化工设备机械基础课程设计塔设备设计

《化工设备机械基础》

塔设备设计

课程设计说明书

学院：机电学院

班级：过控

姓名：

指导教师：

目录

摘要......................................................................................1

关键字................................................................................1

-设计要求...............................................................................2

二按计算压力计算塔体和封头厚度.........................................................2

2.1塔体厚度计算.....................................................................2

2.2封头厚度计算....................................................................3

三塔设备质量载荷计算....................................................................3

3.1求筒体圆筒、封头、裙座质量......................................................3

3.2塔内构件质量Wo2..................................................................................................................................3

3.3保温层质量〃?03...................................................................................................................................4

3.4平台、扶梯质量7%..........................................................................................................................4

3.5操作时物料质量...............................................................4

3.6附件质量色，按经验取附件质量为................................................5

3.7充水质量为〃八...................................................................5

3.8各种质量载荷汇总................................................................5

3.8.1塔操作质量.................................................................6

3.8.2全塔最小质量...............................................................6

3.8.3水压试验时最大质量........................................................7

四风载荷与风弯矩计算....................................................................7

4.1风载荷计算示例....................................................................7

4.2各段塔风载荷计算结果.............................................................8

4.2.1风弯矩计算................................................................9

五地震载荷计算.........................................................................10

5.1土类1级场地土类...............................................................10

六偏心弯矩计算.........................................................................11

七载荷引起的轴向应力...................................................................11

7.2操作质量引起的轴向压应力6.......................................................................................................12

7.3最大弯矩引起的轴向应力6............................................................................................................12

八筒体和裙座危险截面的强度性校核......................................................13

8.1筒体的强度与稳定性校核.........................................................13

8.2塔体与裙座的稳定性校核........................................................14

8.3各危险截面强度与稳定校核汇总..................................................15

九塔体水压试验和吊装时的应力校核......................................................16

9.1筒体水压试验时各种载荷引起的应力..............................................16

9.1.1由试验压力和液柱静压力引起的环向应力。..................................16

9.1.2由试验压力引起的轴向拉应力巧...........................................17

9.1.3最大质量引起的轴向压应力内..........................................1/

9.1.4由弯矩引起的轴向应力6.................................................17

9.2水压试验应力校核...............................................................17

9.2.1筒体环向应力校核.........................................................17

9.2.2最大组合轴向拉应力校核..................................................17

9.2.3最大组合轴向压应力校核..................................................18

十基础环设计...........................................................................18

10.1基础环尺寸....................................................................18

10.2基础环的应力校核..............................................................18

10.3基础环厚度....................................................................19

+-地脚螺栓计算.......................................................................20

11.1地脚螺栓承受的最大拉应力.....................................................20

11.2地脚螺栓的螺纹小径............................................................21

参考文献.................................................................................22

致谢.....................................................................................23

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，蒸储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。液柞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。蒸饰操作

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、。

1

设计要求

1、塔体的内径2000mm,塔高近似取H=28000mm；

2、计算压力p=L2Mpa,设计温度200℃；

3、设置地区：基本风压值500%//，地震设防烈度8度，场地土类：1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和介质密度为

儿=1()()m//7p、=825kg//??-

5、沿塔高每51n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

—=350kg

7、塔体与裙座间悬挂一再沸器，其操作质量为4200kg,偏心距「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Q345R,裙

座材料选用Q235-B,材料的有关性能参数如下：

Q345R[cr]z=183A/Pa,[cr]=189MPa,q=345MPaE=1.9lx10$MP。

Q235-B=]]3MPa,[(y]=113MPa,。，=235MPa

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O2ninb裙座厚度附加量

C=2mn)o

-按计算压力计算塔体和封头厚度

2.1塔体厚度计算

31.2x2000

=7.74mm

2x183x0.85-1.2

考虑厚度附加量C=2mm,经圆整后取，=12〃7"Z

2

2.2封头厚度计算

PQ1.2x2000

8==7.73用小

2[cr]r夕一0.5匕2xl83x0.85-0.5xl.2

考虑厚度附加量C=2mm,经圆整后取2=12/〃〃z。

三塔设备质量载荷计算

3.1求筒体圆筒、封头、裙座质量

(1)筒体总高度：

H°=H-0.65-3.06-O.(M=24.25m；

(2)查的DN2000min,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/m

(封头曲面深度50(hm,直边高度40nm1)；

(4)裙座高度3060mm,厚度按12mm计。

筒体圆筒、封头、裙座质量〃4“

圆筒质量：町=596x24.25=14453依

封头质量：色=438x2=876依

裙座质量：^=596x3.06=1824俄

如=网+62+g=14453+876+1824=17153kg

3.2塔内构件质量〃也

3

内径800—900时用浮阀塔盘

m,=-D.2x75x46=0.785x22x75x46=l0833依(浮阀塔盘质量

UnZ4

75kgi病)

3.3保温层质量/a

恤3=?(2+2,+2即2一屹+2g2]“(g+2/3

=0.785{(2+2x0.012+2x0.120)2-(2+2x0.012)2]x24.25x350+2(1.54-l.18)x350

二6315Ag

其中，叫”为封头保温层的质量kg

3.4平台、扶梯质量〃6

办”二'(。+2。+2R+28)2-(Q+2&+2a)2]g%,+qh.HF

=0.785X[2+2X0.012+2X0.012+2X0.8)2-(2

+2X0.012+2X0.012)2]X0.5X6X150+40x27

=3452+1080=4299口

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和笼式扶梯总高

分别为：

2

qp=150依/mqF=40kg/tnHF=21m

其中平台数量为6；平台宽度B=800mm.

3.5操作时物料质量/$

4

恤5=7D；h,、g+yD：3+Vp,

44

=0.785x4x().lx46x8304-0.785x4xl.8x83()+1.05x83()

=17551.2^

Vf=(3.14/24)DDDi

说明：物料密度q=830//〃入封头内容积Vf=1.05.，塔釜圆筒部分深度〃o=1.8〃z,

塔板数N:46,塔板上液层高度儿,=0.1m。

3.6附件质量外按经验取附件质量为

ma=0.25/।=0.25x17551.2=4833kg

3.7充水质量为人

2

mw=?+2匕pw=0.785x2x24.25x1000+2x1.05x1000=78245必

其中％=1000必/加

3.8各种质量载荷汇总

将全塔分为6段，计算各质量载荷（计算中近似）

0-

塔段1-22〜33〜44〜55〜顶合计

1

100

塔段长度/mm2000700060006000600028000

0

人孔与平台数0012126

5

塔板数00913141046

m01/kg5962261417235763576297217153

注：3.06m裙座+下封头质量=3.06X596+438=2261,其余为596X各塔段长度

m02/kg—一211930623297235510833

注：塔盘质量二0.785X4X75X各段塔盘数，塔盘单位面积质量为75kg//

m03/kg一11517301483148314036315

注：保温材料，下封头质量115,其余为单位长度保温层质量X各塔段长度

m04/kg4080856139181513504299

注：平台扶梯质量，每个平台质量为575.4kg,每米扶梯为40kg,平台质量算法

同前

m05/kg—979703733883649260617551

注：封头内的物料质量=830X1.18=979,其余各段为各段塔板总的存留介质质量

2〜3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/kg14940710438948948954388

注：附件质量=0.25Xml

mw/kg—11802198018840188401753978245

充水质量二塔容积X水密度，1〜2段为封头充水质量=1.18X1000=1180

me/kg—130023003600

mO/kg78545111925713794137141218964139

各塔段最小质

78535321110073807427770037922

量

全塔操作质量=m01+m02+m03+m04+m05+ma+me=64139kg

全塔最小质量二血）1+0.2mO2+mO3+mO4+ma+mc=37922kg

水压试验时最大质量=m01+m02+m03+m04+mw+ina+me=l24833kg

3.8.1塔操作质量

m+

加。=加。1+加。2+加。3+加04+加。5+a加”

=17153+10833+6315+4299+17551+43884-3600

=641394g

3.8.2全塔最小质量

6

m.nin=十°・2602+机。3+2。4++人，

=17153+0.2x10833+6315+4299+4388+3600

=379224g

3.8.3水压试验时最大质量

"max=+恤2+%3十根04十"%+"兀十"3

=17153+10833+6315+4299+4388+78245+3600

=124833Zg

四风载荷与风弯矩计算

4.1风载荷计算示例

以2~3段为例计算风载荷鸟

々二K1K23%〃323X10Y（N）

式中：

（——体形系数，对圆筒形容器，Kx=0.7

%---10m左右高处基本风压值，qo=6OON/〃/

于、——风压高度变化系数，查表8-5得力=1.00

h——计算段长度，/3=7000〃〃〃

匕一一脉动影响系数，由表8-7得：v3=0.72

十一一塔的基本自振周期，对等直径、等厚度得圆截面塔:

7；=90.33//-^-rxl0~3

VE",D：

7

64139x28000

=90.33x28000xxlO-3

V1.91X105x10x200(^

=0.8678(5)

J——脉动增大系数，根据自振周期工，由

表8-6查的：J=2.27

3——振型系数，由表8-8得：么3=。19

心一一风振系数

心=1+更©=1+2.27x0.72x0.19“3U

力1.00

D,3——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。

a%=DQi+2演+&+尤

b2=%+2%+K&+4)+2bps

K、=400mm,d°=400〃〃〃，£3==115mm

u2\>42x2x800x1000、

K,=:=----------------=457(加)

h7000

a.De3=2024+2x115+400+457=311l(/n/n)

b.De3=2024+2x115+400+457+230=334\(mm)

取Dci=334\mm

£=«6%加。3、叱

=0.7x1.31lx600xIx7000x3341xl0-6

=12877(77)

4.2各段塔风载荷计算结果

塔段号123456

8

Ii/mm100020007000600060006000

%/(N//%2)600

(0.7

匕（B类）0.720.720.720.760.800.82

四0.020.020.190.420.771.00

g2.27

41.0331.0391.3111.7252.402.86

h/m1310162228

“8类）0.640.721.001.161.281.39

平台数002112

K4/mm00457.1266.7266.7533.3

Di/mm262426243341315131513417

PJN728164812877158892671534231

4.2.1风弯矩计算

o-o截面：

加丁二^^+鸟,+3>…+”(//2+/3+/4+4++：

=728x500+1648x(l000+500)+12877x(1000+2000

+3500)+15889x(1000+2000+7000+3000)+26715x(1000+

+2000+7000+6000+3000)+34231x(1000+2000+7000+6000+6000+3000)

=1656453500=1.656x109N-mm

9

1-1截面:

MF””,・・^^/4-/4-/+/4-y

4：+•+2345

=1648x1000+12877x(2000+3500)+15889x(2000+7000+3000)

+26715x(2000+7000+6000+3000)+34231x(2000+7000+6000+6000+3000)

二1565373500=1.565x1O'N•加加

2-2截面:

MF*+小+?+...+也+"4+0

2j

=12877x3500+15889x(7000+3000)+26715x(7000+6000+3000)

+3423lx(7000+6000+6000+3000)

=1384481500=1.384x109N-mm

五地震载荷计算

5.1土类1级场地土类

^y^al当地震烈度为八级时，a=0.45

aI=、1**MlA1m11aMx

所以4=(0.2*()45)/0.8675=0.1037

计算截面距地面高度h：

0-0截面：h=0

IT截面：h=1000mm

2-2截面：h=3000mm

等直径、等厚度的塔，=28000/2000:14,

10

按下列方法计算地震弯矩。

0-0截面：

M'，。=—%m0gH=—x().1037x64139x9.81x28000=8.35x108TVmm

3

1-1截面:

M'F=一四与”35一14〃”/?+4人3，)

上1757725

8x0.1037x64139x9.81

(10x28()(X)-5-I4x2800(ff1

175x28000”x0()()

+4X100035)=7.79xlO8A^-mm

2-2截面:

M「2=8alm吧(]OH3.5_j4H工"+4/产)

fc175/725

8x0.1037x64139x9.81

(IOx28000,；一14x28000~x3000

175x2800025

+4x300015)=6.98x1O'N•mm

六偏心弯矩计算

M.=mege=3600x9.81x2000=70632000=7.063x10?N•mm

七载荷引起的轴向应力

7.1计算压力引起的轴向压应力5

^=2000XL2=60^

/二

4a4x10

11

其中b,=2一C=12-2=I()〃"“

7.2操作质量引起的轴向压应力内

0-0截面:

…警=笳=瑞瑞

裙座的有效厚度港=久-C=12-2=10〃〃〃

1_1截面：

寸金=—63354x9.81=1(“，

~A,”58630

其中，〃小=64139-785=63354依，A,“为人孔截面的截面积,查相关标准得:

A,〃=5863。加2

2-2截面:

59822x9.81

=9MMPa

才嗡二3.14x2000x10

其中,欣-2=54139—785—3532=59822kg

7.3最大弯矩引起的轴向应力巴

0-0微面

17.27X108

靖。一峭:max=55.00MP〃

2

Z,,_D2s0.785X2000X10

4

其中，最大弯矩MM,取下式计算值中较大者:

12

M肾==(16.56+0.7063)xlOs=l7.27x10>-mm

<=M^-°+0.25M：-。+M,=(8.156+0.25x16.56+0.7063)

x108=13.00xlO8/V•/??/»

1-1截面：

此工16.36x1()8

=59.1

Zs//I~27677000

式中Zq”一一裙座人孔截面的抗弯截面系数。查相关标准得:

Zsrn=27677000mm3

其中，最大弯矩加皆取下式计算值中较大者：

x

M舄="广+Mf=(15.65+0.7063)xlO=l6.36x10,N•mm

・M*=M『+0.25M：+M,=(7.749+0.25x15.65+0.7()63)x1()8

=12.37x1()8%.加加

2-2截面：

M2-2M2-214.55xl08

max_____max=46.34MP〃

Z0.785X20002X10

J2。

其中，最大弯矩取下式计算值中较大者：

x8

+Me=(13.84+0.7063)x10=14.55xlO7Vmm

-2x

ML+0.25M；+Me=(6.934+0.25x13.84+0.7063)x1O

=11.10x1()8%.〃〃九

八筒体和裙座危险截面的强度性校核

8.1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5盆细产

W就拉=，-疗2+靖2=印_9.34+«.%=97MPa

13

端急用=97MM<Md10=186.7%

因为b点组拉故满足强度条件。

其中，轴向许用应力：K[(y]=1.2x183x0.85=1S6.7MPa

8.2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b点细尸

压=b；-2+b：2=9.34+46.34=55.68/WP67

按GBT50钢制压力容器中的规定，由

―:----=0.00094

查相应的材料图(Q345R,200°C)得B=115Mpa,[a]=1S3Mpa

则，,、，取=138M&,K=1.2。

K[oJ=1.2x183=219.6M&

因为5潟i压=55.68加〃"口]”138例〃。,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

b出四可=。尸+。｝=10.6+59.11=69.71

0.0940.094

0.00094

查相应的材料图(Q235-B,200°C)得3=107.5MPa，口］'=113朋加/,

K=1.2o

14

r,KB=129MPa

则[Mcrr1/，取[b].=129M&。

K[a]={35.6MPar

因为，b二空压=69.73Mp〃<[b],=129Mpa,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

&：；%压=+<<°=10.02+55.00=65.02MPa因为,

5：：力压=65.02M/加<[cr]-129M"，故满足稳定性条件

8.3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mm101010

截面以上操作质量加1/kg642506346559933

计算截面面积A/_//mm24=64139283465

A=62800

截面的抗弯截面系数

Z『314xl正Z=314xl05

ZJ/min)4J276.77X105

15

最大弯矩伽17.27xlO816.36xlO814.55x10s

最大允许轴向拉应力

173.4——

K同

KB129129138

最大允许压应力

135.6135.6204

计算压力引起的向拉应力

0060

CT]/Mpa

操作质量引起的向压应力

10.0410.629.93

W/Mpa

最大弯矩引起的轴向应力

55.0059.1146.34

或,/Mpa

最大组合轴向拉应力

一一96.41

fjMpa

最大组合轴向压应力

65.0269.7155.68

双JMpa

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

9.1筒体水压试验时各种载荷引起的应力

9.1.1由试验压力和液柱静压力引起的环向应力。

16

(一+液柱静压力)(？+/)(1.5+0.28)x(2000+10)

~2^."2776

=178.9MP〃

=1.25P=1.25x1.2x—=1.549MPa

[a]183

液柱静压力=1000x28=0.28(MPa)

9.1.2由试验压力引起的轴向拉应力6

PD_1.549x2000

li=77.46MPa

42―4x10

9.1.3最大质量引起的轴向压应力外

心124969x981

丝吧2适==19.5()MPa

叫。3.14x2000x10

9.1.4由弯矩引起的轴向应力外

0.3M/2+M0.3x13.84x108+0.7063x1(/

2-2=\5AlMPa

().785x20002x10

9.2水压试验应力校核

9.2.1筒体环向应力校核

().9区。=0.9x345x0.85=263.9MP。

因为。7=178.9M〃Q〈().9b/=263.9Mp。，故满足要求。

9.2.2最大组合轴向拉应力校核

...=⑦一CT?-2+0-2-2=60-9.34+46.34=97MPa

111«1j21.I/-5

17

许用应力：0.9。"=0.9x345x0.85=263.9MR1

因为5；蓝拉=97Mpa<0.9=2639MM,故满足要求。

9.2.3最大组合轴向压应力校核

公组压=+°F=19.52+15.47=3499MP”

轴向许用压应力同，=『则取其中较小值。

LJKB

0.9b、=0.9x345=310.5M&

取［M“=138MR/。

KB=1.2xll5=138MP。

因为b：盆压=55.68"〃〃<[o-L=138MM,故满足要求。

十基础环设计

10.1基础环尺寸

取Dob=r>.+300=2000+300=2300nmi

DUi=-300=2000-300=1700mm

10.2基础环的应力校核

18

M晨

_ZbA),

取其中较大值,<

一‘0.3”+也

Zb4

兀［%-工)_3.14(23004-1700,)

Zb==8.376x10'，〃〃/

32%-32x2300

A}=*1%-D；)=().785x(23002-17002)=188400(72?⑴

mg_17,27x10s64139x9.81

o=2.09Mpa

bf,max-8.376X108+1884000

Zb

0.3M，0+%,mg0.3x16.56X108+0.7063X108

⑵qmaxmax=

48.376x108

124833x9.81

+------------=1.33Mpa

1884000

取/max=2.09M4

选用75号混凝土，其许用应力=3.5MPa,故满足要求。

10.3基础环厚度

按有筋板时，计算基础环的厚度，。

b=g(D,LD「2aJ=1(2300-2000-20)=l40〃〃，，

设地脚螺栓直径为M42,由表8-11查得1二160州，

则b/l=140/160=0.88,由表8-10查得

22

Mx=-0.1482(rhmilb=-0.1482x2.09xl40=-6070N-mm

=0.084初、」2XX2=4537Nmm。

y"max=0.08482.09160

取M=|Mj=6070N•〃价2,基础环材料(Q245R)的许用应力b1,=133M&,C=3mm,

19

基础环厚度

+C=7(6*6070/133)+3=19.55mm,取名二20mm

+-地脚螺栓计算

11.1地脚螺栓承受的最大拉应力

历：~0+设,3

取其中较大值,=.Zb4

一'A^~°+O25/VC°+M,.

4

其中，丹”37922依

Mf.-()=8.35xlO\V/wn

fx

M,；.-°=16.56xlO.V-/w«

肛)=64139kg

Z„=8.376x10s/wz?3

4=188400QW

⑴

Zb4

16.56x1()8+0.7063x10837922x9.81

=1.863W%

8.376x1()81884(X)0

M产+().25M，°+M「

「R=

Z.A,

8.35xlO8+0.25x16.56x10s4-0.7063xlQ864139x9.81

8.376x1081884000

=\.25MPa

20

取其中较大值，bs=1.86MM

11.2地脚螺栓的螺纹小径

因为外>0,故此塔设备必须安装地脚螺栓。选双螺栓材料30CrMoA,螺栓个数为

n=28,\cy\)t=150Mpa,03nlm。

席,°\.4x1.863x1884000+3=3563_

4=勿加，V3.14x28x150

取地脚螺栓为M42o由表8-12查得M42的螺纹小径d=37.129mm,故选用28个M42

的地脚螺栓，满足要求。

筒体3"=⑵加，封头2=12〃〃〃，喏座

塔的名义壁厚

港=\2nun

质量载荷

塔〃［而n=37922kg

的

载M=1.656x10')N•mm,M=1.565xIO9/V-mm

荷风弯矩

及=1.384X1()9N.〃〃〃

其

弯

矩M，。=8.35x10*N/2小用F=7.79x108"〃〃〃

地震弯矩

=6.98X108^/?W7

基础环尺

Doh=2300"vn,Dih=1700nvn,3b=20"〃M

寸

基

础

环基础环的

设满足要求

计应力校核

地脚螺栓直径M42,个数28个

21

设计

22

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》----------