塔设备强度设计计算模板
塔设备计算实例讲解
《化工设备设计基础》课程设计计算说明书学生姓名：学号：所在学院：专业：设计题目：指导教师：2006 年月日目录一.设计任务书 (2)二.设计参数与结构简图 (4)三.设备的总体设计及结构设计 (5)四.强度计算 (7)五.设计小结 (13)六.参考文献 (14)一、设计任务书1、设计题目根据《化工原理》课程设计工艺计算内容进行填料塔（板式塔）设计。
各个同学按照自己的工艺参数确定设计题目：填料塔（板式塔）DNXXX设计。
设计题目：例：精馏塔（DN1800）设计2、设计任务书2.1设备的总体设计与结构设计（1）根据《化工原理》课程设计，确定塔设备的型式(填料塔、板式塔)；（2）根据化工工艺计算，确定塔板数目(或填料高度)；（3）根据介质的不同，拟定管口方位；（4）结构设计，确定材料。
2.2设备的机械强度设计计算（1）确定塔体、封头的强度计算。
（2）各种开孔接管结构的设计，开孔补强的验算。
（3）设备法兰的型式及尺寸选用；管法兰的选型。
（4）裙式支座的设计验算。
（5）水压试验应力校核。
2.3完成塔设备装配图（1）完成塔设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。
（2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。
3、原始资料3.1《化工原理》课程设计塔工艺计算数据。
3.2参考资料：[1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2003.[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]．[3] GB150-1998.钢制压力容器[S]．[4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.[5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S]．4、文献查阅要求设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。
5、设计成果1、提交设计说明书一份。
2、提交塔设备(填料塔、板式塔)装配图一张(A1)。
二. 设计参数与结构简图1、设计参数本课程设计的工艺条件由化工原理课程设计计算而得。
塔设备机械设计说明
第一章绪论1.1塔设备概述塔设备是石油、化工、轻工等各工业生产中仅次与换热设备的常见设备。
在上述各工业生产过程中，常常需要将原料中间产物或粗产品中的各个组成部分（称为组分）分离出来作为产品或作为进一步生产的精制原料，如石油的分离、粗酒精的提纯等。
这些生产过程称为物质分离过程或物质传递过程，有时还伴有传热和化学反应过程。
传质过程是化学工程中一个重要的基本过程，通常采用蒸馏、吸收、萃取。
以及吸附、离子交换、干燥等方法。
相对应的设备又可称为蒸馏塔、吸收塔、萃取塔等。
在塔设备中所进行的工艺过程虽然各不相同，但从传质的必要条件看，都要求在塔内有足够的时间和足够的空间进行接触，同时为提高传质效果，必须使物料的接触尽可能的密切，接触面积尽可能大。
为此常在塔内设置各种结构形式的内件，以把气体和液体物料分散成许多细小的气泡和液滴。
根据塔内的内件的不同，可将塔设备分为填料塔和板式塔。
在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使两相密切接触，进行传质。
两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。
不论是填料塔还是板式塔，从设备设计角度看，其基本结构可以概括为：（1）塔体，包括圆筒、端盖和联接法兰等；（2）内件，指塔盘或填料及其支承装置；（3）支座，一般为裙式支座；（4）附件，包括人孔、进出料接管、各类仪表接管、液体和气体的分配装置，以及塔外的扶梯、平台、保温层等。
塔体是塔设备的外壳。
常见的塔体是由等直径、等壁厚的圆筒及上、下椭圆形封头所组成。
随着装置的大型化，为了节省材料，也有用不等直径、不等壁厚的塔体。
塔体除应满足工艺条件下的强度要求外，还应校核风力、地震、偏心等载荷作用下的强度和刚度，以及水压试验、吊装、运输、开停车情况下的强度和刚度。
另外对塔体安装的不垂直度和弯曲度也有一定的要求。
支座是塔体的支承并与基础连接的部分，一般采用裙座。
其高度视附属设备（如再沸器、泵等）及管道布置而定。
它承受各种情况下的全塔重量，以及风力、地震等载荷，因此，应有足够的强度和刚度。
塔 设 备 校 核R201
塔釜液面离焊接接头的高度
mm
1500
塔板分段数
1
2
3
4
5
塔板型式
塔板层数
每层塔板上积液厚度
mm
最高一层塔板高度
mm
最低一层塔板高度
mm
填料分段数
1
2
3
4
5
填料顶部高度
mm
4500
填料底部高度
mm
3300
填料密度
kg/m3
150
集中载荷数
1
2
3
4
5
集中载荷
kg
集中载荷高度
mm
集中载荷中心至容器中心线距离
[Pw]= =1.63822
MPa
结论
合格
下封头校核计算
计算单位
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
0.23
MPa
设计温度t
60.00
C
内径Di
3000.00
mm
曲面深度hi
1000.00
mm
材料
S30408 (板材)
设计温度许用应力t
137.00
MPa
试验温度许用应力
注2:
A1:轴向最大组合拉应力A2:轴向最大组合压应力
A3:液压试验时轴向最大组合拉应力A4:液压试验时轴向最大组合压应力
:试验压力引起的周向应力
注3:单位如下
质量: kg力:N弯矩: Nmm应力: MPa
计算结果
地脚螺栓及地脚螺栓座
基础环板抗弯断面模数
mm3
2.16079e+09
T0601过程设备强度计算书
mm
30
盖板宽度
mm
0
垫板
有
垫板上地脚螺栓孔直径
mm
39
垫板厚度
mm
16
垫板宽度
mm
80
基础环板外径
mm
4820
基础环板内径
mm
4420
基础环板名义厚度
mm
30
计算结果
容器壳体强度计算
元件名称
压力设计
名义厚度(mm)
直立容器校核
取用厚度(mm)
许用内压(MPa)
许用外压(MPa)
下封头
15
15
介质密度
kg/m3
909
塔釜液面离焊接接头的高度
mm
50
塔板分段数
1
2
3
4
5
塔板型式
浮阀
塔板层数
33
每层塔板上积液厚度
mm
88
最高一层塔板高度
mm
30570
最低一层塔板高度
mm
3530
填料分段数
1
2
3
4
5
填料顶部高度
mm
填料底部高度
mm
填料密度
kg/m3
集中载荷数
1
2
3
4
5
集中载荷
kg
集中载荷高度
mm
B
地震设防烈度
低于7度
设计地震分组
第一组
地震影响系数最大值max
3.28545e-66
阻尼比
0.01
塔器上平台总个数
5
平台宽度
mm
800
塔器上最高平台高度
mm
塔设备强度计算 裙座基础环和螺栓计算
㈡基础环板设计1. 基础环板内、外径的确定裙座通过基础环将塔体承受的外力传递到混凝土基础上，基础环的主要尺寸为内、外直径（见下图），其大小一般可参考下式选用（4-68）式中：D ob-基础环的外径，mm；D ib-基础环的内径，mm；D is-裙座底截面的外径，mm。
2. 基础环板厚度计算在操作或试压时，基础环板由于设备自重及各种弯矩的作用，在背风侧外缘的压应力最大，其组合轴向压应力为：（4-69）式中：A b-基础环面积，mm2；W b-基础环的截面系数，mm3；（1）基础环板上无筋板基础环板上无筋板时，可将基础环板简化为一悬臂梁，在均布载荷σbmax的作用下，基础环厚度：（4-70）式中：δb-基础环厚度，mm；[σ]b-基础环材料的许用应力，MPa。
对低碳钢取[σ]b=140MPa。
（2）基础环板上有筋板基础环板上有筋板时，筋板可增加裙座底部刚性，从而减薄基础环厚度。
此时，可将基础环板简化为一受均布载荷σbmax作用的矩形板（b×l）。
基础环厚度：（4-71）式中：δb-基础环厚度，mm；M s-计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩M x、M y中绝对值较大者，M x、M y按计算，N·mm/mm。
无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。
㈢地脚螺栓地脚螺栓的作用是使设备能够牢固地固定在基础底座上，以免其受外力作用时发生倾倒。
在风载荷、自重、地震载荷等作用下，塔设备的迎风侧可能出现零值甚至拉力作用，因而必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓。
塔设备在基础面上由螺栓承受的最大拉应力为：（4-72）式中：σB-地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa。
当σB≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定塔设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。
当σB>0时，塔设备必须设置地脚螺栓。
地脚螺栓的螺纹小径可按式（4-73）计算：（4-73）式中：d1-地脚螺栓螺纹小径，mm；C2-地脚螺栓腐蚀裕量，取3mm；n-地脚螺栓个数，一般取4的倍数；对小直径塔设备可取n=6；[σ]bt-地脚螺栓材料的许用应力，选取Q-235-A时，取[σ]bt=147MPa；选取16Mn时，取[σ]bt=170MPa。
塔设备计算机辅助强度计算及校核
图 ２ 材 料 许 用 应 力 的 选 取
图 １ 简体、 封头壁厚计 算
需要指 出的是 ， 进行壁 厚计算时需要 用到设计压力 ， 而界 面 中用 户输入 的是工作压力 ， 设计 压力 的确定是根据工作压力
收 稿 日期 ：０ ７ ０ — ３ ２ ０ — ８ ２
图 ３焊 缝系数 的选取
起的圆筒轴 向应力校核 ， 裙座壳轴 向应力校核及塔器压力试验 时的应力校核 。为了便于操作 ， 本软件将 塔体各危险截面的校
测比例后单击“ 确定 ” 后显示结果 ， 并在图 １ 所示界 面 自动显示 查 询结果 。采用这种查询方式 ， 避免 了用户另外查 阅资料 的麻 烦， 给用户 的操作带来了极大 的方便。 封头包括标准椭 圆封头 、 锥形封头 、 碟形封头等型式 。 封头 参数的确定由两种方式 ， 一种方式是根据用户输入 的参数直接 由公式计算 ， 并将结果显示在相应的文本框 中。另一种是采用 与确定材料许用应力相 同的方 式将 国家标准规定 的封 头的相
１ 塔设 备计 算机 辅助 强度 计算
１１ 简体 、 ． 封头的壁厚计算 进行简 体厚度计算需要先 在如图 １ 所示对 话框 中输 入相 关参数 ， 如工作压力 、 简体直径等 ， 然后单 击“ 确定” 钮 ， 按 程序 开始简体壁厚计算 ， 并将计算结果显示 出来 。同样 ， 单击“ 上封 头 ” 下封头 ” 或“ 也可 以在此界 面中很方便 的得 到上 、 下封 头的
作者简介 ： 吴俊飞（ ９ ８ ） ， １６ 一 男 青岛科 技大学研 究生处副处 长 ， 学博 士， 工 副教授 ， 硕士生导师， 主要研究方向 ： 化工设备安全技术 ， 高压技术 ； 超
付 平（ ９ １ ）女 ， １７ 一 ， 青岛科 技大学 机电学院 ， 硕士 ， 授， 副教 主要研究方 向： 计算机辅助参数化设计 。
第三节 塔体强度校核
（1）风压的计算 ） 计算风压时，对于高度在10m以下的塔，按一段计算，以塔顶部 以下的塔， 计算风压时，对于高度在 以下的塔 按一段计算， 的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过10m的塔体，应以 的塔体， 的风压值作为塔设备的均布风压，对于高度超过 的塔体 10m为一段分段计算，且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。其 为一段分段计算， 为一段分段计算 且将风力简化为作用于整段上的均布载荷。 中任意计算段的风压为： 中任意计算段的风压为：
Doi------塔体各计算段处的外径，m； 塔体各计算段处的外径， ； 塔体各计算段处的外径 Do------塔顶管线外径，m； 塔顶管线外径， δsi ------ 塔设备第i段保温层厚度，m； 段保温层厚度， δps -------塔顶管线保温层厚度，m； 塔顶管线保温层厚度， K3------笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时，可 取K3=0.400m 笼式扶梯当量宽度；当无确切数据时， K4------操作平台当量宽度，m； 操作平台当量宽度， ∑A------第i段内平台构件的投影面积，m2； 段内平台构件的投影面积， L0------操作平台所在计算段的长度，m； 操作平台所在计算段的长度，
1．正确选材 ． 金属材料的耐腐性能，与所接触的介质有关，因此，应根据介质的特性 合理选择。 2．采用覆盖层 ． 覆盖层的作用是将主体与介质隔绝开来。常用的有金属覆盖层与非金属 覆盖层。金属覆盖层是用对某种介质耐蚀性能好的金属材料覆盖在耐蚀性 能较差的金属材料上。常用的方法如电镀、喷镀、不锈钢衬里等。非金属 保护层常用的方法是在设备内部衬以非金属材料或涂防腐涂料。 3．采用电化学保护 ． 电化学保护是通过改变金属材料与介质电极电位来达到保护金属免受电 化学腐蚀的办法。电化学保护分阴极保护和阳极保护两种。其中阴极保护 法应用较多。 4．设计合理的结构 ． 塔设备的腐蚀在很多场合下与它们的结构有关，不合理的结构往往 引起 机械应力、热应力、应力集中和液体的滞留。这些都会加剧或产生腐蚀。 5．添加缓蚀剂 ． 在介质中加入一定量的缓蚀剂，可使设备腐蚀速度降低或停止。
《塔强度设计》
震级
地震规模的大小，由地震能量决定，能量越大、震级就越大。
地震烈度
发生地震时，地区的危害程度、震级越大、该地区距地震中 心的距离（震中距）越小、地质条件越有利于地震波的传播， 地震烈度就越大。
基本烈度 设计烈度
某地区在今后一定时期内，可能遭遇到的最大地震烈度。基 本烈度分为12个等级，12度最高，然后依次降低。当基本 烈度在7度及以上时，就应考虑水平地震分量对塔设备的影 响，当达到8度及以上时，应同时考虑水平和垂直地震分量 对塔设备的影响。
选取塔板间距和塔高
计算塔径
塔盘布置与验算
结构设计
机械设计
六项内容中的前四项属于工艺设计
机械设计内容
1、按设计条件初定塔体壁厚； 2、计算塔在危险截面的总载荷； 3、同时考虑总载荷与操作压力校核塔体壁厚及塔的稳定性； 4、设计裙座、确定地脚螺栓的规格及数量。
本节主要讲载荷分析、塔体和裙座的强度及稳定性校核、塔设备的振动
a. 风压qi
若塔高H≤10m，以塔顶风压作为整个塔的风压； 若H>10m，应从塔底每10m分为一段，按下式分段计算风压；
qi = fi qo 式中：qo ——基本风压，Pa；
fi ——风压随高度变化的系数。
①基本风压qo
qo
1 2
vo2
(qo可直接查表)
式中：ρ——空气密度，kg/m3，随当地的高度和湿度而异，中
国设计规范规定：各地均取一个大气压、10℃
时的干空气密度，即ρ =1.25kg/m3；
vo ——基本风速，m/s，随当地季节和离地面的高度而 异，中国设计规范规定：取当大风速 的平均值。
② 风压随高度变化的系数fi（fi可直接查表）
地表通常是凸凹不平的，当风刮过时，不平的地表对风速、 风压产生阻碍作用，使其产生梯度。研究表明：在一定高度内， 高度越大，风速、风压就越小，风速、风压随高度变化呈指数 关系。
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空塔吊装，如未装保温层、 mmin =m1+0.2m2
平除台m3和、m扶4。梯等，则mmin应扣
+m3+m4 +ma+me
3. 风载荷
室外自支承塔为悬臂梁。 产生风弯矩， 迎风面拉应力， 背风面压应力。
塔背后气流引起周期性旋涡，垂直于
风向的诱发振动弯矩。只在塔H/D较
大、风速较大时较明显，一般可忽略。 考虑两弯矩矢量叠加。
m2:内件质量； m3:保温材料质量； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料； ma:人孔、接管等附件； me:偏心质量； mw:液压试验塔内充液
M0=m1+m2+m3 +m4+m5+ma+me
设备最大质量 （水压试验时）：
Mmax=m1+m2+m3 +m4+mw+ma+me
0.2m2:部分内件焊在塔体 设备最小质量：
当塔高H≤2i
1
vif zi
fi
z-脉动增大系数，按表4-28查取；
Vi-第i段脉动影响系数，按表4-29查 fzi- 第i段振型系数，根据Hi/H与m查表
4-30；
（2）风弯矩
一般习惯自地面起每 隔10m一段，风压定
值。求出风载荷Pi
Pi K1K 2i q0 f i Li Dei 10 6
按第十五章"容器设计基础" 中内压、外压容器的设计方法， 计算塔体和封头的有效厚度。
㈡ 塔设备所承受的各种载荷 计算
以下要讨论的载荷主要有： 操作压力； 质量载荷； 风载荷； 地震载荷； 偏心载荷。
１． 操作压力
➢内压塔，周向及轴向拉应力； ➢外压塔，周向及轴向压应力。 ➢操作压力对裙座不起作用。
地震烈度七度及以上地区，设计 时必须考虑地震载荷。
地震波作用下： 水平方向振动、 垂直方向振动、 扭转
其中以水平方向振动 危害较大。
计算地震力时，仅考 虑水平地震力，并把 塔设备看成是悬臂梁。
（1）水平地震力
实际全塔质量按全 塔或分段均布。
计算地震载荷与计 算风载荷一样， 将全塔沿高度分 成若干段，每一 段质量视为集中 于该段1/2处
有多种振型，任意高度hK处集 中质量mK引起基本振型的水平 地震力 FK1 Cza1hK1mK g
FK1-mK引起的基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
mK-距离地面hK处的集中质量；
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参与系数， hK1
i 1
n
mi hi3
任意截面的风弯矩：
M ii w
Pi
Li 2
Pi1
Li
Li1 2
Pi2
Li
Li1
Li2 2
等直径、等壁厚塔体 和裙座，风弯矩最 大值为最危险截面。
变截面塔体及开有人 孔的裙座体，各个 可疑的截面各自进 行应力校核。
图中0-0、1-1、2-2各 截面都是薄弱部位， 可选为计算截面。
4. 地震载荷
２． 质量载荷
塔设备质量包括：
m1:塔体和裙座质量； m2:内件；m3:保温材料； m4:平台、扶梯质量； m5:操作时塔内物料质量； ma:人孔、接管、法兰等附件质量； me:偏心；mw:液压试验时，塔内充液质量；
操作停修或水压试验等不同工况物料或充 水质量。
m1:塔体和裙座质量； 设备操作时质量：
i 1
a1-对应与塔基本自振周期T1的地震影响系数a值。
（2）垂直地震力
防烈度8度或9度的塔应考虑垂直地震力
塔底截面处垂直地震力：F00 a m max eqg
avmax-垂直地震影响系数最大值， avmax= 0.65amax
meq-塔设备的当量质量， meq=0.75m0
任意质量i处垂直地震力：
Fii
mi hi
n
F00 i 1,2, , n
mk hk
k 1
（3）地震弯矩
任意截面i-i基本振型地震弯矩：
n
M ii Ei
FK1 hK h
i 1
M 00 Ei
16 35
Cza1m0
gH
等直径、等厚度塔的任意截面i-i和底
截面0-0的基本振型地震弯矩：
M ii Ei
8Cza1m0 g
M M
ii W
ii E
Me 0.25MWii
Me
(取大值)
水压试验时间人为选定且时间较 短，在实验情况下最大弯矩取值
M ii max
0.3M
ii W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
3
4M
ii max
175H 2.5
10H 3.5
14H 2.5h 4h3.5
H/D>15，或高度大于等
于20m时，考虑高振型
M ii E
1.25
M
ii Ei
5. 偏心载荷
塔外附属设 塔顶冷凝器偏心安装 塔底外侧悬挂再沸器 偏心载荷引起轴向压
应力和轴向弯矩Me，
M e me ge
㈢ 圆筒的应力
1．塔设备由内压或外压引起的轴向
第八章 塔设备强度设 计计算
主要内容：
➢了解塔所承受载荷的特点。
➢熟悉塔体和裙座承受的各项 载荷计算及强度校核步骤。
➢能够确定塔体和裙座体危险 截面，并掌握塔体壁厚的校 核方法。
一、塔体 强度计算
室外H/D较
大的塔， 操作压力、 质量载荷、 风载荷、 地震载荷 偏心载荷等
㈠ 按设计压力计算筒体及封 头壁厚
应力
1
pc Di
4 ei
2．操作或非操作时，重量及垂直地
震力引起的轴向应力（压应力）
2
m0ii g Fvii
Di ei
3．最大弯矩在筒体内引起的轴向
应力
风弯矩MW、地震弯矩ME、偏心弯矩 Me。
最大平均风速和可能出现的最大地震 烈度，同时达到最大值的几率极小。
通常操作下最大弯矩按下式取值：
M ii max
Pi K1K 2i q0 f i Li Dei 10 6
Pi-水平风力； q0-基本风压值，见表4-26，但 均不应小于250N/ｍ2； fi-风压高度变化系数，表4-27 Li-第计算段长度； Dei-塔各计算段有效直径； K1-体型系数，圆柱直立设备0.7 K2i-各计算段风振系数，
K2i-塔设备各计算段的风振系数，
（1）水平风力的计算
迎风面产生风压。与风速、 空气密度、地区和季节有关。 各地离地面10m处30年一遇 10分钟内平均风速最大值作为计算风压，
得到该地区的基本风压q0，见表4-26。
风速随地面高度而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，视离地面高度的不同乘
以高度变化系数fi，见表4-27。
风压还与塔高度、直径、形状以及自振周 期有关。两相邻计算截面间的水平风力为：