化工机械设计基础习题

真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。思考题1.压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？2.钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管XXX筒体时，公称直径指的是哪个直径？3.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？4.无力矩理论的适用条件是什么？5.边缘应力的特点是什么？6.在什么情况下需要考虑边缘应力？7.比较半球形封头、椭圆形封头、碟形封头的受力情况。8.外压圆筒的失稳形式有哪些？9.影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？10.外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？1.法兰垫片密封的原理是什么？影响密封的因素有哪些？2.法兰的型式有哪些？各有什么特点？3.法兰密封面型式有哪些？各适用什么场合？4.常用的垫片材料有哪些？5.卧式容器和立式容器的支座有哪几种？6.双鞍座卧式容器支座位置按哪些原则确定？7.为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？8.GB150-1998对压力容器开孔的最大直径是如何规定的？ 1.自支撑式塔设备设计时需要考虑哪些载荷？2.简述内压塔操作时的危险工况及强度校合条件。第三篇 化工容器设计 习题1.已知DN2000mm的内压薄壁圆筒，壁厚dn22mm，壁厚附加量为C2mm，承受的最大气体压力为P=2MPa,焊接系数为=0.85，试求筒体的最大应力。解:作用在内压薄壁圆筒上的环向应力最大，根据内压薄壁圆筒应力计算公式得：作用在圆筒上最大环向应力为：1=PD/2d ， d= dnC=22-2=20将数据代入公式得： 1=2*（2000+20）2*20=101 Mpa。2.某化工厂反应釜，内径为1600mm。工作温度为5105，工作压力为1.6MPa，釜体材料用0Crl8Ni9Ti。采用双面对接焊缝，局部无损探伤，凸形封头上装有安全阀，试计算釜体壁厚。【解】（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5105; pw=1.6MPa; pc =1.1 pw =1.76MPa（装有安全阀）=0.85（双面焊对接接头, 局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质：0Cr18Ni9Ti t =112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值） =137MPa （2）计算厚度： C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92不锈钢热轧钢板）, C=C1+C2=0.8mm. 名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，Sn =16mm.(3)水压试验校核 有效壁厚 Se = Sn -C=16-0.8=15.2mm 试验压力 计算应力 应力校核 水压试验强度足够3.材料为20的无缝钢管，规格为573.5，求在室温和400时，各能耐多大的压力，按不考虑壁厚附加量和C=1.5mm两种情况计算。根据薄壁圆筒强度计算公式：其最大许可承压P为：式中，t查表得：在400时为86 MPa,在常温下为130 MPa,焊缝系数为0.9，有效厚度de=dn-c,当C=0时，de=3.5Di=57-3.5*2=50 代入上式得：【P】=2*86*0.9*3.5/50+3.5【P】=10.127 MPa(400时),在常温时，【P】=2*130*0.9*3.5/50+3.5=15.308 MPa.若考虑壁厚附加量和C=1.5mm，那么de=dn-c，de=2，在室温时，【P】=2*130*0.9*2/（50+2）=9 Mpa。在400时，【P】=2*86*0.9*2/(50+2)=2.98 Mpa。4.今欲设计一台反应器，直径为3000mm，采用双面对接焊缝，100探伤。工作压力为18MPa，工作温度450，试用20R和16MnR两种材料分别设计反应器的厚度，并作分析比较。根据内压容器设计壁厚公式得;初选厚度16-36mm, 对于20R材料来说，t =79 MPa. 对于16mnR材料来说，t =119 MPa.根据两种材料属于单面腐蚀，取腐蚀裕量为1mm, 焊缝系数均为1，其计算壁厚分别为：20R：d=1.8*3000/(2*69*1-1.8)+2=33.21( mm).对于16mnR, d=1.8*3000/(2*119*1-1.8)+2=24.86( mm).分析：同一台设备材料不同，其设计壁厚不同，使用16mnR设计厚度为24.86 mm，使用20R厚度为33.21mm, 20R大于32mm就需要热处理，成本高且重量大。使用16mnR经济合理。5.乙烯贮罐，内径1600mm，壁厚16mm，设计压力为25MPa，工作温度-35，材料为16MnR 。采用双面对接焊，局部无损探伤，壁厚附加量C1.5mm，试校核强度。 根据筒体强度校核公式：t=170 Mpa，焊缝系数为0.85,de=dn-c， de=16-1.5=14.5(mm).Pc=p=2.5 MPa. t=2.5*(1600+14.5)/2*14.5=139.18 MPa.t=170*0.85=144.5 MPa. t小于t，强度合格。水压实验强度校核：，PT=1.25P/t=1.25*2.5*1=3.125MPa.T=301258*(1600+14.5)/2*14.5=173.97Mpa.0.9s*=0.9*345*0.85=263.9 Mpa所以强度合格，可以使用。6.设计容器筒体和封头壁厚。已知内径1200mm，设计压力18MPa，设计温度40，材质为20R，介质无大腐蚀性。双面对接焊缝，100探伤。讨论所选封头的形式。根据内压圆筒设计壁厚公式得：厚度选择6-16mm，设计温度40下t =133MPa. 焊缝系数为1,C2=2mm,d=1.8*1200/(2*133*1-1.8)+2=10.18 mm.C1=0.8mm,考虑到钢板负偏差圆整后，取dn=11mm.计算封头壁厚：半球形封头：封头的选择：容器的封头通常有椭圆形、半球形、蝶形、球冠形、锥形、平板封头。由于半球形封头尽管受应力最小，但制造困难，所以一般不采用；椭圆封头应力分布连续，且制造容易；蝶形封头曲率半径变化不连续，产生边缘应力大，在相同受力条件下碟形封头的壁厚要比椭圆形封头厚度要大些；锥形封头主要用于蒸发器、结晶器、喷雾干燥器、沉降器等的底部，优点是便于收集和卸除这些设备中的固体物料，缺点是由于接头结构的突变，易产生应力集中，需要局部补强。总和对比，选择椭圆形封头最经济、合理。其设计厚度为：（标准椭圆封头），如忽略分母中的微小差异，两个公式完全一样，取dn=11mm.某工厂脱水塔塔体内径为Di700mm。壁厚为dn12mm，工作温度为180。压力为2MPa。材质为20R。塔体采用手工电弧焊，局部探伤，壁厚附加量为C2mm，试校核塔体工作与水压试验强度。7解：根据筒体强度，PC=2MPa, de=dn-C=12-2=10(mm). 工作温度为180下材料的许用应力为：126.62MPa.焊缝系数为0.85t=2*（700+10）/2*10=71 MPa. t=126.62*0.85108MPa.tt，该塔筒体强度满足。根据水压试验强度公式：PT=1.25P /t =133 MPa. t=126.62 MPa. s=245 MPa.PT=1.25*2*133/126.62=2.63 MPa. T=2.63*(700+10)/2*10=93.365 MPa. 0.9s=0.9*245*0.85=187.425 MPa.T小于0.9s,水压试验强度满足。8.有一长期不用的反应釜，经实测内径为1200mm，最小壁厚为10mm，材质为Q235-A，纵向焊缝为双面对接焊，是否曾作探伤不清楚，今欲利用该釜承受1MPa的内压力，工作温度为200，介质无腐蚀性，装设安全阀，试判断该釜能否在此条件下使用。筒体强度计算公式得：Pc*(Di+d)/2dd0.9TPc=P*1.1(安全阀)=1.1 MPa. d=10 mm ，T=105 MPa.焊缝系数因不确定是否探伤，所以0.85带入上式：Pc*(Di+d)/2*d=1.1*（1200+10）/2*10=66.55 MPa. 0.9T=0.9*105*0.85=80.325 MPa. Pc*(Di+d)/2*d0.9T,说明该釜满足强度要求，可以使用。9.有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200。) 解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17DoDo/de,Do=1580mm, de=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(de/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*105Mpa,带入上式得：Pcr=2.59*1.84*105*（10.2/1580）2.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa10.今欲设计一台常压薄膜蒸发干燥器，内径为500mm，其外装夹套的内径为600m，夹套内通0.53MPa的蒸汽，蒸汽温度为160，干燥器筒身由三节组成，每节长1000mm，中间用法兰联接。材质选用Q235-A，夹套焊接条件自定。介质腐蚀性不大，试确定干燥器及其夹套的壁厚。【解】一.设计干燥器筒身。1.设计参数：Di=500mm, L=3000mm, pc=0.53-0=0.53MPa, C2=2mm（双面腐蚀），=0.8（单面带垫板对接焊，局部无损检验）。=113MPa, 160=105MPa ，s=235MPa 。2.设计壁厚：（1）.设Sn=8mm,则e=8-2-0.8=5.2mm DO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=99。（2）查图5-5，得A=0.00019 ，查图5-8，B=25MPa 。（3）p=B*e/DO=25/99=0.25pc . 稳定性不够，采取加加强圈方法。设置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm .(1)设壁厚Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99(2)查图5-5得A=0.00065,查图5-8得B=92。(3)p=BSe/DO=92/99=0.91 pc 且接近。名义壁厚为8mm3.水压试验校核: PT 1=1.25p=1.250.53=0.66MPa 干燥器筒体水压试验合格。二.蒸汽夹套壁厚设计（内压容器）：1.设计参数：pc=0.53MPa, Di=600mm,C2=1mm, =0.8(单面带垫板对接焊，局部无损检测）2.计算壁厚：,查得C1=0.3mm ,名义壁厚n=4mm（满足最小壁厚要求）。 e=4-1.3=2.7(mm)11.设计一台缩聚釜，釜体内径 1000mm，釜身高度为700mm，用0Crl8Ni9钢板制造。釜体夹套内径为1200mm，用Q235-A钢板制造。该釜开始是常压操作，然后抽低真空，继之抽高真空，最后通0.3MPa的氮气。釜内物料温度275，夹套内载热体最大压力为0.2MPa。整个釜体与夹套均采用带垫板的单面手工对接焊缝，局部探伤，介质无腐蚀性，试确定釜体和夹套壁厚。12.今有一直径为640mm，壁厚为4mm、筒长5000mm的容器，材料为Q235-A，工作温度为200，试问该容器能承受0.1MPa外压？如不能承受，应加几个加强箍？因名义壁厚n=4mm，查得C2=1mm、C1=0.3mm.E=1.86*105MPa e=n-C=2.7mm。L/D0=5000/640=7.8D0/e=640/2.7=237，经查图可得：A=0.00004，在曲线左方，代入公式,P=2AE/3（D0/e）P=2*0.00004*1.86*105 MPa/3*237=0.021 MPa,工作外压P=0.1 MPaP，所以不能承受该外压。需要补强。补强圈的最大间距为L=2.59ED0(e/ D0)2.5=2.59*1.86*105 *640*(2.7/640) 2.5/(3*0.1)=1188mm。加补强箍个数为N=5000/1188=4.21，需要增设4个加强箍。13试设计一中间试验设备-轻油裂解气废热锅炉汽包筒体及标准椭圆形封头的壁厚，并画出封头草图，注明尺寸。己知设计条件为：设计压力1.2MPa，设计温度为350，汽包内径450mm，材质为16MnR，筒体带垫板，单面对接焊缝，100探伤。14.试设计一反应釜锥形底的壁厚，该釜内径为800mm，锥底接一公称直径DN150(外径为159mm)的接管。锥底半顶角为45，釜的设计压力为1.6MPa，工作温度为40，釜顶装有安全阀，介质无大腐蚀性，材质为Q235一A。解：首先确定锥壳是否下需要加强，根据已给参数，Pc=1.1P=1.1*1.6=1.76 Mpa，T =113 Mpa，焊缝系数=0.85，Pc/T=0.0183 ，半顶角=45，查图10-27，需要增加厚度。Q为应力增值系数，由表10-28查得，Q=d15.试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为：塔体内径800mm，接管的公称直径为100mm，操作温度300，操作压力0.25MPa，材质Q235一A。绘出法兰结构图并注明尺寸。【解】 （1） 塔节与封头的联接法兰容器法兰根据该塔的工艺条件：温度、压力及塔径，塔节与封头联接的法兰应该选用甲型平焊法兰。根据操作温度、设计压力和使用材料，由表6-4可知应按法兰的公称压力为0.6MPa来选择尺寸。由附录十四表32查得法兰各部尺寸，并绘注于图1中。由表6-1可采用平面密封面，垫片材料为石棉橡胶板，宽度从表6-3中查得值为20mm。联接螺栓为20，共24个，材料由表6-6查得为35。螺母材料为235-。（2）出料口接管法兰管法兰根据计算压力、法兰材质和工作温度查附录十五表34，确定接管法兰的公称压力为0.25 MPa；根据公称压力、公称直径按表6-10确定法兰类型和密封面型式为突面板式平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A。根据公称压力、工作温度由附录十五表35查得垫片选用石棉橡胶垫圈，螺栓、螺柱材质为35。由表36得法兰各部尺寸及螺栓、螺柱规格，并绘于图2中。图 1甲型平焊法兰（容器法兰）（法兰-RF 800-0.6 JB4702-92）图 2突面板式平焊管法兰（HG20592 法兰 PL100-0.25 RF Q235-A）16.为一不锈钢(1Crl9Ni9)制的压力容器配制一对法兰，最大工作压力为1.6MPa，工作温度为150，容器内径为1200mm。确定法兰型式，结构尺寸，绘出零件图。17.在直径为1200mm的液氨贮罐上开一个f450圆形人孔，试配制该人孔法兰(包括法兰、垫片、螺栓)。 bbb:/210.41.126.18/hgsj/chapter/06.htmbbb:/210.41.126.18/hgsj/bbb:/jwcweb.lnpu.edubbb/lnpujpk/gcsbsj/index.html9.有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200。) 解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17DoDo/de,Do=1580mm, de=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(de/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*105Mpa,带入上式得：Pcr=2.59*1.84*105*（10.2/1580）2.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa有一台聚乙烯聚合釜，外径1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材质为0Crl8Ni9，试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200。) 解：首先判断外压圆筒的临界长度Lcr, Lcr=1.17DoDo/de,Do=1580mm, de=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒体高度，所以属于短圆筒。根据短圆筒临界压力计算公式得：Pcr=2.59Et(de/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*105Mpa,带入上式得：Pcr=2.59*1.84*105*（10.2/1580）2.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系数为m=3,则【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允许外压力为0.119MPa9 / 9