化工设备机械基础课程设计
题 目 系 （院） 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称
浮阀塔设备的机械设计
化学与化工系 化学工程与工艺 09化工本1 任义仙 2009010809
张岩
二〇一二年六月十八日
目录
前言 .......................................................................... 1 关键字 ........................................................................ 1 第一章 设计参数及要求 . ......................................................... 2 1.1符号说明 ................................................................... 2 1.2. 设计参数及要求 . ............................................................ 2 1.2.1设计参数 ................................................................. 2 1.2.2设计要求 ................................................................. 3 第二章 材料选择............................................................... 4 2.1概论 ....................................................................... 4 2.2塔体材料选择 ............................................................... 4 2.3 裙座材料的选择 ............................................................. 4 第三章 塔体的结构设计及计算 ................................................... 5 3.1 按计算压力计算塔体和封头厚度 .............................................. 5 3.2 塔设备质量载荷计算 ........................................................ 5 3.3 风载荷和风弯矩 ............................................................ 7 3.3.1 水平风力 ............................................................... 7 3.3.2 风弯矩 ................................................................. 9 3.3.3 偏心弯矩 ............................................................... 10 3.3.4 最大弯矩 ............................................................... 10 3.4 地震弯矩的计算 ........................................................... 12 3.4.1 水平地震力 ............................................................. 12 3.4.2 垂直地震力 ............................................................. 14 3.4.3 地震弯矩计算 ........................................................... 14 3.5 各种载荷引起的轴向应力 ................................................... 15 3.5.1 圆筒轴向应力 ........................................................... 15
3.5.2 圆筒稳定校核 .......................................................... 15 3.5.3 圆筒拉应力校核 ........................................................ 16 3.6 塔设备压力试验时的应力校核 ............................................... 17 3.6.1 圆筒应力 ............................................................... 17 3.6.2 应力校核 .............................................................. 18 3.7 裙座轴向应力校核 ......................................................... 20 3.7.1 裙座底截面组合应力 ..................................................... 20 3.7.2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 ............................... 20 3.8 地脚螺栓座 ............................................................... 23 3.8.1 基础环设计 ............................................................. 23 3.8.2 地脚螺栓 ............................................................... 24
小结 ......................................................................... 28 附录 ......................................................................... 29
参考文献 ..................................................................... 30
前言
摘要
塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。因此，蒸馏和吸收操作可在同样的设备中进行。 根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。 板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘) ，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。 填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。 目前在工业生产中，当处理量大时多采用板式塔，而当处理量较小时多采用填料塔。蒸馏操作的规模往往较大，所需塔径常达一米以上，故采用板式塔较多；吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。
板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便
关键字
塔体、封头、裙座、。
第一章 设计参数及要求
1.1符号说明
Pc ----- 计算压力，MPa ； Di ----- 圆筒或球壳内径，mm ；
[Pw ]-----圆筒或球壳的最大允许工作压力，MPa ； δ ----- 圆筒或球壳的计算厚度，mm ； δn ----- 圆筒或球壳的名义厚度，mm ； δe ----- 圆筒或球壳的有效厚度，mm ；
[δ]t ----- 圆筒或球壳材料在设计温度下的许用应力，MPa ；
δt ------ 圆筒或球壳材料在设计温度下的计算应力，MPa ；
φ ------ 焊接接头系数；
C ------- 厚度附加量，mm ；
1.2. 设计参数及要求 1.2.1设计参数
1.2.2设计要求
（1） 塔体内径Di =1600mm , 塔高近似取H =35000mm 。 （2） 计算压力p c =1. 540MPa ，设计温度t =120? C 。
（3） 设计地区：基本风压值q 0=400N /m 2，地震设防烈度为7度，场地土类：II 类。 （4） 塔内装有N=60层浮阀塔，每块塔盘上存留介质层高度为h w =100mm ，介质密度为
ρ1=800kg /m 3。
（5） 沿塔高每5米开设一个人孔，人孔数为7个，相应在人孔处安装半圆形平台7个，
平台宽度为B =800mm ，高度为1000mm 。
（6） 塔外保温层的厚度为δs =100mm ，保温材料密度ρ2=300kg /m 3。 （7） 塔体与裙座悬挂一台再沸器，其操作质量
me =4000kg ，偏心矩e =2000mm 。
，[σ]t =17M [σ]=17M 0P ，a 0P a
（8） 塔体与封头材料选用16MnR ，其中
σs =345Mpa ，E =2. 0⨯105Mpa
（9） 裙座材料选用Q235-A 。
（10） 塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数φ=0. 85。 （11） 塔体与封头厚度附加量C=3.8mm，裙座厚度附加量C=3.8mm。
第二章 材料选择
2.1概论
塔设备与其他化工设备一样，大多置于室外，有或者无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也比较成熟，因此，在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的有点。
2.2塔体材料选择
设计中塔体的材料选择是：16MnR ；塔体是塔设备的外壳，由等直径和等壁厚的圆筒和两个封头组成，塔体除满足工艺条件下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所英气的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工作等的影响，所以选择塔体的材料很重要。
2.3 裙座材料的选择
设计中裙座材料的选择是：Q 235 A ；塔体裙座是塔体安放到基础上的连接部分，它必须保证塔体坐落在确定位置上进行正常工作，为此，它应当具有足够的强大和刚度，能够承受各种操作情况下的全塔质量，以及风力、地震等引起的载荷。
第三章 塔体的结构设计及计算
3.1 按计算压力计算塔体和封头厚度
(1) 塔体厚度计算
δ=
p c D i 2[ζ]φ-p c
t
=
1. 54´1600
=8. 57mm
2创1700. 85-1. 54
δe =10. 2mm 。考虑厚度附加量C=3.8mm，取δ=12.37mm经圆整，取δn =14mm ，
(2) 封头厚度计算
采用标准椭圆形封头： δ=
p c D i
2[ζ]φ-0. 5? p c
t
=
1. 54´1600
=8. 57mm ，
2创1700. 85-1. 54? 0. 5
考虑厚度附加量C=3.8mm经圆整后，取δ=12.37mm，取δn =14mm ，δe =10. 2mm 。
3.2 塔设备质量载荷计算
1、筒体圆筒、封头、裙座质量m 01
圆筒质量： m 1=31.8⨯556=17680.8kg 封头质量： m 2=2⨯323.4=646.8kg 裙座质量： m 3=3⨯556=1668kg
m 01=m 1+m 2+m 3=17680.8+646.8+1668=19995.6kg
说明：(1）塔体圆筒的总高度为H 0=31800mm
（2）查得DN =1600mm ，厚度14mm 的圆筒质量为556kg /m （3）查得D N =1600m m ，厚度14mm 的椭圆形封头质量为
323. 4k g /m
（4）裙座高度为3000mm
2、塔内构件质量m 02 m 02=
π
4
D i 2Nq N=0.785⨯1.62⨯60⨯75=9047.8kg
2
（由附表查得浮阀塔盘质量为75kg/m）
3、保温层质量m 03
π轾22
' D +2δ+2δ-D +2δH 0ρ2+2m 03() () i n s i n 犏4臌22
=0. 785? 轾1. 60. 014? 20. 10? 21. 6+2创0. 014() () 犏臌=5504. 6kg m 03=
'
其中，m 03为封头保温层的质量kg
31. 8? 3002创0. 36300
4、平台、扶梯质量m 04
π轾221
D +2δ+2δ+2B -D +2δ+2δnq p +q F ? H F () () i n i n 臌4犏222
=0. 785? 轾1. 62? 0. 0142? 0. 1022? 11. 6+2? 0. 0142创0. 102() () 犏臌=4832. 8kg m 04=
2
0. 5创7150+40? 35
说明：由附表查得，平台质量q p =150kg /m ；笼式扶梯质量q F =40kg /m ；笼式扶梯总高H F =35m ；平台数量n=7。 5、操作时物料质量m 05
ππ2
m 05=D 2D i h 0ρ1+V f ρ1i h w N ρ1+
44=0. 785创1. 620. 1创60800+0. 785创1. 621. 8? 800=13033kg
3
0. 6166? 800
说明：物料密度ρ1=800kg /m , 塔釜圆筒部分深度h0=1.8m，塔板层数N=60.，塔板上液层高度h w =0. 1m ，由表查得，封头容积0.6166m 。
3
6、附件质量m a
按经验取附件质量为m a =0. 25m 01=0. 25? 19995. 67、冲水质量m w
4998. 9kg
m w =
π2
D i H w ρw +2V f ρw =0. 785创1. 624
26? 10002创0. 61661000=53482. 8kg
其中，ρw =1000kg /m 3 8、各种质量载荷：
3.3 风载荷和风弯矩
塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随塔设备
高度增加而增加。为了计算方便，将风压值按塔设备高度分几段，假设每段风压值均匀分布在塔设备迎风面上。
塔设备的计算截面应选取在其较薄弱的部位，如，塔设备底部截面0-0，裙座上人孔或较大管线引出孔处h-h ，塔体与裙座连接焊缝处的截面2-2，两相邻计算截面为一计算段；任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。任一计算段风载荷大小与设备所在地区基本风压值q 0有关, 同时与设备的高度，直径，形状以及自振周期有关。
3.3.1 水平风力
两相邻计算截面间的水平风力按下式计算：
-6
P 1=K 1K 21q 0f 1l 1D e 1⨯10
p 2=K 1K 22q 0f 2l 2D e 2⨯10-6...
P i =K 1K 2i q 0f i l i D ei ⨯10-6
式中 P 1, P 2... P i ------塔设备各计算段的水平风力，N ； D e 1, D e 2... D ei ------塔设备各计算段的有效直径，mm ； 当龙式扶梯与塔顶管线布置成180时：
D ei =D O i +2δsi +K 3+K 4+2δPs 当龙式扶梯与塔顶管线布置成90时，取下列两式中较大者： D ei =D Oi +2δsi +K 3+K 4 D ei =D O i +2δsi +K 4+d o +2δPs
D Oi ……. 塔设备各计算段外径，mm ；
K 21, K 22... K 2i ……. 塔设备各计算段的风振系数，当H ≤20时，取K 2i =1. 70，当
H >20时，按下式计算：
K 2i =1+
ξνi φzi
f i
f i ....... 风压高度变化系数，按下表一查取；
ξ........ 脉动增大系数，按下表二查取；νi ....... 第i 段脉动影响系数，按下表三查取；φzi ...... 第i 段振型系数，根据h i /H 与u 查下表四获取；
K 3...... 笼式扶梯当量宽度，当无确切数据时，可取K 3=400m m ；K 4...... 操作平台当量宽度，m m ; K 4=
2∑A l 0
2
积（不计空档投影面积），m m ；∑A ... 第i 段内平台构件的投影面l i ........ 第i 段计算长度，m m ；
l o ........ 操作平台所在计算段的长度，m m ；q o ....... 基本风压值，kN /m 2;
δps ...... 管线保温层厚度。m m ；δs i ....... 塔设备第i 段保温层厚度，m m ；
表一 风压高度变化系数f i
注：A 指近海海面，海岛，海岸，湖岸及沙漠地区；B 指田野，乡村，丛林，丘陵以及房屋比较稀疏的大中小城市郊区；C 指有密集建筑群的大城市市区。
2
注：计算q 1T 1时，对B 类q 1=q 0, 对A 类q 1=1. 38q 0, 对C 类q 1=0. 71q 0.
表三 脉动影响系数
表四 振动系数φzi
3.3.2风弯矩
I -I
塔设备任意计算截面I-I 处的风弯矩M W 按下式计算：
M W
I -I
=P i
l i l l
+P i +1(l 1+i +1) +P i +2(l i +l i +1+i +2) +....... 222
0-0
塔设备底截面0-0处的风弯矩M W 按下式计算：
M W
0-0
=P 1
l ⎫l 1l ⎫⎛⎛
+P 2 l 1+2⎪+P 3 l 1+l 2+3⎪+........ 22⎭2⎭⎝⎝
3.3.3 偏心弯矩
当塔设备的外侧悬挂有分离器，再沸器，冷凝器等附属设备时，可视为偏心载荷。
由于有偏心矩e 的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩M e 。偏心载荷引起偏心弯矩沿塔高无变化，可按下式计算：
M e =m e ge
3.3.4 最大弯矩
I -I
塔设备任意计算截面I-I 处的最大弯矩M max 可按下式计算：
M max =计算结果如下：
I -I
{
I -I
M W +M e I -I I -I M E +0. 25M W +M e
取其中的最大值
3.4 地震弯矩的计算 3.4.1 水平地震力
任意高度h k 处的集中质量m k 引起的基本震型水平地震力F ki 按如下计算： F ki =C z α1ηki m k g ，N 式中 C Z …….. 综合影响因数，取C z =0. 5；
m k ……... 距地面h k 处集中质量（见图3-1），kg
α1. …...... 对应塔设备基本自振周期T 1地震影响因数
值, T 1=90. 33H
α
m 0H -3
； ⨯10N
E δe D i
0. 9
⎛T g
α= T
⎝⎫⎪⎪αmax ⎭
αmax …….. 地震影响系数最大值，见表一； T g ………各类场地土的特征周期，见表二； ηk ……... 基本震型与系数； 由
计
算
的
T 1=90. 33
10-390. 33创10-3=1. 47S
表一 地震影响系数α的最大值
表二 场地土的特征周期
3.4.2 垂直地震力
地震烈度为8度或9度地区还应考虑垂直方向上的地震力作用，本设计建厂地区地震烈度为7度，所以不用考虑。
3.4.3 地震弯矩计算
3.5 各种载荷引起的轴向应力 3.5.1 圆筒轴向应力
p c D i
4δei
σ1=其中设计压力取绝对值。
操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力σ2 ：
I -I m 0g ±F V I -I
σ2=
πD i δei
其中F V I -I 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 最大弯矩引起的轴向应力σ3：
I -I 4M max
σ3= 2
πD i δei
3.5.2 圆筒稳定校核
圆筒许用轴向压应力[σ]cr 按下式确定：
[σ]cr =⎨圆筒最大组合压应力按下式计：
⎧KB
t 取其中较小值 ⎩K [σ]
σ2+σ3≤[σ]cr
3.5.3 圆筒拉应力校核
圆筒最大组合拉应力按下式校核：
σ1-σ2+σ3≤K [σ]φ
t
如校核不能满足条件时，需重新设定有效厚度，重复上述计算，直至满足条件。 计算结果如下：
3.6 塔设备压力试验时的应力校核 3.6.1 圆筒应力
对选定的各计算截面按下面的计算公式进行各项应力计算： 试验压力引起的周向压力σT : σT =
(p T +γH /g )(D i +δei )
2δei
3
3
式中 γ..... 试验介质的密度（当介质为水时，γ=0. 001kg /cm ) ，kg /cm ； H .... 液柱高度，cm 。 气压试验时，无液柱静压力。 试验压力引起的轴向应力σT 1： σT 1=
重力引起的轴向应力σT 2：
p T D i
4δei
σT 2
I -I m T g
=
πD i δei
I -I
式中 m T ....... 计算截面I-I 以上的质量（只计入塔壳、内构件、偏心质量、保温
层、扶梯及平台），kg 。
弯矩引起的轴向应力σT 3: σT 3
I -I
4(0. 3M W +M e )
=2
πD i δei
3.6.2 应力校核
压力试验时，圆筒材料的许用轴向应力[σ]cr 按下式计算： [σ]cr =⎨
⎧KB
取其中较小值
0. 9K σs ⎩
压力试验时，圆筒最大组合应力按以下公式校核： 液压试验时： σT ≤0. 9σs φ 气压试验时： σT ≤0. 8σs φ
液压试验时： σT 1-σT 2+σT 3≤0. 9K σs φ 气压试验时： σT 1-σT 2+σT 3≤0. 8K σs φ σT 2+σT 3≤[σ]cr
18
19
3.7 裙座轴向应力校核 3.7.1 裙座底截面组合应力
裙座底截面的组合应力按下式校核：
0-0M max m 0g +F V 0-0⎧KB
+≤⎨t 取其中较小值
Z sb A sb ⎩K [σ]s
其中F V I -I 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。
0-00. 3M W +M e m max g ⎧KB
取其中较小值 +≤⎨
Z sb A sb ⎩0. 9σs
式中 A sb ...... 裙座底部截面积，A sb =πD is δis , mm 2； Z sb ...... 裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，Z sb =
π
4
D is δs , mm 3
3.7.2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力
裙座检查孔和较大管线引出孔h-h 截面处组合应力按下式校核：
h -h h -h M max m 0g +F V h -h ⎧KB
+≤⎨t 取其中较小值
[]K σZ sm A sm s ⎩
其中F V h -h 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。
h -h h -h
0. 3M W +M e m max g ⎧KB
取其中较小值 +≤⎨
Z sm A sm ⎩K σs
式中
20
b m ...... h -h 截面处水平方向的最大宽度，m m ；D im ...... h -h 截面处裙座壳的内直径，m m ；
F V h -h ...... h -h 截面处的垂直地震力。但在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项，N ；l m ...... 检查孔和较大管线引出孔加强管长度，m m ；
h -h M max ...... h -h 截面处的最大弯矩，N ⋅mm ；h -h M W ...... h -h 截面处的风弯矩，N ⋅m m ；
h -h m max ...... h -h 截面以上塔设备压力试验时的质量，kg ；h -h m 0...... h -h 截面以上他设备的操作质量，kg ；
δm ...... h -h 截面处加强圈的厚度，m m ；
A sm ...... h -h 截面处裙座的截面积，m m 2；A sm =πD im δes -∑[(b m +2δm ) δm -A m ]A m =2l m δm
Z sm ...... h -h 截面处的裙座壳截面积系数，m m 3；Z sm =
π
δ⎛⎫2
D im δes -∑ b m D im es -Z m ⎪42⎝⎭
⎛D im ⎫⎛b m ⎫
⎪- ⎪2⎝⎭⎝2⎭
2
2
Z m =2δes l m
计算结果：
21
22
3.8 地脚螺栓座
3.8.1 基础环设计
(1) 基础环内外径可参考下式选取：
（2） 基础环厚度可按下式计算： ①无筋板时基础环厚度为
δb =1. 73b
D Ob =D is +(160-400) D ib =D is +(160-400)
σb max
σb
式中 [σ]b ...... 基础环材料的许用应力，MPa 对低碳钢[σ]b =140MPa ；
σb max ...... 混凝土基础上的最大压力，MPa 。
0-0
⎧M max m 0g
+⎪
Z b A b ⎪
取其中较大值 =⎨0-0
0. 3M +M m g W e ⎪+max ⎪Z b A b ⎩
σb max
23
②有筋板时基础环厚度为 δb =
6M s
σb
式中 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
按表一计算。
表一 矩形板力矩计算表
3.8.2 地脚螺栓
地脚螺栓承受的最大拉应力σB 按下式计算：
0-00-00-0⎧M w +M e m min g M E +0. 25M w +M e m 0g -F V 0-0⎫
σB =max ⎨-, -⎬
Z A Z A b b b b ⎩⎭
其中F V 0-0仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 式中
24
σB ....... 地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa ；
A b ....... 基础环面积，m m 2；
A b =
π
4Z b ....... 基础环截面系数，m m 3Z b =
44
π(D Ob -D ib )
22(D Ob -D ib )
32D Ob
当σB ≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定其位置，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下式计算：
d 1=
4B A b
+C 2
πn σb τ
式中 d 1...... 地脚螺栓螺纹小径，mm ；
C 2...... 地脚螺栓腐蚀裕量，mm ；取C 2=3mm；
n ...... 地脚螺栓个数，一般取4的倍数，最小直径塔设备可取n=6；
[σ]b τ...... 地脚螺栓材料的许用应力，MPa ；
对Q235-A ，可取147MPa ，对16Mn, 取170MPa ； 圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24. 计算结果如下：
25
26
27
此次实习我们主要的任务是对他设备的各个部件进行设计和校核，在结构上，我们分别对塔盘结构，塔体空间，人孔数量及位置，仪表接管选择，工艺接管管径计算等方面的设计，在校核方面，分别对其强度，刚度，稳定性进行了校核，在制图方面，我们分别绘制了塔设备的装配图和零件图。
我们的设计计算步骤大致分为三部分：(1)根据GB150规定，通过已知条件，按计算压力确定塔体圆筒及封头的有效厚度。（2）根据地震载荷和风压载荷计算的需要，选取若干截面（包括所有危险截面），并考虑制造的、运输、安装的要求，设定各截面处的有效厚度。（3）按照规定依次对各个方面进行校核计算并满足相应的要求。
通过这次实习，让我们学到了很多东西，让以前在在课堂上学习到的很多理论知识得到了实践性的操作，也让我体会到了团队合作的重要性。此次塔设备的设计有我们小组负责，让我们感受到了设计方面工作的所存在的难度。
28
附录一 有关部件的质量
附录二 矩形力矩计算表
附录三 螺纹小径与公称直径对照表
29
参考文献
1《塔设备》------------- 化学工业出版社 路秀林 王者相 等编著
2《化工设备机械基础》------------------化学工业出版社 蔡纪宁 张秋翔 编 3《化工工程制图》-----------------化学工业出版社
4《化工装置实用工业设计》-----------------化学工业出版社 路德维希 编著
5《化工设备机械基础》----------------大连理工大学出版社 刁玉玮 王立业 喻健良 编著
6《化工设备机械基础》----------------化学工业出版社 董大勤 编著 7《化工设备机械基础》----------------华东理工大学出版社 汤善甫 朱思明二版
8《化工制图》----------------化学工业出版社 郑晓梅 编著
30
主编 第