Tính bích và vòng đệm thiết bị

I. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH BẬC 1

I.7. Tính bích và vòng đệm thiết bị

I.7.1. Bích

- Bích để nối thân, nắp, đáy thiết bị chính:

Mặt bích là bộ phận quan trọng dung để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Vì thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên ta chọn kiểu bích liền cho thiết bị chính:

Thiết bị có 2 bích dung để ghép phần thân thiết bị và nắp, đáy. Theo bảng XIII.27 trang 419. Sổ tay QTTB tập 2, chọn kiểu I.

Ta chọn áp suất cao nhất mà thiết bị có thể chịu đựng được (P=0,1 MPa)

 Với đường kính trong: Dtrong= 900 mm.

 Đường kính tâm bu-lông: Dbu-lông= 980 mm.

 Đường kính bích: Dbích= 1030 mm.  Đường kính mép ván Dmép ván= 911 mm  Bu-lông: M20  Số bu-lông: z =24 cái  Chiều cao bích: h=25 mm. - Chọn vòng đệm cho thiết bị chính

Tra bảng XIII.31 trang 433. Sổ tay QTTB tập 2

 Dbu-lông= 900 mm.

 D2= 947 mm.

 D4= 927 mm.

 D3=D2+1= 948 mm.

 D5=D4-2= 926 mm.

Bích để nối ống dẫn với thiết bị chính: Chọn bích cho ống:

Theo bảng XIII.26 trang 409. Sổ tay QTTB tập 2, chọn bích kiểu I

Bảng 10. Thông số kiểu bích chọn cho thiết bị phản ứng 1

Số

TT Tên ống

Dt

(mm) Kích thước ống nổi Bu-lon

Kiểu Bích I Dn D Db Dl db z h 1 Ống nhập liệu 80 89 185 150 128 M16 4 18 2 Ống dẫn nước vào 50 57 140 110 90 M12 4 12 3 Ống hơi methanol 20 25 90 65 50 M10 4 12 4 Ống dẫn nước ra 50 57 140 110 90 M12 4 12 5 Ông dẫn biodiesel ra khỏi thiết bị 70 76 160 130 110 M12 4 14 I.7.2. Đệm cho ống

Tra bảng XIII.30 trang 432 sổ tay QTTB tập 2

Bảng 11. Các thông số đệm dùng cho ống Số tt Dt D1 D2 D3 D4 D5 B b1 Z f 1 80 128 115 116 101 100 5 1 2 4 2 50 90 90 91 66 65 4 1 2 4 3 20 50 43 44 33 3 4 1 2 4 4 50 90 90 91 66 65 4 1 2 4 5 70 110 100 101 86 85 4 1 2 4

I.8. Chọn tai treo thiết bị

I.8.1. Tính sơ bộ khối lƣợng thiết bị

Khối lượng nắp bằng khối lượng đáy (giả sử đường ống dẫn vào nắp và đáy gần như nhau)

Với nắp đáy elip có Dt =500 (mm), chiều dày S = 3(mm) , chiều cáo gờ h = 20(mm). Tra bảng XIII.11 trang 384 Sổ tay tập 2, ta có:

Gnắp = Gđáy = 1,01.30 (Kg) = 30,3(Kg).

Gnắp + đáy = 2.30,3 = 60,9(Kg). - Khối lượng bích nối thân:

Đường kính bên ngoài của thiết bị: Dn = 0,8 (m). Đường kính mặt bích của than: Db = 1,030 (m). Chiều cao bích: h = 0,02 (m).

Số mặt bích là 2

= 7,9.103 (Kg/m3).

 Mbích =2. .( ).h. = 2.0,785.(1,0302-0,9062).0,025.7,9.103= 74,44 (Kg).

- Khối lượng các thành phần trong thiết bị:

Mdd = mnước + mxúc tác + mống= 517 + 34,25+ 20,4 = 571,65 (Kg). - Khối lượng thân thiết bị:

m=2. .( ).h. =2.0,785.(0,9062-0,92).1,95.7,9.103=262,078 (Kg). Vậy tổng khối lượng của toàn tháp:

Mtháp =833,728(Kg)=8178,9 (N).

- Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3. Tấm lót là vật liệu làm thân:

] = 130.106 (N/m2). - Chọn số tai treo: n = 4

Tải trọng lên một tai treo (4 tai treo):

Chọn tải trọng cho phép lên một tai treo là 0,25.104 N. Theo bảng XIII.36 Sổ tay tập 2: tai treo thiết bị thẳng đứng. Bề mặt đỡ F = 57.104 (m2).

Kích thước tai treo, cho ở bảng sau:

Bảng 12. Thông số kích thƣớc tai treo

Khối lượng tai treo (Kg) Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ q.106 (N/m2) L (mm) B (mm) Bl (mm) H (mm) S (mm) l (mm) a (mm) d (mm) 1 0,44 90 65 75 140 6 35 15 14

I.9. Chọn chân đỡ cho thiết bị

Như tính ở trên ta có tổng khối lượng của thiết bị là 833,728 Kg. Ta chọn thiết bị được đỡ trên 3 chân, vậy ta có tải trọng tác dụng lên một chân như sau:

Gc = = = = 2729,1(N). Để đảm bảo tính an toàn ta chọn Gc = 0,8.2729,1 = 2183,3 (N). Tra bảng XIII.35 Sổ tay tập 2. Ta có thông số của chân đỡ sau:

Bảng 13. Thông số chân đỡ cho thiết bị

Tải trọng cho phép trên 1 chân đỡ G.10-4N

L B B1 B2 H h s d

Mm

0,5 160 110 135 195 240 145 10 23

II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH BẬC 2

Thiết bị phản ứng (bậc 2) có dạng hình trụ, có lắp cụm ống chùm song song chứa xúc tác.

II.1. Tính toán chùm ống chứa xúc tác II.1.1.Tính lƣợng xúc tác cần thiết

Chọn một ngày quy trình làm trong 10 giờ. Vậy lượng Methanol nhập liệu:

Vmethanol =

=

0,0743 ( ) 74,314( ).

Lượng dầu nhập liệu:

Vdầu =

=

0,247( ) 247 ( )

 Theo kết quả thí nghiệm, cần 1g xúc tác Na/NaOH- Al2O3 để xúc tác cho phản ứng giữa hỗn hợp rượu/dầu trong đó chứa 36 ml dầu.

Vậy lượng xúc tác Na/NaOH- Al2O3 cần cho quá trình phản ứng là (tính theo lượng dầu):

mxúc tác =

Do hạt xúc tác gồm nhiều lỗ xốp, nên khối lượng riêng của hạt xúc tác được tính theo công thức:

= .(1 – q) + .q = 2231.(1-0,5)+1.0,5=1116 (Kg/m3).

Trong đó: - khối lượng riêng của xương hạt (Kg/m3)

- khối lượng thể tích của pha khí nằm giữa các hạt xúc tác (Kg/m3) q – độ xốp của hạt.

II.1.2. Khối lƣợng thể tích của tầng xúc tác

= . + .(1 - ) = 1116.0,322 + 1.0,678 = 360(Kg/m3). II.1.3. Thể tích lớp xúc tác Vxt = = 0,019 m 3 .

Thể tích thiết bị phụ thuộc vào chùm ống chứa xúc tác và lượng nước cấp nhiệt cho thiết bị.

Tổng diện tích của bề mặt ống chùm:

Lưu lượng dòng nhập vào thiết bị phản ứng thứ 2

Qnhập liệu=

+

=0.321 (m3/h). S = = = 0,018(m2).

Chọn vận tốc chất lỏng đi trong ống có chứa xúc tác là v = 0,005(m/s) [1 trang 370 sổ tay QTTB tập 1]

Chọn ống xúc tác có = 36 mm. Số ống trong thiết bị: n =

=

18 (ống).

II.1.4. Chiều cao, đƣờng kính của ống xúc tác

- Số hình lục giác X = 2, chọn số ống chuẩn là 19 ống.

Xúc tác chứa đầy trong các ống, vậy chiều cao của ống là:

hống =

=

1,1(m).

đường kính mắt lưới là 1,5mm để tránh thất thoát xúc tác.

Bước ống:

T = 1,5.0,038 = 0,057 m. Chọn T = 0,06 m. -Khoảng cách từ ống đến thành thiết bị: t’ = 0,06 m

- Đường kính trong của thiết bị:

Dt = 2.(X.T + t’) = 2.(2.0,06 + 0,06) = 0,36 m. Chọn Dt = 0,4 m.

II.2. Tính toán thân thiết bị chính

Bề dày thân hình trụ được tính theo công thức sau:

=

+ Ck.  Trong đó:

Dt : đường kính trong của thiết bị (m).

: ứng suất cho phép của vật liệu (MN/m2). : hệ số của mối hàn.

Ck : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn. P : áp suất làm việc của thiết bị (MPa).

II.3. Vật liệu chế tạo

Tra bảng XIII.9 trang 364 sổ tay QTTB tập 2 ta thấy thép X18H10T phù hợp với thân hình trụ hàn đường dùng với thiết bị làm việc ở áp suất thường, X18H10T là loại thép không rỉ thành phần gồm: C, Ni, Cr, Mo, Ti.

Thép X18H10T:

+ Có khối lượng riêng = 7,9.103 Kg/m3.

II.3.1. Xác định

Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo bảng XIII.4 trang 357 sổ tay QTTB tập 2 được xác định theo công thức XIII.1 và XIII.2 trang 355 sổ tay QTTB tập 2:

Thép cacbon làm việc ở nhiệt độ <420o C:

= N/m2 (1).

= N/m2 (2).

Trong đó:

= hệ số điều chỉnh( tra ở bảng XIII.2 chọn =1). , = hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy.

Tra ở bảng XIII.3 được = 2,6, =1,5

= ứng suất cho phép khi kéo.

, = giới hạn bền khi kéo, giới hạn bền khi chảy ở 60 .

Tra bảng XIII. Trang 310 sổ tay QTTB taaoj 2 với thép X18H10T ta có: = 540.106 N/m2 = 220.106 N/m2 (1)  = = .1=207,7.106 (N/m2). (2)  = = .1= 146,7.106 (N/m2). - Ta chọn giá trị bé nhất để tính: = = 146,7.106 N/m2=146,7 MN/m2.

II.3.2. Hệ số bền của mối hàn

Tra bảng XIII.8 trang 362 sổ tay QTTB tập 2 với kiểu hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp nối hai bên ta chọn hệ số bền mối hàn =0,95.

II.3.3. Áp suất làm việc của tháp: P= 0,10526 MPa

II.3.4. Số bổ sung do ăn mòn :

= + +

Trong đó:

: số bổ sung ăn mòn, xuất phá từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường =

Ta lấy : là độ thẩm thấu ăn mòn vật liệu là 0,1 mm/năm. t: thời gian thiết bị làm việc là 10 năm.

= 0,1.10 = 1 mm.

: đại lượng bổ sung do bào mòn khi nguyên liệu có hạt rắn động, ở đây = 1,1 mm.

: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm vật liệu, với vật liệu X18H10T thì = 0,4 mm (tra bảng XIII.9 sổ tay QTTB tập 2).

Vậy = 1 + 0,4 + 1,1 = 2,5 mm

 Do đó bề dày thiết bị hình trụ:

=

+ Ck = + 2,5.10-3 = 2,6 (mm). Vậy ta chọn bề dày của thiết bị: = 3 mm

- Kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị với = 3 mm

< 0,1 

= 0,00063 < 1 - Áp suất dư cho phép bên trong thiết bị:

( )

( ) = ( )

( ) = 0.39 MPa.

Áp suất làm việc của thiết bị P< , với bề dày = 3 mm, thiết bị làm việc ở điều kiện tốt và bền vững.

II.4. Tính nắp thiết bị

Ta chọn nắp thiết bị có gờ hình elip với thiết bị có thân thẳng đứng và đường kính trong 0,5m. Chọn vật liệu của nắp giống như vật liệu của thân thiết bị.

Theo XIII.11 trang 381. Sổ tay QTTB tập 2, ta có:

- Chiều cao phần lồi nắp

=0,25 = 0,25.0,4 = 0,1 m. Chọn chiều cao của gờ là 25 mm

Bề dày nắp thiết bị được tính theo công thức XIII.47 trang 385. Sổ tay QTTB tập 2:

=

[ ] .

+C.

 Trong đó:

là hệ số bền của mối hàn hướng tâm, tra bảng XIII.8 trang 362- Sổ tay QTTB tập 2 chọn = 0.95.

k: là hệ số không thứ nguyên, chọn k=1. C là đại lượng bổ sung C = 0,0025 m.

[ ] = 146,7 MN/m2.

= 0,1 MPa: là áp suất của hơi khi ra khỏi thiết bị.

Vì[ ].k. = 1393 > 30 nên bỏ qua P ở mẫu số khi tính .

Vậy: =

[ ] .

+C =

+ 0,0025 = 0,003 (m). - Chọn bề dày nắp = 3 mm.

Kiểm tra điều kiện bền của nắp thiết bị: = 3 mm.

< 0,1

= 0,00063 < 0,1 - Áp suất dư cho phép ở thiết bị:

Pd = ( ) ( )

= ( ) ( ) = 0,163

 Áp suất làm việc ở nắp thiết bị Pc<Pd vậy với bề dày = 3 mm nắp thiết bị đảm bảo tính an toàn và độ bền.

II.5. Tính đƣờng kính các loại ống dẫn

Đường kính ống dẫn được tính theo công thức II.36 trang 369 Sổ tay QTTB tập 1:

D = √ (m).

 Với:

V: lưu lượng thể tích m3/h

: tốc độ trunng bình của chất lỏng và khí, cho ở bảng II.2 trang 369. Sổ tay QTTB tập 1.

I.5.1. Đƣờng kính ống nhập liệu:

Lượng thể tích nhập liệu: Qv= 0,321(m3/h).

Chọn vật tốc cho chất lỏng trong ống là =0,1 m/s do hổn hợp tự chảy vào thiết bị (theo bảng II.2 trong 370 sổ tay QTTB tập 1)

Vậy đường kính ống nhập liệu là:

D = √

= √ =0,0337 (m) Chọn D=35mm.

II.5.2. Đƣờng kính ống dẫn biodiesel ra khỏi thiết bị

- Lượng thể tích nhập liệu:

Qv= 1,166 (m3/h).

Chọn vận tốc cho chất lỏng trong ống là = 0,1 m/s (theo bảng II.2 trang 370 sổ tay QTTB tập 1).

Vậy đường kính ống dẫn biodiesel ra khỏi thiết bị là:

D = √

= √ = 0,064 (m). Chọn D = 65 mm.

II.5.3. Đƣờng kính ống dẫn hơi methanol đi ra khỏi đỉnh thiết bị

- Lưu lượng thể tích của hơi đi ra khỏi đỉnh tháp: Qmethanol = 0,074 (m3/h). Chọn vận tốc = 0,2 m/s

Vậy đường kính ống dẫn hơi là:

D = √ = √ = 0,011 (m). Ta chọn Ddh= 15 mm

II.5.4. Đƣờng kính ống dẫn nƣớc cấp nhiệt vào và ra

- Lưu lượng thể tích của nước trong thiết bị: Qv= = = 2,263 m3/h.

Chọn vận tốc = 0,5 m/s

Vậy đường kính ống dẫn nước là:

Dnước = √

= √ = 0,04 (m). Ta chọn Dnước = 40 mm.

II.6. Chiều cao thiết bị phản ứng 2

HT=1,1+(0,25+0,1).2=1,8 (m).

III. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ III.1. Tính toán bơm III.1. Tính toán bơm

Chọn bơm để bơm nước ở 20oC từ bình chứa hở và máy làm việc dưới áp suất dư 0,1 Mpa. Tiêu hao nước 2,5.10-2 m3/s. Chiều cao cột nước 20m. Chiều dài ống dẫn trên đường hút 15m, trên đường đẩy 45m. Trên đường đẩy có hai ống nhánh nghiêng 120oC và 10 ống nhánh góc 90o

với đường kính quay bằng 6 lần đường kính ống và 2 van bình thường . Trên đường ống hút đặt 2 van một chiều, 4 ống nhánh góp 90o với đường kính quay bằng 6 lần đường kính ống.

III.1.1. Chọn ống

Chọn tốc độ chảy của nước trong ống hút và ống đẩy đều bằng 2m/s. Khi đó đường kính ống được tính:

d = √ = √ = 0,11 (m). Chọn vật liệu làm ống bằng thép, bị ăn mòn không đáng kể.

III.1.2. Xác định mất mát do ma sát và trở lực cục bộ

- Ta có chuẩn số Re:

Re = = = 218467. Nghĩa là chế độ chảy trong ống là chảy rối.

Trong đó:

: vận tốc dòng chảy.

: khối lượng riêng của nước. : độ nhớt của nước.

Độ gồ ghề tuyệt đối của đường ống là = 2.10-4 m. Khi đó:

e = = = 0,0018. - Và: = 555 10. = 5550 500. = 277500

Vậy: 4410 < Re < 277500. Như vậy ma sát trong đường ống là hỗn hợp. - Ta tính ⋋ theo công thức: =0,1.(1,46. + )0,25. = 0,1(1,46. + )0,25 = 0,024.

III.1.3. Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ đối với đƣờng ống hút và đẩy riêng biệt

 Đối với đường hút:

Cửa vào ống (mép sắc nhọn) 1= 0,5 Van một chiều: d = 0,076  = 0,6 d = 0,1  = 0,5 Nội suy đối với d = 0,088  = 0,55.

Nhân với hệ số hiệu chỉnh k = 0,925 ta có: 2= 0,51 Cửa: hệ số A = 1, B = 0,09 3= 0,09

- Tổng cộng các hệ số trở lực cục bộ trên đường ống hút:  = 1 + 22 + 43 = 0,5 + 2.1,02 + 0,36 = 1,88. - Mất mát áp lực trên đường ống hút được tính theo công thức:

hmối hàn = (.

+  ).

Trong đó: : hệ số ma sát.

l, dtd: chiều dài, đường tương đương của ống.  : tổng hệ số trợ lực của cục bộ.

: mật độ chất lỏng.

hmối hàn = (0,024.

+ 1,88).

= 1,05 (m).

 Đối với đường ống đẩy - Ống nhánh nghiêng 120o C. A = 1,17; B = 0,09; 1= 0,105. - Ống nhánh nghiêng 90o C. 2  = 0,09. Van thường: với d = 0,08 m  = 4,0

Với d = 0,1 m  = 4,1 Ta thừa nhận với d = 0,088 m  = 4,04. Cửa ra ống: 4= 1.

Tổng hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy: ∑ =5,235

Cũng áp dụng công thức như đã tính đường ống hút, ta được:

hmd = (0,024.

+ 5,235).

= 3,07 (m).

Tổng mất mát áp lực: hmất mát = hmối hàn + hmd = 1,05 + 3,07 = 4,12 (m)

III.2. Chọn bơm

- Xác định áp lực bơm theo công thức: H =

+ Hl + Hm.

Trong đó:

P1: áp suất trong máy từ đây chất lỏng được bơm đi.

P2: áp suất chất lỏng trong máy mà chất lỏng được bơm vào. Hl: chiều cao chất lỏng.

Thay số ta được: H = + 20 + 4,12 = 34,33 (mH2O).

Ứng với áp lực tương đương và công suất đã cho ta chọn bơm ly tâm.

Bảng 14. Đặc tính kỹ thuật bơm ly tâm

Mã bơm Q (m3 /s) H (mH2O) N (v/ph) b  Động cơ điện Loại Nd (kW) d X45/31 1.25.10-2 19,8 48,3 0,60 AO2-52-2 13 0,89

Khi sử dụng bơm ly tâm ta phải chú ý các trường hợp sau:

Bơm dùng để vận chuyển các chất lỏng hoạt động và trung tính về mặt hóa học. Không có tạp chất kể cả tạp chất kể cả tạp chất rắn đến 0,2% khi kích thước