过程设备设计课后习题答案 (2)

习题1. 一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa ，设计温度为50℃；圆筒内径D i =1200mm ，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K ≤0.1mm/a ，设计寿命B=20年。

试在Q2305-A ·F 、Q235-A 、16MnR 三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。

解：p c =1.85MPa ，D i =1000mm ，φ=0.85，C 2=0.1×20=2mm ；钢板为4.5~16mm 时，Q235-A 的[σ]t =113 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ；钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。

材料为Q235-A 时：[]mmC C ppD t1412.524mm 28.0724.99.724mm85.185.01132100085.12n 21n ==++=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδ取材料为16MnR 时：[]mmC C ppD t109.243mm 28.0443.6mm443.685.185.01702100085.12n 21n ==++=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδ取2. 一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa （即50℃时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内径D i =2600mm ，筒长L=8000mm ；材料为16MnR ，腐蚀裕量C 2=2mm ，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。

试确定：○1各设计参数；○2该容器属第几类压力容器；○3圆筒和封头的厚度（不考虑支座的影响）；○4水压试验时的压力，并进行应力校核。

解：○1p=p c =1.1×1.62=1.782MPa ，D i =2600mm ，C 2=2mm ，φ=1.0，钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，σs =345 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。

容积3322m .689MPa 57474.42782.1,42.474m 86.244⋅=⨯==⨯⨯==pV L D V i ππ○2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MP a ·m 3>10MP a ·m 3，属三类压力容器。

○3圆筒的厚度 []mmC C ppD t18mm 493.6128.0693.1313.693mm62.1117022600782.12n 21n ==++=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδ取 标准椭圆形封头的厚度[]mmC C ppD t18mm 528.6128.0728.1313.728mm62.15.0117022600782.15.02n 21n ==++=++≥=⨯-⨯⨯⨯=-=δδδφσδ取○4水压试验压力 MPa p p T 228.2782.125.125.1=⨯==应力校核3. ()()()MPa D p s e e i T T 5.3103459.09.0191.667M Pa 8.21828.2182600228.22=⨯=≤=-⨯-+⨯=+=φσδδσ3.今欲设计一台乙烯精馏塔。

已知该塔内径D i =600mm ，厚度δn =7mm ，材料选用16MnR ，计算压力p c =2.2MPa ，工作温度t=-20~-3℃。

试分别采用半球形、椭圆形、碟形和平盖作为封头计算其厚度，并将各种形式封头的计算结果进行分析比较，最后确定该塔的封头形式与尺寸。

解：钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，σs =345 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ，取C 2=1.0mm ，φ=1.0 ○1半球形封头壁厚 []mmp D p ctic 7 3.747mm 10.81.947 1.947mm2.20.117046002.24n ==++=-⨯⨯⨯=-=δφσδ取○2标准椭圆形封头壁厚 []mmp D p ctic 7 5.695mm 10.8895.3 3.895mm2.25.00.117026002.25.02n ==++=⨯-⨯⨯⨯=-=δφσδ取○3标准碟形封头壁厚 []mmp R Mp rR M D R c ti c ii i 75mm 44.610.8645.4mm 645.42.25.00.117025402.2325.15.02325.1102540341341102mm60017.00.17D r 540mm,6009.09.0n i ==++=⨯-⨯⨯⨯⨯=-==⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+==⨯===⨯==δφσδ取○4平盖封头厚度 []mmmm mm ，C mmKp D K ，n t ccp 40285.391.18.0385.371.140~3424385.370.11702.23.06003.05841==++=>-=⨯⨯⨯===-δφσδ取时钢板厚度查表系数的结构形式序号取表从受力状况和制造成本两方面综合考虑，取标准椭圆形封头和碟形封头均可。

4. 一多层包扎式氨合成塔，内径D i =800mm ，设计压力为31.4MPa ，工作温度小于200℃，内筒材料为16MnR ，层板材料为16MnR ，取C 2=1.0mm ，试确定圆筒的厚度。

解：钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σi ]t =[σ0]t = 170 MPa ，σs =345 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ，φi =1.0，φ0=0.9。

为安全起见取φ=0.9，按中径公式计算：[]mmmm ，，mm p D p ctic 110106.079mm 16.3191.4796.138.017171166 1.479mm94.319.017028004.312n ==++=⨯=-⨯⨯⨯=-=δφσδ取层的总壁厚负偏差为共层内筒层层板取 5. 今需制造一台分馏塔，塔的内径D i =2000mm ，塔身长（指圆筒长+两端椭圆形封头直边高度）L 1=6000mm ，封头曲面深度h i =500mm ，塔在370℃及真空条件下操作，现库存有8mm 、12mm 、14mm 厚的Q235-A 钢板，问能否用这三种钢板制造这台设备。

解：计算长度6333.333mm 350026000321=⨯+=+=i h L L查表4-2得：8mm 、12mm 、14mm 钢板，C 1=0.8mm ；取C 2=1mm 。

三种厚度板各自对应的有效厚度分别为：8-1.8=6.2mm 、12-1.8=10.2mm 、14-1.8=12.2mm 。

三种厚度板各自对应的外径分别为：2016mm 、2024mm 、2028mm ○18mm 塔计算 []()钢板不能制造这台设备得查图得查图8mm 0.1MPa0.0243MPa 161.32531069.100007.02321069.1E ：7-40.00007;A ：6-4 3.1422016333.6333D L 20,325.1612.6201650500<=⨯⨯⨯⨯==⨯====>===e e D AE p MPa D δδ○212mm 塔计算 []()钢板不能制造这台设备得查图得查图12mm 0.1MPa0.057MPa 647.19731069.10001.02321069.1E 7-40.0001;A 6-4 3.1292024333.6333D L 20,431.9812.10202450500<=⨯⨯⨯⨯==⨯====>===e e D AE p MPa D δδ：：○314mm 塔计算 []()钢板能制造这台设备得查图得查图14mm 0.1MPa0.149MPa 23.16631069.100022.02321069.1E 7-40.00022;A 6-4 3.1232028333.6333D L 20,23.6612.12202850500>=⨯⨯⨯⨯==⨯====>===e e D AE p MPa D δδ：：6. 图所示为一立式夹套反应容器，两端均采用椭圆形封头。

反应器圆筒内反应液的最高工作压力p w =3.0MPa ，工作温度T w =50℃，反应液密度ρ=1000kg/m 3，顶部设有爆破片，圆筒内径D i =1000mm ，圆筒长度L=4000mm ，材料为16MnR ，腐蚀裕量C 2=2.0mm ，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，且进行100%无损检测；夹套内为冷却水，温度10℃，最高压力0.4MPa ，夹套圆筒内径D i =1100mm ，腐蚀裕量C 2=1.0mm ，焊接接头系数φ=0.85，试进行如下设计：○1确定各设计参数； ○2计算并确定为保证足够的强度和稳定性，内筒和夹套的厚度； ○3确定水压试验压力，并校核在水压试验时，各壳体的强度和稳定性是否满足要求。

解：○1各设计参数： ◇1反应器圆筒各设计参数： 按GB150规定，选择普通正拱型爆破片，静载荷情况下，其最低标定爆破压力MPa p p w s 29.4343.143.1min =⨯=≥查GB150表B3爆破片的制造范围，当设计爆破压力高于3.6MPa 时，取精度等级0.5级，其制造范围上限为3%设计爆破压力，下限为1.5%设计爆破压力，设计爆破压力为()MPa p p s b 4.354015.129.4015.01min =⨯=+=按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：()MPa p p b 4.48503.1354.403.01=⨯=+=按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：MPa p 5.025.14.0=⨯=按外压设计时的计算长度：mm L 399041000403004000=++-= 设计温度取工作温度钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ，腐蚀裕量C 2=2.0mm ，φ=1.0◇2夹套各设计参数： 设计压力（并取计算压力等于设计压力）：取最高工作压力。

设计温度取10℃，C 1=0。

○2内筒和夹套的厚度： □1圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计 ◇1按内压设计时 [][]mmC C p pD：mmC C ppD：tt18mm 079.6128.0279.1313.279mm 485.45.0117021000485.45.0218mm 168.6128.0368.1313.368mm485.4117021000485.42n 21n n 21n ==++=++≥=⨯-⨯⨯⨯=-===++=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδδδδφσδ取标准椭圆形封头壁厚取圆筒壁厚[]()满足稳定性要求得查图得查图取圆筒稳定性校核18mm 0.5MPaMPa 027.1158.687070B 8-40.00055;A 6-4 3.85110363990D L 20,158.682.1510361036361000,2.158.218,18n 0000=>=======>====+==-==δδδδδe e e n D Bp MPaD mm D mm mm ：：：[]()满足稳定性要求得查图得系数查表取校核标准椭圆形封头稳定性18mm 0.5MPaMPa 608.24.9322.15160160B 8-40.0024.9322.15125.0125.04.93210369.0,9.0541036361000,2.158.218,18n 0001010=>=⨯====⨯===⨯===-=+==-==δδδδδe e e n R Bp MPaR A mm D K R K mm ，D mm mm ：：□2夹套壁厚设计 [][]mmmm C C ppD：mmmm C C ppD：tt34mm ，524.21524.1 1.524mm 4.05.085.0170211004.05.0234mm ，525.21525.1 1.525mm4.085.0170211004.02n 21n n 21n >==+=++≥=⨯-⨯⨯⨯=-=>==+=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδδδδφσδ取标准椭圆形封头壁厚取圆筒壁厚7. 有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径D i =1000mm ，设计（计算）压力为2.5MPa ，设计温度300℃，材料为16MnR ，厚度δn =14 mm ，腐蚀裕量C 2=2.0mm ，焊接接头系数φ=0.85；在圆筒和封头焊有三个接管（方位见图），材料均为20号无缝钢管，接管a 规格为φ89×6.0，接管b 规格为φ219×8，接管c 规格为φ159×6，试问上述开孔结构是否需要补强？答：根据GB150规定，接管a 不需要另行补强。