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

Trang 1

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

Trang 2

MỤC LỤC

ĐỀ BÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NAOH 2

1 CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO 2

a Thân, nắp, đáy thiết bị 2

b Buồng đốt ống chùm 2

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 T ÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ II: T HÂN HÌNH TRỤ 6

3.2 T ÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ I: N ẮP ELIP 7

3.3 T ÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ VI: Đ ÁY ELIP 8

3.4 T ÍNH BỀ DÀY CHI TIẾT SỐ III: V Ỏ BUỒNG ĐỐT ỐNG CHÙM 9

3.5 T ÍNH TOÁN VỈ ỐNG 10

4 TĂNG CỨNG CHO CÁC LỖ TRÊN THIẾT BỊ 11

4.1 T ĂNG CỨNG CHO LỖ NẮP 11

4.2 T ĂNG CỨNG CHO LỖ ĐÁY 11

5 CHỌN TAY ĐỠ 12

Trang 3

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

b Buồng đốt ống chùm

Thiết kế dòng dung dịch NaOH đi trong các ống, hơi nước bão hòa đi bên ngoài Vỏ tiếp xúc hơi nước bão hòa ít ăn mòn → Chọn thép CT3 để làm vỏ buồng đốt

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

Chọn thép CT3 để làm mặt bích và bulong, đai ốc

d Chi tiết số VII: Vỉ ống

Chọn vật liệu làm vỉ ống và ống là inox 316

2 Chọn thông số thiết kế

a Chi tiết số I: Nắp 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

- 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

Trang 4

- 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

- Đường kính tính toán: D = Db = 1.5 m Chiều dài tính toán: L = Hb= 2.5 m

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: [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

- Nhiệt độ tính toán: T = 150℃

- Các thông số kích thước mặt bích: Theo bảng XIII.27 Sổ tay QTTB tập 2, tr.417

Trang 5

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:

Trang 6

f Chi tiết số VI: Đáy elip

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

- Đường kính tính toán: D = Dd = 0.8 m Chiều cao tính toán: h = h2 = 0.3 m

- Tỷ số giới hạn đàn hồi với giới hạn chảy: x = 0.9

g Chi tiết số VII: Vỉ ống

- Chọn vỉ loại ống phẳng, hàn ống, bố trì theo vòng tròn đồng tâm

- Bề dày thân lắp vỉ: S∗ = 1.4 ∗ S = 1.4 ∗ 3 = 4.2 mm

- Khoảng cách cần tăng bề dày: l = 100 mm

Kiểm tra: l > 10S = 10 ∗ 3 = 30 mm → Đạt

- Số ống trên đường kính vỉ: n = 20 ống, đường kính ống: dn= 35 mm

- Bước ống: dn = 35 mm > 30 mm → t = 1.25dn= 1.25 ∗ 35 = 43.75 mm

Trang 7

- 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 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 (Ptt

Et.

L

D)

0.4

= 1.18 ∗ 1500 ∗ ( 0.1

200 000 ∗

2500

1500)

0.4

= 6.55 mm

- Tính bề dày thực:

S = S′+ Ca+ Cb+ Cc + Cd = 6.55 + 1 + 0 + 0 + 0.45 = 8 mm

- Kiểm tra:

1.5 √2.(S − Ca)

(8 − 1)

1500 = 0.145

2 (S − Ca)= √

1500

2 ∗ (8 − 1)= 10.35

1.5 √2.(S − Ca)

D <

L

D=

2500

1500= 1.667 < √

D

2 (S − Ca) → Đạt Kiểm tra áp suất:

0.3.Et

σc √[

2 (S − Ca)

3

= 0.3 ∗200 000

2 ∗ (8 − 1)

3

= 0.376

L

D= 1.667 > 0.3.

Et

σc √[

2 (S − Ca)

3

→ [P] = 0.649 Et.D

L (

S − Ca

2

√S − Ca D

= 0.649 ∗ 200 000 ∗1500

2500∗ (

8 − 1

1500)

2

√8 − 1

1500 = 0.116 N/mm2 > 0.1 N/mm2

→ Đạt

- Vậy bề dày thân hình trụ là 8 mm

Trang 8

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:

Rt = D

2

4 h=

15002

4 ∗ 400= 1406 mm

Rt

1406

8 = 175.8 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000 0.9 ∗ 144 = 231.5

Rt

S <

0.15 Et

x σc 0.2 < h

D=

400

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

Rt

1406

5 = 281.2 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000 0.9 ∗ 144 = 231.5

Rt

S >

0.15 Et

x σc 0.15 < h

D=

400

1500= 0.267 < 0.5

→ [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

2

h

D= 0.267 và

Rt

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

K Rt )

2

= 0.09 ∗ 200 000 ∗ ( 5 − 1

0.971 ∗ 1406)

2

= 0.155 N mm⁄ 2 > 0.1 N mm⁄ 2 → Đạt

Trang 9

- 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 = D2

4 h=

8002

4 ∗ 300= 533.3 mm

Rt

533.3

8 = 66.66 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000 0.9 ∗ 144 = 231.5

Rt

S <

0.15 Et

x σc

→ [P] =2 [σn] (S − Ca)

β Rt

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

Rt

533.3

3 = 177.8 0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000 0.9 ∗ 144 = 231.5

Rt

S <

0.15 Et

x σc

→ [P] =2 [σn] (S − Ca)

β Rt

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

Rt

533.3

2 = 266.7

Trang 10

0.15 Et

x σc =

0.15 ∗ 200 000 0.9 ∗ 144 = 231.5

Rt

S >

0.15 Et

x σc 0.15 < h

D=

300

800= 0.375 < 0.5

→ [P] = 0.09Et(S − Ca

K Rt )

2

h

D= 0.375 và

Rt

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

K Rt )

2

= 0.09 ∗ 200 000 ∗ ( 2 − 1

0.992 ∗ 533.3)

2

= 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 =

132 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

- Kiểm tra:

S − Ca

2 − 1

800 = 0.00125 < 0.1 → Đạt Kiểm tra áp suất:

[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

Trang 11

- 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

Trang 12

+ Bề dày vỉ ống:

h = K D√ Ptt

φ0[σu]= 0.6 ∗ 800 ∗ √

0.3855 0.351 ∗ 138= 42.82 mm Chuẩn hóa bề dày vỉ ống h = 43 mm

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

Trang 13

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:

mnắp = Axq S ρI316= (4πRt

2

Db 2Rt) S ρI316 = (3.14 ∗ 14062∗ 1500

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

Dd 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

2

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

2

π ∗ 352

4 ) ∗ 2000 ∗ 1 ∗ 10−9 = 0.34 ton

Trang 14

+ 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:

mi =∑m

21 729

→ Chọn tay đỡ loại tải trọng tối đa là 10 000 N Theo bảng XIII.36 Sổ tay QTTB tập 2, tr.438

Tải trọng

cho phép

trên 1 tay

treo

10 4 N

Bề mặt

đỡ

10 4 m 2

Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ

10 −6 N/m 2

một tay treo

kg

mm

Tiêu đề	Thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaOH
Tác giả	Trần Đăng Khoa
Trường học	ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
Chuyên ngành	KỸ THUẬT HÓA HỌC
Thể loại	Bài tập
Năm xuất bản	2023
Thành phố	TP. HỒ CHÍ MINH

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	718,51 KB