BÀI tập 2 cơ sở TÍNH TOÁN THIẾT kế THIẾT bị hóa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

BÀI TẬP 2
CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT
BỊ HĨA HỌC
MSMH: CH3349
Sinh viên:

Nguyễn Hoàng Trung

MSSV:

2014883

Lớp:

A01

Thời gian:

03/05/2023

GVHD:

Hoàng Minh Nam

TP.HCM 05/2023


BÀI TẬP SỐ 2



BÀI LÀM
1. Chọn vật liệu

Thiết bị làm việc trong môi trường muối NaCl có tính ăn mịn nên:
+ Nắp buồng bốc hơi, thân buồng bốc hơi và đáy thiết bị làm bằng thép hợp kim 1X18H9T
+ 1X18H9T
+ Lớp cách nhiệt sử dụng bông thủy tinh được cố định bằng các tấm thép CT3
2. Tính bề dày thiết bị
Ptd1= 0.4at
Tra sổ tay QTTB suy ra
Ptd2= P2+ Pa= 2.5+ 1= 3.5 at
Ptd3= Pa = 1 at
Vì Pa> Ptd1 và Ptd2> Pa (1>0.4 và 3.5>1):
+ Thân buồng bốc hơi, nắp buồng bốc hơi chịu áp suất ngoài
+ Buồng đốt, đáy thiết bị chịu áp suất trong
2.1. Thân buồng bốc hơi thiết bị chịu áp suất ngồi
Ptt2= Pa= 1at= 0.1
N/mm2 Ttt2= Ttm1= 700C
[]= []*× nắp= 125 N/mm2
Dthân= Dt1= 2000 mm
1

ℎ = +
+
) ℎ3
(ℎ

2

2
1

3

1

(

= 2000 +
×

)
400
400 +

= 2400 

3

Ca = 1

Mơ đun đàn hồi của vật liệu tra bảng 2-12, nội suy ta có:
Et= 2×105 N/mm2
 = 220




 2

  2 = 1.18 ×  âℎâ × (
= 1.18 × 2000
×(

0.
1

5

2 × 10

 



2

2



×
)
 = 7.66 
0.
 âℎâ

240
4
0
)
×
2000

0.4


 2 = ���2 + �� + �� + �� = 7.66 + 1 + 1.34 = 10 
Kiểm tra:
1.5 × √

2( âℎâ − �� )

= 0.14 ≤

ℎâ
â

=

2400

= 1.2 ≤

= 10.54

√

ℎâ
â
ℎâ
â
�ℎâ
â
ℎâ
â

ℎâ
â

Et
√[

= 240 = 1.2 ≥
0.3 ×
0
200
0


�


[ ] = 0.649 â
ℎ
×
â

= 0.649 × 2 ×
105 ×

− ) 3
2×
] = 0.41
(ℎâ
â
ℎâ
â




Áp suất tính tốn cho phép:
ℎ

 − 
− 2
) ×√

âℎâ
× ×(
ℎ


â

30 − 1
30 − 1

300
2
√
×
0
3000
×(
)
3000
560
0

= 0.147




≥ 0.1
2

Vậy bề dày thân buồng bốc hơi: S2= 10 mm
2.2. Nắp buồng bốc hơi thiết bị chịu áp suất ngoài
Ptt1= Pa= 1 at= 0.1 N/mm2
Ttt1= T2+ 20=130+ 20= 1500C
[]= []*×

nắp=

125 N/mm2

Dnắp= Dt1= 2000 mm
h1= 400 mm
Chọn S1 theo S2:
S1= S2= 10 mm
2

2(�ℎâ� − )

200
0

30002


2


 =


Kiểm tra:



4×
ℎ

=

4×

600

= 2500 

  2500
0.15 ×   0.15 × 2 ×
105
 1 = ≥ 10= 250
 × 
= 194.8

0.7 × 220
=


Suy ra:

ắ

− 

30 − 1 2
)=
[ 

]=
× 0.09
0.0  × 2
9
×

×
105


×(
×(


) =
0.95
2
5×
375 0
.
0
2
5
6

> 5% ×  
C
h
ọ
n

l
ạ
i

S

1

đ
ể

t
i
ế
t

k
i
ệ
m


c

t

h

r

i

a

Vậy bề dày nắp buồng bốc
hơi: S1= 8 mm

2.3. Buồng đốt chịu áp suất
trong
Ptt4=Ptd2- Pa +  ×  ×

:
p
h
í
,

t
a

c
h
ọ
n

 20 0
 5. .
01 1

05 5
Suy

= ××
ra:
3
1
2.

5
≥
6 2
1


×
1
0
5

=
19
4.8
×
0
.
7

×

2
2
0
=

S
1

= = 0.09 ×

×


8
m
m

K
i
ể
m

=
=
2
[
0. 1 
0
×(
09 0 
] × −. 
1
 1.
1
5
87

 ×
2
2 

ắ
2
10
)

5
0.
−
9
×

( 6
5

)
×

2

5

0
≥ 0

ℎ4=3.5- 1+ 0.001 × 10
× 2000 × 10−3 = 2.52
at= 0.252N/mm2 Ttt4=
Tm2+ 20=130+ 20= 1500C
[






]
=

[


]
*
×



đ
á
y

=

1
2
5


N

×

ℎ
=

1×
20.95
5

=
47
1.2
3
≥
25
0.25
2

/
m
m
2

D
t
2

=

1
0
0

0


B
ề
dà
y
củ
a
b
u
ồ
n
g
đ
ốt
:







m
h3=
400
mm

×

[

]
φ


4

=

ℎ
=
0.9
5




Xét:




[t buồ
h ng
i đốt
B ể
ề u
d
à c

y ủ
tố a
i

0.
25
2
×
10
00

=
=
1.06
2
4
×
=
12
5
×
0.9
5
2


×
m



+



+




+



= 1 + 1 + 0.94
= 3 

Kiểm tra:

h


Áp suất trong cho
phép

3 − = 0.002 ≤ 0.1 (thỏa)
4 −
1

=

2 × [] × ℎ × ( 4 − )
2×
100
125
× 0.95 × (3 − 1)
[ ] =
=
Dt2
 = 0.474
0
2 + ( 4 −
100

)
0+


(3 −

≥ 1)

0.
2
25
2

2
(
ℎ
ỏ

)
Để tính tải trọng thiết bị cần bề dày S tối
thiểu bằng 4 do đó ta chọn S4= 4 mm Áp
suất trong cho phép:
2 × [] × ℎ × (4 − )
2
[]125
×
= × 0.95 × (4 − 1)
=
= 0.71
≥ 0.252 (ỏ
(ℎ2ỏ)
m2
+
(4
Dđáy=
−
)
Dt2=
Vậy bề dày buồng
đốt: S4= 4 mm

1000

2.4. Đáy thiết bị
chịu áp suất
trong

hđáy=h

mm

5=

Ptt5= Ptd2- Pa= 3.51= 2.5 at= 0.25
N/mm2

300

Ttt5= Tm2+ 20=
130+20= 1500C

Bán kính cong bên
trong ở đỉnh đáy:

[]=
[]*
×
nắp
=
125
N/m

mm

2


1000 + (4

− 1)

= 833  

3.
4
−=
10.0
=
Á103
p0≤
0
su00.1
2
1000
ất 25
iểm
4 × 300
=

ch(th

2
tra: =
o ỏa)

p
4

×

hé
ℎ
ℎ
p
5
=
tí
n
0
h
.
to
2
án
5
:
C
h
ọ
n

S
5

=
S
4

=

4

m
m

K


V 3.
ậ
y

[


]
=
2
×
[

]×
φ
h
×
(

5
−




)
=
2
×
1
2
5
×
0
.9
5
×
(3
−
1
)
=
0
.
8
5




≥
0
.

2
5


Vì Dn≈Dt của thiết bị nên ta chọn mặt bích theo tiêu chuẩn
3.1. Mặt bích 6
Chọn vật liệu làm mặt bích 6 là thép CT3.
Chọn vật liệu làm đệm là thép X18H9T có bề dày 3 mm.
Tra bảng tại áp suất làm việc 0.1 N/mm2 và đường kính trong của thiết bị Dt1 = 2000 mm ta có
các kích thước của mặt bích liền:
Đường kính gọi: Dy = 2015 mm
Đường kính ngồi mặt bích: D = 2141 mm
Đường kính gờ mặt bích: Dg = 2060 mm
Chiều dày mặt bích: h = 32 mm
Số lượng bulơng: Z = 44
Đường kính vịng bulơng: db = M20
3.2. Mặt bích 7
Chọn vật liệu làm mặt bích là thép X18H9T.
Chọn vật liệu làm đệm là thép X18H9T có bề dày 3 mm.
Tra bảng tại áp suất làm việc 0.25 N/mm2 và đường kính trong của thiết bị Dt2 = 1000 mm ta
có các kích thước của mặt bích liền:
Đường kính gọi: Dy = 1013 mm
Đường kính ngồi mặt bích: D = 1140 mm
Đường kính gờ mặt bích: Dg = 1060 mm
Chiều dày mặt bích: h = 30 mm
Số lượng bulơng: Z = 28
Đường kính vịng bulơng: db = M20
3.3. Mặt bích 8
Chọn vật liệu làm mặt bích là thép X18H9T.

Chọn vật liệu làm đệm là thép X18H9T có bề dày 3 mm.
Tra bảng tại áp suất làm việc 0.25 N/mm2 và đường kính trong của thiết bị Dt2 = 1000 mm ta
có các kích thước của mặt bích liền:
Đường kính gọi: Dy = 1013 mm
Đường kính ngồi mặt bích: D = 1140 mm
Đường kính gờ mặt bích: Dg = 1060 mm
Chiều dày mặt bích: h = 30 mm
Số lượng bulơng: Z = 28
Đường kính vịng bulơng: db = M20
4. Tính vỉ ống
Sử dụng vỉ ống làm mặt bích cho buồng đốt (ứng với mặt bích 7 và 8).
Đường kính ngồi vỉ ống = đường kích ngồi mặt bích = 1140 mm
Chọn vỉ ống hình trịn phẳng và vật liệu làm vỉ ống là thép khơng gỉ X18H10T, bố trí theo hình
tam giác đều, chọn bề dày ống là 2 mm.
Tổng số ống theo cách sắp xếp này: 187 ống
Áp suất của hơi nước bão hòa tại nhiệt độ 150oC: Po = 480 kPa = 0.48 N/mm2.
•

Chiều dày tính tốn tối thiểu ở phía ngồi của vỉ ống:
h1 = K × Dt2

×√

Po
[σu ]

Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép hợp kim X18H10T ở 150oC là []∗ = 138 N/mm2 và
K
= 0.32, hệ số an toàn: nb = 2.6

→ [] = []∗ ×



= 138 × 2.6 = 359

Po
0.4
→ h1 = K × Dt2 ×
= 11.7 mm
8
√
= 0.32 × 1000 × √
[σu]
35
9
•

Chiều dày tính tốn tối thiểu ở phía giữa của vỉ ống:


5.1. Tăng cứng cho lỗ ở nắp buồng bốc
hơi có d1= 300 mm
× −) − )

( 
u


=2

×
1
((
−

h = K × Dt2
×√

Po
[σ ] × φ

Với ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép hợp kim
X18H10T ở 150oC là []∗ = 138 N/mm2 và K
= 0.5, hệ số an toàn: nb = 2.6
→ [] = []∗ ×



= 138 × 2.6 = 359

=

1140 15 ì 32
= 0.579
1140



0.8
)ì

v
Dn
o =






d
D
n

h=
1000 ì

S



u

0.48

y

359 ì 0.579
ã

Chiu dày thực vỉ ống:

 = h + C = h + Ca + Cb + Cc
= 24 + 1 + 0 + 0 = 25 mm
1 = h1 + C = h1 + Ca + Cb + Cc
= 11.7 + 1 + 0 + 2.3 = 15 mm
Vậy bề dày bên ngoài vỉ ống là S = 25 mm và bên
trong vỉ ống là 15 mm

r
a

l
ỗ

ở

5. Tính tăng cứng cho các lỗ
Vì các lỗ đều có bề dày  ≥ 3  nên ta chọn
phương pháp hàn vòng tăng cứng




1

1











1

= 2 × ((
− 0.8) ×
7.66
√2000 × (8 − 1) − 1)
= 25  <  1

= 24 mm

0.53 ×

8
−
1

n
ắ


p

h
ọ

b

n

u
ồ

S

n

k

g

=

b

S

ố

1

c

=

h

8

ơ
i

m
m

c
ầ
n

t
ă
n
g

 = √ 1 ×
= √2000 × 8 =
127 
5.2. Tăng cứng cho lỗ ở thân buồng bốc
hơi có d2= 600 mm
× −) − )

( 



=2
×
2
((
−

−
0.8
)×
√

c
ứ
n
g




1

C

1

2




10 − 1
= 2 × ((
− 0.8) × √2000 × (10 − 1) − 1) = 99  < 2
7.66
Suy ra lỗ ở nắp buồng bốc hơi cần tăng cứng
Chọn Sk= S2= 10 mm
 = √1 × = √2000 × 10 = 142 
5.2. Tăng cứng cho lỗ ở thân buồng đốt có d3= 200 mm
4 − 
×

= 2 × ((
− 0.8)
(
× √


2

 

)− )

−


4





4

3−1
= 2 × ((
− 0.8) × √1000 × (3 − 1) − 1) = 220  < 3
1.06
Suy ra lỗ ở nắp buồng bốc hơi không cần tăng cứng
5.2. Tăng cứng cho lỗ ở đáy thiết bị có d4= 50 mm
5 − 

= 2 × ((
− 0.8)
× √


2



)− )

−


×
(

5





4

4−1
= 2 × ((
− 0.8) × √1000 × (4 − 1) − 1) = 220  > 4
1.06
Suy ra lỗ ở đáy thiết bị không cần tăng cứng

6. Tính chọn tai treo
Chọn vật liệu làm tai treo là thép CT3, số tai đỡ là 4, có 2 gân trên 1 tai đỡ.
Khối lượng riêng của thép CT3: ρCT3 = 7.85 g/cm3 = 7850 kg/m3
Khối lượng riêng của thép X18H10T: ρX18H10T = 7.98 g/cm3 = 7980 kg/m3
•Khối lượng nắp buồng bốc hơi Thể tích
nắp chưa bao gồm bề dày:
V

=

πh1

nắp1

6

(h

2

+ 3r2)

1

Với r = Dt1/2 = 1 m
→ Vnắp1

=

π × 0.4
6

(0.42 + 3 × 12) = 0.662 m3


Thể tích nắp bao gồm bề dày:

2

V

= πh1 (h

+ 3r′2)
nắp2

1
6
Với r’ = (Dt1 + 0.008)/2 = 1.004 m

→ Vnắp2
Thể tích
nắp cần
tìm:

=

π × 0.4

(0.42 + 3 ×

1.0042) = 0.667 m3
6

Vnắp = Vnắp2 − Vnắp1 =
0.667 − 0.662 = 0.005
m3
Khối lượng nắp cần tìm:
mnắp = Vnắp × ρX18H10T = 0.005
× 7980 = 40 kg
ãKhi lng thõn bung bc hi
(
D
t
1

+
S
)
2

D
t
1
2

mthõn
= Vt
ì
X18H1
0T =
ì
ì

(2
+
0.0
2)
2

22
4


4

h2 ì
X18H10T

ì

ì 3 ì 7980 =
1511.7 kg

ãKhi lng b phn nối buồng bốc và buồng
đốt
Bộ phận nối buồng bốc và
buồng đốt (gọi tắt là X) có
dạng hình nón cụt Thể tích
chưa bao gồm bề dày:
VX1
=

Thể tích
bao gồm
bề dày:

=
V1
X
2

π
(
R
′

2

+
r
′

1

2

+
π
(
R
2

+
r
2

+
R
r
)
h
3
3

Với R = Dt1/2 = 1 m và r = Dt2/2 = 0.5 m

→ VX1
=

1

π(12 + 0.52 + 1 × 0.5)

× 0.4 = 0.733 m3
3

R
′

r
′

)
h
3
3


Với R’ = (Dt1 + 0.02)/2 = 1.01 m và r’ = (Dt2 + 0.02)/2 = 0.51 m (0.01 m là bề dày của X)
→ VX2

=

Thể tích cần tìm:

1

3

π(1.012 + 0.512 + 1.01 × 0.51) × 0.4 = 0.752 m3

VX = VX2 − VX1 = 0.752 − 0.733 = 0.019 m3
Khối lượng cần tìm:
mX = VX × ρX18H10T = 0.019 × 7980 = 151.6 kg
•Khối lượng buồng đốt
(Dt2 + S)2 − Dt22
× h4 × ρX18H10T
4

mbuồng = Vbuồng × ρX18H10T
=π×

π×

(1 + 0.008)2
12

ì 2 ì 7980 = 201.4 kg

4

ãKhi lng ỏy thiết bị Thể tích đáy
chưa bao gồm bề dày:

=

πh5

2

Vđáy (h
1

+ 3r2)

6
5

Với r = Dt2/2 = 0.5 m

→ Vđáy1

=

π × 0.3
6

(0.32 + 3 × 0.52) = 0.132 m3

Thể tích đáy bao gồm bề dày:
Vđáy
2

Với r’ = (Dt2 + 0.004)/2 = 0.502
m
→ Vđáy2
Thể tích đáy cần
tìm:

=

πh5

(h
6
5

2

+ 3r′2)


=

π × 0.3

(0.32 + 0.133

3 × 0.5022) =

m3

6

Vđáy = Vđáy2 − Vđáy1 = 0.133 − 0.132 = 0.001 m3
Khối lượng đáy cần tìm:

mđáy = Vđáy × ρX18H10T = 0.001 × 7980 = 8 kg
•Khối lượng mặt bích 6:
mB = 2(Vb − Vlỗ bulơng) × ρCT3 =
2 × [π

D2 −
2
Dy

× h − 44
×π

4
2×
[π

db2
× h] × ρCT3
4

× 0.032 − 44 0.02 × 0.032] × 7850 = 199.7 kg
2
ì

2.1412
2.0152
4

4

ã Khi lng na trờn bớch 7 và nửa dưới bích 8
mB = 2(VB − Vlỗ bulơng) × ρX18H10T
=2×
[π

D2 −
2
Dy
4

1.142 −
1.0132
4

=2×
[π

× h − 28
×π

d b2
× h] × ρX18H10T
4

× 0.03 − 28 0.02 × 0.03] × 7980 = 98.6 kg
2
ì
4

ãKhi lng dung dch NaCl cha trong v ống Khối lượng

riêng dung dịch NaCl: ρNaCl = 1100 kg/m3
Ta có vỉ ống có 187 ống và đường kính mỗi ống là 32 mm
Dống
mNaCl = VNaCl × ρNaCl = 187
×π×

4

2

× h4 × ρNaCl

0.0322
= 187 × π ×
× 2 × 1100 = 330.9 kg
4
• Khối lượng hơi nước bên ngồi vỉ ống
Hơi nước đi bên ngồi ống để đun sơi dung dịch NaCl trong ống có khối lượng riêng:
ρhơi
= 916.7 kg/m3
mhơi = Vhơi × ρhơi = (Vbuồng − Vống) × ρhơi


2

= (π ×

Dt2

× h4 − 187 ×

4
π×

Dống
4

2

× h4) × ρhơi


× 2 − 187 ×
1
2 π ×
= (π ×
4

0.03 × 2) ì 916.7 = 1164.2 kg
22
ã Kh
4
( 2
2
i
d+ ng
S)
l
n
ng
g d

ng
tron
g v
ng
:
mng =
4
Vng ì
X18H10T
ì h4 ì
= 187
X18H10T
ì

=
187
ì

(ì 2 ì
32
7980 =
0.00
637.6 kg
4

0.03
2
4

ã Khối lượng hai mặt

lắp ống (nửa dưới bích
7 và nửa trên bích 8)
dùng vỉ ống làm mặt
bích
mvỉ = 2 × VB ×
ρX18H10T = (VB
− Vlỗ ống − Vlỗ
bulơng) × ρX18H10T
×
2
h
D
= − (D
t π
2 × − 2
2
×
Dt2 )
×h
(2
π
×

−
×S
18 d −
7
28π
×πố
× n

g
2


4
4
2

4
d
b
u
l
ụ
n
g
2

4
ì
S)
ì
X
18
H1
0T

(1. ì
14 0.01
2 5

187
12) ì
ì
4
0.
0
22
ì
28
4

ã K
h

i
l


+
1
1
6
4
.
2
+
192.8
=

m=

(mnp
+ mthân
+ mX
+
mbuồng
+ mđáy
+ m�
+ mB 
+
mNaCl +
mhơi

×

×
1
=
20.0
×
25
(π
×
−
4π
×

a ×
0.03
c )×
798

ủ 0 =
a 192.
8 kg
t
h
i

t
b

:

0
.
0
3
2
2

4


n
g
t

i


= (40

+
1511.7
+
151.6
+
201.4
+8+
199.7
+ 98.6
+
330.9

ã Tr
n
g
l
n
g
ti
a
c
a
thi
t
b:
G
m
a
x

=
+
+
m
ì
g
115%
=
5
2

17 ì 9.81 = 51178.8
N
ã Tải trọng tác dụng lên
một tai đỡ:


Gma
Q
=
Tra bảng ta có:

x

Z

=

51178.
= 12794.7 (N)

8
4

+ Bề mặt đỡ: F = 89.5 x 10-4 m2
+ Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ:
q = 1.12 x 106 N/mm2
+ L = 110 mm
+ B = 85 mm
+ B1 = 90 mm
+ H = 170 mm
+ s = 8 mm
+ l = 45 mm
+ a = 15 mm
+ d = 23 mm
+ Khối lượng 1 tai treo: 2 kg
Khối lượng thiết bị chủ yếu tập trung ở
phần thân vì vậy ta đặt tai treo ở thân
theo cách sắp xếp 4 tai treo trên cùng
một mặt phẳng và cách đều nhau. Vị trí
tai treo nm 2/3 chiu
2
2
cao
= 1333.3
mm.thõn =

=
4ì
ì
20

00
3
3
ã B
2.24 ì
12794.7
d
y
gõ
n
tai

:
2.24 ì Q