过程设备设计课后习题答案
《过程设备设计》期末复习题及答案
《过程设备设计》期末复习题及答案第一章规程与标准1-1 压力容器设计必须遵循哪些主要法规和规程？答：1．国发[1982]22号：《锅炉压力容器安全监察暂行条例》（简称《条例》）；2．劳人锅[1982]6号：《锅炉压力容器安全监察暂行条例》实施细则；3．劳部发[1995]264号：关于修改《〈锅炉压力容器安全监察暂行条例〉实施细则》"压力容器部分"有关条款的通知；4．质技监局锅发[1999]154号：《压力容器安全技术监察规程》（简称《容规》）；5．劳部发[1993]370号：《超高压容器安全监察规程》；6．劳部发[1998]51号：《压力容器设计单位资格管理与监督规则》；7．劳部发[1995]145号：关于压力容器设计单位实施《钢制压力容器-分析设计标准》的规定；8．劳部发[1994]262号：《液化气体汽车罐车安全监察规程》；9．化生字[1987]1174号：《液化气体铁路槽车安全管理规定》；10．质技监局锅发[1999]218号：《医用氧舱安全管理规定》。
1-2 压力容器设计单位的职责是什么？答：1．设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责；2．容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样；3．容器设计总图应盖有压力容器设计单位批准书标志。
1-3 GB150-1998《钢制压力容器》的适用与不适用范围是什么？答：适用范围：1．设计压力不大于35MPa的钢制容器；2．设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。
不适用范围：1．直接用火焰加热的容器；2．核能装置中的容器；3．旋转或往复运动的机械设备（如泵、压缩机、涡轮机、液压缸等）中自成整体或作为部件的受压器室；4．经常搬运的容器；5．设计压力低于0.1MPa的容器；6．真空度低于0.02MPa的容器；7．内直径（对非圆形截面，指宽度、高度或对角线，如矩形为对角线、椭圆为长轴）小于150mm的容器；8．要求作废劳分析的容器；9．已有其他行业标准的容器，诸如制冷、制糖、造纸、饮料等行业中的某些专用容器和搪玻璃容器。
过程设备设计复习题及答案——
过程设备设计复习题及答案换热设备6.1根据结构来分，下面各项中那个不属于管壳式换热器：（B ）A.固定管板式换热器B.蓄热式换热器C.浮头式换热器D.U形管式换热器6.2常见的管壳式换热器和板式换热器属于以下哪种类型的换热器：（C ）A.直接接触式换热器B.蓄热式换热器C.间壁式换热器D.中间载热体式换热器6.3下面那种类型的换热器不是利用管程和壳程来进行传热的：（B ）A.蛇管式换热器B.套管式换热器C.管壳式换热器D.缠绕管式换热器6.4下列关于管式换热器的描述中，错误的是：（C ）A.在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。
B.蛇管式换热器是管式换热器的一种，它由金属或者非金属的管子组成，按需要弯曲成所需的形状。
C.套管式换热器单位传热面的金属消耗量小，检测、清洗和拆卸都较为容易。
D.套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。
6.5下列措施中，不能起到换热器的防振效果的有：（A）A.增加壳程数量或降低横流速度。
B.改变管子的固有频率。
C.在壳程插入平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板。
D.在管子的外边面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条。
6.1??按照换热设备热传递原理或传递方式进行分类可以分为以下几种主要形式：（ABC）A. 直接接触式换热器B. 蓄热式换热器C. 间壁式换热器D. 管式换热器6.2 下面属于管壳式换热器结构的有：（ABCD）A. 换热管B. 管板C. 管箱D. 壳体6.3 引起流体诱导振动的原因有：（ACD）A. 卡曼漩涡B. 流体密度过大C. 流体弹性扰动D. 流体流速过快6.4 传热强化的措施有：（BCD）A. 提高流量B. 增加平均传热温差C. 扩大传热面积D. 提高传热系数6.5 下列关于管壳式换热器的描述中，错误的是：（CD）A.管壳式换热器结构简单、紧凑、能承受较高的压力。
B.管壳式换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗的场合。
过程设备设计第三版课后答案及重点
过程设备设计题解1.压力容器导言习题1. 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。
若壳体材料由20R （MPa MPa s b 245,400==σσ）改为16MnR（MPa MPa s b 345,510==σσ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？解：○1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式：δσσθφzp R R -=+21φσππφsin 220t r dr rp F k r z k=-=⎰圆筒壳体：R 1=∞，R 2=R ，p z =-p ，r k =R ，φ=π/2tpRpr tpR k 2sin 2===φδσσφθ○2壳体材料由20R 改为16MnR ，圆柱壳中的应力不变化。
因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。
2. 对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。
该封头中面处的长轴D=1000mm ，厚度t=10mm ，测得E 点（x=0）处的周向应力为50MPa 。
此时，压力表A 指示数为1MPa ，压力表B 的指示数为2MPa ，试问哪一个压力表已失灵，为什么？解：○1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力： 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2，即a/b=2，a=D/2=500mm 。
在x=0处的应力式为：MPa abt p btpa 15002501022222=⨯⨯⨯===θθσσ ○2从上面计算结果可见，容器内压力与压力表A 的一致，压力表B 已失灵。
3. 有一球罐（如图所示），其内径为20m （可视为中面直径），厚度为20mm 。
内贮有液氨，球罐上部尚有3m 的气态氨。
设气态氨的压力p=0.4MPa ，液氨密度为640kg/m 3，球罐沿平行圆A-A 支承，其对应中心角为120°，试确定该球壳中的薄膜应力。
过程设备设计题库
过程设备设计复习题及答案一、单选题1.压力容器导言1.1所谓高温容器是指下列哪一种：（A ）A.工作温度在材料蠕变温度以上B.工作温度在容器材料的无塑性转变温度以上C.工作温度在材料蠕变温度以下D.工作温度高于室温1.2GB150适用下列哪种类型容器：（B ）A.直接火加热的容器B.固定式容器C.液化石油器槽车D.受辐射作用的核能容器1.3一个载荷稳定均匀的内压厚壁圆筒最好采用哪种设计准则：（B ）A 弹性失效B 塑性失效C 爆破失效D 弹塑性失效1.4有关《容规》适用的压力说法正确的是：（B ）A.最高工作压力大于0.01MPa(不含液体静压力)B.最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力)C.最高工作压力大于1MPa(不含液体静压力)D.最高工作压力大于等于1MPa(不含液体静压力)1.5 C ）A.Ⅰ类B.Ⅱ类C.Ⅲ类D.不在分类范围1.6影响过程设备安全可靠性的因素主要有：材料的强度、韧性和与介质的相容性；设备的刚度、抗失稳能力和密封性能。
以下说法错误的是：（B ）A.材料强度是指在载荷作用下材料抵抗永久变形和断裂的能力B.冲击吸收功是指材料断裂过程中吸收变形能量的能力C.刚度是过程设备在载荷作用下保持原有形状的能力D.密封性是指过程设备防止介质或空气泄漏的能力1.7毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为：（）CA.<0.1mg/m3D.10mg/m31.8内压容器中，设计压力大小为50MPa的应划分为：（C ）A.低压容器B.中压容器C.高压容器D.超高压容器1.9下列属于分离压力容器的是：（C ）A.蒸压釜B.蒸发器C.干燥塔D.合成塔2.压力容器应力分析2.1在厚壁圆筒中，如果由内压引起的应力与温差所引起的热应力同时存在，下列说法正确的是：（D ）A.内加热情况下内壁应力和外壁应力都有所恶化B.内加热情况下内壁应力和外壁应力都得到改善C.内加热情况下内壁应力有所恶化，而外壁应力得到改善D.内加热情况下内壁应力得到改善，而外壁应力有所恶化2.2通过对最大挠度和最大应力的比较，下列关于周边固支和周边简支的圆平板说法正确的是：（A）A.周边固支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边简支的圆平板B.周边固支的圆平板仅在刚度方面均优于周边简支的圆平板C.周边固支的圆平板仅在强度方面均优于周边简支的圆平板D.周边简支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边固支的圆平板2.3下列有关受均布外压作用圆筒的失稳情况的叙述，错误的是：（A ）A.失稳临界压力与材料屈服点无关B.受均布周向外压的长圆筒的临界压力与L无关C.很短的圆筒在受均布轴向压缩载荷时将出现对称失稳D.圆筒的形状缺陷对圆筒的稳定性产生很大影响2.4下列不属于提高厚壁圆筒屈服承载能力的措施为：（D）A.增加壁厚B.采用多层圆筒结构，对内筒施加外压C.自增强处理D.采用分析设计的方法2.5下列有关不连续应力的叙述，错误的为：（C ）A.不连续应力是由于结构不连续引起变形不协调造成的B.具有局部性与自限性的特征C.其危害程度比总体薄膜应力大D.脆性材料制造的壳体对不连续应力十分敏感2.6下列关于局部载荷说法正确的是：（）CA.对管道设备附件设置支架，会增加附件对壳体的影响B.对接管附件加设热补偿元件，无明显意义C.压力容器制造中出现的缺陷，会造成较高的局部应力D.两连接件的刚度差大小与边缘应力无明显关系2.7外压的短圆筒，失稳时，出现的波形个数为：（C ）A.两个B.四个C.大于两个D.大于四个2.8下列关于薄壳应力分析中应用的假设，错误的是：（D ）A.假设壳体材料连续，均匀，各向同性B.受载后的形变是弹性小变形C.壳壁各层纤维在变形后互不挤压D.壳壁各层纤维在变形后互相挤压2.9关于薄圆平板的应力特点，下列表述错误的是：（B ）A.板内为二向应力，切应力可予以忽略B.正应力沿板厚分布均匀C.应力沿半径分布与周边支承方式有关D.最大弯曲应力与（R/t）的平方成正比3.压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1在压力容器制造过程中应用最广的焊接方法是：（A ）A.熔焊B.压焊C.钎焊D.点焊3.2一般高压容器的平盖制造用的钢材是：（C ）A.钢板B.钢管C.锻件D.铸件3.3在焊接中力学性能得到明显改善，是焊接接头中组织和性能最好的区域是：（B ）A.过热区B.正火区C.融合区D.焊缝3.4下列不属于压力容器焊接结构的设计应遵循的原则的是：（D）A.尽量采用对接接头结构，不允许产生未熔透缺陷B.尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷C.尽量减少焊缝处的应力集中D.尽量选用好的焊接材料3.5下列焊接接头中可能出现的缺陷，最危险的是：（A ）A.裂纹B.夹渣C.气孔D.未熔透3.6下列金属会产生低温变脆的是：（B ）A.铜B.碳素钢C.铝D.奥氏体不锈钢3.7磁粉检测属于：（D ）A.破坏性检验B.外观检查C.密封性检查D.无损检测3.8下列关于硫化学成分在钢材中的作用说法正确的是：（C ）A.硫元素不是钢材中的有害元素。
过程设备设计复习题及答案
1.7毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为：（B）
A.<0.1mg/m3
B.0.1~<1.0mg/m3
C.1.0~<10mg/m3
D.10mg/m3
1.8内压容器中，设计压力大小为50MPa的应划分为：（C）
A.低压容器
B.中压容器
C.高压容器
D.超高压容器
A.尽量采用对接接头结构，不允许产生未熔透缺陷
B.尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷
C.尽量减少焊缝处的应力集中
D.尽量选用好的焊接材料
3.5下列焊接接头中可能出现的缺陷，最危险的是：（A）
A.裂纹
B.夹渣
C.气孔
D.未熔透
3.6下列金属会产生低温变脆的是：（B）
A.铜
B.碳素钢
C.铝
D.奥氏体不锈钢
3.7磁粉检测属于：（D）
A.破坏性检验
B.外观检查
C.密封性检查
D.无损检测
3.8下列关于硫化学成分在钢材中的作用说法正确的是：（C）
A.硫元素不是钢材中的有害元素。
B.硫元素能提高钢的强度，但会增加钢的脆性。
C.硫元素能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。
D.压力容器用钢对硫的限制和一般结构钢相当。
B.蛇管式换热器是管式换热器的一种，它由金属或者非金属的管子组成，按需要弯曲成所需的形状。
C.套管式换热器单位传热面的金属消耗量小，检测、清洗和拆卸都较为容易。
D.套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。
6.5下列措施中，不能起到换热器的防振效果的有：（A）
A.增加壳程数量或降低横流速度。
过程设备设计课后习题答案
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 。
过程设备设计5-8章思考题及答案
第三版过程设备设计思考题及答案（5-8）5.储存设备设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照那些原则确定试说明理由。
双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。
“扁塌”现象的原因是什么如何防止这一现象出现双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力如何产生的鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强球形储罐有哪些特点设计球罐时应考虑那些载荷各种罐体型式有何特点球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响6.换热设备换热设备有哪几种主要形式间壁式换热器有哪几种主要形式各有什么特点管壳式换热器主要有哪几种形式换热器流体诱导震动的主要原因有哪些相应采取哪些防震措施换热管与管板有哪几种连接方式各有什么特点换热设备传热强化可采用哪些途径来实现7.塔设备塔设备由那几部分组成各部分的作用是什么填料塔中液体分布器的作用是什么试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷简述塔设备设计的基本步骤。
塔设备振动的原因有哪些如何预防振动塔设备设计中，哪些危险界面需要校核轴向强度和稳定性8.反应设备反应设备有哪几种分类方法简述几种常见的反应设备的特点。
机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成搅拌容器的传热元件有哪几种各有什么特点搅拌器在容器内的安装方法有哪几种对于搅拌机顶插式中心安装的情况，其流型有什么特点常见的搅拌器有哪几种简述各自特点。
涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素搅拌轴的设计需要考虑哪些因素搅拌轴的密封装置有几种各有什么特点思考题答案：5.储存设备思考题根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。
因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。
过程设备设计课后习题答案
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 。
过程设备设计第4章习题
C.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 D.二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加道一次应力之上的应力增量 4.8 交变载荷 以下载荷属于交变载荷的有： （ ） A.压力波动 B.开车停车 C.加热或冷却时温度变化引起的热应力变化 D.振动或容器接管引起的附加载荷 4.9 设计准则 下列有关压力容器设计准则的叙述，正确的有： （ ） A.弹性失效设计准则以容器整个危险面屈服作为实效状态。 B.弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 C.弹性失效设计准则较塑性失效设计准则更保守。 D.爆破失效设计准则认为压力达到全屈服压力时容器失效。 4.10 加强圈 为提高外压圆筒稳定性，需设置加强圈，下列有关加强圈的设计，正确的有： （ ） A.加强圈的最小间距应小于失稳临界长度。 B.在设计过程中，有可能通过增加加强圈的数量使圆筒厚度减薄。 C.加强圈与圆筒的连接可采用连续的或间断地焊接。 D.加强圈不可设置在筒体内部 4.11 封头 压力容器封头较多，下列叙述正确的有： （ ） A.凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和锥壳。 B.由筒体与封头连接处的不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度 计算式。 C.半球形封头受力均匀，因其形状高度对称，整体冲压简单。 D.椭圆形封头主要用于中、低压容器。 4.12 高压密封 下列属于提高高压密封性能的措施有： （ ） A.改善密封接触表面 B.改进垫片结构 C.采用焊接密封元件 D.增加预紧螺栓数量 4.13 安全阀 安全阀的优点包括： （） A.完全密封 B.多次使用 C.泄压反应快 D.只排出高于规定压力的部分压力 4.14 支座 在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（ ）高大的塔设备则广泛采用（ ） ，大型卧式 储存采用（ ） A.耳式支座 B.裙式支座
过程设备机械基础习题解答
蒸汽
E=2.1×105。求(1)杆最大应力；(2)变化量。
解：（1）活塞杆受力
F
P A1
A2
1
4
4002 562
123138.24N
max
F A2
123138 .24
562 / 4
50.02MPa
（2）活塞杆变化量
l
FL EA
123138.24 75
2 105 202
0.072mm
4
L L1 L2 0.76 0.072
0.832mm(伸长）
0.5m 2
3-4 管道吊杆A3钢。设计吊杆截面尺寸d。
解： M J 0 得 TK 7125N Fy 0 得 TJ 5875N
H
I
5KN 5KN
max
300 510
RA
A
MA
M(KNm)
150
B
或： M1 0 M 2 5.4x 0.81
0
x
-2.75
M 3 10.8x 4.374
-5.99
2)
Wz
M max
2
5.99 106 2 140
21.39103 mm3
查表得8号槽钢Wz 25.3103 选8号槽钢。
ql/8
9ql2/128 -ql/8
M
ql2/16
-ql2/20 -ql2/16
RA=3ql/8 RB=ql/8
Q1
3ql 8
qx
M 1
3ql 8
过程设备机械设计基础课后习题答案
M1 = 10.8x − 5.99
M 2 = 5.4x − 4.37
RA
M3 = 0 M = 5.99kNm
max
MA
M(KNm)
300 A
510 150 B
或： M 1 = 0 M 2 = − 5 .4 x + 0 .81
0
x
-2.75
M 3 = − 10 .8 x + 4 .374
-5.99
2)
l
C
A
B
l 题4-8
2
查表选28a工字钢：Wz=508 cm3、q = 43.492Kg/m
∴Mmax
=
MG
+
Mq
=
56×103
+
1 8
43.492×9.8×82
=
59410N
⋅
m
校核：σ max
=
M max
[Wz ]
=
59410×103 508×103
=116.95 MPa< [σ ] =125MPa
=
28 .66 MPa
4
4
2
φ 10 mm 1 φ 20 mm
F
Q
1m1
∆ L1
=
N 1 L1 EA 1
12 × 10 3 × 1000 =
2 × 10 5 × π 10 2
= 0 .76 mm
4
∆L2
=
N 2L2 EA 2
=
9 × 10 3 × 500 2 × 10 5 × π 20 2
= 0 .072
M A yA Iz
10.9×106 ×60 = 120×2003
= 8.175MPa
过程设备设计课后习题答案
过程设备设计第二版1.压力容器导言思考题1.压力容器主要由哪几部分组成分别起什么作用2.答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成;筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间;封头的作用：与筒体直接焊在一起,起到构成完整容器压力空间的作用;密封装置的作用：保证承压容器不泄漏;开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要;支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上;安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数,保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行;3.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响答：介质毒性程度越高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高;如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时,碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测,整体必须进行焊后热处理,容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测,且液压试验合格后还得进行气密性试验;而制造毒性程度为中度或轻度的容器,其要求要低得多;毒性程度对法兰的选用影响也甚大,主要体现在法兰的公称压力等级上,如内部介质为中度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于；内部介质为高度或极度毒性危害,选用的管法兰的公称压力应不小于,且还应尽量选用带颈对焊法兰等;易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求;如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝包括角焊缝均应采用全焊透结构等;4.压力容器安全技术监察规程在确定压力容器类别时,为什么不仅要根据压力高低,还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类答：因为pV乘积值越大,则容器破裂时爆炸能量愈大,危害性也愈大,对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高;5.压力容器安全技术监察规程与GB150的适用范围是否相同为什么6.答：不相同;压力容器安全技术监察规程的适用范围：错误!最高工作压力≥不含液体静压力；错误!内直径非圆形截面指其最大尺寸≥0.15m,且容积≥0.025m3；错误!盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体;GB150的适用范围：错误!≤p≤35MPa,真空度不低于；错误!按钢材允许的使用温度确定最高为700℃,最低为-196℃；错误!对介质不限；错误!弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；错误!以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数；错误!最大应力理论；错误!不适用疲劳分析容器;GB150是压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据；压力容器安全技术监察规程是政府对压力容实施安全技术监督和管理的依据,属技术法规范畴;7.GB150、JB4732和JB/T4735三个标准有何不同它们的适用范围是什么8.答：JB/T4735钢制焊接常压容器与GB150钢制压力容器属于常规设计标准；JB4732钢制压力容器—分析设计标准是分析设计标准;JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围,但GB150与JB4732相互覆盖范围较广;GB150的适用范围：错误!设计压力为≤p≤35MPa,真空度不低于；错误!设计温度为按钢材允许的使用温度确定最高为700℃,最低为-196℃；错误!对介质不限；错误!采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；错误!应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数；错误!采用最大应力理论；错误!不适用疲劳分析容器;JB4732的适用范围：错误!设计压力为≤p<100MPa,真空度不低于；错误!设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度最高为475℃；错误!对介质不限；错误!采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则,局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；错误!应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；错误!采用切应力理论；错误!适用疲劳分析容器,有免除条件;JB/T4735的适用范围：错误!设计压力为≤p<；错误!设计温度为大于-20～350℃奥氏体高合金钢制容器和设计温度低于-20℃,但满足低温低应力工况,且调整后的设计温度高于-20℃的容器不受此限制；错误!不适用于盛装高度毒性或极度危害的介质的容器；错误!采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；错误!应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础,并引入应力增大系数和形状系数；错误!采用最大应力理论；错误!不适用疲劳分析容器;2.压力容器应力分析思考题1. 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称;2. 推导无力矩理论的基本方程时,在微元截取时,能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面为什么3.答：不能;如果采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面,这两截面与壳体的两表面相交后得到的两壳体表面间的距离大于实际壳体厚度,不是实际壳体厚度;建立的平衡方程的内力与这两截面正交,而不是与正交壳体两表面的平面正交,在该截面上存在正应力和剪应力,而不是只有正应力,使问题复杂化;4. 试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因;答：a/b=2时,椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等,使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大,因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头 5. 何谓回转壳的不连续效应 不连续应力有哪些特征,其中β与 两个参数的物理意义是什么答：回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大,很快变小,对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来,称为“不连续效应”或“边缘效应”;不连续应力有两个特征：局部性和自限性;局部性：从边缘内力引起的应力的表达式可见,这些应力是的函数随着距连接处距离的增大,很快衰减至0;不自限性：连续应力是由于毗邻壳体,在连接处的薄膜变形不相等,两壳体连接边缘的变形受到弹性约束所致,对于用塑性材料制造的壳体,当连接边缘的局部产生塑性变形,弹性约束开始缓解,变形不会连续发展,不连续应力也自动限制,这种性质称为不连续应力的自限性;β的物理意义：()Rt 4213μβ-=反映了材料性能和壳体几何尺寸对边缘效应影响范围;该值越大,边缘效应影响范围越小; Rt 的物理意义：该值与边缘效应影响范围的大小成正比;反映边缘效应影响范围的大小;xe β-Rt6. 单层厚壁圆筒承受内压时,其应力分布有哪些特征 当承受内压很高时,能否仅用增加壁厚来提高承载能力,为什么答：应力分布的特征：错误!周向应力σθ及轴向应力σz 均为拉应力正值,径向应力σr 为压应力负值;在数值上有如下规律：内壁周向应力σθ有最大值,其值为：1122max -+=K K p i θσ,而在外壁处减至最小,其值为122min -=K p i θσ,内外壁σθ之差为p i ；径向应力内壁处为-p i ,随着r 增加,径向应力绝对值逐渐减小,在外壁处σr =0;错误!轴向应力为一常量,沿壁厚均匀分布,且为周向应力与径向应力和的一半,即2θσσσ+=r z ;错误!除σz 外,其他应力沿厚度的不均匀程度与径比K 值有关;不能用增加壁厚来提高承载能力;因内壁周向应力σθ有最大值,其值为：1122max -+=K K p i θσ,随K 值增加,分子和分母值都增加,当径比大到一定程度后,用增加壁厚的方法降低壁中应力的效果不明显;7. 单层厚壁圆筒同时承受内压p i 与外压p o 用时,能否用压差o i p p p -=∆代入仅受内压或仅受外压的厚壁圆筒筒壁应力计算式来计算筒壁应力为什么8.答：不能;从Lam è公式()()220200222202020220200222202020220200211i i i z i i i i i i i i i i i i r R R R p R p rR R R R p p R R R p R p r R R R R p p R R R p R p --=--+--=-----=σσσθ 可以看出各应力分量的第一项与内压力和外压力成正比,并不是与o i p p p -=∆成正比;而径向应力与周向应力的第二项与o i p p p -=∆成正比;因而不能用o i p p p -=∆表示;9. 单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时,其综合应力沿壁厚如何分布筒壁屈服发生在何处为什思考题7图么答：单层厚壁圆筒在内压与温差同时作用时,其综合应力沿壁厚分布情况题图;内压内加热时,综合应力的最大值为周向应力,在外壁,为拉伸应力；轴向应力的最大值也在外壁,也是拉伸应力,比周向应力值小；径向应力的最大值在外壁,等于0;内压外加热,综合应力的最大值为周向应力,在内壁,为拉伸应力；轴向应力的最大值也在内壁,也是拉伸应力,比周向应力值小；径向应力的最大值在内壁,是压应力;筒壁屈服发生在：内压内加热时,在外壁；内压外加热时,在内壁;是因为在上述两种情况下的应力值最大;10. 为什么厚壁圆筒微元体的平衡方程dr d r r r σσσθ=-,在弹塑性应力分析中同样适用11. 答：因平衡方程的建立与材料性质无关,只要弹性和弹塑性情况下的其它假定条件一致,建立的平衡方程完全相同;12. 一厚壁圆筒,两端封闭且能可靠地承受轴向力,试问轴向、环向、径向三应力之关系式2θσσσ+=r z ,对于理想弹塑性材料,在弹性、塑性阶段是否都成立,为什么13.答：对于理想弹塑性材料,在弹性、塑性阶段都成立; 在弹性阶段成立在教材中已经有推导过程,该式是成立的;由拉美公式可见,成立的原因是轴向、环向、径向三应力随内外压力变化,三个主应力方向始终不变,三个主应力的大小按同一比例变化,由式2θσσσ+=r z 可见,该式成立;对理想弹塑性材料,从弹性段进入塑性段,在保持加载的情况下,三个主应力方向保持不变,三个主应力的大小仍按同一比例变化,符合简单加载条件,根据塑性力学理论,可用全量理论求解,上式仍成立;14. 有两个厚壁圆筒,一个是单层,另一个是多层圆筒,二者径比K 和材料相同,试问这两个厚壁圆筒的爆破压力是否相同为什么15.答：从爆破压力计算公式看,理论上相同,但实际情况下一般不相同;爆破压力计算公式中没有考虑圆筒焊接的焊缝区材料性能下降的影响;单层圆筒在厚壁情况下,有较深的轴向焊缝和环向焊缝,这两焊缝的焊接热影响区的材料性能变劣,不易保证与母材一致,使承载能力下降;而多层圆筒,不管是采用层板包扎、还是绕板、绕带、热套等多层圆筒没有轴向深焊缝,而轴向深焊缝承受的是最大的周向应力,圆筒强度比单层有轴向深焊缝的圆筒要高,实际爆破时比单层圆筒的爆破压力要高;16. 预应力法提高厚壁圆筒屈服承载能力的基本原理是什么答：使圆筒内层材料在承受工作载荷前,预先受到压缩预应力作用,而外层材料处于拉伸状态;当圆筒承受工作压力时,筒壁内的应力分布按拉美公式确定的弹性应力和残余应力叠加而成;内壁处的总应力有所下降,外壁处的总应力有所上升,均化沿筒壁厚度方向的应力分布;从而提高圆筒的初始屈服压力,更好地利用材料;17. 承受横向均布载荷的圆形薄板,其力学特征是什么其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是什么 18.答：承受横向均布载荷的圆形薄板,其力学特征是：错误!承受垂直于薄板中面的轴对称载荷；错误!板弯曲时其中面保持中性；错误!变形前位于中面法线上的各点,变形后仍位于弹性曲面的同一法线上,且法线上各点间的距离不变；错误!平行于中面的各层材料互不挤压;其承载能力低于薄壁壳体的承载能力的原因是：薄板内的应力分布是线性的弯曲应力,最大应力出现有板面,其值与()2t R p 成正比；而薄壁壳体内的应力分布是均匀分布,其值与()t R p 成正比;同样的()t R 情况下,按薄板和薄壳的定义,()()t R t R >>2,而薄板承受的压力p 就远小于薄壳承受的压力p 了; 19. 试比较承受均布载荷作用的圆形薄板,在周边简支和固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小和位置;答：错误!周边固支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：22max 43tpR =σ D pR w f '=644max 错误!周边简支情况下的最大弯曲应力和挠度的大小为：()22max 833tpR μσ+= μμ++'=15644max D pR w s 错误!应力分布：周边简支的最大应力在板中心；周边固支的最大应力在板周边;两者的最大挠度位置均在圆形薄板的中心;错误!周边简支与周边固支的最大应力比值 ()()65.1233.0max max−−→−+==μμσσf r s r 周边简支与周边固支的最大挠度比值08.43.013.05153.0max max =++−−→−++==μμμf s w w其结果绘于下图20.试述承受均布外压的回转壳破坏的形式,并与承受均布内压的回转壳相比有何异同答：承受均布外压的回转壳的破坏形式主要是失稳,当壳体壁厚较大时也有可能出现强度失效；承受均布内压的回转壳的破坏形式主要是强度失效,某些回转壳体,如椭圆形壳体和碟形壳体,在其深度较小,出现在赤道上有较大压应力时,也会出现失稳失效;21.试述有哪些因素影响承受均布外压圆柱壳的临界压力提高圆柱壳弹性失稳的临界压力,采用高强度材料是否正确,为什么22.答：影响承受均布外压圆柱壳的临界压力的因素有：壳体材料的弹性模量与泊松比、长度、直径、壁厚、圆柱壳的不圆度、局部区域的折皱、鼓胀或凹陷;提高圆柱壳弹性失稳的临界压力,采用高强度材料不正确,因为高强度材料的弹性模量与低强度材料的弹性模量相差较小,而价格相差往往较大,从经济角度不合适;但高强度材料的弹性模量比低强度材料的弹性模量还量要高一些,不计成本的话,是可以提高圆柱壳弹性失稳的临界压力的;23.求解内压壳体与接管连接处的局部应力有哪几种方法答：有：应力集中系数法、数值解法、实验测试法、经验公式法;24.圆柱壳除受到压力作用外,还有哪些从附件传递过来的外加载荷答：还有通过接管或附件传递过来的局部载荷,如设备自重、物料的重量、管道及附件的重量、支座的约束反力、温度变化引起的载荷等;25.组合载荷作用下,壳体上局部应力的求解的基本思路是什么试举例说明;答：组合载荷作用下,壳体上局部应力的求解的基本思路是：在弹性变形的前提下,壳体上局部应力的总应力为组合载荷的各分载荷引起的各应力分量的分别叠加,得到总应力分量;如同时承受内压和温度变化的厚壁圆筒内的综合应力计算;习题1. 试应用无力矩理论的基本方程,求解圆柱壳中的应力壳体承受气体内压p,壳体中面半径为R,壳体厚度为t;若壳体材料由20R MPa MPa s b 245,400==σσ改为16MnR MPa MPa s b 345,510==σσ时,圆柱壳中的应力如何变化为什么2.解：错误!求解圆柱壳中的应力应力分量表示的微体和区域平衡方程式： δσσθφz p R R -=+21 φσππφsin 220t r dr rp F k r z k =-=⎰圆筒壳体：R 1=∞,R 2=R,p z =-p,r k =R,φ=π/2tpR pr t pRk 2sin 2===φδσσφθ 错误!壳体材料由20R 改为16MnR,圆柱壳中的应力不变化;因为无力矩理论是力学上的静定问题,其基本方程是平衡方程,而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解,不受材料性能常数的影响,所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响;3. 对一标准椭圆形封头如图所示进行应力测试;该封头中面处的长轴D=1000mm,厚度t=10mm,测得E 点x=0处的周向应力为50MPa;此时,压力表A 指示数为1MPa,压力表B 的指示数为2MPa,试问哪一个压力表已失灵,为什么4.解：错误!根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力：标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2,即a/b=2,a=D/2=500mm;在x=0处的应力式为：MPa abt p bt pa 15002501022222=⨯⨯⨯===θθσσ 错误!从上面计算结果可见,容器内压力与压力表A 的一致,压力表B 已失灵;5. 有一球罐如图所示,其内径为20m 可视为中面直径,厚度为20mm;内贮有液氨,球罐上部尚有3m 的气态氨;设气态氨的压力p=,液氨密度为640kg/m 3,球罐沿平行圆A-A 支承,其对应中心角为120°,试确定该球壳中的薄膜应力;解：错误!球壳的气态氨部分壳体内应力分布：R 1=R 2=R,p z =-p MPa t pR t pR pr t pR k 100202100004.022sin 2=⨯⨯===⇒===+θφφθφσσφδσσσ 错误!支承以上部分,任一φ角处的应力：R 1=R 2=R,p z =-p+ ρg Rcosφ0-cos φ,r=Rsin φ,dr=Rcos φd φ7.0cos 105110710sin 0220==-=φφ由区域平衡方程和拉普拉斯方程：()[]()()()()()()()()()()()()()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+---+=--+=-=+⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=-+-+=-+-+=-+=-+=⎰⎰⎰033022002220003302200222203322022003330220223002cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin cos cos cos cos cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin sin 3cos cos sin 2sin sin cos cos cos 32sin sin cos sin cos 2cos 2cos cos 2sin 2000φφφφφρφφφρφφσρφφσσσφφφφφρφφφφφφρφφφφρσφφρπφφφρπφφφρπφρπρφφπφσπφθφθφφφφg R p t R R tg R p R tg R p tR p g R p t R t g R t g R p R g R g R p R d g R rdr g R p rdr g R p t R zr r rr φ0h()()()(){()()()(){}()(){}[]MPa g R p t R 042.12cos 1.2sin 2.22sin 50.343cos 2.151.0sin 22.2sin 50.343cos 2092851.0sin 221974.4sin 5007.0cos 3151.0sin 35.081.94060151.0sin 102.0sin 02.010cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 32232232233226203302200222-+=-⨯+-⨯≈-⨯+-⨯=⎭⎬⎫⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-⨯⨯⨯⨯+-⨯⨯⨯=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=φφφφφφφφφφφφφφφφφφρφφφσφ ()()()()[]MPa g R p t R R tg R p 042.12cos 1.2sin 2.22sin 5cos 392.31974.221cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin cos cos 322033022002220-+-⨯-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+---+=φφφφφφφφφρφφφρφφσθ 错误!支承以下部分,任一φ角处的应力 φ>120° ：R 1=R 2=R,p z =-p+ ρg Rcos φ0-cos φ,r=Rsin φ,dr=Rcos φd φ()[]()()()[]()()()()[]()()()()()()()()()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+---+=--+=-=+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--+-+-+==--+-+-+=--+-+=--+-+=⎰⎰⎰R h h R t gg R p t R R tg R p R tg R p tRp R h h R t gg R p t R R h h R t gt g R t g R p R t R V h R h R g g R g R p R h R h R gd g R rdr g R p gh R h g R rdr g R p V zr r r r 34sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin cos cos cos cos 34sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 34sin 6sin 3cos cos sin 2sin sin cos sin 2343cos cos 32sin sin cos 343sin cos 2cos 233134cos cos 2222033022002220022203302200222222203322022022303330220223230230000φρφφφφφρφφφρφφσρφφσσσφρφφφφφρφφφφρφφφρφφφφρσφσππρφφρπφφφρππρφφφρπφρπρπρπρφφπφθφθφφφφ()()()(){()()()(){}()(){}[]()()()()()()(){}()[][]MPa g R p t R R h h R t gR t g R p MPa R h h R t g g R p t R 14.8cos 1.2sin 2.22sin 5cos 31.392-221.97414.8cos 1.2sin 2.22sin 5cos 7.0392.31200sin 19.6566240.343cos 2.151.0sin 22.2sin 5cos 7.0392.31200cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 34sin 6cos cos 14.8cos 1.2sin 2.22sin 5 3.90.343cos 2.151.0sin 22.2sin 539313.2480.343cos 2092851.0sin 221974.4sin 500sin 196566247.0cos 3151.0sin 35.081.94060151.0sin 102.0sin 02.01034sin 6cos cos 31sin sin 2cos sin sin 2sin 3223222322033022002222220322322322233226222203302200222-⨯+⨯-⨯=-⨯+⨯--⨯+=--⨯+-⨯--⨯+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+--⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛----+=-⨯+⨯=+-⨯+-⨯≈+-⨯+-⨯=+⎭⎬⎫⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-⨯⨯⨯⨯+-⨯⨯⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛--+⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-=φφφφφφφφφφφφφφφφφφρφφφφρρφφσφφφφφφφφφφφφφφφρφφφφφρφφφσθφ 6. 有一锥形底的圆筒形密闭容器,如图所示,试用无力矩理论求出锥形底壳中的最大薄膜应力σθ与σφ的值及相应位置;已知圆筒形容器中面半径R,厚度t ；锥形底的半锥角α,厚度t,内装有密度为ρ的液体,液面高度为H,液面上承受气体压力p c ;解：圆锥壳体：R 1=∞,R 2=r/cos αα半锥顶角,p z =-p c +ρgH+x,φ=π/2-α,αxtg R r -=()()()()()()ααρααραρρσασπρπρπφφcos 23cos 231cos 232222222222t xtg R g tg x xRtg R x g H p R rt gRr r R x g H p R t r g Rr r R x g H p R F c c c -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-++=++++==++++=()[]()()()[]{}()αρααρρασσσααρσρααασαραρασααρσσσθφθθθθθθφcos 2210cos 2210cos 1cos max2221t g tg p Htg R g g p H tg R H p 。
过程设备设计(第三版,郑津洋_董其伍)化工工业出版社答案
5．储存设备5.1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照那些原则确定？试说明理由。
根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。
因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。
考虑到除弯距以外的载荷，所以常取外圆筒的弯距较小。
所以取A小于等于0.2L。
当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm（Rm为圆筒的平均半径）。
这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。
5.2 双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。
外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似，只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零5.3 “扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。
可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。
5.4 双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？如何产生的？①圆筒上的轴向应力。
由轴向弯矩引起。
②支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力。
由横向剪力引起。
③支座截面处圆筒的周向弯曲应力。
由截面上切向切应力引起。
④支座截面处圆筒的周向压缩应力。
通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致的。
5.5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性和储罐－支座系统的重心高低。
包角小，鞍座重量轻，但重心高，且鞍座处圆筒上的应力较大。
5.6 在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强？如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处（A>0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。
过程设备设计第五版课后思考题
过程设备设计第五版课后思考题摘要：一、引言二、过程设备设计第五版课后思考题解析1.思考题概述2.思考题解答三、过程设备设计的重要性四、结论正文：一、引言过程设备设计是化学工程和石油工程领域中的重要环节，涉及到各种单元操作和设备的设计。
过程设备设计第五版课后思考题是为了帮助学生巩固课堂所学知识，提高实际问题解决能力而设置的。
本文将对这些思考题进行详细解析，以期帮助大家更好地理解和掌握过程设备设计的相关知识。
二、过程设备设计第五版课后思考题解析1.思考题概述过程设备设计第五版课后思考题涵盖了各种设备的设计，如换热器、塔设备、反应器等。
题目设置结合实际工程案例，要求学生运用所学知识解决实际问题。
这些思考题有助于学生将理论知识与实际工程相结合，提高分析问题和解决问题的能力。
2.思考题解答针对具体题目，我们可以通过以下步骤进行解答：（1）仔细阅读题目，理解题意。
（2）分析题目所涉及的设备类型、工艺条件以及相关设计要求。
（3）运用所学的设备设计原理和方法，如热力学分析、传质传热计算等，进行详细设计。
（4）对设计结果进行校核，确保设备性能满足要求。
（5）将解答过程和结果整理成文，提交作业。
三、过程设备设计的重要性过程设备设计在化工和石油工程领域具有重要意义，它关系到生产过程的安全、稳定、节能和环保。
通过过程设备设计，可以优化生产过程，提高产品质量和产量，降低能耗和成本，从而提高企业的经济效益和社会效益。
四、结论过程设备设计第五版课后思考题对学生的专业素养和实际能力提出了较高要求。
通过对这些思考题的解答和解析，学生可以更好地掌握过程设备设计的相关知识和技能，为今后从事相关工作奠定坚实基础。
石大远程奥鹏-化工过程设备设计-第三阶段在线作业正确答案
B、滑动式
C、固定或滑动均可
正确答案：B
7. 中低压容器常用的补强形式有
A、贴板补强
B、接管补强
C、整体补强
正确答案：A
8. 高压容器常用的补强形式有
A、贴板补强
B、接管补强
C、整体补强
正确答案：C
9. 塔设备的最大质量载荷出现在
A、水压试验时
B、操作时
C、检修时
正确答案：A
10. 内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在
正确
错误
正确答案：正确
40. 直径为1错误00mm的吸收塔，封头与筒身采用法兰联接，该塔操作温度为285℃，设计压力为0.4MPa，材质为20。可选择公称压力为0.6MPa标准长颈法兰
正确
错误
正确答案：错误
中国石油大学（北京）
石大远程
化工过程设备设计-第三阶段在线作业
参考答案
试读一页
化工过程设备设计-第三阶段在线作业
1. 增大法兰盘的厚度或增大法兰盘外径则其刚度
A、增加
B、减小
C、不变
正确答案：A
2. 标准法兰公称压力的选取原则是使法兰在设计温度下所能承受的最高工作压力
钢制聚乙烯聚合釜，中径1580mm，计算长度7060mm，设计外压力0.1MPa，有效厚度 11mm， Et=1.84×105Mpa，此聚合釜的临界压力为
A、0.1MPa
B、0.43MPa
C、0.3MPa
正确答案：B
18. 分馏塔内径2000mm，塔的计算长度6333mm，塔在370℃及真空条件下操作，此塔材料为Q245R，c=1.8mm，Et=1.7×105MPa，分馏塔名义壁厚
C、等于设计压力
第2章过程设备设计课后习题课
s max
pR4 64D
5 1
5 0.3 2.915 4.077 2.915 11.884mm 1 0.3
板的最大应力： max
33 pR2
8t 2
33 0.3 3 5002
8 382
3 0.3 389.543 1.65 389.543
2
642.746MPa
简支时的最大挠度是固支时的4.077倍；简支时的最大应力是固支时的1.65倍。
10
10
cos0 0.7
(2)支承以上部分，任一φ角处的应力： R1=R2=R，pz=-[p+ ρg R（cosφ0-cosφ）]，r=Rsinφ，dr=Rcosφdφ
sin0
102 72 51
10
10
cos0 0.7
2R t sin2
2
r r0
p
cos0
cos
Rgrdr
2 p
12 1 2 12 1 0.32
p h g 0.815009.81 11772Pa 0.012MPa
周边简支圆平板中心挠度
ws max
pR4 64D
5 1
0.012 7504 64 7.50 107
5 0.3 1 0.3
3.22mm
挠度控制在1mm以下需要的塔板厚度：
塔板刚度需增加的倍数： 3.22 3.22 1
rd
w r
w r
物理方程
1 E
r
z
仅承受内压时的Lamè公式：
r
pi Ri2 R02 Ri2
1
R02 r2
K
pi 2
1
1
R02 r2
pi Ri2 R02 Ri2
过程设备设计课后习题答案解析
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 ppDt1412.524mm 28.0724.99.724mm85.185.01132100085.12n 21n ==++=++≥=-⨯⨯⨯=-=δδδφσδ取材料为16MnR 时：[]mmC C ppDt109.243mm 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 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。