CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 3.1. Cân bằng vật chất
3.2. Tính toán thiết bị chính
Quy chế thiết bị chính.
• Thiết bị hình trụ, đáy và nắp hình bán cầu.
• Thiết bị chính có lắp bộ phận ngưng tụ trên đỉnh thiết bị, vỏ áo làm mát bên ngoài và cánh khuấy dưới đáy thiết bị.
• Khi thực hiện quá trình trùng hợp, nhiệt độ phản ứng sẽ tang lên rất nhanh do phản ứng Polymer hóa tỏa nhiệt rất mạnh. Lượng nhiệt này sẽ được lấy đi nhờ vỏ áo làm mát và thiệt bị ngưng tụ trên đỉnh.
• Cánh khuấy dưới đáy có tác dụng khuấy trộn đều hỗn hợp phản ứng, tránh hiện tượng nhiệt cục bộ, giúp hỗn hợp phản ứng có nhiệt độ đồng đều.
3.2.1. Tính thể tích của nguyên liệu trong một chu kỳ sản xuất
Thể tích của VCM trong một chu kỳ sản xuất được tính theo công thức sau:
VVCM =
VCM VCM
m ρ
= = 114,6445 (m3)
Để sản xuất được lượng nhựa PVC trong một chu kỳ sản xuất (110.058 kg) thì cần lượng nước:
mH2O = = 119.384,3375 (kg) Thể tích nước cần dùng là
VH2O=
2 2 H O H O
m ρ
== 119,3843 (m3)
Ta có khối lượng riêng các phụ gia thêm vào trong quá trình phản ứng là:
ρCat C= 1140 kg/m3 , ρCat D= 1270 kg/m3 , ρCat E = 1060 kg/m3 ρGran A = 1250 kg/m3 , ρGran B = 1060 kg/m3 , ρStabilizer= 1140 kg/m3
1. Thể tích của các thành phần phụ gia VCat C == = 0,0363 (m3) VCat D == = 0,0144 (m3) VCat E == = 0,1447 (m3) VGran A == = 1,1278 (m3) VGran B == = 0,0762 (m3) VStabilizer == = 0,0234 (m3) 2. Tổng thể tích của nguyên liệu ban đầu
V nl = VVCM + Vnước + V Cat C + V Cat D + V Cat E + V Gran A + V Gran B + V Stabilizer
= 235,4516 (m3)
Tính thể tích của thiết bị phản ứng (Vtb)
Thể tích thiết bị được tính theo công thức sau:
α
nl tb
V = V
Với α là hệ số đầy của thiết bị phản ứng và α ≈ 0,6 – 0,7 Ta chọn α = 0,65
3. Thể tích của thiết bị phản ứng là Vtb == 362,2333 (m3)
3.2.2. Tính chiều cao và đường kính thiết bị phản ứng
Chọn loại thiết bị có thân hình trụ, đáy và nắp có hình dạng bán cầu. Trên nắp thiết bị có gắn thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm, cánh khuấy được gắn phía dưới đáy thiết bị.
1. Ta có công thức tính thể tích của thiết bị như sau:
2 3
* * 2* . *2
2 3 2
tb
D D
V = π ÷ H + π ÷ (1) Với:
D – đường kính của thiết bị (m) H – chiều cao của thân hình trụ (m) h – chiều cao của đáy và nắp thiết bị (m) Ta chọn thiết bị phản ứng có tỷ số
D H
= 1,4 ; h = 2 D
Thay H = 1,4*D vào phương trình (1) ta được
V tb = 3,14* +
4*3,14* 3
3*8 D
= 1,5831*D3
D =
3 1
= 6,1164 (m) Quy chuẩn : D = 6,2 (m)
Suy ra:
Chiều cao của thân thiết bị hình trụ
H = 1,4*D = 1,4* 6,2 = 8,68 (m) 2. Chiều cao phần lồi của nắp và đáy thiết bị
h = == 3,1 (m)
Chiều cao của thiết bị phản ứng là
Htb = H + 2*h = 8,68 + 2*1,55 =11,78 (m)
Với chiều cao và đường kính của thiết bị như trên thì ta khó chế tạo được thiết bị và khó khăn trong quá trình lắp đặt, do đó ta chọn 3 thiết bị phản ứng.
3. Thể tích của mỗi thiết bị phản ứng là Vtb = = 121 (m3)
Đường kính của một thiết bị phản ứng
Dtb =
3 1
= 4,25 (m)
Chiều cao thân hình trụ của thiết bị Ht = 1,4*D = 1,4*4,25 = 5,95 (m) Chiều cao phần lồi của nắp và đáy thiết bị
h = = = 2,125 (m) 3.2.3. Tính chiều dày thiết bị phản ứng
3.2.3.1. Tính chiều dày thân thiết bị
Thiết bị thân hình trụ, các chi tiết được hàn với nhau và làm việc chịu được áp suất cao.
Do đó ta chọn vật liệu là thép không gỉ, có độ bền hóa học và độ bền cơ nhiệt. Đó là thép X18H10T.
Lưu ý:
• Đường hàn càng ngắn càng tốt.
• Chỉ hàn giáp mối.
• Bố trí các đường dọc cách nhau ít nhất là 100 mm.
• Hàn ở vị trí dễ quan sát.
• Không khoan lỗ qua mối hàn.
Theo công thức XIII.8 [7 - Trang 360], chiều dày thân hình trụ là:
* 2*[ ]*
S D P C
σ ϕ P
= +
−
(2) Trong đó:
D : đường kính trong của thiết bị D = 4,25 (m) [ ]σ
: ứng suất bền của thành hình trụ theo phương dọc
C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, (m) . P : áp suất bên trong thiết bị, N/m2
Theo bảng XII.4 [7 - Trang 309 ÷ 310] với thép X18H10T có : Giới hạn bền của thép:
σk = 550*106 N/m2 (giới hạn bền kéo) σch = 220*106 N/m2 ( giới hạn bền chảy)
Theo công thức XIII.1-2 [7 - Trang 355] ứng suất cho phép của thép theo giới hạn bền được xác định như sau:
η N/m2 η N/m2 Với:
nk, nch : hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo và giới hạn chảy η : hệ số điều chỉnh
Tra bảng XIII.2-3 [7 - Trang 356].
nk = 2,6 nch = 1,5 η = 0,9 Vậy:
[σk] =
550*106
2,6
*0,9 = 190,385*106 N/m2
[σch] =
220*106
1,5
*0,9 = 132*106 N/m2
Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả của ứng suất để tính toán.
Lấy [σ] = 132*106 N/m2.
Tra bảng XIII.8 [7 - Trang 362], chọn φ = 0,9 (Hệ số bền hàn).
Đại lượng bổ sung:
C = C1 + C2 + C3 (m).
Trong đó:
C1: Bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Đối với vật liệu rất bền, ta có thể lấy C1 = 1 mm (tính theo thời gian làm việc từ 15 ÷ 20 năm).
C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn, đại lượng này được chọn theo thực nghiệm. Chọn C2 = 0.
C3: Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, lấy bằng 0,8 mm Như vậy:
C = 1 + 0,8 = 1,8 mm.
Do môi trường của ta là hỗn hợp hơi (khí) - lỏng. Nên áp suất làm việc (P) bằng tổng của áp suất hơi ( Pmt = 0,81 kg/cm2 ) và áp suất thủy tĩnh P1 của cột chất lỏng.
Theo công thức XIII.10 [7 - Trang 360] áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng được xác định như sau :
P1 = g*ρ1*H1 N/m2 Trong đó:
H1 – chiều cao của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng, m.
g - gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2. ρ1 - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3.
Khối lượng của hỗn hợp tính cả lượng nước bổ sung trong một mẻ phản ứng là:
m = ∑ vào = = 82.430,2256 (kg) Thể tích nguyên liệu của một thiết bị phản ứng là:
Vnl == 78,4839 (m3) Vậy khối lượng riêng của hỗn hợp:
ρ1 = nl V
m
= = 1.050,2822 (kg/m3)
Ta có thể tích nguyên liệu chứa ở phần đáy thiết bị phản ứng:
Vđáy = 20,0870 (m3)
Như vậy thể tích chứa nguyên liệu không kể phần đáy là:
Vthân = Vnl – Vđáy = 78,4839 – 20,0870 = 58,3969 (m3) Mặt khác:
Hpư = = 4,1185 (m)
Như vậy chiều cao của hỗn hợp bên trong thiết bị phản ứng là:
H1 = Hpư + h = 4,1185 + 2,125 = 6,2435 (m)
P1 = g*ρ*H1 = 9,81*1.050,2822*6,2435 = 64.328,7535 (N/m2) Pmt : áp suất hơi trong thiết bị phản ứng.
Pmt = 0,81 kg/cm2 = 0,81*9,81*105 = 794.610 (N/m2) P : áp suất làm việc của thiết bị phản ứng.
P = Pmt + P1 = 794.610 + 64.328,7535 = 858.938,7535 (N/m2) Xét giá trị ở mẫu số của biểu thức sau, ta có:
[ ]*
2* *
S D P C
σ ϕ P
= +
−
* ϕ = * 0,9 = 138,310 > 50 nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta bỏ qua giá trị của đại lượng P ở mẫu số của phương trình (2).
Suy ra:
S = + C = +1,8*103 = 0,0172 (m) Quy chuẩn lấy S = 18 (mm)
Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.26 [7 – Trang 365].
( )
( ) 2
* /
2* * 1, 2
o ch
D S C P S C N m σ σ
ϕ + −
= ≤
−
Trong đó:
Po là áp suất thử tính toán. Po được xác định theo công thức:
1 th
o P P
P = + N/m2 Với:
P1 = 64.328,7535 N/m2, áp suất thủy tĩnh.
Pth - áp suất thử thủy lực lấy theo bảng XIII.5 [7 - Trang 358]
1,25*P = 1,25* 858.938,7535 = 1.073.673,4420 N/m2. 1.073.673,4420 + 64.328,7535 = 1.138.002,1954 N/m2.
σ = = 166,49*106
σ = 166,49*106 < = = 183,333*106
Thỏa mãn điều kiện của biểu thức trên, nên ta chọn giá trị chiều dày của thân hình trụ thiết bị là S = 18 mm.
3.2.3.2. Tính đáy và nắp thiết bị
Đáy và nắp được chế tạo cùng loại vật liệu với thân (X18H10T) và được nối với thân bằng bích nối thiết bị.
Áp dụng công thức XIII.47 [7 - trang 385] chiều dày đáy và nắp là :
[ ]* *
3,8* k * * h 2* b
D P D
S C
k P h
σ ϕ
= +
−
(m) (3) Trong đó:
hb - chiều cao phần lồi của đáy, hb = 2,125 m.
ϕh - hệ số bền của mối hàn hướng tâm.
Theo bảng XIII.8 [7 - Trang 362]. Chọn ϕ = 0,9.
k- hệ số không thứ nguyên.
Đối với đáy và nắp có lỗ tăng cứng hoàn toàn thì k = 1.
Xét * ϕ = * 0,9 = 138,310 > 50 nên bỏ qua giá trị P ở mẫu của công thức (3)
S = + C = + 0,0018
= 0,01 (m)
Ta có S – C < 10 mm do đó bổ sung đại lượng C thêm 2 mm nên S = 0,012 (m). [7 – trang 386]
Quy chuẩn S = 0,012 (m) = 12 (mm)
Kiểm tra ứng suất thành của đáy và nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức : XIII.49 [7 - Trang 386].
( )
( )
2
2* * * 6
183,333*10 7, 6* * * * 1, 2
b o ch
h b
D h S C P
k h S C σ σ
ϕ
+ −
= ≤ =
−
σ = = 138,98*106
Thỏa mãn điều kiện trên. Vậy ta chọn chiều dày thép của đáy và nắp là S = 12 (mm).
3.2.4. Tính chiều dày vỏ áo thiết bị
Chiều cao của thân vỏ áo lấy bằng chiều cao thân thiết bị : 5,95 (m).
Thành trong của vỏ áo cách thành ngoài thiết bị là: 0,07 (m) 3.2.4.1. Tính chiều dày thân vỏ áo
Chiều dày vỏ bọc thân hình trụ được xác định theo công thức:
* 2*[ ]*
D PT
S C
σ ϕ P
= +
−
(m) (4) Trong đó:
DT - là đường kính trong vỏ áo.
= 4,25 + 2*0,018 + 2*0,07 = 4,5 (m) [σ
] = 132*106 N/m2 . Ứng suất bền của thành thân vỏ áo.
ϕ = 0,9. Hệ số bền của mối hàn.
P - áp suất làm việc của vỏ áo, ở đây ta dùng tác nhân gia nhiệt cho nồi phản ứng là nước nóng có nhiệt độ t = 90oC. Tương ứng ta có áp suất P = 500.000 N/m2 (số liệu lấy thực nghiệm từ nhà máy Nhựa và hóa chất Phú Mỹ).
Xét giá trị* ϕ = * 0,9 = 2,64*102 > 50 , nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta bỏ qua giá trị P ở mẫu của công thức (4).
S = = 0,0113 (m)
Kiểm tra ứng suất thành vỏ áo theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.26 [7 – Trang 365 ].
( )
( ) 6
* 183,333*10
2* * 1, 2
T o ch
D S C P S C σ σ
ϕ + −
= ≤ =
−
Chiều cao một vòng của vỏ áo: H = = 0,1859 (m) Áp suất thủy tĩnh của nước trong vỏ áo:
= 9,81*1000*0,1859 = 1824,0469 N/m2
= 1,25*P + = 1,25*500.000 + 1824,0469 = 626.824,0469 N/m2 σ = = 165,83*106
Vậy thỏa mãn điều kiện. Như vậy chiều dày thép của vỏ áo S = 11,3 mm 3.2.4.2. Tính chiều dày đáy của vỏ áo
Theo công thức XIII.47 [7 - trang 385], chiều dày đáy vỏ áo là:
[ ]* * 1
3,8* * * 2*
T T
k b
D P D
S C
k P h
σ ϕ
= +
−
(m) (5) Trong đó:
hb1 – là chiều cao phần lừm của đỏy vỏ ỏo:
= = 2,25 (m)
Xét giá trị * ϕ = * 0,9 = 2,64*102 > 50, nên để thuận tiện cho quá trình tính toán ta bỏ qua giá trị P ở mẩu của công thức (5).
Như vậy:
S = + C = + 0,0018
= 0,0068 (m)
D Db
D1
Dt
h
db
H
Quy chuẩn: S = 7 (mm)
Kiểm tra ứng suất thành của đáy vỏ áo theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.49 [7 – Trang 386 ].
( )
( )
2
1 6
1
2* * *
183,333*10
7, 6* * * 1, 2
T b o ch
b
D h S C P
h S C σ σ
ϕ
+ −
= ≤ =
−
σ = = 165,66*106
Thỏa mãn điều kiện, nhưng ta có S – C < 10 mm, do đó tăng bề dày đáy vỏ áo lên 2 mm. [7 – trang 386].
Như vậy với chiều dày đáy vỏ áo S = 9 mm là thỏa mãn.
3.2.5. Tính bích cho thiết bị chính.
3.2.5.1. Bích nối thân thiết bị với nắp
Bảng 3.5: Bảng số liệu bích nối thân thiết bị với nắp
Kích thước nối (mm) Bulông
Dt D Db D1 Do h db Z (cái)
4.250 4.575 4.477 4.392 4.276 55 M42 76
Hình vẽ bích
3.2.6. Tính cánh khuấy của thiết bị phản ứng
Do hỗn hợp phản ứng có độ nhớt tương đối lớn, cho nên ta dùng cánh khuấy loại tuốc bin bốn cánh.
Theo bảng VI.1 [6 - Trang 618] ta chọn:
Đường kính của cánh khuấy (d) : = 3 ⇒ d = = = 1,42 (m)
DT: đường kính trong của thiết bị phản ứng Bề rộng (bản) của cánh khuấy [6 – trang 620].
l = 0,1*D = 0,1* 4,25 = 0,425 (m) 3.2.6.1. Tính công suất làm việc của cánh khuấy
Công suất làm việc của cánh khuấy để khắc phục trở lực của môi trường được xác định theo công thức IV.2 [6 - Trang 616].
3 5
* * * N =ξ ρk n d Trong đó :
n - số vòng quay của cánh khuấy, n = 60 vòng/phút. (1 vòng/giây) ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 1.050,2822 kg/m3.
d - đường kính của cánh khuấy, d = 1,42 m.
ξk - hệ số không thứ nguyên, được xác định theo thực nghiệm.
ξk - phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy và chuẩn số Renold.
Theo công thức IV.2a [6 - Trang 616]
* m* p
k Euk A Rek Fr
ξ = =
Trong đó: A, m, P là những hằng số phụ thuộc vào thực nghiệm. Chúng phụ thuộc vào kích thước cánh khuấy và mức chất lỏng.
= = 4.395*103 Trong đó :
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng, ρ = 1.050,2822 kg/m3. n - là số vòng quay của cánh khuấy, n = 1 vòng/giây.
d - đường kính của cánh khuấy, d = 1,42 m.
àhh
- độ nhớt của hỗn hợp, hh à
= 0,00048 N*s/m2.
Theo bảng IV.10 [6 – Trang 616] với Rek = 4.395*103 thuộc phạm vi chảy xoáy, do đó m = p = 0. Suy ra = A nên công suất tiêu tốn trong phạm vi này là:
3 5
* * * N =A n d ρ
(W) Tra bảng VI.2 [6 - Trang 618]
Lấy giá trị của A là 4,4 (cánh khuấy tuốc bin 4 cánh).
Vậy :
N = 4,4*13*1,425*1.050,2822 = 26.369,21 (W)
* Tính hệ số điều chỉnh f theo công thức IV.10 [3 - Trang 619].
0,93 0,6
3. *
D H
f d D
= ÷ ÷ D: đường kính thiết bị, D = 4,25 m.
d : đường kính cánh khuấy, d = 1,42 m.
f = * 1,40,6 = 1,22
* Công suất làm việc của cánh khuấy :
Np = N*f = 26.369,21 *1,22 = 32.268,14 (W) 3.2.6.2. Tính công suất mở máy
Khi mở máy cần có công để thắng lực quán tính và lực ma sát, vì vậy theo công thức IV.12 [6 - Trang 622] công suất khi mở là :
Nm = Ny + Ns
Trong đó :
Ny - công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ.
Ns - công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát, đây chính là công suất làm việc của cánh khuấy (Np). Công suất tiêu hao dùng để khắc phục lực ỳ của chất lỏng có thể tính theo công thức IV.13 [6 - Trang 622].
Ny = K*ρ*n3*d5 Trong đó:
K = 3,87*a với d a = l
l : bề rộng cánh khuấy, m.
d : đường kính cánh khuấy, m.
K = 3,87 * = 1,161
Ny = 1,161*1.050,2822*13*1,425 = 6.957,87 (W).
Vậy :
Nm = Ny + Ns = 6.957,87 + 32.268,14 = 39.226,01 (W).
3.2.6.3. Công suất động cơ η
m đc
N = N
Ở đây :
η - hiệu suất (khả năng truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy) η = 0,6 ÷ 0,7. Chọn η = 0,675 [6 – Trang 623]
Nđc = = 58.112,61 (W) = 58,112 (KW) Quy chuẩn Nđc = 59 (KW)
3.2.7. Chọn chân đỡ và tai treo
Chọn số chân đỡ là: Zc = 3 và số tai treo Zt =4.
Tải trọng trên mỗi chân đỡ và tai treo là: Q = = = 6 tấn mS : Tổng khối lượng thiết bị chính.
Tra bảng XIII.34 và XIII.35 [7 - Trang 436 ÷ 437]. Chọn chân đỡ là thép CT3 , với các thông số sau:
Tải trọng cho phép trên mỗi chân: G = 6 tấn.
Bảng số liệu chọn chân đỡ
L B B1 B2 H h S l d Dt/A
300 240 260 370 450 226 18 110 34 2600/97
5 Tải trọng cho phép trên mỗi tai treo: G = 6 tấn
B
L
S H
a
B1
l a
20
Bảng số liệu chọn tai treo
L B B1 H S l a d
230 200 205 350 12 100 25 34
Hình 3.1: Chân đỡ và tai treo
Bảng tổng kết số liệu tính toán thiết bị chính
Các Thông số tính toán Số liệu cụ thể
Đường kính thiết bị phản ứng 4,250 m
Chiều cao của thân thiết bị phản ứng 5,950 m
Chiều cao nắp và đáy 2,125 m
Chiều dày của thiết bị phản ứng 0,018 m
Chiều cao lớp vỏ áo 5,950 m
Chiều dày lớp vỏ áo 0,113 m
Lựa chọn cánh khuấy Dạng tuabin hở 4 cánh