过程设备设计

17.4塔设备的附件一、除沫器⒈现象:气速大时，塔顶雾沫夹带，造成物料流失，效率降低，环境污染。⒉作用:减少雾沫夹带，确保气体纯度丝网除沫器:图7-64,7-65⒊型式折流板式除沫器:图7-66旋流板式除沫器:图7-6721—升气管2—挡板3—格栅4—丝网5—梁图7-64升气管型除沫器3图7-65全径型丝网除沫器1—压条2—格栅3—丝网4图7-66折流板除沫器液相进口弯管液相进口气相出口5图7-67旋流板除沫器气流方向6二、裙座⒈型式⒉材料:⑴裙座壳体:虽然不承受塔内介质的压力,是非受压元件,但按受压元件选材，同时考虑环境温度的影响。即使环境温度≥0℃，按GB150-1998第1号修改单已取消Q235-A作为受压元件的条文,也不能再选用Q235-A作为裙座壳体,可用Q235-B.当裙座t≤-20℃时→选16Mn圆筒形圆锥形7⑵其它:①当塔下部封头材料为低合金钢或高合金钢时→裙座顶部应增设与封头材料相同的短节,短节长度按温度影响的范围确定。目的→②地脚螺栓:Q235-A,20当t≤-20℃时→选16Mn异种钢材焊接过渡操作条件的影响8⒊结构:⑴裙座的组成:图7-68,裙座筒体、基础环、地脚螺栓座、人孔、排气孔、排液孔、引出管通道、保温支承圈等⑵裙座与塔体的焊接型式：对接:图7-69(a),a.焊缝受压,焊缝受力好b.但焊缝位于端盖折边处,对端盖受力不利c.且不利于和塔体组对时的对中搭接:图7-69(b),(c)a.焊缝受剪,焊缝受力不好b.但焊缝位于端盖直边处,改善了端盖受力情况c.且安装较方便9圆筒形圆锥形1—塔体2—保温支承圈3—无保温时排气孔4—裙座筒体5—人孔6—螺栓座7—基础环8—有保温时排气孔9—引出管通道;10—排液孔图7-68裙座的结构10对接(a)图7-69裙座与筒体焊缝11δsδs与下封头的环焊缝距离搭接，位于下封头的直边段图7-69裙座与筒体焊缝(b)12δsδs1.7δs搭接，位于筒体上与下封头的环向连接焊缝距离(c)图7-69裙座与筒体焊缝13⑶裙座体与塔体的焊缝应和塔体本身的环焊缝保持一定距离→防如果端盖是拼焊而成,则应在裙座上相应部位开缺口,→以免和端盖焊缝相互交叉重合焊接残余应力叠加过大焊接变形1415⑷人孔:裙座体直径＞800mm时开人孔⑸排气孔:防止腐蚀性气体长期积存在裙座内⑹排液孔:排除裙座体底部积液,φ50孔⑺螺栓孔:开成圆缺口→便于安装⑻出料管:焊有三片扁钢支承在引出管通道上1617三、吊柱图7-70目的—（室外无框架整体塔设备）为了安装、拆卸内件，更换或补充填料。位置—塔顶。吊柱中心线与人孔中心线间有合适夹角，便于操作。见图7-70。材料—吊柱管用20无缝钢管，其它部件用Q235-A和Q235-A·F。吊柱与塔连接的衬板应与塔体材料相同尺寸—主要结构尺寸参数已制定系列标准181—支架2—防雨罩3—固定销4—导向板5—手柄6—吊柱管7—吊钩8—挡板图7-70吊拄的结构及安装位置197.5塔设备的振动在风力作用下→塔的振动形式:载荷振动:振动方向沿着风的方向—顺风向的振动诱导振动:振动方向沿着风的垂直方向—横向振动它对塔设备的破坏性大，所以本章主要讨论风的诱导振动。20一、风的诱导振动⒈机理：⑴卡曼涡街:当风以一定速度绕流圆柱体时,在圆柱体两侧的背风面交替产生旋转方向相反的旋涡,然后脱离并形成一个旋涡尾流,这种现象称为卡曼涡街,如图7-84所示⑵产生原因:图7-82,7-83依据流体力学原理→边界层堆积、分离21ABDC风以一定的速度绕流圆柱形塔设备，塔设备周围的风速是变化的图7-82塔周围的风速22图7-83边界层的堆积及旋涡的形成(a)边界层的堆积(a)边界层的堆积23(b)旋涡的形成图7-83边界层的堆积及旋涡的形成(b)旋涡的形成24图8-84卡曼涡街25图7-84卡曼涡街26⑶产生条件:旋涡特性与雷诺数的关系a.当Re＜5—不发生边界层分离现象→无旋涡产生b.当5≤Re＜40—塔体背后出现一对稳定的旋涡c.当40≤Re＜150—出现卡曼涡街,塔体背风面交替产生旋转方向相反的旋涡,图7-84d.当300≤Re＜3×105—亚临界区,旋涡以一确定的频率周期性地脱落e.当3×105≤Re＜3.5×106—过渡期,无涡街出现,尾流变窄，无规律且都变成紊流f.当Re≥3.5×106—超临界区,卡曼涡街又重新出现27⒉升力：⑴塔两侧流体绕流情况:旋涡刚刚脱落的一侧:绕流改善,流体阻力↓,速度↑,静压力↓旋涡正在产生的一侧:绕流差,流体阻力↑,速度↓,静压力↑∴塔表面压强分布不均,周期性变化,受到力的作用→使塔沿风向的垂直方向产生振动—称之为横向振动升力—沿风向的垂直方向的推力∵升力＞＞拽力拽力—沿风向产生的风力∴计算时一般只考虑升力⑵升力计算：（7-47）22AvCFLL28⒊风诱导振动的激振频率：⑴塔体的激振频率=形成旋涡的频率=旋涡脱落的频率⑵旋涡脱落的频率的影响因素:塔体的外径、风速⑶激振频率：（7-48）vrvfSDrS─斯特劳哈尔准数，其值与雷诺数Re大小有关，可由图7-85确定；29图7-85圆柱体的rS值30⒋临界风速共振—当旋涡脱落的频率与塔的任一振型的固有频率一致时,会引起塔的剧烈振动临界风速—塔共振时风速.若取Sr=0.2，则由(7-49)式可求得临界风速。55cncncnDvfDT(7-49)31二、塔设备的自振周期(固有周期)解析法集中质量法近似法折算质量法能量法固有周期计算方法塔设备的力学模型:简化成底端固定、顶端自由、质量沿高度连续分布的悬臂梁，图7-71塔视为具有多个自由度体系，则它具有多个固有频率。基本频率—固有频率中最低的频率振型—振动后的变形曲线，图7-7232固有周期的求解思路振动微分方程设通解由边界条件定通解求得固有周期33图7-71计算模型34第一振型第二振型第三振型图7-72塔设备振型35⒈等截面塔:直径、壁厚、材质相同,质量沿高度均布由振动方程：求解得：振型：图7-7202244tyEImxy（7-3）EImHT4179.1EImHT42285.0EImHT43102.0(7-5)36⒉变截面塔:不等直径或不等壁厚,质量沿高度不均布方法:质量折算法—将一个多自由度体系简化成一个单自由度体系，如图7-73所示假设:a.塔的质量全部集中于塔顶b.振型曲线为结论:变截面塔的第一振型的固有周期为公式缺点:只能计算第一振型的自振周期(为什么?)一般塔的T1=1~10s之间23HhYYiai(7-8)niniiiiiiiniiiIEHIEHHhmT121133311312(7-12)37图7-73不等直径或不等壁厚塔的计算多自由度体系折算后的单自由度体系38三、塔设备的防振⒈共振的危害:轻者使塔产生严重弯曲、倾斜，塔板效率下降，影响塔设备的正常操作；重者使塔设备导致严重破坏，造成安全事故。因此，在塔的设计阶段就应避免共振的发生。⒉规定:为了防止塔的共振,fv不得在如下范围内113.185.0cvcfff(7-50)39⒊如果激振频率fv在式(7-50)的范围内，则应采取相应的措施:⑴增大塔的固有频率:⑵增大塔的阻尼:a.塔盘上的液体或塔内的填料→使塔阻尼↑,Y↓b.设置弹簧阻尼器;c.塔壁上悬挂外裹橡胶的铁链条.⑶采用扰流装置:a.合理布置塔体上的管道、平台、扶梯和其它的连接件→消除或破坏卡曼旋涡的形成;b.塔外装轴向薄翅片、挡板、螺旋板→防止旋涡形成;()ccIfHDf塔成本或与工艺结合40思考题1.塔设备由哪几部分组成？各部分的作用是什么？2.填料塔中液体分布器的作用是什么？3.试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷？4.简述塔设备设计的基本步骤。5.简述塔设备振动的原因及预防措施。6.塔设备设计中，哪些危险截面需要校核轴向强度和稳定性？