CHƯƠNG 5: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
2.3.1. Ứng suất cho phép của thép không gỉ, chịu nhiệt, làm việc ở nhiệt độ 205°C÷470°C được xác định theo công thức sau:
205°C ÷470°C được xác định theo công thức sau:
[σk] = σkt
nk.η (N/m2) [XIII.1, trang 355, sổ tay 2]
[σc] = σct
nc.η (N/m2) [XIII.2, trang 355, sổ tay 2]
Trong đó:
η – là hệ số điều chỉ η = 0,9 [sổ tay 2, trang 356]
nk – hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo, nk = 2,6 [sổ tay 2, tr 356].. nc – hệ số an toàn theo giới hạn chảy, nc = 1,5 [sổ tay 2, tr 356].
[σkt] - ứng suất cho phép khi kéo ở nhiệt độ t°C. [σ¿¿kt]¿ - ứng suất cho phép khi chảy ở nhiệt độ t°C. Thay vào công thức trên ta được:
[σkt] = 550.106
2,6 0,9 – 190,3846.106 (N/m2)
[σct] = 220.106
1.5 0,9 – 132.106 (N/m2)
Gọi áp suất bên trong thiết bị là P, ta có: P = Pmt + Pl
Trong đó:
Pl – là áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng.
Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng được xác định theo công thức sau:
Pl = g.Hlỏng.ρl [XIII.10, tr360, sổ tay 2].
Trong đó:
Hlỏng – là chiều cao của cột chất lỏng (m). G – là gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2).
ρl – khối lượng riêng hỗn hợp (kg/m3), được xác định như sau: 1 ρl ¿ xAM ρAM+¿ xAP ρAP+¿ xAA ρAA+¿ xEG ρEG +xPG ρPG
Trong đó: xAM: xAP: xAA: xKG: xPG là khối lượng của hỗn hợp, ta có:
xAM = mAM m = 9588,16844508,361 = 0,4702 xAP = mAP m = 9588,16845787,264 = 0,6035 xAA = mAA m = 9588,1684883,2701 = 0,0921 xAA = mEG m = 9588,16843565,287 = 0,3718 xAA = mPG m = 9588,16843496,28 = 0,3646 →1 ρl= 0,4702 1480 + 0,6035 1530 + 0,0921 880 + 0,3718 1130 + 0,3646 1038 =1,497.10 −3 → ρl = 667,9646 (kg/m3) → Pt = 9,81 . 2,5632 . 667,9646 = 16795,9645 (N/m2) Vậy: P = 106 + 16795,9645 = 1016795,965 (N/m2) P = 1,016795.106
2.3.3. Áp suất thử P0:
Áp suất thử P0 được xác định theo công thức:
P0 = Pth + Pl [XIII.27, tr 366, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó:
+ Pl – Áp suất thủy tĩnh của nước
+ Pth – Áp suất thủy lực, lấy theo bảng [XIII.5, tr 358, Sổ tay QTTB Tập 2]
Pth = 1,25.Pmt = 1,25.106 (N/m2)
Xét Pth = 1,25.106 < Pmt + 0,3 = 1,3.106 (N/m2) Nên ta lấy Pth = 1,3.106 (N/m2)
P0 = 1,3.106 + 0,026356.106 = 1,326356.106 (N/m2)
CHƯƠNG 2. Chiều dày thân nồi
Chiều dày thân nồi được xác định theo công thức sau:
St= DtP
2[σ]ϕ−P+C (m) [XIII.8, tr 360, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó:
+ P – Áp suất bên trong thiết bị (N/m2). + [σ] – Ứng suất cho phép của thép (N/m2).
+ ϕ – Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc.
Tra bảng [XIII.8, tr 362, Sổ tay QTTB Tập 2], ta có: = 0,95
Ta có:
[σ]
P ϕ=
132. 106
1,026356 .106. 0,95=122,1798>50
St= DtP
2[σ]ϕ+C
C – Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn, dung sai về chiều dày (m) C = C1 + C2 + C3 [XIII.17, tr 363, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó:
+ Đại lượng bổ sung do ăn mòn C1 = 1 (mm)
+ Đại lượng bổ sung do hao mòn, chọn C2 = 0 (mm)
+ Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày. Theo bảng [XIII.9, tr 364, Sổ tay QTTB Tập 2], chọn C3 = 0,8 (mm) Vậy: C = 1 + 0 + 0,8 = 1,8 (mm) St=2.1,026356.106 2 .132.106.0,95+1,8 .10 −3 =0,00998 (m) =9,98 (mm)
Chọn theo qui chuẩn, lấy St = 10 (mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức sau:
σ=[Dt+(St−C)].P0 2(St−C)ϕ ≤ σc 1,2 [XIII.26, tr 365, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó: σ=[2+(10.10−3 −1,8 .10−3 )].1,326356 .106 2(10 .10−3 −1,8.10−3 ).0,95 =170,962 .10 6 (N/m2) Xét: σc 1,2= 220.106 1,2 =183,333.10 6 (N/m2) So sánh ta được: σ≤ σc 1,2 , nên chọn St = 10 (mm) là chấp nhận được.
CHƯƠNG 3. Chiều dày đáy và nắp thiết bị
Snap= DtP
3,8[σk].k.ϕh−P. Dt
2hđ+C [XIII.47, tr 385, Sổ tay QTTB Tập 2]
Trong đó:
+ hđ – Chiều cao phần lõi của đáy, hđ = 0,8 (m)
+ h – Hệ số bền của mối hàn hướng tâm.
+ k – Hệ số không thứ nguyên, đối với đáy có lỗ hay không có lỗ được tăng cứng hoàn toàn thì k=1.
Xét
[σ]
P kϕh=132 .106
1,026356 .106,1,0,95=122,1798>30
Vậy ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.
Khi đó Sđ được tính theo công thức sau:
Sđ= DtP 3,8[σk]kϕh . Dt 2hđ+C= 2.1,026356. 106 3,8 .132. 106. 1.0,95. 2 2. 0,5+C = 0,00862 + C
Ta có: Sđ – C = 0,00862(m) = 8,62(mm) < 10(mm). Do vậy đại lượng bổ sung C được tăng thêm 2 (mm) so với giá trị C tính ở trên.
C = (1,8+2).10-3 = 3,8.10-3 (m)
Chiều dày đáy và nắp thiết bị là: Sđ = 8,62 + 3,8 = 12,42 (mm)
Qui chuẩn ta được: Sđ = 14 (mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực bằng công thức sau đây:
σ=[Dt2+2hđ(Sđ−C)].P0
7,6 .k.ϕhhđ(Sđ−C) ≤
σc
1,2 [XIII.49, tr 386, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó:
σ=[22 +2. 0,5.(14.10−3 −1,8.10−3 )].1,326356 .106 7,6 .1 . 0,95. 0,8 .(14. 10−3 −1,8 .10−3 ) = 120,8302.106 (N/m2) Xét: σc 1,2= 220.106 1,2 =183,333.10 6 (N/m2) So sánh ta được: σ≤ σc 1,2 , nên chọn Sđ = 14 (mm) là chấp nhận được. CHƯƠNG 4. Chọn và tính cánh khuấy CHƯƠNG 5. Chọn cánh khuấy
Để tăng vận tốc phản ứng, giúp nước bay hơi nhanh chóng, tăng hiệu quả truyền nhiệt tạo hệ đồng nhất các cấu tử trong hỗn hợp phản ứng, giúp phản ứng xảy ra tốt hơn và tránh sự tạo gel do hiện tượng nhiệt cục bộ ta phải khuấy trộn liên tục hỗn hợp phản ứng. Do nhựa PF tan trong nước có độ nhớt lớn nên ta chọn cánh khuấy mỏ neo, vật liệu làm cánh khuấy là thép cùng loại với nồi Cr18Ni10Fe.
Cánh khuấy mỏ neo có ưu điểm là khuấy trộn đều chất lỏng nhớt, tăng cường quá trình truyền nhiệt, ngăn cản quá trình kết tủa và lắng cặn trên thành, đáy thiết bị. Tạo trạng thái lơ lửng, hòa tan của chất rắn trong môi trường lỏng nhớt.
CHƯƠNG 6. Tính toán cánh khuấy
CHƯƠNG 7. Các kích thước của cánh khuấy
Ta chọn khoảng cách từ đáy hoặc từ thành thiết bị đến cánh khuấy càng bé càng tốt để tăng cường khả năng đảo trộn phần chất lỏng ở sát thành thiết bị.
Gọi :
+ Chiều cao mực chất lỏng, Hlỏng = 2,597(m). + Dt – Đường kính trong nồi phản ứng, Dt = 2(m).
+ d – Đường kính cánh khuấy (m). + hck – Chiều cao cánh khuấy (m).
+ S – Khoảng cách từ đáy nồi đến cánh khuấy (m). + b – Bề rộng cánh khuấy (m).
Với cánh khuấy mỏ neo, ta có các tỉ lệ sau:
H d=1,11 ; Dt d =1,11 ; S d=0,11 ; [Bảng IV.1, tr 618, Sổ tay QTTB Tập 1] hck d =0,44 ; b d=0,066 Đường kính cánh khuấy: d= Dt 1,11= 2 1,11=1.8182 (m) Bề rộng cánh khuấy: b = 0,066.d = 0,066 . 1,8182 = 0,12 (m)
Khoảng cách từ đáy đến cánh khuấy:
S = 0,11d = 0,11 . 1,8182 = 0,2 (m)
Chiều cao cánh khuấy:
hck = 0,44.d = 0,44 . 1,8182 = 0,8 (m)
Do đó, dựa vài bảng [IV.6, tr 625, Sổ tay QTTB Tập 1], ta chọn n = 0,45 vòng/s.
CHƯƠNG 8. Công suất làm việc của cánh khuấy (Nlv)
Để vượt qua trở lực của chất lỏng, công suất tiêu tốn sẽ là: Nlv = k.n3.d5. (W) [IV.2, tr 616, Sổ tay QTTB Tập 1] Trong đó:
+ k – Hệ số không thứ nguyên, có dạng của chuẩn số Eu. Qua thực nghiệm ta có: ξk=Ettk= N n3d5ρ=A. Rek mFrp [IV.2a, tr 616, Sổ tay QTTB Tập 1] Với: A, m và p là những hằng số và được xác định bằng thực nghiệm. Theo bảng [IV.1, tr 618, Sổ tay QTTB Tập 1], ta có:
A = 6,2 ; m = -0,25 ; p = 0
+ Rek – Chuẩn số Raynon, được xác định bằng công thức:
Rek=ρ nd2
μ [6-11, tr 195, Sách Cơ sở QT & TB Tập 1]
– Độ nhớt của chất lỏng, chọn = 1 (Ns/m2) n – Số vòng quay của cánh khuấy (vòng/s) d – Đường kính cánh khuấy (m)
ξk=6,2.(ndμ2ρ)−0,25=6,2n−0,25d−0,5ρ−0,25μ0,25
Thay vào Nlv, ta được:
Nlv = 6,2.0,75n2,75d4,50,25
Do chọn cánh khuấy có tỉ số hình học khác nhau nên công suất làm việc phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh f.
f=(Hd )0,6( Dt
1,11d)1,1(15hck
d )0,3 [IV.9, tr 619, Sổ tay QTTB Tập 1]
=(1,11)0,6(11,,1111dd)1,1(0,44.15)0,3=1,8752
Nlv = f.6,2.n2,75d4,50.750,25
Nlv = 1,8752.6,2.(0,45)2,75.(1,8182)4,5.(1034,4875)0,75.(1)0,25
= 3476,9216 (W)
CHƯƠNG 9. Công suất mở máy
Khi mở máy thì phải có công để thắng lực quán tính và lực ma sát. Vì vậy ta phải có công suất khi mở máy là:
Nc = Ng + Nm [IV.12, tr 622, Sổ tay QTTB Tập 1] Trong đó:
+ Ng – Công suất tiêu tốn để thắng lực quán tính, được xác định bằng công thức sau:
Ng = k..n3.d5[IV.13, tr 622, Sổ tay QTTB Tập 1]
Với: k – Hệ số, với k = 3,87a (a = hck/d) [tr 198, Sách Cơ sở QT & TB Tập 1]
k=3,87hck
d =3,87 .0,44=1,7028
Suy ra: Ng = 1,7028.1034,4875.0,453.1,81825
Ng = 3189,4292 (W)
Nm = Nlv – Công suất tiêu tốn trong quá trình làm việc, công này để thắng lực ma sát.
Vậy: Nc = 3476,9216 + 3189,4292 = 6666,3508 (W)
CHƯƠNG 10. Công suất của động cơ
Nđc=Nc η
Với – Hiệu suất (khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy thường chọn = 0,60,7; ta chọn = 0,65.
Suy ra: Nđc=6666,3508
0,65 =10255,9243 (W) =10,2559 (kW)
Như vậy, chọn động cơ có công suất 11kW.
CHƯƠNG 11. Đường kính trục cánh khuấy
Để tính đường kính trục cánh khuấy, ta áp dụng công thức sau:
dtr=√3 Mx
9,81 (Sổ tay cơ khí)
Trong đó: Mx – Momen xoắn, Mx=
3. 106.Nlvπn πn Mx=3.106.3,4769 0,45π =7378256,735 dtr=√373782569,81,735=90,9414 (mm) Qui chuẩn dtr = 100 (mm) Vậy chọn đường kính trục dtr = 100 (mm)
CHƯƠNG 12. Vỏ bọc gia nhiệt thiết bị phản ứng
Quá trình đa tụ nhựa PF tan trong nước xảy ra khi ở nhiệt độ cao. Do đó cần phải đun nóng bằng chất tải nhiệt hữu cơ Difenyl có nhiệt độ cao, vì vậy phải dùng vỏ bọc để chứa chất tải nhiệt, tránh hiện tượng tổn thất nhiệt ra môi trường. Thông thường vỏ bọc là thép không gỉ loại X18H10T.
Chiều dày vỏ bọc cũng được tính tương tự như với nồi phản ứng.
CHƯƠNG 13. Chiều dày phần hình trụ của vỏ bọc
Chiều dày phần hình trụ của vỏ bọc được tính theo công thức sau:
S= DtP
Trong đó:
+ Dt – Đường kính trong của vỏ bọc, người ta bố trí vỏ bọc cách thân thiết bị là 100 (mm). Nên, ta có:
Dt = 2000 + 2.100 + 2.10 = 2220 (mm)
+ Nhiệt độ cung cấp cho nồi 180230°C thì áp suất hơi bão hòa của hỗn hợp Difenyl là:
P = 0,052.106 (N/m2) [I.271, tr 330, Sổ tay QTTB Tập 1]
+ – Hệ số bền của vỏ thân hình trụ, = 0,95. + [] – Ứng suất cho phép của thép X18H10T.
Tương tự như trên, ta chọn [] = [c] = 132.106 (N/m2).
Xét:
[σ]
P .ϕh=132.106
0,052.106.0,95=2411,5385
> 50 (N/m2)
Do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu ở công thức trên, khi đó:
S= DtP
2[σ]ϕ+C
S=2,22. 0,052.106
2.132.106.0,95+C=0,00046+C (m)
C – Hệ số bổ sung do ăn mòn, hao mòn, dung sai về chiều dày. Với: C = C1 + C2 + C3
Trong đó:
+ Đại lượng bổ sung do ăn mòn C1 = 1.
+ Đại lượng bổ sung do hao mòn C2 = 0.
+ Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, tra bảng [XIII.8, tr 364, Sổ tay QTTB Tập 2], chọn C3 = 0,8.
Vậy: C = 1 + 0 + 0,8 = 1,8 (mm) Do đó: S = 1,8 + 0,46 = 2,26 (mm) Theo qui chuẩn lấy S = 3 (mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực bằng công thức sau:
σ=[Dt+(S−C)].P0
2(S−C)ϕ ≤ σc
1,2
Trong đó: P0 = Pth + Pl [XIII.27, tr 366, Sổ tay QTTB Tập 2]
+ Pl – Áp suất thủy tĩnh của nước.
Pl = l.g.Hl’
Chiều cao của cột chất lỏng với phần thân thiết bị, Hl = 2,047 (m).
Do mực chất lỏng gia nhiệt và làm lạnh thường cao hơn mực chất lỏng trong thân nồi là: 0,3 (m)
Nên chiều cao cột chất lỏng ở phần vỏ bọc là:
Hl'=Hl+0,3=2,047+0,3=2,347 (m)
Pl = 1034,4875.9,81.2,347 = 23819,8502 (N/m2)
Pth – Áp suất thử thủy lực, lấy bảng [XIII.5, tr 358, Sổ tay QTTB Tập 2]
Pth = 1,25.Pmt = 1,25.0,052.106 = 0,065.106 (N/m2) Xét Pth = 0,065.106 < Pmt + 0,3 = (0,052+0,3).106 = 0,352.106 (N/m2)
Nên ta lấy Pth = 0,352.106 (N/m2)
Vậy P0 = 23819,8502 + 352000 = 375819,8502 = 0,3758.106 (N/m2)
σ=[2,220+(3. 10−3−1,8.10−3)].0,3758 .106 2(3.10−3 −1,8. 10−3 ).0,95 =366,1083 .10 6 (N/m2) Xét σc 1,2= 220.106 1,2 =183,333.10 6 (N/m2) So sánh, ta thấy > σc
1,2 . Như vậy chiều dày của thiết bị chưa thỏa mãn điều kiện làm việc nên ta chọn lại chiều dày thiết bị S = 5 (mm)
Khi đó ứng suất thử: σ=[2,220+(5. 10−3−1,8.10−3)]. 0,3758 . 106 2(5.10−3 −1,8. 10−3 ).0,95 =137,41424 .10 6 (N/m2) So sánh, ta được < σc 1,2 . Nên chọn S = 5 (mm) là chấp nhận được.
CHƯƠNG 14. Chiều dày đáy vỏ bọc
Chiều dày đáy vỏ bọc được tính theo công thức sau:
Sđ= Dt.P
3,8 .[σk]k.ϕh−P. Dt
2hđ+C
Trong đó:
+ hđ – Chiều cao phần lồi của đáy.
hđ = 0,25Dt = 0,25.2,22 = 0,555 (m)
+ h – Hệ số bền của mối hàn hướng tâm.
+ k – Hệ số không thứ nguyên, đối với đáy có lỗ hay không có lỗ được tăng cứng hoàn toàn, thì k = 1.
Xét
[σ]
P kϕh=132 .106
0,052.106,1,0,95=2411,5385>30
.
Sđ= DtP 3,8[σk]kϕh. Dt 2hđ+C= 2,22. 0,052. 106 3,8 . 132. 106. 1.0,95. 2,22 2. 0,555+C=0,000485+C (m) Ta có: Sđ – C = 0,000485 (m) = 0,485 (mm) < 10 (mm). Do vậy, đại lượng bổ sung C được tăng thêm 2 (mm) so với giá trị C tính ở trên.
C = (1,8 + 2).10-3 = 3,8.10-3 (m)
Chiều dày đáy và nắp thiết bị là:
Sđ = 0,485 + 3,8 = 4,285 (mm)
Do bề dày của thân vỏ bọc là 5 (mm), nên ta chọn bề dày của đáy và nắp vỏ bọc là 5 (mm).
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức sau đây:
σ=[Dt2 +2hđ(S−C)].P0 7,6 .k.ϕhhđ(S−C) ≤ σc 1,2 Trong đó: σ=[2,222+2.0,555.(5.10−3 −1,8 .10−3 )].0,3758 .106 7,6.1.0,95.0,555 .(5.10−3 −1,8.10−3 ) =144,54247 .106 (N/m2) Xét: σc 1,2= 220.106 1,2 =183,333.10 6 (N/m2) So sánh ta được: σ≤ σc 1,2 , nên chọn Sđ = 5 (mm) là chấp nhận được.
CHƯƠNG 15. Lớp bảo ôn
Để giảm bớt nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, người ta dùng một lớp bảo ôn bằng bông thủy tinh để bọc toàn bộ thân và đáy vỏ bọc.
Giả thiết xem quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt Difenyl ra môi trường là đẳng nhiệt.
Chọn các thông số:
+ Nhiệt độ của không khí là: t2 = 25°C.
+ Nhiệt độ mặt trong của lớp vỏ bọc: tT1.
+ Nhiệt độ mặt ngoài của lớp vỏ bọc: tT2.
+ Nhiệt độ mặt ngoài của lớp cách nhiệt: tT3 = 40°C.
+ Chênh lệch nhiệt độ giữa Difenyl và mặt trong của vỏ bọc là:
t1 = t1 – tT1 = 5°C
Nhiệt tải riêng của quá trình cấp nhiệt từ chất lỏng Difenyl đến tường vỏ bọc là:
q1 = 1.t1 (W/m2) (1)
Nhiệt tải riêng của quá trình dẫn nhiệt qua tường:
q2=Δt1
R [V.2, tr 3, Sổ tay QTTB Tập 2] (2)
Nhiệt tải riêng của quá trình cấp nhiệt từ tường ra môi trường là: q3 = 3.t2 (W/m2)
Vì quá trình truyền nhiệt là đẳng nhiệt nên: q1 = q2 = q3
α1Δt1=Δt1 R =α2Δt2 R= Δt1 α2.Δt2 Trong đó:
+ R – Tổng nhiệt trở của tường. + – Hệ số cấp nhiệt.
Mà: R= δ1 λ1+ δ2 λ2+r1 [V.3, tr 3, Sổ tay QTTB Tập 2] Trong đó: + 1 – Bề dày của lớp vỏ bọc, 1 = 0,005 (m) + 2 – Bề dày của lớp bông thủy tinh.
+ 1 – Hệ số dẫn nhiệt của thép, 1 = 16,3 (W/m.độ) + 2 – Hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh ở 230°C.
2 = 0,0372 (W/m.độ) [Bảng I.126, tr 128, Sổ tay QTTB Tập 1] + r1 – Nhiệt trở lớp cặn bám trên thành vỏ bọc.
r1 = 0,116.10-3 (m2.độ/W) [Bảng V.1, tr 4, Sổ tay QTTB Tập 2]
Tính nhiệt độ chênh lệch:
Ta có: t1 = t1 – tT1
tT1 = t1 – t1 = 235 – 5 = 230°C
+ Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trong lớp vỏ bọc đến mặt ngoài của lớp bảo ôn: