CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
4.7 Tính tốn cơ khí của tháp
4.7.1. Bề dày thân tháp
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng phương pháp hàn giáp mối ( phương pháp hồ quang). Thân tháp được ghép với nhau bằng các mối ghép bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mịn của ethanol đối với thiết bị, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép CT3. Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chỉ cần tính thân chịu áp suất trong.
4.7.2. Áp suất tính tốn:
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính tốn:
tt cl tl đinh
P P h P (N.mm-2) (4-8) Với Pcl: áp suất thủy tĩnh do chất lỏng ở đáy
Chọn áp suất sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an tồn:
Pcl=ρx.g. H=ρxtb+ρxtb ' 2 ⋅g⋅H Pcl=¿96603.29 (N. m-2) (4-9) ⇒Ptt=208815.7 (N.m-2) ≈0,20 8 (N.mm-2) Nhiệt độ tính tốn: Chọn nhiệt độ tính tốn: ttt=tđáy=100 oC
Tra hình 1.2 trang 16, [5] ứng với thép CT3 ta tìm được: [σ]¿
=141 N.mm-2
Đối với rượu, ta cĩ hệ số hiệu chỉnh η=0,95
→[σ]=[σ]¿
.η=141.1=141 N.mm-2
Xác định bề dày thân chịu áp suất trong:
Ta chọn phương pháp chế tạo thân là phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay, hàn giáp mơi 2 bên nên hệ số mối hàn: φh=0,95 (bảng XIII1-8 trang 362, [5])
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách
[σk]=σk
nk=198,076. 106
Ứng suất cho phép giới hạn chảy xác định theo cơng thức XIII.2 và bảng XIII.4, [3] [σc]=σc
nc=136×106 (N/m2)
Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả trên để tính tốn Xét tỉ số: [σ]
Ptt⋅φh=146,154
0,07 ⋅0,95=654,68>25
Do đĩ, bề dày tính tốn của thân theo cơng thức sau:
St'= Dt.Ptt
2.[σ].φh=2.146,15.0,95500.0,07 =0,68 (mm) (cơng thức 5-3 trang 96, [5]) Mà bề dày thực của thân tháp là: St=S’
t+C (mm) (4-10)
Trong đĩ: C=Ca+Cb+Cc+C0 (4-11)
Ca: hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học, phụ thuộc vào tốc độ ăn mịn của chất lỏng.
Chọn tốc độ ăn mịn của rượu là 0,1 mm.năm-1, thiết bị hoạt động trong 20 năm. Do đĩ
Ca=2 mm.
Cb: hệ số bổ sung do bào mịn cơ học, chọn Cb=0 mm.
Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, chọn Cc=0 mm.
Co: hệ số bổ sung qui trịn, chọn Co=1.759mm.
⇒C=Ca+Cb+Cc+C0=3.759 (mm) Suy ra: St=0,13+3,87=4.45 (mm) Kiểm tra độ bền:
St−Ca
Dt =4.45900−2=0,0027<0,1 (thỏa điều kiện) (5-10 trang 97, [5]) Kiểm tra áp suất cho phép trong thân thiết bị: (5-11 trang 97, [5])
[Ptt]=2[σ]φh(St−Ca)
Dt+(St−Ca) =1,106>Ptt (thỏa điều kiện) Kết luận: Bề dày thực của tháp: St=4.45 mm
Bảng 4-8: Các thơng số bề dày tháp
Thơng số Đơn vị Giá trị
Ptt N.mm-2 0,07 ttt = tmaxđáy oC 100 S’ t mm 0,68 C mm 3,759 St mm 4.45 4.7.3. Đáy và nắp thiết bị
Chọn đáy và nắp cĩ dạng là elip tiêu chuẩn, cĩ gờ bằng thép ct3 Đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong:
Hình 4-9: Đáy nắp elip cĩ gờ tiêu chuẩn [2]
Do đáy (nắp) cĩ lỗ làm việc chịu áp suất trong nên:
(4-12) Với k: hệ số khơng thứ nguyên
k=1−Dd
t (XIII.48 trang 385, [2])
d: đường kính lớn nhất ( hay kích thước lớn nhất của lỗ khơng phải hình trịn), của lỗ khơng tăng cứng. Chọn đường kính lỗ ống hơi của đáy và nắp tháp d=100 mm.
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách
→k=1−0,10,9=0,89
Chọn nhiệt độ tính tốn: ttt=tđá y=100oC. Tra bảng XII.5 CT3ta tìm được: [σ]¿
=122 N.mm-2 Đối với rượu, ta cĩ hệ số hiệu chỉnh η=1
→[σ]=[σ]¿
⋅η=122⋅1=122 N.mm-2
Suy ra: [σk]
Ptt ⋅k⋅φh=844.2298>30
Chiều dày tính tốn được xác định theo cơng thức (XIII.47 trang 385, [2]):
S'= Dt. P 3,8.[σk]. k. ϕh⋅
Dt
2.hb (4-13)
Với hb: chiều cao phần lồi của đáy (hb=0,1 m) (XIII.10 trang 384 [2]).
⇒S'=0,0012 mm
Tra bảng XIII.11 trang 384 [2] ta được chiều cao gờ của đái nắp hgờ=0,025 m. Chiều dày thực của đáy được xác định như sau:
S=S'+C (4-14)
C được tính giống như phần xác định bề dày thân: C=2.9998 mm, nên:
Sđáy=S=0,0012+2.998=3 mm Vì S –C<10 mm nên S tăng thêm 2 mm (trang 386, [2]).
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất khí quyển nên ta cĩ thể bỏ qua phần tính tốn cho đáy nắp chịu áp suất ngồi. Để dễ dàng cho việc lắp ráp các bộ phận của tháp chưng cất ta nên chọn bề dày của thân và bề dày của đáy nắp thiết bị như nhau:
Kết luận: bề dày thân thiết bị St=Sđáy=Snắp=5mm Kiểm tra: σ=[Dt2+2.hb.(S−C)]. P0 7,6.k .ϕh.hb.(S−C) ≤ [σ] 1,2(XIII.51 trang 387, [2]) ⇔[0,52+2.0,1.(6−3,95).10−3].0,07 .106 7,6.0,75.0,95 .0,1.(6−3,95).10−3 ≤122.106 1,2 ⇔15,79.106≤101,6.106
Vậy thỏa điều kiện
4.7.4. Bích ghép thân, đáy và nắp
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. Các loại mặt bích thường sử dụng:
Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn, đúc và rèn). Loại bích này chủ yếu
dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.
Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng
kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn vật liệu.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép X18H10T, cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ.
Hình 4-10: Bích liền ghép thân, đáy, nắp [3]
Ứng với Dt=1000 mm và áp suất tính tốn Ptt=0,07 N.mm−2 dựa vào bảng XIII.27 trang 417, [2] ta chọn bích cĩ các thơng số sau:
Bảng 4-9: Thơng số bích ghép thân, đáy, nắp
Dt D Db Dl D0 h Bu lơng db Z (mm) (cái) 100 0 1140 109 0 106 0 101 3 20 M20 24
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách
Tra bảng IX.5 trang 170, [2] ta chọn khoảng cách giữa hai mặt bích là 2000 mm => số mâm giữa hai mặt bích là 4, số mặt bích ghép thân – đáy – nắp là 6 bích.
Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật đệm quyết định. Đệm làm bằng vật liệu mềm hơn so với vật liệu bích. Khi xiết bu- lơng, đệm bị biến dạng và lắp đầy lên các chỗ gồ ghề trên bề mặt của bích. Vậy để đảm bảo độ kín cho thiết bị ta chọn đệm là đệm cao su cách nhiệt cĩ bề dày là 3 mm.
4.7.5. Đường kính các ống dẫn, thơng số của bích ghép các ống dẫn
Do áp thiết bị làm việc ở áp suất thường nên để tiết kiệm chi phí, ta chọn bích ghép các ống dẫn làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ.
Bảng 4-10: Bích liền khơng cổ ghép ống dẫn với thiết bị [3]
4.7.5.1 Tại vị trí nhập liệu:
Lưu lượng chất lỏng nhập liệu: QF=2200 L.h-1 ¿2.2 m3.h-1
Chọn vận tốc chất lỏng nhập liệu (tự chảy từ bồn cao vị vào mâm nhập liệu):
vF=0,12 m.s-1.
Đường kính nhập liệu:
Dy=dF=√ 4.QF
3600.π .vF=0,08 m
Ta chọn đường kính ống nhập liệu là: dF=0,08 m
Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh=110 mm.
Tra bảng XIII.26 trang 409, [2] để xác định các thơng số của bích ghép ống nhập liệu:
Bảng 4-11: Bảng thơng số bích ghép ống nhập liệu
4.7.5.2 Ống hơi ở đỉnh tháp:
Suất lượng hơi ở đỉnh tháp: gd=1809,793 kg.h-1
Khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp ở tD=78,062oC và yD=0,88, được tính theo cơng thức:
ρh=[46.yD+(1−yD).18].273
22,4.(tD+273) =1.48 kg.m-3 Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Qh=gρhd=1222.59 m3.h-1 Chọn vận tốc hơi ở đỉnh tháp: vh=20 m.s-1 Đường kính ống dẫn hơi: dh=√ 4.Qh 3600.π .vh=√ 4.923,247 3600.π.20=0,132 m
Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: dh=0,150 m
Tra bảng XIII.32 trang 434, [2] ta chọn được chiều dài đoạn ống nối để ghép mặt bích: lh=130 mm.
Các thơng số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp (XIII.26 trang 409, [2])
Dy Dl Dn D Dδ h Bu lơng
db Z
(mm) (cái)
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách Bảng 4-12: Thơng số bích ghép ống hơi ở đỉnh tháp Dy Dn D Dδ Dl h Bu lơng db Z (mm) (cái) 150 159 260 225 202 16 M16 8 4.7.5.3 Ống hồn lưu
Suất lượng hồn lưu:
Ghl=D . MD. R=870.5370 (kg.h-1)
Khối lượng riêng của chất lỏng hồn lưu ở tD=7 8.062oC và xD=0,347 Tra bảng I.2 trang 9, [1] ta được: ρR=766 kg.m-3
Tra bảng I.249 trang 310, [1] ta được: ρN=971,8 kg.m-3
⇒ρhl=(xD
ρR+
1−xD ρN )−1
=786 .48 (kg.m-3) Lưu lượng chất lỏng hồn lưu:
Qhl=Ghl ρhl=1117,042781,859 =1,107 (m3.h-1) Chọn vận tốc chất lỏng hồn lưu. vhl=0.15 m.s-1 Đường kính ống hồn lưu: dhl=√ 4.Qhl 3600.π .vhl=0,05(m)=50mm
Nên chọn đường kính ống hồn lưu: dhl=50mm
Chọn chiều dài đoạn ống nối ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [2]): lhl=100 mm Các thơng số của bích ghép ống hồn lưu (tra bảng XIII.26 trang 409, [2])
Bảng 4-13: Thơng số bích ghép ống hồn lưu
Dy Dl Dn D Dδ h Bu lơng
db Z
(mm) (cái)
50 57 140 110 90 12 M12 4
4.7.5.4 Ống dẫn hơi vào đáy tháp:
Suất lượng hơi vào đáy tháp: g1'=1031,81 kg.h-1
Khối lượng riêng của hơi vào đáy tháp ở tw=92,525 oC và yw=0.266
⇒ρhđ=[46.yw+(1−yw).18].273
22,4.(tw+273) =0 .848(kg.m-3) Lưu lượng hơi ra khỏi tháp:
Qhđ= g1'
ρhđ=1216.042 (m3.h-1) Chọn vận tốc hơi vào đáy tháp: vhđ=25 m.s-1
Đường kính ống dẫn hơi:
dhđ=√ 4.Qhđ
3600.π .vh đ=0.131 (m)
Nên chọn đường kính ống dẫn hơi: dhđ=0,150 m
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [2]): lhđ=130 mm Các thơng số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp (XIII.26 trang 409, [2])
Bảng 4-14: Thơng số bích ghép ống dẫn hơi vào tháp
Dy Dn D Dδ Dl h Bu lơng
CHƯƠNG 4: Tính tốn thiết kế tháp CBHD: Nguyễn Việt Bách
Dy Dn D Dδ Dl h Bu lơng
(mm) (cái)
150 159 260 225 202 16 M16 8
4.7.5.5 Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp:
Suất lượng chất lỏng vào nồi đun:
GL'=111.4348 (kmol.h-1) =5106,82 (Kg.h-1)
Khối lượng riêng của chất lỏng vào nồi đun với tw=92,525 oC và xL'=0,0155
⇒ρL=962.8865 kg.h-1
Lưu lượng chất lỏng vào nồi đun:
QL=GL
'
ρL=5,303 (m3.h-1)
Chọn vận tốc chất lỏng vào nồi đun (chất lỏng bơm vào nồi đun):
vL=0.1 m.s-1
Đường kính ống dẫn chất lỏng:
dL=√ 4.QL
3600.π .vL=0,14 (m)
Chọn đường kính ống dẫn: dL=150 m
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [2]): lL=130 mm
Các thơng số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp (XIII.26, trang 409, [2]):
Bảng 4-15: Thơng số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp
Dy Dn D Dδ Dl h Bu lơng
db Z
(mm) (cái)
150 159 260 225 202 16 M16 8
4.7.5.6 Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy)
Suất lượng sản phẩm đáy:
Gw=W . Mw=1260,123 (kg.h-1)
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy tw=92,525 oC và xw=0.033 Xem hỗn hợp sản phẩm đáy chỉ là nước
⇒ρw=971,8 kg.m-3 (bảng I.5 trang 11, [1]) Lưu lượng sản phẩm đáy:
Qw=Gw ρw=1260,123971,8 =1,297 (m3.h-1) Chọn vận tốc dịng sản phẩm đáy (chất lỏng tự chảy): vw=0,1 m.s-1 Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy: dw=√ 4.Qw 3600.π .vw=√ 4.1,297 3600.π.0,1=0,07 (m) Chọn đường kính ống dẫn: dw=0,07 m
Chiều dài ống nối để ghép mặt bích (XIII.32 trang 434, [2]): lW=110 mm Các thơng số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy (XIII.26, trang 409, [2]):
Bảng 4-16: Thơng số bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy
`Dy Dl Dn D Dδ h Bu lơng
db Z
(mm) (cái)
70 76 160 130 110 14 M12 4