化工设备机械基础课程设计塔设备设计.doc

《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。目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77

24