学士学位论文—-化工设备机械基础课程设计塔设备机械设计.doc

化工设备机械基础课程设计成 绩 化工设备机械基础课程设计报告 设计题目 塔设备机械设计 学生姓名 学 号 指导老师 专业班级 教师评语 设计起止日期： 至 塔设备设计任务书一、 设计内容1、 根据操作条件选择塔体、裙座材料；2、 法兰选型；3、 塔设备机械设计；4、 塔设备结构设计；5、 编写设计计算说明书，主要内容： 目录； 设计任务书（题目）； 设计方案的确定，包括材料选择、塔设备结构设计等； 塔设备机械设计过程； 标准零部件的选择，如法兰等； 设计小结； 参考资料； 附图：总装图法兰结构图塔盘板结构示意图；塔板连结结构示意图；塔盘支撑结构示意图；裙座与塔体焊缝结构图；设计参考数据塔体内径/mm2000塔高/mm31000计算压力/MPa1.2设计温度/200设置地区广州地震设防烈度/度8场地土类类设计地震分组第二组设计基本地震加速度0.2g地面粗糙度B类塔盘数52塔盘存留介质层高度/mm100塔盘间距/mm450塔釜存留介质高度/mm100介质密度/kg/m3825人孔间距/m5半圆形平台数平台宽度800平台高度1000保温层材料密度/ kg/m3315保温层厚度/mm105再沸器操作质量/kg3800再沸器偏心距/mm2000介质腐蚀性无明显腐蚀目录一、塔体的设计条件 5二、按计算压力计算塔体和封头厚度 6三、塔设备质量载荷计算6四、风载荷与风弯矩计算 10五、地震载荷计算 13六、偏心弯矩计算 15七、各种载荷引起的轴向应力 15八、筒体和裙座危险截面的强度性校核 17九、塔体水压试验和吊装时的应力校核 20十、基础环设计 21十一、地脚螺栓计算 23十二、筒体与封头联接法兰的选取 24参考文献27一、塔体的设计条件1、塔体的内径，塔高近似取 H=31000mm；2、计算压力，设计温度200；3、设置地区：基本风压值，地震设防烈度8度，场地土类：类，设计地震分组：第二组，设计基本地震加速度: 0.2g；4、塔内装有52层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度为，介质密度为；5、沿塔高每5m左右开设一个人孔，人孔数为6个，相应在人孔处安装的半圆形平台为6个，平台宽度B=800mm，高度为1000mm：6、塔外保温层厚度，保温材料密度 为7、塔体与裙座间悬挂一再沸器，其操作质量为，偏心距e=2000mm；8、塔体在200的条件下工作，介质无明显腐蚀，筒体与封头材料选16MnR，裙座材料选用Q235-B，材料的有关性能参数如下：16MnR Q235-B ；9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数；10、塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm。二、按计算压力计算塔体和封头厚度1、塔体厚度计算 考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取。2、封头厚度计算考虑厚度附加量C=2mm，经圆整后取。三、塔设备质量载荷计算1、筒体圆筒、封头、裙座质量圆筒质量： 封头质量： 裙座质量： 说明：（1）塔体总高度； （2）查的DN2000mm，厚度12mm的圆筒质量为596kg/m； （3） 查的DN2000mm，厚度12mm的椭圆形封头质量为438kg/个（封头曲面深度500mm，直边高度40mm）； （4）裙座高度3060mm，厚度按12mm计。2、塔内构件质量（浮阀塔盘质量75）3、保温层质量 其中，为封头保温层的质量，169.47kg/个，密度为其保温层外容积为椭圆封头的曲面方程为 所以其壳体外容积为4、平台、扶梯质量 说明：由表8-1查得平台单位面积质量，笼式扶梯单位长度质量；笼式扶梯总高，平台数量为6。5、操作时物料质量说明：物料密度，封头内容积，塔釜圆筒部分深度，塔板数N=52，塔板上液层高度。6、 附件质量按经验取附件质量为7、 充水质量为 其中8、 各种质量载荷汇总将全塔分为6段，计算各质量载荷（计算中略有近似）塔段01122334455顶合计塔段长度/mm10002000700070007000700031000人孔与平台数0021126塔板数00915161252m01/kg59616304172417241724174.9618916.9注：2m裙座+下封头质量=2596+438=1630，其余为596各塔段长度m02/kg-2119.53532.53768282612246注：塔盘质量=0.785475各段塔盘数，塔盘单位面积质量为75kg/m2m03/kg-169.471547.81547.81547.81542.436355.3注：保温材料，下封头质量169.47，其余为单位长度保温层质量各塔段长度m04/kg40801423.2851.6851.61382.24629.6注：平台扶梯质量，每个平台质量为571.6kg，每米扶梯为40kg，平台质量算法同前m05/kg-973.56113.583885.753885.753367.6518226.2注：封头内的物料质量=8251.18=973.5，其余各段为各段塔板总的存留介质质量23段为塔釜直筒段存留介质质量+9块塔板上存留的介质质量ma/kg149407.51043104310431043.74729.3注：附件质量=0.25m1mw/kg11802198021980219802069487799.4充水质量=塔容积水密度，12段为封头充水质量=1.181000=1180me/kg130025003800m0/kg7854560.518919.115032.715268.214336.968902.3各塔段最小质量785358711109.98320.983708708.4940881.3全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=68902.29kg全塔最小质量=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=40881.3kg水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me=138476.4kg全塔操作质量全塔最小质量水压试验时最大质量 四、风载荷与风弯矩计算1、风载荷计算示例以23段为例计算风载荷式中：体形系数，对圆筒形容器，10m高处基本风压值，风压高度变化系数，查表8-5得： 计算段长度，脉动影响系数，由表8-7得：塔的基本自振周期，对等直径、等厚 度得圆截面塔： 脉动增大系数，根据自振周期，由 表8-6查的：振型系数，由表8-8得：风振系数塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成90，取下a、b中较大者。，取2、各段塔风载荷计算结果塔段号1234561000200070007000700070005000.70.720.720.720.7690.8060.8320.020.020.1580.3980.7381.0002.331.0341.0341.2651.602.052.3513101724311.001.001.001.1841.3181.434平台数002112/mm00457.2228.6228.6457.2263426343301.023072.423072.423301.02953.24953.2410231.21426020337.227254.13、风弯矩计算0-0截面： 1-1截面： 2-2截面：五、地震载荷计算取第一振型阻尼比为则衰减指数塔的总高度 H=31000mm全塔操作质量 重力加速度 地震影响系数由表8-2查的（设防烈度8级）由表8-3查的计算截面距地面高度h：0-0截面：h=01-1截面：h=1000mm2-2截面：h=3000mm等直径、等厚度的塔，按下列方法计算地震弯矩。0-0截面： 1-1截面： 2-2截面： 六、偏心弯矩计算七、各种载荷引起的轴向应力1、计算压力引起的轴向压应力其中2、操作质量引起的轴向压应力0-0截面：裙座的有效厚度1-1截面：其中，为人孔截面的截面积，查相关标准得：2-2截面：其中，3、最大弯矩引起的轴向应力0-0截面其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：1-1截面：式中裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得：=27677000 其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：2-2截面： 其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：八、筒体和裙座危险截面的强度性校核1、筒体的强度与稳定性校核2-2截面：筒体危险截面2-2处的最大组合轴向拉力：因为，故满足强度条件。其中，轴向许用应力：2、 塔体与裙座的稳定性校核 2-2截面： 筒体危险截面2-2处的最大组合轴向压力： 许用轴向压应力： 取其中较小值。按GB-150 钢制压力容器中的规定，由 查相应的材料图(16MnR)得B=115Mpa, 则，取。因为，故满足稳定性条件。1-1截面：塔体1-1处的最大组合轴向压应力由 0.00093查相应的材料图（Q235-B）得 ,则，取。因为，故满足稳定性条件。0-0截面塔体0-0处的最大组合轴向压应力因为，,故满足稳定性条件。 各危险截面强度与稳定校核汇总项目计算危险截面0-01-12-2塔体与裙座有效厚mm101010截面以上操作质量/kg68902.968117.2963556.82计算截面面积截面的抗弯截面系数最大弯矩最大允许轴向拉应力173.4最大允许压应力129129138135.6135.6204计算压力引起的向拉应力0060操作质量引起的向压应力10.7611.409.93最大弯矩引起的轴向应力47.8551.4740.91最大组合轴向拉应力-90.98最大组合轴向压应力58.6162.8750.84强度与稳定校核强度满足强度条件稳定性满足稳定性条件九、塔体水压试验和吊装时的应力校核1、筒体水压试验时各种载荷引起的应力(1)由试验压力和液柱静压力引起的环向应力 (2)由试验压力引起的轴向拉应力(3)最大质量引起的轴向压应力(4)由弯矩引起的轴向应力2、水压试验应力校核(1)筒体环向应力校核因为，故满足要求。(2)最大组合轴向拉应力校核 许用应力：因为，故满足要求。(3)最大组合轴向压应力校核轴向许用压应力 取其中较小值。, 取。因为，故满足要求。十、基础环设计1、基础环尺寸取 2、基础环的应力校核取其中较大值，(1)(2) 取选用75号混凝土，其许用应力，故满足要求。3、基础环厚度按有筋板时，计算基础环的厚度。 设地脚螺栓直径为M42，由表8-11查得l=160mm，则b/l=140/160=0.88，由表8-10查得 。取，基础环材料（20R）的许用应力，C=3mm,基础环厚度，取。十一、地脚螺栓计算1、地脚螺栓承受的最大拉应力取其中较大值，其中， (1) (2)取其中较大值，2、地脚螺栓的螺纹小径因为，故此塔设备必须安装地脚螺栓。选取螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20，C=3mm。 取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.219mm，故选用20个M42的地脚螺栓，满足要求。十二、筒体与封头联接法兰的选取1、根据筒体内径，计算压力，温度200，查表6-2，确定法兰结构为长颈对焊法兰，查附录12选取材料16Mn，公称压力PN=1.6Mpa。2、查相关手册得法兰基本数据：D=2215mm，D1=2155mm，D2=2110mm，D3=2090mm，D4=2087mm螺纹孔直径d=33mm，法兰厚度b=102mm，高颈尺寸H=190mm，h=56mm，螺栓为。3、根据公称直径DN=2000mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为40Mn。4、压紧密封面选取平面密封面，选用缠绕型垫片，D=2089mm，d=2039mm， 垫片种类为石棉式石墨填充带。法兰图见附图塔的机械设计结果塔的名义壁厚筒体，封头，裙座塔的载荷及其弯矩质量载荷风弯矩地震弯矩基础环设计基础环尺寸基础环的应力校核满足要求地脚螺栓设计直径M42，个数20个主要符号说明裙座人孔处截面的面积，裙座人孔处截面的抗弯截面系数，裙座壳底部内直径，裙座壳有效壁厚，裙座人孔截面处裙座壳的内直径，裙座人孔截面处水平方向的最大宽度，人孔或较大管线引出孔加强管的长度，人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，塔计算段的有效直径，基础环内直径，基础环外直径，裙座大端外直径，E设计温度下材料的弹性模量，风压高度变化系数H塔的总高度，塔第i段顶截面距地面的高度，塔第i-i截面处的地震弯矩，塔第i-i截面处的最大弯矩，塔第i-i截面处的风弯矩，塔的最大质量，塔的最小质量，塔的操作质量，计算截面以上的操作质量，计算压力，塔i-i计算段的水平风力，基本风压值，塔的基本自振周期，对应的地震影响系数地震影响系数的最大值管线保温层厚度，脉动增大系数脉动影响系数由计算压力引起的轴向应力，由重力引起的轴向应力，设计温度下筒体材料的许用应力，设计温度下材料的许用轴向压应力，设计温度下裙座材料的许用应力，振型系数参考文献1路秀林，王者相. 化工设备设计全书塔设备M. 北京：化学工业出版社，2004.2陈作模. 机械原理M. 北京：高等教育出版社，2004.3 刁玉玮，王立业. 化工设备机械基础M. 大连：大连理工大学出版社，2005.4 匡国柱，史启才. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京：化学工业出版社，2005.5 董大勤. 化工设备机械基础M.化学工业出版社，2004。28