常压塔设计论文版

1、常压塔设计论文doc版常压塔设计论文doc版 常减压装置中常压塔设计 摘 要 塔设备是化工，石油化工和炼油生产中最重要的设备 之一。塔设备是大部分机械专业理论学习的重点设备，也是化工 厂中常见的设备。随着石油，化工生产的迅速发展，塔设备在石油化工生产 中投入所占的比例越来越大，占到大概百分之五十的比例。塔设备的性能，整个装置的产品产量，质量，生产能力和 消耗定额，以及三废处理和环境保护方面都有重要意义。因此选择沥青装置常压塔设计。本文是以专业知识为基础，对六十万吨每年氧化沥青装 置常压塔进行的设计计算，该塔可以在常压，一百五十摄氏 度温度下工作。该塔设备为浮阀塔，优点是生产能力高，操作弹性大，

2、气 液流动阻力较小，塔板效率较高，但浮阀装卸清洗较困难， 造价高，总体来讲综合性能较好，可以在工业上得到普遍应 用。塔设备的设计具有很强的综合性，尤其在塔的高度较高 时，要注意考虑高振型以及横风向风振对塔设备的影响。当前板式塔应该以处理能力为第一目标，传质效率为第二 目标，开发的重点集中在降液管结构改进，塔板空间合理利用，气液分散结构优化以及降低成本等方面的改进关键词：常压塔；沥青装置；浮阀 Design of atmospheric tower Abstract Tower equipment in chemical, petrochemical and oil refining produ

3、ction is one of the most important equipment .Tower equipment is key equipment which learned by most mechanical engineering, but also common equipment in chemical factory. With the rapid development of petroleum, chemical production, tower equipment in petrochemical production input accounted for an

4、 increasingly large proportion about fifty percent. Performance, the entire device product yield, quality, production and consumption, and waste treatment and environmental protection of tower equipment has important significance. So asphalt unit atmospheric distillation tower design is the choice.

5、This paper is based on the professional knowledge as the basis, to design and calculate of six hundred thousand tons per year of asphalt oxidation device atmospheric tower, which at atmospheric pressure, one hundred and fifty degrees Celsius temperature. The tower equipment for the float valve tower

6、, has the advantages of high production capacity, high operating flexibility, which gas-liquid flow resistance is small and the plate efficiency is higher, but handling and cleaning float valve is more difficult and costs more, generallyspeaking, the float valve tower, which comprehensive performanc

7、e is good, can be widely applied in industry. Tower equipment design has the very strong comprehensive, especially in the height of the tower is high, and paying attention to high vibration mode and crosswind vibration that has a influence on tower equipment is a must. The current tower should take

8、to processing capacity as the first goal, the mass transfer efficiency as second goal, focus in improvement of structure of down comer plate, reasonable use in plate space, optimization of gas-liquid dispersion structure, cost reduction and other improvements. Keywords: atmospheric tower ; device fo

9、r asphalt; float valv目录1.说明部分1 1.1塔设备在化工生产 中的作用和地位1 1.2设计概述1 1.3对塔设备的要求 2 1.4 塔设备的分类3 1.5塔设备的构造3 1.6板式塔的分类5 1.7 塔选型6 1.8选材8 2.设计计算部分8 2.1设计条件8 2.2设 备材料的选取，设计参数的确定8 2.3筒体和封头的强度计算9 2.3.1筒体厚度9 2.3.2封头厚度9 2.3.3水压试验校核9 2.4塔器质量计算10 2.5塔的自振周期计算11 2.6地震载荷12 2.7风载荷和风弯矩的计算15 2.7.1顺风向风载荷计算15 2.7.2横风向风载荷计算17 2.

10、7.2.1横风向风振判别17 2.7.2.2横风向塔顶振幅18 2.7.2.3塔体横风向弯矩18 2.7.2.4塔体顺风向弯矩 20 2.7.3塔体组合风弯矩 22 2.8最 大弯矩23 2.9圆筒应力校核24 2.10裙座壳轴向应力的校核26 2.11基础环设计 28 2.12地脚螺栓29 2.13筋板29 2.14 盖板30 2.15裙座与塔壳对接焊缝 31 2.16开孔和开孔补强 设计31 3.结论36参考文献37谢辞38 1.说明部分1.1塔设 备在化工生产中的作用和地位塔设备是化学工业、石油工业、石油化工等生产中最重要的设备之一。在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设 备

11、是一种重要的单元操作设备。它的应用面广、量大。在化工和石油化工生产装置中，塔设备所耗的钢材重量在 各类工艺设备中所占的比例较多，例如在年产250万吨常压及减压炼油蒸储装置中耗用的钢材重量占62.4%,年产60及120万吨催化裂化装置占 48.9%。塔设备的作用是使气（汽）液或液液两相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。塔设备可以为传质过程创造适宜的外界条件，除了维持一 定的压强，温度规定的气液流量等工艺条件外，还可以从结 构上保证气液充分的接触时间，接触空间和接触面积，以达 到相际之间比较理想的传热和传质效果。塔设备广泛用于蒸储吸收介吸萃取气体的洗涤增湿及冷 却等单元操作中，它的操作性

12、能的好坏，对于整个装置的产 品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。随着石油，化工生产的迅速发展，塔设备无论其投资费 用还是所消耗的钢材重量，在整个过程设备中所占的比例都 相当高，占到大概百分之五十的比例。塔设备的形式繁多，规模范围也很大，其大型化发展趋势 有强度，刚度，流体均布等方面的问题；全负荷运转；大型 塔设备的设计，制造，操作及维修等问题。塔设备的研究一直是工程界所关注的热点，其合理的造型 及设计越来越受到关注和重视。1.2 设计概述塔设备的设计内容有：(1)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 由口接管结构；裙座及

13、其他附件。(2)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。(3)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。本设计是把工艺参数，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、使用等方面由发进行结构设计。本设计为60万吨/年氧化沥青装置常压塔设计。设计条件：工作压力为常压，工作温度为150摄氏度，设计压力为0.11MPa,设计温度为180摄氏度。介质名称：原油；基本风压：450Pa；地震烈度：7度；保温材料厚度140mm。本塔设备为浮阀塔，塔板数量 50块，塔高

14、49.1米,塔体内 径 2000mm。塔体圆筒与封头的材料都选用20R o设计过程中需要计算塔器质量，塔器自振周期，地震载荷 及地震弯矩，并且考虑本塔较薄弱的部分为计算截面。因为H比D大于15,且H大于30米，所以考虑高振型及 横向风振。进行圆筒应力校核。裙座壳轴向应力校核。计算基础环厚度，选取地脚螺栓规格，校核筋板和盖板。验算裙座与塔壳对接焊缝。设计计算各个开孔和开孔补强。1.3 对塔设备的要求 塔设备应满足特定的工艺条件，如 温度、压力及耐腐蚀，并且为了满足工业生产的需要还应达到下列要求:(1)生产能力大，即气液处理量大。如一定塔径的塔设备在较大的气液负荷时，仍能保证该塔 正常、有效地操作

15、，则可减少传质设备的体积，使之更加的 紧凑。(2)气液两相充分接触，相际间传热面积大。只有在气液两相充分接触的情况下，相际的传质才能有效 进行。作为塔设备，应该具有尽可能大的两相接触面积，并使这 些接触面积被充分利用，才可能得到较高的传质效率。(3)操作稳定、操作弹性大。当塔设备的气相或液相负荷发生一定范围的变化或波动时，设备仍能正常有效地运行。(4)阻力小。流体通过设备时阻力小， 即流体的压降小，则可降低能耗， 从而减少设备的操作费用。(5)结构简单可靠，制造安装容易，维修方便，设备的 投资及操作费用低。(6)耐腐蚀，不易堵塞。工业上应用多种塔型，任何一种塔型都难以达到上列各 项要求，而是各

16、具有一定的特点实际上，况且上述要求中有 些也是互相矛盾的。不同的塔型各有莫些独特的优点，设计时应根据物系性质 和具体要求，抓住主要矛盾，进行选型。O对于具体的应用场合，也不是对上列等同要求，而是有所偏重。充分掌握各种塔型的特点，了解具体应用场合的要求，才能在满足多数要求的情况下，对塔型做由合理的选择。1.4 塔设备的分类（1）按操作压力分：加压塔、常压塔、减压塔；（2）按单元操作分：精微塔、吸收塔、解析塔、萃取塔、反应塔、干燥塔等；（3）按内件结构分：板式塔、填料塔。1.5 塔设备的构造 填料塔有整齐或乱堆的填料，如拉西环，填料为气液接触的基本元件。填料塔的操作特点是微分式接触，可以采用逆流或

17、并流操作。板式塔是由多层塔盘组成，每层板装有不同类型的气液接触元件，如泡罩。板式塔的操作特点是气液逆流逐级接触。无论是填料塔还是板式塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。(1)塔体:塔体即塔设备的外壳，常见的塔体由等直径、等厚度的圆筒 及上下封头组成。对于大型塔设备，为了节省材料也有采用不等直径、不等 厚度的塔体。塔设备通常安装在室外，因而塔体除了承受一定的操作压 力(内压或外压)、温度外，还要考虑风载、地震载荷、偏 心载荷。止匕外，还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳 定性要求。(2)支座：塔体支座是塔体与基础的连接结构。因为塔设

18、备较高、重量较大，为保证其足够的强度及刚度, 通常采用裙式支座。(3)人孔及手孔：为满足安装、检修、检查塔体等需要，往往在塔体上设置人 孔或手孔。不同的塔设备，人孔或手孔的结构及位置等要求不同。(4)接管：用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接，按其 用途可分为进液管、由液管、回流管、进气由气管、侧线抽 由管、取样管、仪表接管、液位计接管等。（5）除沫器:用于捕集夹带在气流中的液滴。其工作性能的好坏对除沫效率、分离效果都具有较大的影响。（6）吊柱：安装于塔顶，主要用于安装、检修时吊运塔内件。板式塔是一类用于气液或液液系统的分级接触传质设 备，由圆筒形塔体和按一定间距水平装置在塔内的若干

19、塔板 组成。广泛应用于精微和吸收，有些类型（如筛板塔）也用于萃取， 还可作为反应器用于气液相反应过程。操作时（以气液系统为例），液体在重力作用下，由上层塔 板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从 另一侧的降液管流到下层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的流动液层。;气体在压力差推动下，自下而上依次穿过各层塔板的开 气道（泡罩、筛孔、浮阀等），分散成小股气流，豉泡，通 过各层塔板的液层。每块塔板上保持着一定深度的液层，气体通过塔板分散到 液层中去，进行相际接触传质。在塔板上，气液两相必须保持充分而密切的接触，为传质 过程提供足够大而且不断更新的相际接触面积，减小传质阻力。在塔

20、中，尽量使两相呈逆流流动，以提供最大的传质推动力。气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在 正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填 料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气 体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙， 在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状

21、态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势， 使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质 效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分， 上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布 器，经重新分布后喷淋到下层填料上。过去由于填料塔本体特别是内件的不够完善，使填料塔局限于处理腐蚀性介质或不宜安装塔板的小直径塔。近年来，由于填料结构的改进，新型高效填料的开发，以 及对填料流体力学、传质机理的深入研究，使填料塔技术得 到了迅速

22、发展，填料塔已被推广到所有大型气、液传质操作 中。在莫些场合，甚至取代了传统的板式塔。1.6 板式塔的分类 （1）按塔板的结构分：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔等；（2）按气液两相流动方式分：错流板式塔、逆流板式塔；（3）按液体流动型式分：单溢流塔、双溢流塔。泡罩塔：泡罩塔板工作的主要部件有泡罩、升气管、降液管、溢流堰等。优点是：操作稳定，操作弹性大；不易堵塞，能处理含有少量污物的 物料。缺点是: 塔板结构复杂，造价高；塔板上液层较厚，气体流动阻力较 大；液体流过塔板时因阻力而有液面落差，液层深浅不同， 使气量分布不均匀，影响板效率。在新建的塔设备中，泡罩塔已很少见。浮阀塔：浮阀塔是在泡罩塔的

23、基础上发展起来的，它主要的改进是 取消了开气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀 可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在奥 一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精微、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm,使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达 10m,塔高可达80m,板数有的 多达数百块。浮阀塔的特点是结构简单，生产能力和操作弹性大，板效 率高，气体压降及液面落差较小，综合性能较优异。浮阀塔有一个最大的缺点是阀是活动部件，易松脱和卡 住，造成

24、工作失常。筛板塔：筛板塔的优点是结构简单，造价低，生产能力大，塔板效率 高，压降小。主要缺点是操作弹性小，小孔筛板容易堵塞。舌形塔：舌形塔板的优点是气液并流避免了返混和液面落差，塔板上 液层较低，塔板压降较小。气流方向近于平，相同的液气比下，舌形塔板的液沫夹带 量较小，故可以达到较高的生产力。缺点是张角固定，在气量较小时，经舌形孔喷射的气速低, 塔板漏液严重，操作弹性小。液体在同一方向上加速，有可能使液体在板上停留的时间 太短，液层太薄，板效率降低。1.7 塔选型板式塔和填料塔均可用于蒸储、吸收等气液 传质过程，但在两者之间进行比较及合理选择时，必须考虑 多方面因素，如与被处理物物料性质、操作

25、条件和塔的加工、 维修等方面有关的因素等。选型时很难提由绝对的选择标准，而只能提由一般的参考 意见，填料塔和板式塔比较的主要区别如下：(1)填料塔，小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规 整填料，则压降较小。板式塔压降较大。(2)填料塔，小尺寸填料空塔气速较小，而大尺寸填料及规整填料，则空塔气速可较大板式塔空塔气速较大。(3)填料塔，传统的填料，塔效率较低，而新型乱堆及规整填料则塔效率较高。板式塔较稳定，塔效率较高。(4)填料塔的液-气比对液体量有一定的要求。板式塔的液-气比适用范围较大。(5)填料塔的持液量较小，板式塔的持液量较大。(6)填料塔安装及检修较难， 板式塔安装及检修较容易。(7)

26、填料塔的材质是金属材料及非金属材料均可，板式 塔的材质是一般使用金属材料。(8)填料塔的新型填料，投资较大。板式塔大直径时造价较低。在进行填料塔和板式塔的选型时，下列情况可考虑优先选用填料塔：(1)在分离程度要求高的情况下，因莫些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；(2)对于热敏性物料的蒸微分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可 优先选择真空操作下的填料塔；(3)具有腐蚀性的物料，可选用填料塔，因为填料塔可采用非金属材料， 如 陶瓷、塑料等；(4)容易发泡的物料，宜选用填料塔，因为在填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，止匕外，填料还可以使泡沫破

27、碎。 下列情况下，可考虑优先选用板式塔：（1）塔内液体滞液量较大，要求塔的操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变 化要求不敏感，要求操作易于稳定；（2）液相负荷较小，因为这种情况下，填料塔会由于填料表面湿 润不充分而 降低其分离效率；（3）含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵塞的危险较小； （4）在操作过程中伴随有放热或需要加热 的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管；需要多个进料口或多个侧线由料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，止匕外，塔板上有较多的滞液量，以便与加热或冷却管进行有效地传热。实践证明，在较高压力下操作的蒸播塔仍多采用板式塔， 因为在

28、压力较高时，塔内气液比过小，以及由于气相返混剧烈等原因，填料塔的分离效果往往不佳。填料塔的使用场合为处理强腐蚀性物料，液气比大，真 空操作要求压力降小 的场合。板式塔的使用场合为处理量大，操作弹性大，带有污垢的 物料的场合。塔设备的结构形式因为生产的设计工况不同也不尽相 同。（1）若气相传质阻力大，应采用填料塔，因填料层中, 气相呈湍流，液相为 膜状流。反之，受液相控制的系统，应采用板式塔，因为板式塔中 液相呈湍流，气体在液层中豉泡。(2)对于较大的液体负荷，可选用填料塔。若采用板式塔时，应选用气液并流的塔型，如喷射型塔盘，或选用板上液流阻力较小的塔型，如筛板和浮阀。止匕外，导向筛板塔盘和降液

29、管筛板塔盘都能承受较大的 液体负荷。(3)对于较低的液体负荷，一般不宜采用填料塔，因为 填料塔要求一定数量 的喷淋密度。如果特殊需要填料塔，可以选用网体填料，这样可以适度 地提高喷 淋密度，但其应用的范围较窄。(4)从气液比波动的适宜性看，板式塔要优于填料塔，所以对气液比波动较 大的就采用板式塔。(5)从操作弹性看，板式塔的操作弹性要比填料塔宽。在板式塔中，以浮阀 塔为最大，泡罩塔次之，一般地说， 穿流塔的操作弹性最小。从经济角度上，填料塔和板式塔的选用各有不同。(1)在多数情况下，塔径大于 800mm时，宜用板式塔塔径小于800mm时，宜用填料塔。也有例外，在大型填料塔中使用鲍尔环和莫些新型

30、填料的效果会优于板式塔。同样，塔径小于 800mm时，也有使用板式塔的(2) 一般填料塔比板式塔重。(3)大塔以板式塔造价较经济。因为填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算价格，随着塔径增大而减小。1.8选材 在选择塔设备材料时，应考虑以下几点因素：(1)在使用温度下有良好的力学性能，即较高的强度，良好的塑性和冲击韧性以及较低的缺口敏感性；(2)要求具有良好的抗氢，氮等气体的腐蚀性能；(3)要求具有较好的制造和加工性能，并具有良好的可焊性；(4)热稳定性好。2.设计计算部分 2.1设计条件 设计条件：工作压力：常压；工作温度：150摄氏度；设计压力：0.11MPa； 设计温度：18

31、0摄氏度；介质名称：原油；基本风压：450Pa；地 震烈度：7度；塔板数量：50;保温材料厚度：140mm o塔体内径 2000mm，塔高49.1m。腐蚀余量=1.5mm。焊接接头系数=0.85。筒体和封头选用2.2 设备材料的选取，设计参数的确定20R,在设计温度下许用应力 =126.6MPa,=245MPa。2.3 筒体和封头的强度计算2.3.1筒体厚度 计算厚度=设计厚度 考虑其受到风载荷，地震载荷，偏心载荷和介质 压力作用，取名义厚度。有效厚度。2.4 .2封头厚度封头采用标准椭圆形封头。封头壁厚设计厚度名义厚度有效厚度。2.5 .3水压试验校核2.4塔器质量计算 筒体内径 裙座内径。

32、(1)塔壳和裙座的质量：(2)人孔，法兰，接管等附属件的质量：(3)内构件的质量：(4)保温材料的质量：(5)平台，扶梯的质量：(6)物料的质量：(7)充水质量：(8)塔器的操作质量：(9)塔器的最大质量：(10)塔器的最小质量：6段,将塔沿高分成8段，其中裙座分为两段，筒体分为 塔器各段质量如下表所示。0-1 1-7.4 7.4- 14.4 14.4-21.4 21.4-28.4 28.4-35.4 35.4-42.4 42.4-49.1 10505 67235 73538 73538 73538 73538 73538 70387 续表 2.1 塔 段 1 2 3 4 5 6 7 8 0

33、0 1975 1975 1975 1975 1975 1891 0 0 2005 2005 2005 2005 2005 1919 40 256 280 1708 1708 280 1708 1696 0 0 12808 12808 12808 12808 12808 12259 0 0 21980 21980 21980 21980 21980 21038 10545 67491 90608 92036 92036 90608 92036 88153 10545 67491 99779 101207 101207 99779 101207 96932 10545 67491 76218 77

34、647 77647 76218 77647 74380 2.5 塔的自振周期计 算。2.6地震载荷 将塔沿高分成8段，把每段高度之间的质 量看成作用在该段高度 1/2处的集中质量，各段集中质量所 引起的地震力如下表所示。表2.2塔器各段地震力 塔段1 2 3 4 5 6 7 8 塔段长度 /m 0-1 1-7.4 7.4-14.4 14.4-21.4 21.4-28.4 28.4-35.4 35.4-42.4 42.4-49.1 10545 67491 90608 92036 92036 90608 92036 88154 500 4200 10900 17900 24900 31900 38

35、900 45750 0.011 0.272 1.138 2.395 3.929 5.698 7.672 9.786 0.116 18.4 103.1 220.4 361.6 516.3 706.1 862.7 1.318 5.000 117.3 527.9 1420.878 2941.298 5417.607 8441.397 =续表 2.2 塔 段 1 2 3 4 5 6 7 8 0 0.040 0.168 0.354 0.581 0.842 1.134 1.446 0 351.35 1973.6216.5 22.9 28.9 35.80 40.33 续表 2.2 塔 段 1 2 3 4 5 6 7 8 79.941 4297.991 14972.473 24975.346 34743.232 43819.802 54277.489 61142.146 238308.8 238228.9 233930.9 218958.4 193983.1 159239.8 115420.0 61142.1 因为且，故考虑高振型 的影响。本塔的计算截面选取其较薄弱的部位，塔