化工机械基础课程设计讲解

1、目录1、塔的设计条件及主要物性参数表22、塔设备设计计算程序及步骤 .3按设计压力计算塔体和封头厚度3塔设备质量载荷计算3按设计压力计算塔体和封头壁厚4自振周期计算6.地震载荷与地震弯矩计算6地震载荷与地震弯矩计算8风载荷与风弯矩计算8风载荷与风弯矩计算1.0偏心弯矩1.0最大弯矩11圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核11塔设备压力试验时的应力校核1.2裙座轴向应力校核13基础环设计1.4地脚螺栓计算163、设计结果汇总表1.64、设计综述.175、参考资料.17&主要符号说明 1.81板式塔设备机械设计任务书1. 设计任务及操作条件：试进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。已知条件为：塔体内径D i=

2、1200mm,塔高30m，工作压力为0.8MPa, 设计温度为350C，介质为原油，安装在南京郊区，地震强度为 8度，塔内 安装50层浮阀塔板，塔体材料选用20R，裙座选用Q235A。2. 设计内容(1) 根据设计条件选材；(2) 按设计压力计算塔体和封头壁厚；(3) 塔设备质量载荷计算；(4) 风载荷与风弯矩计算；(5) 地震载荷与地震弯矩计算；(6) 偏心载荷与偏心弯矩计算；(7) 各种载荷引起的轴向应力；(8) 塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核；(9) 塔体水压试验和吊装时的应力校核；(10) 基础环设计；(11) 地脚螺栓计算；(12) 板式塔结构设计。3. 设计要求：(1) 进行塔

3、体和裙座的机械设计计算；(2) 进行裙式支座校核计算；(3) 进行地脚螺栓座校核计算；(4) 绘制装备图(A3图纸)1、塔的设计条件及主要物性参数表将全塔分为5段，计算截面分别为0 0、1 1、2 -2、3-3、4-4表1设计条件及主要物性参数表已知设计条件塔体内径Di1200mm塔体高度H3000mm工作压力po0.8MPa设计压力p0.8MPa设计温度t350 C塔体材料20R许用应力T 133MPar t r92MPa设计温度下弹性模量E1.73X 105MPa常温屈服点（T S245MPa厚度附加量C2mm塔体焊接接头系数0.85介质密度p810kg/m3塔盘数N50每块塔盘存留介质层

4、咼度hw100mm基本风压值qo250N/m2地震设防烈度7度设计基本地震加速度0.2场地类别II类地面粗糙度B类偏心质量me4000kg偏心矩e2000mm塔外保温层厚度S s100mm保温材料密度p s300kg/m3裙座材料Q235-A许用应力T胄140MPa常温屈服点T s235MPa设计温度下弹性模量Es（分段示意图在附图中）分段示意图24厚度附加量Cs2mm人孔、平台数6地材料Q235-A脚许用应力C bt147MPa螺腐蚀裕量C23mm栓个数n402、塔设备设计计算程序及步骤按设计压力计算塔体和封头厚度计算内容计算公式及数据塔内液柱高度h/m可忽略液注静压力pMPa可忽略计算压力

5、pc/MPaPc = p + Ph = P = 0.8圆筒计算厚度S /mm真PcDi0.8X1200 =t=6.162Tt pc2 汉92 疋 0.85 0.8圆筒设计厚度S c/mm+C =6.16+2=8.16圆筒名义厚度S n/mmd =12圆筒有效厚度S e/mm6e=6n -C =12-2=10圭寸头的计算厚度S h/mmmPcDi0.8 勺200h 心-6.152 P -0.5pc292X0.85 0.5 乂 0.8圭寸头设计厚度S hc/mm%c =% +C =6.15+2=8.15圭寸头名义厚度S hn/mm6n=12圭寸头有效厚度S he/mm%e=6n -C =12-2=

6、10塔设备质量载荷计算计算内容计算公式及数据1(01)2(12)3(23)4(34)5(45)塔段内直径Di/mm1200塔段名义厚度Sni/mm10塔段长度li/mm1000200070001000010000塔设备高度H/mm300001单位筒体质量mim/kg/m298筒体高度Hi/mm29350筒体质量mi/kgm1 =298疋 29.35 =8746.3圭寸头质量m2/kgm2 =137x2 =274裙座咼度H3/mm3000裙座质量m3/kgm3 =298 汇3.0 =894塔体质量moi/kgm01 =1 +m2 +m3 =8746.3 + 274 +894 =9914.3298

7、596208629803954.3塔段内件质量 mo2/kg応2n2m02 = Di x 1.2 汇5075 = 4241.1544(浮阀塔盘质量qN =75kg/m平台质量qp= 150kg/m 笼式扶梯质量qF= 40kg/m平台数量n = 6 笼式扶梯高度Hf = 29m)-1102.71611.61526.85保温层质量mo3/kgm3 =巴(Di +2 +2氏)2 -(Di +2久)2血卩2 +2m34= x(1.22 +2 7.010 +27.1)2 (1.2 + 2 X0.010)2X29.750X 300 + 42 汇(0.32080.2545)汇 300= 8922m03封头

8、保温层质量，(kg)-18.92302.93289.53310.7平台、扶梯质量 mo4/kg按设计压力计算塔体和封头壁厚203.622612804816m04兀221(Di 2、n 2门丄2B)(Dj 2、n 2、) nq p qFH F42JT_ 42(2.0 - 2 0.010 2 0.006)0.5 6 150 40 29 =4620(2.0 2 0.0102 0.006 2 0.9)28014331533153440操作时塔内 物料质量m05D(hwN 心 Vf C4=41.22 (0.1 50 1.5) 800 0.2545 800mo5/kg-6084.6人孔、接管、法兰等附件质

9、量ma/kg充液质量mw/kg按经验取附件质量为:149521.5745988.674.5ma 二 O.25m01 = 0.25 9914.3 二 2478.6兀 2 mwDj2Vf ；-w4Jl2=1.22 29.35 1000 2 0.2545 10004=33703一254.57916942416108.5偏心质量me/kg再沸器：me= 4000一一14002600一m。=m01 m2m5 ma me=32230.6= 9914.3 4241.1 8922 4620 6084.6 2478.6 4000412.51047.511107.116649.112130.5mmin = m01

10、 +0.2m2+ 呛3 + m4 + ma + me=9914.3 + 0.2 x 4241.1 + 8922 + 4620 + 2478.6 + 4000最小质量mmin/kg= 30783.1操作质量 mo/kg412.5843.97963.911469.8100929.4297rnimax =m0i m02 m03 m04 mw ma me= 9914.3 4241.1 8922 4620 33703 2478.6 4000最大质量mmax/kg二 67879412.51098.416762.22183.127422.915自振周期计算计算内容计算公式及数据塔设备的自振周期T1/s =9

11、0.33H | mH 3 如0二” E23cccc CCCLC /32230.6X29350=90.33 x29350 J53 “1.710 汉 7.8汉 1200= 1.68地震载荷与地震弯矩计算计算内容0112233445各段操作质量mi/kg412.51047.511167.116649.112130.5计算内容计算公式及数据011223344顶各点距地面咼度hi/mm1000200070001000010000,1.53.16 x8.94 X5.24 X1.84 X1.84 Xhi104104105106106.1.5mihi1.3 x1079.36 X1076.5 X1091.66

12、X J。101.21 X10106A = E mi hi1.5i =1103.54X 1010.31.0 X8.0 X3.43 X1.0 X1.0 Xhi1091091110121012103mihi4.125x 10118.38 X11103.81 X15101.66 X16101.21 X16106f 3B =送 mi hi3.25X 1016A/B1.08X 10 6基本振型参与系数n kiB0.0340.0960.5651.9871.987阻尼比0.02衰减指数丫站 cc 0.05-G0.05-0.02C Y =0.9+J =0.9+=0.9570.5 50.5-5X5X 0.02阻尼

13、调整系数n 21+ 05工0.06+1.7匚十O.。5-。.。2J?i0.06+1.7 7.02地震影响系数最大值a maxa max= 0.12（设计烈度为7度，设计基本加速度0.15g时）场地土的特征周期TgTg = 0.4 （地震分组为第一组，II类场地土）地震影响系数a 1Tg=0.4T1=1.685Tg=2y伍口(0.4、C(1 一 |1max -吓丿1.68 J0.975汉 1.319 汉 0.12 = 0.039水平地震力Fki/NFk1 = a/11k mkg5.3613.61145.11216.35157.63垂直地震影响系数avmaxovmax =0.65 amax=0.0

14、78当量质量 meq/kg取 meq=O.75m0=24172.95底面垂直地震力Fv /NFv0-0= avmax* meq*g = 18477.80mihi54.12F02.09勺067.77 X10781.66X1081.21X106Z mihii =183.68X 10任意质量i处垂直地震力Fvi/N厂mh厂 0418477.80vi 一 *.v一 3.6E108送 mk *hkkm20.71105.183903.588358.5449330.36090.01任意计算截面i处垂直地震力Fv1-1n1-1Fv11吃 FVik丄0-0截面1-1截面2-2截面3-3截面4-4截面5-5截面1

15、8477.18457.18351.14448.6089.7800991339地震载荷与地震弯矩计算计算内容计算公式及数据01122334455顶底截面处地震弯矩 0_01616 一M Ea1m 0gH=_ 汉 0.039 汉 32230.6 汉 9.81 汉 29350M E/N mm35835=650-跖口啤(10H 3.5 14H 2.5，h +4h35)175H截面1-1处地震弯矩8x0.03A32230.6x9.813 59 R(10 x 29350M E/N mm1752935014 汉 2935025 汉 1000 + 4 汉10003.5)=1.5708m E8%吧(10H 3.

16、5 14H 2.5 h +4h3.5)175H截面2-2处地震弯矩8 汇 0.039 汉 32230.6汉 9.81 3 5M E/N mm175293502.5(10 k 2935014 x 29350 2.5 乂 3000 + 4 乂 30003.5)=1.41汇108风载荷与风弯矩计算计算内容计算公式及数据011223344顶各计算段的外径Doi/mmDi 7+ 2 =1200 +20 = 1220塔顶管线外径do/mm480第i段保温层厚度S si/mm100管线保温层厚度S ps/mm100笼式扶梯当量宽度K3400各计算段长度li/mm1000200070001000010000操

17、作平台所在计算段的长度lo/mm-70001000010000平台数00222各段平台构件的投影面积刀A/mm2002X 9.05X1052X 9.0X 1052X 9.0X 105操作平台当量宽度Kmm2送A丨0操作平台当量宽度K4/mm00514.3360360Dei =Di 2 si K4 do 2 ps各计算段的有效直径Dei/mm210021002614.324602460Dei=Di+26+K3+K4182018202334.321802180取大值Dei/mm210021002614.324602460各计算段顶截面距地面的高度hit/m13102030风压咼度变化系数fi查表5

18、-231.01.01.01.251.42体型系数K10.7基本风压值2q/N/m350塔设备的自振周期T1/S1.68qT122350X1.68 =987.84脉动增大系数E （B类）查课程设计指导书表5-242.17脉动影响系数v （B类）查课程设计指导书表5-240.720.720.720.790.83hit/H0.0340.1020.3410.6811.00第i段振型系数 zi根据hit/H与u查课程设计指导书表5-250.020.020.170.531.00各计算段的风振系数K2ia =i+f1.0311.0311.2651.7272.268各计算段的水平风力Pi/NP uKiaqof

19、ihDeilO530.61061.25674.413009.819413.6风载荷与风弯矩计算计算内容计算公式及数据011223344顶0-0截面的风弯矩mW0_0/N mmM宀只牛取电严仏心+ R(h+l2+l3+l4+=5306 x 500+ 2000x1061.2 + 567447500+15000x 13009.7+ 25000194136=7.20沢1081-1截面的风弯矩mW/N mm12314Mw =P2 + P3(l2 +)+ F4(l2 +3 +)+ 2 2 2l5+ P5(l2+l3+l4+W)2=1000X 1061.2 + 5500X 5674.4 +14000x 13

20、009.8+ 24000X19413.68= 6.802-2截面的风弯矩mW/N mmMWJP+P+Psdm +2)=3500汇 56744 +12000汉 13009.8+ 2200094136= 6.0308计算内容计算公式及数据偏心质量me/kg4000偏心距e/mm2000偏心弯矩 M e/N mm M e = mege = 4000 汉 9.81 汉2000 = 7.848 汽 10了最大弯矩计算内容计算公式及数据0-0截面1-1截面2-2截面MW+e7.98 X 1087.58 X 1086.81 X 108ME+0.25M,W + Me84.23 X 1084.05X 1083.

21、7X 10最大弯矩Mm：/N mm7.98 X 1087.58 X 1086.81 X 108圆筒轴向应力校核和圆筒稳定校核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 S ei/mm10筒体内径Di/mm1200计算截面以上的操作质量 m0i-i/kg32230.631818.130770.6设计压力引起的轴向应力（T 1/MPa46ei4汉100024操作质量引起的轴向应力（T 2/MPa8.388.278.00最大弯矩引起的轴向应力（T 3/MPa巧4Mm二2_70.567.060.2载荷组合系数K1.2系数A0.09400.094 0 3A 一一1.56汉10R600设

22、计温度下材料的许用(20R, 350C) ,11 =86MPa应力（T/MPa(Q235-A, 350C),S75MPa757586系数B/MPa(20R, 350E) , B =135(Q235-A, 350E) , B=135135135135KB/MPa162162162K(T t/MPa9090103.2许用轴向压应力（T cr/MPa取以上两者中小值9090103.2K(T 打 /MPa9090103.2圆筒最大组合压应力（T 2+3） /MPa对内压塔器ct2 +码兰K tr Cr （满足要求）78.8875.2768.20计算内容计算公式及数据0-0截面1-1截面2-2截面圆筒最

23、大组合拉应力（CT 1 CT 2+ CT 3） /MPa对内压塔器q -cr2 +6乞K #打（满足要求）62.258.876.2塔设备压力试验时的应力校核计算内容计算公式及数据试验介质的密度（介质为水）丫 /kg/m31000液柱高度Hw/m27.53液柱静压力丫 H/9.81/MPa0.282-2截面最大质量2-2mT2 2/kgm2 =67879 -412.5-1098.4 = 66368.1试验压力pT/MPak 】133Pt =1.25pTn* =1.25汉0.8 汇=1.44b J92筒体常温屈服点（T s/MPa2452-2 截面 0.9K(T s/MPa264.62-2 截面

24、KB/MPa162压力试验时圆筒材料的取以上两者中小值许用轴向压应力（T cr/MPa162（Pt +sHwg）（Di +%）试验压力引起的周向应vjt 2齢（1.44 十 1000汉 27.53 汉 9.81 0）（1200+10）103 /力（T T/MPa2x10液压试验时：rT =103.4 c0.9Krs （满足要求）试验压力引起的轴向应PTDi44 如200力（T Ti/MPaKJ T1 耳 厶464如0重力引起的轴向应力er T2/MPam?g 66368.仆 9.81tT2 T-17.27uDiQi兀200汉10弯矩引起的轴向应力e T3/MPa疔4（0.血尸 +Me）4汉（0

25、.3沃6.03汉108 +7.84&107）円3 一兀Dj2%一兀 x 1200 10=22.93压力试验时圆筒最大组合应力/MPa听1 一巧2 +03 =43.2 -17.27+22.92 = 48.85液压试验时：QT1+听3 =48.85 C0.9KJ （满足要求）巧2 +耳3 =17.27 +22.93 =40.0 crcr （满足要求）裙座轴向应力校核计算内容计算公式及数据0-0截面积Asb/mm人匕=兀0菱$ =兀汉1200汉10 = 3.76疋1040-0截面系数Zst/mm3兀2 .兀27Zsb =一 Dis s =汉 1200 汉 10 =1.13汇 10 44KB/MPa1

26、62K e ts/MPa90裙座许用轴向应力/MPa取以上两者中小值900-0截面组合应力/MPaMmaX 丄 m）g 7.98汉108 丄 678797.81 “ “ lxr. + = 88.32 c KBZsbAsb1.13073.76X04检查孔加强管长度150lm/mm检查孔加强管水平方向的取大宽度bm/mm450检查孔加强管厚度S m/mm12Am=2lm6m = 2x150x12 =36001-1截面处裙座筒体的截面积Asm/mmAsm = %Dim&es -送(bm 2&m )&es - Am =兀如200如22x(450 + 2x12)x12 36004= 4.1x101-1截

27、面处的裙座筒体截面系数Zsm/mm3X 2丿12丿=2250 汉 J6002 2252=2.00。07H2 -lZsm =Dm es 匚Ah-h截面处的裙座壳截4面系数Zsm/mm3=二汶12002 x12 2450x1200x6 2.00X06 )= 1.107114Mmax 十 m gZsmAsm87.58X10 丄 31818.1汉9.81-7 +448.68 v KB2E104.101-1截面组合应力/MPa1 1 1 10.3Mwv +Me 十mmaxgZsmAsm0.3汉 6.8 汉 108 + 7.848疋107 卜 67466.5疋 9.811.1勺0744.1勺04= 41.

28、82 CKB基础环设计计算内容计算公式及数据裙座内径Dis/mm1200裙座外径Dos/mmDos =Dis +2es =1200 十2汉12 =1224基础环外径Dob/mmDob = Dis +300 = 1200 + 300 = 1500基础环内径Dib/mmDis = Dis - 300 = 1200 - 300 = 900基础环伸出宽度b/mm1 1b =空(Dob Ds)=尹300 1700) = 300相邻两筋板最大外侧间距 l/mm250基础环面积Ab/mm兀22兀226Ab=_(Db -D )=_(23002 17002) =1.88汇10644基础环截面系数Zb/mm3Zb

29、 J(Dob4Dib4)J。5004 -9004)*32Dob32x1500基础环材料的许用应力(T b/MPak b =75MPa水压试验时压应力(T bi/MPaMm：丄 mog7.98汉 108 丄32230汉 9.81ZbAb2.88X1081.88X106= 2.94操作时压应力(T b2/MPa0.3MW +Memmaxgb2 =+ZbAb0.3汉 7.2 x 108 + 7.848 x 10767879 9.81=8+62.88 汉 101.88 汇 10=1.37混凝土基础上的最大压力 er bmax/MPa取以上两者中大值2.94b/lb/l =300/250=1.2矩形板力

30、矩Cx、Cy系数查表 5-27 得：Cx=-0.0846Cy=0.1120对 X 轴的弯矩Mx/N mm/mm由 b/l 得:Mx =-0.0846汉 2.94汇 3002 =-22385.2对 Y 轴的弯矩My/N mm/mm由 b/l 得：M y = 0.1120江 2.94 x 2502 = 20580计算力矩Ms/N mm/mm取以上两者中大值2238有筋板时基础环厚度/mm札 - J込 _ 6 22385 - 42.31 经圆整取 b - 42Wh 习75地脚螺栓计算计算内容计算公式及数据取大拉应力（T Bi/MPa0 _QM W + M emmin gB1ZbAb877.2x10

31、+7.848x1030783x9.812.88S081.88X106= 2.61取大拉应力（T B2/MPaM 严 +0.25M 尸 + Me mg 代丄 旺B2 =ZbAb1.65 汉 108 +0.25 汉 7.2 勺08 +7.848如07 8 2.88S0322307.81-18477 61.88S0=1.31基础环中螺栓承受的最大拉应力T B取以上两者中大值0塔设备必须设置地脚螺栓地脚螺栓个数n40地脚螺栓材料的许用应力t bt/MPa对 Q-235A，取 k L =147MPa地脚螺栓腐蚀裕量C2/mm地脚螺栓取C2 =3mm地脚螺栓螺纹小径di/mmUBAb：4 汉 2.61 汉

32、 1.8806- J +C2 -彳+3-35.6W兀n丘hV兀40汇147故取40 M48地脚螺栓满足要求3、设计结果汇总表计算结果塔体圆筒名义厚度S n/mm12 （满足强度和稳定性要求）塔体封头名义厚度12 （满足强度和稳定性要求）S hn/mm裙座圆筒名义厚度12 （满足强度和稳定性要求）S en/mm基础环名义厚度S b/mm25 （满足强度和稳定性要求）地脚螺栓个数40 （满足强度和稳定性要求）地脚螺栓公称直径d/mm48 （满足强度和稳定性要求）4、设计综述本次是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计， 设计结果如汇总表所示。其中地脚 螺栓的个数根据化工设备设计全书一一塔设备中的裙座地脚螺栓

33、个数表中查 取得：裙座底部内直径为1200mm时，地脚螺栓取48个，这样可能会导致裙座 底部基础环所受的局部应力不均匀，但是通过校核计算并圆整得到地脚螺栓的公 称直径为48mm,故选用40-M48的大直径地脚螺栓才能满足强度和稳定性要求。本设计的任务是进行一蒸馏塔与裙座的机械设计。计算量比较大，计算公 式繁琐，数据比较大。在计算过程中遇上一些参数是需要从书本的图或表格中查 找出，有些数据还需要结合我们的理论课的书本来查找相关系数。在设计的过程中，我们都会遇到各种各样的问题，但是大家一起努力工作的同时，对不懂的问 题进行讨论之后，把遇到的问题都解决了。本次设计的收获是在设计过程中， 要 善于查表

34、和查找相关资料，并认真思考，结合书本以及所学知识解决，这样问题 就变得迎刃而解了。5、参考资料1 陈国恒主编化工机械基础第二版.北京：化学工业出版社，2006.1, 1031032 全国压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器用封头（JB/T4746-2002）,2002. 8， 39393 蔡纪宁 张秋翔主编化工设备机械基础课程设计指导书北京：化学工业出版社，2000. 6，60604 路秀林 王者相主编.化工设备设计全书塔设备.北京：化学工业出版社，2004. 1，3243276、主要符号说明B系数，按GB150相关章节，错误！未找 到引用源。moi壳体和裙座质量， 错误！未找到引用源。oE塔设备壳体内径，错误！未找到引用源。mD2内体质量，错误！未找到引用源。基础环内径，错误！未找到引用源。m05保温材料质量，错误！未找到引用源。Do塔设备壳体直