ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BÀI TẬP SỐ 1 MÔN: CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÓA HỌC LỚP: L01 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: HOÀNG MINH NAM SINH VIÊN THỰC HIỆN MSSV Trần Tuấn Anh 2112821 TP. Hồ Chí Minh, 1 tháng 10 năm 2023. ĐIỂM Mục lục ĐỀ BÀI ................................................................................................................................................... 1 BÀI LÀM: ............................................................................................................................................... 1 1. Lựa chọn loại thiết bị ........................................................................................................................ 1 2. Lựa chọn phương pháp gia nhiệt:.................................................................................................... 2 3. Lựa chọn vật liệu chế tạo .................................................................................................................. 2 4. Tính toán số tấm kim loại cần dùng ................................................................................................ 2 5. Lựa chọn các thông số thiết kế ......................................................................................................... 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 4 ĐỀ BÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ CÁNH KHUẤY CÓ CÁC SỐ LIỆU SAU: - Nhiệt độ trung bình bên trong thiết bị là 1200C - Áp suất trong thiết bị là -0.3 at - Áp suất ngoài là áp suất khí quyển là 1 at - Dung tích chứa là 20 m3 dung dịch bên trong chiếm 70% thể tích - Dung dịch có nồng độ pH = 3 - Độ nhớt là 10 cP - Khối lượng riêng là 1100 kg/m3 Tính: 1) Lựa chọn loại thiết bị. 2) Lưa chọn phương pháp gia nhiệt. 3) Lựa chọn vật liệu chế tạo. 4) Nếu có tấm thép kích thước 1m×2m, để làm ra thiết bị chiều dài bình chứa là 2m đường kính là 1.2m thì cần bao nhiêu tấm, chỉ rõ cách hàn. 5) Lựa chọn các thông số thiết kế: Nhiệt độ, áp suất tính toán, hệ số bền mối hàn, hệ số ăn mòn vật liệu, ứng suất cho phép. BÀI LÀM: 1. Lựa chọn loại thiết bị Thiết bị phản ứng có cánh khuấy được cấu thành từ 3 bộ phận chính. * Thân thiết bị: Chọn bồn chứa hình trụ đứng để tối ưu diện tích chế tạo và phân bố đều áp suất tĩnh phải chịu. * Cánh khuấy: Vì đề không có thông tin về mức độ khuấy nên ta chọn theo kinh nghiệm. Phân ra làm 3 loại chính theo thân là hình trụ: 1. 2. 3. 4. Thiết bị có chiều cao lớn và đường kính nhỏ thì chọn cánh khuấy là chân vịt. Thiết bị có chiều cao nhỏ và đường kính lớn thì chọn cánh khuấy là mái chèo. Thiết bị có chiều cao lớn và đường kính lớn thì chọn cánh khuấy là turbin. Dung dịch có độ nhớt cao thì ưu tiên chọn cánh khuấy xoắn ốc. Ta chọn loại số 4 để phù hợp với môi trường dung dịch có độ nhớt cao. 1 Hình 1.1 Cánh khuấy xoắn ốc * Các thiết bị điều khiển: (Không trình bày chi tiết ở bài này) - Động cơ khuấy - Bộ điều khiển tốc độ - Bộ điều khiển nhiệt độ 2. Lựa chọn phương pháp gia nhiệt: - Chọn cách gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước quá nhiệt do môi trường có độ pH=3 nên khả năng ăn mòn cao. - Vì dung dịch có độ nhớt cao nên sẽ ảnh hưởng làm giảm hệ số truyền nhiệt nên chọn loại ống chùm có ưu điểm là hiệu suất truyền nhiệt lớn. 3. Lựa chọn vật liệu chế tạo Ta chọn thép AISI 321 cho bình chứa, trục khuấy và cánh khuấy vì nó có khả năng định hỉnh tốt, bền với môi trường axit và nhiệt độ cao đến và giá thành rẻ. Để giảm chi phí sản xuất thì ta sẽ làm thiết bị truyền nhiệt bằng thép CT3 vì nó không tiếp xúc với mội trường ăn mòn hóa học. 4. Tính toán số tấm kim loại cần dùng Tính số tấm kim loại có kích thước 1m×2m cần dùng để làm thân máy khuấy với thông số là chiều cao h = 2m và đường kính d = 1.2m. Ta có: 12 Diện tích xung quanh: Sxq = 2πrh = 2π × 0.6m × 2m = 5 πm2 ≈ 7.5398m2 Diện tích đáy và nắp: Snắp = Sđáy = π × 0.62 = 9 π ≈ 1.131m2 25 Diện tích toàn phần: Stp = Sxq + Snắp + Sđáy = 12 9 78 πm2 + 2× πm2 = πm2 ≈ 9.802m2 5 25 25 Trong đó: 𝑑 1.2 r = 2 = 2 = 0.6m là bán kính của bình chứa. h là chiều cao của bình chứa. Diện tích cùa 1 tấm kim loại đề cho là Stấm khim loại = 1m × 2m = 2m2 Stp Suy ra số tấm kim loại cần dùng: n = Stấm khim loại = 9.802 = 4.901 ( tấm) ≈ 5 tấm 2 Vậy tính theo diện tích thì cần ít nhất 5 tấm kim loại 1m×2m tuy nhiên tùy vào cách thiết kế và hàn mà số tấm kim loại có thể tăng lên. Ta chọn cách hàn giáp mí để do đường kính đủ lớn để có thể hàn 2 phía bền hơn hàn 1 phía và hàn theo chu vi do chiều cao của bồn chứa >1m. Diện tích mỗi tấm kim loại không bằng 1 nửa diện tích xung quanh của bồn chứa nên ta chia thân bồn chứa thành 2 phần bằng nhau với chiều cao là 1m và đường kính 1.2m. Mỗi phần hàn bằng 1 tấm 1m×2m cùng với 1m×xm. Giá trị cần tìm của x là : x = Pđáy – 2 = π × 1.2 – 2 ≈ 1.77 m 2 Với đáy và nắp có diện tích là 1.131m2 nhỏ hơn diện tích của tấm kim loại là 2m2 thì nên được làm từ 1 tấm kim loại duy nhất không có đường hàn để tránh tạo ra điểm yếu, chịu áp lực đồng đều. Vậy theo phương án này cần đến 6 tấm kim loại để tạo thành thiết bị khuấy. Trong quá trình hàn hai nửa lại, các đường hàn không được giao nhau để tránh tạo điểm yếu do ứng suất tăng ở điểm giao.Điều này cũng áp dụng đối với cánh khuấy, nên chọn hàn các cánh vào cùng 1 trụ như hình 1.1. 5. Lựa chọn các thông số thiết kế * Áp suất tính toán Bình chứa chịu áp suất ngoài: Ptt* = Pngoài – Ptrong = 1 - (-0.3) = 1.3 at = 0.1274 8645 ≈ 0.128 N/mm2 Dung dịch chỉ chiếm 70% thể tích nhưng khi tính toán ta chọn h là chiều cao của bình chứa: Ptt = Ptt* +𝜌gh = 0.128 + 1100×10×2×10-6 = 0.15 N/mm2 * Nhiệt độ tính toán: Ta chọn cách gia nhiệt bằng nguồn trực tiếp cùng với nhiệt độ hoạt động của thiết bị là 120℃ nên ta có: T = Tm max +50℃ =120℃ +50℃ =170℃. * Ứng suất Theo bảng 2.9, trang 31, sách “Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí”, Hồ Lê Viên tra được ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép 1X18H9T ở 250℃: [σ]=122N/mm2 → Nội suy ra ở nhiệt độ 170℃: [σ] ≈ 124.7826N/mm2 * Hệ số mối hàn: Do là hàn thép 2 phía nên ta chọn φh=1 * Hệ số ăn mòn: C= Ca + Cb + Cc + Cd = 1 +0 + 0 +n = 1+ n * Tính toán bề dày thiết bị: [σ] Ta có Ptt. φh = 124.7826 . 1 > 25 nên chiều dày tính toán được tính bằng công thức: 0.15 1.2×103 ×0.15 DP . tt So = 2.[σ].φ = 2×124.7826×1 ≈ 0.7213 mm h Với: D (mm) là đường kính thiết bị Ptt (N/mm2) là áp suất tính toán φh là hệ số mối hàn [σ] (N/mm2) là ứng suất cho phép S = So + C = Stt + Ca + Cb + Cc + Cd = 0.7213 + 1 + 0.2787 = 2mm 3 *Kiểm tra độ bền: S − Ca 2−1 = × 10−3 = 0.0008 < 0.1 D 1.2 [P] = 2. [σ]. φh . (S − Ca ) 2 × 124.7826 × (2 − 1) = ≈ 0.2078 > 𝑃𝑡𝑡 = 0.15 𝑁/𝑚𝑚2 D + (S − Ca ) 1.2 × 103 + (2 − 1) Kết luận: Độ dày S = 2mm là kết quả phù hợp với các thông của của bài toán đưa ra ở đầu bài. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Lê Viên (2006), Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Nguyễn Văn Lụa (2012), Các Quá Trình & Thiết Bị Cơ Học Quyển 1-Khuấy, Lắng Lọc (NXB Đại Học Quốc Gia) 4