Tính kích thước thiết bị cơ đặc

Chương 4 : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ

1. Thiết bị chính

1.2 Tính kích thước thiết bị cơ đặc

1.2.1 Tính kích thước buồng bốc 1.2.1.1 Đường kính buồng bốc (Db)

Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc Vh = Wρ

h = 3600800x0.3743 = 0.5937 (m3/s) (4.25)

Trong đó:

 W – Suất lượng hơi thứ (kg/h)

 ρh = 0.3743 kg/m3- Khối lượng riêng của hơi nước ở áp suất buồng bốc p0 = 0,6275 at (trang 314, [9])

wh = 4п.D.Vh

b

2 = 4.п. Db0.59372 = 0.7559Db2 (m/s) (4.26)

Trong đó: Db – Đường kính buồng bốc (m) Tốc độ lắng (trang 276, [7]):

ⱳ0 = √4.g.¿¿¿ (4.27)

Trong đó:

 ρ' – Khối lượng riêng của giọt lỏng ở ts dm (p0) = 86.5. Tra bảng I.249 (trang 311, [9]): ρ' = 967.61 (kg/m3)

 ρ” – Khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc p0 = 0.6275 at. Tra bảng I.250 (trang 312, [9]): ρ” = 0.374 (kg/m3)

 d – Đường kính giọt lỏng; chọn d = 0.0003 m (trang 276, [7])  ξ – Hệ số trở lực 0.2 < Re < 500 => ξ = 18.5ℜ0.6 (trang 276, [7]) Re = ⱳh.d vh = ⱳh.d. ρ} over {{μ} rsub {h}¿ (4.28) Trong đó:  v - Độ nhớt động học của hơi thứ

 μh – Độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất p0. Tra hình VI – Độ nhớt tuyệt đối của các chất khí (trang 56, [11]): μh = 0.012 x 10-3 Pa.s

Từ (4.26) và (4.28) => Re = 0.7759D x0.0003x0.374 b 2x0.012x10−3 = 7.255D b 2 => ξ = 18.5ℜ0.6 = 5.664 x Db1.2 (4.29)

Từ (4.27) và (4.29) => ⱳ0 = √4x9.81x(967.61−0.374)x0.0003 3x5.664x0.374 = 1.34Db0.6 (4.30) Ta có: ⱳh < (0,7 ÷ 0,8) ⱳ0 (trang 276, [7]). Chọn ⱳh < 0.8 ⱳ0 Từ (4.26) và (4.30) => 0.7559D b 2 < 0.8 x 1.34D b 0.6 (4.31)

=> Db > 0.779 m. Chọn Db = 1m theo tiêu chuẩn (trang 277, [7])

1.2.1.2 Chiều cao buồng bốc Hb

Cường độ bốc hơi trung bình: Tra hình 5.6 (trang 277, [7]) tại áp suất hơi thứ p0 = 0,6275 at

ω' = f (ρ, Db, ωh) = 6960 (m3/m3.h) Thể tích buồng bốc:

Vb = ρ . ω'W ¿ = 0.375800.6960 = 0.307 m3 (4.32)

Chiều cao buồng bốc: Hb = Vh п. Db2 4 = 0.307п.12 4 = 0.39m (4.33)

Nhằm mục đích an tồn, ta chọn Hb = 2m (theo điều kiện cho q trình sơi sủi bọt)

1.2.2 Tính kích thước buồng đốt1.2.2.1 Số ống truyền nhiệt 1.2.2.1 Số ống truyền nhiệt

Số ống truyền nhiệt được tính theo cơng thức III – 49 (trang 134, [12]):

n = п.d.lF

Trong đó:

 F (m2) – Diện tích bề mặt truyền nhiệt  l = 1.5m – Chiều dài ống truyền nhiệt

 d (m) – Đường kính ống truyền nhiệt. Chọn ống có kích thước d25/29mm.

Lấy d theo đường kính trong hoặc ngồi ứng với phía có hệ số tỏa nhiệt nhỏ hơn (trang 134, [12]). Vì α2 < α1 nên d = dt = 25mm

Số ống truyền nhiệt là: n = п x0.02511.89x1.5 = 100.93 (4.35)

Theo bảng V.11 – Số ống trong thiết bị truyền nhiệt loại ống chùm (trang 48, [6]), chọn số ống n = 127 và bố trí ống theo hình lục giác đều

1.2.2.2 Đường kính ống tuần hồn trung tâm Dth

Đường kính ống tuần hồn được xác định sao cho tiết diện ngang của nó bằng từ 25 – 35% tổng tiết diện ngang của các ống trao đổi nhiệt:

n . п.dt2 4 = п.dth2 4.φ (4.36) Trong đó:  n – Số ống truyền nhiệt. n = 127

 dt – Đường kính trong của ống truyền nhiệt. dt = 25mm  dth – Đường kính trong của ống tuần hoàn

 φ = 0.25 – 0.35. Chọn φ = 0.3

 127 x п x0.0254 2 = 4п.dthx0.32 => dth = 0.154m (4.37)

Chọn Dth = 273mm theo tiêu chuẩn (trang 274, [7]) Ta có: Dth

1.2.2.3 Đường kính buồng đốt

Đường kính trong của buồng đốt, theo công thức III.52 (trang 134, [12]): Dt = √4 п. n.t 2.sinα Ψ +(dnth+2t2) (4.38) Trong đó:  t – Bước ống (m)

t = β . dn với β = 1.3 ÷ 1.5; dn – Đường kính ngồi ống truyền nhiệt, dn = 0.029m Chọn β = 1.4 => t = 1.4 x 0.029 = 0.0406m (4.39)

 n – Số ống truyền nhiệt, n = 127  α = 600C – Góc tam giác đều

 Ψ = 0.7 ÷ 0.9 – Hệ số sử dụng vỉ ống. Chọn Ψ = 0.8  dn th – Đường kính ngồi của ống tuần hồn (m).

dn th = dth + 2d với d = 0.002 – Bề dày ống truyền nhiệt

=> dn th = 0.273 + 2 x 0.002 = 0.277m (4.40) => Dt =√4 п.127x0.0406 2xsin600 0.8 +(0.277+2x0.04062)= 0.754m (4.41)

Chọn Dt = 800mm theo tiêu chuẩn (trang 275, [7]).

1.2.2.4 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 127 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác như sau (trang 48, [6]):

Bảng 4. Phân bố ống truyền nhiệt

Số hình lục giác 6

Số ống trên đường xuyên tâm 13

Số ống trong các hình viên phân

Dãy I 0

Dãy II 0

Dãy III 0

Tổng số ống trong tất cả các viên phân 0

Tổng số ống của thiết bị 127

Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt:

D = t . (b – 1) + 4dn (m) (trang 49, [6]) (4.42)

Trong đó:

 t = 0.0406m – bước ống

 dn = 0.029m – Đường kính ngồi ống truyền nhiệt  b – Số ống trên đường chéo của hình lục giác

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm. Điều kiện thay thế:

Số ống trên đường chéo của lục giác đều bọc chùm ống lắp trong ruột rỗng: m' = Dth−4dn

t + 1 = 0.273−40.0406x0.029 + 1 = 5 (trang 72, [13]) (4.43)

Số ống có thể lắp đầy cho ruột rỗng:

n’ = 34 . (m’2 – 1) + 1 = 34 . (52 – 1) + 1 = 19 ống (trang 72, [13]) (4.44)

Số ống truyền nhiệt còn lại: n = Σn – n’ = 127 - 19 = 108 ống (4.45)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này: F’ = (n . dt + Dth) . п . H

= (108 x 0.025 + 0.273) x п x 1.5 = 14.01 m2 > 11.89 m2 (thỏa) (4.46)

1.2.3 Tính kích thước các ống dẫn

Đường kính các ống dẫn, theo công thức VI.42 (trang 74, [6]): d = √4Vs

пω =√ 4G

пω ρ (m) (4.47) Trong đó:

 Vs – Lưu lượng khí (hơi) hoặc dung dịch chảy trong ống (m3/s)  ω – Tốc độ thích hợp của khí (hơi) hoặc dung dịch đi trong ống (m/s)  G – Lưu lượng khối lượng của lưu chất (kg/s)

 ρ – Khối lượng riêng của lưu chất (kg/ m3)

1.2.3.1 Ống nhập liệu

 Gđ = 1000 kg/h

 Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch nước cam 5% ở 88.190C). Chọn ω = 1.5m/s (trang 74, [6])  ρ = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2] = 1428.5 – 454.9 x 0.95 + 0.231 x 88.19 = 1106.717 (kg/m3) (4.48) => dnl = √ 4G пω ρ =√ 4x1000 3600x пx1.5x1106.717 = 0.0146 (m) (4.49) 1.2.3.2 Ống tháo liệu  Gc = 200 kg/h

 Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch nước cam 25% ở 90.230C). Chọn ω = 1m/s (trang 74, [6])

 ρ = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2]

= 1428.5 – 454.9 x 0.75 + 0.231 x 90.23 = 1108.168 (kg/m3) (4.50)

=> dtl = √ 4G

пω ρ =√ 4x200

3600x пx1x1108.168 = 0.00799 (m) (4.51)

1.2.3.3 Ống dẫn hơi đốt

 D = 0.286 kg/s

 Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 4at. Chọn ω = 20m/s (trang 74, [6])  ρ = 2.12 (kg/m3) (trang 315, [9]) => dD = √ 4G пω ρ =√ 4x0.286 пx20x2.12 = 0.0927 (m) (4.52) 1.2.3.4 Ống dẫn hơi thứ  W = 800kg/h

 Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 0.6275at. Chọn ω = 20m/s (trang 74, [6])  ρ = 0.3743 (kg/m3) (trang 315, [9]) => dht = √ 4G пω ρ =√ 4x800 3600x пx20x0.3743 = 0.194 (m) (4.53) 1.2.3.5 Ống dẫn nước ngưng  Chọn Gn = 1/3 D

 Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hòa ở 4at, chọn ω = 0.75m/s (trang 74, [6])  ρ = 923.67 (trang 311, [9]) => dn = √ 4G пω ρ =√ 4x0.286 3x пx0.75x923.67 = 0.0132 (m) (4.54) 1.2.3.6 Ống dẫn khí khơng ngưng Chọn dkn = dn Bảng 5. Đường kính các ống Loại ống Đường kính tính tốn (mm) Đường kính trong (mm) Đường kính ngồi (mm) Nhập liệu 15 20 25

Tháo liệu 8 20 25 Hơi đốt 93 150 159 Hơi thứ 194 200 219 Nước ngưng 13 20 25 Khí khơng ngưng 13 20 25 Ống tuần hồn 154 250 273

1.3 Tính cơ khí cho các chi tiết thiết bị cơ đặc 1.3.1 Tính cho buồng đốt

1.3.1.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng đốt có đường kính trong Dt = 0.8m, chiều cao Ht = 1.5mm

 Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, dẫn nước ngưng, xả khí khơng ngưng  Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.3.1.2 Tính tốn

Bề dày tối thiểu S’

Hơi đốt là hơi nước bão hịa có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là :

pm = pD – pa = 4 – 1 = 3at = 0.2943 (N/mm2) (4.55)

Lấy áp suất tính tốn bằng áp suất làm việc, ta có: pt = pm = 0.2943 (N/mm2) Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 142.90C, vậy nhiệt độ tính tốn của buồng đốt là:

ttt = tD + 20 = 142.9 + 20 = 162.90C

(4.56)

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt =162.90C là [ϭ]* = 115N/mm2 (hình 1.2) (trang 16, [13])

Vì buồng đốt có bọc lớp cách nhiệt nên chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.95 (trang 17, [13]) Ứng suất cho phép của vật liệu, theo công thức 1.9 (trang 17, [13]:

[ϭ] =[ϭ]* . η = 115 x 0.95 = 109.25 (N/mm2) (4.57)

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2.05 x 105 (N/mm2) (tra bảng 1.12) (trang 34, [13])

Xét

[σ]φ

pt = 109.250.2943x0.95 = 352.66 > 25

(4.58)

Theo công thức 5.3 (trang 96, [13]): S’ = pt.Dt

2.[σ].φ = 2x0.2943109.25xx8000.95 = 1.13mm

(4.59) Trong đó:

 φ = 0.95 – Hệ số bền của mối hàn (bảng 1.8, hàn một phía) (trang 19, [13])  Dt = 800 mm – Đường kính trong của buồng đốt

 pt = 0.2943 (N/mm2) – Áp suất tính tốn của buồng đốt Bề dày thực S

Dt = 800mm => Smin = 3mm (bảng 5.1) (trang 94, [13]) S’ < Smin . Chọn S’ = Smin = 3mm

Chọn hệ số ăn mịn hóa học là Ca = 1

Vật liệu được xem như là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0.22mm (theo bảng VIII.9) (trang 364, [6])

C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0.22 = 1.22mm (trang 98, [13]) (4.60) Bề dày thực là: S = S’ + C = 3 + 1.22 = 4.22mm (trang 98, [13]) (4.61) Chọn S = 5mm

Kiểm tra bề dày buồng đốt:

Theo công thức 5.10 (trang 97, [13]):

S−Ca

Dt = 5−1800 = 0.005 < 0.1 (thỏa) (4.62)

Áp suất tính tốn cho phép trong buồng đốt, theo cơng thức 6.11 (trang 97, [13]): [p] = 2.[σ].φ .(S−Ca)

Dt+(S−Ca) = 2x109.25800+(5−1)x0.95x(5−1) = 1.033 > pt = 0.2943 (N/mm2) (4.63)

Vậy bề dày buồng đốt là 5mm Đường kính ngồi của buồng đốt:

Dn = Dt + 2S = 800 + 2 x 5 = 810mm (4.64)

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép khơng cần tăng cứng, theo công thức 8.2 (trang 162, [13]): dmax = 0.37x√3Dt.(S−Ca).(1−k) (mm) (4.65)

Trong đó:

 Dt = 800mm – Đường kính trong của buồng đốt  S = 5mm – Bề dày của buồng đốt

 Ca = 1 – Hệ số dư do ăn mòn  k – Hệ số bền của lỗ

k = (2.3[σ]−ptpt. D).t(S−Ca) = (2.3x109.25−0.29430.2943x800)x(5−1) = 0.2345 (trang 163, [13]) (4.66) => dmax = 0.37.√3800.(5−1).(1−0.2345) = 4.99 (mm) (4.67) So sánh: Ống dẫn hới đốt Dt = 150mm > dmax Ống xả nước ngưng Dt = 20mm > dmax Ống xả khí khơng ngưng Dt = 20mm > dmax

=> Cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào, ống xả nước ngưng và ống xả khí khơng ngưng. Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân 5mm.

1.3.2 Tính cho buồng bốc1.3.2.1 Sơ lược về cấu tạo 1.3.2.1 Sơ lược về cấu tạo

 Buồng bốc có đường kính Db = 1000mm, chiều cao Hb = 2000m

 Thân có 4 lỗ, gồm ống nhập liệu, ống thơng áp, cửa sửa chữa và kính quan sát  Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt

 Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt

1.3.1.2 Tính tốn

Bề dày tối thiểu S’:

Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân khơng nên chịu áp lực từ bên ngồi. Vì áp suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0.6275at nên buồng bốc chịu áp suất ngoài là:

pn = pm = 2pa – p0 = 2 x 1 – 0.6275 = 1.3725at = 0.1346 (N/mm2) (4.68)

ttt = 86.5 + 20 = 106.50C (4.69)

(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)

Chọn hệ số bền nhiệt mối hàn φh = 0.95 (bảng 1.8, hàn một phía) (trang 19, [13])

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là [σ]* = 122 (N/mm2) (hình 1.2) (trang 16, [13])

Vì buồng bốc có bọc lớp cách nhiệt nên chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0.95 (trang 17, [13]) Ứng suất cho phép của vật liệu là:

[σ] = η . [σ] * = 0.95 x 122 = 115.9 (N/mm2) (4.70)

Module đàn hồi của vật liệu ở ttt là E = 2.05 x 105 (N/mm2) (tra bảng 1.12) (trang 34, [13])

Chọn hệ số an toàn khi chảy là nc = 1.65 (bảng 1.6) (trang 14, [13]) Ứng suất chảy của vật liệu là:

σ' = [σ] * . nc = 122 x 1.65 = 201.3 (N/mm2) (4.71)

Khối lượng riêng của dung dịch nước cam 25% ở ts dd (ptb) là: ρdd = 1428.5 – 454.9Xw + 0.231T [2] = 1428.5 – 454.9 x 0.75 + 0.231 x 89 = 1107.88 (kg/m3) (4.72) Áp sụng công thức 5.14 (trang 98, [13]): S’ = 1.18 D ( pn E DL)0.4 = 1.18 x 1000 ( 0.1346 2.05x105 2000 1000)0.4 = 5.24mm (4.73) Trong đó:

 Db = 1000mm – Đường kính trong buồng bốc

 L = 2000mm – Chiều dài tính tốn của thân, khoảng cách giữa hai mặt bích Bề dày thực S:

Db = 800mm => Smin = 3mm < 5.24mm => Chọn S’ = 5.24mm Chọn hệ số ăn mịn hóa học là Ca = 1mm

Vật liệu được xem như là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0.5mm (theo bảng VIII.9) (trang 364, [6]) Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0.5 = 1.5mm (trang 98, [13]) (4.74) Bề dày thực là: S = S’ + C = 5.24 + 1.5 = 6.74mm (trang 98, [13]) (4.75) Chọn S = 7mm

Kiểm tra bề dày buồng bốc:

L

D = 20001000 = 2

(4.76)

Kiểm tra công thức 5.15 (trang 99 [13]): 1.5 √2.(S−Ca) Dt ≤ DL t ≤√ Dt 2.(S−Ca)  1.5 √2.(7−1) 1000 ≤ 2≤√ 1000 2.(7−1)  0.16 ≤ 2 ≤ 9.13 (thỏa) (4.77)

L Dt≥0.3 Ect σct . √[2(S−Ca) Dt ]3  2 ≥ 0.3 2.05201.3x105 . √[2(7−1) 1000 ]3  2.5 ≥ 0.4 (thỏa) (4.78)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:

So sánh pn với áp suất tính tốn cho phép trong thiết bị [pn] theo 5.19 (trang 99, [13]): [pn] = 0.649 . Et . Dt L . (S−Ca Dt )2 . √S−Ca Dt ≥ pn  0.649 x 2.05 x 105 x 10002000. (7−1 1000)2 . √7−1 1000 ≥ 0.1346  0.19 ≥ 0.1346 (thỏa) (4.79)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục: Xét L = 2000mm ≤ 5D = 5 x 1000 = 5000mm

Lực nén nhiều trục lên buồng bốc: pct = п . (Dt+2S)2

4 . pn = п x (1000+42x7)2 x 0.1346 = 108695.32N (4.80) Theo điều kiện 5.33 (trang 103, [13]):

25 ≤ 2.(S−CD

a) = 2.(7−1)1000 = 83.33 ≤ 250 (4.81) => qc = 0.082 (tra bảng) (trang 103, [13])

=> Kc = 875 . σct

Et . qc = 875 x 2.05201.3x105x0.082 = 0.07 (trang 103, [13]) (4.82) Điều kiện thỏa mãn độ ổn định của thân:

S – Ca ≥ √ pct п. Kc.Et  7 – 1 ≥ √ 108695.32

пx0.07x2.05x105

 6 ≥ 1.55 (thỏa) (4.83) Ứng suất nén, theo công thức 5.48 (trang 107, [13]):

σn = п.(Dt+pSct)(S+Ca) = п x(1000+108695.327)(7+1) = 4.29 (N/mm2) (4.84) Ứng suất nén cho phép, theo công thức 5.31 (trang 103, [13]):

[σn] = Kc . Et . S−Ca

Dt = 0.07 x 2.05 x 105 x 10007−1 = 86.1 (N/mm2) (4.85)

Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng dồng thời của áp suất ngoài và lực nén chiều trục

Kiểm tra điều kiện 5.47 (trang 107, [13]):

σn

[σn]+

pn

[pn]≤1

 4.2986.1 + 0.13460.19 = 0.758 ≤1 (thỏa) (4.86) Vậy bề dày buống bốc là 7mm

=> Đường kính ngồi của buồng bốc:

Dn = Dt + 2S = 800 + 2 x 7 = 814mm (4.87)

Tính bền cho các lỗ:

Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng, theo công thức 8.2 (trang 162, [13]): dmax = 0.37.√3 Dt.(S−Ca).(1−k) (mm) (4.88)

 Dt = 1000mm – Đường kính trong của buồng bốc  S = 7mm – Bề dày của buồng bốc

 Ca = 1 – Hệ số dư do ăn mòn  k – Hệ số bền của lỗ k = (2.3[σ]−ptpt. D).t(S−Ca) = (2.3x86.1−0.13460.1346x1000)x(7−1) = 0.113 (trang 163, [13]) (4.89) => dmax = 0.37.3 √1000.(7−1).(1−0.113) = 6.46 (mm) (4.90) So sánh: Ống nhập liệu Dt = 20mm > dmax Cửa sửa chữa Dt = 500mm > dmax Kính quan sát Dt = 200mm > dmax

=> Cần tăng cứng cho ống nhập liệu, cửa sửa chữa và kính quan sát. Chọn bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân 7mm

1.3.3 Tính cho đáy thiết bị1.3.3.1 Sơ lược về cấu tạo 1.3.3.1 Sơ lược về cấu tạo

 Chọn đáy nón tiêu chuẩn Dt = 800mm

 Đáy nón có phần gờ cao 40mm và góc ở đáy là 2α = 600

o Tra bảng XIII.21 (trang 394, [6]):

o Chiều cao của đáy nón (khơng kể phần gờ) là H = 725mm

o Thể tích của đáy nón là Vđ = 0.161m3

 Đáy nón được khoan một lỗ để tháo liệu và một lỗ để gắn vòi thử sản phẩm  Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T

1.3.3.2 Tính tốn

Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc Tổng thể tích của ống truyền nhiệt và ống tuần hồn trung tâm: