1、 化 工 设 备 基 础 及 设 计 课 程 设 计设计题目学 院 _ 专 业 _ 班 级 _ 姓 名 _ 学 号 _ 同组成员 _ 指导教师 _ 2012 年 6 月 18 日1目录板式塔设备机械设计任务书 11. 设计任务及操作条件 12. 设计内容 .13. 设计要求 11、塔的设计条件及主要物性参数表 22、塔设备设计计算程序及步骤 3按设计压力计算塔体和封头厚度 .3塔设备质量载荷计算 .3自振周期计算 .5地震载荷与地震弯矩计算 .5风载荷与风弯矩计算 .7偏心弯矩 .9最大弯矩 .9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
2、础环设计 .14地脚螺栓计算 153、设计结果汇总表 164、主要符号说明 175、设计评论 186、参考资料.18附图 1 浮阀塔装配图1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i1600mm，塔高 30m，工作压力为 1.1MPa，设计温度为 300，介质为原油，安装在广州郊区，地震强度为 8 度，塔内安装 55 层浮阀塔板，塔体材料选用 16MnR，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；（
3、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（2图纸）21、塔的设计条件及主要物性参数表将全塔分为 6 段，计算截面分别为00、11、22、33、44、55、 。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 Di 1600mm塔体高度 H 30000mm工作压力 po 1.1MPa设
4、计压力 p 1.2MPa设计温度 t 300材 料 16MnR 170MPa许用应力 t 144MPa设计温度下弹性模量 E 1.79105MPa常温屈服点 s 325MPa塔体厚度附加量 C 1.8mm塔体焊接接头系数 1.0介质密度 810kg/m3塔盘数 N 55每块塔盘存留介质层高度 hw 100mm基本风压值 q0 500N/m2地震设防烈度 8 度场地土类别 类偏心质量 me 4000kg偏心矩 e 2000mm塔外保温层厚度 s 100mm保温材料密度 s 300kg/m3材料 Q235-A许用应力 st 86MPa常温屈服点 s 235MPa设计温度下弹性模量 Es裙座厚度附加
5、量 Cs 1.8mm3人孔、平台数 6材料 Q235-A许用应力 bt 147MPa腐蚀裕量 C2 3mm地脚螺栓 个数 n 162、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 计算公式及数据液注静压力 pH/MPa 可忽略计算压力 pc/MPa 2.1ppHc圆筒计算厚度 /mm 70.621.42ctiD圆筒设计厚度 c/mm 58.706Cn圆筒名义厚度 n/mm 1圆筒有效厚度 e/mm 2.1ne封头的计算厚度 h/mm68.215.0465.02 ctichpD封头设计厚度 hc/mm 8.16.Chc封头名义厚度 hn/mm 10n封头有效厚度 he/mm 2.
6、he塔 设 备 质 量 载 荷 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4(顶 )塔段内直径 Di/mm 1600塔段名义厚度 ni/mm 10塔段长度 li/mm 1000 2000 7000 10000 10400塔体高度 H1/mm 30400筒体密度 /kg/m 34单位筒体质量m1m/kg/m 397筒体高度 H1/mm 26460筒体质量 m1/kg 62.1054.263971封头质量 m2/kg 2裙座高度 H3/mm 3000塔 设 备 质 量 载 荷 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4（顶）裙座质量m3/kg9373 82.159.60.54
7、3210 m塔体质量m01/kg 397 1114.1 2779 3970 4290.16.8297.1420NiqD(浮阀塔盘质量 )【3】2/75mkg塔段内件质量 m02/kg 1125 1500 1500m25.43 30)5864.9.0(2346.2).18( )( 032203 HDDnisni03封头保温层质量， （kg） 【4】保温层质量m03/kg 34.05 1134.2 1620.2 1654.2平台质量 qp150kg/m 2 笼式扶梯质量 qF40kg/m平台数量 n6 笼式扶梯高度 HF39m50183946. )1.02.6.1()022( ()203 Fpni
8、i HDBDm平台、扶梯质量 m04/kg40 80 1432.8 1552.8 1552.852.10580564.810).(6410205fwi VhNDm操作时塔内物料质量m05/kg 469.12 5305.3 6109.2 6578.3按经验取附件质量为： 96.3082.1501ma人孔、接管、法兰等附件质量 ma/kg 45.68 278.53 694.75 992.5 1072.5塔 设 备 质 量 载 荷 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4顶8.543610586.0.20wfiwVHD充液质量mw/kg 1172.8 14067 20096 21268
9、.8再沸器：m e 4000偏心质量me/kg 4000 4928 4096.382.1053.582.436.9.135000 eam操作质量m0/kg482.68 1975.8 16471 15744.7 1664827.30451 4096.382.501.436.89.030min eam最小质量mmin/kg482.68 1506.68 10265.67 8435.5 8869.697.9142 4095.38.54632.0185.436.8900max eaw最大质量mmax/kg482.68 2679.5 22454 29731.5 31338.5自 振 周 期 计 算计算内容
10、 计算公式及数据塔体内直径 16006Di/mm塔体有效厚度 e/mm 8.2塔设备高度H， mm 30400操作质量m0/kg 49288.1塔设备的自振周期 T1/s 517. 1062.81079.343049. 3530ieDEHm地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算各段操作质量 mi/kg 1162 3852 20132 20258 19860各点距地面高度 hi/mm 500 2000 6500 15000 25000地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4顶hi1.5 1.12104 8.94104 5.24105 1.84
11、106 3.95106mihi1.5 0.54107 1.77108 0.861010 2.901010 6.581010615.iiA1.0351011hi3 1.25108 8.00109 2.751011 3.381012 1.561013mihi3 0.61011 1.581013 4.51015 5.31016 2.6101761iiB3.181017A/B 3.261075.175.1023iik hhBA基本振型参与系数 k1 0.00365 0.029 0.17 0.60 1.307综合影响系数 CZ 取 CZ0.5【5】地震影响系数最大值 max max 0.45【 5】 （
12、设计烈度为 8 度）各类场地土的特征周期TgTg0.35 【5】 （类场地土、近震时）地震影响系数 10.90.91max max354.1280.1g不得小于1 2.ax1kkFg水平地震力Fk1/N 2.66 140.27 4335.91 15262.54 32419.15地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4顶底截面处地震弯矩/Nm01EMm0 8635.849.0.610EgH截面 11 处地震弯矩/Nm1Em13.52.53.5102.5 . 2.52.538(14)749(0104).201Egh截面 22 处地震弯矩/Nm1EM
13、m3.52.53.51.5 . 2.52.538(14)79(014003)7.41EgHh风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算8计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4顶各计算段的外径DOi/mm60160OiinD塔顶管线外径dO/mm 400第 i 段保温层厚度 si/mm 100管线保温层厚度 ps/mm 100笼式扶梯当量宽度 K3 400各计算段长度li/mm 1000 2000 7000 10000 10400操作平台所在计算段的长度l0/mm 2000 7000 10000 10400平台数 0 1 1 2 2各段平台构件的投影面积A/mm 20 9105 9105 18
14、105 18105风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算计算公式及数据计算内容01 12 23 34 4顶操作平台当量宽度 K4/mm 04lAK操作平台当量宽度 K4/mm 0 900 257 360 346psOsiOiei dD2242420 3320 2677.1 2780 276643Ksiiei各计算段的有效直径 Dei/mm2220 3120 2477.1 2580 2566各计算段顶截面距地面的高度 1 3 10 20 30.49hit/m根据 hit 查课程设计指导书表 5-23【6】风压高度变化系数 fi 1.0 1.0 1.0 1.25 1.42体型系数 K1 0.7基本风压
15、值q0/N/m2 500塔设备的自振周期 T1/s 1.517q0T12 1150.6查课程设计指导书表 5-24【6】脉动增大系数（B 类） 2.57查课程设计指导书表 5-25【6】脉动影响系数 i（B 类） 0.72 0.72 0.72 0.79 0.83hit/H 0.033 0.098 0.33 0.66 1u 1.0根据 hit/H 与 u 查课程设计指导书表 5-26【6】第 i 段振型系数 zi 0.02 0.02 0.18 0.52 1izifK12各计算段的风振系数 K2i1.037 1.037 1.333 1.845 2.50260211eiii DlfqP各计算段的水平
16、风力 Pi/N 878.3 2409.9 8743 22439.8 35770.8风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算计算内容 计算公式及数据01 12 23 34 4顶0-0 截面的风弯矩/Nm0WMm31551249()()087.09.608743150337.WlllPPll101-1 截面的风弯矩/Nm1WMm132 4423552349()()0.08710239.81.Wll lPPlll2-2 截面的风弯矩/Nm2Wm23 545349()()225087109.8+037.81.Wl llPPl偏 心 弯 矩计算内容 计算公式及数据偏心质量 me/kg 4000偏心距 e/mm
17、 2000偏心弯矩Me/Nmm7409.8120.8410eg最 大 弯 矩计算公式及数据计算内容0-0 截面 1-1 截面 2-2 截面eiW1.38109 1.31109 1.17109eiiEM25.01.26109 1.22109 1.09109最大弯矩 /Nmmimax1.38109 1.31109 1.17109圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核计算公式及数据计算内容0-0 截面 1-1 截面 2-2 截面有效厚度 ei/mm8.2筒体内径Di/mm1600计算截面以上的操作质量m0i-i/kg49288.1 48805.4 46608.6111.216058.44iepD设计压力引起
18、的轴向应力 1/MPa 0 0 58.54eiigm2操作质量引起的轴向应力 2/MPa 11.74 11.62 11.09eiiDM2max4最大弯矩引起的轴向应力 3/MPa 83.44 79.39 70.89载荷组合系数K1.2系数 A 0.94.8.20964eiR（16MnR，300 ） ， 【7】1tMPa（Q235-A，300） ， 【7】86t设计温度下材料的许用应力 t/MPa86 86 144（16MnR，300 ） ， 【8】10B（Q235-A，300） ， 【8】系数 B/MPa81 81 108KB/MPa 97.2 97.2 129.6K t/MPa 103.2
19、103.2 172.8取以上两者中小值许用轴向压应力 cr/MPa 97.2 97.2 129.6K t/MPa 103.2 103.2 172.8对内压塔器 （满足要求）crK32圆筒最大组合压应力（ 2+ 3）/MPa95.18 91.01 81.98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12对内压塔器 （满足要求）tK321圆筒最大组合拉应力（ 1 2+ 3）/MPa71.7 67.77 118.34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）/kg/cm 30.001液柱高度 H/cm 4000液柱
20、静压力Hg/MPa 0.39有效厚度 ei/mm 8.2筒体内径 Di/mm 16002-2 截面最大质量mT2-2/kg52.867.296.487.9122 Tm试验压力 pT/MPa .140.5. tTp筒体常温屈服点 s/MPa 3452-2 截面0.9K s/MPa 372.62-2 截面 KB/MPa 97.2取以上两者中小值压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力 cr/MPa 97.6试验压力引起的周向应力 T/MPa 81.2.82).160)(397.(eieiTDHgp液压试验时： （满足要求）sTK9.13试验压力引起的轴向应力 T1/MPa34.862.41071eiTD
21、p重力引起的轴向应力 T2/MPa02.1.81609572eiTgm塔设备压力试验时的应力校核计算内容 计算公式及数据弯矩引起的轴向应力 T3/MPa 56.302.8160)10479.3(4).(4 72eiWTDM.95.32.4.8321 TT液压试验时： （满足要求）sTK.08.1压力试验时圆筒最大组合应力/MPa（满足要求）crT 56.0.32裙 座 轴 向 应 力 校 核计算内容 计算公式及数据裙座有效厚度 es/mm 8.2裙座筒体内径 Dis/mm 16000-0 截面积 Asb/mm2 52 104.28160issb0-0 截面系数 Zsb/mm3 764sisDK
22、B/MPa 97.2K ts/MPa 103.2取以上两者中小值裙座许用轴向应力/MPa 97.20-0 截面最大弯矩/Nmm0maxM91027.0-0 截面操作质量 m00-0/kg 492880-0 截面组合应力/MPa KBAgZMsbs 40.914.08.92165.2750ax14检查孔加强管长度lm/mm 120【9】检查孔加强管水平方向的最大宽度 bm/mm 450【9】检查孔加强管厚度 m/mm 12【9】裙座内直径 Dim/mm 1600裙 座 轴 向 应 力 校 核计算内容 计算公式及数据Am 28012mlA1-1 截面处裙座筒体的截面积 Asm/mm2 41092.
23、3 280.)15(.6)mesesis AbDZm 62221048. 52mimesblZ1-1 截面处的裙座筒体截面系数 Zsm/mm3 7 62104. 1048.16045.86 mesimesims ZDbZ1-1 截面最大弯矩/Nmm1maxM1.231091-1 截面处的风弯矩/Nmm1W 1.221091-1 截面以上操作质量/kg10m492421-1 截面以上最大质量/kg1ax 9138415KBAgmZMss 0.9612.38.49107.24101ax1-1 截面组合应力/MPa 2.97351092.38410483779maxsseWAgZ基 础 环 设 计计
24、算内容 计算公式及数据裙座内径 Dis/mm 1600裙座外径 Dos/mm 4.16.821602esisosD基础环外径 Dob/mm 93isb基础环内径 Dib/mm 3isi基础环伸出宽度 b/mm 142)610(2)(21osbD相邻两筋板最大外侧间距 l/mm 160【9】基础环面积 Ab/mm2 6222 1057.)130(4)(4 ibob基础环截面系数Zb/mm384.93obibDZ最大质量 mmax/kg 91429.7操作质量 m0/kg 492880-0 截面的风弯矩/Nmm0WM1.2971090-0 截面最大弯矩/Nmm0max 1.38109偏心弯矩 Me
25、/Nmm 7.848107基础环材料的许用应力 b/MPa【10】MPab14016水压试验时压应力 b1/MPa 92. 1057.8.942105.386900max1bbbAgZM操作时压应力 b2/MPa 3.11057.8.94210.58.7.03679max0bbeWb取以上两者中大值混凝土基础上的最大压力 bmax/MPa 2.92b/l 825.06/lb基 础 环 设 计计算内容 计算公式及数据2maxb 08.7139.22maxbl 456l对 X 轴的弯矩Mx/Nmm/mm由 b/l 得： 【11】 6.407.2. xM对 Y 轴的弯矩My/Nmm/mm由 b/l
26、得： 【11】 .583974081.y取以上两者中大值计算力矩Ms/Nmm/mm 8407.6有筋板时基础环厚度/mm 经圆整取98.1406.876bsbM 20b地 脚 螺 栓 计 算计算内容 计算公式及数据最小质量 mmin/kg 30451.27操作质量 m0/mm 492880-0 截面的风弯矩/Nmm0WM1.297109底截面处地震弯矩/Nmm01E 8.6010817偏心弯矩 Me/Nmm 7.848107最大拉应力 B1/MPa 79.21057.8.9234103.58.1679min0bbeWBAgZM最大拉应力 B2/MPa 06.2 1057.8.942103.58
27、.7291.8. 67800 bVbeWEB AFgZ取以上两者中大值基础环中螺栓承受的最大拉应力 B 塔设备必须设置地脚螺栓79.B地 脚 螺 栓 计 算计算内容 计算公式及数据地脚螺栓个数 n 36【12】地脚螺栓材料的许用应力 bt/MPa对 Q-235A，取 MPabt147地脚螺栓腐蚀裕量C2/mm地脚螺栓取 mC32地脚螺栓螺纹小径d1/mm 81.3417609.4421 nAdbtB故取 36M42 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 n/mm 10（满足强度和稳定性要求）塔体封头名义厚度 hn/mm 10（满足强度和稳定性要求）裙座圆筒名义厚度
28、en/mm 10（满足强度和稳定性要求）18基础环名义厚度 b/mm 20（满足强度和稳定性要求）地脚螺栓个数 36（满足强度和稳定性要求）地脚螺栓公称直径d/mm 42（满足强度和稳定性要求）4、主要符号说明 系数，按 GB150 相关章节， 01 壳体和裙座质量， 塔设备壳体内径， 02 内体质量， 基础环内径， 03 保温材料质量， 塔设备壳体直径， 04 平台扶梯质量， 基础环直径， 05 操作时塔内物料质量， 裙座壳体外直径， 塔设备第 i 段的操作质量， 塔顶管线外径， 距地面 处的集中质量， 偏心质量中心至塔设备中心线距离， 塔设备的当量质量， 设计温度下材料的弹性模量， 111
29、任意计算截面 i-i 的基本振型地震弯矩， 风压高度变化系数 001 底截面 0-0 出的地震弯矩， 00 塔设备底截面处的垂直地震力， 11 任意计算截面 I-I 处的风弯矩， 11 塔设备任意计算截面处垂直地震力，00 底截面 0-0 处的风弯矩， 1 集中质量 引起的基本振型水平地震力 00任意计算截面 I-I 处的最大弯矩， 重力加速度，取 =9.81 0 基本风压值， /2 塔设备高度， 基础环计算厚度， 塔设备顶部至第 i 段底截面的距离， 圆筒的有效厚度， 塔设备第 i 段顶截面距地面的高度， 分头的有效厚度， 塔设备第 i 段集中质量距地面高度， 裙座的有效厚度， 、 1地 i
30、 段、第 i-1 段的截面惯性距， 圆筒的名义厚度， 194 载荷组合系数，取 =1.2 封头的名义厚度， 1 体型系数， 1=0.7 裙座的名义厚度， 3 笼式扶梯当量宽度， 3=400 管线保温层厚度， 4 操作平台当量质量， 塔设备第 i 段保温层厚度， 第 i 计算段长度， 1 由内压和外压引起的轴向应力， 操作平台所在计算段的长度， 2 重力及垂直地震力引起的轴向应力， 人空、接管、法兰等附属件质量，3 最大弯矩引起的轴向应力， 偏心质量， 试验压力引起的周向应力， 塔设备操作质量， 设计温度下圆筒材料的许用轴向压应力 液压试验时，塔设备内充液质量， 试验介质的密度， /35、设计评
31、论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。其中地脚螺栓的个数根据化工设备设计全书塔设备中的裙座地脚螺栓个数表中查取得：裙座底部内直径为 1600mm 时，地脚螺栓取 36 个，这样可能会导致裙座底部基础环所受的局部应力不均匀，但是通过校核计算并圆整得到地脚螺栓的公称直径为 42mm，故选用 M-42 的大直径地脚螺栓才能满足强度和稳定性要求。另外，对塔体焊接接头系数的选取问题，原本我组是选择 =0.85 的，事实上也是系数为 0.85 的会相对比较常用且经济，但是在做圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核时，许用轴向压应力校核不过关，这才将塔体焊接接头系数改为 1.0，这样的话就能满
32、足圆筒的强度要求了。这次课程设计的计算量虽然比较大，但我觉得最棘手的是要查表的数据很多，在这里耗费了比较多的时间，不过我们组三位成员一起分工协作，数据处理的部分相对比较快。通过这次课程设计，我不但学会了蒸馏塔的初步设计流程，巩固了化工机械基础的相关知识，还体会到了团结协作的重要性，获益良多。206、参考资料1 陈国恒主编化工机械基础第二版北京：化学工业出版社，20061，1031032 全国压力容器标准化技术委员会钢制压力容器用封头（JB/T4746-2002） ，20028，39393 蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，60604 蔡纪宁 张秋
33、翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，1021045 蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，61616 蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，63647 陈国恒主编化工机械基础第二版北京：化学工业出版社，20061，2993018 陈国恒主编化工机械基础第二版北京：化学工业出版社，20061，1691719 蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，808110陈国恒主编化工机械基础第二版北京：化学工业出版社，20061，12512511蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，20006，686812路秀林 王者相主编化工设备设计全书塔设备北京：化学工业出版社，20041，324327
