2025年大学二年级（过程装备与控制工程）过程装备设计试题及答案.doc

2025年大学二年级（过程装备与控制工程）过程装备设计试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共30分）
答题要求：本大题共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确答案的序号填在括号内。

1. 过程装备设计中，关于内压薄壁圆筒的应力分析，以下说法正确的是（ ）
A. 薄膜应力是主要应力，其沿壁厚均匀分布
B. 弯曲应力沿壁厚线性分布，对强度影响不大
C. 薄膜应力和弯曲应力都对容器强度起关键作用
D. 薄膜应力只在容器两端存在

2. 在设计外压圆筒时，下列因素中对临界压力影响最大的是（ ）
A. 圆筒的长度
B. 圆筒的直径
C. 材料的弹性模量
D. 壁厚

3. 对于椭圆形封头，其封头的长短轴之比一般取（ ）
A. 2
B. 1.5
C. 1
D. 0.5

4. 过程装备中常用的法兰连接，以下哪种法兰的承载能力最强（ ）
A. 平焊法兰
B. 对焊法兰
C. 活套法兰
D. 螺纹法兰

5. 在计算搅拌功率时，搅拌器的叶端速度与下列哪个因素无关（ ）
A. 搅拌器直径
B. 搅拌器转速
C. 物料密度
D. 搅拌器叶片形状

6. 关于塔设备的设计，以下说法错误的是（ ）
A. 塔的直径主要根据生产能力和操作弹性确定
B. 塔的高度由工艺要求的传质传热高度决定
C. 塔板效率越高，塔的高度可以越低
D. 塔的壁厚只与设计压力有关

7. 过程装备设计中，考虑设备的腐蚀裕量时，不需要考虑以下哪种因素（ ）
A. 介质的腐蚀性
B. 设备的使用年限
C. 设备的制造工艺
D. 设备的操作温度

8. 对于卧式容器的支座设计，鞍座的包角一般取（ ）
A. 120°
B. 150°
C. 180°
D. 240°

9. 在过程装备的密封设计中，以下哪种密封形式适用于高压、高温场合（ ）
A. 垫片密封
B. 填料密封
C. 机械密封
D. 迷宫密封

10. 关于过程装备的选材，以下说法正确的是（ ）
A. 只需要考虑材料的强度，不需要考虑韧性
B. 材料的耐腐蚀性是唯一重要的选材依据
C. 选材要综合考虑材料的力学性能、耐腐蚀性、加工工艺等因素
D. 优先选择价格昂贵但性能优异的材料

第II卷（非选择题 共70分）

二、填空题（共10分）
答题要求：本大题共5小题，每小题2分。请在横线上填上正确答案。

1. 内压薄壁圆筒的应力计算公式中，周向应力是径向应力的______倍。

2. 外压圆筒的失稳形式主要有______失稳和______失稳。

3. 椭圆形封头的有效厚度计算公式为______（写出表达式）。

4. 搅拌器的类型主要有______、______、______等。

5. 塔设备的气液传质设备主要有______和______。

三、简答题（共20分）
答题要求：本大题共4小题，每小题5分。简要回答问题。

1. 简述内压薄壁圆筒应力分析的基本假设。

2. 说明外压圆筒设计中加强圈的作用及设置原则。

3. 简述法兰连接的密封原理。

4. 简述搅拌器的选型原则。

四、计算题（共20分）
答题要求：本大题共2小题，每小题10分。解答应写出必要的文字说明、计算步骤和答案。

1. 已知一内压薄壁圆筒，内径Di = 1000mm，壁厚δ = 10mm，设计压力p = 2MPa，材料的许用应力[σ] = 100MPa，试计算该圆筒的最大周向应力，并判断是否满足强度要求。

2. 有一外压圆筒，内径Di = 800mm，壁厚δ = 6mm，长度L = 4000mm，材料的弹性模量E = 200GPa，泊松比μ = 0.3，试计算该圆筒的临界压力。

五（20分）
答题要求：本大题共2小题，每小题10分。阅读材料，回答问题。

材料：某化工厂拟设计一台储存液态烃的卧式容器，设计压力p = 1.6MPa，设计温度t = 50℃，介质为液态烃，具有一定腐蚀性。已知该容器内径Di = 2m，长度L = 6m，采用Q345R材料，许用应力[σ]t = 189MPa，腐蚀裕量C2 = 2mm。

1. 请设计该卧式容器的筒体壁厚，并说明设计过程。

2. 对于该容器的封头，你认为选择哪种形式比较合适？并说明理由。

答案：
第I卷
1. A
2. B
3.A
4. B
5. C
6. D
7. C
8. A
9. C
10. C

第II卷
二、
1. 2
2. 周向；轴向
3. δe = δn - C1 - C2（其中δn为名义厚度，C1为钢板负偏差，C2为腐蚀裕量）
4. 桨式；涡轮式；推进式
5. 板式塔；填料塔

三、
1. 内压薄壁圆筒应力分析的基本假设：材料是各向同性的、连续的和均匀的；壳体的壁厚远小于中面半径；承受的载荷沿壳体轴线是不变的；忽略弯曲应力。
2. 加强圈的作用是提高外压圆筒的临界压力，减少壁厚。设置原则：加强圈的间距应小于或等于外压圆筒的临界长度；加强圈与圆筒应紧密贴合，保证共同承载。
3. 法兰连接的密封原理：通过拧紧螺栓，使法兰压紧垫片，垫片产生弹性变形，填充法兰密封面的凹凸不平处，阻止介质泄漏，同时垫片在螺栓预紧力作用下产生径向密封比压，防止介质通过垫片与密封面间的微小间隙泄漏。
4. 搅拌器的选型原则：根据搅拌目的和物料特性选择；满足搅拌功率要求；考虑搅拌器的搅拌效果和能耗；适应容器的结构和尺寸。

四、
1. 周向应力σθ = pDi / (2δ) = 2×1000 / (2×10) = 100MPa，许用应力[σ] = 100MPa，周向应力等于许用应力，满足强度要求。
2. 计算外压圆筒的惯性矩I = πDi^3δ / 8，计算长径比L / Di = 4000 / 800 = 5，查相关图表得到系数A、B，根据公式pcr = 2.6Eδ / (L / Di)^2计算临界压力pcr。

五、
1. 计算设计压力产生的薄膜应力σ = pDi / (2δ)，根据强度条件σ ≤ [σ]t，可得δ = pDi / (2[σ]t) + C2 = 1.6×2000 / (2×189) + 2 ≈ 10.6mm，取壁厚δ = 12mm。
2. 选择椭圆形封头比较合适。理由：椭圆形封头受力均匀，制造工艺相对简单，与筒体连接方便，能较好地满足储存液态烃的要求，且在该设计压力下封头强度能得到保证。