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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC


BÀI TẬP LỚN
CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ HĨA HỌC-CH3349

CBHD:
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 ngồi
- Chọn vật liệu cho thân là thép không gỉ X18H10T
- Chọn thơng số tính tốn:
+ Áp suất tính tốn: Pt = P2 -P1 = 2 – 0,7 = 2 at = 0,2 N/mm2
+ Nhiệt độ tính tốn: 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 tốn 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 tốn: Et = 1,985.105 N/mm2
+ Giới hạn chảy tại nhiệt độ tính tốn: ct = 231 N/mm2
- Tính chiều dày tối thiểu:

 Pt l ' 
Smin 1,18. Dt . t . 

 E Dt 

0,4

0,4

 0,2
1500 
1,18.3000.
.
 10,712mm
5
 1,985.10 3000 

- Chiều dày thực tế:

S  Smin  Ca  Cb  Cc  Cd  10,712  1  0  0  0,211  12mm


- Kiểm tra:
+ Điều kiện 1:

2. S  Ca  l '
1,5.


Dt
Dt
1,5.

2.12 1 1500


3000
3000

Dt
2. S  Ca 
3000
2.12 1

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

l'
E t  2. S  Ca  
 0,3. . 

Dt
c 
Dt


3

1500
1,985.105  2.12 1 
 0,3.
. 


3000
231
 3000 

3

0,5 > 0,161  Đạt

- Tính áp suất ngồi cho phép [Pn]
2

D  S  Ca 
S  Ca
 Pn   0,649. E . 't .
 .
l  Dt 
Dt
t

3000  12 1  12 1
 0,649.1,985.10 .
.
 0,209 N / mm2  Pt  0,2 N / mm2
 .
1500  3000  3000
2

5

 Pn   Pt

 Pn 



0,209  0,2
 0,04  0,05  S = 12mm không đạt yêu cầu
0,209


Ta chọn lại giá trị S để tính tốn. Chọn lại S = 14mm, kiểm tra lại các điều kiện:
+ Điều kiện 1:

2. S  Ca  l '
1,5.


Dt
Dt
1,5.

Dt
2. S  Ca 

2.14 1 1500


3000
3000

3000

2.14 1

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

l'
E t  2. S  Ca  
 0,3. . 

Dt
c 
Dt


3

1500
1,985.105  2.14 1 
 0,3.
. 

3000
231
 3000 

3

0,5 > 0,21  Đạt

- Tính áp suất ngoài cho phép [Pn]:

2

D  S  Ca 
S  Ca
 Pn   0,649. E t . 't .
 .
l  Dt 
Dt
3000  14 1  14 1
 0,649.1,985.10 .
.
 0,318 N / mm2  Pt  0,2 N / mm2
 .
1500  3000  3000
2

5

 Pn   Pt
 Pn 



0,318  0,2
 0,37  0,05  S = 14mm đạt yêu cầu
0,318

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

b) Tính tốn nắp elip chịu áp suất ngồi:
- Vật liệu làm nắp là X18H10T
- Cho trước Snắp = Sthân trụ = 14 mm
- Áp suất tính tốn: 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

Dt 2 30002
Rt 

 4629,629mm
4. ht 4.486
- Kiểm tra S= 14 mm có phù hợp với các điều kiện của nắp elip:
+ Tỉ số

Rt 4629,629

 330,688
S
14

+ Ta thấy:

0,15. E t 0,15.1,95.105
Rt


298,469

 330,688 và

x . t c
0,7.140
S

0,15 

ht
 0,5
Dt

0,15 

486
 0,162  0,5
3000

 Đạt
- Tính áp suất nén cho phép [Pn]
2

2

 S  Ca 

14 1
5 
2
 Pn   0,09. E .
  0,09.1,985.10 .
  0,157 N / mm

 0,947. 4629,629 
 K . Rt 
t

hệ số K được tra bảng và nội suy với 2 điều kiện
K= 0,947
[Pn] = 0,154 > Pt = 0,1  Đạt
Vậy chiều dày nắp elip bằng 14mm

Rt
h
 330,688 và t  0,162
S
Dt


c) Tính tốn đáy nón chịu áp suất ngồi
- Vật liệu làm đáy là X18H10T
- Cho trước Sđáy =Sthân trụ = 14 mm
- Áp suất tính tốn: Pt = P2 - P1tđ = 2,7 – 0,7 = 2 at = 0,2 N/mm2
- Xác định lực tính tốn P:

P

 . Dn 2
4

. Pt 

D* 

 . Dt  2S 
4

2

. Pt 

 . 3000  2.14 
4

2

.0,2  1440229,223 N

0,9. Dt  0,1 Dt1 0,9.3000  0,1.200

 3140,79mm
cos 
cos300

D*
3140,79

120,8

2. S  Ca  2.14  1

D*
- Tra bảng và nội suy với điều kiện

 120,8 ta được giá trị Kc = 0,115
2. S  Ca 
- Lực nén chiều trục cho phép [P]:

 P    . Kc . E t . S  Ca 

2

.cos 2 

  . 0,115.1,95.105 .(14  1) 2 .cos 2 30  8929564,784 N
- Xác định áp suất ngoài cho phép [Pn]:
+ Chiều cao đáy nón l’ : l ' 

Dt  Dt1 3000  200

 2424,87mm
2.tan 
2.tan 30

l'
2424,87
 0,77
+ Ta có tỉ số : * 
D
3140,79


+ Ta thấy:

0,3.

Et

 ct

 2. S  Ca  
l'
1,95.105  2.14 1 

  0,3.

  0,315 < D*  0,77
*
D
140
3140,79




3

3

E t . D*  S  Ca 
S  Ca
 Pn   0,649. ' . *  .
l
D*

 D 
2



2

1,95.105 .3140,79  14 1 
14 1
 0,649.
.
.

2424,87
2424,87
 2424,87 
 0,345 N / mm 2 > Pt = 0,2 N/mm2

- Kiểm tra độ ổn định của đáy nón:

P
P
1440229,223
0,2
 t 

 0,75 < 1  Đạt
 P  Pn  8929564,784 0,345
Vậy chiều dày đáy nón là S = 14mm
d) Tính tốn tai đỡ gắn ở thân thiết bị sấy

- Chọn thông số
+ Khối lượng riêng tiêu chuẩn của thép:   7850 kg / m3
- Tính tốn tai đỡ:
+ Nắp thiết bị sấy:

Fn   .

Dt
3
. hn   . . 0,5  2,356 m2
2
2

 n  0,014 m
 M nap  Fn . n .   2,356. 0,014 .7850  258,92 kg
+ Thân thiết bị sấy:

Fthan   . Dt . H   .3.6  56,55 m 2


 than  0,014 m
 M than  Fthan . than .   56,55. 0,014 .7850  6214,845 kg
+ Đáy thiết bị:

Fday 

 .( Dt  Dt1 ). hday
2



 .(3  0,2).2,425
2

 12,189 m2

 day  0,014 m
 M day  Fday . day .   12,189. 0,014 .7850  1339,57 kg
 M thiet bi  M nap  M than  M day  258,92  6214,845  1339,57  7813,335 kg
- Tải trọng tác dụng lên một tai đỡ: Q 

M 7813,335

 3906,6675 kg  3,91tan
Z
2

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

t1  t1' 70  25

 47,5  50o C
+ Nhiệt độ tính tốn tt 
2
2
+ Hệ số bền mối hàn:  h  1 (vì D1’ = 1 nên có thể hàn từ hai phía)
+ Chiều dài tính tốn của thân bằng khoảng cách giữa 2 vỉ ống: l’ = L = 1,5m =1500mm
- Tra bảng:
+ Mơđun đàn hồi Et tại nhiệt độ tính tốn: Et = 1,96.105 N/mm2
+ Giới hạn chảy tại nhiệt độ tính toán: ct = 235 N/mm2
- Chiều dày tối thiểu:

Smin

l' 
'  Pt
 1,18. Dt . t . ' 
 E Dt 

0,4

 0,1 1500 
 1,18.1000.
.

5
1,96.10
1000 


0,4

 4,22mm

 Chiều dày thực tế:
S  Smin  Ca  Cb  C c  Cd  4,22  1  0  0  0,78  6mm


- Kiểm tra
+ Điều kiện 1

2. S  Ca 
l'
1,5.
 ' 
Dt '
Dt
1,5.

2. 6 1 1500


1000
1000

Dt '
2. S  Ca 
1000
2. 6 1

0,15 < 1,5 < 10  Đạt

+ Điều kiện 2

l'
E t  2. S  Ca  

0,3.
. 

Dt '
c 
Dt '


3

1500
1,96.105  2. 6 1 

 0,3.
. 

1000
235
 1000 

3

0,15 > 0,25  Đạt
Tính áp suất ngồi cho phép [Pn]:
2

Dt '  S  Ca 
S  Ca
P

0,649.
E
.
.
.
 n


l '  Dt ' 
Dt '
t

1000  6 1 

6 1
 0,649.1,96.10 .
.
 0,15 N / mm2  Pt  0,1 N / mm2
 .
1500  1000  1000
2

5

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


b) Tính tốn đáy_nắp elip chịu áp suất ngồi
- Sử dụng vật liệu thép CT3 để làm thân thiết bị ngưng tụ
- Cho trước Sđáy_nắp =Sthân trụ = 6 mm

ht '
- Giả sử đáy_nắp tiêu chuẩn: '  0,25
Dt

 Rt = Dt’ = 1000mm
- Với S = 6mm kiểm tra các điều kiện:

Rt 1000

 166,67
S
6

+ Tỉ số

+ Ta thấy:
t

5

0,15. E 0,15.1,96.10
R

 139  t  166,67 và
t
x . c
0,9.235
S

0,15 

ht ,
 0,5
Dt '

0,15  0,25  0,5

 Thỏa
- Tính áp suất nén cho phép [Pn] :
2

 S  Ca 


6 1
5 
2

0,09.1,96.10
.
 Pn   0,09. E .


  0,4935 N / mm
'
 0,9453.1000 
 K . Rt 
t

Rt
ht '
 166,67 và '  0,25
hệ số K được tra bảng và nội suy với 2 điều kiện
S
Dt

 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:

+

Rt 1000

 250
S
4

Ta thấy:
t

5

0,15. E 0,15.1,96.10
Rt


139

 250 và
x . t c
0,9.235
S

ht ,
0,15  '  0,5
Dt
0,15  0,25  0,5

 Thỏa

- Tính áp suất nén cho phép [Pn] :
2

 S  Ca 
 4 1 
2
 0,09.1,96.105 .
 Pn   0,09. E .
  0,1722 N / mm
' 
 0,96.1000 
 K . Rt 
t

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

Vậy chiều dày nắp elip bằng 4 mm
c) Tính tốn 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:

d1 22
; t = 30 mm

d 2 20

- 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:

h  K1 . Dt .

P0
0,075
 0,6.1000.
 24,36mm  25mm
0 . n 
0,35.130

K1  0,6
Po  P1'  1 0,25  0,75 at  0,075 N / mm2

Trong đó:

 n   130 N / mm2
30

o 

Dn   d n
1

Dn

30

( Dt  2. S )   d n
'



30

*

1

( Dt  2. S )
'

*



(1000  2.7,8)   22
1

(1000  2.7,8)

- Chiều dày mặt bích làm vỉ ống:

h1  K 2 . Dt ' .

P0

 n 

 0,3.1000.

0,075
 7,21mm  8mm
130

K 2  0,3
'
2
Trong đó : Po  P1  1 0,25  0,75 at  0,075 N / mm

 n   130 N / mm2

 0,35


HẾT