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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。
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。
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。
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 。
