第一篇：《過程設備設計》教學大綱

《過程設備設計》教學大綱

課程名稱:過程設備設計

英文名稱: Process Equipment Design 學分: 4.5

學時: 72

理論學時: 64

實驗學時:8 教學對象:過程裝備與控制工程專業本科生

先修課程:高等數學,機械制圖,工程力學,機械設計,化工原理,彈性力學,專業英語

教學目的: 本課程是過程裝備與控制工程專業的主干專業課程，其目的旨在使學生能綜合運用基礎課、技術基礎課程中的基本理論及相關的工程實踐知識，通過本課程的學習，基本具備從事過程設備設計和研究開發的初步能力。

教學要求: 熟悉并掌握過程設備設計的基本理論及工程實踐，能采用正確、合理的方法進行過程設備的設計。從材料、設備的結構、溫度、制造質量、安裝、操作維護等方面對過程設備的工程設計進行綜合分析和研究。

教學內容: Introductory Remarks(1學時)Chapter 1 Pressure Vessel Introduction(1學時)1.1 Gross Structure 1.2 Pressure Vessel Classification 1.3 Pressure Vessel Codes and Standards 基本要求: 壓力容器分類方法,總體結構,國內外規范和標準及其比較 重點:按技術管理的分類, GB150,ASME 難點:正確理解按技術管理的分類方法

Chapter 2 Stress Analysis of Pressure Vessels(14學時)

2.1 Stress Analysis of Revolution Shells

2.1.1 Stress in Thin Walled Cylinders

2.1.2 Membrane Theory

2.1.3 Basic Equations

2.1.4 Application of Membrane Shell Theory

2.1.5 Discontinuity Analysis

2.2 Analysis of Thick Walled Cylinder

2.2.1 Elastic Stresses

2.2.2 Elastic-Plastic Stress

2.2.3 Yield Pressure and Bursting Pressure

2.3 Stress Analysis of Flat Plate

2.3.1 Introduction

2.3.2 Bending Differential Equation

2.3.3 Stresses in Circular Plate

2.3.4 Stress of Symmetrically Loaded Circular Plate with a Circular Central Hole

2.4 Stability Analysis of Shells

2.4.1 Introduction

2.4.2 Bucking Analysis of Thin Wall Cylinder under External Pressure

2.4.3 Critical Pressure of Other Revolution Shells

2.5 Typical Local Stresses 基本要求:回轉殼的應力分析,二種基本理論,無力矩理論的基本方程,無力矩理論的應用,厚壁圓筒的彈性應力和彈塑性應力,屈服壓力,爆破呀力,圓平板的應力計算及其應力分布,穩定性分析的基本方法,臨界壓力,局部應力分析的幾種方法,降低局部應力的措施.重點: 回轉殼的應力分析, 無力矩理論的基本方程, 厚壁圓筒的彈性應力, 臨界壓力, 難點: 回轉殼的應力分析, 穩定性的分析方法, 彈塑性應力.Chapter 3 Pressure Vessel Materials and Properties Effected by Environment and Time(6學時)

3.1 Pressure Vessel Materials

3.1.1 Pressure Vessel Steels

3.1.2 Nonferrous Metal and Nonmetal

3.2 Pressure Vessel Steel Properties Effected by Fabrication

3.2.1 Plastic Deformation

3.2.2 Welding

3.2.3 Heat Treatment

3.3 Pressure Vessel Steel Properties Effected by Environment

3.3.1 Temperature

3.3.2 Medium

3.3.3 Loading Speed

3.4 Selection of Pressure Vessel Materials

3.4.1 Basic Requirement

3.4.2 Selection 基本要求:壓力容器常用鋼材,環境的影響,制造的影響,壓力容器材料的選用 重點: 壓力容器常用鋼材,各種環境的影響,材料的正確選用 難點: 壓力容器常用鋼材的正確選用

Chapter 4 Design of Pressure Vessels(14學時)

4.1 Introduction

4.2 Design Criterions

4.3 Design by Rules

4.3.1 Introduction

4.3.2 Cylinder Design

4.3.3 Head Design

4.3.4 Sealing Device Design

4.3.5 Opening and Reinforcement

4.3.6 Support and Manhole(Handhole)

4.3.7 Safety Relieving Device

4,3,8 Welded Structure Design

4.3.9 Pressure Test

4.4 Design by Analysis

4.4.1 Introduction

4.4.2 Stress Categories

4.4.3 Computation of Stress Intensities

4.4.4 Stress Intensity Limiting

4.4.5 Application of Design by Analysis

4.5 Fatigue Analysis

4.6 Development of Pressure Vessel Technology 基本要求:設計文件,設計準則,圓筒設計,封頭設計,密封裝置設計,開孔和開孔補強設計,常用支座,安全泄放裝置,焊接結構,壓力試驗,應力分類,應力強度計算及限制,低循環疲勞曲線,平均應力影響.重點:圓筒和封頭設計,密封機理,性能參數,高壓密封結構,補強計算,焊接接頭分類,應力分類,應力強度.難點:設計參數確定,夾套容器設計,雙錐環受力分析,應力分類,應力強度

Chapter 5 Storage Equipment(5學時)

5.1 Introduction

5.2 Horizontal Storage Tank

5.2.1 Basic Structure

5.2.2 Design Calculation

5.3 Spherical Storage Tank

5.3.1 Tank Body

5.3.2 Support

5.3.3 Manhole and Nozzle

5.3.4 Accessories 基本要求:鞍式支座的位置和數量,力學模型,內力分析,幾種應力,球形儲罐的罐體,支座

重點:鞍式支座的結構和確定,扁塌現象.難點:臥式容器的力學模型

Chapter 6 Heat Exchanger(8學時)

6.1 Introduction

6.2 Shell-and-Tube Heal Exchangers

6.2.1 Basic Types

6.2.2 Shell-and Tube Heat Exchanger Structure

6.2.3 Tubesheet Design

6.2.4 Expansion Joint Design

6.2.5 Tubes Vibration and Protection

6.3 Waste Heat Boiler

6.4 Forced Heat Transfer 基本要求:換熱設備分類,管殼式換熱器分類及選型,管程結構,殼程結構,管板設計思路,膨脹節,管束振動和防止,傳熱強化技術

重點: 管殼式換熱器分類,換熱管,換熱管與管板連接,管束分程,殼程結構,管束振動,傳熱強化技術.難點: 管殼式換熱器結構,危險工況的確定

Chapter 7 Tower(10學時)

7.1 Introduction

7.2 Packed Tower

7.2.1 Packing

7.2.2 Internals of Packed Tower

7.3 Plate Column

7.3.1 Classification

7.3.2 Structure

7.3.3 Construction of Tray

7.4 Accessories

7.4.1 Forth Remover

7.4.2 Skirt Support

7.4.3 Boom

7.5 Strength Design of Tower

7.5.1 Natural Vibration Period

7.5.2 Loading Analysis

7.5.3 Strength and Stability of Cylinder

7.5.4 Strength and Stability of Skirt

7.6 Vibration of Tower

7.6.1 Vibration induced by Wind

7.6.2 Prevention of Vibration 基本要求:塔設備選型,填料分類,塔內件結構,板式塔分類,板式塔結構,塔盤結構,塔設備附件,塔強度計算,固有周期,載荷分析,筒體強度校核,穩定性校核,風的誘導振動,卡曼旋渦,塔設備的防振

重點:填料塔結構,塔盤結構,塔設備載荷分析, 卡曼渦街 難點: 風的誘導振動機理, 載荷分析,筒體強度校核

Chapter 8 Reactors(5學時)

8.1 Introduction

8.1.1 Classification

8.1.2 Characteristics

8.2 Mechanical Agitated Reactor

8.2.1 Basic Structure

8.2.2 Agitated Vessel

8.2.3 Agitator Impeller

8.2.4 Shaft Design

8.2.5 Sealing Device

8.2.6 Gearing

8.3 Development of Mechanical Agitated Reactors 基本要求:反應器分類,機械式攪拌反應器的結構,攪拌器,攪拌容器,夾套結構,流動特性,攪拌器選型,影響攪拌功率的因素,攪拌軸的力學模型,填料密封,機械密封,傳動裝置.重點: 攪拌器的分類及選用,密封裝置,流動類型 難點: 攪拌器的選型

實驗教學

1.內壓薄壁容器應力測定（3學時）實驗目的及要求:(1)了解內壓薄壁容器在內壓作用下薄膜應力的分布規律(2)驗證薄壁容器筒體應力計算的理論公式

(3)掌握用電阻應變儀測定應力的基本原理及具體操作的過程和方法 本實驗的具體操作為重點，故而需3學時。2.高壓容器內外壁應力測定（2學時）實驗目的及要求:(1)測定高壓容器筒體在內壓作用下，內、外壁面的應力，并與理論公式比較(2)了解高壓液壓下電阻應變測量的基本方法，如電阻片的保護，內壁的引線及壓力效應的校正等

本實驗以內壁液壓下應力測量技術為重點 3.厚壁筒體的爆破及測試實驗（2學時）實驗的目的和要求:(1)了解厚壁容器加載，塑性變形，應變硬化，最后大變形破壞的全過程(2)測量厚壁圓筒的爆破壓力，并與各種失效理論的結果進行比較(3)了解大應變及數據采集的技術 4.外壓薄壁圓筒形容器失穩試驗（1學時）實驗目的及要求:(1)觀察薄壁圓筒形容器在外壓作用下失穩的形態(2)測定圓筒形容器的臨界壓力并與理論值進行比較 具體實驗的內容、方法詳見實驗指導書

參考教材: 1.鄭津洋等編,過程設備設計,北京,化學工業出版社,2005年 2.自編, Process Equipment Design, 2003年(2005年 修訂補充)12

第二篇：過程設備設計教學大綱

過程設備設計

課程類型：專業課程 總 學 時：48 學

分：3 開課系（院）：機械工程系

適用專業：過程裝備與控制工程

一、課程的地位、作用與任務

過程設備在生產技術領域中的應用十分廣泛，是化工、煉油、輕工海洋工程等傳統部門所必須的關鍵設備。本課程的任務是根據產品在全壽命期內的功能及市場競爭要求，綜合考慮環境要求和資源利用率，運用工藝、機械、控制、力學、材料以及美學、經濟學等知識，經過設計師的創造性勞動，制定可以用于制造的技術文件。主要是介紹學習流體儲存、傳熱、傳質和反應設備的一般設計方法，是一門涉及多學科、綜合性很強的課程。

二、課程教學基本內容及要求

（一）教學基本要求

要求學生掌握過程設備設計的基礎理論、方法及相應的規范，充分了解過程設備的結構特點與運作規律，學會對經典的過程設備如傳熱設備、傳質設備、儲存設備及反應設備等的一般工程設計方法和設計程序步驟。學習相關的國家標準和行業規范的使用，拓寬學生的專業知識面，鍛煉學生獨立獲取所須知識及綜合應用所學知識的能力，培養學生獨立解決實際生產過程中由于設備所產生的各類問題的能力和團體協作能力。

（二）主要教學內容 1.過程設備概論

主要講述過程設備的作用、特點及任務，過程設備的設計要求及常用規范、過程設備常用材料及其基本要求等知識。

2.過程設備設計基礎理論

本部分主要講述壓力容器應力分析、壓力容器一般設計方法、影響壓力容器性能的因素等知識。

3.過程設備設計應用

主要講述貯存設備、換熱設備、塔設備及反應設備的結構特點、性能、應用及設計計算的方法等知識。

四、教學說明

1.本課程應在完成金工實習、化工原理等課程的學習后進行。

2.本課程內容多、教學時數少，教學時應采用教學與學生自學相結合方式。

五、教材及主要參考書

（一）使用教材： 《過程設備設計》，鄭津洋、董其伍、桑芝富，化學工業出版社教材出版中心，2001.8

（二）主要參考書： 1.鋼制壓力容器（GB150-1998）.中華人民共和國國家標準.北京：中國標準出版社，2000 2.管殼式換熱器（GB151-1999）.中華人民共和國國家標準.北京：中國標準出版社，2001

第三篇：過程設備設計范文

1壓力容器主要由哪幾部分組成？分別起什么作用？

壓力容器由筒體，封頭密封裝置，開孔接管，支座，安全附件六大部件組成。筒體的作用：用以儲存物料或完成化學反應所需要的主要壓力空間。封頭的作用：與筒體直接焊在一起，起到構成完整容器壓力空間的作用。密封裝置的作用：保證承壓容器不泄漏 開孔接管的作用：滿足工藝要求和檢驗需要 支座的作用：支撐并把壓力容器固定在基礎上 安全附件的作用：保證壓力容器的使用安全和測量，控制工作介質的參數

2固定式壓力容器安全技術監察規程》在確定壓力容器類別時，為什么不僅要根據壓力高低，還要視壓力與容積的乘積pV大小進行分類？：

壓力容器所蓄能量與其內部介質壓力和介質體積密切相關：體積越大，壓力越高，則儲存的能量越大，發生爆破是產生的危害也就越大。而《固定式壓力容器安全技術監察規程》在確定壓力容器類別時是依據整體危害水平進行分類的，所以要這樣劃分.3壓力容器用鋼的基本要求

較好的強度，良好的塑性，韌性，制造性能和與介質的相容性

4為什么要控制壓力容器用鋼的硫磷含量 硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低，磷能提高鋼的強度，但會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性，將硫磷等有害元素控制在較低的水平，就能大大提高鋼材的純凈度，可以提高鋼材的韌性，抗輻射脆化能力，改善抗應變時效性能，抗回火脆性和耐腐蝕性能

設計雙鞍座臥式容器時，支座位置應該按照哪些原則確定？試說明理由。

答：根據JB473規定，取A小于等于0.2L，否則容器外伸端將使支座界面的應力過大。因為當A=0.207L時，雙支座跨距中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩絕對值相等，使兩個截面保持等強度。考慮到除彎矩以外的載荷，所以常區外圓筒的彎矩較小。所以取A小于等于0.2L。

當A滿足小于等于0.2L時，最好使A小于等于0.5Rm。這是因為支座靠近封頭可充分利用封頭對支座處圓筒的加強作用。

2、臥式容器支座截面上部有時出現 “扁塌”現象，是什么原因？如何防止這一現象出現？ 答：由于支座處截面受剪力作用而產生周向彎矩，在周向彎矩的作用下，導致支座處圓筒的上半部發生變形，產生所謂扁塌現象。防止方法：設置加強圈或使支座靠近封頭布置，利用加強圈或封頭的加強作用。

3、雙鞍座臥式容器設計中應計算哪些應力？試分析這些應力是如何產生的？

答：①圓筒的軸向應力，由軸向彎矩引起。②支座截面處圓筒和封頭上的切向切應力和封頭的拉伸應力，由橫向剪力引起。③支座截面處圓筒的周向彎矩應力由截面上切向切應力引起。④支座截面處圓筒的周向壓縮應力，通過鞍座作用于圓筒上的載荷所導致的。

4、球形儲灌采用赤道正切柱式支座時，應遵循哪些準則？

答：支柱在球殼赤道帶等距離布置，支柱中心線和球殼相切或想割而焊接起來。若相割，支柱中心線和球殼交點同球心連線與赤道平面的夾角為10°~20°。為了能承受風載荷和地震載荷，保證穩定性，還必須在支柱間設置連接拉桿。

換熱設備有哪幾種主要形式？

①直接接觸式換熱器②蓄熱式換熱器③間壁式換熱器④中間載熱體式換熱器

間壁式換熱器有哪幾種主要形式？各有什么特點？

管式換熱器：結構簡單、工作適應范圍大、容易操作、清洗方便，但在可拆接處易泄漏。板面式換熱器：傳熱性能比管式換熱器優越，由于結構上的特點，使流體能在較低的速度下就達到湍流狀態，從而強化了傳熱。板面式換熱器采用板材制作，在大規模組織生產時可降低設備成本，但其耐壓性能比管式換熱器差。

1、管殼式換熱器主要有哪幾種形式？換熱管與管板有哪幾種連接方式？各有什么特點？ ①固定管板式換熱器，浮頭式換熱器，U形管式換熱器，填料函式換熱器，釜式重沸器。②強度脹接：生產率高，勞動強度低，密封性能好等特點。強度焊：焊接結構強度高，抗拉脫力高。脹焊并用：不僅能改善連接處的抗疲勞強度性能，而且還能消除應力腐蝕和間隙腐蝕，提高使用壽命。

2、換熱設備傳熱強化可采用哪些途徑來實現？

①增加平均傳熱溫差△Tm：逆流換熱②擴大傳熱面積A：擴展表面；消除傳熱死區③提高傳熱系數K：增加流體湍動程度，比如：外加動力源，選用傳熱系數大的材料，管殼分程，防止結垢并及時除垢.1、攪拌容器的傳熱元件有哪幾種？各有什么特點？

夾套：在容器的外側，用焊接或法蘭連接的方式裝設各種形式的鋼結構，使其與容器外壁形成密閉的空間。

內盤管：浸沒在物料中，熱量損失小，傳熱效果好，但檢修困難。

工程中常用的攪拌器有哪幾種？簡述各自特點。槳式攪拌器、推進式攪拌器、渦輪式攪拌器、錨式攪拌器 槳式攪拌器：功耗少，操作費用低。

推進式攪拌器：結構簡單，制造方便，適用黏度低、流量大的場合，利用較小的攪拌功率，通過高速轉動的槳葉能獲得較好的攪拌效果。

渦輪式攪拌器：有較大的剪力，可使流體微團分散的很細。錨式攪拌器：結構簡單，在容器壁附近流速比其他攪拌器大。

3、渦輪式攪拌器在容器中的流型及其應用范圍？ 流型：平直葉、后彎葉為徑向流型。折葉的近于軸流型。應用范圍：適用于低黏度到中等黏度流體的場合。

4、攪拌軸的設計需要考慮哪些因素？

①扭轉變形 ②臨界轉速 ③轉矩和彎矩聯合作用下的強度 ④軸封處允許的徑向位移

5、攪拌軸的密封裝置有幾種？各有什么特點？

填料密封：結構簡單，制造容易，適用于密封和弱腐蝕性介質。密封要求不高、并允許定期維護

機械密封：泄露率低，密封性能可靠，功耗小，使用壽命長

填料有哪些類型？哪種類型的傳質效率高？ 解：填料一般分為散裝填料及規整填料兩大類。

散裝填料：安裝以亂堆為主。有環形填料、開孔環形填料、鞍形填料、金屬環矩鞍填料；規整填料：是一種在塔內按均勻的幾何圖形規則、整齊地堆砌的填料。有絲網波紋填料、板波紋填料。

規整填料的傳質效率高。這種填料人為地規定了填料層中氣、液的流路，減少了溝流和壁流的現象，大大降低了壓降，提高了傳質和傳熱的效果。

填料塔有哪些內件？其作用是什么？

解：支承裝置：防止填料穿過支承裝置而落下；支承操作時填料層的重量；保證足夠的開孔率，使氣液兩相能自由通過。

液體分布器：將液相加料及回流液均勻分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。液體收集再分布器：減小壁流現象，將填料分段；將上層填料流下的液體完全收集、混合，后均勻分布到下層填料，并將上升的氣體均勻分布到上層填料以消除各自的徑向濃度差。壓緊和限位裝置：壓緊填料，保證填料塔的正常、穩定操作；防止高氣速、高壓降或塔的操作出現較大波動時，填料向上移動而造成填料層出現空隙，從而影響塔的傳質效率。

根據塔板的結構形式，板式塔有哪幾類？工程中最常用的類型有哪些？ 解：按塔板的結構分，有泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔等四類 目前應用最廣泛的板式塔是篩板塔及浮閥塔。

塔設備的附件有哪些？各自的作用是什么？

解：除沫器：減少液體夾帶損失，確保氣體純度，保證后續設備的正常操作。裙座：防止風載和地震載荷引起的彎矩造成塔翻到。吊柱：為了安裝及拆卸內件，更換或補充填料。

塔設備的載荷有哪些？

解：有質量載荷、偏心載荷、風載荷、地震載荷等。

引起塔設備振動的原因有哪些？如何判斷塔設備是否會產生共振？如何預防共振？ 解：原因：安裝于室外的塔設備在風的誘導振動和塔內流體流動作用下。

當漩渦形成或脫落的頻率與塔的任一振型的固有頻率一致時，塔就會產生共振。預防共振的措施：①增大塔的固有頻率，②采用擾流裝置，③增大塔的阻尼。

塔設備設計中，哪些危險截面需要校核軸向強度和穩定性？如何校核？

筒體與裙座連接處 根據操作壓力計算塔體厚度之后，對正常操作停工檢修及壓力試驗等工況，分別計算各工況下相應壓力重量和垂直地震力，最大彎矩引起的筒體軸向應力，在確定最大拉伸應力和最大壓縮應力，并進行強度和穩定性校核 裙座底部截面及孔中心橫截面

第四篇：過程設備設計復習題

過程設備設計復習題

1.有一外徑為的氧氣瓶，最小壁厚為6.5mm，材質為40Mn2A，工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶筒身的應力。

2.有一圓筒形容器，兩端為橢圓形封頭，已知圓筒平均直徑D=2020mm，壁厚20mm，工作壓力p=2MPa。

試確定

(1)試求筒身上的應力

(2)如果橢圓形封頭的a/b分別為2、、3，t=20mm，確定封頭上最大應力值

①

②

頂點

赤道

當a/b=2時

頂點

赤道

最大應力在頂點處有拉應力101MPa，赤道處有壓應力101MPa

當a/b=時

頂點

赤道

最大應力在頂點處有拉應力71.2MPa

當a/b=3時

頂點

赤道

最大應力在赤道處有壓應力353.5MPa

3.有一立式圓筒形儲油罐，罐體直徑5000mm，厚度3mm，油液高度18m，油的密度為，g取10

（1）當P0=0時，油罐筒體上最大應力。

（2）當P0=0.1MPa時，油罐筒體上的應力及最大應力。

由于壁厚t與壁相差較大，因此

①

時

最大應力

②

時

最大應力

83.3+5.83×18=188.2MPa

4.封閉厚壁筒有鋼（）制成，其內徑，外徑，承受內壓

試求圓筒內壁外壁和中間面的應力值并簡單討論之

340

-300

71.2

-31.2

0

①

＞＞

內壁處最大

②

不均勻

③

5.有一承受內壓的厚壁圓筒，其內徑200mm，外徑400mm，材料為16MnR，屈服，極限強度

試求

①內壁開始屈服的壓力

②當壁厚一半達到屈服時的壓力

③整體屈服壓力

④爆破壓力

①

內壁屈服

②半屈服

②

整體屈服

④爆破壓力

1.某內壓圓柱形筒體，其設計壓力P=0.4MPa，設計溫度t=70℃，圓筒內徑Di=1000mm，總高3000mm，盛裝液體介質，介質密度，筒體材料為Q345R，腐蝕裕量取2mm，焊接接頭系數φ=0.85，已知設計溫度下Q345R的許用應力，在厚度為6—16mm時，[σ]t

=189MPa，厚度16—36mm時，[σ]t

=185

MPa。試求該筒體厚度。

①確定參數

Q345R

[σ]t

=189MPa

②設計厚度

校核

不合格

③改

④水壓試驗校核

應力校核合格

2.有一臥式圓筒形儲罐，內裝濃度99%液氨，筒體內徑，筒高L=3200mm，兩端利用標準橢圓封頭，儲罐最高操作溫度不超過50℃。具有可靠保護措施，罐頂裝有安全閥，試初步確定壁厚。（在50℃時飽和蒸汽壓力1.973MPa（表壓）

安全閥的開啟壓力）用水壓試驗校核。

①確定參數

設計溫度

最高工作溫度

50℃

設計壓力

安全閥

選材

選Q345R

腐蝕裕度

《腐蝕裕度數據手冊》

設計壽命

15年

焊接系數

三類

雙面焊接

對縫焊接

許用應力

（16—36mm）

負偏差

②設計厚度

筒體

封頭

考慮到

選

最小壁厚校核

合格

3.有一庫存很久的容器，材料為16MnR，筒體外徑，其實測最小壁厚為6.5mm，氣瓶兩端為半球形狀，今欲充壓10MPa，常溫使用，并考慮腐蝕裕量，問強度是否夠用，如不夠，最大允許工作壓力多大？

解法一

①確定參數

16MnR

Q345R

實測

②

不能用

解法二

不能用

解法三

不能用

4.過熱器集箱的平蓋形式如圖，筒體內徑Di=500mm，設計壓力18MPa，設計溫度500℃，平蓋材料采用16CrM的鍛件，腐蝕裕量C2=1.5mm,試確定平蓋厚度t及t1、r等尺寸

①確定參數

T=500℃

P=18MPa

C2=1.5mm

Do=Di=500

結構特征系數

k=0.3

鍛件的許用應力表得

②計算厚度

③計算圓筒壁厚

選擇材料

15CrMoR

時

雙面對接焊100%

探傷

C1=1.3

C2=1.5

t=500℃

P=18MPa

計算厚度

考慮到C1=1.3mm

取

符合預先設定的范圍

④確定結構尺寸

5.有一承受內壓的圓筒形容器，其內徑

壁厚最高工作壓力

工作溫度200℃，材料為15MnVR

焊接接頭系數，壁厚附加量，試驗算容器強度夠不夠，如果已知15MnVR在200℃時許用應力為170MPa,試求容器能承受的最大壓力多少？

顯然

強度夠用

6.有一長期不用的反應釜，經實測內徑1200mm,最小壁厚10mm，材質為16MnR，縱向焊接接頭為雙面對接接頭，是否曾作檢測不清楚，今欲利用該釜承受1MPa的內壓，工作溫度為200℃，介質無腐蝕性，但需要裝設安全閥，試判斷該釜在此條件下能否使用。（，）

顯然可用

7.今有一直徑Di=600mm，設計外壓P=0.1MPa，C2=2mm，計算長度L=500mm的容器，材質為16MnR，工作溫度為200℃，試問能否用壁厚8mm的鋼板來制造這臺設備（忽略板材負偏差，材料彈性模量）

Di=600mm

P=0.1MPa

C2=2mm

L=5000

短圓筒

鋼板可以制造該設備

8.已知，一減壓塔內徑為1000mm塔體長度為6500mm

(不包括封頭)其封頭為橢圓形，直邊高度為40mm，長短軸比值，減壓塔在0.00532MPa(絕壓)及150℃下操作，塔體與封頭均由Q235-B制成試確定

1.無加強圈時，塔體所需壁厚

2.若在塔外設置5個加強圈，則塔體所需壁厚

3.封頭的壁厚

(1)

無加強圈時

設

臨界長度

短圓筒

且接近

可行

（2）增設加強圈

設

合適

A=0.0001MPa

（3）封頭壁厚校核

筒體與封頭等壁厚原則

認為

封頭合適

9.減壓塔筒體家兩端封頭，直邊總長24600mm，兩端為標準橢圓形封頭，內徑，壁厚附加量，塔內真空度為30mmHg，設計溫度150℃塔壁材料Q235R，試問當塔的有效壁厚時

1.塔體和封頭穩定性是否滿足要求

2.若不滿足要求，則應加多少加強圈

3.若下設加強圈，則壁厚應力為多少時才能滿足要求

取設計外壓：

計算壓力：

（1）塔體圓筒的校核：

圓筒計算長度：

圓筒外徑：

查圖4-6得：

筒體不滿足穩定性要求

（2）橢圓封頭穩定性校核：

當量曲率半徑：

所以：按半球封頭設計時：

由A查厚度計算圖（Q235R，150℃）得：

許用外壓

故封頭：時滿足要求

2、筒體加強圈設計

（材料Q235R，設計溫度150℃）

加強圈個數n及間距

加強圈最大間距按下式計算：

加強圈個數：

除兩端封頭外，實際加強圈數為9個。

3.不設加強圈時塔體所需壁厚（滿足穩定性）：

所以不設加強圈時塔體厚為

10.今欲設計一臺化肥用甲烷反應器，內徑為3200mm，計算壓力為2.6MPa，設計溫度為225℃，材料選用16MnR,采用雙面焊接接頭100%，檢測

試設計該反應器筒體的壁厚并校核水壓試驗時的應力（板材負偏差C1可忽略，材料在225℃時的應力，常溫時屈服極限）

計算壁厚

取

校核最小壁厚

可見剛度足夠

顯然

水壓試驗合格

第五篇：過程設備設計課后習題答案

習題

1.一內壓容器，設計（計算）壓力為0.85MPa，設計溫度為50℃；圓筒內徑Di=1200mm，對接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，并進行局部無損檢測；工作介質列毒性，非易燃，但對碳素鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率K≤0.1mm/a，設計壽命B=20年。試在Q2305-A·F、Q235-A、16MnR三種材料中選用兩種作為圓筒材料，并分別計算圓筒厚度。解：pc=1.85MPa，Di=1000mm，φ=0.85，C2=0.1×20=2mm；鋼板為4.5~16mm時，Q235-A 的[σ]t=113 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；鋼板為6~16mm時，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。材料為Q235-A時：

??pDt2?????p?n???C1?C2?9.724?0.8?2?12.524mm 取?n?14mm材料為16MnR時： ?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

2.一頂部裝有安全閥的臥式圓筒形儲存容器，兩端采用標準橢圓形封頭，沒有保冷措施；內裝混合液化石油氣，經測試其在50℃時的最大飽和蒸氣壓小于1.62 MPa（即50℃時丙烷飽和蒸氣壓）；圓筒內徑Di=2600mm，筒長L=8000mm；材料為16MnR，腐蝕裕量C2=2mm，焊接接頭系數φ=1.0，裝量系數為0.9。試確定：○1各設計參數；○2該容器屬第幾類壓力容器；○3圓筒和封頭的厚度（不考慮支座的影響）；○4水壓試驗時的壓力，并進行應力校核。

1p=pc=1.1×解：○1.62=1.782MPa，Di=2600mm，C2=2mm，φ=1.0，鋼板為6~16mm時，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm。容積

V??4Di2L??43?2.62?8?42.474m,pV?1.782?42.474?75.689MPa?m3

2中壓儲存容器，儲存易燃介質，且pV=75.689MPa·m>10MPa·m，屬三類壓力容器。○3圓筒的厚度 ○

33??pDt2?????p?n???C1?C2?13.693?0.8?2?16.493mm 取?n?18mm標準橢圓形封頭的厚度 ?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水壓試驗壓力 ○pT?1.25p?1.25?1.782?2.228MPa

應力校核

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.今欲設計一臺乙烯精餾塔。已知該塔內徑Di=600mm，厚度δn=7mm，材料選用16MnR，計算壓力pc=2.2MPa，工作溫度t=-20~-3℃。試分別采用半球形、橢圓形、碟形和平蓋作為封頭計算其厚度，并將各種形式封頭的計算結果進行分析比較，最后確定該塔的封頭形式與尺寸。

解：鋼板為6~16mm時，16MnR的[σ]t= 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，取C2=1.0mm，φ=1.0 1半球形封頭壁厚 ○??4?????pctpcDi?2.2?600?1.947mm4?170?1.0?2.2 1.947?0.8?1?3.747mm取?n?7mm2標準橢圓形封頭壁厚 ○??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標準碟形封頭壁厚 ○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平蓋封頭厚度 ○

取表4?8序號5的結構形式，系數K?0.3?p?Dc???t?Kpc?600?0.3?2.2?37.385mm170?1.0查表4?2鋼板厚度?34~40時，C1?1.1mm 37.385?0.8?1.1?39.285mm取?n?40mm從受力狀況和制造成本兩方面綜合考慮，取標準橢圓形封頭和碟形封頭均可。

4.一多層包扎式氨合成塔，內徑Di=800mm，設計壓力為31.4MPa，工作溫度小于200℃，內筒材料為16MnR，層板材料為16MnR，取C2=1.0mm，試確定圓筒的厚度。解：鋼板為6~16mm時，16MnR的[σi]t=[σ0]t = 170 MPa，σs=345 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，φi=1.0，φ0=0.9。為安全起見取φ=0.9，按中徑公式計算：

??2?????pctpcDi?31.4?800?91.479mm2?170?0.9?31.4取6mm層板16層，內筒1層，共17層的總壁厚負偏差為17?0.8?13.6mm 91.479?13.6?1?106.079mm取?n?110mm5.今需制造一臺分餾塔，塔的內徑Di=2000mm，塔身長（指圓筒長+兩端橢圓形封頭直邊高度）L1=6000mm，封頭曲面深度hi=500mm，塔在370℃及真空條件下操作，現庫存有8mm、12mm、14mm厚的Q235-A鋼板，問能否用這三種鋼板制造這臺設備。解：計算長度

2hi2?500L?L1??6000??6333.333mm

33查表4-2得：8mm、12mm、14mm鋼板，C1=0.8mm；取C2=1mm。三種厚度板各自對應的有效厚度分別為：8-1.8=6.2mm、12-1.8=10.2mm、14-1.8=12.2mm。三種厚度板各自對應的外徑分別為：2016mm、2024mm、2028mm 18mm塔計算 ○D0?e??20166.2?325.161?20,LD0?6333.3332016?3.142查圖4-6得：A?0.00007;查圖4-7得：E?1.69?105MPa2AE2?0.00007?1.69?105?p????0.0243MPa?0.1MPa3?D0?e?3?325.1618mm鋼板不能制造這臺設備212mm塔計算 ○

D0?e??202410.2?198.431?20,LD0?6333.3332024?3.129查圖4-6得：A?0.0001;查圖4-7得：E?1.69?105MPa2AE2?0.0001?1.69?105?p????0.057MPa?0.1MPa3?D0?e?3?197.64712mm鋼板不能制造這臺設備314mm塔計算 ○

D0?e??202812.2?166.23?20,LD0?6333.3332028?3.123查圖4-6得：A?0.00022;查圖4-7得：E?1.69?105MPa2AE2?0.00022?1.69?105?p????0.149MPa?0.1MPa3?D0?e?3?166.2314mm鋼板能制造這臺設備6.圖所示為一立式夾套反應容器，兩端均采用橢圓形封頭。反應器圓筒內反應液的最高工作壓力pw=3.0MPa，工作溫度Tw=50℃，反應液密度ρ=1000kg/m3，頂部設有爆破片，圓筒

內徑Di=1000mm，圓筒長度L=4000mm，材料為16MnR，腐蝕裕量C2=2.0mm，對接焊縫采用雙面全熔透焊接接頭，且進行100%無損檢測；夾套內為冷卻水，溫度10℃，最高壓力0.4MPa，夾套圓筒內徑Di=1100mm，腐蝕裕量C2=1.0mm，焊接接頭系數φ=0.85，試進行如下設計：

1確定各設計參數； ○2計算并確定為保證足夠的強度和穩定性，內筒和夾套的厚度； ○3確定水壓試驗壓力，并校核在水壓試驗時，各殼體的強度和穩定性是否滿足要求。○1各設計參數： 解：○1反應器圓筒各設計參數： ◇按GB150規定，選擇普通正拱型爆破片，靜載荷情況下，其最低標定爆破壓力

psmin?1.43pw?1.43?3?4.29MPa

查GB150表B3爆破片的制造范圍，當設計爆破壓力高于3.6MPa時，取精度等級0.5級，其制造范圍上限為3%設計爆破壓力，下限為1.5%設計爆破壓力，設計爆破壓力為

pb?psmin?1?0.015??4.29?1.015?4.354MPa

按內壓設計時的設計壓力（并取計算壓力等于設計壓力）：

p?pb?1?0.03??4.354?1.03?4.485MPa

按外壓設計時的設計壓力（并取計算壓力等于設計壓力）：

p?0.4?1.25?0.5MPa

按外壓設計時的計算長度：

L?4000?300?40?1000?3990mm 4設計溫度取工作溫度

鋼板為6~16mm時，16MnR的[σ]t= 170 MPa，查表4-2，C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=2.0mm，φ=1.0 2夾套各設計參數： ◇設計壓力（并取計算壓力等于設計壓力）：取最高工作壓力。設計溫度取10℃，C1=0。2內筒和夾套的厚度： ○1圓筒和標準橢圓形封頭壁厚設計 □1按內壓設計時 ◇圓筒壁厚：??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標準橢圓形封頭壁厚：????13.279mmt2?????0.5p2?170?1?0.5?4.485?n???C1?C2?13.279?0.8?2?16.079mm取?n?18mm圓筒穩定性校核：取?n?18mm,?e?18?2.8?15.2mm,D0?1000?36?1036mmD0?e??103615.2?68.158?20,LD0?39901036?3.851查圖4-6得：A?0.00055;查圖4-8得：B?70MPa?p??B?D0?e??70?1.027MPa?0.5MPa68.158?n?18mm滿足穩定性要求標準橢圓形封頭穩定校性核：取?n?18mm,?e?18?2.8?15.2mm,D0?1000?36?1036mm，查表4?5得系數K1?0.9,R0?K1D0?0.9?1036?932.4mmA?0.1250.125?15.2??0.002R0?e932.4B查圖4-8得：B?160MPa?p???R0?e??160?15.2?2.608MPa?0.5MPa932.4?n?18mm滿足穩定性要求2夾套壁厚設計 □圓筒壁厚：??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標準橢圓形封頭壁厚：????1.524mmt2?170?0.85?0.5?0.42?????0.5p?n???C1?C2?1.524?1?2.524mm，取?n?4mm?3mm7.有一受內壓圓筒形容器，兩端為橢圓形封頭，內徑Di=1000mm，設計（計算）壓力為2.5MPa，設計溫度300℃，材料為16MnR，厚度δn=14 mm，腐蝕裕量C2=2.0mm，焊接接頭系數φ=0.85；在圓筒和封頭焊有三個接管（方位見圖），材料均為20號無縫鋼管，接管a規格為φ89×6.0，接管b規格為φ219×8，接管c規格為φ159×6，試問上述開孔結構是否需要補強？

答：根據GB150規定，接管a不需要另行補強。接管b、c均需計算后確定。

橢圓形封頭的計算厚度： 16MnR在300℃時許用應力，查表D1，6~16mm時，[σ]t= 144 MPa，查表4-2，C1=0.8mm；查表D21，≤10mm時，[σ]tt= 101 MPa；fr=101/144=0.701。標準橢圓形封頭壁厚：pD2.5?1000????10.265mmt2?????0.5p2?144?0.85?0.5?2.5接管b的計算厚度?t?pD2?????pt?2.5?203?2.557mm2?101?2.52.5?147?1.851mm2?101?2.5

接管c的計算厚度?t?pD2?????pt?開孔直徑：d?219?2?8?2??2?0.8??197.4mm所需最小補強面積接管的有效厚度：?et?8?2.8?5.2mm，封頭的有效厚度：?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，需補強2增加補強金屬面積：A4?A?A4?2058.231?755.399?1302.832mm接管c的補強計算：

開孔直徑：d?159?2?6?2??2?0.8??152.6mm所需最小補強面積接管的有效厚度：?et?6?2.8?3.2mm，封頭的有效厚度：?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，需補強增加補強金屬面積：A4?A?A4?1635.204?460.587?-1174.617mm28.具有橢圓形封頭的臥式氯甲烷（可燃液化氣體）儲罐，內徑Di=2600mm，厚度δn=20 mm，儲罐總長10000mm，已知排放狀態下氯甲烷的汽化熱為335kJ/kg，儲罐無隔熱保溫層和水噴淋裝置，試確定該容器安全泄放量。解：容器安全泄放量 Ar?容器受熱面積,m2。橢圓形封頭的臥式壓容力器，Ar??D0?L?0.3D0????2.64??10?0.3?2.64??83.595m2F?系數,壓力容器裝在地面以,下用沙土覆蓋時,取F?0.3;壓力容器在地面上時,取F?1;當設置大于10L/m2?min的噴淋裝置時,取F?0.6q?在泄放壓力下液化氣的體氣化潛熱,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中遠離邊緣處筒體內外壁的應力和應力強度。（例4-3：某一鋼制容器，內徑Di=800mm，厚度t=36mm，工作壓力pw=10MPa，設計壓力p=11MPa。圓筒與一平封頭連接，根據設計壓力計算得到圓筒與平封頭連接處的邊緣力Q0=-1.102×106N/m，邊緣彎矩M0=5.725×104N·m/m，如圖所示。設容器材料的彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。若不考慮角焊縫引起的應力集中，試計算圓筒邊緣處的應力及應力強度）解：遠離邊緣處筒體的應力和應力強度為不考慮邊緣效應時，按拉美公式計算的應力分量，按應力分類可分解成一次總體薄膜應力、沿厚度的應力梯度-二次應力，并計算出其應力強度。

K?436?1.09 400各應力分量沿圓筒厚度的平均值—一次總體薄膜應力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筒體內壁各應力分量的應力梯度—內壁處的二次應力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??筒體外壁各應力分量的應力梯度—外壁處的二次應力Q：

??p,2???p???p,1?p?rp,2??rp??rp,1?zp,2?0的各應力強度：

2p2?11???122.222?-5.263MPa22K?1K?11.09?1p筒體內壁處??5.263K?1一次總體薄膜應力強度SⅠ??1??3?122.222?5.263?127.485MPa一次加二次應力強度SⅣ??1??3?5.737?5.737?11.474MPa筒體外內壁處的各應力強度：

一次總體薄膜應力強度SⅠ??1??3?122.222?5.263?127.485MPa一次加二次應力強度SⅣ??1??3?5.263?5.263?10.526MPa