TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM BÀI TẬP 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC MSMH CH3349 Sinh viên Nguyễn Hoàng Trung MSSV 2014883 Lớp A01 Thời gian 03/05/2023 GVHD Hoàng Minh[.]
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/mm Ttt2= Ttm1= 70 C [ ]= [ ] × nắp= 125 N/mm * Dthân= Dt1= 2000 mm 2= ℎ2 + (ℎ1 + ℎ3) = 2000 + × (400 + 400) = 2400 Ca = Mô đun đàn hồi vật liệu tra bảng 2-12, nội suy ta có: Et= 2×105 N/mm2 =220 2 = 1.18 × ℎâ × ( × ℎâ ) 0.4 0.1 = 1.18 × 2000 × ( 2400 2×10 × 2000 0.4 2= 2+ + + =7.66+1+1.34=10 Kiểm tra: 2( − ℎâ ) 2400 ℎâ 1.5×√ = 0.14 ≤ ℎâ = =1.2≤ √ = 10.54 2000 ℎâ 2( − ℎâ ) ℎâ t 2400 2×( E − ℎâ ) ℎâ = 2000 =1.2≥0.3× √[ ] ℎâ = 0.41 ℎâ Áp suất tính tốn cho phép: − − ℎâ [ ] = 0.649 × × ×( ) ℎâ ×√ ℎâ 3000 ℎâ 30−1 =0.649×2×105× 30−1 ×( ×√ ) 5600 3000 = 0.147 ≥ 0.1 3000 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/mm Ttt1= T2+ 20=130+ 20= 150 C [ ]= [ ] × nắp= 125 N/mm * Dnắp= Dt1= 2000 mm h1= 400 mm Chọn S1 theo S2: S1= S2= 10 mm 30002 = = = 2500 4×600 4×ℎ Kiểm tra: 2500 = 10 0.15 × × 105 0.15 × =250≥ × = 0.7 × 220 = 194.8 Suy ra: ắ − 30−1 ) ) =0.09×2×105×( = 0.256 [ ]=0.09× ×( × 0.955 × 3750 >5%× Chọn lại S1 để tiết kiệm chi phí, ta chọn S1= 8mm Kiểm tra: 2500 = 0.15 × × 10 0.15 × = 312.5 ≥ = × = 194.8 0.7 × 220 Suy ra: − ×( 10−1 ) ắ = 0.09 × 1.87 × 10 × ( ) = 0.152 [ ] = 0.09 × × ≥ 0.1 0.965 × 2500 Vậy bề dày nắp buồng bốc hơi: S1= mm 2.3 Buồng đốt chịu áp suất Ptt4=Ptd2- Pa + × × ℎ =3.5- 1+ 0.001 × 10 × 2000 × 10−3 = 2.52 at= 0.252N/mm2 Ttt4= Tm2+ 20=130+ 20= 150 C [ ]= [ ]*× đáy= 125 N/mm2 Dt2= 1000 mm h3= 400 mm ℎ= 0.95 Xét: [ ] 125 × 0.95 × = ℎ = 471.23 ≥ 25 0.252 Bề dày tối thiểu buồng đốt × 0.252 × 1000 = = = 1.06 × [ ] × φh × 125 × 0.95 Bề dày buồng đốt: 4= Kiểm tra: + + + =1+1+0.94=3 4− 3−1 = = 0.002 ≤ 0.1 (thỏa) Áp suất cho phép 2×[ ]× ℎ×( 4− ) 2×125×0.95×(3−1) [ ]= = +( = 0.474 − ) ≥ 0.252 1000 + (3 − 1) 2( ℎỏ ) Để tính tải trọng thiết bị cần bề dày S tối thiểu ta chọn S4= mm Áp suất cho phép: 2×[ ]× ℎ×( 4− ) 2×125×0.95×(4−1) [ ]= = +( = 0.71 ≥ 0.252 ( ℎỏ ) − ) 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/mm Ttt5= Tm2+ 20= 130+20= 150 C [ ]= [ ] × nắp= 125 N/mm * Dđáy= Dt2= 1000 mm hđáy=h5= 300 mm Bán kính cong bên đỉnh đáy: 10002 = = = 833.3 4×ℎ5 ℎ 4×300 = 0.25 Chọn S5=S4= mm Kiểm tra: 5− 4−1 = = 0.003 ≤ 0.125 (thỏa) Áp suất cho phép tính tốn: × [ ] × φh × ( = +( − ) Vậy bề dày đáy thiết bị: Sđáy=S5= mm Tính mặt bích 6, 7, 2×125×0.95×(3−1) − ) [ ]= = 0.85 833.3 + (3 − 1) ≥ 0.25 2 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/mm 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/mm 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/mm 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 bulông: 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 trịn phẳng vật liệu làm vỉ ống thép không gỉ X18H10T, bố trí theo hình tam giác đều, chọn bề dày ống mm Tổng số ống theo cách xếp này: 187 ống o Áp suất nước bão hòa nhiệt độ 150 C: Po = 480 kPa = 0.48 N/mm Chiều dày tính tốn tối thiểu phía ngồi vỉ ống: P h o ∗ = K × Dt 2 o ×√ [σu] Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn thép hợp kim X18H10T 150 C [ ] = 138 N/mm K = 0.32, hệ số an toàn: nb = 2.6 → [ ] = [ ]∗ × = 138 × 2.6 = 359 0.48 Po → h = K × Dt ×√ = 0.32 × 1000 × √ [σu] = 11.7 mm Chiều dày tính tốn tối thiểu phía vỉ ống: 359 h = K × Dt Po ×√ [σu] × φo ∗ Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn thép hợp kim X18H10T 150 oC [ ] = 138 N/mm2 K = 0.5, hệ số an toàn: nb = 2.6 → [ ] = [ ]∗ × = 138 × 2.6 = 359 1140 − 15 Dn − ∑ d φ= × 32 = o Dn 1140 0.48 → h = 0.53 × 1000 × √ 359 × 0.579 = 24 mm Chiều dày thực vỉ ống: 1= = h + C = h + Ca + Cb + Cc = 24 + + + = 25 mm 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 ≥ nên ta chọn phương pháp hàn vòng tăng cứng 5.1 Tăng cứng cho lỗ nắp buồng bốc có d1= 300 mm 1− =2×(( − 0.8) × √ ×( − )− ) 1 8−1 = 2×((7.66 −0.8)×√2000×(8−1)−1)=25 < Suy lỗ nắp buồng bốc cần tăng cứng Chọn Sk= S1= mm bốc có d2= 600 mm =√ × = √2000 × = 127 5.2 Tăng cứng cho lỗ thân buồng 2− =2×(( − 0.8) × √ ×( 1 − )− ) 10−1 = 2×(( −0.8)×√2000×(10−1)−1)=99< 7.66 Suy lỗ nắp buồng bốc cần tăng cứng Chọn Sk= S2= 10 mm =√ đốt có d3= 200 mm × = √2000 × 10 = 142 5.2 Tăng cứng cho lỗ thân buồng 4− =2×(( − 0.8) × √ ×( − )− ) − )− ) 4 3−1 = 2×((1.06 −0.8)×√1000×(3−1)−1)=220 < Suy lỗ nắp buồng bốc không cần tăng cứng 5.2 Tăng cứng cho lỗ đáy thiết bị có d4= 50 mm − =2×(( − 0.8) × √ ×( 4−1 = 2×((1.06 −0.8)×√1000×(4−1)−1)=220 > 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 = πh (h12 + 3r2) Với r = Dt1/2 = m π×0.4 →V = (0.4 + × ) = 0.662 m nắp1 Thể tích nắp bao gồm bề dày: πh1 V = (h nắp2 ′2 + 3r ) ’ Với r = (Dt1 + 0.008)/2 = 1.004 m π×0.4 (0.42 + × 1.0042) = 0.667 m3 →V = nắp2 Thể tích nắp cần tìm: Vnắp = Vnắp2 − Vnắp1 = 0.667 − 0.662 = 0.005 m Khối lượng nắp cần tìm: mnắp = Vnắp × ρX18H10T = 0.005 × 7980 = 40 kg Khối lượng thân buồng bốc + S)2 − Dt1 (Dt1 m =V ×ρ =π× t thân ×h X18H10T × (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 + r2 + Rr)h3 Với R = Dt1/2 = m r = Dt2/2 = 0.5 m → VX1 = π(12 + 0.5 + × 0.5) × 0.4 = 0.733 m Thể tích bao gồm bề dày: ×ρ π VX2 = π(R′2 + r′2 + R′r′)h3 X18H10T ’ ’ Với R = (Dt1 + 0.02)/2 = 1.01 m r = (Dt2 + 0.02)/2 = 0.51 m (0.01 m bề dày X) 2 → VX2 = π(1.01 + 0.51 + 1.01 × 0.51) × 0.4 = 0.752 m Thể tích cần tìm: VX = VX2 − VX1 = 0.752 − 0.733 = 0.019 m Khối lượng cần tìm: 3 mX = VX × ρX18H10T = 0.019 × 7980 = 151.6 kg Khối lượng buồng đốt + S)2 − Dt2 (Dt2 m =V ×ρ =π× buồng buồng ×h X18H10T ×ρ 4 π × (1 + 0.008)2 − 12 × × 7980 = 201.4 kg Khối lượng đáy thiết bị Thể tích đáy chưa bao gồm bề dày: Vđáy1 = πh (h52 + 3r2) Với r = Dt2/2 = 0.5 m π×0.3 →V = (0.3 + × 0.5 ) = 0.132 m đáy1 Thể tích đáy bao gồm bề dày: πh5 V = (h đáy2 ′2 + 3r ) ’ Với r = (Dt2 + 0.004)/2 = 0.502 m π×0.3 →V (0.32 + × 0.5022) = 0.133 m3 = đáy2 Thể tích đáy cần tìm: V =V đáy Khối lượng đáy cần tìm: = 0.133 − 0.132 = 0.001 m3 −V đáy2 đáy1 X18H10T mđáy = Vđáy × ρX18H10T = 0.001 × 7980 = kg Khối lượng mặt bích 6: D2 − Dy m =2(V −V blỗ bulơng B d b ) ×ρ =2×[π × h] × ρ CT3 CT3 2.1412 − 2.0152 0.022 2×[π × h − 44 × π ×0.032−44×π × 0.032] × 7850 = 199.7 kg Khối lượng nửa bích nửa bích m ′ = 2(V ′ − V B D − Dy B lỗ bulơng )×ρ X18H10T db =2×[π × h − 28 × π × h] × ρ X18H10T 1.142 − 1.0132 0.022 =2×[π 4 ×0.03−28×π × 0.03] × 7980 = 98.6 kg 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 D ống m =V ×ρ =187×π× NaCl NaCl ×h ×ρ NaCl NaCl 4 = 187 × π × 0.0322 × × 1100 = 330.9 kg Khối lượng nước bên vỉ ống Hơi nước bên ống để đun sơi dung dịch NaCl ống có khối lượng riêng: ρhơi = 916.7 kg/m3 m =V ×ρ = (V buồng Dt −V ống )×ρ D 2 =(π× ống ×h −187×π× ×h )×ρ 4 0.032 12 =(π× ×2−187×π× 4 × 2) × 916.7 = 1164.2 kg Khối lượng ống vỉ ống: 2 −d ống (dống + S) m =V ×ρ =187×π ống ống ×h ×ρ X18H10T X18H10T = 187 × π (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 m vỉ =2×V B ×ρ = (V X18H10T B −V lỗ ống −V lỗ bulơng )×ρ X18H10T 2 Dt22 =2×(π× (D ) d − Dt 4 ×h−π× × h − 187 × π × ống ×S−28π d bulông × ×S)×ρ X18H10T 2 =2×(π× 2 (1.14 − ) ×0.025−π× 0.032 ×0.015−187×π× 0.022 × 0.025 − 28π × m + = + Khối lượng tối đa thiết bị: = (m nắp +m thân +m X +m buồng +m đáy +m+m ′ +m B NaCl mống + mvỉ) × 115% +m × 0.03) × 7980 = 192.8 kg (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: Tải trọng tác dụng lên tai đỡ: Gmax = mg = 5217 × 9.81 = 51178.8 N Q= G max Z = 51178.8 = 12794.7 (N) Tra bảng ta có: -4 + Bề mặt đỡ: F = 89.5 x 10 m + Tải trọng cho phép bề mặt đỡ: q = 1.12 x 10 N/mm + 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 2 mặt phẳng cách Vị trí tai treo nằm 2/3 chiều cao thân = × ℎ4 = × 2000= 1333.3 mm Bề dày gân tai đỡ: 2.24 × Q S= k × m × a × [σ] 2.24 × 12794.7 = Với k = 0.92 Bán kính quán tính gân Độ uốn gân theo cạnh huyền r = 0.289S = 0.289 × 10.384 = m 0.92×2×15×100 = 11 mm l λ= Tra bảng k = 0.913 => k = 0.92 thỏa Vẽ cấu tạo thiết bị 0.289S 110 = 3.001