塔设备机械计算
第八章 塔设备的机械设计(化工技术)
塔壁间的密封
碳钢制塔板与 塔盘圈厚度，一 般3-4mm，用不锈 钢时取2-3mm
2
分块式塔盘第八章图\分块塔板一.rm 第八 章图\分块塔板二.rm
塔身为焊制的整体圆筒，塔盘分成数块， 由人孔送入塔内，安装到塔盘固定件上。
塔径在800~900mm以上时建议采用
特点：
1）结构简单，装拆方便 2）制造方便，模具简单
二 裙座设计 结构： 1）座体 2）基础环 3）螺栓座 4）管孔
1
座体设计
初选座体有效厚度δes，然后验算危险
截面应力。
1）
基底为危险截面时,应满足
操作时，
0 0 M max m0 g Fv0 0 t min KB; K S Z sb Asb
水压试验时，
0.3 M
水压试验时，
0.3 M M e m g min 0.9 K s ; KB Z sm Asm
1 1 w 1 1 max
2
基础环设计
基础环尺寸的确定
1）
Dob Dis 160 ~ 400 mm Dib Dis 160 ~ 400 mm
7）稳定条件
ii max
cr
4
塔体拉应力校核
1）假设有效厚度δei
2）计算最大组合轴向拉应力
内压，正常操作时 外压，非操作时
max 1
i i 2
ii 3
max
ii 3
ii 2
• 3）强度校核条件
ii max
K
5）最大组合轴向压应力
外压，正常操作时 max 1
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、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。
塔器吊装计算书
附录5计算说明书一、受力分析及绳扣选择设备主吊简图如下：图1 图2图1是塔器下端各分段主吊简图，图2是塔器上段主吊简图。
件1为管式吊耳，件2和件4为吊装绳扣，件3为平衡梁，件5为板式吊耳，件6为吊装绳扣。
图1所示模型以苯塔Ⅰ段为例进行校核，图2所示模型以白土塔为例进行校核，件3平衡梁单独进行校核，其它各段不逐一校核。
1．苯塔Ⅰ段校核（直立状态受力最大）设备重量G=57.5吨，件1选用φ273×10无缝钢管（20#），长度为L=200mm=20cm（见下图），件2选用φ39mm×18m钢丝绳扣，件4选用φ39mm×20m钢丝绳扣，α为吊装绳扣与水平方向夹角。
1）主吊耳强度校核Gj=K*G=1.1×56=63.3t，K=1.1为动载系数；Q=1/2 Gj=1/2×63.3=31.7t=31700Kg；弯矩为M=Q*L/2=31700*20/2=3.17×105kg.cmφ273×10无缝钢管的抗弯模量为：W=πD3［1-（d/D）4］/32=3.14×27.33［1-（25.3/27.3）4］/32=523.84cm3 弯曲应力σ=M/W=3.17×105/523.84=605.2 kg/ cm2＜[σ]=1700 Kg/cm2；其中，[σ]=1700 Kg/cm2为20#无缝钢管许用弯曲应力。
剪应力τ＝Pcosα/A（此处α＝0）＝31700/82.6=384 Kg/cm2＜[τ]=1000 Kg/cm2组合应力[τ2＋(σM 2+σN2)]1/2＝[3842＋605.22)]1/2＝716Kg/cm2＜[σ]=1000 Kg/cm2；故件1强度满足要求。
2）吊装绳扣强度校核2.1件2选用钢丝绳扣φ39mm×18m一对，每根四股使用（每根工作绳数按3根绳计算）。
每根绳扣受力为：P1=Q=1/2Gj=1/2×63.3=31.7t=31700Kg；单根φ39mm钢丝绳破断拉力为S=52d2=52×392=79092 Kg钢丝绳扣使用安全系数为：n=3S/P=3×79092/31700=7.48≥[n]=6[n]=6为吊装钢丝绳扣许用安全系数。
塔设备的强度计算
Dei== D0+2δsi+K3+K4 Dei== D0+2δsi+K3+K4+d0+2δps
式中：
D0—i —第i段塔式设备外直径 ， mm；
—si —圆筒或圆锥保温层或防火层厚度， mm；
max 1 2 3 K t
MPa
最大组合轴向压应力是在非操作时容器的背风侧，即：
max 2 3 cr
cr
KB
K
t
取其中的较小值
Ｂ按外压容器设计方法求取，可取
计算系数A：A 0.094e
Ri
根据材料按外压容器计算步骤查表取B值，或B= 2 AEt 3
K——载荷组合系数，取K = 1.2 φ——焊接接头系数
高阶振型阻尼比可参照第一节振型选取。
表7—10 对应于设防烈度max 值
设防烈度 设计基本地震加速度 地震综合影响系数最大值 max
7
8
9
0.1g 0.15g 0.2g 0.3g 0.4g
0.08 0.12 0.16 0.24 0.32
表7—9 各类场地土的特征周期 Tg 值
设计地震分组
第一组 第二组 第三组
0.9 0.05 i 0.5 5 i
1 ——直线下降段下降斜率的调整系数，按下式计算
1 0.02 (0.05 i ) / 8 2 ——阻尼调整系数，按下式计算
i ——第i2阶振1型0阻.00.尼605比1，.7i通i 常应根据实测值确定。无实测值时，
一阶振型阻尼比可取 1 0.01 ~ 0.03
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。
塔机的简单计算说明
塔式起重机的金属结构
塔式起重机是各种工程建设， 特别是现代化工业与民用建筑中主要的施工机 械。金属结构是塔式起重机的重要组成部分，通常，其重量占整机重量的一半以 上，耗钢量大。作为整机的骨架，起重机的各种工作机构及零部件安装或支承在 金属结构上，金属结构承受起重机的自重以及工作时的各种外载荷。因此，合理 设计塔式起重机的金属结构，对减轻整机自重，提高性能，扩大功用和节省钢材 都有重要意义。
Mx =
qx (l2 − x ) ql12 x (l − x ) ⋅ x − × + Q2 2 2 2 l2 l2
（10-2 ）
式中
x ——移动载荷作用点至臂架根部铰点的 水平距离。
最大弯矩假 定发生在距臂 架左支点某一距离 x0 处 ，这 一距离可由下 式求得： 令
dM x =0 dx
得
2 l 2 l1 1 x0 = 1 − 2Q2 2 l2 1+ ql2
7
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（四）风载荷 塔式起重机属高耸结构，在计算风载荷时，要考虑风 振的影响，风载荷计算 见 第三章。 塔式起重机的金属结构按 许用应力法设计计算时，一般要进行强 度、刚度和 弹 性稳 定性的验算。对工作 级 别 A6以上的起重机金属结构 还需 进行 疲劳 强度 的 验 算。 为了保证设计计算的可靠 性与合理性，塔式起重机结构的计算载荷，必须选 用 最不利工况时的截荷组合。 对于塔式起重机的金属结构计算，一 般说来，动臂 变幅时臂架和 吊重的切向 惯 性载荷和径向 离心力、回转时臂架和吊 重的径向离心 力，对支承反力和杆件内 力 的影响都很小 ，可以忽略不 计。轨道式塔式起重机的轨道坡 度不超过0.5%时， 不 计算坡道载荷。附着 式塔式起重机 不考虑基础倾斜。安装载荷和地 震载荷只在 特 殊条件下才作计算。
塔设备的机械设计
阶梯环：一头为鲍尔环，一头翻卷，由于不对 称，装入塔内可减少填料环相互重叠，使填料 表面得以充分利用，同时增大了空隙，使压降 降低，传质效率提高。
鞍形填料：这种填料重迭部分少，空隙率大，利 用率高。它有两种形式，一种是矩鞍环，一种是 弧鞍环，都是敞开式填料，这种填料比拉西环传 质效率的波纹成４５°，盘与盘之间成９０°排列，结 构紧凑，比表面积大。传质好，且可根据物料温 度及腐蚀情况采用不同的材料。
一、 喷淋装置
液体喷淋装置设计的不合理，将导致液体 分布不良，减少填料的润湿面积，增加沟流和 壁流现象，直接影响填料塔的处理能力和分离 效率。液体喷淋装置的结构设计要求是：能使 整个塔截面的填料表面很好润湿，结构简单， 制造维修方便。
塔径DN=300～500mm时，塔节高度L=800～ 1000mm；塔径DN=600～700mm时，塔节高度 L=1200～1500mm。 为方便安装，每个塔节中的塔盘数为5-6块。
降液管的结构有弓形和圆形两类
另设溢流堰圆形降液管
圆形降液管伸出塔盘表面兼作流堰的圆形降液管
图6-5弓形降液管结构
图6-6弓形降液管的液封槽
塔盘结构有整块式和分块式两种。当塔径 在800~900 mm以下时，建议采用整块式塔盘。 当塔径在800~900 mm以上时，人可以在塔内 进行装拆，一般采用分块式塔盘。
1. 整块式塔盘
此种塔的塔体由若干塔节组成，塔节与塔 节之间则用法兰连接。每个塔节中安装若干块 层层叠置起来的塔盘。塔盘与塔盘之间用管子 支承，并保持所需要的间距。图为定距管式支 承塔盘结构。
2．分块式塔盘
在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式 塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板 的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很 不方便。因此，当塔径在800 ～900 mm以上 时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整 体圆筒，不分塔节 。
第六章 塔设备的机械设计
自支承式塔设备的塔体除承受工作介质压力 之外，还承受自重载荷、风载荷、地震载荷及 偏心载荷的作用。
（1）塔设备自重载荷的计算
塔设备的操作质量：
(kg) (6-2) 塔设备水压试验时的质量，这时设备质量最大， 简称设备最大质量 m0 m01 m02 m03 m04 mw ma me (kg) (6-3) 设备吊装时的质量，这时设备质量最小，简称 设备最小质量： m0 m01 0.2m02 m03 m04 ma me (kg) (6-4)
M
00 E
8CZ 1 m0 g (10 H 3.5 14 H 2.5 h 4h3.5 ) 175H 2.5
(Nmm)
底部截面的地震弯矩 16 I I M E CZ 1 mo gH 35
(Nmm)
（3）风载荷的计算
图6-31所示为自支承式塔设备受风压作用 的示意图。塔体会因风压而发生弯曲变形。吹 到塔设备迎风面上的风压值，随设备高度的增 加而增加。为了计算简便，将风压值按设备高 度分为几段，假设每段风压值各自均布于塔设 备的迎风面上，如图所示。
Fk Cz α1k mk g (N )
式中 Ｃz—— 结构综合影响系数，对圆筒形 直立设备取Cz=0. 5； α1—— 对应于塔器基本自振周期T（利用图630查取α1值时，应使T =T1）的地震影响系数 α值； ηk—— 基本震型参与系数；
关于 α—— 地震影响系数，按图6-30确定；图中曲 Tg 0.9 线部分按公式
（6-19）
（4 ）偏心载荷的计算
有些塔设备在顶部悬挂有分离器、热交换 器、冷凝器等附属设备，这些附属设备对塔体 产生偏心载荷。偏心载荷所引起的弯矩为： Me=me g e (6-20) 式中 me—— 偏心质量Kg e—— 偏心质量的重心至塔设备中心线的距离， mm
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第四章塔设备机械设计塔设备设计包括工艺设计和机械设计两方面。
机械设计是把工艺参数、尺寸作为已知条件，在满足工艺条件的前提下，对塔设备进行强度、刚度和稳定性计算，并从制造、安装、检修、使用等方面出发进行机构设计。
4.1设计条件由塔设备工艺设计设计结果，并查相关资料[1],[9]知设计条件如下表。
表4-1 设计条件表4.2设计计算4.2.1全塔计算的分段图4-1 全塔分段示意图塔的计算截面应包括所有危险截面，将全塔分成5段，其计算截面分别为：0-0、1-1、2-2、3-3、4-4。
分段示意图如图4-1。
4.2.2塔体和封头厚度塔内液柱高度：34.23.15.004.05.0=+++=h （m ）液柱静压力：018.034.281.992.783101066=⨯⨯⨯==--gh p H ρ（MPa ） 计算压力：1=+=H c p p p MPa （液柱压力可忽略） 圆筒计算厚度：[]94.60.185.0170220000.12=-⨯⨯⨯=-=c i c p D p φσδ（mm ）圆筒设计厚度：94.8294.6=+=+=C c δδ（mm ） 圆筒名义厚度：108.094.81=∆++=∆++=C c n δδ（mm ） 圆筒有效厚度：8210=-==-=C n e δδ（mm ） 封头计算厚度：[]93.60.15.085.0170220000.15.02=⨯-⨯⨯⨯=-=c i c h p D p φσδ（mm ）封头设计厚度：93.8293.6=+=+=C h hc δδ（mm ） 封头名义厚度：108.093.81=∆++=∆++=C hc hn δδ（mm ） 封头有效厚度：8210=-==-=C hn he δδ（mm ） 4.2.3塔设备质量载荷1. 塔体质量查资料[1],[8]得内径为2000mm ，厚度为10mm 时，单位筒体质量为495kg/m ，单个封头质量为364kg 。
通体质量：5.121275.244951=⨯=m （kg ） 封头质量：72823642=⨯=m （kg ） 裙座质量：14850.34953=⨯=m （kg ）塔体质量：5.1434014857285.1212732101=++=++=m m m m （kg ） 0-1段：49514951-0,01=⨯=m （kg ）1-2段：135436424952-1,01=+⨯=m （kg ） 2-3段：135436424952-1,01=+⨯=m （kg ） 3-4段：4950104954-3,01=⨯=m （kg ） 4-顶段：.55066364.59495-4,01=+⨯=顶m （kg ）2. 塔段内件质量查表5-4得[8],筛板塔塔盘质量2/65m kg q N =，则 塔体内件质量：81646540444202=⨯⨯⨯=⨯⨯=ππN i q N D m （kg ）2-3段：5.10206554432,02=⨯⨯⨯=-πm （kg ） 3-4段：9.387765194443,02=⨯⨯⨯=-πm （kg ） 4-顶段：6.32656516444,02=⨯⨯⨯=-π顶m （kg ）3. 保温层质量()()[]()()()()kg V V H D D m f f n i s ni 5.51163001729.15459.123005.2402.222.242222422212202203=⨯-⨯+⨯⨯-=-++-++=πρρδδδπ1-2段：()9.1113001729.15459.121,03=⨯-=-m （kg ） 2-3段：()5.9983005202.222.242232,03=⨯⨯-⨯=-πm （kg ） 3-4段：()199********.222.242243,03=⨯⨯-⨯=-πm （kg ）4-顶段：1.200919975.9989.1115.51164,03=---=-顶m （kg ）4. 平台和扶梯质量查表5-4得[8],平台质量2/150m kg q P = 笼式扶梯质量2/40m kg q F = 平台数6=n 笼式扶梯总高度m H F 65.26=()()[]()()kg H q nq D B D m F F P ni n i 7.503365.264015062122.202.4421222224222204=⨯+⨯⨯⨯-=⨯+⨯++-+++=πδδδδπ0-1段：4014010,04=⨯=-m （kg ） 1-2段：8024021,04=⨯=-m （kg ）2-3段：()3.86154015012122.202.442232,04=⨯+⨯⨯⨯-⨯=-πm （kg ） 3-4段：()6.172210401502222.202.442243,04=⨯+⨯⨯-⨯=-πm （kg ）4-顶段：()8.232965.8401502322.202.44224,04=⨯+⨯⨯-⨯=-π顶m （kg ）5. 操作时塔内物料质量()()()kg V h N h Di m f L 1322792.7831729.18.1408.092.783444110205=⨯++⨯⨯⨯⨯=++=πρρπ1-2段：5.91992.7831729.121,05=⨯=-m （kg ） 2-3段：()3.54158.1508.092.7834432,05=+⨯⨯⨯⨯=-πm （kg ） 3-4段：5.37411908.092.7834443,05=⨯⨯⨯⨯=-πm （kg ） 4-顶段：7.31501608.092.783444,05=⨯⨯⨯⨯=-π顶m （kg ）6. 人孔等附件的质量1.35855.1434025.025.001=⨯==m m a （kg ） 0-1段：8.12349525.025.010,0110,=⨯==--m m a （kg ） 1-2段：5.338135425.025.021,0121,=⨯==--m m a （kg ）2-3段：8.618247525.025.032,0132,=⨯==--m m a （kg ） 3-4段：5.1237495025.025.043,0143,=⨯==--m m a （kg ）4-顶段：.61266.5506625.025.0-4,01-4,=⨯==顶顶m m a （kg ）7. 充液质量()kg V H Di m Wf W W 8.7927510001729.110005.2444402=⨯+⨯⨯⨯=+=πρρπ1-2段：9.117210001729.121,=⨯=-W m （kg ） 2-3段：157001000514.332,=⨯⨯=-W m （kg ） 3-4段：3140010001014.343,=⨯⨯=-W m （kg ）4-顶段：.9310021000729.111000.5914.34,=⨯+⨯⨯=-顶W m （kg ）8. 偏心质量已知再沸器：kg m e 4000=1-2段：140021,=-e m （kg ） 2-3段：260032,=-e m （kg ）9. 操作质量()kg m m m m m m m m ea 8.5346640001.3585132277.50335.511681645.1434005040302010=++++++=++++++=同理可得各段的操作质量如下：8.65810,0=-m （kg ），9.420321,0=-m （kg ），4.1398932,0=-m （kg ） 5.1752643,0=-m （kg ），.3170884,0=-顶m （kg ）10. 最小质量()kg m m m m m m m ea 6.3370840001.35857.50335.511681642.05.143402.004030201min =++++⨯+=+++++=同理可得各段的最小质量如下：8.65810min,=-m （kg ），4.328421min,=-m （kg ），7.775732min,=-m （kg ）68.1068243min,=-m （kg ），12.113254min,=-顶m （kg ）11. 最大质量()kg m m m m m m m m ea W 6.11951540001.35858.792757.50335.511681645.1434004030201max =+++++⨯+=++++++=同理可得各段的最小质量如下：8.65810max,=-m （kg ），3.445721max,=-m （kg ），1.2427432max,=-m （kg ） 4518543m ax,=-m （kg ），5.449404max,=-顶m （kg ）综上可知塔的各种质量载荷计算结果如表4-2所示。
表4-2 质量载荷计算结果4.2.4自振周期33011033.90-⨯=DiE Hm HT e δ式中H –––––塔设备高度，mm m 0 –––––操作质量，kgE –––––设计温度下弹性模量，MPa D i –––––塔体内径，mm δ–––––塔体有效厚度，mm()s Di E H m H T e 89.01020008109.1280008.534662800033.901033.903353301=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=--δ4.2.10 地震载荷与地震弯矩 1. 水平地震力g m C F K K Z K 111ηα=式中C Z –––––综合影响系数，取C Z =0.5；m K –––––距离地面h K 处的集中质量，kg ；α1 –––––对应于塔设备基本自振周期T 1的地震影响系数α值；max 9.01αα⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=TT gαmax –––––地震影响系数的最大值，设计烈度8度时取αmax =0.45； T g –––––各类场地土的特征周期，Ⅱ累场地、近震时取T g =0.3。
ηK1–––––基本振型参与系数；∑∑===ni ii ni iiKK hm hm h 1315.15.11η09.02.0169.045.089.03.0max 9.0max 9.01=>=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=αααTT g表4-3 Excel 计算水平地震力过程及结果以0--1段为例进行计算：00412.010488.210167.950017105.11315.15.111⨯⨯⨯==∑∑==ni ii ni ii K K hm h m hη25.281.98.65800412.0169.05.0111=⨯⨯⨯⨯==g m C F K K Z K ηα（N ）其他段由Excel 计算过程及结果如表4-3。
2. 垂直地震力塔设备底截面处垂直地震力可由下式计算：g m F eq V V••=-α0式中m ax V α –––––垂直地震影响系数最大值，取max max 65.0αα=V ；eq m –––––塔设备的当量质量，取075.0m m eq =kg 。