蒸馏塔机械设计文档格式.docx

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ρF=972.9kg/m3 

h=1400

选用标准椭圆封头 

内径Di 

=1400mm 

与筒体内径相等。

（2）封头材料的选取

因为苯—氯苯有轻微的腐蚀性，在根据实际工程经验和经济性，封头材料选为16MnR

在150℃下 

[σ]t 

Mpa 

σs 

=345 

厚度负偏差 

C1=0.8mm 

腐蚀裕量C2=2mm

厚度附加量 

C=C1+C2=0.8+2=2.8mm 

取焊缝系数φ=1.0

（4）封头厚度

δ= 

PcDi/（2[σ]tφ-0.5Pc）

=0.1187×

1-0.5×

0.1187）=0.49mm

设计厚度δd=δ+C2=0.49+2=2.49mmC1 

取名义厚度δn=14mm，[σ]t 

无明显变化，故可以取δn=14mm

则有效厚度δe=δn-C=14-2.8=11.2mm

1.1.3水压试验

内压容器：

水压试验压按式PT 

=1.25p[σ] 

/[σ]t 

计算

因为[σ]=170Mpa 

则

PT 

=1.25×

0.1187=0.1484MPa

水压试验强度校核

σ=[（PT 

+ρgh）（Di+δe）]/（2δe）

=[（0.1484+0.0991）（1400+11.2）]/（2×

11.2）=15.59MPa

15.59MPa<

263.93MPa 

故满足要求

1.2开孔补强设计

1.2.1封头开孔

（1）已知条件

标准椭圆封头内径Di 

名义厚度δn=14mm

中心设置DN400×

9mm的内平齐接管，开孔为通过封头焊缝。

厚度附加量：

封头C取2.8 

， 

接管C取2.8

接管外伸高度 

h1 

=200mm

材料 

16MnR 

=170MPa

接管 

20[σ]tn 

=130MPa

fr 

=[σ]tn 

=130/170=0.765

（2） 

补强及补强方法判别

①补强判别

本开孔DN=400mm>

89mm 

故需要另行补强

————————《化工设备设计基础》P242

②补强计算方法判别

开孔直径

d=di 

+2×

C=400+2×

2.8=405.6mm

本凸型封头开孔直径d=405.6mm<

Di 

/2=1400/2=700mm

故可以采用等面积法进行补强

（3）开孔所需补强面积

①封头计算厚度

KPcDi/（2[σ]tφ-0.5Pc）

0.1187×

其中K=1.0

②开孔需补强面积

A=dδ+2δ（δnt 

–C）（1- 

fr）

=405.6×

0.49+2.0=200.74mm2

（4）有效补强范围

①有效宽度B=2d=2×

405.6=811.2mm

B=d+2δn+2δnt 

=405.6+2×

14+2×

9=451.6mm

两者中去大值 

故B=811.2mm

②有效高度

外侧有效补强高度h1 

=（dδnt 

）0.5 

=60.42mm

取两者中小值，故h1 

内侧有效补强高度h2 

h2 

=0mm

取两者中小值，故h2 

（5）有效补强面积

①封头多余金属面积

封头有效厚度：

δe=δn-C=14-2.8=11.2mm

封头多余金属面积

A1 

=（B-d）（δe 

-δ）-2（δnt 

-C）（δe 

-δ）（1-fr）

=（811.2 

-405.6）×

（11.2-0.49）-2×

（9-2.8）（11.2-0.49）（1-0.765）=4299.49 

mm2

②接管多余金属面积

接管计算厚度为

δt 

Pc·

d 

/（2[σ]tnφ-Pc）=0.1187×

405.6/（2×

1-0.1187）=0.143mm

接管多余金属补偿面积为

A2 

=2 

h1（δnt 

-δt 

–C）fr 

+2 

（δnt 

–C1–C2）fr

=2×

60.42×

（9-0.143-2.8）×

0.765+0=486.73 

补强区内焊缝面积 

焊脚取9mm

A3 

0.5×

9×

9=81mm2

有效补强面积

+A2 

+A3 

=4299.49+486.73+81=4867.22mm2

（6）所需另行补强面积

A4 

=A-（A1 

+A3）=200.74-4867.22= 

-4666.48 

由此可见A4 

为负值，表示开孔无需另行补强。

1.2.2蒸汽进管开孔

P=0.1087Mpat=150℃ 

圆筒内径Di 

=1400mm

设置φ400×

9mm的薄壁插入式接管，开孔为通过封头焊缝。

圆筒C取2.8 

=113/170=0.765

本开孔φ=400mm>

——————————《化工设备设计基础》P242

C=（400-2×

9）+2×

2.8=387.6mm

本凸型封头开孔直径d=387.6mm<

/3=1400/3=466.66mm,故可以采用等面积法进行补强

①圆筒计算厚度

δ=PcDi/（2[σ]tφ-Pc）=0.1187×

=387.6×

0.58+4.78=229.59mm2

①有效宽度 

B=2d=2×

387.6=775.2mm

=387.6+2×

9=443.6mm

故B=775.2mm

外侧有效补强高度 

=59.06mm

内侧有效补强高度 

=（775.2 

-387.6）×

（11.2-0.58）-2×

（9-2.8）

（11.2-0.58）（1-0.765）

=4072.19 

d/（2[σ]tnφ-Pc）

387.6/（2×

1-0.1187）=0.135mm

=2h1（δnt 

+2h2 

59.06×

（9-0.135-2.8）×

0.765+0=476.41mm2

=4072.19+476.41+81=4629.6mm2

+A3）=229.59–4629.6= 

-4400.01 

1.2.3人孔补强设计

设置DN450×

6mm的内平板式平焊人孔，开孔为通过封头焊缝。

=230mm

（2）补强及补强方法判别

该人孔DN=450mm>

人孔直径d=di 

C=（480-2×

2.8=467.6mm

化工设备机械设计——化学工业出版社——董大勤——P302

本凸型封头开孔直径d=467.6mm<

/2=1400/2=700mm,故可以采用等面积法进行补强

（3）人孔所需补强面积

=467.6×

0.58+4.78=275.99mm2

①有效宽度

467.6=935.2mm

B=d+2δn+2δnt 

=467.6+2×

6=507.6mm

故B=935.2mm

=（dδnt 

=52.97mm

=（935.2 

-467.6）×

=4921.79 

/（2[σ]tnφ-Pc）

467.6/（2×

0.85-0.1187）=0.192mm

52.97×

（9-0.192-2.8）×

0.765+0=423.26 

=4921.79+423.26+81=5426.05mm2

+A3）=275.99–5426.05= 

-5150.06mm2

1.2.4其他开孔

因为其他开孔直径较小，均无需另行补强。

1.2.5进料管

根据化工原理设计阶段的计算结果：

公称直径 

mm

外径 

管厚度 

气体进口

400

426

8

气体出口

加料口

40

45

3.5

出料口

80

100

10

回流口

89

4

取样口

25

32

3

温度计接口

38

液位计接口

压力表接口

塔体和封头厚度尺寸汇总

按设计压力计算塔体和封头厚度

塔内液柱高度hm

1.40（仅考虑塔底至液封盘液面的高度）

液柱静压力 

PHMPa

PH=ρgh=972.9×

计算压力 

PcMPa

Pc=P+PH=0.1053+0.0134=0.1187

圆筒计算厚度 

δ 

0.85-0.1187）

=0.58mm

圆筒设计厚度 

δc 

=δ+C2=0.58+2=2.58

圆筒名义厚度 

δn 

=12

圆筒有效厚度 

δe 

δe=δn-C=14-2.8=11.2mm

封头计算厚度 

封头设计厚度 

=δ+C2=0.49+2=2.49

封头名义厚度 

封头有效厚度 

δemm

1.3塔体强度校核

塔设备设计计算表

已知设计条件

分段示意图

设计压力 

PMPa

0.1187

设计温度 

t 

℃

150

塔

体

1400

高度 

H 

13050

材料

16MnR

材料许用应力[σ]t 

MPa

170

设计温度下弹性模量EMPa

1.9×

105

材料常温屈服点σsMPa

345

厚度附加量C 

2.8

塔体焊接接头系数φ

0.85

介

质

密

度

精馏段平均密度ρj 

kg/m3

842.12

提馏段平均密度ρt 

917.44

塔釜中混合液密度ρf 

972.9

塔盘数

16

每块塔盘存留介质高度hL 

60

基本风压值（郑州）q0 

N/m2

350

地震设防烈度

7

场地土地类别

Ⅱ

偏心质量mekg

偏心距emm

裙

座

Q235-B

许用应力[σ]ts 

113

常温屈服点σsMPa

235

设计温度下弹性模量EsMPa

厚度附加量Cs 

人孔、平台数

地

脚

螺

栓

许用应力[σ] 

bt 

140

腐蚀裕量C2 

2

个数

1.3.1塔设备质量载荷

（1）数据参考

单位筒体质量488kg/m

单位塔裙质量488kg/m 

————《化工设备机械基础》P195

封头质量258kg/个 

————《化工设备设计基础》P462

浮阀塔盘质量qn 

=75kg/m2 

————————《塔设备》P257

单位笼式扶梯质量40kg/m

单位平台质量qp 

=150kg/m2 

————————《塔设备》P365

（2）计算数据

筒体高度 

H=2.56+2.9+3+1.01=9.47m

裙座高度 

H`=2.95m

筒体质量m1 

=488×

9.47=4621.36kg

封头质量m2=258×

2=516kg

裙座质量m3 

2.95=1439.6kg

①塔体质量 

m01 

m1 

+m1 

+m1

4621.36+516+1439.6

=6576.96kg

②塔段内件质量m02 

m02=0.25 

Di2Nqn

=0.25×

1.42×

16×

75

=1846.32kg

③平台个数为 

n=4 

笼式扶梯高度为 

H。

=12m

4个平台和12m笼式扶梯的总重量m03

m03 

=0.25 

[（Di+2δn+2B）2 

–（Di+2δn）2]×

0.5nqp+qFHF

=0.25[（1.4+2×

0.014+2×

0.45）2-（1.4+2×

0.014）2]×

4×

150+40×

12

=794.4+480=1274.4kg

④操作时塔内物料质量m04

m04 

Di2 

[hLNjρj+hLNtρt 

+（h-hf）ρf]+Vfρf

[0.06×

842.12+0.06×

12×

+（1.4-0.39）×

972.9]+0.421×

=3248.76kg

⑤人孔、接管等附件质量ma 

取0.25塔体质量

ma 

6576.96=1644.24kg

⑥水压试验时充液质量mw

mw=0.25 

Hoρw+2Vfρw

1.42 

×

9.47×

1000+2×

0.421×

1000

=15412.54kg

⑦偏心质量me=0kg

m01=6576.96kg 

m02=1846.32kg 

=1274.4kg

m04=3248.76kg 

ma=1644.24kg 

mw=15412.54kg 

me=0kg

操作质量m0 

m01+m02+m03+m04+ma+me

=6576.96+1846.32+1274.4+3248.76+1644.24+0

=14590.66kg

最小质量mmin 

m01+0.2m02+m03+ 

ma+me

=6576.96+0.2×

1846.32+1274.4+1644.24+0

=9864.84kg

最大质量mmax 

m01+m02+m03+ 

ma+mw

6576.96+1846.32+1274.4+1644.24+15412.54=26754.44kg

塔设备质量载荷数据汇总表

一段

二段

三段

四段

全塔

塔段长度 

li 

4000

3000

2900

3150

塔体质量 

kg

2190．48

1464

1415.2

1507.28

576.96

塔段内件质量m02 

—

461.58

692.37

1846.32

平台、扶梯质量m03 

160

517.2

314.6

282.6

1276.08

操作时塔内物料m04 

1921.46

508.17

310.96

3248.76

人孔、接管等附件质量 

547.62

366

353.8

376.82

1644.44

充液质量mwkg

1974.986

4615.8

4461.94

4359.816

15412.54

4819.56

3316.8

3284.04

3170.03

14590.66

2898.1

2439.5

2222.07

2305.17

9864.84

4873.086

7424.58

7237.91

7218.886

26754.44

1.3.2振周期计算

塔体内直径Di 

塔设备高度 

H=13050mm

塔体有效厚度δe=11.2mm 

=14590.66

ω=aλ2 

弹性连续体，即直径相等、壁厚相等的圆筒，利用λL=1.875带入上式可得到基本震型自振周期公式为：

———————由《塔设备》P263

1.3.3地震载荷与地震弯矩的计算

对于等直径、等壁厚的塔设备，若H/D<

10时，塔体任意点x处的水平地震力按公式：

来计算，此塔在塔底截面处产生地震弯矩为

———————由《塔设备》P243

本塔H/D=13050/1400=9.32<

10所以塔底总的弯矩为：

=0.5×

0.029×

14590.66×

13050=2.71×

107 

（N/mm）

在2001年出版的《建筑抗震设计规范》中对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地特征周期值均增大了0.5s，本设计为Ⅱ类场地近震时，设计地震分组为第二组，地面粗糙度为B类，地震烈度为7度，本设计基本地震加速度为0.1g。

Tg

场地类别

Ⅰ

Ⅲ

Ⅳ

第二组

0.30

0.40

0.55

0.75

αmax

6度

7度

8度

9度

多遇地震

0.04

0.08

0.16

0.32

∴Tg=0.40 

αmax=0.08 

设Cz=0.35

Cz——为结构影响系数，取各类结构的平均值，采用结构影响系数是因为现有的设计标准设计反应谱是弹性反应谱，在抗震设防目标中规定，遭遇到基本烈度的地震时，结构可以在弹塑性状态下工作，为使两者一致，利用结构影响系数作出调整。

————《塔设备》P240

Cz— 

结构综合影响系数

α1—地震影响系数α

即ζ=0.01 

γ

=0.9+（0.05-ζ）/（0.5+5ζ）

=0.9+（0.05-0.01）/（0.5+0.01×

5）=0.9727

η1=0.02+（0.05-ζ）/8=0.02+（0.05-0.01）/8=0.025

η2=1+（0.05-ζ）/（0.06+1.7ζ）

=1+（0.05-0.01）/（0.06+1.7×

0.01）=1.519

所以α1=[η20.2γ-η1（T-5Tg）]αmax

=0.362αmax=0.362×

0.08=0.029

0.2σmax=0.2×

0.08=0.016<

α1=0.029 

符合要求

塔体任意截面a-a处的总地震弯矩为：

塔设备地震载荷数据汇总表

三