《化工设备基础及设计》课程设计.docx
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《化工设备基础及设计》课程设计
《化工设备基础及设计》课程设计
设计题目
学院_____________
专业_____________
班级_____________
姓名_____________
学号_____________
同组成员_____________
指导教师_____________
2012年6月18日
板式塔设备机械设计任务书(2
1.设计任务及操作条件(2
2.设计内容(2
3.设计要求(2
1、塔的设计条件及主要物性参数表(3
2、塔设备设计计算程序及步骤(4
按设计压力计算塔体和封头厚度(4
塔设备质量载荷计算(4
自振周期计算(6
地震载荷与地震弯矩计算(7
风载荷与风弯矩计算(8
偏心弯矩(10
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(12
裙座轴向应力校核(13
基础环设计(15
地脚螺栓计算(16
3、设计结果汇总表(17
4、主要符号说明19
5、设计评论(19
6、参考资料(18
附图1浮阀塔装配图
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Di=1600mm,塔高30m,工作压力为1.1MPa,设计温度为300℃,介质为原油,安装在广州郊区,地震强度为8度,塔内安装55层浮阀塔板,塔体材料选用16MnR,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(2#图纸
1、塔的设计条件及主要物性参数表
将全塔分为6段,计算截面分别为0-0、1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、。
表1设计条件及主要物性参数表
已知设计条件分段示意图塔体内径Di1600mm
塔体高度H30000mm
工作压力po1.1MPa
设计压力p1.2MPa
设计温度t300℃
塔体
材料16MnR许用应力
[σ]170MPa
[σ]t144MPa
设计温度下弹性模量E1.79×105MPa常温屈服点σs325MPa
厚度附加量C1.8mm
塔体焊接接头系数φ1.0介质密度ρ810kg/m3
塔盘数N55
每块塔盘存留介质层高度hw100mm基本风压值q0500N/m2
地震设防烈度8度
场地土类别Ⅱ类
偏心质量me4000kg
偏心矩e2000mm塔外保温层厚度δs100mm
保温材料密度ρs300kg/m3
裙座
材料Q235-A许用应力[σ]st86MPa
常温屈服点σs235MPa设计温度下弹性模量Es
厚度附加量Cs1.8mm人孔、平台数6
地脚螺
材料Q235-A许用应力[σ]bt147MPa腐蚀裕量C23mm
栓个数n16
2、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
液注静压力pH/MPa可忽略
计算压力pc/MPa2.1==+=ppppHc
圆筒计算厚度δ/mm70.62
.10.114421600
2.1][2=-⨯⨯⨯=-=
cticpDpφσδ
圆筒设计厚度δc/mm5.88.170.6=+=+=Cnδδ圆筒名义厚度δn/mm10=nδ
圆筒有效厚度δe/mm
2.88.110=-=-=Cneδδ
封头的计算厚度δh/mm68.62
.15.00.114421600
2.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=ct
ichpDpφσδ封头设计厚度δhc/mm84.88.168.6=+=+=Chhcδδ封头名义厚度δhn/mm10=hnδ
封头有效厚度δ
he/mm
2.88.110=-=-=Chnheδδ
塔设备质量载荷计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~2
2~33~4
4~(顶
塔段内直径Di/mm1600塔段名义厚度δni/mm
10
塔段长度li/mm1000
2000
700010000
10400
塔体高度H1/mm30400筒体密度ρ/kg/m3单位筒体质量m1m/kg/m397筒体高度H1/mm26460
筒体质量m1/kg
62.1050446.263971=⨯=m
封头质量m2/kg2.64021.3202=⨯=m
裙座高度H3/mm
3000
塔设备质量载荷计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~2
2~3
3~4
4~(顶
裙座质量m3/kg119133973=⨯=m
塔体质量m01/kg
82.1233511912.64062.1050432101=++=++=mmmm
397
1114.1
2779
39704290.1
塔段内件质
量m02/kg6
.828975
556.14
4
22
02=⨯⨯⨯=
⨯⨯=
π
π
NiqNDm
(浮阀塔盘质量2/75mkgqN=【3】
-
-
1125
1500
1500
保温层质量
m03/kg
25.43553005864.06999.0(230046.2662.182.1(4
2]2(22[(4
2203
202203=⨯-⨯+⨯⨯-⨯=
'
++-++=
π
ρδδδπ
mHDDmnisnim
03'——封头保温层质量,
(kg【4】
-
34.05
1134.2
1620.2
1654.2
平台、扶梯质量m04/kg
平台质量qp=150kg/m2笼式扶梯质量qF=40kg/m
平台数量n=6笼式扶梯高度HF=39m
5018
394015065.0]1.0201.026.1(9.021.0201.026.1[(4
21
]22(222[(4222203=⨯+⨯⨯⨯⨯+⨯+-⨯+⨯+⨯+⨯=⨯+⨯++-+++=π
δδδδπF
FpniniHqnqDBDm40
80
1432.81552.81552.8
操作时塔内物料质量m05/kg
2
.122058005864.08108.1551.0(6.14(4
21
102
05=⨯+⨯+⨯⨯⨯=
++=
π
ρρπ
fwiVhNhDm
-469.125305.36109.26578.3
人孔、接管、
法兰等附件质量ma/kg
按经验取附件质量为:
96.308382.12335
25.025.001=⨯==mma45.68278.53694.75992.5
1072.5
塔设备质量载荷计算
计算内容
计算公式及数据
0~1
1~2
2~33~44~顶
充液质量
mw/kg
8.5434610005864.02100046.266.14
24
202
=⨯⨯+⨯⨯⨯=
+=
π
ρρπ
w
fwiwVHDm
-
1172.8140672009621268.8偏心质量me/kg再沸器:
me=4000
--
4000
-
-
操作质量m0/kg
49288400096.308392.1220532.501825.43556.828982.1233505040302010=++++++=++++++=e
ammmmmmmm482.68
1975.8
16471
15744.7
16648
最小质量
mmin/kg
27.30451400096.308332.501825.43556.82892.082.123352.004030201min=++++⨯+=+++++=e
ammmmmmm482.68
1506.68
10265.67
8435.5
8869.69
最大质量
mmax/kg
7
.914294000955.30838.5434632.501825.43556.828982.1233504030201max=++++++=++++++=e
awmmmmmmmm
482.68
2679.5
2245429731.5
31338.5
自振周期计算
计算内容计算公式及数据
塔体内直径
Di/mm1600塔体有效厚度δe/mm
8.2
塔设备高度H,mm30400操作质量m0/kg
49288.1
塔设备的自振周期T1/s
517
.1101600
2.81079.130400
1.492883040033.901033.9033
53
3
01=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=--i
eDEHmH
Tδ地震载荷与地震弯矩计算
各段操作质量mi/kg11623852201322025819860各点距地面高度hi/mm
500
2000
6500
15000
25000
地震载荷与地震弯矩计算
计算内容计算公式及数据
0~11~22~33~44~顶hi1.51.12×1048.94×1045.24×1051.84×1063.95×106mihi1.5
0.54×107
1.77×108
0.86×10102.90×1010
6.58×1010
∑==6
15
.1ii
ihmA1.035×1011
hi31.25×1088.00×1092.75×10113.38×10121.56×1013mihi3
0.6×1011
1.58×1013
4.5×1015
5.3×1016
2.6×1017
∑==6
13
iiihmB
3.18×1017A/B
3.26×10-7
基本振型参
与系数η
k1
5.175.11102
6.3iikhhBA-⨯==η0.003650.0290.170.601.30
综合影响系
数CZ
取CZ=0.5【5】
地震影响系数最大值αmax
αmax=0.45
【5】
(设计烈度为8度
各类场地土
的特征周期Tg
Tg=0.35【5】(Ⅱ类场地土、近震时地震影响系数α1
0.9
0.9
1maxmax10.350.450.1280.21.41gTTααα⎛⎫⎛⎫=∙=⨯=<⎪⎪⎝⎭⎝⎭
1α不得小于09.045.02.02.0max=⨯=α
水平地震力Fk1/N
111kkkFmgαη=
2.66140.274335.9115262.5432419.15
地震载荷与地震弯矩计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~22~33~44~顶
底截面处地
震弯矩
01-EM/N·
mm00
110816
35
16
0.128492889.81304008.601035
EMmgHα-=
=⨯⨯⨯⨯=⨯
截面1-1处地震弯矩
111EM-/N·mm
11
3.52.53.51012.5
3.52.52.5
3.58
8(1014417580.128492889.81(10304001430400175304001000410008.2010Emg
MHHhhH
α-=
-⋅+⨯⨯⨯=⨯-⨯⨯⨯+⨯=⨯截面2-2处地震弯矩
221EM-/N·
mm22
3.52.53.5
1012.5
3.52.52.5
3.58
8(1014417580.128492889.81(10304001430400175304003000430007.4110EmgMHHhhH
α-=
-⋅+⨯⨯⨯=⨯-⨯⨯⨯+⨯=⨯风载荷与风弯矩计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~2
2~3
3~4
4~顶
各计算段的外径DOi/mm216002101620OiinDDδ=+=+⨯=
塔顶管线外径dO/mm
400第i段保温层厚
100
度δsi/mm管线保温层厚度δps/mm100笼式扶梯当量宽度K3
400各计算段长度li/mm
1000
2000
7000
10000
10400
操作平台所在计算段的长度l0/mm-200070001000010400平台数
01122各段平台构件的投影面积∑A/mm2
9×105
9×105
18×105
18×105
风载荷与风弯矩计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~22~3
3~4
4~顶
操作平台当量宽度K4/mm0
42lAK∑=
操作平台当量宽度K4/mm
900
257
360
346
各计算段的有效直径Dei/mm
psOsiOieidKDDδδ224++++=
2420
3320
2677.1
2780
2766
432KKDDsiOiei+++=δ2220
31202477.125802566各计算段顶截面距地面的高度hit/m
1
3
10
20
30.4
风压高度变化系数fi根据hit查课程设计指导书表5-23【6】
1.01.01.0
1.251.42
体型系数K10.7基本风压值q0/N/m2500塔设备的自振周期T1/s1.517q0T12
1150.6
脉动增大系数ξ(B类查课程设计指导书表5-24【6】
2.57
脉动影响系数νi
(B类查课程设计指导书表5-25【6】0.720.720.720.790.83hit/H0.033
0.098
0.330.66
1
u
1.0
第i段振型系数φzi根据hit/H与u查课程设计指导书表5-26【6】
0.020.020.180.52
1
各计算段的风振系数K2ii
zi
iifKφξν+
=121.037
1.037
1.333
1.845
2.502
各计算段的水平风力Pi/N
6
02110-⨯=eiiiiiDlfqKKP
878.32409.9874322439.835770.8
风载荷与风弯矩计算
计算内容计算公式及数据
0~1
1~2
2~3
3~4
4~顶
0-0截面的风弯矩00-W
M/N·mm00
312121312
5
512349
((222
(2
500878.320002409.9650087431500022439.82520035770.8
1.3010WlllMPPlPlllPllll-=++++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅++++++=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯=⨯1-1截面的风
弯矩
1
1-W
M/N·mm113242
32423552349
((222
(
2
10002409.9550087431400022439.82420035770.81.2310Wlll
MPPlPlll
Plll-=++++++⋅⋅⋅⋅⋅⋅++++=⨯+⨯+⨯+⨯=⨯2-2截面的风弯矩
2
2-W
M/N·mm22
3543
435349
((
222
350087431200022439.8+2220035770.81.0910Wlll
MPPlPll-=+++++=⨯+⨯⨯=⨯偏心弯矩
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Me/N·mm
740009.8120007.84810eeMmge==⨯⨯=⨯
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eiiWMM+-
1.38×1091.31×1091.17×109eiiWiiEMMM++--25.01.26×1091.22×1091.09×109最大弯矩iiM-max/N·mm
1.38×109
1.31×109
1.17×109
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δei/mm8.2筒体内径Di/mm1600
计算截面以上的操作质量m0i-i/kg
49288.1
48805.4
46608.6
设计压力引起
的轴向应力σ1/MPa11.2160058.54448.2iei
pDσδ⨯===⨯
00
58.54
操作质量引起
的轴向应力σ2/MPaei
ii
iDgmδπσ-=0211.74
11.6211.09
最大弯矩引起
的轴向应力σ
3/MPaeiii
iDMδπσ2
max24-=83.44
79.3970.89
载荷组合系数K1.2
系数A
0.0940.0948.2
0.000964800
eiiARδ⨯=
==
设计温度下材料的许用应力[σ]t/MPa(16MnR,300℃,[]144
tMPa
σ=【7】
(Q235-A,300℃,[]86
tMPa
σ=【7】
8686144
系数B/MPa(16MnR,300℃,106
=
B【8】
(Q235-A,300℃,81
=
B【8】
8181108
KB/MPa97.297.2129.6
K[σ]t/MPa103.2103.2172.8
许用轴向压应力[σ]cr/MPa取以上两者中小值
97.297.2129.6
K[σ]tφ/MPa103.2103.2172.8
圆筒最大组合压应力(σ2+σ3/MPa对内压塔器[]cr
Kσ
σ
σ≤
+
3
2
(满足要求
95.1891.0181.98
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
圆筒最大组合拉应力(σ1—σ2+σ3/MPa对内压塔器[]φ
σ
σ
σ
σt
K
≤
+
-
3
2
1
(满足要求
71.767.77118.34
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γ
/kg/cm3
0.001
液柱高度H/cm4000
液柱静压力
γHg/MPa
0.39
有效厚度δei/mm8.2
筒体内径Di/mm1600
2-2截面最大质量mT2-2/kg
52
.
88267
5.
2679
68
.
428
7.
91429
2
2=
-
-
=
-
T
m
试验压力pT/MPa
[]
[]77.1
144
170
2.1
25
.1
25
.1=
⨯
⨯
=
=
t
T
p
p
σ
σ
筒体常温屈服点345
σs/MPa2-2截面0.9Kσs/MPa
372.62-2截面KB/MPa
97.2
压力试验时圆筒材料的许用轴向压应力[σ]cr/MPa
取以上两者中小值97.6
试验压力引起的周向应力σT/MPa
81
.2112
.82
2.81600(39.077.1(2
((=⨯++=
++=
ei
eiiTTDHgpδδγσ
液压试验时:
sTKσσ9.081.211<=(满足要求
试验压力引起的
轴向应力σT1/MPa
34.862.84160077.141=⨯⨯==eiiTTDpδσ
重力引起的轴向应力σT2/MPa
02.212
.8160081.952.88267222=⨯⨯⨯==-πδπσeiiTTDgm塔设备压力试验时的应力校核
计算内容
计算公式及数据
弯矩引起的轴向应力σT3/MPa56
.302.81600
10848.71009.13.0(43.0(427922
23=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=
+=-πδπσei
ieWTDMM压力试验时圆
筒最大组合应力/MPa
88.9556.3002.2134.86321=+-=+-TTTσσσ
液压试验时:
φσσσσsTTTK9.088.95321<=+-(满足要求crTT][58.5156.3002.2132σσσ<=+=+(满足要求
裙座轴向应力校核
计算内容
计算公式及数据
裙座有效厚度δes/mm8.2裙座筒体内径Dis/mm1600
0-0截面积Asb/mm252
1041.02.81600⨯=⨯⨯==πδπisissbDA
0-0截面系数Zsb/mm3722
1065.12.816004
4
⨯=⨯⨯=
=
π
δπ
sissbDZ
KB/MPa
97.2
K[σ]ts/MPa
103.2裙座许用轴向应力/MPa
取以上两者中小值97.2
0-0截面最大弯矩
00max
-M
/N·mm
910297.1⨯
0-0截面操作质量m00-0/kg
49288
0-0截面组合应力/MPa
KBAgmZMsbsb<=⨯⨯+⨯⨯=+-40.901041.081
.9492881065.110297.15
79000max检查孔加强管长度
lm/mm
120【9】检查孔加强管水平方向的最大宽度bm/mm450【9】检查孔加强管厚度δm/mm
12【9】裙座内直径Dim/mm1600
裙座轴向应力校核
计算内容计算公式及数据
Am
28801212022=⨯⨯==mmmlAδ
1-1截面处裙座筒体的截面积Asm/mm2
4
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