辽宁工业大学《过程设备设计》课后习题答案

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1 过程设备设计题解

第二章习题

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（MPaMPasb245,400）改为16MnR（MPaMPasb345,510）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：

zpRR21 sin220trdrrpFkrzk

圆筒壳体：R1=∞，R2=R，pz=-p，rk=R，φ=π/2

tpRprtpRk2sin2

○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：

MPaabtpbtpa15002501022222

○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。

22222max833833833tPtRptpR

10.有一周边固支的圆板，半径R=500mm，板厚=38mm，板面上承受横向均布载荷p=3MPa，试求板的最大挠度和应力（取板材的E=2×105MPa，μ=0.3）

解：板的最大挠度：

2.915mm10005.164500364101.0053.011238102112944max923523DpRwEtDf

板的最大应力： 2 389.543MPa38450033432222maxtpR

11.上题中的圆平板周边改为简支，试计算其最大挠度和应力，并将计算结果与上题作一分析比较。

解：板的最大挠度：

11.884mm2.9154.077915.23.013.0515644maxDpRws

板的最大应力：

642.746MPa389.5431.65543.38923.0338850033.0338332222maxtpR

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。

12.一穿流式泡沫塔其内径为1500mm，塔板上最大液层为800mm（液体密度为ρ=1.5×103kg/m3），塔板厚度为6mm，材料为低碳钢（E=2×105MPa，μ=0.3）。周边支承可视为简支，试求塔板中心处的挠度；若挠度必须控制在3mm以下，试问塔板的厚度应增加多少？

解：周边简支圆平板中心挠度

61.14mm3.013.051039.56647500.01215640.012MPa11772Pa81.915008.01039.563.01126102112544max523523DpRwghpEtDs

挠度控制在3mm以下需要的塔板厚度

mmEDtD：：4.1610210806.23283.011211210806.23281056.3938.2038.20314.6135523255需要的塔板刚度塔板刚度需增加的倍数

需增加10.4mm以上的厚度。

3．压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

1. 压力容器用钢有哪些基本要求？

答：有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。

2. 影响压力容器钢材性能的环境因素主要有哪些？

答：主要有温度高低、载荷波动、介质性质、加载速率等。

3. 为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？

答：因为硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。

4. 压力容器选材应考虑哪些因素？

答：应综合考虑压力容器的使用条件、零件的功能和制造工艺、材料性能、材料使用经验、材料价格和规范标准。

4．压力容器设计 3 1.根据定义，用图标出计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系；在上述厚度中，满足强度（刚度、稳定性）及使用寿命要求的最小厚度是哪一个？为什么？

答：○1计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系

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Di=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：pc=1.85Mpa，Di=1000mm，φ=0.85，C2=0.1×20=2mm；钢板为4.5~16mm时，Q235-A 的[σ]t=113 Mpa，查表4-2，C1=0.8mm；钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170 Mpa，查表4-2，C1=0.8mm。

材料为Q235-A时：

mmCCppDt1412.524mm28.0724.99.724mm85.185.01132100085.12n21n取

材料为16MnR时：

mmCCppDt109.243mm28.0443.6mm443.685.185.01702100085.12n21n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Di=2600mm，筒长L=8000mm；材料为16MnR，腐蚀裕量C2=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=pc=1.1×1.62=1.782Mpa，Di=2600mm，C2=2mm，φ=1.0，钢板为6~16mm时，16MnR的[σ]t= 170

Mpa，σs=345 Mpa，查表4-2，C1=0.8mm。容积

3322m.689MPa57474.42782.1,42.474m86.244pVLDVi

○2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689Mpa·m3>10Mpa·m3，属三类压力容器。

○3圆筒的厚度计算厚度δ

名义厚度δn

设计厚度δd

腐蚀裕量C2

厚度负偏差C1 最小厚度δmin

第一次厚度圆整值腐蚀裕量C2 4 mmCCppDt18mm493.6128.0693.1313.693mm62.1117022600782.12n21n取

标准椭圆形封头的厚度

mmCCppDt18mm528.6128.0728.1313.728mm62.15.0117022600782.15.02n21n取

○4水压试验压力

MPappT228.2782.125.125.1

应力校核

MPaDpseeiTT5.3103459.09.0191.667MPa8.21828.2182600228.22

3.今欲设计一台乙烯精馏塔。已知该塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材料选用16MnR，计算压力pc=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，C1=0.8mm，取C2=1.0mm，φ=1.0

○1半球形封头壁厚

mmpDpctic73.747mm10.81.9471.947mm2.20.117046002.24n取

○2标准椭圆形封头壁厚

mmpDpctic75.695mm10.8895.33.895mm2.25.00.117026002.25.02n取

○3标准碟形封头壁厚

mmpRMprRMDRcticiii75mm44.610.8645.4mm645.42.25.00.117025402.2325.15.02325.1102540341341102mm60017.00.17Dr540mm,6009.09.0ni取

○4平盖封头厚度 5 mmmmmm，CmmKpDK，ntccp40285.391.18.0385.371.140~3424385.370.11702.23.06003.05841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。

5.今需制造一台分馏塔，塔的内径Di=2000mm，塔身长（指圆筒长+两端椭圆形封头直边高度）L1=6000mm，封头曲面深度hi=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

6333.333mm350026000321ihLL

查表4-2得：8mm、12mm、14mm钢板，C1=0.8mm；取C2=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8mm0.1MPa0.0243MPa161.32531069.100007.02321069.1E：7-40.00007;A：6-43.1422016333.6333DL20,325.1612.6201650500eeDAEpMPaD

过程设备设计课后习题答案

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页脚. 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?

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。

2. 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1.0MPa；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1.6MPa，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。

3. 《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？

过程设备设计（郑津洋第三版）终极版思考题答案

第1章压力容器导言

思考题1.1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：我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。

设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。

因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。例如，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压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐进行超声检测，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应进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构

思考题1.2 压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？

答：

筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；

封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；

密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和

过程设备设计第五版课后思考题

摘要：

I.引言

- 过程设备设计的重要性和挑战

- 第五版课后思考题的目的和价值

II.过程设备设计的基本原则

- 满足工艺要求

- 考虑设备的安全性

- 优化设备的结构设计

- 选用合适的材料和零部件

III.过程设备设计的具体步骤

- 确定设计目标和要求

- 进行设备选型和布局

- 进行设备结构设计

- 进行设备零部件设计

- 进行设备材料选择

- 进行设备性能分析

IV.过程设备设计的新技术和趋势

- 数字化设计技术

- 智能化设计技术

- 可持续设计理念 V.结论

- 过程设备设计的重要性

- 第五版课后思考题对于过程设备设计能力的提升

正文：

过程设备设计是工业生产和科研中的关键环节，它涉及到许多复杂的因素和挑战。为了帮助读者更好地理解和掌握过程设备设计的基本原则和方法，本书提供了第五版课后思考题。这些思考题旨在引导读者深入思考和探讨过程设备设计的各个方面，从而提升其设计能力和水平。

过程设备设计的基本原则包括满足工艺要求、考虑设备的安全性、优化设备的结构设计以及选用合适的材料和零部件。这些原则是过程设备设计的基础，需要设计师在设计过程中全面考虑和遵循。

过程设备设计的具体步骤包括确定设计目标和要求、进行设备选型和布局、进行设备结构设计、进行设备零部件设计、进行设备材料选择以及进行设备性能分析。这些步骤是过程设备设计的核心内容，需要设计师具备丰富的知识和经验。

近年来，过程设备设计领域出现了许多新技术和趋势，如数字化设计技术、智能化设计技术以及可持续设计理念。这些新技术和理念为过程设备设计带来了新的机遇和挑战，需要设计师不断学习和掌握。

总之，过程设备设计是工业生产和科研的重要组成部分，需要设计师具备全面的知识和丰富的经验。

过程设备设计第三版(郑津洋)课后习题答案

1 过程设备设计课后习题详解