báo cáo thiết kế thiết bị chưng cất theo tiêu chuẩn asme

Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
1. Giới thiệu sơ lược.
1.1. Chưng cất là gì.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao
về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn
luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hồn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng
cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương
pháp phù hợp. Đối với hệ Etanol – Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng
phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết.
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp
khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của từng cấu tử trong
hỗn hợp ( nghĩa là khi ở cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau).
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung
môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với
tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan
không bay hơi.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy
nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có
độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, còn sản phẩm đáy gồm cấu tử
có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.

1.2. Tiêu chuẩn ASME.
Tiêu chuẩn ASME là bộ tiêu chuẩn Mỹ trải rộng trong các chủ đề gồm: Công nghệ
áp suất, nhà máy hạt nhân, thang máy/ thang tự động, xây dựng, tiêu chuẩn hóa, thiết kế
kĩ thuật và kiểm tra hiệu năng.
ASME được sáng lập năm 1880 bởi Alexander Lyman Holley, Henry Rossiter
Worthington, John Edison Sweet và Matthias N. Forney. Với nhiệm vụ là giải quyết các
sự cố nồi áp suất, lò hơi.
ASME được biến đến trong việc thiết lập các bộ mã và tiêu chuẩn cho các thiết bị
cơ khí. Với mục đích sáng lập ban đầu là thành lập một Liên đoàn kỹ thuật với mục đích

tập trung nghiên cứu các kĩ thuật liên quan đến lĩnh vực cơ khí ở Bắc Mỹ. Và theo dòng
phát triển, ASME ngày nay đã trở thành một tổ chức đa ngành và có sức ảnh hưởng lớn
đến ngành cơ khí thiết kế chế tạo của toàn cầu.
ASME có sứ mệnh là phát triển các tiêu chuẩn, bộ luật và các chương trình đánh
giá phù hợp nhất các sản phẩm và dịch vụ liên quan trên thế giới vì lợi ích nhân loại. Thu
hút những người tài năng và giỏi nhất trên thế giới để cùng phát triển, duy trì và phát
động việc sử dụng ASME trong các sản phẩm, dịch vụ liên quan.
1


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
ASME hiện nay có hơn 14.000 thành viên ở 158 quốc gia trên thế giới.
ASME có những phạm vi tiêu chuẩn đáng chú ý như:
•
•
•

Thang máy và cầu thang tự động ( loạt tiêu chuẩn ASME A17 )
Ống và đường ống ( loạt tiêu chuẩn ASME B31)
Các thiết bị quy trình kép ( loạt tiêu chuẩn ASME BPE )
• Van mặt bích, phụ kiện ống và các miếng đệm ( loạt tiêu chuẩn ASME B16 )

2. Các loại tháp chưng cất.
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt
tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào
lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng
phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng
là tháp mâm và tháp chêm.

2.1. Tháp mâm.
•

Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau,
trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ s…, có rãnh xung
quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình tròn.

2


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

•

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

2.2. Tháp chêm ( tháp đệm ).
Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được
cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

3


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

2.3. So sánh ưu nhược điểm của từng loại tháp.

Vậy

Ưu điểm

Nhược điểm

Tháp chêm

Tháp mâm
xuyên lỗ

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với
chất lỏng bẩn nếu dùng
đệm cầu có ρ ≈ ρ của
chất lỏng.

- Trở lực tương đối
thấp.
- Hiệu suất khá cao.
- Làm việc được với
chất lỏng bẩn.

- Do có hiệu ứng thành
→ hiệu suất truyền khối
thấp.
- Độ ổn định không cao,
khó vận hành.
- Do có hiệu ứng thành
→ khi tăng năng suất thì
hiệu ứng thành tăng →

khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

- Kết cấu khá phức tạp.

Tháp
mâm
chóp
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao

- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp Etanol – nước

4


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
3. Tính toán cơ khí cho thiết bị chưng cất theo tiêu chuẩn ASME.
3.1 Điều kiện làm việc của thiết bị
-Tháp cao 30,75m; bao gồm 72 đĩa chóp, khoảng cách giữa các đĩa là 350 mm,
mỗi mâm 181 chóp,đường kính trong tháp 3,0 m; hoạt động ở áp suất thường.
-Áp suất ở đỉnh của tháp được giữ 2,0-2,2 bar; áp suất ở đáy 2,3-2,5 bar.
-Nhiệt độ của đỉnh và đáy tháp lần lượt là 96-98 độ C và 123-126 độ C.
-Nồng độ:
•

Nhập liệu: 50%
•
Đỉnh: 95%
•
Đáy 5%
-Lưu lượng:
• Nhập liệu:27,5 m3/h
• Sản phẩm đỉnh: 13 m3/h
• Hoàn lưu: 62m3/h

3.2 Vật liệu chế tạo thiết bị.
3.2.1. Giới thiệu:
SA304 hay Inox 304 là 1 loại thép không gỉ được ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh
vực. Inox 304 thể hiện được khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của mình khi được tiếp
xúc với nhiều loại hóa chất khác nhau. Inox 304 có khả năng chống gỉ trong hầu hết các
môi trường của quá trình chế biến thực phẩm và rất dễ vệ sinh.Ngoài ra,Inox 304 còn thể
hiện khả năng chống ăn mòn của mình trong hầu hết các acid vô cơ.

5


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

3.2.2. Khả năng chịu nhiệt Inox 304:
Inox 304 có khả năng chống oxi hóa tốt ở nhiệt độ 870 độ C,và tiếp tục thể hiện
được lên đến nhiệt độ 925 độ C. Trong những trường hợp yêu cầu độ bền nhiệt cao, thì
người ta yêu cầu vật liệu có hàm lượng cacbon cao hơn.

3.2.3. Cơ tính và tính chất vật lý Inox 304:
Giống như các loại thép trong dòng Austenitic thì từ tính của Inox 304 là rất yếu

và hầu như là không có. Nhưng khi làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp,thì từ tính
lại rất mạnh.
Tôi là phương pháp chính để sản xuất Inox 304. Điều này được thực hiện bằng
cách nung nóng lên đến 1010 độ C-1120 độ C, và sau đó nhanh chóng làm mát -thường là
phương pháp làm nguội bằng nước lạnh.

3.2.4. Khả năng gia công:
Inox 304 có khả năng tạo hình rất tốt, nó có thể dát mỏng không cần gia nhiệt.
Điều này làm cho Inox 304 độc quyền trong việc sản xuất các chi tiết Inox.
Inox 304 thể hiện khả năng hàn tuyệt vời,loại Inox này phù hợp với tất cả các kĩ
thuật hàn (trừ kĩ thuật hàn gió đá). Khả năng cắt gọt của Inox 304 kém hơn so với các
loại thép Cacbon, khi gia công vật liệu này trên các máy công cụ thì phải yêu cầu tốc độ
quay thấp, quán tính lớn, dụng cũ cắt phải cứng, bén và không quên dung nước làm mát.

3.3. Chọn các thông số thiết kế nhiệt độ, áp suất.
Áp suất thiết kế cho nắp được lấy 10% trên áp suất vận hành:
Ptk = 2,2*14,5*1,1 = 35 (psi)
6


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
Áp suất thũy tĩnh của cột chất lỏng:
Ptt = ρgHφ = 787*9,81*30,75*0,75 = 17,8*104 N/m2 = 23,8 (psi)
Trong đó: ρ là khối lượng riêng của hệ Etanol – nước ( kg/m3)
g là gia tốc trọng trường ( m/s2)
H là chiều cao tháp (m)
φ là hệ số chứa đầy
Áp suất thiết kế cho đáy và thân tháp:
Ptk = Plv + Ptt + ∆P = 2,5*14,5 + 23,8 + 0,13*14,5 = 61,9 (psi)
Trong đó: Plv là áp suất làm việc

Ptt là áp suất thủy tĩnh
∆P là tổng trở lực ( dữ liệu tham khảo đồ án môn học quá trình và
thiết bị )
Nhiệt độ thiết kế: T = 1230C = 260oF

3.4. Tra các thông số tính cần thiết.
Giá trị ứng suất cực đại S
Tra Bảng PL3.23,24, Phụ lục 3, hàng 43 hoặc có thể sử dụng hàng 44.
Modun đàn hồi E
Giá trị modun đàn hồi ( E ) được tra theo vật liệu và nhiệt độ thiết kế. Trường hợp vật
liệu không có giá trị E ở đây thì xem thêm các trang 788-791, ASME BPVC.II.D.C-2015.
Tra Bảng PL5, Phụ lục 5, Nhóm G [ Ghi chú (7) ]
Dung sai ăn mòn cho phép: CA = 2 mm =0,0787 in

3.5. chọn phương pháp gia công.
-Cho thân tháp:
Kiểu hàn một phía chữ “V”
Hệ số bền mối hàn: φh = 0,85
-Cho thanh đỡ mâm:
7


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
Kiểu hàn một phía chữ “V”
Hệ số bền mối hàn: φh = 0,8

3.6. Chọn tiêu chuẩn để thiết kế.
Thiết kế tháp chưng cất etanol – nước theo tiêu chuẩn mỹ ( ASME ).

3.6.1. Nắp elip chịu áp suất trong.

Ptk = 35 psi > Pkq = 14,7 psi
Chịu áp suất trong.
Với:

Gỉa sử ≥ 0,002
ts : bề dày tối thiểu yêu cầu của nắp elip sau khi hình thành.
L : bán kính trong tương đương, L = 0,9 Dtrong = 0,9 × 3 = 2,7 m = 106,3 in.

-

Bề dày nắp elip

t = = = 0,1456 in =3,7 mm
( theo công thức 14.15 trang 158 )
Bề dày tối thiểu sau khi hình thành:
ts = t + CA = 3,7 + 2 = 5,7 mm
Trong đó:

CA: Dung sai ăn mòn cho phép

Chọn te = 6 mm
-

Kiểm tra lại giả sử:
= ≈ 0,0022 > 0,002
te ≥ t

Vậy giả sử là đúng.
Chọn tấm thép 304 có bề dày 6 mm để chế tạo nắp thiết bị.

3.6.2. Đáy elip chịu áp suất trong.
Ptk = 61,9 psi > Pkq = 14,7 psi
Chịu áp suất trong.
Với:

Gỉa sử ≥ 0,002
ts : bề dày tối thiểu yêu cầu của đáy elip sau khi hình thành.
L : bán kính trong tương đương, L = 0,9 Dtrong = 0,9 × 3 = 2,7 m = 106,3 in.
8


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
-

Bề dày đáy elip

t = = = 0,2576 in = 6,5 mm
( theo công thức 14.15 trang 158 )
Bề dày tối thiểu sau khi hình thành:
ts = t + CA = 6,5 + 2 = 8,6 mm
Trong đó:

CA: Dung sai ăn mòn cho phép

Chọn te = 9 mm
-

Kiểm tra lại giả sử:
= ≈ 0,0033 > 0,002
te ≥ t

Vậy giả sử là đúng.
Chọn tấm thép 304 có bề dày 9 mm để chế tạo đáy thiết bị.

3.6.3. Thân trụ chịu áp suất trong.
-

Thân trụ có bề dày tối thiểu yêu cầu:
+ Theo ứng suất vòng:
tt,v = = = 0,2582 in.
+ Theo ứng suất dọc trục:

tt,d = = = 0,1286 in.
⇒ tt = tt,v +CA = 0,2582 + 0,0787 = 0,3369 in = 8,55 mm.
Chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân là 9 mm.
-

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

Bề dày tối thiểu để kiểm tra là 9 mm = 0,3543 in
+ Theo ứng suất vòng:
(MAWP)v = = = 84,9 psi > Ptk = 61,9 psi
+ Theo ứng suất dọc trục:
( MAWP)d = = = 170,7 psi > Ptk = 61,9 psi
Vậy, MAWP = 84,9 psi = min
Thân chịu áp suất trong, có bề dày tối thiểu yêu cầu là 9 mm.
9


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

3.6.4. Lựa chọn mặt bích
Đường kính ống tháo sản phẩm đáy: 600mm
Đường kính ống hoàn lưu: 450mm & ống thoát sản phẩm đỉnh: 400mm
Chọn mặt bích:

24 (inch) ⟶ ống tháo sản phẩm đáy
16 (inch) ⟶ ống hoàn lưu và ống ở đỉnh

10


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

Các yếu tố chọn vật liệu làm đệm
- Điều kiện quá trình làm việc:
+ Áp suất
+ Nhiệt độ
+ Tính ăn mòn của chất lỏng
- Loại mặt bích, mục đích sử dụng.
- Độ đàn hồi của vật liệu
Vd: - Áp suất trong thiết bị có xu hướng làm tách các mặt bích ra khỏi nhau
⟶ Áp suất tác dụng lên đệm thấp hơn áp suất của lực siết chặt đệm ban đầu
- Vật liệu làm đêm
⟶ không bị ăn mòn & phải chịu được nhiệt độ cao

11


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất

3.6.5. Chọn bệ đỡ.

Phải chịu được sự kết hợp tải xấu nhất mà không bị phá hỏng.
-

Áp suất của tháp ở điều kiện xấu nhất
Tải trọng lượng toàn phần của thiết bị và các chi tiếc nối
Tải trọng của gió
12


Thiết kế cơ khí cho thiết bị chưng cất
-

Động đất (địa chấn)

-

Tải bên ngoài đặt lên thiết bị như các đường ống và các thiết bị kèm theo

3.7. Kiểm tra điều kiện thiết kế.
3.7.1. Áp suất làm việc tối đa cho phép.
Đã kiểm tra trong phần tính bền cơ khí cho thân, đáy và nắp ( 3.6 )

3.7.2.Kiểm tra bề mặt khi chế tạo.
Khi quá trình tiến hành chế tạo, tất cả các vật liệu được sử dụng phải được kiểm
tra về sự không hoàn hảo được phát hiện trong quá trình chế tạo cũng như để đảm bảo
rằng công việc được thực hiện đúng.

3.7.3. Kiểm tra kích thước của các bộ phận.
Nhà sản xuất phải kiểm tra các bộ phận giữ áp để chắc chắn chúng phù hợp với
hình dạng theo quy định và đáp ứng các yêu cầu về bề dày sau khi hình thành. Nhà sản
xuất thiết bị phải cung cấp những mẫu được hình thành chính xác theo yêu cầu của người
kiểm tra để xác nhận.
Trước khi gắn miệng, khung cửa người, tăng cứng miệng và các phụ kiện khác ở
trong hoặc ngoài thiết bị thì phải kiểm tra để chắc chắn chúng phù hợp với độ cong thiết
bị.
Người kiểm tra phải chứng minh rằng các yêu cầu về kích thước nêu trên đã được
đáp ứng. Điều này bao gồm việc đo các kích thước khi thấy cần thiết.

3.7.4. Kiểm tra trong quá trình chế tạo.
Khi điều kiện còn cho phép để có thể vào trong thiết bị thì việc hoàn tất kiểm tra
bên trong được thực hiện trước khi đóng kín thiết bị.
Người kiểm tra phải thực hiện việc kiểm tra bên ngoài của thiết bị đã hoàn thành
tại thời điểm thử thủy tĩnh hoặc thử khí nén sau cùng.
Tất cả các mối hàn bao gồm các mối hàn ở miệng ống, ở thiết bị được mạ chì
đòng nhất phải được kiểm tra bằng mắt bên trong trước khi thi công lớp lót. Kiểm tra
bằng mắt lớp lót được thiện hiện sau khi hoàn thành để đảm bảo không có khuyết tật có
thể sẽ làm suy yếu toàn vẹn lớp lót và dẫn đến thiết bị bị phát hủy bởi tác động của sự ăn
mòn.

13