辽宁工业大学《过程设备设计》课后习题答案

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（ ）改为 16MnR（MPaasb245,40）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？MPaasb345,510解： 求解圆柱壳中的应力 1应力分量表示的微体和区域平衡方程式：zpR21 sin220trdrpFkzk圆筒壳体：R 1=，R 2=R，p z=-p，r k=R，=/2 tRrtk2sin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 2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： 根据标准椭圆形封头的应力计算式计算 E 的内压力： 1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： MPaabtpbta15022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。 2 222max 838383tPtRptpR10.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=2105MPa，=0.3）解：板的最大挠度： 2.915m05.16430.28124max 9353 DpRwEtf板的最大应力：2389.54MPa40322max tpR11.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： 1.84m2.954.07915.2305164max Dpws板的最大应力： 62.74MPa3.6.382.8.38322max tR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 =1.510 3kg/m3） ，塔板厚度为 6mm，材料为低碳钢（E=210 5MPa，=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 61.4m3.05139.647021564.2MPaa8. 0396124max 5253 DpRwghEts挠度控制在 3mm 以下需要的塔板厚度 mEDt，4.1610286.3.112 0.28593.3 53 5 不需增加 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31.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： 计算厚度、设计厚度、名义厚度和最小厚度之间的关系 1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 K0.1mm/a，设计寿命 B=20 年。试在 Q2305-AF、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：p c=1.85Mpa，D i=1000mm，=0.85，C 2=0.120=2mm；钢板为 4.516mm 时，Q235-A 的 t=113 Mpa，查表 4-2，C 1=0.8mm；钢板为 616mm 时，16MnR 的 t= 170 Mpa，查表 4-2，C 1=0.8mm。材料为 Q235-A 时： mCpt1412.54m8.0724.997135.2n不材料为 16MnR 时： CpDt109.2438.043.665172.2n不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 =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） ； 1 2 3水压试验时的压力，并进行应力校核。 4解： p=pc=1.11.62=1.782Mpa，D i=2600mm，C 2=2mm，=1.0，钢板为 616mm 时，16MnR 的 t= 1170 Mpa， s=345 Mpa，查表 4-2，C 1=0.8mm。容积 3322 m.689MPa574.278.1,4.7m86.4 pVLVi中压储存容器，储存易燃介质，且 pV=75.689Mpam310Mpam3，属三类压力容器。 2圆筒的厚度 3计算厚度 名义厚度n设计厚度d腐蚀裕量 C2厚度负偏差 C1 最小厚度min第一次厚度圆整值 腐蚀裕量 C24mCpDt18m493.6128.0693.172.2n不标准椭圆形封头的厚度 CpDt18528.61.0728.33.7.5.02n2不水压试验压力 4 MPapT.51.应力校核 MPaDp seiT 5.31049.0.9.678.260.2 3.今欲设计一台乙烯精馏塔。已知该塔内径 Di=600mm，厚度 n=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 616mm 时，16MnR 的 t= 170 Mpa， s=345 Mpa，查表 4-2，C 1=0.8mm，取C2=1.0mm，=1.0半球形封头壁厚 1 mpDcti73.4710.81.941.947m20.6n不标准椭圆形封头壁厚 2 pDctic75.6910.89.3 3.89525.01726.2n不标准碟形封头壁厚 3 mpRMrDctiiii754.610.8645. m645.25.01723.23.431 10267.01Drm,.n i 不平盖封头厚度 45mm，CKpDKntcp40285.391.835.7 1.4023857.6.584不 不不不不不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 63.m5026321 iL查表 4-2 得：8mm、12mm、 14mm 钢板，C 1=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、2028mm8mm 塔计算 1 不 不不不不8m0.1MPa0.24316.325907.3