过程设备设计课后习题答案_过程设备设计课后答案

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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：

pDt2pnC1C29.7240.8212.524mm 取n14mm材料为16MnR时： 1.8510009.724mm21130.851.85pDt2pnC1C26.4430.829.243mm取n10mm1.8510006.443mm21700.851.85

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。

1p=pc=1.1×解：○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

V4Di2L432.62842.474m,pV1.78242.47475.689MPam3

2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MPa·m>10MPa·m，属三类压力容器。○3圆筒的厚度 ○

33pDt2pnC1C213.6930.8216.493mm 取n18mm标准椭圆形封头的厚度 1.782260013.693mm217011.62pDt20.5pnC1C213.7280.8216.528mm取n18mm1.782260013.728mm217010.51.62 4水压试验压力 ○pT1.25p1.251.7822.228MPa

应力校核

pTDie2.2282600182.83.T191.667MPa0.9s0.9345310.5MPa2e2182.8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 ○4pctpcDi2.26001.947mm41701.02.2 1.9470.813.747mm取n7mm2标准椭圆形封头壁厚 ○20.5pctpcDi2.26003.895mm21701.00.52.2 3.8950.815.695mm取n7mm3标准碟形封头壁厚 ○Ri0.9Di0.9600540mm,1M34Rirr0.17Di0.17600102mm135401.3254102MpcRi1.3252.25404.645mmt20.5pc21701.00.52.24.6450.816.445mm取n7mm4平盖封头厚度 ○

取表48序号5的结构形式，系数K0.3pDctKpc6000.32.237.385mm1701.0查表42钢板厚度34~40时，C11.1mm 37.3850.81.139.285mm取n40mm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Di=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C2=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，C1=0.8mm，φi=1.0，φ0=0.9。为安全起见取φ=0.9，按中径公式计算：

2pctpcDi31.480091.479mm21700.931.4取6mm层板16层，内筒1层，共17层的总壁厚负偏差为170.813.6mm 91.47913.61106.079mm取n110mm5.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

2hi2500LL160006333.333mm

33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 ○D0e20166.2325.16120,LD06333.33320163.142查图4-6得：A0.00007;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000071.69105p0.0243MPa0.1MPa3D0e3325.1618mm钢板不能制造这台设备212mm塔计算 ○

D0e202410.2198.43120,LD06333.33320243.129查图4-6得：A0.0001;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.00011.69105p0.057MPa0.1MPa3D0e3197.64712mm钢板不能制造这台设备314mm塔计算 ○

D0e202812.2166.2320,LD06333.33320283.123查图4-6得：A0.00022;查图4-7得：E1.69105MPa2AE20.000221.69105p0.149MPa0.1MPa3D0e3166.2314mm钢板能制造这台设备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pw=3.0MPa，工作温度Tw=50℃，反应液密度ρ=1000kg/m3，顶部设有爆破片，圆筒

内径Di=1000mm，圆筒长度L=4000mm，材料为16MnR，腐蚀裕量C2=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Di=1100mm，腐蚀裕量C2=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。○1各设计参数： 解：○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

psmin1.43pw1.4334.29MPa

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

pbpsmin10.0154.291.0154.354MPa

按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

ppb10.034.3541.034.485MPa

按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

p0.41.250.5MPa

按外压设计时的计算长度：

L40003004010003990mm 4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，C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=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℃，C1=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 ◇圆筒壁厚：pD2pt4.485100013.368mm217014.485pD nC1C213.3680.8216.168mm取n18mm4.4851000标准椭圆形封头壁厚：13.279mmt20.5p217010.54.485nC1C213.2790.8216.079mm取n18mm圆筒稳定性校核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mmD0e103615.268.15820,LD0399010363.851查图4-6得：A0.00055;查图4-8得：B70MPapBD0e701.027MPa0.5MPa68.158n18mm满足稳定性要求标准椭圆形封头稳定校性核：取n18mm,e182.815.2mm,D01000361036mm，查表45得系数K10.9,R0K1D00.91036932.4mmA0.1250.12515.20.002R0e932.4B查图4-8得：B160MPapR0e16015.22.608MPa0.5MPa932.4n18mm满足稳定性要求2夹套壁厚设计 □圆筒壁厚：pD2pt0.411001.525mm21700.850.4pD nC1C21.52512.525mm，取n4mm3mm0.41100标准椭圆形封头壁厚：1.524mmt21700.850.50.420.5pnC1C21.52412.524mm，取n4mm3mm7.有一受内压圆筒形容器，两端为椭圆形封头，内径Di=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C2=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。接管b、c均需计算后确定。

椭圆形封头的计算厚度： 16MnR在300℃时许用应力，查表D1，6~16mm时，[σ]t= 144 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；查表D21，≤10mm时，[σ]tt= 101 MPa；fr=101/144=0.701。标准椭圆形封头壁厚：pD2.5100010.265mmt20.5p21440.850.52.5接管b的计算厚度tpD2pt2.52032.557mm21012.52.51471.851mm21012.5

接管c的计算厚度tpD2pt开孔直径：d21928220.8197.4mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et82.85.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr197.410.265210.2655.210.7012058.231mmB2d2197.4394.8mm，h1150mm，h202A1Bde2ete1fr197.40.93525.20.9350.299181.662mm2A22h1ettfr2h2etC2fr21502.5570.701537.737mmA336mm22AeA1A2A3181.662537.73736755.399mmA，需补强2增加补强金属面积：A4AA42058.231755.3991302.832mm接管c的补强计算：

开孔直径：d15926220.8152.6mm所需最小补强面积接管的有效厚度：et62.83.2mm，封头的有效厚度：e140.8211.2mm2Ad2et1fr152.610.265210.2653.210.7011635.204mmB2d2152.6305.2mm，h1150mm，h202A1Bde2ete1fr152.60.93523.20.9350.299140.892mm2A22h1ettfr2h2etC2fr21501.3490.701283.695mmA336mm22AeA1A2A3140.892283.69536460.587mmA，需补强增加补强金属面积：A4AA41635.204460.587-1174.617mm28.具有椭圆形封头的卧式氯甲烷（可燃液化气体）储罐，内径Di=2600mm，厚度δn=20 mm，储罐总长10000mm，已知排放状态下氯甲烷的汽化热为335kJ/kg，储罐无隔热保温层和水喷淋装置，试确定该容器安全泄放量。解：容器安全泄放量 Ar容器受热面积,m2。椭圆形封头的卧式压容力器，ArD0L0.3D02.64100.32.6483.595m2F系数,压力容器装在地面以,下用沙土覆盖时,取F0.3;压力容器在地面上时,取F1;当设置大于10L/m2min的喷淋装置时,取F0.6q在泄放压力下液化气的体气化潜热,kJ/kg,q335kJ/kg

2.55105FAr0.822.55105183.5950.82Ws28686.85kg/h7.969kg/sq3359.求出例4-3中远离边缘处筒体内外壁的应力和应力强度。（例4-3：某一钢制容器，内径Di=800mm，厚度t=36mm，工作压力pw=10MPa，设计压力p=11MPa。圆筒与一平封头连接，根据设计压力计算得到圆筒与平封头连接处的边缘力Q0=-1.102×106N/m，边缘弯矩M0=5.725×104N·m/m，如图所示。设容器材料的弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。若不考虑角焊缝引起的应力集中，试计算圆筒边缘处的应力及应力强度）解：远离边缘处筒体的应力和应力强度为不考虑边缘效应时，按拉美公式计算的应力分量，按应力分类可分解成一次总体薄膜应力、沿厚度的应力梯度-二次应力，并计算出其应力强度。

K4361.09 400各应力分量沿圆筒厚度的平均值—一次总体薄膜应力Pm：

p,11R0RiR0Ridr1R0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21pdr 22222K1R0RirR0Ri11122.222MPa1.091pr,11R0RiR0Ri1rdrR0RiR0Ri2pRi2pR0Ri21p11dr5.263MPa22222K11.091RRRRri0i0zp,11R0RiR0Ri1zdrR0RiR0RipRi2p11dr58.48MPa2R0Ri2K211.0921筒体内壁各应力分量的应力梯度—内壁处的二次应力Q：

p,2pp,1rp,2rprp,1zp,20K21p111.0921p2122.2225.737MPa2K1K11.091pp115.2635.737MPaK1筒体外壁各应力分量的应力梯度—外壁处的二次应力Q：

p,2pp,1prp,2rprp,1zp,20的各应力强度：

2p211122.222-5.263MPa22K1K11.091p筒体内壁处5.263K1一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.7375.73711.474MPa筒体外内壁处的各应力强度：

一次总体薄膜应力强度SⅠ13122.2225.263127.485MPa一次加二次应力强度SⅣ135.2635.26310.526MPa

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