塔设备.docx
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塔设备
塔设备设计
一、塔设备的结构设计
塔设备在石油、化工等生产中，广泛用于精馏、吸收、萃取、气体增湿、离子交换等单元操作中。
虽然所进行的工艺过程（单元操作）各不相同，其结构形式各异但根据塔的内件结构可将塔设备划分为板式塔和填料塔两大类。
不论是板式塔还是填料塔，均由以下几部分组成：
塔体由筒体、封头、联接法兰等组成。
内件由塔盘、填料及支承装置组成。
支座一般采用裙式支座。
附件包括人孔、手孔、各种接管、吊柱、操作台、扶梯、保温层等。
（一）板式塔
图5-1板式塔
1板式塔的总体结构及其分类
板式塔的结构示意图如图5-1所示。
板式塔的主体部分由塔体和裙座构成。
塔体和裙痤多采用钢板焊制。
裙座为上端与塔体底封头焊接在一起，下端通过地脚螺栓固定在基础上。
有的塔体需用铸钢制造时，采用以每层塔盘为一段，用法兰联接的形式。
板式塔的内件主要由多层塔盘组成。
各层塔盘的结构相同，由气液接触元件（如浮阀、筛孔、泡罩等）、塔盘板、溢流装置、降液管受液盘以及支承件、紧固件等元件组成。
一般塔盘间距相同。
开有人孔的塔盘间距较大，通常为700mm。
最底一层塔盘到塔底的距离也比塔盘间距高，因为塔底空间起着贮槽的作用，保证料液有足够的储存，使塔底液体不致流空。
最高一层塔盘和塔项距离也高于塔盘间距，在这一段上往往装有除沫器。
塔盘结构有整块式和分块式两种。
采用形式与塔径大小有关，当直径小于700mm的板式塔采用整块式塔盘，由于塔体分段，所以塔盘的安装可在塔外进行，塔体不需开设人孔。
当塔的直径大于700mm时，应采用分块式塔盘，塔体上开设人孔，塔盘的装、拆可以在塔内进行。
按塔盘上气、液两相接触元件结构的不同，板式塔又可分为：
泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔以及各种复合型塔。
目前，国内石油化工生产中使用较多的板式塔为筛板塔和浮阀塔。
1．整块式塔盘结构
采用整块式塔盘的塔体是由若干塔节组成，各塔节之间用法兰联接，每个塔节安装一至数块塔盘。
根据塔盘的支承方式，整块式塔盘分为定距管式和重叠式两类。
图5-2定距管式塔盘塔节
（1）定距管式塔盘
定距管式塔盘（见图5-2）由塔盘板、塔盘圈及带溢流的降液管组成。
支承是由定距管和拉杆将塔盘紧固在塔节内的一组支座上。
（教材P423图17-2）
（1.1）塔节尺寸
塔节尺寸的确定主要考虑安装和检修的方便。
塔径小只能伸入手臂安装;塔径大可以进入塔节内安装，塔节长度可取较大。
由于受拉杆长度的限制，并避免发生安装困难，每节塔内塔盘数取4~6块，塔节长度L和板间距H的常用尺寸参见表5-1。
（教材P424图17-2-1表示定距管的拉杆支撑结构）
（教材P425图17-2-2表示塔盘支座）
（1.2）塔盘板
图5-3定距管式塔盘板
塔盘板如图5-3所示，塔盘板的厚度选取见表5-2，板上开有阀孔、拉杆孔、降液管孔和泪孔。
（教材P424图17-2-3）
表5-1定距管式塔盘塔节尺寸
塔径Dg
300~500
600~700
800~900
塔板间距H
250~350
250~400
250~400
塔节长度L
800~1000
1200~1500
2000~2500
（1.3）塔盘圈
塔盘圈是由与塔盘板同样材料焊成的圆环。
为了在塔盘与塔体间的缝隙中安放封用密封用石棉绳，塔盘圈有角焊和翻边两种。
（教材P425图17-4）
图5-4塔盘圈
角焊结构此结构系将塔盘圈角焊于塔板上组成塔盘（图5-4a、b）。
在没有特殊要求时，可用单面角焊，焊缝可在塔盘圈内侧，也可在外侧。
这种塔盘圈制造简单，但要注意减少焊接变形引起的塔板不平。
翻边结构此结构的塔盘圈直接由塔盘板翻边而成，因此可避免焊接就形，保证尺寸正确，缺点是需要冲压模具。
当直边较短或制造条件许可时，可以整体冲压（图5-4c）。
否则应另做一个塔盘圈与塔盘板对接（图5-4d）
塔盘圈的结构尺寸如图5-4，塔盘圈的高度h1一般可取70mm，但不得低于溢流堰高度。
塔盘圈外缘与塔体内壁的间隙一般为10-12mm。
填料支承圈用φ8-10mm的圆钢弯成，其焊接位置h2随填料圈数而定，一般可以取30或40mm。
塔盘圈的结构尺寸参见表5-2。
表5-2整块式塔盘结构尺寸（（与教材P427图17-1相同）
塔径
Dg
300
（350）
400
（450）
500
600
700
800
900
角焊结构
塔盘板厚
S
3
4
塔盘圈内径
D1
274
324
374
424
474
568
668
768
868
塔盘板直径
D2
297
347
397
447
497
596
696
796
896
D3
290
340
390
440
490
590
690
790
890
翻边结构
塔盘板厚
S
2
3
塔盘圈内径
D1
276
326
376
426
476
570
670
770
870
翻边塔盘
R
6
8
注：
1、当腐蚀速度大于0.1mm/a，塔盘板厚度适当增加或在塔盘板下面加筋（应采用间断焊接，以防止塔盘板变形）。
2、泡罩的升气管胀接在塔盘上时，须适当增加塔盘厚度。
（1.4）塔盘密封装置
图5-5塔盘密封结构
当塔盘装入塔节后，塔盘圈与塔节内壁间的间隙就成了填料函。
常见的密封结构见图
5-5。
它由石棉绳填料，压圈、压板、螺柱及螺母组成。
螺柱焊在塔盘圈上，焊接高度25~30mm，当拧紧螺母，压板压向压圈，而压圈压缩填料使之变形以达到密封的目的。
每个压圈上焊两个吊耳，见图5-6以便装拆，密封填料一般采用φ10~12mm的石棉绳，放置2~3层。
图5-5中（a）适用于塔盘圈比较低的情况；（b）（c）适用塔盘圈比较高的情况。
压板与螺柱尺寸见图5-7。
（教材P426图17-5相同）
图5-6压圈
图5-7压板与螺柱
图5-8降液管
（1.5）降液管
降液管分为圆形和弓形三种，如图5-8所示。
图中（a）（b）为圆形降液管，其中（a）是用管的伸出端兼作溢流堰，而图（b）是另外设有溢流堰，圆形降液管的降液能力小，管中易为泡沫所充满，产生拦液现象，因此，只有在液体负荷较小或塔径较小时用，图（c）为弓形降液管，它最大限度地利用于塔的载面，不仅降液能力大，而且具有气、液分离较好优点，故使用较多，尤其用于大塔。
降液管由平板和弧形板焊接而成，平板上部有凸出肩架，组装时使其架于塔板上，操作时作为溢流堰。
堰长L和堰高H由工艺决定，常取L=（0.6~0.8）D1（塔盘内径），h=30~40mm。
（教材P429图17-6相同）
塔的最下层塔盘降液管末端，应设液封槽（图5-8（d））。
（教材P429图17-8相同）
（1.6）定距管支承结构
定距管支承结构由拉杆、定距管、塔盘支座和锁紧螺母组成，见图5-9。
定距管对塔盘起支承作用并保证相邻两塔盘的板间距。
安装时先根据安装尺寸把四个支座焊在塔壁上，将四根下端拧好螺母的拉杆穿入支座的拉杆孔，把下层的一块塔盘从上套进拉杆，塔板支承
在支座上，再把定距管套进拉杆，然后装好密封装置。
这样依次装入塔盘。
最上层一块塔盘的上面用短套管套进拉杆再放上垫圈，用双螺母锁紧。
图5-9定距管支承结构
图5-10重叠式塔盘
（2）重叠式塔盘（教材P424图17-3）
重叠式塔盘的典型结构如图5-10所示。
各塔板安放在支承板上，借助调节螺钉可以调整板的水平，支承板则安放在三根支柱上，该支柱则焊在下一层塔盘的塔盘圈上。
在每塔节内均包括数块如此叠加起来的塔盘，对于最底层塔盘的调节螺钉则要由焊在塔壁的支座来支承，所以塔节内全部内件的重量最终由支座来承受。
重叠式塔盘的密封装置、降液管等均与定距管支承式塔盘相同。
这种塔盘的优点是其水平度可用调节螺钉加以调节，可以使每个塔节内安置的塔板数增加，但结构复杂，而且旋拧调节螺钉时人需进入塔内，因此不适用于塔径＜700mm的塔。
图5-11单流分块式塔盘
2分块式塔盘结构
对于直径较大的板式塔，考虑塔盘制造、安装、检修的方便，可将塔盘板分成数块，通过人孔送入塔内，装在焊于塔体内壁的塔盘支承件上，这种结构形式称为分块式塔盘。
这种塔的塔体为一焊接圆筒体，不需再分塔节制造。
分块式塔盘根据塔径大小，又分为单流塔盘，双流塔盘和多流塔盘。
塔径在800~2400mm时，多采用单流塔盘；塔径在2400~4200mm时，可采用双流塔盘。
当塔径与液相流量进一步增加情况下，即使采用双流塔盘，液面落差仍然太大，则可采用多流塔盘。
本节仅介绍常用的单流分块式塔盘结构。
（教材P424图17-9）
图5-11为单流分块塔盘结构图。
（图中下层塔盘只绘出塔盘固定件）由图中可以看出，
本构件塔板分成四块，（一般根据塔径大小分为3-6块）靠近塔壁的两块为弓形板，中间二块是矩形，其中一块叫矩形块，另一导体叫通道板，作为安装检修的通道。
不管塔板数为多少，中间都必须设置一块通道板。
用于支承塔板的支持板、支持圈、受液盘和降液板为塔盘固定件，直接焊在塔壁上。
当塔径≥1600mm时，受液盘下面加筋板用于加固。
弓形板固定在支持圈、支持板和受液盘上，矩形板固定在支持板、受液盘、弓形板上，通道板固定在支持板、受液盘、弓形板和矩形板上。
由龙门锲子等紧固件将塔盘联成为一整体。
图5-12分块塔板结构
（a）矩形板（b）通道板（c）弓形板
（2.1）塔板结构设计
分块式塔盘板按结构分为平板式、自身梁式及槽式三种。
采用最多的是自身梁式塔盘板，其次是槽式，平板式塔盘板虽然结构简单，但由于其刚性差，另须配备支承梁，反而带来耗材多缺点，故使用较少，本节仅介绍自身梁式分块塔盘结构。
矩形板图5-12（a）所示，在矩形板长边的一侧冲压成直角折边，以提高塔板刚度，其作用相当于梁，故称为自身梁式塔盘板，板与梁的过渡部分作为凹平面，用以搭接相邻塔板，保证与另一塔板齐平。
矩形板短边制作几个缺口，用以放龙门铁，矩形板短边长度统一取420mm，以便塔板从人孔进出。
板上开有一定数量阀孔或筛孔。
通道板图5-12（b）所示通道板为一块平板，它的两长边放在相邻塔板的凹肩上，长度同矩形板，短边统一取400mm，每层塔盘上的通道板尽可能处于同一铅垂位置，以利于检修人员通过和采光。
弓形板图5-12（b）所示弓形板的弦长作自身梁，其长度同矩形板，安装后保证弧边距塔内壁距离20~30mm。
塔盘板与塔盘支持件间的装配关系见图5-11，图中b、γ、r等尺寸及塔盘板的结构尺寸见表5-3。
支持板和支持圈都是由厚度为10或12mm，宽50或60mm扁钢制成，直接焊在塔壁上。
表5-3自身梁式分块塔盘的结构尺寸
塔径
DN
堰长
γ
受液盘最大宽度b
支持圈内半径
R1
塔盘
长度
L1
弓形
塔板
e
一层塔盘件数
弓形板
通道板
矩形板
总计
800
529
570
639
100
125
160
348
550
500
162
2
1
3
430
1000
649
714
800
120
150
200
448
710
650
550
262
2
1
3
1200
791
877
960
150
190
240
548
850
770
670
362
2
1
3
1400
903
1029
1104
165
225
270
648
1020
900
810
264
2
1
1
4
1600
1056
1171
1286
199
254
324
748
1150
1040
900
364
2
1
1
4
1800
1165
1313
1432
214
284
354
848
1320
1180
1040
267
2
1
2
5
2000
1309
1456
1591
244
314
399
948
1460
1320
1150
367
2
1
2
5
2200
1600
1667
1751
344
394
434
1038
1460
1360
1280
260
2
1
3
6
2400
1742
1831
1910
374
424
479
1138
1600
1500
1390
360
2
1
3
6
注：
1、同一塔径均有三种塔盘长度可供选用。
2、有的尺寸是装配尺寸。
（2.2）降液板及受液盘结构
降液板分为固定式和可拆式两种。
固定式弓形降液板与支持圈及塔体之间采用焊接结构，其结构简单，但检修困难，多用于物料干净、不易聚合，且塔径较小的场合。
对于物料腐蚀性较严重或容易聚合的情况下，为了便于检修，多采用可拆卸的。
可拆降液板如图5-13所示，由上降液板、可拆降液板及两块连接板构成，相互间用螺栓连接。
其中上降液板是竖直的，并与支持板和塔体焊在一起，如图5-14所示。
可拆降液板向塔壁倾斜，以减少降液板出口处的弓形面积，它的上部折边及两侧，分别与上降液板及焊于塔内壁上的连接板相连，并由此保证可拆降液板与塔壁间的密封。
为了便于在安装时调整连接板的位置，可拆降液板上的四个螺栓孔，应作成长圆形如图5-13中节点Ⅰ放在图所示。
连接板与塔壁接触的边线应按塔径放样下料，使之相互吻合，以防漏气。
图5-13可拆式降液板
图5-14上降液板与可调节堰
（a）矩形板（b）通道板（c）弓形板
上降液板高度H由下式确定：
H=Hp+50-500-hmm
式中Hp—塔板间距；
ho—降液管下端至塔板距离，见图5-14。
通常比入口堰高度低12mm。
50为上降液板抻出支承持板部分的高度，200为可拆降液板高度。
可调节堰板的宽度L1由下式确定：
L1=L-（20~30）mm
式中L—上降液板宽度。
受液盘分为平型和凹型两种，见图5-15。
平型受液盘用于处理易聚合的物料，以防在塔盘上形成死角。
为提高平受液盘的刚性，与塔盘板联接处弯出一个“自身梁和塔放塔盘板为肩（见图5-15（a）），或在它为下面另布一支承梁。
为使液体较平稳地流入塔盘，应在塔盘上设置入口堰，入口堰高取8mm，降液板下端至受液盘的垂直距离ho，一般比出口堰的高度低12mm，至入口堰的水平距离hc可取等于出口堰高。
凹型受液盘（图5-15（b））对液体的流动有缓冲作用，可降低塔盘入口处的液峰使得液流平衡，利于塔盘入口处更好的鼓泡，有利气体均匀分布，因此凹型受液盘被广泛采用。
受液盘的深度有50、125、150三种，常用的为50mm，厚度根据塔径大小取4~6mm，为了在停车时盘上不残留液体，开有1~2个φ10的孔，当塔径＞1600mm时，盘上应设加强筋结构。
图5-15受液盘结构
（2.4）紧固件结构
塔盘紧固件是指联接和紧固塔板与支持圈、支持板、塔板之间、塔板与受液盘的连接构件。
按连接原理，分为楔卡连接和螺纹连接两种。
（2.4.1）楔卡连接
图5-16龙门铁一楔子紧固件
（a）塔板与支持板的联接（b）塔板与受液盘的联接（c）塔板间联接（d）弓形板与支持圈的联接
龙门铁一楔连接结构简单，装拆方便，通常可用普通碳钢来制作，其结构见图5-16
图中（a）（b）分别为如图5-11中I、II节点放大图，（c）（d）分别为图5-11中B-B、C-C剖视图放大图。
图中（a）（b）（c）联结结构均由龙门铁一楔子组成，安装时，必须将龙门铁焊接在支持件或塔盘板上。
对于这种结构在拆卸时需要锤击，因此不宜用于易燃、易爆、腐蚀性介质以及对塔盘板的水平度要求比较严格的场合。
图5-17Ⅺ型楔卡连接
图5-18Ⅺ型楔卡连接结构的下卡板和上卡板（b）中数字为II型尺寸
Ⅺ型楔卡也称双卡一楔连接，其结构见图5-17，上卡板和下卡板的结构和尺寸见图5-18，Ⅺ型楔卡有Ⅰ型和Ⅱ型两种类型，图5-18（b）中括号的数字是Ⅱ型的尺寸，Ⅰ型和Ⅱ型分别适用于厚度h（图5-22）为4~8mm和10~14mm的支持板或支持圈。
此结构已有标准，标准号为JB2878-81。
X2型楔卡也称单卡一楔连接，其结构见教材，其卡板与楔子等零件的结构尺寸图见教材，X2是以卡板弯边的方法来代替Ⅺ型下卡，从而使之结构得以简化，但卡板（X2型）的受力情况较差。
楔卡紧固件不怕咬死也不会锈蚀，装拆方便，适用于经常检修、拆装或处理腐蚀性介质的塔设备。
自锁能力强，不经锤击不会轻易松动，又由于钩头结构及其自重作用，不会自行滑脱。
现场安装时不须动火，较为安全。
（2.4.2）螺纹连接
图19螺栓-卡板连接结构
图20螺栓-卡板连接的零件
常用的有螺栓-卡板连接结构，如图5-19，它主要椭圆垫板、圆头螺栓、卡板及螺母四
个零件组成。
零件图见图5-20。
装配时，螺栓与卡板间应点焊，并使螺栓端部小槽与塔板长边方向垂直或平行，以保证卡板处于正确方位。
卡板端部的折边高度h值，应与支持件的厚度相同，以保证塔盘板处于水平位置，这种连接结构只能从塔盘板的上方拆卸，故不适用于通道板与支持件间的连接。
考虑到状拆方便，当采用这种连接时，塔盘板上的螺栓孔应为长圆形。
而改用双头螺栓联接形式（螺柱—异形垫板连接），上下均可以拆。
（无图，可参考资料）
（二）、填料塔
填料塔的结构见图5-21。
它由塔体、裙座、液体分布装置、填料、填料支承装置、液体再分布装置和各种接管等组成。
和板式塔相比较，仅有三个特殊部件，即液体分布装置，填料支承装置和液体再分布装置。
本节仅介绍这三种结构。
5-21填料塔
1．液体分布装置
液体在填料层内分布是否均匀，对塔的效率影响很大，而塔顶的液体分布状况如何，直接影响甚至决定了液体在填料层的分布状况。
因此，设计液体分布装置（喷淋装置）应使液体能均匀分散于塔的截面，通道不易堵塞，结构简单。
多孔直管式分布器洒器（图5-22）。
直管下方叉开3-5排小孔，孔径φ3-8mm，小孔的总面积约与直管截面积相等。
这种喷洒器结构简单，但喷淋面小，适用于对液体分布要求不高的场合。
5-22多孔直管式分布器洒器
5-23（a）水平入管排管多孔喷洒器
5-23（b）垂直入管排管多孔喷洒器
排管多孔喷洒器，这种结构是目前应用较广的一种液体分布器（见图5-23），物料进口在主管一端或二端，通过支管的小孔洒向填料层。
每根支管上开1-3排长圆孔或圆孔，小孔的宽度或直径为3-5mm。
排管喷洒器的设计数据参考表5-4选取。
其连接形式大多采用可拆式结构，管子的支承与联接见图5-24，当塔经较大时，还须考虑各支管的辅助支撑，支撑架的安装位置，与填料层表面的距离不少于150-200mm。
当工作温度不高时，可用塑料制作，如工作温度较高，常采用不锈钢材料。
图5-24环管多孔喷洒器
环管多孔喷洒器，当塔径在800-1000mm时，可采用环管多孔喷洒器（图5-24）。
环管的下表面开有许多小孔，孔径4-8，孔径大小可根据物料的清洁程度来定，这种喷洒器结构简单，喷洒较均匀，制造安装方便，但小孔易堵塞，不易用于处理含有污物或因体颗粒的物料。
表5-4排管多孔喷洒器设计参考数据
塔径
mm
主管直径
mm
支管排数
排管外缘直径
mm
最大体积流量
m3/h
塔径
mm
主管直径
mm
支管排数
排管外缘直径
mm
最大体积流量
m3/h
400
50
3
360
3
1400
75
7
1340
38.5
500
50
3
460
5
1600
100
5
1540
50
600
50
4
560
7
1800
100
6
1740
64
700
50
4
660
9.5
2000
100
6
1940
78
800
50
5
760
12.5
2400
150
7
2340
112
900
50
5
860
16
2800
150
8
2740
154
1000
50
6
960
20
3000
150
8
2940
176
1200
75
7
1140
28
莲蓬头喷洒器，它是一种应用广泛的液体分布器，如图5-25所示。
图5-25莲蓬头喷洒器
莲蓬头是开有许多小孔的球面分布器小孔在球面上一般采取同心圆排列。
不了使喷淋均匀，球面上各小孔的轴线应汇交于一点，莲蓬头直径d取（0.2~0.3）Di（筒体直径），喷洒半角γ≤40°，小孔直径φ3~φ15，小孔数目由计算确定，弯曲半径R取（2~3）dh（dh为管子外径）。
莲蓬头喷洒器一般用于直径在600mm以下的填料塔中，其安装位置与填料层上表面的距离，通常为（0.5~1）DN,DN为塔的公称直径。
以上各种多孔型喷洒器，均要求物料清洁，否则孔眼容易堵塞，且要求液体有一定的压力才能喷酒，当塔径较大时，液体分布的均匀性较差。
溢流式液体分布器
溢流式液体分布器的操作弹性大，不易堵塞，操作可靠，尤其适用于大型填料塔。
按其结构可分为溢流盘式和溢流槽式两种。
溢流盘式淋洒器结构如图5-26，物料通过进料管加到缓冲管而流到分布盘，再径溢流管均匀地淋酒在填料上，溢流短管通常按正三角形排列，焊在分布盘上，为了避免堵塞，短管直径不小于15mm。
短管长度通常为管径的2.5~3倍，管子中心距约为管径的2~3倍。
一般在短管上开有凹槽式齿形槽或料切，以减少由于降液管上缘不够水平造成的液体的淋洒不均匀。
分布盘上开若干φ3的泪孔，以使停工时液体排净。
分布盘支承在塔壁的支座上。
拧动螺钉，可把分布盘调整成水平位置，气体通过分布盘与塔壁之间的间隙上升。
这样带来气体沿塔的横载面的分布状况较差，当塔径较大时，可采用带升气管的分布盘。
图5-26溢流盘式淋洒器结构
2．填料支承装置
填料塔中最常用的支承结构是栅板。
设计填料支承结构，必须满足以下几个基本条件：
（1）要有足够的自由载面，能使气液顺利通过。
一般取大于塔载面的50%，且大于填料的自由载面。
（2）要有足够的强度和刚度支承填料和拦液重量。
并对压力，温度波动和机械振动有足够的承受能力。
（3）要有一定的耐腐蚀性能。
图5-29栅板支承
栅板支承是由扁钢条与扁钢圈焊接而成，塔径较小时（DN≤500mm），采用整块式栅板，如图5-29（a）所示，其结构尺寸可参考表5-5。
塔径较大时可将栅板分成多块如图5-29（b）所示，每块栅板应能从人孔放进或取出，其宽度在300~400nn之间为宜。
分块式栅板的结构尺寸可参考表5-6选取。
表5-5整块栅板结构尺寸
塔径DN
填料环直径
栅板尺寸
支持圈
允许装填
填料高度
D
h×X
栅条数
t
b
δ
碳钢
不锈钢
400
15
380
30×6
20
18
30
6
4
10DN
25
14
25
500
25
430
30×6
16
25
30
6
4
10DN
600
25
480
30×6
18
25
40
6
4
10DN
表5-5和表
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