（机械工程专业论文）浮阀塔板的计算机辅助设计.pdf

c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nf o rv a l v et r a y at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l if e n g ju a n s u p e r v i s o r ：a p r o f y a nc h e n g x i n c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：蛐一一一 日期：加i ) 年6 月1日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：奎区豳 指导教师签名： i 虱蕉扬 日期：矽，f 年6 月1 日 日期：矽年名月多日 摘要 近年来科学技术和制造业有着飞速的发展，为了在激烈的竞争中不至于掉队，许多 企业纷纷建立起了相应的c a d c a m 软件平台，使得c a d 技术得到了快速的发展。现在 c a d 技术已经渗透到工业产品设计的每一个阶段，使传统的设计方法发生了巨大的变 化。利用已经开发出的系统资源来快速开发出自己需要的具有特定功能的c a d 系统有重 要意义。 本论文从当今c a d 开发技术和开发工具出发，通过对v b 平台的研究，提出了基于 v b 平台来开发塔板辅助设计软件的可行性。本文以浮阀塔板为例介绍了以v b 6 0 语言为 工具的开发过程及实现方法，最终实现的功能是根据用户输入的参数能方便的进行塔板 的设计、流体力学校核、负荷性能图的绘制以及自动绘图等一系列工作。 本软件除了根据参数进行塔板的一般校核外，最大的特点是能根据用户输入的塔板 尺寸自动绘制弓形板、矩形板、通道板等塔板零件图及装配图，对塔板进行自动排孔， 并对所绘制的塔板图进行自动标注，把a u t o c a d 的优点和v b 的优点结合到了一起。 本软件以浮阀塔板设计为主，软件的设计和绘图平台为a u t o c a d 2 0 0 7 ，开发环境为 v b6 0 。系统数据输入采用文本框加表格控件的形式，使用者根据提示能很轻松地在界 面上输入所需要的数据，在进行校核及绘图时如果操作不当或者数据异常会有提示框来 提示错误，体现了人机对话和参数化绘图的特点。整个软件实用性和通用性强，有较好 的操作界面，简单方便，可以快速的完成传统塔板设计中需要手工完成的繁琐校核和绘 图工作，减少人为错误，缩短设计周期。系统具有良好的扩展能力，能极大地提高设计 规范性和设计效率，缩短新产品开发周期，具有重要的实用价值，是对塔板设计方法的 有益改革和探索。 关键词：塔板，c a d ，参数化设计，数据库 c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nf o rv a l v et r a y l if e n g j u a n ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a nc h e n g x i n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e si n r e c e n ty e a r s ，t h ec a d c a ms o f t w a r ep l a t f o r mh a sb e e ne s t a b l i s h e db ym a n ye n t e r p r i s e s ， w h i c hm a d et h ec a dt e c h n o l o g yg oi n t oar a p i dd e v e l o p m e n ts t a g e c a dt e c h n i q u ea l r e a d y h a sp e n e t r a t e di n t oe v e r ys t a g eo fi n d u s t r i a lp r o d u c td e s i g n , w h i c ha l s ol e a d st r e m e n d o u s c h a n g e sf o rt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d i t ss i g n i f i c a n c ef o rd e s i g n e r st od e v e l o pac a d s y s t e mw h i c hh a ss p e c i f i cf u n c t i o n st h e yn e e d 、 ，i 也e x i s t i n gr e s o u r c e s b yd e m o n s t r a t i n gd e v e l o p m e n to fc a dt e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r so fv bs o f t w a r e ， s u c hac o n c l u s i o nh a sb e e nd r a w nt h a ti ti sf e a s i b l et od e v e l o pv a l v et r a yw i t l lv bs o f t w a r e i n t h i ss y s t e mv a l v et r a yh a sb e e nt a k e na se x a m p l et oi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sw h i c hb a s e do nv b6 0 w i mt h i ss y s t e mas e r i e so fw o r ks u c ha s t r a yd e s i g n , f l u i dc h e c k ，l o a dp e r f o r m a n c ec h e c k i n g ，a u t o m a t i cd r a w i n ga c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e rw h i c hi n p u tb yd e s i g n e rc a l le a s i l yb ed o n eb yd e s i g n e r s t h i ss y s t e mh a sg o o d s c a l a b i l i t y , t h i sa d v a n t a g eg r e a t l yi m p r o v e dt h es p e c i f i c a t i o n sa n de f f i c i e n c ya n da l s oc a n s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e w p r o d u c t s t os u ma l lt h ef e a t u r e su p ，t h i ss y s t e mh a sa n i m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e b e s i d e st h e g e n e r a lc h e c k i n ga c c o r d i n g t ot h ep a r a m e t e r s ，a n o t h e r i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i ci st h a tp a r t sd i a g r a m sa n da s s e m b l yd r a w i n g sc a nb ed r a w n 谢mt h i ss y s t e m ， s u c ha sb o wp l a t e ，r e c t a n g u l a rp l a t e ，t h ec h a n n e lp l a t e a d d i t i o n a l l yw i t ht h i ss y s t e mr o wo f h o l e so nt h et r a yt o g e t h e r 、杭t l lt h e i rd i m e n s i o n sc a l la u t o m a t i c a l l yb eg i v e n t h e s ef e a t u r e s c o m b i n et h ea d v a n t a g e so fv ba n da u t o c a dt o g e t h e r t h i ss o f t w a r et a k ev a l v et r a ya s e x a m p l e ，a n dt h ed e s i g np l a t f o r ma r ea u t o c a d 2 0 0 7a n dv b6 0 t h i ss y s t e mu s e st e x t b o x a n dm s f l e x g r i dt oi n p u td a t a ，s ot h er e q u i r e dd a t ac a ne a s i l yb ei n p u ta c c o r d i n gt ot h et i p s g i v e nb ys y s t e m d u r i n gt h ec h e c k i n ga n dd r a w i n gi fa n yi m p r o p e ro p e r a t i o no rd a t ae l l o r s e x i s tt h e r ew i l lb eb o x e st os h o wt h ee r r o r , r e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n m a c h i n e i i i 1 1 1c a d 技术概述。2 1 1 2c a d 技术的发展现状2 1 1 3c a d 技术的发展趋势3 1 1 4 化工设备c a d 现状及特点4 1 2 课题的研究背景、意义及主要内容一5 1 2 1 本课题研究的背景、意义5 1 2 2 本课题完成的主要内容5 第二章塔设备简介7 2 1 塔设备的发展7 2 1 1 我国塔设备技术的发展9 2 2 板式塔简介9 2 2 1 板式塔的分类1 0 2 2 2 板式塔程序设计背景1 4 2 - 3 本章小结1 5 第三章v b 6 0 平台上a u t o c a d 的二次开发技术1 6 3 1a u t o c a d 二次开发介绍o 1 6 3 1 1a u t o c a d 二次开发工具介绍16 3 1 2v b 6 0 平台二次开发技术特点一1 7 3 2 基于v b 6 0a c t i v e 技术的二次开发。1 9 3 2 1 开发环境要求1 9 3 2 2 连接a u t o c a d 2 0 3 3 基本绘图模块的开发2 2 3 3 1a u t o c a d 实体创建2 2 3 3 2 图案填充模块2 3 3 3 3 尺寸标注2 4 3 3 4 图层设置2 5 3 4 数据库相关技术2 7 3 4 1d a o 连接数据库2 7 3 4 2a d o 连接数据库2 9 i v 3 4 3 组件对象模型( c m o ) 技术3 0 3 5 本章小结31 第四章塔板c a d 系统的程序设计3 2 4 1 塔板的结构分析3 2 4 2 塔板布置3 2 4 3 溢流装置3 5 4 3 1 降液管3 6 4 3 2 受液盘3 9 4 4 流体力学验算3 9 4 4 1 塔板压降3 9 4 4 2 降液管泡沫层高度4 2 4 4 3 液体在降液管内的停留时间。4 4 4 4 4 过量雾沫夹带。4 4 4 4 5 严重泄漏4 6 4 5 操作负荷性能图4 7 4 6 本章小结4 9 第五章系统的实现：5 0 5 1 系统的界面设计5 0 5 1 1 数据输入功能的实现5 1 5 2 系统功能的实现5 3 5 2 1 塔板计算5 3 5 2 2 流体力学验算5 5 5 2 3 负荷性能图5 6 5 2 4 零件图及装配图5 8 5 3 本章小结6 3 结论6 4 参考文献6 6 致谢6 9 v 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 人类从农业文明进入工业文明后，制造业就开始显示出了它独有的优势，并得到了 迅速的发展。制造业至今已经应用到了包括农业、工业在内的多个行业。从国民经济的 发展方面，制造业是经济增长的主导产业和经济转型的基础；从社会发展方面，制造业 是就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。制造业为整个国民经济提供技术装备，其 发展水平是国家工业化程度的主要标志之一。制造业已成为国家经济和综合国力的基 础，它直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素。 所以要发展经济、增强国力必先发展制造业已成为必然趋势【l 】。 技术创新是制造业发展的主要制约因素。随着人们对制造业效率和要求的增加，计 算机辅助制造技术( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 逐步被引进到了设计制造中。 c a d 技术产生于上个世纪五十年代，是随着计算机的发展而逐步发展起来的，它利用 计算机技术通过给定的各种数值自动完成分析、制造等工作。计算机工作的高效性可以 使企业能够在很短的时间内完成高质量、高性能的产品，从而提高自己的市场竞争能力。 c a d 技术能够充分发挥设计人员的创造性和计算机技术的高效性，注定将带动工程设 计与制造业的一次革命性的改变。 塔设备是石油、化工、轻工等部门广泛应用的重要设备，广泛用于气液的传热与传 质，实现物料的净化与分离。在化工厂或炼油厂中，塔设备的性能直接影响着产品质量、 产量、生产能力和消耗定额，与经济效益密切相关。塔设备从开始应用至今始终是物料 分离的首选设备，主要是因为它具有结构简单、操作方便、稳定可靠等优点。现在在机 械化工行业实际应用中，对塔设备的投资不低于整个工艺设备总投资的1 5 ，因此，塔 设备的设计和研究，对化工、炼油等行业的生产效益具有重要作用【2 j 。塔设备设计研究 的一大难点就是它的结构复杂、参数非常多，并且各参数取值范围也非常广。传统的塔 设备设计及绘图设计为了达到性能需求都是反复调用各项参数，通过重复计算来实现 的，这种繁琐的过程浪费了设计人员大量的时间和精力。鉴于此，塔设备设计开发中引 入c a d 技术，把这种繁琐重复性高的工作交给计算机去做，利用计算机的高效性来提 高效率。 数据处理功能来保证工作效率，简单来说就是利用计算机来帮助设计人员进行繁琐的设 计工作。该技术是先进制造技术的重要组成部分，是现代社会提高设计水平、缩短开发 周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技术能够更新传统的设计思想，实现 设计的自动化，推进一种全新的管理机制的产生。现在，c a d 技术已经在电子和电气、 科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化等各个领域得 到广泛应用。随着c a d 技术的不断发展，已经涉及到了产品的设计、分析和制造，以 及市场预测、报价等各个应用层次。c a d 技术的研究水平、应用领域与应用层次已经 成为衡量一个国家发展水平的重要标志之一，加大c a d 软件开发技术的研究力度具有 深远的意义。 广义c a d 包括设计和分析两个方面【4 1 。设计主要是指针对零件的结构形状和材料 方面对零件提出的功能、技术要求，以保证整体设计的合理性。分析主要是指从理论上 对产品进行分析和测试，以保证产品整体设计的可靠性。计算机辅助设计系统的这些显 著优势将会使其应用越来越广泛。 1 1 2c a d 技术的发展现状 c a d 技术是五十年代发展起来的一门学科，由于受计算机技术的限制新兴时期的 发展相对缓慢，到了九十年代以后才得到迅速发展【5 1 。近些年c a d 技术已经逐步发展 成为一门比较成熟的技术，逐步实现了实用化，广泛应用于机械、电子、建筑、纺织等 各个领域产品的设计环节，并且出现了智能c a d 技术，使c a d 系统的问题求解能力 大为增强，设计过程更趋于自动化。 c a d 在开发初期只有简单的绘图功能，之后经历了c a d 的曲面技术、计算机绘图 技术、图形输入设备等多种功能，逐渐向标准化、集成化、智能化方向发展。 由于c a d 技术涉及的专业面广、技术复杂的特点，c a d 技术不适于企业的自主开 发，所以它的研究开发主要由专业化的企业或机构来进行的。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 3c a d 技术的发展趋势 c a d 技术按其应用层面大致可以分为以下几个阶段：第一个阶段，六十年代，即 c a d 刚开始发展的时期，c a d 技术主要应用于二维绘图中；第二个阶段，七十年代， 逐步应用到了曲线曲面，表面造型理论，这时的技术能力能够解决表面加工问题，却无 法解决形体的质量、重心等问题；第三个阶段，八十年代，针对实体造型，c a d 技术 逐步应用到了实体理论中；第四个阶段，九十年代，c a d 技术的研究方向开始沿着参 数化和变量化发展，形成了实体建模技术【6 】。 进入二十一世纪，提高生产效率，降低生产成本是制造业追求的最终目标，围绕着 这个最终目标，其基本特性可以总结为高集成化、智能化、柔性化和网络化。 总体来看，c a d 技术是在生产制造中遇到问题、解决问题的过程中一步步发展起 来的。c a d 技术的总体发展趋势具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 规范化和标准化 c a d 的规范化体现在数据类型的标准化，数据交换格式的标准化及c a d 资源的 规范化【7 】【8 】【9 】。c a d 系统的标准分为两大类：公用标准和市场标准，公用标准注重技术 性，市场标准注重经济性。c a d 可以建立各种数据库，如标准零件数据库、非标准零 件数据库和零部件参数数据库。完善的规范化、标准化和各种数据库类是软件开发必备 的。 ( 2 ) 集成化 简单来说集成化就是把某些东西( 或功能) 集在一起，而不是一个设备一个功能。 经过集成之后，系统就能够处理复杂工程数据，各子系统也能有效地进行数据交换。所 以c a d 技术集成化的目的可以简述为：通过系统之间外部数据交换达到数据共享和系 统集成的，实现在整个产品生命周期中各个分系统间信息流的畅通和综合，最终使企业 实现整体最优效益。计算机集成制造系统是集成发展的一个重要方向。 ( 3 ) 智能化 智能化c a d 就是系统将人工智能技术与c a d 技术有效地结合起来。智能化c a d 技术能够深入研究人类设计的认知活动，并用信息技术来模拟这种认知，并经过开发把 之转化成相关模块。智能化技术必对科学的发展产生一定的影响。 ( 4 ) 网络化 网络应用现在已经普及化，c a d 技术网络化能有效地解决资源共享问题，对大型 的c a d 系统有很重要的作用。网络化技术包括硬件与软件的集成实现，各种资源共享 第一章绪论 等，是制造系统自动化的基础。 ( 5 ) 快速成型 r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ，快速成型制造技术) 是基于层制造原理， 通过缩短成形过程中各步骤的时间来短缩生产周期。p r m 最显著的特点是零件的制造 与其复杂程度无关，所以零件越复杂越能显示出其优越性。快速成型技术的方法主要包 括s l a ( 激光快速成型) 、f d m ( 熔融堆积成型) 、o b j e t ( 高精度快速成型) 、c n c 手板模型、真空复模以及低压灌注。r p m 能迅速制造出原型，并且可以通过形状复制快 速经济地制造出产品造型，因而r p m 技术在机械制造业中日益发挥着重要的作用【1o 】【1 。 1 1 4 化工设备c a d 现状及特点 随着制造业的快速发展，各个行业都开始舍弃原始的生产方法和装备，统统转向了 计算机。就化工行业而言，由于化工设备的工作环境和条件存在很多安全隐患，所以利 用c a d 系统来模拟在一定的条件下可能出现的情况就显得尤为重要。由于化工行业的 特殊性，再加上国内外化工设备的c a d 起步相对来说比较晚【1 2 】，使的化工设备的c a d 系统在总体上仍然落后于其他的行业。 化工设备和其他行业相比主要存在以下特点： ( 1 ) 可复用几率小化工设备的结构、参数具有多样性，并且各个参数的取值范 围相对来说也较大。设备的未标准化就使的其在应用上的结构、规格千差万别，同一类 型的设备结构也多种多样，另外化工生产中的工艺流程、生产规模也大不相同。上述各 种条件综合起来最终使得化工设备具有很小的可复用的几率。 ( 2 ) 制约因素多化工设备的制约因素主要是由化工设备的工作环境导致的。化 工设备大多需要在高温、低温、高压、真空、腐蚀等条件下长期运行，所盛装的介质也 常为易燃、有毒、有害的物质，鉴于此对化工设备的安全性有着很高的要求【1 3 】，设计工 作中就要遵循大量的强制性标准和规范，这无疑就增加了设计强度。 ( 3 ) 时效性由于塔设备各种功能仍然在不断地完善中，随着科学技术的不断进 步及要求的不断增加，化工设备设计所采用的计算公式、参数不断得到了相应的完善， 材料不断更新，标准、规范的更新率较高，甚至塔板结构也会发生很大的变化。这样就 对其时效性提出了很高的要求【1 4 】。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 2 课题的研究背景、意义及主要内容 1 2 1 本课题研究的背景、意义 塔设备的设计过程中，查标准可以得到参数很多并且取值范围相对来说较大，在设 计中一个参数发生改变整个设计就得重新进行，这样就导致了设计人员工作量大、工作 重复性高、效率低。因此对避免重复绘图方法的研究就成了重中之中。利用a c t i v e a u t o m a t i o n 技术，将a u t o c a d 作为自己设计程序中的一个图形窗口，通过v b 语言编 程，对主要结构进行参数化设计，把主要的计算公式都封装到程序中，改变参数后系统 能自动计算、更新结果。这样能够大大减轻重复性操作强度，提高绘图速度，而且通过 开发系统可以定制出某些专业化模块，甚至大型设计绘图软件，从而实现对a u t o c a d 的二次开发，满足不同用户的需要。 本课题利用面向对象技术及数据库相关技术等来开发。面向对象的技术已是软件开 发的主流技术，采用面向对象技术能在用户界面中发现问题并及时改正，提高软件的可 维护程度。它具有良好的重复利用功能，有利于缩短软件的开发周期。基于v b 开发环 境来进行a u t o c a d 的二次开发，无论是在程序的开发速度、程序执行的稳定性还是对 a u t o c a d 的控制深度方面都是一种比较有效的方法。通过a u t o c a d 给v b 提供的对象 可以生成a u t o c a d 所有实体，访问所有的a u t o c a d 绘图命令【4 2 】。该软件尽管还不完 善，但是它的种种优点和逐步显示出的强大功能都显示出了它的使用价值。 1 2 2 本课题完成的主要内容 本软件采用面向对象的设计方法，引入数据库技术，以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具 对a u t o c a d 进行二次开发，开发出一套针对浮阀塔板的c a d 应用软件。软件将计算 机的强大计算功能和a u t o c a d 的绘图功能结合起来，在给定的塔板工作条件和结构参 数的条件下进行工艺计算，进行各类校核，然后调用a u t o c a d ，按照校核完善的结构 尺寸绘制塔板零件图和装配图。用该软件来设计，不管是设计效率还是工作质量都有很 大的提高。 软件实现的主要功能如下： 本系统主要针对浮阀塔板的设计，通过修改输入的参数可以运用到单、双溢流的 塔板设计中。 程序根据设计者输入的参数能自动进行校核，包括水力学校核和负荷性能校核。 参数化绘图、模块化技术。创建绘图模块，对相近的结构零件可调用绘图模块。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章塔设备简介 塔器是在石油、化工、轻工等部门广泛应用的工艺设备，由于塔器的结构简单、效 率高、操作方便而被广泛用来处理流体( 气体或液体) 之间的传热与传质，实现物料的 净化和分离【1 5 1 。在一些特定环境，往往对塔器有特殊的要求，如：适于分离成份复杂的 物料、大型化、稳定运行时间长、可靠性高等。具体要求的不断增加促使塔设备不断发 展，功能不断增强。 2 1 塔设备的发展 塔设备是随着炼油、化工的发展而逐步发展起来的。从1 8 1 3 年c e l l i e r 最早提出泡 罩塔设计理念开始，塔器逐步得到应用和发展，特别是进入二十世纪，炼油工业的发展 带动了塔器设备的快速发展。从上个世纪开始，塔器设备就始终是传质分离过程的首选 设备【1 6 1 。随着工艺过程的需求不断增加，早期的塔设备逐渐不能满足工程人员的需要， 需求的增加促使塔设备结构不断改进、功能不断增强，塔器设备先后经历了：筛板塔、 填料塔、泡罩塔。随着塔设备的广泛应用，人们逐渐积累了有关设计、制造、安装、操 作等方面的数据和经验。在这个基础上，设计者充分了解了泡罩塔和筛板塔的优缺点， 在两者的基础上不断改进创新，开发出了不同形式的板式塔。理想状态下的塔设备的性 能包括：气液充分接触( 保证传质效率) ；气液通量大；压力损失少；操作弹性大；结 构简单，制造成本低；易于安装检修。 塔设备的发展大致可分为三个阶段： 二次世界大战结束前，塔设备主要用于炼油工业中，塔型以泡罩塔为主，在无机 酸碱工业中多用填料塔。 二次世界大战结束后至二十世纪六十年代初，炼油和石油化学工业有了较大的发 展，为了适应各种化工产品的生产，不仅需要新建大量的塔设备，而且要对原有的塔设 备进行技术改造，促使塔设备不断发展。除了对筛板塔、泡罩塔等原有塔型进行改进外， 还陆续出现了一批能适应各方面要求的新塔型。这一时期发展的塔设备有浮阀型、喷射 型等塔型。在此期间，设计者根据塔设备长期操作的经验，对筛板塔做了系统研究，认 识到设计合理的筛板塔不仅制造方便、用料省、处理能力大，而且操作负荷在较大范围 内变动时，仍能保持良好的效率，即操作弹性大。随着研究工作的不断深入和设计方法 的完善，筛板塔己成为生产上广泛应用的塔型之一。 7 第二章塔设备简介 二十世纪六十年代以后，化工机械制造工业技术有了很大的突破和发展，化工设 备的综合利用能力有了较大的提高。有了各种先进的技术作支撑，化学工业和炼油工业 设备开始向大型化方向迅速发展，使得炼厂生产能力得到了快速提高。这个时期塔设备 的大型化表现为：塔板的直径可达1 0 米以上，塔板数达到上百块，而塔的高度则可达 8 0 余米。大型化使得塔器的生产效率得到了大幅提高，产生了很大的经济效益。但大型 设备也有较明显的缺点：必须保证设备在全负荷下长期连续运转，否则经济损失将非常 大。石油化工行业的迅猛发展，除了促使塔设备向大型化发展，对塔设备还提出了某些 特殊要求，出现了一批具有相应性能的塔器，如用来适应高压、减压、高效、大液负荷、 高操作弹性等要求的塔设备，这些塔设备是以泡罩、筛板、浮阀、舌型等典型塔型为基 础通过改进结构来研究开发的。 进入二十世纪七十年代后，塔器经历了几代更新之后性能方面基本达到了要求， 各类塔板几乎可以满足各种操作的要求，塔板的发展一度进入停滞期。后来由于能源越 来越紧张昂贵，低能耗高效率塔板又开始得到开发研究，新型塔板开始不断出现。当前 塔板的开发主要有两个侧重点，一是提高效率，二是满足某些特定需求【1 7 】。另外传质原 件也有小型化的趋势，如b i f r a c t r a y 、s u p e r f r a c m i n i v a l v e 和n y e m i n i v a l v et r a y 等塔板 1 1 8 ，采用微型的特殊固定浮阀和浮动阀件，其直径为普通浮阀单元一半，增大了开孔面 积，强化了鼓泡面积。新板型的另一发展趋势是加强了并流型塔板的研究，如f l o w c o n t r o lt r a y 、c o f l o wt r a y 等气液并流塔板，u l t r a f r a ct r a y 高速塔板，p l u r a lt r a y 、s l i tt r a y 等液液并流塔板【1 9 】【2 0 1 。此外，从九十年代开始，人们开始研究“液体并流 塔板及复 合塔来改善塔板效率。这一切都显示出塔设备在新一轮发展中的强劲势头。 通过对塔板的分析研究，可以分析出今后板式塔研究的发展方向应是： 提高塔板空间利用率。塔板结构趋向于立体结构，板型的改进方法多数是把传 质区域由板面液层向立体空间发展，这样不仅大幅度提高了气液两相的接触面积，而且 使液滴的表面不断更新，有利于提高传质效率。 充分利用板面面积。传统塔板一般有较大的弓形区面积，另外安定区和边缘区的 存在减少了气液接触的机会，使整个塔的通量降低。如果优化板面结构，充分利用这些 区域，增加传质面积，则可提高通量并改善气液流动状况。 复合塔的使用。复合塔包括塔式板加填料结构的复合和整塔的复合。整塔复合是 为适应塔内各段的不同分离要求及两相负荷沿塔高的分布，来选择最合适的塔板，以强 化板上的两相传质，最终达到提高处理能力和分离效率的目的。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 对塔板的局部进行改进。具体为降液管等结构的优化设计以及液体导流状态的改 善。板效率与板上气液流动状况密切相关，相邻塔板上液体流向相同的并流型塔板具有 最高的塔板效率，板上返混和级间返混都会降低塔效率。可以在滞流区设导流装置来改 善流型，使板上流动接近并行流 2 0 1 1 2 1 】【2 3 】。 飞速发展的塔板技术对塔板设计绘图工作提出了更高的要求。如何提高设计速度， 缩短设计周期，节约劳动力，是板式塔设计人员不可回避的问题。 2 1 1 我国塔设备技术的发展 五十年代初国内建立了第一批现代化的石油化工装置，这批新型塔设备为设计人员 提供了大量的可用资源，设计人员在此基础开始进行塔设备的科研、设计工作。目前， 我国除了把泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等作为基本使用的塔型外，也加强了对筛 板的科研工作，提出了斜孔塔和浮动喷射塔等新塔型，对多降液管塔板、导向筛板、网 孔塔板等，也都做了较多研究。国内的塔设备陆续引入了一些新的方法和标准规范，从 结构设计到强度设计都不断得到改进。得益于计算机技术的高速发展，化工设计中计算 量极大的逐板计算法，己能快速而方便地得到满意的结果；在结构强度设计中，计算机 也可以把受载情况异常复杂的塔设备强度和负荷问题做出详细的计算。目前设计人员也 开始了塔设备的最优化研究。在今后一段时间内我国塔设备技术除了对塔板的常规研 究，比如提高传质效率、提高操作弹性、降低成本等，还将对优秀塔板的气液流动行为 进行研究，在提出更合理更可靠的数学模型的基础上，进行新塔板的开发。 2 2 板式塔简介 板式塔是一种逐级逆流接触操作的设备，广泛应用于均相体系分离过程中。板式塔 经过近百年的发展已经能适应不同的操作体系、不同的操作流型。当前，提高效率和满 足某些特定要求是板式塔开发研究的两个主要方向。板式塔的塔板可以分为有降液管和 无降液管两种。有降液管塔板的特点是两相流体( 气体或液体) 的流动方向互相垂直， 即接触方式是错流型；无降液管塔板，两相流体的流动方向互相平行，接触方式属于逆 流型。近些年来，板式塔的设计都是按照高效率、大通量、宽弹性、低压降为宗旨来设 计开发的，随着研究的步步深入，塔板的气液接触元件、降液管的结构以及塔内空间的 利用等方面都得到了很大的改进。工程人员开发出了数百种适应不同操作体系的塔板， 其中较常用的具有代表性的塔板有浮阀塔板、泡罩塔板、筛孔塔板、喷射型塔板、旋流 塔板、多降液管塔板、穿流塔板和复合塔板等。这些塔板多数是国内自行开发的，从国 9 泡罩塔是最早应用的典型板式塔之一，其工业应用距今已有一百多年的历史。泡罩 塔是在设计人员考虑到在塔板上保持一定液层，保证气液之间良好接触的背景下产生 的。二十世纪五十年代以前，泡罩塔在气液传质设备中占据主导地位，在工业上广泛应 用，之后由于缺点的不断暴露逐步被浮阀塔所取代。针对泡罩塔处理能力小、压降大的 弱点，七十年代以后，设计人员先后开发出了效率高、压降低的伞型泡罩，s 型泡罩等 新型泡罩塔板。这些新型泡罩塔板除了具有泡罩塔的优点更具有了一些其他的优点，如 伞形泡罩降低了造价，减小了流动阻力，s 型塔板有了更高的处理能力。泡罩塔虽然有 着相对多的缺点但是仍然被广泛使用，主要原因是泡罩塔有着操作弹性大、基本无泄漏 等显著优点，因此在一些特殊的场合仍首选这种塔型，如在要求塔板无泄漏或液相负荷 很小的工作条件下都会使用泡罩塔。 ( 2 ) 筛孔型塔板 从结构上来讲，筛板塔的结构最为简单。筛板塔大约在泡罩塔出现的二十年之后才 开始被应用，之后逐步应用到酿造、化工等行业。在二十世纪五十年代以前，筛板塔因 为有着操作弹性小、稳定性差等一系列缺点，而一直没有在工业上得到广泛的应用。之 后经过一系列改良后，筛板塔的操作稳定性有了很大的提高。实际工作中改良后的筛板 显示出了其显著的优点：结构简单、维修方便、造价较低；在一定程度的漏液状况下操 作时，其板效率并无明显下降；其操作的负荷范围较大，正常操作比可达2 3 。鉴于以 上优点，筛板塔在生产上被广泛应用。针对筛板的结构，近年来也有着不少的研究成果。 例如，针对筛孔易堵的缺点，研究设计出了大孔径筛板；针对筛板塔的气液接触方面， 在塔板上添加了导向孔，设计出了导向筛板；针对大负荷下的稳定操作，设计出了多降 液管筛板。此外还有网状筛板、泡罩筛孔塔板、新型垂直筛板等新型筛板。 ( 3 ) 浮阀塔板 浮阀塔最先是在美国发展起来的。它是随着炼油和石油化工的发展，为寻求高生产 能力、高效率和高操作弹性的塔型的情况下被提出的，它设计的目的就标识了它高效性 的特点【矧。圆盘形浮阀是二十世纪五十年代开发出来的，它的结构简单，再加上在实际 生产中显示出了操作弹性大、效率高、处理能力强等许多优点，很快得到大量应用。在 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 众多设计推出的浮阀中应用最为广泛的是美国g l i t s t c h 公司推出的v - 1 型浮阀( 引入我 国后称为f 1 型浮阀) 和v - 4 型浮阀。w 型浮阀与v _ 1 型不同之处在于其阀孔为文丘 里结构，这种结构可以降低塔板阻力。 从广义上来分，浮阀型塔板分为圆盘形浮阀和条形浮阀。圆盘型浮阀自五十年代以 来，一直在工业生产上被广泛应用，但是有阀片易卡死或脱落的问题，影响到塔设备的 正常操作。针对这个问题，种高弹性浮阀塔板v a r i o f l e x v a l v et r a y ，简称w 塔板【2 5 1 ， 就应运而生了。w 浮阀塔板的阀片中央开有2 0 m m 的圆孔，阀片在圆孔上面随气流 的不同而有不同的升降状态。w 塔板的操作弹性很好，其操作弹性可达1 2 ：l ，其机 构的设计能够确保阀片不会卡死或脱落，因此开发出来之后就能到了广泛的应用。下图 2 1 显示出了w 塔板的结构和工作机理，图2 1 ( a ) 至l j 图2 1 ( c ) 展示出当气量逐渐增大时， 阀片随之升高的工作状态。由图可以分析出v v 塔板的最大优点是低气速下能保持较高 的塔板效率，并且随着通量的增加，效率曲线变化平缓。w 塔板的缺点在与其结构相 对来说稍为复杂。 支i 掰 妻萋磊裂；：- 薯辫簇；： 量片 ( a ) 低气速，阀片未升起( b ) 中气速，阀片半升起( c ) 高气速，阀片全升起 图2 - 1 、塔板结构图 f i 9 2 - 1 s t r u c t u r ec h a r to f v a r i o f l e x - v a l v et r a y 条形浮阀是二十世纪五十年代与圆盘形浮阀同时发展起来的，之后n u r e r l 2 7 】对条形 浮阀进行了改良，设计出了奈特浮阀( n u t t e r v a l v e ) ，这种浮阀性能优良，在石油和化学 工业中被大量采用。奈特浮阀的结构如图2 2 所示，从结构上来看，该浮阀不会旋转因 而不易被磨损，这样同时也保证了阀片不会卡死、脱落。从实际工作过程来看，工作时 条形浮阀的气体是从阀体两侧喷出的，这种喷出方式大大减弱了塔板上的液体返混，保 证了其较高的效率。研究实验数据，条形浮阀的效率、弹性、通量、压降等方面的特性 都优于f 1 型浮阀。条形浮阀在我国直到二十世纪八十年代才引起重视，开始进行研究 的【2 6 1 。由于其良好的性能，国内在对条形浮阀的性能进行研究的同时，还开发了多种形 式的条形类浮阀，例如