塔设备机械设计.doc

华北科技学院环境工程学院华北科技学院环境工程学院 化工设备机械基础课程设计报告课程设计报告 设计题目设计题目 塔设备机械设计 学生姓名学生姓名 张 森 学学 号号 201101034210 指导老师指导老师 任学军 专业班级专业班级 化工 B112 班 教师评语教师评语 设计起止日期：设计起止日期： 2014 年 6 月 16 日 至 2014 年 6 月 29 日 成成 绩绩 化工设备机械基础课程设计 1 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； 塔体内径/mm 2000 塔高/mm 28000 计算压力/MPa 1.2 设计温度/ 200 设置地区银川地震设防烈度/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 46 塔盘存留介质层高度/mm 100 塔盘间距/mm 450 塔釜存留介质高度/mm 2000 介质密度/kg/m3 825 人孔间距/m 5 半圆形平台数 5 平台宽度 800 平台高度 1000 保温层材料密度/ kg/m3 350 保温层厚度/mm 120 再沸器操作质量/kg 4200 化工设备机械基础课程设计 2 目录目录 一、塔体的设计条件 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 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 26 参考文献29 再沸器偏心距/mm 2200 介质腐蚀性无明显腐蚀 化工设备机械基础课程设计 3 一、塔体的设计条件一、塔体的设计条件 1、塔体的内径，塔高近似取2000 i Dmm H=28000mm； 2、计算压力，设计温度 200；1.2 c pMpa 3、设置地区：基本风压值，地震设防烈度 2 0 500/qN m 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 46 层浮阀塔盘，每块塔盘上存有介质高度 为，介质密度为；100 w hmm 3 825/kg m 5、沿塔高每 5m 左右开设一个人孔，人孔数为 5 个，相应 在人孔处安装的半圆形平台为 5 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 120 s mm 为 3 2 350/kg m 7、塔体与裙座间悬挂一再沸器，其操作质量为4200 e mkg 偏心距 e=2200mm； 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： 化工设备机械基础课程设计 4 16MnR s 183a, 189MPa, 345 t MPMPa 5 1.91 10EMPa Q235-B MPaMPaMPa s t 235,113 ,113 9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数；0.85 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二、按计算压力计算塔体和封头厚度 1、塔体厚度计算 mm74 . 7 2 . 1-85 . 0 1832 20002 . 1 p-2 p c t ic D 考虑厚度附加量 C=2mm，经圆整后取。12 n mm 2、封头厚度计算 mm P DP c t ic 73 . 7 2 . 15 . 085 . 0 1832 20002 . 1 5 . 0 2 考虑厚度附加量 C=2mm，经圆整后取。12 n mm 三、塔设备质量载荷计算三、塔设备质量载荷计算 1、筒体圆筒、封头、裙座质量 01 m 圆筒质量： kg1442921.24596m1 封头质量： 2 438 2876mkg 裙座质量： kg182406 . 3 596m3 化工设备机械基础课程设计 5 kg17129182487614429mmmm 32101 说明：（1）塔体总高度 ；m21.2404. 0206 . 3 65 . 0 0 HH （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 02 m 2 02 75 460.785 4 75 4610833 4 i mDkg （浮阀塔盘质量 75） 2 /kg m 3、保温层质量 03 m kg74335886845 35023 . 1 07 . 2 2 35021.24012 . 0 2212 . 0 2012 . 0 22785 . 0 2222 4 m 22 0320 2 n 2 03 mHDD isni 其中，为封头保温层的质量 03 m 其保温层外容积为 22 0 0 (22) 4 z Sins VDhr dz 椭圆封头的曲面方程为 化工设备机械基础课程设计 6 222 22 1 xyz ab 2 2222 2 (1) z rxya b 所以 2 2 617 . 0 0 2 2 0 2 0 2 07 . 2 )12. 0012 . 0 1 ( )12 . 0 012 . 0 5 . 0( 1 ( 04 . 0 )12. 02012 . 0 22(785 . 0 22 4 m dz z dzrhDV z sniS 其壳体外容积为 22 0 0 2 0.512 22 2 0 2 (2) 4 0.785 (22 0.012)0.04(1) (1 0.012) (0.5 0.012) 1.23 z Sin VDhr dz z dz m 4、平台、扶梯质量 04 m 22 04 1 (222 )(22) 42 insinsPFF mDBDnqq H kg396610802886 27401505 2 1 )12 . 0 2012. 02 2()8 . 0212. 02012 . 0 22785 . 0 2 2 化工设备机械基础课程设计 7 说明：由表 8-1 查得平台单位面积质量， 2 150/ P qkg m 笼式扶梯单位长度质量；笼式扶梯总高40/ F qkg m ，平台数量为 5。27 F Hm 5、操作时物料质量 05 m kg VhDNhDm fiwi 17553 82518 . 1 8258 . 14785. 0825461 . 04785 . 0 44 110 2 1 2 05 说明：物料密度，封头内容积，塔 3 825/kg m 3 1.18 f Vm 釜圆筒部分深度，塔板数 N=46， 0 20.50.041.46hm 塔板上液层高度。0.1 w hm 6、 附件质量 a m 按经验取附件质量为 kgmma42821712925 . 0 25 . 0 01 7、 充水质量为 kgVHDm wfwiw 78379100018 . 1 2100021.242785 . 0 2 4 2 0 2 其中 3 1000/ w kg m 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） 化工设备机械基础课程设计 9 塔段 0 1 122334455顶合计 塔段长度/mm 100 0 2000700070007000400028000 人孔与平台数 0021115 塔板数 00101515746 m01/kg5961630417241724172246917129 注：2m 裙座+下封头质量=2596+438=1630，其余为 596各塔段长度 m02/kg-211935323768141310833 注：塔盘质量=0.785475各段塔盘数，塔盘单位面积质量为 75kg/m2 m03/kg-16915471547154726587433 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/kg408014238518517193966 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-973611338853885181316553 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/kg14940710431043104316604282 注：附件质量=0.25m1 mw/kg11802198021980219801169278379 充水质量=塔容积水密度，12 段为封头充水质量=1.181000=1180 me/kg15002700-4200 m0/kg78547601911915032152681443365396 各塔段最小质 量 78537861130983208368779039177 全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=65396kg 化工设备机械基础课程设计 10 全塔操作质量 kg mmmmmmmm ea 65396 4200428217553396674331083317129 05040302010 全塔最小质量 kg mmmmmmm ea 39177 4200428239667433108332.017129 2.0 040302min01 水压试验时最大质量 kg mmmmmmmm ewa 126222 4200783794282396674331083317129 04030201max 四、风载荷与风弯矩计算四、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 3 P 6 312303 33 10 () e PK K q f l DN 式中： 全塔最小质量=m01+0.2m02+m03+m04+ma+me=39177kg 水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ma+me=126222kg 化工设备机械基础课程设计 11 体形系数，对圆筒形容器， 1 K 1 0.7K 10m 高处基本风压值， 0 q 2 0 500/qN m 风压高度变化系数，查表 8-5 得： 3 f 3 1.00f 计算段长度， 3 l 3 7000lmm 脉动影响系数，由表 8-7 得： 3 v 3 0.72v 塔的基本自振周期，对等直径、等厚 1 T 度得圆截面塔： 3 3 0 1 1033.90 ieD ES Hm HT )(876 . 0 10 2000101091 . 1 2800065396 2800033.90 3 35 s 脉动增大系数，根据自振周期， 1 T 由表 8-6 查的：2.224 振型系数，由表 8-8 得： 3z 0.191，风振系数 3z 23 K 306. 1 00. 1 191 . 0 72 . 0 224 . 2 11 3 33 23 f v K z 塔的有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成 90，取下 3e D a、b 中较大者。 30334 .2 eis a DDKK p1 p2 p3 p4 p5 化工设备机械基础课程设计 12 30340 .22 eisps b DDKd ， 3 400Kmm 0 400dmm 3 120 sps mm 4 3 2 2 2 800 1000 457.2 7000 A Kmm l 3 .20242 120400457.23121.2 e a Dmm 3 .20242 120457.24002 1203361.2 e b Dmm 取mmDe3361 3 )(10755 10336170000 . 1500306. 17 . 010 66 33302313 N DlfqKKP e 2、各段塔风载荷计算结果 塔段号 123456 mmli/ 100020007000700070004000 )/( 2 0 mNq 500 1 K 0.7 类B i 0.720.720.720.7690.8060.822 zi 0.020.020.1910.4600.8301.000 2.224 i K2 1.0321.0321.3061.6642.1292.275 化工设备机械基础课程设计 13 3、风弯矩计算 0-0 截面： 2 22 6 543216 2 12 1 1 00 l lllllP l lP l PMw 20001000(10755100010001896500 8 . 947 100021539350070002000100015123)3500 )20007000320001000(15090)3500700022000 mmN 9 10112 . 1 1-1 截面： 222 6 54326 3 23 2 2 11 l llllP l lP l PMw 35007000200015123)35002000(1075510001896 )0200700032000(15090)350070002200021539 mmN 9 10047 . 1 2-2 截面： mhit/ 1310172428 类Bfi 1.001.001.001.1841.3181.434 平台数 002111 /mm 4 K 00457.2228.6228.6400 /mm ei D 262426243361313331333304 NPi/ 947.8189610755151232153915090 化工设备机械基础课程设计 14 222 6 5436 4 34 3 3 22 l lllP l lP l PMw )350070002(21539)35007000(15123350010755 )200070003(15090 mmN 9 10920 . 0 五、地震载荷计算五、地震载荷计算 取第一振型阻尼比为 1 0.02 则衰减指数 0.050.02 0.90.95 0.55 0.02 0.8772s 1 T 塔的总高度 H=28000mm 全塔操作质量 65396kg，重力加速度 0 m 2 9.81/gm s 地震影响系数 1211max 0.2(5) g TT 由表 8-2 查的（设防烈度 8 级）16 . 0 max 由表 8-3 查的 g 0.30T 11 0.02(0.05)/80.02(0.050.02)/80.024 1 2 1 0.050.050.02 111.319 0.06 1.70.06 1.7 0.02 s043 . 0 16 . 0 30 . 0 5-876 . 0 024. 0-2 . 0319 . 1 95 . 0 1 ）（ 计算截面距地面高度 h： 0-0 截面：h=0，1-1 截面：h=1000mm，2-2 截面： 化工设备机械基础课程设计 15 h=3000mm 等直径、等厚度的塔，按/28000/ 20001415 i HD 下列方法计算地震弯矩。 0-0 截面： 0 00 0 10 16 35 EE MMm gH 2800081 . 9 65396043. 0 35 16 mmN 8 10531 . 3 1-1 截面： 1 11 13.52.53.5 10 2.5 8 (10144) 175 EE m g MMHHhh H 100028000142800010( 28000175 81.965396043.08 5.25.3 5.2 )10004 5 . 3 mmN 8 10354 . 3 2-2 截面： 2 22 23.52.53.5 10 2.5 8 (10144) 175 EE m g MMHHhh H 300028000142800010( 28000175 81.965396043.08 5.25.3 5.2 )30004 5 . 3 mmN 8 10002. 3 六、偏心弯矩计算六、偏心弯矩计算 7 e 10064 . 9 220081 . 9 4200gemM e 七、各种载荷引起的轴向应力七、各种载荷引起的轴向应力 化工设备机械基础课程设计 16 1、计算压力引起的轴向压应力 1 MPa DP S ic 60 104 2 . 12000 4 1 其中12210 sn Cmm 2、操作质量引起的轴向压应力 2 0-0 截面： MPa D gm A gm esissb 21.10 10200014 . 3 81 . 9 65296 00 0 00 0 00 2 裙座的有效厚度12210 esn Cmm 1-1 截面： MPa A gm sm 81.10 58630 81 . 9 64611 11 0 11 2 其中，为人孔截面的截kgm6461178565396 11 0 sm A 面积，查相关标准得： 2 58630 sm Amm 2-2 截面： MPa D gm ei 38 . 9 10200014. 3 81 . 9 60050 11 0 22 2 其中，kgm6005047.456078565396 22 0 3、最大弯矩引起的轴向应力 3 0-0 截面 化工设备机械基础课程设计 17 MPa SD M Z M esis sb 31.38 102000785 . 0 1003.12 4 2 8 2 00 max 00 max 00 3 其中，最大弯矩取下式计算值中较大者： ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 88 000000 max 880000 max 10037. 710 )9064. 012.1125. 0531. 3(25. 0 1003.1210)9064. 012.11( 1-1 截面： MPa Z M sm 12.41 27677000 1038.11 811 max 11 3 式中裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得： sm Z =27677000 sm Z 3 mm 其中，最大弯矩取下式计算值中较大者： ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 8 8111111 max 881111 max 10880 . 6 10)9064. 047.1025 . 0 354. 3(25 . 0 1038.1110)9064 . 0 47.10( 2-2 截面： MPa D M Z M ei 20.32 102000785. 0 1011.10 4 2 8 2 22 max 22 max 22 3 其中，最大弯矩取下式计算值中较大者： ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 8 8222222 max 882222 max 10208 . 6 10)9064 . 0 200 . 9 25. 0002 . 3 (25. 0 1011.1010)9064 . 0 200 . 9 ( 化工设备机械基础课程设计 18 八、筒体和裙座危险截面的强度性校核八、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： 2 2 max MPa82.8220.3238 . 9 60 22 3 22 21 22 max 组拉 MpaKMpa 7 . 18682.82 t 22 max 组拉 因为，故满足强度条件。 2 2 max t K 其中，轴向许用应力： t 1.2 183 0.85186.7KMPa 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： 2 2 max MPa58.4120.3238 . 9 22 3 22 2 22 max 组压 许用轴向压应力： 取其中较小值。 t Cr K KB 按 GB-150 钢制压力容器中的规定，由 i 0.0940.094 A0.00094 R /1000/10 e 查相应的材料图(16MnR)得 B=115Mpa, 183 t Mpa 则，取。 1.2 115138 1.2 183219.6 t KBMPa KMPa 2 . 1,138KMPa Cr 化工设备机械基础课程设计 19 因为，满足稳定性条件。 MpaMpa cr 13858.41 22 max 组压 1-1 截面： 塔体 1-1 处的最大组合轴向压应力 MPa93.5112.4181.10 11 3 11 2 11 max 组压 由 0.00094 es /R 0.094 A is 查相应的材料图（Q235-B）得 ,MPaB 5 . 107 Mpa t 113 则，取。 MPaK MPaKB t cr 6 . 135 129 MPa cr 129 因为，满足稳定性条 MpaMpa cr 12993.51 11 max 组压 件。 0-0 截面 塔体 0-0 处的最大组合轴向压应力 MPa52.4831.3821.10 00 3 00 2 00 max 组压 因为，,故满足稳定性条 MpaMpa cr 12952.48 00 max 组压 件。 各危险截面强度与稳定校核汇总 计算危险截面 项目 0-01-12-2 塔体与裙座有效厚 mm 101010 截面以上操作质量 653966461160050 化工设备机械基础课程设计 20 /kg 0 i i m 计算截面面积 2 / i i Amm 62800 sb A 62800A 截面的抗弯截面系数 3 / i i Zmm 5 314 10 sb Z 5 314 10Z 最大弯矩 max / i i MN mm 8 1003.12 8 1038.11 8 1011.10 最大允许轴向拉应力 / t KMpa 173.4- KB 129129138 最大允许压应 力 t K 135.6135.6219.6 计算压力引起的向拉应 力 1/ Mpa 0060 操作质量引起的向压应 力 2 / i i Mpa 10.2110.819.38 最大弯矩引起的轴向应 力 3 / i i Mpa 38.3141.1232.20 最大组合轴向拉应力 max / i i Mpa -82.82 58630 sm A 5 sm 1077.276Z 化工设备机械基础课程设计 21 最大组合轴向压应力 max / i i Mpa 48.5251.9341.58 强度 满足强度 条件 强度与稳定校 核 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 1.550.282000 10() 22 10 tiei ei PD 液柱静压力） 183.92MPa 189 1.251.25 1.21.55 183 Tt pPMPa (2)由试验压力引起的轴向拉应力 1 1 1.55 2000 77.5 44 10 Ti ei P D MPa (3)最大质量引起的轴向压应力 2 MPa D gm ei 72.19 10200014 . 3 81 . 9 126222 22 max 22 2 (4)由弯矩引起的轴向应力 3 MPa SD MM eii eW 68.11 102000785 . 0 109064. 010200 . 9 3 . 0 4 3 . 0 2 88 2 22 22 3 化工设备机械基础课程设计 22 2、水压试验应力校核 (1)筒体环向应力校核 MPa s 9 .26385 . 0 3459 . 09 . 0 因为，故满足要求。183.920.9263.9 Ts MpaMpa (2)最大组合轴向拉应力校核 MPa46.6968.1172.19 5 . 77 22 3 22 21 22 max 组拉 许用应力：MPa S 9 .26385 . 0 3459 . 09 . 0 因为，故满足要求。MpaMpa 9 . 2630.946.69 s 22 max 组拉 (3)最大组合轴向压应力校核 MPa40.3168.1172.19 22 3 2-2 2 22 max 组压 轴向许用压应力 取其中较小值。 KB s cr 9 . 0 , 取。 0.90.9 345310.55 1.2 115138 s MPa KBMPa MPa cr 138 MpaMpa cr 13840.31 2-2 max 组压 因为，故满足要求。 十、基础环设计十、基础环设计 1、基础环尺寸 取 mmDD isob 23003002000300 化工设备机械基础课程设计 23 mmDD isib 17003002000300 Dob=2300 DIS=2000 Dib=1700 b=140 l=160 2、基础环的应力校核 取其中较大值， bb ew bb b A gm Z MM A gm Z M max 00 0 00 max max 3 . 0 38 4444 103756. 8 230032 1700230014 . 3 32 mm D DD Z ob ibob b 22222 188400017002300785 . 0 4 mmDDA ibobb (1)Mpa A gm Z M b o b b 777 . 1 1884000 81. 965396 103756 . 8 1003.12 8 800 max max (2) 8 88 max 00 max 103756. 8 109064. 01012.113 . 03 . 0 bb eW b A gm Z MM Mpa164 . 1 1884000 81 . 9 126222 取MPa b 777 . 1 max 选用 75 号混凝土，其许用应力，故满足要求。a5 . 3 MPRa 3、基础环厚度 化工设备机械基础课程设计 24 按有筋板时，计算基础环的厚度。 b S mmDDb esisob 1402020002300 2 1 2 2 1 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 mmNbM bx 7 . 5161140777 . 1 1482 . 0 1482 . 0 22 max mmNlM by 7 . 3857160777 . 1 0848 . 0 0848 . 0 22 max 取，基础环材料（20R）的许用应力mmNMM xs 7 . 5161 ，C=3mm,基础环厚度： MPa b 133 ，取。 mmC M b s b 26.153 133 7 .516166 mm b 20 十一、地脚螺栓计算十一、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， bb ewE bb ew B A gm Z MMM A gm Z MM 0 0000 min 00 25 . 0 其中，kgm39177 min mmNME 800 10531 . 3 mmNMw 800 1012.11 化工设备机械基础课程设计 25 kgm65396 0 83 8.3756 10 b Zmm 2 1884000 b Amm (1) bb eW B A gm Z MM min 00 Mpa23 . 1 1884000 81 . 9 39177 103756 . 8 109064 . 0 1012.11 8 88 (2) bb eWE B A gm Z MMM 0 0000 25 . 0 888 8 3.90 100.25 11.8 100.9064 1064656.18 9.81 8.3756 101884000 1884000 81. 965396 103756. 8 109064 . 0 1012.1125 . 0 10531 . 3 8 888 MPa52. 0 取其中较大值，Mpa B 23 . 1 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0 B 16MnR，螺栓个数为 n=20，C=3mm。 Mpa bt 163 mmC n A d bt bB 10.303 2016314 . 3 188400023 . 1 44 1 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。 化工设备机械基础课程设计 26 十二、筒体与封头联接法兰的选取十二、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2000 i Dmm1.2 c PMpa 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 012 20,22,36mmmmmm 为。30 64M 3、根据公称直径 DN=2000mm，查附录 13-3，得螺柱材料为 40MnVB