Bài giảng cơ sở thiết kế & chế tạo thiết bị hóa học ( combo full slides 8 chương )

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NiỆM CƠ BẢN CHƯƠNG 2: CÁC VẬT LiỆU CƠ BẢN CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LiỆU ĐẾN CẤU TẠO CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐẾN CẤU TẠO CHƯƠNG 5: THÂN THIẾT BỊ CHƯƠNG 6: ĐÁY-NẮP CHƯƠNG 7: MẶT BÍCH CHƯƠNG 8: CÁC BỘ PHẬN PHỤ

CƠ SỞ THIẾT KẾ & CHẾ TẠO THIẾT BỊ

HÓA HỌC

NỘI DUNG

• CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NiỆM CƠ BẢN

• CHƯƠNG 2: CÁC VẬT LiỆU CƠ BẢN

• CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LiỆU

ĐẾN CẤU TẠO

• CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA PHƯƠNG

PHÁP CHẾ TẠO ĐẾN CẤU TẠO

• CHƯƠNG 5: THÂN THIẾT BỊ

• CHƯƠNG 6: ĐÁY-NẮP

• CHƯƠNG 7: MẶT BÍCH

• CHƯƠNG 8: CÁC BỘ PHẬN PHỤ

Giới thiệu

- Để thực hiện các quá trình hóa học, vật lý hoặc hóa lý  thiết bị hóa chất, dầu khí Hoặc để chứa các chất lỏng, chất khí hoặc chất rắn

- Các quá trình thường thực hiện ở điều kiện:

 Các yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế thiết bị:

- Nhiệm vụ của thiết bị

- Môi trường trong thiết bị

- Các đặc tính kỹ thuật (năng suất, dung tích,

bề mặt trao đổi nhiệt, v.v )

- Các thông số của quá trình công nghệ (áp

suất, nhiệt độ và nồng độ)

- Tính bền vững và tính an toàn của thiết bị

 Các yêu cầu khi chọn vật liệu khi thiết kế:

 lựa chọn vật liệu chế tạo sao cho phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật đã nêu Đồng thời đảm bảo thiết bị có đủ độ bền ăn mòn hóa học và độ bền cơ học ở áp suất và nhiệt độ làm việc

Lưu ý: để chống ăn mòn hóa học mạnh dùng tấm lót (kim loại hoặc phi kim loại) phủ lên thiết bị

 Hướng dẫn cách chọn các chi tiết đã

được tiêu chuẩn hóa:

- Khi thiết kế thiết bị hóa chất cần hết sức tận dụng các chi tiết đã được tiêu chuẩn hóa Vì

nó rất tiện lợi trong việc sử dụng, thay thế, sữa chữa và lắp ráp

- Chú ý vấn đề tiết kiệm vật liệu chế tạo để thiết bị được thiết kế ra có khối lượng bé, nhưng không ảnh hưởng xấu đến các yêu cầu về độ bền vững và tính an toàn

I NHIỆT ĐỘ LÀM VIỆC & NHIỆT ĐỘ TÍNH TOÁN

I.1 Nhiệt độ làm việc

I.2 Nhiệt độ tính toán

- Nhiệt độ môi trường nhỏ hơn 2500C  lấy bằng nhiệt độ lớn nhất của môi trường

- Nhiệt độ môi trường lớn hơn hoặc bằng 2500C

 lấy bằng nhiệt độ của môi trường tiếp xúc với chi tiết đó cộng thêm 500C

- Nếu thiết bị có bọc lớp cách nhiệt  lấy bằng nhiệt độ ở lớp cách nhiệt cộng thêm 200C

II MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ ÁP SUẤT

II.1 Áp suất làm việc:

II.2 Áp suất tính toán:

Là áp suất của môi trường trong thiết

bị sinh ra khi thực hiện các quá trình trong thiết bị

Là áp suất của môi trường trong thiết

bị được dùng làm số liệu để tính toán thiết

bị theo độ bền và độ ổn định

gH P

II.3 Áp suất gọi:

- Việc lựa chọn ứng suất cho phép ở các chi tiết khi tính độ bền và độ ổn định  phụ thuộc vào đặc tính bền của kim loại ở nhiệt độ tính toán.

- Đặc tính bền của kim loại phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

+ Công nghệ chế tạo: hàn, đúc, rèn, … + Chế độ nhiệt luyện.

+ Tính chất tác động của tải trọng: tĩnh hoặc động + Kích thước chi tiết.

+ Đặc điểm của môi trường trong thiết bị.

+ Điều kiện sử dụng.

III ỨNG SUẤT CHO PHÉP

- Đối với các chi tiết của thiết bị được chế tạo từ các kim loại cơ bản (thép, kim loại màu và hợp kim của chúng) chịu tải trọng tĩnh do áp suất trong hoặc áp suất ngoài tác dụng(chân không) cũng như chịu tác dụng của tải trọng gió và động đất  thì người ta nêu ra một đại lượng tiêu

chuẩn- đó là ứng suất cho phép tiêu chuẩn

- Đại lượng ứng suất cho phép tiêu chuẩn tính bằng N/mm2 (N/m2) phụ thuộc vào đặc trưng bền của vật liệu ở nhiệt độ tính toán và được xác định theo một trong những công thức sau:

ỨNG SUẤT CHO PHÉP TIÊU CHUẨN:

[ ]

t B B

t c

c t bl

bl t d

n n

- Chúng ta có thể xác định ứng suất cho phép tiêu chuẩn bằng đồ thị: hình 1.1 và hình 1.2, P.15 và P.16.

- Nếu là thiết bị làm bằng Nhôm, Đồng hoặc hợp kim của chúng thì các đặc trưng cơ học của chúng phải lấy ở trạng thái ủ

- Nếu nhiệt độ tính toán của thiết bị có giá trị

âm thì ứng suất cho phép tiêu chuẩn của chúng lấy ở 200C

IV HỆ SỐ HIỆU CHỈNH

Khi tính kiểm tra độ bền các chi tiết của thiết bị người ta dùng ứng suất cho phép chứ không dùng ứng suất cho phép tiêu chuẩn và được xác định như sau:

*

[ ]     [ ]

 : hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào điều

kiện sử dụng, độ độc và mức độ nguy hiểm của môi trường

- η=0,9: đối với các thiết bị dùng để chứa hoặc chế biến các chất độc, chất dễ nổ có áp suất cao, các chi tiết bị đốt nóng bằng ngọn lửa, bằng khói lò hoặc bằng điện.

- η=0,95: đối với các thiết bị có bọc lớp cách

nhiệt

- η=1: đối với các thiết bị còn lại

V HỆ SỐ BỀN MỐI HÀN

- Khi ghép các chi tiết lại với nhau bằng mối hàn nó kém bền hơn nguyên vật liệu không hàn

 Cho nên phải đưa thêm hệ số bền mối hàn vào các công thức tính toán

- Hệ số bền mối hàn là đại lượng đặc trưng cho

độ bền của mối ghép so với độ bền vật liệu còn nguyên không hàn

- Giá trị hệ số bền mối hàn phụ thuộc vào kết cấu mối hàn (xem hình 1.3, P.18)

VI HỆ SỐ BỔ SUNG BỀ DÀY TÍNH TOÁN

Khi tính kiểm tra độ bền các chi tiết hoặc các bộ phận của thiết bị ta phải chú ý đến sự tác dụng hóa học và cơ học của môi trường lên vật liệu chế tạo thiết bị cần phải bổ sung cho

bề dày tính toán của các chi tiết và bộ phận đó một đại lượng C

Đại lượng C được xác định theo công thức sau:

C= Ca + Cb + Cc + Co

Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học, mm

Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, mm

Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp đặt, mm

Co: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm

THANKS !!!

CHƯƠNG 2

NHỮNG VẬT LIỆU

CƠ BẢN ĐỂ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÓA CHẤT & DẦU KHÍ

Chọn vật liệu là 1 công việc đầu tiên và rất

quan trọng trong thiết kế và chế tạo

Các tính chất quan trọng khi chọn vật liệu:

2 Tính chống ăn mòn:

- Đây là tính chất rất quan trọng khi chọn vật liệu

- Chọn vật liệu sao cho đảm bảo tuổi thọ của

thiết bị và độ tinh khiết của sản phẩm

Tốc độ ăn mòn của thiết bị: v ≤ 0,5mm/năm



G

v  8 , 76 , mm/năm

G: lượng vật liệu bị ăn mòn, g/m 2 h

ρ: khối lượng riêng của vật liệu, kg/dm 3

4 Tính công nghệ:

Xét về khả năng chế tạo nó bằng các phương pháp:

ưu nhược điểm của nó.

I CÁC KIM LOẠI VÀ HỢP KIM QUAN TRỌNG

I.1 Gang

- Gang là vật liệu đẳng hướng, chịu nén gấp 4 lần chịu kéo

- Tổ chức kim tương của Gang là Ferit-Peclit:

+ Ferit quyết định tính dẻo

+ Peclit quyết định độ bền và độ cứng

- Hàm lượng Cacbon trong Gang khoảng 2,8-3,7%

 Cơ tính của Gang tùy thuộc vào tỷ lệ giữa

Ferit và Peclit

Phân loại Gang:

a Gang xám:

 Là hợp kim nhiều cấu tử của Sắt với Cacbon

và các nguyên tố khác như: Silic, Mangan,

Photpho, Lưu huỳnh

- Hàm lượng các cấu tử trong Gang xám: C: 3,6%, Si: 1,6-2,4%, Mn: 0,5-1%, P: 0,8% và S: 0,12%

3 Độ bền ăn mòn hóa học thường không cao vì

nó không đồng nhất Khi ứng suất lớn dễ sinh

ăn mòn điểm, tạp chất lưu huỳnh ở trong Gang

là nguyên nhân sinh ra ăn mòn giữa các tinh

thể, đặc biệt là ở môi trường kiềm đặc và nóng

b Gang chịu kiềm

Cơ tính của Gang xám cho ở bảng 2-2, P24

- Thêm vào Gang xám một ít chất trợ dung 

Gang chịu kiềm nóng

- Thành phần hóa học và cơ tính của Gang chịu kiềm cho ở bảng 2-3, P25

c Gang biến tính

- Thêm vào Gang xám các phụ gia như:

silicocanxi, silicoalumin, ferosilic… Gang biến tính

- Nó có một số đặc điểm như: cấu trúc đồng nhất, hạt mịn, chịu tải trọng tốt, có độ bền mài mòn và

độ ăn mòn hóa học cao

d Gang độ bền cao

- Là một dạng khác của Gang biến tính

- Là Gang biến tính thêm vào nguyên tố Mg hoặc hợp kim Mg

- Do có Graphit dạng hạt cầu Gang cầu

- Modun đàn hồi E=(1,3-1,6).105 N/mm2 và độ võng mẫu dài l=300mm là từ 5-12mm

- Đặc điểm: dai, bền với ứng suất mỏi, ít tạo bọt khi đúc làm trục khuỷu của máy nén

Cơ tính của Gang độ bền cao cho ở bảng 2-4

e Gang “rèn”

- Là dạng đặc biệt của Gang graphit cầu có

hàm lượng cacbon bé (khoảng 2,95%)

- Chịu được sự biến dạng lớn mà không bị phá

vỡ và có độ dãn nở dài từ 3-10%

- Gọi là Gang rèn nhưng không thể rèn được

- Thường để chế tạo các chi tiết mỏng có kích thước không lớn

- Có 2 loại Gang “rèn”: Gang “rèn” ferit và Gang

“rèn” khử cacbon

Cơ tính của Gang “rèn” cho ở bảng 2-5, P26

Một số loại Gang hợp kim thường gặp:

+ Gang Niken: 20% Ni và 5-6%Cu chịu được kiềm nhiệt độ cao và chịu được H2SO4, HCl ở

nhiệt độ thường

+ Gang Crom: 30% Cr chịu được acid Nitric và các muối của nó, acid Photphiric, acid acetic và các hợp chất chứa Clo Nó có tính bền mài mòn

và chịu được nhiệt độ cao 12000C

+ Gang nhiều Silic(14% Si trở lên):

Chia làm 3 loại:

Gang ferosilic C-15(thường dùng)

Gang ferosilic C-17(chống ăn mòn mạnh)

Gang ferosilic MΦ-15(chống ăn mòn của Clo)

Cả 3 loại trên đều không chịu được tác dụng

của các khí Br2, I2, Cl2, F2, HCl và SO2

Mặc dù Gang nhiều silic có độ bền ăn mòn cao

và rẻ nhưng ít được dùng vì nó giòn và khó cắt gọt

Hàm lượng Si càng cao thì Gang càng giòn

Nó dễ bị nứt khi nhiệt độ thay đổi đột ngột

Người ta chỉ dùng nó đối với các chi tiết đúc, sau đó không cần gia công cơ

Ứng dụng: chế tạo bơm, các tháp và thiết bị

phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt …

Cơ tính của Gang nhiều Silic cho ở bảng 2-6, P27

- Tính chất của nó biến đổi trong phạm vi

rộng, phụ thuộc vào thành phần, phương

pháp gia công cơ và nhiệt luyện

- Hàm lượng cacbon trong thép khoảng 1,5%.

- Đối với thép cần hàn nhiều thì hàm lượng cacbon trong thép chỉ đến 0,3%

- Đối với thép không rỉ thì hàm lượng cacbon trong thép bé 0,2%

- Đối với thép kết cấu thì hàm lượng cacbon trong thép không quá 0,7%

Tính chất vật lý của thép cacbon và thép hợp kim thấp:

- Khối lượng riêng: 7850 kg/m3

- Nhiệt dung riêng: 499 J/kg.độ

- Nhiệt độ nóng chảy: 1400-15000C

- Hệ số dãn nở dài: 1,12.10-5 1/0C

- Hệ số dẫn nhiệt: 46,5-58,1 W/m.độ

- Điện trở suất: 0,11-0,13 Ω.mm2/m

- Khi chế tạo các thiết bị hóa chất và nồi hơi dùng thép cacbon và thép hợp kim thấp (hàm

lượng các nguyên tố không rỉ đến 2,5%)  có

độ dẻo cao, dễ uốn và có tính hàn cao

 Thường dùng: thép hợp kim thấp

Molipden(0,5% Molipden) và thép Crom

Molipden(ngoài Molipden còn chứa khoảng 1% Crom)

- Thép cacbon chỉ cho phép dùng để chế tạo các thiết bị làm việc với áp suất không cao hơn

6,4N/mm2 và nhiệt độ thành thiết bị bé hơn

4500C nếu lớn hơn 4500C thì dùng thép chịu nhiệt

- Đối với thép hợp kim người ta thường cho thêm các nguyên tố quan trọng sau: Crom, Niken,

Molipden, Mangan, Silic, Titan, Niobi, Vanadi,

vonfam…  làm thay đổi tính chất của thép

+ Niken(H): làm tăng độ bền, độ dẻo, độ

dai, độ bền ăn mòn và độ thấm tôi

+ Crom(X): làm tăng độ bền cơ học, độ bền

nhiệt, chịu mài mòn tốt và tăng độ thấm tôi

Nếu lượng Crom vừa đủ thì làm cho thép

tăng thêm độ bền ăn mòn và chống rỉ tốt

Nếu nhiều Crom  chịu hàn kém Thường

Crom dùng cùng Niken

“Thấm tôi”: là thấm bão hòa lên bề mặt thép bằng 1

nguyên tố hóa học khác để cải thiện tính chất vật liệu.

+ Molipden(M): làm tăng bền và có khả năng

duy trì tính chất này ở nhiệt độ cao: giới hạn chảy tăng, tính thấm tôi tốt, làm cho tổ chức kim tương mịn và đồng đều

Nếu thêm Molipden vào thép Austenit 

bền đối với môi trường Clorua

+ Mangan(Г): làm tăng tính bền của thép, tăng

tính thấm tôi và tăng độ ổn định của tổ chức

Austenit nhưng làm giảm tính dẻo và giảm độ mịn hạt tinh thể

 nó sẽ không bị rỉ khi Mangan lớn hơn 1%

Nếu tăng đến 10-15% thu được loại thép

Austenit bền và dai chịu va đập và mài mòn tốt

+ Silic(C): làm tăng độ bền, tăng tính chống ăn

mòn và tính chịu nhiệt nhưng giảm độ dai và khả năng graphit hóa thép

Khi hàm lượng lớn hơn 0,5% làm cho thép không bị rỉ

+ Vanadi(Φ): làm tăng tính dẻo, tính hàn của

thép và tăng tính chống ăn mòn của thép

+ Wonfram(B): làm tăng độ cứng của thép

+ Thép Austenit hợp kim cao:  chứa 18-20% Crom và 8-10% Niken gọi là thép 18-8.

Đắt tiền nhưng được dùng nhiều vì nó chịu nhiệt, bền ăn mòn và có độ bền cơ học cao

Các tính chất của thép hợp kim được cho ở

bảng 2-10, 2-11, 2-12, P32-33-34

Phạm vi ứng dụng của các loại thép cho ở bảng 2-13, P34

I.3 Kim loại màu

+ Nếu các tạp chất kim loại khác nhau lẫn vào làm giảm độ bền hóa học nhưng lại làm tăng

độ bền cơ học

+ Khi gia công nguội thì độ bền cơ học tăng

và độ dãn dài tương đối giảm

a Nhôm(Al)

- Trong chế tạo thiết bị hóa chất, người ta

thường dùng 2 loại:

+ AOO: nhôm chiếm ≥ 99,7%

+ AO: nhôm chiếm ≥ 99,6%

- Nhôm rất bền với nhiều môi trường như: Acid Nitric đặc, Acid acetic, Acid Photphoric, nhiều hợp chất hữu cơ, clo khô, hydroclorua, các hợp chất chứa lưu huỳnh và hơi lưu huỳnh

- Sở dĩ nhôm bền ăn mòn hóa học là nhờ tạo ra lớp oxit làm màng bảo vệ Cũng do màng oxit này tạo ra rất nhanh nên khó hàn

b Đồng

Ký hiệu: Cu

- Đồng là loại vật liệu quý

Các tính chất vật lý của đồng:

+ Khối lượng riêng: 8900 kg/m 3

+ Nhiệt dung riêng: 388 J/kg.độ.

+ Nhiệt độ nóng chảy: 1083 0 C.

+ Hệ số dẫn nhiệt: 38,75 W/m.độ.

+ Hệ số nở dài: 1,65.10 -5

+ Modun đàn hồi: 1,08.10 7 N/cm 2

- Đồng ở trạng thái nóng hay nguội đều dễ gia công áp lực như:

- Đặc tính rất quý của Đồng là:

+ Dẫn điện tốt

+ Dẫn nhiệt tốt

+ Ở nhiệt độ càng thấp  độ bền càng cao  thường dùng trong ngành lạnh thâm độ

+ Ở nhiệt độ thấp  độ dẫn nhiệt của đồng

- Đồng không tạo thành màng Oxyt bảo vệ  không bền ăn mòn hóa học.

- Đồng rất dễ bị các khí sau phá hủy:

+ Các Halogen

+ Hơi lưu huỳnh

+ SO3.+ H2S

+ NH3

- Đồng bền trong dung dịch kiềm

- Tính ăn mòn của đồng thau tốt hơn đồng.

- Cơ tính của đồng thau tăng khi nhiệt độ giảm

 được sử dụng nhiều trong ngành lạnh thâm độ

• Đồng thanh:

- Là hợp kim đồng với Thiếc, Silic, Nhôm, Mangan.

- Trong ngành chế tạo thiết bị hóa chất  hay dùng

đồng thanh thiếc và đồng thanh đặc biệt không thiếc.

- Tính ăn mài mòn của đồng thanh tăng khi pha thêm kẽm  thường dùng như: bánh răng, vành bánh vít,

Roto máy bơm ly tâm, van,

- Đồng thanh chì: là 1 trong những vật liệu tốt nhất để chế tạo gối đỡ chịu tải trọng lớn.

- Đồng thanh sắt-nhôm-Mangan: dễ gia công áp lực, dễ đúc, chịu tải trọng lớn và làm việc ở điều kiện mài mòn mãnh liệt: hộp đệm, bánh răng, bánh vít và các chi tiết của bơm cao áp.

 Khi va chạm không tóe lửa  làm việc ở

môi trường cháy nổ

- Niken không bị ăn mòn trong dung dịch

kiềm nóng chảy, trong các axit hữu cơ và

trong nhiều hợp chất hữu cơ khác

 Trong công nghiệp dược và thực phẩm  dùng Niken chế tạo thiết bị sản xuất các sản phẩm tinh khiết

e Titan

- Titan bền như thép nhưng nhẹ hơn 2 lần

- Titan có khả năng rèn, dập và gia công đều

tốt

- Titan khi hàn phải dùng điện cực Vonfam

trong argon bảo vệ

- Titan bền ăn mòn hóa học đối với: acid Nitrit

sôi, các muối Nitrit, Nitrat, Clorua, Sunfua, acid

hữu cơ, acid photphoric và acid cromic

- Titan không chịu được ăn mòn của acid sunfuric 40%

- Titan đắt hơn thép crom-niken khoảng 8-10 lần

f Tantan

- Tantan có độ bền cao và khó nóng chảy (30000C)

- Tantan dai  dập khá tốt

- Tantan khó hàn  vì nhiệt độ nóng chảy cao

- Tantan chịu được ăn mòn của môi trường acid

- Tantan không bền trong môi trường kiềm:

NaOH và KOH

- Tantan rất đắt, gấp 100 lần so với thép

crom-niken  chỉ dùng ở trường hợp rất cần thiết

 Tính chất cơ bản của Titan và Tantan xem ở bảng

2-28 trang 45.

II VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI NGUỒN GỐC VÔ CƠ II.1 Đá Granit và đá Andezit

- Dùng làm tháp hấp thu để hấp thu khí Nito

II.2 Amiang

- Làm vật đệm bít kín.

- Làm vải chịu axit.

- Làm vải chống cháy.

- Làm vật liệu cách nhiệt (khoảng 500 0 C).

II.3 Thủy tinh

- Dùng thủy tinh Bo(thủy tinh có chứa oxyt Bo).

- Loại này chịu nhiệt và chịu ăn mòn hóa học.

II.4 Gốm chịu Acid

Chống ăn mòn hóa học nhưng giòn, dễ vỡ và có

độ dẫn nhiệt kém.