bài tập tính toán thiết kế thiết bị bài tập số 3

Mặt bích ghép thân với buồng đốt, mặt bích ghép thân với nắp .... Chi tiết số III: Buồng đốt ống chùm .... Chi tiết số IV: Mặt bích ghép thân với buồng đốt .... Chi tiết số V: Mặt bích g

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ 

Bài tập Tính toán – Thiết kế thiết bị

Bài tập số 3

Trần Đăng Khoa – MSSV: 2013517 Lớp: L01 – HK231

2023

c Mặt bích ghép thân với buồng đốt, mặt bích ghép thân với nắp 2

d Chi tiết số VII: Vỉ ống 2

2 CHỌN THÔNG SỐ THIẾT KẾ 2

a Chi tiết số I: Nắp elip 2

b Chi tiết số II: Thân hình trụ 3

c Chi tiết số III: Buồng đốt ống chùm 3

d Chi tiết số IV: Mặt bích ghép thân với buồng đốt 3

e Chi tiết số V: Mặt bích ghép thân với nắp 4

f Chi tiết số VI: Đáy elip 5

g Chi tiết số VII: Vỉ ống 5

3 TÍNH BỀ DÀY CÁC CHI TIẾT 6

3.1.TÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ II:THÂN HÌNH TRỤ 6

3.2.TÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ I:NẮP ELIP 7

3.3.TÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ VI:ĐÁY ELIP 8

3.4.TÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ III:VỎ BUỒNG ĐỐT ỐNG CHÙM 9

Đề bài: Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaOH

tsdd = 95℃, PCK = −0.4 at Hd= 2 m, Dd = 0.8 m Hb= 2.5 m, Db= 1.5 m h1 = 400 mm, h2 = 300 mm d1 = 400 mm, d2 = 50 mm

Số ống trên đường kính buồng đốt ống chùm: n = 20 ống

- Tính: bề dày I, II, III, IV, V, VI, VII (vỉ ống) - Chọn và vẽ mặt bích, vỉ ống, tay treo

- Đưa ra phương án tăng cứng các lỗ

1 Chọn vật liệu chế tạo

a Thân, nắp, đáy thiết bị

Chọn vật liệu chống ăn mòn: inox 316 Mặc dù nắp chỉ tiếp xúc hơi nước do NaOH không bay hơi nhưng vì an toàn nên chọn inox 316 làm nắp

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]∗ = 144 N/mm2

- Giới hạn chảy: σc = [σ]∗ η = 144 ∗ 1 = 144 N/mm2

- Ứng suất nén cho phép: [σn] = [σ]∗ η = 144 ∗ 1 = 144 N/mm2

- Đường kính tính toán: D = Db = 1.5 m Chiều cao tính toán: h = h1 = 0.4 m

- Hệ số ăn mòn hóa học: Ca = 1 Hệ số ăn mòn cơ học: Cb = 0 - Tỷ số giới hạn đàn hồi với giới hạn chảy: x = 0.9

b Chi tiết số II: Thân hình trụ

- Nhiệt độ tính toán: chọn Ttt = Tsdd = 95℃ - Áp suất tính toán: chọn Ptt = Pmt= Pa = 1 atm - Modun đàn hồi: Et= 200 000 N/mm2

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]∗ = 144 N/mm2

- Giới hạn chảy: σc = [σ]∗ η = 144 ∗ 1 = 144 N/mm2

- Đường kính tính toán: D = Db = 1.5 m Chiều dài tính toán: L = Hb= 2.5 m - Hệ số ăn mòn hóa học: Ca = 1 Hệ số ăn mòn cơ học: Cb = 0

c Chi tiết số III: Buồng đốt ống chùm

- Nhiệt độ tính toán: chọn Ttt = Tn = 150℃ → áp suất hơi nước: Pn = 4.855 atm - Áp suất tính toán: chọn Ptt = 4.855 − 1 = 3.855 atm

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]∗ = 132 N/mm2

- Ứng suất cho phép: [σ] = [σ]∗ η = 132 ∗ 1 = 132 N/mm2 - Hệ số bền mối hàn: φh = 0.95

- Đường kính tính toán: D = 0.8 m - Hệ số ăn mòn: Ca = 1, Cb = 0

d Chi tiết số IV: Mặt bích ghép thân với buồng đốt

- Chọn bích liền, kiểu 1, bảng tra XIII.27 trang 422 sổ tay qttb tập 2 - Áp suất tính toán: Ptt= 3.855 atm

e Chi tiết số V: Mặt bích ghép thân với nắp

- Chọn bích liền, kiểu 1, bảng tra XIII.27 trang 422 sổ tay qttb tập 2 - Áp suất tính toán: Ptt= 1 − 0.4 = 0.6 atm

- Nhiệt độ tính toán: T = 95℃ - Các thông số kích thước mặt bích:

f Chi tiết số VI: Đáy elip

- Nhiệt độ tính toán: chọn Ttt = Tsdd = 95℃ - Áp suất tính toán: chọn Ptt = Pmt= Pa = 1 atm - Modun đàn hồi: Et= 200 000 N/mm2

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]∗ = 144 N/mm2

- Khoảng cách tâm ống ngoài cùng đến thành buồng đốt: t∗ = 2.5dn= 2.5 ∗ 35 = 87.5 mm - Áp suất tính toán: Ptt= 3.855 atm

- Nhiệt độ tính toán: Ttt= 150℃

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn: [σ]∗ = 138 N/mm2

- Ứng suất uốn cho phép: [σu] = [σ]∗η = 138 ∗ 1 = 138 N/mm2

3 Tính bề dày các chi tiết

3.1 Tính bề dày chi tiết số II: Thân hình trụ

- Thân hình trụ chịu áp suất ngoài - Tính bề dày tối thiểu:

S′= 1.18 D (PttEt.

= 1.18 ∗ 1500 ∗ ( 0.1200 000 ∗

= 6.55 mm - Tính bề dày thực:

S = S′+ Ca+ Cb+ Cc + Cd = 6.55 + 1 + 0 + 0 + 0.45 = 8 mm - Kiểm tra:

D <LD=

1500= 1.667 < √D

2 (S − Ca) → Đạt Kiểm tra áp suất:

0.3.Etσc √[

D= 1.667 > 0.3.Etσc √[

2 (S − Ca)

→ [P] = 0.649 Et.DL (

S − Ca

√S − CaD= 0.649 ∗ 200 000 ∗1500

2500∗ (8 − 11500)

√8 − 1

1500 = 0.116 N/mm2 > 0.1 N/mm2→ Đạt

- Vậy bề dày thân hình trụ là 8 mm

3.2 Tính bề dày chi tiết số I: Nắp elip

- Nắp chịu áp suất ngoài

- Chọn bề dày sơ bộ: S = 8 mm - Tính áp suất cho phép:

8 = 175.8 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000

0.9 ∗ 144 = 231.5 Rt

S <

0.15 Etx σc0.2 < h

1500= 0.267 < 0.3 → [P] =2 [σn] (S − Ca)

β Rt β = Et(S − Ca) + 5xRtσc

Et(S − Ca) − 6.7xRt(1 − x)σc

= 200 000 ∗ (8 − 1) + 5 ∗ 0.9 ∗ 1406 ∗ 144

200 000 ∗ (8 − 1) − 6.7 ∗ 0.9 ∗ 1406 ∗ (1 − 0.9) ∗ 144 = 1.808 → [P] =2 [σn] (S − Ca)

2 ∗ 144 ∗ (8 − 1)

1.808 ∗ 1406 = 0.793 N/mm2 ≫ 0.1 N/mm2- Chọn lại bề dày: S = 5 mm

5 = 281.2 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000

0.9 ∗ 144 = 231.5 Rt

S >

0.15 Etx σc0.15 < h

1500= 0.267 < 0.5 → [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

D= 0.267 và Rt

S = 281.2 → K = 0.971 [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

= 0.09 ∗ 200 000 ∗ ( 5 − 10.971 ∗ 1406)

= 0.155 N mm⁄ 2 > 0.1 N mm⁄ 2 → Đạt

- Vậy bề dày nắp elip là S = 5 mm

3.3 Tính bề dày chi tiết số VI: Đáy elip

- Đáy chịu áp suất ngoài

- Chọn bề dày sơ bộ: S = 8 mm - Tính áp suất cho phép:

Rt = D24 h=

4 ∗ 300= 533.3 mm Rt

8 = 66.66 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000

0.9 ∗ 144 = 231.5 Rt

S <

0.15 Etx σc

→ [P] =2 [σn] (S − Ca)β Rtβ = Et(S − Ca) + 5xRtσc

Et(S − Ca) − 6.7xRt(1 − x)σc

= 200 000 ∗ (8 − 1) + 5 ∗ 0.9 ∗ 533.3 ∗ 144

200 000 ∗ (8 − 1) − 6.7 ∗ 0.9 ∗ 533.3 ∗ (1 − 0.9) ∗ 144= 1.289 → [P] =2 [σn] (S − Ca)

2 ∗ 144 ∗ (8 − 1)

1.289 ∗ 533.3 = 2.932 N/mm2 ≫ 0.1 N/mm2- Chọn lại bề dày: S = 3 mm

3 = 177.8 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000

0.9 ∗ 144 = 231.5 Rt

S <

0.15 Etx σc

→ [P] =2 [σn] (S − Ca)β Rtβ = Et(S − Ca) + 5xRtσc

Et(S − Ca) − 6.7xRt(1 − x)σc

= 200 000 ∗ (3 − 1) + 5 ∗ 0.9 ∗ 533.3 ∗ 144

200 000 ∗ (3 − 1) − 6.7 ∗ 0.9 ∗ 533.3 ∗ (1 − 0.9) ∗ 144= 2.108 → [P] =2 [σn] (S − Ca)

2 ∗ 144 ∗ (3 − 1)

2.108 ∗ 533.3 = 0.512 N mm⁄ 2 > 0.1 N mm⁄ 2 → Đạt - Chọn lại bề dày: S = 2 mm

2 = 266.7

0.15 Etx σc =

0.15 ∗ 200 000

0.9 ∗ 144 = 231.5 Rt

S >

0.15 Etx σc0.15 < h

800= 0.375 < 0.5 → [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

D= 0.375 và Rt

S = 266.7 → K = 0.992 [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

= 0.09 ∗ 200 000 ∗ ( 2 − 10.992 ∗ 533.3)

= 0.06 N mm⁄ 2 < 0.1 N mm⁄ 2 → Không đạt - Vậy bề dày đáy elip là S = 3 mm

3.4 Tính bề dày chi tiết số III: Vỏ buồng đốt ống chùm

- Vỏ hình trụ chịu áp suất trong - Tính bề dày tối thiểu:

[σ]P φh =

0.3855∗ 0.95 = 325.3 > 25 → S′= P D

2[σ] φh =

0.3855 ∗ 800

2 ∗ 132 ∗ 0.95= 1.23 mm - Bề dày thực:

S = S′+ Ca+ Cb+ Cc + Cd = 1.23 + 1 + 0 + 0 + 0.77 = 3 mm - Kiểm tra:

S − Ca

3 − 1

800 = 0.0025 < 0.1 → Đạt Kiểm tra áp suất:

[P] =2[σ]φh(S − Ca)D + S − Ca =

2 ∗ 132 ∗ 0.95 ∗ (3 − 1)

800 + 3 − 1 = 0.625 > 0.3855 N/mm2- Chọn lại bề dày: S = 2 mm

[P] =2[σ]φh(S − Ca)D + S − Ca =

2 ∗ 132 ∗ 0.95 ∗ (2 − 1)

800 + 2 − 1 = 0.313 < 0.3855 N mm⁄ 2→ Không đạt

- Vậy bề dày vỏ buồng đốt là 3 mm

3.5 Tính toán vỉ ống

- Bố trí lỗ ống trên vỉ:

Với bước ống t = 43.75, 20 ống trên đường kính sẽ chứa 19 khoảng bước ống có kích thước ∑t = 19 ∗ 43.75 = 831.25 > 800 → Không thể thiết kế

- Giảm số ống trên đường kính xuống còn n = 15 ống

Chọn bố trí theo đường tròn đồng tâm Bố trí 7 vòng cách đều nhau, ΔR = 44 mm

1 ống ở tâm tâm; vòng 1: 6 ống; vòng 2: 12 ống; vòng 3: 18 ống; vòng 4: 24 ống; … vòng n: 6n ống Cách bố trí này vừa theo kiểu vòng tròn đồng tâm, vừa theo kiểu tam giác đều, nên khoảng cách giữa 2 tâm ống liền kề trên cùng 1 đường tròn luôn bằng khoảng cách giữa 2 tâm ống liền kề trên đường tròn khác

- Kiểm tra:

+ Khoảng cách tâm các ống trên 2 đường tròn liền kề: Δ ≥ ΔR > 43.75 mm → Đạt + Khoảng cách tâm 2 ống liền kề trên 1 đường tròn: Δ′= Δ → Đạt (tính chất tam giác đều)

+ Khoảng cách tâm ống trên đường tròn ngoài cùng đến thành buồng đốt:

Δ′′= R − R7 =800

2 − (7 ∗ 44) = 92 mm > 87.5 mm → Đạt - Tính bề dày vỉ ống:

+ Phương án hàn vào thân thiết bị

+ Số lỗ tính theo đường kính trên mặt vỉ: 15 lỗ

∑dn = 15dn = 15 ∗ 35 = 525 mm + Hệ số ảnh hưởng do đục lỗ:

φ0 =Dn− ∑dn

800 + 2 ∗ 3 − 525

4 Tăng cứng cho các lỗ trên thiết bị 4.1 Tăng cứng cho lỗ nắp

dmax = 2 [(S − Ca

S0 − 0.8) √D(S − Ca) − Ca] = 2 ∗ [(5 − 1

4 − 0.8) ∗ √400 ∗ (5 − 1) − 1] = 14 mm d1 = 400 mm > 14 mm → Cần tăng cứng

- Dùng phương pháp hàn thêm vòng đệm, dùng vật liệu thép CT3

Kích thước đệm: Chọn S′= 6 mm > 5 mm, B = √D S′= √400 ∗ 6 = 48.99 mm Chuẩn hóa B = 49 mm

4.2 Tăng cứng cho lỗ đáy

dmax = 2 [(S − Ca

S0 − 0.8) √D(S − Ca) − Ca] = 2 ∗ [(3 − 1

2 − 0.8) ∗ √50 ∗ (3 − 1) − 1] = 2 mm d2 = 50 mm > 2 mm → Cần tăng cứng

- Dùng phương pháp hàn thêm vòng đệm, dùng vật liệu inox 316

Kích thước đệm: Chọn S′= 4 mm > 3 mm, B = √D S′= √50 ∗ 4 = 14.14 mm Chuẩn hóa B = 15 mm

5 Chọn tay đỡ

- Đặt tay đỡ ở phía trên trọng tâm của thiết bị Chọn vị trí chính giữa thân hình trụ - Khối lượng riêng vật liệu:

+ Thép CT3: ρCT3 = 7.85 ton/m3

+ Inox 316: ρI316 = 7.98 ton/m3

+ Nước lỏng gia nhiệt ngưng tụ: ρn = 1 ton/m3

- Khối lượng nắp thiết bị:

1406 ) ∗ 5 ∗ 7.98 ∗ 10−9 = 0.264 ton - Khối lượng thân hình trụ:

mthân = Axq S ρI316= (πDbHb) S ρI316

= (3.14 ∗ 1500 ∗ 2500) ∗ 8 ∗ 7.98 ∗ 10−9 = 0.752 ton - Khối lượng đáy elip:

mđáy = Axq S ρI316 = (4πR2t

2Rt) S ρI316 = (3.14 ∗ 533.3

2∗ 800

533.3 ) ∗ 3 ∗ 7.98 ∗ 10−9 = 0.032 ton - Khối lượng buồng đốt:

+ Khối lượng vỏ:

mvỏ = Axq S ρCT3 = (πDdHd) S ρCT3 = (3.14 ∗ 800 ∗ 2000) ∗ 3 ∗ 7.85 ∗ 10−9

= 0.118 ton + Khối lượng chùm ống:

mống= n Axq S ρI316= n (πdnHd) S ρI316

= 169 ∗ (3.14 ∗ 35 ∗ 2000) ∗ 2 ∗ 7.98 ∗ 10−9 = 0.593 ton + Khối lượng vỉ ống:

mvỉ = (Ad− n Aống) h ρI316= (π ∗ 800

π ∗ 352

4 ) ∗ 42.82 ∗ 7.98 ∗ 10−9 = 0.116 ton + Khối lượng nước gia nhiệt:

mn = 0.5(Ad− n Aống) Hd ρn= 0.5 ∗ (π ∗ 800

π ∗ 352

4 ) ∗ 2000 ∗ 1 ∗ 10−9 = 0.34 ton

+ Khối lượng dung dịch NaOH: không đáng kể do chảy màng vào thiết bị → bỏ qua - Tổng khối lượng thiết bị khi vận hành:

∑m = 0.264 + 0.752 + 0.032 + 0.118 + 0.593 + 0.116 + 0.34 = 2.215 ton M = 2.215 ∗ 9.81 ∗ 103 = 21 729 N

- Số tay đỡ: Chọn ξ = 3 tay treo - Tải trọng tối đa của 1 tay đỡ:

treo 104 N

Bề mặt đỡ 104 m2

Tải trọng cho phép lên bề

mặt đỡ 10−6 N/m2

một tay treo kg mm