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、2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。塔设备强度计算的主要的内容是塔体和支座的强度和刚度计算。化工生产对塔设备的基本要求塔设备设计除应满足工艺要求外，尚需考虑下列基本要求：（1）气、液处理量大，接触充分，效率高，流体流动阻力小。（2）操作弹性大，即当塔的负荷变动大时，塔的操作仍然稳定，效率变化不大，且塔设备能长期稳定运行。（3）结构简单可靠，制造安装容易，成本低。（4）不易堵塞，易于操作、调试及检修。 1.2 板式塔板式塔具有物料处理量大，重量轻，清理检修方便，操作稳定性好等优点，且便于满足工艺上的特殊要求，如中间加热或或冷却、多段取出不同馏分、 “液化气”较大等。但板式塔的结构复杂，成本较高。由于板式塔良好的操作的性能和成熟的使用经验，目前在化工生产的塔设备中，占有很大比例，广泛用于蒸馏、吸收等传质过程。板式塔内部装有塔盘，塔体上有进料口、产品抽出口以及回3流口等。此外，还有很多附属装置，如除沫器、入手孔、支座、扶梯平台等。一般各层塔盘结构是相同的，只有最高一层、最低一层和进料层的结构和塔盘间距有所不同。最高一层塔盘和塔顶之间，要有一定的距离，以便能良好的除沫。有时，在该段上还装有除沫器。最低一层塔盘到塔顶的距离一般也高于塔盘间距离，因为塔底空间起着贮槽作用，以保证液体有足够的贮存，使塔底液体不致流空。塔底大多是直接通入从塔外再沸器来的蒸汽，有时则以列管或蛇管将塔底的液体加热汽化。进料塔盘的间距也比较高。对于急剧汽化的料液在进料塔底上须装上挡板、衬板或除沫器，此时进料塔盘间距还得更高一些。此外，开有人孔的塔盘间距也较大，一般为 700mm。为了塔体的保温，在塔体上有时焊有保温材料的支承圈。为检修方便，有时还在塔顶装有可转动的吊柱。可见，板式塔与填料塔的区别仅在于内部结构不同。对于板式塔来说，内部的主要结构是塔盘结构，包括塔板、降液管及受液盘、溢流堰、紧固件和支撑件等。 1.3 浮阀塔浮阀塔从五十年代起已大量应用于工业生产用以完成加压、常压、减压下的精馏、吸收、解析等过程。大型浮阀塔的塔径可达 10m，塔高达 83m，塔板有数百块之多。浮阀塔的塔板上，按一定中心距开阀孔，阀孔里装有可以升降的阀片。浮阀能随着气速的增减在相当宽的气速范围内自由升降，以保持稳定操作。因此浮阀塔能在较宽的流量范围内保持高效率，其操作弹性比筛板、泡罩和舌形塔盘大得多；由于气液接触状态良好，且蒸汽以水平方向吹入液层，故雾沫夹带较少，塔板效率比泡罩塔高 15%左右；由于气流通过浮阀只有一次收缩、扩大及转弯，故单板压力降比泡罩塔低；浮阀形状简单，液面落差小；4由于阀盘大多用不锈钢制造，加之浮阀不停的浮动，所以不易积垢堵塞，故操作周期较泡罩塔长，清理也节省时间；另外。其结构比较简单，安装容易，制造费仅为泡罩塔的 60%80%， （但为筛板塔的 120%130%） 。 1.4 原油的分馏石油是由超过 8000 种不同分子大小的碳氢化合物（及少量硫化合物）所组成的混合物。石油在使用前必须经过加工处理，才能制成适合各种用途的石油产品。常见的处理方法为分馏法，利用分子大小不同，沸点不同的原理，将石油中的碳氢化合物予以分离，再以化学处理方法提高产品的价值。工业上先将石油加热至 400500之间，使其变成蒸气后输进分馏塔。在分馏塔中，位置愈高，温度愈低。石油蒸气在上升途中会逐步液化，冷却及凝结成液体馏分。分子较小、沸点较低的气态馏分则慢慢地沿塔上升，在塔的高层凝结，例如燃料气、液化石油气、轻油、煤油 等。分子较大、沸点较高的液态馏分在塔底凝结，例如柴油、润滑油及蜡等。在塔底留下的黏滞残余物为沥青及重油，可作为焦化和制取沥青的原料或作为锅炉燃料。不同馏分在各层收集起来，经过导管输离分馏塔。这些分馏产物便是石油化学原料，可再制成许多的化学品。 1.5 设计任务和思想 1.5.1.设计任务设计课题为浮阀塔，设计包括结构设计和强度设计。结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括浮阀塔的材料，确定壁厚和要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求。 1.5.2 .设计思想尽可能采用先进的技术、国家与行业标准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点：51) 根据 GB150-1998钢制压力容器和 GB151-1999管壳式浮阀塔 等国家标准为基础进行设计。2）满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行流量的调节。3）满足经济上的要求，考虑省热能和电能的消耗，设备投资与运行费用，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。4）保证生产安全，保证浮阀塔具有一定的刚度和强度。设计中根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，容器是否有足够的腐蚀裕度。6第二章第二章 浮阀塔的主体结构设计浮阀塔的主体结构设计浮阀塔的总体结构如图 2-1 所示图 2-1 浮阀塔的总体结构图浮阀塔由塔体、内件、及支座等部件组成，如图 1、图 2 所示。塔体由钢板焊接。为了满足工艺要求及制造安装的需要，在塔体上设有许多的零部件及接管，如液面计、入孔、手孔、进料管、7进气管、出料管、回流管、产品抽样管以及安装温度计及压力表的接管等。为了安装、检修及操作，在塔体上还装有吊柱、平台及扶梯。为了安装保温材料，在塔底上焊有一定数量的支撑圈。浮阀塔采用裙座支承。板式塔内件主要包括塔盘、降液管、受液管、除沫器等。各层塔盘间距相等。但是底层塔盘到塔底的距离（塔底空间）一般比塔底空间要高得多，因为它起着贮槽的作用，使塔底液体不致流空。顶层塔板到塔顶的距离（塔顶空间）也较大，一般取1.2-1.5m，目的是减少塔顶排气中携带的液体量。为了更好的分离气体中携带的液体以提高产品质量，还在塔顶设置除沫装置。进料段空间高度取决于进料介质的状态，因为为液相进料，取为与塔板间距相同。此外，在开入孔处的塔盘间距要考虑人员进入的需要，设为 700mm。裙座高度由工艺配置决定。8第三章第三章 材料选择及零部件结构设计材料选择及零部件结构设计3.1 浮阀塔的材料选择塔设备与其他化工设备一样，置于室外，无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也较成熟。本设计的浮阀塔的塔径不大，主要的材料选用钢材。为了满足腐蚀性介质或低温要求，采用有色金属材料（如钛、铝、铜、银等）或非金属耐腐蚀材料。浮阀塔的塔盘以及浮阀，由于结构较为复杂，加之安装工艺和使用方面的要求， （如浮阀应能自由浮动） ，所以以钢材为主，其他材料为辅。 3.2 浮阀塔的零部件结构设计 3.2.1 浮阀塔盘的结构设计塔盘分为整块式和分块式两种。当塔径小于 900mm 时采用整块式塔盘；当塔径大于 800mm 时，由于人能在塔内安装、拆卸，可采用分块式塔盘；根据本设计的条件，塔径为 1600mm，故采用分块式塔盘。采用分块式塔盘时，为便于安装、检修、清洗，常将塔板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支撑件上。此时，塔体为一焊制整体圆筒，不分塔节。分块式塔盘一般采用自身梁式塔板，他的特点是结构简单，制造方便，由于将塔板冲压折边，使其具有足够的刚性，这样不仅简化了塔盘结构，而且可以节约材料。为进行塔内清洗和检修，使人能进入各层塔盘，可在塔板接近中央处设置一块内部通道板。又因在一般情况下，塔体设有两个以上的人孔，人可以从上面或下面进入，故通道板应是上、下均可拆的。3.2.2 裙座的结构设计9为了制作方便，裙座一般选用圆筒形。裙座与塔体的连接采用焊接，焊接接头采用对接型式。裙座筒体与塔釜封头的外径相等，裙座筒体与塔釜封头的连接焊缝采用全焊透的连续焊，且与塔釜封头外壁圆滑过渡。 3.3 浮阀塔其他零部件结构设计 3.3.1降液管及受液盘（1）降液管降液管一般分为圆形和弓形两种，圆形降液管通常在液体负荷或塔径较小时使用，可采用一根或数根圆形或长圆形降液管。为了增加溢流周边，并提供足够的分离空间，可在降液管前方设置溢流堰，也可将圆形降液管伸出塔盘表面兼做溢流堰，如上图 3-1 根据本设计的条件，选用圆形降液管。图 3-1 凹形受液盘1-塔壁；2-降液板；3-塔板；4-受液盘；5-支座为防止气体从降液管底部窜入，降液管必须有一定的液封高度。降液管底端到下层塔盘受液盘的间距应低于溢流堰高度 wh0h，通常取，本设计取。wh0()6 12whhmm0()10whhmm降液管的尺寸，应该使夹带气泡的液流进入降液管后，能分离出10气泡，从而仅有清流流往下层塔盘。（2）受液盘为保证降液管出口处的液封，在塔盘上设置受液盘。受液盘有平形和凹形两种。对于易聚合的物料，为避免在塔盘上形成死角，应采用平形受液盘。当液体通过降液管与受液盘的压力降大于 250Pa 时，应采用凹形受液盘，如上图图 3-1 所示。凹形受液盘对液体流向有缓冲作用，可降低塔盘人口的液封，使得液流平稳，有利于塔盘人口区更好地鼓泡。凹形受液盘的深度一般大于 50mm，但不能超过塔板间距的 1/3，否则须加大塔板间距。根据本设计的条件，选用凹形受液盘。在塔或塔段最低一层塔盘的降液管末端应设液封盘，以保证降液管出口处的液封。用于弓形降液管的液封盘液封盘上应开设泪孔，供停工时排液。 3.3.3其他附属装置（1）进料口对于液体进料，直接引入加料板。板上有进口堰，使液体能均匀的通过塔板，并且可以避免由于进料泵及控制阀所引起的波动的影响。图 3-10 为液态进料常用的可拆接管型式。(2)出料口常用的塔底出料接管见图 3-2。11图 3-2 液体进料口一般在出料管端部装有防涡挡板，以防止液体造成漩涡而将气体夹带至出料泵。塔顶气体引出管的直径不宜过小，以减少压降，并避免夹带液滴。在塔顶设置除沫器。（3）人孔、手孔及其他由于塔体采用分块式塔盘结构，开设人孔。可在在塔高6000mm 处设一人孔。在塔顶和塔顶另各设一人孔。人