化工机械设计模板
化工设备机械基础课程设计
题目浮阀塔设备的机械设计
系（院）化学与化工系
专业化学工程与工艺
班级
学生姓名
学号
指导教师
职称
二〇一二年六月十八日
说明：仅供参考
前言 (2)
摘要 .............................................................................................................................. 2 关键字 .. (3)
第一章 设计参数及要求 (3)
1.1符号说明 ............................................................................................................... 3 1.2.设计参数及要求 .................................................................................................. 5 1.2.1设计参数 ........................................................................................................... 5 1.2.2设计要求 .. (5)
第二章 材料选择 (6)
2.1概论 ....................................................................................................................... 6 2.2塔体材料选择 ....................................................................................................... 6 2.3 裙座材料的选择 .. (7)
第三章 塔体的结构设计及计算 (7)
3.1按设计压力计算塔体和封头厚度 ....................................................................... 7 3.1.1塔体厚度计算 ................................................................................................... 7 3.1.2封头厚度计算 ................................................................................................... 7 3.2塔设备质量载荷计算 ........................................................................................... 8 3.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量 ................................................................... 8 3.2.2塔内构件的质量 ............................................................................................... 9 3.2.3保温层的质量 ................................................................................................... 9 3.2.4平台、扶梯的质量 ........................................................................................... 9 3.2.5操作时物料的质量 ......................................................................................... 10 3.2.6附件的质量 ....................................................................................................... 11 依照经验取010.250.25246006150a m m kg ==?= ................................................. 11 3.2.7充水的质量 ..................................................................................................... 11 3.2.8偏心质量 ......................................................................................................... 11 3.3风载荷与风弯矩的计算 ..................................................................................... 12 3.3.1风载荷的计算 ................................................................................................. 12 3.3.2风弯矩的计算 ................................................................................................. 16 3.4地震弯矩的计算 . (17)
3.4.1地震载荷的计算 ............................................................................................. 17 165.1710? ................................................................................................................. 18 3.4.2地震弯矩的计算 ............................................................................................. 19 0.548........................................................................................................................ 19 20.62........................................................................................................................ 19 146.43...................................................................................................................... 19 1026.1...................................................................................................................... 19 2883.4...................................................................................................................... 19 4764.5...................................................................................................................... 19 垂直地震影响系数max v α=.0.65max v α=0.65?0.23=0.1495................................. 19 3.5偏心弯矩的计算 ................................................................................................. 21 3.6各种载荷引起的轴向应力 ................................................................................. 21 3.6.1计算压力引起的轴向应力 ............................................................................. 21 3.6.2操作质量引起的轴向应力 ............................................................................. 22 3.6.3最大弯矩引起的轴向应力 ............................................................................. 23 3.7塔体和裙座危险截面强度与稳定性校核 ......................................................... 24 3.7.1截面的最大组合轴向拉应力校核 ................................................................. 24 塔体截面2-2上的最大组合轴向压应力 .............................................................. 25 222222max 123σσσσ---=-+........................................................................................... 25 3.8塔体水压试验和吊装时的应力校核 ................................................................. 26 3.8.1水压试验时各种载荷引起的应力 ................................................................. 26 3.8.2水压试验时应力校核 ..................................................................................... 27 3.9基础环设计 ......................................................................................................... 28 3.9.1基础环尺寸 ..................................................................................................... 28 基础环内径：180********ib D mm =-= ............................................................. 28 3.9.2基础环的动力校核 ......................................................................................... 28 3.9.3基础环的厚度 ................................................................................................. 29 所以最后圆整到20n mm δ= ................................................................................... 30 3.10地脚螺栓设计................................................................................................. 30 3.10.1地脚螺栓的最大拉应力 ............................................................................... 30 3.10.2地脚螺栓的螺纹小径 (31)
板式塔的总体结构 ................................... 32 附录 .. (34)
附录一有关部件的质量 (34)
附录二矩形力矩计算表 (35)
附录三螺纹小径与公称直径对照表 (35)
参考文献 (36)
前言
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、。
第一章设计参数及要求
1.1符号说明
Pc ----- 计算压力，MPa；
Di ----- 圆筒或球壳内径，mm；
[Pw]-----圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa；
δ ----- 圆筒或球壳的计算厚度，mm；
δn ----- 圆筒或球壳的名义厚度，mm；
δe ----- 圆筒或球壳的有效厚度，mm；
t]
[δ----- 圆筒或球壳材料在设计温度下的许用应力，MPa；
t
δ ------ 圆筒或球壳材料在设计温度下的计算应力，MPa；φ ------ 焊接接头系数；
C ------- 厚度附加量，mm；
1.2.设计参数及要求
1.2.1设计参数
1.2.2设计要求
（1）塔体内径Di =1800mm,塔高近似取H=35000mm。
（2） 计算压力 1.54c p MPa =，设计温度t=320℃。
（3） 设计地区：基本风压值2
0/400m N q =，地震设防烈度为7度，场地土类：
Ⅱ类。
（4） 塔内装有N=60层浮阀塔，每块塔盘上存留介质层高度为mm h w 100=，介
质密度为3
1/800m kg =ρ,板间距HT=400mm 。
（5） 沿塔高每5米开设一个人孔，人孔数为7个，相应在人孔处安装半圆形平
台7个，平台宽度为B=800mm ，高度为1000mm 。
（6） 塔外保温层的厚度为mm s 100=δ保温材料密度3
2/300m kg =ρ。
（7） 塔体与封头材料选用MnR 16，其中
[][]144144MPa
t
MPa σσ==，，
Mpa s 345=σ，
52.010E Mpa =?，常温屈服点MPa s 345=σ
（8）裙座材料选用Q235-A ，
[]86t
s MPa σ=，常温屈服点235s MPa σ=。
（9）塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数85.0=φ。
（10）塔体与封头厚度附加量C=3.0mm ，裙座厚度附加量C=3.0mm 。
第二章 材料选择
2.1概论
塔设备与其他化工设备一样，置于室外，无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有猪狗的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也比较成熟，因此，在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的有点。 2.2塔体材料选择
设计中塔体的材料选择是：MnR 16；塔体是塔设备的外壳，由等直径和等壁厚的圆筒和两个封头组成，塔体除满足工艺条件下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所英气的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工作等的影响，所以选择塔体的材料很重要。
2.3 裙座材料的选择
设计中裙座材料的选择是：Q A -235；塔体裙座是塔体安放到基础上的连接部分，它必须保证塔体坐落在确定位置上进行正常工作，为此，它应当具有足够的强大和刚度，能够承受各种操作情况下的全塔质量，以及风力、地震等引起的载荷。
第三章 塔体的结构设计及计算
3.1按设计压力计算塔体和封头厚度 3.1.1塔体厚度计算
计算压力： 1.54c p MPa = 3.8C mm =
[]144t
MPa σ=(参考《化工设备机械
基础》第六版，大连理工大学出版社，第311页,附表9-1)
1800i D mm =，0.85φ=
圆筒的计算厚度：
[] 1.541800
11.4021440.85 1.54
2c i t
c
p D mm
p δσφ?=
=
=??--
圆整后取名义厚度：16n mm δ=(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第99页,表4-13)
有效厚度：16 3.812.2e n C mm δδ=-=-= 3.1.2封头厚度计算
计算压力： 1.54c p MPa = 3.8C mm =
[]144t
MPa σ= 1800i D mm
=
0.85φ=
封头的计算厚度：
[] 1.541800
11.3621440.850.5 1.54
20.5c i
t
c
p D mm
p δσφ?=
=
=??-?-
圆整后取名义厚度：16n mm δ= 有效厚度：16 3.812.2e n C mm δδ=-=-=
3.2塔设备质量载荷计算
计算前先对塔进行分段，以地面为0-0截面，裙座人孔为1-1截面，塔低封头焊缝为2-2截面，塔板间第2个人孔为3-3截面，塔板间第4个人孔为4-4截面，塔板间第6个人孔为5-5截面，塔顶为6-6截面。
表3-1 塔体分段长度
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 1000
1500
5500
9000
9000
9000
3.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量 筒体质量：由1800i D mm = 16n mm δ=，
查得单位筒体质量1716/m m kg m =(参考《化工设备机械基础课程设计书》，第二版，化学工业出版社，第11页,表D-1) 筒体高度：130500H mm =
3111305001071622052.8m m H m kg -=?=??=
封头质量：由1800i D mm = 16n mm δ=，查得封头质量2464.35m m kg =（参考中华人民共和国行业标准JB/T4746-2002，附录B EHA 椭圆形封头型式参数）
22464.35928.7m kg =?=
裙座质量：由裙座高度为322600H mm =
331 2.267161618.16m m H m kg =?=?=
塔体总质量：0112322052.8928.71618.1624600m m m m =++=++=
表3-2塔体分段质量
0-1
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 716
1074 3938
6444 6444 6850
3.2.2塔内构件的质量
筛板塔塔盘单位质量2
75/N q kg m =(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理
工大学出版社，第237页,表8-1)
塔内构件的质量：
2202 1.8607511445.34
4
i m D Nq kg
π
π
N =
=
???=
表3-3塔内构件分段质量
0-1
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
1716
3052
3052
3052
3.2.3保温层的质量
由1800DN mm =，即<2000DN mm 则取直边240h mm =(参考《化工设备机械基础课程设计指导书》第二版，化学工业出版社，第113页,表D-2)
查得封头容积3
2000 1.54V m = 31400 1.18V m =（同上）
03200014002'()(1.54 1.18)300108m v v kg ρ=-=-?=
()()22'
030203
22224i n s i n m D D H m πδδδρ??=
++-++?
?
()()22
0.785 1.80.0320.2 1.80.03230.830021085822kg
??=++-+??+?=??
表3-4温层分段质量
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
454
877.66
1436
1436
1436
3.2.4平台、扶梯的质量
查得平台单位质量2
150/P q kg m = 笼式扶梯单位质量40/F q kg m =(参考《化工
设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第237页,表8-1) 其中平台数7n =，平台宽带为800mm ，笼式扶梯高度为34m 平台、扶梯的质量：
()()22
0412222242
i n s i n s P F F
m D B D nq q H πδδδδ??=
+++-++?+?
?
()()()()2204221
2222242
1.820.01620.120.8 1.820.01620.10.54715040345095k i n i n p F F
m D B D nq q H g πδδδδπ
??=+++-+++??
???=
?+?+?+?-+?+??????
??+?=
表3-5平台、扶梯分段质量
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 40
60
747.7
1774
1774
1774
3.2.5操作时物料的质量
取板上液层高度100w h mm =，塔低液高度0 1.8h m =，封头容积31.18V m =
操作时物料质量：
()205011
4
i w m D h N h V π
ρρ=
++
22051011
2244
0.785 1.80.1608000.7850.18 1.8800 1.1880015464.2kg i w i f m D h N D h V ρπ
π
ρρ=
+
+=????+???+?=
表3-6操作物料分段质量
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
0 696.28 5084.9 6509 6509 6509
3.2.6附件的质量
依照经验取010.250.25246006150a m m kg ==?=
表3-7附件分段质量
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 175
263
966
1581
1581
1581
3.2.7充水的质量
222 1.830.844
10002 1.181********.12
w i w w f w m D H V π
π
ρρ=
+=
???
+??=
表3-8充水分段质量
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
801
14046
21800
21800
21800
3.2.8偏心质量
操作质量：=++++++=e a m m m m m m m m 0504030201072047kg 偏心质量：4000e m kg =
表3-9偏心分段质量
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
1400
2600
表3-10质量汇总表
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 塔体分段质量 716 1074 3938 6444 6444 6850 塔内构件分段质
量 0
1716
3052
3052
3052
温层分段质量 0 454 877.66 1436 1436 1436 平台、扶梯分段
质量 40
60
747.7
1774
1774
1774
操作物料分段质
量 0 696.28 5084.9 6509 6509 6509
附件分段质量 175 263 966 1581 1581 1581 充水分段质量
801 14046 21800 21800 21800 操作时分段质量 931 3105 14792 21026 18526 18526 偏心分段质量 0
1400
2600
最大质量 =++++++=w e a m m m m m m m m 04030201max 136649.92
最小质量
=+++++=e a m m m m m m m 04030201min 2.047426.56
3.3风载荷与风弯矩的计算 3.3.1风载荷的计算
塔体外径：021*********i n D D mm δ=+=+=，笼式扶梯宽度：3400K mm =，
塔顶管线外径：0400d mm =，温层厚度：100s mm δ=
塔体各段长度i l ：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 1000
1500
5500
9000
9000
9000
各段平台数n ：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
1
2
2
2
平台构件投影区面积：5
2
9001000910A mm
=?=?∑
0 0 1
2
2
2
5910? 52910?? 52910?? 52910??
操作平台当量宽度：
40
2A K l =
∑
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0
327.27
400
400
400
各段有效直径/mm ：
04022ei i si pi
D D K d δδ=++++
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 2632
2632
2960
3032
3032
3032 \
各截面到地面高度it h /m ：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 1
2.5
8
17
26
35
风压高度变化系数i f ：由场地为B 类(参考《化工设备机械基础课程设计指导书》第二版，化学工业出版社，第86页,表5-23)，查得
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0.8
0.8
1.0
1.25
1.42
1.56
体系系数：10.7K =
基本风压值：2
0400/q N m =
塔设备的自振周期：
3
190.3310 1.33T s -==
塔设备自震周期：222201400 1.33707.56/q T Ns m =?=
脉动增大系数ξ：由22201707.56/q T Ns m =，查得 2.42ξ=(参考《化工设备机械基
础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-6)
脉动影响系数i v ：(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-7)
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0.72
0.72
0.72
0.79
0.85
0.85
由it h H 得：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0.0285
0.085
0.299
0.486
0.743
1
再由it h H ，1u =查得(参考《化工设备机械基础》第六版，大连理工大学出版社，第242页,表8-8)
各段振型系数zi φ：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 0.02
0.02
0.11
0.35
0.66
1
各段风振系数Zi K ：
1i zi
Zi i
v K f ξφ=+
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 1.004
1.004
1.192
1.535
1.956
2.319
各段风载荷:6
1010i Zi i i ei P K K q f l D -=?
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 591.9
887.9
5433.6
14660.5
21222.0
27641.08
3.3.2风弯矩的计算
00
96121
21612345 1.51310222w l l l M P P l P l l l l l N mm -???
?=+++??????++++++=?? ? ????? 1193622
3262345 1.44310222w l l l M P P l P l l l l N mm -???
?=+++??????+++++=?? ? ????? 2293643
436345 1.33910222w l l l M P P l P l l l N mm -???
?=+++??????++++=?? ? ?????
0—0截面
1—1截面
2—2截面
91.51310? 91.44310? 91.33910?
3.4地震弯矩的计算 3.
4.1地震载荷的计算
各段操作质量i m /kg:
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 931
3105
21026
18526
18526
18526
各点距地面高度i h /mm:
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 500
1750
4750
12500
21500
30500
1.5i h /mm ：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6
41.2210? 45.8110? 53.5110? 61.5710? 63.3710? 65.5910?
1.5i i m h ?：
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6
64.6610? 82.7310? 91.9510? 101.3610? 103.8510? 1010.410?
6
1.51
i i i A m h ===
∑64.6610?+82.7310?+91.9510?+101.3610?+103.8510?+1010.410?=
112.0510?
3:i h
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6
81.2510? 93.3810? 1012.510? 122.4610? 121.1410? 133.1210?
3:i i m h
0-1 1-2 2-3 3-4
4-5 5-6
10
11.610
? 13
1.0510?
15
1.8510?
165.1710?
172.1110? 175.7810?
6
317
1
8.4310i i i B m h ===?∑
7/ 2.4310A B -=?
基本振型参与系数
1.51i A k h B η=
:
0-1 1-2 2-3 3-4
4-5
5-6
3
2.7210
-?
21.4110-? 28.610-?
0.382
0.819
0.136
阻尼比i ξ=0.02