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. 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（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：
zpRR21 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。
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/m3，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：○1球壳的气态氨部分壳体内应力分布：
第五章 储运设备
1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应按哪些原则确定？说明理由。
双鞍座卧式储罐的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁，由材料力学可知当外伸长度A=0.207时，跨度中央的弯矩与支座截面处弯矩绝对值相等，所以一般近似取A≤0.02L，其中L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离2）当鞍座邻近封头时，封头对支座处的筒体有局部加强作用，为充分利用加强效应，在满足A≤0.2L下应尽量满足A≤0.5R0 （R0为筒体外径）
3卧式容器支座截面上部有时出现“扁塌”现象是什么原因？措施？
原因：当支座截面处的圆筒不设加强圈，且A<0.5Ri时，由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩作用下，导致支座处圆筒上半部发生变形，产生所“扁塌”现象。
措施：
1）设置加强圈
2)A<0.5Ri,使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用
3）补设加强圈，且A<0.5Ri
4 双鞍座卧式容器中应计算哪些应力？分析这些应力如何产生的？
(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
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θ时鞍式支座设计时需要的一个重要参数，其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及储罐支座系统的重心高低。鞍座包角小，则鞍座重量轻，但是储罐一支座系统的重心较高，且鞍座处筒体上的应力较大。常用包角有120，135，150
6 在什么情况下应对双鞍座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，且圆筒不足以承受周向弯矩时，需设置加强圈以便与圆筒一起承载。
7 球形储罐特点？设计球罐时应考虑哪些载荷？各种储罐体形式的特点
第六章 生物反应器结构与设计计算
由生物细胞或生物体组成参与的生产过程可统称为生物反应过程，利用生物催化剂进行反应的生物反应器在生产过程中，具有重要 的作用，是实现生物技术产品产业化的关键设备，是连接原料和产物的桥梁。在生物反应过程中，若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程。采用游离或固定化酶，则称为酶反应过程。按照生物反应过程所使用的生物催化剂不同，生物反应器可分为酶反应器和细胞生物反应器。根据反应器所需的能量的输入方式，微生物细胞反应器可以分为：通过机械搅拌输入能量的机械式、利用气体喷射动能的气生式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等。
自上一世纪四十年代，青霉素大规模生产以来，出现了结构多异，性能和用途不同的多类生物反应器。为配合生物加工过程，工艺条件需要对生物反应器的结构进行设计和计算，以获得较高的产率和规模化生产。
一个良好的生物反应器应满足下列要求：1）结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐蚀性能好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；2）有良好的气-液-固接触和混合性能和高效的热量、质量、动量传递性能；3）在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；4）有良好的热量交换性能，以维持生物反应最适温度；5）有可行的管路比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。
第一节 机械搅拌式生物反应器
机械搅拌式生物反应器是发酵工厂最常用的类型之一。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢产物所需要的氧气。
一、机械搅拌式生物反应器的结构
机械搅拌通风发酵罐主要有罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等。下面做简要的介绍。
1．罐体
罐体由圆筒体和椭圆形或碟形封头焊接而成，材料以不锈钢为好。为满足工艺要求，罐体必须能承受一定压力和温度，通常要求耐受130℃和0.25MPa（绝压）。罐壁厚度取决于罐径、材料及耐受的压强。
《过程设备设计基础》
习 题 集
樊玉光
西安石油大学
2007.1
前 言
本习题集为配合过程装备与控制工程专业《过程设备设计基础》课程的教学参考用书。
本书是编者在过去多年教学经验的基础上整理编写而成，旨在帮助加深对课程中一些基本概念的理解，巩固所学的知识，提高分析和解决工程设计问题的能力，因此编写过程中力求选题广泛，突出重点，注重解题方法和工程概念的训练。本书与《过程设备设计基础》教材中各章教学要求基本对应。各章中包含思考题和习题。
1 目 录
第一章 压力容器导言 ........................................................................................................ 2
第一章 思考题 ............................................................................................................. 2
第二章 压力容器应力分析 ................................................................................................ 3
第二章 思考题 ............................................................................................................. 3
第二章 习题 ................................................................................................................. 7
