过程装备与控制工程尾气再吸收塔毕业设计

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1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)尾气再吸收塔结构设计Design of Tail Gas Absorption Tower 学 院： 机械工程学院 专业班级： 过程装备与控制工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 徐舒（副教授） 2013 年 6 月毕业设计（论文）中文摘要尾气再吸收塔结构设计摘 要：为了设计再吸收塔的整体结构，此设计按照给定的设计参数及要求主要包括四个部分计算：1.筒体设计计算（涉及应力校核和壳体稳定验算等）2.裙座部分验算（主要涉及裙座筒体稳定验算、地脚螺栓的选用、焊缝验算）3.接管开孔的补强的计算（包括人孔标准的选择）4.法兰的设计（涉及垫片螺栓的选用）。设计过程严格按

2、照国家标准（GB150-1998）-钢制压力容器和中华人民共和国行业标准（JB/T4710-2005）-钢制塔式容器的要求来完成。关键词：接管选择；补强计算；校核；载荷毕业设计（论文）外文摘要 Design of the Tail Gas Absorption TowerAbstract: In order to design the overall structure of the absorption tower, design parameters and requirements of this design according to the given calculation mai

3、nly includes four parts: 1. The shell design and calculation (relating to the shell stress checking and stability checking, etc.) 2. The skirt part of the calculation (mainly relates to skirt cylinder stable calculation, the selection of anchor bolt and weld calculation) 3. The hole over the reinfor

4、cement calculation (including the selection of manhole standard) 4. The flange design (involving the selection of gasket bolts). Design process in strict accordance with and request to complete.Keywords: pipe choice；computation of reinforcement；check；lode目 录1 绪论11.1 各部分计算的具体内容12 再吸收塔的设计计算22.1 塔体设计参数

5、22.2 筒体设计部分22.2.1 塔体分段22.2.2 塔体厚度22.2.3 容器质量32.2.4 自振周期42.2.5 地震载荷和地震弯矩42.2.6 风载荷和风弯矩52.2.7 最大弯矩计算62.2.8 塔壳的强度与稳定验算72.3 裙座验算部分82.3.1 裙座筒体稳定验算82.3.2 基础环设计92.3.3 地脚螺栓的选用102.4 开孔补强计算 112.4.1 管口A112.4.2 管口N132.4.3 管口E152.4.4 管口F172.4.5 管口C192.4.6 塔体人孔212.4.7 裙座入孔H232.5 法兰设计252.5.1 垫片设计262.5.2 螺栓设计282.5.

6、3 法兰设计30结 论34致 谢35参 考 文 献361 绪论此设计是关于再吸收塔的整体结构的设计，设计按照给定的设计参数及要求主要包括筒体设计计算（涉及应力校核和壳体稳定验算等），裙座部分验算（主要涉及裙座筒体稳定验算、地脚螺栓的选用、焊缝验算），接管开孔的补强的计算（包括人孔标准的选择），法兰的设计（涉及垫片螺栓的选用）四部分。设计过程严格按照国家标准（GB150-1998）-钢制压力容器和中华人民共和国行业标准（JB/T4710-2005）-钢制塔式容器的要求来完成。1.1 各部分计算的具体内容1.筒体的设计：主要根据GB150-1998 中的关于壁厚计算的公式并结合具体实践来完成整个塔

7、身的计算。 2.塔体分段和各部分质量的计算：分段要参照塔体的总高和人孔的分布，而且在分段过程中各段必须包括人孔在内。本塔共分为10 段，塔身分8段，裙座分2 段，各段圆筒的操作质量、最大质量和最小质量都要按照分段求出。3.载荷计算：包括风载荷、地震载荷和偏心力，所以除了操作压力、内件、物料和自身重力外，还必须考虑风载和地震载荷对塔的影响。为了确定塔体的危险截面，需把各段筒体的受力集中于该段中心处，并计算出各段筒体的受力和弯矩。 4.强度的验算和稳定性验算：主要是对载荷分析后所确定的危险截面进行校核，来确定壳体能否满足具体应力要求。 5.裙座部分的验算：包括裙座稳定性计算、地脚螺栓的选择、基础环

8、的设计、以及焊缝处的验算。在强度验算中，首先要确定裙座的危险截面，并对危险截面进行校核。在焊缝验算中需要计算弯矩分析质量对截面的焊缝的应力，确保其满足应力要求。在基础环设计中，根据实践经验假设内外径，然后根据公式进行校核，若假设不满足要求，则需根据结果重新选取内外径，达到要求为止。在选用地脚螺栓时，需要计算出地脚螺栓所承受的最大拉应力，再根据计算结果选取材料以及确定螺栓螺纹小径，最后按标准来选取螺栓。 6.接管开孔的补强设计：这部分一般选取较大管口进行计算，若需要补强，则确定开孔所需补强面积，再参照接管方位确定其有效补强范围及有效补强面积，然后算出补强的面积，进而根据结果设计补强圈。 7.法兰

9、和法兰相关部件的设计：本塔的法兰主要是管法兰，而且都为标准件。一般来说，选择较为典型的一个法兰进行设计计算。这部分计算依据为国标和钢制压力容器设计指南。2 再吸收塔的设计条件塔径为，塔高为，设置地区条件的基本风压值为，地震烈度为八度，场地土类别为类，布置八个人孔和八个平台，平台宽，单位质量,分别距裙座底部，,，塔内装有层浮阀塔盘，塔盘间隔，塔盘上存留介质高度，介质为贫吸收油其密度，塔体外表面保温层材料为岩棉，厚度为, 密度为。2.1 塔体设计参数 表2-1 塔体设计参数表参数设计压力设计温度2.50MPa70C 封头和筒体材料：16MnR，厚度附加量取3.8mm，许用应力; 裙座材料：16Mn

10、R，厚度附加量取 4mm，许用应力;塔体和裙座采用搭接焊接形式。2.2 筒体设计2.2.1 塔体分段 全塔高 26.5m，分为 10 段；裙座分为 2 段；筒体分为 8 段；2.2.2 塔体厚度（1）圆筒 根据 GB150-1998 式（5-1）计算圆筒的厚度； 计算厚度： （2-1） （其中为计算压力） 加上厚度附加量并且圆整，圆筒的名义厚度最终取20mm。 按 第条规定，圆筒最小厚度为；其计算厚度较薄,故结合工程实践经验，取圆筒的名义厚度为20mm。 有效厚度： （2-2）（2）椭圆形封头 参照GB150-1998 公式（7-1） 计算封头厚度： （2-3）（其中k查表取1) 经加厚度附加

11、量并圆整，最后封头取名义厚度为20mm。（3）裙座 根据工程实践经验，一般取塔体的相近或相同的厚度，所以取名义厚度为 20mm。2.2.3 容器质量（1）容器壳体总质量和裙座的质量 （2） 内构件质量（根据J钢制塔式容器，其中塔盘单位质量为）(3) 保温材料质量(4) 平台和扶梯的质量（根据钢制塔式容器单位质量分别为和） （5） 操作时物料的质量（6） 附件质量，按经验取（7） 容器内充水质量（8） 容器操作质量 （2-4）（9） 容器的最大质量 （2-5）（10） 容器的最小质量 （2-6）（11）列每段的操作质量见下表2-2： 表2-2 操作质量12345678910763.1862432

12、.4462479.4562479.4562479.4562479.4562479.4562479.4562479.4562598.406851.15851.15851.15851.15851.15851.15470.396470.396470.396470.396470.396470.396470.396470.3963288693.463693.463693.463693.463693.463693.463693.463693.463794.407794.407794.407794.407794.407794.407190.79607.1619.86619.86619.86619.86619

13、.86619.86619.86649.66156.8426156.8426156.8426156.8426156.8426156.8426156.8426156.842862.173004.744145.325989.2855989.2855989.2855989.2855989.2855989.2855989.2852.2.4 自振周期 本塔可以近似的认为是内径与壁厚相等的塔，自振周期按化工设备设计手册公式11-11计算： （2-7） 2.5 地震载荷和地震弯矩 全塔分成共分10 段，并将各部分的质量集中在各段的中心处。各段集中质量的水平地震力见下表2-3。表2-3 水平地震力1234567

14、8910862.173004.744145.325989.2855989.2855989.2855989.2855989.2855989.2854294.01100034006156.258868.7511581.2514293.7517006.2519718.7522431.2525143.753.1621.9824.838.3521.2461.7092.2182.7693.3603.9872.7265.9552.0025.0027.4631.0241.3281.6582.0121.7128.621.189.674.1789.2991.752.9464.5916.766.8263.0083.

15、1961.1512.4520.4040.5880.7941.0911.2611.5210.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.3190.3190.3190.3190.3190.3190.3190.3190.3190.3194.166150.26746.5772297.8683786.0475418.387440.8959549.46111817.34110219.319其中 （查化工设备设计式（ 11- 5 ）集中质量引起的基本振型水平地震力，N;综合影响系数，取0.5；对应于塔器基本自振周期地震影响系数值；各计算截面的地震弯矩： （2-8） （2-9） （2-10）

16、容器高径比： 5 （2-11）故应考虑高振型的影响。 2.2.6 风载荷和风弯矩 计算风载荷时，可以将全塔分成六段，裙座分两段，塔体均分四段；当量直径： （2-12）裙座当量直径： （2-13）说明：-塔体外径（取1740mm）-保温层厚度（取200）-扶梯当量宽度（取400mm）-操作平台的附加宽度（取600mm）参照钢制塔式容器 现将各段的参数列于下表2-4: 表2-4 各段参数 120006500.71.036720.829802.040.720.022.249228006500.71.128520.829802.040.720.073.427354256500.71.352511.02

17、9402.040.720.249.815454256500.71.678571.1429402.040.790.481.389554256500.71.941171.2529402.040.790.731.761654256500.72.134931.4229402.040.791.02.2说明： 查化工设备设计手册下卷P71式（11-14）；其中 体型系数，取0.7；时振系数， ；风压高度变化系数，查化工设备设计表（11-5）；脉动最大系数，查表（11-6），取2.04；脉动影响系数，查表（11-7）；振型系数，查表（11-8）； 根据国标 JB/T4170-2005式（8-21）、（8-2

18、2）各计算截面的风弯矩为： （2-14） （2-15） （2-16）2.2.7 最大弯矩计算 0.25倍的风弯矩与各截面的最大弯矩应由地震弯矩相加然后与风弯矩进行比较，参考式（）（）： （2-17） （2-18） （2-19）故取：即：最大弯矩由地震弯矩控制2.2.8 塔壳的强度与稳定验算 取危险截面11-11，即裙座顶端截面。塔壳的强度计算：截面以上的操作质量 =-862.17-3004.74=44147.893 kg塔壳的有效厚度 计算截面的横截面积 = （2-20）计算截面的截面系数 （2-21）最大弯矩 根据JB/T4710-2005式（8-29） 轴向许应压应力 (取小值，k取1.2

19、) =轴向许应拉应力 根据JB/T4710-2005式（8-26） 操作质量引起的轴向应力： （2-23）根据JB/T4710-2005式（8-27） 操作质量引起的轴向应力： （2-24） （其中不计）根据JB/T4710-2005式（8-28）最大弯矩引起的轴向应力： （2-25） 稳定验算：根据JB/T4710-2005式（8-30）、（8-32） （2-26） （2-27）故验算壳体满足设计要求 2.3 裙座验算部分2.3.1 裙座筒体稳定验算裙座验算通常取两个截面：裙座因开空被削弱的截面（底面、较大管线引出孔的截面）和最大弯矩的截面（人孔截面），所以必须进行校核。0-0 截面：（裙座

20、底面截面）根据式（8-47） （2-27），,故因此验算合格。（其中，=1.2）根据式（） 89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法判别 开孔直径： （2-46） 本筒体开孔直径 满足GB150-1998第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）筒体计算厚度 筒体计算厚度按 GB150-1998 式（5-1）确定： 计算厚度：d（2）开孔所需补强面积 开孔所需补强面积按式（8-1）计 （2-47） 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效补强宽度 B 按 式（8-7）确定： （2-48） 取两者之大值，故 B=633.2mm;（2）有效高

21、度 a.外侧有效高度 按 GB150-1998式（8-8）确定： 89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法判别 开孔直径： 本凸形封头开孔直径 d=264.6，满足 GB150-1998 第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）封头计算厚度 封头计算厚度按 GB150-1998式（7-1）确定： 计算厚度： 说明 ：根据 GB150-1998按标准封头取 k=1。（2）开孔所需补强面积 开孔所需补强面积按 GB150-1998 式（8-1）计算：3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度B按GB150-1998 式（8-7）确定： 故

22、：=529.2mm（2）有效高度 a.外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： 0mm(实际内侧高度） 故：=0(mm)4.有效补强面积（1）封头多余金属面积 封头有效厚度： 多余金属面积按GB150-1998 式（8-11）计算： （2）接管多余金属面积 接管计算厚度： 接管多金属面积按 GB150-1998 式（8-12）计算： （3）补强区焊缝面积（焊脚取9mm） （4）有效补强面积 （5）所需另行补强面积 （6）根据接管公称直径选择补强圈，参照补强圈标准JB/T-4736取补强圈外径，内径，故补强圈厚度为 工程设计中可以考虑设计补强圈，厚度与壳体厚度相同，故补强圈的厚度

23、为20mm。2.4.3 管口E（回流液入口） 设计条件：设计压力：P=2.50MPa设计温度：t=70圆筒内径：; 名义厚度：=20mm;接管的名义厚度取8mm中心设置 1084mm ，L=113mm的内平齐接管，开孔未通过焊缝。厚度附加量： 壳体：; ; ； 接管：; ; ；接管外伸高度： =200mm; =0mm； 材料：封头：16MnR；许用应力=163MPa；接管：20号钢；许用应力=130MPa； 试进行补强度设计。1.补强及补强方法判别（1）补强判别 根据 GB150-1998 第8.3条：其中允许不另行补强的最大接管DN=89mm。本开孔DN=108mm89mm,故需另行考虑其补

24、强。（2）补强计算方法判别 开孔直径： 本凸形封头开孔直径 d=107.6，满足 GB150-1998 第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）筒体计算厚度 筒体计算厚度按 GB150-1998 式（5-1）确定： 计算厚度：（2）开孔所需补强面积 开孔所需补强面积按 GB150-1998 式（8-1）计算： 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度B按GB150-1998 式（8-7）确定： 故：=215.2mm（2）有效高度 a. 外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： 89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法

25、判别 开孔直径： 本凸形封头开孔直径 d=210.6，满足 GB150-1998 第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）封头计算厚度 封头计算厚度按 GB150-1998式（7-1）确定： 计算厚度：mm 说明 ：根据 GB150-1998按标准封头取 k=1。（2）开孔所需补强面积 开孔所需补强面积按 GB150-1998 式（8-1）计算： 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度B按GB150-1998 式（8-7）确定： 故：=421.2mm（2）有效高度 a. 外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： 0mm(实

26、际内侧高度） 故：4.有效补强面积（1）封头多余金属面积 封头有效厚度： 封头多余金属面积按 GB150-1998 式（8-11）计算 （2）接管多余金属面积 接管计算厚度： 接管多金属面积按 GB150-1998 式（8-12）计算： （3）补强区焊缝面积（焊脚取9mm） （4）有效补强面积 （5） 所需另行补强面积 （6）根据接管公称直径选择补强圈，参照补强圈标准JB/T-4736取补强圈外径，内径，故补强圈厚度为 工程设计中可以考虑设计补强圈，厚度与壳体厚度相同，故补强圈的厚度为20mm。2.4.5 管口C（吸收剂出口 裙座） 设计条件：设计压力：P=2.50MPa设计温度：t=70标准

27、椭圆封头：; 名义厚度：;接管的名义厚度： 设置 2198mm 的内平齐接管，开孔未通过焊缝。厚度附加量： 壳体：; ; ； 接管：; ; ；接管外伸高度： =100mm; =100mm； 材料： 封头：16MnR；许用应力=163MPa； 接管：20号钢；许用应力=130MPa； 试进行补强度设计。1.补强及补强方法判别（1）补强判别 根据 GB150-1998 第8.3条：允许不另行补强的最大接管直径DN=89mm。本开孔DN=257mm89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法判别 开孔直径： 本凸形封头开孔直径 d=211，满足GB150-1998第 8.5.5 条计算方法适用条

28、件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）裙座筒体计算厚度 裙座筒体计算厚度按 GB150-1998 式（5-1）确定： 计算厚度：（2）开孔所需补强面积 开孔所需补强面积按 GB150-1998 式（8-1）计算： 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度按GB150-1998 式（8-7）确定： 故：=422mm（2）有效高度 a. 外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： （实际外侧高度） 故：=41.08(mm) b. 内侧有效高度按 GB150-1998 式（8-9）确定： （实际内侧高度） 故：=41.08(mm)4.有效补强面积（1）圆筒多余金

29、属面积 圆筒有效厚度： 圆筒多余金属面积按按GB150-1998 式（8-11）计算： （2）接管多余金属面积 接管的计算厚度： 接管多余金属面积按GB150-1998 式（8-12）计算： （3）补强区内焊缝面积（焊脚取8mm） （4）有效补强面积 （5）所需另行补强面积 （6）根据接管公称直径选择补强圈，参照补强圈标准JB/T-4736取补强圈外径，内径，故补强圈厚度为 工程设计中可以考虑设计补强圈，厚度与壳体厚度相同，故补强圈的厚度为20mm。2.4.6 塔体人孔（管口M1-M8） 设计条件：设计压力：P=2.50MPa设计温度：t=70圆筒内径：; 名义厚度：;人孔标准RFIX(W.D

30、-2222)500-2.5.根据人孔标准：DN=500，PN=2.5：查HG21-95得到人孔尺寸为：, 即：中心设置mm的厚壁插入式接管，开孔未通过焊缝。 厚度附加量： 壳体：; ; ； 接管：; ; ； 接管外伸高度： =100mm; =170mm； 材料：圆筒：16MnR；许用应力=163MPa；接管：20号钢；许用应力=130MPa； 试进行补强度设计。1.补强及补强方法判别（1）补强判别 根据 GB150-1998 第8.3条规定：其中允许不另行补强的最大接管直径 DN 为89mm。本开孔 DN=257mm89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法判别 开孔直径： 本凸形封头开

31、孔直径 d=507.6mm，满足 GB150-1998 第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）筒体计算厚度 筒体计算厚度按 GB150-1998 式（5-1）确定： 计算厚度：（2）开孔所需补强面积 通过GB150-1998 式（8-1）计算得出开孔所需的补强面积： 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度B按GB150-1998 式（8-7）确定： 故：B=1015.2mm（2）有效高度 a. 外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： （实际外侧高度） 故：=78.05(mm) b. 内侧有效高度按 GB150-1998

32、 式（8-9）确定： (实际内侧高度） 故：=78.05(mm)4.有效补强面积（1）圆筒多余金属面积 圆筒有效厚度： 圆筒多余金属面积按按GB150-1998 式（8-11）计算：（2）接管多余金属面积 接管的计算厚度： 接管多余金属面积按GB150-1998 式（8-12）计算： （3）补强区内焊缝面积（焊脚取12mm） （4）有效补强面积 （5）所需另行补强面积 （6）根据接管公称直径选择补强圈，参照补强圈标准JB/T-4736取补强圈外径，内径，故补强圈厚度为 工程设计中可以考虑设计补强圈，厚度与壳体厚度相同，故补强圈的厚度为20mm。2.4.7 裙座入孔H 设计条件：其中设计压力应为

33、：P=0.1MPa设计温度：t=25标准椭圆封头：; 名义厚度：；设置 mm 插 入式接管，开孔未通过焊缝。 厚度附加量： 圆筒：; ; ; 接管：; ; ； 接管外伸高度： ; ； 材料：封头：16MnR；许用应力=163MPa；接管：20号钢；许用应力=130MPa； 试进行补强度设计。1.补强及补强方法判别（1）补强判别 通过查看其中第8.3条：允许不另行补强的最大接管直径DN=89mm。本开孔 DN=500mm89mm,故需另行考虑其补强。（2）补强计算方法的判别 开孔直径： 本凸形封头开孔直径 d=508mm，满足 GB150-1998 第 8.5.5 条计算方法适用条件，故可采用等

34、面积方法进行补强计算。2.开孔所需补强面积（1）裙座筒体计算厚度 裙座筒体计算厚度按 GB150-1998 式（5-1）确定： 计算厚度： 开孔所需补强面积 通过GB150-1998 式（8-1）计算开孔所需的补强面积： 3.有效补强范围（1）有效宽度 有效宽度按GB150-1998 式（8-7）确定： 故：B=1016mm（2）有效高度 a. 外圈有效高度按 GB150-1998 式（8-8）确定： 75mm（实际外侧高度） 故： b. 内侧有效高度按 GB150-1998 式（8-9）确定： 6.4mm,取;（5）通过计算得出垫片压紧力作用中心圆直径为（6）垫片压紧力a.在预紧状态下的最小

35、垫片压紧力通过 GB 150-1998式（9-1）进行计算： （2-58）b.在操作状态下的最小垫片压紧力通过 GB150-1998式（9-2）进行计算： （2-59）（7）垫片宽及校核紧固法兰螺栓材料:35CrMoA根据 GB150-1998式（9-6）(9-7)计算： a在预紧状态上所需要的最小螺栓面积： （2-60） b. 操用状态下需要的最小螺栓面积 （2-61） （2-62） 参数说明：常温下螺栓材料的许用应力（取为228MPa）设计温度下螺栓材料许用应力（取211MPa）预警状态下需要的最小罗转载荷（见2螺栓设计）操作状态下需要的最小螺栓载荷（见2螺栓设计）根据GB150-1998

36、中的第9.5.2.3条：取螺栓面积 实际螺栓面积所以： （2-62）由于,故满足要求。2.5.2 螺栓设计（1）螺栓材料及许用应力螺栓采用 35CrMoA,此时螺栓许用应力; =211.5MPa（2）螺栓载荷a. 在预紧状态下的最小螺栓载荷通过 GB150-1998式（9-4）进行计算： （2-63） b. 操作状上的需要的最小螺栓载荷按 GB150-1998式（9-5）计算： （2-64）（3） 螺栓面积a. 在预紧状下态的最小螺栓面积通过 GB150-1998式（9-6）进行计算： （2-65）b. 在操用状态下的最小螺栓面积通过 GB150-1998式（9-7）进行计算： （2-66）c. 需要的螺栓面积： （2-67）（4）螺栓配置a. 螺栓规格 参照 HG20595-1997取 M=27b. 螺栓数量 考虑工程实际情况，取 n=16 个。螺栓总截面积： （2-68）c. 螺栓中心圆直径（计算示意图如图2-7示）螺栓中心孔直径应取下列二者之大值： 图2-7 螺栓中心圆直径简图 满足法兰背面的径向结构要求： 其中: 法兰大端厚度,一般取 1.5-2 倍的对接接管厚度,故 =1.58=12 =0.8.S=0.834=27.2 同时需要在径向结构部分满足法兰密封面的要求： +2+d=363+23.2+30=399.4 m