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设备 设计

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第5章 塔设备设计 5.1 塔设备的分类和总体结构 5.1.1 塔设备的分类 塔设备的分类方法很多。按单元操作可分为精料塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等；最常用的是按塔的内件结构分为板式塔(图5-1)和填料塔(图5-2)两大类。板式塔和填料塔的特点见表5-l。 表5-1 塔的主要类型及特点 类 型 板 式 塔 填 料 塔 结构特点 塔内设置有多层塔板 每层板上装配有不同型式的气液接触元件，如泡罩、浮阀等 塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等 填料为气液接触的基本元件 操作特点 气液逆流逐级接触 微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作 设备性能 空塔速度（亦即生产能力）高 效率稳定 压力降大 液气比的适应范围大 持液量大 空塔速度（亦即生产能力）低 小塔径、小填料的塔效率高。直径大效率低 压力降小 要求液相喷淋量较大 持液量小 制造与维修 直径在600mm以下的塔安装困难 检修清理容易 金属材料耗量大 造价比板式塔便宜 检修清理困难 可采用非金属材料制造 适用场合 处理量大 操作弹性大 带有污垢的物料 处理强腐蚀性物料 液气比大 真空操作要求压力降小 5.1.2 塔设备的总体结构 塔设备的总体结构均包括：塔体、内件、支座及附件。 塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。 内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。 支座常用裙式支座。 附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。 89 图5-1 板式塔 1—吊柱；2—排气口；3—回流液入口；4—精馏段塔盘； 5—壳体；6—进料口；7—人孔； 8—提馏段塔盘； 9—进气口；10—裙座； 11—排液口； 12—裙座人孔 图5-2 填料塔 1—吊柱；2—排气口；3—喷淋装置；4—壳体； 5—液体再分配器；6—填料；7—卸填料人孔； 8—支撑装置；9—进气口；10—排液口； 11—裙座； 12—裙座人孔 5.2 塔设备设计的内容和步骤 5.2.1 塔设备设计的内容 塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。本课程设计是把工艺参数、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。 塔设备设计任务书内容和格式常按表5-2。 表5-2 塔设备设计任务书 简图与说明 比例 设计参数及要求 工作压力，MPa 1.0 设计寿命 设计压力，MPa 1.1 填料形式、规格、容积 工作温度，℃ 170 填料的密度，kg/m3 设计温度，℃ 200 填料的堆积方式 介质名称 浮阀（泡罩）规格/个数 介质密度，kg/m3 800 浮阀（泡罩）间距，mm 传热面积， m2 保温材料厚度， 100 基本风压，N/m2 400 保温材料密度，kg/m3 300 地震基本烈度 8 塔盘上存留介质层高度 100 场地类别 Ⅱ 壳体材料 16MnR 塔形 内件材料 塔板数目 70 裙座材料 Q235-A 塔板间距 偏心质量 4000 腐蚀速率 偏心距 2000 接管表 符号 公称尺寸 DN 连接面 形 式 用 途 符 号 公称尺寸 DN 连接面 形 式 用途 a1.2 人 孔 g 100 突面 回流口 b1.2 32 突面 温度计 h1~4 25 突面 取样口 c 450 突面 进气口 i1，2 15 突面 液面计 d1.2 100 突面 加料口 j 125 突面 出料口 e1.2 25 突面 压力计 k1~8 450 突面 人孔 f 450 突面 排气口 条 件 内 容 修 改 修改标记 修改内容 签字 日期 修改标记 修改内容 签字 日期 备注 单位名称 工程名称 设计项目 条件编号 设备图号 位号/台数 提 出 人 日 期 5.2.2塔设备设计的步骤 在阅读了设计任务书后，按以下步骤进行塔设备的机械设计。 5. 2. 2. 1 进行强度、刚度和稳定性计算 包括如下内容： 了解设计条件； 选材； 按设计压力计算塔体和封头壁厚； 塔设备质量载荷计算； 风载荷与风弯矩计算； 地震载荷与地震弯矩计算； 偏心载荷与偏心弯矩计算； 各种载荷引起的抽向应力； 塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核； 塔体水压试验和吊装时的应力校核； 基础环设计； 地脚螺栓计算。 5.2.2.2 进行结构设计 (1) 板式塔结构设计内容如下： ① 塔体与裙座结构； ② 塔盘结构是板式塔的主要结构部分，包括塔盘板，降液管，溢流堰，紧固件和支承件等； ③ 除沫装置，用于分离气体中夹带的液滴，多位于塔顶出口处； ④ 设备接管，包括用于安装、检修塔盘的人(手)孔，气体和物料进出口的接管，以及安装化工仪表的接管等； ⑤ 塔附件，包括支承保温材料的保温圈，吊装塔盘用的吊柱以及扶梯、平台等。 (2) 填料塔结构设计内容如下： ① 塔体与裙座结构； ② 喷淋装置； ③ 液体再分布器； ④ 填料支承结构； ⑤ 塔附件。 5.3塔设备的强度和稳定性计算 根据课程设计的特点，着重介绍等截面、等壁厚塔设备的设计计算。 5.3.1塔设备的载荷分析和设计准则 塔设备在操作时主要承受的以下几种载荷作用：操作压力、质量载荷、地震载荷、风载荷、偏心载荷。各种载荷示意图及符号见图5-3。 图 5-3 塔设备各种载荷示意图及符号 (a)质量载荷；(b)地震载荷；(c)风载荷；(d)偏心载荷 塔设备的强度和稳定性计算通常按下列步骤计算。 ① 根据GBl50-1998相应章节或参考文献1第十一章，按压力确定圆筒有效厚度及 封头的有效厚度； ② 根据地震和风载的需要，选取若干计算截面(包括所有危险截面)，并考虑制造、安装、运输的要求，设定各截面处圆筒有效厚度与裙座有效厚度。应满足，； ③ 根据自支承式塔设备承受的质量载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷的作用，依次进行校核和计算，并应满足各相应要求，否则需重新设定圆筒的有效厚度，直至满足全部校核条件为止。 塔设备设计计算常用符号及说明见表5-3。 5.3.2 质量载荷 塔设备的操作质量 （5-1） 塔设备的最大质量 （5-2） 塔设备的最小质量 （5-3） 式5-3中的0.2m02系考虑焊在壳体上部分内构件的质量，如塔盘支持圈、降液管等。当空塔起吊时，如未装保温层、平台、扶梯，则mmin应扣除m03和m04。式中的壳体和裙座质量m01按求出的壳体名义厚度、封头名义厚度及裙座名义厚度计算，也可分段计算。部分塔设备零部件，若无实际资料，可参考表5-4，计算中注意单位统一。 表5-3 塔设备设计计算常用符号及说明 符号 符号说明 符号 符号说明 B 系数，按GB150相关章节，MPa 壳体和裙座质量，kg Di 塔设备壳体内直径，mm 内件质量，kg Dib 基础环内直径，mm 保温材料质量，kg DO 塔设备壳体外直径，mm 平台、扶梯质量，kg DOb 基础环外直径，mm 操作时塔内物料质量，kg DOS 裙座壳体外直径，mm 塔设备第i段的操作质量，kg dO 塔顶管线外径，mm 距地面hk处的集中质量（见图5-4），kg e 偏心质量重心至塔设备中心线的距离，mm 塔设备的当量质量，取meq=0.75mo，kg E 设计温度下材料的弹性模量，MPa 任意计算截面I-I处的基本振型地震弯矩，N.mm fi 风压高度变化系数，按表5-7选取 底截面0-0处的地震弯矩，N.mm 塔设备底截面处的垂直地震力，N 任意计算截面I—I处的风弯矩，N.mm 塔设备任意计算截面I—I处垂直地震力，N 底截面0-0处的风弯矩，N.mm 集中质量引起的基本振型水平地震力，N 任意计算截面I—I处的最大弯矩，N.mm g 重力加速度，取g=9.81m/s2 基本风压值，N/m2 H 塔设备高度，mm 基础环计算厚度，mm Hi 塔设备顶部至第i段底截面的距离，mm 圆筒的有效厚度，mm hit 塔设备第i段顶截面距地面的高度，mm 封头的有效厚度，mm hi 塔设备第i段集中质量距地面的高度，mm 裙座的有效厚度，mm Ii、Ii-1 第i段、第i-1段的截面惯性矩，mm4 圆筒的名义厚度，mm K 载荷组合系数，取K=1.2 封头的名义厚度，mm K1 体形系数，取K1=0.7 裙座的名义厚度，mm K3 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取K3=400mm 管线保温层厚度，mm K4 操作平台当量宽度，mm 塔设备第i段保温层厚度，mm 第i计算段长度（见图5-7），mm 由内压和外压引起的轴向应力，MPa 操作平台所在计算段的长度，mm 重力及垂直地震力引起的轴向应力，MPa 人孔、接管、法兰等附属件质量，kg 最大弯矩引起的轴向应力，MPa 偏心质量，kg 试验压力引起的周向应力，MPa 塔设备操作质量，kg 设计温度下圆筒的许用轴向压应力，MPa 液压实验时，塔设备内充液质量，kg 试验介质的密度（用水时γ=0.001kg/m3） 表5-4 塔设备零部件质量载荷估算表 名 称 笼式扶梯 开式扶梯 钢制平台 圆泡罩塔盘 舌形塔盘 质量载荷 40kg/m 15~24 kg/m 150 kg/m2 150 kg/m2 75 kg/m2 名 称 筛板塔盘 浮阀塔盘 塔盘填充液 保温层 瓷环填料 质量载荷 65 kg/m2 75 kg/m2 70 kg/m2 30 kg/m 700 kg/m 5.3.3 自振周期 分析塔设备的振动时，一般情况下不考虑平台与外部接管的限制作用以及地基变形的影响，而将塔设备看成是顶端自由，底端刚件固定，质量沿高度连续分布的悬臂梁。其基本震型的自振周期按式(5-4)计算： （5-4） 5.3.4地震载荷 当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地震载荷作用下产生弯曲变形。安装在七度或七度以上地震烈度地区的塔设备必须考虑它的抗震能力，计算出它的地震载荷。 5.3.4.1 水平地震力 任意高度hk处的集中质量mk引起的基本振型水平地震力Fk1按式(5-5)计算： ，N （5-5） 式中 综合影响系数，取＝0.5； 距地面hk处的集中质量(见图5-4)，kg； 对应于塔设备基本自振周期的地震影响系数值； 地震影响系数，查图5-5。图中的曲线部分按式(5-6)计算，但不得小于0.2； （5-6） 地震影响系数的最大值，见表5-5； 各类场地土的特征周期，见表5-6； 基本振型参与系数； （5-7） 图5-4 水平地震力计算简图 图5-5 地震影响系数α 表5-5 地震影响系数最大值 设计烈度 7 8 9 0.23 0.45 0.90 表5-6 场地土的特征周期Tg 场地土 近振 远振 场地土 近振 远振 Ⅰ 0.2 0.25 Ⅲ 0.4 0.55 Ⅱ 0.3 0.4 Ⅳ 0.65 0.85 5.3.4.2 垂直地震力 地震烈度为8度或9度地区的塔设备还应考虑向上和向下两个方向垂直地震力作用，见图 5-6。 塔设备底截面处的垂直地震力按式(5-8)计算： （5-8） 式中 垂直地震影响系数最大值，取=0.65； 塔设备的当量质量，取＝0.75，kg。 任意质量i处垂直地震力按式(5-9)计算： （i=1,2，……n） （5-9） 5.3.4.3 地震弯矩 塔设备任意计算截面J—J处基本振型地震弯矩M旨，按式(5-10)计算 （i=1，2，……n） （5-10） 对于等直径、等壁厚塔设备的任意截面I-I和底截面0-0的基本振型地震弯矩分别按式(5-11)和式(5-12)计算： （5-11） （5-12） 当塔设备，或时还需考虑高振型的影响，在进行稳定和其他验算时，也可按式（5-13）计算： （5-13） 5.3.5风载荷 塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加面增加。为计算简便，将风压值按塔设备高度分为几段，假设每段风压值各自均匀分布于塔设备的迎风面上，如图5-7所示。塔设备的计算截面应选取在其较薄弱的部位，如：塔设备的底部截面0—0、裙座上人孔或较大管线引出孔处的截面h—h、塔体与裙座连接焊缝处的截面2—2，见图5-7所示。两相邻计算截面区间为一计算段；任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。任一计算段风载荷的大小，与设备所在地区的基本风压值有关，同时也和设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。 5.3.5.1 水平风力 两相邻计算截面间的水平风力按式(5-14)计算： （5-14） 式中 Pl、P2、……Pi ——-塔设备各计算段的水平风力，N； De1、De2、……Dei——塔设备各计算段的有效直径，mm； 当笼式扶梯与塔顶管线布置成180时： （5-15） 当笼式扶梯与塔顶管线布置成90时，取下列两式中较大者： （5-16） （5-17） DOi 塔设备各计算段的外径，mm； K21、K22……K2i——塔设备扦计算段的风振系数，当塔高时，取，当时，按式(5-18)计算： （5-18） fi 风压高度变化系数，按表5-7查取； 脉动增大系数，按表5-8查取； 第i段脉动能响系数，按表5-9查取； Φzi 第i段振型系数，根据与u查表5-10； K3 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可取； K4 操作平台当量宽度，mm； （5-19） 第i段内平台构件的投影面积(不计空档投影面积)，mm2； 第i计算段长度(见图5-7)，mm； l0 操作平台所在计算段的长度，mm； q0 基本风压值，kN／m：；各地区的基本风压值按《全国基本风压分布图》或按当地气象部门资料确定。 表5-7 风压高度变化系数fi 距地面高度 地面粗糙度类型 距地面高度 地面粗糙度类别 A B C A B C 5 10 15 20 30 40 1.17 1.38 1.52 1.63 1.80 1.92 0.80 1.00 1.14 1.25 1.42 1.56 0.54 0.71 0.84 0.94 1.11 1.24 50 60 70 80 90 100 2.03 2.12 2.20 2.27 2.34 2.40 1.67 1.77 1.86 1.95 2.02 2.09 1.36 1.46 1.55 1.64 1.72 1.79 注：A类地面粗糙度系指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类系指有密集建筑群的大城市市区。 管线保温层厚度，mm； 塔设备第i段保温层厚度，mm。 表5-8 脉动增大系数ξ 10 20 40 60 80 100 200 400 600 800 1000 2000 4000 6000 8000 10000 20000 30000 1.47 1.27 1.69 1.77 1.83 1.88 2.04 2.24 2.36 2.46 2.53 2.80 3.09 3.28 3.42 3.54 3.91 4.14 注：计算时，对B类取，对A类，对C类。 表5-9脉动影响系数υi 粗糙度类别 高度 10 20 40 60 80 100 A 0.78 0.83 0.87 0.89 0.89 0.89 B 0.72 0.79 0.85 0.88 0.89 0.90 C 0.66 0.74 0.82 0.86 0.88 0.89 表5-10 振型系数 相对高度 顶、底有效直径比 相对高度 顶、底有效直径比 1 0.8 0.6 1 0.8 0.6 0.1 0.02 0.02 0.01 0.6 0.48 0.44 0.41 0.2 0.07 0.06 0.05 0.7 0.60 0.57 0.55 0.3 0.15 0.12 0.11 0.8 0.73 0.71 0.69 0.4 0.24 0.21 0.19 0.9 0.87 0.86 0.85 0.5 0.35 0.32 0.29 1.0 1.00 1.00 1.00 5.3.5.2 风弯矩 塔设备任意计算截面I—I处的风弯矩按式（5-20）计算： （5-20） 塔设备底截面0—0处的风弯矩按式（5-21）计算： （5-21） 5.3.6 偏心弯矩 当塔设备的外侧悬挂有分离器、再沸器、冷凝器等附属设备时，可将其视为偏心载荷。由。于有偏心距e的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩。偏心载荷引起偏心弯短沿塔高无变化，可按式(5-22)汁算： （5-22） 5.3.7 最大弯矩 塔设备任意计算截面I—I处的最大弯矩按式（5-23）计算： 取其中较大值 （5-23） 塔设备底部截面0-0处的最大弯矩按式(5-24)计算： 取其中较大值 （5-24） 5.3.8 圆筒轴向应力核核 校核圆简轴向应力，使之满足稳定条件。 5.3.8.1 圆筒轴向应力 圆筒任意计算截面I—I处的轴向应力分别铵式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）计算： 由内压和外压引起的轴向应力： （5-25） 其中设计压力p取绝对值。 操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的铀向应力： （5-26） 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 最大弯矩引起的轴向应力： （5-27） 5.3.8.2 圆筒稳定校核 圆筒许用轴向压应力按式(5—28)确定： 取其中较小值 （5-28） 圆筒最大组合压应力按式(5-29)或式(5-30)校核： 对内压塔器 （5-29） 对外压塔器 （5-30） 5.3.8.3 圆筒拉应力校核 圆筒最大组合拉应力按式(5-31)或式（5-32）校核： 对内压塔器 （5-31） 对外压塔器 （5-32） 如校核不能满足条件时，须重新设定有效厚度，重复上述计算，直至满足要求。 5.3.9 塔设备压力试验时的应力校核 5.3.9.1 圆筒应力 对选定的各计算截面按式(5-33)、式(5-34)、式(5-35) 和式(5-36)进行各项应力计算： 试验压力引起的周向应力： （5-33） 式中 试验介质的密度(当介质为水时，)，； H 液柱高度，cm。 气压试验时，无液柱静压力。 试验压力引起的轴向应力： （5-34） 重力引起的轴向应力： （5-35） 式中 液压试验时，计算截断I—I以上的质量(只计入塔壳、内构件、偏心质量、保 温层、扶梯及平台质量)，kg。 弯矩引起的轴向应力： （5-36） 5.3.9.2应力校核 压力试验时，圆筒材料的许用轴向压应力按式（5-37）确定： 取其中较小值 （5-37） 压力试验时，圆筒最大组合应力按以下公式校核： 液压试验时： （5-38） 气压试验时： （5-39） 液压试验时： （5-40） 气压试验时： （5-41） （5-42） 5.3.10 裙座轴向应力校核 塔设备常采用裙座支承。并根据承载不同，分为圆筒形和圆锥形两种。由于圆筒形裙座。制造方便，采用极为广泛。但需配置较多的地脚螺栓和具有足够大求载由积的基础环，以防止由于风载荷或地震载荷所引起的弯矩而造成翻倒。若经应力校核不能满足，只能选用圆锥形裙座支承。这里重点介绍圆筒形裙座。 圆筒形裙座轴向风力校核首先选取裙座危险截面。危险截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)或裙座检查孔和较大管线引出孔(h—h)截面处(见图5-8)。然后按裙座有效厚度验算危险截面的应力。 5.3.10.1 裙座底截面的组合应力 裙座底截面的组合应力按式(5-43)和式(5-44)校核： （5-43） 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 （5-44） 式中 裙座底部截面积，，mm2； 裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，，mm3。 5.3.10.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 裙座检查孔和较大管线引出孔(见图5-8)h—h截面处组合应力按式（5-47）和式（5-48)校核： （5-47） 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 （5-48） 式中 h-h截面处水平方向的最大宽度，mm； h-h截面处裙座壳的内直径，mm； h-h截面处的垂直地震力。但仅在最大弯短为地震弯矩参与组合时计入此项，N； 检查孔和较大管线引出孔加强管长度，mm； h-h截面处的最大弯矩，Nmm； h-h截面处的风弯矩，Nmm； h-h截面以上塔设备压力试验时的质量，kg； h-h截面以上塔设备的操作质量，kg； h-h截面处加强管的厚度(见图5-8)，mm； h-h截面处裙座的截面积，mm2； （5-49） （5-50） h-h截面处的裙座壳截面系数，mm3； （5-51） （5-52） 如校核不能满足条件时，须重新设定裙座壳有效厚度，重复上述计算，直至满足要求。 5.3.11 地脚螺栓座 5.3.11.1 基础环设计 (1)基础环内、外径(见图5-9、图5-10)可参考式(5-53)、式(5-54)选取： （5-53） （5-54） (2)基础环厚度按式(5-55)或式(5-56)计算： ①无筋板时(见图5-9)基础环厚度为 （5-55） 式中 基础环材料的许用应力，MPa; 对低碳钢取； 混凝土基础上的最大压力，MPa； （5-56） ②有筋板时（见图5-10）基础环厚度为 （5-57） 式中 计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩、中绝对值较大者，、按表5-11计算。 无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于l6mm。 表5-11 矩形板力矩计算表 0.1 1.6 0.2 1.7 0.3 1.8 0.4 1.9 0.5 2.0 0.6 2.1 0.7 2.2 0.8 2.3 0.9 2.4 1.0 2.5 1.1 2.6 1.2 2.7 1.3 2.8 1.4 2.9 1.5 3.0 注：l为两相邻筋板最大外侧间距（见图5-10）。 5.3.11.2 地脚螺栓 地脚螺栓座相关尺寸见图5-11。 地脚螺拴承受的最大拉应力按式(5-58)计算： （5-58） 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 式中 地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa； Ab 基础环面积，mm2； （5-59） 基础环截面系数，mm3。 （5-60） 图5-11 地脚螺栓座尺寸 当时，塔设备可自身稳定，但为固定其位置，应设置一定数量的地脚螺栓。 当时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径可按式(5-61)计算： （5-61） 式中 地脚螺栓螺纹小径，mm； C2 地脚螺栓腐蚀裕量，mm；取C2＝3mm； N 地脚螺栓个数，一般取4的倍数，最小直径塔设备可取n＝6； 对，取；对，取； 圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。 5.3.11.3 筋板 筋板的压应力按式(5-62)计算： （5-62） 式中 筋板的压应力 F 一个地脚螺栓承受的最大拉力，，N； 对应一个地脚螺栓的筋板个数； 筋板宽度，mm； 筋板厚度，mm。 筋板的许用压应力按式(5-64)或式(5-65)计算： 当时 （5-64） 当时 （5-65） 式中 筋板的许用压应力，MPa； 细长比，按式(5-66)计算，且不大于250； （5-66） i 惯性半径，对长方形截面的筋板取，mm； 筋板长度，mm； 临界细长比，按式(5-67)计算； （5-67） E 筋板材料的弹性模量； 筋板材料的许用应力，MPa；对低碳钢; 系数； （5-68） 筋板的压应力应小于或等于许用应力，即。但一般不小于基础环厚度。 5.3.11.4 盖板 ① 分块盖板最大应力按式(5-69)或式(5-70)计算： 无垫板时 （5-69） 有垫板时 （5-70） 式中 分块盖板最大应力， MPa； 垫板上地脚螺栓孔直径，mm； 盖板上地脚螺栓孔直径，mm； 筋板宽度，mm； 筋板内侧间距，mm； 垫板宽度，mm； 盖板厚度，mm； 垫板厚度，mm。 一般，分块盖板厚度不小于基础环厚度。 ②环形盖板的最大应力按式(5-71)或式(5-72)计算： 无垫板时 （5-71） 有垫板时 （5-72） 一般环形盖板厚度不小于基础环厚度 盖板最大应力应等于或小于盖板材料的许用应力，即。对低碳钢盖板的许用应力 5.3.12 裙座与塔壳焊缝 5.3.12.1 裙座与塔壳搭接焊缝 搭接焊缝J—J截面处(见图5-12)的剪应力按式(5-73)或式(5-74)校核： （5-73） 其中 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 式中 焊缝抗剪断面面积，，mm2； 裙座顶部截面的外直径，mm； 搭接焊缝处的垂直地震力，N； 搭接焊缝处的最大弯矩，Nmm； 压力试验时塔设备的最大质量(不计裙应质量)，kg； J—J截面以上塔设备操作质量，kg； J—J焊缝抗剪截面系数，，mm； 设计温度下焊接接头的许用应力，取两例母材许用应力的小值，MPa； 图5-12 图5-13 5.3.12.2 裙座与塔壳的对接焊缝 对接焊缝J—J截面处(见图5-13)的拉应力按式(5-77)校核： （5-77） 其中 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 式中 裙座顶截面内直径，mm。 5.3.13塔设备法兰当量设计压力 当塔设备分段安装采用法兰连接时，考虑内压、轴向力和外力矩的作用，其当量设计压力按式(5-78)确定。 （5-78） 式中 法兰的当量设计压力，MPa； 垫片压紧力作用中心团直径舰，； F 轴向外载荷，拉力时计入，压缩时不计，N； P 设计压力，MPa； M 外力矩，应计入法兰截面的最大力矩、管线推力引起的力矩和其他机械载荷引起的力矩，Nmm。 5.3.14 塔设备设计计算举例 5.3.14.1 塔设备设计任务书（以表5-2所给参数为例） 5.3.14.2 塔设备已知设计条件及分段示意图 首先，选取计算截面（包括所有危险截面）。本例将全塔分成6段。其计算截面分别为0-0、1-1、2-2、3-3、4-4、5-5。 已 知 设 计 条 件 分 段 示 意 图 塔体内径Di 2000mm 塔体高度H 40000mm 设计压力p 1.1MPa 设计温度t 2000C 塔 体 材料 16MnR 许用应力 [σ] 170MPa [σ]t 170MPa 设计温度下弹性模量E 1.9X10-5 MPa 常温屈服点σs 345 MPa 厚度附加量C 2mm 塔体焊接接头系数Ф 0.85 介质密度ρ 800Kg/m3 塔盘数N 70 每块塔盘存留介质层高度hw 100mm 基本风压值q0 400N/m2 地震设防烈度 8度 场地土类别 Ⅱ类 偏心质量me 4000Kg 偏心距e 2000mm 塔外保温层厚度δs 100mm 保温层材料密度ρ2 300 Kg/m3 群座 材料 Q235-A 许用应力[σ]st 113MPa 常温屈服点σs 235 MPa 设计温度下弹性模量Es 厚度附加量Cs 2mm 人孔、平台数 8 地脚螺栓 材料 Q235-A 许用应力 [σ]bt 140 MPa 腐蚀裕量C2 3 个数n 32 5.3.14.3 塔设备设计计算程序及步骤 按 设 计 压 力 计 算 塔 体 和 封 头 厚 度 计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 塔内液柱高度h,m h=2.34(仅考虑塔底至液封盘液面高度) 液柱静压力pH,MPa （可忽略） 计算压力pc,MPa 圆筒计算厚度δ,mm 圆筒设计厚度δc ,mm 圆筒名义厚度δn,mm 圆筒有效厚度δe,mm 封头计算厚度δh,mm 封头设计厚度δhc ,mm 封头名义厚度δhn,mm 封头有效厚度δhe,mm 塔 设 备 质 量 载 荷 计 算 计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~6 塔段内直径D，mm 2000 塔段名义厚度δni,mm 12 塔段长度li,mm 1000 2000 7000 10000 10000 10000 塔段高度H1，mm 40000 单位筒体质量m1m,kg/m 596 筒体高度H1,mm 36790 筒体质量m1,kg m1=596x36.790=21926.84 封头质量m2,kg m2=438x2=876 裙座高度H3,mm 3060 裙座质量m3,kg m3=596x3.06 =1823.76 塔体质量m01,kg m01= m1 +m2 +m3=21926.84+876+1823.76=24627 596 1630 4172 5960 5960 6309 塔段内件质量m02,kg (浮阀塔盘质量qN=75kg/m2) ─ ─ 2120 5184 5184 4005 m03 ──封头保温层质量，（kg） ─ 108 1401 2002 2002 2068 续表 塔 设 备 质 量 载 荷 计 算 计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 平台，扶梯质量m04,kg 平台质量 qp=150kg/m2 笼式扶梯质量 qF=40kg/m 平台质量 n=8 笼式扶梯质量 HF=39m 40 80 943 2387 1725 1685 操作时塔内物料质量m05,kg ─ 944 6786 5529 5529 4272 人孔、接管、法兰等附件质量ma,kg 按经验取附件质量为： 154 231 1092 1710 1485 1485 充液质量mw,kg ─ 1180 21991 31416 31416 31936 偏心质量me,kg 再沸器：me=4000 　 ─ 　─ 1400 2600 　 ─ 　 ─ 操作质量m0,kg 790 4393 19114 22772 21885 19824 最小质量mmin,kg 790 3449 10632 13096 12209 12348 最大质量mmax,kg 790 4629 34319 48659 47772 47488 自 振 周 期 计 算 计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 塔体内直径Di,mm 2000 塔体有效厚度δe,mm 10 塔设备高度H,mm 40000 操作质量mo,kg 88778 塔设备的自振周期T1,s 　 续表 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算 计 算 内 容 计 算 公 式 及 数 据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 各段操作质量mi,kg 790 4393 19114 22772 21885 19824 各点距地面高度hi,mm 500 2000 6500 15000 25000 35000 1.12104 8.94104 5.24105 1.84106 3.95106 6.55106 8.83106 3.93108 1.001010 4.181010 8.651010 1.301011 2.6861011 1.25108 8.00109 2.751011 3.381012 1.561013 4.291013 9.881010 3.511013 5.251015 7.691016 3.421017 8.501017 1.2741018 A/B 2.1110-7 基本振型参与系数 　 2.3610-3 1.8910-2 0.11 0.387 0.833 1.38 综合影响系数CZ 取Cz=0.5 地震影响系数最大值 由表5-5 得 (设计烈度8度时) 各类场地土的特征周期Tg 由表5-6 得Tx=0.3(Ⅱ类场土、近震时) 地震影响系数 　 水平地震力 0.840 37.37 948.79 3976.85 8336.56 12345.17 垂直地震影响系数 操作质量mo,kg 88778 当量质量meq,kg 取meq=0.75ma=0.7588778=66583.5 底面处垂直地震力 3.95105 8.79106 1.24108 3.24108 5.47108 6.94108 1.716109 垂直地震力 44.0 978.7 13805.94 38077.67 6.902.0 77268.73 底截面处地震弯矩 底截面处地震弯矩 　 续表 地震载荷与地震弯矩计算 计算内容 计算公式及数据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 截面1-1处地震弯矩.Nmm 截面2-2处地震弯矩.Nmm 风载荷与风弯矩计算 计算内容 计算公式及数据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 各计算段的外径Doi,mm 各计算段的外径do,mm 400 第i段保温层厚度δsi,mm 100 管线保温层厚度δpo,mm 100 笼式扶梯当量宽度K3 400 各计算段长度li,mm 1000 2000 7000 10000 10000 10000 操作平台所在计算段长度lo,mm 1000 2000 7000 10000 10000 10000 平台数 0 0 1 3 2 2 各段平台构件的投影面积各计算段长度，∑A，mm2 0 0 9105 39105 29105 29105 操作平台当量宽度K4 0 0 257.1 540 360 360 各计算段的有效直径Dei，mm 2824 2624 3081 3364 3184 3184 2624 2624 2881 3164 2984 2984 各计算段顶截面距地面高度hit 1 3 10 20 30 40 风压高度变化系数 根据hit查表5-7 0.8 0.8 1.0 1.25 1.42 1.56 体型系数K1 0.7 基本风压值q0,N/m2 400 塔设备的自振周期T1，s 1.75 1225 续表 风载荷与风弯矩计算 计算内容 计算公式及数据 0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶 脉动增大系数（B类） 查表5-8 2.59 脉动影响系数（B类） 查表5-8 0.72 0.72 0.72 0.79 0.82 0.85 u 1.0 第i段据型系数 根据与u查表5-10 0.02 0.02 0.11 0.35 0.66 1.00 各计算段的风据系数 1.047 1.047 1.205 1.573 1.987 2.411 各计算段的水平风力,N 662.3 1324.6 7276.7 18520.5 25154.6 33531.5 0-0截面的风弯矩.Nmm 1-1截面的风弯矩.Nmm 偏心弯矩 计算内容 计算公式及数据 偏心质量me，mm 4000 偏心距e,mm 2000 偏心弯矩Me，Nmm 最大弯矩 计算内容 计算公式及数据 0-0截面 1-1截面 2-2截面 2.21109 2.12109 1.95109 1.52109 1.47109 1.37109 最大弯矩,Nmm 2.21109 2.12109 1.95109 续表 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 计算内容 计算公式及数据 0-0截面 1-1截面 2-2截面 有效厚度,mm 10 筒体内径,mm 2000 计算截面以上的操作质量,kg 88778 87988 83595 设计压力引起的轴向压力σ1,MPa 0 0 55 操作质量引起的轴向压力,MPa 13.85 13.72 13.04 最大弯矩引起的轴向压力,MPa 70.34 67.48 62.07 载荷组合系数K 1.2 系数A 设计温度下材料的许用应力 ,MPa 查表4-9（16MnR,200℃）得： （Q235-A,200℃）得： 113 113 170 系数B,MPa 查表4-12（16MnR,200℃）得：B=118 查表4-12（Q235-A,200℃）得：B=93 93 93 118 KB,MPa 111.6 111.6 141.6 许用轴向压应力,MPa 取以上两者中小值 111.6 111.6 141.6 ,MPa 115.26 115.26 173.40 圆筒最大组合压应力 ,MPa 对内压塔（满足要求） 84.19 81.20 75.11 圆筒最大组合拉应力 ,MPa 对内压塔（满足要求） 56.49 53.76 104.03 塔设备压力试验时的应力校核 计算内容 计算公式及数据 试验介质的密度（介质为水）, 0.001 液柱高度H,cm 4000 液柱静压力,MPa 0.408 有效厚度,mm 10 筒体内径,mm 2000 续表 塔设备压力试验时的应力校核 计算内容 计算公式及数据 2-2截面最大质量，kg 实验压力，MPa 筒体常温屈服点，MPa 345 2-2截面，MPa 372.6 2-2截面KB，MPa 141.6 压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力，MPa 取以上两者中小值 141.6 试验压力引起的周向应力，MPa 液压试验时： 试验压力引起的轴向应力，MPa 重力引起的轴向应力，MPa 弯矩引起的轴向应力，MPa 压力试验时圆筒最大组合应力，MPa 液压试验时：（满足要求） （满足要求） 裙座轴向应力校核 计算内容 计算公式及数据 裙座有效厚度，mm 10 裙座筒体内径，mm 2000 0-0截面积， 0-0截面系数， KB，MPa 111.6 ，MPa 135.6 裙座许用轴向应力，MPa 取以上两者中小值 111.6 0-0截面最大弯矩，Nmm 2.21109 0-0截面操作质量，kg 88778 0-0截面组合应力，MPa 检查孔加强管长度，mm 120 检查孔加强管水平方向的最大宽度bm，mm 450 检查孔加强管厚度，mm 12 裙座内直径，mm 2000 续表 裙座轴向应力校核 计算内容 计算公式及数据 1-1截面处裙座筒体的截面积， 1-1截面处的裙座筒体截面系数， 1-1截面最大弯矩，Nmm 2.12109 1-1截面风弯矩，Nmm 2.04109 1-1截面以上操作质量，kg 87988 1-1截面以上最大质量，kg 1-1截面组合应力，MPa 基础环设计 计算内容 计算公式及数据 裙座内径，mm 2000 裙座外径，mm 基础环外径，mm 基础环内径，mm 基础环伸出宽度b，mm 相邻两筋板最大外侧间距l，mm 160 基础环面积， 基础环截面系数， 最大质量，kg 操作质量，kg 88778 0-0截面风弯矩，Nmm 2.13109 0-0截面最大弯矩，Nmm 2.21109 偏心弯矩，Nmm 7.848107 基础环材料许用应力MPa 续表 基础环设计 计算内容 计算公式及数据 水压试验时压应力，MPa 1-1截面处裙座筒体的截面积， 1-1截面处的裙座筒体截面系数， 1-1截面最大弯矩，Nmm 2.12109 1-1截面风弯矩，Nmm 2.04109 1-1截面以上操作质量，kg 87988 1-1截面以上最大质量，kg 1-1截面组合应力，MPa 基础环设计 计算内容 计算公式及数据 裙座内径，mm 2000 裙座外径，mm 基础环外径，mm 基础环内径，mm 基础环伸出宽度b，mm 相邻两筋板最大外侧间距l，mm 160 基础环面积， 基础环截面系数， 最大质量，kg 操作质量，kg 88778 0-0截面风弯矩，Nmm 2.13109 0-0截面最大弯矩，Nmm 2.21109 偏心弯矩，Nmm 7.848107 基础环材料许用应力MPa 续表 地脚螺栓计算 计算内容 计算公式及数据 地脚螺栓螺纹小径，mm 故取32-Mn42地脚螺栓满足要求 筋板及盖板技术 略 裙座与塔壳焊缝验算 略 塔设备法兰当量设计压力 略 计算结果 塔体圆筒名义厚度δn 12（满足强度和稳定性要求） 塔体封头名义厚度δhn 12（满足强度和稳定性要求） 裙座圆筒名义厚度δen 12（满足强度和稳定性要求） 基础环名义厚度δb 22（满足强度和稳定性要求） 地脚螺栓个数 32（满足强度和稳定性要求） 地脚螺栓公称直径d，mm 42（满足强度和稳定性要求） 5.4 板式塔的结构设计 5.4.1 板式塔的总体结构 板式塔的结构简图见图5-l。在板式塔内沿塔高装了若干层塔盘，液体靠重力作用由塔顶逐盘流向塔底，并在各块塔盘面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔盘上的液层而升至塔顶。气、液两相在各塔盘上直接接触完成热量和质量传递，两相组成沿堵高呈阶梯式变化。 塔盘是板式塔内气、液接触的主要元件。塔盘要有一定的刚度，以维持水平，使塔盘上的液层深度相对均匀；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免气、液短路；塔盘应便于制造、安装、维修，并且成本要低。 塔盘的种类很多，根据塔盘的结构特点，常将板式塔分为：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、浮舌塔、浮动喷淋塔等多种不同的塔型。其中浮阀塔是20世纪50年代以来在泡罩塔与筛板塔的基础上发展起来的一种板式塔，由于其生产能力大、操作弹性大、塔盘效率高、气体压强降及液面落差较小、塔的造价较低等优点而得到最广泛的应用。下面以浮阀塔为例介绍板式塔结构。 5.4.2 塔盘设计 塔盘主要由塔盘板、塔盘圈、溢流堰及降液管等组成。 根据塔设备直径的大小，塔盘分成整块式和分块式两种类型。当塔径为300-800mm时，采用整块式塔盘；塔径大干800mm时，采用分块式塔盘。 通常，各层塔盘的结构是相同的，只有最高层、最低层和进料层的结构和塔盘间距有所不同。通常，塔盘间距为200、250、300、350、400、450、500、600、700、800mm等。塔盘间距与塔径的关系可参考表5-12。但最高层塔盘和塔顶距离常高于塔盘问距，有时甚至高过—倍，便于气体出塔之前很好地进行气液分离。在某些情况下，在这一段上还装有除沫器。最低层塔盘到塔底的距离也比塔盘间距高，因为塔底空间起着贮槽的作用，保证液体能有足够的储存，使塔底液体不致流空。进料塔盘与上一层塔盘的间距也比一般高。对于急剧气化的料液在进料塔盘上需装上挡板、衬板或除沫器，在这种情况下，进料塔盘间距还得加高些。此外，每隔15~20层塔盘，要开一个人孔，以使人能较方便地进入任一层塔盘进行的拆装及维修。开人孔处

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