流體力學與傳熱：塔設備 (2)

1、7.1 概述,7.1.1 塔設備的應用,化工原理學過的知識：1.板式塔：塔板類型，板式塔流體力學性能，浮閥塔設計，塔板效率； 2.填料塔：填料，填料塔的流體力學性能及塔計算。,塔設備類型、結構（包括各種附件）,專題討論（生產(chǎn)企業(yè)、新型塔設備結構）,內(nèi) 容,塔的強度計算（周期、強度及穩(wěn)定性校核）,塔設備的振動（產(chǎn)生原因及防振）,選型,設計,作用： 重要的單元操作設備，作用是實現(xiàn)氣（汽）液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際間進行傳質(zhì)及傳熱的目的。,基本要求： 1. 氣液兩相充分接觸，相際間傳熱面積大； 2. 生產(chǎn)能力大，即氣液處理量大； 3. 操作穩(wěn)定，操作彈性大； 4. 阻力小； 5. 結構

2、簡單，制造、安裝、維修方便，設備的投資及操作費用低。 6. 耐腐蝕，不易堵塞。,凈化塔 填料塔 空氣分離塔 解吸塔,各種塔設備,表7.1 塔設備的投資及重量在過程設備中所占的比重,7.1.2 塔設備的選型,7.1.2.1 塔設備的總體結構,塔設備分類,操作壓力,內(nèi)件結構,單元操作,加壓塔,常壓塔,減壓塔,精餾塔,吸收塔,反應塔,介吸塔,填料塔,板式塔,萃取塔,干燥塔等,組成:塔體、支座、人孔及手孔、接管、除沫器、吊柱等,7.1.2.2 塔設備的選型,表7.2 填料塔與板式塔的比較,下列情況優(yōu)先選用填料塔:,1.在分離程度要求高的情況下，因某些新型填料具有高的傳質(zhì)效率， 故可采用新型填料以為降低

3、高度； 2.對于熱敏性物料的蒸餾分離，因新型填料的持液量較小，壓降小，故可有限選擇真空操作下的填料塔； 3.具有腐蝕性的物料，可選擇填料塔； 4.容易發(fā)泡的物料，宜選用填料塔；,填料塔,下列情況優(yōu)先選用板式塔:,1.塔內(nèi)液體滯液量較大，要求塔的負荷變化范圍較寬，對進料濃度變化要求不敏感，要求操作易于穩(wěn)定； 2.塔內(nèi)負荷較小； 3.含固體顆粒、容易結垢、有結晶的物料； 4.容易發(fā)泡的物料，宜選用填料塔；,板式塔,填料塔總體結構,7.2 填料塔,填料塔的基本特點： 結構簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造。,任務： 1.開發(fā)多種形式、規(guī)格和材質(zhì)的高效、低壓 降、大流量的填料； 2.與

4、不同填料相匹配的塔內(nèi)件結構； 3.填料層中液體的流動和分布規(guī)律； 4.蒸餾過程的模擬。 5.高性能的填料及新型塔內(nèi)件，氣體及液體分布器的研究。,7.2.1 填料,填料是填料塔的核心內(nèi)件，它為氣液兩相接觸進行傳質(zhì)和傳熱提供表面。與其他內(nèi)件共同決定填料塔的性能。設計時，首先選擇填料。,7.2.1.1散裝填料,安裝以亂堆為主的填料，也可以整砌。具有一定外形的顆粒體，根據(jù)形狀分為：環(huán)形、鞍形及環(huán)鞍形。,圖7-3 散裝填料的發(fā)展,環(huán)形填料,拉西環(huán),隔板環(huán),金屬環(huán),階梯環(huán),環(huán) 十字環(huán) 內(nèi)螺旋環(huán),短拉西環(huán),鞍形填料,弧鞍形,矩鞍形,改進矩鞍形,環(huán) 鞍 形,半環(huán)填料 （環(huán)-鞍）,金屬Intalox （鞍-環(huán)）

5、,拉西環(huán),內(nèi)螺旋環(huán),環(huán)、十子環(huán),弧鞍形填料,矩鞍形填料,改進矩鞍形填料,鮑爾環(huán),階梯環(huán),金屬環(huán)矩鞍填料,鞍形填料,環(huán)形填料,開孔環(huán)形填料,7.2.1.2 規(guī)整填料,在塔內(nèi)按均勻的幾何圖形規(guī)則、整齊地堆砌的填料。,絲網(wǎng)波紋填料,金屬,塑料,碳纖,板波紋填料,金屬填料,塑料填料,陶瓷填料,7.2.1.3 填料的選用,選用依據(jù),效 率,通 量,壓 降,性能參數(shù),7.2.2 填料塔內(nèi)件的結構設計,7.2.2.1 填料的支承裝置,填料的支承裝置安裝在填料層的底部。防止填料穿過支承裝置而落下。,填料支承裝置,柵板形支承,氣液分流形支承,波紋式,孔管式,駝峰式,氣體分布較好,氣通量大液體負 荷高,7.2.2

6、.2 填料的液體分布器,分布器安裝在填料的上部。它將液相加料及回流均勻地分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。,壓力型,孔流式,溢流式,重力型,管式液體分布器,盤式液體分布器,孔流式,溢流式,槽式液體分布器,噴灑式液體分布器,7.2.2.3 液體收集再分布器,斜板式,升氣管式,組合式,盤式,壁流收集,液體收集器,液體再分布器,液體分配器,7.2.2.4 填料的壓緊和限位裝置,當氣速較高或壓力波動較大時，會導致填料層的松動從而造成填料層各處的裝填密度產(chǎn)生差異，引起氣液相的不良分布。,又稱填料壓板。自由放置于填料層上部，靠自身的重量壓緊填料。填料移動下沉時，填料壓板也隨之下落。,又稱床層定位器，

7、用于金屬、塑料制散裝填料，及所有規(guī)整填料。它的作用是防止高氣速、高壓降或塔的操作出現(xiàn)較大波動時， 規(guī)整填料。填料向上移動而造成填料層出現(xiàn)空隙，而影響傳質(zhì)效率。,7.3 板式塔,7.3.1 板式塔分類,篩板塔,浮閥塔,舌形塔,錯流板式塔,逆流板式塔,單溢流型,雙溢流型,泡罩塔,塔板結構,氣液兩相流動,液體流動形式,7.3.2 板式塔的結構,1.結構特點: 板式塔是逐級接觸，混合物濃度發(fā)生階躍式變化，而填料塔則不同，氣、液兩相是微分接觸，氣、液的組成則發(fā)生連續(xù)變化。 2.結構: 塔體為一圓式筒體，塔體內(nèi)裝有多層塔板。塔板設有氣、液相通道，如篩孔及降液管、底隙、溢流堰等。,板式塔的結構 1.塔殼體

8、2. 塔板 3.溢流堰 4.受液盤 5.降液管,7.3.2.1 板式塔的結構,3.氣、液相流程: 再沸器加熱釜液產(chǎn)生氣相在塔內(nèi)逐級上升，上升到塔頂由塔頂冷凝器冷凝，部分凝液返回塔頂作回流液。液體在逐級下降中與上升氣相進行接觸傳質(zhì)。 具體接觸過程: 液體橫向流過塔板，經(jīng)溢流堰溢流進入降液管，液體在降液管內(nèi)釋放夾帶的氣體，從降液管底隙流至下一層塔板。塔板下方的氣體穿過塔板上氣相通道，如篩孔、浮閥等，進入塔板上的液層鼓泡，氣、液接觸進行傳質(zhì)。氣相離開液層而奔向 上一層塔板，進行多級的接觸傳質(zhì)。,板式塔,泡罩塔,浮閥塔,篩板塔,無降液管塔,導向篩板塔,斜噴型,應用最早，主要由泡罩、升氣 管溢流堰降液管

9、及塔板組成,生產(chǎn)能力大、操作彈性大、 塔板效率高、結構簡單,結構簡單、成本低、 效率高、安裝維修方便,結構簡單、生產(chǎn)能 力大、壓力降小,效率高、壓降小,舌塔形、浮動舌形塔 減少夾帶,板式塔性能的比較,7.3.2.2 板式塔的比較,7.3.3 板式塔塔盤的結構,7.3.3.1 塔盤,a. 定距管式塔盤,b.重疊式塔盤,a. 降液管的型式,b. 降液管的尺寸,c. 降液管的結構,塔盤,7.3.3.3 受液盤,受液盤,平型,凹型,可拆式,焊接固定式,進口堰,出口堰,溢流堰,溢流堰,7.4 塔設備的附件,絲網(wǎng)除沫器,折流板除沫器,旋流板除沫器,多孔材料除沫器,玻璃纖維除沫器,除沫器,在塔內(nèi)氣速較大時，

10、會出現(xiàn)塔頂霧沫夾帶，造成物料損失和效率降低。和效率降低,除沫器,7.4.1 除沫器,優(yōu)點: 絲網(wǎng)除沫器比表面積大、重量輕、空隙率大、使用方便等、。特別是它具有除沫效率高，壓力降小的特點，是應用最廣泛的除沫裝置。,應用：絲網(wǎng)除沫適用于清潔的氣體，不宜用于液滴中含有或易析出固體物質(zhì)的場合（如堿液、碳酸氫鈉溶液等），以免液體蒸發(fā)后留下固體堵塞絲網(wǎng)。,絲網(wǎng)除沫器的網(wǎng)塊結構：盤形和條形兩種。盤形結構采用波紋形絲網(wǎng)纏繞至所需的直徑。網(wǎng)塊的厚度等于絲網(wǎng)的寬度；條形網(wǎng)塊結構是采用波紋形絲網(wǎng)一層層平鋪至所需的厚度，然后上下各放置一塊隔柵板。再使用定距桿使其連成一整體。,合理的氣速是除沫器取得較高除沫效率的重要因

11、素。,由固定的葉片組成如風車狀。夾帶液滴的氣體通過葉片時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和離心運動。在離心力的作用下將液滴甩至塔壁，實現(xiàn)氣液分離。效率可達95%。,絲網(wǎng)除沫器,折流板除沫器？,7.4.2 裙座,7.4.3 吊柱,安裝在室外，無框架的整體塔設備，為了安裝及拆卸內(nèi)件，更換或補充填料，往往在塔頂設置吊柱。吊柱方位應使吊柱中心線與人孔中心線間有合適的夾角，使人能站在平臺上操縱手柄，使吊柱的垂直線可以轉(zhuǎn)到人孔附近，以便從人孔裝入或取出塔內(nèi)件。,吊柱,7.5 塔的強度設計,受力特點:塔設備多數(shù)安裝在室外，靠裙座底部的地腳螺栓固定在混泥土基礎上，通常稱為自支承式塔，除承受介質(zhì)壓力外，塔設備還承受各種重量、管道推力、

12、偏心載荷、風載荷及地震載荷的聯(lián)合作用。 由于在正常操作、停工檢修、壓力實驗等三種工況下，塔所受的載荷并不相同，為保證塔設備安全運行，必須校核三種工況下塔的軸線強度和穩(wěn)定性。,軸向強度及穩(wěn)定性校核的基本步驟,按設計條件，初步確定塔的厚度和其他尺寸,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；,危險截面的軸向強度和穩(wěn)定性校核步驟,設計計算裙座、基礎環(huán)板、地腳螺栓等,7.5.1 塔的固有周期,在不考慮操作平臺及外部管線的限制作用時，若將塔設備視為具有多個自由度的體系，則它就有多個固有頻率，最低的稱為基本固有頻率或基本頻率。各質(zhì)點振動后的變形曲線稱為振型。與基本固有頻率對應的周

13、期稱為基本固有周期或基本周期。,等直徑、等厚度塔的固有周期：,上式的邊界條件為：塔底固定端,塔頂自由端定端：,求解方程得塔設備前三個振型時的K值分別為：,等直徑、等厚度塔的固有周期：,令上式的解為：,塔在前三個振型時的固有周期分別為：,第一振型,第二振型,第三振型,不等直徑、不等厚度塔的計算,（a）多自由度體系多自由度體系,（b）折算后的單自由度體系,將一個多自由度體系，用一個折算的集中質(zhì)量來代替，從而將一個多自由度體系簡化成一個單自由度體系。確定集中質(zhì)量的原則是使兩個相互折算體系在振動時產(chǎn)生的最大動能相等。,質(zhì)量折算法,處理成多個塔節(jié)組成，將每個塔節(jié)化為質(zhì)量集中于其重心的質(zhì)點，并采用質(zhì)量折算

14、法計算第一振型的固有周期。,基本思想,多自由度體系的第一振型曲線可近似為拋物線，且最大位移之間有如下關系之間有如下關系:,對單自由度體系，其固有周期的計算公式：,頂端作用單位力時所產(chǎn)生的位移,由材料力學，頂端作用單位力時，變截面梁在頂端的位移為：,不等直徑、不等厚度塔第一振型的固有周期為,7.5.2 塔的載荷分析,質(zhì)量載荷包括：塔體、裙座質(zhì)量；塔內(nèi)件質(zhì)量；保溫材料質(zhì)量；操作平臺及扶梯質(zhì)量；操作時物料的質(zhì)量；塔附件質(zhì)量；水壓實驗時充水的質(zhì)量；偏心載荷等。,塔設備在正常操作時的質(zhì)量,塔體上有時懸掛有再沸器、冷凝器等附屬設備或其他附件，因此承受偏心載荷。,該載荷產(chǎn)生的彎矩：,安裝在塔體上有時懸掛有再

15、沸器、冷凝器等附屬設備或其他附件，因此承室外的塔設備將受風力的作用。風力除了使塔體產(chǎn)生應力和變形外，還可能使塔體產(chǎn)生順風向的振動（縱向振動）及垂直于風向的誘導振動（橫向振動）。強度及失穩(wěn)、效率降低。,塔設備中第i計算段所受的水平風力可由下式計算:,基本風壓 高度變化系數(shù) f i 風壓 體型系數(shù)K 1 風振系數(shù)塔設備迎風面的有效直徑D ei,將塔設備分成若干段，則水平風力在第I段塔底截面段I-I處的彎矩為,地震載荷可以分解為三個平動分量和三個轉(zhuǎn)動分量。轉(zhuǎn)動分量實測數(shù)據(jù)很少，一般不予考慮。地面水平方向（橫向）的運動會使設備產(chǎn)生水平方向的振動，危害較大。垂直方向較小，一般只有在地震烈度為8度或9度地

16、區(qū)的塔設備才考慮縱向振動的影響。,a. 水平地震力,所謂地震力是地震時地面運動對于設備的作用力。對于底部剛性固定在基礎上的塔設備，如將其簡化成單質(zhì)點的彈性體系，則地震力即為該設備質(zhì)量相對于地面運動時的慣性力。,C z 綜合影響系數(shù)，取C z =0.5 m p集中于單質(zhì)點的質(zhì)量，kg 地震影響系數(shù)，根據(jù)場地土的特性周期及塔自振周期由圖7-76確定. 對于圖7-76 的曲線部分，地震影響系數(shù)按下式計算。若自振周期3s，則以3s計算，但其值不得小于 0.2,Tg特性周期，按場地的類型及震區(qū)類型確定； 地震影響系數(shù)的最大值，見表表7-10.,單質(zhì)點體系的地震力,地震影響系數(shù),多單質(zhì)點體系的地震力,多質(zhì)

17、點體系的垂直地震力,可將多質(zhì)點體系的計算轉(zhuǎn)換成多個單質(zhì)點體系相迭加。引入振型參考系數(shù)：,多自由度體系的第一振型曲線可近似為拋物線，引入與最大位移之間的關系可得相應于第一振型的振型參考系數(shù)：,因而，第k段塔節(jié)重心處產(chǎn)生的相當于第一振型的水平地震力為：,1對應于塔器基本固有周期T1的地震影響系數(shù)值； h k 第k段塔節(jié)的集中質(zhì)量m k段離地面的距離，m； m k 第k段塔節(jié)的集中質(zhì)量， kg。,b. 垂直地震力,在地震烈度為8度或9度的地區(qū)，塔設備應考慮垂直地震力的作用。一多質(zhì)點體系見圖7-78，在地面的垂直運動作用下，塔設備底部截面上存在垂直地震力。,vmax 對應于塔器基本固有周期T 1的地震

18、影響系數(shù)； m eq 塔設備的當量質(zhì)量； m eq =0.75 m0mkg m 0 塔設備操作時的質(zhì)量， kg。,垂直地震力,塔任意質(zhì)點i處垂直地震力,在水平地震力的作用下，在塔設備的任意計算截面I-I處，基本振型的地震彎矩為,對于等直徑、等壁厚的塔，質(zhì)量沿塔高是均勻分布的，基本振型在I-I截面處產(chǎn)生的地震彎矩為,任意截面任意截面I-I處基本振型的地震彎矩， N.m,當h=0 ，即塔設備底部截面0-0處，由基本振型產(chǎn)生的地震彎矩為,當H/D15 或塔設備高度大于等于20m時，還必須考慮振型的影響。一種簡化的近似算法是按第一振型的計算結果估算地震彎矩。,任意截面任意截面I-I處基本振型的地震彎矩

19、， N.m,確定最大彎矩時，偏保守地假設風彎矩、地震彎矩和偏心彎矩同時出現(xiàn)， 且出現(xiàn)在塔設備的同一方向。但考慮到最大風速和最高地震級別同時出現(xiàn)的在可能性很小，在正?；蛲９z修時正常或停工檢修時，取計算截面處的最大彎矩。,最大彎矩,水壓實驗時，取最大彎矩為,7.5.3 筒體的強度和穩(wěn)定性校核,對正常操作、停工檢修及壓力實驗等工況，分別計算各工況下相應壓力、重量和垂直地震力、最大彎矩引起的筒體軸向應力，再確定最大拉伸應力，并進行強度和穩(wěn)定性校核。, 計算截面計算截面I-I處的最大彎矩， N.m 計算截面計算截面I-I處的抗彎截面模量，,由于最大彎矩在筒體中引起的軸向應力沿環(huán)向是不斷變化的。與沿環(huán)向

20、均布的軸向應力相比，這種應力對塔強度或穩(wěn)定失效的危害要小一些。為此，對許用拉伸和壓縮應力引入載荷組合系數(shù)K，K=1.2。,在正常操作和停工檢修工況下，軸向拉伸應力用 限制。軸向壓縮應力用 和KB 中的較小值限制。B為許用軸向壓縮應力.,在壓力實驗工況下，軸向拉伸應力用 （液壓實驗）或 （氣壓實驗）。軸向壓縮應力用 和KB中的較小值限制。,7.5.4 裙座的強度和穩(wěn)定性校核,裙座筒體受到重量和各種彎矩的作用，但不承受壓力。重量和彎矩在裙座底部截面處最大，因而底部為危險截面。此外，裙座上的檢查孔活人孔、管線引出孔有承載削弱作用，這些孔的中心截面處裙座的危險截面.,圖7-81 基礎環(huán)的應力,a. 無

21、筋板基礎環(huán),由彎矩引起的最大應力位于梁根部的上下表面，其值應小于基礎環(huán)才來的許用應力，即,因此基礎環(huán)厚度,b. 有筋板基礎環(huán),如迎風側地腳螺栓承受的應力小于零，則表示塔設備自身穩(wěn)定而不會傾倒，但為固定，還是應設置一定數(shù)量的地腳螺栓。,（1）搭接焊縫：焊縫承受設備重量及彎矩產(chǎn)生的切應力，受力較差，但安裝方便。（2）對接焊縫：主要校核在彎矩及重力作用下迎風側焊縫的拉應力。,7.6 塔設備的振動,7.6.1 風的誘導振動,隨著大型化工企業(yè)的興起與發(fā)展，高度與直徑比大的塔器數(shù)量逐漸增多，塔振動的事故便頻繁發(fā)生。1994 年6月下旬，天津十四萬噸乙烯工程中的高75米、重115噸的乙烯精餾塔，每逢刮四級風

22、時，在與風垂直的方向上，便劇烈地搖晃起來，塔頂振幅為半米多，并伴隨著很大的響聲。據(jù)不完全的調(diào)查，近十年來，我國吉林、山東、盤錦、蘭州等地的化工廠中都曾發(fā)生大型精餾塔振動的事故，塔頂振幅最大的一次是1.4米！由于各個塔的固有頻率不同，振動時的風力，有的高達八級，有的僅三、四級。持續(xù)的劇烈振動不僅無法維持生產(chǎn)的正常運行，還將使塔體應力過大，形成疲勞裂紋，甚至導致設備的破壞，人員的傷亡，生產(chǎn)的停頓。如果遇到更大的風力，發(fā)生高振型 的振動，危害性就更大了。,當風以一定的速度繞流圓柱形的塔設備時，將在兩個方向上產(chǎn)生振動。一種是順風向的振動，振動的風向與風的流向一致；另一種是橫風向的振動，振動的方向與風的

23、方向垂直，也稱風的誘發(fā)振動。在一定速度范圍內(nèi)，風在圓柱形的塔設備背后的兩側周期性交替地形成旋渦并以相當確定的頻率從柱體表面上脫落，在尾流中有規(guī)律地交錯排列成兩行，這就是通常所說的卡曼旋渦（見圖1）。當旋渦的頻率等于或接近塔設備固有頻率，便會產(chǎn)生共振共振，這便是風誘發(fā)的振動。,卡曼旋渦,安裝在室外的圓柱形設備一般同時存在順風向和橫風向振動，而橫風向風振往往不容忽視，甚至可能占到主導地位，比如 1972年上海一座高煙囪在臺風中實測橫風向位移比順風向大得多。歷史上曾因風誘發(fā)振動而造成災難性的事故。位于美國塔珂瑪海峽上跨長853米的大懸橋，在19米/秒的風速下，只經(jīng)歷1小時，便斷裂墜毀。從五十年代至今，美、英、日、德、加、荷、捷等國都曾相繼發(fā)生高聳的圓柱形設備，如塔設備、煙囪、電視塔、燈柱等劇烈振動甚至破壞的事例。在大海中，障礙物在共振時受到的側向力比空氣中的要大得多。正因如此，位于美國