CHƯƠNG IV.TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ
4.2. Tính cơ khí cho tháp đệm
• Thiết bị làm việc ở môi trường ít ăn mòn
• Nhiệt độ làm việc t = 27oC
• Áp suất làm việc Plv= 1at= 9.81 (N/m2)
• Chọn vật liệu là thép CT3 để chế tạo thiết bị
Ký hiệu thép: CT3
Giới hạn bền: =380 x 106 (N/m2)
Giới hạn chảy: = 240 x 106 (N/m2)
Chiều dày tấm thép: b = 4-20 (mm)
Độ giãn tương đối: = 25%
Hệ số dẫn nhiệt: ƛ= 50.0 (W/m.oC)
Khối lượng riêng: = 7850 (kg/m3)
Chọn công nghệ gia công là hàn tay bẳng hồ quang điện, bằng cách hàn giáp mối 2 bên.
Hệ số hiệu chỉnh: η=1
Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2.6 Hệ số an toản bền chảy: nc = 1.5 Hệ số bền mối hàn: h
4.2.2.Tính bề dày thân tháp
Các thông số ban đầu tháp mà ta đã biết như sau - Đường kính tháp: D = 1700 mm
- Chiều cao tháp: H = 4320 mm
- Khối lượng riêng của pha lỏng: l = 1000kg/m3 - Tốc độ ăn mòn: 0.05mm/năm
- Hệ số nề mối hàn : Thân hình trụ hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối 2 bên, đường kính thân lớn hơn 700mm. Do đó, hệ số bên mối hàn h =0.95 (lấy bảng XIII.8- Trang 362- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2- PTS Trần Xoa)
- Hệ số hiệu chỉnh: η= 1(thiết bị thuộc nhóm 2 và loại II) (Lấy bảng XIII.2 – Trang 356 - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2- PTS Trần Xoa)
• Xác định áp suất làm việc trong tháp
P = Pmt+Pl
Trong đó
Pmt: Áp suất pha khí trong thiết bị (N/m2), Pmt = 1at= 0.1013(N/mm2) Pl: Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị
Pl= g (N/m2) = 0.0 (N/mm2) Với
: Khối lượng riêng của NaOH, = 2130kg/m3 H: Chiều cao thân tháp, H = m
Do đó
P =0.1013 + 0.0 = 0.1916(N/mm2)
• Xác định ứng suất cho phép của thép CT3
Theo giới hạn bền kéo [] = (N/m2)
Với
: Giới hạn bền kéo,= 380 x106 N/m2 : Hệ số bền kéo, = 2.6
: Hệ số hiệu chỉnh, =1
Theo giới hạn bền chảy [] = (N/m2)
Với
: Giới hạn bền kéo,= 240 x106 N/m2 : Hệ số bền kéo, = 1.5
: Hệ số hiệu chỉnh, =1
Ta lấy giá trị bé hơn trong 2 ứng suất cho phép ở trên làm ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ N/m2 = 146.15N/mm2
• Bề dày thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất trong tính theo lý thuyết vỏ mỏng
Ta có
Vậy: Bề dày tối thiểu của thân là
Với
D: Đường kính tháp: D = mm
P: Áp suất làm việc trong tháp, P = 0.1916 N/mm2
h: Hệ số bền mối hàn: h = 0.95
[: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, = 146.15 N/mm2 Chọn hệ số bổ sung để quy tròn kích thước
C= Ca + Cb + Cc + C0
Với
C0: Hệ số quy tròn kích thước, C0= 0.26mm
Ca: Hệ số bổ sung do bào mòn hóa học trong thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mỏn 0.05mm/năm, Ca=0.75mm
Cb: Hệ số bổ sung cho bào mỏn cơ học, Cb =0
Cc: Hệ số bổ sung do dung sai âm (lấy bảng XIII.9/[1]- Trang 364 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2- PTS – Trần Xoa), Cc = 0.4 mm
Vậy
C = 1.41mm
Do đó: Bề dày thực của thân thiết bị S= = + 1,41 = 2,583 mm
Chọn S = 4 mm ứng với đường kính tháp bằng 1700 mm theo tiêu chuẩn Kiểm tra điều kiện bền
Áp suất cho phép trong thân thiết bị khi bề dày S =4mm được xác định bằng công thức sau
[P] = mm2 >P Với
Ca: Hệ số bổ sung do bào mòn hóa học trong thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mỏn 0.05mm/năm, Ca=0.75mm
S: Bề dày thực của thân thiết bị, S =4mm D: Đường kính tháp: D =1700 mm
h: Hệ số bền mối hàn: h = 0.95
[: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, = 146.15 N/mm2
Thân thấp hấp thụ có bề dày S = 4mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc.
4.2.3.Tính đáy và nắp
- Ta chọn đáy và nắp của tháp là elip
- Chọn vật liệu làm dáy và nắp thiết bị cùng với vật liệu làm thân tháp - Các thông số đã biết
Đáy (nắp) làm bằng thép CT3
C = 1.41mm
= 146.15 N/mm2
Áp suất làm việc phần dưới thân tháp, P = 0.1916 (N/m2)
Đường kính tháp D=1700 mm
Chọn elip tiêu chuẩn => ht/D = 0.25 Với
D: Đường kính tháp, D= 1,7 m ht: Chiều cao phần lồi của tháp (m) Vậy
ht = D x 0.25 = 1,7 x 0.25 = 0,425 (m)
• Bán kính cong phía trong ở đỉnh đáy Rt
Rt= Với
D: Đường kính tháp, D= 1,7 m
ht: Chiều cao phần lồi của tháp, ht=0,425 m
• Tính tỷ số Trong đó
h: Hệ số bền mối hàn: h = 0.95
[: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, = 146.15 N/mm2 P: Áp suất làm việc trong tháp, P = 0.1916 N/mm2 Vậy
• Bề dày tối thiểu của đáy và nắp
Với
Rt: bán kính cong phía trong ở đỉnh đáy, Rt = 850 mm
h: Hệ số bền mối hàn: h = 0.95
[: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, = 146.15 N/mm2 P: Áp suất làm việc trong tháp, P = 0.1916N/mm2 Vậy
Bề dày thực tế của đáy (nắp) S = = + 1,41 = 1,996 mm
Nhận xét: chọn bề dày đáy = bề dày nắp và bằng bề dày thân tháp = 4mm
Kiểm tra
Vậy: Áp suất cho phép ứng với bề dày S=4mm được xác định công thức
[P] = mm2 >P Với
Ca: Hệ số bổ sung do bào mòn hóa học trong thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mỏn 0.05mm/năm, Ca=0.75mm
S: Bề dày thực của thân thiết bị, S =4mm D: Đường kính tháp: D = 1700mm
h: Hệ số bền mối hàn: h = 0.95
[: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, = 146.15 N/mm2 Vậy bề dày của đáy và nắp là S =4mm
Chọn đáy và nắp elip có gờ, chiều cao gờ h = 40mm. Cho ta các thông số của đáy theo bảng XIII.10 và XXIII.11 –Trang 382,383,384 –Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa:
Bảng 4.2.Các thông số của đáy và nắp
Đường kính D, mm 1700
Chiều cao ht,mm 425
Bề mặt trong, m2 3,35
Thể tích, m3 0,734
Đường kính phôi, mm 2078
Khối lượng riêng, kg/m3 7850
Khối lượng, kg 1119
(Nguồn : [9]) 4.2.4.Tính đường ống dẩn khí vào và ra
Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30m/s, chọn vận tốc khí trong ống là 20m/s Ta có đường kính ống vào (ra) là
d=
Với
G: Suất lượng hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ, G = 12000 m3/h = 3,33 m3/s v: Vận tốc khí trong ống vào (ra), v = 20m/s
Chọn đường kính ống dẫn khí vào (ra) là d = m =600 mm đối với thân hình trụ rèn bằng thép không rỉ ( lấy bảng XIII.6 –Trang 359 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa)
Kiểm tra lại vận tốc khí trong ống vào (ra)
Vận tốc khí trong ống: v =
Chọn bề dày ống b = 3mm
Vật liệu làm bằng thép CT3
Theo bảng XIII.32 –Trang 434 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2- PTS Trần Xoa. Thì chiều dài đoạn ống nối (ứng với đường kính ống 600 mm) là 150 mm
4.2.5.Tính đường ống dẫn lỏng vào và ra
Ta chọn vận tốc dòng lỏng là 2m/s (bảng II.2 –Trang 370- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1- PTS Trần Xoa)
Ta có đường kính ống là d =
Với
L: Suất lượng mol của NaOH khi vào tháp, L = 25,55 x 10-3 m3/s v: Vận tốc dòng lỏng trong ống vào (ra), v = 2m/s
Chọn đường kính tiêu chuẩn là d= 0,15m= 150mm Kiểm tra lại vận tốc NaOH trong ống
Vận tốc NaOH trong ống: v = Bề dày ống b = 3mm
Vật liệu làm tháp CT3
Theo bảng XIII.32 –Trang 434 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2- PTS Trần Xoa. Thì chiều dài đoạn ống nối (ứng với đường kính ống 150 mm) là 130mm 4.2.6.Tính các thiết bị khác
• Lớp tách ẩm
Ta dùng lớp tách ẩm này để tách hơi lỏng ra khỏi khí trước khi hỗn hợp khí thoát ra ngoài qua ống dẫn khí ra
Ta chọn lớp tách ẩm dày 300mm và làm bằng vật liệu đệm cùng loại với vật liệu đệm trong tháp hấp thụ
• Ống tháo và nhập đệm
Chọn ống tháo và nhập đệm dựa theo bảng XIII.32 –Trang 434- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa
Áp suất làm việc cho phép [P] = 0.9 N/mm2
Chọn đường kính ống tháo và nhập đệm d = 300mm Vật liệu là thép CT3
Ống tháo và nhập đệm được hàn vào thân thiết bị, bên ngoài có lắp mặt bích Theo bảng tra => chiều dài ống nối là 140mm
• Lưới đỡ và lớp tách ẩm
Lưới đỡ đệm được cấu tạo 2 nửa vỉ thép CT3 nối lại với nhau. Bên trên có hàn các lỗ tay để có thể dễ dàng cẩm nắm khi tháo lắp. Bề mặt lưới được cấu tạo bởi các thanh thép CT3 có kích thước b x h = 5 x 15 mm
Diện tích bề mặt lưới đỡ đệm S =
• Bộ phận phân phối lỏng
Chọn theo tiêu chuẩn thép CT3: dùng đĩa phân phối loại 2 bảng IX.22 –Trang 230 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa
Bảng 4.3. Các thông số của đĩa phân phối lỏng Đường kính
tháp (mm) Đĩa phân phối loại 2 Đường kính
đĩa Dd
Ống dẫn chất lỏng
d x S ( mm) t Số lượng ( loại
2 ) chiếc
1700 750 44.5 x 2.5 70 70
(Nguồn : [9])
Bề dày ống: 3mm Đường kính lỗ: 44.5mm
Bước lỗ (khoảng cách giữa các lỗ): 70mm
• Tính bích
Bích được dùng để ghép nắp với thân thiết bị và để nối các phần của thiết bị với nhau
Chọn kiểu bích liền vì áp suất và nhiệt độ làm việc không cao Vật liệu là thép CT3
Các thông số đo của bích như sau Bảng 4.4. Các thông số của bích
P x106 (N/m2) 0.3
Dt, mm 1700
D, mm 1850
Db,mm 1800
Dl,mm 1760
Do,mm 1715
Đường kính bulong db, mm M24
Số bulong Z, cái 40
h, mm 35
(Nguồn : [9])
(Các thông số về bích được lấy theo bảng XIII.27 –Trang 423 – Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa)
Khối lượng bích m1=
• Tính mặt bích nối ống dẫn và thiết bị - Ống dẫn lỏng vào và ra: d =150 mm
- Ống loại bích liền bẳng kim loại đen để nối, loại bích kiểu
Theo bảngXIII.26- Trang 409- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 –PTS Trần Xoa
Đường kính ngoài Do= 159 mm
Đường kính ngoài của bích D= 260mm Đường kính tâm bulong Dz=225mm Đường kính mép vát Dl = 202 mm Đường kính bulong db = M16 Số bulong z= 8cái
Chiều cao bích h = 16mm Khối lượng bích
m2=
- Ống dẫn khí vào và ra: d=600 mm
- Chọn loại bích liền bằng kim loại đen để nối
Theo bảng XIII.27- Trang 419- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 – PTS Trần Xoa, ta có các thông số sau
Đường kính ngoài Do= 611 mm
Đường kính ngoài của bích D= 740 mm Đường kính tâm bulong Dz= 690mm Đường kính mép vát Dl = 650 mm Đường kính bulong db = M20 Số bulong z= 20 cái
Chiều cao bích h = 20 mm
m3=
• Chân đỡ
Để chọn được chân đỡ thích hợp, trước tiên ta phải tính tải trọng của toàn tháp. Chọn vật liệu làm chân đỡ là thép CT3, khối lượng riêng của thép CT3 là
kg/m3
Khối lượng thân mt=
Với
Dt: Đường kính trong của tháp, Dt =1,7 m Dn: Đường kính ngoài của tháp, Dn=1,708 m H: Chiều cao tháp, H = 4,32 m
: Khối lượng riêng của thép CT3, kg/m3 Vậy
mt=
Khối lượng đáy và nắp Mdn= 2x1119 = 2238 kg
Khối lượng đệm mđ=
Khối lượng dung dịch đệm (tính cho trường hợp ngập lụt) mdd=
Khối lượng lớp tách ẩm mta=
Bộ phận phân phối lỏng: không đáng kể Khối lượng lưới đỡ đệm
mldd,ta= 3 Trong đó
htb: Chiều dày trung bình, htb= 0.002m Sldd = 2,27 m2
Khối lượng các bích
mbích= 4
Khối lượng tổng cộng của tháp Tải trọng toàn tháp
G =
Ta chọn chân đỡ gồm 4 chân Do đó: Tải trọng trên một chân
Các thông số về chân đỡ được trình bày ở bảng sau Bảng 4.5.Các thông số về chân đỡ
L (mm)
B (mm)
B1
(mm)
B2
(mm)
H (mm)
h(mm) s (mm) l (mm) d(mm)
250 180 215 290 350 185 16 90 27
(Nguồn : [9])
(Các thông số về chân đỡ được lấy theo bảng XIII.35 –Trang 437- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2 –PTS Trần Xoa)
Bảng 4.6.Kích thước của tháp hấp thụ
Bộ phận Kích thước (mm)
Đường kính trong của tháp 1700
Đường kính ngoài của tháp 1708
Tiết diện tháp 2300
Chiều cao lớp đệm 2620
Chiều cao toàn tháp 4320
Chiều cao của nắp và đáy tháp 300 Khoảng cách giữa hai lớp đệm 500
Bề dày thân, đáy, nắp tháp 4
Bán kính cong phía trong ở đỉnh, đáy
Chiều cao đáy, nắp 213
Đường kính ống dẫn khí vào, ra 600
Bề dày ống dẫn khí vào, ra 3
Chiều dài đoạn ống nối ống dẫn khí vào, ra 150
Đường kính ống dẫn lỏng vào và ra 150 Bề dày ống dẫn lỏng vào và ra 3 Chiều dài đoạn ống nối ống dẫn lỏng vào, ra
130
Bề dày lớp tách ẩm 300
Đường kính ống tháo và nhập đệm 300 Chiều dài ống nối ống tháo và nhập đệm 140
Bề mặt lưới đỡ b x h = 5 x 15
Đĩa phân phối lỏng Bề dày ống: 3mm
Đường kính lỗ: 44.5mm
Bước lỗ (khoảng cách giữa các lỗ): 70mm