1、目 錄一、塔設備的概述21.1 填料塔31.2 板式塔41.3填料塔與板式塔的比較5二、塔設備設計的基本步驟6三、塔設備的強度和穩定性計算63.1塔設備的載荷分析和設計準則63.2 質量載荷83.3地震載荷83.4偏心彎矩83.5最大彎矩83.6 圓筒軸向應力核核93.6.1 圓筒軸向應力93.6.2 圓筒穩定校核93.6.3 圓筒拉應力校核103.7裙座軸向應力校核103.7.1 裙座底截面的組合應力104.7.2裙座檢查孔和較大管線引出孔截面處組合應力114.8軸向應力校核條件12五、心得體會13一、塔設備的概述塔設備是石油化工、化學工業、石油工業等生產中最重要的設備之一。它可使氣（汽）液

2、或液液相之間進行充分接觸，達到相際傳熱及傳質的目的。在塔設備中能進行的單元操作有：精餾、吸收、解吸，氣體的增濕及冷卻等。表1中所示為幾個典型的實例。表1 塔設備的投資及重量在過程設備中所占的比例裝置名稱塔設備投資的比例（%）裝置名稱塔設備重量的比例（%）化工及石油化工25.460萬，120萬t/a催化裂化48.9煉油及煤化工34.8530萬t/a乙烯25.3化纖44.94.5萬t/a丁二烯54實現氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際傳質和傳熱的目的。塔設備廣泛用于蒸餾、吸收、介吸、萃取、氣體的洗滌、增濕及冷卻等單元操作中，它的操作性能好壞，對整個裝置性能好壞、對整個裝置的生產，產品

3、產量、質量、成本以及環境保護、“三廢”處理等都有較大的影響。因此對設備的研究一直是工程界所關注的熱點。隨著石油、化工的發展，塔設備的合理造型及設計將越來越受到關注和重視。為了使塔設備能更有效、更經濟的運行，除了要求它滿足特定的工藝條件，還應滿足以下基本要求。 滿足特定的工藝條件； 氣液兩相能充分接觸，相際傳熱面積大； 生產能力大，即氣、液處理量大； 操作穩定，操作彈性大，對工作負荷的波動不敏感； 結構簡單、制造、安裝、維修方便，設備投資及操作成本低； 耐腐蝕，不易堵塞。為了便于研究和比較,人們從不同的角度對塔設備進行分類。按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應塔和干燥塔。用以實現蒸

4、餾和吸收兩種分離操作的塔設備分別稱為蒸餾塔和吸收塔。這類塔設備的基本功能在于提供氣、液兩相以充分接觸的機會,使質、熱兩種傳遞過程能夠迅速有效地進行,還要能夠使接觸之后的氣、液兩相及時分開,互不夾帶。也有按形成相際接觸面的方式和按塔釜型式分類的;但是,最常用的分類是按塔的內件結構分為板式塔和填料塔兩大類,人們又按板式塔的塔盤結構和填料塔所用的填料,細分為多種塔型。目前工業上應用最廣泛的是填料塔及板式塔。1.1 填料塔以填料作為氣、液接觸和傳質的基本構件，液體在填料表面呈膜狀自上而下流動，氣體呈連續相自下而上與液體作遞向流動，并進行氣、液兩相間的傳質和傳熱。兩相的組分濃度和溫度沿塔高連續變化。填料

5、塔屬于微分接觸型的氣、液傳質設備。如圖2.1為填料塔的總體結構：圖2.1 填料塔的總體結構1.2 板式塔以塔板作為氣、液接觸和傳質的基本構件，液體自上而下流入各層塔板，形成液池，氣體以鼓泡或噴射的形式自下而上穿過各層塔板的篩孔、液池，使氣、液兩相密切接觸而傳質和傳熱。兩相的組分濃度呈階梯式變化，板式塔屬于逐級接觸型的氣、液傳質設備。如圖2.2為板式塔的總體結構。圖2.2 板式塔的總體結構無論是板式塔還是填料塔，除了各種內件之外，均由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平臺等組成。 a.塔體 塔體即塔設備的外殼，常見的塔體由等直徑、等厚度的圓筒及上下封頭組成。塔設備通常安裝在室

6、外，因而塔體除了承受一定的操作壓力（內壓或外壓）、溫度外，還要考慮風載荷、地震載荷、偏心載荷。此外還要滿足在試壓、運輸及吊裝時的強度、剛度及穩定性要求 b.支座 塔體支座是塔體與基礎的連接結構。因為塔設備較高、重量較大，為保證其足夠的強度及剛度，通常采用裙式支座。 c.人孔及手孔 為安裝、檢修、檢查等需要，往往在塔體上設置人孔或手孔。不同的塔設備，人孔或手孔的結構及位置等要求不同。 d.接管 用于連接工藝管線，使塔設備與其他相關設備相連接。按其用途可分為進液管、出液管、回流管、進氣出氣管、側線抽出管、取樣管、儀表接管、液位計接管等。 e.除沫器 用于捕集夾帶在氣流中的液滴。除沫器工作性能的好壞

7、對除沫效率、分離效果都具有較大的影響。 f.吊柱 安裝于塔頂，主要用于安裝、檢修時吊運塔內件。1.3填料塔與板式塔的比較對于許多逆流氣液接觸過程，填料塔和板式塔都是可以適用的，設計者必須根據具體情況進行選用。填料塔和板式塔有許多不同點，了解這些不同點對于合理選用塔設備是有幫助的。填料塔操作范圍較小，特別是對于液體負荷變化更為敏感。當液體負荷較小時，填料表面不能很好地潤濕，傳質就效果急劇下降；當液體負荷過大時，則容易產生液泛。設計良好的板式塔，則具有大得多的操作范圍。填料塔不宜于處理易聚合或含有固體懸浮物的物料，而某些類型的板式塔（如大孔徑篩板、泡罩塔等）則可以有效地處理這種物質。另外，板式塔的

8、清洗亦比填料塔方便。當氣液接觸過程中需要冷卻以移除反應熱或溶解熱時，填料塔因涉及液體均不問題而使結構復雜化。板式塔可方便地在塔板上安裝冷卻盤管。同理，當有側線出料時，填料塔也不如板式塔方便。以前亂堆填料塔直徑很少大于0.5m，后來又認為不宜超過1.5m，根據近10年來填料塔的發展狀況，這一限制似乎不再成立。板式塔直徑一般不小于0.6m。關于板式塔的設計資料更容易得到而且更為可靠，因此板式塔的設計比較準確，安全系數可取得更小。當塔徑不很大時，填料塔因結構簡單而造價便宜對于易起泡物系，填料塔更適合，因填料對泡沫有限制和破碎的作用。對于腐蝕性物系，填料塔更適合，因可采用瓷質填料。對熱敏性物系宜采用填

9、料塔。二、塔設備設計的基本步驟塔設備大多安裝在室外，靠裙座底部的地腳螺栓固定在混凝土基礎上，通常稱為自支承式塔，除承受介質壓力外，塔設備還承受各種重量（包括塔體、塔內件、介質、保溫層、操作平臺、扶梯等附件的重量）、管道推力、偏心載荷、風載荷及地震載荷的聯合作用，由于在正常工作、停工檢修、壓力試驗等三種工況下，塔所受的載荷并不相同，為了保證塔設備安全運行，必須對其在這三種工況下進行軸向強度及穩定性校核。 軸向載荷及穩定性強度校核的基本步驟：（1）按設計條件，初步確定塔的厚度和其他尺寸；（2）計算塔設備危險截面的載荷，包括重量、風載荷、地震載荷和偏心載荷等；（3）危險截面的軸向強度和穩定性校核；（

10、4）設計計算裙座、其他環板、地腳螺栓等。三、塔設備的強度和穩定性計算根據課程設計的特點，著重介紹等截面、等壁厚塔設備的設計計算。 3.1塔設備的載荷分析和設計準則塔設備在操作時主要承受的以下幾種載荷作用：操作壓力、質量載荷、地震載荷、風載荷、偏心載荷。各種載荷示意圖及符號見圖5-3。圖 5-3 塔設備各種載荷示意圖及符號(a)質量載荷；(b)地震載荷；(c)風載荷；(d)偏心載荷塔設備的強度和穩定性計算通常按下列步驟計算。 根據GBl50-1998相應章節或參考文獻1第十一章，按壓力確定圓筒有效厚度及封頭的有效厚度； 根據地震和風載的需要，選取若干計算截面(包括所有危險截面)，并考慮制造、安裝

11、、運輸的要求，設定各截面處圓筒有效厚度與裙座有效厚度。應滿足，； 根據自支承式塔設備承受的質量載荷、風載荷、地震載荷及偏心載荷的作用，依次進行校核和計算，并應滿足各相應要求，否則需重新設定圓筒的有效厚度，直至滿足全部校核條件為止。塔設備設計計算常用符號及說明見表5-3。 3.2 質量載荷塔設備的操作質量（5-1）塔設備的最大質量（5-2）塔設備的最小質量（5-3）式5-3中的0.2m02系考慮焊在殼體上部分內構件的質量，如塔盤支持圈、降液管等。當空塔起吊時，如未裝保溫層、平臺、扶梯，則mmin應扣除m03和m04。式中的殼體和裙座質量m01按求出的殼體名義厚度、封頭名義厚度及裙座名義厚度計算，

12、也可分段計算。部分塔設備零部件，若無實際資料，可參考表5-4，計算中注意單位統一。3.3地震載荷當發生地震時，塔設備作為懸臂梁，在地震載荷作用下產生彎曲變形。安裝在七度或七度以上地震烈度地區的塔設備必須考慮它的抗震能力，計算出它的地震載荷3.4偏心彎矩當塔設備的外側懸掛有分離器、再沸器、冷凝器等附屬設備時，可將其視為偏心載荷。由。于有偏心距e的存在，偏心載荷在塔截面上引起偏心彎矩。偏心載荷引起偏心彎短沿塔高無變化，可按式(5-22)汁算：（5-22） 3.5最大彎矩塔設備任意計算截面II處的最大彎矩按式（5-23）計算： 取其中較大值（5-23）塔設備底部截面0-0處的最大彎矩按式(5-24)

13、計算： 取其中較大值（5-24） 3.6 圓筒軸向應力核核校核圓簡軸向應力，使之滿足穩定條件。 3.6.1 圓筒軸向應力圓筒任意計算截面II處的軸向應力分別銨式（5-25）、式（5-26）和式（5-27）計算：由內壓和外壓引起的軸向應力：（5-25）其中設計壓力p取絕對值。操作或者非操作時重力及垂直地震力引起的鈾向應力：（5-26）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時計入此項。最大彎矩引起的軸向應力：（5-27） 3.6.2 圓筒穩定校核圓筒許用軸向壓應力按式(528)確定： 取其中較小值（5-28）圓筒最大組合壓應力按式(5-29)或式(5-30)校核：對內壓塔器 （5-29）對外壓塔器 （

14、5-30） 3.6.3 圓筒拉應力校核圓筒最大組合拉應力按式(5-31)或式（5-32）校核：對內壓塔器 （5-31）對外壓塔器 （5-32）如校核不能滿足條件時，須重新設定有效厚度，重復上述計算，直至滿足要求。 3.7裙座軸向應力校核 塔設備常采用裙座支承。并根據承載不同，分為圓筒形和圓錐形兩種。由于圓筒形裙座。制造方便，采用極為廣泛。但需配置較多的地腳螺栓和具有足夠大求載由積的基礎環，以防止由于風載荷或地震載荷所引起的彎矩而造成翻倒。若經應力校核不能滿足，只能選用圓錐形裙座支承。這里重點介紹圓筒形裙座。圓筒形裙座軸向風力校核首先選取裙座危險截面。危險截面的位置，一般取裙座底截面 (0-0)

15、或裙座檢查孔和較大管線引出孔(hh)截面處(見圖5-8)。然后按裙座有效厚度驗算危險截面的應力3.7.1 裙座底截面的組合應力裙座底截面的組合應力按式(5-43)和式(5-44)校核：（5-43）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時計入此項。（5-44）式中裙座底部截面積，mm2； 裙座圓筒和錐殼的底部截面系數，mm3。 4.7.2裙座檢查孔和較大管線引出孔截面處組合應力裙座檢查孔和較大管線引出孔(見圖5-8)hh截面處組合應力按式（5-47）和式（5-48)校核：（5-47）其中僅在最大彎矩為地震彎矩參與組合時計入此項。（5-48）式中h-h截面處水平方向的最大寬度，mm；h-h截面處裙座殼

16、的內直徑，mm；h-h截面處的垂直地震力。但僅在最大彎短為地震彎矩參與組合時計入此項，N；檢查孔和較大管線引出孔加強管長度，mm； h-h截面處的最大彎矩，Nmm；h-h截面處的風彎矩，Nmm；h-h截面以上塔設備壓力試驗時的質量，kg；h-h截面以上塔設備的操作質量，kg；h-h截面處加強管的厚度(見圖5-8)，mm；h-h截面處裙座的截面積，mm2； （5-49）（5-50）h-h截面處的裙座殼截面系數，mm3； （5-51） （5-52）如校核不能滿足條件時，須重新設定裙座殼有效厚度，重復上述計算，直至滿足要求。4.8軸向應力校核條件 由于最大彎矩在筒體中引起的軸向應力沿環向是不斷變化的。與沿環向均布的軸向應力相比，這種應力對塔強度或穩定失效的危害要小一些。為此，在塔體應力校核時，對許用拉伸應力和壓縮應力引入載荷組合系數K,并取K=1.2。 在正常操作和停工檢修工況下，軸向拉伸應力用K限制。其中，為