第六章 塔设备的机械设计,塔设备可划分为板式塔和填料塔 塔设备的机械设计要求做到： 选材立足国内； 结构安全可靠，满足工艺要求； 制造、安装、使用、检修方便第一节 概述,第二节 板式塔,填料塔和填料,,一、 总体结构,1.塔体与裙座结构 这是所有塔设备的基本工作结构和支撑结构 2塔盘结构 这是塔设备完成化工过程和操作的主要结构部分它包括塔盘板、降液管及溢流堰、紧固件和支承件等 3除沫装置 用于分离气体夹带的液滴，多位于塔顶出口处 4设备管道 包括用于安装、检修塔盘的人孔，用于气体和物料进出的接管，以及安装化工仪表的短管等 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二、 塔盘结构,塔盘在结构方面要有一定的刚度，以维持水平；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 塔盘结构有整块式和分块式两种当塔径在800900 mm以下时，建议采用整块式塔盘当塔径在800900 mm以上时，人可以在塔内进行装拆，一般采用分块式塔盘1. 整块式塔盘,此种塔的塔体由若干塔节组成，塔节与塔节之间则用法兰连接每个塔节中安装若干块层层叠置起来的塔盘。
塔盘与塔盘之间用管子支承，并保持所需要的间距图6-2为定距管式支承塔盘结构降液管的结构有弓形和圆形两类 图6-3 一般圆形降液管 图6-4 带有滋流堰的圆形降液管 图6-5弓形降液管结构 图6-6弓形降液管的液封槽,,,,2分块式塔盘,在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很不方便因此，当塔径在800 900 mm以上时，都采用分块式塔盘此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节,分块式塔板示意图,,(a)自身梁式 (b)槽式,,分块式塔盘之间的连接,自身梁式塔盘板的上可拆连接 （b）螺柱 （c）椭圆垫板 图6-11自身梁式塔盘上、下均可拆连接,,以上所述的塔盘紧固方式虽然普遍采用，但所用紧固构件加工量大，装拆麻烦，而且螺栓需用抗锈蚀材料另一类紧固结构是用楔形紧固件，其特点是结构简单，装拆快，不用特殊材料，成本低等图6-12 塔盘板与支持圈的连接（上可拆） 图 6-13用楔形紧固件盘连接,三、塔盘的支承,对于直径不大的塔（例如2 000mm以下），塔盘的支承一般用焊在塔壁上的支持圈。
支持圈一般用刻扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成，有时也有用角钢的若塔盘板的跨度较小，本身刚度足够，则不需要用支承梁，,1600单流塔盘用支持圈支承塔盘的结构详图,图6-15双溢流分块式塔盘支承结构（举例之一）1一塔盘板；2一支持板；3一筋板；4一中心降液板（组合件）;5一两侧降液板（组合件）；6一可调节的溢流堰板；7一主梁；8一支座;9一压板；10一支持圈,图6-16双溢流分块式塔盘支承结构（举例之二）1一弓形塔板；2一切角矩形塔板;3一矩形塔板；4一通道板；5一支持圈；6一侧降液板；7一支持板；8一封板；9一筋板；10一中间受液槽;11一支承座,第三节 填料塔结构,填料塔在传质形式上与板式塔不同，它是一种连续式气液传质设备这种塔由塔体、喷淋装置、填料、再分布器、栅板以及气、液的进出口等部件组成，典型结构如图6-17所示一、 喷淋装置,液体喷淋装置设计的不合理，将导致液体分布不良，减少填料的润湿面积，增加沟流和壁流现象，直接影响填料塔的处理能力和分离效率液体喷淋装置的结构设计要求是：能使整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单，制造维修方便 喷淋装置的类型很多，常用的有喷洒型、溢流型、冲击型等。
1. 喷洒型,对于小直径的填料塔（例如300mm以下）可以采用管式喷洒器，通过在填料上面的进液管（可以是直管、弯管或口管）喷洒，如图6-18所示该结构的优点是简单，缺点是喷淋面积小而且不均匀2溢流型,盘式分布器是常用的一种溢流式喷淋装置，液体经过进液管加到喷淋盘内，然后从喷淋盘内的降液管溢流，淋洒到填料上中央进料的盘式分布器如图6-21所示喷淋盘一般紧固在焊于塔壁的支持圈上，与塔盘板的紧固相类似分布板上钻有直径约3mm的小泪孔，以便停车时将液体排净3冲击型,反射板式喷洒器是利用液流冲击反射板（可以是平马板或锥形板）的反射飞散作用而分布液体，如图6-24所示二、 液体再分布器,当液体流经填料层时，液体有流向器壁造成“壁流”的倾向，使液体分布不均，降低了填料塔的效率，严重时可使塔中心的填料不能润湿而成“干锥”因此在结构上宜采取措施，使液体流经一段距离后再行分布，以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋 在液体再分配器中，分配锥是最简单的，如图6-25(a)所示，沿壁流下的液体用分配锥再将它导至中央三、 支承结构,填料的支承结构不但要有足够的强度和刚度，而且须有足够的自由截面，使在支承处不致首先发生液泛。
在填料塔中，最常用的填料支承是栅板，如图6-26所示在设计栅板的支承结构时，需要注意下述各点 (1)栅板必须有足够的强度和耐腐蚀性； (2)栅板必须有足够的自由截面，一般应和填料的自由截面大致相等； (3)槽板扁钢条之间的距离约为填料外径的6080； (4)栅板可以制成整块的或分块的第四节 塔体与裙座的机械设计,一 塔体厚度的计算 自支承式塔设备一般都很高，且承受多种载荷的作用塔体除应满足强度条件外，还需满足稳定条件 1按计算压力计算塔体及封头厚度 按第4章“内压薄壁圆筒与封头的强度设计”的有关规定，计算塔体及封头的有效厚度S和S
)； m02一塔设备内件质量，kg； m03塔设备保温材料质量，kg； m04一平台、扶梯质量，kg； m05操作时塔内物料质量，kg； ma人孔、法兰、接管等附属件质量，kg； mw液压试验时，塔器内充液质量，kg； me偏心质量，kg；,（2）地震载荷的计算,当发生地震时，塔设备作为悬臂梁，在地展载荷作用下产生弯曲变形所以，安装在7度及7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 1.水平地震力 直径、壁厚沿高度变化的单个圆筒形直立设备，可视为一个多质点体系，如图6-29所示因此，在高度hk处的集中载荷mk所引起的基本震型地震力为： 式中 z 结构综合影响系数，对圆筒形直立设备取Cz=0. 5； 1 对应于塔器基本自振周期T（利用图6-30查取1值时，应使T =T1）的地震影响系数值； k 基本震型参与系数；,,,,关于 地震影响系数，按图6-30确定；图中曲线部分按公式 计算，但不得小于0.2max 式中 Tg 各类场地土的特征周期，见表6-3； amax 地震影响系数a的最大值，按表6-2选取； T 塔设备自振周期，s； T1 塔设备基本自振周期，按式（6-7），式(6-8)计算，s。
等直径等壁厚塔器的基本自振周期 不等直径或不等壁厚塔器的基本自振周期（如图6-31,,,, 垂直地震力 地震烈度为8度或9度区的塔器应考虑上下两个方向垂直地震力作用，如图6-32所示 塔器底截面处的垂直地震力按照下式进行计算 式中 avmax 垂直地震影响系数最大值，取avmax=0.65avmax； meq塔器的当量质量，取meq =0. 75 m0，kg任意质量i点所产生的垂直地震力按式（(6-13)计算,,, 地震弯矩 塔器任意计算截面I-I的基本振型地震弯矩（图6-29）按式6-14计算,,,对于等直径、等厚度塔器的任意截面I-I的地震弯矩 底部截面的地震弯矩,,,（3）风载荷的计算,图6-31所示为自支承式塔设备受风压作用的示意图塔体会因风压而发生弯曲变形吹到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增加而增加为了计算简便，将风压值按设备高度分为几段，假设每段风压值各自均布于塔设备的迎风面上，如图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 两相邻计算截面间的水平风力为 Pi=K1K2iq0filiDei10-6 (N) (6-17) K1 体型系数，取K1=0.7； K2i 塔器各计算段的风振系数，当塔高H20 m时，按式(6-18) 计算； K2i=1+Vizi/fi (6-18) q0 10 m塔处的基本风压值，N/m2，见表6-4； fi 风压高度变化系数，按表6-5查取； 脉动增大系数，按表6-6选取； i 第i段脉动影响系数，按表6-7查取； zi 第i段振型系数，根据hi/H与u查表6-8。
hit 塔器第i段顶截面距地面的高度，m； li 同一直径的两相邻计算截面间距离，mm； Dei 塔器各计算段的有效直径，mm；,2风弯矩,塔设备作为悬臂梁，在风载荷作用下产生弯曲变形任意计算截面的I-I处的风弯矩按下式计算（如图6-32所示） （6-19）,,（4 ）偏心载荷的计算,有些塔设备在顶部悬挂有分离器、热交换器、冷凝器等附属设备，这些附属设备对塔体产生偏心载荷偏心载荷所引起的弯矩为： Me=me g e (6-20) 式中 me 偏心质量Kg e 偏心质量的重心至塔设备中心线的距离，mm,二、塔体稳定验算,首先假设一个筒体有效厚度Sei，或参照内、外压筒体计算取一有效厚度，按下述要求计算并使之满足稳定条件 计算压力在塔体中引起的轴向应力：,,图6-34 应力1分布图 图6-35 应力2分布图 图6-36 应力3分布图,,操作或非操作时重量载荷及垂直地震力在塔体中引起的轴向应力： 弯矩在塔体中引起的轴向应力： 式中Mi-imax 计算截面处的最大弯矩，取风弯矩或地震弯矩加25风弯矩两者中的较大值与偏心弯矩之和应根据塔设备在操作时或非操作时各种危险情况对1、2、3进行组合，求出最大组合轴向压应力i-imax，并使之等于或小于轴向许用压应力c r 值。
轴向许用压应力按下式求取：,,,例如，内压操作的塔设备，最大组合轴向压应力出现在停车的情况下，即： max在危险截面2-2上的分布情况见图6-37(b),,4塔体拉应力校核,首先假设一个有效厚度或参照稳定验算结果取一有效厚度Sei进行计算 应对操作或非操作时各种情况将1、2、3进行组合，求出最大组合轴向拉应力并使之等于或小于许用应力与焊接接头系数和载荷组合系数的乘积 K为载荷组合系数，取K= l. 2如厚度不能满足上述条件，须重新假设厚度，重复上述计算，直至满足为止例如，对于内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在正常操作的情况下，即： (6-30) 此max在危险截面2-2上的分布情况见图6-38 外压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在非操作的情况下，即： (6-31) 此max在危险截面2-2上的分布情况见图6-39 根据按设计压力计算的塔体厚度Se，按稳定条件验算确定的厚度S ei，以及按抗拉强度验算条件确定的厚度Sei的大小，取其中较大值，再加上厚度附加量，并考虑制造、运。