浮阀塔机械设计

课程设计任务书

20119～2012学年第 2 学期

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作部门：化工与材料学院 一、课程设计题目

浮阀塔的机械设计

二、课程设计内容

1．塔设备的结构设计

包括：塔盘结构，塔底、塔顶空间，人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。

2. 塔体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核 （1）根据设计压力初定壁厚；

（2）计算危险截面的重量载荷、风载荷、地震载荷及偏心载荷； （3）计算危险截面的由各种载荷作用下的轴向应力；

（4）计算危险截面的组合轴向拉应力和组合轴向压应力，并进行强度和稳定性校核。 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 裙座结构设计及强度校核 包括：裙座体、基础环、地脚螺栓 5. 编写设计说明书一份

6. 绘制2号装配图一张，Auto CAD绘3号图一张（换热器的）。

三、设计条件

1. 设备类型：自支承式塔设备（塔顶无偏心载荷）； 2. 设置地区环境：

基本风压：qo=400N/㎡; 设计地震烈度：7度（或8度）；

场地土：Ⅱ类。地震加速度0.15g（或者0.3g），地震系数根据自己的需要任取

一组；

3. 塔体及裙座的机械设计条件：

（1）塔体内径Di=2200mm，塔高近似取H=50000mm（每组增加1000mm）；

（2）计算压力Pc=1.6MPa（每组中各人的计算压力根据安排表中数据）,设计温度

I

t=250℃；

（3）塔体装有N=75层浮阀塔盘，每块塔盘上存留介质层高度为hw=100mm，介质密度为

3

ρ1=800kg/m；

（4）沿塔高每5m左右开设一个人孔，人数为8-10个，相应在人孔处安装半圆形平台8-10个，平台宽度为B=900mm，高度为1000mm。

（5）塔外保温层厚度为δs=120mm，保温材料密度为ρ2=300kg/m3；

（6）塔体与裙座间悬挂一台再沸器，其操作质量为me=4000kg,偏心距e=2000mm； （7）塔体与封头材料在低合金高强度刚中间选用，并查出其参数。 （8）裙座统一采用Q235-A

（9）塔体与裙座对接焊接，塔体焊接接头系数Φ=0.85；

（10）塔体与封头厚度附加量C=2mm，裙座厚度附加量C=2mm；

（11）参考图为书中图8-25，尺寸及数据根据自己组的具体情况设计、标注。

四、进度安排 五、基本要求

1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计；

2.设计计算书一律采用电子版（电脑打印），2号图纸一律采用徒手绘制； 3.各班长负责组织借用绘图仪器、图板、丁字尺；学生自备图纸、橡皮与铅笔； 4.画图结束后，将图纸按照统一要求折叠，同设计说明书一同在答辩那天的早上8：30前，由班长负责统一交到HF508。

5.根据设计说明书、图纸、平时表现及答辩综合评分。

六、说明书的内容要求

1.符号说明 2.前言

（1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择

（1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质； （3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图 （1）板式塔装配图

（2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及环向位置，以单线图表示；

（3）标注形位尺寸。

（4）写出图纸上的技术要求、技术特性表、接管表、标题明细表等

II

5.塔体及裙座壁厚设计

（1）筒体、封头及裙座壁厚设计； （2）焊接接头设计； （3）压力试验验算；

6.标准化零、部件选择及补强计算：

（1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN,法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。

（2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。

7.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 8.主要参考资料。 【格式要求】：

1.计算单位一律采用国际单位；2.计算过程及说明应清楚；

3.所有标准件均要写明标记或代号；4.设计说明书目录要有序号、内容、页码； 5.设计说明书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更；

6.书写工整，字迹清晰，层次分明；7.设计说明书要有封面和封底，均采用A4纸，装订成册。

七、主要参考资料

1. 《化工设备机械基础课程设计指导书》.化学工业出版. 2005.1 2.《化工设备机械基础》第五版 刁与玮 王立业 编著 2003.3； 3. 《化工单元过程与设备设计》匡国柱 史启才 主编；

4.《化工制图》华东化工学院制图教研室编 人民教育出版社 1980； 5.《化工设备机械基础》参考资料； 6.《钢制压力容器》GB150-1998； 7.《钢制塔式容器》JB4710-1992；

8. GB151-1999 《管壳式换热器》1999年；

9.《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局 1999年。

教研室主任签名：

2012年 4 月21 日

III

摘 要

本设计对浮阀塔的材料、总体结构、强度、刚度和稳定性等进行了设计和计算。设计前预先准备好设计资料、手册、图册、计算和绘图工具、图纸及报告纸等，并认真研究设计任务书，分析设计题目的原始数据和工业条件，明确设计要求和设计内容。计算的开始先根据塔径和各项已知要求选择浮阀塔塔体、裙痤筒体的材料，再根据材料查出其许用应力，通过公式计算确定塔的各种构件、附件以及辅助装置的结构尺寸。结构设计应满足结构简单、合理，便于安装、制造；密封性满足要求，保证安全生产。按设计压力计算塔体、封头和裙座的壁厚，塔设备质量载荷，风载荷与风弯矩，地震载荷与地震弯矩等强度与刚度的校核，包括基础环设计和地脚螺栓的计算。结果表明，本设计合理。

关键词：浮阀塔；强度；刚度；稳定性；

I

目录

摘 要 ............................................................................................. I Abstract ......................................................... 错误！未定义书签。 目录 ................................................................................................. I 1前言 ............................................................................................. 1 2塔设备的机械设计 ..................................................................... 9

2.1 按计算压力计算塔体及封头厚度 ................................................. 9 2.1.1 塔体厚度计算 .............................................................................. 9 2.1.2 封头厚度计算 .............................................................................. 9 2.2塔设备质量载荷计算 .................................................................... 10 2.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量 ............................................. 10 2.3风载荷和风弯矩 ............................................................................ 13 2.3.1风载荷计算示例 ......................................................................... 13 2.3.2地震弯矩的计算示例 ................................................................. 17 2.4偏心弯矩计算 ................................................................................ 18 2.5各种载荷引起的轴向应力 ............................................................ 19 2.5.1计算压力引起的轴向拉应力 ..................................................... 19 2.5.2操作质量引起的轴向压应力 ..................................................... 19

I

2.5.3最大弯矩引起的轴向应力 ......................................................... 20 2.6塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核 .................................... 21 2.6.1塔体的最大组合轴向拉应力校核 ............................................. 21 2.6.2塔体与裙座的稳定校核 ............................................................. 21 2.7 塔体水压试验和吊装时的应力校核 ........................................... 23 2.7.1 水压试验时各种载荷引起的应力 ............................................ 23 2.7.2水压试验时应力校核 ................................................................. 24 2.8基础环设计 .................................................................................... 24 2.8.1基础环尺寸 ................................................................................. 24 2.8.2基础环应力校核 ......................................................................... 24 2.8.3基础环厚度计算 ......................................................................... 25 2.9地脚螺栓计算 ................................................................................ 26 2.9.1地脚螺栓承受的最大拉应力 ..................................................... 26 2.9.2地脚螺栓的螺纹小径 ................................................................. 26

3塔盘结构的设计 ....................................................................... 27

3.1塔盘的结构 .................................................................................... 27 3.1.1塔盘 ............................................................................................. 27 3.1.2人孔和平台 ................................................................................. 28 3.1.3裙座 ............................................................................................. 28

II

3.1.4裙座开孔 ..................................................................................... 28 3.2塔盘的支撑 .................................................................................... 29

4参考文献 ................................................................................... 30 主要符号说明 ................................................................................. I 谢辞 .............................................................. 错误！未定义书签。

III

1前言

塔器作为气液和液液之间进行传质与传热的重要设备，广泛应用于炼油、石油化工、精细化 工、化肥、农药、医药、环保等行业的物系分离，涉及蒸（精）馏、吸收、解吸、汽提、萃取等化工单元操作 。塔器主要分为填料塔和板式塔两大类板式塔。从１813 年Ｃellier 首次 提出泡罩塔至今，出现了许多不同类型的塔板 。

塔板按鼓泡元件分主要有泡罩型、筛孔型、浮阀型、斜孔型以及其他特殊类型塔板。浮阀塔板是在塔盘上开阀孔，安置能上下浮动的阀件（固定阀除外）。由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节，因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作，同时气体以水平方向吹出，气液接触时间长，雾沫夹带少，具有良好的操作弹性和较高的塔板效率，在工业中得到了较为广泛地应用。 浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。浮阀的阀片可以浮动，随着气体负荷的变化而调节其开启度，因此，浮阀塔的操作弹性大，特别是在低负荷时，仍能保持正常操作。

浮阀塔有活动泡罩、圆盘浮阀、重盘浮阀和条形浮阀四种形式。 圆形浮阀[3]

圆形浮阀自开发成功的，回其具有操作弹性大、效率高等诸多优点，在工业生产中得到广泛的应用。其代表是美国 Ｇｌ ｓｈ公 司推出的 Ｖ１型 浮阀，国内称之为 Ｆ１型浮阀。其后Ｇｌｓｈ公 司 针对V1型浮阀的不，以开发了V2~V4等几种种圆形浮阀。20世纪60年代英国Hydronyl公司及西德MAN公司共同研制了锥形浮阀，日本日曹工程自英国引入了该种浮阀的专利，用作石油化工及精细化工等的精馏和吸收设备，其独特之处在于浮阀的中心有一向下凹陷的圆锥，使锥形浮阀的通道截面突变较少，气流呈流线形，增加了操作的稳定性，并减少压力损失。但随着塔器技术不断进步，发现上述传统圆形浮阀塔板依然存在不足：（1）

1

浮阀阀盖上方无鼓泡区，其上访气液接触状况较差，造成塔板传质效率降低；（2）塔板上液面梯度较大，气体在液体流动方向上分布不戴均匀；（3）从阀孔出来的气体向四周吹出，导致塔板上液体返混程度较大；（4）在操作上，浮阀和阀孔易被磨损，浮阀易脱落。 盘形浮阀

1953年Koch工程公司开发了T形和A形盘形浮阀，其中又以T形浮阀应用更广泛一些。它是由无阀腿的圆弧形阀片及具有四只脚的十字形挡架所组成。挡架的脚固定在塔板上，对阀片起定位和导向的作用。T形浮阀塔析具有压力降小、漏液少、抗污能力强等特点。 条形浮阀[9]

Nutter在1951年开发了Nutter条形浮阀，此后陆续对其进行改进，出现了P形、D形、L形、DL形等条形浮阀。条形浮阀的特点为：条形浮阀不会旋转，因而不易磨损，阀片不会卡死、脱落；由于条形浮阀的气体从两侧喷出，不像圆形浮阀从四周喷出，所以塔板上的液体返混小于圆形类浮阀塔板，效率相对较高；可以排出较圆孔形更大的开孔率，从而提高处理能力。经工业实践证明，条形结构的浮阀塔板操作性能较传统圆形浮阀塔板略为优秀。

但是上述条形浮阀依然存在一些不足：（1）与传统圆形浮阀类似，阀盖上方无鼓泡区，造成塔板传质效率降低；（2）由于大多采用矩形阀腿，阀前端存在传质死区；（3）虽然其返混较圆形浮阀小，但对塔板弓形区的返混无太大改进；（4）长条形阀孔的四个锐角会形成严重的应力集中，易引起塔板的机械损坏。因此近年来国内不仅对条形浮阀的性能进行大量研究，还针对条形浮阀的不足,开发出多种形式的条形浮阀。

具有导流性能的条形浮阀,在结构上主要有3种形式。

（1）阀盖由传统的矩形进化为梯形、箭形前端呈梯形后端为矩形的组合结构三角形，阀盖 或短边一侧朝向降液管。具有代表性的是梯形浮阀塔板口，如图所示 。它的特点是气体从 梯 形阀体两侧斜边喷出，因此气流方向与液流方向呈锐角，有助于推动液体在塔板上的流动，达到降低液面梯度、消除板上液体死区、减少返混、提高传质效率和降低塔板压降等目的。

2

（2）在条形浮阀的阀盖上开孔，开孔方向朝着降液管，以导向浮阀、JF复合浮阀塔板为代表，如图和图所示，这种浮阀以独创的构思，在阀盖上开导向孔或舌孔，使阀盖上的气、液肉相并流，气相推动液相流动，液面梯度及塔板压降减小，通量增大。更重要的是这类浮阀解决了传统浮阀上端存在传质死区的不足，板效率大大提高，为中国的浮阀塔事业作出了贡献。

导向浮阀示意图

3

JF复合浮阀示意图

（3）在浮阀的前阀腿上开孔以洛阳石油化工工程公司设备研究所开发的导流浮阀塔板为代表如下图所示。该导流浮阀在条形浮阀的前阀腿上开一矩形孔，气流在水平通过阀体两侧的 同时，增加一个向前吹出的气流动力，导引液体向前流动。它不但可以改善阀与阀之间的鼓 泡状态，还有利于克服液体滞流与返混现象，减小液面落差，这对于降低塔板压降和提高塔板效率都有积极作用。

导流浮阀塔板示意图

4

新型椭圆形浮阀[8]

这种椭圆浮阀综合了条形浮阀和圆形浮阀的优点，在增加了机械强度的同时提高 了传质效率，如图所示。其特点在于：该浮阀的阀盖由两个短轴相等、长轴不等的半椭圆组合而成，因此其重心向一端偏移，造成浮阀开启后阀体有一定的前后倾斜度，使得从阀孔中吹出的气体能推动塔板上的液体作定向流动；阀盖边缘的锯齿增加了气液接触的表面，同时减少了雾沫夹带，并使阀体的开启阻力大大减小。该浮阀继承了条形浮阀塔板开孔率高，同时又继承了圆形浮阀塔板机械强度较高的特点，保证了塔板的机械强度。

椭圆形浮阀阀盖示意图

B 型导向浮阀塔板的结构特点

B 型导向浮阀塔板由A 型导向浮阀和B 型导向浮阀按适当的配比组合而成，结构参见图1。A型导向浮阀全张后，浮阀的张开高度相同，阀盖与阀孔板基本平行。B 型导向浮阀也为矩形，但前端的阀腿较长，浮阀全张后，阀盖与水平方向成一个

5

适当的仰角。对于B 型导向浮阀，在操作中，除了从导向孔流出的气体推动塔板上的液体流动之外，从浮阀二侧流出的气体，还存在一个向前的分力。与A型导向浮阀相比，B 型导向浮阀对塔板上液体的推力明显增大。B 型导向浮阀塔板的主要特点：

（1）塔板上除含有A 型导向浮阀外，还含有适当配比的B 型导向浮阀（B 型导向浮阀塔板上B 型导向浮阀数与塔板上的浮阀总数之比，称为组合配比，以K 表示）。当液流强度较大或液体流路较长时，K 值适当增大；反之，K 值适当减小，以适应消除塔板上液面梯度的需要。

（2）在塔板二侧的弓形区与塔板上的中央区相比，弓形区内B 型导向浮阀所占比率较大，以满足消除塔板上液体滞止区的需要。

（3）当塔内部分塔板的液流强度较大，部分塔板的液流强度较小时（例如炼厂常压塔和催化分馏塔），可采用不同的组合配比，以适应不同的需要。

（4）B 型导向浮阀塔板，兼有导向浮阀塔板所具有的优点，克服了导向浮阀塔板所存在的缺点，具有更广的使用范围和更好的操作性能。

6

B 型导向浮阀塔板在工业上的应用[10]

B 型导向浮阀塔板已在炼油和石化装置中的常压塔、初馏塔、稳定塔、催化分馏塔、焦化分馏塔、气分装置、乙二醇装置、醋酸装置、甲乙酮装置、氯乙烯装置、聚酯装置、环己酮装置等100 余塔内应用，均获得良好效果。例如洛阳炼油厂常压塔（Ф5000），在1995 年应用了导向浮阀塔板，最大处理能力按300 万t / a 设计，开车后，操作情况良好；1999 年，该塔需要扩产，采用了B 型导向浮阀塔板，最大处理能力按500 万t / a 年设计，改造后，处理能力大幅提高，轻油收率增加了2%左右，油品分割质量比也有明显改善，获得了显著的经济效益。再如B 型导向浮阀塔板在洛阳炼油厂宏力化工厂气分装置上应用，以代替原F1 型浮阀塔板，丙烯塔回流比由原17降为14，处理能力增加了80%，丙烯纯度达到99. 7%，取得了增产和节能的良好效果。

实验研究和工业应用表明，B 型导向浮阀塔板与导向浮阀塔板相比，具有更好的操作性能，处理能力约提高20%，塔板效率约提高10%，操作弹性约提高30%，用于汽液传质操作，可获得良好效果。

通过对新型塔板的研究与分析，板式塔的研究在今后一段时问内应主要进行以下几方面的工作：

7

(1)在复合塔板的研究上应加大力度。目前的复合塔板主要是栅板与填料的复合，而筛板与填料的复合、立体喷射型塔板与填料的复合、浮阀塔板与填料的复合等也应该出现一些新的、性能更优良的塔板。

(2)提高塔的空间利用率。目前已有一些这方面的研究，如立体喷射型塔板，使传质区域向塔板空间发展；多降液管塔板和复合塔板大幅度降低了板间距，这些塔板都大大提高了塔的空间利用率，但应该看到这些塔板的板问仍然有很大的空间没有充分发挥作用，还有很大的潜力可挖。

(3)充分利用塔板面积，改善塔板上液流流动，状况。传统塔板的弓形区、安定区及边缘部分没有充分发挥作用；塔板上液流庇尽鼍呈活塞流或设计新的流动形式以减小返混，提高塔板效率。

当然，在进行以上工作的同时，也应该对板式塔的其它部件进行研究，如降液管、气体分布器、液体分布器、除沫器等。另外，也应对已经出现的这些新型塔板进行全面的比较，便于工程设计人员选用，让新技术尽早转化为生产力。

8

2塔设备的机械设计

2.1 按计算压力计算塔体及封头厚度

2.1.1 塔体厚度计算

计算压力：pc?1.6MPa，许用应力[?]t?156MPa，焊接系数??0.85 圆筒的计算厚度： ??pcDi1.6?2200??13.35(mm)

2[?]t??pc2?156?0.85?1.6考虑厚度附加量C?2mm

圆筒的设计厚度：?c???C?13.35?2?15.35mm 圆整后取名义厚度: ?n?16mm 有效厚度：?e??n?C?16?2?14mm

2.1.2 封头厚度计算

采用标准椭圆形封头：

计算压力： pc?1.6MPa，许用应力[?]t?156MPa，焊接系数??0.85 封头的计算厚度：??pcDi1.6?2200??13.31(mm)

2[?]t??0.5pc2?156?0.85?0.5?1.6考虑厚度附加量C?2mm

封头的设计厚度：?c???C?13.31?2?15.31mm 圆整后取名义厚度: ?n?16mm

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有效厚度：?e??n?C?16?2?14mm 塔设备质量载荷计算

计算前先对塔进行分段，以地面为0-0截面，裙座人孔为1-1截面，塔底封头焊缝为2-2截面，塔板间第一个人孔为3-3截面，塔板间第二个人孔为4-4截面，塔板间第三个人孔为5-5截面，塔顶为6-6截面。

表2-1塔分段表

0-1 1325

1-2 2650

2-3 9275

3-4 13250

4-5 13250

5-6 13250

2.2塔设备质量载荷计算

2.2.1筒体、圆筒、封头、裙座的质量

1. 筒体质量：m1?874?48.435?42332.19(kg)

封头质量：m2?683.21?2?1366.42(kg) 裙座质量：m3?596?3.975?2369.1(kg)

m01?42332.19?1366.42?2369.1?46067.71(kg)

1) 塔体圆筒总高度为H0?H?l1?l2?590?48435mm?48.435m 2) 由Di?2200mm，?n?12mm查得单位筒体质量m1m?874kg/m

3) 由Di?2200mm，?n?12mm查得椭圆形封头的单位质量为683.21kg/m（封头

曲面深度为550mm，直边高度40mm，总深度590mm）

2. 塔内构件质量m02

m02??4Di?75?70?0.785?2.22?75?75?21371.63(kg)

2（由表8-1查得浮阀塔盘质量为75 kg/m2）

10

3. 保湿层质量m03

m03??4? [(Di?2?n?2?s)2?(Di?2?n)2]H0?2?2m03

?0.785?[(2.2?2?0.016?2?0.12)2?(2.2?2?0.016)2]?48.435?300?2?(1.99?1.54)?300 ?13147.42(kg)

?为封头保温层质量，kg. 其中，m03平台、扶梯质量m04

由表8-1查得，平台质量qp?150kg/m2；笼式扶梯质量qF?40kg/m；笼式扶梯总高HF?39m；平台数量n=8。

m04??1[Di?2?n?2??2B)2?(Di?2?n?2?)2]?nqF?qF?HF 42?0.785?[(2.2?2?0.016?2?0.12?2?0.9)2?(2.2?2?0.016?2?0.12)2]?0.5?8?150?40?39.56(kg) ?72774. 操作时物料质量m05

物料密度?1?800kg/m3,塔釜圆筒部分深度h1?1.8m，塔板层数N=75，塔板上液层高度hw?0.1m，由附录D表D-2查得，封头容积Vf?1.5459m3

m05??44?0.785?2.22?0.1?75?800?0.785?2.22?1.8?800?1.5459?800 ?29504.26kg5. 附件质量ma 按经充水质量mw

mw?Di2hwN?1??Di2h0?1?Vf?1ma?0.25m01?0.25?46067.71?11516.93kg

?4Di2H0?w?2Vf?w?0.785?2.22?48.435?1000?2?1.5459?1000?187115.74kg 11

其中，?w?1000kg/m3

表2-2各种质量载荷汇总表

塔段 塔段长度/mm 人孔与平台

数 塔板数

mi01/kg mmi020~1 1325 0 0 1158.05 — — 42.45 —

1~2 2650 0 0

2~3 9275 1 9

3~4 13250 3 24

4~5 13250 2 24

5~顶 13250 2 18 10643

合计 53000 8 75 46067.71

2999.3

8106.35 11580.5 11580.5 1 —

/kg /kg

21371.6

2564.60 6838.92 6838.92 5129.19

3

3453

3453

13147.4

3636.92

2

30715.34 187103.94 4000 134096.59

i03187.40 2417.10

mi04/kg 84.91 1005.08 2548.26 1840.35 1756.51 7277.56 1257.9

9040.04 7363.69 7363．69 2 1872.934698.649569.54 7 3 1400

2600

— 34983

6361.6

27775.8 3

49569.53 — 33854.22

5690

mi05/kg

mia/kg mw/kg mie/kg

i288．06 432.09 2042.63 3198.63 2777.76 2777.76 11516.93 — — 1488.56

51393.27 — 29633.38

mio/kg

全塔操作质量/kg 全塔最小质量/kg 水压试验时最大质量

/kg

m0?m01?m02?m03?m04?m05?ma?me?46067.71 mmin?m01?0.2m02?m03?m04?ma?me?86283.95 mmax?m01?m02?m03?m04?ma?mw?me?278968.26

12

2.3风载荷和风弯矩

2.3.1风载荷计算示例

任一计算段风载荷的大小，与塔设备所在地区的基本风压值有关，同时也与塔设备的高度、直径、形状以及自振周期有关。 两相邻计算截面间的水平风力为

Pi?K1K2iq0filiDei?10?6 （2-1） 以2-3段为例计算风载荷P3

对圆形容器，K1?0.7；q0?400N/m2；由表8-5查得：f3?1.09；l3?9275 mm；由表8-7查得：?3?0.72；

对等直径、等厚度圆截面塔，其基本自振周期

T1?90.33Hm0HE?eDi3

?10?3 （2-2）

浮阀塔的自振周期为T1?90.33?53000?134096.59?53000?10?3?2.77s 531.9?10?14?2200根据自振周期，由表8-6查得，??2.96；由表8-8查得，?zi?0.068； 塔的风振系数计算：

K2i?1???i?zifi （2-3）

当塔高H=53m＞20m，浮阀塔的风振系数为

K23?1?2.96?0.74?0.068?1.137

1.09塔的有效直径计算

设笼式扶梯与塔顶管线成90°，取以下a、b式中较大者。 a．Dei?Doi?2?si?K3?K4

13

b．Dei?Doi?2?si?K4?d0?2?ps

K3?400mm,d0?480mm,?si?120mm,?ps?100mm,K4?De3?2232?2?120?400?194.1?3066.1

De3?2232?2?120?194.1?480?2?100?3346.1

2?Al3?2?1?900?1000?194.1mm9275取De3?3346.1mm，P3?0.7?1.137?400?1.09?9275?3346.1?10?6?10769.6N

14

表2-3各段风载荷汇总表

计算段 计算内容 各计算段的外径

0~1 1~2 2~3 3~4 4~5 5~顶

Doi/mm

塔顶管线外径

Doi?Di?2?n?2200?2?14?2232

480 120

do/mm

第i段保湿层厚度?si/mm 管线保湿层厚度

?ps/mm

笼式扶梯当量宽度K3/mm 各计算段长度

100

400

1325

2650

9275

13250

13250

13250

li/mm

操作平台所在计算段的长度

— 0

2650 0

9275 1

13250 3

13250 2

13250 2

l0/mm

平台数 各段平台构件的投影面积

0 0 9?105 27?105 18?105 18?105

?A/mm

2操作平台当量宽度K4/mm 各计算段的有效

直径

0 0 194.1 407.5 271.7 271．7

Dei/mm（大

值） 各计算段顶截面距地面的高度

3152 3152 3346.1 3559.5 3423.7 3423.7

1.32 3.97 13.25 26.5 39.75 53

hit/m

15

风压高度变化系数fi 体型系数K1 基本风压值

1.0 1．0 1.09

0.7

1.36 1.56 1.70

q0/(N/m2)

塔设备的自振周

期T1/s

2q0T1

400

2.77 3069.16

脉动增大系数

2.96

?（B类）

脉动影响系数 ?（iB类）

0.72 0.025 0.02

0.72 0.075 0.02

0.74 0.25 0.068

0.82 0.5 0.34

0.85 0.75 0.612

0.87 1.00 1.00

hit/H

第i段振型系数

?zi

各计算段的风振系数

1.043 1.043 1.137 1.607 1.987 2.515

K2i

各计算段的水平风力

1219.7

2439.

4

10769.6 28861.4 39372.4 54307.1

Pi/N

0—0截面的风弯矩MW/N?mm

0?00?0MW?P1

ll1l?P2(l1?2)?....?P6(l1?l2?l3?l4?l5?6) 222?1219.7?662.5?2439.4?2650?10769.6?8612.5? 28861.4?19875?39372.4?33125?54307.1?46375 ?4.50?109

16

1—1截面的风弯

1?1矩MW/N?mm

1?1MW?P2

lll2?P3(l2?3)?....?P6(l2?l3?l4?l5?6) 222?2439.4?1325?10769.6?7278.5?28861.4?18550?39372.4?31800?54307.1?45050

?4.32?109

l3ll?P4(l3?4)?....?P6(l3?l4?l5?6) 2222?2矩MW/N?mm

?10769.6?4537.5?28861.4?15900?

39372.4?29150?54307.1?424002—2截面的风弯

2?2MW?P3 ?3.96?109

2.3.2地震弯矩的计算示例

取第一振型脉动增大系数为?1?0.02 则衰减指数的计算

??0.9?0.05??1 （2-4）

0.5?5?1??0.9?0.05?0.020.5?5?0.02?0.95

地震影响系数?1?[?20.2???1(T1?5Tg)]?max 由表8-2查得?max?0.24（设防烈度8度） 由表8-3查得Tg?0.40

?1?0.02?0.05??10.05?0.02?0.02??0.024 880.05??10.05?0.02?2?1??0.02??1.319

0.06?1.7?10.06?1.7?0.02?1?[1.319?0.20.95?0.024?(2.77?5?0.04)]?0.024?0.064

计算截面距地面高度h：

0—0截面：h=0

1—1截面：h=1325mm 2—2截面：h=3975mm

17

表2-4各个截面的地震弯矩计算汇总表

截面0-0

0?0?ME?16a1m0gH 35 ?16?0.064?134096.59?9.81?53000 359 ?2.04?10N?mm

0?00?0'ME?1.25ME?1.25?2.04?109?2.55?109N?mm

截面1-1

1?1'ME?8a1m0g3.52.53.5(10H?14Hh?4h)2.5175H

8?0.064?134096.59?9.81(10?530003.5?14?530002.5?1325?4?13253.5) 2.5175?530009 ? ?1.97?10N?mm

1?11?1'ME?1.25ME?1.25?1.97?109?2.46?109N?mm

截面2-2

2?2'ME?8a1m0g(10H3.5?14H2.5h?4h3.5) 2.5175H8?0.064?134096.59?9.813.52.53.5(10?53000?14?53000?3975?4?3975) 2.5175?530009 ? ?1.83?10N?mm

2?22?2'ME?1.25ME?1.25?1.83?109?2.29?109N?mm

2.4偏心弯矩计算

Me?mege?4000?9.81?2000?7.848?107N?mm

18

2.5各种载荷引起的轴向应力

2.5.1计算压力引起的轴向拉应力

?1?pcDi1.6?2200??62.86MPa 4?e4?142.5.2操作质量引起的轴向压应力

截面0-0

?0?020?00?0m0gm0g134096.59?9.81????13.60MPaAsb?Dis?es3.14?2200?14

令裙座厚度?s?16mm，有效厚度?es?16?2?14mm;Asb??Dis?es。 截面1-1

?1?121?1m0g132608.03?9.81???14.37MPa Asm905281?1式中，m0?134096.95?1488.56?132608.03 ，Asm为人孔截面的截面积，

Asm??Dim?es??[(bm?2?m)?es?Am]?3.14?2200?14?2?[(145?2?14)?14?3600]?90528mm2

截面2-2

?2?222?22?2m0gm0g28373?9.81????12.31(Mpa)

Asb?Di?e3.14?1200?62?2其中，m0?32088?566?3149?28373(kg);A??Di?e。

19

2.5.3最大弯矩引起的轴向应力

截面0-0 ?0?030?00?0MmaxMmax4.58?108????86.10MPa

?2Zsb0.785?22002?14Dis?es40?00?0其中，Mmax?Mw?Me?4.50?109?0.7848?108?4.58?109N.mm

2 Zsb??Dis?es

截面1-1

?1?131?1Mmax4.40?109???91.10MPa 7Zsm4.83?101?11?1其中，Mmax?Mw?Me?4.32?109?0.7848?108?4.40?109N.mm

Zsm为人孔截面的抗弯截面系数，

Zsm??42Dim?es??(bimDim?es2?Zm)

Zm?2?eslm(Dim2b2）?（m） 22Zm?2?14?150?11002?2252?4.52?106mm3

Zsm?0.785?22002?14?2?(450?2200?7?4.52?106)?4.83?107mm3

截面2-2 ?2?232?22?2MmaxMmax4.04?109????75.39MPa 2?Z0.785?2200?14Di2?e42?22?2其中，Mmax?Mw?Me?3.96?109?0.7848?108?4.04?109(N.mm)

Z?

?4Di2?e

20

2.6塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核

2.6.1塔体的最大组合轴向拉应力校核

截面2-2

塔体的最大组合拉应力轴向发生在正常操作的2-2截面上。 [?]t?156MPa，??0.85，K?1.2,K[?]t??159.12MPa

2?22?22?2?max??1??2??3?62.86?12.81?75.39?125.44MPa?K[?]t??159.12MPa满足要求.

2.6.2塔体与裙座的稳定校核

截面2-2

塔体截面2-2 上的最大组合轴向压应力

2?22?22?2?max??2??3?12.81?75.39?88.20MPa

2?2?max?88.20MPa?[?]cr?min{KB,K[?]t}?min{126,187.2}?126MPa

满足要求。 其中， A?0.0940.094??0.00119. Ri110814?e查图5-9得（16MnR，250℃）B?105MPa,[?]t?156MPa,K?1.2 截面1-1

塔体1-1截面上的最大组合轴向压应力

1?11?11?1?max??2??3?14.37?91.10?105.47MPa

1?1?max?105.47MPa?[?]cr?min{KB,K[?]t}?min{115.2,112.8}?112.8MPa

满足要求。 其中，

A?0.0940.094??0.00119

Ris/?es1108/14 21

查图得（Q235?AR,250℃）B?96MPa,[?]t?94MPa,K?1.2。 截面0-0

塔体0-0截面上的最大组合轴向压应力

0?00?00?0?max??2??3?13.60?86.10?99.70MPa

0?0?max?99.70MPa?[?]cr?min{KB,K[?]t}?min{115.2,112.8}?112.8MPa

满足要求.

其中，B?96MPa;[?]t?94MPa;K?1.2

表2-5各危险截面强度与稳定校核汇总表

项目

0-0

塔体与裙座有效厚度?e?es/mm

i?i截面以上的操作质量m0/kg

计算危险截面

1-1 14 132608.03

2-2 14 126246.4

14 134096.59

计算截面面积Ai?i/kg

Asb?96712

Asm?90528

A?96712

计算机面的抗弯截面系数Zi?i/mm

3Zsb?5.32?10

7Zsm?4.83?107

Z?5.32?107

i?i最大弯矩Mmax/(N.mm)

4.58?109

159.12 115.2 112.8 0 13.60 71.61 —

4.40?109

— 115.2 112.8 0 14.37 91.10 —

4.04?109

— 126 187.2 62.86 12.81 75.39 159.12 88.2

最大允许轴向拉应力K[?]?/Mpa 最大允许轴向压应力/Mpa KB K[?] 计算引起的轴向拉应力?1/Mpa 计算引起的轴向压应力?2/Mpa 最大弯矩引起的轴向应力?3/Mpa 最大组合轴向拉应力?max/Mpa 最大组合轴向压应力

i?i?max/Mpa

i?ii?itti?i99.70 105.47

22

强度

强度与稳定校核

稳定性

— —

2?2?max?K[?]t?

满足要求

1?1?max??[?]cr?1?1?max??[?]cr?0?0?max??[?]cr?min{KB,K[?]}满足要求

tmin{KB,K[?]t}min{KB,K[?]t}

满足要求

满足要求

2.7 塔体水压试验和吊装时的应力校核

2.7.1 水压试验时各种载荷引起的应力

1.试验压力和液柱静压力引起的环向应力

?p?液柱静压力??Di??ei??（1.375?0.53）（2200?14）?150.63MPa ?t?T2?ei2?14 pT?1.25p??????t?1.25?1.1?156 ?1.375MPa156液柱静压力=?H?1000?53?0.53MPa

2.试验压力引起的轴向拉应力

pD1.375?2200 ?1?Ti? ?54.02MPa4?e4?14 3.最大质量引起的轴向拉应力 2?2mmaxg278968.26?9.812?2?2???28.30MPa4?4?14 e4.弯矩引起的轴向应力 ?2?232?20.3Mw?Me??4Di2?e0.3?3.96?109?0.7848?108??23.81MPa 20.785?2200?14

23

2.7.2水压试验时应力校核

1.筒体环向应力校核

0.9??s?0.9?345?0.85?263.9MPa 所以满足要求 ??T?150.63MPa 2.最大组合轴向拉应力校核

2?22?22?2 ?max??12?2??2??3?54.02?28.30?23.81?49.53MPa?0.9??S?263.9MPa 所以满足要求

3.最大组合轴向压应力校核

2?22?22?2 ?max ??2??3?52.11????cr?min?KB,0.9?s??min{126,310.5}?126MPa所以满足要求

2.8基础环设计

2.8.1基础环尺寸

取 Dob?Dis?200?2200?200?2400(mm) Dib?Dis?200?2200?200?1000(mm)

2.8.2基础环应力校核

?bmax

其中 Ab? Zb?

0?00?0?Mmaxm0g0.3Mw?Memmaxg??max??,??ZAZAbbb?b??42(D02b?Dib)?0.785?(24002?20002)?1381600mm2

4?(D04b?Dib)32D0b3.14(24004?20004)??7.02?108mm3

32?2400 24

（1）?bmax0?0Mmaxm0g3.75?109134096.59?9.81?????6.30MPa 8ZbAb13816007.02?100?00.3Mw?Memmaxg??ZbAb?bmax0.3?4.50?109?0.7848?108278968.26?9.81???4.02MPa 813816007.02?10 取以上两者中的较大值?bmax?6.30MPa，选用75号混凝土。查表得Ra?3.5MPa;

?bmax?6.30?Ra?3.5MPa，满足要求

2.8.3基础环厚度计算

???b?140MPa;C?2mm b?1?Dob?(D?2?)??1[2400?(2200?2?14)]?86mm 22b86??0.43假设螺栓直径为M56，由表8-11查得l?200mm,当l200时，由表8-10

查得：

Mx??0.3652?bmaxb2??17016.42(N?mm)My?0.01929?bmaxl2?4861.08(N?mm) 取其中最大值：故

MS?17016.42(N.mm) 按有筋板时假设基础环厚度： ?b?

6Ms???b?C?6?17016.42?2?29mm取?b?30mm

140 25

2.9地脚螺栓计算

2.9.1地脚螺栓承受的最大拉应力

0?00?00?0?Mw?MemmingME?0.25Mw?Mem0g? ?B?max??,??

ZAZAbbbb??mmin?86283.95kg0?0ME?2.55?109N.mm0?0Mw?4.5?109N.mm其中，

m0?134096.95kgZb?7.02?108mm3Ab?1381600mm2

0?0Mw?Memming4.5?109?0.7848?10886283.95?9.811. ?B?????5.90MPaZbAb13816007.02?108

0?00?0ME?0.25Mw?Memming2. ?B???4.39MPa

ZbAb 取以上两数中的较大值，?B?5.90MPa

2.9.2地脚螺栓的螺纹小径

?B?0，选取地脚螺栓个数n?36;[?]bt?147Mpa;C2?3mm。

d1?4?BAb?C2?47.30(mm)

?n[?]bt查表得M56地脚螺栓的螺纹小径d1?50.046mm，故选用36个M56的地脚螺栓，满足要求.

26

3塔盘结构的设计

3.1塔盘的结构

塔盘在结构方面要有一定的刚度，以维持就水平；塔盘与塔壁之间应有一定的密封性，以避免弃、液短路；塔盘应便于制造、安装、维护，并且成本要低。

3.1.1塔盘

塔盘结构有整块式与分块式两种。塔径在800~900mm以下时，建议采用整块式塔盘，塔径在800~900mm以上时，一般选用分块式塔盘。

本塔直径为2200mm，故选用分块式塔盘。

在直径较大的板式塔中，如果仍然用整块式塔盘，则由于刚度的要求，势必要增加塔盘板的厚度，而且在制造、安装与检修等方面都很不方便。因此，当塔径在800~900mm以上时，都采用分块式塔盘。此时塔身为一焊制整体圆筒，不分塔节。而塔盘系分成数块，通过人孔送进塔内，装到焊在塔内壁的塔盘固定件上。塔盘分块，应该使结构简单，装拆方便，有足够刚度，便于制造、安装和检修。一般采用自身梁式塔盘板，有时也采用槽式塔盘板。

这两种结构的特点是：

(1)结构简单，装拆方便。将塔盘板冲压折边，使其具有足够刚度，不但可简化塔盘结构，而且可少耗钢材。

(2)制造方便，模具简单，能以通用模具压成不同长度的塔盘板。

分块塔盘板的长度L随塔径大小而异，最长可达2200mm。宽度B由塔体人孔尺寸、塔盘板的结构强度及升气孔的排列情况等因素决定。例如，自身梁式塔盘板为60~80mm，槽式塔盘板为30mm。对于塔盘板厚，碳钢为3~4mm，不锈钢为2~3mm。

分块式塔盘之间的连接，根据人孔位置及检修要求，分为上可拆连接和上、下可拆连接两种。常用的紧固构件是螺栓和椭圆垫板。

塔盘板安放于焊在塔壁上的支持圈上。塔盘板与支持圈的连接一般用卡子。这种塔盘紧固方式虽然被普遍采用，但所用紧固构件加工量大，装拆麻烦，而且

27

螺栓需用抗锈蚀材料。另一种紧固方式是用楔形紧固件，其特点是结构简单，装拆方便，不用特殊材料，成本低等。

3.1.2人孔和平台

人孔是安装或检修人员进出塔的唯一通道，人孔的设置应便于进入任何一层塔板，由于设置人孔处塔间距离大，且人孔设备过多会使制造时塔体的弯曲度难以达到要求。选用塔盘间距为450mm，沿塔高每隔5m左右开设一个人孔，人孔数为8个，相应在人孔处安装半圆形平台8个，平台宽度为B?900mm，高度为1000mm。开人孔处的塔盘间距为700mm。

液体在塔盘上的流程采用单流程。塔盘板采用厚度为2mm的不锈钢板制造。

3.1.3裙座

裙座是塔设备广泛采用的一种支座，裙座有圆筒形和圆锥形两种型式。本设计选用圆筒形裙座，裙座筒体的名义厚度为14mm。

裙座与塔体的连接采用对接焊接，焊接系数为0.85，取裙座筒体外径与塔体封头外径相等。裙座筒体与塔釜封头的焊接接头应采用全焊透的连续焊，且与塔釜封头外壁圆滑过渡。

3.1.4裙座开孔

1.检查孔

裙座上开设检查孔，以方便检修。检查孔有圆形（A型）和长圆形（B型）两种，本设计的检查孔采用A型检查孔，数量为1个，直径为450mm，孔长250mm，开孔中心距地面高为900mm。 2.排净孔

裙座筒体底部对开两个排净孔。 3.排气孔

为减小腐蚀及避免可燃、有毒气体的积聚，保证检修人员的安全，必须在裙座上部设置排气孔。排气孔的规格为?80，排气孔中心线至裙座壳顶端的距离为180mm。

28

4.通道管

本设计中浮阀塔底部引出管一般需通过裙座上的通道管引到裙座壳的外部。

3.2塔盘的支撑

对于直径不大的塔（直径在2000mm以下），塔盘的支撑一般用焊在塔壁上的支持圈。支持圈一般用扁钢弯制成或将钢板切为圆弧焊成，有时也有用角钢。若塔盘版的跨度较小，本身强度足够，这不需要支撑梁。

本塔直径为2200mm，选用扁钢弯制的支撑圈，加支撑梁。

29

参考文献

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[3]潘忠滨.姚克俭.李育敏.王良华.新型浮阀塔板研究进展[A].1000-6613(2005)09-0956-08

[4]郑津洋,董其伍,桑 芝富.《过程设备设计》.北京：化学工业出版社(第二版)，2005.07

[5]朱有庭,曲文海,于浦义．《化工设备设计手册》.北京：化学工业出版社(第一版)，2005.6

[6]涂伟萍,陈佩珍,程达芳．《化工过程及设备设计》.北京：化学工业出版社，2000.6 [7]《钢制压力容器》GB150-1998；

[8]王崇智.李航胜.傅春敏等.新型椭圆形浮阀[P].ZL99225387.X.199-01-12 [9]董易良等.双层条形浮阀塔板[P].ZL01275663.6,2002-10-09

[10]董军.李建波.塔板技术的发展现状与研究展望.石油炼制与化工.2007.38

30

主要符号说明

塔内直径 Di 塔体高度 H 笼式扶梯高度-HF 设计压力 pc 设计温度 t 许用应力 [?]t 弹性模量 Et 常温屈服点 ?s 厚度附加量 C 综合影响系数-CZ 焊接接头系数 ? 介质密度 ? 塔盘数 N

塔盘介质层高度 hw基本风压值 q0 平台质量-qp 笼式扶梯质量-qF 偏心质量 me 充液质量-mw

塔外保温层厚度 ?s 检查加强管厚度-?m 圆筒计算厚度-? 设计厚度-?c 名义厚度-?n 有效厚度-?e 封头计算厚度-?h 封头设计厚度-?hc 封头名义厚度-?hn 检查加强管长度-lm

保温材料密度 ?2 人孔个数 n 自振周期 T1

各类土场的特征周期-Tg基本振型参与系数 ?k 地震影响系数 ?1

I

水平地震力-Fk1 垂直地震力-Fi?iv 地震弯矩-Mi-iE 风压高度变化系数-K1 脉动增大系数-? 风弯矩-Mi-iw

裙座筒体的截面积-Asm 裙座筒体的截面系数-Zsm基础环伸长宽度-b 基础环面积-Ab

圆筒材料许用应力-???cr

II

III

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