thiết kế cơ khí thiết bị cô đặc chân không

Bài toán: tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH với: Năng suất nhập liệu: 1m3 h (30oC) Nồng độ đầu: 18wt% Nồng độ cuối 30wt% Nhiệt độ hơi thứ : 90oC 2. GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH 2.1. Cô đặc: Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ của các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏngrắn hay lỏng lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) đó là các quá trình vật lýhóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

BTL: Cơ sở thiết kế thiết bị hóa chất

TÍNH BỀN CƠ KHÍ C THIẾT BỊ

CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI THEO ASME

CBHD: TS Nguyễn Hữu Hiếu

SVTH:

Trần Minh Mẫn 1511952 Nguyễn Đăng Khoa 1511579 Nguyễn Thị Út 1514187 Nguyễn Thanh Duy 1510483

La Nam Phát 1512404

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 04/2018

Trang 2

Mục lục

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH 1

2.1 Cô đặc: 1

2.2 Các phương pháp cô đặc: 1

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: 1

2.4 Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt 2 3 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 4

4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

5 TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ 6

5.1 Buồng đốt 6

5.1.1 Thân buồng đốt 6

5.1.2 Vỉ ống 7

5.2 Buồng bốc 7

5.2.1 Thân Buồng bốc 7

5.2.2 Thân côn chuyển tiếp 8

5.3 Nắp Elip 10

5.4 Đáy nón 10

5.5 Mặt bích 11

6 KẾT LUẬN 12

7 CÁC HỆ SỐ TRA 12

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

Trang 3

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Bài toán: tính bền cơ khí cho các chi tiết của thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH với:

- Năng suất nhập liệu: 1m3/h (30oC)

- Nồng độ đầu: 18wt%

- Nồng độ cuối 30wt%

- Nhiệt độ hơi thứ : 90oC

2 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH

2.1 Cô đặc:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ của các chất hòa tan trong dung dịch gồm 2 hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch rắn hay lỏng-lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) đó là các quá trình vật lý-hóa lý Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

2.2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt (đun nóng) Phương pháp lạnh

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng

sang trạng thái hơi dưới tác dụng của

nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng

áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất

lỏng

Khi hạ nhiệt độ đến một mức nào đó , một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt

để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần

tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

Trang 4

Ứng dụng:

- Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…

- Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…

2.4 Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp

nhiệt

thực hiện quá trình Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên

(tuần hoàn tự nhiên)

Thiết bị cô đặc nhóm này có thể cô đặc

dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm

bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt

truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức

(tuần hoàn cưỡng bức)

Thiết bị cô đặc nhóm này dùng bơm để

tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5

m/s tại bề mặt truyền nhiệt

Ưu điểm chính là tăng cường hệ số

truyền nhiệt k, dùng được cho các dung

dịch khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám

cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng

mỏng

Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép

dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt

truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược)

để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm

biến chất một số thành phần của dung

dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở):

Nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất

Cô đặc áp suất chân không:

Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

Cô đặc nhiều nồi:

Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể

cô chân không, cô áp lực hay phối hợp

cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục:

Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn

Trang 5

dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa

quả ép

Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

Trong bài báo cáo này nhóm xin chọn thiết bị cô đặc một nồi liên tục ở áp suất chân không làm thiết bị nghiên cứu, tính toán bề dày các bộ phận chính của thiết bị:

Hình ảnh minh họa thiết bị cô đặc một nồi liên tục ở áp suất chân không:

- Ống nhập liệu, ống tháo liệu

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

- Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưnng

Trang 6

3 THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

1- Yêu cầu CN

2- Giả định;

3- Bảng PL2, Tr.212 -(Sách thầy Nguyễn Hữu Hiếu) hoặc sổ tay QTTB

4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

American Society of Mechanical Engineers (ASME) là một tổ chức nghề nghiệp

giúp thúc đẩy nghệ thuật, khoa học, và quy trình kỹ thuật của các ngành nghề kỹ thuật và liên kết các ngành khoa học trên khắp thế giới thông qua việc thường xuyên giáo dục, đào tạo và phát triển nghề nghiệp, "codes" và tiêu chuẩn, nghiên cứu, hội thảo và xuất bản ấn phẩm, liên lạc các hiệp hội, và các nỗ lực khác giúp tổ chức vươn xa hơn

Vì vậy mà ASME là một đoàn thể kỹ thuật, một tổ chức tiêu chuẩn, một tổ chức nghiên cứu và phát triển, một tổ chức vận động hành lang, một nhà cung cấp về

Thiết Bị Cô Đặc Chân

Thông

Số

Các

Dòng

Vật

Chất

Dòng nhập liệu

Khối lƣợng riêng 1273,25 kg.m-3 3

90 oC 1

Dòng sản phẩm

đáy

Dòng hơi đốt

(bão hòa)

Thông

Số

Hình

Học

Buồng bốc

Buồng Đốt

Số ống Tuần Hoàn

Trang 7

đào tạo và giáo dục, và là một tổ chức phi lợi nhuận Được thành lập như một đoàn thể kỹ thuật, tập trung vào kỹ thuật cơ khí ở Bắc Mỹ, ASME ngày nay là một tổ chức đa nghề nghiệp và toàn cầu

ASME có trên 140,000 thành viên trên 158 quốc gia trên thế giới

ASME được thành lập vào năm 1880 bởi Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter Worthington, John Edison Sweet và Matthias N Forney để đáp ứng lại nhiều thất bại trong các đường ống chịu áp lực nồi hơi Được biết đến cho việc thiết lập "codes" và các tiêu chuẩn cho các thiết bị cơ khí, ASME chỉ đạo một trong những "tài liệu kỹ thuật vận hành" lớn nhất thế giới, tổ chức nhiều hội thảo

kỹ thuật và hàng trăm khóa học phát triển nghề nghiệp hàng năm, và bảo trợ cho nhiều chương trình giáo dục vươn xa

ASME là một trong những tổ chức về tiêu chuẩn lâu đời nhất của Hoa Kỳ Tổ chức phát hành gần 600 "codes" và tiêu chuẩn trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, như

bu lông ốc vít, đường ống nước, thang máy, đường ống dẫn và hệ thống nhà máy điện và các thành phần

ASME phát triển các tiêu chuẩn tự nguyện để nâng cao an toàn, sức khỏe và chất lượng sống của cộng đồng, cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho sự đổi mới, thương mại và cạnh tranh

ASME phát triển và xét duyệt các tiêu chuẩn dựa trên nhu cầu của thị trường thông qua quy trình thống nhất, thỏa thuận và cam kết giữa các bên liên quan gồm các nhà sản xuất, người dùng, chính quyền và các bên quan tâm khác Việc xây dựng tiêu chuẩn ASME cùng với sự xét duyệt theo sau đều được đánh giá dựa trên các dữ liệu có độ tin cậy cao với sự nhất trí của các ủy ban tham gia vào quy trình xây dựng tiêu chuẩn

Trang 8

5 TÍNH BỀN CHO THIẾT BỊ

5.1 Buồng đốt

5.1.1 Thân buồng đốt

Vật liệu

chế tạo

Thép 304 dạng tấm (18Cr-8Ni) Chỉ số kỹ thuật: SA-240-S30400 Đường kính trong

thân buồng đốt

Di=600mm (  24in)

Nhiệt độ thiết kế

Ttk=150oC+20oC=170oC=338oF (có bọc cách nhiệt)

Dung sai ăn mòn CA=2mm (  0,08in)

Ứng suất cực đại

S=14544psi

Tra tại hàng 43 PL3.23,24, trang 264 – Sách thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu

Hệ số bền

mối hàn

Mối hàn dọc trục (theo ứng suất vòng)

Mối hàn vòng ( theo ứng suất dọc)

Tra tại PL4, trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 hoặc bảng 14.1, trang 141 -hệ số bền mối hàn– Sách thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu

Áp suất làm việc P=69,02psi

Áp suất ngoài Pn=Pkq=14,7psi

P>Pn: thân buồng đốt chịu áp suất trong

Áp suất thiết kế Ptk=69,02psi-14,7psi=54,32psi

Bề dày tính toán:

Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục):

24

54, 32

0, 06

0, 6 14544 0, 7 0, 6 54, 32

i v

d

in psi

P R

 

 

 

Theo ứng suất dọc (mối hàn vòng):

24

54, 32

0, 03

i d

v

in psi

P R

 

 

 

Bề dày tối thiểu:

( ; )v d A 0, 06 0, 08 0,14 3, 56

Chọn bề dày tối thiểu là 4mm (0,16in) để tiện cho việc chế tạo

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP):

Theo ứng suất vòng (mối hàn dọc trục):

14544 0, 7 0,16

134, 67 24

2

d v

i

SE t

in

Theo ứng suất dọc (mối hàn vòng):

2 14544 0,85 0,16 2

331, 43 24

2

v d

i

SE t

in

Ta có: MinMAWP v; MAWPd  134, 67psiP tk

Thỏa điều kiện bền Chọn t=4mm (0,16in)

t

Do

Trang 9

5.1.2 Vỉ ống

Vật liệu

chế tạo

thân vĩ ống

Di=600mm (  24in)

Nhiệt độ thiết kế Ttk=150oC+20oC=170oC=338oF

Ứng suất cực đại

S=14544psi

Tra tại hàng 43 PL3.23,24, trang 264 – Sách thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu

Hệ số bền

mối hàn

Phương pháp hàn giáp mối một phía có: E=0,65 Tra tại PL4, trang 275 ; bảng 4.3 trang 38 hoặc bảng 14.1, trang 141 -hệ số bền mối hàn– Sách thiết kế cơ khí thiết bị áp lực – Nguyễn Hữu Hiếu

Áp suất làm việc

(Phía hơi đốt)

P1=69,02psi

Áp suất ngoài

(Phía buồng bốc)

P2 =10,17psi

P1>Pkq>P2: vĩ ống chịu áp suất P1

Áp suất thiết kế Ptk=69,02psi

Bề dày tối thiểu:

0,13

14544 0, 65

psi P

Chọn bề dày tối thiểu là 21mm (0,84in)

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép (MAWP):

14544 s 0, 65 0,84

i

p i

   

     

 

Thỏa điều kiện bền Chọn t=21mm (0,84in)

5.2 Buồng bốc

5.2.1 Thân Buồng bốc

Vật liệu

chế tạo

thân buồng bốc

Di=800mm (  32in)

Chiều cao

thân buồng bốc

H=2000mm (  80in)

Moduls đàn hồi

Et=26,772.106 psi

Tra PL5, nhóm G, Tr.277, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực - Nguyễn Hữu Hiếu

P<Pkq=Pn: thân buồng bốc chịu áp suất ngoài

Trang 10

Tính toán sơ bộ bề dày thân buồng bốc theo công thức Hồ Lê Viên: Tính các thông số hình học đặc trƣng:

 

      

Bề dày sơ bộ:

0,4 0,4

'

6

232

32

26, 772.10

tk i

in

 

Chọn t=5mm (0,2in) làm bề dày tối thiểu

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép

Tính các thông số hình học đặc trƣng:

o

    

   

      

 

Tìm A:

Tra bảng PL6.1, tr 297 – Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu

3

32, 4

162

0, 2

0, 26705.10

82, 7

2, 55

32, 4

o

A











Tìm B:

Tra bảng PL6.8, tr.308 – Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu

338

3485,114

o



Áp suất tối đa cho phép:

4 3485,114 4

3 162 3

o

psi B

D t

Vậy bề dày thân buồng bốc tối thiểu yêu cầu là 5mm (0,2in) 5.2.2 Thân côn chuyển tiếp

Vật liệu

chế tạo

=600mm (  24in) Lớn: DL=800mm(  32in)

P<Pkq=Pn: thân côn chuyển tiếp chịu áp suất ngoài

Trang 11

Bề dày sơ bộ Chọn bề dày buồng bốc làm bề dày sơ bộ của thân côn chuyển tiếp t=5mm

(0,2in)

30o

 

Đường kính ngoài đáy lớn:

2 32 2 0, 2 32, 4

Đường kính ngoài đáy bé:

2 24 2 0, 2 24, 4

Bề dày tương đương:

10

o e

Do: 32, 4 187, 06 10; 30 60

1 3 10

L e

Xác định áp suất tối đa cho phép:

Tính toán kích thước sơ bộ:

32, 4

28, 06

2 tan 2 tan 30

L

o

S e

L

D



      

 

Tìm A:

Tra bảng PL6.1, tr 297 – Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu

3

32, 4

187, 06 1

3

24, 60

0, 76

32, 4

L e

e L

t

in

A







 







Tìm B:

Tra bảng PL6.8, tr.308 – Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu 338

3462,18

o



  

Áp suất tối đa cho phép:

4 3462,18 4

3 187, 06 3

L e

psi B

D t

 

 

 

Vậy bề dày thân côn chuyển tiếp tối thiểu yêu cầu là 5mm (0,2in)

Trang 12

5.3 Nắp Elip

Vật liệu

chế tạo

của nắp

Di=800mm (  32in)

Áp suất làm việc P=10,17psi

P<Pkq=Pn: đáy chịu áp suất ngoài

Bề dày sơ bộ Để dể chế tạo chọn bề dày nắp elip bằng bề dày thân buồng bốc 5mm

(0,2in)

Do=Di+2t=32in+2(0,2in)=32,4in

0,125 0,125 / 0, 9 D / 0,125

0, 9.32, 4 / 0, 2

o

A



Tra bảng PL6.8, tr.308 – Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-Nguyễn Hữu Hiếu

5750,176

 

Tính áp suất tối đa cho phép:

5750,176

/ 0,9(32, 4 ) / 0, 2

Vậy bề dày nắp elip tối thiểu yêu cầu là 5mm(0,2in)

5.4 Đáy nón

Vật liệu

chế tạo

Đáy nón

Di=600mm (  24in)

Áp suất làm việc P=10,17psi

P<Pkq=Pn: nắp chịu áp suất ngoài

Bề dày sơ bộ Để dể chế tạo chọn bề dày đáy nón bằng bề dày thân buồng đốt t=4mm

(0,16in)

Các thông số hình học đặc trƣng

30o C

e

Đường kính ngoài đáy lớn:

2 24 2 0,16 24, 32

Đường kính ngoài đáy bé:

Trang 13

S

D 

Ta có:   30o 60o; 24,32

175,51 10

0, 08 3

L e

Chiều dài tương đương:

24, 32

21, 06

2 tan 2 tan 30

L

o

S e

L

D



      

 

Áp suất tối đa cho phép:

Xác định hệ số A: Tra bảng PL6.1, Tr297-Sách Thầy Hiếu

4

10, 53

0, 433

24, 32

9,88.10

24, 32

175, 51

0, 08 3

e L L e

A











Xác định hệ số B: Tra bảng PL6.8, Tr308-Sách Thầy Hiếu

44996

 

Kiểm tra áp suất tối đa cho phép

4 44996 4

341,83

3 175, 51 3

L e

psi B

D t

 

 

 

Vậy bề dày đáy nón tối thiểu yêu cầu là 4mm (0,16in)

Chọn áp suất thiết kế lớn nhất làm áp suất thiết kế cho mặt bích:

Ptk=69,02psi=4,76bar

Chọn áp suất danh nghĩa là P=6bar

Đường kính ngoài buồng đốt: Do=600+2.4=608mm=24,32in

Đường kính ngoài buồng bốc: Do=800+2.5=810mm=32,4in

Tra bản phụ lục PL7.2, trang 315-sách Thầy Hiếu

Ta được thông số thiết kế cho mặt bích

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	546,72 KB