重油减压塔强度和结构设计

重油减压塔强度和结构设计第一章概述1重油：重油的比重一般在082095，比热在10,00011,000kcalkg左右。其成分主要是炭水化物，另外含有部分的（约014）的硫黄及微量的无机化合物。龙江大庆有关数据显示重油密度及其他如下：粘度:180 发热量:40800 密度:0.978 凝点:20 机械杂质:0.3 含硫量:2.43 水分:0.32采用工艺与一般的精馏塔和原油常压精馏塔相比，减压精馏塔有如下几个特点： 根据生产任务不同，减压精馏塔分燃料型与润滑油型两种。润滑油型减压塔以生产润滑油料为主，这些 馏分经过进一步加工，制取各种润滑油。燃料型减压塔主要生产二次加工的原料，如催化裂化或加氢裂化原料 。 减压精馏塔的塔板数少，压降小，真空度高，塔径大。为了尽量提高拔出深度而又避免分解，要求减压 塔在经济合理的条件下尽可能提高汽化段的真空度。因此，一方面要在塔顶配备强有力的抽真空设备，同时要 减小塔板的压力降。减压塔内应采用压降较小的塔板，常用的有舌型塔板、网孔塔板等。减压馏分之间的分馏 精确度要求一般比常压蒸馏的要求低，因此通常在减压塔的两个侧线馏分之间只设35块精馏塔板。在减压下， 塔内的油汽、水蒸汽、不凝气的体积变大，减压塔径变大。 缩短渣油在减压塔内的停留时间 塔底减压渣油是最重的物料，如果在高温下停留时间过长，则其分解 、缩合等反应会进行得比较显著，导致不凝气增加，使塔的真空度下降，塔底部分结焦，影响塔的正常操作。 因此，减压塔底部的直径常常缩小以缩短渣油在塔内的停留时间。另外，减压塔顶不出产品，减压塔的上部汽 相负荷小，通常也采用缩径的办法，使减压塔成为一个中间粗、两头细的精馏塔。根据以上减压精馏特点选择减压精馏塔3精馏操作最塔设备的要求（1） 由于重油容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵塞的危险小。（2） 在石油、化工生产的塔设备中，板式塔所占的比例比填料塔要大的多，约占增设备总数的80%。当生产量较大时，一般都采用板式塔。它广泛用于蒸馏、吸收等传质过程。板式塔与填料塔相比，具有生产能力大，传质效率高，操作弹性大等优点。综合以上两点故选择板式塔。板式塔的分类泡罩塔 组成：泡罩，外气管，溢流堰，塔板 优点：操作弹性大，气液比范围大，不易堵塞 缺点：结构复杂，造价高，气相压降大。适合：生产能力大，操作稳定性要求高 浮阀塔 ：塔盘上有阀孔，孔中装有上下浮动的阀片，圆形或矩形 优点：生产能力大，比泡罩塔高2040，操作弹性大，塔板效率高 缺点：气液较低时，有塔板漏液，阀片有卡孔死，塔板压力降大 筛板塔塔盘分：塞孔区，无孔区，溢流堰，降液管优点：结构简单，造价低，效率比泡罩高1015，安装方便缺点：操作弹性较小，小孔塞板易堵塞无降液管塔 塔盘上开栅棚缝或筛孔，气液两相相同时，在其上下穿过。 优点：无降液管，结构简单，通过气量大。开孔效率低，压力降小，比泡罩塔低4080。 缺点：板效率低，比一般板式塔低3060，操作弹性小综合以上情况选择浮阀塔。4板式塔主要尺寸的设计计算板式塔主要尺寸的设计计算，包括塔高、塔径的设计计算，板上液流形式的选择、溢流装置的设计，塔板布置、气体通道的设计等工艺计算。板式塔为逐级接触式的气液传质设备，沿塔方向，每层板的组成、温度、压力都不同。设计时，先选取某一塔板（例如进料或塔顶、塔底）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸，然后再作适当调整；或分段计算，以适应两段的气液相体积流量的变化，但应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。所设计的板式塔应为气液接触提供尽可能大的接触面积，应尽可能地减小雾沫夹带和气泡夹带，有较高的塔板效率和较大的操作弹性。但是由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，而参数与尺寸之间又彼此互相影响和制约，因此设计过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。基于以上原因，在设计过程中需要不断地调整、修正、和核算，直到设计出较为满意的板式塔。（1）塔的有效高度和板间距的初选(1.1)塔的有效高度板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高度，可按下式计算： （4-1）式中 Z塔的有效高度，m；ET全塔总板效率；NT 塔内所需的理论板层数；HT塔板间距，m。(1.2)板间距的初选板间距NT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检修等因素。对完成一定生产任务，若采用较大的板间距，能允许较高的空塔气速，对塔板效率、操作弹性及安装检修有利；但板间距增大后，会增加塔身总高度，金属消耗量，塔基、支座等的负荷，从而导致全塔造价增加。反之，采用较小的板间距，只能允许较小的空塔气速，塔径就要增大，但塔高可降低；但是板间距过小，容易产生液泛现象，降低板效率。所以在选取板间距时，要根据各种不同情况予以考虑。如对易发泡的物系，板间距应取大一些，以保证塔的分离效果。板间距与塔径之间的关系，应根据实际情况，结合经济权衡，反复调整，已做出最佳选择。设计时通常根据塔径的大小，由表4-1列出的塔板间距的经验数值选取。表1-1 塔板间距与塔径的关系塔 径/D，m0.30.50.50.80.81.61.62.42.44.0板间距/HT，mm200300250350300450350600400600化工生产中常用板间距为：200，250，300，350，400，450，500，600，700，800mm。在决定板间距时还应考虑安装、检修的需要。例如在塔体人孔处，应留有足够的工作空间，其值不应小于600mm。 (2)塔径塔的横截面应满足汽液接触部分的面积、溢流部分的面积和塔板支承、固定等结构处理所需面积的要求。在塔板设计中起主导作用，往往是气液接触部分的面积，应保证有适宜的气体速度。计算塔径的方法有两类：一类是根据适宜的空塔气速，求出塔截面积，即可求出塔径。另一类计算方法则是先确定适宜的孔流气速，算出一个孔（阀孔或筛孔）允许通过的气量，定出每块塔板所需孔数，再根据孔的排列及塔板各区域的相互比例，最后算出塔的横截面积和塔径。(2.1)初步计算塔径板式塔的塔径依据流量公式计算，即 式中 D 塔径m；Vs 塔内气体流量m3/s；u 空塔气速m/s。由式（4-2）可见，计算塔径的关键是计算空塔气速u。设计中，空塔气速u的计算方法是，先求得最大空塔气速umax，然后根据设计经验，乘以一定的安全系数，即 最大空塔气速umax可根据悬浮液滴沉降原理导出，其结果为 式中 umax允许空塔气速，m/s；V，L分别为气相和液相的密度，kg/m3 ； C气体负荷系数，m/s，对于浮阀塔和泡罩塔可用图4-1确定；图4-1中的气体负荷参数C20仅适用于液体的表面张力为0.02N/m，若液体的表面张力为6N/m，则其气体负荷系数C可用下式求得： 所以，初步估算塔径为： 其中，u适宜的空塔速度，m/s。由于精馏段、提馏段的汽液流量不同，故两段中的气体速度和塔径也可能不同。在初算塔径中，精馏段的塔径可按塔顶第一块板上物料的有关物理参数计算，提馏段的塔径可按釜中物料的有关物理参数计算。也可分别按精馏段、提馏段的平均物理参数计算。(2.2)塔径的圆整目前，塔的直径已标准化。所求得的塔径必须圆整到标准值。塔径在1米以下者，标准化先按100mm增值变化；塔径在1米以上者，按200mm增值变化，即1000mm、1200mm、1400mm、1600mm图1-1中 HT塔板间距，m； hL板上液层高度，m；V ,L分别为塔内气、液两相体积流量，m3/s； V，L 分别为塔内气、液相的密度，kg/m3 。(2.3) 塔径的核算塔径标准化以后，应重新验算雾沫夹带量，必要时在此先进行塔径的调整，然后再决定塔板结构的参数，并进行其它各项计算。当液量很大时，亦宜先按式4-7核查一下液体在降液管中的停留时间。如不符合要求，且难以加大板间距来调整时，也可在此先作塔径的调整。(3) 板式塔的结构(3.1) 塔的总体结构塔的外壳多用钢板焊接，如外壳采用铸铁铸造，则往往以每层塔板为一节，然后用法兰连接。板式塔除内部装有塔板、降液管及各种物料的进出口之外，还有很多附属装置，如除沫器、人（手）孔、基座，有时外部还有扶梯或平台。此外，在塔体上有时还焊有保温材料的支承圈。为了检修方便，有时在塔顶装有可转动的吊柱。如1-2图为一板式塔的总体结构简图。一般说来，各层塔板的结构是相同的，只有最高一层，最低一层和进料层的结构有所不同。最高一层塔板与塔顶的距离常大于一般塔板间距，以便能良好的除沫。最低一层塔板到塔底的距离较大，以便有较大的塔底空间贮液，保证液体能有1015min的停留时间，使塔底液体不致流空。塔底大多是直接通入由塔外再沸器来的蒸气，塔底与再沸器间有管路连接，有时则再塔底釜中设置列管或蛇管换热器，将釜中液体加热汽化。若是直接蒸汽加热，则在釜的下部装一鼓泡管，直接接入加热蒸汽。另外，进料板的板间距也比一般间距大。 (3.2)塔体总高度 板式塔的塔高如图1-3所示，塔体总高度（不包括裙座）由下式决定： 式中 HD塔顶空间，m；HB塔底空间，m；HT塔板间距，m；HT开有人孔的塔板间距，m； HF进料段高度，m； Np实际塔板数；S人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）。(3.3)塔顶空间HD 塔顶空间（见图1-3）指塔内最上层塔板与塔顶空间的距离。为利于出塔气体夹带的液滴沉降，其高度应大于板间距，通常取HD为（ 1.52.0）HT。若图1-3 塔高示意图需要安装除沫器时，要根据除沫器的安装要求确定塔顶空间。(3.4)人孔数目 人孔数目根据塔板安装方便和物料的清洗程度而定。对于处理不需要经常清洗的物料，可隔810块塔板设置一个人孔；对于易结垢、结焦的物系需经常清洗，则每隔46块塔板开一个人孔。人孔直径通常为450mm。图1-2 板式塔总体结构简图 1-3 板式塔的塔高 (3.5)塔底空间HB塔底空间指塔内最下层塔板到塔底间距。其值视具体情况而定：当进料有15分钟缓冲时间的容量时，塔底产品的停留时间可取35分钟，否则需有1015分钟的储量，以保证塔底料液不致流空。塔底产品量大时，塔底容量可取小些，停留时间可取35分钟；对易结焦的物料，停留时间应短些，一般取11.5分钟。（3.6）塔板结构 塔板类型按结构特点可分为整块式或分块式两种。一般，塔径从300900mm时采用整块式塔板；当塔径在800mm以上时，人已能在塔内进行拆装操作，无须将塔板整块装入。并且，整块式塔板在大塔中刚性也不好，结构显得复杂，故采用分块式塔板；塔径在800900mm之间，设计时可按便于制造、安装的具体情况选定。（3.7）整块式塔板结构小塔的塔板均做成整块式的，相应地，塔体则分成若干段塔节，塔节与塔节之间用法兰连接。每个塔节中安装若干块叠置起来的塔板。塔板与塔板之间用一段管子支承，并保持所需要的板间距。图1-4为整块式塔板中的定距管式塔板结构。塔节内的板数与塔径和板间距有关。如以塔径Dg=600700mm的塔节为例，对应于不同的板间距， 塔节内安装的塔板数NF塔板与下法兰端面的距离h1以及塔节高度L如表1-2所示。表1-2 塔板的有关尺寸HT,mmNL,mmh1,mm3006180020035051750250450418003505塔设备强度计算（1） 塔设备的自振周期在动载荷（风载荷，地震载荷）作用下，塔设备各截面的变形以及内力与塔的自由振动周期及阵型有关。因此在进行塔设备的载荷计算及强度校核之前，必须首先计算其固有（或自振）周期。等直径，等厚度塔的自振周期塔设备的振动属多质点体系的振动，具有多个自由度，可出现多种振型，由于塔设备的刚度较大，通常只考虑第一振型。式中E:塔体材料在设计温度下的弹性模量 I：塔截面形心轴惯性矩，：塔的内直径，m:塔的外直径，m:塔壁有效厚度，m不等直径，或不等厚度塔的自振周期式中：第i段塔节底部截面至塔顶的距离，m；:第i段塔节材料在设计温度下的弹性模量，Pa;:第i段塔节形心轴惯性矩，对于圆柱形塔节，对于圆锥形塔节，：圆锥形塔节大端内直径，m:圆锥形塔节小内直径，m：第i段塔节有效厚度，m若第i段塔节形状为圆柱形，则(2)塔的载荷分析（2.1）质量载荷设备操作时的质量：m0=m01 + m02 + m03+ m04+ m05+ m a+ m e 设备水压试验时的最大质量：mmax= m01+ m02 + m03+ m04+ mw+ m a+ m e 设备停工检修时的最小质量：mmin= m01+ 0.2m02 + m03+ m04 + m a其中：m01设备壳体（包括裙座）质量 m02设备内件质量 m03设备保温材料质量 m04设备上平台、扶梯质量 m05设备内物料质量 m a设备上人孔、接管、法兰等附件质量 mw设备内充水质量 m e偏心质量0.2 m02是考虑停工检修时壳体上的内件质量，如塔盘支持圈、降液管等质量载荷使塔的各个截面产生轴向压应力不同截面、不同工作状况（操作或非操作）的载荷不同质量(2.2) 偏心载荷Me=9.8eMe-偏心弯矩，N/me-偏心距(2.3) 风载荷水平风力计算计算风速V0 基本风压q0=V02/2 各段风压qi=fi q0 水平风力Pi=K1 K2i fi q0liDei风弯矩的计算其实式中塔设备中第i段的水平风力，N;：他设备中第i段迎风面有效直径，m;:风压高度变化系数；：各地区基本风压，N/m;:他设备中个计算段的计算高度，m;:体形系数；：塔设备中第i段的风振系数。（2.4）地震载荷构造地震塔设备在地震载荷作用下，产生三个方向的运动：水平方向的振动；垂直方向的振动；扭转，其中水平方向的振动危害最大。地震时使塔设备相对于地面运动的惯性力称为地震力，在一般计算中只考虑水平地震力对塔设备的作用。震级表示地震时释放能量的大小地震烈度表示地震的破坏程度单质点弹性体系水平地震力的计算 F=CZMpg CZ-结构系数，钢制圆筒形设备CZ=0.5； -地震影响系数； Mp-集中于单质点的质量，Kg。多质点弹性体系水平地震力的计算震形参与系数第k段塔节重心处产生的相当于第一震形的水平震力为式中：对于塔器基本固有周期的地震影响系数的值；：第k段塔器的集中质量离地面的距离，m；：第k段塔器的集中质量，Kg。地震弯矩的计算对于等截面塔，在水平地震力的作用下，在塔设备的任意计算截面，基本震形的地震弯矩为式中:任意截面处基本震形的地震弯矩，当H/D15或塔设备的高度大于等于2 0m时，需考虑高振型的影响，采用简化计算方法(2.5)最大弯矩水压试验时：(2.6)筒体的强度及稳定性校核各种载荷引起的轴向应力1、设计压力引起的轴向应力：2、质量载荷引起的轴向应力： 3、最大弯距引起的轴向应力：式中：计算截面处的抗弯截面模量，m11