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化工机械课程设计学 校 同济大学 设 计 时 间 2013 年 7 月 26 日 至 2013 年 8 月 2 日 止指导教师姓名 学 生 姓 名 学 号 化学 院（系） 化学工程与工艺 专业 级目录设计条件1选择塔体和裙座材料1按设计压力计算筒体和封头壁厚，确定裙座壁厚1载荷计算2各种截荷产生的轴向应力计算4塔体强度及轴向稳定性验算4裙座的强度及稳定性验算5水压试验时塔的强度和稳定性验算5基础环设计6地脚螺栓强度设计7设计总结8参考资料8已知条件工艺条件物料弱腐蚀有机溶剂设计压力0.135MPa设计温度120物料平均重度设计风压值450Pa保温层厚度100mm保温层重度设计方法步骤一、材料选取设计压力p=0.135Mpa，设计温度t=120由于设计压力在低压范围内，工作温度不高，介质腐蚀性弱。所以采用20R作为塔体材料，裙座材料选用A3钢。二、 筒体、封头壁厚确定先按内压容器设计厚度，然后按自重、液重引起的正应力即风载荷引起的弯曲应力进行强度和稳定性验算。1筒体厚度计算按强度条件，筒体所需厚度d=pDi2t-p+c1+c2式中 t20R在120时的许用应力，从书表9-4查得为132.6MPa； 塔体焊缝为双面对接焊。局部无损探伤，由书表9-6查得 =0.85 c1钢板厚度偏差，估计筒体厚度在8-25mm范围内，查书表9-10查得c1=0.8mm c2腐蚀裕量，根据已知工艺条件 c2=2mm则d=060.85-0.135+0.8+2=3.88mm考虑到塔体高度以及风载荷的影响，圆整取塔体壁厚 n=10mme=n-c=10-2.8=7.2mm2封头壁厚计算采用标准椭圆封头，则d=pDi2t-0.5p+c1+c2=060.85-0.50.135+0.8+2=3.88mm圆整，取与筒体相同的厚度，即 n=10mme=n-c=10-2.8=7.2mm3确定裙座壁厚裙座取与筒体、封头相同的厚度，即 n=10mm三、 载荷计算1塔重量载荷计算（1）塔体重量载荷查材料表16-5，每米高筒节钢板重量 q=446kg/m；查材料表16-7，每个椭圆形封头重量为 297kg故 Q1=44612.8+2297=6302.8kg（2）内件重量载荷查材料表17-1，筛板塔单位载荷量为65kg/m2，全塔共有32块塔板，故内件重量载荷为Q2=143.141.826532=5290.3kg（3）保温层重量载荷Q3=143.141800+210+21002-1800+210220000310-6/9.81=3684.3kg（4）平台重量载荷由工艺条件知，此筛板塔共要开设5个人孔，在人孔处应设置平台，n=5，每个平台呈半圆形，取平台宽B=0.9m，平台单位重量载荷查材料表17-1可得为150kg/m2，则平台总重载为Q4=143.141.8+20.01+20.1+20.92-1.8+20.01+20.12121505=3094.5kg（5）物料重量载荷塔盘充液单位重量载荷查附表17-1可得为70kg/m2，共有32块塔板，塔盘液面高1.8m，则物料总重载为Q5=143.141.827032+143.141.821.8800=9359.7kg（6）附件重量载荷裙座载荷 Q11=4463.06=1364.8kgQ6=0.25Q1+Q11=0.256302.8+1364.8=1916.9kg（7）充水重量载荷Q7=143.141.8212.81000=32555.5kg故操作时重量载荷为Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=6302.8+5290.3+3684.3+3094.5+9359.7+1916.9=29648.5kg水压试验时塔的重量载荷最大，即Qmax=Q1+Q2+Q3+Q4+Q6+Q7=6302.8+5290.3+3684.3+3094.5+1916.9+32555.5=52844.3kg设备安装时重量载荷最小，因内件、保温层均未装，即Qmin=Q1+Q4+Q6=6302.8+3094.5+1916.9=11314.2kg2. 风载荷计算将全塔分成四段，各段风压 pi 及由风压 pi 引起的任意截面i-i上的风弯矩 Mwi-i分别根据下列公式算得：pi=K1K2q0filiDefMwi-i=pili2+pi+1li+li+12+pi+2li+li+1+li+22+将计算结果列表于下：段序0123段距/m011331010200.71.704500.780.781.01.15127100.4平台数0023000.81.2000.460.482.42.42.862.88100220051072117736危险截面取塔设备的底部截面0-0、裙座上人孔处的截面1-1、裙座与塔体连接焊缝处的截面2-2，危险截面上的风弯矩为：Mw0-0=p0l02+p1l0+l12+p2l0+l1+l22+p3l0+l1+l2+l32=100212+20051+22+107211+2+72+177361+2+7+102=340238NmMw1-1=p1l12+p2l1+l22+p3l1+l2+l32=200522+107212+72+177362+7+102=309274NmMw2-2=p2l22+p3l2+l32=1072172+177367+102=250356Nm四、各种载荷产生的轴向应力计算1. 塔体与裙座联接处（即2-2截面）由设计压力引起的轴向力12-2=pDi4e=0.135180047.2=8.4MPa由重量载荷引起的轴向力22-2=Q0gDie=29648.59.813.1418007.2=7.1MPa由最大弯矩引起的轴向力32-2=Mw2-20.785Di2e=2503561030.785180027.2=13.7MPa2. 裙座开设人孔处（即1-1截面）由设计压力引起的轴向11-1=0由重量载荷引起的轴向力21-122-2=7.1MPa由最大弯矩引起的轴向力31-1=Mw1-10.785Di2e=3092741030.785180027.2=16.9MPa3. 裙座底部（即0-0截面）由设计压力引起的轴向力10-0=0由重量载荷引起的轴向力20-0=7.1MPa由最大弯矩引起的轴向力30-0=Mw0-00.785Di2e=3402380.785180027.2=18.6MPa五、塔体强度即轴向稳定性验算1. 塔体2-2截面抗压强度和轴向稳定性验算maxi-i=2i-i+3i-itcrt MPacrt=0.06EteRi MPa查表得，t=132.6MPa，Et=2.04105MPa，故crt=0.062.041057.21800/2 =97.9MPa而max2-2=22-2+32-2=7.1+13.7=20.8MPatcrt因此，塔体2-2截面满足抗压强度和轴向稳定条件要求。2. 塔体2-2截面抗拉强度验算根据公式maxi-i=1i-i-2i-i+3i-it则max2-2=8.4-7.1+13.7=15MPat=132.60.85=112.7 MPa因此，塔体2-2截面满足抗拉强度验算。六、裙座强度及轴向稳定性验算1. 裙座底部0-0截面的强度及轴向稳定性验算根据公式max0-0=20-0+30-0=7.1+18.6=25.7MPa查表得，t=113MPa；Et=2.04105MPa，即crt=97.9MPa故 max0-0tcrt满足强度及轴向稳定性条件要求。2. 裙座开设人孔处1-1截面的强度及轴向稳定性验算max1-1=21-1+31-1=7.1+16.9=24MPa故 max1-1t=113MPacrt=97.9MPa满足强度及轴向稳定性条件要求。3. 裙座焊缝强度验算根据公式=Mmax2-20.785Di2e-Q0-Q6gDie0.6t故=2503561030.785180027.2-29648.5-1916.99.813.1418007.2=6.99MPa0.6t=0.6113=67.8MPa满足裙座焊缝强度条件要求。七、水压试验时塔的强度和稳定性验算1. 塔件2-2截面强度校核根据公式T=pTDi+e2e0.9s查表知 s=245MPa，=133MPa则pT=1.25pt+p=1.250.135133132.6+0.2=0.37MPaT=0.371800+7.227.20.85=54.4MPa0.9s=0.9245=220.5MPa满足强度条件要求。2. 塔体2-2截面最大轴向拉应力验算根据公式max=pTDi4e-Qmax2-2gDie+0.3Mw2-20.785Di2e0.9s代入数据max=0.37180047.2-52844.3-1916.99.813.1418007.2+0.32503561030.785180027.2=14.9MPa0.9s=0.92450.85=187.4MPa满足抗拉强度条件要求。3. 塔体2-2截面最大组合轴向压应力验算根据公式T=Qmax2-2gDie+0.3Mw2-20.785Di2e0.8scrMPa代入数据T=52844.3-1916.99.813.1418007.2+0.32503561030.785180027.2=16.4MPa0.8s=0.8245=196MPacr=97.9MPa 满足抗压强度和轴向稳定性条件要求。4. 裙座底部0-0截面的强度与轴向稳定性验算根据公式T=Qmax0-0gDie+0.3Mw0-00.785Di2e0.8scrMPa代入数据T=52844.39.8118007.2+0.33402381030.785180027.2=12.7MPa0.8s=0.8245=196MPacr=97.9MPa 满足抗压强度和轴向稳定性条件要求。5. 裙座开设人孔处1-1截面的强度与轴向稳定性验算根据公式T=Qmax1-1gDie+0.3Mw1-10.785Di2e0.8scrMPa代入数据T=52844.39.8118007.2+0.33092741030.785180027.2=17.8MPa0.8s=0.8245=196MPacr=97.9MPa 满足抗压强度和轴向稳定性条件要求。八、基础环设计1 基础环的内外径计算Dob=1800+210+300=2120mmDib=1800+210-300=1520mm2. 混凝土基础强度校核正常操作时bmax=Q0-0g0.785Dob2-Dib2+Mw0-0Dob4-Dib432DobRa MPa水压试验时bmax=Qmax0-0g0.785Dob2-Dib2+0.3Mw0-0Dob4-Dib432DobRa MPa代入数据，得正常操作时bmax=29648.59.810.78521202-15202+340238103212040.66MPa水压试验时bmax=52844.39.810.78521202-15202+0.3340238103212040.45MPa各种标号混凝土的 Ra 值均能满足 Ra 4MPa，因此，混凝土基础强度足够。3. 基础环厚度计算采用环上加筋板结构，以n=24个均匀的地脚螺栓，将基础环固定在混凝土基础上。取筋板厚度为=22mm，则基础环上筋板间的距离为l=Dobn-=3.14212024-22=255.4mm基础环的外伸宽度为b=Dob-Doa2=2120-1800+2102=150mm两筋板间基础环部分的长宽比bl=150255.4=0.6查表得，Ms=Mx=0.2171.01502=4882Nmm/mm基础环也采用A3钢，则其厚度为b=6Msb=64882140=14.5mm考虑腐蚀裕量，取=2，再圆整至标准尺寸，取基础环厚度为b=22mm。九、地脚螺栓强度设计塔设备作用在迎风侧基础上的最小应力根据公式B=Mw0-0Dob4-Dib432Dob-Qming0.785Dob2-Dib2代入数据得B=3402381033.142120411314.29.810.78521202-15202=0.43MPa由于 B0 为拉应力，设备可能倾倒，必须安装地脚螺栓。若材料选用16Mn，取bt=147MPa，并考虑腐蚀，取腐蚀裕度=3mm，根据公式d1=40.785Dob2-Dib2Bnbt+c2=43.140.78521202-152020.4324147+3=19.3mm根据附表，选用M24的地脚螺栓。设计总结在结束完化工原理设计后，我们马上又进入到化工机械设计这一环节，这两个设计分别对应了工艺和设备两个部分。一般来说两者是分开的，即工艺设计好流程再将参数交由设备设计装置，这样就可能导致理解上出现分歧。而我们一个人完成这两个部分就可以有效避免这种误解，因为都是自己设计的，在某些参数的选取上就不会有很大的误解。化工机械设计主要回顾了化工设备基础以及化工制图的相关知识，对之前化工原理设计所设计的精馏塔设备进行设计与校核。虽然设计过程中大部分是按部就班进行计算，但每个人的设计条件都不相同，所对应的相关参数也不同，最后计算所得结果也大不相同，这在很大程度上