thiết kế cơ khí thiết bị cô đặc chân không

Bài toán: tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH với: Năng suất nhập liệu: 1m3 h (30oC) Nồng độ đầu: 18wt% Nồng độ cuối 30wt% Nhiệt độ hơi thứ : 90oC 2. GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH 2.1. Cô đặc: Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ của các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏngrắn hay lỏng lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) đó là các quá trình vật lýhóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ BTL: Cơ sở thiết kế thiết bị hóa chất TÍNH BỀN CƠ KHÍ C THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI THEO ASME CBHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu SVTH: Trần Minh Mẫn 1511952 Nguyễn Đăng Khoa 1511579 Nguyễn Thị Út 1514187 Nguyễn Thanh Duy 1510483 La Nam Phát 1512404 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 04/2018 Mục lục ĐẶT VẤN ĐỀ GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH 2.1 Cô đặc: 2.2 Các phƣơng pháp cô đặc: 2.3 Bản chất cô đặc nhiệt: 2.4 Phân loại ứng dụng thiết bị cô đặc dùng phƣơng pháp nhiệt THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ 5.1 Buồng đốt 5.1.1 Thân buồng đốt 5.1.2 Vỉ ống 5.2 Buồng bốc 5.2.1 Thân Buồng bốc 5.2.2 Thân côn chuyển tiếp 5.3 Nắp Elip 10 5.4 Đáy nón 10 5.5 Mặt bích 11 KẾT LUẬN 12 CÁC HỆ SỐ TRA 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 ĐẶT VẤN ĐỀ Bài tốn: tính bền khí cho chi tiết thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH với: - Năng suất nhập liệu: 1m3/h (30oC) - Nồng độ đầu: 18wt% - Nồng độ cuối 30wt% - Nhiệt độ thứ : 90oC GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH 2.1 Cô đặc: Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hòa tan dung dịch gồm hay nhiều cấu tử Quá trình đặc dung dịch lỏng-rắn hay lỏnglỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dể bay hơn) q trình vật lý-hóa lý Tùy theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó), ta tách phần dung mơi (cấu tử dể bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh 2.2 Các phƣơng pháp đặc: Phƣơng pháp nhiệt (đun nóng) Phƣơng pháp lạnh Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Khi hạ nhiệt độ đến mức , cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh 2.3 Bản chất cô đặc nhiệt: Để tạo thành (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay xảy chủ yếu bọt khí hình thành q trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi đặc Tách khơng khí lắng keo (protit) ngăn chặn tạo bọt cô đặc Thiết kế thiết bị cô đặc chân không Page Ứng dụng: - Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hố chất, ta cần đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô cơ… 2.4 Phân loại ứng dụng thiết bị cô đặc dùng phƣơng pháp nhiệt Theo cấu tạo Theo phƣơng thức thực q trình Nhóm 1: dung dịch đối lƣu tự nhiên Cô đặc áp suất thƣờng (thiết bị hở): Nhiệt độ sơi áp suất khơng đổi; (tuần hồn tự nhiên) thường dùng cô đặc dung Thiết bị đặc nhóm đặc dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm định, nhằm đạt suất cực đại thời bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt gian cô đặc ngắn truyền nhiệt Cơ đặc áp suất chân khơng: Nhóm 2: dung dịch đối lƣu cƣỡng Dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất (tuần hồn cƣỡng bức) chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo cặn bay dung môi diễn tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 liên tục m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung Cô đặc nhiều nồi: dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám Mục đích tiết kiệm đốt Số cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử mỏng dụng thứ cho mục đích khác để Thiết bị đặc nhóm cho phép nâng cao hiệu kinh tế dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm Cô đặc liên tục: biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung Cho kết tốt cô đặc gián đoạn Thiết kế thiết bị cô đặc chân không Page dịch thực phẩm nước trái cây, hoa Có thể điều khiển tự động ép chưa có cảm biến đủ tin cậy Trong báo cáo nhóm xin chọn thiết bị đặc nồi liên tục áp suất chân không làm thiết bị nghiên cứu, tính tốn bề dày phận thiết bị: Hình ảnh minh họa thiết bị đặc nồi liên tục áp suất chân không: - Ống nhập liệu, ống tháo liệu - Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt - Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp - Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí khơng ngưnng Thiết kế thiết bị đặc chân khơng Page 3 THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ Thiết Bị Cơ Đặc Chân Khơng Dòng nhập liệu Thơng Số Các Dòng Dòng Hơi thứ Vật Chất Dòng sản phẩm đáy Dòng đốt (bão hòa) Buồng bốc Thơng Số Hình Học Buồng Đốt Đáy Thơng số Năng suất nhập liệu Nồng độ đầu Nồng độ cuối Nhiệt độ Khối lƣợng riêng Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ Chiều cao Đƣờng kính Hình dạng Số ống nhập liệu Chiều cao Đƣờng kính Số ống truyền nhiệt Số ống Tuần Hoàn trung tâm Số ống dẫn nƣớc Hình dạng Hình dạng Số ống tháo liệu Giá trị Đơn vị m3/h 18 wt% 30 wt% 30 oC 1273,25 kg.m-3 0,7011 bar 90 oC 18,36 psi 110 oC 4,76 bar 150 oC 2000 mm 800 mm Trụ ống 1500 mm 600 mm 90 ống ống ống Trụ Nón (2a=60o) ống Nguồn 1 3 3 1 2 1 2 2 2 1- Yêu cầu CN 2- Giả định; 3- Bảng PL2, Tr.212 -(Sách thầy Nguyễn Hữu Hiếu) sổ tay QTTB CƠ SỞ LÝ THUYẾT American Society of Mechanical Engineers (ASME) tổ chức nghề nghiệp giúp thúc đẩy nghệ thuật, khoa học, quy trình kỹ thuật ngành nghề kỹ thuật liên kết ngành khoa học khắp giới thông qua việc thường xuyên giáo dục, đào tạo phát triển nghề nghiệp, "codes" tiêu chuẩn, nghiên cứu, hội thảo xuất ấn phẩm, liên lạc hiệp hội, nỗ lực khác giúp tổ chức vươn xa Vì mà ASME đoàn thể kỹ thuật, tổ chức tiêu chuẩn, tổ chức nghiên cứu phát triển, tổ chức vận động hành lang, nhà cung cấp Thiết kế thiết bị cô đặc chân không Page đào tạo giáo dục, tổ chức phi lợi nhuận Được thành lập đoàn thể kỹ thuật, tập trung vào kỹ thuật khí Bắc Mỹ, ASME ngày tổ chức đa nghề nghiệp tồn cầu ASME có 140,000 thành viên 158 quốc gia giới ASME thành lập vào năm 1880 Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John Edison Sweet Matthias N Forney để đáp ứng lại nhiều thất bại đường ống chịu áp lực nồi Được biết đến cho việc thiết lập "codes" tiêu chuẩn cho thiết bị khí, ASME đạo "tài liệu kỹ thuật vận hành" lớn giới, tổ chức nhiều hội thảo kỹ thuật hàng trăm khóa học phát triển nghề nghiệp hàng năm, bảo trợ cho nhiều chương trình giáo dục vươn xa ASME tổ chức tiêu chuẩn lâu đời Hoa Kỳ Tổ chức phát hành gần 600 "codes" tiêu chuẩn nhiều lĩnh vực kỹ thuật, bu lơng ốc vít, đường ống nước, thang máy, đường ống dẫn hệ thống nhà máy điện thành phần ASME phát triển tiêu chuẩn tự nguyện để nâng cao an toàn, sức khỏe chất lượng sống cộng đồng, tạo điều kiện thuận lợi cho đổi mới, thương mại cạnh tranh ASME phát triển xét duyệt tiêu chuẩn dựa nhu cầu thị trường thơng qua quy trình thống nhất, thỏa thuận cam kết bên liên quan gồm nhà sản xuất, người dùng, quyền bên quan tâm khác Việc xây dựng tiêu chuẩn ASME với xét duyệt theo sau đánh giá dựa liệu có độ tin cậy cao với trí ủy ban tham gia vào quy trình xây dựng tiêu chuẩn Thiết kế thiết bị cô đặc chân không Page 5 TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ 5.1 Buồng đốt 5.1.1 Thân buồng đốt Vật liệu chế tạo Thép 304 dạng (18Cr-8Ni) Chỉ số kỹ thuật: SA-240-S30400 Đường kính thân buồng đốt Di=600mm (  24in) Nhiệt độ thiết kế Ttk=150oC+20oC=170oC=338oF (có bọc cách nhiệt) Dung sai ăn mòn CA=2mm (  0,08in) S=14544psi Tra hàng 43 PL3.23,24, trang 264 – Sách thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu Mối hàn dọc trục Mối hàn vòng (theo ứng suất vòng) ( theo ứng suất dọc) Ứng suất cực đại Hệ số bền mối hàn Ed=0,7 Ev=0,85 Tra PL4, trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 bảng 14.1, trang 141 -hệ số bền mối hàn– Sách thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu P=69,02psi Pn=Pkq=14,7psi Áp suất làm việc Áp suất P>Pn: thân buồng đốt chịu áp suất Áp suất thiết kế Ptk=69,02psi-14,7psi=54,32psi Bề dày tính tốn: Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục): 24in   54,32 psi    P.Ri   tv    0, 06in SEd  0, P 14544 psi  0,  0,  54,32 psi  Do Theo ứng suất dọc (mối hàn vòng): Length Long Seam t 24in   54,32 psi    P.Ri   td    0, 03in 2SEv  0, P 14544 psi  0,85  0,  54,32 psi  Bề dày tối thiểu: t  Max(tv ; td )  C A  0, 06in  0, 08in  0,14in   3,56mm  Chọn bề dày tối thiểu 4mm (0,16in) để tiện cho việc chế tạo Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP): Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục): SEd t 14544 psi  0,  0,16in    134, 67 psi  MAWP v  24in Ri  0, 6t  0,  0,16in  Theo ứng suất dọc (mối hàn vòng): 14544 psi  0,85  0,16in  2SEv t   331, 43 psi  MAWP d  24in Ri  0, 4t  0,  0,16in  Ta có: Min  MAWP v ;  MAWP d   134, 67 psi  Ptk Thỏa điều kiện bền Chọn t=4mm (  0,16in) Thiết kế thiết bị cô đặc chân không Page 5.1.2 Vỉ ống Vật liệu chế tạo Thép 304 dạng (18Cr-8Ni) Chỉ số kỹ thuật: SA-240-S30400 Đường kính thân vĩ ống Di=600mm (  24in) Nhiệt độ thiết kế Ttk=150oC+20oC=170oC=338oF Dung sai ăn mòn CA=2mm (  0,08in) Ứng suất cực đại Hệ số bền mối hàn Áp suất làm việc (Phía đốt) Áp suất ngồi (Phía buồng bốc) S=14544psi Tra hàng 43 PL3.23,24, trang 264 – Sách thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu Phương pháp hàn giáp mối phía có: E=0,65 Tra PL4, trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 bảng 14.1, trang 141 -hệ số bền mối hàn– Sách thiết kế khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu P1=69,02psi P2 =10,17psi P1>Pkq>P2: vĩ ống chịu áp suất P1 Áp suất thiết kế Ptk=69,02psi Bề dày tối thiểu: t  Di 0,13  69, 02 psi  0,13P  C A   24in  SE 14544 psi  0, 65  0, 08in  0,82in   21mm  Chọn bề dày tối thiểu 21mm (0,84in) Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP):  t  SE  0,84in  14544 psi  0, 65 P    89, 082 psi  Ptk  0,13  Di  0,13  24in  Thỏa điều kiện bền Chọn t=21mm (0,84in) 5.2 Buồng bốc 5.2.1 Thân Buồng bốc Vật liệu chế tạo Thép 304 dạng (18Cr-8Ni) Chỉ số kỹ thuật: SA-240-S30400 Đường kính thân buồng bốc Di=800mm (  32in) Chiều cao thân buồng bốc H=2000mm (  80in) Nhiệt độ thiết kế Ttk=150oC+20oC=170oC=338oF Dung sai ăn mòn CA=2mm (  0,08in) Moduls đàn hồi Áp suất làm việc Áp suất ngồi Et=26,772.106 psi Tra PL5, nhóm G, Tr.277, sách Thiết kế khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu P=10,17psi Pn=Pkq=14,7psi P