Tổng hợp bài tập + cách làm môn kỹ thuật đường ống bể chứa khoa kỹ thuật hóa học

Tổng hợp đường ống bể chứa
I.
Đường ống
1. Dạng bài tập cho hỗn hợp, xác định thể tích riêng sử dụng
phương trình khí thực Peng – Robinson

Tc: đơn vị K, Pc đơn vị Pa, R=8.314
Từ hỗn hợp tính Tc trung bình mol, Pc trung bình mol, ω trung bình mol.
Từ đó suy ra  , a, b. Có áp suất, nhiệt độ giải ra V. Nếu có 2 giá trị P là
nghiệm của pt thì dùng pt khí lí tưởng tìm ra nghiệm nào gần giá trị của
phương trình khí lí tưởng hơn.
Ví dụ:


Propan 60% khối lượng, n-butane 40% khối lượng.
Trong 1 kg hỗn hợp ta có 0.6 kg propane => npropane =

0.6
44

0.4 kg n – butane => nn-butane =

=0.01363
0.4
58

=0.00670

=> %mol propane = 67.04 %
%mol n-butane = 32.96 %
Tc trung bình =

0.6704×96.6+0.3296×152
1

=114.86 (oC) (sau tính tốn phải

chuyển về K)
Pc trung bình =
ω trung bình =

0.6704×42.5+0.3296×37.96
1

0.6704×0.1+0.3296×0.193
1

= 41.00 bar

= 0.1306

Từ đó thể vào phương trình Peng – Robinson và tính ra thể tích trên mol
(vmol) (nếu giải ra 2 giá trị => dùng phương trình khí lí tưởng tìm vmol rời
𝑀
chọn nghiệm gần với giá trị đó) => tính khối lượng riêng 𝜌 =
=> thể
𝑣𝑚𝑜𝑙

tích riêng 𝑣 =

1

𝜌

Lưu ý: Tc: đơn vị K, Pc : đơn vị Pa
2. Dạng bài tập tính tốn đợ giảm áp cho dòng lỏng
𝜌𝑣 2
∆𝑃 = 𝐾.
2
2.1 Ống thẳng nằm ngang

KX1 = 1/144 (customary)
KX1 = 10-3 (metric)
D: đường kính ống, ft (m)


f: hệ số fanning (k có đơn vị)

L : độ dài ống, ft (m)
∆𝑃 : độ giảm áp, lb/in2 (kPa)
𝑣: vận tốc chất lỏng
 khối lượng riêng, lb/ ft3 (kg/m3)
Với hệ số ma sát fanning:

Nếu chảy rối hoàn toàn (Re> 22000) thì có thể rút gọn
1
√𝑓

𝑑

= 4log (3.7 )
𝜀

 =  với thép carbon
2.2

Các bộ phận nối

Xác định đường kính tương đương
𝑑𝑒𝑞 = 4

𝐷𝑖𝑒𝑛 𝑡𝑖𝑐ℎ 𝑚𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑡
𝐶ℎ𝑢 𝑣𝑖 𝒕𝒉𝒂𝒎 𝒖𝒐𝒕

2.2.1 Khuỷu: Dựa vào loại khuỷu và đường kính ống để xác định hệ
số trở lực K. Nếu đường kính >10 in thì dùng số liệu ống 10 in.
2.2.2 Van: Hệ số trở lực K tra từ giá trị L/D trong bảng



Sau đó tìm K dựa vào bảng:

2.2.3 Tấm chặn (Orifice)

𝜋2

Có thể tìm K thủ cơng K=

8

×

𝑑1 4
𝑐 2 ×𝑑2

Thơng số C được tra từ giản đồ:

4


2.2.4 Thu nhỏ và mở rộng

Hệ số trở lực K được xác định như sau:


3. Dạng bài biết loại ống, độ dài ống, độ giảm áp -> xác định lưu
lượng lưu chất
Dựa vào công thức quan hệ giữa độ giảm áp và vận tốc -> vận tốc ->
lưu lượng
4. Tính đợ giảm áp biết lưu lượng khới lượng, hệ sớ fanning,
đường kính ớng, đợ dài ớng -> tương tự 3
5. (Khí) Q trình đoạn nhiệt, biết hệ số trở lực tổng quát, lưu
lượng khối lượng, tỷ số nhiệt dung riêng -> xác định nhiệt độ,
áp suất đầu ra
Đối với trường hợp thông thường trong các nhà máy hóa chất và nhà
máy lọc dầu của các dòng cách nhiệt ngắn, nhiệt trao đổi thấp, do đó
dịng chảy về cơ bản là đoạn nhiệt


K là hệ số chuyển đổi đơn vị, nếu đơn vị giống nhau ở hai vế thì K=1.
gc=1
G: thơng lượng khối lượng (mass velocity)

v1, v2: thể tích riêng (m3/kg)
Ví dụ: Một đường ống dẫn khí methane lưu lượng 0.5 kg/s ở nhiệt
độ 30oC. Quá trình đoạn nhiệt, hệ số trở lực tổng của đoạn ống
4𝑓𝐿

K=100 (K=

𝐷

), áp suất đầu vào là 10 barg (11 bara). Hãy xác định

nhiệt độ, áp suất đầu ra của ống nếu tỷ số nhiệt dung riêng của
methane. (v1= 0.1398 m3/kg,D=0.1 m)
Bài làm:
𝑄

𝑄

𝑆

𝐷2
𝜋
4

Thông lượng G= =

=

0.5
0.12

𝜋
4

= 63.94

𝑘𝑔
𝑚3

.𝑠

Tìm thể tích riêng đầu ra v2 :
G=(

1
𝐾2𝑎 𝑔𝑐 𝑃1 2

𝑣1

) [

2
𝑣
4𝑓𝐿 𝑘+1
−
ln( 1 )
𝐷
2𝑘
𝑣2
2
𝑣

1−( 1 )
𝑣2
1

63.94 =

1
2

−

−

1.3+1

𝑘−1
2𝑘

]

0.1398

11×105 2 100−2×1.3 ln( 𝑣2 )
( 0.1398 ) [
2
0.1398
1−(
)
𝑣2

−

2

−

1.3−1

]

2×1.3

1
2


Giải phương trình suy ra 𝑣2 = 0.1435

𝑚3
𝑘𝑔

2

𝑃2 𝑣2
𝑃1 𝑣1

=

𝑇2
𝑇1

𝑣
[1−( 2 ) ]×𝐺 2 ×𝑣1

=

𝑣1

𝑃1

×(

𝑘−1
2𝑘

) + 1=0.9999

→ 𝑇2 = 0.9999𝑇1 = 303𝐾
0.9999𝑃1 𝑣1
→ 𝑃2 =
= 10.716 𝑏𝑎𝑟
𝑣2

6. (Khí) Q trình đẳng nhiệt, biết lưu lượng -> tính tổn thất áp
suất.
Với ống dài, khơng cách nhiệt, có thể xem q trình
là đẳng nhiệt, có thể dùng đờ thị với k=1 để ước
lượng

Ví dụ: Nếu áp suất đầu vào 10 barg, tính áp suất đầu ra nếu lưu lượng

khối lượng 1kg/s và quá trình xem như đẳng nhiệt. f=4.19x10-3, D=0.1
m, L=100m.
Bài làm:
𝑄

𝑄

𝑆

𝐷2
𝜋
4

Thơng lượng khối lượng G= =

=

1
0.12
𝜋
4

= 127.3885

𝑘𝑔
𝑚2 𝑠


Áp suất đầu vào : 10 barg = 11 bara = 11.105 Pa
1

𝑃2
𝑣1 𝐺 2 4𝑓𝐿
𝐷
𝑃1 2
= {1 −
ln ( )]}
(
) [1 −
𝑃1
𝐾2𝑎 𝑔𝑐 𝑃1 𝐷
2𝑓𝐿
𝑃2
→ 𝑃2 = 1080773 𝑃𝑎
7. Xác định xem đợ dày ớng có đủ chịu áp không?
7.1 Thiết kế đường ống chịu áp suất trong
Dạng bài này phải tra schedule ống để tìm độ dày, đường kính trong.
Bảng tra ống:<Có nhiều bảng, hình phía dưới để minh họa>

7.1.1 Thiết kế áp suất cho ống dẫn dầu - khí
PD
2t
P: áp suất trong, psi
t : bề dày, in
D: đường kính ngồi, in (=ID+2t)
S: ứng suất cho phép, psi
- Với ống vận chuyển lỏng S = 0.72SY E

- Với ống vận chuyển khí

S = SY F E T

Với: E: longtitudinal well joint factor
SY: Ứng suất yield
F: hệ số thiết kế
T: hệ số nhiệt độ
Bảng tra E

Bảng tra SY: (lưu ý đơn vị ksi)

Bảng tra F: (khơng có thơng tin thì F=0.8)


Bảng tra T: (oF) (khơng có thơng tin thì T=1)

Ví dụ: Một ống kích thước danh nghĩa (đường kính trong) 6 inch, áp
suất trong 500 psi. Hãy xác định ống 6 in, schedule 40 có đáp ứng yêu
cầu áp suất trong trường hợp vận chuyển lỏng và vận chuyển khí hay
khơng?
Bài làm:
Ớng 6 in schedule 40, tra bảng được bề dày t=0.280 in, ID=6.065 in

- Ớng vận chuyển khí: S = SY F E T = 31.45 × 0.8 × 1 × 1 = 25.16 psi
(E=T=1)
PD
2S

=

500(6.065+2×0.280)
2×25.16×103

= 0.1269 in -> t >

PD
2S

-> thỏa mãn.

− Ống vận chuyển lỏng: 𝑆 = 0.72 × 𝑆𝑌 × 𝐸 = 0.72 × 31.45 × 1 =
22.644 ksi
PD
2S

=

500(6.065+2×0.280)
2×22.644×103

= 0.28 -> t >

7.1.2 Thiết kế cho ớng nhà máy

PD
2S

-> thỏa mãn.

Phương trình thiết kế bề dày tối thiếu
t=

PDo
2(SE + Py)

t: bề dày tối thiểu, chưa kể sai số thiết kế và ăn mịn, mm
P: áp suất trong, psi
Do: Đường kính ngoài của ống, in (=ID + 2t)
E: Hệ số mối nối, vơ thứ ngun E=1)
y: hệ số nhiệt độ, vơ thứ ngun
S: ứng suất cho phép tối đa, psi.
- Tra S: Tùy thuộc vào nhà máy, S cách tính khác nhau. Sy và Su tra
bảng 4-2 phía trên.
+ Ớng thép carbon cho nhà máy hóa chất: tra S theo bảng:

+ Ớng thép carbon cho nhà máy điện:

+ Ớng thép khơng rỉ austenit cho nhà máy hóa và điện:

- Tra y:


Ví dụ: Một ống kích thước danh nghĩa (đường kính trong) 6 inch, áp
suất trong 500 psi. Hãy xác định ống 6 in, schedule 40 có đáp ứng yêu
cầu áp suất trong nhà máy hóa.
Bài làm: A 106 Gr.B, 250oF -> Ứng suất cho phép tối đa = 20 ksi
t=

PDo
2(SE+Py)

=

500(6.065+2×0.280)
2×(20×103 ×1+500×0.4)

= 0.157 in -> thỏa mãn cho nhà máy

hóa.
7.1.3 Cho phép dung sai + chống ăn mòn
t= (tmin+C)(1+f)
t: bề dày,in
tmin: bề dày tính tốn, in
C: thời gian dự án+tốc độ ăn mòn, in (thường chọn 0.1 mm ~0.004
in)
f: dung sai thiết kế
7.2 Thiết kế ớng chịu áp suất ngồi
7.1 Áp suất đàn hồi giới hạn:

PCE: Áp suất đàn hồi giới hạn, psi
: tỉ số poisson (thường là =0.3)


E: modul đàn hời, psi (Khơng nói gì thì E=28.3x106)

I: =

t3

12

tiết diện ngang của moment, in4, có thể tra ở bảng schedule ống.

t: bề dày ống, in
R: bán kính ngồi ống, in
n: số nguyên 2,3… đại diện cho sự oằn ống.
Với n=2, thép =0.3, ta có:
t 3

PCE = 2.2E ( )
D

( D là đường kính ngồi)

Biến dạng chu vi: εIC =

PIC D
2t

t 2

1

× = 1.1 ( )
E
D

7.2 Áp suất tới hạn dẻo
Áp suất tới hạn dẻo (D là đường kính ngồi)
t
2.6E( )2.5
D
PIC =
L
D
Biến dạng chu vi: εIC =

PIC D
2t

1

× =
E

t 1.5
D
L
D

1.3×( )

7.3 Thiết kế theo chuẩn ASME
Ớng là dài khi L > LC = 1.11D√

D
t

(D là đường kính ngồi)


- Khi ống L>LC, oằn dẻo:
t 1.5
1.3 ( )
D
A = εIC =
L
D
- Khi ống Lt 2
A = εCE = 1.1 ( )
D
Tìm Pa:
- Với ống có D/t ≥ 10, Pa =

PC
3

, với PC là PCE hoặc PIC (tùy theo so sánh

L và LC)
- Ngồi ra, có thể tìm Pa =

4
B
3
D

t

1 PC D

, với B = 2 (

2t

)

<tìm Pa để biết khả năng chịu lực của ống -> xác định khoảng cách
tối đa giữa 2 bệ đỡ ống>
8. Xác định khoảng cách tối đa giữa 2 bệ đỡ ống
Khoảng cách giữa bệ đỡ ống do điều kiện làm việc quyết định. Thiết
kế ống có các bệ đỡ cách nhau đủ ngắn sao cho ứng suất uốn <
ứng suất cho phép:
Hướng làm:
B1: Đầu tiên, tính ứng suất cho phép Pa:
- Nếu L<LC -> oằn dẻo -> Pa =

PIC
3

- Nếu L>LC -> oằn đàn hời -> Pa =

PCE
3

(Khơng nói gì thì mặc định là đàn

hời)
B2: Tìm cơng thức ứng suất uốn ước lượng:
Cơng thức tính ứng suất uốn ước lượng: σ =

M
Z

Với được tìm dựa vào các điều kiện sau:
Case (a): Đỡ tự do 2 đầu khối lượng phân phối (khối lượng ống)


M=

wL2
8

Case (b): Đỡ cố định 2 đầu khối lượng phân phối (khối lượng ống)

wL2
M=
12
Nếu kết hợp tự do và cố định thì
wL2
M=
10
Case (c): đỡ 4 khoảng có độ dài bằng nhau (khối lượng phân phối):

wL2
M=
9.3

Case (d): Đỡ van(vật có khối lượng tập trung), 1 đầu đỡ 1 đầu tự do:

ME = P × b
Case (e): Đỡ 1 đầu tự do 1 đầu cố định, khối lượng phân phối:

ME =

wL2
8

Case (f): Đỡ 2 đầu, khối lượng tập trung:


ML =

P×b
L

Lưu ý: Nếu bài kết hợp nhiều case, ví dụ ống đỡ tự do có van ở giữa
thì ta cộng hết tất cả M: M∑ = ∑ M = M1 + M2 + M3 + ⋯
B3: Tìm chiều dài tối đa giữa 2 bệ đỡ:
Dựa vào công thức ứng suất uốn ≤ ứng suất cho phép:
σ ≤ Pa →

M
Z

≤ Pa

Dựa vào Pa tính ở B1 và M tìm theo từng case ở B2 -> độ dài tối đa cho
L
Một số lưu ý:
Tra các giá trị ở bảng schedule của ống (Bảng A-1): wP, wW, I, Z.
Lưu ý: wP, wW cho ở trong bảng tra ở dạng lb/ft -> cần phải chuyển về
lb/in ( bằng cách chia cho 12) để thế vào công thức trên. w trong công
thức trên được tính như sau:
w = wP + wW
(wP là khối lượng ống/ feet, wW là khối lượng nước/feet)
Ví dụ: Một đường ống vận chuyển nước bằng ống thép carbon đường
kính 4 in sch 40.
a) Xác định khoảng cách tối đa giữa 2 bệ đỡ cớ định cho ống.
b) Nếu chính giữa 2 bệ đỡ gắn 1 van có trọng lượng 30 kg, xác định
khoảng cách tối đa giữa 2 bệ đỡ:
Bài làm:
a) Ớng 4 in có
ID (D trong) = 4.026 in
t = 0.237 in
D ngoài = 4.5 in
I =7.2 in4
Z =3.2 in3


wP = 11 lb/ft
wW= 5.5 lb/ft
Vì khoảng cách ống lớn nên biến dạng thuộc loại đàn hồi
Dn
LC = 1.11Dn √ = 21.765 in
t

PCE

2E
t 3
=
( )
1 − ϑ2 Dn

Ta có: n=2, E =28.3x106, =0.3
➔ PCE = 9086.205 psi
1
➔ Pa = PCE = 3028.735 psi
3

wL2
MC =
12
𝑀
𝜎 = ≤ 𝑃𝑎
𝑍
wL2
Pa × 10Z
3208.735 × 10 × 3.2
→
≤ Pa → L ≤ √
=√
= 265.49 in
11 + 5.5
12Z
W

12
b) Kết hợp case (b) và (f)
σ=

M
≤ Pa
Z

1 wL2 P × a × b
→ (
+
) ≤ Pa
Z 12
L
1 wL2 P × L
→ (
+
) ≤ Pa
Z 12
4
1
→
(
3.2

11 + 5.5
× 𝐿2 30 × 𝐿
12
+
) ≤ 3028.735

12
4


→ L ≤ 259.94 in
9. Xác định tần số rung tự nhiên và các tần số rung khác:
9.1. Rung tự nhiên
Các mơ hình ống: tìm 

Hình mình họa:


Ý nghĩa các đại lượng
k: độ cứng, lb/in
m= (wP + wW ) × 𝐿, khối lượng tồn ống, lb sao cho sang lb>
M: khối lượng tập trung, lb


E: Young’s modulus, psi (khơng đề cập gì thì là 28.3x106 psi)
Bảng tra E:

I: Moment quán tính, tra bảng schedule ống, in4
L: chiều dài ống, in
a,b khoảng cách đến các đầu, in.
➔ Dựa vào các phương trình trên tìm , sau đó tính f=/2 − tần số
rung tự nhiên.
9.2. Rung do xốy rới
fxoay roi =

nSv
D

, tìm fmin, fmax -> tần số xốy rời nằm trong khoảng này.

f: tần số rung do xốy rối, Hz
n=1 nếu rung nâng (vng góc với hướng chảy), n=2 nếu rung dọc
(cùng hướng chảy) <n chỉ có thể là 1 hoặc 2>
S: chuẩn số Strouhal, phụ thuộc vào Reynold.
S=0.2 nếu Re từ 103 tới 105
S=0.2 tới 0.5 nếu Re từ 105 đến 2x106
S=0.2 tới 0.3 nếu Re từ 2x106 đến 107
v: vận tốc dòng chảy, in/sec
D: đường kính ngồi, in
Nếu ống khơng trịn thì dùng cơng thức Deq =

4S
Ctham uot


9.3. Rung do bơm: Tùy vào bơm đó là bơm cánh quạt hay bơm piston
- Bơm cánh quạt: f= (số cánh) x (số vòng quay/ giây)
- Bơm piston: f = (số piston) x (số chu kì)
Ví dụ: Một đường ống Sche 40 có NPS 2” độ đặt trên bệ đỡ tự do cách
nhau 3m, giữa ống có lắp đặt 1 van cửa full bore nặng 15 kg độ mở
50%, tốc độ lưu chất trong ống 1.25 m/s cung cấp do 1 bơm ly tâm tốc
độ 3000 vòng/ phút
a) Xác định tần số rung tự nhiên của ống
b) Xác định các tần số rung khác
Bài làm:

a) Xác định tần số rung tự nhiên: ω = √

48EI
L3 (M+0.5m)

E=28.3x106 psi
I= 0.7 in4
L= 3m= 118.11 inches
M= 15kg = 33.07 lbs
m = (wP + wW ) × L =
→ ω=√

3.7 + 1.5
× 118.11 = 51.181 lbs
12

48×28.3×106 ×0.7
(118.11)3 ×(33.07+0.5×51.181)

= 3.13 → f =

ω
2π

= 0.499 Hz

b) - Xác định tần số rung do xoáy rối:
nSv
fxoay roi =
D

Trường hợp min: n=1, S=0.2
fmin =

nSv
D

=

1×0.2×1.25×39.37
2.375

= 4.14 Hz

(39.37 hệ số chuyển từ m sang in)

Trường hợp max n=2, S=0.5
fmax =

nSv
2 × 0.5 × 1.25 × 39.37
=
= 20.72 Hz
D
2.375

→ tần số rung xốy rời nằm trong khoảng này!
- Xác định tần số rung do bơm =
𝑓𝑏1 = 0.5 × 50 = 25 𝐻𝑧

3000

60

= 60 Hz


𝑓𝑏2 = 1 × 50 = 50 𝐻𝑧
𝑓𝑏3 = 2 × 50 = 100 𝐻𝑧

I.
Bể chứa (ngày 10/05/2021)
1. Thiết kế thân bờn
1.1 Tính tốn bề dày lớp thứ nhất t1
1.1.1 Tính tốn bề dày lớp đầu tiên bằng phương pháp 1-foot
Theo thiết kế: 𝑡𝑑 =

4.9𝐷(𝐻−0.3)𝐺
𝑆𝑑

Theo thử nghiệm thủy lực: 𝑡𝑡 =

+ 𝐶𝐴
4.9𝐷(𝐻−0.3)
𝑆𝑡

𝑡𝑑 : bề dày thiết kế (mm)
𝑡𝑡 : bề dày thử nghiệm thủy lực (mm)
D: đường kính bể chứa (m)
H: Chiều cao mức chất lỏng (m)
G: Tỷ khối của chất lỏng (m)
Sd : Ứng suất thiết kế cho phép (MPa)

St : Ứng suất thử thủy lực (MPa)
CA = 3mm
1.1.2 Tính tốn bề dày lớp thứ nhất bằng phương pháp điểm thiết
kế thay đổi
a. Dùng công thức này khi thỏa điều kiện
𝐿
𝐷

≤

1000
6

L = (500Dt)0.5 (D: m, t: mm, L: mm)
D đường kính bể (m)
t: bề dày lớp đáy (mm)
H: chiều cao thiết kế tối đa mức chất lỏng (m)
b. Tính toán