课程设计(填料塔)

《化工设备设计基础》

课程设计计算说明书

学生姓名：学号：

所在学院：

专业：

设计题目：

指导教师：

2013年月日

目录

一.设计任务书 (2)

二.设计参数与结构简图 (4)

三.设备的总体设计及结构设计 (5)

四.强度计算 (7)

五.设计小结 (13)

六.参考文献 (14)

一、设计任务书

1、设计题目

根据《化工原理》课程设计工艺计算内容进行填料塔设计。

设计题目：

各个同学按照自己的工艺参数确定自己的设计题目：填料塔DNXXX设计。

例：精馏塔（DN1800）设计

2、设计任务书

2.1设备的总体设计与结构设计

（1）根据《化工原理》课程设计，确定塔设备的型式；

（2）根据化工工艺计算，确定填料高度；

（3）根据介质、工艺的不同，拟定管口方位；

（4）结构设计，确定材料。

2.2设备的机械强度设计计算

（1）确定塔体、封头的强度计算。

（2）各种开孔接管结构的设计，开孔补强的验算。

（3）设备法兰的型式及尺寸选用；管法兰的选型。

（4）裙式支座的设计验算。

（5）水压试验应力校核。

2.3 塔设备结构草图（A3坐标纸）

2.4完成塔设备装配图

（1）完成塔设备的装配图设计，包括主视图、局部放大图、焊缝节点图、管口方位图等。

（2）编写技术要求、技术特性表、管口表、明细表和标题栏。

3、原始资料

3.1《化工原理》课程设计塔工艺计算数据。

3.2参考资料：

[1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]．

[3] GB150.1~4-2011.压力容器[S]．

[4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.

[5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S]．

4、文献查阅要求

设计说明书中公式、内容等应明确文献出处;装配图上应写明引用标准号。5、设计成果

1、提交设计说明书一份。

2、提交塔设备装配图一张(A1)。

（填料塔设计例题）二. 设计参数与结构简图

1、设计参数

精馏塔设计的工艺条件由化工原理课程设计计算而得。

工作温度°C：120 设计温度°C：150 工作压力MPa：0.1 设计压力MPa：0.11 塔体内径mm：1800 填料高度m：17 介质：对氯甲苯-邻氯甲苯混合物

2、结构简图（根据自己的设计题手画）

图1 塔结构简图

三. 填料塔的总体设计及结构设计

1、根据《化工原理》课程设计，确定精馏塔设备的型式。

本设计的精馏塔型式为填料塔

2、根据化工工艺计算，确定填料高度

由化工工艺计算填料高度为17m.

3、根据介质条件的不同，拟定管口方位。

图2支座与管口方位图

4、结构设计，设备法兰的型式及尺寸选用，管法兰等零部件选型。

1）零部件材料的选取

根据塔工艺条件（介质的腐蚀性、设计压力、设计温度）、材料的焊接性能、零件的制造工艺及经济合理性进行选材：

塔体：Q345R 封头：Q345R

接管：20 塔盘、底座：Q235-B

容器法兰：Q345R 管法兰：16MnII

（材料的许用应力按照《化工设备机械基础》表8-6~8-11查并列表）

（MPa）材料许用应力[]t

Q345R(16MnR) 189

Q235-B 108

16MnII 167

20 140

2）填料支承结构

填料支承装置要有足够的自由载面，能使气液顺利通过。一般取大于塔载面的50%，且大于填料的自由载面。要有足够的强度和刚度支承填料和拦液重量。并对压力，温度波动和机械振动有足够的承受能力

本设计填料支承结构采用分块式栅板的结构。结构尺寸如下：

具体结构及尺寸的选取参考课件选取

3）液体再分布器的选取

填料塔中，液体流径填料时，有流向器壁造成“壁流”的趋势，严重时可使塔中心的填料不能被润湿而成“干锥”。因此，将填料分段填装层间设置液体再分布器。

液体再分布器选取分配锥，分配锥主要尺寸：

液体再分配器参考图所示的分配锥，设计尺寸参考表5-7

4）工艺接管

接管的选取根据介质流量，参照GB12771-91，接管的选取如下表：

进料管的结构设计是根据进口物料状态（液态、气态或汽液混合）而选取不同的结构。液体进料管选直进料管。

结构图5-33和图5-34，结构尺寸可参考表5-8和表5-9选取。

5）压力容器法兰和接管法兰

压力容器法兰的选取按照《化工设备机械基础》选JB/T4700～4707-2000标准。（按照《化工设备机械基础》（p292）写出选取过程）

设计条件：

工作温度°C：120 设计温度°C：150

工作压力MPa：0.1 设计压力MPa：0.11

塔体内径mm：1800 介质：对氯甲苯-邻氯甲苯混合物（a）法兰类型DN=1800，p=0.11MPa，表10-1选甲型平焊；

（b）p=0.11MPa，t=150℃，查表10-10

材料为16MnR，定PN=0.25MPa，150℃时

允许[p]=0.25MPa>p，所以PN=0.25MPa。

（c）确定结构尺寸（p283）。

（d）法兰标记

法兰－RF 1800－0.25 JB/T4701-2000

容器选取结果如下表：

管法兰选取结果汇总：

6）法兰密封垫片的选取

法兰密封垫片的选取参照《化工设备机械基础》表10-15

法兰密封垫片选非金属软垫片PN=0.25MPa （JB/T4704-2000）P294

垫片1800-0.25 JB/T4704-2000

7）裙座选取

裙座的选取参考《化工设备机械基础》图17-34 、参考图及课件确定裙座各

尺寸。

支座选取直立裙式支座，裙座与塔体间的焊接头形式对接焊缝，螺栓座个数选为16个，螺栓座由盖板和筋板组成，用来安装地脚螺栓。为了便于检修和安装，在裙座上开设2个椭圆形（500*400）不带盖板的人孔，为防止腐蚀性气体积存在裙座，在裙座上方开排气孔。裙座底设置排液孔。

裙座与塔体间的焊接接头

8）人孔设置

人孔的选取根据筒体直径和公称压力参照《化工设备机械基础》表11-2和表11-3，

本设计中选用带颈平焊法兰人孔，公称压力1.0MPa，公称直径500 mm，标准号为HG20520-2005。

9）手孔设置

手孔选取同上，

手孔的选取根据筒体直径和公称压力参照《化工设备机械基础》表11-7和表11-10，

本设计中选用不锈钢板式平焊人孔（仅限凸面），公称压力0.6MPa，公称直径150mm，标准号为HG21516-2004。

10）视镜和液位计的选取

视镜和液位计的选取根据《化工设备机械基础》表11-18、p382选取

11）焊接接头形式和和焊接材料的选取

焊接接头形式的选取参照《化工设备机械基础》第十四章第二节（p431-440，焊接接头形式按HG20583-2011，A、B类焊接接头按照HG20583-2011中DU4，D类焊接接头按照HG20583-2011中G2，带补强圈D类焊接接头按照

HG20583-2011中G29。

焊接材料的选取参照第十四章《化工设备机械基础》14.5（p446-448），12）压力容器类别的划分

压力容器类别的划分按《固定式压力容器安全技术监察规程》，《化工设备机械基础》p452

本设计塔器设计压力0.11 MPa，v=32 L介质为易爆、中毒危害介质，故划分为Ⅱ类压力容器。

四、强度计算

1、塔体壁厚计算（筒体的设计参照第八章第二节p210）。 塔体圆筒体壁厚计算按照GB150.3-2011《压力容器》式3-1 计算壁厚： 2[]c i

t

c

p D p δσ?=

- （4-1） 式中 δ：塔体的理论计算壁厚，mm

p c ：塔体的计算压力，MPa D i ：塔体内径，mm

[]t σ：钢板在设计温度下的许用应力，MPa

?：焊接接头系数；

名义厚度： n C δδ=++?； （4-2）

12C C C =+；

e n C δδ=-；

式中 n δ：名义厚度；

C 1：腐蚀裕量； C 2：钢板负偏差；

?：圆整量；

e δ：有效厚度；

查表《化工设备机械基础》表8-6 Q345R []t σ=189 MPa p c ：取塔体的设计压力，0.11 MPa 焊缝为双面焊，局部射线检测，?=0.85

代入数据到式（4-1）得：2[]c i t

c p D p δσ?=

-= 0.111800

21890.850.11

???-=0.69 mm C 1 =1 mm C 2 =0 mm

代入数据到式（4-2）得：名义厚度： n C δδ=++?= 2 mm 按最小厚度δmin 要求 取 n δ= 6 mm

2) 封头的强度计算

（封头的设计参照第八章第二节p175-185）。

塔体封头壁厚计算按照GB150.3-2011《压力容器》式5-1 计算壁厚： 2[]0.5c i

t c

p D p δσ?=

- （4-3）

式中 δ：塔体封头的理论计算壁厚，mm

p c ：塔体的计算压力，MPa D i ：塔体内径，mm

[]t σ：钢板在设计温度下的许用应力，MPa

?：焊接接头系数；

名义厚度： n C δδ=++?；

12C C C =+；

e n C δδ=-；

式中 n δ：名义厚度；

C 1：腐蚀裕量； C 2：钢板负偏差；

?：圆整量；

e δ：有效厚度；

查表《化工设备机械基础》表8-7 Q345R []t σ=189 MPa p c ：取塔体的设计压力，0.11 MPa 焊缝为双面焊，100%射线检测，取?=1

代入数据到式（4-3）得： 2[]0.5c i

t c

p D p δσ?=

-

=

0.111800

218910.50.11

???-?=0.59 mm

C 1 =1 mm C 2 =0 mm

代入数据到式（4-2）得：名义厚度： n C δδ=++?= 2 mm 按标准椭圆封头最小厚度δmin 〉0.15%D i 要求 取 n δ= 6 mm 查《化工设备机械基础》(p229)

选标准椭圆形封头JB/T4746-2002封头直边高度h 0取25mm 封头高度h 取450mm 3)开孔补强计算

开孔补强结构选用JB/T4736-2002补强圈结构，补强圈尺寸按照《化工设备机械基础》p387（列出所选尺寸），

开孔补强计算采用等面积补强法，其公式参照第十二章第一节（p389）。 例：人孔开孔补强计算：

人孔选公称压力1.0MPa ，公称直径500 mm ，标准号为HG20520-2005 接管￠530?8(p360) 材料：20 a. 开孔所需补强面积 ；

A=d δ+2δδet(1-r f ) （4-4） 式中 r f ：强度削弱系数 d ：开孔直径 mm δ：塔体的计算壁厚mm δet ：接管的有效厚度mm d=di+2Ct=(530-16)+2(1+0)=518 mm δet=δnt- Ct=8-1=7 mm

塔体材料：Q345R []t σ =189 MPa

接管材料：20 []t σ=140 MPa

[][]

t

t

r t

f σσ==

140

189

=0.78

代入式（4-4） A=d δ+2δδet(1-r f )

=5180.69?+2?0.69?7(1-0.78) = 359.5 mm 2

b. 有效补强范围内的补强面积： ①有效补强范围

有效宽度： B=2d=2?518=1036 mm 外伸高度：h 1

内伸高度：h 2= 0 mm

②壳体多余截面积

A1=(B-d)( e δ-δ)-2δet ( e δ-δ)(1-r f ) （4-5） 代入式（4-5）

A1=(1036-518)(7-0.69)-2?7(7-0.69)(1-0.78) = 1211.2 mm 2 ③接管多余截面积

A2=2h 1(δet-δt) r f +2h 2(δet-C2) r f （4-6） 接管计算厚度δt=2[]c i t

c p

d p δσ?=

-= 0.11514

213010.11

???-=0.22 mm 式中 di ：接管内直径 mm di=530-16=514 mm

代入式（4-6） A2=2h 1(δet-δt) r f +2h 2(δet-C2) r f

=2?64.4(7-0.22)0.78=681 mm 2

④焊缝金属截面积 A3=6?6=36 mm 2

A1+A2+A3>A 满足不另行补强条件，所以不需补强。 其它开孔直径比人孔直径要小，故不需再进行开孔计算

（如计算结果需要补强，还需对其他接管进行补强计算） 4) 筒体的稳定性校核

因圆筒不受外压，所以此处不必对圆筒的周向稳定进行校核。如筒体工作压力为真空，筒体的轴向稳定性校核参照第九章第六节。

5) 裙座的轴向稳定性校核

裙座的轴向稳定性校核：

参照《化工设备机械基础》及参考图确定裙座各项尺寸，查取相关许用应力。根据《化工设备机械基础》p272计算裙座的轴向稳定许用应力B=[]t σ。

a. 计算裙座的轴向稳定许用应力B

b.裙座的轴向压缩应力校核

封头质量m 封头=120?2=240 kg （p229）

筒体质量m 筒体=267?26.5=240 kg （p227）(其中26.5为塔筒体高度) 塔盘质量m 塔盘=n(Aa+Af+Ai)ρ= 6995.4 kg 设备充满水的质量m 水=v 筒?26.5?ρ水+ v 封?2?ρ

水

=2.545?26.5?1000+0.826?2?1000 =68331 kg

Q 设备= m 封头+ m 筒体+ m 塔盘=88445 N Q 附件= 10%Q 设备=8844.5 N Q 水= m 水g=68331?9.81=670327 N

裙座横截面积A= π(1.8162-1.82)/4=0.034 m 2

Q

A

=Q Q Q ++设备附件水

A

=22.6 MPa < []t σ=B

校核合格

7) 水压试验应力校核

水压试验压力P T

[]

1.25[]

T t

P P σσ'= （4-7） []

1.25[]T t

P P

σσ'==1.25x0.11=0.14 MPa 卧置水压试验压力：T T P P '=+ γh=0.14+0.23=0.37 MPa 水压试验压力下的应力校核：

[]

2T i e T e

P D δσδ+=

0.9S ?σ≤ （4-8）

式中 ?： 焊接接头系数 ?=0.85

e δ： 塔体有效厚度 e δ=n δ-C 1-C 2

S σ： 塔体材料的屈服极限(p168) S σ=345 MPa

T P ： 水压试验压力

T σ： 圆筒水压试验压力下的应力

[]σ：试验温度下材料的许用应力 []t σ：设计温度下材料的许用应力

D i ： 圆筒内直径 代入数据到式（4-8）

[]

2T i e T e

P D δσδ+=

= 0.9S ?σ≤

满足水压试验压力下的应力校核条件。

五. 设计小结（约300字左右）

六. 参考文献

[1] 董大勤.化工设备机械基础[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2] 全国化工设备技术中心站.《化工设备图样技术要求》2000版[S]．

[3] GB150-1998.钢制压力容器[S]．

[4] 郑晓梅.化工工程制图化工制图[M]．北京：化学工业出版社，2002.

[5] JB/T4710-2005.钢制塔式容器[S]．