過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)5-8章思考題及答案

1、第三版過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)思考題及答案5-85,儲(chǔ)存設(shè)備1.1 設(shè)計(jì)雙鞍座臥式容器時(shí),支座位置應(yīng)該根據(jù)那些原那么確定？試說(shuō)明理由.1.2 雙鞍座臥式容器受力分析與外伸梁承受均布載荷有何相同何不同,試用剪力圖和彎距圖比擬.1.3 扁塌現(xiàn)象的原因是什么？如何預(yù)防這一現(xiàn)象出現(xiàn)？1.4 雙鞍座臥式容器設(shè)計(jì)中應(yīng)計(jì)算那些應(yīng)力？如何產(chǎn)生的？1.5 鞍座包角對(duì)臥式容器筒體應(yīng)力和鞍座自身強(qiáng)度有何影響？1.6 在什么情況下應(yīng)對(duì)臥式容器進(jìn)行增強(qiáng)圈增強(qiáng)？1.7 球形儲(chǔ)罐有哪些特點(diǎn)？設(shè)計(jì)球罐時(shí)應(yīng)考慮那些載荷？各種罐體型式有何特點(diǎn)？1.8 球形儲(chǔ)灌采用赤道正切柱式支座時(shí),應(yīng)遵循那些準(zhǔn)那么？1.9 液化氣體存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮環(huán)

2、境對(duì)它的影響？6 .換熱設(shè)備6.1 換熱設(shè)備有哪幾種主要形式？6.2 間壁式換熱器有哪幾種主要形式？各有什么特點(diǎn)？6.3 管殼式換熱器主要有哪幾種形式？6.4 換熱器流體誘導(dǎo)震動(dòng)的主要原因有哪些？相應(yīng)采取哪些防震舉措？6.5 換熱管與管板有哪幾種連接方式？各有什么特點(diǎn)？6.6 換熱設(shè)備傳熱強(qiáng)化可采用哪些途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)？7 .塔設(shè)備7.1 塔設(shè)備由那幾局部組成？各局部的作用是什么？7.2 填料塔中液體分布器的作用是什么？7.3 試分析塔在正常操作、停工檢修和壓力試驗(yàn)等三種工況下的載荷？7.4 簡(jiǎn)述塔設(shè)備設(shè)計(jì)的根本步驟.7.5 塔設(shè)備振動(dòng)的原因有哪些？如何預(yù)防振動(dòng)？7.6 塔設(shè)備設(shè)計(jì)中,哪些危險(xiǎn)界面需

3、要校核軸向強(qiáng)度和穩(wěn)定性？8 .反響設(shè)備8.1 反響設(shè)備有哪幾種分類方法？簡(jiǎn)述幾種常見(jiàn)的反響設(shè)備的特點(diǎn).8.2 機(jī)械攪拌反響器主要由哪些零部件組成？8.3 攪拌容器的傳熱元件有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？8.4 攪拌器在容器的安裝方法有哪幾種？對(duì)于攪拌機(jī)頂插式中央安裝的情況,其流型有什么特點(diǎn)？8.5 常見(jiàn)的攪拌器有哪幾種？簡(jiǎn)述各自特點(diǎn).8.6 渦輪式攪拌器在容器中的流型及其應(yīng)用圍？8.7 生物反響容器中選用的攪拌器時(shí)應(yīng)考慮的因素？8.8 攪拌軸的設(shè)計(jì)需要考慮哪些因素？8.9 攪拌軸的密封裝置有幾種？各有什么特點(diǎn)？思考題答案：5 .儲(chǔ)存設(shè)備思考題5.1根據(jù)JB4731規(guī)定,取A小于等于0.2L,最大不彳

4、#超過(guò)0.25L,否那么容器外伸端將使支座界面的應(yīng)力過(guò)大.由于當(dāng)A=0.207L時(shí),雙支座跨距中間截面的最大彎距和支座截面處的彎距絕對(duì)值相等,使兩個(gè)截面保持等強(qiáng)度.考慮到除彎距以外的載荷,所以常取外圓筒的彎距較小.所以取A小于等于0.2L.當(dāng)A滿足小于等于0.2L時(shí),最好使A小于等于0.5RmRm為圓筒的平均半徑.這是由于支座靠近封頭可充分利用封頭對(duì)支座處圓筒的增強(qiáng)作用.思考題5.2圖見(jiàn)課本外伸梁的剪力和彎矩圖與此圖類似,只是在兩端沒(méi)有剪力和彎矩作用,兩端的剪力和彎矩均為零.思考題5.3由于支座處截面受剪力作用而產(chǎn)生周向彎距,在周向彎距的作用下,導(dǎo)致支座處圓筒的上半部發(fā)生變形,產(chǎn)生所謂扁塌現(xiàn)象

5、.可以設(shè)置增強(qiáng)圈,或者使支座靠近封頭布置,利用增強(qiáng)圈或封頭的增強(qiáng)作用.思考題5.4 圓筒上的軸向應(yīng)力.由軸向彎矩引起. 支座截面處圓筒和封頭上的切向切應(yīng)力和封頭的附加拉伸應(yīng)力.由橫向剪力引起.支座截面處圓筒的周向彎曲應(yīng)力.由截面上切向切應(yīng)力引起.支座截面處圓筒的周向壓縮應(yīng)力.通過(guò)鞍座作用于圓筒上的載荷所導(dǎo)致的.思考題5.5鞍座包角的大小不僅影響鞍座處圓筒截面上的應(yīng)力分布,而且也影響臥式儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性和儲(chǔ)罐-支座系統(tǒng)的重心上下.包角小,鞍座重量輕,但重心高,且鞍座處圓筒上的應(yīng)力較大.思考題5.6如臥式儲(chǔ)罐支座因結(jié)構(gòu)原因不能設(shè)置在靠近封頭處A>0.5Ri,且圓筒缺乏以承受周向彎距時(shí),就需在支座

6、截面處的圓筒上設(shè)置增強(qiáng)圈,以便與圓筒一起承載.思考題5.7球形儲(chǔ)罐應(yīng)力分布均勻.設(shè)計(jì)時(shí)要考慮壓力載荷、重量載荷、風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷和環(huán)境溫度變化引起的載荷.純桔瓣式的特點(diǎn)是球殼拼裝焊縫較規(guī)那么,施焊組裝比擬容易,加快組裝進(jìn)度并可對(duì)其實(shí)施自動(dòng)焊.但是球瓣在各帶位置尺寸大小不一,只能在本帶或上,下對(duì)稱的帶間互換；下料成型復(fù)雜,板材利用率低,板材較小,不易設(shè)計(jì)人孔和接管.且不易錯(cuò)開(kāi)焊縫.足球瓣式,由于每塊的尺寸相同,下料規(guī)格化,材料利用率好,互換性好,組裝焊縫短.但是焊縫排布比擬困難,組裝困難,且此類罐的適用容積較小.混合式罐體根本結(jié)合了前面兩種的有點(diǎn),現(xiàn)在的應(yīng)用比擬廣泛.思考題5.8支柱在球

7、殼赤道帶等距離布置,支柱中央線和球殼相切或相割而焊接起來(lái).假設(shè)相割,支柱中央線和球殼交點(diǎn)同球心連線與赤道平面的夾角為10.20.為了能承受風(fēng)載荷和地震載荷,保證穩(wěn)定性,還必須在支柱間設(shè)置連接拉桿.思考題5.9不僅要考慮環(huán)境溫度、風(fēng)載荷、雪載荷和地震載荷,還要注意液化氣體的膨脹性和壓縮性.6 .換熱設(shè)備思考題6.1按換熱設(shè)備熱傳遞原理或傳熱方式進(jìn)行分類,可分為以下幾種主要形式：1 .直接接觸式換熱器利用冷、熱流體直接接觸,彼此混合進(jìn)行換熱.2 .蓄熱式換熱器借助于由固體構(gòu)成的蓄熱體與熱流體和冷流體交替接觸,把熱量從熱流體傳遞給冷流體.3 .間壁式換熱器利用間壁固體壁面冷熱兩種流體隔開(kāi),熱量由熱流

8、體通過(guò)間壁傳遞給冷流體.4 .中間載熱體式換熱器載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán),在高溫流體換熱器中吸收熱量,在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體.思考題6.2管式換熱器按傳熱管的結(jié)構(gòu)形式不同大致可分為蛇管式換熱器、套管式換熱器、纏繞管式換熱器和管殼式換熱器.在換熱效率、結(jié)構(gòu)緊湊性和單位傳熱面積的金屬消耗量等方面不如其它新型換熱器,但它具有結(jié)構(gòu)鞏固、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優(yōu)點(diǎn).在高溫、高壓和大型換熱器中,管式換熱器仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),是目前使用最廣泛的一類換熱器.板面式換熱器按傳熱板面的結(jié)構(gòu)形式可分為：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換

9、熱器和傘板式換熱器.傳熱性能要比管式換熱器優(yōu)越,由于其結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),使流體能在較低的速度下就到達(dá)湍流狀態(tài),從而強(qiáng)化了傳熱.板面式換熱器采用板材制作,在大規(guī)模組織生產(chǎn)時(shí),可降低設(shè)備本錢,但其耐壓性能比管式換熱器差.其他一些為滿足工藝特殊要求而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的換熱器,如回轉(zhuǎn)式換熱器、熱管換熱器、聚四氟乙烯換熱器和石墨換熱器等.思考題6.31 .固定管板式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,承壓高,管程易清潔,可能產(chǎn)生較大熱應(yīng)力；適用殼側(cè)介質(zhì)清潔；管、殼溫差不大或大但殼側(cè)壓力不高.2 .浮頭式：結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無(wú)熱應(yīng)力、管間和管清洗方便,密封要求高.適用殼側(cè)結(jié)垢及大溫差.3 .U形管式：結(jié)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單,層管不能更換；適用管清潔

10、、高溫高壓.4 .填料函式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,管間和管清洗方便,填料處易泄漏；適用4MPa以下,溫度受限制.思考題6.41 .強(qiáng)度脹密封與抗拉脫弱,無(wú)縫隙；2 .強(qiáng)度焊密封與抗拉脫強(qiáng),有縫隙,存在焊接剩余熱應(yīng)力；3 .脹焊并用先焊后脹,至少保證其中之一抗拉脫.思考題6.5橫向流誘導(dǎo)振動(dòng)的主要原因有：卡曼漩渦、流體彈性擾動(dòng)、湍流顫振、聲振動(dòng)、射流轉(zhuǎn)換.在橫流速度較低時(shí),容易產(chǎn)生周期性的卡曼漩渦,這時(shí)在換熱器中既可能產(chǎn)生管子的振動(dòng),也可能產(chǎn)生聲振動(dòng).當(dāng)橫流速度較高時(shí),管子的振動(dòng)一般情況下是由流體彈性不穩(wěn)定性激發(fā)振動(dòng),但不會(huì)產(chǎn)生聲振動(dòng).只有當(dāng)橫流速度很高,才會(huì)出現(xiàn)射流轉(zhuǎn)換而引起管子的振動(dòng).為了預(yù)防出現(xiàn)共振,

11、要使激振頻率遠(yuǎn)離固有頻率.可通過(guò)改變流速、改變管子固有頻率、增設(shè)消聲板、抑制周期性漩渦、設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳韧緩絹?lái)實(shí)現(xiàn).思考題6.6要使換熱設(shè)備中傳熱過(guò)程強(qiáng)化,可通過(guò)提升傳熱系數(shù)、增大換熱面積和增大平均傳熱溫差來(lái)實(shí)現(xiàn).提升對(duì)流傳熱系數(shù)的方法又可分為有功傳熱強(qiáng)化和無(wú)功傳熱強(qiáng)化：1 .有功傳熱強(qiáng)化應(yīng)用外部能量來(lái)到達(dá)傳熱強(qiáng)化目的,如攪拌換熱介質(zhì)、使換熱外表或流體振動(dòng)、將電磁場(chǎng)作用于流體以促使換熱外表附近流體的混合等技術(shù).2 .無(wú)功傳熱強(qiáng)化無(wú)需應(yīng)用外部能量來(lái)到達(dá)傳熱強(qiáng)化的目的.在換熱器設(shè)計(jì)中,用的最多的無(wú)功傳熱強(qiáng)化法是擴(kuò)展外表,它既能增加傳熱面積,又能提升傳熱系數(shù).a.如槽管、翅片可增加近壁區(qū)湍流度,

12、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要注意優(yōu)先增強(qiáng)傳熱系數(shù)小的一側(cè)的湍流度.b.改變殼程擋板結(jié)構(gòu)多弓形折流板、異形孔板、網(wǎng)狀整圓形板,減少死區(qū).改變管束支撐結(jié)構(gòu)桿式支撐,減少死區(qū).7.塔設(shè)備思考題7.1無(wú)論是填料塔還是板式塔,除了各種件之外,均由塔體、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平臺(tái)等組成.具體作用參考課本思考題7.2液體分布器安裝于填料上部,它將液相加料及回流液均勻地分布到填料的外表上,形成液體的初始分布.思考題7.31 .質(zhì)量載荷塔體、裙座、塔件、塔附件、操作平臺(tái)及扶梯質(zhì)量、偏心載荷再沸器、冷凝器等附屬設(shè)備；操作時(shí)物料質(zhì)量；水壓試驗(yàn)時(shí)充水質(zhì)量；2 .偏心載荷彎矩3 .風(fēng)載荷4 .地震載荷垂直與水

13、平5 .壓或外壓6 .其他塔在正常操作、停工檢修和壓力試驗(yàn)等三種工況下的載荷是上述各種載荷的組合,請(qǐng)讀者自己思考.思考題7.4根據(jù)壓計(jì)算塔體厚度后,對(duì)正常操作、停工檢修及壓力試驗(yàn)工況分別進(jìn)行軸向最大拉伸應(yīng)力與最大壓縮應(yīng)力的校核.如不滿足要求,那么需調(diào)整塔體厚度,重新進(jìn)行應(yīng)力校核.如何確定筒體軸向應(yīng)力？思路壓或外壓引起重力引起垂直地震力最大彎矩風(fēng)載、水平地震力、偏心彎矩思考題7.5安裝于室外的塔設(shè)備,在風(fēng)力的作用下,將產(chǎn)生兩個(gè)方向的振動(dòng).一種是順風(fēng)向的振動(dòng),即振動(dòng)方向沿著風(fēng)的方向；另一種是橫向振動(dòng),即振動(dòng)方向沿著風(fēng)的垂直方向,又稱橫向振動(dòng)或風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng).為了預(yù)防塔的共振,塔在操作時(shí)激振力的頻率即

14、升力作用的頻率或旋渦脫落的頻率fv不得在塔體第一振型固有頻率的0.851.3倍圍.可采取以下舉措到達(dá)這一目的：1.增大塔的固有頻率.2.采用擾流裝置.3.增大塔的阻尼.思考題7.61 .裙座底部截面及孔中央橫截面是危險(xiǎn)截面.2 .筒體與群座連接處的橫截面.8.反響設(shè)備思考題8.1反響設(shè)備可分為化學(xué)反響器和生物反響器.前者是指在其中實(shí)現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)化學(xué)反響,并使反響物通過(guò)化學(xué)反響轉(zhuǎn)變?yōu)榉错懏a(chǎn)物的設(shè)備；后者是指為細(xì)胞或酶提供適宜的反響環(huán)境以到達(dá)細(xì)胞生長(zhǎng)代和進(jìn)行反響的設(shè)備.具體分類見(jiàn)課本8.1反響器分類思考題8.2攪拌反響器由攪拌容器和攪拌機(jī)兩大局部組成.攪拌容器包括筒體、換熱元件及構(gòu)件.攪拌器、攪拌

15、軸及其密封裝置、傳動(dòng)裝置等統(tǒng)稱為攪拌機(jī).思考題8.3常用的換熱元件有夾套和盤(pán)管.當(dāng)夾套的換熱面積能滿足傳熱要求時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用夾套,這樣可減少容器構(gòu)件,便于清洗,不占用有效容積.夾套的主要結(jié)構(gòu)型式有：整體夾套、型鋼夾套、半圓管夾套和蜂窩夾套等.具體結(jié)構(gòu)特征請(qǐng)參照課本思考題8.4對(duì)于攪拌機(jī)頂插式中央安裝的立式圓筒,有三種根本流型：徑向流,軸向流,切向流.除中央安裝的攪拌機(jī)外,還有偏心式、底插式、側(cè)插式、斜插式、臥式等安裝方式.思考題8.51 .漿式攪拌器用于低粘度,轉(zhuǎn)速較高,小容積；2 .推進(jìn)式攪拌器用于低粘度,轉(zhuǎn)速高,循環(huán)水平強(qiáng),可用于大容積攪拌；3 .渦輪式用于中粘度達(dá)50Pa.s,圍較廣,轉(zhuǎn)

16、速較高,中容積；4 .錨式用于高粘最高達(dá)100Pa.s,轉(zhuǎn)速較低.思考題8.6渦輪式攪拌器是應(yīng)用較廣的一種攪拌器,能有效地完成幾乎所有的攪拌操作,并能處理粘度圍很廣的流體.渦輪式攪拌器可分為開(kāi)式和盤(pán)式二類.渦輪式攪拌器有較大的剪切力,可使流體微團(tuán)分散得很細(xì),適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液一液分散、液一固懸浮,以及促進(jìn)良好的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反響.平直葉剪切作用較大,屬剪切型攪拌器.彎葉是指葉片朝著流動(dòng)方向彎曲,可降低功率消耗,適用于含有易碎固體顆粒的流體攪拌.平直葉、后彎葉為徑向流型.在有擋板時(shí)以槳葉為界形成上下兩個(gè)循環(huán)流.折葉的還有軸向分流,近于軸流型.思考題8.7生物反響器中常常采用機(jī)械攪拌式反響器.發(fā)酵罐所處理的對(duì)象是微生物,它的繁殖、生長(zhǎng),與化學(xué)反響過(guò)程有很大的區(qū)別,在設(shè)計(jì)中還要充分考慮以下因素：(1)生物反響器都是在多相體系中進(jìn)行的,發(fā)酵液粘度是變化的,生物顆粒具有生命活力,其形態(tài)可能隨著加工過(guò)程的進(jìn)行而變化.(2)大多數(shù)生物顆粒對(duì)剪切力非常敏感剪切作用可能影響細(xì)胞的生成速率和組成比例,因此對(duì)攪拌產(chǎn)生的剪切力要限制在一定的圍.(3)大多數(shù)微生物發(fā)酵需要氧氣氧氣對(duì)需氧菌的培養(yǎng)至關(guān)重要,只要短暫缺氧,就會(huì)導(dǎo)致菌體的失活或死亡.而氧在水中溶解度極低,