Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phân xưởng sản xuất Axetylen tập trung trình bày các vấn đề cơ bản về tính chất của nguyên liệu và sản phẩm; các phương pháp sản xuất vinyl clorua;... Hy vọng tài liệu là nguồn thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu của các bạn.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Phần I: Tổng quan lý thuyết Chương I Tính chất của ngun liệu và sản phẩm A. Tính chất của ngun liệu I. Một số tính chất chung của Axetylen Ta thấy điều kiện thường Axetylen là một chất khí khơng màu, khơng độc dạng tinh khiết, nó có mùi ete yếu và có khả năng gây mê, Axetylen ở dạng ngun chất có vị hơi ngọt 1. Một số tính chất của Axetylen: Trọng lượng riêng: (00C, P = 760mmHg) d= 1,17Kg/m3 Trọng lượng phân tử: M =26,02kg/Kmol Nhiệt dung riêng phân tử: Nhiệt độ ngưng tụ: Chi phí = 0,402 KJ/kg 38,80C Nhiệt độ tới hạn: 35,50C áp suất tới hạn: 6,04MaP Nhiệt độ thăng hoa: 21,59KJ/mol Nhiệt hố hơi: 15,21 KJ/mol Tỉ trọng: 0,686 Ngồi ra Axetylen còn tan mạnh trong các dung mơi hữu cơ, Axetylen cũng có thể tan trong nước. Độ chọn lọc của Axetylen trong các dung mơi khác nhau, do đó rất quan trọng trong q trình tinh chế cũng như trong q trình bảo quản Axetylen. Khí cháy Axetylen toả ra một lượng nhiệt rất lớn và khả năng sinh nhiệt của Axetylen là 13,307 KCal/m3, giới hạn nổ của Axetylen xảy ra trong cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định ở SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp nhiệt độ 00C và 1 at axetylen tạo với khơng khí hỗn hợp nổ trong giới hạn từ 23% 81% thể tích và giới hạn nổ với oxy là 2,8% thể tích, độ nguy hiểm về nổ của Axetylen càng tăng do sự phân rã của nó thành những chất đơn giản C2H2 2C + H2 Đây là phản ứng phân huỷ của để tạo thành C và H 2 sự phân rã này xảy ra khơng có oxy nhưng có những chất kích hoạt tương ứng (tia lửa, do ma sát, đốt cháy…) Có thể nói Axetylen rất dễ dàng tạo hỗn hợp nổ với Clo và Plo và nhất là khi đưới tác dụng của ánh sáng. Do vậy để giảm bớt khả năng nổ của Axetylen, khi vận chuyển người ta pha thêm một lượng khí trơ hydrơ, amơniac vào Bên cạnh đó Axetylen còn có một tính năng quan trọng khác là khả năng hồ tan tốt trong nhiều chất lỏng hữu cơ và vơ cơ xét về độ hồ tan thì độ hồ tan của Axetylen là tương đối cao trong các dung mơi có cực. Trong một thể tích nước có thể hồ tan 0,37 thể tích Axetylen Nhưng độ hồ tan của Axetylen có thể giảm trong dung dịch muối ăn và Ca(OH)2. Do vậy chúng ta có thể kết luận rằng nồng độ hồ tan của Axetylen rất có ý nghĩa trong việc điều chế và tách ra khỏi hỗn hợp khí 2. Tính chất hố học Axetylen là một hydrơ các bua khơng no, nó có liên kết ba trong phân tử do đó có khả năng hoạt động hố học cao. Liên kết ba phân tử Axetylen được tạo thành do liên kết và liên kết khi tham gia phản ứng hố học. Các liên kết ba trong phân tử sẽ bị phá vỡ và tạo thành liên kết đơi hoặc các hợp chất bão hồ, khi đó Axetylen có khả năng tham gia vào các phản ứng như: phản ứng thế, phản ứng trùng hợp, kết hợp. Vì vậy từ Axêtylen ta có SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp thể thấy rằng Axetylen có thể tổng hợp được các sản phẩm khác nhau và có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cơng nghiệp và đời sống a. Phản ứng thế Ngun tử H của Axetylen do thể hiện tính Axit nên nó có khả năng tham gia các phản ứng thế với các kim loại kiềm như: Cu, Ag, Ni, Hg, Co, Zn… tạo thành Axetylenit kim loại rất dễ nổ: 2Me + C2H2 Me2C2 + H2 (Me: Kim loại kiềm) HC CH + Na HC CH +2Cu NaC CNa + H2 Cu C C Cu +H2 Khi Axetylen tác dụng với Axit của kim loại kiềm và kiềm thổ trong Amôniac lỏng HC CH + MeNH3 MeC CH + NH3 b. Phản ứng cộng hợp Phản ứng cộng với Hydrô được tiến hành trên xúc tác Pd áp suất 1at và 250 3000C HC CH + H2 CH2 =CH2, H = 41,7 KCal/md Pd Phản ứng cộng H2 với xúc tác Ni và nhiệt độ HC CH + H2 + Ni f0 CH3 CH3 Phản ứng cộng với nước khi đó xúc tác HgSO 4 75 1000C tạo Axetaldehyt HC CH+H2O Ag2 + CH3 CHO, H = 38,8 KCal/mol Khi Có Oxit kẽm và oxit sắt 3600C 4800C Axetylen tác dụng với hơi nước để tạo thành Axeton 2HC CH + H2O CH3 CHO + CO2 + 2H2 ZnO SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Trong đó Axetylen còn có thể tác dụng được với rượu điều kiện nhiệt độ 1600 1800C và áp suất p = 4 20at có xúc tác của KOH để tạo thành Vinylete CH = CH + ROH CH2 = CHO R KOH Axetylen tác dụng được với H2S ở điều kiện nhiệt độ 1200C HC CH + H2S CH2 = CH - SH C2H5OH Vinyl mercaptan Etylen mercaptan + c 2h h 2c h 5c s c h = c h + c 2h 5sh ch2 S h 5c s(c 2h 2)2 c 2h Etylen dietyle Sulfit Khi Axetylen tác dụng với mercaptan có xúc tác KOH tạo ra Vinylclo ete: HC CH + RSH CH2 = CH SR Khi Axetylen tác dụng với CO và H2 (Cacbonyl hố) với xúc tác là Ni(CO)4 tạo ra axit acrylic HC CH + CO + H2O CH2 = CH COOH Cộng với muối halogen tạo hợp chất có đồng phân Cis, trans H HC c h + h gc l H C=C Cl H HCl Cis HgCl C= C Cl Trans H Cộng với Hglogen SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hoá Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội HC CH + Br2 Đồ án tốt nghiệp CHBr = CHBr + Br2 CHBr2 CHBr2 Ta thấy khi cộng với Cl2 trong pha khí thì phản ứng xảy ra mảnh liệt dễ gây nổ, phải tiến hành pha lỏng có xúc tác antimoin triclorua SbCl3 + Cl2 SbCl5 CH CH + 2SbCl5 CHCl2 = CHCl2 +2SbCl3 Ngồi ra Axetylen còn phản ứng cộng với nhiều axit vơ cơ và hữu cơ để tạo thành các vinyl có giá trị trong cơng nghiệp Phản ứng cộng với HCl, phản ứng trong pha hơi ở 150 0 1800C lò xúc tác HgCl2 than hoạt tính, còn trong pha lỏng dùng xúc tác CuCl 2 để thu được VC HC CH + HCl CH2 = CH Cl Phản ứng cộng với H2SO4 để tạo thành Vinyl sunfua HC CH + H2SO4 CH2 = CH O SO3H ở nhiệt độ 800C có CuCl2 và NH4Cl làm xúc tác Axetylen tác dụng với HCN tạo thành ảcy lonitril: HC CH + HCN CH2 =CHCN Tác dụng với Axit Axetic 180 2000C pha hơi có xúc tác là Axetat Zn trên than hoạt tính hoặc Cd trên than hoạt tính hoặc Hg trên than hoạt tính tạo ra Vinyl Axetat Axetylen tác dụng với rượu CH CH + C2H5OH CH = CHOCOCH3 o ch = ch OH+ Axetylen tác dụng với Axit Amin SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hoá Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp HC CH + RCO NH2 RCO NH CH = CH2 c. Phản ứng trùng hợp của Axetylen Phản ứng polime hố trong mơi trường HCl tạo thành Vinyl axetylen 2HC CH Xt,800 C H2C = CH C CH nhiệt độ 6000C trên than hoạt tính Axetylen trùng hợp tạo thành Benzen 3HC CH C6H6 3. Các phương pháp điều chế Axetylen Trong cơng nghiệp Axetylen chủ yếu được sản xuất từ hai nguồn ngun liệu chính là cácbua canxi và hyđrơ cácbon (ở dạng rắn, lỏng và khí). Hiện nay ở Mỹ và các nước Châu Âu khác sản xuất Axetylen từ hydrơ cácbon, còn Italia, Nhật Bản, Nam Phi, ấn Độ sản xuất Axetylen từ cacbua canxi so với nhiều nước trên thế giới ở Việt Nam chúng ta do điều kiện thuận lợi sẵn có cả cácbua canxi và hydro cacbon nên rất dễ dàng cho việc sản xuất Axetylen từ hai nguồn ngun liệu trên a. Sản xuất Axetylen từ cacbuacanxi Phản ứng chính của q trình: CaO + 3C 6000 C CaC2 + CO Nhìn chung chỉ có khoảng 70 80% Canxi cacbua tham gia phản ứng vì vậy trong sản phẩm ln chứa từ 12 15% CaO Tác dụng với nước và Cacbua Canxi để tạo ra Axetylen và vơi tốt: CaC2 + H2O C2H2 + CaO Ta thấy nhiệt toả ra khi phân huỷ cacbua Canxi kỹ là tổng nhiệt của phản ứng tác dụng của cacbua canxi với nước và tác dụng vơi với nước CaO + H2O Ca(OH)2 SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Khi sử dụng cácbon trong q trình này có thể là cốc hoặc ngun liệu sử dụng thường có lẫn các tạp chất như MgO, hợp chất S, P, Al, Fe… do dó sẽ xảy ra các phản ứng phụ MgO +3C MgC2 + CO Ca3(PO4)2 + 8C Ca3P2 + 8CO Do trong phản ứng có lẫn nhiều tạp chất mà bản thân các tạp chất này khó tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng, do đó nếu muốn tách ra thì chúng ta chỉ có thể tách một phần do việc loại xỉ. Chính vì vậy mà Axetylen tạo thành ln có lẫn một lượng hợp chất như: PH 3, NH3, SiH2, CH4, H2, CO2 và CO… Do đó Axetylen tạo ra ln phải qua giai đoạn làm sạch. Có thể dùng andehyt eromic trên đất nung hoặc dùng nước Javen để làm sạch. Sau đó Axetylen thành phẩm được rửa bằng kiểm để trung hồ Axit và sấy khơ bằng H2SO4 hoặc CaCl2 Từ CH4: 2CH4 400 6000 C Ni C2H2 + 3H2 Oxi hoá metan: 4CH4 + O2 15000 C 2C2H2 + 2CO2 + 4H2 Ta thấy Axetylen sản xuất theo phương pháp Canxi Cacbua thì chi phí năng lượng điện tiêu tốn lớn, vốn đầu tư cao nên ngày nay Axetylen chủ yếu được sản xuất theo phương pháp nhiệt phân hydrơ các bon và q trình sản xuất theo phương pháp nhiệt phân hydrơ cácbon. Và q trình xảy ra một giai đoạn cho phép tổng hợp Axetylen khi sản xuất ra lại sạch hơn b. Sản xuất Axetylen từ Hyđrơ cacbon Nhìn chung trước chiến tranh thế giới thứ hai để sản xuất Axetylen người ta chủ yếu dùng ngun liệu là CaC2. Nhưng trong thời gian gần đây tính từ những năm 50 trở đi thì Axetylen chủ yếu được sản xuất từ hydrơ cacbon. Với mục đích nhằm xác định các điều kiện biến đổi của hydrơ SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cácbon parafin thành Axetylen… và cũng trong thời gian này nhờ sự phát triển của Cracking nhiệt và nhiệt phân hydro cacbon để sản xuất olêfin do đó các nhà nghiên cứu đã tích luỹ được kinh nghiệm cả về lý thuyết lẫn thực tế để cho phép phát triển và thiết kế các thiết bị sản xuất Axetylen: trong công nghệ này hydro cacbon bị nhiệt phân ở nhiệt độ cao (tới 1100 15000C) trong điều kiện đoạn nhiệt độ và thời gian phản ứng rất ngắn (từ 0,005 0,02 giây). Sau đó sản phẩm được nhanh chóng làm lạnh để hạ nhiệt độ xuống nhằm hạn chế các phản ứng phân huỷ Axetylen. Q trình phân huỷ hydro cácbon thành Axetylen bao gồm các phản ứng thuận nghịch sau, với ngun liệu là hydrơ cacbon nhẹ như CH4 và C2H6 2CH4 ﾃ C2H2 + 3H2; H0298 = 87,97 KCal/mol C2H6 ﾃ C2H2 + 2H2; H0298 = 71,7 KCal/mol Các phản ứng này đều là phản ứng thu nhiệt và điển hình là phản ứng tăng thể tích, cân bằng của chúng chỉ dịch chuyển về phải khi nhiệt độ khoảng 100 3000C (hình 1) Hình 1: Đường cong độ chuyển hố cân bằng của metan và etan thành Axetylen ở 0,1 Mpa SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên trong thực tế với mục đích tăng vận tốc phản ứng thì cần một nhiệt độ lớn hơn từ 1500 16000C đối với CH4 và 12000C đối với Hydrơ cacbon lỏng, khi nhiệt phân parafin, phản ứng tạo thành Axetylen có chế chuỗi gốc trong chuỗi chuyển hố CH4 và C2H6 có thể được trình bày sau: - 2c h 2H 2c h -2H c h ch3 ch3 h2 2*CH ch2= ch2 h2 CH CH Nhìn chung trong các khí thu được ngồi những parafin vào olêfin phân tử thấp còn một lượng nhỏ benzen nhóm Axetylen metylaxetylen (CH3 C CH3)… Tuy chế biến Axetylen bằng phương pháp này là khá phức tạp do xảy ra nhiều phản ứng phụ mà chủ yếu là phân huỷ C2H2 thành C và H2, phản ứng này mãnh liệt nhất ở 10000C và đạt tốc độ lớn ở 1200 16000C nghĩa là khi đạt nhiệt độ yêu cầu để có được C2H2, kết quả quan sát những hệ phản ứng liên tiếp, trong Axetylen tạo thành bị phân huỷ thành H2 và C (muội than) 2CH 3H C2 H 2C +H Ngồi ra trong q trình còn xảy ra những phản ứng khơng mong muốn cũng tạo muội như phản ứng CH4 C + 2H2 2C2 H C2H6 2H C2 H 2C + 2H 2C + 3H2 Cũng như nhiều trường hợp khác, việc điều chỉnh hiệu suất sản phẩm trung gian có thể đạt được nhờ sự giảm mức độ chuyển hoá hydro SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hoá Dầu K8 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cacbon ban đầu bằng cách giảm thời gian phản ứng. Do hiệu suất Axetylen cao nhất khi sự cố hố xảy ra với mức độ chuyển hố hyđrơ cacbon ban đầu là 1500C và thời gian lưu trong vùng phản ứng là 0,01 giây và để tránh phân rã tiếp theo của C2H2 cần phải tơi thật nhanh khi phản ứng (phun nước). Khi đó nhiệt độ giảm nhanh đến giá trị mà sự phân rã C2H2 khơng xảy ra Cơ chế của q trình Q trình nhiệt phân hyđrơ cacbon khí hay phân đoạn đầu chúng ta hiểu phần nào cơ cấu biến đổi nhiệt của Hyđrơ cacbon khác nhau trong ngun liệu nhưng chỉ điều kiện nhiệt độ cao vừa phải (từ 700 8000C). Trong khi đó phản ứng tạo thành C2H2 lại tiến hành nhiệt độ cao (trên 10000C) và cơ cấu cũng chưa nghiên cứu cụ thể, vì chưa có một lý thuyết thống nhất tạo thành C2H2. Khi phân huỷ nhiệt hyđrơ cacbon trong khoảng 1100 15000C. Tuy nhiên những nghiên cứu đã cho thấy giả thuyết đi đến sự thay đổi cơ cấu Cracking khi chuyển hố ở nhiệt độ cao là làm chậm đi các phản ứng phát triển mạnh theo cơ cấu gốc tự do và làm tăng tốc độ của quá trình phân huỷ khỉư cấu trúc phân tử. Các phản ứng bậc hai tạo thành sản phẩm ngưng tụ tạo cốc xảy khoảng 900 10000C. Song nhiệt độ cao chúng ta lại thấy phản ứng phân huỷ tạo thành Hyđrơ, muội cácbon và Axetylen. Chẳng hạn khi nghiên cứu sự phân huỷ của Metan trên đây thì cácbon đốt nóng đến 1500 17000C (từ đây các sản phẩm tạo ra nhanh chóng được tách ra khỏi mơi trường phản ứng) ta thấy rằng sản phẩm bậc một của sự biến đổi là etan điều đó phù hợp với cơ cấu được giải thích bởi cơ cấu Kasale như sau: Từ: CH4 [CH2] + H2 [CH2] + CH4 C2H6 SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 10 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp đây ta coi dòng khí trước khi vào thiết bị điều kiện tiêu chuẩn Giả thiết q trình làm việc của thiết bị ở 1200C. Vậy khi đó ta có: Thể tích C2H2 đi qua thiết bị phản ứng Ta có: GC2H2 = 6028,895 (Kg/h) M C2H2 = 26 (Kg/Kmol) P = 1 at T = 3930C (273 + 1200K) M.273.P 26.273.1 7098 = = = 0,806 (Kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 PC2H = VC2H2 = G 6028,895 = = 7480,018 (m3/h) P 0,806 Tương tự ta có thể tích lượng HCl đi qua thiết bị phản ứng PHCl = M.273.P 36,5.273.1 9964,5 = = = 1,132 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 VHCl = G 9492,402 = = 8385,514 (m3/h) P 1,132 Thể tích N2 đi qua thiết bị phản ứng PN = M.273.P 28.273.1 7644 = = = 0,868 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 VN2 = G 293,747 = = 338,418 (m3/h) P 0,868 Thể tích O2 đi qua thiết bị phản ứng PO2 = M.273.P 32.273.1 8736 = = = 0,992 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 VO2 = G 0,6209 = = 0,626 (m3/h) P 0,992 Thể tích H2 đi qua thiết bị phản ứng SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 61 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội PH2 = Đồ án tốt nghiệp M.273.P 2.273.1 546 = = = 0,062 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 VH2 = G 14,634 = = 236,032 (m3/h) P 0,062 Thể tích H2O đi qua thiết bị phản ứng PH2O = M.273.P 18.273.1 4914 = = = 0,558 (kg/m3) 22,4.T.P0 22,4.393.1 8803,2 VH2O = G 4,88 = = 8,745 (m3/h) P 0,558 Như vậy ta có tổng thể tích của hợp khí đi qua thiết bị phản ứng là: VT = VC2H +VHCl +VN +VO2 +VH2 +VH 2O = 7480,018 + 8385,014 + 338,418 + 0,626 + 236,032 + 8,745 = 16448,853 (m3/h) = 4,569 (m3=/s) Vậy thể tích làm việc của thiết bị bằng (0,7 0,8) thể tích thực của thiết bị để có thể đảm bảo chế độ an tồn của thiết bị tránh nở, ta chọn 0,75 như vậy thể tích thiết bị thực là: VT = 16448,853.100 = 21931,804 (m3/h) 75 Vậy ta có thể tích xúc tác: (Vxt) T = Trong đó: VXt φV T: Thời gian phản ứng (s) VXt: Thể tích xúc tác (m3) V : Lưu lượng dòng khí (m3/h) Với T = 0,1 1 Vậy ta chọn T = 0,5 (s) Vxt = V = 21931,084 m3/h = 6,092 (m3/s) Vxt = V. T = 6,092 . 0,5 = 3,046 (m3) Ta có tiết diện ngang của thiết bị phản ứng là: SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 62 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội S= Đồ án tốt nghiệp VT ω.3600 : Tốc độ hơi đi trong thiết bị (m/s): ta chọn = 3 (m/s) Trong đó: VT: 21931,084 (m3/h) Vậy S = 21931,084 = 2,03 (m2) 3.3600 Chiều cao lớp xúc tác H = VXt 3,046 = = 1,5 (m) S 2,03 Ta chọn chiều cao ống HT = 4,8 (m) Ta chọn ống có đường kính D = 57 . 3,7 (mm) 2. Tính số ống của thiết bị S 2,03 = 2 n = �D � �0,057 � = 795 (ống) π � � 3,14� � �2 � � � Vậy ta bố trí số ống trong thiết bị theo hình lục giác, số ống trên chéo qua tâm của hình sau cạnh là b, số ống trên một cạnh của hình lục giác là a, vậy ta có: b = 2a 1 [6 tr49] n = 3a (a 1) + 1 Thay n = 795 ở trên ta được: 795 = 3a (a 1) + 1 = 3a2 3a 795 Giải phương trình ta có: a = 28,226, ta chọn a = 28 b = 2. 28 1 = 55 Như vậy khi qui chuẩn ta có kết quả sau: a = 28 b = 55 Sau khi qui chuẩn ta có: n = 2 .28 (28 1) + 1 = 1513 (ống) SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 63 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp 3. Tính đường kính thiết bị Ta có đường kính thiết bị được tính theo cơng thức sau: D = t(b1) + 4d; m [6tr49] Trong đó: t: bước ống, t = (1,2 1,5)d d: đường kính ngồi của ống: d = 57 + 7 = 64 (mm) Ta lấy t = 1,4 . x = 1,4 . 64 = 89,6 (mm) D = 89,6 (55 1) + 4. 64 = 5094,4 (mm) Chọn qui chuẩn ta có: D = 2,4 (m) Chọn số ngăn thiết bị là: 5 Như vậy ta có kích thước của thiết bị như sau: Đường kính D = 2,4 (m) Chiều cao thân thiết bị: H5 = 4,8 (m) Số ống n =1513 (ống) Bước ống t = 89,6 (mm) Kích thước ống: d . 3 = 57 . 3,5 (mm) 4. Chiều dày thân thiết bị Thân thiết bị hình trụ làm việc ở áp suất khí quản có chiều dày được xác định theo cơng thức: = D t Pt + C(m) 2[ δ] ϕ − ∆ τ (6 tr352) Trong đó: Dt: đường kính trong thiết bị Dt = 2,4 (m) : Hệ số bán hàng của hình trụ theo phương dọc do bàn giáp với hai bên bằng hồ quang điện Với = 0,95 [6 tr352] Pt: áp suất trong thiết bị làm việc ở áp lực khí quyển nên có: SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 64 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Pt = 1. 105 (N/m2) C: Đại lượng bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai âm về chiều dày, m C = C1 + C2 + C3 Với C1: Bổ sung ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu hoặc của mơi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Do vật liệu làm thiết bị là vật liệu bền X18H10T nên C1 = 1mm = 0,001m C2: Bổ sung do hao mòn, do ngun liệu khơng chứa các hạt rắn chuyển động, lớp xúc tác là tỉnh nên có C2 = 0 (m) C3: Bổ sung do dung sai âm của chiều dày, được chọn theo chiều dày C = 0,001 + 0 + C3 (m) T: ứng suất của thành thiết bị Gọi TK là ứng suất cho phép của vật liệu thép X18H10T giới hạn được xác định theo công thức δ [ δ] = ηK n [6 tr356] K Trong đó: : hệ số hiệu chỉnh do thiết bị là loại H nên ta có: n = 4,0 [6 tr356] TK: Giới hạn liền khi K có ở nhiệt độ t0C ta được TK = 550 . 10=6 (N/m2) K : Hệ số an tồn bền: K = 2,6 [ δ] = [6 tr356] 550.10+6 1,0 = 211,538 . 106 (N/m2) 2,6 Mặt khác ta có ứng suất cho phép giới hạn chảy của thép X10H10T xác định theo cơng thức. [6tr355] [ δK ] = ηC η C SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hoá Dầu K8 65 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Trong đó: : Giới hạn chảy ở nhiệt độ T0C [Xem bảng 6 tr309] ta được: C = 220. 106 N/m2 C : Hệ số an tồn theo giới hạn chảy [Xem bảng 6tr309] ta được: C = 1,5, vậy khi đó: C 220.106 = 1,0 = 146,7 . 106 (N/m2) 1,5 [ δK ] Để đảm bảo độ bình ta lấy giá trị nhỏ hơn trong 2 kết quả trên để tính tiếp: Hàn dọc, hàn bằng hồ quang điện, hàn giáp với hai mặt: [6 tr362] Vậy ta có: H = 0,95 δK 146,7.106 Vì: ϕH = 0,95 = 139,65 50 P 1.105 Do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở dưới mẫu số trong cơng thức [6 tr360] Vậy: S = D t P + C 2[ σ] ϕ (m) 2,4.1.105 = 0,001 + C3 (m) S = 2.146,7.106.0,95 = 0,00086 + 0,001 + C3 = 0,00186 + 0,8 . 103 Ta chọn C3 = 0,8 . 103 (m) C3 = 0,0026 , m = 2,6 mm Qui chuẩn ta có: S = 4mm Bây giờ ta kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử bằng nước theo công thức sau: � D t +( S − C) � �P < σt (N/m2) σ= � 2(S −C)ϕ 1,2 SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 66 [6tr365] Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp ở đây P0: áp suất thử tính tốn được xác định theo cơng thức: P0 = Pth + Pt N/m2 [6tr365] Pth: áp suất thuỷ lực lấy theo bảng [6tr388] Trong đó: Ta lấy Pth = 1,5 P (khơng được nhỏ hơn 0,2 . 106 N/m2 Pt: áp suất thuỷ tĩnh của nước, xác định theo cơng thức P = Pt. g . H Với Pt = 1000 kg/m3, g = 9,81 m/s2, h = 3m Pt = 1000. 9,81 . 3 = 29430 N/m3 Thay vào cơng thức ta có: ( ) ( ) � 2,4 + − 0,8.103 � 1,86.1,0.105 + 29430 σ � � σ= = 85,15.10 < 1,2 2(4 − 0,8).103.0,95 220.106 = = 813,33 . 106 = 183,33 . 106 N/m2 1,2 Như vậy ta thấy thoả mãn điều kiện kiểm tra đảm bảo cho thiết bị, vậy thân thiết bị có chiều dày là 4mm 5. Tính đáy và nắp thiết bị Đáyvà nắp tháp cũng được làm từ vật liệu cùng loại với thân tháp ta dùng loại đáy, nắp elíp có gì cho thân hàn Chiều dày S của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong được tính theo cơng thức S = D t P D t + C (m) 3,8[ σK ] K.ϕh − p 2hb [6 tr385] Trong đó: hb: Chiều cao phân tử của đáy, náp, xem bảng [6 tr382) Vậy ta chọn: hb = 550 mm = 0,55 (m) h : Hệ số bền nối hàn hướng tâm (nếu có) xem bảng [6tr382] Ta chọn: h = 0,45 (hàm giám nối hai bên) SV: Nguyễn Hữu Tuấn Hố Dầu K8 67 Thiết kế phân xưởng sản xuất VC Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp K: Hệ số khơng khí ngun, được xác định như sau: K = 1+ d Dt đây Dt: đường kính lớn nhất của lỗ (tức là đường kính lớn nhất của lỗ khơng phải hình tròn) d = 0,15m Vậy tat có: [TK] = 211,5 . 106, N/m2 và TC = 220.106 Từ đó ta tính được K = 1 Vì TK. K. h = 0,15 = 2,25 2,4 211,538.10 0,0625 . 0,95 = 125,6 >> 30 1.10 Do đó đại lượng P ở mẫu số của cơng thức [6tr385] ở trên là có thể bỏ qua. Vậy chiều dày của đáy và nắp được tính như sau: S = D t P D S < ϕh t +C 3,8[ TK ] 2hb 2,4.1.105 2,4 = +C = 0,00077 + C 3,8.211,5.106.0,89.0,95 2.0,55 Vậy đại lượng bổ sung C khi S C = 0,25mm