过程设备设计复习题及答案6--8

过程设备设计复习题及答案

换热设备

6.1根据结构来分，下面各项中那个不属于管壳式换热器：（ B ）

A. 固定管板式换热器

B. 蓄热式换热器

C. 浮头式换热器

D.U 形管式换热器

6.2常见的管壳式换热器和板式换热器属于以下哪种类型的换热器：（C ）

A. 直接接触式换热器

B. 蓄热式换热器

C. 间壁式换热器

D. 中间载热体式换热器

6.3下面那种类型的换热器不是利用管程和壳程来进行传热的：（B ）

A. 蛇管式换热器

B. 套管式换热器

C. 管壳式换热器

D. 缠绕管式换热器

6.4下列关于管式换热器的描述中，错误的是：（C ）

A. 在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

B. 蛇管式换热器是管式换热器的一种，它由金属或者非金属的管子组成，按需要弯曲成所需的形状。

C. 套管式换热器单位传热面的金属消耗量小，检测、清洗和拆卸都较为容易。

D. 套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。

6.5下列措施中，不能起到换热器的防振效果的有：（A ）

A. 增加壳程数量或降低横流速度。

B. 改变管子的固有频率。

C. 在壳程插入平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板。

D. 在管子的外边面沿周向缠绕金属丝或沿轴向安装金属条。

6.1 按照换热设备热传递原理或传递方式进行分类可以分为以下几种主要形式：（ABC ）

A. 直接接触式换热器

B. 蓄热式换热器

C. 间壁式换热器

D. 管式换热器

6.2 下面属于管壳式换热器结构的有：（ABCD ）

A. 换热管

B. 管板

C. 管箱

D. 壳体

6.3 引起流体诱导振动的原因有：（ACD ）

A. 卡曼漩涡

B. 流体密度过大

C. 流体弹性扰动

D. 流体流速过快

6.4 传热强化的措施有：（BCD ）

A. 提高流量

B. 增加平均传热温差

C. 扩大传热面积

D. 提高传热系数

6.5 下列关于管壳式换热器的描述中，错误的是：（CD ）

A. 管壳式换热器结构简单、紧凑、能承受较高的压力。

B. 管壳式换热器适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行清洗的场合。

C. 管壳式换热器适用于管、壳程两侧温差较大或者壳侧压力较高的场合。

D. 在管壳式换热器中，当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相差不大时，壳体和管束中将产生较大的热应力

6．换热设备

(对)6.1 套管式换热器具有结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便的特点

(错)6.2 通过增加管程流量或增加横流速度可以改变卡曼漩涡频率，从而消除散热器的振动。

(对)6.3 余热锅炉是在工业中用来回收余热的一种锅炉，它的基本结构和一般锅炉相似。

(错)6.4 余热锅炉的使用会增加对环境的污染

(对)6.5 使用余热锅炉能够提高热能总利用率，节约一次能源消耗。

(错)6.6 在换热设备中，采用大直径的换热管可以增大传热面积。

(错)6.7 在换热设备中，换热管的管径愈小，耐压愈高。

(对)6.8 管内翅片虽然增加了传热面积，但是也改变了流体在管内的流动形势和阻力分布，泵功率的损失也会相应增加。

(错)6.9 管子的固有频率可以通过精确的计算获得。

(对)6.10 板式换热器可用于处理从水到高黏度的液体的加热、冷却、冷凝、蒸发等过程，适用于经常需要清洗，工作环境要求十分紧凑的场合。

6．换热设备

6.1换热设备有哪几种主要形式？

按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式：

1.直接接触式换热器 利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。

2.蓄热式换热器 借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。

3.间壁式换热器 利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。

4.中间载热体式换热器 载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。

6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？

1.管式换热器 按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。

在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。

2.板面式换热器 按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。

传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强

化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。

3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。

6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？

1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。

2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。

3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。

4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa 以下，温度受限制。

6.4换热器流体诱导震动的主要原因有哪些？相应采取哪些防震措施？

1.强度胀（密封与抗拉脱弱，无缝隙）；

2.强度焊（密封与抗拉脱强，有缝隙，存在焊接残余热应力）；

3.胀焊并用（先焊后胀，至少保证其中之一抗拉脱）。

6.5换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？

横向流诱导振动的主要原因有：卡曼漩涡、流体弹性扰动、湍流颤振、声振动、射流转换。 在横流速度较低时，容易产生周期性的卡曼漩涡，这时在换热器中既可能产生管子的振动，也可能产生声振动。当横流速度较高时，管子的振动一般情况下是由流体弹性不稳定性激发振动，但不会产生声振动。只有当横流速度很高，才会出现射流转换而引起管子的振动。为了避免出现共振，要使激振频率远离固有频率。可通过改变流速、改变管子固有频率、增设消声板、抑制周期性漩涡、设置防冲板或导流筒等途径来实现。

6.6换热设备传热强化可采用哪些途径来实现？

要使换热设备中传热过程强化，可通过提高传热系数、增大换热面积和增大平均传热温差来实现。 提高对流传热系数的方法又可分为有功传热强化和无功传热强化：

1. 有功传热强化 应用外部能量来达到传热强化目的，如搅拌换热介质、使换热表面或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合等技术。

2. 无功传热强化 无需应用外部能量来达到传热强化的目的。在换热器设计中，用的最多的无功传

热强化法是扩展表面，它既能增加传热面积，又能提高传热系数。

a. 如槽管、翅片可增加近壁区湍流度，设计结构时要注意优先增强传热系数小的一侧的湍流度。 b. 改变壳程挡板结构（多弓形折流板、异形孔板、网状整圆形板），减少死区。改变管束支撑结构（杆式支撑），减少死区。

7．塔设备

7.1塔设备由那几部分组成？各部分的作用是什么？

无论是填料塔还是板式塔，除了各种内件之外，均由塔体、支座、人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台等组成。

（具体作用参考课本）

7.2填料塔中液体分布器的作用是什么？

液体分布器安装于填料上部，它将液相加料及回流液均匀地分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。

7.3试分析塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷？

1. 质量载荷

塔体、裙座、塔内件、塔附件、操作平台及扶梯质量、偏心载荷（再沸器、冷凝器等附属设备）； 操作时物料质量；

水压试验时充水质量；

2. 偏心载荷（弯矩）

3. 风载荷

4. 地震载荷（垂直与水平）

5. 内压或外压

6. 其他

塔在正常操作、停工检修和压力试验等三种工况下的载荷是上述各种载荷的组合，请读者自己思考。

7.4简述塔设备设计的基本步骤。

根据内压计算塔体厚度后，对正常操作、停工检修及压力试验工况分别进行轴向最大拉伸应力与最大压缩应力的校核。如不满足要求，则需调整塔体厚度，重新进行应力校核。

如何确定筒体轴向应力？（思路）

内压或外压引起

重力引起

垂直地震力

最大弯矩（风载、水平地震力、偏心弯矩）

7.5塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？

安装于室外的塔设备，在风力的作用下，将产生两个方向的振动。一种是顺风向的振动，即振动方向沿着风的方向；另一种是横向振动，即振动方向沿着风的垂直方向，又称横向振动或风的诱导振动。

为了防止塔的共振，塔在操作时激振力的频率(即升力作用的频率或旋涡脱落的频率)fv 不得在塔体第一振型固有频率的0.85~1.3倍范围内。可采取以下措施达到这一目的：1. 增大塔的固有频率。2. 采用扰流装置。

3. 增大塔的阻尼。

7.6塔设备设计中，哪些危险界面需要校核轴向强度和稳定性？

1.裙座底部截面及孔中心横截面是危险截面。

2.筒体与群座连接处的横截面。

8．反应设备

8.1反应设备有哪几种分类方法？简述几种常见的反应设备的特点。

反应设备可分为化学反应器和生物反应器。前者是指在其中实现一个或几个化学反应，并使反应物通过化学反应转变为反应产物的设备；后者是指为细胞或酶提供适宜的反应环境以达到细胞生长代谢和进行反应的设备。（具体分类见课本8.1反应器分类）

8.2机械搅拌反应器主要由哪些零部件组成？

搅拌反应器由搅拌容器和搅拌机两大部分组成。搅拌容器包括筒体、换热元件及内构件。搅拌器、搅拌轴及其密封装置、传动装置等统称为搅拌机。

8.3搅拌容器的传热元件有哪几种？各有什么特点？

常用的换热元件有夹套和内盘管。当夹套的换热面积能满足传热要求时，应优先采用夹套，这样可减少容器内构件，便于清洗，不占用有效容积。

夹套的主要结构型式有：整体夹套、型钢夹套、半圆管夹套和蜂窝夹套等。

（具体结构特征请参照课本）

8.4 搅拌器在容器内的安装方法有哪几种？对于搅拌机顶插式中心安装的情况，其流型有什么特点？ 对于搅拌机顶插式中心安装的立式圆筒，有三种基本流型：径向流，轴向流，切向流。

除中心安装的搅拌机外，还有偏心式、底插式、侧插式、斜插式、卧式等安装方式。

8.5常见的搅拌器有哪几种？简述各自特点。

1.浆式搅拌器用于低粘度，转速较高，小容积；

2.推进式搅拌器用于低粘度，转速高，循环能力强，可用于大容积搅拌；

3.涡轮式用于中粘度达50Pa.s ，范围较广，转速较高，中容积；

4.锚式用于高粘最高达100Pa.s ，转速较低。

8.6涡轮式搅拌器在容器中的流型及其应用范围？

涡轮式搅拌器是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。涡轮式搅拌器可分为开式和盘式二类。涡轮式搅拌器有较大的剪切力，可使流体微团分散得很细，适用于低粘度到中等粘度流体的混合、液—液分散、液—固悬浮，以及促进良好的传热、传质和化学反应。平直叶剪切作用较大，属剪切型搅拌器。弯叶是指叶片朝着流动方向弯曲，可降低功率消耗，适用于含有易碎固体颗粒的流体搅拌。

平直叶、后弯叶为径向流型。在有挡板时以桨叶为界形成上下两个循环流。折叶的还有轴向分流，近于轴流型

8.7 生物反应容器中选用的搅拌器时应考虑的因素？

生物反应器中常常采用机械搅拌式反应器。发酵罐所处理的对象是微生物，它的繁殖、生长，与化学反应过程有很大的区别，在设计中还要充分考虑以下因素：

(1)生物反应器都是在多相体系中进行的，发酵液粘度是变化的，生物颗粒具有生命活力，其形态可能随着加工过程的进行而变化。

(2)大多数生物颗粒对剪切力非常敏感 剪切作用可能影响细胞的生成速率和组成比例，因此对搅拌产生的剪切力要控制在一定的范围内。

(3)大多数微生物发酵需要氧气 氧气对需氧菌的培养至关重要，只要短暂缺氧，就会导致菌体的失活或死亡。而氧在水中溶解度极低，因此氧气的供应就成为十分突出的问题。

8.8搅拌轴的设计需要考虑哪些因素？

设计搅拌轴时，应考虑以下四个因素：

①扭转变形；

②临界转速；

③扭矩和弯矩联合作用下的强度；

④轴封处允许的径向位移。

8.9搅拌轴的密封装置有几种？各有什么特点？

用于机械搅拌反应器的轴封主要有两种：填料密封和机械密封。

1. 填料密封结构简单，制造容易，适用于非腐蚀性和弱腐蚀性介质、密封要求不高、并允许定期维护的搅拌设备。

2. 机械密封是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并作相对运动达到密封的装置，又称端面密封。机械密封的泄漏率低，密封性能可靠，功耗小，使用寿命长，在搅拌反应器中得到广泛地应用。