化工设备机械基础课程设计--塔设备设计.docx

《化工设备机械基础》

塔设备设计

课程设计说明书

学院： 机 电 学 院
班级： 过 控

姓名：
指导教师：

目录
摘要 1
关键字 1
一 设计要求 2
二 按计算压力计算塔体和封头厚度 2
2.1 塔体厚度计算 2
2.2 封头厚度计算 3
三 塔设备质量载荷计算 3
3.1 求筒体圆筒、封头、裙座质量 3
3.2 塔内构件质量 3
3.3 保温层质量 4
3.4 平台、扶梯质量 4
3.5 操作时物料质量 4
3.6 附件质量 按经验取附件质量为 5
3.7 充水质量为 5
3.8 各种质量载荷汇总 5
3.8.1 塔操作质量 6
3.8.2 全塔最小质量 6
3.8.3 水压试验时最大质量 6
四 风载荷与风弯矩计算 7
4.1风载荷计算示例 7
4.2各段塔风载荷计算结果 8
4.2.1 风弯矩计算 9
五 地震载荷计算 10
5.1 土类1级场地土类 10
六 偏心弯矩计算 11
七 载荷引起的轴向应力 11
7.2 操作质量引起的轴向压应力 11
7.3 最大弯矩引起的轴向应力 12
八 筒体和裙座危险截面的强度性校核 13
8.1 筒体的强度与稳定性校核 13

8.2 塔体与裙座的稳定性校核 13
8.3各危险截面强度与稳定校核汇总 15
九 塔体水压试验和吊装时的应力校核 16
9.1 筒体水压试验时各种载荷引起的应力 16
9.1.1 由试验压力和液柱静压力引起的环向应力 16
9.1.2 由试验压力引起的轴向拉应力 16
9.1.3最大质量引起的轴向压应力 17
9.1.4 由弯矩引起的轴向应力 17
9.2 水压试验应力校核 17
9.2.1筒体环向应力校核 17
9.2.2最大组合轴向拉应力校核 17
9.2.3最大组合轴向压应力校核 17
十 基础环设计 18
10.1 基础环尺寸 18
10.2 基础环的应力校核 18
10.3 基础环厚度 19
十一 地脚螺栓计算 19
11.1 地脚螺栓承受的最大拉应力 19
11.2 地脚螺栓的螺纹小径 20
参考文献 22
致谢 23

摘要

塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。　　根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。　　板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。　　填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。　　目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。
板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便
关键字：塔体、封头、裙座、。

22

一 设计要求

1、塔体的内径2000mm，塔高近似取H=28000mm；
2、计算压力p=1.2Mpa，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：1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46层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度和介质密度为

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4200kg，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Q345R，裙
座材料选用Q235-B，材料的有关性能参数如下：
Q345R
Q235-B
9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数0.85；
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

2.1 塔体厚度计算

考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取
2.2 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

3.1 求筒体圆筒、封头、裙座质量

(1)筒体总高度:
；
(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/m
（封头曲面深度500mm，直边高度40mm）；
(4)裙座高度3060mm，厚度按12mm计。
筒体圆筒、封头、裙座质量
圆筒质量：
封头质量：
裙座质量：

3.2 塔内构件质量

内径800—900时用浮阀塔盘
（浮阀塔盘质量
75）

3.3 保温层质量

其中，为封头保温层的质量kg

3.4 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和笼式扶梯总高 分别为：

其中平台数量为6；平台宽度B=800mm.

3.5 操作时物料质量

Vf=(3.14/24)DDDi
说明：物料密度，封头内容积Vf=1.05.，塔釜圆筒部分深度，塔板数N=46，塔板上液层高度。

3.6 附件质量 按经验取附件质量为

3.7 充水质量为

其中

3.8 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
6000
6000
6000
28000
人孔与平台数
0
0
1
2
1
2
6
塔板数
0
0
9
13
14
10
46
m01/kg
596
2261
4172
3576
3576
2972
17153
注：3.06m裙座+下封头质量=3.06×596+438=2261，其余为596×各塔段长度
m02/kg
-
-
2119
3062
3297
2355
10833
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
-
115
1730
1483
1483
1403
6315
注：保温材料，下封头质量115，其余为单位长度保温层质量×各塔段长度
m04/kg
40
80
856
1391
815
1350
4299
注：平台扶梯质量，每个平台质量为575.4kg，每米扶梯为40kg，平台质量算法同前
m05/kg
-
979
7037
3388
3649
2606
17551
注：封头内的物料质量=830×1.18=979，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
1043
894
894
895
4388
注：附件质量=0.25×m1
mw/kg
—
1180
21980
18840
18840
17539
78245
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
2300

3600
m0/kg
785
4511
19257
13794
13714
12189
64139
各塔段最小质量
785
3532
11100
7380
7427
7700
37922
全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=64139kg
全塔最小质量=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=37922kg
水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me=124833kg

3.8.1 塔操作质量

3.8.2 全塔最小质量

3.8.3 水压试验时最大质量

四 风载荷与风弯矩计算

4.1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左右高处基本风压值，
——风压高度变化系数，查表8-5得1.00
——计算段长度，
——脉动影响系数，由表8-7得：0.72
——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：2.27
——振型系数，由表8-8得：0.19
——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。

，，

a.
b.
取

4.2各段塔风载荷计算结果
塔段号
1
2
3
4
5
6

1000
2000
7000
6000
6000
6000

600

0.7

0.72
0.72
0.72
0.76
0.80
0.82

0.02
0.02
0.19
0.42
0.77
1.00

2.27

1.033
1.039
1.311
1.725
2.40
2.86

1
3
10
16
22
28

0.64
0.72
1.00
1.16
1.28
1.39
平台数
0
0
2
1
1
2
/mm
0
0
457.1
266.7
266.7
533.3

2624
2624
3341
3151
3151
3417

728
1648
12877
15889
26715
34231

4.2.1 风弯矩计算
0-0截面：

1-1截面：

2-2截面：

五 地震载荷计算

5.1 土类1级场地土类

当地震烈度为八级时，
所以

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，28000/2000=14，
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 载荷引起的轴向应力

7.1 计算压力引起的轴向压应力

其中

7.2 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，

7.3 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

8.1 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：

8.2 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(Q345R,200)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
查相应的材料图（Q235-B,200）得 ,,
K=1.2。
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

8.3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
64250
63465
59933
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
10.04
10.62
9.93
最大弯矩引起的轴向应力
55.00
59.11
46.34
最大组合轴向拉应力
-
-
96.41
最大组合轴向压应力
65.02
69.71
55.68
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

9.1 筒体水压试验时各种载荷引起的应力

9.1.1 由试验压力和液柱静压力引起的环向应力

液柱静压力
9.1.2 由试验压力引起的轴向拉应力

9.1.3最大质量引起的轴向压应力

9.1.4 由弯矩引起的轴向应力

9.2 水压试验应力校核

9.2.1筒体环向应力校核

因为，故满足要求。
9.2.2最大组合轴向拉应力校核

许用应力：
因为，故满足要求。
9.2.3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

10.1 基础环尺寸

取

10.2 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。

10.3 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（Q245R）的许用应力，C=3mm, 基 础环厚度
，取

十一 地脚螺栓计算

11.1 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，

11.2 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30CrMoA，螺栓个数为n=28，，C=3mm。

取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.129mm，故选用28个M42的地脚螺栓，满足要求。
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28个

参考文献
1《塔设备》------------- 化学工业出版社 路秀林 王者相 等编著
2《化工设备机械基础》------------------化学工业出版社 蔡纪宁 张秋翔 编
3《化工工程制图》-----------------化学工业出版社
4《化工装置实用工业设计》-----------------化学工业出版社 路德维希 编著
5《化工设备机械基础》----------------大连理工大学出版社 刁玉玮 王立业 喻健良 编著
6《化工设备机械基础》----------------化学工业出版社 董大勤 编著
7《化工设备机械基础》----------------华东理工大学出版社 汤善甫 朱思明 主编 第二版
8《化工制图》----------------化学工业出版社 郑晓梅 编著

22

致谢

在一个月来，感谢老师和同学们的帮助，让我可以完成这次课程设计，尤其感谢王老师的细心讲解，帮我们借书，给我们讲解，从这次课程计中，我也学习到很多的知识，也知道了什么叫团结，在这一个月来让我收获很多，也让我在下年的毕业设计奠定了基础。
23