学士学位论文—-化工设备机械基础课程设计塔设备机械设计.doc

化工设备机械基础课程设计

成 绩

《化工设备机械基础》课程设计报告

设计题目 塔设备机械设计
学生姓名
学 号
指导老师
专业班级
教师评语

设计起止日期： 至

塔设备设计任务书
一、 设计内容
1、 根据操作条件选择塔体、裙座材料；
2、 法兰选型；
3、 塔设备机械设计；
4、 塔设备结构设计；
5、 编写设计计算说明书，主要内容：
① 目录；
② 设计任务书（题目）；
③ 设计方案的确定，包括材料选择、塔设备结构设计等；
④ 塔设备机械设计过程；
⑤ 标准零部件的选择，如法兰等；
⑥ 设计小结；
⑦ 参考资料；
⑧ 附图：
总装图
法兰结构图
塔盘板结构示意图；
塔板连结结构示意图；
塔盘支撑结构示意图；
裙座与塔体焊缝结构图；

设计参考数据
塔体内径/mm
2000
塔高/mm
31000
计算压力/MPa
1.2
设计温度/℃
200
设置地区
广州
地震设防烈度/度
8
场地土类
Ⅱ类
设计地震分组
第二组
设计基本地震加速度
0.2g
地面粗糙度
B类
塔盘数
52
塔盘存留介质层高度/mm
100
塔盘间距/mm
450
塔釜存留介质高度/mm
100
介质密度/kg/m3
825
人孔间距/m
5
半圆形平台数

平台宽度
800
平台高度
1000
保温层材料密度/ kg/m3
315
保温层厚度/mm
105
再沸器操作质量/kg
3800
再沸器偏心距/mm
2000
介质腐蚀性
无明显腐蚀

目录

一、塔体的设计条件 …………………………………………5
二、按计算压力计算塔体和封头厚度 ………………………6
三、塔设备质量载荷计算………………………………………………6
四、风载荷与风弯矩计算 ……………………………………10
五、地震载荷计算 ……………………………………………13
六、偏心弯矩计算 ……………………………………………15
七、各种载荷引起的轴向应力 ………………………………15
八、筒体和裙座危险截面的强度性校核 ……………………17
九、塔体水压试验和吊装时的应力校核 ……………………20
十、基础环设计 ………………………………………………21
十一、地脚螺栓计算 …………………………………………23
十二、筒体与封头联接法兰的选取 …………………………24
参考文献………………………………………………………27

一、塔体的设计条件
1、塔体的内径，塔高近似取
H=31000mm；
2、计算压力，设计温度200℃；
3、设置地区：基本风压值，地震设防烈度8度，场地土类：Ⅱ类，设计地震分组：第二组，设计基本地震加速度: 0.2g；
4、塔内装有52层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度为，介质密度为；
5、沿塔高每5m左右开设一个人孔，人孔数为6个，相应在人孔处安装的半圆形平台为6个，平台宽度B=800mm，高度为1000mm：
6、塔外保温层厚度，保温材料密度
为
7、塔体与裙座间悬挂一再沸器，其操作质量为，偏心距e=2000mm；
8、塔体在200℃的条件下工作，介质无明显腐蚀，筒体与封头材料选16MnR，裙座材料选用Q235-B，材料的有关性能参数如下：
16MnR

Q235-B ；
9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数；
10、塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm。
二、按计算压力计算塔体和封头厚度
1、塔体厚度计算

考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取。
2、封头厚度计算

考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取。
三、塔设备质量载荷计算
1、筒体圆筒、封头、裙座质量
圆筒质量：
封头质量：
裙座质量：

说明：（1）塔体总高度；
（2）查的DN2000mm，厚度12mm的圆筒质量为596kg/m；
（3） 查的DN2000mm，厚度12mm的椭圆形封头质量为438kg/个（封头曲面深度500mm，直边高度40mm）；
（4）裙座高度3060mm，厚度按12mm计。
2、塔内构件质量

（浮阀塔盘质量75）
3、保温层质量

其中，为封头保温层的质量，169.47kg/个，密度为
其保温层外容积为

椭圆封头的曲面方程为

所以

其壳体外容积为

4、平台、扶梯质量
说明：由表8-1查得平台单位面积质量，笼式扶梯单位长度质量；笼式扶梯总高，平台数量为6。
5、操作时物料质量

说明：物料密度，封头内容积，塔釜圆筒部分深度，塔板数N=52，塔板上液层高度。
6、 附件质量
按经验取附件质量为

7、 充水质量为
其中
8、 各种质量载荷汇总
将全塔分为6段，计算各质量载荷（计算中略有近似）
塔段
0～1
1～2
2～3
3～4
4～5
5～顶
合计
塔段长度/mm
1000
2000
7000
7000
7000
7000
31000
人孔与平台数
0
0
2
1
1
2
6
塔板数
0
0
9
15
16
12
52
m01/kg
596
1630
4172
4172
4172
4174.96
18916.9
注：2m裙座+下封头质量=2×596+438=1630，其余为596×各塔段长度
m02/kg
-
-
2119.5
3532.5
3768
2826
12246
注：塔盘质量=0.785×4×75×各段塔盘数，塔盘单位面积质量为75kg/m2
m03/kg
-
169.47
1547.8
1547.8
1547.8
1542.43
6355.3
注：保温材料，下封头质量169.47，其余为单位长度保温层质量×各塔段长度
m04/kg
40
80
1423.2
851.6
851.6
1382.2
4629.6
注：平台扶梯质量，每个平台质量为571.6kg，每米扶梯为40kg，平台质量算法同前
m05/kg
-
973.5
6113.58
3885.75
3885.75
3367.65
18226.2
注：封头内的物料质量=825×1.18=973.5，其余各段为各段塔板总的存留介质质量
2～3段为塔釜直筒段存留介质质量+9块塔板上存留的介质质量
ma/kg
149
407.5
1043
1043
1043
1043.7
4729.3
注：附件质量=0.25×m1
mw/kg
—
1180
21980
21980
21980
20694
87799.4
充水质量=塔容积×水密度，1～2段为封头充水质量=1.18×1000=1180
me/kg
—
1300
2500

3800
m0/kg
785
4560.5
18919.1
15032.7
15268.2
14336.9
68902.3
各塔段最小质量
785
3587
11109.9
8320.9
8370
8708.49
40881.3
全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=68902.29kg
全塔最小质量=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=40881.3kg
水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me=138476.4kg

全塔操作质量

全塔最小质量

水压试验时最大质量

四、风载荷与风弯矩计算
1、风载荷计算示例
以2~3段为例计算风载荷

式中：
——体形系数，对圆筒形容器，
——10m高处基本风压值，
——风压高度变化系数，查表8-5得：
——计算段长度，
——脉动影响系数，由表8-7得：
——塔的基本自振周期，对等直径、等厚
度得圆截面塔：

——脉动增大系数，根据自振周期，由
表8-6查的：
——振型系数，由表8-8得：
——风振系数

——塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90°，取下a、b中较大者。

，，

取

2、各段塔风载荷计算结果

塔段号
1
2
3
4
5
6

1000
2000
7000
7000
7000
7000

500

0.7

0.72
0.72
0.72
0.769
0.806
0.832

0.02
0.02
0.158
0.398
0.738
1.000

2.33

1.034
1.034
1.265
1.60
2.05
2.35

1
3
10
17
24
31

1.00
1.00
1.00
1.184
1.318
1.434
平台数
0
0
2
1
1
2
/mm
0
0
457.2
228.6
228.6
457.2

2634
2634
3301.02
3072.42
3072.42
3301.02

953.24
953.24
10231.2
14260
20337.2
27254.1

3、风弯矩计算
0-0截面：

1-1截面：

2-2截面：

五、地震载荷计算
取第一振型阻尼比为
则衰减指数

塔的总高度 H=31000mm
全塔操作质量
重力加速度
地震影响系数
由表8-2查的（设防烈度8级）
由表8-3查的

计算截面距地面高度h：
0-0截面：h=0
1-1截面：h=1000mm
2-2截面：h=3000mm

等直径、等厚度的塔，，按下列方法计算地震弯矩。
0-0截面：

1-1截面：

2-2截面：

六、偏心弯矩计算

七、各种载荷引起的轴向应力
1、计算压力引起的轴向压应力

其中
2、操作质量引起的轴向压应力
0-0截面：

裙座的有效厚度
1-1截面：

其中，，为人孔截面的截面积，查相关标准得：
2-2截面：

其中，
3、最大弯矩引起的轴向应力
0-0截面

其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：

1-1截面：

式中——裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得：
=27677000
其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：

2-2截面：

其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：

八、筒体和裙座危险截面的强度性校核
1、筒体的强度与稳定性校核
2-2截面：
筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉力：

因为，故满足强度条件。
其中，轴向许用应力：
2、 塔体与裙座的稳定性校核
2-2截面：
筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压力：

许用轴向压应力： 取其中较小值。
按GB-150 钢制压力容器中的规定，由

查相应的材料图(16MnR)得B=115Mpa,
则，取。
因为，故满足稳定性条件。
1-1截面：
塔体1-1处的最大组合轴向压应力

由 0.00093
查相应的材料图（Q235-B）得 ,
则，取。
因为，，故满足稳定性条件。
0-0截面
塔体0-0处的最大组合轴向压应力

因为，,故满足稳定性条件。

各危险截面强度与稳定校核汇总
项目
计算危险截面
0-0
1-1
2-2
塔体与裙座有效厚mm
10
10
10
截面以上操作质量/kg
68902.9
68117.29
63556.82
计算截面面积

截面的抗弯截面系数

最大弯矩

最大允许轴向拉应力

173.4
最大允许压应力

129
129
138

135.6
135.6
204
计算压力引起的向拉应力
0
0
60
操作质量引起的向压应力
10.76
11.40
9.93
最大弯矩引起的轴向应力
47.85
51.47
40.91
最大组合轴向拉应力
-
-
90.98
最大组合轴向压应力
58.61
62.87
50.84
强度与稳定校核
强度
—
—
满足强度条件
稳定性
满足稳定性条件

九、塔体水压试验和吊装时的应力校核
1、筒体水压试验时各种载荷引起的应力
(1)由试验压力和液柱静压力引起的环向应力

(2)由试验压力引起的轴向拉应力

(3)最大质量引起的轴向压应力

(4)由弯矩引起的轴向应力

2、水压试验应力校核
(1)筒体环向应力校核

因为，故满足要求。
(2)最大组合轴向拉应力校核

许用应力：
因为，故满足要求。
(3)最大组合轴向压应力校核

轴向许用压应力 取其中较小值。
, 取。
因为，故满足要求。

十、基础环设计
1、基础环尺寸
取

2、基础环的应力校核
取其中较大值，
(1)
(2)

取
选用75号混凝土，其许用应力，故满足要求。
3、基础环厚度
按有筋板时，计算基础环的厚度。
设地脚螺栓直径为M42，由表8-11查得l=160mm，
则b/l=140/160=0.88，由表8-10查得
。
取，基础环材料（20R）的许用应力，C=3mm,基础环厚度
，取。
十一、地脚螺栓计算
1、地脚螺栓承受的最大拉应力
取其中较大值，
其中，

(1)

(2)

取其中较大值，
2、地脚螺栓的螺纹小径
因为，故此塔设备必须安装地脚螺栓。选取螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20，，C=3mm。

取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.219mm，故选用20个M42的地脚螺栓，满足要求。
十二、筒体与封头联接法兰的选取
1、根据筒体内径，计算压力，温度200℃，查表6-2，确定法兰结构为长颈对焊法兰，查附录12选取材料16Mn，公称压力PN=1.6Mpa。
2、查相关手册得法兰基本数据：
D=2215mm，D1=2155mm，D2=2110mm，D3=2090mm，D4=2087mm
螺纹孔直径d=33mm，法兰厚度b=102mm，高颈尺寸H=190mm，h=56mm，
，螺栓为。
3、根据公称直径DN=2000mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为40Mn。
4、压紧密封面选取平面密封面，选用缠绕型垫片，D=2089mm，d=2039mm，
垫片种类为石棉式石墨填充带。
法兰图见附图

塔的机械设计结果
塔的名义壁厚
筒体，封头，裙座
塔的载荷及其弯矩
质量载荷

风弯矩

地震弯矩

基础环设计
基础环尺寸

基础环的应力校核
满足要求
地脚螺栓设计
直径M42，个数20个

主要符号说明
裙座人孔处截面的面积，
裙座人孔处截面的抗弯截面系数，
裙座壳底部内直径，
裙座壳有效壁厚，
裙座人孔截面处裙座壳的内直径，
裙座人孔截面处水平方向的最大宽度，
人孔或较大管线引出孔加强管的长度，
人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，
塔计算段的有效直径，
基础环内直径，
基础环外直径，
裙座大端外直径，
E 设计温度下材料的弹性模量，
风压高度变化系数
H 塔的总高度，
塔第i段顶截面距地面的高度，
塔第i-i截面处的地震弯矩，
塔第i-i截面处的最大弯矩，
塔第i-i截面处的风弯矩，
塔的最大质量，
塔的最小质量，
塔的操作质量，
计算截面以上的操作质量，
计算压力，
塔i-i计算段的水平风力，
基本风压值，
塔的基本自振周期，
对应的地震影响系数
地震影响系数的最大值
管线保温层厚度，
脉动增大系数
脉动影响系数
由计算压力引起的轴向应力，
由重力引起的轴向应力，
设计温度下筒体材料的许用应力，
设计温度下材料的许用轴向压应力，
设计温度下裙座材料的许用应力，
振型系数
参考文献
[1] 路秀林，王者相. 化工设备设计全书塔设备[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[2] 陈作模. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[3] 刁玉玮，王立业. 化工设备机械基础[M]. 大连：大连理工大学出版社，2005.
[4] 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[5] 董大勤. 化工设备机械基础[M].化学工业出版社，2004。
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