课程设计(板式塔)

《化工设备设计基础》

课程设计计算说明书

何泽骁 学 号： 1001090621 化学化工学院 化学工程与工艺专业 板式塔的设计

2010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

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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板式塔设计。 设计题目：精馏塔（DN1400）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(填料塔、板式塔)； （2）根据化工工艺计算，确定塔板数目 (或填料高度)； （3）根据介质的不同，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，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]．

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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(板式塔)装配图一张(A1)。

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（精馏塔设计例题）

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： 100 设计温度 °C： 120 工作压力 MPa： 0.1 设计压力 MPa： 0.11 塔体内径 mm： 1400 塔板数 介质： 甲醇-水混合物

2、结构简图 （根据自己的设计题手画）

图1 精馏塔结构简图

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块： 19 三. 精馏塔的总体设计及结构设计

1、根据《化工原理》课程设计，确定塔设备的型式板式塔。 本设计的精馏塔型式为板式塔 2、根据化工工艺计算，确定塔板数目。 由化工工艺计算塔板数目为19块

3、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

根据精馏塔工艺条件（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：16MnR 封头：16MnR 接管：20R 塔盘、底座：Q235-B 容器法兰：16MnR 管法兰：16MnII （材料的许用应力按照《化工设备机械基础》表8-7查并列表） 材料 许用应力[]t（MPa） Q345R(16MnR) Q235-B

170 113

16MnII 170 20R 133 2）塔盘结构

根据工艺条件、塔体直径，塔盘结构选为单液流分块式塔盘，具体塔盘结构及尺寸的选取见第十七章第三节（p430-438）。（自选）

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3）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： 名称 进料管 塔顶回流管 塔底出料管 塔顶蒸汽管 再沸器回流管 50 25 15 150

公称直径40 （mm） 4 ）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》（p263）写出选取过程）

设计条件 ：

工作温度 °C： 100 设计温度 °C： 120 工作压力 MPa： 0.1 设计压力 MPa： 0.11 塔体内径 mm： 1400 介质： 甲醇-水混合物

（a）法兰类型 DN=1400，p=0.11MPa，表10-1选甲型平焊； （b）p=0.11MPa，t=120℃，查表10-10

材料为16MnR，定PN=0.25MPa，120℃时

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允许[p]=0.25MPa>p，所以PN=0.25MPa。 （c）确定结构尺寸（p254）。 公称直径 D 1200

管法兰选取结果汇总： 进料管法兰 塔顶回流管法兰 塔顶蒸汽管法兰 塔底出料管法兰 在沸器回流管法兰 6） 裙座选取

支座选取裙式支座

裙座的选取根据参照《化工设备机械基础》图17-21确定裙座各尺寸。 7）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11-1和表11-6， 根据表11-1有 入孔一个，当容器无法开入孔时选择手孔两个，圆形φ400，长圆形400*250或380*280 圆孔φ150 长圆孔150*100 球罐入孔φ500

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HG20594-95。

9） 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11-9、表11-11选取 10） 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（p367-377），焊接接头形式按HG20583-1998，A、B类焊接接头按照HG20583-1998中DU4，D类焊接接头按照HG20583-1998中G2，带补强圈D类焊接接头按照JB/T4736-2002中C， 焊接材料的选取参照第十四章《化工设备机械基础》第四节（p379-382），标准GB/T5117-95、GB/T5118-95 GB/T983-95

焊接接头的检验《化工设备机械基础》第十四章第三节(p378)

HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 16MnII 16MnII 16MnII 1330 D1 D2 D3 D4 d 厚度 质量kg 44 85.3 螺柱规格 螺柱数量 M20 36 1290 1255 1241 1238 23 HG20594 法兰SO450-1.0MFM 28 16MnII HG20594 法兰SO500-1.0MFM 28 16MnII 7

11）压力容器类别的划分

压力容器类别的划分按《压力容器安全技术监察规程》，《化工设备机械基础》p386

本设计塔器为低压分离设备，介质为易燃、中毒危害介质，故划分为一类压力容器。

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p172-185）。 塔体圆筒体壁厚计算按照GB150-1998《钢制压力容器》式5-1 计算壁厚： pcDi2[]tp =0.11*1400c2*157*0.850.110.577mm 式中 ：塔体的理论计算壁厚，mm

pc：塔体的计算压力，MPa Di：塔体内径，mm

[]t：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=0.5770.180.241； CC1C2=0.18；

enC；

式中 n：名义厚度；

C1：腐蚀裕量； C2：钢板负偏差；

：圆整量；

e：有效厚度；

查表《化工设备机械基础》表8-7[]t=170 MPa pc：取塔体的设计压力，0.11 MPa

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（4-1）4-2）

（焊缝为双面焊，局部射线检测，=0.85

代入数据到式（4-1）得：C1 =1 mm C2 =0 mm

代入数据到式（4-2）得：名义厚度： nC= 2 mm 按最小厚度min要求 取 n= 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GB150-1998《钢制压力容器》式7-1 计算壁厚： pcDi （4-3） t2[]0.5pc0.111800pcDi= =0.69 mm（1400） 21700.850.112[]tpc式中 ：塔体封头的理论计算壁厚，mm

pc：塔体的计算压力，MPa Di：塔体内径，mm

[]t：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；

CC1C2；

enC；

式中 n：名义厚度；

C1：腐蚀裕量； C2：钢板负偏差；

：圆整量；

e：有效厚度；

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查表《化工设备机械基础》表8-7[]t=170 MPa pc：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： =

C1 =1 mm C2 =0 mm

代入数据到式（4-2）得：名义厚度： nC= 2 mm 按标准椭圆封头最小厚度min 〉0.15%Di要求 取 n= 6 mm 查《化工设备机械基础》(p196)

选标准椭圆形封头JB/T4746-2002封头直边高度h0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》p327（列出所选尺寸），焊接坡口尺寸选《化工设备机械基础》第十四章第二节p375 C型。

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（p326-p335）。 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HG20594-95 接管￠5308(p302) 材料：20 a. 开孔所需补强面积 ； A=d+2et(1-fr)

（4-4）

pcDi t2[]0.5pc0.111800=0.59 mm（1400）

217010.50.11 式中 fr ：强度削弱系数 d ：开孔直径 mm ：塔体的计算壁厚mm et：接管的有效厚度mm d=di+2Ct=(530-16)+2(1+0)=518 mm

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et=nt- Ct=8-1=7 mm

塔体材料：16MnR []t =170 MPa

接管材料：20 []tt=130 MPa

tftrt=

130170=0.78 代入式（4-4） A=d+2et(1-fr)

=518*0.577+20.5777(1-0.78) = 300.0 mm2

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：h1=dnt =5188=64.4 mm 内伸高度：h2= 0 mm

②壳体多余截面积

A1=(B-d)( e-)-2et( e-)(1-fr) （4-5） 代入式（4-5）

A1=(1036-518)(7-0.577)-27(7-0.577)(1-0.78) = 3307.3 mm2 ③接管多余截面积

A2=2h1(et-t) fr +2h2(et-C2) fr （4-6） 接管计算厚度t=pcdi0.112[]tp= 514c213010.11=0.22 式中 di：接管内直径 mm di=530-16=514 mm

代入式（4-6） A2=2h1(et-t) fr +2h2(et-C2) fr =264.4(7-0.22)0.78=681 mm2

④焊缝金属截面积 A3=66=36 mm2

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mm

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（p242-244）。 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》p442图17-21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》p242进行裙座的轴向稳定性校核。 6）座圈的压应力校核

m封头=1202=240 kg（p197） m筒体=20812=2496 kg（p195） m塔盘=n(Aa+Af+Ai)ρ=2294 kg

m水=v筒12ρ水+ v封2ρ水=1.539121000+0.39821000 =19264 kg（p195、197） Q设备= m封头+ m筒体+ m塔盘=49294 N Q附件= 10%Q设备=4929.4N

Q水= m水g=192649.81=188979.84 N A= π(1.4162-1.42)/4=0.035 m2

Q=AQ设备Q附件Q水A=6.95 MPa < []t

校核合格

7) 水压试验应力校核

水压试验压力PT

PT1.25PPT1.25P[] （3-7） []t[]=1.25x0.11=0.14 MPa t[]卧置水压试验压力：PTPT+ h=0.14+0.23=0.37 MPa

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水压试验压力下的应力校核：

T

PT[Die]0.9S （3-8） 2e式中 ： 焊接接头系数 =0.85

e： 塔体有效厚度 e=n-C1-C2

S： 塔体材料的屈服极限(p168) S=345 MPa

PT： 水压试验压力

T： 圆筒水压试验压力下的应力

[]：试验温度下材料的许用应力

[]t：设计温度下材料的许用应力 Di： 圆筒内直径 代入数据到式（3-8）

TPT[Die]= 32.5 0.9S=263.9

2e满足水压试验压力下的应力校核条件。

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五. 设计小结

（约300字左右）

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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]．

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