TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM BÀI TẬP CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HĨA HỌC MSMH: CH3349 Sinh viên: Nguyễn Hồng Trung MSSV: 2014883 Lớp: A01 Thời gian: 03/05/2023 GVHD: Hoàng Minh Nam TP.HCM 05/2023 BÀI TẬP SỐ BÀI LÀM Chọn vật liệu Thiết bị làm việc môi trường muối NaCl có tính ăn mịn nên: + Nắp buồng bốc hơi, thân buồng bốc đáy thiết bị làm thép hợp kim 1X18H9T + 1X18H9T + Lớp cách nhiệt sử dụng thủy tinh cố định thép CT3 Tính bề dày thiết bị Ptd1= 0.4at Tra sổ tay QTTB suy Ptd2= P2+ Pa= 2.5+ 1= 3.5 at Ptd3= Pa = at Vì Pa> Ptd1 Ptd2> Pa (1>0.4 3.5>1): + Thân buồng bốc hơi, nắp buồng bốc chịu áp suất + Buồng đốt, đáy thiết bị chịu áp suất 2.1 Thân buồng bốc thiết bị chịu áp suất Ptt2= Pa= 1at= 0.1 N/mm2 Ttt2= Ttm1= 700C [𝜎]= [𝜎]*× 𝜂nắp= 125 N/mm2 Dthân= Dt1= 2000 mm 1 𝐿2 = ℎ2 + (ℎ1 + ℎ3 ) = 2000 + × (400 + 400) = 2400 𝑚𝑚 Ca = Mô đun đàn hồi vật liệu tra bảng 2-12, nội suy ta có: Et= 2×105 N/mm2 𝑁 𝜎𝑐𝑡 = 220 𝑚𝑚2 𝑆𝑚𝑖𝑛2 𝑃𝑡𝑡2 𝐿2 0.4 = 1.18 × 𝐷𝑡ℎâ𝑛 × ( 𝑡 × ) 𝐸 𝐷𝑡ℎâ𝑛 0.1 2400 0.4 = 1.18 × 2000 × ( × ) = 7.66 𝑚𝑚 × 105 2000 𝑆2 = 𝑆𝑚𝑖𝑛2 + 𝐶𝑎 + 𝐶𝑏 + 𝐶𝑐 = 7.66 + + 1.34 = 10 𝑚𝑚 Kiểm tra: 1.5 × √ 2(𝑆𝑡ℎâ𝑛 − 𝐶𝑎) 𝐿𝑡ℎâ𝑛 2400 𝐷𝑡ℎâ𝑛 = 0.14 ≤ = = 1.2 ≤ √ = 10.54 𝐷𝑡ℎâ𝑛 𝐷𝑡ℎâ𝑛 2000 2(𝑆𝑡ℎâ𝑛 − 𝐶𝑎) 𝐿𝑡ℎâ𝑛 2400 E t × (𝑆𝑡ℎâ𝑛 − 𝐶𝑎 ) = = 1.2 ≥ 0.3 × 𝑡 √[ ] = 0.41 𝐷𝑡ℎâ𝑛 2000 𝐷𝑡ℎâ𝑛 𝜎𝑐 Áp suất tính tốn cho phép: [𝑃𝑛 ] = 0.649 × 𝐷𝑡ℎâ𝑛 𝑆 − 𝐶𝑎 𝑆 − 𝐶𝑎 × 𝐸𝑡 × ( ) ×√ 𝐿𝑡ℎâ𝑛 𝐷𝑡ℎâ𝑛 𝐷𝑡ℎâ𝑛 3000 30 − 30 − = 0.649 × × 10 × ×( ) ×√ 5600 3000 3000 = 0.147 𝑁 𝑁 ≥ 0.1 𝑚𝑚 𝑚𝑚2 Vậy bề dày thân buồng bốc hơi: S2= 10 mm 2.2 Nắp buồng bốc thiết bị chịu áp suất Ptt1= Pa= at= 0.1 N/mm2 Ttt1= T2+ 20=130+ 20= 1500C [𝜎]= [𝜎]*× 𝜂 nắp= 125 N/mm2 Dnắp= Dt1= 2000 mm h1= 400 mm Chọn S1 theo S2: S1= S2= 10 mm 𝑅𝑡 = 𝐷𝑡2 30002 = = 2500 𝑚𝑚 × ℎ𝑡 × 600 Kiểm tra: 𝑅𝑡 2500 0.15 × 𝐸 𝑡 0.15 × × 105 = = 250 ≥ = = 194.8 𝑆1 10 0.7 × 220 𝑥 × 𝜎𝑐𝑡 Suy ra: 𝑆𝑛ắ𝑝 − 𝐶𝑎 30 − 𝑁 [𝑝𝑛 ] = 0.09 × 𝐸 × ( ) = 0.09 × × 10 × ( ) = 0.256 𝐾 × 𝑅𝑡 0.955 × 3750 𝑚𝑚2 > 5% × 𝑃𝑡𝑡 𝑡 Chọn lại S1 để tiết kiệm chi phí, ta chọn S1= 8mm Kiểm tra: 𝑅𝑡 2500 0.15 × 𝐸 𝑡 0.15 × × 105 = = 312.5 ≥ = = 194.8 𝑆1 0.7 × 220 𝑥 × 𝜎𝑐𝑡 Suy ra: 𝑆𝑛ắ𝑝 − 𝐶𝑎 10 − 𝑁 [𝑝𝑛 ] = 0.09 × 𝐸 𝑡 × ( ) = 0.09 × 1.87 × 105 × ( ) = 0.152 𝐾 × 𝑅𝑡 0.965 × 2500 𝑚𝑚2 𝑁 ≥ 0.1 𝑚𝑚2 Vậy bề dày nắp buồng bốc hơi: S1= mm 2.3 Buồng đốt chịu áp suất Ptt4=Ptd2- Pa + 𝜌 × 𝑔 × ℎ4 =3.5- 1+ 0.001 × 10 × 2000 × 10−3 = 2.52 at= 0.252N/mm2 Ttt4= Tm2+ 20=130+ 20= 1500C [𝜎]= [𝜎]*× 𝜂đáy= 125 N/mm2 Dt2= 1000 mm h3= 400 mm 𝜑ℎ = 0.95 Xét: [𝜎] 125 × 0.95 × 𝜑ℎ = = 471.23 ≥ 25 𝑃𝑡𝑡4 0.252 Bề dày tối thiểu buồng đốt 𝑆𝑚𝑖𝑛4 = 𝑃𝑡𝑡4 × 𝐷𝑡2 0.252 × 1000 = = 1.06 × [𝜎] × φh × 125 × 0.95 Bề dày buồng đốt: 𝑆4 = 𝑆 + 𝐶𝑎 + 𝐶𝑏 + 𝐶𝑐 = + + 0.94 = 𝑚𝑚 Kiểm tra: 𝑆4 − 𝐶𝑎 − = = 0.002 ≤ 0.1 (thỏa) Dt2 1000 Áp suất cho phép [𝑝] = × [𝜎] × 𝜑ℎ × (𝑆4 − 𝐶𝑎 ) × 125 × 0.95 × (3 − 1) 𝑁 = = 0.474 𝐷𝑡2 + (𝑆4 − 𝐶𝑎 ) 1000 + (3 − 1) 𝑚𝑚2 𝑁 ≥ 0.252 (𝑡ℎỏ𝑎) 𝑚𝑚2 Để tính tải trọng thiết bị cần bề dày S tối thiểu ta chọn S4= mm Áp suất cho phép: [𝑝] = × [𝜎] × 𝜑ℎ × (𝑆4 − 𝐶𝑎 ) × 125 × 0.95 × (4 − 1) = = 0.71 ≥ 0.252 (𝑡ℎỏ𝑎) 𝐷𝑡2 + (𝑆4 − 𝐶𝑎 ) 1000 + (4 − 1) Vậy bề dày buồng đốt: S4= mm 2.4 Đáy thiết bị chịu áp suất Ptt5= Ptd2- Pa= 3.5- 1= 2.5 at= 0.25 N/mm2 Ttt5= Tm2+ 20= 130+20= 1500C [𝜎]= [𝜎]*× 𝜂nắp= 125 N/mm2 Dđáy= Dt2= 1000 mm hđáy=h5= 300 mm Bán kính cong bên đỉnh đáy: 𝑅𝑡 = 𝐷𝑡2 10002 = = 833.3 𝑚𝑚 × ℎ5 × 300 𝜑ℎ = 0.25 Chọn S5=S4= mm Kiểm tra: 𝑆5 − 𝐶𝑎 − = = 0.003 ≤ 0.125 (thỏa) Dt2 1000 Áp suất cho phép tính tốn: [𝑃] = × [𝜎] × φh × (𝑆5 − 𝐶𝑎 ) × 125 × 0.95 × (3 − 1) 𝑁 𝑁 = = 0.85 ≥ 0.25 𝑅𝑡 + (𝑆5 − 𝐶𝑎 ) 833.3 + (3 − 1) 𝑚𝑚2 𝑚𝑚2 Vậy bề dày đáy thiết bị: Sđáy=S5= mm Tính mặt bích 6, 7, Vì Dn≈Dt thiết bị nên ta chọn mặt bích theo tiêu chuẩn 3.1 Mặt bích Chọn vật liệu làm mặt bích thép CT3 Chọn vật liệu làm đệm thép X18H9T có bề dày mm Tra bảng áp suất làm việc 0.1 N/mm2 đường kính thiết bị Dt1 = 2000 mm ta có kích thước mặt bích liền: Đường kính gọi: Dy = 2015 mm Đường kính ngồi mặt bích: D = 2141 mm Đường kính gờ mặt bích: Dg = 2060 mm Chiều dày mặt bích: h = 32 mm Số lượng bulơng: Z = 44 Đường kính vịng bulơng: db = M20 3.2 Mặt bích Chọn vật liệu làm mặt bích thép X18H9T Chọn vật liệu làm đệm thép X18H9T có bề dày mm Tra bảng áp suất làm việc 0.25 N/mm2 đường kính thiết bị Dt2 = 1000 mm ta có kích thước mặt bích liền: Đường kính gọi: Dy = 1013 mm Đường kính ngồi mặt bích: D = 1140 mm Đường kính gờ mặt bích: Dg = 1060 mm Chiều dày mặt bích: h = 30 mm Số lượng bulơng: Z = 28 Đường kính vịng bulơng: db = M20 3.3 Mặt bích Chọn vật liệu làm mặt bích thép X18H9T Chọn vật liệu làm đệm thép X18H9T có bề dày mm Tra bảng áp suất làm việc 0.25 N/mm2 đường kính thiết bị Dt2 = 1000 mm ta có kích thước mặt bích liền: Đường kính gọi: Dy = 1013 mm Đường kính ngồi mặt bích: D = 1140 mm Đường kính gờ mặt bích: Dg = 1060 mm Chiều dày mặt bích: h = 30 mm Số lượng bulơng: Z = 28 Đường kính vịng bulơng: db = M20 Tính vỉ ống Sử dụng vỉ ống làm mặt bích cho buồng đốt (ứng với mặt bích 8) Đường kính ngồi vỉ ống = đường kích ngồi mặt bích = 1140 mm Chọn vỉ ống hình tròn phẳng vật liệu làm vỉ ống thép khơng gỉ X18H10T, bố trí theo hình tam giác đều, chọn bề dày ống mm Tổng số ống theo cách xếp này: 187 ống Áp suất nước bão hòa nhiệt độ 150oC: Po = 480 kPa = 0.48 N/mm2 Chiều dày tính tốn tối thiểu phía ngồi vỉ ống: h1 = K × Dt × √ Po [σu ] Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn thép hợp kim X18H10T 150oC [𝜎]∗ = 138 N/mm2 K = 0.32, hệ số an toàn: nb = 2.6 → [𝜎𝑢 ] = [𝜎]∗ × 𝑛𝑏 = 138 × 2.6 = 359 Po 0.48 → h1 = K × Dt × √ = 0.32 × 1000 × √ = 11.7 mm [σu ] 359 Chiều dày tính tốn tối thiểu phía vỉ ống: h = K × Dt × √ Po [σu ] × φo Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn thép hợp kim X18H10T 150oC [𝜎]∗ = 138 N/mm2 K = 0.5, hệ số an toàn: nb = 2.6 → [𝜎𝑢 ] = [𝜎]∗ × 𝑛𝑏 = 138 × 2.6 = 359 φo = Dn − ∑ d 1140 − 15 × 32 = = 0.579 Dn 1140 → h = 0.53 × 1000 × √ 0.48 = 24 mm 359 × 0.579 Chiều dày thực vỉ ống: 𝑆 = h + C = h + Ca + Cb + Cc = 24 + + + = 25 mm 𝑆1 = h1 + C = h1 + Ca + Cb + Cc = 11.7 + + + 2.3 = 15 mm Vậy bề dày bên vỉ ống S = 25 mm bên vỉ ống 15 mm Tính tăng cứng cho lỗ Vì lỗ có bề dày 𝑆 ≥ 𝑚𝑚 nên ta chọn phương pháp hàn vòng tăng cứng 5.1 Tăng cứng cho lỗ nắp buồng bốc có d1= 300 mm 𝑑𝑚𝑎𝑥 = × (( = × (( 𝑆1 − 𝐶𝑎 − 0.8) × √𝐷𝑡1 × (𝑆1 − 𝐶𝑎 ) − 𝐶𝑎 ) 𝑆𝑚𝑖𝑛1 8−1 − 0.8) × √2000 × (8 − 1) − 1) = 25 𝑚𝑚 < 𝑑1 7.66 Suy lỗ nắp buồng bốc cần tăng cứng Chọn Sk= S1= mm 𝐵 = √𝐷𝑡1 × 𝑆𝑘 = √2000 × = 127 𝑚𝑚 5.2 Tăng cứng cho lỗ thân buồng bốc có d2= 600 mm 𝑑𝑚𝑎𝑥 = × (( 𝑆2 − 𝐶𝑎 − 0.8) × √𝐷𝑡1 × (𝑆2 − 𝐶𝑎 ) − 𝐶𝑎 ) 𝑆𝑚𝑖𝑛1 10 − = × (( − 0.8) × √2000 × (10 − 1) − 1) = 99 𝑚𝑚 < 𝑑 7.66 Suy lỗ nắp buồng bốc cần tăng cứng Chọn Sk= S2= 10 mm 𝐵 = √𝐷𝑡1 × 𝑆𝑘 = √2000 × 10 = 142 𝑚𝑚 5.2 Tăng cứng cho lỗ thân buồng đốt có d3= 200 mm 𝑑𝑚𝑎𝑥 = × (( = × (( 𝑆4 − 𝐶𝑎 − 0.8) × √𝐷𝑡2 × (𝑆4 − 𝐶𝑎 ) − 𝐶𝑎 ) 𝑆𝑚𝑖𝑛4 3−1 − 0.8) × √1000 × (3 − 1) − 1) = 220 𝑚𝑚 < 𝑑3 1.06 Suy lỗ nắp buồng bốc không cần tăng cứng 5.2 Tăng cứng cho lỗ đáy thiết bị có d4= 50 mm 𝑑𝑚𝑎𝑥 = × (( = × (( 𝑆5 − 𝐶𝑎 − 0.8) × √𝐷𝑡2 × (𝑆5 − 𝐶𝑎 ) − 𝐶𝑎 ) 𝑆𝑚𝑖𝑛4 4−1 − 0.8) × √1000 × (4 − 1) − 1) = 220 𝑚𝑚 > 𝑑4 1.06 Suy lỗ đáy thiết bị không cần tăng cứng Tính chọn tai treo Chọn vật liệu làm tai treo thép CT3, số tai đỡ 4, có gân tai đỡ Khối lượng riêng thép CT3: ρCT3 = 7.85 g/cm3 = 7850 kg/m3 Khối lượng riêng thép X18H10T: ρX18H10T = 7.98 g/cm3 = 7980 kg/m3 Khối lượng nắp buồng bốc Thể tích nắp chưa bao gồm bề dày: Vnắp1 = πh1 (h1 + 3r ) Với r = Dt1/2 = m → Vnắp1 = π × 0.4 (0.42 + × 12 ) = 0.662 m3 Thể tích nắp bao gồm bề dày: Vnắp2 = πh1 (h1 + 3r ′ ) Với r’ = (Dt1 + 0.008)/2 = 1.004 m → Vnắp2 = π × 0.4 (0.42 + × 1.0042 ) = 0.667 m3 Thể tích nắp cần tìm: Vnắp = Vnắp2 − Vnắp1 = 0.667 − 0.662 = 0.005 m3 Khối lượng nắp cần tìm: mnắp = Vnắp × ρX18H10T = 0.005 × 7980 = 40 kg Khối lượng thân buồng bốc mthân = Vt × ρX18H10T π× (Dt1 + S)2 − Dt1 =π× × h2 × ρX18H10T (2 + 0.02)2 − 22 × × 7980 = 1511.7 kg Khối lượng phận nối buồng bốc buồng đốt Bộ phận nối buồng bốc buồng đốt (gọi tắt X) có dạng hình nón cụt Thể tích chưa bao gồm bề dày: VX1 = π(R2 + r + Rr)h3 Với R = Dt1/2 = m r = Dt2/2 = 0.5 m → VX1 = π(12 + 0.52 + × 0.5) × 0.4 = 0.733 m3 Thể tích bao gồm bề dày: VX2 = 2 π(R′ + r ′ + R′ r ′ )h3 Với R’ = (Dt1 + 0.02)/2 = 1.01 m r’ = (Dt2 + 0.02)/2 = 0.51 m (0.01 m bề dày X) → VX2 = π(1.012 + 0.512 + 1.01 × 0.51) × 0.4 = 0.752 m3 Thể tích cần tìm: VX = VX2 − VX1 = 0.752 − 0.733 = 0.019 m3 Khối lượng cần tìm: mX = VX × ρX18H10T = 0.019 × 7980 = 151.6 kg Khối lượng buồng đốt mbuồng = Vbuồng × ρX18H10T π× (Dt + S)2 − Dt 2 =π× × h4 × ρX18H10T (1 + 0.008)2 − 12 × × 7980 = 201.4 kg Khối lượng đáy thiết bị Thể tích đáy chưa bao gồm bề dày: Vđáy1 = πh5 (h5 + 3r ) Với r = Dt2/2 = 0.5 m → Vđáy1 = π × 0.3 (0.32 + × 0.52 ) = 0.132 m3 Thể tích đáy bao gồm bề dày: Vđáy2 = πh5 (h5 + 3r ′ ) Với r’ = (Dt2 + 0.004)/2 = 0.502 m → Vđáy2 = π × 0.3 (0.32 + × 0.5022 ) = 0.133 m3 Thể tích đáy cần tìm: Vđáy = Vđáy2 − Vđáy1 = 0.133 − 0.132 = 0.001 m3 Khối lượng đáy cần tìm: mđáy = Vđáy × ρX18H10T = 0.001 × 7980 = kg Khối lượng mặt bích 6: mB = 2(Vb − Vlỗ bulơng ) × ρCT3 × [π D2 − Dy db = × [π × h − 44 × π × h] × ρCT3 4 2.1412 − 2.0152 0.022 × 0.032 − 44 × π × 0.032] × 7850 = 199.7 kg 4 Khối lượng nửa bích nửa bích mB′ = 2(VB′ − Vlỗ bulơng ) × ρX18H10T D2 − Dy db = × [π × h − 28 × π × h] × ρX18H10T 4 = × [π 1.142 − 1.0132 0.022 × 0.03 − 28 × π × 0.03] × 7980 = 98.6 kg 4 Khối lượng dung dịch NaCl chứa vỉ ống Khối lượng riêng dung dịch NaCl: ρNaCl = 1100 kg/m3 Ta có vỉ ống có 187 ống đường kính ống 32 mm mNaCl = VNaCl × ρNaCl = 187 × π × Dống = 187 × π × × h4 × ρNaCl 0.0322 × × 1100 = 330.9 kg Khối lượng nước bên vỉ ống Hơi nước bên ngồi ống để đun sơi dung dịch NaCl ống có khối lượng riêng: ρhơi = 916.7 kg/m3 mhơi = Vhơi × ρhơi = (Vbuồng − Vống ) × ρhơi Dống Dt 2 = (π × × h4 − 187 × π × × h4 ) × ρhơi 4 12 0.0322 = (π × × − 187 × π × × 2) × 916.7 = 1164.2 kg 4 Khối lượng ống vỉ ống: mống = Vống × ρX18H10T = 187 × π (dống + S) − dống = 187 × π × h4 × ρX18H10T (0.032 + 0.004)2 − 0.0322 × × 7980 = 637.6 kg Khối lượng hai mặt lắp ống (nửa bích nửa bích 8) dùng vỉ ống làm mặt bích mvỉ = × VB × ρX18H10T = (VB − Vlỗ ống − Vlỗ bulơng ) × ρX18H10T dống (D2 − Dt 2 ) Dt 2 = × (π × ×h−π× × h2 − 187 × π × × S − 28π 4 dbulơng × × S) × ρX18H10T (1.142 − 12 ) 12 0.0322 = × (π × × 0.025 − π × × 0.015 − 187 × π × 4 × 0.025 − 28π × 0.022 × 0.03) × 7980 = 192.8 kg Khối lượng tối đa thiết bị: m = (mnắp + mthân + mX + mbuồng + mđáy + m𝐁 + mB′ + mNaCl + mhơi + mống + mvỉ ) × 115% = (40 + 1511.7 + 151.6 + 201.4 + + 199.7 + 98.6 + 330.9 + 1164.2 + 637.6 + 192.8) × 115% = 5217 kg Trọng lượng tối đa thiết bị: Gmax = mg = 5217 × 9.81 = 51178.8 N Tải trọng tác dụng lên tai đỡ: Q= Gmax 51178.8 = = 12794.7 (N) Z Tra bảng ta có: + Bề mặt đỡ: F = 89.5 x 10-4 m2 + Tải trọng cho phép bề mặt đỡ: q = 1.12 x 106 N/mm2 + L = 110 mm + B = 85 mm + B1 = 90 mm + H = 170 mm + s = mm + l = 45 mm + a = 15 mm + d = 23 mm + Khối lượng tai treo: kg Khối lượng thiết bị chủ yếu tập trung phần thân ta đặt tai treo thân theo cách xếp tai treo mặt phẳng cách Vị trí tai treo nằm 2/3 chiều 2 3 cao thân = × ℎ4 = × 2000= 1333.3 mm Bề dày gân tai đỡ: S= 2.24 × Q 2.24 × 12794.7 = = 11 mm k × m × a × [σ] 0.92 × × 15 × 100 Với k = 0.92 Bán kính quán tính gân r = 0.289S = 0.289 × 10.384 = m Độ uốn gân theo cạnh huyền λ= l 110 = = 36.7 0.289S 3.001 Tra bảng k = 0.913 => k = 0.92 thỏa Vẽ cấu tạo thiết bị Với: Nắp buồng bốc Thân buồng bốc Bộ phận nối buồng bốc buồng đốt Buồng đốt Đáy thiết bị Mặt bích nối Mặt bích nối Mặt bích nối Vịng tăng cứng 10 Bu-lơng 11 Miếng đệm 12 Tai đỡ TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Lê Viên.(2006) Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội (2006) Sổ tay Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội