1、第三版過程設備設計思考題及答案（5- 8）5. 儲存設備5.1 設計雙鞍座臥式容器時，支座位置應該按照那些原則確定？試說明理由。5.2 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較。5.3 “扁塌 ”現象的原因是什么？如何防止這一現象出現？5.4 雙鞍座臥式容器設計中應計算那些應力？如何產生的？5.5 鞍座包角對臥式容器筒體應力和鞍座自身強度有何影響？5.6 在什么情況下應對臥式容器進行加強圈加強？5.7 球形儲罐有哪些特點？設計球罐時應考慮那些載荷？各種罐體型式有何特點？5.8 球形儲灌采用赤道正切柱式支座時，應遵循那些準則？5.9 液化氣體存儲設備設計時

2、如何考慮環境對它的影響？6. 換熱設備6.1 換熱設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？6.3 管殼式換熱器主要有哪幾種形式？6.4 換熱器流體誘導震動的主要原因有哪些？相應采取哪些防震措施？6.5 換熱管與管板有哪幾種連接方式？各有什么特點？6.6 換熱設備傳熱強化可采用哪些途徑來實現？7. 塔設備7.1 塔設備由那幾部分組成？各部分的作用是什么？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等三種工況下的載荷？7.4 簡述塔設備設計的基本步驟。7.5 塔設備振動的原因有哪些？如何預防振動？7.6 塔設備設計中，哪些

3、危險界面需要校核軸向強度和穩定性？Word 文檔8. 反應設備8.1 反應設備有哪幾種分類方法？簡述幾種常見的反應設備的特點。8.2 機械攪拌反應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？8.4 攪拌器在容器的安裝方法有哪幾種？對于攪拌機頂插式中心安裝的情況，其流型有什么特點？8.5 常見的攪拌器有哪幾種？簡述各自特點。8.6 渦輪式攪拌器在容器中的流型及其應用圍？8.7 生物反應容器中選用的攪拌器時應考慮的因素？8.8 攪拌軸的設計需要考慮哪些因素？8.9 攪拌軸的密封裝置有幾種？各有什么特點？思考題答案：5. 儲存設備思考題 5.1根據 JB4731 規定，

4、取 A 小于等于0.2L ，最大不得超過0.25L，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距和支座截面處的彎距絕對值相等， 使兩個截面保持等強度。 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 A 滿足小于等于 0.2L 時，最好使 A 小于等于 0.5Rm（Rm 為圓筒的平均半徑） 。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。思考題 5.2（圖見課本）外伸梁的剪力和彎矩圖與此圖類似， 只是在兩端沒有剪力和彎矩作用， 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

5、產生周向彎距，在周向彎距的作用下，導致支座處圓筒的上半部發生變形，產生所謂 “扁塌 ”現象。Word 文檔可以設置加強圈，或者使支座靠近封頭布置，利用加強圈或封頭的加強作用。思考題 5.4圓筒上的軸向應力。由軸向彎矩引起。支座截面處圓筒和封頭上的切向切應力和封頭的附加拉伸應力。由橫向剪力引起。支座截面處圓筒的周向彎曲應力。由截面上切向切應力引起。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。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力分布， 而且也影響臥式儲罐的穩定性和儲罐支座系統的重心高低。 包角小， 鞍座重量輕，但重心高， 且鞍座處圓筒上的應力較大。思考題

6、 5.6如臥式儲罐支座因結構原因不能設置在靠近封頭處（ A>0.5Ri ），且圓筒不足以承受周向彎距時，就需在支座截面處的圓筒上設置加強圈，以便與圓筒一起承載。思考題 5.7球形儲罐應力分布均勻。設計時要考慮壓力載荷、重量載荷、風載荷、雪載荷、地震載荷和環境溫度變化引起的載荷。純桔瓣式的特點是球殼拼裝焊縫較規則，施焊組裝比較容易，加快組裝進度并可對其實施自動焊。 但是球瓣在各帶位置尺寸大小不一，只能在本帶或上，下對稱的帶間互換；下料成型復雜，板材利用率低，板材較小，不易設計人孔和接管。且不易錯開焊縫。足球瓣式， 由于每塊的尺寸相同，下料規格化， 材料利用率好，互換性好， 組裝焊縫短。但是

7、焊縫排布比較困難，組裝困難，且此類罐的適用容積較小。混合式罐體基本結合了前面兩種的有點，現在的應用比較廣泛。思考題 5.8支柱在球殼赤道帶等距離布置，支柱中心線和球殼相切或相割而焊接起來。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。思考題 5.9不僅要考慮環境溫度、風載荷、 雪載荷和地震載荷，還要注意液化氣體的膨脹性和壓縮性。Word 文檔6. 換熱設備思考題 6.1按換熱設備熱傳遞原理或傳熱方式進行分類，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

8、混合進行換熱。2.蓄熱式換熱器借助于由固體構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，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體。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，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構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、 結構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，但它具有結構堅固、可靠、適應性強、易于制造、能承受較高的操作壓力和溫度等優點

9、。在高溫、高壓和大型換熱器中，管式換熱器仍占絕對優勢，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構形式可分為：螺旋板式換熱器、板式換熱器、板翅式換熱器、板殼式換熱器和傘板式換熱器。傳熱性能要比管式換熱器優越，由于其結構上的特點，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。其他一些為滿足工藝特殊要求而設計的具有特殊結構的換熱器，如回轉式換熱器、 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：結構簡單，承壓高，管程易清潔，可能產生較大熱應力；適用殼側介質清

10、潔；管、殼溫差不大或大但殼側壓力不高。2.浮頭式：結構復雜，無熱應力、管間和管清洗方便，密封要求高。適用殼側結垢及大溫差。3.U 形管式：結構比較簡單，層管不能更換；適用管清潔、高溫高壓。Word 文檔4.填料函式：結構簡單，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.強度脹（密封與抗拉脫弱，無縫隙）；2.強度焊（密封與抗拉脫強，有縫隙，存在焊接殘余熱應力）；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橫向流誘導振動的主要原因有：卡曼漩渦、流體彈性擾動、湍流顫振、聲振動、射流轉換。在橫流速度較低時，容易產生周期性的卡曼漩渦，這時在換熱器

11、中既可能產生管子的振動，也可能產生聲振動。 當橫流速度較高時， 管子的振動一般情況下是由流體彈性不穩定性激發振動， 但不會產生聲振動。 只有當橫流速度很高， 才會出現射流轉換而引起管子的振動。為了避免出現共振， 要使激振頻率遠離固有頻率。 可通過改變流速、 改變管子固有頻率、增設消聲板、抑制周期性漩渦、設置防沖板或導流筒等途徑來實現。思考題 6.6要使換熱設備中傳熱過程強化，可通過提高傳熱系數、增大換熱面積和增大平均傳熱溫差來實現。提高對流傳熱系數的方法又可分為有功傳熱強化和無功傳熱強化：1.有功傳熱強化應用外部能量來達到傳熱強化目的，如攪拌換熱介質、使換熱表面或流體振動、將電磁場作用于流體以

12、促使換熱表面附近流體的混合等技術。2.無功傳熱強化無需應用外部能量來達到傳熱強化的目的。在換熱器設計中，用的最多的無功傳熱強化法是擴展表面，它既能增加傳熱面積，又能提高傳熱系數。a.如槽管、翅片可增加近壁區湍流度，設計結構時要注意優先增強傳熱系數小的一側的湍流度。b.改變殼程擋板結構（多弓形折流板、異形孔板、網狀整圓形板），減少死區。改變管束支撐結構（桿式支撐），減少死區。7. 塔設備思考題 7.1無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、Word 文檔接管、吊柱及扶梯、操作平臺等組成。（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

13、回流液均勻地分布到填料的表面上，形成液體的初始分布。思考題 7.31.質量載荷塔體、裙座、塔件、塔附件、操作平臺及扶梯質量、偏心載荷（再沸器、冷凝器等附屬設備）；操作時物料質量；水壓試驗時充水質量；2.偏心載荷（彎矩）3.風載荷4.地震載荷（垂直與水平）5.壓或外壓6.其他塔在正常操作、停工檢修和壓力試驗等三種工況下的載荷是上述各種載荷的組合，請讀者自己思考。思考題 7.4根據壓計算塔體厚度后， 對正常操作、 停工檢修及壓力試驗工況分別進行軸向最大拉伸應力與最大壓縮應力的校核。如不滿足要求，則需調整塔體厚度，重新進行應力校核。如何確定筒體軸向應力？（思路）壓或外壓引起重力引起垂直地震力最大彎矩

14、（風載、水平地震力、偏心彎矩）思考題 7.5安裝于室外的塔設備， 在風力的作用下， 將產生兩個方向的振動。 一種是順風向的振動，即振動方向沿著風的方向； 另一種是橫向振動， 即振動方向沿著風的垂直方向， 又稱橫向振動或風的誘導振動。Word 文檔為了防止塔的共振，塔在操作時激振力的頻率(即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。可采取以下措施達到這一目的：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心橫截面是危險截面。2.筒體與群座連接處的橫截面。8. 反應設備思考題 8.1反應設備可分為化學反應

15、器和生物反應器。前者是指在其中實現一個或幾個化學反應，并使反應物通過化學反應轉變為反應產物的設備； 后者是指為細胞或酶提供適宜的反應環境以達到細胞生長代和進行反應的設備。 （具體分類見課本 8.1 反應器分類）思考題 8.2攪拌反應器由攪拌容器和攪拌機兩大部分組成。攪拌容器包括筒體、換熱元件及構件。攪拌器、攪拌軸及其密封裝置、傳動裝置等統稱為攪拌機。思考題 8.3常用的換熱元件有夾套和盤管。 當夾套的換熱面積能滿足傳熱要求時， 應優先采用夾套，這樣可減少容器構件，便于清洗，不占用有效容積。夾套的主要結構型式有：整體夾套、型鋼夾套、半圓管夾套和蜂窩夾套等。（具體結構特征請參照課本）思考題 8.4

16、對于攪拌機頂插式中心安裝的立式圓筒， 有三種基本流型： 徑向流，軸向流，切向流。 除中心安裝的攪拌機外，還有偏心式、底插式、側插式、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，轉速較高，小容積；2.推進式攪拌器用于低粘度，轉速高，循環能力強，可用于大容積攪拌；3.渦輪式用于中粘度達50Pa.s，圍較廣，轉速較高，中容積；4.錨式用于高粘最高達100Pa.s，轉速較低。思考題 8.6Word 文檔渦輪式攪拌器是應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式和盤式二類。渦輪式攪拌器有較大的剪切力，可使流體微團分散得很細，

17、適用于低粘度到中等粘度流體的混合、液 液分散、液 固懸浮，以及促進良好的傳熱、傳質和化學反應。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。在有擋板時以槳葉為界形成上下兩個循環流。折葉的還有軸向分流，近于軸流型。思考題 8.7生物反應器中常常采用機械攪拌式反應器。發酵罐所處理的對象是微生物，它的繁殖、生長，與化學反應過程有很大的區別，在設計中還要充分考慮以下因素：(1)生物反應器都是在多相體系中進行的，發酵液粘度是變化的，生物顆粒具有生命活力，其形態可能隨著加工過程的進行而變化。(2) 大多數生物顆粒對剪切力非常敏感剪切作用可能影響細胞的生成速率和組成比例，因此對攪拌產生的剪切力要控制在一定的圍。(3)大多數微生物發酵需要氧氣氧氣對需氧菌的培養至關重要，只要短暫缺氧，就會導致菌體的失活或死亡。而氧在水中溶解度極低