过程设备设计课后习题答案.doc

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：

材料为16MnR时：

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

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。
圆筒的厚度

标准椭圆形封头的厚度

水压试验压力

应力校核
3. 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
半球形封头壁厚

标准椭圆形封头壁厚

标准碟形封头壁厚

平盖封头厚度

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：

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

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
8mm塔计算

12mm塔计算

14mm塔计算

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：
确定各设计参数；
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；
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：各设计参数：
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

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

按内压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

按外压设计时的设计压力（并取计算压力等于设计压力）：

按外压设计时的计算长度：

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
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。
内筒和夹套的厚度：
圆筒和标准椭圆形封头壁厚设计
按内压设计时

夹套壁厚设计

7. 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。

接管c的补强计算：
8.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

9.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。

各应力分量沿圆筒厚度的平均值—一次总体薄膜应力Pm：

筒体内壁各应力分量的应力梯度—内壁处的二次应力Q：
筒体外壁各应力分量的应力梯度—外壁处的二次应力Q：
筒体内壁处的各应力强度：

筒体外内壁处的各应力强度：