bài giảng cơ sở thiết kế chế tạo thiết bị hóa chất

• Đối với các thiết bị dùng để chế biến và chứa các chất khác thì lấy AS tính toán luôn luôn bé hơn áp suất hơi của chúng ở nhiệt độ 500C.. 3.Ứng suất cho phép : -Việc lựa chọn ứng suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Tp.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

THIẾT BỊ HOÁ CHẤT

Th.S Phạm Văn HưngEmail : pvanhung01@gmail.com

1

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

- Kiểm tra thường kỳ: tự luận, 45 phút

- Thi giữa kỳ: trắc nghiệm, 60 phút

- Thi cuối kỳ: tự luận, 60-90 phút

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Hồ Lê Viên, Thiết kế và tính toán Các chi

tiết thiết bị hóa chất , NXB KHKT, 1978

[2] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa

học – Tập 1-2 , Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1992.

[3].Nguyễn Minh Tuyển, Tính toán máy và

thiết bị hóa chất - Tập 1-2 , NXB khoa học

và kỹ thuật, 1984

NỘI DUNG MÔN HỌC

CHƯƠNG 1: CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN KHI

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA

NỘI DUNG MÔN HỌC

CHƯƠNG 5: THÂN THIẾT BỊ

CHƯƠNG 6: ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ

CHƯƠNG 7: MỐI GHÉP BÍCH

CHƯƠNG 8: CÁC BỘ PHẬN PHỤ CỦA

THIẾT BỊ

CHƯƠNG 1: CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN KHI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA CHẤT

2 Áp suất làm việc, tính toán, gọi và thử

1 Nhiệt độ làm việc và tính toán

Nhiệt độ tính toán ? tính toán sao cho thiết

bị hoạt động tốt.

Nếu < 2500C thì nhiệt độ

tính toán của thành (tường)

và của các chi tiết khác bên

trong thiết bị thì lấy nhiệt

độ lớn nhất của môi trường

Nếu >250 0 C thì nhiệt môi trường cộng thêm 50 0 C nhưng không được

bé hơn 250 0 C

Nếu bọc cách nhiệt thì cộng thêm 20 0 C

…

2 Áp suất làm việc, AS tính toán, AS gọi và AS thử:

Pm – là ASLV của môi trường(N/m2)

Không có áp suất dư

: -Dung tích thiết bị bé

Áp suất tính toán

• Đối với tháp cao, hợp lý nhất là xác định AS tính toán cho từng khu vực theo chiều cao của tháp.

• Đối với các thiết bị dùng để chế biến và chứa các chất khác thì lấy AS tính toán luôn luôn bé hơn áp suất hơi của chúng ở nhiệt độ 500C

Trong bảng 1-2 cho biết ASTT tối thiểu của

các chất khí thường gặp.

• Đối với các thiết bị đúc có ASLV bé hơn

0,2N/mm2 thì không nên chọn áp suất tính

toán bé hơn 0,2N/mm2.

Nhóm C4 (butan, butylen,đivinuyl, izobutan, izobutylen v.v

Áp suất gọi là gì ? Là AS cực đại của môi trường chứa

trong thiết bị cho phép sử dụng

-12,5

125

0,16(*) 1,6 16 160

0,2(*) 2,0 20 -

0,25(*) 2,5 25 200

0,3 3,2 32,5 -

0,4(*) 4,0 40 -

0,5(*) 5,0 50 -

0,6 6,4 63 -

-0,07 - - 70 -

0,8 8,0 80 -

-* dùng cho các chi tiết làm bằng kim loại màu

Bảng 1-3.AS gọi đối với các thiết bị tiêu chuẩn

< 0,05 nhưng không bé hơn 0,06

0,05 đến 0,07 nhưng không bé hơn 0,1

>0,07 nhưng <0,5 nhưng không bé hơn 0,3

Đúc Không phụ thuộc vào

áp suất nhưng không bé hơn p + 0,3 Chú thích: các đại lượng áp suất thử thuỷ lực nêu ở đây không tính áp

suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị

Bảng 1-4.AS thử thuỷ lực tiêu chuẩn ptl

, 1

, 1

3.Ứng suất cho phép :

-Việc lựa chọn ứng suất cho phép ở các chi tiết khi tính toán độ

bền và độ ổn định, nó phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và

nhiệt độ tính toán

-Ứng suất cho phép tiêu chuẩn dùng để tính các chi tiết chịu

kéo, nén, uốn Khi tính các chi tiết chịu xoắn và cắt thì lấy ứng

suất cho phép tiêu chuẩn nhân với 0,6.

-Một số công thức tính toán ứng suất tiêu chuẩn:

 

B n

t B



 

c n

t c



 

bl n

t bl

Bảng 1-5.Xác định ứng suất cho phép tiêu chuẩn

của các kim loại cơ bản

  *Vật liệu Nhiệt độ

(1)dùng công thức (1-5) khi không có số liệu về giới hạn bền lâu

(2)theo Lasinxki A.A và Tônchinxki A.P

  *

Hình 1-1.Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của các loại thép thường dùng chế tạo các thiết bị 1-CT3, 2-thép 10, 3-thép 20 k, 4,thép 09T2C và 16TC

Hình 2.Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của các loại thép chịu nhiệt chịu acid : 12XM, 12MX, 2-15XM, 3- X5M, 4-X18H10T, X18H12T,X7H13M3T

1-vàX7H13M2T, 5-OX18H10T và OX18H12T

và hợp kim của chúng

Với ápsuất dưtrongthiết bị <

0,5

Với ápsuất dưtrongthiết bị ≥ 0,5N/m

m2

Khikiểm trachấtlượngriêngbiệt

Ở điều kiện khác

B n

t n

t u

: là ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm2

- hệ số an toàn của các chi tiết làm bằng vật liệu giòn lấy bằng n=4-5, còn vật liệu dẻo lấy n= 4

Khi ghép các chi tiết với nhau bằng mối hàn, tại vị trí hàn

sẽ kém bền hơn, do đó khi tính bền cho thiết bị ta phải đưa

hệ số bền mối hàn vào công thức tính toán

h



h



Bảng 1-7.Giá trị hệ số bền mối hàn đối với các chi tiết làmbằng vật liệu phi kim loại h

Giáp mốimột bên

Giáp mối haibên

0,5 0,9 - - - -

0,5 - 0,4 0,75 0,4 -

Hệ số bền mối hàn h

Đại lượng C được xác định như sau :

- Cc là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo lắp ráp, mm

- C0 là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm

6 Hệ số bổ xung chiều dày tính toán

-Ca= 1 đối với vật liệu tiếp xúc với môi trường có độ ăn mòn lớn

hơn, T=0,05-0,1mm/năm Nếu độ ăn mòn lớn hơn 0,1mm/năm thì căn cứ vào thời hạn sử dụng mà xác định Ca cho mỗi trường hợp cụ thể.

-Ca= 0 nếu ta dùng vật liệu lót có tính bền ăn mòn hoặc thiết bị

tráng men.

- Cb chỉ tính khi môi trường bên trong thiết bị chuyển động với

vận tốc  20m/s đối với chất lỏng;  100m/s đối với môi trường

khí.

CHƯƠNG 2: NHỮNG VẬT LIỆU CƠ BẢN

CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÓA CHẤT

Vật liệu phải thỏa mãn những yêu cầu như sau:

- G khối lượng vật liệu bị ăn mòn

-  khối lượng riêng vật liệu kg/dm3

3/ Tính chất vật lý: ,,α,C,tnc, …

4/ Tính công nghệ: đúc rèn, hàn, gia công cắt gọt…

5/ Giá thành vật liệu

Bảng 2-1.Thang độ bền ăn mòn của các kim loạiNhóm Cấp Tốc độ ăn mòn v, mm/nămHoàn toàn bền 1 < 0,001

I Các loại kim loại và hợp kim

quan trọng

 Gang chịu kiềm: cho thêm một ít chất trơ ta được

gang chịu kiềm nóng (bảng 2-3)

 Gang biến tính (xám) Cho thêm phụ gia như

silicocanxi, silicoalumin, ferosilic gang này có

độ bền cơ hóa cao

 Gang độ bền cao: (gang biến tính) ta cho thêm

vào các nguyền tố Mg, hoặc hợp kim Mg gọi là

gang cầu

 Gang rèn là gang đặc biệt: có C < 2,95%, có độ

co dãn a = 3-10% dùng chế tạo các chi tiết nhỏ

mảnh.

28

Bảng 2-2.Cơ tính của gang xám

Bảng 2-3.Thành phần hoá học và cơ tính của gang chịu kiềm

Độ cứng HB

G.K-1

G.K-2

0,6 : 0,8 0,4 : 0,6

0,8 : 1,0 0,35 : 0,5

Bảng 2-4.Cơ tính của gang độ bền cao

Độ dai

va đập,

ak

Độ cứngHB

Không bé hơn45-0

7009001100700700

360380420330300

1,52,05,010,0

1,52,02,54,0

Bảng 2-5.Cơ tính của gang “rèn”

Loại gang Mã hiệu

gang “rèn”

, N/mm2 ,% HB không

lớn hơnKhông bé hơn

Ferit 37-12

35-1038-830-6

370350380300

121086

149149149163

Khử

cacbon

40-335-430-3

400350300

343

201201201

B

32

Gang hợp kim:

Là gang chứa nguyên tố Ni, Cr, Mo,Si…

-Gang Niken có khoảng 20% Ni, khoảng 5-6% Cu, chịu được NaOH ở nhiệt độ cao và HCl, H2SO4

ở nhiệt độ thường.

-Gang Cr: có chứa khoảng 30% Cr chịu được

HNO3, H3PO4, CH3COOH, và các hợp chất chứa Clo và cho phép nhiệt độ làm việc đến 1200oC

-Gang austenit chứa 19%Cr - 9Ni% bền với HNO3 làm việc ở 1000oC

2 Thép

Hàm lượng C =< 1,5 %

Với thép kết cấu C < 0,7 %

Với thép không gỉ thì hàm lượng C < 0,2 %

Để chế tạo thiết bị hóa chất ta thường dùng thép

hợp kim Mo, Mo=O,5 %

Thép Cr –Mo

Thép Cr-Mo 12X, và 15X dùng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ở nhiệt độ cao và làm ống dẫn hơi áp

-Silic ký hiệu là (C) làm cho thép không gỉ, tăng

độ bền chống ăn mòn và chịu nhiệt, nhưng giảm tính dẻo dai.

-Vanadi (  ) làm tăng tính dẻo và bền ăn mòn.

-Vonfram (B) làm tăng độ cứng của thép dùng

làm dao cắt gọt kim loại.

-Ti (T) làm tăng độ bền của thép.



Mã hiệu

thép

GIỚI HẠN BỀN

B N/mm 2

GIỚI HẠN CHẢY

2624232221212121

7 : 876 -

Bảng 2-7.Cơ tính của thép hợp kim thấp và thép làm nồi hơi ở 20 o C

38

Thép austenit hợp kim cao:

Trong việc chế tạo thiết bị hoá chất người ta

dùng thép hay thép hợp kim cao có chứa

18-20% Cr và 8-10% Ni, vì vậy được gọi là thép

18-8

Loại thép hợp kim này tuy đắt nhưng được dùng nhiều trong công nghiệp hoá chất vì nó có nhiều tính chất qúy như: chịu nhiệt, bền ăn mòn, độ

bền cơ học cao.

Bảng 2-8.Thép hợp kim dùng để chế tạo thiết bị hoá chất

Không lớn hơn

0,2:0,7 0,5:0,7

<0,2 1,5

0,3:0,8 0,3:0,8

<0,8 0,7 0,17:0,3 7

17:20 13:15 17:20 15:18 5:6 0,8;1,1

8:11 13:1 5 9:13 12:1 4

-0,4:0,6

2:2,8 0,4:0,55 0,15:0,2

1

0,3 0,0 2 0,0 3 0 ,

0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 -

Nhiệt độ cho phép tối đa ở thành thiết bị làm

bằng kim loại màu như sau:

Tuỳ thuộc vào độ nguyên chất của nhôm mà người ta chia làm 7 loại Để chế tạo các thiết bị hoá chất, người

ta dùng 2 loại nhôm AOO và AO có hàm lượng nhôm tương ứng >= 99,7% và 99,6%

Các tính chất vật lý của nhôm như sau :  = 2,7

kg/dm3, nhiệt độ nóng chảy tc = 657 oC, nhiệt dung

Đặc tính

Mềm,nhôm đã ủ

Cứng,nhôm đãlàm nguội

50-6040-55

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của nhôm đã ủ sơ

bộ ở 370oC

3,5 48 100

5,5 45 99

12,5 42 99

26 39 97

76,5 32 88

10 24 83

116 19 79

600 510

400

31 0

135 75

20

Nhiệt độ , o C Đặc tính

Ứng suất kéo và ứng suất nén cho phép của nhôm đã

ủ phụ thuộc vào nhiệt độ

100

81-120

101-140

121-141-160

161-180

181-200[σb], N/mm2 15 14 13 12 10,5 9 7,5 6 4,5[σn] ,N/mm2 25 22,5 20 17,5 15 12,5 10 7,5 5

 Nhôm và cơ tính của nhôm

Đặc tính Đồng mềm đã

ủ

Đồng cứng đãlàm nguộiGiới hạn bền σB kéo,

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của đồng đã ủ sơ

2204841

1804639

1503237

841835

 Đồng và đặc tính của đồng

Cơ tính của đồng M2 đã ủ sơ bộ ở 600oC, phụ thuộc vào nhiệt độ thấp

+20 -1 -40 -80 -120

-180Giới hạn bền kéo σB,

225624078

237654777

273704774

290754570

410803877

 Đồng và đặc tính của đồng

48

Ứng suất cho phép của các thiết bị chế tạo từ đồng

140

121-160

141-

161-180

200

181-230

201-250Khi kéo

231-[σ]

Khi uốn

[σu]

4447

4245

4042

3840

3638

3236

3033

 Đồng và đặc tính của đồng

Cơ tính của đồng thau Л62 và Л68 ở 20oC

Đặc tính Đồng thau

mềm

Đồng thaucứngGiới hạn bền σB , N/mm2.

Cơ tính của đồng thau Л68 ở nhiệt độ thấp

50 77

535 400

51 71

648 643

7,8 71,5

720 712

10 66,5

 Đồng và đặc tính của đồng

Ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ đến cơ tính của

270 35 70

120 19 27

30 14 17

5 7 9

 Đồng và đặc tính của đồng

52

Hợp kim của đồng gồm Cu, Si, Al, Mn, Sn,

được dùng để chế tạo bánh răng, bánh guồng

bơm ly tâm, van…

Đồng thanh có Fe, Al, Mn dùng làm các chi tiết chịu tải trọng lớn làm việc trong điều kiện mài mòn rất cao, các hộp đệm bánh răng các chi tiết bơm cao áp.

 Đồng thanh

Đồng thanh Fe, Al, Ni, dùng chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao trên 500oC và khó hàn.

Đồng thanh chứa 3% Si chịu mài mòn cao dễ

đúc, cán, rèn, dập làm các chi tiết chịu áp lực, lò xo… Khi va chạm không tóe lửa thích hợp làm việc trong MT cháy nổ

 Đồng thanh

54

 Chì

Chì cũng được dùng nhiều trong chế tạo các thiết bị hóa chất nó bền với acid

sufuric, và muối sunfat

Nhược điểm : mềm, nhiệt độ nóng chảy thấp, độc

-ăn mòn cả NaOH, HNO3, HF, ở nhiệt độ

cao vẫn giữ nguyên độ bền.

56

II Vật liệu vô cơ

Đá granite : chịu được hầu hết các loại Acid trừ acid HF, nhưng giòn khó gia công.

Amiăng: thường làm vải chống cháy và làm vật đệm bít kín, cách nhiệt.

Thủy tinh: Thường dùng làm kính quan sát và thiết bị chứa hóa chất

Gốm chịu Acid : chịu được các loại Acid trừ

Acid HF và H3PO4 Thường dùng chế tạo bồn chứa…

III Vật liệu hữu cơ

Ưu điểm: dễ gia công, chế tạo và thay thế…

Nhược điểm: độ dẫn nhiệt kém, khó dùng để chế tạo bề mặt trao đổi nhiệt, chịu nhiệt kém…

1.Chất dẻo phenol bền với acid, kiềm yếu, các acid đặc không có tính oxy hóa và với nhiều dung môi Không bền với H2SO4, oleum, HNO3 và kiềm đặc.

2 Chất dẻo vinyl bền với acid (trừ chất oxy hóa) và kiềm ở mọi nồng độ Hòa tan tốt trong ketone,

dicloetan và các dung môi hữu cơ khác.

58

III Vật liệu hữu cơ

3 Polystyrol bền đối với kiềm và acid, trừ chất

oxy hóa Hòa tan trong nhiều dm hữu cơ như

benzene, dicloetan.

4 Polyethylene và polyisobuthylene bền với acid

và kiềm (trừ tác dụng lâu dài của acid đặc)

Không hòa tan trong dung môi ở nhiệt độ =<

50oC

5 Polyamid bền với kiềm và nhiều dung môi hữu

cơ, bị phá hủy trong môi trường acid mạnh.

1 Cho biết một số tính chất quan trọng của vật liệu chế tạo thiết bị hóa học?

2 Kể tên một số kim loại và hợp kim quan

CHƯƠNG 3

ẢNH HƯỞNG CỦA

VẬT LIỆU ĐẾN CẤU

TẠO THIẾT BỊ

I CÁC THIẾT BỊ LÀM BẰNG THÉP HỢP KIM CAO

- Sản xuất hóa chất cần dùng rất nhiều thép không gỉ vì các

thiết bị hóa chất làm việc với môi trường ăn mòn, ở nhiệt độ cao và áp suất cao.

- Cấu tạo thiết bị hàn làm bằng thép không gỉ so với thiết bị

làm bằng thép cacbon thường có các điểm khác nhau do các nguyên nhân sau:

+ Cần giữ tổ chức Austenit và thành phần hóa học của thép

ở mối hàn một thời gian để đảm bảo bền ăn mòn và cơ tính.

+ Tính chất vật lý khác nhau của hai loại thép.

+ Thép hợp kim đắt hơn.

Austenit: là dung dịch rắn của Cacbon hòa tan trong Feγ (lập

phương tâm diện) dẻo, bền, có độ cứng HB = 180-200 kg/mm 2

62

- Đối với thép hợp kim phải đun nóng đồng đều, không nên đun nóng quá lâu ở một chỗ.

 vì nó sẽ làm chảy các nguyên tố không gỉ (kể cả Titan và

Niobi) và giảm tính bền ăn mòn hóa học của nó

- Ghép 2 chi tiết với nhau bằng mối hàn (hàn chồng, hàn giáp mép, hàn vuông góc .) thì bề dày vật liệu của 2 chi tiết đó

phải bằng nhau.

 để sự đốt nóng được đồng đều ở cả hai phần.

- Khi hàn 2 chi tiết có chiều dày khác nhau  vát bớt chiều dày của chi tiết dày hơn sao cho ở chỗ mối hàn có chiều dày bằng nhau (góc nghiêng ở đoạn chuyển tiếp khoảng 0.25-0.20).

Hình 3.1 Hàn đầu mút trục rỗng

a.đúng; b.sai Hình 3.2 Hàn cánh lên trục

a.đúng; b.sai

- Khi hàn thân thiết bị mỏng với mặt bích dày hoặc vỉống dày  ta phải khoét lỗ ở trên mặt bích hoặc ở trên

- Khi hàn 2 chi tiết có bề dày khác nhau  phải có

vòng trung gian

- Phương pháp tốt nhất để hàn thân thiết bị mỏng với vỉ ống dày được trình bày như hình 3.6.

- Lỗ khoét ở vỉ ống có bán kính không được bé hơn 1,5 lần

bề dày thân thiết bị.

66

Hình 3.5.Hàn hai chi tiết có bề dày

khác nhau nhờ vòng trung gian Hình 3.6.Hàn thân thiếtbị mỏng với vỉ ống dày

- Hình 3.7: cách hàn mặt bích với thân thiết bị.

- Hình 3.8: cách hàn đáy-nắp với thân thiết bị.

- Hình 3.9: các mối hàn không nên tập trung gần nhau, mà

- Khi hàn thép thường với thép hợp kim  ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn (vì tính chất vật lý 2 loại thép khác nhau).

- Khi đốt nóng trên phạm vi chiều rộng nhỏ dọc theo mối hàn

 sinh ra ứng suất dư làm giảm độ bền mối ghép.

- Để giảm ứng suất dư  tạo ra ở chỗ gần mối hàn có kết cấu mềm như bù giãn nở (hình 3.10a).

- Cách ghép thân thiết bị bằng hợp kim với mặt bích bằng thép thường là:

+ Lồng tự do mặt bích lên thân thiết bị đã được uốn mép (hình 3.12a).

+ Hàn với thân 1 vòng đỡ rồi lồng mặt bích lên vòng đỡ này (hình 3.12b)

Hình 3.12.Lắp mặt bích bằng thép thường vào thân thiết bị bằng thép

hợp kim

- Khi hàn 2 chi tiết thép thường và thép hợp kim  không nên hàn trực tiếp  dùng chi tiết trung gian bằng thép hợp kim (tính chống

ăn mòn của mối hàn giảm và tổ chức Austenit

Hình 3.14.Dùng chi tiết trung

gian khi hàn chi tiết bằng thép thường với chi tiết bằng thép hợp kim

Hình 3.13.Tránh hàn

thép thường với thép

hợp kim

II CẤU TẠO THIẾT BỊ LÀM BẰNG ĐỒNG

- Thiết bị đồng được chế tạo từ các phôi (tấm hoặc ống).

- Đồng là loại vật liệu mềm và đắt  ảnh hưởng đến việc gia công phôi và hình dáng kết cấu của thiết bị.

- Đồng khá đắt  thiết bị không thể làm dày  làm thêm

những đường sóng để thân thiết bi cứng hơn hình 3.15.

- Đối với mối hàn thiếc  cần gấp mép tấm đồng trước khi hàn

 tăng độ cứng của mối hàn.

Bề dày tấm đồng, mm 0,75 1,25 1,5 1,75 2,0 2,5

Hình 3.18.Các kiểu gấp mép để hàn

- Mối ghép bằng đinh tán thường được sử dụng  vì mối ghép bền và tránh được biến dạng cong.

- Nên tán ở trạng thái nguội vì đồng mềm.

- Bề dày tối thiểu của tấm vật liệu đem tán là 3mm.

- Nếu tấm vật liệu lớn hơn hoặc bằng 7mm  phải tán dập.

74

Hình 3.20.Kết cấu các mối ghép bằng tán ( thiết bị đồng)