《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：
2011年 月 日
目 录
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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
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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（或板式塔）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（板式塔）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(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]．
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[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(填料塔、板式塔)装配图一张(A1)。
（精馏塔设计例题）
二. 设计参数与结构简图
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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 塔板数 块： 38 介质： 苯-甲苯混合物
2、结构简图 （根据自己的设计题手画）
图1 精馏塔结构简图
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(填料塔、板式塔)。
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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 (或填料高度)。 由化工工艺计算塔板数目为30块 3、根据介质条件的不同，拟定管口方位。
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
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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：20 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) 170 Q235-B 113 16MnII 170 20 133 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）
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：
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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 80 80 450 500 公称直径80 （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： 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： 苯-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（p254）。 （d）法兰标记
法兰－RF 1800－0.25 JB/T4701-2000 选取结果如下表： 设备法兰
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 HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 HG20594 法兰 SO80-1.0MFM 18 16MnII 16MnII 16MnII MFM 1800-0.25 JB/T4703-2000 材料 Q345R(16MnR) HG20594 法兰SO450-1.0MFM 28 16MnII HG20594 法兰SO500-1.0MFM 28 16MnII 5） 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10-30
法兰密封垫片选非金属软垫片 PN=0.25MPa （JB/T4704-2000） P265
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垫片 1800-0.25 JB/T4704-2000 6） 裙座选取
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。 支座选取裙式支座 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，
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。 8） 手孔设置
手孔选取同上，
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HG20597-95。 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) 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。
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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： ??pcDi （4-1） t2[?]??pc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??； （4-2）
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；
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，局部射线检测，?=0.85
代入数据到式（4-1）得：??C1 =1 mm C2 =0 mm
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0.11?1800pcDi= =0.69 mm t2?170?0.85?0.112[?]??pc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）
2[?]t??0.5pc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；
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： ??pcDi
2[?]t??0.5pc11
=
C1 =1 mm C2 =0 mm
0.11?1800=0.59 mm
2?170?1?0.5?0.11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） 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 ?et=?nt- Ct=8-1=7 mm
塔体材料：16MnR [?]t =170 MPa
接管材料：20 [?]tt=130 MPa
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tf???tr????t=
130170=0.78 代入式（4-4） A=d?+2??et(1-fr)
=518?0.69+2?0.69?7(1-0.78) = 359.5 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)(7-0.69)-2?7(7-0.69)(1-0.78) = 1211.2 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=??pcdi0.11?5142[?]t??p= c2?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
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
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mm
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=267?26.5=240 kg（p195） m塔盘=n(Aa+Af+Ai)ρ= 6995.4 kg
m水=v筒?26.2?ρ水+ v封?2?ρ水=2.545?26.2?1000+0.826?2?1000 =68331 kg（p195、197） 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 A= π(1.8162-1.82)/4=0.034 m2
Q=Q设备?Q附件?Q水AA=22.6 MPa < [?]t
校核合格
7) 水压试验应力校核
水压试验压力PT
P[?]T??1.25P[?]t （3-7） P[?]T??1.25P[?]t=1.25x0.11=0.14 MPa 卧置水压试验压力：PT?PT?+ ?h=0.14+0.23=0.37 MPa 水压试验压力下的应力校核：
?i??e]T?PT[D2??0.9??S e 14
3-8） （
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]= ?0.9??S
2?e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）
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六. 参考文献
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[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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化工设备课程设计计算书（板式塔）
