THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ HÓA

Thiết kế thiết bị hóa chất là một trong những công việc sáng tạo, cần thiết và quan trọng nhất của một người kỹ sư hóa. Đó là quá trình thu thập, tổng hợp những ý tưởng để đạt được mục đích như mong muốn .Người kỹ sư thiết kế bắt đầu với những mục tiêu cụ thể được đặt ra, và bằng việc ước tính, phát triển thêm từ những thiết kế có thể thực hiện được, họ sẽ tính toán và tìm ra cách tốt nhất để thỏa mãn những yêu cầu đã được đặt ra ban đầu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

BÁO CÁO

CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY

NHÓM THỰC HIỆN: NHÓM 1

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN HỮU HIẾU

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ HÓA

TP.HCM, 09/2017

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhóm báo cáo:

Giảng viên hướng dẫn báo cáo:

Trong thời gian hướng dẫn nhóm:

báo cáo, tôi có những nhận xét sau:

Ngày … tháng … năm 2017 Cán bộ hướng dẫn

Danh sách thành viên nhóm:

1 Nguyễn Tân

2 Lê Thanh Nam

3 Nguyễn Lê Hữu Trí

4 Phan Thị Như

5 Huỳnh Ngô Phương

6 Huỳnh Thị Thùy Trang

7 Nguyễn Thị Thiên Hương

8 Nguyễn Thị Thu Thảo

9 Phạm Nguyễn Anh Phương

10 Nguyễn Thị Tố Yên

MỤC LỤC

1 Thiết kế cơ khí cho thiết bị hóa 5

1.1 Định nghĩa 5

1.2 Nội dung thiết kế 6

1.2.1 Yêu cầu thiết kế 6

1.2.2 Tập hợp dữ liệu 7

1.2.2 Tìm hiểu những giải pháp khả thi cho thiết kế 7

1.2.2 Đưa ra lựa chọn cụ thể 8

2 MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ TRONG LĨNH VỰC HÓA 10

2.1 Máy nghiền nhựa 10

2.2 Tháp giải nhiệt 11

2.2 Tháp chưng cất 12

2.4 Thiết bị phản ứng khuấy trộn 12

3 MỘT SỐ TIÊU CHUẨN TRONG THIẾT KẾ CƠ KHÍ 13

1.THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA, THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ HÓA LÀ GÌ 1.1 Định nghĩa:

Thiết kế thiết bị hóa chất là một trong những công việc sáng tạo, cần thiết và quan trọng nhất của một người kỹ

sư hóa Đó là quá trình thu thập, tổng hợp những ý tưởng để đạt được mục đích như mong muốn Người

kỹ sư thiết kế bắt đầu với những mục tiêu cụ thể được đặt ra, và bằng việc ước tính, phát triển thêm từ những thiết kế có thể thực hiện được, họ sẽ tính toán và tìm ra cách tốt nhất để thỏa mãn những yêu cầu đã được đặt

ra ban đầu

Các ràng buộc bên ngoài

Các ràng buộc bên trong

Hình 1.1 Các ràng buộc trong thiết kế

Khi tìm kiếm những phương án thích hợp cho việc thiết kế, người kỹ sư sẽ bị ràng buộc bởi rất nhiều yếu tố, từ đó sẽ giới hạn lại những thiết kế có thể thực hiện được Thông thường trong quá trình thiết kế sẽ phát sinh ra những vấn đề, thế nhưng mỗi vấn đề phát sinh đa phần sẽ có nhiều cách để giải quyết Người kỹ sư thiết kế sẽ có thể tìm thấy nhiều phương án thay thế cho nhau để đạt được yêu cầu thiết kế và những thiết bị tốt nhất được thiết kế ra đôi khi nhờ vào những ràng buộc nhất định trong quá trình thiết kế

Những giới hạn trong việc tìm ra giải pháp để xử lý vấn đề trong thiết kế được đặt ra bởi nhiều lĩnh vực khác nhau Một phần trong só đó sẽ được cố định và không thể thay đổi như: các định luật vật lý, quy định của nhà nước, quy định của tiêu chuẩn người kỹ sư chọn để thiết kế Một số ràng buộc khác không quá cứng nhắc, và sẽ được lựa chọn bởi người thiết kế trong chiến thuật chung mà họ đề ra để tìm kiếm thiết kế tốt nhất có thể Các ràng buộc nằm ngoài sự tác động của người thiết kế được hiểu là sự ràng buộc bên ngoài Chúng đặt ra ranh giới bên ngoài cho những mẫu thiết kế khả thi như hình 1.1 Trong những ranh giới này sẽ có một số các mẫu thiết kế hợp lý bị giới hạn bởi một

số ràng buộc khác (ràng buộc bên trong), qua đó người thiết kế có vài trò kiểm soát, lựa chọn quá trình, điều kiện của quá trình, hay nguyên vật liệu, thiết bị,

Việc xem xét đến yếu tố kinh tế hiển nhiên là một ráng buộc quan trọng nhất đối với việc thiết kế kỹ thuật: thiết bị được thiết kế phải sinh ra lợi nhuận

Thời hạn hoàn thành cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế, đôi lúc chúng giới hạn lại số lượng những phương án có thể được xem xét bởi người kĩ sư

Thi

ết

kế hợ

p lý

Có thể thiết kế

Hình 1.2 Quy trình thiết kế

1.2 Nội dung thiết kế :

1.2.1 Yêu cầu thiết kế :

Trước khi bắt đầu việc thiết kế, người kỹ sư cần có một bản bản kê hoàn chỉnh về những yêu cầu thiết kế rõ ràng nhất có thể Nếu có những yêu cầu xuất hiện bên ngoài phạm vi mà người kỹ sư đã đưa ra, có thể từ khách hàng hoặc một bộ phận nào đó trong tập đoàn, thì người thiết kế phải làm rõ chúng thông qua việc bàn luận với tổ chức/cá nhân đã đặt ra chúng Việc phân biệt giữa những nhu cầu cần thiết và những nhu cầu trong mong muốn của khách hàng cũng tương đối quan trọng Những mong muốn ban đầu của khách hàng có thể sẽ bị giảm bớt nếu cần thiết trong quá trình thiết

kế Ví dụ, bộ phận bán hàng đặt ra một yêu cầu mà họ xem là cần thiết nhưng lại rất khó và tốn kém để đạt được, và những yêu cầu đó có thể giảm bớt mà vẫn đảm bảo thiết bị sau khi thiết kế có khả năng cạnh tranh trên thị trường mà giá đầu tư lại rẻ Khi tình huống trên xuất hiện, người kỹ sư phải luôn luôn đặt vấn đề và đánh giá kỹ càng chúng trong quá trình thiết kế

Khi tổng hợp đặc điểm kỹ thuật mà người thiết kế quyết định như thiết kế về cơ khí hoặc việc mua nguyên vật liệu gia công, người kỹ sư thiết kế cần phải biết rõ những hạn chế, ràng buộc mà họ đã tạo ra cho các kỹ sư khác (chẳng hạn như kỹ sư gia công, chế tạo thiết bị)

1.2.2 Tập hợp dữ liệu:

Thiết kế cuối cùng

Mục tiêu ( thông tin chi tiết bản vẽ )

Thu thập dữ liệu ( những đặc tính trong phương pháp thiết kế )

Tạo ra những thiết kế khả

thi

Chọn lọc và cải tiến ( tối ưu hóa )

Để tiến hành một thiết kế, nhà thiết kế phải tập hợp tất cả các dữ kiện liên quan và dữ liệu cần thiết Đối với thiết kế quy trình, điều này sẽ bao gồm thông tin về các quy trình, hiệu suất thiết bị và dữ liệu thuộc tính thực Giai đoạn này có thể là một trong những phần tốn kém nhất của thiết kế Các nguồn thông tin quy trình và các thuộc tính vật lý được xem xét trong quá trình thiết kế Nhiều tổ chức thiết kế sẽ chuẩn bị một sổ tay dữ liệu cơ bản, bao gồm tất cả các quá trình "bí quyết" Hầu hết các tổ chức sẽ có hướng dẫn thiết kế bao gồm các phương pháp và dữ liệu ưa cho các thủ tục thiết kế thường xuyên được sử dụng thường xuyên Các tiêu chuẩn quốc gia cũng là nguồn phương pháp thiết kế và dữ liệu; chúng cũng là những ràng buộc thiết kế Các khó khăn, đặc biệt là các ràng buộc bên ngoài, cần được xác định sớm trong quá trình thiết kế

1.2.3 Tìm kiếm những giải pháp khả thi cho thiết kế:

Phần sáng tạo của quá trình thiết kế là sự sáng tạo của các giải pháp khả thi cho vấn

đề (cách đạt được mục tiêu) để phân tích, đánh giá và lựa chọn Trong hoạt động này, người thiết kế phần lớn sẽ dựa vào kinh nghiệm trước đây của mình hoặc của người khác

Trong ngành công nghiệp hóa chất các quá trình chưng cất hiện đại đã phát triển từ những bức ảnh cổ xưa được sử dụng để cải tiến từ các tháp nguyên thủy, thô sơ Do

đó, thường không phải là một nhà thiết kế quy trình phải đối mặt với nhiệm vụ sản xuất

1 thiết kế cho 1 quá trình hoàn toàn mới lạ hoặc 1 phần của thiết bị

Công việc cần thiết để phát triển quy trình mới, chi phí, thường bị đánh giá thấp Tiến bộ được thực hiện chắc chắn hơn trong từng bước nhỏ Tuy nhiên, bất cứ khi nào đổi mới

là mong muốn, kinh nghiệm trước đây, thông qua thành kiến, có thể ức chế việc tạo ra

và chấp nhận những ý tưởng mới, hội chứng “không phát minh ra ở đây!”

Số lượng công việc và cách giải quyết sẽ phụ thuộc vào mức độ mới lạ trong một dự án thiết kế

Các dự án kỹ thuật hóa học có thể được chia thành 3 loại

 Sửa đổi, bổ sung, cho nhà máy hiện có thường được thực hiện bởi nhóm thiết kế nhà máy

 Năng lực sản xuất mới để đáp ứng nhu cầu bán hàng ngày càng tăng, và việc bán các quy trình đã được thiết lập bởi các nhà thầu Sự lặp lại của thiết kế hiện tại, chỉ với những thay đổi thiết kế nhỏ

 Quy trình mới, được phát triển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, thông qua nhà máy thí điểm đến 1 quy trình thương mại Ngay cả ở đây, hầu hết các đơn vị hoạt động và thiết bị quá trình sẽ sử dụng thiết kế được thiết lập

Bước đầu tiên trong việc thiết kế 1 quy trình mới sẽ là phác thảo 1 sơ đồ khối sơ bộ cho thấy các giai đoạn chính trong quy trình; để liệt kê các chức năng chính (mục tiêu) và

những khó khăn chính cho từng giai đoạn Kinh nghiệm sau đó sẽ chỉ ra những hoạt động sau đó và thiết bị cần được xem xét

Jones (1970) thảo luận về phương pháp thiết kế và đánh giá 1 số kỹ thuật đặc biệt, như các buổi họp khoa học kỹ thuật và các cuộc hội thảo, đã được phát triển để giúp tạo ra các ý tưởng để giải quyết các vấn đề khó giải quyết Một tài liệu tham khảo tốt về nghệ thuật giải quyết vấn đề là CLASSICAL WORK của Polya (1957); xem thêm Chittenden (1987) Một số kỹ thuật để giải quyết vấn đề trong ngành công nghiệp hóa học được trình bày trong 1 tác phẩm ngắn của Casey và Frazer

Việc tạo ra các ý tưởng cho các giải pháp khả thi của 1 vấn đề thiết kế không thể tách rời khỏi giai đoạn lựa chọn của quá trình thiết kế; 1 số ý tưởng sẽ bị bác bỏ là không thực tế khi chúng được đưa ra

1.2.4 Đưa ra lựa chọn cụ thể:

Nhà thiết kế bắt đầu bằng tất cả các giải pháp có thể bị ràng buộc bởi các ràng buộc bên ngoài, và bằng một quá trình đánh giá, lựa chọn tiến bộ, thu hẹp phạm vi các ứng viên để tìm ra thiết kế "tốt nhất" cho mục đích Quá trình lựa chọn có thể được xem xét

để đi qua các giai đoạn sau:

- Có thể thiết kế (đáng tin cậy)

- Bên trong ràng buộc bên ngoài

- Thiết kế có tính khả thi (khả thi)

- Trong các ràng buộc nội bộ

- Thiết kế triển vọng

- Thiết kế tốt nhất (tối ưu)

- Đánh giá giải pháp tốt nhất cho vấn đề

Quá trình lựa chọn sẽ trở nên chi tiết và tinh tế hơn khi thiết kế tiến triển từ mức khả thi đến mức độ triển vọng của các giải pháp có thể xảy ra Trong giai đoạn đầu, một cuộc kiểm tra thô dựa trên ý nghĩa thông thường, đánh giá kỹ thuật và chi phí thô thường sẽ

đủ Ví dụ, sẽ không mất nhiều phút để thu hẹp sự lựa chọn nguyên liệu để sản xuất ammonia từ các ứng dụng có thể nói là gỗ, than bùn, than đá, khí đốt tự nhiên, và dầu, nhưng cần có một nghiên cứu chi tiết để lựa chọn giữa dầu và khí đốt Để chọn thiết kế tốt nhất, từ có thể xảy ra, thiết kế chi tiết công việc và chi phí thường sẽ là cần thiết Tuy nhiên, nơi hiệu suất của ứng cử viên thiết kế là có thể đến được các chi phí này tinh tế hơn nữa, trong thời gian và tiền bạc, có thể không đáng giá đặc biệt như thường sẽ có một số sự không chắc chắn vào độ chính xác của các ước tính Các kỹ thuật toán hoch

mà đã được phát triển để hỗ trợ tối ưu của thiết kế và thực vật suất đang thảo luận một thời gian ngắn ở Phần 1.10 Rudd và Watson (1968) và Wells (1973) mô tả kỹ thuật chính thức cho sự sàng lọc sơ bộ các thiết kế thay thế

1.2.5 Thiết kế cơ khí cho thiết bị hóa và ý nghĩa của việc làm này:

Thiết kế cơ khí cho thiết bị hóa là một phần quan trọng không thể thiếu trong quá trình thiết kế thiết bị hóa chất Sau khi hoàn thành những bước nêu trên ta xác định được các thông số công nghệ cần thiết cho thiết bị, từ đó ta mới bắt đầu tính toán cơ khí cho thiết

bị đó (tính toán cơ khí ở đây có thể tạm hiểu là tính bền (bền cơ học, bền hóa học và bền theo thời gian vận hành), tính đến mức độ an toàn khi vận hành thiết bị) Vậy tính toán cơ khí cho thiết bị hóa là tính những nội dung gì? Theo tìm hiểu của nhóm thì thiết

kế cơ khí có thể bao gồm những nội dung sau:

_Chọn vật liệu và phương pháp chế tạo thiết bị, từ đó tính toán bề dày cho thiết bị chính và những chi tiết phụ trên thiết bị (Thân thiết bị, đáy và nắp thiết bị, các bích và vòng đệm để nối và bít kín thiết bị, bộ phận đỡ và cố định thiết bị trước những điều kiện môi trường, ) :

 Từ những thông số công nghệ như đường kính, chiều cao thiết bị và những thông số vận hành như áp suất vận hành, năng suất thiết bị, nhiệt độ vận hành, ta chọn được vật liệu, phương pháp chế tạo (ví dụ: hàn hồ quang để bít kín và ghép bích để nối thiết bị) phù hợp và dựa trên các tiêu chuẩn đã có (chẳng hạn như ASME) để tra các thông

số cần thiết và tính toán bề dày nhờ vào các công thức mà tiêu chuẩn

đã đưa ra

 Đối với thân thiết bị chính, bề dày ta tính được ban đầu chưa phải là bề dày thực tế ta cần chế tạo Trong quá trình vận hành, ta phải kể đến việc vật liệu bị ăn mòn, và dựa vào yêu cầu về thời gian sử dụng thiết

bị (chẳng hạn ta muốn thiết bị sử dụng được trong 5 hoặc 10 năm) thì

ta phải tính lại bề dày hao hụt do ăn mòn theo thời gian

 Kết hợp 2 thông số bề dày trên lại ta sẽ có được bề dày cần chế tạo _Thiết kế các chi tiết đỡ và cố định thiết bị trong điều kiện làm việc:

 Đầu tiên ta cần tính toán tải trọng của thiết bị (trong lúc hoạt động) và xem xét thiết bị sẽ đặt đứng hay đặt ngang để có được những ứng suất tiềm năng mà thiết bị phải chịu khi đặt ở nơi làm việc, sau đó chọn

bộ phận đỡ phù hợp (bệ đỡ, võ đỡ, tai treo) và tính toán bền cho các

bộ phận đỡ này

_Ngoài ra khi cần thiết ta thường thêm các chi tiết bù giãn nỡ cho lỗ hay vị trí kết nối và một số chi tiết tăng cứng khác, tất cả các chi tiết này đều phải được lựa chọn phù hợp và tính toán bền

_Sau khi đã tính xong thiết bị chính và các chi tiết phụ, ta cần xem xét, kiểm tra kĩ các số liệu đã tính để đảm bảo không có sai sót Khi thiết bị đã được chế tạo xong, cần vận hành thử để kiểm tra độ an toàn cũng như hiệu quả của thiết bị

 Thiết kế cơ khí cho thiết bị hóa chất là một việc làm hết sức quan trọng, để có được một thiết bị vận hành được lâu dài, hiệu quả, mang lại lợi ích kinh tế mà vẫn đảm bảo được an toàn trong quá trình vận hành thì ta không thể bỏ qua

bước tính toán, thiết kế này Hiện nay có rất nhiều tiêu chuẩn được đưa ra cho yêu cầu cơ khí của thiết bị, vậy nên việc tính toán đã trở nên dễ dàng hơn và thống nhất hơn giữa các nước trên thế giới Một số tiêu chuẩn sẽ được liệt kê ở phần 3 của bài báo cáo này

2 MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ TRONG LĨNH VỰC HÓA:

2.1 MÁY NGHIỀN BÚA (Quá trình hoạt động chủ yếu là quá trình cơ học):

Máy nghiền nhựa là loại thiết bị dùng để bạm, nghiền nát cuống nhựa, phế phẩm nhựa nhằm mục đích tạo nguyên liệu cho quá trình tái chế phế phẩm nhựa Bản chất là loại máy nghiền phản kích Vật liệu nhập vào được nghiền nát do sự va đập của vật liệu với các cánh búa đang quay và với thành trong của máy Vật liệu sẽ bị biến dạng rồi vỡ ra thành các hạt có kích thước nhỏ hơn Đến khi kích thước hạt nhỏ hơn lỗ dưới, hạt sẽ theo lỗ dưới thoát ra ngoài

Hình 2.1a Máy nghiền nhựa

* Thông số kĩ thuật:

Tốc độ vòng quay: 180 vòng/phút

Lưỡi dao quay: 3 pcs

Kích thước máy: 515x340x460 mm

Đường kính trục quay: Ø110 mm

Năng suất băm: 100 – 700 kg/giờ

Kích thước phế liệu vào: 20 - 600 mm

Kích thước hạt sau băm: 8 – 25 mm

Động cơ: 10 HP

Độ ồn : 55 Db

Dao băm nghiền: nhiệt luyện độ cứng cao,

chịu mài mòn, va đập

2.2 THÁP GIẢI NHIỆT (Quá trình hoạt động chủ yếu là quá trình truyền nhiệt):

Tháp giải nhiệt là một thiết bị được sử dụng để

giảm nhiệt độ của dòng nước bằng cách trích

nhiệt từ nước và thải ra khí quyển Tháp giải

nhiệt tận dụng sự bay hơi nhờ đó nước được

bay hơi vào không khí và thải ra khí quyển

Kết quả là, phần nước còn lại được làm mát

đáng kể Tháp giải nhiệt có thể làm giảm nhiệt

độ của nước thấp hơn so với các thiết bị sử

dụng không khí để loại bỏ nhiệt, như là bộ tản

nhiệt của ô tô và do đó sử dụng tháp giải nhiệt

mang lại hiệu quả cao hơn về mặt năng lượng

và chi phí

Hình 2.2a Tháp giải nhiệt

* Thông số kĩ thuật: (60RT) Nhiệt độ nước vào: 40-450C Nhiệt độ nước ra: 27-280C Công suất động cơ: 1,1 kW Khả năng làm mát: 234000 kcal/h Lưu lượng nước: 780 l/phút Lưu lượng gió: 420 m3 /phút Giải nhiệt từ 20-25 phút

Hình 2.2b Hệ thống kết nối tháp giải nhiệt