塔设备设计与强度校核
塔设备强度计算-裙座基础环和螺栓计算
㈡基础环板设计1. 基础环板内、外径的确定裙座通过基础环将塔体承受的外力传递到混凝土基础上，基础环的主要尺寸为内、外直径（见下图），其大小一般可参考下式选用（4-68）式中：D ob-基础环的外径，mm；D ib-基础环的内径，mm；D is-裙座底截面的外径，mm。
2. 基础环板厚度计算在操作或试压时，基础环板由于设备自重及各种弯矩的作用，在背风侧外缘的压应力最大，其组合轴向压应力为：（4-69）式中：A b-基础环面积，mm2；W b-基础环的截面系数，mm3；（1）基础环板上无筋板基础环板上无筋板时，可将基础环板简化为一悬臂梁，在均布载荷σbmax的作用下，基础环厚度：（4-70）式中：δb-基础环厚度，mm；[σ]b-基础环材料的许用应力，MPa。
对低碳钢取[σ]b=140MPa。
（2）基础环板上有筋板基础环板上有筋板时，筋板可增加裙座底部刚性，从而减薄基础环厚度。
此时，可将基础环板简化为一受均布载荷σbmax作用的矩形板（b×l）。
基础环厚度：（4-71）式中：δb-基础环厚度，mm；M s-计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩M x、M y中绝对值较大者，M x、M y按表4-35计算，N·mm/mm。
无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。
㈢地脚螺栓地脚螺栓的作用是使设备能够牢固地固定在基础底座上，以免其受外力作用时发生倾倒。
在风载荷、自重、地震载荷等作用下，塔设备的迎风侧可能出现零值甚至拉力作用，因而必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓。
塔设备在基础面上由螺栓承受的最大拉应力为：（4-72）式中：σB-地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa。
当σB≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定塔设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。
当σB>0时，塔设备必须设置地脚螺栓。
地脚螺栓的螺纹小径可按式（4-73）计算：（4-73）式中：d1-地脚螺栓螺纹小径，mm；C2-地脚螺栓腐蚀裕量，取3mm；n-地脚螺栓个数，一般取4的倍数；对小直径塔设备可取n=6；[σ]bt-地脚螺栓材料的许用应力，选取Q-235-A时，取[σ]bt=147MPa；选取16Mn时，取[σ]bt=170MPa。
QTZ400塔式起重机臂架设计
QTZ400塔式起重机臂架设计摘要：本次毕业设计题目是QTZ400塔式起重机臂架设计。
本次设计中主要进行了塔机总体选型，整体稳定性计算，其包括（平衡重计算、风载荷计算以及抗倾覆稳定性计算），臂架结构设计及强度校核，臂架焊接工艺及工装夹具设计。
其焊接工艺应尽可能的减小焊接变形和应力集中，胎具的设计应可靠地保证臂架上的各项技术要求。
最后，联系实际，设计出合理的胎具并确定其结构尺寸。
关键词：QTZ400塔式起重机；总体选型；稳定性计算；强度校核；焊接工艺；胎具序言塔式起重机简称塔机，也称塔吊，源于西欧。
具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点，因而在建筑安装工程中得到了广泛的使用，并成为一种重要的施工机械。
为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：（1）起升高度和工作幅度较大，起重力矩大；（2）工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；（3）要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地之需要。
塔式起重机可以将其分解为金属结构、工作机构和驱动控制系统三个部分。
金属结构是塔式起重机的骨架，它承受着起重机自重以及作业时的各种外载荷，是塔式起重机的主要组成部分，由塔身、塔头或塔帽、起重臂架、平衡臂架、回装支撑架、底架、台车架等主要部件组成。
QTZ400塔式起重机的工作机构有起升机构、变幅机构、回转机构和顶升机构等。
其各机构功能：起升机构主要实现物品的上升与下降；变幅机构改变吊钩的幅度位置；回转机构使起重臂架作3600的回转，改变吊钩在工作平面内的位置；顶升机构使塔机的回转部分升降，从而改变塔式起重机的工作高度。
驱动控制系统是塔式起重机又一个重要的组成部分。
驱动装置用来给各种机构提供动力，最常用的是YZR与YZ系列交流电动机。
控制系统对工作机构的驱动装置和制动装置实行控制完成机构的起动、制动、换向、调速以及对机构工作的安全性实行监控，并及时地将工作情况用各种参量：电流值、电压值、速度、幅度、起重量、起重力矩、工作位置与风速等数值显示出来以使司机在操作时心中有数。
填料塔的简单介绍及其相应计算教材
目录一、塔设备的概述 (2)1.1 填料塔 (3)1.2 板式塔 (4)1.3填料塔与板式塔的比较 (5)二、塔设备设计的基本步骤 (6)三、塔设备的强度和稳定性计算 (6)3.1塔设备的载荷分析和设计准则 (6)3.2 质量载荷 (8)3.3地震载荷 (8)3.4偏心弯矩 (8)3.5最大弯矩 (8)3.6 圆筒轴向应力核核 (9)3.6.1 圆筒轴向应力 (9)3.6.2 圆筒稳定校核 (9)3.6.3 圆筒拉应力校核 (10)3.7裙座轴向应力校核 (10)3.7.1 裙座底截面的组合应力 (10)4.7.2裙座检查孔和较大管线引出孔截面处组合应力 (11)4.8轴向应力校核条件 (12)五、心得体会 (13)一、塔设备的概述塔设备是石油化工、化学工业、石油工业等生产中最重要的设备之一。
它可使气（汽）液或液液相之间进行充分接触，达到相际传热及传质的目的。
在塔设备中能进行的单元操作有：精馏、吸收、解吸，气体的增湿及冷却等。
表1中所示为几个典型的实例。
表1 塔设备的投资及重量在过程设备中所占的比例实现气（汽）—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际传质和传热的目的。
塔设备广泛用于蒸馏、吸收、介吸、萃取、气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中，它的操作性能好坏，对整个装置性能好坏、对整个装置的生产，产品产量、质量、成本以及环境保护、“三废”处理等都有较大的影响。
因此对设备的研究一直是工程界所关注的热点。
随着石油、化工的发展，塔设备的合理造型及设计将越来越受到关注和重视。
为了使塔设备能更有效、更经济的运行，除了要求它满足特定的工艺条件，还应满足以下基本要求。
①满足特定的工艺条件；②气—液两相能充分接触，相际传热面积大；③生产能力大，即气、液处理量大；④操作稳定，操作弹性大，对工作负荷的波动不敏感；⑤结构简单、制造、安装、维修方便，设备投资及操作成本低；⑥耐腐蚀，不易堵塞。
为了便于研究和比较,人们从不同的角度对塔设备进行分类。
醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计毕业设计论文
毕业设计（论文）醇胺法吸收二氧化碳的吸收塔设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
塔 设 备 校 核R201
塔釜液面离焊接接头的高度
mm
1500
塔板分段数
1
2
3
4
5
塔板型式
塔板层数
每层塔板上积液厚度
mm
最高一层塔板高度
mm
最低一层塔板高度
mm
填料分段数
1
2
3
4
5
填料顶部高度
mm
4500
填料底部高度
mm
3300
填料密度
kg/m3
150
集中载荷数
1
2
3
4
5
集中载荷
kg
集中载荷高度
mm
集中载荷中心至容器中心线距离
[Pw]= =1.63822
MPa
结论
合格
下封头校核计算
计算单位
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
0.23
MPa
设计温度t
60.00
C
内径Di
3000.00
mm
曲面深度hi
1000.00
mm
材料
S30408 (板材)
设计温度许用应力t
137.00
MPa
试验温度许用应力
注2:
A1:轴向最大组合拉应力A2:轴向最大组合压应力
A3:液压试验时轴向最大组合拉应力A4:液压试验时轴向最大组合压应力
:试验压力引起的周向应力
注3:单位如下
质量: kg力:N弯矩: Nmm应力: MPa
计算结果
地脚螺栓及地脚螺栓座
基础环板抗弯断面模数
mm3
2.16079e+09
塔类课程设计参考题
塔类课程设计参考题1.开孔补强的原则是什么？等面积补强，极限分析补强2.塔盘受液盘上泪孔的作用是什么？泪孔的数目如何确定？用来排除集液3.常见的塔体裙座有那几种类型？采用锥形裙座的条件是什么？圆筒形和圆锥形。
对于受力情况比较差，塔径小且很高的塔采用圆锥形裙座。
4.容器划分类别的依据是什么？压力等级，生产中的作用，安装方式，安全技术管理5.在球形封头、碟形封头、椭圆形封头中，哪一种受力最好？为什么椭圆封头应用比较广泛？受力最好，球型封头。
由于椭圆形封头应力分布比较均匀，且易于冲压成型。
6.常压塔划分为一类容器的原因是什么？压力为常压，且介质毒性和危害性较小。
7.水压试验压力、设计压力各是如何确定的？PT=1.25P8.筒体与裙座的连接方式有那两种？两种连接方式裙座与筒体焊缝处所受的应力有何区别？搭接和对接。
搭接焊缝承受由设备重量及弯矩长生的切应力。
这种结构受力情况较差，但安装方便，可用于小型塔设备。
对接焊缝主要校核在弯矩及重力作用下迎风侧焊缝的拉应力。
9.塔器在进行液压试验时的试验压力是指哪个部位的压力？最底端的压力10.塔器在进行强度校核及直立设备验算时压应力、拉应力校核分别考虑哪种工况？停工检修，水压试验，正常操作。
11.塔器壁厚圆整的根据是什么？钢板的规格。
12.试从工艺的角度说明变径塔产生变径的原因？精馏段与提留段的负荷相差太大时，一般在要变径。
因为中间有抽出，越向上物料越少，自然就不需要太大的塔径了13.在选择法兰时应考虑哪些因素？螺栓预紧力、垫片性能、压紧面质量、法兰刚度、操作条件。
14.低碳结构钢、不锈钢制成的压力容器标准规定都有一个最小壁厚，规定此最小厚度的原因是什么？15.确定地脚螺栓的直径时根据什么应力来计算？剪切应力16.塔盘有两种溢流方式，各适用于什么场合？液体在塔盘上的分布是否越均匀越好？单溢流型和双溢流型。
单溢流型结构简单，有利于提高塔板效率，双溢流型宜于塔径及液量较大时。
塔设备计算机辅助强度计算及校核
图 ２ 材 料 许 用 应 力 的 选 取
图 １ 简体、 封头壁厚计 算
需要指 出的是 ， 进行壁 厚计算时需要 用到设计压力 ， 而界 面 中用 户输入 的是工作压力 ， 设计 压力 的确定是根据工作压力
收 稿 日期 ：０ ７ ０ — ３ ２ ０ — ８ ２
图 ３焊 缝系数 的选取
起的圆筒轴 向应力校核 ， 裙座壳轴 向应力校核及塔器压力试验 时的应力校核 。为了便于操作 ， 本软件将 塔体各危险截面的校
测比例后单击“ 确定 ” 后显示结果 ， 并在图 １ 所示界 面 自动显示 查 询结果 。采用这种查询方式 ， 避免 了用户另外查 阅资料 的麻 烦， 给用户 的操作带来了极大 的方便。 封头包括标准椭 圆封头 、 锥形封头 、 碟形封头等型式 。 封头 参数的确定由两种方式 ， 一种方式是根据用户输入 的参数直接 由公式计算 ， 并将结果显示在相应的文本框 中。另一种是采用 与确定材料许用应力相 同的方 式将 国家标准规定 的封 头的相
１ 塔设 备计 算机 辅助 强度 计算
１１ 简体 、 ． 封头的壁厚计算 进行简 体厚度计算需要先 在如图 １ 所示对 话框 中输 入相 关参数 ， 如工作压力 、 简体直径等 ， 然后单 击“ 确定” 钮 ， 按 程序 开始简体壁厚计算 ， 并将计算结果显示 出来 。同样 ， 单击“ 上封 头 ” 下封头 ” 或“ 也可 以在此界 面中很方便 的得 到上 、 下封 头的
作者简介 ： 吴俊飞（ ９ ８ ） ， １６ 一 男 青岛科 技大学研 究生处副处 长 ， 学博 士， 工 副教授 ， 硕士生导师， 主要研究方向 ： 化工设备安全技术 ， 高压技术 ； 超
付 平（ ９ １ ）女 ， １７ 一 ， 青岛科 技大学 机电学院 ， 硕士 ， 授， 副教 主要研究方 向： 计算机辅助参数化设计 。
化工设备塔器设计的注意事项
-6-
论文广场
体上部1/3重心处设置吊耳，一般是轴式吊耳，按 照HG/T 21574-2008《化工设备吊耳及工程技术要 求》中的规定，轴式吊耳的选用对壳体最小壁厚是 有要求的，不仅要求吊耳结构本身要满足载荷的强 度要求，而且吊耳与壳体之间的局部应力更应满足 要求，除了吊装公司的以往操作经验，应采用详细 的应力分析计算，保证吊装过程的安全。
对于用复合钢板制造的塔器，其重型支撑 梁的支撑件不宜直接与复层相焊，而应与基层相 焊，支持件与基层焊接前，沿焊缝方向距离焊脚 边缘至少10mm宽的复层应彻底清除，支持件与基 层焊接并按图样规定进行检测合格后，再进行局 部复层的焊接。
3 地脚螺栓的注意事项
根据NB/T 47041-2014《塔式容器》标准， 裙座和地脚螺栓的设计温度，应考虑建塔地区环 境温度的影响，取月平均最低气温的最低值加 20℃。设计温度低于20℃时，取20℃的许用应 力。标准推荐地脚螺栓设计温度大于-20℃时，可 选用Q235B或Q235C材料，当地脚螺栓设计温度 小于等于-20℃时，可选用Q345D或Q345E材料， 其中Q345D材料可以用到-20℃，Q345E材料可以 用到-40℃。某项目建设在黑龙江省肇东市，月平 均最低气温可达到-38℃，地脚螺栓设计温度应 为-18℃，可选用Q345D材料，但为避免极端低温 的出现，避免脆断的发生，考虑到地脚螺栓的重 要性，地脚螺栓的选用最终选用Q345E材料。地脚 螺栓数量一般是4的倍数，且不少于8个，图纸上 裙座基础环板地脚螺栓孔的布置一般都是跨中均 布，而且用标记指向南北方位，从而要求基础构 件中地脚螺栓的预埋要和裙座基础环板对应，否 则容易出现塔器安装后，管口方位出现不对应的 现象发生。某项目设备裙座图纸中的地脚螺栓孔 布置与土建专业预埋螺栓的方位不一致，导致在 塔吊装过程中，无法准确就位，最终只能采取切 割裙座后再调整角度进行吊装。
塔设备04
系数α值，按图2查取；
αmax——地震影响系数α的最大值，按表4选取；
图2
1.0α
α
max
Ⅰ类场地土 Ⅱ类场地土
0.2 max
0.3 max T
T
Ⅲ类场地土
0.2α
max
0.7 max T
0
0.2 0.3 0.7 1.0
1.5
2.0
3.0
3.5T1s
Ⅰ类 微风化和中等风化的基石； Ⅱ类 除Ⅰ、Ⅲ类之外的一级稳定土； Ⅲ类 饱和松沙、淤泥和淤泥质土、冲填土、杂填土等；
i
——系数，按表3选取；
T1——塔设备的基本自振周期，s；由式（A）或（B） 计算； li——计算段的长度，mm；
Dei——塔设备各段的有效直径，mm；当笼式扶梯与进出 口管布置成180°时， ei Doi 2 si K 3 K 4 d 0 2 ps D
当笼式扶梯与进出口管布置成90°时，取下列二式中的
6
N
式中
q0 ——10 m高度处的基本风压值，按有关资料选取； fi ——风压高度变化系数，在100m以下时，按下式
计算或按表1选取： hit——塔设备第i段顶截面距地面的高度，m； K1——空气动力系数，取K1=0.7； K2i——风振系数， K 2i 1 i i
λi——系数，按表2求取；
塔设备任意危险截面I-I的最大弯矩按下面两式计 算取大值：
M max M W M e
I I I I
N mm
M max M E
I I I I
0.25M W M e
I I
首先按内压或外压圆筒及封头的设计方法，确定圆筒及 封头的有效厚度δe和δeh。再考虑制造、运输、安装的刚度要
过程设备设计复习题
一、判断题（×）1、压力容器分为三类：第一类压力容器，第二类压力容器，第三类压力容器，其中低压的具有极度毒性的压力容器属于第一类压力容器。
（×）2、弹性模数E 和泊桑比µ是金属材料的重要力学性能，一般钢材的E 和µ都不随温度的变化而变化，所以都可以取为定值。
（√）3、凹凸压紧面安装时易于对中，还能有效防止垫片被挤压出压紧面，适用与管法兰和容器法兰。
（√）4、在焊接中要注意，焊缝不要布置在高应力区，焊缝要尽可能避免交叉。
（√）5、在分馏塔机械设计中，水压试验时仅考虑风弯矩，最大弯矩为 e W M M M +=3.0max（ √ ）6、应变硬化将使材料的比例极限提高而塑性降低。
（ √ ）7、依据弹性失效理论，容器上一处的最大应力达到材料设计温度下的屈服点t s σ时，即宣告该容器已经“失效”。
（ √ ）8、影响焊接接头系数的因素较多，主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求和长度比例有关。
（ ×）9、平焊法兰的刚度高于对焊法兰的刚度，可以承受更高的压力。
（ ×）10、壳体失稳时的临界压力随壳体材料的弹性模量E 、泊松比的增大而增大，而与其他因素无关。
（√ ）11、毒性程度为极度和高度危害介质，且PV 乘积大于等于0.2MPa•m 3 的低压容器属于第三类压力容器。
（√）12、开孔补强等面积补强法的的设计原则是：承受压力的壳体被削去的面积，必须在开孔周围补强范围之内补回同样的金属面积。
（×）13、对于受内压壳体，其上面各点一定是受到拉应力的作用，而不会受到压应力的作用。
（×）14、有效厚度为名义厚度减去钢材负偏差。
（√）15、对管壳式换热器，采用管内翅片虽然增加了传热面积，但是也改变了流体在管内的流动形势和阻力分布，泵功率的损失也会相应增加。
二、简答题1、压力容器设计有哪些设计准则？它们和压力容器失效形式有什么关系？答：压力容器的设计准则大致可分为强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则四大类。
塔设备设计说明书
塔设备设计说明书概述塔设备的设计和选型是建立在对循环吸收工段、精制工段流程的模拟、优化的基础上。
在满足工艺要求的条件下，考虑设备的固定投资费用和操作费用，进行进一步模拟计算、设计和选型。
设计主要包括工艺参数设计、基本参数设计和机械设计。
工艺参数设计对该塔的生产能力、分离效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、填料的选型和参数设计塔板负荷性能校核等内容的设计；机械工程设计部分设计内容为塔设备的材质壁厚、封头、开口和支座地基等，同时对塔的机械性能做了校核。
我们完成了对全厂2 座塔设备的工艺参数设计、基本参数设计和机械设计，并选取其中最有代表性的二氧化碳吸收塔给出了详细的计算和选型说明。
详细的设备装配图见工艺设计施工图。
烟道气吸收塔设计说明书第1 部分概要烟道气吸收塔是吸收的关键设备之一，其作用是贫液吸收烟道气中的二氧化碳，从而达到使二氧化碳从烟道气中分离的目的。
塔的吸收能力直接影响到二氧化碳的回收率。
吸收塔的设计应符合一下塔设备的基本要求：1生产能力大，即气液处理量大；2分离效率高，即气液相能充分接触；3 适应能力及操作弹性大，即对各种物料性质的适应性强并且在负荷波动时能维持操作稳定，保持较高的分离效率；4流体流动阻力小，即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降小；5 结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资；设计说明书包括工艺参数设计、基本结构设计和机械工程设计三部分。
工艺参数设计对该塔的生产能力、吸收效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、填料的选型和参数设计、塔板负荷性能校核等内容的设计；机械工程设计部分设计内容为塔设备的材质壁厚、封头、开口和支座地基等，同时对塔的机械性能做了校核。
第2 部分工艺参数设计2.1 生产能力项目年产十万吨二氧化碳，根据物料横算，气体进料量为7119.88kg/h ，液体进料量为294619kg/h ，塔顶物流量为54990.8kg/h ，塔底物流量为309748Kg/h 。
化工设备设计基础塔设备强度设计计算
M M
ii W
ii E
Me
0.25M
ii W
Me
(取大值)
水压试验时间人为选定且时间较 短，在试验情况下最大弯矩取值
M ii max
0.3M
ii W
Me
最大弯矩在筒体中引起轴向应力
3
4M
ii max
Di2 ei
㈣ 筒体壁厚效核
１．最大轴向组合应力旳计算
内压塔设备
外压塔设备
正常操作 停修
正常操作
（1）水平风力旳计算
迎风面产生风压。与风速、
空气密度、地域和季节有关。
各地离地面10m处30年一遇
10分钟内平均风速最大值作为计算风压，
得到该地域旳基本风压q0，见表4-26。
风速随处面高度而变化。塔高于10m，应 分段计算风载荷，视离地面高度旳不同乘
以高度变化系数fi，见表4-27。
风压还与塔高度、直径、形状以及自振周 期有关。两相邻计算截面间旳水平风力为：
有多种振型，任意高度hK处集 中质量mK引起基本振型旳水平 地震力 FK1 Cza1hK1mK g
FK1-mK引起旳基本振型水平地震力 Cz-综合影响系数，直立圆筒Cz=0.5；
mK-距离地面hK处旳集中质量；
n
h1.5 K
mi
h1.5 i
hK1-基本振型参加系数， hK1
i 1
n
mi hi3
1、群座体与塔体对接焊缝
J-J截面旳拉应力校核
2、群座体与塔体搭接焊缝
J-J截面旳剪应力校核
思索题：
1.自支撑式塔设备设计时需要 考虑哪些载荷？
2.简述内压塔操作时旳危险工 况及强度校合条件。
一种是圆筒形， 一种是圆锥形。
塔体厚度确定方法
塔体厚度确定方法
确定塔体厚度的方法主要依据其设计压力和承受的载荷情况。
设计压力主要影响环向应力的设计，通常以轴向应力的2倍作为环向应力。
但塔设备受到的载荷除了内、外压力外，还有重量载荷、风载荷、地震载荷、偏心载荷等，这些载荷在轴向可能产生较大的应力，因此需要进行轴向应力校核，包括稳定性（压应力）校核和抗拉强度校核。
最终，塔体的有效厚度取上述三者中的最大值。
具体计算塔体名义壁厚时，名义壁厚可以通过实际壁厚加上壁厚附加量来计算。
根据题目条件，壁厚附加量C为3mm，因此名义壁厚可以直接计算为10mm（假设为实际壁厚）加上3mm的壁厚附加量，即13mm。
请注意，以上方法仅供参考，实际操作中请根据具体情况和相关标准进行塔体厚度的确定。
塔设备机械强度校核
（一） 已知条件：（1） 塔体直径i D =800mm ，塔高H=29.475m 。
（2） 设计压力p=2.3Mpa 。
（3） 设计温度t=19.25O C ,（4） 介质为有机烃类。
（5） 腐蚀裕量2C =4mm 。
（6） 安装在济南地区（为简化计算，不考虑地震影响）。
（二） 设计要求（1） 确定塔体和封头的厚度。
（2） 确定裙座以及地脚螺栓尺寸。
（三） 设计方法步骤A 材料选择设计压力p=2.3Mpa,属于中压分离设备，三类容器，介质腐蚀性不提特殊要求，设计温度19.25O C ，考虑选取Q235-C 作为塔体材料。
B 筒体、封头壁厚确定先按内压容器设计厚度，然后按自重、液重等引起的正应力及风载荷引起的弯曲应力进行强度和稳定性验算。
a 筒体厚度计算按强度条件，筒体所需厚度d δ=[]22it pD C pσ+Φ-= 2.3800420.85125 2.3⨯+⨯⨯-=12.75 mm 式中[]t t σ——Q235-C 在19.25O C 时的许用应力。
查《化工设备机械基础》为125MpaΦ——塔体焊缝为双面对接焊，局部无损检测，Φ=0.85。
2C ——腐蚀裕量，取值4mm 。
按刚度要求，筒体所需最小厚度min δ=22800 1.610001000i D mm ⨯==。
且min δ不小于3mm 。
故按刚度条件，筒体厚度仅需3mm 。
考虑到此塔较高，风载荷较大，而塔的内径不太大，故应适当增加厚度，现假设塔体厚度 n δ=20mm ，则假设的塔体有效厚度e δ=12n C C δ--=20-4.8=15.2mm式中1C ——钢板厚度负偏差，估计筒体厚度在8～25mm 范围内，查《化工设备机械基础》的1C =0.8mm 。
b 封头壁厚计算采用标准椭圆形封头，则[]2 2.3800421250.850.5 2.320.5id t pD C p δσ⨯=+=+⨯⨯-⨯Φ- =12.71mm 。
为便于焊接，取封头与筒体等厚，即n δ=20mm 。
塔设备机械设计
塔设备机械设计成绩华北科技学院环境工程学院《化工设备机械基础》课程设计报告设计题目塔设备机械设计学生姓名张森学号201101034210指导老师任学军专业班级化工B112班教师评语设计起止日期： 2014年6月16日至2014年6月29日化工设备机械基础课程设计塔设备设计任务书一、设计内容1、根据操作条件选择塔体、裙座材料；2、法兰选型；3、塔设备机械设计；4、塔设备结构设计；5、编写设计计算说明书，主要内容：①目录；②设计任务书（题目）；③设计方案的确定，包括材料选择、塔设备结构设计等；④塔设备机械设计过程；⑤标准零部件的选择，如法兰等；⑥设计小结；⑦参考资料；⑧附图：总装图法兰结构图塔盘板结构示意图；塔板连结结构示意图；塔盘支撑结构示意图；裙座与塔体焊缝结构图；116MnR s []183a, []189MPa, 345t MP MPa σσσ===51.9110E MPa =⨯Q235-B MPa MPa MPa s t 235,113][,113][===σσσ9、 塔体与裙座对接焊接，焊接接头系数0.85ϕ=；10、塔体与封头厚度附加量C=2mm ，裙座厚度附加量C=2mm 。
二、按计算压力计算塔体和封头厚度1、塔体厚度计算[]mm 74.72.1-85.0183220002.1p -2p c t i c =⨯⨯⨯==ϕσδD 考虑厚度附加量C=2mm ，经圆整后取12n mm δ=。
2、封头厚度计算mm P D P c t i c 73.72.15.085.0183220002.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-=ϕσδ 考虑厚度附加量C=2mm ，经圆整后取12n mm δ=。
三、塔设备质量载荷计算1、筒体圆筒、封头、裙座质量01m圆筒质量： kg 1442921.24596m 1=⨯=封头质量： 24382876m kg =⨯=裙座质量： kg 182406.3596m 3=⨯=kg 17129182487614429m m m m 32101=++=++=说明：（1）塔体总高度1m 21.2404.0206.365.00=⨯---=H H ；（2）查的DN2000mm ，厚度12mm 的圆筒质量为596kg/m ；（3） 查的DN2000mm ，厚度12mm 的椭圆形封头质量为438kg/个（封头曲面深度500mm ，直边高度40mm ）；（4）裙座高度3060mm ，厚度按12mm 计。
塔器设备设计
根据塔器设备的材料和结构特 点，选择合适的焊接方法，如 手工电弧焊、气体保护焊等。
焊接工艺评定
对焊接工艺进行评定和验证， 确保焊接质量符合要求。
焊接操作要点
制定焊接操作规程，规范焊接 工艺参数和操作要求，确保焊 接质量稳定可靠。
焊接质量检测
对焊接质量进行检测和检验， 包括外观检查、无损检测等， 确保焊接质量符合标准要求。
故障诊断与预测
利用智能化技术对塔器设备进行故障诊断和预测，通过分析设备运行数据和历史数据，预 测设备可能出现的故障和问题，提前采取措施进行维护和修复，降低设备故障率。
优化操作
通过智能化技术对塔器设备进行优化操作，提高设备的运行效率和生产效益。例如，利用 人工智能算法对塔器设备的操作参数进行优化调整，实现节能减排、降低能耗和提高产品 质量的目标。
检测与试验操作要点
制定检测与试验操作规程，规范检测 与试验工艺参数和操作要求，确保检 测与试验结果准确可靠。
检测与试验结果评价
对检测与试验结果进行评价和分析， 确定塔器设备的性能和质量是否符合 设计要求和使用安全。
04
塔器设备的设计优化
塔器设备的节能设计
01
节能设计
塔器设备的节能设计旨在降低能耗，提高能源利用效率。例如，采用高
器重量、提高传热效率、降低能耗。
塔器设备的可靠性设计
可靠性评估
在塔器设备设计阶段进行可靠性评估，预测设备在各种工 况下的性能表现和故障模式，以便及时采取措施提高设备 的可靠性和稳定性。
冗余设计
通过增加备份系统、采用并联结构等方式，提高塔器设备 的可靠性。在设备发生故障时，冗余系统可以迅速投入运 行，确保生产过程的连续性和稳定性。
塔器设备的强度计算
塔设备设计说明书资料
目录目录 (1)塔设备选型说明书 (1)1.1 塔型的选择原则 (1)1.2 填料塔和板式塔的比较 (1)1.2.1 板式塔塔型选择的一般原则 (2)1.2.2 板式塔的塔盘类型与选择 (3)1.2.3 填料塔填料选择 (4)1.3 塔型的结构与选择 (4)1.3.1 与物性有关的因素 (5)1.3.2 与操作条件有关的因素 (5)1.3.3 其他因素 (5)1.3.4 本厂实际情况的选择 (6)1.4 塔的设计 (6)1.4.1 塔的主要工艺尺寸计算 (7)1.5 CupTower校核 (18)1.6 塔负荷性能优化数据 (23)1.7 塔机械工程设计 (24)1.7.1 塔高的计算 (24)1.7.2 塔相关设计与校核参数 (25)1.7.3 SW6塔强度校核 (26)附塔设备一览表 (40)塔设备选型说明书1.1 塔型的选择原则精馏塔主要有板式塔、填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。
塔选型参考标准《固定式压力容器》GB 150-2011《压力容器封头》GB/T 25198-2010《石油化工塔器设计规范》SHT 3098-2011《钢制化工容器结构设计规定》HG/T 20583-2011《工艺系统工程设计技术规范》HG/T 20570-1995《塔顶吊柱》HG/T 21639-2005《不锈钢人、手孔》HG 21594-21604《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T 21514-2005《钢制塔式容器》JB/T 4710-2005《钢制管法兰、垫片、紧固件》HG/T 20592~20635-20091.2 填料塔和板式塔的比较表1-1 精馏塔的主要类型及特点类型板式塔填料塔结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板等规整填料操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作类型板式塔填料塔设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大制造与维修直径在600mm以下的塔安装困难，金属材料耗量大新型填料制备复杂，造价高，检修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料1.2.1 板式塔塔型选择的一般原则选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。
化工设备习题课
≤中的较小值。
15、裙式支座人孔或较大管线引出孔处，水压试验时，最大组合轴向压应力应满足的强度与稳定条件是：
≤中的较小值。
16、裙座与塔体的连接焊缝，如采用对接焊缝，则（ 只需 ）验算焊缝强度；如采用搭接焊缝，则焊缝同时承受（ 载荷 ）和（ 剪力 ）作用
27有减少壳体与管束间的温度差、
装设挠性构件、使壳体和管束自由膨胀、双套管温度补偿。
28、换热器的管子与管板若采用胀接的方法连接，则要求管板材料的硬度比管子材料的要
高，目的是避免在胀接时管板产生塑性变形影响胀接的紧密性。而在管子与管板连接接头处产生的拉脱力是由介质压力和温差应力联合作用的结果。
22、当塔设备作用在基础面上的最小应力 时（即压应力），设备稳定，地脚螺栓只起（ 固定设备位置 ）的作用；当 时（即拉应力），设备可能翻倒，此时地脚螺栓必须有（ 足够数量 ）和一定的（ 直径 ）。地脚螺栓的数目必须是（ 4 ）的倍数。
23、最理想的搅拌器功率是(C)
A.小于搅拌作业功率；B.大于搅拌作业功率；C.等于搅拌作业功率；D.由搅拌介质性能和搅拌结果定
一、判断题：
1、换热器选型时首先要考虑的因素是安全性。（√）
2、管程数是指换热管的根数，一般为奇数。（╳）
3、列管换热器管子与管板连接无论采用焊接或是胀接方法，都要验算拉脱力。（×）
4、任何形式换热器的换热管与壳体间都有温度差但不一定会产生温差应力。（√）
5、尽管塔设备的裙座上并不存在由操作压力产生的应力，但也必须对裙座进行强度和稳定性校核。（√）
17、塔体设计时的轴向应力包括：计算压力引起的轴向应力1；操作或非操作时重量载荷及垂直地震力引起的轴向应力2和最大弯矩引起的轴向应力3；其中最大弯矩包括：风弯矩、地震弯矩和偏心弯矩之和。
塔设备设计
24
3.7 最大弯矩
塔设备任意计算截面 I-I 处的最大弯矩按下式计算：
I− M maxI I ⎧ MW− I + M e ⎪ = ⎨ I−I I M E + 0.25 MW− I + M e ⎪ ⎩
取其中较大值
塔设备底部截面 0-0 处的最大弯矩按下式计算：
0− 0 M max 0 ⎧ MW− 0 + M e ⎪ = ⎨ 0− 0 0− 0 ⎪ M E + 0.25 MW + M e ⎩
取其中较小值
FVh−h —— 仅在最大弯矩为地震弯矩参与组合时计入。
h− h h 0.3 MW− h + M e m max g ⎧ KB + ≤⎨ Z sm Asm ⎩ 0.9σ s
取其中较小值
Asb ——h-h截面处裙座的截面积，mm2 Z sb ——h-h截面处裙座壳截面系数，mm3
33
3.11 地脚螺栓座（基础环设计）
35
3.11 地脚螺栓座（地脚螺栓）
δ b ,max ——混凝土基础上的最大压力， MPa
0− 0 ⎧ M max m0 ⋅ g ⎪ Z + A ⎪ b b =⎨ 0 0.3 MW− 0 + M e mmax ⋅ g ⎪ + ⎪ Zb Ab ⎩
δ b ,max
取其中较大值
36
3.12 裙座与塔壳焊缝（搭接焊缝）
M
0− 0 W
l3 ⎞ l1 l2 ⎞ ⎛ ⎛ = P1 + P2 ⎜ l1 + ⎟ + P3 ⎜ l1 + l2 + ⎟ + LL 2 2⎠ 2⎠ ⎝ ⎝
23
3.6 偏心弯矩
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在Design页面可以进一步对流体的性质设置，如物系的发泡因子，系统 的过载量（其中发泡因子经验来自孙兰义的化工流程模拟实训P110 表7）
数据输入完毕后，点击run就可以得到结果，结果如下
结果可以看出我们的流量比较均匀，实际设计的时候我们将我们 的塔径设为1.8米，应该能够符合要求（注意设计定型设备的时候 塔径和塔板间距是有标准的，具体标准请参见化工工艺设计手册，
非定型设备价格较高需要订做，慎重考虑，实在设计不能完成时 可以计数据输
入到校核中，并对初步设计过程中没有的数据进行进一步设计！其中塔径按照上 一步圆整到1.8米，板间距按照上步0.6米，溢流数为1，堰高0.05米（堰高的经验 也在化工原理下册第三章）输入完毕后，若design有调整过则调整，没有则采用 默认设置（主要就是发泡因子有无调整），layout这一项选择塔板具体类型（我
最后形成计算说明书，并转化为pdf格式，基本上一个塔的工艺设计和强 度校核就算完毕了！
谢谢
于0.2-0.5 3.停留时间应该大于4秒）
可以看出浙江大学对板间距和塔径经过调整后是能够满足上 面提出的三点的！
• 至此，塔的工艺设计部分就算完成了！我 们可以得到的数据输入到sw6中进行强度校 核！
• 下面以我们自己的数据，模仿浙江大学的 设计过程，完成我们自己的塔设备设计与 校核！并对之前的设计过程进行详细的讲 解！
塔设备设计与强度校核
（此次说明以水洗塔为例）
2016年5月13日
王程
浙江大学的设计结果如下！
得到的塔的具体工艺结果如下，其中比较重要和余下部分部分相 关的就是直径，需要注意的是若直径相差太大就需要进行分段设
计！
塔的工艺设计结果校核如下（注意一下，可能大部分的设计都是 能够满足aspen的校验，但是我们这次设计需要三点才不会被扣分！ 1.最大液泛率应该处于0.6-0.85 2.降液管液位高度/板间距应该处
以按照需求选取（总之具体的设计细则可以参照化工工艺设计手册，化
工设备机械基础，以及重庆大学的初步设计说明书的塔这一章节，都有 很详细的说明）
塔的高度计算过程（具体可以参见重庆大学相关设计，非常详细！重庆 大学初步设计说明书P89）
塔板上物料的高度就是aspen里面的堰高！
上下封头都与塔径有关哦，封头的直边与曲边高度请参见化工机械基础 的封头标准（在P196）
打开sw6强度校核软件（我们使用的是2011版本），开始输入相对应的参数，需 要注意的是塔的设计说明书里面必须要有塔的长度与直径，设计压力与温度，裙 座，筒体，封头的厚度，以及地脚螺纹的大小以及个数，同时必须校核风载荷和
地震载荷，否则将会扣除相应的分数！
设计温度和设计压力都应该取工作温度与压力的1.15-1.5倍，而筒体的内 径则是来自aspen，筒体长度来自于自己的计算（具体看下一页），腐蚀 余量一般取1-2 mm，焊缝系数按照双面焊或单面焊分别取1,0.85，材料可
在塔板设计页面，新建一个并进行相关数据输入，其中塔板开始层数为1（有冷 凝器则为2），结束塔板数为10（有再沸器则为9），塔板类型根据经验（见下页）
选取，我们此次设计选择浮阀型，溢流数也是根据经验选择（见下页），板间距 同理！其他的数据采用aspen默认。（注意塔板数的具体数据来源于block）
• 塔板类型经验见浙江大学初步设计说明书P244 表9-20以及化工原理下册
们这次为F-1型重阀）
运行，并查看结果(查看PROFILES)，看是否满足前面提及的三个标 准（可以看出我们的塔径和板间距以及堰高的设置能够满足）
当结果满足后我们就可以将塔的工艺数据记录，并输入到sw6进行强度校核（注 意强度校核的一部分仍然来自aspen的其他部位，例如工作温度和工作压力，还
有液体的流量等）（在stream result里面可以看到相应的参数！）
由于是等直径的塔上下封头的数据是一样的！
裙座的高度按照塔径大小以经验选取，设计温度一般都是室温，而内径则是与筒 体一样，腐蚀厚度也是按照1-2mm选取，裙座材料同理（注意q235材料的使用范
围哦，当然超出范围软件也是会提醒的，若强度不够则推荐使用16mnr）
在选择后地脚螺栓的直径与材料后其他的数据（除了个数）都会由数据库自动调 用哦，注意需用应力需要自己矫正一下啊（低碳钢取147，合金钢取170）最后就
是个数了可以先自己假设一个，再通过计算说明书校正！（具体在下一页讲）
仔细应该都会发现壁厚都是没有讲如何设置的，我的方法就是通过直接 根据经验设一个，然后根据计算书的推荐进行调整。（这样比正规的设
计方法要快，正规的设计方法参见机械基础，在此不做展开）
最后输出输入完毕之后先进行设备计算在形成设计说明书（注意仔细看 自己的各项是不是都符合了校核，不符合请参照软件提示进行修改！）