Thơng số Giá trị Tra cứu
Nhiệt độ tính tốn ttt = 57,30C Trang 9, [5]
Áp suất tính tốn ptt= 0,1 N/mm2 Bảng 1-1, trang 10, [5]
Hệ số bền mối hàn φh = 0,95 Tra bảng 1-8, trang 19, [5]
Thời hạn sử dụng thiết bị 15 năm
Bề dày thực của thiết bị Stt = 4mm 5-9, trang 97, [5]
Hệ số hiệu chỉnh η = 1, vì mơi trường là nước. Bề mặt đáy và nắp cần thỏa mãn điều kiện:
�−��
��� =4−1500 = 0,006 ≤ 0,125(6-10, trang 126, [5]). Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép, [p]:
p =2. σ .φh. S−Ca
Rt+ S−Ca =2.(127,3N/mm500mm+ 4−1 mm2).0,95 . 4−1 mm = 1,44N/mm2 (6-10, trang 126, [5]).
Kết luận:
[p] > [ptt], nên bề dày nắp (đáy): S = 4 mm.
Chiều sâu bên trong của phần Elip: ht= 0,25 . Dt= 0,25 . 500 = 125 mm. Chiều cao gờ: h = 25 mm (bảng XIII.10, trang 382, [2]).
Diện tích bề mặt trong của nắp (đáy): Ft= 0,31 m2.
Khối lượng của nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]).
Đường kính phơi của nắp (đáy) elip: D’= Dt= 500mm (bảng XIII.12, trang 385, [2]). Thể tích của nắp (đáy): Vn= 0,0115 m3 .
4.1.3. Bích ghép thân và nắp (đáy)
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Chọn bích ghép thân, nắp (đáy) là loại bích phẳng hàn làm bằng thép INOX 304. Ứng suất cho phép của bích tại 57,3oC: [σ]bi = 127,3 N/mm2(bảng 2-9, trang 29, [5]).
Hình 4.2 Bích ghép thân.Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy). Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy). Bu lơng làm bằng thép CT3.
Thơng số của bích được chọn theo bảng XIII.27, trang 417, [2]. Bảng 4.2.3. Kích thước bích ghép thân và đáy (nắp) thiết bị ngưng tụ.
Đường kính thiết bị Dt Đường kính ngồi mặt bích D Đường kính vịng bulong Db Đường kính gờ mặt bích D1 Đường kính đến vành trong đệm Do Chiều dày mặt bích h Bulong db Z (mm) (cái) 500 630 580 550 511 20 M20 20
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật liệu đệm quyết định. Đệm được làm bằng vật liệu mềm dễ biến dạng, khi siết bu lông đệm bị biến dạng và điền đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt bích. Chọn đệm Paronit có bề dày 3 mm.
Bề rộng thực của vòng đệm:b = D1−D0
bo= 0,8 x b = 0,8 x 19,5 = 15,6 mm. Đường kính trung bình của vịng đệm: Dtb =D1+D0
2 =550+5112 = 530,5 mm. Hệ số áp suất riêng: m = 2 (tra bảng 7-4, trang 156, [5]).
Áp suất riêng phần cần thiết để biến dạng vòng đệm: qo= 11 N/mm2(tra bảng 7-4, trang 156, [5]).
Lực cần thiết để ép chặt vòng đệm (7-11, trang 155, [5]):
Q2 = π. Dtb. bo. qo = π. (530,5mm). (15,6mm). (11N/mm2) = 285991,1 N.
Lực nén chiều trục sinh do siết bu lông (7-10, trang 155, [5]):
Q1 = π4. Dt2. ptt + (π. Dtb. bo. m. ptt) =
= π4 . (500mm)2. (0,1N/mm2) + π. (530,5mm). (15,6mm). (2 . (0,1N/mm2) = = 24834,8 N/mm2.
Lực tác dụng lên một bu lông (7-14, trang 157, [5]):
Qb =QZ =max Q1, Q2Z =285991,1N20 = 14299,6 N.
Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông [σ] (tra bảng 7-7, trang 158, [5]): Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lông tại 57,30C:[σ]b = 89,2 N/mm2. Hệ số giảm ứng suất với db= 20 là ko= 0,8 (trang 157, [5]).
Ứng suất cho phép của vật liệu làm bu lơng:
[σ]b' = ko× [σ]b = 0,8 × 89,2 = 71,36 N/mm2.
Ta thấy[σ]b' < [σ]bi thỏa điền kiện.
l =Db − D12 =580 − 5502 = 15 mm.
Momen uốn tại tiết diện AB:
M = Q. l = (285991,1N). (15mm) = 4289866,5 N. mm.
Monmen chống uốn tại tiết diện AB:
W =π. D61. h2 =π. (550mm). (20mm)6 2 = 115191,7 mm3.
Ứng suất tại tiết diện AB (7-7, trang 154, [5]):
[σ]AB=MQ = 6. Q. l
π. D1. h2 =6. (285991,1N). (15mm)
π. (550mm). (20mm)2 = 37,2 N/mm2.
Mối hàn thuộc loại hàn chồng (ngang).
Hình 4.3.Mối hàn ngang.Kiểm tra ứng suất uốn mối hàn bích với thân thiết bị: Kiểm tra ứng suất uốn mối hàn bích với thân thiết bị:
[σ]u =WM
u =0,7.δ.l6.M
n
2 (trang 154, [5]). với:δ= S: bề dày thiết bị, mm.
ln: chiều dài mối hàn (chu vi thiết bị), mm.
Ứng suất cắt mối hàn:
τ = 2.0,7.δ.lQ
n =2.0,7.(4mm).(1596mm)(285991,1N) = 32 N/mm2 (trang 154, [5]). Ứng suất tương đương của mối hàn:
[σ]td = σu2 + τ2 = (3,6N/mm2)2+ (32 N/mm2)2 = 32,2 N/mm2 (7-8, trang 154, [5]).
[σ]td ≤ 0,8. [σ] = 0,8.σBm .
Với:σB = 490 MPa: giới hạn bềnởnhiệtđộlàm việcđối với thép CT3.
m = (4÷5): hệ số an tồn bền. Chọn m=4.
→ [σ] = 0,8.490. 1034N/mm2 = 98000 N/mm2.
Vậy[σ]td ≤ 0,8. [σ]thỏa điều kiện.
4.2.4. Đường kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn
Ống dẫn thường được nối với thiết bị bằng mối ghép tháo được hoặc không tháo được. Trong thiết bị này, ta sử dụng mối ghép tháo được. Đối với mối ghép tháo được, người ta làm đoạn ống nối là đoạn ống ngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn; loại có mặt bích thường dùng với ống có Dy > 10 mm; loại ren chủ yếu dùng với ống có Dy ≤ 10 mm, đơi khi có thể dùng với ống cóDy ≤32 mm (trang 434, [2]).
Chọn ống dẫn và bích được làm bằng thép khơng gỉ INOX 304, cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ.
4.2.5. Ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ dòng nước vào thiết bị ngưng tụ là 30oC. Khối lượng riêng của nước tại 30oC: ρn= 995 kg/m3. Lượng nước cần dùng Gn1= 25000 kg/h.
Đường kính trong của ống:
Dy(nv) = 3600. ρ4. Gn1
n. π. vn =
4. (25000kg/h)
3600. (995kg/m3) × π × (1m/s) = 0,094 m = 94 mm.
Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 100 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).
4.2.6. Ống dẫn nước ra thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ dòng nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ là 40oC. Khối lượng riêng của nước tại 40oC: ρn= 992 kg/m3. Lượng nước cần dùng Gn= 25000 kg/h.
Chọn vận tốc nước trong ống dẫn: vn= 1,0 m/s. Đường kính trong của ống:
Dy(nr) = 3600. ρ4. Gn1
n. π. vn =
4. (25000kg/h)
3600. (992kg/m3) × π × (1,0m/s) = 0,094m = 94 mm.
Kết luận:Chọn ống có đường kính trong 100 mm, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).
4.2.7. Ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị
Nhiệt độ lỏng ngưng ra khỏi thiết bị ngưng tụ là 57,3oC.
Bảng khối lượng riêng (Tra bảng I.2, trang 9, [1]).
Thông số
Nhiệt độ ρAceton (kg/m
3) ρnước(kg/m3)
1 ρhh= xD ρAceton+ 1 − xD ρnước = 0,98 (749kg/m3)+ 0,02 (984,2kg/m3). → ρhh = 752,6 kg/m3. Chọn vận tốc nước trong ống dẫn: vn= 0,1 m/s. Q1: lưu lượng thể tích dịng lỏng, m3/s. Q1 =GD. Rρhhth+ 1 =(1041,6kg/h). 0,66 + 1 (752,6kg/m3). 3600 = 6,38. 10−4m3/s. Đường kính trong ống: Dy(lr) = 4. Q1π. v n = 4. (6,38. 10π. (0,1m/s)−4m3/s)= 0,090 m.
Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 100 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).
4.2.8. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ dòng hơi vào thiết bị ngưng tụ là 57,30C. Chọn vận tốc dòng hơi: vh= 25 m/s.
Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi tính theo phương trình khí lí tưởng:
ρhh =P. MRT =D (0,082 m3(1atm) × (56kg/kmol). atm/kmol. K) × 57,3 + 273 K = 2,068 kg/m3.
Qh: lưu lượng thể tích dịng hơi (m3/s).
Qh =GD. Rρhhth + 1 =(1041,6kg/h). 0,66 + 1
(2,068kg/m3). 3600 = 0,23m3/s.
Dy(hv) = 4. Qπ. vh
n = 4. (0,23mπ. (25m/s) = 0,108 m.3/s)
Kết luận: Chọn ống có đường kính trong 125 mm, bích theo chuẩn, chiều dài đoạn ống nối là 120 mm (tra bảng XIII.32, trang 434, [2]).
4.2.9. Bích ghép các ống dẫn
Thơng số của bích được chọn theo (tra bảng XIII.26, trang 409, [2]). Bảng 4.1.4. Kích thước bích ghép các ống dẫn. Ống Dy Dn D Dδ D1 h Bulong db Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 M16 8 4.2.10. Vỉ ống
Chọn vỉ ống hình trịn phẳng và vật liệu làm ống là thép CT3, bố trí theo hình tam giác đều.
Đường kính vỉ ống bằng đường kính trong của thiết bị: D = Dt= 500 mm. Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt: dng= 25 mm.
Bề dày tối thiểu của vỉ ống (8-51, trang 182, [5]).
Vậy chọn bề dày thực của vỉ ống là 20 mm.
4.2.11. Vách ngăn lưu chất phía vỏ
Để tạo chuyển động cắt ngang qua đường ống, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt, chống rung động cho các ống và đỡ các ống khỏi bị cong xuống người ta lắp các tấm ngăn hình vành khăn, viền khăn hay đĩa.
Ở đây ta chọn 1 tấm ngăn hình viên phân, INOX 304.
Tấm ngăn hình viên phân được cắt một khoản h = 25% Dngăn. Các lỗ trên tấm ngăn thường có đường kính lớn hơn đường kính ống chừng 1mm.
Hình 4.4. Ngăn hình viên phân.Các thơng số kích thước (Tra bảng 1.2, 1.3 trang 22, [6]) ta được: Các thơng số kích thước (Tra bảng 1.2, 1.3 trang 22, [6]) ta được: Đường kính vách ngăn: Dngăn= 497 mm.
Bề dày tối thiểu của vách ngăn: 8 mm.
4.2.12. Bố trí tấm ngăn phía ống ở đáy (nắp)
Tấm ngăn nhằm tạo pass (chặng) cho lưu chất phía ống. Chúng có thể bố trí kiểu rẽ quạt, đồng tâm hay cát tuyết.
Chọn cách bố trí song song cho các tấm ngăn ở nắp, sử dụng tấm hình elip dày 10mm bằng INOX 304.
4.2.13. Tính tốn trở lực
4.2.13.1. Tổn thất do ma sát
∆pms = ρ. λ.L.ωtt2
Trong đó: ρ - khối lượng riêng của nước tại 350C là 993,5 J/kg.
ωtt- vận tốc dòng nước đi trong ống là 0,24 m/s.
L - chiều dài một ống truyền nhiệt nhân với số chặn 3 . 4 = 12 m. dtr- đường kính trong ống truyền nhiệt 0,020 m.
λ - hệ số ma sát của dòng nước vào thành ống. Ta có:
���
� =20��0,1 = 200với �-độnhám tuyệtđối (bảng II.15, trang 381, [1]).
Khu vực chảy quá độ Regh< Re < Renvới ���
� = 200 (nội suy bảng II.14, trang 379, [1]). Ta được: λ = 0,036. ∆pms = (993,5kg/m3). 0,036.12m. (0,24m/s)(0,02m). 2 2 = 618 N/m2. 4.2.13.2 Tổn thất trở lực cục bộ ∆pcb = ξ ×ρ×ωtt2 2 (II.56, trang 377, [1]). ξ = ξ1+ ξ2 + 3ξ3 + 3ξ4 + ξ5.
Trong đó (Tra bảng II.6, trang 382, [1]):
ξ1: là trở lực do đột mở cửa vào, ξ1= 0,25 vớiF0
F =100200 = 0,5 (bảng No11, trang 387, [1]). ξ2: là trở lực do đột thu khi nước đi từ nắp vào chùm ống, ξ2= 0,47 vớiF0
F =20020 = 0,1 (nội suy bảng No13, trang 388, [1]).
ξ3: là trở lực đột mở khi nước từ ống chùm đi ra khoang nắp, ξ3= 0,943 với F0
F =60020 = 0,03(nội suy bảng No12, trang 387, [1]).
ξ4: là trở lực đột thu khi nước đi từ khoang nắp vào chùm ống, ξ4= 0,493 vớiF0
F =60020 = 0,03(nội suy bảng No13, trang 388, [1]).
ξ5: là trở lực đột mở khi nước đi từ chùm ống ra nắp, ξ4= 0,81 với F0F =20020 = 0,1 (nội suy bảng No12, trang 387, [1]).
ξ6: là trở lực đột thu cửa ra, ξ6= 0,30 vớiF0
F =100200= 0,5 (bảng No13, trang 388, [1]). ξ7: là trở lực do đối chiếu 1800giữa các lối, ξ6= 2,5
� = �1+ �2 + 3�3+ 3�4+ �5 + �6 + �7 =
= 0,25 + 0,47 + 3.0,943 + 3.0,493 + 0,81 + 0,3 + 2,5 = 8,638.
Vậy tổng trở lực cục bộ là:
∆pcb = ξ .ρ × ω2 tt2 = 8,638 ×(993,5kg/m32). (0,24m/s)2 = 247,2 N/m2.
4.2.14. Chân đỡ
4.2.14.1. Tính tốn sơ bộ khối lượng thiết bị
Bảng 4.2.6. Thơng số cơ tồn thiết bị.
Đối tượng Vật liệu h (mm) Dt(mm) Dn(mm) Z
Thân thiết bị INOX 304 4 500 508 1
Nắp (đáy) INOX 304 4 500 508 1x2
Bích ghép nắp (đáy) INOX 304 20 630 1x2
Bu lơng ghép bích CT3 M20 20x2
Ống truyền nhiệt INOX 304 2,5 20 25 91 Ống Dy Dn D Dδ D1 h l Bulong db Z mm cái Ống nước vào 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống nước ra 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống lỏng ngưng 100 108 230 190 162 14 120 M20 8 Ống hơi vào 125 133 245 210 188 14 120 M16 8
Khối lượng riêng của thép không gỉ INOX 304: ρ304= 7930 kg/m3. Khối lượng riêng của thép CT3: ρCT3= 7850 kg/m3.
Khối lượng của 1 nắp (đáy): mn= 10 kg (bảng XIII.11, trang 384, [2]). Khối lượng của 1 chặn ở nắp (đáy):
mcn =π2 .Dt(nắp)2 . L. h. ρ304 =π2 .(0,5m)2 . (0,140m). (0,01m). (7930kg/m3) = = 4,4 kg.
Khối lượng 1 bích ghép thân và nắp (đáy):
mbích =π4 . D2− Dn2 . h. ρ304 =
mthân =π4. Dn2 − Dt2 . l. ρ304 =
=π4. (0,508m)2 − (0,500m)2 . (3m). (7930kg/m3) = 150,7 kg.
Khối lượng 1 vỉ ống:
mvỉ=π4 . D2. h. ρCT3 =π4 . (0,630m)2. (0,02m). (7850kg/m3) = 48,9 kg.
Khối lượng của 1 chặn ở vỏ thiết bị:
mcv =34.π4. (Dngăn2 − 91. Dng2 ). h. ρ304 =
=34.π4. [(0,497m)2− 91. (0,025m)2). (0,008m). (7930kg/m3) = = 7,1 kg.
Khối lượng của chùm ống truyền nhiệt:
mống = n.π4. dng2 − dtr2 . l. ρ304 =
= 91.π4 . (0,025m)2 − (0,020m)2 . (3m). (7930kg/m3) = 382,6 kg.
Khối lượng của ống dẫn nước vào và bích ghép:
m1 = π4. Dn2 − Dy2 . l. ρ304 + π4. D2− Dn2 . h. ρ304
= π4. 0,108m)2 − (0,100m)2 . (0,120m). (7930kg/m3) +
+ π4. (0,230m)2− (0,108m)2 . (0,014m). (7930kg/m3) = 4,8 kg. Khối lượng của ống dẫn nước ra và bích ghép:
Khối lượng của ống dẫn lỏng ngưng ra khỏi thiết bị và bích ghép:
m3 = m1 = 4,8 kg.
Khối lượng của ống dẫn hơi vào thiết bị và bích ghép:
m4 = π4. Dn2 − Dy2 . l. ρ304 + π4. D2− Dn2 . h. ρ304 =
= π4. 0,133m)2 − (0,125m)2 . (0,120m). (7930kg/m3) +
+ π4. (0,245m)2− (0,133m)2 . (0,014m). (7930kg/m3) = 5,2 kg. Khối lượng của 1 bộ bu lông M20:
mM20 = 0,259 kg.
Khối lượng của 1 bộ bu lông M16:
mM16 = 0,125 kg.
Vậy khối lượng của toàn thiết bị ngưng tụ là:
m = 2mnắp+ 3mcn+ 2mbích+ mthân+ mcv+ 2mvỉ+ mống+ 3m1+ m4+ 64mM20+ 8mM16 = = 2. (10 kg) + 3. (4,4 kg) + 2. (17,3 kg) + (150,7kg) + (7,1kg) + 2. (48,9kg) + +(382,6kg) + 3. (4,8kg) + (5,2kg) + 64. (0,259kg) + 8. (0,125kg) = 743,2 kg.
4.2.14.2. Chọn chân đỡ (tai treo)
Thiết bị gồm có 2 chân đỡ, được chế tạo bằng phương pháp hàn, các tấm chân đỡ được hàn vào nhau, vật liệu là thép CT3.
Hình 4.5. Chân đỡ.Trọng lượng của toàn thiết bị là: Trọng lượng của toàn thiết bị là:
Ptb = m. g = (743,2kg). (9,81m/s2) = 7291N = 7,3 kN < 35kN.
Ta lựa chọn kích thước chân đỡ cho thiết bị có đường kính 0,5m và trọng lượng 7,3kN. Bảng 4.2.5. Thơng số kích thước chân đỡ.
Đường kính thiết bị V Y C E J G t2 t1 mm 500 430 150 450 205 80 95 16 16
Khoảng cách giữa 2 chân đỡ được tính theo sơ đồ hình 8.24a, trang 196, [5].
Khối lượng riêng của vật liệu làm thân và khối lượng riêng của môi trường chứa trong thiết bị lần lượt là: ρ304= 7930 kg/m3và ρn= 1000 kg/m3.
Chiều dài nắp (đáy) khi chứa đầy môi trường trong thiết bị:
Ln = g. mn+ Vn. g. ρn
0,785. g. ρ304 × Dn2 − Dt2 + ρn. Dt2 =
= (9,81m/s2). (10kg) + (0,0115m3). (9,81m/s2). (1000kg/m3)
= 0,087 m = 87 mm.
Chiều dài thân trụ, Lt= 3000 mm
Chiều dài thiết bị có hai đáy giống nhau: L = Lt+ 2Ln= 3000 + 2.87 = 3174 mm. Khoảng cách giữa hai chân đỡ, l:
l = 1 − 2. 0,207 . L = 1 − 2. 0,207 . 3174mm = 1860 mm.
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ5.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 5.1. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị dạng ống lồng ống, dịng nhập liệu đi vào khơng gian của ống 1 (ống trong), còn dòng sản phẩm đáy vào không gian giữa ống 1 và ống 2 (ống ngoài).
Ống truyền nhiệt được làm băng thép INOX 304 có các thơng số sau: Ống 1:
Thơng số Giá trị.
Đường kính ngồi của ống dng1= 38 mm = 0,038 m.
Đường kính trong của ống dtr1= 34 mm = 0,034 m.
Bề dày thành ống δ = 2 mm = 0,002 m.
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC ). Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh đi vào ống tD2v= 57,3oC. Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh ra khỏi ống tD2r= 40oC.