化工机械基础课程设计塔设备机械设计.doc

《化工机械基础》课程设计

设计题目： 塔设备机械设计

《化工机械基础》课程设计评分表
课程设计名称
塔设备机械设计
评 分 标 准
得 分
1. 设计说明书内容的完整性（20分）
设计说明书内容完整，结构层次分明，重点突出，图表齐全。

2. 设计过程的规范性和严谨性（60分）
设计、计算过程完整，设计依据说明、论证充分，公式、数据引用正确，计算结果正确，符合设计标准及行业规范，达到了任务书规定要求。(计算过程中所采用的公式、数据、图表应注明出处)

3. 设计创新性（10分）
设计方案有一定个人见解，能引用较先进的设计理念或设计方法，能结合所学理论课知识对设计问题进行分析总结，并提出改进措施；具有一定独立思考、独立解决问题的能力。

4. 文本格式规范性（10分）
要求思路清晰，叙述清楚，语句通顺；图表格式规范，标号齐全，符号使用得当。

总评成绩

评阅老师签字：

日期： 年 月 日

目 录

1 设计任务 错误！未定义书签。
2 设计内容. 5
2.1塔壳强度计算 5
2.2塔器质量计算 5
2.3塔的基本自震周期计算 8
2.4地震载荷与地震弯矩计算 8
2.5风载荷与风弯矩计算 10
2.6偏心弯矩计算 12
2.7塔体和裙座危险截面的最大弯矩 12
2.8圆筒内力校核 13
2.9裙座壳轴向应力校核 15
2.10基础环厚度计算 16
2.11地脚螺栓计算 17
2.12小结（汇总设计结果，附设计结果汇总表） 18
3 设计总结 19

1 设计任务
塔设备机械设计
已知条件为：塔体内径Ｄi＝2200mm，设计压力为1.3MPa，厚度附加量C=2mm，焊接接头系数Φ=0.9，
介质密度ρ=750 kg/m3，介质层高度hw=90mm, 基本风压值q0=300N/m2, 偏心质量me=2000kg.
已知设计条件
分段示意图
塔体内径Di
2200 mm

塔体高度H
40000mm
设计压力p
1.3Mpa
设计温度t
200℃
塔
体
材料
Q345R
许用应力
[σ]
170 MPa
[σ]t
170 MPa
设计温度下的弹性模量E
1.9MPa
常温屈服点σs
345 MPa
厚度附加量C
2mm
塔体焊接接头系数Φ
0.9
介质密度ρ
750kg/m3
塔盘数N
70
每块塔盘存留介质层高度hw
90mm
基本风压值q0
300N/m2
地震设防烈度
8度
设计基本地震加速度
0.3g
场地类型
II类
地面粗糙度
B类
（塔体与裙座间）偏心质量me
2000kg
偏心距e
2000mm
塔外保温层厚度δs
100mm
保温材料密度ρ2
300kg/m3
裙座
材料
Q235-A
设计温度下的需用应力[σ]t
133MPa
常温屈服点σs
235MPa
设计温度下的弹性模量Es

厚度附加量Cs
2mm
人孔、平台数
8
平台类型
半圆形
平台宽度B
1000mm
平台高度
1000mm
平台单位质量
150kg/m2
地脚
螺栓
材料
Q235-A
许用应力
[σ]bt
140MPa
腐蚀裕量C2
3
个数n
40

2 设计内容
首先，选取计算截面(包括所有危险截面)。本次设计中将全塔分成6段，其中裙座分为2段，筒体分为4段(见分段示意图)。其计算截面分别为0-0、1-1、2-2、3-3、4-4、5-5.

2.1塔壳强度计算
按设计压力计算塔体和封头壁厚
计算内容
计算公式及数据
塔内液柱高度h/m
h=2.67（仅考虑塔底至液封盘液面高度）
液注静压力pH/MPa
PH=P(可忽略)
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

封头的计算厚度δh/mm

9.37
封头设计厚度δhc/mm

封头名义厚度δhn/mm

封头有效厚度δhe/mm

2.2塔器质量计算
计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
塔段内直径Di/mm
2200
塔段名义厚度δni/mm
12
塔段长度li/mm
1000
2060
7400
10000
10000
10075
塔设备高度H1/mm
40535
筒体密度ρ/kg/m3
7.85×103
单位筒体质量
m1m/kg/m
545
筒体高度H1/mm
36490
筒体质量m1/kg

封头质量m2/kg

裙座高度H3/mm
3060

计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
裙座质量m3/kg

塔体质量m01/kg

450.8
1435.5
3651.8
4856.32
4856.32
7344.01
塔段内件质量m02/kg

(浮阀塔盘质量)
——
——
2165.3
4856.8
4856.8
8078.1

保温层质量m03/kg
m03'——封头保温层质量，（kg）
——
200.5
1984.6
2132.5
2132.5
1732.6

平台、扶梯质量m04/kg
平台质量qp＝150kg/m2 笼式扶梯质量qF＝40kg/m
平台数量n＝8 笼式扶梯高度HF＝39m
=+2+2B)^2-(+2+2)^2]nqp+qF.00939+2

8
17
400.8
422.5
422.5
364.1
操作时塔内物料质量m05/kg

——
1523
7456.2
5236.8
5236.8
6350.7
人孔、接管、法兰等附件质量ma/kg
按经验取附件质量为：

102.5
354.6
845.6
1322.5
1322.5
1701

计算内容
计算公式及数据
0～1
1～2
2～3
3～4
4～5
5～顶
充液质量mw/kg

——
1573.5
23564
32459.2
32459.2
30015.6

偏心质量me/kg
再沸器：me＝2000
——
——
1400
2600
——
——

操作质量m0/kg

678.9
3620.7
18951.9
22402.8
20931.9
19234.8
最小质量mmin/kg

1162
3131
14269
15235
15196
15214.45
最大质量mmax/kg

865
4596.3
45682
59875
54589
39360.75
2.3塔的基本自震周期计算
计算内容
计算公式及数据
塔体内直径Di/mm
2200
塔体有效厚度δe/mm
10
塔设备高度H，mm
40535
操作质量m0/kg
85821
塔设备的自振周期T1/s

2.4地震载荷与地震弯矩计算
各段操作质量mi/kg
678.9
3620.7
18951.9
22402.8
20931.9
19234.8
各点距地面高度
500
2030
6760
15460
25460
35495
地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算
计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
hi1.5
1.12×104
9.15×104
5.56×105
1.92×106
4.06×106
6.69.×106
mihi1.5
7.60×106
3.31×108
1.05×1010
4.30×1010
7.50×1010
1.29×1011

2.58×1011
hi3
1.25×108
8.37×109
3.09×1011
3.7×1012
1.65×1013
4.47×
1013
mihi3
8.49×1010
3.03×1013
5.86×1015
8.29×1016
3.45×1017
8.60×1017

1.29×1018
A/B
2.0×10－7

基本振型参与系数ηk1

0.00234
0.0187
0.11
0.385
0.826
1.37
阻尼比
0.02
衰减指数
=0.9+.975
阻尼调整系数η2
η2=1+
地震影响系数最大值 αmax
αmax＝0.24（设计烈度为8度，设计基本地震加速度0.3g时）
各类场地土的特征周期Tg
Tg＝0.4（地震分组为第二组，Ⅱ类场地土）
地震影响系数α1
Tg=0.4T1=1.52Tg=5

水平地震力Fk1/N

1.34
57.06
1757
7269.2
14571.8
22209.19
垂直地震影响系αmax
αmax=0.65αmax=0.650.24=0.156
当量质量meq/kg
取meq=0.75m0=0.75
底面垂直地震力/N
=αmax

3.4
7.35
1.28
3.46
5.33
6.83

1.70
任意质量i处垂直地震力Fvi/N
Fvi=
196.8
4254.45
74091
200277.7
308520
395346
任意计算截面i处垂直地震力

=
0-0截面
1-1截面
2-2截面
3-3截面
4-4截面
5-5截面
174150
174114
173360
160251.4

底截面处地震弯矩/N·mm

地 震 载 荷 与 地 震 弯 矩 计 算
计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
底截面处地震弯矩/N·mm

截面1－1处地震弯矩/N·mm
==(10)=1.30
截面2－2处地震弯矩/N·mm
==(10)=1.20
2.5 风载荷与风弯矩计算
计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
各计算段的外径DOi/mm

塔顶管线外径dO/mm
480
第i段保温层厚度
δsi/mm
100
管线保温层厚度
δps/mm
100
笼式扶梯当量宽度K3
400
各计算段长度li/mm
1000
2060
7400
10000
10000
10076
操作平台所在计算段的长度l0/mm
——
2060
7400
10000
10000
10076
平台数
0
1
1
2
2
2
各段平台构件的投影面积∑A/mm2
0
9
9×105
18×105
18×105
18×105

计算内容
计算公式及数据
1(0～1)
2(1～2)
3(2～3)
4(3～4)
5(4～5)
6(5～顶)
操作平台当量宽度K4/mm

操作平台当量宽度
K4/mm
0
873.8
243.2
360
360
362.7
各计算段的有效直径Dei/mm

3708
4581.8
3951.2
4068
4068
4070.7

3428
4301.8
3671.2
3788
3788
3790.7
取最大值Dei/mm
3708
4581.8
3951.2
4068
4068
4070.7
各计算段顶截面距地面的高度hit/m
1
3.06
10.46
20.46
30.46
40.536
风压高度变化系数fi
查表5-23
1.0
1.0
1.0
1.25
1.42
1.56
体型系数K1
0.7
基本风压值
q0/N/m2
300
塔设备的自振周期
T1/s
1.52
q0T12
300
脉动增大系数ξ（B类）
查表5-24
2.39
脉动影响系数νi（B类）
查表5-25
0.72
0.72
0.72
0.79
0.83
0.85
hit/H
0.025
0.075
0.26
0.5
0.75
1
第i段振型系数φzi
1.0
查表5-26
0.02
0.02
0.068
0.34
0.612
1.00
各计算段的风振系数K2i

1.034
1.00
1.117
1.514
1.855
2.302
各计算段的水平风力Pi/N

1073.5
2732.6
9144.8
21556
30003
41242.5
计算内容
计算公式及数据

0～1
1～2
2～3
3～4
4～5
5～顶
0-0截面的风弯矩/N·mm

1-1截面的风弯矩/N·mm

2-2截面的风弯矩/N·mm

2.6偏心弯矩计算
计算内容
计算公式及数据
偏心质量me/kg
2000
偏心距e/mm
2000
偏心弯矩Me/N·mm

2.7塔体和裙座危险截面的最大弯矩
计算内容
计算公式及数据
0-0截面
1-1截面
2-2截面

2.88×109
2.608×109
2.388×109

3.231×109
3.081×109
2.856×109
最大弯矩/N·mm
3.231×109
3.081×109
2.856×109
2.8圆筒内力校核
计算内容
计算公式及数据
0-0截面
1-1截面
2-2截面
有效厚度 δei/mm
10
筒体内径Di/mm
2200
计算截面以上的操作质量m0i-i/kg
85821
85142.1
81521.4
设计压力引起的轴向应力σ1/MPa

0
0
71.5
操作质量引起的轴向应力σ2/MPa

12.18
12.08
11.57
最大弯矩引起的轴向应力σ3/MPa

85.00
81.05
75.13
载荷组合系数K
1.2
系数A

设计温度下材料的许用应力[σ]t/MPa
（Q345R，200℃），
（Q235-B，200℃），
105
105
170
系数B/MPa
（Q345R，200℃），
（Q235-A，200℃），
93
93
118
KB/MPa
111.6
111.6
141.6
K[σ]t/MPa
126
126
204
许用轴向压应力[σ]cr/MPa
取以上两者中小值
111.6
111.6
141.6
K[σ]tφ/MPa
107.1
107.1
173.40
圆筒最大组合压应力（σ2+σ3）/MPa
对内压塔器（满足要求）
97.18
93.13
86.7
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
圆筒最大组合拉应力（σ1—σ2+σ3）/MPa
对内压塔器（满足要求）
72.82
68.97
135.06
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）γ/kg/m3
1000
液柱高度HW/m
37.97
液柱静压力
γH/9.81/MPa
0.37
有效厚度δei/mm
10
筒体内径Di/mm
2200
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
345
2-2截面0.9Kσs/MPa
372.6
2-2截面KB/MPa
111.6
压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力[σ]cr/MPa
取以上两者中小值
111.6
试验压力引起的周向应力σT/MPa

液压试验时：（满足要求）
试验压力引起的轴向应力σT1/MPa

重力引起的轴向应力
σT2/MPa

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
σT3/MPa

压力试验时圆筒最大组合应力/MPa

液压试验时：（满足要求）
（满足要求）
2.9裙座壳轴向应力校核
计算内容
计算公式及数据
0-0截面积Asb/mm2

0-0截面系数Zsb/mm3

KB/MPa
111.6
K[σ]ts/MPa
126
裙座许用轴向应力/MPa
取以上两者中小值
111.6
0-0截面组合应力/MPa

检查孔加强管长度lm/mm
150
检查孔加强管水平方向的最大宽度bm/mm
450
检查孔加强管厚度
δm/mm
12
裙 座 轴 向 应 力 校 核
计算内容
计算公式及数据
Am

1-1截面处裙座筒体的截面积Asm/mm2

1-1截面处的裙座筒体截面系数Zsm/mm3
Zsm=2lm=210150
3.23
h-h截面处的裙座壳截面系数Zsm/mm3
Zsm= 2200^210-2(45022005-3.23)=3.46
1-1截面组合应力/MPa

2.10基础环厚度计算
计算内容
计算公式及数据
裙座内径Dis/mm
2200
裙座外径Dos/mm

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
160
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

操作时压应力σb2/MPa

混凝土基础上的最大压力σbmax/MPa
取以上两者中大值
3.57
b/l

基 础 环 设 计
计算内容
计算公式及数据
矩形板力矩Cx、Cy系数
查表5-27得，Cx=-0.1498,Cy=0.0842
对X轴的弯矩Mx/N·mm/mm

对Y轴的弯矩My/N·mm/mm

计算力矩Ms/N·mm/mm
取以上两者中大值
10481.8
有筋板时基础环厚度/mm
经圆整取
2.11地脚螺栓计算
计算内容
计算公式及数据
最大拉应力σB1/MPa

最大拉应力σB2/MPa

基础环中螺栓承受的最大拉应力σB
取以上两者中大值
塔设备必须设置地脚螺栓
地 脚 螺 栓 计 算
计算内容
计算公式及数据
地脚螺栓个数n
40
地脚螺栓材料的许用应力[σ]bt/MPa
对Q-235A，取
地脚螺栓腐蚀裕量C2/mm
地脚螺栓取
地脚螺栓螺纹小径d1/mm

故取M42地脚螺栓满足要求

2.12小结（汇总设计结果，附设计结果汇总表）
计 算 结 果
塔体圆筒名义厚度 δn/mm
12（满足强度和稳定性要求）
塔体封头名义厚度 δhn/mm
12（满足强度和稳定性要求）
裙座圆筒名义厚度 δen/mm
12（满足强度和稳定性要求）
基础环名义厚度 δb/mm
25（满足强度和稳定性要求）
地脚螺栓个数
40（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）

3 设计总结
本次设计的任务是塔设备机械设计，刚拿到设计任务时一点头绪也没有，根本就不知道从哪开始入手。在参考了课本上的范例，以及老师给的参考资料后才有那么一点思路。在设计过程中需要查阅参考各种数据和资料，有时一个公式、字母需要研究很久才逐渐明白。这次设计的计算量相当大，而且特别容易算错，有时算上好几遍才能算对。因为一个数字的错误计算，就可能导致整个设计作废，必须修改重算。在历经多次的重算修改后，终于熟悉整个设计过程，理清了思路。通过设计过程我们懂得了没有科学地规划，只会一直处在盲目地计算、改数字、再次计算等阶段。
这次机械课程设计给我留下了极深的印象，也让我有了很多的收获。机械课程设计是旨在培养学生的工程设计能力，对所学知识进行一次综合性训练。而这次我们进行的是对塔设备的机械设计。本设计不管是从方法上还是从专业知识上，我都有很大的收获，这对于下次的课程设计是一个很好的锻炼的机会，也是对专业知识的再一次学习和巩固。在这次课程设计中充分运用了个人努力与团队协作，通过我和同学两人的分工合作，让我们有了更多从事设计工作的经验，也增进了朋友之间的友谊。通过这次设计使我对所学知识的综合应用能力、分析和解决工程实际问题能力都得到了提高，为今后的工作做了必要的准备，对我有很大帮助。
由于设计经验不足，加上时间仓促，难免有错误之处，恳请老师批评指正。