Bài tập cơ sở tính toán thiết kế thiết bị hóa học

Hệ thống sấy phun chân không được gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa. Hơi ẩm đi ra được ngưng tụ ở thiết bị ống chùm bằng nước. Tính chiều dày thân thiết bị sấy hình trụ chịu áp suất ngoài. Tính toán nắp elip chịu áp suất ngoài. Tính toán đáy nón chịu áp suất ngoài. Tính toán tai đỡ gắn ở thân thiết bị sấy.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC



BÀI TẬP LỚN

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC-CH3349

Sinh viên:

MSSV:

Nhóm: L01

Ngày nộp : 08/04/2022

Hệ thống thiết bị sấy phun chân không:

Hệ thống sấy phun chân không được gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa Hơi ẩm

đi ra được ngưng tụ ở thiết bị ống chùm bằng nước

Cho biết:

1) Thiết bị sấy: Dt = 3 m; h = 1,5 m; 𝛼 = 30°

Htrụ = 6 m; Dt1 = 200 m; hn = 500 mm

P2 = 2,7 at; t1 = 70 °C

P1 = -0,3 at

2) Thiết bị ngưng tụ: L = 1,5 m; P1’= -0,25 at

Dt ’ = 1 m; t1’= 25 °C

Số ống trên đường kính 30 ống

Kích thước ống: 𝑑1 /𝑑2 = 22⁄20 ; t = 30 mm

Tính:

1) Chiều dày thân, nắp, đáy nón, tai đỡ thiết bị sấy;

2) Chiều dài thân, nắp, mặt vỉ thiết bị ngưng tụ

(Sản phẩm phun ra có độ pH > 7)

Bài làm

1 Chiều dày thân, nắp, đáy nón, tai đỡ thiết bị sấy

Dt = 3m = 3000mm ; h = 1,5m = 1500mm ; 𝛼 = 30°

Htrụ = 6 m = 6000mm; Dt1 = 200mm; hn = 500 mm

P1 = Pck = -0,3 at P1tđ = 1- 0,3 = 0,7 at P2 = 2,7 at

Nhiệt độ hơi nước bão hòa t2 ở P2 = 2,7at: t2 = 130oC

a) Tính chiều dày thân thiết bị sấy hình trụ chịu áp suất ngoài

- Chọn vật liệu cho thân là thép không gỉ X18H10T

- Chọn thông số tính toán:

+ Áp suất tính toán: Pt = P2 -P1 = 2 – 0,7 = 2 at = 0,2 N/mm2

+ Nhiệt độ tính toán: tt = tmax + 20 oC = t2 + 20 oC = 150oC (thân có bọc cách nhiệt)

+ Dt = 3m nên ta có thể hàn 2 phía  Hệ số bền mối hàn: h = 1

+ Chiều dài tính toán của thân thiết bị bằng khoảng cách giữa hai vòng tăng cứng kề

nhau: l’ = h = 1,5m = 1500mm

- Tra bảng số liệu ta có:

+ Modun đàn hồi Et tại nhiệt độ tính toán: Et = 1,985.105 N/mm2

+ Giới hạn chảy tại nhiệt độ tính toán: ct = 231 N/mm2

- Tính chiều dày tối thiểu:

'

0, 2 1500

1,985.10 3000

t

t t

t

E D

- Chiều dày thực tế:

- Kiểm tra:

+ Điều kiện 1:

 

 

 

 

' 2.

1,5.

2.

1,5.









0,128 < 0,5 < 11,677  Đạt + Điều kiện 2:

 

 

3 '

3 5

2.

0,3 .

2 12 1

1500 1,985.10

t

a

S C



0,5 > 0,161  Đạt

- Tính áp suất ngoài cho phép [Pn]

2

n

t

 

  0, 209 0, 209 0, 2 0,04 0,05

n t

n

P

S = 12mm không đạt yêu cầu

Ta chọn lại giá trị S để tính toán Chọn lại S = 14mm, kiểm tra lại các điều kiện:

+ Điều kiện 1:

 

 

 

 

' 2.

1,5.

2.

1,5.









0,139 < 0,5 < 10,741  Đạt + Điều kiện 2:

 

 

3 '

3 5

2.

0,3 .

2 14 1

1500 1,985.10

t

a

S C



0,5> 0,21  Đạt

- Tính áp suất ngoài cho phép [Pn]:

2

n

t

 

  0,318 0,318 0, 2 0,37 0,05

n t n

P

    S= 14mm đạt yêu cầu

Vậy ta chọn chiều dày của thân thiết bị sấy là 14mm

b) Tính toán nắp elip chịu áp suất ngoài:

- Vật liệu làm nắp là X18H10T

- Cho trước Snắp = Sthân trụ = 14 mm

- Áp suất tính toán: Pt = Pa = 1 at = 0,1 N/mm2 ( điều kiện khắc nghiệt nhất P1 = 0)

- Tính bán kính trong của nắp elip:

Ta có: ht = hn – S = 500 – 14 = 486mm

3000

4629,629

t t

t

D

h

- Kiểm tra S= 14 mm có phù hợp với các điều kiện của nắp elip:

+ Tỉ số 4629,629

330,688 14

t

R

+ Ta thấy:

5

t

t t

c

486

3000

t t

h D

 Đạt

- Tính áp suất nén cho phép [Pn]

n

t

K R

hệ số K được tra bảng và nội suy với 2 điều kiện Rt 330,688

t

h

K= 0,947

[Pn] = 0,154 > Pt = 0,1  Đạt

Vậy chiều dày nắp elip bằng 14mm

c) Tính toán đáy nón chịu áp suất ngoài

- Vật liệu làm đáy là X18H10T

- Cho trước Sđáy =Sthân trụ = 14 mm

- Áp suất tính toán: Pt = P2 - P1tđ = 2,7 – 0,7 = 2 at = 0,2 N/mm2

- Xác định lực tính toán P:

 2  2

.

t n

D

0

3140,79





   

*

3140,79

120,8

D

- Tra bảng và nội suy với điều kiện

 

*

120,8

D

 ta được giá trị Kc = 0,115

- Lực nén chiều trục cho phép [P]:

0,115.1,95.10 (14 1) cos 30 8929564,784

t

N



- Xác định áp suất ngoài cho phép [Pn]:

+ Chiều cao đáy nón l’ : ' 1 3000 200

2424,87 2.tan 2.tan 30

t t



+ Ta có tỉ số :

'

*

2424,87

0,77 3140,79

l

+ Ta thấy:

  3 5   3

*

t

a t

c

S C E

D



'

* 0,77

l



2 5

.

1,95.10 3140,79 14 1 14 1

t

n

P

2

 > Pt = 0,2 N/mm2

- Kiểm tra độ ổn định của đáy nón:

    8929564,784 1440229, 223 0,345 0, 2 0,75

t n

P  P    < 1  Đạt

Vậy chiều dày đáy nón là S = 14mm

d) Tính toán tai đỡ gắn ở thân thiết bị sấy

- Chọn thông số

+ Khối lượng riêng tiêu chuẩn của thép: 3

 

- Tính toán tai đỡ:

+ Nắp thiết bị sấy:

2

3

t

D

0,014

 

nap n n

+ Thân thiết bị sấy:

2

than t

F  D H   m

than m

 

than than than

+ Đáy thiết bị:

12,189

t t day

day

0,014

day day day

thiet bi nap than day

- Tải trọng tác dụng lên một tai đỡ: 7813,335

2

M

Z

(Chưa có dữ liệu về dung dịch được phun nên giả sử Mdd = 0 Tải trọng tác dụng lên 1 tai

đỡ chưa tính cả trọng lượng của hệ thống gia nhiệt bên ngoài thân thiết bị và trọng lượng dung dịch khi đầy)

- Tải trọng tác dụng lên 1 tai đỡ Q = 3,91 tấn  4 tấn

 Vậy ta chọn tai đỡ có các kích thước như sau:

+ Chiều dài bệ đỡ: c = 190mm

+ Khoảng cách hai gân đỡ: b = 170mm

+ Cạch đáy của gân đỡ: a = 160mm

+ Chiều cao gân đỡ: H = 280mm

+ Bề dày của gân đỡ: S = 10mm

2) Chiều dài thân, nắp, mặt vỉ thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ: L = 1,5 m; P1’= -0,25 at

Dt' = 1 m; t1’= 25 °C

Số ống trên đường kính 30 ống

Kích thước ống: 𝑑1 /𝑑2 = 22⁄20 ; t = 30 mm

a) Tính chiều dày thân thiết bị ngưng tụ chịu áp suất ngoài

- Sử dụng vật liệu thép CT3 để làm thân thiết bị ngưng tụ

- Thông số tính toán:

+ Ta thấy P1 ’ < Pa  Áp suất tính toán Pt = Pa ( tính ở điều kiện khắc nghiệt nhất) + Nhiệt độ tính toán

'

1 1 70 25

47,5 50

o t

+ Hệ số bền mối hàn: h 1 (vì D1 ’ = 1 nên có thể hàn từ hai phía)

+ Chiều dài tính toán của thân bằng khoảng cách giữa 2 vỉ ống: l’ = L = 1,5m =1500mm

- Tra bảng:

+ Môđun đàn hồi Et tại nhiệt độ tính toán: Et = 1,96.105 N/mm2

+ Giới hạn chảy tại nhiệt độ tính toán:  ct = 235 N/mm2

- Chiều dày tối thiểu:

' '

0,1 1500

1,96.10 1000

t

t t

t

E D

Chiều dày thực tế:

- Kiểm tra

+ Điều kiện 1

 

 

 

 

2.

1,5.

2.

1,5.









0,15 < 1,5 < 10  Đạt

+ Điều kiện 2

 

 

3 '

3 5

2.

0,3 .

2 6 1

t

a

S C



0,15 > 0,25  Đạt

Tính áp suất ngoài cho phép [Pn]:

2

n

t

 Đạt

Vậy chiều dày thân trụ thiết bị ngưng tụ là 6 mm

b) Tính toán đáy_nắp elip chịu áp suất ngoài

- Sử dụng vật liệu thép CT3 để làm thân thiết bị ngưng tụ

- Cho trước Sđáy_nắp =Sthân trụ = 6 mm

- Giả sử đáy_nắp tiêu chuẩn:

'

t t

h

D 

 Rt = Dt ’ = 1000mm

- Với S = 6mm kiểm tra các điều kiện:

+ Tỉ số 1000

166,67 6

t

R

+ Ta thấy:

5

t

t t

c

x     S  và

, '

0,15 0, 25 0,5

t t

h D

 Thỏa

- Tính áp suất nén cho phép [Pn] :

'

6 1

n

t

K R

hệ số K được tra bảng và nội suy với 2 điều kiện Rt 166,67

'

t t

h

D 

 K = 0,9453

Với điều kiện nắp elip thì [Pn] > Pt (0.4935 N/mm2 > 0.1N/mm2 : thỏa) nhưng chênh lệch

giữa 2 giá trị quá lớn, không phù hợp với tính kinh tế nên ta giảm chiều dày Sđáy_nắp lại

- Chọn lại giá trị Sđáy_nắp = 4 mm, kiểm tra lại:

+ 1000

250 4

t

R

Ta thấy:

5

t

t t

c

x     S  và

, '

0,15 0, 25 0,5

t t

h D

 Thỏa

- Tính áp suất nén cho phép [Pn] :

'

4 1

n

t

K R

[Pn] = 0,1722 N/mm2 > Pt = 0,1 N/mm2  Đạt

Vậy chiều dày nắp elip bằng 4 mm

c) Tính toán mặt vỉ của thiết bị ngưng tụ

Tính chiều dày vỉ ống và chiều dày mặt bích làm vỉ ống:

Số ống trên đường kính 30 ống

Kích thước ống: 1

2

22 20

d

d  ; t = 30 mm

- Do t = 30 mm nên khoảng cách giữa các ống đặc khít nên chiều dày vỉ lớn nên chọn K1

có giá trị lớn  K1 = 0,6

- Chọn S* = 1,3.S = 1,3.6 = 7,8mm

- Chiều dày vỉ ống:

 0

1

0

0,075

t

n

P

 

Trong đó:  

1

1

2

' *

' *

0,6

130 /

0,35

o

n

o

K

N mm









- Chiều dày mặt bích làm vỉ ống:

 

' 0

1 2

0,075

130

t

n

P



Trong đó :

 

2

1

2

0,3

130 /

o n

K

N mm







HẾT