浮阀塔设备的机械设计.doc

滨州学院化工设备机械基础课程设计 化工设备机械基础课程设计题 目浮阀塔设备的机械设计 系 （院）化学与化工系专 业化学工程与工艺班 级09化工本1学生姓名 学 号 指导教师 职 称二一二年六月十八日目录前言1关键字1第一章 设计参数及要求21.1符号说明21.2.设计参数及要求21.2.1设计参数21.2.2设计要求3第二章 材料选择42.1概论42.2塔体材料选择42.3 裙座材料的选择4第三章 塔体的结构设计及计算53.1 按计算压力计算塔体和封头厚度53.2 塔设备质量载荷计算53.3 风载荷和风弯矩73.3.1 水平风力73.3.2 风弯矩93.3.3 偏心弯矩103.3.4 最大弯矩103.4 地震弯矩的计算123.4.1 水平地震力123.4.2 垂直地震力143.4.3 地震弯矩计算143.5 各种载荷引起的轴向应力153.5.1 圆筒轴向应力153.5.2 圆筒稳定校核163.5.3 圆筒拉应力校核163.6 塔设备压力试验时的应力校核173.6.1 圆筒应力173.6.2 应力校核183.7 裙座轴向应力校核203.7.1 裙座底截面组合应力203.7.2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力203.8 地脚螺栓座233.8.1 基础环设计233.8.2 地脚螺栓24小结28附录29参考文献3030前言摘要塔设备是化工、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，蒸馏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。液相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。蒸馏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、。第一章 设计参数及要求1.1符号说明 - 计算压力， ； - 圆筒或球壳内径，；-圆筒或球壳的最大允许工作压力，； - 圆筒或球壳的计算厚度，；n - 圆筒或球壳的名义厚度，；e - 圆筒或球壳的有效厚度，；- 圆筒或球壳材料在设计温度下的许用应力，； - 圆筒或球壳材料在设计温度下的计算应力，； - 焊接接头系数；C - 厚度附加量，；1.2.设计参数及要求1.2.1设计参数设计参数工作压力1.4塔体内径1600计算压力1.54塔高35000工作温度100设计寿命设计温度120浮阀规格介质名称浮阀间距介质密度800保温材料厚度100传热面积保温材料密度300基本风压400塔盘上存留介质层高度100地震基本烈度7壳体材料16MnR场地类别II内件材料塔形裙座材料Q-235-A塔板数目60偏心质量4000塔板间距偏心距2000腐蚀速率1.2.2设计要求（1） 塔体内径,塔高近似取。（2） 计算压力，设计温度。（3） 设计地区：基本风压值，地震设防烈度为7度，场地土类：II类。（4） 塔内装有N=60层浮阀塔，每块塔盘上存留介质层高度为，介质密度为。（5） 沿塔高每5米开设一个人孔，人孔数为7个，相应在人孔处安装半圆形平台7个，平台宽度为，高度为。（6） 塔外保温层的厚度为，保温材料密度。（7） 塔体与裙座悬挂一台再沸器，其操作质量，偏心矩。（8） 塔体与封头材料选用，其中，（9） 裙座材料选用Q235-A。（10） 塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数。（11） 塔体与封头厚度附加量C=3.8mm，裙座厚度附加量C=3.8mm。第二章 材料选择2.1概论塔设备与其他化工设备一样，大多置于室外，有或者无框架的自支承式塔体，绝大多数是采用钢材制造的。这是因为钢材具有足够的强度和塑性，制造性能较好，设计制造的经验也比较成熟，因此，在大型的塔设备中，钢材更具有无法比拟的有点。2.2塔体材料选择设计中塔体的材料选择是：；塔体是塔设备的外壳，由等直径和等壁厚的圆筒和两个封头组成，塔体除满足工艺条件下的强度、刚度外，还应考虑风力、地震、偏心载荷所英气的强度、刚度问题，以及吊装、运输、检验、开停工作等的影响，所以选择塔体的材料很重要。2.3 裙座材料的选择设计中裙座材料的选择是：Q；塔体裙座是塔体安放到基础上的连接部分，它必须保证塔体坐落在确定位置上进行正常工作，为此，它应当具有足够的强大和刚度，能够承受各种操作情况下的全塔质量，以及风力、地震等引起的载荷。第三章 塔体的结构设计及计算3.1 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=3.8mm，取=12.37mm经圆整，取， 。(2) 封头厚度计算采用标准椭圆形封头： ，考虑厚度附加量C=3.8mm经圆整后，取=12.37mm，取，。3.2 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）塔体圆筒的总高度为 （2）查得，厚度的圆筒质量为 （3）查得，厚度的椭圆形封头质量为 （4）裙座高度为2、塔内构件质量 （由附表查得浮阀塔盘质量为75kg/m2）名称单位质量名称单位质量名称单位质量笼式扶梯圆泡罩塔盘筛板塔盘开式扶梯条形泡罩塔盘浮阀塔盘钢制平台舌型塔盘塔盘填充液盘3、保温层质量 其中，为封头保温层的质量kg4、平台、扶梯质量 说明：由附表查得，平台质量；笼式扶梯质量；笼式扶梯总高；平台数量n=7。5、操作时物料质量说明：物料密度,塔釜圆筒部分深度h0=1.8m，塔板层数N=60.，塔板上液层高度，由表查得，封头容积0.6166。 6、附件质量按经验取附件质量为7、冲水质量其中， 8、各种质量载荷：全塔操作质量（kg）49341.7全塔最小质量（kg）56579.9水压试验时最大质量（kg）110062.73.3 风载荷和风弯矩塔设备受风压作用时，塔体会发生弯曲变形。吹到塔设备迎风面上的风压值，随塔设备高度增加而增加。为了计算方便，将风压值按塔设备高度分几段，假设每段风压值均匀分布在塔设备迎风面上。塔设备的计算截面应选取在其较薄弱的部位，如，塔设备底部截面0-0，裙座上人孔或较大管线引出孔处h-h，塔体与裙座连接焊缝处的截面2-2，两相邻计算截面为一计算段；任一计算段的风载荷，就是集中作用在该段中点上的风压合力。任一计算段风载荷大小与设备所在地区基本风压值有关,同时与设备的高度，直径，形状以及自振周期有关。3.3.1 水平风力两相邻计算截面间的水平风力按下式计算：式中 -塔设备各计算段的水平风力，N； -塔设备各计算段的有效直径，mm； 当龙式扶梯与塔顶管线布置成时： 当龙式扶梯与塔顶管线布置成时，取下列两式中较大者： .塔设备各计算段外径，mm；.塔设备各计算段的风振系数，当时，取，当时，按下式计算：表一 风压高度变化系数距地面高度地面粗糙类别距地面高度地面粗糙类别ABCABC51.170.800.54502.031.671.36101.381.000.71602.121.771.46151.521.140.84702.201.861.55201.631.250.94802.271.951.64301.801.421.11902.342.021.72401.921.561.241002.402.091.79注：A指近海海面，海岛，海岸，湖岸及沙漠地区；B指田野，乡村，丛林，丘陵以及房屋比较稀疏的大中小城市郊区；C指有密集建筑群的大城市市区。表二 脉动增大系数10204060801002004006001.471.571.691.771.831.882.042.242.36800100020004000600080001000020000300002.462.532.803.093.283.423.543.914.14注：计算时，对B类,对A类,对C类.表三 脉动影响系数粗糙度类别高度，m1020406080100A0.780.830.870.890.890.89B0.720.790.850.880.890.90C0.660.740.820.860.880.89表四 振动系数相对高度/H顶、底有效直径比u相对高度/H顶、底有效直径比u10.80.610.80.60.10.020.020.010.60.480.440.410.20.070.060.050.70.600.570.550.30.150.120.110.80.730.710.690.40.240.210.190.90.870.860.850.50.350.320.291.01.001.001.003.3.2风弯矩塔设备任意计算截面I-I处的风弯矩按下式计算： 塔设备底截面0-0处的风弯矩按下式计算： 3.3.3 偏心弯矩当塔设备的外侧悬挂有分离器，再沸器，冷凝器等附属设备时，可视为偏心载荷。由于有偏心矩e的存在，偏心载荷在塔截面上引起偏心弯矩。偏心载荷引起偏心弯矩沿塔高无变化，可按下式计算：3.3.4 最大弯矩 塔设备任意计算截面I-I处的最大弯矩可按下式计算： 取其中的最大值计算结果如下：计算内容计算内容及数据0-11-22-33-44-55-6各计算段的外径,mm塔顶管线外径，mm400第i段保温层厚度,mm100管线保温层高度,mm100个计算段长度，mm100020008000800080008000操作平台所在计算长度，mm100020008000800080008000平台数002221各段平台构件投影面积,00操作平台当量宽度，mm00450450450450各计算段的有效直径,mm242824282878287828782878222822282678267826782678各计算截面距地面的高度，m1311192735风压高度变化系数查表一0.80.81.01.251.421.56体型系数0.7基本风压值，400塔设备自振周期，s1.471369脉动增大系数（B类）查表二2.50脉动影响系数(B类)查表三0.720.720.720.790.850.850.0290.0890.2890.5710.8571u1.0第i段振型系数查表四0.020.020.120.320.691.00各计算段的风振系数1.051.051.221.512.032.36各计算段的水平风力，N524.01048.17318.411322.617291.922084.90-0截面的风弯矩，1-1截面的风弯矩2-2截面的风弯矩偏心弯矩偏心质量，kg4000偏心矩，mm2000偏心弯矩0-0截面1-1截面2-2截面最大弯矩3.4 地震弯矩的计算3.4.1 水平地震力 任意高度处的集中质量引起的基本震型水平地震力按如下计算： ，N 式中 .综合影响因数，取； .距地面处集中质量（见图3-1）， .对应塔设备基本自振周期地震影响因数值,； .地震影响系数最大值，见表一； 各类场地土的特征周期，见表二； . 基本震型与系数；由计算的S计算内容0-11-22-33-44-55-6各段高度100020008000800080008000各操作段质量380.764239.5916597.0524181.521581.511022.73距地面高度50020007000150002300031000基本振型参与系数1.0317.2综合影响因数取=0.5地震影响因数最大值由表一得，=0.23，（设计烈度为7度）各类场地特征周期由表二得，=0.3，（II类场地，近震）地震影响系数水平地震力,N0.48316.637892.2374573.6138722.63774395.490表一 地震影响系数的最大值设计烈度7890.230.450.90表二 场地土的特征周期场地土近振远振场地土近振远振I0.20.25III0.40.55II0.30.4IV0.650.853.4.2 垂直地震力地震烈度为8度或9度地区还应考虑垂直方向上的地震力作用，本设计建厂地区地震烈度为7度，所以不用考虑。 3.4.3 地震弯矩计算 截面0-0 截面1-1 截面2-2 3.5 各种载荷引起的轴向应力3.5.1 圆筒轴向应力 其中设计压力取绝对值。 操作或者非操作时重力及垂直地震力引起的轴向应力 ： 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 最大弯矩引起的轴向应力： 3.5.2 圆筒稳定校核圆筒许用轴向压应力按下式确定： 取其中较小值圆筒最大组合压应力按下式计： 3.5.3 圆筒拉应力校核圆筒最大组合拉应力按下式校核： 如校核不能满足条件时，需重新设定有效厚度，重复上述计算，直至满足条件。计算结果如下：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6筒体内径1400计算截面以上的操作量307432995325560设计压力引起的轴向应力0070操作质量引起的轴向应力11.4311.439.50最大弯矩引起的轴向应力132.15129.9994.24载荷组合系数K1.2系数A设计温度下材料的许用应力查表课本附表14-4钢制压力容器中使用的钢板许用应力(16MnR,170) =150 (Q235-A) =128128128150系数B，由课本附图15-4到15-7，计算不同材料B值：(16MnR,170)：B=100.3 (Q235-A)：B=79.0579.0579.05100.394.8694.86120.36153.6153.6180许用轴向压应力去以上两者中小值94.8694.86120.36130.56130.56153圆筒最大组合压应力对内压塔器 （满足要求）128.58129.3397.09圆筒最大组合拉应力对内压塔器 128.72126.65150.233.6 塔设备压力试验时的应力校核3.6.1 圆筒应力 对选定的各计算截面按下面的计算公式进行各项应力计算：试验压力引起的周向压力 式中 .试验介质的密度（当介质为水时，； .液柱高度，。气压试验时，无液柱静压力。试验压力引起的轴向应力： 重力引起的轴向应力： 式中 .计算截面I-I以上的质量（只计入塔壳、内构件、偏心质量、保温层、扶梯及平台），。 弯矩引起的轴向应力: 3.6.2 应力校核压力试验时，圆筒材料的许用轴向应力按下式计算： 取其中较小值压力试验时，圆筒最大组合应力按以下公式校核： 液压试验时： 气压试验时： 液压试验时： 气压试验时： 计算结果如下：计算内容计算公式及数据试验介质密度（介质为水）0.001液柱高度3500液柱静压力0.357有效厚度6筒体内径14002-2截面最大质量试验压力筒体常温屈服点3452-2截面372.62-2截面120.36压力试验时圆筒材料的许用轴向应力去以上较小值120.36试验压力引起的周向应力液压试验：（满足要求）试验压力引起的轴向应力重力引起的的轴向应力弯矩引起的轴向应力压力试验时圆筒最大组合应力，液压试验时，（满足要求）（满足要求）3.7 裙座轴向应力校核3.7.1 裙座底截面组合应力裙座底截面的组合应力按下式校核： 取其中较小值其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 取其中较小值式中 .裙座底部截面积，； .裙座圆筒和锥壳的底部截面系数，3.7.2 裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 裙座检查孔和较大管线引出孔h-h截面处组合应力按下式校核： 取其中较小值其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。 取其中较小值式中 计算结果：计算内容计算公式及数据裙座有效厚度6裙座筒体内径14000-0截面积0-0截面系数94.8130.56裙座许用轴向应力，取两者中小值94.80-0截面最大弯矩0-0截面操作质量307430-0截面组合应力，检查孔加强管长度120检查孔加强管水平方向最大宽度450检查孔加强管厚度8裙座内直径14001-1截面处裙座筒体截面积1-1截面最大弯矩1-1截面处的风弯矩1-1截面以上最大质量1-1截面以上操作质量1-1截面组合应力，3.8 地脚螺栓座 3.8.1 基础环设计(1) 基础环内外径可参考下式选取： （2） 基础环厚度可按下式计算： 无筋板时基础环厚度为 式中 .基础环材料的许用应力， 对低碳钢； .混凝土基础上的最大压力，。 取其中较大值有筋板时基础环厚度为 式中 .计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩中绝对值较大者，按表一计算。表一 矩形板力矩计算表3.8.2 地脚螺栓 地脚螺栓承受的最大拉应力按下式计算： 其中仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入此项。式中 当时，塔设备可自身稳定，但为固定其位置，应设置一定数量的地脚螺栓。当时，塔设备必须设置地脚螺栓，地脚螺栓的螺纹小径可按下式计算：式中 .地脚螺栓螺纹小径，mm； .地脚螺栓腐蚀裕量，mm；取=3mm； .地脚螺栓个数，一般取4的倍数，最小直径塔设备可取n=6；.地脚螺栓材料的许用应力，； 对Q235-A，可取147，对16Mn,取170； 圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24.计算结果如下：计算内容计算公式及数据裙座内径1400裙座外径基础环外径基础环内径基础环伸出宽度相邻两筋板最大外侧间距160基础环面积基础环截面系数最大质量操作质量0-0截面的风弯矩0-0截面最大弯矩偏心弯矩基础环材料的许用应力水压试验时压应力操作时压应力混凝土基础上的最大压力3.55对X轴的弯矩查表一由得：13289.78对Y轴的弯矩查表一由得：7452.16计算力矩去以上两者中大值13289.78有筋板时基础环厚度， 经圆整取地脚螺栓的计算最小质量操作质量0-0截面的风弯矩底截面处地震弯矩偏心弯矩最大拉应力最大拉应力基础环中螺栓承受的最大拉应力取以上两者中大值 塔设备必须设置地脚螺栓地脚螺栓个数地脚螺栓材料的许用应力对Q235-A，取地脚螺栓腐蚀裕量地脚螺栓螺纹小径故取32-M42地脚螺栓满足要求小结此次实习我们主要的任务是对他设备的各个部件进行设计和校核，在结构上，我们分别对塔盘结构，塔体空间，人孔数量及位置，仪表接管选择，工艺接管管径计算等方面的设计，在校核方面，分别对其强度，刚度，稳定性进行了校核，在制图方面，我们分别绘制了塔设备的装配图和零件图。我们的设计计算步骤大致分为三部分：(1)根据GB150规定，通过已知条件，按计算压力确定塔体圆筒及封头的有效厚度。（2）根据地震载荷和风压载荷计算的需要，选取若干截面（包括所有危险截面），并考虑制造的、运输、安装的要求，设定各截面处的有效厚度。（3）按照规定依次对各个方面进行校核计算并满足相应的要求。通过这次实习，让我们学到了很多东西，让以前在在课堂上学习到的很多理论知识得到了实践性的操作，也让我体会到了团队合作的重要性。此次塔设备的设计有我们小组负责，让我们感受到了设计方面工作的所存在的难度。附录附录一 有关部件的质量名称单位质量名称单位质量名称单位质量笼式扶梯圆泡罩塔盘筛板塔盘开式扶梯条形泡罩塔盘浮阀塔盘钢制平台舌型塔盘塔盘填充液盘附录二 矩形力矩计算表0.70.80.91.01.11.2附录三 螺纹小径与公称直径对照表螺栓公称直径螺纹小径20.75223.75226.21131.67037.12942.58850.046参考文献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-化学工业出版社 董大勤 编著7化工设备机械基础-华东理工大学出版社 汤善甫 朱思明 主编 第二版8化工制图-化学工业出版社 郑晓梅 编著