DN1200氨吸收塔設(shè)計(jì)

1、南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄目錄1引言1第一章 工藝計(jì)算21.1吸收劑用量及吸收溶液深度21.1.1惰性氣體流量21.1.2 最小氣液比21.1.3最小吸收劑用量41.1.4吸收液濃度41.2泛液速度41.2.1 塔頂混合氣體平均分子量41.2.2填料的選擇51.2.3泛點(diǎn)氣速51.3塔徑的估算71.4液體噴淋密度的驗(yàn)算71.5填料層高度的計(jì)算81.5.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算81.5.2傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算81.5.3填料層的分段101.5.4填料層壓降的計(jì)算10第二章 塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)122.1塔內(nèi)件及附件的選擇122.1.1除沫器的選擇122.1.2填料支承裝置的選擇122.1.3液體分布器132

2、.1.4液體再分布器142.1.5 裙座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)152.1.6 人孔的設(shè)計(jì)與選擇162.1.7塔吊柱的選擇162.1.8接管的選擇192.1.9 接管法蘭的選擇192.1.10壓力容器法蘭的選擇20第三章 塔的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核213.1塔體和封頭的厚度計(jì)算213.1.1材料的選擇213.1.2筒體厚度的確定213.1.3封頭壁厚計(jì)算223.2塔體載荷分析233.2.1質(zhì)量載荷233.2.2自振周期的計(jì)算243.2.3塔體的風(fēng)載荷及風(fēng)力矩253.2.4地震載荷與地震彎矩的計(jì)算273.3塔體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核313.3.1 塔體的軸向應(yīng)力313.3.2 軸向應(yīng)力校核313.4 裙座的強(qiáng)度及穩(wěn)定性較核

3、323.4.1裙座各危險(xiǎn)截面的校核323.4.2焊縫強(qiáng)度的校核333.5裙座基礎(chǔ)環(huán)333.5.1 基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外徑確定333.5.2基礎(chǔ)環(huán)的厚度設(shè)計(jì)343.6地腳螺栓計(jì)算353.7水壓試驗(yàn)時(shí)塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算35第四章 開(kāi)孔和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)364.1開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)說(shuō)明364.2 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算414.2.1 封頭開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算414.2.2人孔開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算43第五章 主要制造工藝455.1 橢圓封頭部件的制造455.2筒節(jié)的主要制造工藝455.3總裝465.4 主要件的熱處理475.5主要檢驗(yàn)要求47參考文獻(xiàn)：48附錄一 外文原稿：49附錄二 外文翻譯：56謝 辭622引言在化工、煉油和石油化

4、學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中,塔設(shè)備作為分離過(guò)程工藝設(shè)備,在蒸餾、精餾、萃取、吸收和解吸等傳質(zhì)單元操作中有著重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塔設(shè)備無(wú)論其投資費(fèi)用還是所消耗的鋼材重量，在整個(gè)過(guò)程設(shè)備中所占的比例都是相當(dāng)高，在化工與石油化工行業(yè)投資比例在20-25%，化纖行業(yè)約占45%。若就單元裝置而論,塔設(shè)備所占比重往往更大,例如在成套苯蒸餾裝置中,塔設(shè)備所占比重竟高達(dá)75.7%。此外,蒸餾用塔的能量耗費(fèi)巨大,也是眾所周知的。故塔設(shè)備對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、成本乃至能源消耗都有著至關(guān)重要的影響。因而強(qiáng)化塔設(shè)備來(lái)強(qiáng)化生產(chǎn)操作是生產(chǎn)、設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的課題。在70年代以前，板式塔占據(jù)據(jù)對(duì)對(duì)優(yōu)勢(shì)，隨著石油化工的發(fā)展，填料塔日益受到人們

5、的重視，填料塔具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降小，且可用各種材料制造等優(yōu)點(diǎn)。在處理容易產(chǎn)生泡沫的物料以及用于真空操作時(shí)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。過(guò)去由于填料本體及塔內(nèi)構(gòu)件的不完善，填料塔大多局限于處理腐蝕性介質(zhì)或不適宜安裝塔板的小直徑塔。近年來(lái)由于填料結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的高效、高負(fù)荷填料的開(kāi)發(fā)，既提高了塔的通過(guò)能力和分離效能，又保持了壓降小及性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。在某些場(chǎng)合，還替代了傳統(tǒng)的板式塔。隨著新型塔填料的相繼開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，填料塔的優(yōu)點(diǎn)更顯突出，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，性能優(yōu)良的填料塔以大量的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本設(shè)計(jì)在段小林老師的悉心指導(dǎo)下從2011年1月6日開(kāi)始，經(jīng)歷了資料收集、設(shè)計(jì)方案論證及確定、圖紙的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

6、的編寫等過(guò)程。通過(guò)這次設(shè)計(jì)讓我們了解了填料塔設(shè)備生產(chǎn)工藝的全過(guò)程，在過(guò)程設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造上得到了鍛煉，進(jìn)一步鞏固了專業(yè)知識(shí)，加強(qiáng)了和同學(xué)的知識(shí)交流，是大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一次檢驗(yàn)總結(jié)和鞏固。限于本人水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及其他因素，本設(shè)計(jì)必定存在很多不足，望各位老師、同學(xué)批評(píng)指正。第 49 頁(yè) 共 62 頁(yè) 第一章 工藝計(jì)算1.1吸收劑用量及吸收溶液深度1.1.1惰性氣體流量V(10.1)= (1-0.1) =350.4 1.1.2 最小氣液比按設(shè)計(jì)條件中的平衡數(shù)據(jù)：表1.1.1氨溶夜的溫度 /氨在溶液中的濃度/（kmol ）氨在氣相中的平衡濃度/（kmol/kmol 空氣）200023.50.005

7、0.056260.010.010290.0150.01831.50.020.027340.0250.0436.50.030.05439.50.0350.074420.040.09744.50.0450.125470.050.156在XY坐標(biāo)圖上繪平衡曲線，如圖1.1.1所示 圖 1.1.1Y10.11 Y2Y1（1）0.111（10.95）0.00556可從圖1.1.1中查得 Y10.111時(shí)的X值 X0.0425故得最小氣液比()=2.481.1.3最小吸收劑用量故最小吸收劑用量L=()V2.48350.4869 而吸收劑用量為其最小用量的1.1倍，可得吸收劑用量 L1.1 L=1.1869

8、=955.9 1.1.4吸收液濃度 從全塔范圍內(nèi)氨的衡算= 即：1.2泛液速度按塔頂情況計(jì)算。為了方便，操作溫度、壓強(qiáng)取平均會(huì)值。 氣體千摩爾流量Vv=352.4 1.2.1 塔頂混合氣體平均分子量M=MY+M式中 Ma空氣平均分子量， Ma=28.84 MNH3氨氣平均分子量， MNH3=17.03 Ya,2塔頂混合氣中空氣濃度，摩爾分率Ya,2=0.9943 YNH3,2塔頂混合空氣中氨氣的濃度，摩爾分率 YNH3,20.0057故得M28.840.9943+17.030.005728.77 氣體密度V= 液體密度l=992.2 液體粘度1.004 mPas1.2.2填料的選擇 經(jīng)比較，選

9、取選用50金屬鮑爾環(huán)表1.2.1 50金屬鮑爾環(huán)特性數(shù)據(jù)外徑高厚比表面積a空隙率個(gè)數(shù)堆積密度干填料因子a/3濕填料因子/m-1/mmmm/m2m-3/m3m-3/個(gè)m-/kgm-3/m-1/m-150501112.30.94965003951281301.2.3泛點(diǎn)氣速用貝恩霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算 式中 u泛點(diǎn)空塔氣速，m/s; G重力加速度，m/s2; a/干填料因子，m-1; ,氣相，液相密度，kg/m3; 液相黏度，cP; L,G液相，氣相流量 kg/h； A常數(shù)，見(jiàn)表1-2； 填料空隙率；表1.2.2由已知得，g=9.81 kg/s2, a/=294m-1, =1.12 kg/m3 , =99

10、2.2 kg/m3=100410-6Pas , L=17206.2 kg/h , G=10138.5 kg/h填頂氣體的質(zhì)量流量 WV=VvMm,2=352.428.77=10138.5 kg/h ;吸收劑是純水，其質(zhì)量流量為 WL=L=955.918=17206.2 kg/h 。 代入數(shù)據(jù)得：解得 u=3.6 m/s1.3塔徑的估算按經(jīng)驗(yàn)，適宜空塔氣速u為泛點(diǎn)氣速u的50%85%，取70%70% u=0.73.6=2.52m/s塔徑D=1.18m .圓整后塔徑取1200mm .核算空塔氣速 u=2.45m/s=68% u符合要求。1.4液體噴淋密度的驗(yàn)算U=式中U 液體噴淋密度，m3/(m2

11、h) ; LK 液體噴淋質(zhì)量， m3/h ; D 塔料塔直徑， m ; 為使填料能獲得良好的濕潤(rùn)，塔內(nèi)液體噴淋密度應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱為最小噴淋密度，以U表示。對(duì)于散裝填料，其最小噴淋密度通常采用下式計(jì)算，即U=(L)at式中U 最小噴淋密度，m3/(m2h) ; (L) 最小濕潤(rùn)速率，m3/(mh) ; At 塔料的總比表面積，m2/m3 ;對(duì)于直徑不超過(guò)75mm的散裝填料，最小濕注速率(L)為0.08m3/(mh)則U=0.08112.3=8.984 m3/(mh)而L=17.34 m3/h ; 實(shí)際液體噴淋密度U=15.4 m3/(mh) U故滿足最小噴淋密度的要求。1.5填料

12、層高度的計(jì)算1.5.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算ZHOGNOG ；傳質(zhì)單元高度的計(jì)算V350.4 kmol/h ;KY=200 kmol/(m3h) ;所以傳質(zhì)單元高度Hog=1.55 m ;1.5.2傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算根據(jù)（X1,Y1）和（X2，Y2）在圖中作操作線，從圖讀出若干塔截面上的推動(dòng)力（YY），并算出相應(yīng)的，其結(jié)果列于下表表1.5.1YYYY0.005600.00561800.010.00150.0085117.60.020.0040.001662.50.030.0080.021546.50.040.0130.02737.00.050.0210.02934.50.060.0270.03330.

13、30.070.0360.03429.40.080.0470.03330.30.090.0590.03132.20.100.0750.02540.00.1110.09150.091551.3標(biāo)繪Y與的關(guān)系曲線，如圖1.5.1所示。此關(guān)系曲線與YY1，YY2和0之間的面積為積分值。 圖1.5.1，圖解積分法求傳質(zhì)單元數(shù)由圖知該面積為4.8，即NOG4.8 。故得填料層高度為 ZHOGNOG1.554.87.44 m 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，填料層的設(shè)計(jì)高度一般為Z=(1.21.5)Z式中 Z 設(shè)計(jì)時(shí)的填料高度 ； Z 工藝計(jì)算得到的高度 ； 因此 Z1.2Z1.27.448.9 m所以取填料層高度為9 m

14、 。1.5.3填料層的分段液體沿填料層下流時(shí)，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢(shì)，形成壁流效應(yīng)。壁流效應(yīng)造成填料層氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。因此，設(shè)計(jì)中，每隔一定的填料層高度，需要設(shè)計(jì)液體收集分布器，即將填料層分段。對(duì)于散裝填料，一般推薦高度見(jiàn)表，表中的h/D為分段后高度與塔徑比，h為允許的最大填料層高度散裝填料分段高度推薦值表1.5.2填料類型h/DH/m拉西環(huán)254矩鞍環(huán)586鮑爾環(huán)5106階梯環(huán)8156環(huán)矩鞍5156取每段填料層高度為4.5m，分兩段。1.5.4填料層壓降的計(jì)算查表得填料因子130 m-1 ；液相密度校正系數(shù) 1 ；操作空塔速度 u=2.45 m/s ；橫坐標(biāo) 0.058

15、；縱坐標(biāo) 0.022（計(jì)算縱坐標(biāo)時(shí)用u代替u）由Eckert壓降通用關(guān)聯(lián)圖查知圖1.5.3單位壓降=119.8=107.8 Pa/m(填料)小于500Pa/m（填料）。因此滿足要求。所以全塔填料層壓降9107.8 Pa=970.2 Pa 。第二章 塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1塔內(nèi)件及附件的選擇2.1.1除沫器的選擇 出塔除霧沫器，選用絲網(wǎng)絲除沫器，固定在兩塊柵格板間構(gòu)成。絲網(wǎng)層厚度一般取100 150 。選用100 標(biāo)準(zhǔn)型（N型）其物性如下表2.1.1堆積密度/kgm-3空隙率/%比表面積 K使用條件144982792950.1070.116所有場(chǎng)合絲網(wǎng)除霧裝置直徑D1由允許氣速?zèng)Q定的。最大允許氣速可按

16、如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： U=K ；式中U 最大允許氣速 m/s ；、 滴和氣體密度 ；K 經(jīng)驗(yàn)系數(shù) ；U=0.11=3.27 m/s ；而空塔操作氣速u=2.45m/s=74.9% U滿足操作氣速在75% 85% U要求2.1.2填料支承裝置的選擇選用由扁鋼焊制的柵板作為填料的支承。由于塔徑較大，選用分塊式柵板。柵板由焊死在塔壁上的支承圈支持。且塔徑900mm,因此需在支承圈下設(shè)加強(qiáng)肋板。填料支承結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)下表表2.1.2塔徑Dg填料環(huán)直徑柵板尺寸支承裝置允許填料高度DHst支承圈寬厚肋板數(shù)1200508006010506010厚S1066Dg 圖2.1.12.1.3液體分布器當(dāng)塔徑范圍為DN12

17、00mm，最常用是盤式液體分布器圖2.1.22.1.4液體再分布器填料塔中，當(dāng)填料層比較高時(shí)，塔中心處的填料常不能被濕潤(rùn)，被稱為“干錐”現(xiàn)象。為消除此現(xiàn)象，常將填料層分段，層間設(shè)置液體再分布器。如下圖所示一種應(yīng)用最廣的截錐式再分布器。它的設(shè)計(jì)尺寸參考表。表2.1.3傾角7090高 h1020%Dg錐口徑D170%Dg錐壁厚s34圖2.1.32.1.5 裙座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.裙座的形式：考慮到加工，制造方便，采用圓筒型；2.材料：選用Q235-B；3.裙座與塔體的連接：焊接接頭采用對(duì)接式，如下圖 圖2.1.4 4裙座檢查孔：采用B型長(zhǎng)圓形孔；5地腳螺栓座：包括蓋板、墊板和筋板及基礎(chǔ)環(huán)。詳見(jiàn)裙座部件圖；

18、 6.裙座排氣孔、接管引出孔以及其他結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)總裝圖和裙座部件圖。2.1.6 人孔的設(shè)計(jì)與選擇根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼制手孔和人孔選用“回轉(zhuǎn)蓋板式平焊法蘭人孔” （HG/T 21516-2005）其形式如下圖2.1.52.1.7塔吊柱的選擇吊柱的方位和回轉(zhuǎn)半徑S應(yīng)能使吊柱經(jīng)人工推轉(zhuǎn)使經(jīng)過(guò)吊柱垂線可以轉(zhuǎn)到人孔附近，還可以使吊鉤垂線轉(zhuǎn)到平臺(tái)外，以便將塔內(nèi)件從塔平臺(tái)外的場(chǎng)地上吊到塔平臺(tái)上人孔處或從塔平臺(tái)上的人孔處吊到塔平臺(tái)外的場(chǎng)地上。因此吊柱的方位首先取決于人孔的方位。人孔方位是由管道專業(yè)根據(jù)設(shè)備布置和配管要求來(lái)確定的。根據(jù)壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊(cè)選用HG 5-1373-80-15吊柱其基本參數(shù)

19、如下：S=900，L=3400，H=1000，=15910，R=750，e=250,l=110,重量234圖2.1.6吊桿料為20號(hào)無(wú)縫鋼管，其他材料為A3F鋼。支座墊板材料與塔體材料相同。吊柱下端支承結(jié)構(gòu)采用橢圓形封頭。吊桿以整根管子作為計(jì)算依據(jù)的。若管子長(zhǎng)度不夠需要拼接時(shí)，應(yīng)符合以下要求：1.只許拼接一處。2拼接位置只能在下圖所示B至C，E至W之間。3. 焊接結(jié)構(gòu)按圖所示。焊縫系數(shù)取0.9. 圖2.1.7封板用管子制作的的吊柱都焊有端封板，以防止雨水灌入引起生銹。封板上方開(kāi)30的牽引孔。 吊鉤常用的吊鉤形式有三種，其中以圓鋼彎成U形焊在吊桿上的形式最多，因此采用這種形式，其結(jié)構(gòu)圖如下圖2.

20、1.82.1.8接管的選擇 排氣管內(nèi)氣體的流速u取20 m/s 。 QV=0.0048 m3/s (液) QG2.51m3/s ; D=式中 D 管子直徑；QV 流體的體積流量m3/s ;U 流體的流速 m/s ；氣體的進(jìn)出口管D=0.399 m選用DN350mm的接管工業(yè)供水速率 1.5 3 m/s,液體的進(jìn)口管u取2m/sD=0.055m 取DN50的接管液體出塔速度取 1 m/s；則d=0.078m取DN80的接管。2.1.9 接管法蘭的選擇根據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 9112.2-2000選用PN0.6Mpa平面板式平焊法蘭其結(jié)構(gòu)如下圖 圖2.1.9具體尺寸如下表 接管名稱公稱通徑DN

21、 管子外徑A 法蘭外徑D 螺栓孔中心直徑K 螺栓孔徑L 螺栓 法蘭厚度C 法蘭內(nèi)經(jīng)B 法蘭理論重量kg數(shù)量n螺紋Th液體進(jìn)口5060.31401101441661.51.51液體出口8088.91901501841890.52.95氣體進(jìn)出口350355.6490445221220359.514.32.1.10壓力容器法蘭的選擇根據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件即（JB/T 4700-2000）,根據(jù)設(shè)計(jì)工藝條件，可選用甲型平焊法蘭根據(jù)JB/T 4701-2000確定其結(jié)構(gòu)和尺寸 表2.1.9DND1D2D3D4HsAAtD螺栓柱規(guī)格螺栓柱數(shù)量120013151276125612

22、536626516211827M2436圖2.1.10第三章 塔的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核3.1塔體和封頭的厚度計(jì)算3.1.1材料的選擇最高工作壓力P=0.1Mpa設(shè)計(jì)壓力P=0.11Mpa,屬于低壓吸收設(shè)備，一類容器；介質(zhì)腐蝕性未提特殊要求，故選Q345R作為塔體材料。3.1.2筒體厚度的確定 先按內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)厚度，然后按自重、液重等引起的正應(yīng)力及風(fēng)載荷引起的彎曲應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和液柱靜壓力確定計(jì)算壓力塔內(nèi)液柱高度僅考慮塔1液面高度h=1m，則液柱靜壓力為：=9929.81=0.0090.05P 故可以忽略則計(jì)算壓力=+P=0.11MPa筒體厚度計(jì)算 （1） 按強(qiáng)度條件，筒體設(shè)計(jì)

23、厚度 +C2 +C2 =0.47+4 =4.47 式中 Q345R在40時(shí)的許用應(yīng)力，查標(biāo)準(zhǔn)為170MPa ; 塔體焊縫為雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損檢測(cè)，0.85 ； C2 腐蝕裕量，根據(jù)工藝條件，C24 ；（2）按剛度要求，筒體所需最小厚度 =2.4 ； 而按照規(guī)定，低合金鋼容器不包括腐蝕裕量的最小厚度不小于3 ，故按剛度條件，筒體厚度僅需3 ；綜合以上以及考慮到此塔較高，風(fēng)載荷較大，而塔的內(nèi)徑不太大，故應(yīng)適當(dāng)增加厚度，現(xiàn)假設(shè)塔體厚度10，剛假設(shè)的塔體有效厚度 C1C210-0-46 ； 式中 C1 鋼板厚度負(fù)偏差，由于GB713-2008壓力容器用鋼板和GB3531-2008低溫壓力容器用低合金

24、鋼板規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，因此使用該標(biāo)準(zhǔn)中鋼板厚度超過(guò)5時(shí)（如20R、Q345R、和16MnDR等），可取C1=0;3.1.3封頭壁厚計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，剛 +4 4.46 ； 為便于焊接，取封頭與筒體等厚，取=10 ；其尺寸及相關(guān)參數(shù)如表2.1.10表3.1.1公稱直徑DN1200總深度H325 內(nèi)表面積A/1.6652容積V/m30.2545名義厚度/mm10EHA橢圓封頭質(zhì)量66.5kg3.2塔體載荷分析3.2.1質(zhì)量載荷塔設(shè)備的操作質(zhì)量塔設(shè)備的最大質(zhì)量塔設(shè)備的最小質(zhì)量筒休質(zhì)量：查表得，1米高（10厚）筒節(jié)鋼板質(zhì)量為298； 1米高筒節(jié)的容積為1.131m

25、3 ； 筒體質(zhì)量 m1=14.425298=4298 ；封頭質(zhì)量：查表得EHA橢圓封頭容積為0.2545m3 ； 質(zhì)量（壁厚10）m2=128.3 ；裙座質(zhì)量單位裙座質(zhì)量為305kg ，裙座高度為3m。則為915kg；故塔體質(zhì)量m1+m2+m3=4298+128.32+915=5469.6 ；塔內(nèi)件質(zhì)量： 填料質(zhì)量體積堆積密度 （1.2）293954018 ； 其他內(nèi)件質(zhì)量約為50； 故4018+504068；保溫層質(zhì)量,0 質(zhì)量0 ；操作平臺(tái)（共五層，第層500）及斜梯（總高15m，每5m重125） 質(zhì)量4500+31252375 ；為操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量2%容積0.02（141.13+20.

26、2545）1000326 ；為人孔，接管法蘭等附件質(zhì)量按經(jīng)驗(yàn)公式取附件質(zhì)量為=0.255469.6=1367.4偏心質(zhì)量=0 綜上 操作質(zhì)量=5469.6+4018+0+2375+1367.4+0=13230；塔設(shè)備的最小質(zhì)量=5469+0.24018+0+2375+1367+0=10015最大質(zhì)量約等于操作質(zhì)量=5469+4018+0+2375+16956+1367+0=29385充水質(zhì)量1.2215103169563.2.2自振周期的計(jì)算分析塔設(shè)備的振動(dòng)時(shí)，一般情況下不考慮平臺(tái)及外部接管的限制作用以及地基變形的影響，而將塔設(shè)備看成是頂端自由，底部剛性固定，質(zhì)量沿高度連續(xù)分布的懸臂梁，其基本

27、震型的自振周期按過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)第二版 （7-5）式第一振型計(jì)算式：其中其中為塔單位高度上的質(zhì)量即，所以=允許振動(dòng)周期 式中 Q 總剪力 Q350181.27560 N；故實(shí)際振動(dòng)周期未超過(guò)最大允許振動(dòng)周期。3.2.3塔體的風(fēng)載荷及風(fēng)力矩風(fēng)載荷 ；式中Dei 塔設(shè)備中第i段的水平風(fēng)力，N； fi 風(fēng)壓高度變化系數(shù) ； q0 各地區(qū)的基本風(fēng)壓 ，N/ ； li 塔設(shè)備各計(jì)算段高度，m ； K1 體型系數(shù) ； K2i 塔設(shè)備中第i計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)。K10.7； 塔高18m ，Di為1.2m時(shí)酌取K21.75 , 查表得 q0=3510-5 Mpa, fi值如下 對(duì)于3m10m段 =10-3=7m, 查

28、表得 f1=1.0 ； 10m18m段 l2=18-10=8m, 查表得 f1=1.0 ； 塔體有效直徑=+2+ , 式中 塔體外徑， ； 塔體各段保溫層厚度， ； 籠式扶梯擋風(fēng)當(dāng)量寬度， ； L1 計(jì)算塔段（同一直徑）的高度； 對(duì)于斜梯取K3200；K42/li ，其最大值為一計(jì)算塔段8m中有兩層平臺(tái)，第層平臺(tái)迎風(fēng)面積為0.5，則 250 ； 為簡(jiǎn)化計(jì)算且偏安全計(jì)算，各段均取 Dei=1220+20+200+250=1670 ； 塔體各段風(fēng)力： 310m段 =106 =0.71.750.00351.070001670 =5011N 。 1018m段 106 0.71.750.000351.0

29、80001670 5728N 。 塔底部分（11）截面彎矩 +（+） 式中 塔體11截面到標(biāo)高10m處的距離， 10-37m 對(duì)應(yīng)于段的風(fēng)力。 5011+5728（7000+） 18.95106+66.19106 8.5107 Nm 。 裙座底部（00）截面彎矩 +（+） 式中 裙座底部到標(biāo)高10m處的距離 ； 10m ； 對(duì)應(yīng)于 段的風(fēng)力 0.71.750.000351.0100001670 3252N ；3252+5728（10000+）9.87107N ；偏心彎矩該塔塔體上并未懸掛附屬設(shè)備或其他附件，故偏心彎矩最大彎矩最大彎矩取和兩者中的較大值。計(jì)算數(shù)據(jù)如表最大彎矩選擇表3.2.1計(jì)算內(nèi)

30、容計(jì)算公式及數(shù)據(jù)00截面11截面22截面9.8107 8.4107 187148.7最大彎矩187108141082.13.2.4地震載荷與地震彎矩的計(jì)算當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，塔設(shè)備作為懸臂梁，在地震載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形。安裝在七度或七度以上地震烈度地區(qū)的塔設(shè)備必須考慮它的抗震能力，計(jì)算出它的地震載荷。首先，選取計(jì)算截面（包括危險(xiǎn)截面）。該課題中將全塔分為3段。其計(jì)算截面分別為0-0、1-1、2-2；塔體分段如圖3.2.2所示，將塔體分為三段分別為0-0，1-1和2-2，其基本參數(shù)為表3.2.2計(jì)算內(nèi)容01122塔頂各段操作質(zhì)量mi,246632503714各點(diǎn)距地面高度hi,20006500120

31、00圖3.2.2A=對(duì)于0-0段：=246620001.5=2.2108對(duì)于1-1段：=325065001.5=1.7109對(duì)于2-2段：=3714120001.5=4.9109A=+=6.8109B=對(duì)于0-0截面：=246620003=1.9103=21013對(duì)于1-1截面：=325065003=91014對(duì)于2-2截面：=3714120003=6.41015B=+=6.411016A/B=1.0610-7基本振型系數(shù)對(duì)于0-0截面：=1.0610720001.5=9.510-3對(duì)于1-1截面：對(duì)于2-2截面：取綜合影響系數(shù)地震影響系數(shù)最大值 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)附表5-5 得

32、（設(shè)計(jì)烈度8度時(shí)）各類場(chǎng)地土的特征周期 查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)附表5-6得（II類場(chǎng)地土，近震時(shí)） 取第二組類場(chǎng)地土的特性周期為=0.3地震影響系數(shù)=不得小于水平地震力=對(duì)于0-0截面：=對(duì)于1-1截面：=對(duì)于2-2截面：=垂直地震影響系數(shù)：；操作質(zhì)量；當(dāng)量質(zhì)量=；底截面處垂直地震力=24662000+32506500+371412000=7.0107=0.00036對(duì)于0-0截面：=0.0003624662000=1775N對(duì)于1-1截面：=0.0003632506500=7605N對(duì)于2-2截面：=0.00036371412000=16044N底截面處彎矩：底截面處地震彎矩截面1

33、-1處地震彎矩=1.2截面2-2處地震彎矩=3.3塔體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核3.3.1 塔體的軸向應(yīng)力0-0，1-1， 2-2段以上的操作質(zhì)量分別為13230，11025 ，5880kg 塔底危險(xiǎn)截面（1-1）的各項(xiàng)軸向應(yīng)力計(jì)算 5.5Mpa ； 4.7Mpa ； 20.6Mpa ；3.3.2 軸向應(yīng)力校核 塔底1-1截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算 + 式中 筒體軸向壓縮穩(wěn)定許用應(yīng)力 ； B0.06 Mpa ； K 載荷組合系數(shù)，K1.2 設(shè)計(jì)混充下材料的彈性模量 200Gpa=2.0105Mpa =0.06=0.062.01056/600=104Mpa ； 由于5.5+4.710.2Mpa因此塔底

34、1-1截面滿足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定條件。 塔底截面抗拉強(qiáng)度校核 +K 因?yàn)?K1.21700.85173.4Mpa ； =5.5-4.7+20.6=21.4M 即裙座出現(xiàn)失穩(wěn)之前，材料已達(dá)到彈性極限，因此強(qiáng)度是主要制約因素。由于+ 3.44+16.519.9 ；因此滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。3.4.2焊縫強(qiáng)度的校核此塔裙座與塔體采用對(duì)接焊，焊縫承受的組合拉應(yīng)力為 8.860 因此，塔設(shè)備必須設(shè)置地腳螺栓地腳螺栓個(gè)數(shù)n取16 地腳螺栓腐蝕裕量地腳螺栓螺紋小徑故取16-M24地腳螺栓滿足要求。 由于0為拉應(yīng)力，設(shè)備可能翻倒，必須安裝地腳螺栓。 查表選用M24的地腳螺栓 地腳螺栓公稱直徑3.7水壓試驗(yàn)時(shí)塔

35、的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算水壓試驗(yàn)時(shí)塔體11截面的強(qiáng)度條件 0.9 式中 P 液柱靜壓力，因塔體高約15m,故取P0.15 0.90.92350.85179.78由于35.110.9 因此滿足水壓試驗(yàn)要求。水壓試驗(yàn)時(shí)裙座底部00截面的強(qiáng)度與軸向穩(wěn)定校核 + 式中 0.9K0.91.2235253.8 K264 由于 7.6+4.9 12.5 因此滿足強(qiáng)度與軸向穩(wěn)定性要求。第四章 開(kāi)孔和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)4.1開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)說(shuō)明由于各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免地要在容器上開(kāi)孔并安裝接管。開(kāi)也以后，除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來(lái)隱患，因

36、此壓力容器設(shè)計(jì)必須充分考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 壓力容器接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)通常采用局部補(bǔ)強(qiáng)，主要有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整體煅件補(bǔ)強(qiáng)三種形式。 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是中低壓容器應(yīng)用最多的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)圈貼焊在殼體與接管連接處。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；另外，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞能力差。這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5、殼體名義厚度不大于38的場(chǎng)合。 厚壁接

37、管補(bǔ)強(qiáng) 即在開(kāi)也處焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)務(wù)區(qū)域內(nèi)，故比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)，因此補(bǔ)強(qiáng)效果較好。高強(qiáng)度低合金鋼壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng) 該補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接。其優(yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開(kāi)孔應(yīng)力最大部位，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對(duì)接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開(kāi)最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10%15%。缺點(diǎn)是鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高，所以只在重要壓力容器中應(yīng)用，如核容器，材料屈服點(diǎn)在

38、500以上的容器開(kāi)孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開(kāi)孔等。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。目前通用、也是最早的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積補(bǔ)強(qiáng)法。但隨著各國(guó)對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)研究的深入，出現(xiàn)了許多新的設(shè)計(jì)思想，形成了新的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如建立了以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的極限分析方法。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同的使用場(chǎng)合和載荷性質(zhì)可采用不同的設(shè)計(jì)方法。等面積補(bǔ)強(qiáng) 認(rèn)為殼體因開(kāi)也被削弱的承載面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)給予等面積補(bǔ)償。該方法是以雙向受拉伸的無(wú)限大平板上開(kāi)有小孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存

39、在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，故對(duì)小直徑的開(kāi)孔安全可靠。由于補(bǔ)強(qiáng)法未計(jì)及開(kāi)孔處的應(yīng)力集中的影響，也沒(méi)有計(jì)入容器直徑變化的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對(duì)不同接管會(huì)得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安全裕量不同，因此有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。等面等補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則是優(yōu)點(diǎn)是有長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單易行，當(dāng)開(kāi)孔較大時(shí)，只要對(duì)其開(kāi)孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國(guó)家的容器設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用該方法，如ASMEVII1和GB150等。極限分析補(bǔ)強(qiáng) 該法要求帶有某種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接管與殼體發(fā)生塑性失效時(shí)的極限壓力和無(wú)接管時(shí)的殼體極限壓力基本相同。允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開(kāi)孔直

40、徑壓力容器常常存在各種強(qiáng)度裕量，例如接管和殼體實(shí)際百度往往大于強(qiáng)度需要的厚度；接管根部有填角焊縫；焊接接頭系數(shù)小于1但開(kāi)孔位置不在焊縫。這些相當(dāng)于對(duì)殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開(kāi)孔處的最大應(yīng)力。因此，對(duì)于滿足一定條件了開(kāi)孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。GB150規(guī)定，當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5的殼體上開(kāi)孔，且相鄰開(kāi)孔中心的間距（對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89時(shí)，只要接管最小厚度滿足下表要求，就可不另行補(bǔ)強(qiáng)。不另行補(bǔ)強(qiáng)的接管最小厚度表4.1.1接管公稱外徑253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 等面

41、積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法主要用于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算?；驹瓌t如前所述，就是使有效強(qiáng)的金屬面積等于或大于開(kāi)孔所削弱的金屬面積。 允許開(kāi)孔的范圍 等面積補(bǔ)強(qiáng)法是以無(wú)限大平板上開(kāi)小圓孔的孔邊應(yīng)力分析作為其理論依據(jù)。但實(shí)際的開(kāi)孔接管是位于殼體而不是平板上，殼體總有一定的曲率，為減少實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)與理論分析結(jié)果之間的差異，必須對(duì)開(kāi)孔的尺寸和形狀給予一定的限制。GB150對(duì)開(kāi)孔最大直徑作了如下限制。 圓筒上開(kāi)孔的限制，當(dāng)其內(nèi)徑時(shí)，開(kāi)孔最大直徑，且；當(dāng)其內(nèi)徑時(shí)，開(kāi)孔最大直徑，且。 凸形封頭或球殼上開(kāi)孔最大直徑。 錐殼（或錐形封頭）上開(kāi)孔最大直徑，為開(kāi)孔中心處的錐殼內(nèi)徑。 在橢圓或碟形封頭過(guò)渡部分開(kāi)孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。 所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積A 對(duì)受內(nèi)壓的圓向或球殼，所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A為 Ad+ 式中 A 開(kāi)孔削弱所的補(bǔ)強(qiáng)面積， ； D 開(kāi)孔直徑，圓形孔等于接管內(nèi)直徑加2倍厚度附加量，橢圓形或長(zhǎng)圓形孔取所考慮平面上的尺寸（弦長(zhǎng)，包括厚度附加量），； 殼體開(kāi)孔處的計(jì)算百度，； 強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比，當(dāng)該值大于1.0時(shí)，取1.0 。 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 在殼體上開(kāi)孔處的最大應(yīng)力在孔邊，并隨離孔邊距離的增加而減少。如果在離孔邊一定距離的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，加上補(bǔ)強(qiáng)材料，可有效降低應(yīng)力水平。殼體進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，其補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的有效范圍