3H8 C3H6-01 N2 O2 总流量 39.4℃ 压力 140KPa 质量流量/ Kg / h 25724.682 18461.83 1078.628 276.25 3083.872 0.15 0.044 0.042 5.46 0.64 48636.603

摩尔流量/ Kmol / h 1429.149 429.345 26.308 10.251 70.088 0.005 0.044 0.001 0.195 0.020 1965.406

5.4.6 工艺计算
5.4.6.1 空塔气速的计算
泛点气速是填料塔操作气速的上限, 填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气 速, 操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。常用散装填料泛点率的经验值为

u / uF ? 0.6 ~ 0.95 。
(1)贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式法。 填料的泛点气速可由贝恩(Bain)-霍根(Hougen)关联式计算。
lg[
2 ? uF a1 ?V 0.2 w ( 3 )( ) ? L ] ? A ? K ( L )1/4 ( V )1/8 g ? ?L wV ?L

mPa s, ?V ? mV / V ? 1.42 Kg / m3 , . 其 中 , ? L ? ? x i? i , 可 得 ?L ? 0. 6560

? L ? 1/ ? (ai / ?i ) ? 992.2 Kg / m3 ,由化工原理课程设计(王国胜 主编)第 95
页表 5-6 查得对金属孔板波纹填料 A=0.291,K=1.75,将数据代入可得
2 uF 250 1.42 3152.976 1/4 1.42 1/8 lg[ ( )( )0.65600.2 ] ? 0.291 ? 1.75( ) ( ) 3 9.81 0.97 992.2 30578.75 992.2

采用单变量求解,可得泛点气速 uF ? 4.46m / s ,取 u ? 0.95 ? 4.46 ? 4.24m / s 。 可得塔径 D1 ? 4V ? u ? 4 ? 21516.81/ 3600 (3.14 ? 4.24) ? 3.82m 。 (2)气相动能因子法(F 因子) 气相动能因子简称因子,其定义为 F ? u ?V ,多用于规整填料空塔气速的 确定。由于气相负荷较大,可将动能因子取为上限,则可得空塔气速为
u ? F / ?V ? 3 . 5 / 0 . 9 6 3? 1 3 . 5 6 6 5s 进一步可得塔径 m ,/

D2 ? 4V ? u ? 4 ? 21516.81/ 3600 (3.14 ? 3.51) ? 3.51m
(3)气相负荷因子法 气相负荷因子简称 Cs 因子,其定义为 Cs ? u
速的确定。由流动参数? ?

? L ? ?V

?V

,多用于规整填料空塔气

wL ?V 0.5 57368.686 0.963 0.5 ( ) ? ( ) ? 0.01223 ,查波纹板填 wV ? L 148449.7 961.045

0.8 ? 0.136 ,从而可 料的最大负荷因子图,可得 Cs ,max ? 0.17 ,故 Cs ? 0.8 Cs ,max ? 0.17 ?
得 u ? Cs /

? L ? ?V

?V

? 0.136 /

0.963 ? 4.29m / s ,进一步得塔径 961.045 ? 0.963

D3 ? 4V ? u ? 4 ? 21516.81/ 3600 (3.14 ? 4.29) ? 3.48m
实际塔径应取上述三种计算结果中的较大者,并进行圆整。故圆整后的塔径 为 4m,实际的空塔气速为 u ? 3.26m / s ,泛点率为 0.73。

5.4.6.2 液体喷淋密度
填料塔的液体喷淋密度是指单位时间,单位塔截面上液体的喷淋量,其计算 式为
U? Lh 0.785D 2

其中,Lh 为液体喷淋量,m3 / h ; 为液体喷淋密度,m3 / (m 2 .h) ;D 为塔径,m 。 U 代入数据,可得液体喷淋密度 U ?
57.98 ? 4.62m3 / (m2 .h) 。 0.785 ? 42

设计中,规整填料的最小喷淋密度可设为 0.2 m3 / (m 2 .h) , 可得最小量为
( L)min ? 0.2 ? 0.785 ? 42 ? 2.512m3 / h 。

5.4.6.3 填料层高度计算及分段
由 aspen 模拟结果,理论板数为 7,又由 Mellapak 规整填料,每米填料的 理论板数为 2.5-2.8,取下限 2.5,考虑到经验的等板高度与实际值的差异,取 安全系数为 1.5,则可得填料层高度为 h ? 1.5 ? 7 / 2.5 ? 4.2m 。由表 2 知,填料层 段数为 1。

5.4.6.4 填料层的压降
对逆流操作的填料塔,液体由塔顶喷淋,借重力作用经填料层流下;气体则 由塔底进入, 借压力差的作用由下而上流过填料层。为克服湿填料层对气体流动 的阻力,气体流过填料层时必然产生压力的降低,简称为压降。在填料层中气体 的压降值愈填料类型、尺寸和液体喷淋密度直接相关。目前,每种类型塔填料的 比压降数值,都由实验测定。由 Mellapak-250Y 填料的比压降与 F 因子关联图, 可查得,在 F=3.5,喷淋密度 U ? 4.62m3 / (m2 .h) 时,每米填料的压降约为 500Pa。则
填料层的总压降为 0.5×4.2=2.1KPa。

5.4.6.5 填料塔内件的构型与设计
填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收 集再分布装置等。 合理地选择和设计塔内件,对保证填料塔的正常操作及优良的 传质性能十分重要。 (1)填料支撑板 填料支撑的作用是支撑塔内的填料。填料支撑装置,第一应具有足够的强度 和刚度,能承住填料层和其中持液的重量,以及操作中附加的重量和压力;第二 应具有大于填料层孔隙率的开孔率,防止在支撑板首先发生液泛,进而导致整个 填料层过早液泛;第三结构合理,利于气液两相均匀分布,阻力小,好拆装。其

结构有板式和梁式两种,每种又都有不同的类型,综合考虑塔径和液量,本塔选 用多梁支撑板。 (2)填料压板和床层限制板 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动, 需在填料层上方设置 填料压紧装置,以保证填料塔长期稳定操作,高效优质分离。常用散装填料的压 紧装置有压紧网板、 压紧栅板、 金属压紧器等。 床层限制板与填料压板基本相同, 安装时必须固定于塔内壁上,以防止床层松动,其产生的压降约为 400-700Pa。 本塔选用栅格压板。 (3)液体分布器 液体分布装置对填料塔操作性能的好坏、传质效率的高低至关重要。性能优 良的液体分布器设计时主要考虑以下几点: ①液体分布均匀 a、分布点密度 液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密 切相关,塔径越大,分布点密度越小;液体喷淋密度越小,分布点密度越大。根 据 Sulzer 公司的建议, 理想的 Mellapak 填料,液体分布器的分液点密度应大于 100。 b、分布点的几何均匀性 分布点在塔截面上的几何均匀分布是较分布点密度更重要的问题, 常用的排 列方式有正方形、正三角形等,本塔采用正三角形排列。 c、降液点间流量的均匀性 为保证各分布点的流量均匀,需要分布器总体的合理设计、精细的制作和正 确的安装。高性能的液体分布器,要求各分布点与平均流量的偏差小于 6%。 ②操作弹性大 一般要求液体分布器的操作弹性为 2-4。 ③自由截面积大 液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积的比值。 性能优良的液体 分布器,其自由截面积为 50-70%。 液体分布器依据其工作原理不同,可分为重力型和压力型;按液体初始分布

器的结构特征可将常用分布器分为喷洒式、盘式、管式和槽式四种基本类型。其 中, 槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗固体杂质的能力,对于处理 大气、液流量;分布含有固体悬浮物的流体,分布粘度较大的液体特别有效,是 其他类型分布器所不及的。故本塔选用槽式液体分布器。 槽式液体分布器的第二级的分布槽结构极为重要, 全连通的分布槽能保持相 同的分布液位, 但制造难度颇大, 多用于小塔; 隔音式的液体分布槽制造颇容易, 但难以保持各分布槽具有相同的分布液位,因此难以保证液体分布均匀;部分联 通式的分布槽,具有二者折中的优缺点,是当前较为常用的一种结果型式。本塔 选用槽式分布器中的部分联通式分布槽。 (4)液体分布器的部液能力 重力型液体分布器的工作动力为液体位头或堰液头, 槽式液体分布器属于重 力型液体分布器,其分布能力的计算公式为:

Ls ?

?
4

d02 n? 2 g ?H

L 其中, s 为液体流量, 3 / s ; 为开孔数目; 为孔流系数, 通常取 ? ? 0.55 ? 0.60 ; m n ? d 0 为孔径, m ; ?H 为开孔上方的液位高度, m 。

假 设 每 60cm2 设 置 一 个 喷 淋 点 , 则 液 体 喷 淋 点 密 度 为
1/ 60 ?10?4 ? 166.67 ? 100
, 总 的 孔 数 为

n?

?
4

D 2 / A0 ? 0.785 ? 4.02 / (60 ?10?4 ) ? 2093.3 ,可圆整为 2093。

液 体 分 布 器 的 部 液 能 力 应 当 大 于 体 系 的 液 体 流 量 , 取
Ls ? 1.3L ? 1.3 ? 57.98 ? 75.38m3 / h , ? ? 0.60 , ?H ? 0.20m ,可得孔径

d0 ?

4 Ls

? n? 2 g ?H

?

4 ? 75.38 / 3600 ? 3.27 mm 3.14 ? 2093 ? 0.60 ? 2 ? 9.81? 0.20

可圆整为 4.0mm。 (5)液体收集器和液体再分布器 液体收集器是填料塔中收集上段填料层流下液体的内件。 对于液体测线采出 或填料层分段进行液体再分布之处都要设置液体收集器, 本塔填料层只有一段且 无测线抽出,故不设置液体收集器。

液体再分布器的设置是为减少流体“壁流” ,提高传质效率,在个填料段间 必须安装液体再分布器, 收集上段填料流下的液体使之混合,进而为下段填料提 高足够的分液点和优秀的液体分布质量。同样,本塔不设置液体再分布器。 (6)气体入塔分布器和除沫器 a、气体入塔分布器 填料塔内企业两相在填料层中逆向流动时,其分布是互相影响的,即使液相 初始分布是均匀的, 但由于气相填料层中的分布严重不均匀,必将导致填料层中 意分布的不均,从而引起传质恶化。对于大塔,入塔其他的均匀分布问题更为重 要。 气体入塔分布器的设置应注意一下几点: ①设置好进气管数量、尺寸和布置方位,以保证较低的流速; ②塔底要有足够的气体稳定空间; ③最下一段填料层的下方设置气体分布器,通过其“节流、整流”作用使气 体均匀进入填料层。 b、除雾沫器 为捕集出塔气中夹带的液滴和雾沫, 通常在塔顶液体初始分布器的上方设置 一定型式的除雾沫器。 除雾沫器有折流板式、 旋流板式、 填料层除雾沫器等形式, 由于本体系含有腐蚀性气体氢氰酸, 因此采用可除去 10μ m 以上喷雾的填料层除 雾沫器。化工中常以焦炭、砂石及各种小尺寸、大比表面积的散堆塔填料作为除 雾元件构成填料层除雾沫器。 (7)液体过滤器和塔底出液消旋器 a、液体过滤器 为防止液体初始分布器和各自分布器的堵塞, 防止填料层为杂质污染或堵塞, 设置过滤器对进塔原料液、塔顶回流液等进行过滤,清除杂质。 b、塔底出液消旋器 液体由塔底出口排出时, 在排液口处会形成一个向下的漩涡,不但能影响塔 底液面的稳定,而且由可能带走气体。如果液体为泵送,则带气会影响泵的正常 运转,可能产生“气缚”或“气蚀”现象。因此,在塔底液体出口前需设置防止 涡流产生的挡板亦即消旋器。

5.4.7 塔体设计
5.4.7.1 塔体
(1)塔体材质选择 吸收塔体系压力不高,因此,容器材质的选择可适当放宽,但考虑到本体系 含有腐蚀性的氢氰酸等物质, 参考钢制化工容器材质选择标准,蒙乃尔合金耐酸 腐蚀力强,但价格昂贵,综合考虑,塔体材质选用 Q345。 (2)塔体厚度 计算塔体厚度时,取塔内压力最大压力进行计算,即 p=140Kpa,取最大允 许压力为正常工作压力的 1.2 倍,得 [ pW ] ? 140 ?1.2 ? 168Kpa ,工作温度为 40℃,
由内压容器的计算公式

?=

pDi 2[? ]t ? ? p

其中, 许用应力 [? ]t ? 150Mpa , 焊缝系数 ? ? 0.85 , 代入数据, ? ? 0.6mm 。 得 对低合金钢制容器,当内径不大于 3800mm 时, ? min ? 2 Di /1000 ? 3.2mm ,取腐 蚀裕量为 0.5mm / a , 按 15 年计算,取负偏差为 1.0mm,可得塔体名义厚度

? n ? 11.7mm ,圆整为 12mm。

5.4.7.2 封头
塔顶、塔底均采用标准椭圆封头,便于加工设计。 由标准椭圆封头的厚度计算公式

??

pDi 2[? ] ? ? 0.5 p
t

选用 16MnR 钢板, 与塔体计算方法相同, 可得塔顶、 塔釜封头的厚度为 12mm, 查表得 4m 的封头厚度范围在 20-36mm 范围内, 可取为 25mm, 塔釜封头直径为 4m, 塔顶、塔底两个封头的尺寸(mm)如下表:

表 5-20 标准椭圆封头
公称直径 厚度 4000 曲面高度 25 内表面积 (m2) 1000 直边高度 50 9.0059

17.9721 容积(m3)

5.4.7.3 裙座
裙座有圆筒形和锥形两种形式,本塔选用圆筒形裙座。裙座与塔体的连接采 用对接型式的焊接,采用连续的圆滑过渡焊。 (1)裙座厚度 裙座塔体厚度不应小于 6mm,取裙座的内径与塔釜封头外径相等,即为 4000mm,取裙座直径与塔体直径相等,裙座厚度为 30mm。 (2)裙座的缺口尺寸 裙座筒体与拼焊塔釜接头连接时,在封头拼接接头处的裙座筒体应切缺口, 查塔器设计技术规定,得缺口的尺寸宽度 K=120mm,R=60mm。

5.4.7.4 接管
①塔顶进料管 塔顶进料为液体, 其体积流量为 0.0161m3 / s , 可取进料流速为 u ? 1.2m / s , 得进料管直径 d ? 0.0161/1.2 / 0.785 ? 0.1307 m ? 130.7 mm ,圆整为 d ? 132mm 。 公称直径 D/mm 150 ②塔顶出料管 与塔顶进料管相同的方法,可得 公称直径 D/mm 1720 外径/mm 1750 壁厚/mm 15 外径/mm 159 壁厚/mm 3

塔顶为避免夹带液滴,应在塔顶设置除沫器。 ③塔底进料管 公称直径 D/mm 1660 外径/mm 1700 壁厚/mm 20

④塔底出料管 公称直径 D/mm 125 外径/mm 133 壁厚/mm 4

由塔器设计技术规定可得,塔底出料管的最小伸出长度为 200mm。

5.4.7.5 通道管
塔釜封头上的接管一般需通过裙座上的通道管引到裙座的外部。 通道管规格 选为无缝钢管,查得通道管的尺寸为Φ 325×8mm。

5.4.7.6 人孔
人孔直径一般为 450-500mm,当塔直径较大时,人孔可取得大些,本塔裙座 为常压人孔,其基本尺寸(mm)如下。 表 5-21 人孔
公称直径 500 接管外径与厚度 530x6

D 620

D1 585

B 300

b 14

b1 14

b2 12

H1 160

H2 90 螺栓数量 20

规格 M16x50

质量/kg 50.7

5.4.7.7 排气孔和排气管
为减小腐蚀及避免可燃、有毒气体的积聚,保证检修人员的安全,应在裙座 上部设在排气孔或排气管。 排气孔数量及规格如表 2。 表 5-22 排气孔 排气孔尺寸/mm Φ 100 排气孔数量 4 排气孔中心距裙座顶端的距离/mm 220

5.4.7.8 检查孔
裙座应设检查孔,检查孔有圆形和长圆形两种,本塔选用圆形检查孔,根据 塔径得其规格尺寸如表 3。

5-23 检查孔表 检查孔直径/mm Φ 500 检查孔数量 2 检查孔宽度/mm 250 中心高 H/mm 950

5.4.7.9 排净孔
裙座筒体底部应对开两个排净孔,孔的规格为:Φ 25mm,h=60mm。

5.4.7.10 基础环
基础环的内、外径可参考下面的公式计算
Dob ? Dis ? (160 ~ 400) Dib ? Dis ? (160 ~ 400)

其中, Dob 为基础环的外径,mm; Dib 为基础环的内径,mm; Dis 为裙座内径,mm。 由基础环尺寸,可得 可取基础环的内径、外径分别为 4300mm、3700mm。 有筋板时,基础环的厚度为

?b ?

6M s [? ]b

5.4.7.11 地脚螺栓座
地脚螺栓座结构有多种形式,常用的有外螺栓座及单环板螺栓座两种型式。 单环板螺栓座多用于塔不很高,且基础环板的计算厚度小于 20mm 的场合,故本 塔选用外螺栓座。地脚螺栓座的规格如表 4。 表 5-24 地脚螺栓座规格/mm
螺栓规格 Φ 24×3 A 200 B 55 C 45 D 160 Ls 70 δ G 12 δ C 16 δ Z 12 L1 130 L5 100 L1 50 d2 27 d3 40 d2 50

5.4.7.12 塔高
塔顶留有一定的空间是为了减少被夹带出塔的液滴量,一般取
H 顶 ? 0.9 ~ 1.2m

,由于气体量较大,可取上限 1.2m。

塔体各个部分的高度情况列表如下 表 5-25 塔体各部分的高度 部件 塔顶高度 液体分布器 填料段高度 尺寸/mm 1200 1200 4200 部件 塔釜高度 裙座 塔底进料段 尺寸/mm 1200 2200 1260

故,塔高 Z ? 1200+1000+4200+1200+2200+1260=11.26m 。

5.4.7.13 吊柱
室外无框架的整体塔,一般应在塔顶设置吊柱。 吊柱设计的一般原则有: ①吊柱的吊钩与塔顶之间的距离,一般为 1000mm 以上; ②手柄至操作平台之间的距离,一般为 1200-1500mm 之间; ③吊柱设置方位应满足吊柱中心线与人孔中心线之间有合适的夹角, 使人站 在平台上能操纵手柄转动吊柱管,将吊钩的垂直中心线转到人孔附近。

5.4.7.14 吊耳
整体吊装的塔器, 应设置吊耳。吊耳的设计包括吊耳结构形式的设计及安装 位置的确定。 吊耳的材料一般为碳钢或低合金钢,吊耳与塔体的连接垫板采用与 塔体相同的材料。

5.4.8 塔设备的强度设计
塔设备的强度设计包括塔体及裙座的强度及稳定性计算和校核。 由于塔设备 长径比大,除承受介质的压力载荷外,因此,还要考虑重力载荷、风载荷、地震

载荷及偏心载荷的作用,受力比较复杂。

5.4.8.1 塔体和裙座的受载分析
塔体所受到的各种载荷均由裙式支座传递到基础上,因此,塔体或裙座的任 意截面均会受到以下几种载荷的作用。 (1)操作压力 内压塔操作时, 在塔壁上引起拉应力, 减压塔操作时则在塔壁上引起压应力, 操作压力的大小和方向与裙座无关。 (2)自重 塔设备的自重对塔体和裙座均产生压应力, 且压应力的数值随横截面位置的 下移而增加。此外,塔设备在操作、吊装和水压试验时的 自重均不相同,应分 别考虑。 (3)风载荷 室外安防的塔设备在风力作用下产生两种弯矩。 其一是水平风力对塔产生的 静弯矩,在迎风面和裙座体壁产生拉应力,背风面一侧则引起压应力。其二是由 于水平风绕过塔的两侧时形成的周期性漩涡, 导致塔体在垂直于风的方向产生振 动,当此振动频率与塔的固有频率相同时产生共振,称为风的诱导共振。风的诱 导共振使塔在垂直于风向产生诱导共振弯矩,但该弯矩一般不予计算。 (4)地震载荷 地震发生时,使地面上产生三向地震反应,既有水平方向的平移运动,又发 生扭转和垂直地面的竖向振动。 一般只考虑水平横向振动对直立设备的影响。水 平振动会造成设备基础相对于塔设备重心的突然迁移, 从而构成了作用于塔体和 裙座的弯矩,即地震弯矩,使塔体或裙座横截面一侧产生拉应力,另一侧产生压 应力。 (5)偏心弯矩 当塔顶冷凝器偏心安装, 或在塔的侧面悬挂再沸器时,则偏心重量将引起偏 心弯矩,使塔体和裙座两侧分别产生拉应力和压应力。

5.4.8.2 塔设备的振动简介
(1)自振周期 当塔设备受风载荷作用时, 由于风速是变化的, 因而风载荷往往带有脉动性, 而地震载荷则更不是恒定的为短期的冲击载荷。 当塔设备所受外载所引起的振动 频率接近于塔设备的自振频率时,塔设备就会发生共振,甚至可能导致设备的破 坏。 塔设备的自振周期为 Tc ? 2? my0 其中, m 为自由端的集中质量,Kg; y0 为自由端单位力时该处的挠度,cm/N。 (2)受风诱导振动 当空气以某一速度流经塔体圆柱面时,在圆柱背风面两侧交替产生漩涡,然 后脱离并形成一个漩涡尾流,此现象为冯.卡曼发现,工程上称为卡曼涡街。塔 体两侧压力不同,将会产生对塔体的推力,由于推力方向交替改变,故塔体产生 辞职与风向的振动,称为诱导振动。诱导振动的频率与漩涡形成的频率相同,为
f ? V .st V ? D0 5D0

其中, 为风速,m/s; D0 为塔外径,m; st 为斯特鲁哈准数,一般取 0.2。 (3)消振措施 塔设备的振动是属于有阻尼的强迫振动。 由于阻尼的约束, 消耗了部分能量, 使振动减小。 如果计算表明塔设备的振动周期和自振周期接近, 为避免发生共振, 应采取消振措施。常用的消振措施有:减小塔的自振周期和采用扰流装置等。

5.4.8.3 塔体质量
(1)塔体、封头及裙座质量
m01 ?

?
4

[(3.8562 ? 3.82 ) ? (18.9 ? 5) ? (3.8562 ? 3.7962 ) ? 5] ? 7850 ? 2 ?1280 ? 53429Kg

(2)填料质量
m02 ? 0.785 ? 3.82 ? 9 ? 67.7 ? 6906Kg

(3)附件质量 由经验取 m03 ? 0.25m01 ? 0.25 ? 53429 ? 13357 Kg (4)平台和扶梯的质量
m04 ? 0.785 ? [(3.856 ? 0.2 ? 3.856)2 ? (3.856 ? 0.2)2 ] ?150 ? 5 ? 180 ? 18.9 ? 40 ? 14081Kg 360

(5)塔内充水质量
m05 ? 0.785 ? 3.82 ? (18.9 ? 5) ?1000 ? 157562 Kg

(6)塔设备操作质量
m0 ? m01 ? m02 ? m03 ? m04 ? 53429 ? 6906 ? 13357 ? 14081 ? 87774 Kg

(7)塔设备的最大质量(水压试验时)
mmax ? m01 ? m02 ? m03 ? m04 ? m05 ? 87774 ? 157562 ? 245336 Kg

(8)塔设备的最小质量(吊装时)
mmin ? m01 ? m02 ? m03 ? m04 ? 53429 ? 6906 ? 13357 ? 14081 ? 87774Kg

5.4.8.4 自振周期
本塔近似认为是等截面塔(等直径、等壁厚) ,自振周期按下式计算
Tc1 ? 90.33H m0 H 87774 ? 18900 ? 10?3 ? 90.33 ? 18900 ? ? 10?3 ? 3.41s 3 E? e Di 1.9 ?105 ? (28 ? 3) ? 38003

5.4.8.5 风弯矩计算
把已知条件和有关系数取法的规定,风振系数 K 2i 列于表 2 中,水平风为
Pi (i ? 1 ~ 6) ,计算结果列于表 3。由于已知平台宽度为 1200mm,现取塔设备各

段有效直径 Dei ? Doi ? 1500mm (1、2 段除外) 。

表 5-26 系数 K 2i
离地面高度,m 1 0.35 2.946 2.031 3.8 0.35 2.946 2.031 11.26 0.348 2.946 2.025

?i ?i
K 2i ? 1 ? ?i?i

表 5-27 水平风力 Pi 计算表
计算塔段 1 1000 294 0.7 2.031 0.78 2488 2 2800 294 0.7 2.031 0.78 2488 3 7460 294 0.7 2.031 0.78 3948

li , mm
q0 , N / m2

K1 K 2i

fi
Dei , mm
Pi ? K1K 2i q0 fi li Dei ?10?6

0.811?103

2.271?103

3.628 ?103

计算各危险截面的风弯矩: (1)0-0 截面(塔底)
l l1 l ? p2 (l1 ? 2 ) ? p3 (l1 ? l2 ? 3 ) 2 2 2 1000 2800 7460 ? 0.811?103 ? ? 2.271?103 ? (1000 ? ) ? 3.628 ?103 ? (1000 ? 2800 ? ) ? 6.651? 107 N .mm 2 2 2
i M W?1 ? p1

(2)1-1 截面(裙座人孔处)
1 MW?1 ? p2

l l2 2800 7460 ? p3 (l2 ? 3 ) ? 2.271?103 ? ? 3.628 ?103 ? (2800 ? ) ? 4.481? 107 N .mm 2 2 2 2

(3)2-2 截面(塔下封头与塔体连接焊缝处)
2 MW?2 ? p3

l3 7460 ? 3.628 ?103 ? ? 1.481?107 N .mm 2 2

5.4.8.6 地震弯矩计算
查地震影响系数最大值,当地震烈度为 8 度时, amax ? 0.45 ,又已知 III 类场 土地时,地震影响系数为 a ? (1)0-0 截面
0 M B?0 ?

0.7amax 0.7 ? 0.45 ? ? 0.080 Tc1 3.96

16 16 CZ a1m0 gH ? ? 0.5 ? 0.080 ? 62037.629 ? 9.81?12600 ? 3.46 ?109 N .mm 35 35

(2)1-1 截面
1 M B?1 ?

8CZ a1m0 g (10 H 3.5 ? 14 H 2.5 h ? 4h3.5 ) 2.5 175H

?

8 ? 0.5 ? 0.080 ? 62037.629 ? 9.81 (10 ?126003.5 ? 14 ?126002.5 ? 3800 ? 4 ? 38003.5 ) ? 3.13 ?109 N .mm 175 ?126002.5

5.4.8.7 最大弯矩
各截面处的最大弯矩,应由地震弯矩与 0.25 倍的风弯矩之和,与风弯矩进 行比较决定。
0 M 0?0 ? 0.25M W?0 ? 5.087 ?109 ? 6.651?109 1 1 M B?1 ? 0.25M W?1 ? 4.887 ?109 ? 6.481?109 2 2 M B?2 ? 0.25M W?2 ? 5.687 ?109 ? 6.013 ?109 0?0 故取 M max ? 6.651?109 N .mm 1?1 M max ? 6.481?109 N .mm

2? 2 M max ? 6.013 ?109 N .mm

即最大弯矩由风弯矩控制。

5.4.8.8 塔内强度和稳定性验算(2-2 截面)
(1)内压引起的轴向应力

?1 ?

pDi 2.2 ? 2400 ? ? 62.68MPa 4? ei 4 ? 21

(2)塔设备重力引起的轴向应力
m 2? 2 g 261891.3 ? 9.81 ?2 ? ? ? 16.23MPa ? Di? ei 3.14 ? 2400 ? 21

(3)最大弯矩引起的轴向应力

?3 ?

2? 2 4 M max 4 ? 6.013 ?109 ? ? 65.82 MPa ? Di2? ei 3.14 ? 2400 2 ? 21

(4)组合轴向拉应力

? t ? ? 1 ? ? 2 ? ? 3 ? 62.68 ? 16.23 ? 65.82 ? 112.45MPa
(5)组合轴向压应力

? c ? ? 2 ? ? 3 ? 16.23 ? 65.82 ? 82.05MPa
(6)校核

? t ? ?[? ]t ? 0.85 ?163 ? 138.5MPa

? c ? ( B,[? ]t )min ? 140MPa ,由于 B ? 140MPa ,故 [? ]t ? 163MPa 。

5.4.9 主要参考资料
《现代填料塔技术指南》 ,王树楹,主编,1998 年 1 月初版。 《石油化学工程原理》下册,李阳初,刘雪暖,主编,2010 年 8 月第二版。 《化工原理课程设计》 ,王国胜主编,2005 年 1 月初版。 《化学工程师手册》 ,化学工程师手册编辑委员会编,2001 年 1 月。 《物性数据手册》 ,刘光启,马连湘,项曙光,主编,2013 年 1 月。 《常用压力容器手册》 ,刘湘秋编著,2005 年 4 月第二版。


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