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《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。
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。
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。
1400452502.667-176937.6420塔体16MnR[σ]t (Mpa)170[σ](Mpa)170σs (Mpa)裙座Q235-A [σ]t (Mpa)113[σ](Mpa)113σs (Mpa)13.040062mm 12.979614mm 1塔壳和裙座质量A 圆筒质量塔体圆筒高度H 039.86m外径D 01436mm圆筒质量m 125090.283kg B 封头质量324.61封头质量m 2649.22kgC 裙座质量锥形裙座尺寸Dis 2000mm 2m dis 1400mm1.4m裙座质量m 33813.1614kgD 塔壳和裙座质量m 0129552.664kg 2塔内构件质量75kg/m3塔内构件质量m 027966.2934kg 37388.166kg 4保温材料质量查得DN(mm )曲面高度mm直边高度140035040160040040保温材料质量m 035888.1564kg三. 塔的质量载荷计算查得DN=1400mm,壁厚18mm 的标准椭圆形封头质量由于锥角很小,故可按圆筒计算,取锥体的平均直径查得浮阀塔盘单位质量人孔,法兰,接管与附属物质量m a 一. 选择材料二. 按计算压力计算筒体和封头的壁厚塔体S 封头,采用标准椭圆封头S 加上壁厚附加量C=2mm,并名义厚度Sn6. 场地土为Ⅱ类场地土7. 支座为φ1200/ φ1800mm,高度Hs=5m 的圆8. 塔体焊接接头系数φ=0.85,塔体与裙座对接9. 塔体与封头的壁厚附加量取C=2mm,裙座厚液相介质密度 ρl(kg/m 3)机械设计课程设计理论机械设计条件塔体内径D （mm ）塔高 H(mm) 1. 每隔15个塔板左右开设一个人孔,共设5个.2. 相应人孔处安装操作平台,平台宽B=900mm 计算压力 Pc(Mpa)操作温度T(ºC)塔板数Np塔板上清液层高度h l (mm) 3. 塔体外表面保温层厚度δs=100mm,材料密度4. 塔器设置地区基本风压值q 0=500N/m 25. 地震设防烈度为7度5平台,扶梯质量m 044448.8891kg62306.4446kg7冲水质量m w 62200.102kg 8全塔操作质量m 057550.614kg 9全塔最小质量m min48871.134kg10全塔最大质量m max 117444.27kg 质量(kg) 塔段号12345圆筒质量m 1005035.6815035.685035.681封头质量m 20324.61000裙座质量m 3762.632293050.5291塔壳和裙座质量m 01762.632293375.13915035.6815035.685035.681塔内构件质量m 0200923.62821962.711847.256保温材料质量m 03058.921158.1171158.121158.117平台,扶梯质量m 0440697.77782857.7778857.778857.7778塔内物料质量m 050629.06183194.4792413.268413.2682人孔附属物质量m a 190.65807843.784791258.921258.921258.92冲水质量m w 0420.212315.041231512315.04塔段操作质量m 0993.290365604.68369428.60410686.510571.02塔段最大质量m max993.290365395.821721549.1722588.222472.8塔段最小质量m min 993.290364975.62178495.2228703.048679.948塔段长度(mm)10004000800080008000人孔,平台数01111塔板数00817162.283506s 塔的第二振型10.08地震影响系数α10.0166802H/Di=32.3214 >152确定危险截面0-0截面1-1截面3A 0-0截面M E l 0-0N*mm B 1-1截面M E l 1-1N*mm C2-2截面M E l 2-2N*mm1风力计算海边为A型1.38大连500q1A 风振系数的计算12六. 风载荷计算94334877.6塔段号计算危险截面的地震弯距97346645.0382304958.2裙座基底截面由地震设防烈度为7度, 查得αmax =由Ⅱ类场地土且结构综合影响操作时塔内物料质量m 05釜液深度h 0将全塔分为7段,各段质量载荷如下五. 地震载荷计算四. 塔的自振周期计算等直径,等厚度塔的基本自振周期T 1笼式扶梯单位质量q F3.210.2330.720.780.010.081.1 1.381.019641.135652B 有效直径D ei 的计算100mm 塔段号1234塔段长度l i 1000400080008000K 3(mm)400400400400K 4=2*∑A/l i025*******D ei (mm)2036228621612161C 水平风力计算结果如下塔段号1234K 10.70.70.70.7K 2i 1.0196364 1.135652 1.362691.592941q 0(N/m 2)690690690690f i 1.1 1.38 1.56 1.7l i (mm)1000400080008000D ei (mm)2036228621612161风力P i (N)1102.9686921.6217750.722612.082危险截面风弯距计算A 0-0截面M w 0-0N*mm B1-1截面M w 1-1N*mm C 2-2截面M w 2-2N*mm158.340625Mpa 2A 0-0截面σ20-0-5.61279MpaB 1-1截面σ21-1-6.88689Mpa AsmC2-2截面σ22-2-7.09877Mpa3A 0-0截面M max 0-0N*mm B1-1截面M max 1-1N*mm C 2-2截面M max 2-2N*mm3266028888七. 各种载荷引起的轴向应力计算计算压力引起的轴向拉应力σ1操作质量引起的轴向压应力σ2最大弯距引起的轴向应力σ338452007223994005975384520072232660288883994005975八. 筒体和裙座危险截面的强度与稳定性校核振型系数φzi (取u=1)风压高度变化系数f i (B类)风振系数K 2i有效直径D ei 的计算结果如下塔和管线的保温层厚度δsi =δps 设笼式扶梯与塔顶管线成90º角,取平台构件的投计算截面距地面高度h it (m )脉动增大系数ξ(B类)脉动影响系数νi (B类)1A 强度校核173.4Mpa>126.7874B 稳定性校核180Mpa>82.91122σmax 组压0-0-85.071013Mpa A=0.001489σmax 组压1-1-134.23115Mpa[σ]cr1A 试验压力p T 3.33375Mpaσ147.53530.9*σs *φ =263.925Mpa >σB 72.925781MpaC -15.4605MpaD 39.780968±MpaE σmax 组拉2-297.2462Mpa 许用应力0.9*Kσs *φ316.71MpaF σmax 组压2-2-55.2415Mpa许用应力180Mpa2A σ20-0-11.446Mpa σ21-1-14.17MpaB σ30-023.8375±Mpa σ31-1152.813±MpaC σmax 组压0-0-35.2831Mpaσmax 组压1-1许用应力168Mpa1基础环尺寸取D ob2400mm取D ib18402基础环应力校核8.88E+08mm 3A σbmax 4.798863Mpa B σbmax1.965902Mpa选用150号混凝土许用应力R a 7.5Mpa >σbmax 3基础环厚度（有筋板） b=167mm M42l 160-22082.99594.654140Mpa基础环材料的许用应力[σ]b满足要求地脚螺栓直径查得M x =-0.165*σbmax *b 2N*mm/mm 查得M y =0.0781*σbmax *l 2N*mm/mm >σmax 组压2-2裙座水压试验应力校核水压试验时，重力引起的轴向应力σ2基础环抗弯截面系数Z b基础环面积A b由弯距引起的轴向应力σ3最大组合轴向压应力校核满足要求十. 基础环设计水压试验时，重力引起的轴向应力σ22-2由弯距引起的轴向应力σ32-2最大组合轴向拉应力校核最大组合轴向压应力校核九. 筒体和裙座水压试验应力校核筒体水压试验应力校核由试验压力引起的环向应力σ满足要求由试验压力引起的轴向应力σ1筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压应力σmax组压2-2许用轴向压应力[σ]cr 筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉应力σmax组拉2-2许用轴向拉应力筒体的强度与稳定性校核裙座的稳定性校核裙座危险截面0-0及1-1处的最大组合轴向压应力基础环厚度S b 30.763746mm取S b35mm1A 4.23948Mpa取σB4.23948Mpa2地脚螺栓直径取地脚螺栓个数n=28147十一. 地脚螺栓设计地脚螺栓承受的最大拉应力σB 由于σB >0,故此塔设备必须安装地脚螺栓以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件地脚螺栓材料的许用应力[σ]bt 查得地脚螺栓直径M56选用28个M56的地脚螺栓，满足要求计理论数值计算开设一个人孔,共设5个.作平台,平台宽B=900mm,单位质量150kg/m3厚度δs=100mm,材料密度ρ2=300kg/m3风压值q0=500N/m2土00mm,高度Hs=5m的圆锥形裙座=0.85,塔体与裙座对接焊接附加量取C=2mm,裙座厚度附加量取C=2mm345235E (Mpa)190000mm,并圆整,还应考虑刚度,稳定性及多种载荷等因素,取筒体,封头和裙座18mm Se16mm1.436m内径Di 1.4mρ钢7850kg/m3kg直边高度h240mmDos2036mm 2.036mdos1436mm 1.436mDim1700mm 1.7mDom1736mm 1.736mmm内表面积m2容积V m32.30050.42022.97610.616640kg/m 0.7m67合计5035.6814916.08425058.80324.61649.22003813.165035.6815240.69429521.21962.711269.9897966.291158.1171189.5315880.92857.77782884456.89413.2682267.40882330.751258.921310.1737380.312315.0412442.7662123.110686.479565.79757536.322588.2521741.151173298703.0388282.39748832.680008200452001051711690.380584第三0.126860.40.52-2截面M E 0-0N*mmM E 1-1N*mm M E 2-2N*mm690q1t123597.934567裙座与塔底焊接处截面1117918597102881197.8必须考虑高振型影响裙座人孔处截面地土且近震, 查得Tg=合影响系数 Cz=h 0q F17.224.231.238.245.2333330.820.840.8610.8650.8750.230.40.590.8211.56 1.71.811.91 1.981.3626921.592941 1.841972.11412.3257576108mm 567800080008200400400400125125121.9512161216121615670.70.70.71.8419722.114084 2.325766906906901.81 1.91 1.988000800082002161216121612783933716.8839413.580517.87σ30-079.45823±Mpa σ31-1127.3443±Mpa Zsm30195321σ32-2132.6032±Mpa各危险截面的σ3计算如下塔顶管线外径d 0件的投影面积∑A=0.5m 2183.8451Mpa 1.2Mpa -139.702Mpa A=0.0021486查得 B=150MpaMpa查得 B=140Mpa168MpaMpa-166.983Mpamm 1864849mm 2取σbmax4.798863Mpamm b/l 1.0437522082.9N*mm/mm取M s =|M x |max 组压2-2满足要求积A b>σmax 组压2-2满足要求满足稳定性条件满足强度条件压2-2拉2-2组合载荷系数 K=满足稳定性条件B0.821495Mpa螺栓Mpa d149.4533mm。
