Bài tập cơ sở tính toán thiết kế thiết bị hóa học

Hệ thống sấy phun chân không được gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa. Hơi ẩm đi ra được ngưng tụ ở thiết bị ống chùm bằng nước. Tính chiều dày thân thiết bị sấy hình trụ chịu áp suất ngoài. Tính toán nắp elip chịu áp suất ngoài. Tính toán đáy nón chịu áp suất ngoài. Tính toán tai đỡ gắn ở thân thiết bị sấy.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC  BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HĨA HỌC-CH3349 CBHD: Sinh viên: MSSV: Nhóm: L01 Ngày nộp : 08/04/2022 Hệ thống thiết bị sấy phun chân không: Hệ thống sấy phun chân không gia nhiệt gián tiếp nước bão hòa Hơi ẩm ngưng tụ thiết bị ống chùm nước Cho biết: 1) Thiết bị sấy: Dt = m; h = 1,5 m; 𝛼 = 30° Htrụ = m; Dt1 = 200 m; hn = 500 mm P2 = 2,7 at; t1 = 70 °C P1 = -0,3 at 2) Thiết bị ngưng tụ: L = 1,5 m; P1’= -0,25 at Dt’ = m; t1’= 25 °C Số ống đường kính 30 ống Kích thước ống: 𝑑1 /𝑑2 = 22⁄20 ; t = 30 mm Tính: 1) Chiều dày thân, nắp, đáy nón, tai đỡ thiết bị sấy; 2) Chiều dài thân, nắp, mặt vỉ thiết bị ngưng tụ (Sản phẩm phun có độ pH > 7) Bài làm Chiều dày thân, nắp, đáy nón, tai đỡ thiết bị sấy Dt = 3m = 3000mm ; h = 1,5m = 1500mm ; 𝛼 = 30° Htrụ = m = 6000mm; Dt1 = 200mm; hn = 500 mm P1 = Pck = -0,3 at P1tđ = 1- 0,3 = 0,7 at P2 = 2,7 at Nhiệt độ nước bão hòa t2 P2 = 2,7at: t2 = 130oC a) Tính chiều dày thân thiết bị sấy hình trụ chịu áp suất ngồi - Chọn vật liệu cho thân thép không gỉ X18H10T - Chọn thơng số tính tốn: + Áp suất tính toán: Pt = P2 -P1 = – 0,7 = at = 0,2 N/mm2 + Nhiệt độ tính tốn: tt = tmax + 20 oC = t2 + 20 oC = 150oC (thân có bọc cách nhiệt) + Dt = 3m nên ta hàn phía  Hệ số bền mối hàn: h = + Chiều dài tính tốn thân thiết bị khoảng cách hai vòng tăng cứng kề nhau: l’ = h = 1,5m = 1500mm - Tra bảng số liệu ta có: + Modun đàn hồi Et nhiệt độ tính toán: Et = 1,985.105 N/mm2 + Giới hạn chảy nhiệt độ tính tốn: ct = 231 N/mm2 - Tính chiều dày tối thiểu:  Pt l '  Smin 1,18 Dt  t   E Dt  0,4 0,4  0,2 1500  1,18.3000.  10,712mm  1,985.10 3000  - Chiều dày thực tế: S  Smin  Ca  Cb  Cc  Cd  10,712     0,211  12mm - Kiểm tra: + Điều kiện 1: 2. S  Ca  l ' 1,5   Dt Dt 1,5 2.12 1 1500   3000 3000 Dt 2. S  Ca  3000 2.12 1 0,128 < 0,5 < 11,677  Đạt + Điều kiện 2: l' E t  2. S  Ca    0,3   Dt c  Dt  1500 1,985.105  2.12 1   0,3   3000 231  3000  0,5 > 0,161  Đạt - Tính áp suất ngồi cho phép [Pn] D  S  Ca  S  Ca  Pn   0,649 E 't   l  Dt  Dt t 3000  12 1  12 1  0,649.1,985.10   0,209 N / mm2  Pt  0,2 N / mm2  1500  3000  3000  Pn   Pt  Pn   0,209  0,2  0,04  0,05  S = 12mm không đạt yêu cầu 0,209 Ta chọn lại giá trị S để tính tốn Chọn lại S = 14mm, kiểm tra lại điều kiện: + Điều kiện 1: 2. S  Ca  l ' 1,5   Dt Dt 1,5 Dt 2. S  Ca  2.14 1 1500   3000 3000 3000 2.14 1 0,139 < 0,5 < 10,741  Đạt + Điều kiện 2: l' E t  2. S  Ca    0,3   Dt c  Dt  1500 1,985.105  2.14 1   0,3   3000 231  3000  0,5 > 0,21  Đạt - Tính áp suất ngồi cho phép [Pn]: D  S  Ca  S  Ca  Pn   0,649 E t 't   l  Dt  Dt 3000  14 1  14 1  0,649.1,985.10   0,318 N / mm2  Pt  0,2 N / mm2  1500  3000  3000  Pn   Pt  Pn   0,318  0,2  0,37  0,05  S = 14mm đạt yêu cầu 0,318 Vậy ta chọn chiều dày thân thiết bị sấy 14mm b) Tính tốn nắp elip chịu áp suất ngoài: - Vật liệu làm nắp X18H10T - Cho trước Snắp = Sthân trụ = 14 mm - Áp suất tính tốn: Pt = Pa = at = 0,1 N/mm2 ( điều kiện khắc nghiệt P1 = 0) - Tính bán kính nắp elip: Ta có: ht = hn – S = 500 – 14 = 486mm Dt 30002 Rt    4629,629mm ht 4.486 - Kiểm tra S= 14 mm có phù hợp với điều kiện nắp elip: + Tỉ số Rt 4629,629   330,688 S 14 + Ta thấy: 0,15 E t 0,15.1,95.105 Rt   298,469   330,688 x  t c 0,7.140 S 0,15  ht  0,5 Dt 0,15  486  0,162  0,5 3000  Đạt - Tính áp suất nén cho phép [Pn] 2  S  Ca   14 1   Pn   0,09 E    0,09.1,985.10    0,157 N / mm  0,947 4629,629   K Rt  t hệ số K tra bảng nội suy với điều kiện K= 0,947 [Pn] = 0,154 > Pt = 0,1  Đạt Vậy chiều dày nắp elip 14mm Rt h  330,688 t  0,162 S Dt c) Tính tốn đáy nón chịu áp suất ngồi - Vật liệu làm đáy X18H10T - Cho trước Sđáy =Sthân trụ = 14 mm - Áp suất tính tốn: Pt = P2 - P1tđ = 2,7 – 0,7 = at = 0,2 N/mm2 - Xác định lực tính tốn P: P  Dn Pt  D*    Dt  2S  Pt    3000  2.14  0,2  1440229,223 N 0,9 Dt  0,1 Dt1 0,9.3000  0,1.200   3140,79mm cos  cos300 D* 3140,79  120,8  2. S  Ca  2.14  1 D* - Tra bảng nội suy với điều kiện  120,8 ta giá trị Kc = 0,115 2. S  Ca  - Lực nén chiều trục cho phép [P]:  P    Kc E t  S  Ca  cos    0,115.1,95.105 (14  1) cos 30  8929564,784 N - Xác định áp suất ngồi cho phép [Pn]: + Chiều cao đáy nón l’ : l '  Dt  Dt1 3000  200   2424,87mm 2.tan  2.tan 30 l' 2424,87  0,77 + Ta có tỉ số : *  D 3140,79 + Ta thấy: 0,3 Et  ct  2. S  Ca   l' 1,95.105  2.14 1     0,3    0,315 < D*  0,77 * D 140 3140,79     3 E t D*  S  Ca  S  Ca  Pn   0,649 '  *  l D*  D   1,95.105 3140,79  14 1  14 1  0,649 .  2424,87 2424,87  2424,87   0,345 N / mm > Pt = 0,2 N/mm2 - Kiểm tra độ ổn định đáy nón: P P 1440229,223 0,2  t    0,75 <  Đạt  P  Pn  8929564,784 0,345 Vậy chiều dày đáy nón S = 14mm d) Tính tốn tai đỡ gắn thân thiết bị sấy - Chọn thông số + Khối lượng riêng tiêu chuẩn thép:   7850 kg / m3 - Tính tốn tai đỡ: + Nắp thiết bị sấy: Fn   Dt hn   0,5  2,356 m2 2  n  0,014 m  M nap  Fn  n   2,356 0,014 7850  258,92 kg + Thân thiết bị sấy: Fthan   Dt H   3.6  56,55 m  than  0,014 m  M than  Fthan  than   56,55 0,014 7850  6214,845 kg + Đáy thiết bị: Fday   ( Dt  Dt1 ) hday   (3  0,2).2,425  12,189 m2  day  0,014 m  M day  Fday  day   12,189 0,014 7850  1339,57 kg  M thiet bi  M nap  M than  M day  258,92  6214,845  1339,57  7813,335 kg - Tải trọng tác dụng lên tai đỡ: Q  M 7813,335   3906,6675 kg  3,91tan Z (Chưa có liệu dung dịch phun nên giả sử Mdd = Tải trọng tác dụng lên tai đỡ chưa tính trọng lượng hệ thống gia nhiệt bên thân thiết bị trọng lượng dung dịch đầy) - Tải trọng tác dụng lên tai đỡ Q = 3,91   Vậy ta chọn tai đỡ có kích thước sau: + Chiều dài bệ đỡ: c = 190mm + Khoảng cách hai gân đỡ: b = 170mm + Cạch đáy gân đỡ: a = 160mm + Chiều cao gân đỡ: H = 280mm + Bề dày gân đỡ: S = 10mm 2) Chiều dài thân, nắp, mặt vỉ thiết bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ: L = 1,5 m; P1’= -0,25 at Dt' = m; t1’= 25 °C Số ống đường kính 30 ống Kích thước ống: 𝑑1 /𝑑2 = 22⁄20 ; t = 30 mm a) Tính chiều dày thân thiết bị ngưng tụ chịu áp suất - Sử dụng vật liệu thép CT3 để làm thân thiết bị ngưng tụ - Thông số tính tốn: + Ta thấy P1’ < Pa  Áp suất tính tốn Pt = Pa ( tính điều kiện khắc nghiệt nhất) t1  t1' 70  25   47,5  50o C + Nhiệt độ tính tốn tt  2 + Hệ số bền mối hàn:  h  (vì D1’ = nên hàn từ hai phía) + Chiều dài tính tốn thân khoảng cách vỉ ống: l’ = L = 1,5m =1500mm - Tra bảng: + Mơđun đàn hồi Et nhiệt độ tính tốn: Et = 1,96.105 N/mm2 + Giới hạn chảy nhiệt độ tính tốn: ct = 235 N/mm2 - Chiều dày tối thiểu: Smin l'  '  Pt  1,18 Dt  t '   E Dt  0,4  0,1 1500   1,18.1000.  1,96.10 1000   0,4  4,22mm  Chiều dày thực tế: S  Smin  Ca  Cb  C c  Cd  4,22     0,78  6mm - Kiểm tra + Điều kiện 2. S  Ca  l' 1,5  '  Dt ' Dt 1,5 2. 1 1500   1000 1000 Dt ' 2. S  Ca  1000 2. 1 0,15 < 1,5 < 10  Đạt + Điều kiện l' E t  2. S  Ca    0,3   Dt ' c  Dt '  1500 1,96.105  2. 1   0,3   1000 235  1000  0,15 > 0,25  Đạt Tính áp suất ngồi cho phép [Pn]: Dt '  S  Ca  S  Ca P  0,649 E  n   l '  Dt '  Dt ' t 1000  1  1  0,649.1,96.10   0,15 N / mm2  Pt  0,1 N / mm2  1500  1000  1000  Đạt Vậy chiều dày thân trụ thiết bị ngưng tụ mm b) Tính tốn đáy_nắp elip chịu áp suất - Sử dụng vật liệu thép CT3 để làm thân thiết bị ngưng tụ - Cho trước Sđáy_nắp =Sthân trụ = mm ht ' - Giả sử đáy_nắp tiêu chuẩn: '  0,25 Dt  Rt = Dt’ = 1000mm - Với S = 6mm kiểm tra điều kiện: Rt 1000   166,67 S + Tỉ số + Ta thấy: t 0,15 E 0,15.1,96.10 R   139  t  166,67 t x  c 0,9.235 S 0,15  ht ,  0,5 Dt ' 0,15  0,25  0,5  Thỏa - Tính áp suất nén cho phép [Pn] :  S  Ca   1   0,09.1,96.10  Pn   0,09 E      0,4935 N / mm '  0,9453.1000   K Rt  t Rt ht '  166,67 '  0,25 hệ số K tra bảng nội suy với điều kiện S Dt  K = 0,9453 Với điều kiện nắp elip [Pn] > Pt (0.4935 N/mm2 > 0.1N/mm2 : thỏa) chênh lệch giá trị lớn, không phù hợp với tính kinh tế nên ta giảm chiều dày Sđáy_nắp lại - Chọn lại giá trị Sđáy_nắp = mm, kiểm tra lại: + Rt 1000   250 S Ta thấy: t 0,15 E 0,15.1,96.10 Rt   139   250 x  t c 0,9.235 S ht , 0,15  '  0,5 Dt 0,15  0,25  0,5  Thỏa - Tính áp suất nén cho phép [Pn] :  S  Ca   1   0,09.1,96.105   Pn   0,09 E    0,1722 N / mm '   0,96.1000   K Rt  t [Pn] = 0,1722 N/mm2 > Pt = 0,1 N/mm2  Đạt Vậy chiều dày nắp elip mm c) Tính tốn mặt vỉ thiết bị ngưng tụ Tính chiều dày vỉ ống chiều dày mặt bích làm vỉ ống: Số ống đường kính 30 ống Kích thước ống: d1 22 ; t = 30 mm  d 20 - Do t = 30 mm nên khoảng cách ống đặc khít nên chiều dày vỉ lớn nên chọn K1 có giá trị lớn  K1 = 0,6 - Chọn S* = 1,3.S = 1,3.6 = 7,8mm - Chiều dày vỉ ống: h  K1 Dt P0 0,075  0,6.1000  24,36mm  25mm 0  n  0,35.130 K1  0,6 Po  P1'  1 0,25  0,75 at  0,075 N / mm2 Trong đó:  n   130 N / mm2 30 o  Dn   d n Dn 30 ( Dt  S )   d n '  30 * ( Dt  S ) ' *  (1000  2.7,8)   22 (1000  2.7,8) - Chiều dày mặt bích làm vỉ ống: h1  K Dt ' P0  n   0,3.1000 0,075  7,21mm  8mm 130 K  0,3 ' Trong : Po  P1  1 0,25  0,75 at  0,075 N / mm  n   130 N / mm2  0,35 HẾT ... mặt vỉ thiết bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ: L = 1,5 m; P1’= -0,25 at Dt' = m; t1’= 25 °C Số ống đường kính 30 ống Kích thước ống: