化工设备机械基础优秀课程设计.doc

设计参考数据

塔体内径/mm

塔高/mm
40000
计算压力/MPa
0.9
设计温度/℃
150
基础风压值/N/㎡
300
地震设防烈度/度
8
场地土类
Ⅰ类
设计地震分组
第二组
设计基础地震加速度
0.2g
地面粗糙度
B类
塔盘数
70
塔盘存留介质层高度/mm
90
塔盘间距/mm
450
介质密度/kg/m3
800
保温层厚度/mm
100
保温层材料密度/ kg/m3
300
平台宽度
1000
人孔间距
10层塔板
半圆形平台数
7
单位质量/㎏/㎡
150
包角
180°
再沸器操作质量/kg
3800
再沸器偏心距/mm

塔体和封头材料
Q345R
裙座材料
Q235-B
塔体和封头厚度附加量/㎜
3
裙座附加量/㎜
3
塔体焊接接头系数Φ
0.85

目录

一、塔体设计条件 …………………………………………3
二、按计算压力计算塔体和封头厚度 ………………………4
三、塔设备质量载荷计算………………………………………………4
四、风载荷和风弯矩计算……………………………………6
五、地震载荷计算 ……………………………………………10
六、偏心弯矩计算 ……………………………………………11
七、多种载荷引发轴向应力 ………………………………11
八、筒体和裙座危险截面强度性校核 ……………………13
九、塔体水压试验和吊装时应力校核 ……………………16
十、基础环设计 ………………………………………………17
十一、地脚螺栓计算 …………………………………………19
十二、筒体和封头联接法兰选择 …………………………20
十三、关键符号说明 …………………………………………………22
十四、个人总结 …………………………………………………… 24
参考文件 ………………………………………………………27

一、塔体设计条件
1、塔体内径，塔高近似取；
2.计算压力，设计温度150℃；
3、设置地域：基础风压值=300N/m²，地震设防烈度8度，设计基础地震加速度0.2g，地震分组为第二组；场地土类：I类，地面粗糙度B类。
4、塔内装有N=70层浮阀塔盘，塔盘间距450mm，每层塔板上每块塔盘上存有介质高度为，塔板上介质密度为800kg/m³；
5、塔壳外表面层100mm，保温层材料密度300kg/m³。
6、沿塔高每10层塔盘开设一个人孔，人孔数为7个，对应在人孔处安装平台为，平台宽1.0m，单位质量150kg/㎡，包角180°。
7、塔体和裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为，偏心距e=mm；
8、塔体和封头材料选择Q345R,其中，裙座材料选择Q235-B。
9、塔体和裙座厚度附加量C=3mm，裙座厚度附加量3mm。塔体和裙座对接焊缝，塔体焊接接头系数。
对该塔进行强度和稳定计算。
二、按计算压力计算塔体、封头和裙座厚度
1、塔体厚度计算

考虑厚度附加量C=3mm，经圆整后取。
2、封头厚度计算

考虑厚度附加量C=3mm，经圆整后取。
3、裙座厚度也取12mm。
三、塔设备质量载荷计算
1、筒体圆筒、封头、裙座质量

2、 隶属间质量

3、塔内构件质量

（浮阀塔盘质量75）
4、保温层质量

5、平台、扶梯质量

说明：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7。
6、操作时物料质量

说明：物料密度，塔板数N=70，塔板上液层高度。
7、 充水质量为
其中
8、 多种质量载荷汇总
将全塔分为9段，计算各质量载荷（计算中略有近似）
段号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
塔段长度
1800
1800
6750
4750
4750
4750
4750
4750
5900

1339.7
1339.7
5023.9
3535.3
3535.3
3535.3
3535.3
3535.3
4391.2

0
0
52356.1
2356.1
2356.1
2356.1
2356.1
2356.1
2356.1

0
0
1351.3
950.9
950.9
950.9
950.9
950.9
1181.1

72
72
982.5
902.5
902.5
902.5
902.5
902.5
948.5

0
0
2262
2262
2262
2262
2262
2262
2262

0
0
21205.8
14922.6
14922.6
14922.6
14922.6
14922.6
18535.4

0
1900
1900
0
0
0
0
0
0

1411.7
3311.7
13875.8
10006.8
10006.8
10006.8
10006.8
10006.8
11138.9

1411.7
3311.7
32819.6
22667.4
22667.4
22667.4
22667.4
22667.4
27412.3

1411.7
3311.7
9728.9
5859.9
5859.9
5859.9
5859.9
5859.9
6992
全塔操作质量

全塔最小质量

水压试验时最大质量

四、风载荷和风弯矩计算
1、风载荷计算示例
以2~3段为例计算风载荷

式中：
——体形系数，对圆筒形容器，
——10m高处基础风压值，
——风压高度改变系数，查表8-5得：
——计算段长度，
——脉动影响系数，由表得：
——塔基础自振周期，对等直径、等厚
度得圆截面塔：

——脉动增大系数，依据自振周期，由
表查：
——振型系数，由表得：
——风振系数

——塔有效直径。设笼式扶梯和塔顶管线成90°，取下a、b中较大者。

，，

，取

2、各段塔风载荷计算结果

塔段号
1
2
3
4
5
6
7
8
9

1800
1800
6750
4750
4750
4750
4750
4750
5900

300

0.7

0.72
0.72
0.72
0.76
0.79
0.81
0.83
0.84
0.85

0.02
0.02
0.108
0.212
0.34
0.48
0.65
0.825
1.00

2.50

1.036
1.036
1.193
1.353
1.539
1.732
1.957
2.173
2.362

0.045
0.09
0.26
0.38
0.50
0.615
0.73
0.85
1.00

1.00
1.00
1.0098
1.1422
1.2467
1.3282
1.4090
1.4774
1.56
平台数
0
0
1
1
1
1
1
1
1
/mm
0
0
296.3
421.1
421.1
421.1
421.1
421.1
421.1

2674
2674
3170.3
3295.1
3295.1
3295.1
3295.1
3295.1
3213.0

1047.16
1047.16
5413.76
5079.51
6306.41
7561.24
9063.24
10552.11
14668.53

3、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

塔总高度 H=40000mm
全塔操作质量
重力加速度
地震影响系数
由表查（设防烈度8级）
由表查

计算截面距地面高度h：
0-0截面：h=0
1-1截面：h=1800mm
2-2截面：h=3600mm
等直径、等厚度塔，，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、多种载荷引发轴向应力
1、计算压力引发轴向压应力

其中
2、操作质量引发轴向压应力
0-0截面：

裙座有效厚度
1-1截面：

其中，，为人孔截面截面积，查相关标准得：
2-2截面：

其中，
3、最大弯矩引发轴向应力
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——裙座人孔截面抗弯截面系数。查相关标准得：
=
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强度性校核
1、筒体强度和稳定性校核
2-2截面：
筒体危险截面2-2处最大组合轴向拉力：

因为，故满足强度条件。
其中，轴向许用应力：
2、 塔体和裙座稳定性校核
2-2截面：
筒体危险截面2-2处最大组合轴向压力：

许用轴向压应力： 取其中较小值。
按GB-150 钢制压力容器中要求，由

查对应材料图(16MnR)得B=106Mpa,
则，取。
因为，故满足稳定性条件。
1-1截面：
塔体1-1处最大组合轴向压应力

由 0.00084
查对应材料图（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。
各危险截面强度和稳定校核汇总
项目
计算危险截面
0-0
1-1
2-2
塔体和裙座有效厚mm
9
9
9
截面以上操作质量/kg
79773.9
78361.3
75049.6
计算截面面积

截面抗弯截面系数

最大弯矩

最大许可轴向拉应力

173.4
最大许可压应力

-
-
138

135.6
135.6
204
计算压力引发向拉应力
0
0
50
操作质量引发向压应力
13.84
14.57
13.02
最大弯矩引发轴向应力
55.95
55.96
48.28
最大组合轴向拉应力
-
-
85.26
最大组合轴向压应力
69.79
70.53
61.3
强度和稳定校核
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应力校核
1、筒体水压试验时多种载荷引发应力
(1)由试验压力和液柱静压力引发环向应力

(2)由试验压力引发轴向拉应力

(3)最大质量引发轴向压应力

(4)由弯矩引发轴向应力

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、基础环应力校核
取其中较大值，
(1)
(2)

取
选择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，计算基础环厚度。

设地脚螺栓直径为M42，由表查得l=160mm，
则b/l=140/160=0.88，由表查得
。
取，基础环材料（20R）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、地脚螺栓螺纹小径
因为，故此塔设备必需安装地脚螺栓。选择螺栓材料16MnR，螺栓个数为n=20，，C=3mm。

取地脚螺栓为M42。由表8-12查得M42螺纹小径d=37.219mm，故选择20个M42地脚螺栓，满足要求。
十二、筒体和封头联接法兰选择
1、依据筒体内径，计算压力，温度150℃，查表6-2，确定法兰结构为长颈对焊法兰，查附录12选择材料16Mn，公称压力PN=1.6Mpa。
2、查相关手册得法兰基础数据：
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、依据公称直径DN=mm，查附录13-3，得螺柱材料为40MnVB，查表6-6得，螺母材料为40Mn。
4、压紧密封面选择平面密封面，选择缠绕型垫片，D=2089mm，d=2039mm，
垫片种类为石棉式石墨填充带。
法兰图见附图
塔机械设计结果
塔名义壁厚
筒体，封头，裙座
塔载荷及其弯矩
质量载荷

风弯矩

地震弯矩

基础环设计
基础环尺寸

基础环应力校核
满足要求
地脚螺栓设计
直径M42，个数20个

关键符号说明
裙座人孔处截面面积，
裙座人孔处截面抗弯截面系数，
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内直径，
裙座人孔截面处水平方向最大宽度，
人孔或较大管线引出孔加强管长度，
人孔或较大管线引出孔加强管厚度，
塔计算段有效直径，
基础环内直径，
基础环外直径，
裙座大端外直径，
E 设计温度下材料弹性模量，
风压高度改变系数
H 塔总高度，
塔第i段顶截面距地面高度，
塔第i-i截面处地震弯矩，
塔第i-i截面处最大弯矩，
塔第i-i截面处风弯矩，
塔最大质量，
塔最小质量，
塔操作质量，
计算截面以上操作质量，
计算压力，
塔i-i计算段水平风力，
基础风压值，
塔基础自振周期，
对应地震影响系数
地震影响系数最大值
管线保温层厚度，
脉动增大系数
脉动影响系数
由计算压力引发轴向应力，
由重力引发轴向应力，
设计温度下筒体材料许用应力，
设计温度下材料许用轴向压应力，
设计温度下裙座材料许用应力，
振型系数

参考文件
[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，.
[2] 陈作模. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，.
[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，.
[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，.
[5] 董大勤. 化工设备机械基础[M].化学工业出版社，。