化工机械基础课程设计

目录1、塔的设计条件及主要物性参数表 (1)2、塔设备设计计算程序及步骤 (2)按设计压力计算塔体和封头厚度 (2)塔设备质量载荷计算 (2)按设计压力计算塔体和封头壁厚 (3)自振周期计算 (5)地震载荷与地震弯矩计算 (5)地震载荷与地震弯矩计算 (7)风载荷与风弯矩计算 (7)风载荷与风弯矩计算 (9)偏心弯矩 (9)最大弯矩 (10)圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核 (10)塔设备压力试验时的应力校核 (11)裙座轴向应力校核 (12)基础环设计 (13)地脚螺栓计算 (15)3、设计结果汇总表 (15)4、设计综述 (16)5、参考资料 (16)6、主要符号说明 (17)板式塔设备机械设计任务书1. 设计任务及操作条件：试进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。

已知条件为：塔体内径Ｄi＝1200mm，塔高30m，工作压力为0.8MPa，设计温度为350℃，介质为原油，安装在南京郊区，地震强度为8度，塔内安装50层浮阀塔板，塔体材料选用20R，裙座选用Q235A。

2. 设计内容（1）根据设计条件选材；（2）按设计压力计算塔体和封头壁厚；（3）塔设备质量载荷计算；（4）风载荷与风弯矩计算；（5）地震载荷与地震弯矩计算；（6）偏心载荷与偏心弯矩计算；（7）各种载荷引起的轴向应力；（8）塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核；（9）塔体水压试验和吊装时的应力校核；（10）基础环设计；（11）地脚螺栓计算；（12）板式塔结构设计。

3. 设计要求：（1）进行塔体和裙座的机械设计计算；（2）进行裙式支座校核计算；（3）进行地脚螺栓座校核计算；（4）绘制装备图（A3图纸）11、塔的设计条件及主要物性参数表将全塔分为5段，计算截面分别为0－0、1－1、2－2、3－3、4－4。

表1 设计条件及主要物性参数表已 知 设 计 条 件 分段示意图塔体内径D i 1200mm （分段示意图在附图中）塔体高度H 3000mm 工作压力p 0 0.8MPa 设计压力p 0.8MPa 设计温度t350℃ 塔体材 料20R 许用应力[σ] 133MPa [σ]t92MPa设计温度下弹性模量E1.73×105MPa 常温屈服点σs245MPa 厚度附加量C 2mm 塔体焊接接头系数φ0.85 介质密度ρ 810kg/m 3 塔盘数N50 每块塔盘存留介质层高度h w100mm 基本风压值q 0 250N/m 2 地震设防烈度 7度 设计基本地震加速度0.2 场地类别 II 类 地面粗糙度 B 类 偏心质量m e 4000kg 偏心矩e 2000mm塔外保温层厚度δs100mm 保温材料密度ρs 300kg/m 3 裙座材料Q235-A 许用应力[σ]s t 140MPa 常温屈服点σs 235MPa设计温度下弹性模量E s厚度附加量C s 2mm 人孔、平台数6 地脚螺栓材料 Q235-A 许用应力[σ]bt147MPa 腐蚀裕量C 23mm 个数n402、塔设备设计计算程序及步骤按设计压力计算塔体和封头厚度计算内容 计算公式及数据塔内液柱高度h/m 可忽略 液注静压力p H /MPa 可忽略计算压力p c /MPa 8.0==+=p p p p H c圆筒计算厚度δ/mm 16.68.085.092212008.0][2=-⨯⨯⨯=-=c ti c p D p φσδ 圆筒设计厚度δc /mm 16.8216.6c =+=+=C δδ 圆筒名义厚度δn /mm 12=n δ圆筒有效厚度δe /mm10212=-=-=C n e δδ封头的计算厚度δh /mm 15.68.05.085.092212008.05.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=c t i c h p D p φσδ封头设计厚度δhc /mm 15.8215.6=+=+=C h hc δδ 封头名义厚度δhn /mm 12=hn δ封头有效厚度δhe /mm10212=-=-=C hn he δδ塔 设 备 质 量 载 荷 计 算计算内容计算公式及数据31(0~1)2(1~2) 3(2~3) 4(3~4) 5(4~5)塔段内直径D i /mm 1200 塔段名义厚度δni /mm10塔段长度l i /mm 1000200070001000010000塔设备高度H/mm 30000 1单位筒体质量 m 1m /kg/m 298 筒体高度H 1/mm 29350筒体质量m 1/kg 3.874635.292981=⨯=m 封头质量m 2/kg 27421372=⨯=m裙座高度H 3/mm 3000裙座质量m 3/kg 8940.32983=⨯=m塔体质量m 01/kg3.99148942743.874632101=++=++=m m m m 298596 2086 2980 3954.3塔段内件质量m 02/kg15.424175502.1442202=⨯⨯⨯=⨯⨯=ππN i q N D m(浮阀塔盘质量2/75m kg q N =)----1102.71611.61526.85保温层质量m 03/kg8922300)2545.03208.0(2300750.29])010.022.1()1.02010.022.1[(42])2()22[(422203202203=⨯-⨯+⨯⨯⨯+-⨯+⨯+⨯='++-++=πρδδδπm H D D m n i s n i m 03'——封头保温层质量，（kg ）--18.92302.93289.53310.7按设计压力计算塔体和封头壁厚平台、扶梯质量m 04/kg 平台质量q p ＝150kg/m 2 笼式扶梯质量q F ＝40kg/m平台数量n ＝6 笼式扶梯高度H F ＝29m4620294015065.0])006.02010.020.2()9.02006.02010.020.2[(421])22()222[(4222204=⨯+⨯⨯⨯⨯+⨯+-⨯+⨯+⨯+⨯=⨯+⨯++-+++=πδδδδπF F p n i n i H q nq D B D m40 801433 1533 1534操作时塔内物料质量m 05/kg6.60848002545.0800)5.1501.0(2.14)(42110205=⨯+⨯+⨯⨯⨯=++=πρρπf w i V h N h D m--203.6 2261 2804 816人孔、接管、法兰等附件质量m a /kg按经验取附件质量为：6.24783.991425.025.001=⨯==m m a74.5149521.5 745 988.6充液质量m w /kg3370310002545.02100035.292.1424202=⨯⨯+⨯⨯⨯=+=πρρπwf w i w V H D m－ 254.5 7916 9424 16108.5 偏心质量m e /kg再沸器：m e ＝4000－－14002600－操作质量m 0/kg6.3223040006.24786.6084462089221.42413.991405040302010=++++++=++++++=ea m m m m m m m m 412.51047.511107.116649.1 12130.5最小质量m min /kg1.3078340006.2478462089221.42412.03.99142.004030201min =++++⨯+=+++++=ea m m m m m m m412.5843.97963.9411469.82.975最大质量m max /kg6787940006.247833703462089221.42413.991404030201max =++++++=++++++=ea w m m m m m m m m 412.51098.416762.122183.1 27422.95自 振 周 期 计 算计算内容计算公式及数据塔设备的自振周期T 1/s68.11012008.71073.1293506.322302935033.901033.903353301=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=--ie D E H m HT δ 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算计算内容0~1 1~2 2~3 3~4 4~5各段操作质量m i /kg 412.51047.511167.1 16649.1 12130.5计算内容计算公式及数据0～1 1～2 2～3 3～4 4～顶 各点距地面高度h i /mm 1000200070001000010000h i1.53.16×104 8.94×104 5.24×105 1.84×106 1.84×106m i h i 1.51.3×107 9.36×107 6.5×109 1.66×1010 1.21×1010∑==615.1i ii h m A3.54×1010h i 3 1.0×109 8.0×109 3.43×1011 1.0×1012 1.0×1012 m i h i 34.125×10118.38×1011 3.81×1015 1.66×1016 1.21×1016∑==613i i i h m B3.25×1016 A/B 1.08×10－6基本振型参与系数ηk15.165.111008.1i i k h h B A -⨯==η 0.034 0.096 0.5651.987 1.987阻尼比§i 0.02衰减指数γ957.002.055-5.002.0-05.09.055.0-05.09.0i =⨯⨯+=-+=i ζζγ阻尼调整系数η2319.102.07.106.002.0-05.017.106.0-05.01i 2=⨯++=++=i ζζη地震影响系数最大值αmaxαmax ＝0.12（设计烈度为7度,设计基本加速度0.15g 时）场地土的特征周期T g T g ＝0.4（地震分组为第一组，II 类场地土） 地震影响系数α1T g =0.4<T 1=1.68<5T g =2039.012.0319.168.14.0975.0max 211=⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=∙⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=αηαγTT g水平地震力F k1/Ng m F k k k 111ηα=5.3613.61145.11216.35157.63垂直地震影响系数αvmaxαvmax =0.65αmax =0.078 当量质量m eq /kg取m eq =0.75m 0=24172.95底面垂直地震力F v 0-0/NF v 0-0=αvmax*m eq*g=18477.80m i h i51012.4⨯ 61009.2⨯ 71077.7⨯81066.1⨯ 81021.1⨯ii h m ∑=61i3.68×108任意质量i 处垂直地震力F vi /N8061vi 1068.380.18477F ⨯=∙=-=∑vk kkii F h mh m20.71 105.183903.58 8358.5449330.36090.017任意计算截面i 处垂直地震力F v 1-1F v 1-1=∑=nk viF10-0截面 1-1截面 2-2截面 3-3截面 4-4截面 5-5截面 18477.8018457.0918351.9114448.336089.79------地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算计算内容计算公式及数据0～11～2 2～3 3～4 4～5 5～顶底截面处地震弯矩0-EM /N ·mm 801001065.12935081.96.32230039.03516m 3516⨯=⨯⨯⨯⨯==-gH M E α 截面1－1处地震弯矩11-EM /N ·mm 85.35.25.35.25.35.25.35.201111057.1)10004100029350142935010(2935017581.96.32230039.08)41410(1758⨯=⨯+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=+⋅-=-h h H H Hgm M E α 截面2－2处地震弯矩22-EM /N ·mm 85.35.25.35.25.35.25.35.201221041.1)30004300029350142935010(2935017581.96.32230039.08)41410(1758⨯=⨯+⨯⨯-⨯⨯⨯⨯⨯=+⋅-=-h h H H Hg m M E α 风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算计算内容计算公式及数据0～11～22～33～44～顶各计算段的外径D Oi /mm122010212002=⨯+=+=n i O i D D δ塔顶管线外径d O /mm 480 第i 段保温层厚度 δsi /mm100管线保温层厚度 δps /mm100 笼式扶梯当量宽度K 3 400各计算段长度l i /mm 1000 2000 7000 10000 10000 操作平台所在计算段的长度l 0/mm -- -- 7000 10000 10000 平台数0 0 2 2 2 各段平台构件的投影面积∑A/mm 22×9.0×1052×9.0×1052×9.0×105操作平台当量宽度K 4/mm42l A K ∑= 操作平台当量宽度 K 4/mm514.3360360各计算段的有效直径D ei /mmps O si O i ei d K D D δδ224++++=210021002614.324602460432K K D D si Oi ei +++=δ 18201820 2334.3 2180 2180 取大值D ei /mm 2100 2100 2614.3 2460 2460 各计算段顶截面距地面的高度h it /m 13102030风压高度变化系数f i 查表5-231.01.01.01.25 1.42体型系数K 1 0.7 基本风压值 q 0/N/m 2350 塔设备的自振周期 T 1/s 1.68q 0T 12350×1.682=987.84脉动增大系数ξ（B 类） 查课程设计指导书表5-242.17脉动影响系数νi （B 类） 查课程设计指导书表5-24 0.72 0.72 0.72 0.79 0.83 h it /H0.034 0.102 0.341 0.681 1.00 第i 段振型系数φzi根据h it /H 与u 查课程设计指导书表5-250.020.020.170.531.009各计算段的风振系数K 2iizii i f K φξν+=121.031 1.0311.2651.7272.268各计算段的水平风力P i /N602110-⨯=eii i i i D l f q K K P 530.6 1061.2 5674.4 13009.8 19413.6风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算计算内容 计算公式及数据0～11～22～33～44～顶0-0截面的风弯矩0-WM /N ·mm 854321532132121101020.76.19413250007.130091500065004.56742.106120005006.530)2()2()2(2⨯=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=+++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅++++++=-ll l l l P l l l P ll P l P M W 1-1截面的风弯矩11-WM /N ·mm 85432543243232211108.66.19413240008.130********.567455002.10611000)2()2()2(2⨯=⨯+⨯+⨯+⨯=++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅++++++=-ll l l P ll l P l l P l P M W 2-2截面的风弯矩22-WM /N ·mm 8543543433221003.66.19413220008.130********.56743500)2()2(2⨯=⨯+⨯+⨯=+++++=-l l l P ll P l P M W 偏 心 弯 矩计算内容 计算公式及数据偏心质量m e /kg 4000 偏心距e/mm2000偏心弯矩M e /N ·mm710848.7200081.94000⨯=⨯⨯==ge m M e e最 大 弯 矩计算内容计算公式及数据0-0截面 1-1截面 2-2截面 e i i W M M +-7.98×108 7.58×108 6.81×108 e i i W i i E M M M ++--25.0 4.23×108 4.05×108 3.7×108 最大弯矩i i M -max /N ·mm7.98×1087.58×1086.81×108圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核计算内容 计算公式及数据0-0截面1-1截面 2-2截面有效厚度 δei /mm 10 筒体内径D i /mm 1200 计算截面以上的操作质量m 0i-i /kg32230.631818.130770.6 设计压力引起的轴向应力σ1/MPa2410412008.041=⨯⨯==ei i pD δσ 0 024操作质量引起的轴向应力σ2/MPaeii i i D gm δπσ-=02 8.388.27 8.00最大弯矩引起的轴向应力σ3/MPaeii i i D M δπσ2max24-= 70.567.0 60.2载荷组合系数K 1.2系数A3-1056.160010094.0094.0⨯=⨯==i ei R A δ 设计温度下材料的许用（20R ，350℃）， []MPa t86=σ11应力[σ]t /MPa（Q235-A ，350℃），[]MPa t75s =σ75 75 86系数B/MPa（20R ，350℃），135=B（Q235-A ，350℃），135=B135135 135 KB/MPa 162 162 162 K[σ]t /MPa9090 103.2 许用轴向压应力[σ]cr /MPa 取以上两者中小值90 90 103.2 K[σ]t φ/MPa9090103.2圆筒最大组合压应力（σ2+σ3）/MPa对内压塔器[]cr K σσσ≤+32（满足要求） 78.88 75.27 68.20 计算内容 计算公式及数据0-0截面1-1截面2-2截面圆筒最大组合拉应力（σ1—σ2+σ3）/MPa对内压塔器[]φσσσσtK ≤+-321（满足要求）62.2 58.8 76.2塔设备压力试验时的应力校核计算内容计算公式及数据试验介质的密度（介质为水）γ/kg/m 3 1000 液柱高度H w /m 27.53 液柱静压力 γH/9.81/MPa 0.282-2截面最大质量m T 2-2/kg 1.663684.10985.4126787922=--=-T m试验压力p T /MPa [][]44.1921338.025.125.1=⨯⨯==tT pp σσ筒体常温屈服点 σs /MPa245 2-2截面0.9K σs /MPa 264.6 2-2截面KB/MPa162压力试验时圆筒材料的取以上两者中小值许用轴向压应力[σ]cr /MPa162试验压力引起的周向应力σT /MPa4.103102)101200)(1081.953.27100044.1(2))(g (6=⨯+⨯⨯⨯+=++=-eiei i w s T T D H p δδγσ液压试验时：s T K σσ9.04.103<=（满足要求）试验压力引起的轴向应力σT1/MPa 2.43104120044.141=⨯⨯==eii T T D p δσ重力引起的轴向应力σT2/MPa27.1710120081.91.66368222=⨯⨯⨯==-πδπσei i T T D g m 弯矩引起的轴向应力 σT3/MPa93.22101200)10848.71003.63.0(4)3.0(42782223=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=+=-πδπσeii e W T D M M 压力试验时圆筒最大组合应力/MPa85.4892.2227.172.43321=+-=+-T T T σσσ液压试验时：φσσσσs T T T K 9.085.48321<=+-（满足要求）cr T T ][0.4093.2227.1732σσσ<=+=+（满足要求）裙 座 轴 向 应 力 校 核计算内容计算公式及数据0-0截面积A sb /mm 2 41076.3101200⨯=⨯⨯==πδπis is sb D A0-0截面系数Z sb /mm 3 7221013.110120044⨯=⨯⨯==πδπs is sb D ZKB/MPa 162 K[σ]t s /MPa90 裙座许用轴向应力/MPa取以上两者中小值 900-0截面组合应力/MPa KB A g m Z M sb sb <=⨯⨯+⨯⨯=+-32.881076.381.9678791013.11098.7478000max 检查孔加强管长度15013l m /mm检查孔加强管水平方向的最大宽度b m /mm 450 检查孔加强管厚度 δm /mm 12A m36001215022=⨯⨯==m m m l A δ1-1截面处裙座筒体的截面积A sm /mm 24101.4]360012)122450[(2121200])2[(⨯=-⨯⨯+⨯-⨯⨯=-+-=∑πδδδπm es m m es im sm A b D A 1-1截面处的裙座筒体截面系数Z sm /mm 3722221000.2225600150122222⨯=-⨯⨯⨯=⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=m im mes m b D l Z δ h-h 截面处的裙座壳截面系数Z sm /mm 3()7622101.11000.2612004502121200424⨯=⨯-⨯⨯⨯-⨯⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∑πδδπm es im m es im sm Z D b D Z1-1截面组合应力/MPaKB A gm Z M smsm <=⨯⨯+⨯⨯=+--68.48101.481.91.31818100.21058.747811011maxKB82.41101.481.95.67466101.110848.7108.63.03.0477811max 11<=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=++--smsm e W A g m Z M M 基 础 环 设 计计算内容 计算公式及数据裙座内径D is /mm 1200裙座外径D os /mm122412212002=⨯+=+=es is os D D δ基础环外径D ob /mm 15003001200300=+=+=is ob D D 基础环内径D ib /mm 9003001200300=-=-=is is D D基础环伸出宽度b/mm 300)17002300(21)(21=-=-=os ob D D b 相邻两筋板最大外侧间距l /mm250基础环面积A b /mm 2 622221088.1)17002300(4)(4⨯=-=-=ππib ob b D D A基础环截面系数Z b /mm 3844441088.2150032)9001500(32)(⨯=⨯-=-=ππobib ob b D D D Z基础环材料的许用应力[σ]b /MPa []MPa b 75=σ水压试验时压应力 σb1/MPa94.21088.181.9322301088.21098.7688000max 1=⨯⨯+⨯⨯=+=-b b b A g m Z M σ操作时压应力σb2/MPa37.11088.181.9678791088.210848.7102.73.03.06878max 002=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=++=-bb e W b A g m Z M M σ 混凝土基础上的最大压力σbmax /MPa 取以上两者中大值 2.94b/l2.1250/300/==l b矩形板力矩C x 、C y 系数 查表5-27得：C x =-0.0846 C y =0.1120 对X 轴的弯矩M x /N ·mm/mm由b/l 得：2.23852-30094.20846.0-2=⨯⨯=x M 对Y 轴的弯矩M y /N ·mm/mm 由b/l 得：2058025094.21120.02=⨯⨯=yM计算力矩M s /N ·mm/mm取以上两者中大值2238有筋板时基础环厚度/mm31.42752.223856][6=⨯==b s b M σδ 经圆整取42=b δ15地 脚 螺 栓 计 算计算内容计算公式及数据最大拉应力σB1/MPa61.21088.181.9307831088.210848.7102.76878min 001=⨯⨯-⨯⨯+⨯=-+=-bb e W B A g m Z M M σ 最大拉应力σB2/MPa31.11088.184771-81.9322301088.210848.7102.725.01065.125.06878800000002=⨯⨯=-⨯⨯+⨯⨯+⨯=--++=---bV b e W E B A F g m Z M M M σ 基础环中螺栓承受的最大拉应力σB 取以上两者中大值061.2>=B σ 塔设备必须设置地脚螺栓 地脚螺栓个数n40地脚螺栓材料的许用应力[σ]bt /MPa对Q-235A ，取[]MPa bt147=σ地脚螺栓腐蚀裕量C 2/mm地脚螺栓取mm C 32=地脚螺栓螺纹小径d 1/mm[]6.353147401088.161.244621=+⨯⨯⨯⨯⨯=+=πσπσC n A d btbB故取40—M48地脚螺栓满足要求3、设计结果汇总表计 算 结 果塔体圆筒名义厚度 δn /mm12（满足强度和稳定性要求） 塔体封头名义厚度 δhn /mm12（满足强度和稳定性要求） 裙座圆筒名义厚度12（满足强度和稳定性要求）δen/mm基础环名义厚度25（满足强度和稳定性要求）δb/mm地脚螺栓个数40（满足强度和稳定性要求）地脚螺栓公称直径48（满足强度和稳定性要求）d/mm4、设计综述本次是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计，设计结果如汇总表所示。