塔设备的机械设计 PPT课件
第八章 塔设备的机械设计(化工技术)
塔壁间的密封
碳钢制塔板与 塔盘圈厚度，一 般3-4mm，用不锈 钢时取2-3mm
2
分块式塔盘第八章图\分块塔板一.rm 第八 章图\分块塔板二.rm
塔身为焊制的整体圆筒，塔盘分成数块， 由人孔送入塔内，安装到塔盘固定件上。
塔径在800~900mm以上时建议采用
特点：
1）结构简单，装拆方便 2）制造方便，模具简单
二 裙座设计 结构： 1）座体 2）基础环 3）螺栓座 4）管孔
1
座体设计
初选座体有效厚度δes，然后验算危险
截面应力。
1）
基底为危险截面时,应满足
操作时，
0 0 M max m0 g Fv0 0 t min KB; K S Z sb Asb
水压试验时，
0.3 M
水压试验时，
0.3 M M e m g min 0.9 K s ; KB Z sm Asm
1 1 w 1 1 max
2
基础环设计
基础环尺寸的确定
1）
Dob Dis 160 ~ 400 mm Dib Dis 160 ~ 400 mm
7）稳定条件
ii max
cr
4
塔体拉应力校核
1）假设有效厚度δei
2）计算最大组合轴向拉应力
内压，正常操作时 外压，非操作时
max 1
i i 2
ii 3
max
ii 3
ii 2
• 3）强度校核条件
ii max
K
5）最大组合轴向压应力
外压，正常操作时 max 1
塔设备的机械设计课程设计
塔设备的机械设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握塔设备的基本结构及其在化工生产中的应用，理解塔设备的设计原理和关键参数；2. 使学生了解塔设备机械设计的相关标准、规范和要求，掌握塔设备的设计流程；3. 引导学生掌握塔设备力学分析的基本方法，理解其强度、稳定性和疲劳寿命等方面的评价标准。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行塔设备结构设计和计算的能力；2. 提高学生解决实际工程问题的能力，能够根据设计要求完成塔设备的机械设计；3. 培养学生查阅相关资料、运用专业软件进行塔设备设计和分析的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对化工设备机械设计的兴趣，培养其创新意识和实践能力；2. 培养学生严谨的科学态度和良好的团队协作精神，使其在工程设计中具备较强的责任感和使命感；3. 引导学生关注化工设备在实际生产中的应用，认识到所学知识在工程实践中的价值。
本课程针对高年级本科或研究生阶段的学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。
通过本课程的学习，学生能够掌握塔设备机械设计的基本原理和方法，具备实际工程问题的分析和解决能力，为未来从事相关工作奠定坚实基础。
二、教学内容1. 塔设备概述：介绍塔设备的基本概念、分类及其在化工生产中的重要作用，对应教材第一章。
- 塔设备结构及工作原理- 塔设备的分类及特点2. 塔设备设计原理：讲解塔设备设计的基本原理、关键参数和设计要求，对应教材第二章。
- 塔设备设计的基本原理- 塔设备设计的关键参数- 塔设备设计的相关规范和要求3. 塔设备结构设计：学习塔设备的结构设计方法，包括力学分析、强度计算等，对应教材第三章。
- 塔设备力学分析- 塔设备强度计算- 塔设备稳定性分析4. 塔设备设计流程与实践：通过案例分析，使学生掌握塔设备设计的实际操作流程，对应教材第四章。
- 塔设备设计流程- 设计软件的应用- 案例分析与实践5. 塔设备设计评价与优化：介绍塔设备设计评价标准及优化方法，提高学生的工程设计能力，对应教材第五章。
塔设备的机械设计
阶梯环：一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对 称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料 表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降 降低，传质效率提高。
鞍形填料：这种填料重迭部分少，空隙率大，利 用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是 弧鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传 质效率的波纹成４５°，盘与盘之间成９０°排列，结 构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温 度及腐蚀情况采用不同的材料。
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。
塔径DN=300～500mm时，塔节高度L=800～ 1000mm；塔径DN=600～700mm时，塔节高度 L=1200～1500mm。 为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-6块。
降液管的结构有弓形和圆形两类
另设溢流堰圆形降液管
圆形降液管伸出塔盘表面兼作流堰的圆形降液管
图6-5弓形降液管结构
图6-6弓形降液管的液封槽
塔盘结构有整块式和分块式两种。当塔径 在800~900 mm以下时，建议采用整块式塔盘。 当塔径在800~900 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。图为定距管式支 承塔盘结构。
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 。
第六章 塔设备的机械设计
自支承式塔设备的塔体除承受工作介质压力 之外，还承受自重载荷、风载荷、地震载荷及 偏心载荷的作用。
（1）塔设备自重载荷的计算
塔设备的操作质量：
(kg) (6-2) 塔设备水压试验时的质量，这时设备质量最大， 简称设备最大质量 m0 m01 m02 m03 m04 mw ma me (kg) (6-3) 设备吊装时的质量，这时设备质量最小，简称 设备最小质量： m0 m01 0.2m02 m03 m04 ma me (kg) (6-4)
M
00 E
8CZ 1 m0 g (10 H 3.5 14 H 2.5 h 4h3.5 ) 175H 2.5
(Nmm)
底部截面的地震弯矩 16 I I M E CZ 1 mo gH 35
(Nmm)
（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。
Fk Cz α1k mk g (N )
式中 Ｃz—— 结构综合影响系数，对圆筒形 直立设备取Cz=0. 5； α1—— 对应于塔器基本自振周期T（利用图630查取α1值时，应使T =T1）的地震影响系数 α值； ηk—— 基本震型参与系数；
关于 α—— 地震影响系数，按图6-30确定；图中曲 Tg 0.9 线部分按公式
（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
塔式起重机
04 案例分析
04 案例分析
案例一
2016年2月20日，咸宁市一工地塔 吊突然垮塌，起重臂被摔断，塔身多处 焊接点松脱,部分标准节断裂，塔吊操作 室已被挤瘪，塔吊司机被困受伤。由于 事发时塔吊下方空旷，幸未造成人员伤亡。
事故原因分析： 1. 塔吊老化，多处地方生锈 2. 未装限位器 3. 塔吊所属公司和工地的负责人安全意识薄弱
03 塔式启动安全管理
塔式起重机安全检查-周期检查
周期检查包括目测检查（一般不需要拆卸）和功能测试。 周期检查应由有足够能力的 人（如有经验的技师― 因职业经历和经验在塔机领域具有丰富的知识并受过专业训练的 人员）执行。 周期检查时除日常检查内容外还应包括以下内容：
每月检查
润滑及液压装置：油位、漏油、渗油 吊钩及防脱装置：变形、裂纹、磨损 钢丝绳：无磨损、断裂隐患 结合及连接处：目测检查锈蚀情况 连接螺栓：是否松动、有裂纹 销轴定位情况，尤其是臂架连接销轴
➢ 核实塔机的标志和标牌。 ➢ 核实使用说明书没有丢失。 ➢ 核实保养记录。 ➢ 核实部件、设备及钢结构。将塔机上
安装的零部件与技术文件所列明细进 行对比。
➢ 根据设备表象判断老化状况： ➢ 额定载荷状态下的功能测试及运转情
况： ➢ 金属结构：焊缝，尤其注意可疑的表
面油漆龟裂； 锈蚀； 残余变形裂缝 ➢ 基础与附着
塔式起重机安全检查-特殊检查
特殊检查应由有能力的人员（有经验的技师或专业工程师）按其应有的状态进行确认 发生以下情况后应进行特殊检查： 不可预见的环境，如： ➢ 极端天气状况（暴风雨等） ➢ 7 度裂度及以上地震 ➢ 超载、碰撞或基础被扰动 塔机调整改造后，如： 增加额定能力、更换机构、改变控制位置、更换供电、改变承载结构设计、在承载结 构上进行焊接、控制系统改造或改变与利用等级和载荷谱有关的使用条件。
塔设备机械设计讲解
第一章绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。
在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。
这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。
传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。
以及吸附、离子交换、干燥等方法。
相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。
在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。
为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。
根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。
在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。
两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。
不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。
塔体是塔设备的外壳。
常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。
随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。
塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。
另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。
支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。
其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。
它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。
化工原理课程设计精馏板式塔的设计ppt课件
有关计算中的空塔气速值。
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22
4.3 其它塔体的主要尺寸
4.3.1塔顶高度HD
塔顶空间高度作用是安装塔板和人孔的需要，也使气体中的液滴自由沉降，塔顶空间 高度一般取1.0～1.5m。
4.3.3进料段高度 HF
进料如果是液相，则HF应稍大于一般的板间距，并满足安装人孔的 需要。如果是两相进料，则HF需要取得大一些，以利于进料两相分 离。一般可取： HF＝（1.0～1.2）m。
• 为使塔的操作稳定，免受季节气温影响，精、提馏段采 用相同塔径以便于制造，则采用饱和液体（泡点）进料， 但需增设原料预热器。
• 若工艺要求减少塔釜加热量避免釜温过高，宜采用气态
进料。
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11
2.3加热方式
• 蒸馏大多采用间接蒸汽加热，设置再沸器，以提 供足够的热量；
• 若待分离的物系为某种轻组分和水的混合物，也 可采用直接蒸汽加热。
堵塞，不适宜处理粘性大、脏的和带固体粒子的料液。
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25
5.2 塔板有关参数的计算 5.2.1板上液流型式的确定
常用的塔板流动型式有下面几种：
（1）单流型：这是最普遍和最常用的，液体的流径较长，板面利用好； 塔板结构简单，直径小于2.2m以下的塔普遍采用此型；
（2）双流型：用于大塔径及液相负荷较大的场合； （3）回流型：又称U型流型，用于液气比较小的场合； （4）其他流型：当塔径及液流量都特大式，双流型无法满足，可以用四
浮阀塔是现今应用最广的一种板型，其主要优点是生产能力大，操作弹性较 大，分离效果较高，塔板结构较泡罩塔简单。制造费是泡罩塔板的60～80％， 是筛板塔的120～130％。目前国内多用F1型（重阀）浮阀塔。
板式塔设备机械设计
1 板式塔设备机械设计任务书设计任务及操作条件试进行一蒸馏塔与裙座的机械设计已知条件为：塔体内径mm D i 2000=，塔高m 30，工作压力为MPa 2.1，设计温度为300℃，介质为原油，安装在广州郊区，地震强度为7度，塔内安装55层浮阀塔板，塔体材料选用16MnR ，裙座选用A Q -235。
设计内容（1）根据设计条件选材；（2）按设计压力计算塔体和封头壁厚； （3）塔设备质量载荷计算； （4）风载荷与风弯矩计算； （5）地震载荷与地震弯矩计算； （6）偏心载荷与偏心弯矩计算； （7）各种载荷引起的轴向应力；（8）塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核； （9）塔体水压试验和吊装时的应力校核； （10）基础环设计； （11）地脚螺栓计算； （12）板式塔结构设计。
.设计要求：（1）进行塔体和裙座的机械设计计算； （2）进行裙式支座校核计算； （3）进行地脚螺栓座校核计算； （4）绘制装备图（A3图纸）2 塔设备已知条件及分段示意图按设计压力计算塔体和封头厚度塔设备质量载荷计算自振周期计算地震载荷与地震弯距计算风载荷与风弯距计算偏心弯距最大弯距圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核地脚螺栓计算计算结果4 计算结果总汇1 按设计压力计算塔体和封头厚度4 后记本设计的任务是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。
计算量比较大，计算公式繁琐，数据比较大。
在计算过程中遇上一些参数是需要从书本的图或表格中查找出，有些数据还需要结合我们的理论课的书本来查找相关系数。
在设计的过程中，我们都会遇到各种各样的问题，但是大家一起努力工作的同时，对不懂的问题进行讨论之后，把遇到的问题都解决了。
只要把大家的力量聚集起来，就没有解决不了的问题。
这次课程设计让我们感受到，工程类的设计是多么的有特色，数据查找难，计算量大，公式繁琐。
最后感谢老师的指导，组员的帮助，其他舍友以及其他同学的共同努力，让本次课程设计顺利完成。
5 设计图纸见附图6 参考文献[1] 蔡纪宁.张秋翔.化工设备机械基础课程设计指导书.北京：化学工业出版社.2000 .6,63~64[2] 陈国桓.化工机械基础.第二版.北京：化学工业出版社.,169~171[3] 陈国桓.化工机械基础.第二版.北京：化学工业出版社.,125~125[4] 蔡纪宁.张秋翔.化工设备机械基础课程设计指导书.北京：化学工业出版社.2000 .6,85~85[5] 路秀林.王者相主编.化工设备设计全书塔设备.北京：化学工业出版社.2004 .1,324~3277主要符号说明。
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v max
meq
：垂直地震影响系数最大值，取 v max ：塔器的当量质量，取
0.65 max
meq 0.75m0
任意质量处的垂直地震力计算公式:
F
I I v
mi hi
m
k 1
n
Байду номын сангаас
k
hk
Fv00 (i 1,2, n)
1.2.3
地震弯矩
n
I I ME Fk (hk h) k 1
生产能力大 传质效率高 流体阻力小 操作弹性大 结构简单、材料消耗量小、制造安装方便
便于操作、调节和维修
第一节：塔设备设计的基本知识
1. 塔体承受的各种载荷
自重载荷
风载荷 地震载荷 偏心载荷
1.1
自重载荷
操作质量 m0=m01+ m02+ m03+ m04+ m05+ ma+ me
最大质量 mmax=m01+ m02+ m03+ m04+ mw+ ma+ me 最小质量 mmin=m01+ 0.2m02+ m03+ m04+ ma+ me
m01：塔设备壳体质量 m03：塔设备保温材料质量 m05：操作时塔内物料质量 m02：塔设备内件质量 m04：平台、扶梯质量 me：偏心质量
1.3
风载荷
相邻两计算截面间的水平风力为：
p0 K1K2i q0 f0l0 De0 106 ( N )
式中: K1：体型系数，取0.7 K2i：风振系数 q0：10m处的基本风压值 f0：风压高度变化系数 l0：操作平台所在段的计算长度 De0：有效直径
任意计算截面I-I的风弯矩为：
M
i i w
li li 1 li 2 pi pi 1 li pi 2 li li 1 2 2 2
1.4
偏心载荷
M e me g e
式中: me：偏心质量 g: 重力加速度
e：偏心质量的重心到塔设备中心线的距离
第 8章 塔设备的机械设计
第一节：塔设备设计的基本知识
第二节：板式塔
第三节：填料塔
塔设备广泛应用于精馏、吸收、萃取、增湿、减湿等单元
操作；
塔设备的分类：
按操作压力分：加压塔、常压塔、减压塔； 按操作单元分：精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔等； 按塔内结构分：板式塔、填料塔
我们期望的塔设备性能：
其中：
ma：人孔、法兰、接管等附属件质量 mw：液压试验时塔内充液质量
1.2
地震载荷
安装在七度及七度以上地震烈度地区的塔设备，必须 考虑地震载荷。
1.2.1
水平地震力
多质点体系，在高度hk处的集中载荷mk所引起的基本振型水平地震力为：
Fk Cz1k mk g
其中： Cz：结构综合影响系数，对圆筒形直立设备取0.5
h
k
1.5 k
m h
i 1
i 1 n
1.5 m h ii 3 1 i
n
1
：地震影响系数
基本自振周期
m0 H 3 T1 90.33H 10 ESe Di3
先计算T1，依据上图计算
1.2.2
垂直地震力
塔底的垂直地震力计算公式:
Fvoo v max meq g
整块式：一般适用于800~900mm直径的塔体 分块式：一般适用于直径大于800~900mm的塔体
2.1
整块式塔盘
整块式塔盘由若干塔节组成，塔节与
塔节之间则用法兰连接，每个塔节中 安装3~6块层层叠起来的塔盘；
降液管有弓形和圆形两种； 弓形降液管可以最大限度地利用塔的 截面，具有较大的降液能力，而且气 液分离效果好，一般用于大直径的塔。
圆形降液管
带有益流堰圆形降液管
定距管支撑的拉杆顶部结构
定距管支撑的拉杆底部结构
2.2
分块式塔盘
结构简单、装拆方便； 制造方便、模具简单；
3.
塔盘的支承
对于直径不大的塔体，用焊接的支承圈； 对于直径较大的塔体，用支承梁结构。
第三节：填料塔结构
结构简单、压力降小，可用各种材料制造； 由塔体、喷淋装置、填料、再分布器、栅板以及气、液的
第二节：板式塔结构
塔体与裙座结构 塔盘结构 除沫装置 设备管道 塔附件
1.
板式塔概述
板式塔的直径可达10m以上，高度可达80m； 板式塔的优点：效率高、处理量大、重量轻、便于维修； 板式塔的缺点：结构复杂、阻力降较大； 分类：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔、浮动喷射塔。
2.
塔盘结构
进出口等部件组成。
对填料的要求：
单位体积填料表面积大，即比表面大，且填料表面易为液体湿润； 空隙率高。可提高气液通过能力，减小流动阻力； 经久耐用。即具有良好的耐腐蚀性、较大的机械强度和必要的耐 热性； 取材容易，价格便宜。