【文章內(nèi)容簡介】 淋密度可從有關(guān)填料手冊中查得，設(shè)計中，通常取min ? 。實際操作時采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若采用的液體噴淋密度小于最小噴淋密度，則需進行調(diào)整，重新計算塔徑。 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 填料層高度計算及分段 [1] 采用等板高度法計算填料層高度的基本公式為 TZ HETP N?? (1) 理論板數(shù)的計算 理論板數(shù)由 Aspen 軟件模擬結(jié)果得出。 (2) 等板高度的計算 等板高度與許多因素有關(guān)，不僅取決于填料的類型和尺寸，而且受系統(tǒng)物性、操作條件及設(shè)備尺寸的影響。填料在一定條件下的 HETP 值可從有關(guān)填料手冊中查得。 計算出填料層高度以后，還應(yīng)留出一定的安全系數(shù)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層的設(shè)計高度一般為 ( ~ )ZZ?? 式中 Z? —— 設(shè)計時的填料高度， m； Z —— 工藝計算得到的填料層高度， m； (3) 填料層的分段 塔內(nèi)液體沿填料層流動的過程中，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢，形成壁流效應(yīng)，造成填料層氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。為避免這一現(xiàn)象，在設(shè)計中，每隔一定的填料層高度，需要將填料層分段，設(shè)置液體收集再分布裝置，使液體重新分布。 對于規(guī)整填料，填料層分段高度可以按下式確定： (15 ~ 20)h HET P? 式中 h —— 規(guī)整填料分段高度， m； HETP —— 規(guī)整填料的等板高度， m。 填料層壓 降 計算 [1] 填料層壓降通常由單位高度填料層的壓降 /PZ? 表示。設(shè)計時，根據(jù)有關(guān)參數(shù)，由通用關(guān)聯(lián)圖（或壓降曲線）先求得每米填料層的壓降值，然后再乘以填料層高度，即得出填料層的壓力降。 規(guī)整填料的壓降通常關(guān)聯(lián)成以下形式 ()vP uZ ???? ? 式中 /PZ? —— 每米填料層高度的壓力降， Pa/m； u —— 空塔氣速， m/s； v? —— 氣體密度， kg/m3； ? 、 ? —— 關(guān)聯(lián)式參數(shù)，可從有關(guān)填料手冊中查得。 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 或可從有關(guān)填料手冊中查 規(guī)整填料壓降曲線（ /F P Z?— 曲線） 得到。 塔高的計算 [2] 填料塔的高度，包括填料層高度，噴淋裝置、再分布器、氣液進出口所需的高度，底部及頂部空間高度 、人孔高度 以及支 座高度等部分。 填料塔的 塔主體高度 即填料層高度 ；塔的頂部空間高度一般取 ~，頂部空間內(nèi)可設(shè)置除沫裝置 ；塔的底部空間高度要根據(jù)釜液流量及塔徑求得，以保證釜液的停留時間在 3~5min；支座高度由釜液出口管尺寸以及與出料管相連的再沸器或出料泵高度確定。 塔 設(shè)備的結(jié)構(gòu) 設(shè)計 [2][3] 填料支承裝置 填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)填料 ，對保證填料塔的操作性具有重大作用。縱使填料本身的通過能力很大，如果支撐裝置設(shè)計不當， 液泛 仍將提前到來，使塔的生產(chǎn)能力降低。因此設(shè)計合理的支承結(jié)構(gòu)是非常重要的。 對填料支承裝置的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量；提供足夠大的自由截面 。 ，盡量減小氣液兩相的流動阻力；有利于液體的再分布；耐腐蝕性 能好；便于用各種材料制造以及安裝拆卸方便等。 早期的填料支承板采用多孔板結(jié)構(gòu)， 經(jīng)改進后，采用焊接圓環(huán)支承板、金屬網(wǎng)支承板及常用的柵板結(jié)構(gòu)。對于規(guī)整填料，通常選用柵板型支承裝置 ，本設(shè)備選用格柵板作為填料支承裝置 。 格 柵板是用扁鋼條和扁鋼圈焊接而成，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，自由截面較大、金屬耗用量較小，而得到較普遍的應(yīng)用。設(shè)計時為防止在填料支承裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支承裝置的自由截面積應(yīng)大于 75%。 格 柵板的結(jié)構(gòu)尺寸需根據(jù)下列因素確定：塔徑、填料層高度、 格 柵板加工制造及安裝拆卸。塔徑較小時采用整塊式 格 柵板，塔徑較大時宜用分塊式 格 柵板。對于分塊式 格 柵板，每塊寬度為 300~400mm，重量不超過 700N，一邊從人孔進行拆卸。不管是否分塊，均需將 格 柵板擱置在焊接于塔壁的支持圈。 對 于塔徑 D≥ 900mm 的柵板，當介質(zhì)溫度≤ 250℃ 時，柵板使用 Q235A 或 Q235AF 鋼制造時，能支承的填料層高度與塔徑有關(guān)。扁鋼圈高度一般取 柵 條高度的 2/3。此外，各分塊之間的間距改用定距環(huán)保證，以便于 格 柵板的裝拆。對于 柵 條要進行強度校核，來確定 其厚度等尺寸 。 柵板條的強度計算，系取其組成柵板較長的柵板條作為強度計算的對象，計算方法 是略去填料對于塔壁的摩擦阻力，將柵板條作為受均布載荷的簡支梁來計算。 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或跳動，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置 。 填料壓緊裝置 包括填料壓板和床層限制板 兩種，根據(jù)不同的填料材質(zhì)來選用 ，對陶瓷填料需安裝填料壓板，對金屬或塑料填料需安裝床層限制板。在結(jié)構(gòu)上 填料壓緊裝置 有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、屬壓緊器等不同類型。對于本設(shè)備所采用的 CY700 金屬絲網(wǎng)波紋規(guī)整填料，應(yīng)采用柵板型床層限制板 ，但由于波紋填料表面平整，可用座框把液體分布裝置直接放置在填料表面上，從而既免受氣流干 擾，又可省去床層限制板。 液體分布裝置與液體收集及再分布裝置 填料塔在操作時，在任一橫截面上，保證氣液的均勻分布都是十分重要的。對于任一裝填完畢的填料塔，氣速的分布是否均勻，主要取決于液體分布的均勻程度。實際上，液體初始不良分布，相當于損失了一段填料高度。因此，液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏埽潜ＷC填料塔達到預(yù)期分離效果的重要條件。 為了使液體初始分布均勻，原則上應(yīng)增加單位面積上的噴淋點數(shù)。但由于結(jié)構(gòu)的限制，不可能將噴淋點設(shè)計的很多。同時，如果噴淋點數(shù)過多，勢必每一股液流的流量過小，也難以保證均勻分配。不同的填料對液體均勻分布的要求也有差別。波紋填料效率較高，故對液體均布要求也較苛刻，可依波紋填料的效率高低及液量大小，按每 20~50cm3塔截面設(shè)置一個噴淋點。 任何程度的壁流都會降低效率，因此在靠近塔壁的 10%塔徑區(qū)域內(nèi)，所分布流量不應(yīng)超過總液量的 10%。 液體分布裝置的安裝位置，通常須高于填料層表面150~300mm。以提供足夠的自由空 間，讓上升氣流不受約束地 穿過。但對于本設(shè)備，由于波紋 填料精餾塔在真空下操作，噴淋密度小，又要有足夠的噴淋點數(shù)，以致每股液流流量很小，又因真空操作時氣速高，細股的噴淋液流會受上升氣流的干擾，無規(guī)則地灑在填料層表面上， 影響了初始均勻分布。因此可利用波紋填料表面平整的特性，用座框把分布裝置直接放置在填料表面上，從而既免受氣流干擾，又可省去床層限制板。 液體分布裝置種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。工業(yè)應(yīng)用以管式、槽式、槽盤式為主。其中槽盤式分布器兼有集液、分液及分氣三種作用，結(jié)構(gòu)緊湊，氣液分布均勻， 阻力較小，操作彈性高達 10:1，適用于各種液體噴淋量。本設(shè)備即采用槽盤式液體分布器，不僅可用于初始液體分布，還可作為液體收集及再分布裝置 ，依據(jù)可拆型槽盤氣液分布器標準 HG/T — 1998進行設(shè)計，選用型號為 HG/T — 1998 LL— 09S— I。 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 除沫器 當空塔氣速較大，塔頂濺液現(xiàn)象嚴重， 以及工藝過程不允許出塔氣體夾帶霧滴的情況下，設(shè)置除沫器，可減少液體的夾帶損失，確保氣體的純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作 。 常用的除沫裝置有折板除沫器、絲網(wǎng)除沫器以及旋流板除沫器等。其中，絲網(wǎng)除沫 器具有比表面積大，重量輕，空隙率大以及使用方便等優(yōu)點。尤其是它具有除沫效率高，壓力降小的特點，從而成為一種廣泛使用的除沫裝置。除沫器型式一般是根據(jù)所分離的液滴直徑、要求的捕沫效率及給定的壓力降來確定。本設(shè)備選用絲網(wǎng)除沫器，依據(jù)絲網(wǎng)除沫器標準（ HG/T 21618— 1998）進行設(shè)計 。 裙座 塔體常用裙座支承，裙座結(jié)構(gòu)有兩種型式，一般為圓筒形，當需增加裙座筒體斷面積慣性矩或者需減小混凝土基礎(chǔ)頂面的正應(yīng)力時，采用圓錐形。裙座較其他支座的結(jié)構(gòu)性能好，連接處產(chǎn)生的局部應(yīng)力也最小，是塔設(shè)備的主要支座形式。 本設(shè)備 裙座 選用圓筒形 支座 結(jié)構(gòu) ； 裙座材料選用 Q235A； 裙座與塔體的連接采用焊接，焊接接頭采用對接型式，裙座筒體外徑與塔釜封頭的外徑相等，連接焊縫采用全焊透的連續(xù)焊，且與塔釜封頭外壁圓滑過渡；地腳螺栓座采用外螺栓座結(jié)構(gòu) ，共設(shè) 12 個地腳螺栓。 接管 根據(jù)各個接管所在位置、通過的物料狀態(tài)的不同，設(shè)定不同的允許流速 （或通過工程經(jīng)驗公式估算） ，在 已知流量要求的條件下即可求得接管 管徑 。 接管長度按照下表確定： 表 31 接管長度 h/mm 公稱直徑 DN 不保溫接管長 保溫設(shè)備接管長 適用公稱壓力PN/MPa ≤ 15 80 130 ≤ 20~50 100 150 ≤ 70~350 150 200 ≤ 70~500 ≤ 釜液從塔底流出時，會形成漩渦使塔釜液面不穩(wěn)定，且能帶走氣體，故在塔釜液出口管前裝設(shè)防渦流擋板 ，如下圖所示 。 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 圖 31 防渦流擋板 人孔 人孔是安裝或檢修人員進出塔器的唯一通道。對于直徑大于 800mm 的填料塔，人孔設(shè)于每段填料層的上、下方，同時兼作填料裝卸孔用。在氣液進出口等需經(jīng)常維修清理的部位，應(yīng)設(shè)人孔，在塔頂和塔釜，也各設(shè)置一個人孔。塔體上宜于采用垂直吊蓋人孔 ，但個別有礙操作處可采用回轉(zhuǎn)蓋人孔。人孔開在立面時，在塔釜內(nèi)部應(yīng)設(shè)置手柄（但人孔和底封頭切線之間距離小于 1m 或手柄有礙內(nèi)件時，可不設(shè)置）。填料塔內(nèi)應(yīng)設(shè)填料擋板，借以保護人孔并能在 不卸除填料的情況下更換人孔墊片。 人孔的選擇應(yīng)考慮設(shè)計壓力、試驗條件、設(shè)計溫度、物料特性及安裝環(huán)境等因素（塔體在制造廠出廠前一般以臥置狀態(tài)進行水壓試驗，所以塔體人孔的壓力等級選擇必須考慮臥置狀態(tài)試壓時的試驗壓力）， 根據(jù)人孔標準 HG/T 21514—2021 選擇人孔類型為垂直吊蓋板式平焊法蘭人孔，依據(jù)相應(yīng)標準 HG/T 21519—2021 進行選用設(shè)計。 法蘭設(shè)計 (1) 容器法蘭 本設(shè)備塔體與封頭間需通過容器法蘭進行 聯(lián) 接，選用甲型平焊法蘭，依據(jù)標準 JB/T 4701— 2021 進行選用設(shè)計。 (2) 管法蘭 塔體各接管均采用管法蘭聯(lián)接，根據(jù)鋼制管法蘭（ PN 系列）標準 HG/T 20592— 2021 進行選用設(shè)計 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 塔 設(shè)備的 強度 設(shè)計 和穩(wěn)定校核 [4] 本設(shè)備為自支承式塔設(shè)備，在一定壓力下操作，屬于壓力容器范疇。除與一般的壓力容器承受的相同載荷外，還有側(cè)向載荷，即風載荷、 地震載荷和重量載荷、偏心載荷等。故必須考慮設(shè)備在多種載荷聯(lián)合作用下的安全運行，對多種工況下、多種載荷的聯(lián)合作用進行驗算，以確保設(shè)備有足夠的強度和穩(wěn)定性。 塔壁和封頭 壁厚 設(shè)計 (1) 壁厚的計算和校核 參考鋼制壓力容器標準 GB150— 1998， 根據(jù)已知工藝條件確定設(shè)計壓力與設(shè)計溫度 ，選定材料為 Q235A， 按照外壓圓筒設(shè)計方法 需通過查圖 計算壁厚，步驟如下： a) 對于 / 20onD ? ? 的圓筒， 假設(shè) n? ，令 enC????，計算 / oLD和 /oeD ? 的值 ； b) 在幾何參數(shù)計算圖的左方找到 / oLD值， 過此點沿水平方向右移與/oeD ? 線相交（遇中間值用內(nèi)插法），若 / oLD值大于 50 ,則用 / 50oLD?查圖，若 / oLD值小于 ,則用 / ? 查圖； c) 過此交點沿垂直方向下移，在圖的下方得到系數(shù) A； d) 按照所選材料，選用厚度計算圖，在圖的下方找到系數(shù) A； 若 A 值落在設(shè)計溫度下材料線的右方，則過此點垂直上移，與設(shè)計溫度下的材料線相交（遇中間值用內(nèi)插法），再過此交點水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù) B，并按下式計算許用外壓力 ??p ： ? ? /oeBp D ?? 若所得 A 值落在設(shè)計溫度下材料的左方，則用下式計算許用外壓力 ??p ： ? ? 23( / )oeAEp D ?? e) ??p 應(yīng)大于或等于 cp ，否則須再假設(shè)名義厚度 n? ，重復(fù)上述計算，直到 ??p大于且接近于 cp 為止 f） 本設(shè)備以內(nèi)壓進行壓力試驗，采用液壓試驗。 壓 力 試驗 試驗壓力 為： ? 液壓試驗應(yīng)力校核條件： ()= 0 .92T i eTsepD ?? ? ??? ? 天津大學 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 13 (2) 封頭 壁厚 計算和校驗 本設(shè)備采用減壓操作，為外壓容器。塔頂、塔釜采用標準橢圓 形 封頭，材質(zhì)為 Q235A。 封頭壁厚設(shè)計步驟如下： a） 假設(shè) n? ，令 enC????，定出 /oeR ? ， oR 為橢圓形封頭的當量球殼外半徑 ， ? ； b） 用下式計算系數(shù) A： 0( / )eA R ?? c） 按照所選材料，選用厚度計算圖，在圖的下方找到系數(shù) A； 若 A 值落在設(shè)計溫度下材料線的右方，則過此點垂直上移，與設(shè)計溫度下的材料線相交（遇中間值用內(nèi)插法），再過此交點水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù) B，并按下式計算許用外壓力