báo cáo thiết kế thiết bị vỏ áo theo tiêu chuẩn ASME

Tiêu chuẩn ASME là bộ tiêu chuẩn Mĩ trải rộng trong các chủ đề: công nghệ áp suất, nhà máy hạt nhân, thang máy thang tự động, xây dựng, tiêu chẩn hóa, thiết kế kỹ thuật và kiểm tra hiệu năng.ASME được sáng lập năm 1880 bởi Alexander Lyman Holly, Henry Rossiter Worthington, Jonh Edison Sweet và Matthias N.Frney. Với nhiệm vụ là giải quyết các vấn đề áp suất nồi hơi.ASME được biết đến trong việc thiết lập các bộ mã và tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí. Với mục đích sáng lập ban đầu là thành lập một liên đoàn kỹ thuật với mục đích tập trung nghiên cứu các kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực cơ khí ở Bắc Mĩ. và theo dòng phát triển, ASME ngày nay đã trở thành một tổ chức đa ngành cơ khí thiết kế chế tạo của toàn cầu.

Mục Lục

I Tiêu chuẩn ASME 2

I Tổng quan về thiết bị phản ứng vỏ áo 3

1 Khái niệm: 3

2 Cấu tạo 4

3 Nguyên lí vận hành: 4

4 Phân loại thiết bị vỏ áo 5

5 Thiết kế thiết bị vỏ áo 6

II Thiết kế cơ khí theo tiêu chuẩn Mĩ (ASME) 7

1 Sơ đồ tính toán 7

2 Thông số công nghệ 8

3 Thông số thiết kế 8

4 Thiết kế đáy-nắp và thân 10

5 Thiết kể vỏ áo 14

6 Lựa chọn mặt bích 15

III Kết luận 16

IV Tài liệu tham khảo 16

I Tiêu chuẩn ASME

Tiêu chuẩn ASME là bộ tiêu chuẩn Mĩ trải rộng trong các chủ đề: công nghệ áp suất, nhà máy hạt nhân, thang máy/ thang tự động, xây dựng, tiêu chẩn hóa, thiết kế kỹ thuật và kiểm tra hiệu năng

ASME được sáng lập năm 1880 bởi Alexander Lyman Holly, Henry Rossiter Worthington, Jonh Edison Sweet và Matthias N.Frney Với nhiệm vụ là giải quyết các vấn

đề áp suất nồi hơi

ASME được biết đến trong việc thiết lập các bộ mã và tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí Với mục đích sáng lập ban đầu là thành lập một liên đoàn kỹ thuật với mục đích tập trung nghiên cứu các kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực cơ khí ở Bắc Mĩ và theo dòng phát triển, ASME ngày nay đã trở thành một tổ chức đa ngành cơ khí thiết kế chế tạo của toàn cầu

ASME có sứ mệnh là phát triển các tiêu chuẩn, bộ luật và các chương trình đánh giá phù hợp nhất các sản phẩm và dich vụ liên quan đến thế giới nhân loại thu hút những người tài năng và giỏi nhất trên thế giới để cùng phát triển, duy trì và phát động việc sử dụng ASME trong các sản phẩm, dịch vụ liên quan

ASME hiện có hơn 14.000 thành viên ở 158 quốc gia trên thế giới

ASME có những phạm vi tiêu chuẩn đáng chú ý như:

 Thang máy và cầu thang tự động (loại tiêu chuẩn ASME A17)

 Ống và đường ống (loại tiêu chuẩn ASME B31)

 Các thiết bị quy trình kép (loại tiêu chuẩn ASME BPE)

 Van mặt bích, phụ kiện ống và các miếng đệm (loại tiêu chuẩn B16)

I Tổng quan về thiết bị phản ứng vỏ áo

1 Khái niệm:

Thiết bị vỏ áo là loại thiết bị thường được dùng để làm thiết bị phản ứng kết hợp cấp nhiệt hay tải nhiệt phản ứng

Trong vỏ áo là khoảng không gian dành cho chất tải nhiệt (lỏng, hơi bảo hòa) hay cho chất tải lạnh (tác nhân lạnh)

Tùy theo điều kiện và tính chất của lưu chất phía áo có thể tạo thành loại tháo lắp để

dễ kiểm tra, làm sạch khoang vỏ áo

Hình 2.1 thiết bị phản ứng vỏ áo

2 Cấu tạo

Chú thích:

1 thân thiết bị

2 vỏ bọc ngoài

3 mặt bích

Hình 2.2: Cấu tạo của thiết bị vỏ áo

3 Nguyên lí vận hành:

 Thực hiện qua bề mặt của vỏ trong được bảo vệ bởi vỏ ngoài

 Chất tải nhiệt ở không gian giữa hai vỏ cung cấp cho dung dịch ở vỏ trong

 Có thể lắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong

 Quá trình làm việc: có thể liên tục hoặc gián đoạn

4 Phân loại thiết bị vỏ áo

 Conventional Jackets:

Một vỏ thứ hai được lắp đặt trên một phần của bình, tạo ra một không gian hình khuyên trong đó làm mát hoặc làm nóng môi trường Một loại vỏ áo thông thường đơn giản, không có các bộ phận bên trong, không hiệu quả lắm đối với việc truyền nhiệt bởi vì môi trường dòng chảy có vận tốc rất thấp dẫn đến hệ số truyền nhiệt thấp Phương pháp ngưng

tụ, chẳng hạn như hơi nước hoặc Dowtherm A, là một ngoại lệ bởi vì trong trường hợp này, hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào vận tốc hoặc nhiễu loạn mà thay vào đó là liên quan đến diện tích bề mặt mà môi trường ngưng tụ và hiệu quả của việc loại bỏ ngưng tụ Các bộ phận bên trong bao gồm các lỗ thông khí hướng dòng chảy theo kiểu xoắn ốc xung quanh vỏ áo, và các vòi phun gây ra sự hỗn loạn cao tại điểm chất lỏng được đưa vào vỏ áo

Hình 4.1 Conventional Jackets

 Half-Pipe Coil Jackets:

Ống được chia theo chiều dọc, thường có góc bao gồm 180 độ (chia đều cho đến giữa) hoặc 120 độ, rồi vòng quanh bình và hàn tại chỗ

Hình 4.2 Half-Pipe Coil Jackets

 Dimple Jackets:

Một vỏ bên ngoài mỏng được gắn vào vỏ bình bằng các mối hàn điểm tại một mẫu thường, thường khoảng 50 mm ở giữa cả theo chiều ngang lẫn chiều dọc Những cái gọi

là lúm đồng tiền này gây nhiễu loạn cho môi trường làm nóng hoặc làm mát khi nó chảy qua lớp vỏ

5 Thiết kế thiết bị vỏ áo

Thiết kế thiết bị phản ứng vỏ áo cho phản ứng tạo etyl sunfat axit và este dietyl sunfat trong sản xuất rượu etylic

Phương trình phản ứng:

C2H4 + H2SO4 –> C2H5OSO2OH

2C2H4 + H2SO4 –> (C2H5O)2SO2

Điều kiện tối ưu của phản ứng: áp suất là 15at, t0= 120-1850C và nồng độ axit sunfuric 97 -98%

II. Thiết kế cơ khí theo tiêu chuẩn Mĩ (ASME)

1 Sơ đồ tính toán

Tính bền cho nắp

chịu P trong

Tính bền cho đáy vầ

thân chịu P trong

Kiểm tra

Chọn bề dày tối thiểu

đáy chịu P ngoài

Kiểm tra đáy

Chọn bề dày tối thiểu

cho thân chịu P

ngoài

Kiểm tra bền cho thân

sai

Đúng

Sai

Đúng sai

Đúng

Tính bền cho

vỏ áo chịu áp suất

Kiểm tra tính bền cho vỏ áo

Kết luận

Sai

Đúng

Chọn thông số thiết kế Chọn thông số

thiết kế

Kết luận

2 Thông số công nghệ

 Đường kính ngoài của thân: D t 1760mm69, 29in

 Đường kính ngoài của vỏ: D v 2000 mm78,74in

 Chiều cao thân trụ: H 2000mm78.74in

 Chiều cao từ mép thân đến đáy hay nắp: h400mm15,75in

2 Thông số thiết kế

 Hệ số chứa đầy:  0,75

 Khối lượng riêng của lưu chất: 1200Kg m/ 3

 Áp suất vận hành:

Áp suất hơi nước bão hòa phía vỏ: P v  2

8kg cm/

Áp suất làm việc tối đa: '

max

P =200psi

Áp suất thiết kế cho thân:

Pt=P’max+pgH=200+1200x9,81x2x0,75x1.45x10-4=202,56 psi

Trong đó: 1 Pa=1.45x10-4 Psi

Áp suất làm việc phía vỏ:P v 8kg cm/ 2  113,78psi

 Nhiệt độ hơi nước bão hòa phía vỏ được tra từ Bảng PL2, phụ lục 2,trang 212, Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, TS.Nguyễn Hữu Hiếu:

T hbh 170.40o C 338.72o F

 Nhiệt độ thiết kế cho thân và vỏ được chọn:

tk

T  170.4o 338.72o hbh

T  C  F

Bảng PL 3.23 phụ lục 3

Số hàng

Thành phần danh nghĩa

Dạng sản phẩm

Chỉ số

kỹ thuật Loại/bậcmác

Thiết kế hợp kim/ số

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

Bảng PL 3.24 phụ lục 3

Ứng suất cực đại cho phép (kpsi) (nhân 1000 để chuyển về psi) ứng với nhiệt độ kim loại (0F)

không vượt quá

Số

hàng

20

đến

100

43 20,0 - 16,7 - 15,0 13,8 12,9 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2 11

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

 Từ bảng PL 3.1,2 phụ lục 3, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực tra:

 Ứng suất cực đại cho phép của vật liệu thân (SA-240, loại 304, thép tấm, hàng 43)

ở Ttk (sử dụng phương pháp nội suy):

14544

t

S  Psi

 Ứng suất cực đại cho phép vật liệu vỏ áo (thép cacbon, thép tấm, hàng 35) ở Ttk:

Sv =14500 Psi

 Chọn kiểu hàng giáp mối một phía có hệ số bền mối hàn dọc trục thân và vòng thân:

0, 65

 Dung sai ăn mòn cho phép: C A 2mm0.0787in

3 Thiết kế đáy-nắp và thân

a) Nắp elip

 Áp suất thiết kế:

P’max=200psi>Pkq=14,7 psi→ nắp chịu áp suất trong

 Bề dày tối thiểu yêu cầu:

20 0,0787

d

t  mm in

 Chọn thép tấm 304 có bề dày 20mm để chế tạo nắp thiết bị

b) Đáy và thân chịu áp suất trong

 Đáy elip có bề dày tối thiểu yêu cầu:

202,56.69, 29

0,73 18,50

2 1,8 2.14544.0,65 1,8.202,56

0,73 0,0787 0,81 20,50

t t

P D

S E P

 Bề dày tối thiêu yêu cầu là 20mm khi chịu áp suất trong

 Thân trụ có bề dày tối thiểu yêu cầu:

Theo ứng suất vòng:

,

69, 29 202,56

2 0, 75 19,10

0, 6 14544.0,65 0,6.202,56

t t

t v

PR

S E P

Theo ứng suất dọc trục:

,

69, 29 202,56

2 0,37 9, 40

2 0, 4 2.14544.0,65 0, 4.202,56

t t

t d

P R

S E P

 t t t t v, C A  0,75 0,0787 0,83   in 21,10mm

Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho nắp (MAWP):

Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho nắp để kiểm tra là

20 0,0787

n

t  mm in

 Kiểm tra MAWP

2 2.14544.0,65.0,787 ( AW )

0, 2 69, 29 0, 2.0, 787

S Et

M P

D t

Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho thân (MAWP):

Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân để kiểm tra là

20 0, 0787

t

t  mm in

 Theo ứng suất vòng:

14544.0,65.0, 7874

69, 29

2

t t v

S Et

 Theo ứng suất dọc trục:

69, 29

2

t t d

S Et

Vậy, MAWP=211,96 psi=min{(MAWP)v;(MAWP)d}

Thân chịu áp suất trong có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm

Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho đáy (MAWP):

Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho đáy để kiểm tra là

20 0,0787

d

t  mm in

 Kiểm tra MAWP:

2 2.14544.0,65.0,787 ( AW )

0, 2 69, 29 0, 2.0,787

214, 26 202,56

S Et

M P

D t

Psi Psi

Đáy chịu áp suất trong có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm

c) Đáy và thân chịu áp suất ngoài

Đáy elip:

Chọn sơ bộ bề dày tối thiểu yêu cầu của đáy tđ=20mm=0,7874in

Kiểm tra bền:

với R0=0.9Dt=62.36in1584mm

0,125 0,125.0, 78

62,36

d o

t

R

Tra Hình PL6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực:

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

→B=9500Psi

 Áp suất tối đa cho phép:

9500.0,787

62,36

d

o

Bt

R

Thân hình trụ:

Chọn sơ bộ bề dày thân là tt=20mm=0,787 in, khi đó:

 Tỉ số:

89, 24

1, 29

69, 29

t

L

69, 29

88

0, 787

t

t

D

Tra Hình PL6.1 và 6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực:

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

Suy ra:

0,00125 log 2,90

7800

B Psi



 Áp suất tối đa cho phép:

t

t

Bt

D

 Thỏa điều kiện bền

Khi chịu áp suất ngoài, thân trụ cũng có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm.Chọn thép tấm

304 có bề dày 20mm là phù hợp để chế tạo thân, đáy-nắp thiết bị

4 Thiết kể vỏ áo.

Vì P v 113.78Psi>Pkq=14,7 psi nên vỏ áo chịu áp suất trong

 Bề dày tối thiểu yêu cầu:

+Theo ứng suất vòng:

,

78,74 113,78

2 0, 48 12,12 0,6 14500.0,65 0,6.113,78

v v

v v

P R

S E P

+Theo ứng suất dọc trục:

,

78,74 113,78

2 0, 4 2.14500.0, 65 0, 4.113,78

0, 48 0,078 0,558 14,12

v v

v t

P R

S E P

Kiểm tra áp suất lam việc tối đa cho phép (MAWP):

Bề dày được chọn để kiểm tra là t=15mm=0.59 in

+ Theo ứng suất vòng:

0,6

v v

v

S Et

R t

 + Theo ứng suất dọc trục:

2

0, 4

v d

v

S Et

R t

 Vậy chọn MAWP=140,11 psi=min{(MAWP)v;(MAWP)d} và thép tấm cacbon có bề dày

5 Lựa chọn mặt bích

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

Mặt bích: Nắp với thân nối với nhau bằng mặt bích

Thân với vỏ ngoài nối với nhau bằng mối hàn

Đường kính ngoài của thân Dt=1760mm

Suy ra, chọn mặt bích có kích thước tiêu chuẩn:

Kích thước

dang

nghĩa(mm)

Đường kính ngoài ống,d1

Mặt bích Bề mặt

được nâng

Bảng PL7.2, trang 315 Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực Nguyễn Hữu Hiếu

III. Kết luận

Chi tiết Vật liệu Bề dày (mm)

IV. Tài liệu tham khảo

“Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực”, Thầy Nguyễn Hữu Hiếu, Nhà xuất bản Đại học Quốc

Gia thành phố Hồ Chí Minh, 2017

“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 1”, Nhà xuất bản khoa học và kĩ

thuật

“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 2”, Nhà xuất bản khoa học và kĩ

thuật

Trang web Wikipedia