过程设备设计课后题

1.换热设备有哪几种主要形式？

答：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。

2.间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？

答：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。

3.管壳式换热器主要有哪几种形式？换热管与管板有哪几种连接方式？各有什么特点？

答: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。

3U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。

5釜式重沸器：壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸汽品质所决定。清洗维修方便，可处理不清洁、易结垢的介质，并能承受高温、高压。

连接方式：①强度胀焊 主要适用于设计压力小于等于4Mpa，设计温度小于等于300℃，操作中无剧烈振动、无过大温度波动及无明显应力腐

蚀等场合。

②强度焊 除有较大振动及有间隙腐蚀的场合，只要材料可焊性好，可用于任何场合。

③胀焊并用 主要用于密封性能要求高，承受振动或疲劳载荷，有间隙腐蚀，需采用复合管板的场合。

4.换热器流体诱导振动的主要原因有哪些？相应采取哪些防振措施？

答：1螺旋脱落2流体弹性扰动3湍流颤振4声振动5射流转换

防振措施：1改变流速2改变管子固有频率3增设消声板4抑制周期性漩涡5设置防冲板或导流筒

5.试述余热锅炉的作用及其分类？

答：余热锅炉，顾名思义是指利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的余热及其可燃物质燃烧后产生的热量把水加热到一定工质的锅炉。具有烟箱、烟道余热回收利用的燃油锅炉、燃气锅炉、燃煤锅炉也称为余热锅炉，余热锅炉通过余热回收可以生产热水或蒸汽来供给其它工段使用。

余热锅炉按燃料分为燃油余热锅炉、燃气余热锅炉、燃煤余热锅炉及外媒余热锅炉等。按用途分为余热热水锅炉、余热蒸汽锅炉、余热有机热载体锅炉等。

6.换热设备传热强化可采取哪些途径来实现？

答：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。

1.塔设备由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

答：1塔体 塔体除了承受一定的操作压力、温度外，还要考虑风载、地震载荷、偏心载荷。此外还要满足在试压、运输及吊装时的强度、刚度及稳定性要求。

2支座 连接塔体与基础

3人孔及手孔 安装、检修、检查等需要

4接管 用于连接工艺管线，使塔设备与其他相关设备相连接

5除沫器 用于补集夹带在气流中的液滴

6吊柱 用于安装、检修时吊运塔内件

2.填料塔中液体分布器及液体自分布器的作用是什么？

答：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。

液体自分布器将上一段填料下来的液体收集、再分布。当塔内气、液相出现径向浓度差时，将上层填料流下的液体完全收集、混合，然后均分部到下层填料，并将上升的气体均匀分布到上层填料以消除各自的径向浓度差。

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？

答：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

4.简述塔设备设计的基本步骤？

答：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）

5.塔设备振动的原因有哪些？如何预防振动？

答：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。

6.塔设备设计中，那些危险截面需要校核轴向强度和稳定性？如何校核？

答：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。

8.1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。