設(shè)計(jì)說明書塔前言

1、大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)部門以及在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用也已趨于成熟。在對常壓及中壓下的蒸餾、真空蒸餾中填料塔尤其適用。當(dāng)然對于有大氣量的兩相接觸過程也是比較適用的。隨著技術(shù)的發(fā)展可以：21 世紀(jì)塔器的分離技術(shù)將會向著復(fù)合化、行業(yè)化、大型化、節(jié)能化等方向發(fā)展。本次設(shè)計(jì)的起始時(shí)間是 2013 年 1 月 6 日，通過的悉心指導(dǎo)，本次設(shè)計(jì)共經(jīng)歷了資料收集、文獻(xiàn)的查閱，確定設(shè)計(jì)方案及編寫設(shè)計(jì)說明書，圖紙的設(shè)計(jì)等過程。也通過這次設(shè)計(jì)讓我們對填料塔的發(fā)展歷史，組成結(jié)構(gòu)，塔設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程及塔設(shè)備的生產(chǎn)工藝有了更加深刻的認(rèn)識和理解。進(jìn)一步的鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識，提高了查找資料的能力以及和同學(xué)之間相互交流能力，可以說

2、這是對大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)知識的一次比較全面的檢驗(yàn)總結(jié)和鞏固。然而我深深的知道本人設(shè)計(jì)水平有限，知識是無盡的，的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也不足以及其他一些因素的限制，此設(shè)計(jì)必定會存在很多不足，希望各位、同學(xué)批評指正。陳2013.1.6第 2 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 填料的選擇填料是填料塔的內(nèi)件，填料的選用主要根據(jù)其效率、通量、和壓降三個重要的性能參數(shù)決定。包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。填料分為散裝填料和規(guī)整填料兩種。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)所選用的填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用較低的條件。此次設(shè)計(jì)中綜合考慮上述因素選用的是50金屬環(huán)。其物性和形狀如表 1-1 及下圖

3、1-1 所示：表 1-1外徑高× 比表面 空隙率 e/m3 · m-3個數(shù)堆積密度干填料因子 a/ e 3/m-1濕填料因d / mm厚積 a/m2 · m-3/個·m-子/m-1/m-1g D/kg·m-3/mm×mm5050 ×112.30.94965003951311301第 3 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)圖 1-1環(huán)（a）鋼環(huán)；（b）瓷環(huán)1.2 填料層高度的選擇：填料層的分段：由設(shè)計(jì)說明書可知為 23.3m,塔體比較的高。當(dāng)液體沿填料層往時(shí)，由于重力等因素的影響會使液體有逐漸方向集中的趨勢，進(jìn)而形成壁流效應(yīng)。壁

4、流效應(yīng)會造成填料層氣液分布不均勻，從而導(dǎo)致傳質(zhì)效率降低。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮將填料層進(jìn)行分段，設(shè)計(jì)液體收集分布器。從而保證液體在調(diào)料層中分布均勻，同時(shí)為上升氣體提供橫向混合的空間和機(jī)會，減小放大效應(yīng)，提高傳質(zhì)效率。對于散裝填料，一般推薦高度見表，表中的 h/D 為分段后高度與塔徑比，hmax為的最大填料層高度散裝填料分段高度推薦值如表 1-2:故取每段填料層高度為 3.5m，分三段。第 4 頁 共 60 頁填料類型拉西環(huán)環(huán)矩鞍環(huán)階梯環(huán)環(huán)矩鞍h/D2.551058815515Hmax/m£ 4£ 6£ 6£ 6£ 6大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)1.3件及其附件

5、的選擇1.3.1 除的選擇由于當(dāng)操作氣速較大時(shí)，那么就可能會出現(xiàn)塔頂夾帶，這不僅會造成物料的流失，也會使塔的效率降低，并且還有可能對環(huán)境造成污染。因此為了避免這種情況產(chǎn)生，就需要根據(jù)規(guī)定在塔頂處設(shè)置合適除沫裝置，近而減少液體的夾帶損失，提高塔的效率，確保后續(xù)設(shè)備能夠正常工作。生產(chǎn)中常用的除沫裝置可分為：絲網(wǎng)除、折流板除以及旋流板除沫器。此外，還有多孔材料除及除。根據(jù)此次填料塔的設(shè)計(jì)條件和化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊選用用絲網(wǎng)除。它是應(yīng)用最的除沫裝置之一，具有比表面積大、重量輕、空隙率大以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。以及除沫效率高、降小的特點(diǎn)。因設(shè)計(jì)汽提塔的塔徑為4000mm，直徑較大，故采絲網(wǎng)除，根據(jù)化學(xué)工藝手冊規(guī)

6、定絲網(wǎng)塊直徑應(yīng)小于塔設(shè)備的內(nèi)直徑，并且要安裝在塔頂出氣口處，所以需要另加一圓筒短節(jié)用來安放網(wǎng)塊。采用的是下拆式結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)定可知絲網(wǎng)層厚度一般取 100150 。根據(jù)設(shè)計(jì)條件選用 100 （N 型），結(jié)構(gòu)形式如下 1-3：1-31 除1.3.2 填料支承裝置的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)條件塔徑為 4000mm 較大，若選用分塊式柵板則需要 4 塊以上，因此根據(jù)設(shè)計(jì)條件和化學(xué)工程師設(shè)計(jì)手冊和化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊選用氣體噴第 5 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)射支撐板來作為填料的支承。其與分塊式柵板相比之下的較大的優(yōu)點(diǎn)有：自由截面大，一般在 90%以上，流體阻力小。但是其結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜。1.3.3 液體再分布器當(dāng)

7、填料塔的填料層比較，液流有流造成“壁流”的傾向，進(jìn)而造成了液體的分布不均勻，甚至還會造成塔中心處的填料都不能被濕潤，從而引起“干錐”的現(xiàn)象，大大的降低了填料塔的效率。為了消除這樣的現(xiàn)象，提高塔的效率，故將填料層分段，每層填料層間設(shè)置液體再分配器，使整個填料度內(nèi)的填料都能被均勻的噴淋。在本設(shè)計(jì)中，由于塔徑為 4000mm 過大，采用氣體噴射支撐板，所以就不需要再設(shè)置液體再分布器了。1.3.4 塔吊柱的選擇在進(jìn)行吊柱的選擇是要考慮吊柱的方位和回轉(zhuǎn)半徑 S，吊柱不僅在經(jīng)過人工推轉(zhuǎn)后能使經(jīng)過吊柱的垂線可以轉(zhuǎn)到人孔的附近，而且還可以使吊鉤的垂線能夠轉(zhuǎn)到平臺外，這樣以便將所選取的件從塔平臺之外的場地上能夠

8、吊到塔平臺上的人或者是反過來將它內(nèi)件從塔平臺上人吊到塔平臺之外的場地上。因此吊柱的方位應(yīng)當(dāng)要首先取決于人孔所在的方位。而人孔方位的確定是由管道專業(yè)根據(jù)設(shè)備的布置及配管的要求來確定。其結(jié)構(gòu)如下：第 6 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)圖 1-3 吊柱其如下表表 1-4SLHf ´ dREL重量標(biāo)準(zhǔn)圖號2400 4550 1550 219×10 1000300 120 471HG5-1373-80-26吊桿的材料采用的為 20 號無縫，而其他材料采用的為 A3F 鋼。支座墊板的材料與塔體材料采用是相同的。吊柱下端的支承結(jié)構(gòu)所采用的是橢圓形封頭。吊桿的計(jì)算是以整根管子來作為計(jì)算依

9、據(jù)的。如果管子的長度不夠那么就需要進(jìn)行拼接，這時(shí)應(yīng)符合以下的要求：a）只拼接一處。b)進(jìn)行拼接的位置只能是在下圖所示的 B 至 C，E 至 W 之間。C）采用的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)按下圖所示。采取的焊縫系數(shù)為：0.9.第 7 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)圖圖 1-4封板通過查化學(xué)工藝手冊可知：用管子來制作的吊柱都是焊有端封板的，那么為了防止雨水的灌入而引起生銹。所以封板上方開直徑為f 30 的牽引孔。吊鉤通過查化學(xué)工藝手冊可知：吊鉤常用的形式有三種，其中又是以圓鋼彎成 U形焊在吊桿上的形式用的最，所以此次設(shè)計(jì)中采用的就是這種形式。其結(jié)構(gòu)圖如下：1.3.5 人孔的設(shè)計(jì)與選擇通過查中民行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼制手人孔

10、此次設(shè)計(jì)中選用的是“回轉(zhuǎn)蓋板式平焊人孔” （HG/T 21516-2005）它的形式如下：第 8 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)0.6圖 1-6人孔1.3.6 接管的選擇通過查中民標(biāo)準(zhǔn)GB9112.288 此次設(shè)計(jì)中選用的是PN0.6Mpa 平面板式平焊其結(jié)構(gòu)如下圖：圖 1-7接管具體如下表表 1-5第 9 頁共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)1.3.7 接管的選取根據(jù)設(shè)計(jì)條件和化學(xué)工藝設(shè)計(jì)將選取如下：氣體的管 D 選用的是型號為 DN700mm 的接管液體的進(jìn)口管選取的是型號為 DN100 的接管液體的出塔接管選取的是型號為 DN150 的接管。1.3.8容器的選擇通過查中民標(biāo)準(zhǔn)容器分類與技術(shù)條

11、件即（ JB/T4700-2000）,根據(jù)化學(xué)工藝設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)工藝條件，選用的是乙型平焊法蘭。又根據(jù) JB/T 4701-2000 來確定其結(jié)構(gòu)和：選取的是型號為 DN3000mm的。第 10 頁 共 60 頁公稱通徑DN管子外徑A法蘭外徑D螺栓心圓直徑K螺栓孔徑L螺栓法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B理論重量Kg數(shù)量n螺紋Th100114.3210170184M161890.52.95150168.6265225188M1620170.54.75700711.68608102624M2440-大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)圖 1-8凹凸面密封表 1-6第二章塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 工作參數(shù)操作Pw：常壓

12、操作溫度 Tw：140°C入塔物料：半水煤氣水：23.3 米；塔徑：4 米塔類型：填料塔環(huán)境：衡陽室外第 11頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2.2.1 設(shè)計(jì)根據(jù) 0580-1998鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定中的表 4-1 設(shè)計(jì)選取表的要求，此設(shè)計(jì)的設(shè)備無安全泄放裝置，計(jì)算Pc 應(yīng)當(dāng)取 1.01.1 倍工作壓力 Pw，所以計(jì)算Pc 為：1.1×0.1Mpa=0.11Mpa，此設(shè)計(jì)的塔設(shè)備內(nèi)為氣相空間，所以此時(shí)液柱靜應(yīng)當(dāng)為：P1=0Mpa；有此可知設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)為：P=Pc=0.11Mpa.2.2.2 設(shè)計(jì)溫度根據(jù) 20580-1998鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定表

13、 5-1 設(shè)計(jì)溫度選取表要求可得：當(dāng)塔工作溫度 T>15°C 的時(shí)候，設(shè)計(jì)溫度 Tc 在工作溫度 T 上應(yīng)當(dāng)增加1530°C，在這里我們選取 20°C，則可知設(shè)計(jì)溫度為 160°C。2.2.3 塔體材料因?yàn)樵O(shè)計(jì)溫度為 160°C，入塔物料為酸性氣體，并且氣體當(dāng)中含有一定的H2，所以應(yīng)當(dāng)要考慮氫的腐蝕。根據(jù) HG20581-1998鋼制化工容器材料選用規(guī)定中的 6.7.3 規(guī)定，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度大于等于 200°C 的時(shí)候，與氫相接觸的化工容器用鋼應(yīng)考慮氫的腐蝕危害。本塔設(shè)備設(shè)計(jì)的溫度為 160°C，因此不需要考慮氫的腐蝕作用

14、。設(shè)計(jì)的為 P=0.11Mpa,應(yīng)當(dāng)屬于低壓設(shè)備中的吸收設(shè)備，分為一類容器；由于介質(zhì)腐蝕性未提特殊要求，所以選用 16MnR 作為吸收此塔體的材料。2.2.4試驗(yàn)根據(jù) GB150-1998鋼制容器3.8.1 要求來計(jì)算試驗(yàn)的為：s s tP =1.25PT第 12 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)公式中：PT試驗(yàn)MPaP設(shè)計(jì)MPas t容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的應(yīng)力MPas 容器元件材料在試驗(yàn)溫度下的應(yīng)力MPa由 GB150 的表 4-1 可知 16MnR 在設(shè)計(jì)溫度 160°C 下材料的應(yīng)力為:s t=170 MPa又已知試驗(yàn)溫度下的材料應(yīng)力s =170 MPa;所以試驗(yàn)的為:s

15、s tPT=1.25P=1.25×0.11×1=0.1375 MPa由上述的的設(shè)計(jì)條件，根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)中關(guān)于容器的分類標(biāo)準(zhǔn)可知：該填料塔應(yīng)當(dāng)屬于一類容器，設(shè)計(jì)的具體的參數(shù)如下表 2-1，受壓元件的材質(zhì)，焊縫系數(shù)及試驗(yàn)容器類別：一類設(shè)計(jì)（MPa）：0.11設(shè)計(jì)溫度：160°C操作介質(zhì)：半水煤氣水主要受壓元件材質(zhì)：16MNR焊縫系數(shù)：1試驗(yàn)（ MPa）：0.138表 2-12.2.5 焊縫系數(shù)根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)可知：A,B 類焊縫均進(jìn)行 100%的射線檢測，因此去焊縫系數(shù)為：1.0。2.3 筒體的厚度選擇2.3.1 符號：根據(jù)查化學(xué)工程師手冊和過程設(shè)備設(shè)計(jì)中的規(guī)定在塔

16、設(shè)備設(shè)計(jì)中有：第 13 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)C 厚度附加量（mm）C=C1+C2C1 鋼材厚度負(fù)偏差（mm）C2 腐蝕裕量（mm） 按設(shè)計(jì)參數(shù)取Di 圓筒的內(nèi)直徑 Di =4000mmP 設(shè)計(jì)（MPa）按設(shè)計(jì)參數(shù)取P=0.11 MPaPc 計(jì)算P 設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭的最大工作，MPaPw 圓筒的最大工作，MPad ddd ed n 圓筒或封頭的設(shè)計(jì)厚度，MPa 圓筒的計(jì)算厚度，mm圓筒的有效厚度，mm圓筒的名義厚度，mms t應(yīng)力，由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)s t 可知為 170MPa 16MnR 在 160時(shí)的;f 塔體焊縫采面對接焊，進(jìn)行局部無損檢測，所以f 1 ；C2 腐蝕裕量，根據(jù)過程設(shè)

17、備設(shè)計(jì)中的工藝條件取 C24 ；2.3.2 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度由過程設(shè)備設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方法可知：按強(qiáng)度條件，那么筒體所需要的厚度為：Pc Di2s t f - Pd +C2d0.11´ 4000+C22 ´170 ´1 - 0.11=1.29+2 =3.29 其中C2 為腐蝕裕量，無特殊的腐蝕情況下，那么對于碳素鋼和低合金鋼， C2不小于 1 mm，所以就取C2 =2 mm；C1 為鋼材負(fù)偏差，使用中若鋼板厚度超過了 5mm 時(shí)（如 20R、16MnR 和 16MnDR 等）那么可取C1 =0，由此則可得：第 14 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)C = C1

18、 + C2 = 2 + 0 = 2mm。又根據(jù)鋼制容器（GB150-1998）中的相關(guān)規(guī)定：對于低合金鋼制的容器，不包括腐蝕裕量的最小厚度應(yīng)不小于 3 mm。所以圓筒設(shè)計(jì)的厚度為：d C = d + C = 3 + 2 = 5mm查鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，取圓筒的名義厚度為： d n =10 mm,2.4 球形封頭的厚度選擇2.4.1 符號同 1.5.1.1 注釋2.4.2 設(shè)計(jì)溫度下球形封頭的計(jì)算厚度根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的橢圓封頭，封頭的設(shè)計(jì)厚度為：0.11´ 4000Pc Di2s t f - 0.5 pd + C +2d22 ´170 ´ 0.85 - 0.5

19、´ 0.112.46 ；根據(jù)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，同時(shí)為了便于焊接，所以取封頭與筒體等厚，因此：d n =10 ；第三章 填料塔載荷分析及強(qiáng)度的校核3.1 載荷分析容器受到介質(zhì)，支撐反力等多種載荷的作用時(shí)候。確定全周期內(nèi)容器所受到的各種載荷，是正確設(shè)計(jì)容器的前提。分析載荷作用下容器的應(yīng)力和變形，是容器設(shè)計(jì)的重要理論基礎(chǔ)。載荷是指能夠在容器上產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變的因素，如介質(zhì)，風(fēng)載荷，載荷等。第 15 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)3.1.1 塔體上各項(xiàng)載荷計(jì)算：根據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊及過程設(shè)備設(shè)計(jì)有：塔設(shè)備的操作質(zhì)量為： m0 = m01 + m02= m01 + m塔設(shè)備的最大質(zhì)量為： mmax

20、塔設(shè)備的最小質(zhì)量為： mmin塔體總質(zhì)量m01 ，= m01 + 0.2其中筒體質(zhì)量m1 ：根據(jù)查的表得，1（10 厚）筒節(jié)鋼板所具有的質(zhì)筒節(jié)的具有的容積為：7.065m3 ；量為：737 ； 1那么根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知筒體質(zhì)量 m1=23×737=16951 ；3封頭質(zhì)量m2 ：根據(jù)查的表可得 EHA 橢圓封頭的容積為：3.817m ；其壁10 質(zhì)量為：m2=775 ；裙座的質(zhì)量m3 ：根據(jù)查的表可知裙座的質(zhì)量為：Q 2211 3那么塔體的質(zhì)量應(yīng)為：m01m1+m2+m3=16951+775×2=20712 ；塔段內(nèi)件的質(zhì)量為： m02 (kg)根據(jù)公式：填料質(zhì)量體積

21、5;堆積密度 p×（4）2×10.5×39529302 ；4塔段內(nèi)其他內(nèi)件的質(zhì)量約為 50 ；所以塔段內(nèi)件的質(zhì)量應(yīng)為：m0229302+5029352 ；保溫層質(zhì)量m03 (kg) ：根據(jù)要求可知（ d 50 ，第 m3 質(zhì)量 0.5t）si所以其質(zhì)量應(yīng)為：m031086.9 ；平臺、扶梯的質(zhì)量m04 （ kg ）：根據(jù)設(shè)計(jì)要求有操作平臺共有五層，每層約為 500 及斜梯（總的高度為 20m，每 5m 的重量為：125 ）所以平臺、扶梯的質(zhì)量應(yīng)為：m045×500+4×1253000 ；操作時(shí)物料質(zhì)量m05 （ kg ）：第 16 頁 共 60

22、 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)料液 m052%容積0.02×（18×7.065+2×3.817）×10002696 ；人孔、接管、等附件的質(zhì)量應(yīng)為： ma ， (kg)按經(jīng)驗(yàn)取附件的質(zhì)量為： ma =0.25 m01 = 0.25´ 20712 = 5178 kg充液質(zhì)量mw , (kg) p×42×18×103127170 充水質(zhì)量mw4根據(jù)上述的計(jì)算那么有：塔設(shè)備的操作質(zhì)量m0 = m01 + m02 + m03 + m04 +20712.961944.9 ；塔設(shè)備的最小質(zhì)量mmin = m01 + 0.2m02 + m

23、03 +=20712+0.2×29352.9=35767.3 塔設(shè)備的最大質(zhì)量mmax = m01 + m02 + m03 + m=20712.9=189194.9 3.1.2載荷與彎矩的算載荷是指作用在容器上的力，它產(chǎn)生于支撐容器的地面突然和容器對的反應(yīng)。時(shí)，作用在容器上的十分復(fù)雜的，為了簡化設(shè)計(jì)的計(jì)算，通常采用數(shù)，把力簡化當(dāng)量剪力和彎矩。當(dāng)發(fā)生的時(shí)候，塔設(shè)備作為懸臂梁，在載荷的作用下就會產(chǎn)生彎曲變形。所以安裝在七度或者是七度以上烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計(jì)算出它的載荷。使設(shè)計(jì)做到安全規(guī)范。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊中的方法選取計(jì)算截面（包括截面）。該設(shè)計(jì)中將分為 4 段。其計(jì)

24、算的截面分別標(biāo)為：0-0、1-1、2-2、3-3，其中 0-0、1-1、= 0.5數(shù)為： CZ2-2 為截面。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊取綜合第 17 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版的表 7-9 取第二組類場地土所對應(yīng)的的特性周期為Tg =0.3根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版的表 7-10 取設(shè)防烈度為 7 時(shí)為a max =0.08。數(shù)最大值數(shù)根據(jù)場地土的特性周期及塔的自振周期由分析設(shè)計(jì)方法確定，并且不得小于0.2a max= 0.08 ´ 0.2 = 0.0016 ,即ö0 9ö0 9æ Tæ0.3a = ç÷ga m

25、ax = ç´ 0.08 = 0.036 > 0.2a max÷è T1 øè 0.72 ø設(shè)備的任意截面 I - I 距地面的高度為h ，那么基本振型在截設(shè)等直徑、等壁面 I - I 處產(chǎn)生的彎矩應(yīng)當(dāng)為：Ha mg=1.6 1x1 5dx =8a1mgHòòhM I -I=(x - h)dF(10H 3 5 -14hH 2 5 + 4h3 5 )EIk1H 1 5175H 1 5h上式中m 為塔高度上的質(zhì)量，即m = m0 / H當(dāng)塔設(shè)備 H/D15 或 H20m 時(shí)，應(yīng)當(dāng)還需要考慮高振型影響，這

26、時(shí)應(yīng)根據(jù)第一、二、三振型，分別計(jì)算塔設(shè)備的水平力及彎矩。然后再根據(jù)振型組合的方法來確定作用于k 質(zhì)點(diǎn)處的最力和彎矩。而這樣的計(jì)算方法是很復(fù)雜的，因此在進(jìn)行穩(wěn)定和其他驗(yàn)算的時(shí)候，可按由第一振型的一種簡化計(jì)算方法I -II -I EIM= 1.25M計(jì)算的結(jié)果來估算彎矩即：公式來計(jì)算E由此可得：操作質(zhì)量為： m0 = 61944.9kg ；當(dāng)量質(zhì)量為： meq = 0.75m0 = 0.75 ´ 61944.9 = 46458.7kg ；數(shù)為：a v max= 0.65 ´ 0.08 = 0.052 ；垂直的力：F 0-0= a· m· g = 0.052

27、´ 46458.7 ´ 9.8 = 23675.4N底截面處垂直的vv maxeq底截面處彎矩為：= 1.25M 0-0 = 1.25 ´ 16 a m gHM 0-0EEI1 035第 18 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)161.25× 35 ×0.036×61944.9×9.81×233002.91×108 N × mm那么在截面 1-1 處彎矩應(yīng)為：1-1M E1-11.25M EI= 1.036 ´= 1.25´175´2.48×108 N &#

28、215; mm截面 2-2 處的彎矩應(yīng)為：2-2M E2-2= 1.25M EI= 1= 1.25´ 8´36175= 7.87 ´107 N * mm截面 3-3 處的彎矩應(yīng)為：-333-3ME= 1.25M EI= 1´0360.8= 1.25´175=0.9×107 N × mm3.1.3 填料塔自振周期的計(jì)算在進(jìn)行塔設(shè)備的振動分析時(shí)，一般的情況下是不考慮平臺及外部接管的限制作用和地基變形的影響，而是將塔設(shè)備看成是頂端是自由，而底部是剛性固定，質(zhì)量沿高度方向連續(xù)分布的懸臂梁，根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版 （7-5）式第一振型

29、計(jì)算式可知其基本的震型自振周期T1 (s) 為：mH 4T = 1.791EI式中 I = p D 3d =´ 33 ´ 0.008 = 84 ´10-3 (m4 )8pie8第 19 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)其中m 為塔高度上的質(zhì)量即m = m0 / H ，所以有：H 361944.9 ´ 23.332.1´1011 ´ 84 ´10-3mT = 1.79= = 1.79 0EI= 3.75(s)1而振動的周期為：61944.9 ´ 23.3 = 6.15(s)mH= 0.8´T 0.8SQ24

30、465式中 Q 總剪力 Q350×23.3×324465 N；顯然可得實(shí)際振動的周期未超過最大振動的 周期。3.1.4 設(shè)計(jì)的塔體的風(fēng)載荷及風(fēng)力矩的計(jì)算各計(jì)算段的外徑均為 Doi = D + 2d = 4000 + 2´10 = 4020mm ；in塔頂處的管線是氣體的出口，根據(jù)化學(xué)工藝手冊取塔頂管線的直徑為：D0=350 由化學(xué)工藝手冊取第i 段保溫層的厚度為： d si = 50mm ； 根據(jù)設(shè)計(jì)要求取得在管線上的保溫層厚度為： d PS = 50mm ；選用的扶梯為籠式，它的當(dāng)量寬度應(yīng)為： K3 =400mm；å A = 9 ×105 m

31、m2 ；取各段平臺構(gòu)件所形成的的投影面積為：= 2å AK4l所以操作平臺當(dāng)量寬度應(yīng)改為：，0塔設(shè)備迎風(fēng)面的所要考慮的有效直徑 Dei 應(yīng)當(dāng)是該段所有受風(fēng)構(gòu)件迎風(fēng)面寬度的總和。所以當(dāng)將塔頂管線和籠式扶梯布置成為 180°時(shí)，塔設(shè)備迎風(fēng)面所形成的有效直徑 Dei 應(yīng)為：= Doi + 2dsi + K3 + K4 + d0 + 2d piDei而當(dāng)塔頂管線和所選用的籠式扶梯布置成為 90°時(shí), Dei 則應(yīng)選取下列兩式之間第 20 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)較大的那個值。= Doi + 2d si + K3 + K4= Doi + 2d si + K4 + d

32、0 + 2d piDeiDei根據(jù)查過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版的表 7-5 可得：風(fēng)壓高度變化系數(shù)可根據(jù)各計(jì)算段頂截面距地面高度hit / H 而得，計(jì)算如下：f1 = 1.00, f 2 = 1.00, f3 = 1.00, f 4 = 1.25體型系數(shù) K1 風(fēng)壓在不同體型的結(jié)構(gòu)表面分布亦不相同，對細(xì)長的圓柱形塔體結(jié)構(gòu)，取體型系數(shù)為： K1 =0.7.風(fēng)振系數(shù) K 2 ：塔設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)考慮風(fēng)載荷的脈動的性質(zhì)和塔體的動力特性而折算的系數(shù)。K 2 則按下式計(jì)算H £ 20m 時(shí)，取> 20m 時(shí)， H當(dāng)1.70 。而當(dāng)= 1 + evifZiK2ifiH 為23.3m 大于 20m，通過

33、計(jì)算得：K2=1.8根據(jù)此次設(shè)計(jì)的條件，前面已求出塔設(shè)備自振周期T1 = 3.75s ，根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)的表 17-2，取衡陽地區(qū)基本風(fēng)壓值為 350 N / m2q T 2=350× (3.75) = 4921.8720 1q T 2假設(shè)土地粗糙度類別為 B 類，則由值查過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版的表 7-60 1得脈動增大系數(shù)為： x =3.28，數(shù)n i 分別為查過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版表 7-7 得，脈動n1 =0.72，n 2 =0.72，n 3 =0.72，n 4 =0.79查過程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版表 7-8，根據(jù)表結(jié)合hit / H 式子可得第i 段振型系數(shù)fz1= 0.02,fz2

34、 = 0.05,fz3 = 0.38,fz4 = 1.00為：第 21 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)為了簡化計(jì)算且偏安全計(jì)算，則各段都均取Dei=3020+2×50+400+450=4070 ；根據(jù) Pi = K1 K 2 i q0 fili Dei ×10-6 計(jì)算各段的水平風(fēng)力：P' = K K q f L' D ×10-6=0.7×1.8×0.00035×1.0×1000×4070=1794.8 N11 21 0 1 1 e1 K K q f l D ×10-6=0.7×

35、;1.8×0.00035×1.0×5000×4070=8974 NP21 22 0 2 2 ei×10-6=0.7×1.8×0.00035×1.0×8000×4070=14358.4 NP KK q f l D31 23 0 3 3 eiP K K q f l D ×10-6=0.7×1.8×0.00035×1.0×9000×4070=16153.2 N41 24 0 4 4 e4M I -I根據(jù)材料力學(xué)的彎矩計(jì)算公式可得塔設(shè)備任意截面

36、 I - I 處的風(fēng)彎矩為：WlM I -I= P+ P (liWii+1 i2所以塔設(shè)備底截面（0-0 截面）的風(fēng)彎矩應(yīng)為：M= P+ P (l + l2 ) +l0-01W1 22 12=1794.8× 1000×（1000 + 5000 ）.4×（1000 + 5000 + 8000 ）222.2×（1000 + 5000 + 8000 + 9000 ）=4.75×10821-1 截面風(fēng)彎矩應(yīng)為：l2lM 1-1= P+ P (l +) + P (l +3W23 24 2225000.4 × （ 5000 + 8000=8974

37、 × （）.2 ×22（ 5000 + 8000 + 9000 ）2=4.34×1082-2 截面風(fēng)彎矩應(yīng)為：= P+ P (l + l4 )l3M 2-2W34 322=14358.4×（ 8000 ）.2×（ 8000 + 9000 ）22=2.59×108第 22頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)3.1.5 偏心彎矩M e由于本設(shè)計(jì)中的塔體上并沒有懸掛附屬設(shè)備或其他附件，因此偏心彎矩應(yīng)為：M e = 03.1.6 最大彎矩M i-i + M根據(jù)材料力學(xué)中計(jì)算彎矩的公式及考慮的因素可知：最大彎矩取e 和WM i-i + 0.25M

38、i-i + Me 兩者中的較大值。通過計(jì)算可得其計(jì)算值如下表 2-2：EW表 2-2最大彎矩選擇計(jì)算公式及數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)容00 截面11 截面22 截面M i-i + M4.75×1084.34×1082.59×108WeM i-i + 0.25M i-i + M4.09×1083.56×1081.43×108EWe最大彎矩 M i-i4.75×1084.34×1082.59×108max3.2 塔設(shè)備強(qiáng)度校核由于塔設(shè)備大多都是安裝在室外，靠的是裙座底部的那些地腳螺栓來固定在混凝土的基礎(chǔ)上，所以通常稱為這樣的

39、塔設(shè)備為自支撐式塔。塔器除了要承受介質(zhì)的之外，塔器設(shè)備還要承受一些其他各種重量（包括件，塔體，操作平臺，保溫層，扶梯等附件的重量等等）、偏心載荷、管道推力、風(fēng)載荷及載荷的作用等等。并且還由于在正常操作，停工檢修，試驗(yàn)等這三種工況之下，塔器所受到的載荷也是并不相同的，那么為了確保塔設(shè)備的安全性，就必須要對其進(jìn)行軸向強(qiáng)度的校核及其穩(wěn)定性的校核。第 23 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)3.2.1 塔體的強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)前面的計(jì)算有：0-0，1-1，2-2 段以上的操作質(zhì)量分別為 61944.9，53171.6，26585.8kg根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)要求有：塔底截面（1-1）各項(xiàng)軸向應(yīng)

40、力的計(jì)算如下： 0.11´ 3000 10.31Mpa ；pDi4des 14 ´ 8m1-1 · g53171.6 ´ 9.8s 06.9Mpa ；2pD · de3.14 ´ 3000 ´ 8iM 1-14.34 ´ 108smax7.67Mpa；30.785D 2d0.785 ´ 30002 ´ 8ie塔底 1-1 截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算如下：K s ts max s 2 +s 3 £ K stcr上式中s cr 為筒體軸向壓縮穩(wěn)定的應(yīng)力 ；tdes t B0.06 EtM

41、pa ；crRiK 載荷組合系數(shù)，K1.2E t 設(shè)計(jì)混充下材料的彈性模量則有： Et 200Gpa=2.0×105Mpades t =0.06 Et=0.06×2.0×105×6/600=104Mpa ；crRiK s t = 1.2 ´170 = 204由于s max 10.31+6.917.21Mpa<K st= 1.2 ´104 = 124.8cr因此塔底 1-1 截面滿足抗壓強(qiáng)度的要求及軸向的穩(wěn)定條件。根據(jù)過程設(shè)備設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求對塔底截面的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核：s max s1 s 2 +s 3 £ K s fe

42、t第 24 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)因?yàn)镵 s t fe 1.2×170×0.85173.4Mpa ；s max =10.31-6.9+7.67=11.08M Pa < K s fet顯然滿足抗拉強(qiáng)度的條件。綜合上述各項(xiàng)校核數(shù)據(jù)表明，厚度為d n 10 的塔體可以滿足整個塔體的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求。符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。3.4 裙座的強(qiáng)度及穩(wěn)定性較核3.4.1 裙座各截面的校核根據(jù)化學(xué)工藝手冊的設(shè)計(jì)要求，采用 Q235-B 鋼作為裙座材料，座厚度為： d ns 12 ，厚度的附加量為：C2 ， 那么裙座的有效厚度應(yīng)為： d es 12-210 ；根據(jù)計(jì)算公式可得裙座

43、底部 00 截面的軸向應(yīng)力計(jì)算如下：當(dāng)操作時(shí)由質(zhì)量引起的壓應(yīng)力為：Q 0-0 · g61944.9 ´ 9.8s 2 pD d 3.14 ´ 3000 ´10 6.44M Pa；is es最大彎矩引起的 00 截面處的彎曲應(yīng)力為：M 0-04.75 ´108smax6.7 MPa ；30.785D 2des0.785 ´ 30002 ´10is裙座底部 00 截面的強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性校核為：K s ts max s 2 + s 3 £ K stcrs由于裙座材料采用 Q235-B 鋼，則查表可得 s t s 113

44、MPa；而std/ R0.06×2.0×105×11/600220 MPa >s 0.06EcresisPs即裙座出現(xiàn)失穩(wěn)之前，材料已達(dá)到了其彈性極限，因此強(qiáng)度是該塔的主要制約因素。但又由于s max s 2 + s 3 6.44+6.713.14 MPa ；第 25 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)因此滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性的要求。3.4.2 焊縫強(qiáng)度的校核根據(jù)化學(xué)工藝設(shè)計(jì)對塔裙座與塔體采用的是對接焊，焊縫承受的組合拉應(yīng)力：M 1-1Q1-1 · g4.34 ´10853171.6 ´ 9.8s max-0.785D 2despD

45、d0.785 ´ 30002 ´103.14 ´ 3000 ´10itit es6.14-5.53=0.61 MPa <0.6K s =0.6×1.2×77=55.4 MPatW由此可知焊縫強(qiáng)度足夠。上式中s 為焊縫材料在操作溫度下的t應(yīng)力值。W3.5 水壓試驗(yàn)時(shí)塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算3.5.1 水壓試驗(yàn)時(shí)各截面的校核水壓試驗(yàn)塔體中 11 截面的強(qiáng)度條件應(yīng)當(dāng)滿足：(P + P ' )(D + de) £s0.9s ftiT2d fs ee上式中的 P 為液柱的靜，因?yàn)樗w的高度約 15m,所以取 P0.15 MP

46、a0.9 d S ·f 0.9×235×0.85179.78 MPa0.11´1.25´ (133/170)+ 0.15(1200 + 5.2)35.11 MPa又由于s£ 0.9s ·fTS2´ 5.2´ 0.85顯然是滿足水壓試驗(yàn)的要求。塔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)的裙座底部 00 截面進(jìn)行強(qiáng)度與軸向的穩(wěn)定性校核：0.9Ks Sm 0-0 · g0.3M 0-0s ' max+max £ K s pD d0.785D 2dTScris esis esS上式中 0.9Ks S 0.9&#

47、215;1.2×235253.8 MPaK s cr S 264 MPa >s P29385 ´ 9.80.3´1.87 ´108由于s'+TS3.14 ´1200 ´100.785 ´1200 ´1027.6+4.9第 26 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)0.9Ks S12.5 MPa <K s cr S有上面的計(jì)算可知此次設(shè)計(jì)顯然滿足強(qiáng)度與軸向穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。3.6 裙座基礎(chǔ)環(huán)的選擇和設(shè)計(jì)3.6.1 對填料塔基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外徑的確定根據(jù)化學(xué)工藝手冊和化學(xué)工程師手冊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求：取裙座的內(nèi)徑

48、為： Dis = 3000mm取裙座的外徑為： Dos = Dis + 2d es = 3000 + 2 ´12 = 3024 ； 取基礎(chǔ)環(huán)的外徑為：Dob=Dis+（160400）=3000+300=3300 ；取基礎(chǔ)環(huán)的內(nèi)徑為：Dib=Dis-（160400）=3000-300=2700 ；根據(jù)查的公式可得：基礎(chǔ)環(huán)伸出的寬度應(yīng)為： b = 1 (D - D ) = 1 (mm;obos223.6.2 填料塔基礎(chǔ)環(huán)的厚度的設(shè)計(jì)根據(jù)化學(xué)工藝手冊和化學(xué)工程師手冊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求：對基礎(chǔ)環(huán)采用的是 n=16 個均布的地腳螺栓來固定在混凝土的基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)環(huán)上的相鄰兩筋板最大外側(cè)的間距為：l

49、=160 ；相應(yīng)的基礎(chǔ)環(huán)面積應(yīng)為： A =(pD- D )= (p3300 - 2700 )= 28.26 ´10 mm ；222252bobib44p (D- D )p (33004 - 27004 )44計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)截面的系數(shù)為：Zb = 19.46 ´10 mm ；83obib32 ´ 330032Dob對填料塔進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)的壓應(yīng)力計(jì)算如下：M 0-04.75 ´108 + 61944.9 ´ 9.81 =+ mgs= max0 0.46MPa ;b1A19.46 ´10828.26 ´105Zbb操作時(shí)的壓應(yīng)力計(jì)算如

50、下：0-00.3M+ M + m0.3 ´ 4.75 ´10 + 0189194.9 ´ 9.81g8s= Wemax = += 0.73MPa ；b 219.46 ´10828.26 ´105ZAbb第 27 頁 共 60 頁大學(xué)機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)化學(xué)工藝手冊和過程設(shè)備設(shè)計(jì)可知：混凝土基礎(chǔ)上的最大應(yīng)為：s b max 取s b1 與s b2 之間的較大值，通過上面的計(jì)算可知：s b max =0.73 MPa進(jìn)而可知兩筋板間基礎(chǔ)環(huán)部分的長寬比應(yīng)為：b = 138 0.86l160s b maxb2s b maxl2= 0.73´138

51、2 = 13902= 0.73´1602 = 18688 ;根據(jù)查矩形板的力矩表可知：Mx = 0.118s bmaxb = 0.118´13902 = 1640N × mm / mm2M y = 0.0972 ´18688 = 1816N × mm / mm計(jì)算力矩 M s 則應(yīng)當(dāng)取 M x 與 M y 之間的較大值，所以通過上面的計(jì)算可得：M s =1816 N × mm / mm ；6 ´18166M s當(dāng)有筋板時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)的厚度由計(jì)算公式可得：d = 8.80mm ，s b140b又根據(jù)查化學(xué)工藝手冊知道基礎(chǔ)環(huán)的厚度一

52、般d b 不小于 16 ，所以取其厚度為： d b =16 ；3.7 地腳螺栓的強(qiáng)度計(jì)算由化學(xué)工程師手冊和化學(xué)工藝手冊對地腳螺栓進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)：根據(jù)計(jì)算公式有：M 0-0 + Mmg4.75 ´107 + 035767.3 ´ 9.8最大拉應(yīng)力s=We - min =-= 0.37MPaB119.46 ´10828.26 ´105ZAbbM 0-0 + 0.25M 0-0 + Mmg - F 0-0最大拉應(yīng)力s=EWe - 0VB 2ZAbb2.91´108 + 0.25 ´ 4.75 ´108 + 061944.9 ´ 9.8 - 23675.4-= 0.004MPa=19.46 ´10828.26