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.......................................................................... 2 2、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 按设计压力计算塔体和封头壁厚......................................................................... 4 自 振 周 期 计 算............................................................................................... 6 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算................................................................. 6 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算................................................................. 8 风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算............................................................................. 8 风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算........................................................................... 10 偏 心 弯 矩......................................................................................................... 10 最 大 弯 矩......................................................................................................... 11 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核................................................................... 11 塔设备压力试验时的应力校核........................................................................... 12 裙 座 轴 向 应 力 校 核................................................................................. 13 基 础 环 设 计................................................................................................... 14 地 脚 螺 栓 计 算............................................................................................. 16 3、设计结果汇总表.................................................................................................... 16 4、设计综述................................................................................................................ 17 5、参考资料................................................................................................................ 17 6、主要符号说明........................................................................................................ 18

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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）

1

1、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 塔体内径Di 塔体高度H 工作压力p0 设计压力p 设计温度t 材 料 塔体 许用应力 [σ] [σ]t s 分段示意图 1200mm 3000mm 0.8MPa 0.8MPa 350℃ 20R 133MPa 92MPa 设计温度下弹性模量E 常温屈服点σ厚度附加量C 塔体焊接接头系数φ 介质密度ρ 塔盘数N 1.73×105MPa 245MPa 2mm 0.85 810kg/m3 50 100mm 250N/m2 7度 0.2 II类 B类 4000kg 2000mm （分段示意图在附图中） 每块塔盘存留介质层高度hw 基本风压值q0 地震设防烈度 设计基本地震加速度 场地类别 地面粗糙度 偏心质量me 偏心矩e 塔外保温层厚度δ保温材料密度ρ材料 裙座 许用应力[σ]st 常温屈服点σs 设计温度下弹性模量Es

s s 100mm 300kg/m3 Q235-A 140MPa 235MPa 2

厚度附加量Cs 人孔、平台数 地脚螺栓 材料 许用应力 个数n [σ]bt 腐蚀裕量C2 2mm 6 Q235-A 147MPa 3mm 40 2、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 塔内液柱高度h/m 液注静压力pH/MPa 计算压力pc/MPa 圆筒计算厚度δ/mm 圆筒设计厚度δc/mm 圆筒名义厚度δn/mm 圆筒有效厚度δe/mm 可忽略 可忽略 计算公式及数据 pcppHp0.8 pcDi0.812006.16 t2[]pc2920.850.8cC6.1628.16 n12 enC12210 pcDi0.812006.15 2[]t0.5pc2920.850.50.8封头的计算厚度δh/mm h封头设计厚度δ封头名义厚度δ封头有效厚度δhc/mm hn/mm he/mm hchC6.1528.15 hn12 hehnC12210 塔 设 备 质 量 载 荷 计 算

计算内容

3

计算公式及数据

1(0~1) 塔段内直径Di/mm 塔段名义厚度δni/mm 塔段长度li/mm 塔设备高度H/mm 1单位筒体质量 m1m/kg/m 筒体高度H1/mm 筒体质量m1/kg 封头质量m2/kg 裙座高度H3/mm 裙座质量m3/kg 塔体质量m01/kg 1000 2(1~2) 3(2~3) 4(3~4) 5(4~5) 1200 10 2000 7000 10000 10000 30000 298 29350 m129829.358746.3 m21372274 3000 m32983.04 m01m1m2m38746.327449914.3 298 m02596 2086 2980 3954.3 4DiNqN241.2250754241.15塔段内件质量m02/kg (浮阀塔盘质量qN75kg/m2) -- -- 1102.7 1611.6 1526.85 m03保温层质量m03/kg 4[(Di2n2s)2(Di2n)2]H022m03[(1.2220.01020.1)2(1.220.010)2]29.75030042(0.32080.2545)30022-- 18.9 m03'——封头保温层质量，（kg） 2302.9 32.5 3310.7 按设计压力计算塔体和封头壁厚

平台、扶梯质平台质量qp＝150kg/m2 笼式扶梯质量qF＝40kg/m 量m04/kg 平台数量n＝6 笼式扶梯高度HF＝29m

4

m041[(Di2n22B)2(Di2n2)2]nqpqFHF424(2.020.01020.006)2]0.5615040294620[(2.020.01020.00620.9)2 40 80 21433 1533 1534 m05操作时塔内物料质量m05/kg 4Di(hwNh0)1Vf11.22(0.1501.5)8000.2545800 46084.6-- 203.6 2261 2804 816 按经验取附件质量为： 人孔、接管、法兰等附件质量ma/kg ma0.25m010.259914.32478.6 74.5 149 2521.5 745 988.6 mw充液质量mw/kg 4DiH0w2Vfw1.2229.35100020.25451000 7916 1400 9424 2600 16108.5 － 433703254.5 － － － 偏心质量me/kg 再沸器：me＝4000 m0m01m02m03m04m05mame9914.34241.12246206084.62478.64000操作质量m0/kg 32230.6 412.5 1047.5 11107.1 169.1 12130.5 mminm010.2m02m03m04mame9914.30.24241.12246202478.64000 最小质量mmin/kg 30783.1412.5 843.9 7963.94 11469.8100929.2 97 5

mmaxm01m02m03m04mwmame9914.34241.1224620337032478.64000最大质量mmax/kg 67879 412.5 1098.4 16762.1 22183.1 27422.95 自 振 周 期 计 算

计算内容 T190.33H计算公式及数据 m0H1033EeDi32230.629350103 531.73107.81200塔设备的自振周期T1/s 90.33293501.68 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算

计算内容 各段操作质量mi/kg 计算内容 各点距地面高度hi/mm hi1.5 0~1 412.5 1~2 1047.5 2~3 11167.1 2～3 7000 3~4 4~5 169.1 12130.5 计算公式及数据 0～1 1000 1～2 2000 3～4 10000 4～顶 10000 3.16×8.94×5.24×1.84×1.84×104 104 105 106 106 mihi1.5 Amihii161.51.3×9.36×6.5×1.66×1.21× 107 107 109 1010 1010 3.54×1010 1.0×8.0×3.43×1.0×1.0× 109 109 1011 1012 1012 4.125×1011 8.38×3.81×1.66×1.21× 1011 1015 1016 1016 hi3 mihi3 6

Bmihi 3i163.25×1016 1.08×10－6 A/B 基本振型参与系数η k1 k1A1.51.5hi1.08106hi B0.034 0.096 0.565 1.987 1.987 阻尼比§i 衰减指数γ 0.02 0.90.05-i0.05-0.020.90.957 0.55i0.5-550.02阻尼调整系数η2 210.05-i0.05-0.0211.319 0.061.7i0.061.70.02地震影响系数最大值 ααmax 场地土的特征周期Tg 地震影响系数α（设计烈度为7度,设计基本加速度max＝0.120.15g时） Tg＝0.4（地震分组为第一组，II类场地土） Tg=0.4Fv1-1=任意计算截面i处垂直地震力Fv1-1 0-0截面 18477.80 1-1截面 18457.09 2-2截面 18351.91 Fk1nvi 4-4截面 60.79 5-5截面 ------ 3-3截面 14448.33 地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算

计算内容 底截面处地震弯矩00/N·mm ME计算公式及数据 0～1 00ME1～2 2～3 3～4 4～5 5～顶 16161m0gH0.03932230.69.8129350 35351.6510811ME截面1－1处地震弯矩11/N·mm ME81m0g(10H3.514H2.5h4h3.5)2.5175H80.03932230.69.813.5(1029350 2.5175293502.514293501000410003.5)1.5710822ME截面2－2处地震弯矩22/N·mm ME81m0g3.52.53.5(10H14Hh4h)2.5175H80.03932230.69.813.5(1029350 2.5175293502.514293503000430003.5)1.41108风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算

计算内容 各计算段的外径DOi/mm 塔顶管线外径dO/mm 第i段保温层厚度 δsi/mm

8

计算公式及数据 0～1 1～2 2～3 3～4 4～顶 DOiDi2n12002101220 480 100

管线保温层厚度 δps/mm 100 400 1000 -- 0 0 2000 -- 0 0 7000 7000 2 2×9.0×105 10000 10000 2 2×9.0×105 10000 10000 2 2×9.0×105 笼式扶梯当量宽度K3 各计算段长度li/mm 操作平台所在计算段的长度l0/mm 平台数 各段平台构件的投影面积∑A/mm2 操作平台当量宽度K4/mm 操作平台当量宽度 K4/mm K40 2Al0 0 514.3 360 360 DeiDOi2siK4dO2ps 各计算段的有效直径Dei/mm 2100 2100 2614.3 2460 2460 DeiDOi2siK3K4 1820 1820 2100 3 2334.3 2614.3 10 2180 2460 20 2180 2460 30 取大值Dei/mm 各计算段顶截面距地面的高度hit/m 风压高度变化系数fi 体型系数K1 基本风压值 q0/N/m2 塔设备的自振周期 T1/s q0T12 脉动增大系数ξ（B类） 脉动影响系数ν（ iB类）hit/H 第i段振型系数φzi 2100 1 查表5-231.0 1.0 1.0 0.7 350 1.68 1.25 1.42 350×1.682=987.84 查课程设计指导书表5-24 2.17 查课程设计指导书表5-24 0.72 0.034 0.02 0.72 0.102 0.02 0.72 0.341 0.17 0.79 0.681 0.53 0.83 1.00 1.00 根据hit/H与u查课程设计指导书表5-25 9

各计算段的风振系数K2i 各计算段的水平风力Pi/N K2i1izifi 1.265 1.727 2.268 1.031 1.031 6 PKKqflD10i12i0iiei530.6 1061.2 5674.4 13009.8 19413.6 风 载 荷 与 风 弯 矩 计 算

计算内容 0～1 00MWP1计算公式及数据 1～2 2～3 3～4 4～顶 0-0截面的风弯矩00/N·mm MWll1lP2(l12)P3(l1l23)222lP5(l1l2l3l45)2530.650020001061.25674.4650015000 13009.72500019413.67.2010811MWP21-1截面的风弯矩11/N·mm MWll2lP3(l23)P4(l2l34)222lP5(l2l3l45)210001061.255005674.41400013009.8 2400019413.66.81082-2截面的风弯矩22/N·mm MW22MWP3l3llP4(l34)P5(l3l45)22235005674.41200013009.8 2200019413.66.03108偏 心 弯 矩

计算内容 偏心质量me/kg 偏心距e/mm 计算公式及数据 4000 2000 10

偏心弯矩Me/N·mm Memege40009.8120007.848107 最 大 弯 矩

计算内容 iiMWMe iiiiME0.25MWMe ii最大弯矩Mmax/N·mm 计算公式及数据 0-0截面 7.98×108 4.23×108 7.98×108 1-1截面 7.58×108 4.05×108 7.58×108 2-2截面 6.81×108 3.7×108 6.81×108 圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核

计算内容 有效厚度 δei/mm 筒体内径Di/mm 计算截面以上的操作质量m0i-i/kg 32230.6 计算公式及数据 0-0截面 1-1截面 10 1200 31818.1 30770.6 2-2截面 pDi0.8120024 设计压力引起的轴向应14ei410力σ1/MPa 0 0 iim0g 操作质量引起的轴向应2Diei力σ2/MPa 8.38 24 8.27 8.00 ii4Mmax 最大弯矩引起的轴向应22Diei力σ3/MPa 70.5 67.0 1.2 60.2 载荷组合系数K 系数A A0.094ei0.094101.5610-3 Ri600t设计温度下材料的许用（20R，350℃）， 86MPa 11

应力[σ]t/MPa （Q235-A，350℃），s75MPa t75 75 86 （20R，350℃），B135 系数B/MPa （Q235-A，350℃），B135 135 KB/MPa K[σ]t/MPa 162 90 135 162 90 90 90 135 162 103.2 103.2 103.2 许用轴向压应力取以上两者中小值 [σ]cr/MPa 90 K[σ]tφ/MPa 90 圆筒最大组合压应力对内压塔器23Kcr（满足要求） （σ2+σ3）/MPa 78.88 75.27 68.20 计算内容 0-0截面 计算公式及数据 1-1截面 2-2截面 圆筒最大组合拉应力t对内压塔器123K（满足要求） （σ1—σ2+σ3）/MPa 62.2 58.8 76.2 塔设备压力试验时的应力校核

计算内容 试验介质的密度（介质为水）γ/kg/m3 液柱高度Hw/m 液柱静压力 γH/9.81/MPa 2-2截面最大质量mT2-2/kg 试验压力pT/MPa 筒体常温屈服点 σs/MPa 2-2截面0.9Kσs/MPa 2-2截面KB/MPa 压力试验时圆筒材料的取以上两者中小值

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计算公式及数据 1000 27.53 0.28 22mT67879412.51098.466368.1 pT1.25p1.250.81331.44 92t245 2.6 162

许用轴向压应力[σ]cr/MPa 162 T试验压力引起的周向应力σT/MPa (pTsHwg)(Diei)2ei(1.44100027.539.8110)(120010)103.42106 液压试验时：T103.40.9Ks（满足要求） pD1.441200试验压力引起的轴向应T1Ti43.2 4410力σT1/MPa ei重力引起的轴向应力 σT2/MPa 弯矩引起的轴向应力 σT3/MPa T222mTg66368.19.8117.27 Diei120010224(0.3MWMe)4(0.36.031087.848107)T32 1200210Diei22.93T1T2T343.217.2722.9248.85 压力试验时圆筒最大组液压试验时：T1T2T348.850.9Ks（满足要合应力/MPa 求） T2T317.2722.9340.0[]cr（满足要求） 裙 座 轴 向 应 力 校 核

计算内容 0-0截面积Asb/mm2 0-0截面系数Zsb/mm3 KB/MPa K[σ]ts/MPa 裙座许用轴向应力取以上两者中小值 /MPa 0-0截面组合应力/MPa 检查孔加强管长度

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计算公式及数据 AsbDisis1200103.76104 Zsb4Diss2412002101.13107 162 90 90 00Mmaxm0g7.98108678799.8188.32KB 74ZsbAsb1.13103.7610150

lm/mm 检查孔加强管水平方向的最大宽度bm/mm 检查孔加强管厚度 δm/mm Am 1-1截面处裙座筒体的截面积Asm/mm2 450 12 Am2lmm2150123600 AsmDimes[(bm2m)esAm]1200122[(450212)123600] 4.1104Zm2eslmDimbm22221-1截面处的裙座筒体截面系数Zsm/mm3 21215060022252 2.00107Zsmh-h截面处的裙座壳截面系数Zsm/mm3 2DimesbmDimesZm4212002122450120062.00106 41.11071111Mmaxm0gZsmAsm1-1截面组合应力/MPa 7.581031818.19.8148.68KB742.0104.1108 1110.3MWMem1maxgZsmAsm0.36.81087.84810767466.59.81 1.11074.110441.82KB基 础 环 设 计

计算内容 裙座内径Dis/mm 裙座外径Dos/mm 计算公式及数据 1200 DosDis2es12002121224 14

基础环外径Dob/mm 基础环内径Dib/mm 基础环伸出宽度b/mm 相邻两筋板最大外侧间距l/mm 基础环面积Ab/mm2 基础环截面系数Zb/mm3 基础环材料的许用应力[σ]b/MPa 水压试验时压应力 σb1/MPa DobDis30012003001500 DisDis3001200300900 b11(DobDos)(23001700)300 22250 Ab4(DobDib)224(2300217002)1.88106 Zb(Dob4Dib4)32Dob(150049004)3215002.88108 b75MPa 00Mmaxm0g7.98108322309.81b18ZbAb2.88101.88106 2.94b2操作时压应力σb2/MPa 000.3MWMemmaxgZbAb0.37.21087.848107678799.81 862.88101.88101.372.94 混凝土基础上的最大压取以上两者中大值 力σbmax/MPa b/l b/l300/2501.2 矩形板力矩Cx、Cy系数 查表5-27得：Cx=-0.0846 Cy=0.1120 对X轴的弯矩由b/l得：M-0.08462.943002-22385.2 xMx/N·mm/mm 对Y轴的弯矩由b/l得：M0.11202.94250220580 yMy/N·mm/mm 计算力Ms/N·mm/mm 矩取以上两者中大值 2238 有筋板时基础环厚度6Ms622385.2b42.31 经圆整取b42 []b75/mm 15

地 脚 螺 栓 计 算

计算内容 计算公式及数据 00MWMemmingB1ZbAb最大拉应力σB1/MPa 7.21087.848107307839.81 2.881081.881062.61B2最大拉应力σB2/MPa 0000ME0.25MWMem0gFV00ZbAb1.651080.257.21087.848107 82.8810322309.81-184771.881061.31取以上两者中大值 基础环中螺栓承受的最B2.610 塔设备必须设置地脚螺栓 大拉应力σB 地脚螺栓个数n 40 地脚螺栓材料的许用应对Q-235A，取147MPa bt力[σ]bt/MPa 地脚螺栓腐蚀裕量地脚螺栓取C3mm 2C2/mm 地脚螺栓螺纹小径d1/mm 4BAbd1C2nbt42.611.88106335.6 40147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/mm 塔体封头名义厚度 δhn/mm 裙座圆筒名义厚度

12（满足强度和稳定性要求） 12（满足强度和稳定性要求） 12（满足强度和稳定性要求） 16

δen/mm 基础环名义厚度 δb/mm 地脚螺栓个数 地脚螺栓公称直径 d/mm 25（满足强度和稳定性要求） 40（满足强度和稳定性要求） 48（满足强度和稳定性要求） 4、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。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1200mm时，地脚螺栓取48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48mm，故选用40-M48的大直径地脚螺栓才能满足强度和稳定性要求。 本设计的任务是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。计算量比较大，计算公式繁琐，数据比较大。在计算过程中遇上一些参数是需要从书本的图或表格中查找出，有些数据还需要结合我们的理论课的书本来查找相关系数。在设计的过程中，我们都会遇到各种各样的问题，但是大家一起努力工作的同时，对不懂的问题进行讨论之后，把遇到的问题都解决了。本次设计的收获是在设计过程中，要善于查表和查找相关资料，并认真思考，结合书本以及所学知识解决，这样问题就变得迎刃而解了。

5、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，2006．1，103~103 [2] 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），2002．8，39~39

[3] 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，2000．6，60~60

[4] 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，2004．1，324~327

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6、主要符号说明

系数，按GB150相关章节，错误！未找到引用源。 塔设备壳体内径，错误！未找到引用源。 基础环内径，错误！未找到引用源。 塔设备壳体直径，错误！未找到引用源。 基础环直径，错误！未找到引用源。 裙座壳体外直径，错误！未找到引用源。 内体质量，错误！未找到引用源。 保温材料质量，错误！未找到引用源。 平台扶梯质量，错误！未找到引用源。 操作时塔内物料质量，错误！未找到引用源。 塔设备第i段的操作质量，错误！未找到引用源。 塔顶管线外径，错误！未找到引用源。 距地面错误！未找到引用源。处的集中质量，错误！未找到引用源。 偏心质量中心至塔设备中心线距离，错误！未找到引用源。 设计温度下材料的弹性模量，错误！未找到引用源。 风压高度变化系数 任意计算截面i-i的基本振型地震弯矩，错误！未找到引用源。 底截面0-0出的地震弯矩，错误！未找到引用源。 塔设备底截面处的垂直地震力，错误！未找到引用源。 塔设备任意计算截面处垂直地震力，错误！未找到引用源。 集中质量错误！未找到引用源。引起的基本振型水平地震力错误！未找到引用源。 重力加速度，取错误！未找到引用源。 塔设备高度，错误！未找到引用源。 塔设备顶部至第i段底截面的距离，错误！未找到引用源。 塔设备第i段顶截面距地面的高度，错误！未找到引用源。 塔设备第i段集中质量距地面高度，错误！未找到引用源。 裙座的有效厚度，错误！未找到引用源。 分头的有效厚度，错误！未找到引用源。 基本风压值，错误！未找到引用源。 基础环计算厚度，错误！未找到引用源。 圆筒的有效厚度，错误！未找到引用源。 任意计算截面I-I处的风弯矩，错误！未找到引用源。 底截面0-0处的风弯矩，错误！未找到引用源。 任意计算截面I-I处的最大弯矩，错误！未找到引用源。 塔设备的当量质量，错误！未找到引用源。 壳体和裙座质量，错误！未找到引用源。 18

地i段、第i-1段的截面惯性距，错误！未找到引用源。 载荷组合系数，取错误！未找到引用源。 体型系数，错误！未找到引用源。 笼式扶梯当量宽度，错误！未找到引用源。 操作平台当量质量，错误！未找到引用源。 第i计算段长度，错误！未找到引用源。 圆筒的名义厚度，错误！未找到引用源。 封头的名义厚度，错误！未找到引用源。 裙座的名义厚度，错误！未找到引用源。 管线保温层厚度，错误！未找到引用源。 塔设备第i段保温层厚度，错误！未找到引用源。 由内压和外压引起的轴向应力，错误！未找到引用源。 操作平台所在计算段的长度，错误！未找到引用源。 人空、接管、法兰等附属件质量，错误！未找到引用源。 偏心质量，错误！未找到引用源。 重力及垂直地震力引起的轴向应力，错误！未找到引用源。 最大弯矩引起的轴向应力，错误！未找到引用源。 试验压力引起的周向应力，错误！未找到引用源。

塔设备操作质量，错误！未找到引用源。 设计温度下圆筒材料的许用轴向压应力错误！未找到引用源。 19