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。目 录
第一章　项目概要 1
1.1 项目背景 1
1.2 项目建设内容与工期 2
1.3 投资估算和资金筹措 3
1.3.1投资估算 3
1.3.2 资金筹措方案 3
1.4 效益分析 4
1.4.1 经济效益 4
1.4.2 社会效益 5
1.4.3 生态效益 5
第二章 项目区概况 6
2.1 自然概况 6
2.2 社会经济状况 8
第三章 项目建设的必要性和可行性 10
3.1 项目区农业发展的制约因素 10
3.2项目建设的必要性 10
3.3 项目建设的可行性 13
第四章 水资源评价及水利工程设施 14
4.1 项目区水资源概况 14
4.2 水利工程措施 14
第五章 规划设计 18
5.1 指导思想 18
5.2 选项原则 18
5.3 建设标准 18
5.4 道路建设 19
5.5 建设规模 20
5.6 规划布局 20
第六章 开发任务与开发原则 22
6.1 开发任务 22
6.2 开发原则 22
第七章 投资估算与资金筹措 24
7.1投资估算 24
7.2 资金来源构成及筹措方案 24
第八章 综合效益分析 26
8.1 经济效益 26
8.2 社会效益 26
8.3 生态效益 26
第九章 组织实施和运行管护 28
9.1 组织机构设置 28
9.2 项目实施管理 29
9.3 运行管理和维护 29
第十章 环境影响与评价 31
10.1生态影响分析评价 31
10.2 环境质量影响分析评价 31
第十一章 可行性研究结论和建议 33
11.1 项目可行性研究的总体评价 33
11.2 主要污染物及治理措施 35
11.3 问题与建议 36

30