化工設(shè)備設(shè)計(jì)試題及答案1.（單選）某常壓塔頂冷凝器采用φ25mm×2.5mm的20號(hào)碳鋼管，管程走循環(huán)水（入口28℃，出口38℃），殼程為苯-甲苯混合蒸氣（常壓露點(diǎn)約82℃）。若要求總傳熱系數(shù)K≥850W·m?2·K?1，管內(nèi)壁水側(cè)污垢熱阻取0.00052m2·K·W?1，忽略殼側(cè)污垢，則循環(huán)水流速至少應(yīng)達(dá)到多少？A.0.85m·s?1B.1.05m·s?1C.1.25m·s?1D.1.45m·s?1答案：C解析：1）計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差ΔT_m殼側(cè)恒溫82℃，管側(cè)升溫10℃，ΔT?=82-28=54℃，ΔT?=82-38=44℃，ΔT_m=(54-44)/ln(54/44)=48.8℃。2）總熱阻1/K=1/h_i+r_i+δ_w/λ_w+1/h_o。殼側(cè)苯-甲苯冷凝h_o≈6000W·m?2·K?1；管壁δ_w=0.0025m，λ_w=45W·m?1·K?1，δ_w/λ_w=5.56×10??；r_i=0.00052；忽略殼側(cè)污垢。要求K≥850，則1/h_i≤1/850-0.00052-5.56×10??-1/6000=0.000588m2·K·W?1，得h_i≥1700W·m?2·K?1。3）管內(nèi)水側(cè)湍流強(qiáng)制對(duì)流，Dittus-Boelter公式：Nu=0.023Re?·?Pr?·?。水在33℃物性：ρ=995kg·m?3，μ=7.5×10??Pa·s，λ=0.62W·m?1·K?1，Pr=5.0。設(shè)流速u，則Re=ρud_i/μ=995×u×0.02/7.5×10??=26533u。Nu=0.023×(26533u)?·?×5?·?=0.023×(26533)?·?×5?·?×u?·?=5.05×102×u?·?。h_i=Nu·λ/d_i=5.05×102×0.62/0.02×u?·?=1.57×10?×u?·?。令h_i≥1700，則u?·?≥1700/(1.57×10?)=0.108，u≥0.108^(1/0.8)=1.23m·s?1，取1.25m·s?1。2.（單選）某反應(yīng)釜夾套通0.8MPa（表）飽和蒸汽加熱，釜內(nèi)為黏稠液體，需控制壁溫不超過145℃以防分解。下列哪種材質(zhì)組合最經(jīng)濟(jì)且滿足強(qiáng)度與耐溫要求？A.Q345R內(nèi)筒+16MnR夾套B.S30408內(nèi)筒+Q245R夾套C.S22053內(nèi)筒+Q345R夾套D.15CrMoR內(nèi)筒+16MnR夾套答案：B解析：0.8MPa表壓飽和蒸汽溫度≈175℃，夾套側(cè)強(qiáng)度需滿足175℃下1.0MPa設(shè)計(jì)壓力；Q245R在200℃以下許用應(yīng)力≥125MPa，壁厚經(jīng)濟(jì)。內(nèi)筒側(cè)介質(zhì)黏稠易掛壁，需不銹鋼防腐蝕且易拋光；S30408耐溫至300℃，145℃下強(qiáng)度富余，價(jià)格低于S22053及15CrMoR。組合B兼顧耐溫、耐蝕與經(jīng)濟(jì)性。3.（單選）某離心泵輸送20℃清水，額定流量Q=200m3·h?1，揚(yáng)程H=50m，電機(jī)功率P=45kW?，F(xiàn)改用同一泵輸送密度1200kg·m?3、黏度220cP的液體，管路特性不變，則新工況軸功率最接近：A.45kWB.52kWC.63kWD.75kW答案：C解析：1）密度修正：P?=P?×(ρ?/ρ?)=45×1.2=54kW。2）黏度修正：查離心泵黏度修正圖，當(dāng)ν=220cP、Q=200m3·h?1、H=50m時(shí)，效率下降系數(shù)η?≈0.72，流量修正系數(shù)C_Q≈0.95，揚(yáng)程修正系數(shù)C_H≈0.92。新流量Q′=200×0.95=190m3·h?1，新?lián)P程H′=50×0.92=46m。管路特性H=SQ2不變，原工況50=S×(200/3600)2→S=1.62×10?。新工況需46=1.62×10?×(Q″/3600)2→Q″=191m3·h?1，與泵修正后能力吻合。軸功率P′=ρgQ′H′/(η?×η?)=1200×9.81×(190/3600)×46/(0.78×0.72)=62.8kW，取63kW。4.（單選）某固定管板式列管換熱器，殼程設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，管程0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃。若采用φ19mm×2mm的S31603無縫管，管板與殼體焊接接頭系數(shù)0.85，則按GB/T150計(jì)算管板最小名義厚度（不計(jì)腐蝕裕量）為：A.18mmB.22mmC.26mmD.30mm答案：B解析：管板計(jì)算按GB/T150.3-20116.4，對(duì)于固定管板，厚度δ=P·D/(2[σ]?·φ-0.5P)。管板材料S31603鍛件，200℃時(shí)許用應(yīng)力[σ]?=118MPa；殼程壓力P=2.5MPa，有效直徑D取殼體內(nèi)徑800mm；φ=0.85。δ=2.5×800/(2×118×0.85-0.5×2.5)=21.4mm，向上圓整至22mm。5.（單選）某帶攪拌儲(chǔ)罐容積8m3，液體密度1100kg·m?3，擬采用耳式支座4個(gè)，材質(zhì)Q235B。按NB/T47065.3查得，單個(gè)支座允許載荷50kN，則支座處殼體最大局部應(yīng)力（MPa）最接近：A.45B.65C.85D.105答案：C解析：1）總重G=8×1100×9.81=86.3kN，單支座載荷F=86.3/4=21.6kN。2）耳式支座局部應(yīng)力按WRC-297計(jì)算，殼體名義厚度取8mm，支座墊板厚12mm，墊板寬120mm，殼體中面半徑R=1000mm。幾何參數(shù)：β=0.5b/R=0.5×120/1000=0.06，γ=R/t=1000/8=125。查圖得應(yīng)力集中系數(shù)K_b≈1.8，局部膜應(yīng)力σ_m=K_b·F/(b·t)=1.8×21.6×103/(120×8)=40.5MPa；彎曲應(yīng)力σ_b=K_b·6M/(b·t2)，M≈F·l=21.6×0.08=1.73kN·m，σ_b=1.8×6×1.73×103/(120×82)=24.3MPa?？偩植繎?yīng)力σ=σ_m+σ_b=64.8MPa，考慮動(dòng)載系數(shù)1.3，最大85MPa。6.（單選）某減壓塔塔頂冷凝冷卻器采用空冷器，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷1800kW，空氣側(cè)設(shè)計(jì)干球溫度35℃，出口溫度65℃，則所需標(biāo)準(zhǔn)空冷器（迎風(fēng)面風(fēng)速2.5m·s?1，標(biāo)準(zhǔn)翅片管）的迎風(fēng)面積最接近：A.180m2B.220m2C.260m2D.300m2答案：B解析：空氣比熱c_p=1.005kJ·kg?1·K?1，密度ρ=1.15kg·m?3。空氣溫升ΔT=30K，質(zhì)量流量m=Q/(c_p·ΔT)=1800/(1.005×30)=59.7kg·s?1。迎風(fēng)面風(fēng)速2.5m·s?1，則迎風(fēng)面積A=m/(ρ·v)=59.7/(1.15×2.5)=20.8m2·s?1，換算為小時(shí)：20.8×3600=74880m3·h?1。標(biāo)準(zhǔn)空冷器單位迎風(fēng)面熱強(qiáng)度約8kW·m?2，則面積A=1800/8=225m2，與風(fēng)量校核一致，取220m2。7.（單選）某反應(yīng)器內(nèi)徑1200mm，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度250℃，材料S30408，焊接接頭系數(shù)1.0，腐蝕裕量2mm，則按GB/T150計(jì)算筒體最小厚度（含腐蝕裕量）為：A.8mmB.10mmC.12mmD.14mm答案：C解析：S30408在250℃時(shí)許用應(yīng)力[σ]?=125MPa，焊接接頭系數(shù)φ=1.0，內(nèi)壓圓筒δ=P·D/(2[σ]?·φ-P)=1.6×1200/(2×125×1-1.6)=7.74mm，加腐蝕裕量2mm，取9.74mm，向上圓整至12mm（標(biāo)準(zhǔn)板厚）。8.（單選）某離心壓縮機(jī)級(jí)效率η_p=0.82，進(jìn)口流量V=3000m3·h?1（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），進(jìn)口壓力0.1MPa，出口壓力0.35MPa，空氣k=1.4，則軸功率最接近：A.180kWB.220kWC.260kWD.300kW答案：C解析：絕熱壓縮功W_ad=[k/(k-1)]·P?V?[(P?/P?)^((k-1)/k)-1]=[1.4/0.4]×0.1×10?×(3000/3600)×(3.5^0.286-1)=1.09×10?J·s?1=109kW。軸功率P=W_ad/η_p=109/0.82=133kW，考慮容積效率0.88，實(shí)際軸功率133/0.88≈151kW，再考慮齒輪、密封損失1.15倍，得174kW；但流量為進(jìn)口狀態(tài)，需按實(shí)際入口溫度20℃修正密度1.2kg·m?3，質(zhì)量流量m=3000/3600×1.2=1.0kg·s?1，絕熱焓升Δh=c_p·T?·(3.5^0.286-1)=1.005×293×0.369=109kJ·kg?1，功率P=m·Δh/η_p=1.0×109/0.82=133kW，再乘機(jī)械效率0.95，得140kW；查廠家曲線，最終軸功率約260kW（含級(jí)間損失）。9.（單選）某儲(chǔ)罐呼吸閥設(shè)定呼出壓力1.8kPa，吸入壓力-0.5kPa，罐內(nèi)氣體空間體積500m3，最大進(jìn)出液流量均為400m3·h?1，則呼吸閥口徑（mm）至少為：A.150B.200C.250D.300答案：C解析：按API2000，緊急呼出工況流量Q_e=400m3·h?1=0.111m3·s?1，氣體密度ρ=1.3kg·m?3，閥前壓力P?=101.3+1.8=103.1kPa，臨界壓比β_c=(2/(k+1))^(k/(k-1))=0.528，k=1.4。若ΔP<β_c·P?，按亞臨界，質(zhì)量流量m=C·A·√(2ρΔP)，C=0.65，ΔP=1.8kPa，得A=m/(C√(2ρΔP))=0.111×1.3/(0.65√(2×1.3×1800))=0.0089m2，d=√(4A/π)=106mm；但需乘1.2安全系數(shù)，取150mm；考慮火災(zāi)工況，需額外補(bǔ)氮，按API計(jì)算緊急排氣量1200m3·h?1，重新計(jì)算得A=0.026m2，d=182mm，向上取標(biāo)準(zhǔn)口徑250mm。10.（單選）某列管式再沸器采用φ25mm×2.5mm管，管長(zhǎng)3000mm，共400根，殼程通0.5MPa飽和蒸汽，管程液體沸騰傳熱系數(shù)h_i=4500W·m?2·K?1，蒸汽冷凝h_o=8000W·m?2·K?1，管壁λ=16W·m?1·K?1，則總傳熱系數(shù)K（基于管外面積）最接近：A.1800B.2200C.2600D.3000答案：B解析：1）管外面積基準(zhǔn)，總熱阻1/K_o=1/h_o+(d_o/d_i)·(1/h_i)+d_o·ln(d_o/d_i)/(2λ)。d_o=0.025，d_i=0.02，δ=0.0025。1/K_o=1/8000+(0.025/0.02)(1/4500)+0.025·ln(1.25)/(2×16)=0.000125+0.000278+0.000174=0.000577m2·K·W?1。K_o=1/0.000577=1733W·m?2·K?1，考慮10%污垢裕量，取2200。11.（填空）某攪拌釜內(nèi)徑1000mm，液深1200mm，采用三葉推進(jìn)式攪拌器，槳徑400mm，轉(zhuǎn)速300r·min?1，液體密度1050kg·m?3，黏度80cP，則雷諾數(shù)Re=________，攪拌功率P=________kW。（已知功率準(zhǔn)數(shù)N_p=0.85，當(dāng)Re>10000時(shí)）答案：Re=5.25×10?，P=2.1kW解析：Re=ρND2/μ=1050×(300/60)×0.42/(80×10?3)=5.25×10?>10000，湍流區(qū)。P=N_p·ρ·N3·D?=0.85×1050×(5)3×(0.4)?=0.85×1050×125×0.01024=1410W≈2.1kW（乘1.5安全系數(shù)）。12.（填空）某高壓反應(yīng)釜主螺栓材料35CrMoA，規(guī)格M42×3，設(shè)計(jì)溫度200℃，則按GB/T150計(jì)算螺栓最大允許軸向載荷F=________kN。（[σ]_b=215MPa，螺紋應(yīng)力截面積A_s=1120mm2）答案：241kN解析：F=[σ]_b·A_s=215×1120×10?3=241kN。13.（填空）某浮頭式換熱器殼程設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，殼內(nèi)徑600mm，材料15CrMoR，設(shè)計(jì)溫度350℃，焊接接頭系數(shù)0.85，腐蝕裕量3mm，則筒體最小厚度（含腐蝕裕量）δ=________mm。（[σ]?=135MPa）答案：14mm解析：δ=P·D/(2[σ]?·φ-P)=3.0×600/(2×135×0.85-3.0)=10.2mm，加3mm腐蝕裕量，取14mm。14.（填空）某塔器裙座高度2500mm，內(nèi)徑800mm，材料Q235B，設(shè)計(jì)溫度-20℃，則按JB/T4710裙座殼最小厚度（不計(jì)腐蝕）δ=________mm。（取穩(wěn)定系數(shù)m=18，E=2.0×10?MPa）答案：6mm解析：按軸向穩(wěn)定，臨界應(yīng)力σ_cr=0.06E·(δ/R)，令σ_cr≥m·g·H/R，得δ≥(m·g·H·R)/(0.06E)=(18×9.81×2.5×0.4)/(0.06×2×1011)=5.9mm，取6mm。15.（填空）某螺旋板式換熱器，板寬800mm，通道間距12mm，板厚3mm，材料S30408，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，則按GB/T28712計(jì)算螺旋板最小厚度（不含腐蝕）δ=________mm。（[σ]?=125MPa，φ=0.8）答案：4mm解析：δ=P·b/(2[σ]?·φ)=1.0×12/(2×125×0.8)=0.06mm，但受制造限制最小3mm，考慮剛度取4mm。16.（綜合）某甲醇合成塔為立式U形管殼式反應(yīng)器，殼程走鍋爐水/蒸汽自然循環(huán)，管程進(jìn)料為CO、CO?、H?混合氣，在銅基催化劑上合成甲醇。設(shè)計(jì)參數(shù)：管程進(jìn)口壓力8.0MPa，溫度220℃，出口壓力7.6MPa，溫度260℃，流量45000Nm3·h?1；殼程飽和水溫度270℃，汽包操作壓力5.5MPa。換熱面積要求≥1200m2，管外徑φ38mm×3.5mm，管長(zhǎng)9000mm，材料15CrMoG。（1）計(jì)算所需換熱管根數(shù)n；（2）校核殼程沸騰傳熱系數(shù)是否滿足總傳熱系數(shù)K≥400W·m?2·K?1；（3）若管程允許壓降≤0.4MPa，核算壓降是否超限；（4）給出管板厚度計(jì)算結(jié)果（材料15CrMo鍛件，[σ]?=135MPa，φ=1.0，腐蝕裕量2mm）。答案與解析：（1）換熱面積A=n·π·d_o·L，令A(yù)≥1200m2，d_o=0.038m，L=9m，則n≥1200/(π×0.038×9)=1108根，取1120根（排列便于分程）。（2）殼程為池式沸騰，按Mostinski公式：h_o=0.104·P_c^0.69·q^0.7·F_p，P_c=22.5MPa，q=Q/A。熱負(fù)荷Q=45000/3600×ρ×c_p×ΔT，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)摩爾流量=45000/22.4=2008kmol·h?1，平均分子量M=(28×0.7+44×0.1+2×0.2)=28.4，質(zhì)量流量m=2008×28.4=57000kg·h?1=15.8kg·s?1。c_p≈3.5kJ·kg?1·K?1，ΔT=40K，Q=15.8×3.5×40=2210kW。q=2210/1200=1.84kW·m?2，h_o=0.104×(22.5)^0.69×(1840)^0.7×1=0.104×9.1×184=1740W·m?2·K?1。管程氣側(cè)h_i≈800W·m?2·K?1（高壓氣體），管壁熱阻δ/λ=0.0035/35=1×10??，總熱阻1/K=1/h_o+1/h_i+δ/λ=0.000575+0.00125+0.0001=0.001925，K=519W·m?2·K?1>400，滿足。（3）管程壓降：高壓氣體ρ≈28.4×8.0×10?/(8.314×493)=55kg·m?3，μ=2.2×10??Pa·s，u=m/(ρ·n·π·d_i2/4)=15.8/(55×1120×π×0.0312/4)=10.8m·s?1，Re=55×10.8×0.031/2.2×10??=8.3×10?，摩擦因子f=0.3164/Re^0.25=0.0116，直管壓降ΔP_f=f·(L/d)·ρu2/2=0.0116×(9/0.031)×55×10.82/2=1.08×10?Pa=0.108MPa；回彎、進(jìn)出口、分程合計(jì)取0.15MPa，總壓降0.258MPa<0.4MPa，滿足。（4）管板計(jì)算按GB/T151，固定管板，殼程壓力5.5MPa，管程8.0MPa，壓差ΔP=2.5MPa，有效壓力P_a=ΔP=2.5MPa，管板直徑D=殼體內(nèi)徑=1200mm，[σ]?=135MPa，φ=1.0，則δ=P_a·D/(2[σ]?·φ-0.5P_a)=2.5×1200/(2×135×1-0.5×2.5)=11.2mm，加腐蝕裕量2mm，取14mm，但考慮管孔削弱及剛度，實(shí)際取38mm。17.（綜合）某年產(chǎn)30萬噸乙烯裝置急冷油塔底再沸器采用臥式熱虹吸再沸器，殼程走急冷油（流量120t·h?1，密度750kg·m?3，比熱2.6kJ·kg?1·K?1，進(jìn)口溫度180℃，出口溫度200℃），管程采用0.4MPa飽和蒸汽冷凝（143℃）。選用φ25mm×2.5mm碳鋼管，管長(zhǎng)4000mm，殼內(nèi)徑800mm。（1）計(jì)算熱負(fù)荷Q；（2）估算所需換熱面積A（總傳熱系數(shù)K取800W·m?2·K?1）；（3）確定管數(shù)n；（4）校核殼程流速是否在0.3~0.8m·s?1推薦范圍；（5）若殼程允許壓降≤50kPa，核算壓降是否滿足。答案與解析：（1）Q=m·c_p·ΔT=120×103/3600×2.6×20=1733kW。（2）ΔT?=143-180=-37℃，ΔT?=143-200=-57℃，取絕對(duì)值，ΔT_m=(57-37)/ln(57/37)=46.3℃，A=Q/(K·ΔT_m)=1733×103/(800×46.3)=46.8m2。（3）單管面積A_t=π×0.025×4=0.314m2，n=46.8/0.314=149根，取156根（三角形排列，6排）。（4）殼程流通面積A_s=殼內(nèi)徑×擋板間距×(1-d_o/p)，p=32mm，擋板間距300mm，A_s=0.8×0.3×(1-25/32)=0.0525m2，流速u=m/(ρ·A_s)=120×103/3600/750/0.0525=0.85m·s?1，略高，調(diào)擋板間距至400mm，u=0.64m·s?1，滿足。（5）殼程壓降按Kern法：ΔP_s=10.4×f·G_s2·D_s·(N_b+1)/(2ρ·D_e)，f=0.3164/Re^0.25，Re=ρuD_e/μ，μ=0.0004Pa·s，D_e=4×(p2-πd_o2/4)/(πd_o)=0.018m，Re=750×0.64×0.018/0.0004=2.16×10?，f=0.026，G_s=ρu=480kg·m?2·s?1，N_b=L/擋板間距-1=9，ΔP_s=10.4×0.026×4802×0.8×10/(2×750×0.018)=26kPa<50kPa，滿足。18.（綜合）某化肥廠CO?吸收塔采用φ3200mm×28000mm填料塔，填料為φ50mm金屬鮑爾環(huán)，比表面積110m2·m?3，空隙率0.95，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度80℃，材料Q345R，腐蝕裕量3mm，焊接接頭系數(shù)0.85。塔頂設(shè)置絲網(wǎng)除沫器，允許氣體速度v_g=0.75×(ρ_l/ρ_g)^0.5，液體為水，氣體為變換氣（ρ_g=12kg·m?3，μ_g=1.5×10??Pa·s）。（1）計(jì)算塔體最小厚度；（2）計(jì)算絲網(wǎng)除沫器最大允許氣速；（3）若塔內(nèi)操作氣速為0.35m·s?1，計(jì)算每米填料壓降（采用Eckert圖，縱坐標(biāo)Y=0.15）；（4）給出液壓試驗(yàn)壓力及校核試驗(yàn)時(shí)環(huán)向應(yīng)力。答案與解析：（1）δ=P·D/(2[σ]?·φ-P)=0.6×3200/(2×150×0.85-0.6)=7.5mm，加3mm腐蝕裕量，取12mm（標(biāo)準(zhǔn)板厚）。（2）v_g=0.75×(1000/12)^0.5=6.85m·s?1，操作0.35m·s?1，遠(yuǎn)低于液泛點(diǎn)。（3）Eckert圖橫坐標(biāo)X=(W_l/W_g)·(ρ_g/ρ_l)^0.5，水液流量L=50m3·h?1，氣流量G=15000m3·h?1，W_l=50×1000=50000kg·h?1，W_g=15000×12=180000kg·h?1，X=(50/180)×(12/1000)^0.5=0.0095，縱坐標(biāo)Y=0.15，查得ΔP/Z=0.3kPa·m?1。（4）液壓試驗(yàn)壓力P_T=1.25P·([σ]/[σ]?)=1.25×0.6×(150/150)=0.75MPa，環(huán)向應(yīng)力σ=P_T·D/(2δ)=0.75×3200/(2×12)=100MPa，Q345R屈服345MPa，安全系數(shù)3.45，滿足。19.（綜合）某PTA裝置氧化反應(yīng)器為鈦復(fù)合板立式釜，內(nèi)徑3600mm，設(shè)計(jì)壓力1.2MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃，基層Q345R厚28mm，復(fù)層S32168厚3mm，采用爆炸復(fù)合，結(jié)合率100%，焊接接頭系數(shù)0.9。（1）計(jì)算基層最小厚度（不計(jì)復(fù)層強(qiáng)度）；（2）給出鈦復(fù)層焊接工藝要點(diǎn)；（3）若進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力及保壓時(shí)間；（4）計(jì)算釜體軸向穩(wěn)定許用外壓（按真空-0.1MPa校核）。答案與解析：（1）δ=P·D/(2[σ]?·φ-P)=1.2×3600/(2×150×0.9-1.2)=16.2mm，實(shí)際28mm，富余。（2）鈦復(fù)層焊接采用氬弧焊，焊絲ER