Tải bản đầy đủ

báo cáo thiết kế thiết bị vỏ áo theo tiêu chuẩn ASME

Mục Lục
I. Tiêu chuẩn ASME...........................................................................................................2
I.

Tổng quan về thiết bị phản ứng vỏ áo..........................................................................3
1.

Khái niệm:.............................................................................................................3

2.

Cấu tạo..................................................................................................................4

3.

Nguyên lí vận hành:..............................................................................................4

4.

Phân loại thiết bị vỏ áo..........................................................................................5


5.

Thiết kế thiết bị vỏ áo............................................................................................6

II.

Thiết kế cơ khí theo tiêu chuẩn Mĩ (ASME).............................................................7
1.

Sơ đồ tính toán......................................................................................................7

2.

Thông số công nghệ..............................................................................................8

3.

Thông số thiết kế...................................................................................................8

4.

Thiết kế đáy-nắp và thân.....................................................................................10

5.

Thiết kể vỏ áo......................................................................................................14

6.

Lựa chọn mặt bích...............................................................................................15

III.

Kết luận..................................................................................................................16

IV.

Tài liệu tham khảo..................................................................................................16

1




I. Tiêu chuẩn ASME
Tiêu chuẩn ASME là bộ tiêu chuẩn Mĩ trải rộng trong các chủ đề: công nghệ áp suất,
nhà máy hạt nhân, thang máy/ thang tự động, xây dựng, tiêu chẩn hóa, thiết kế kỹ thuật và
kiểm tra hiệu năng.
ASME được sáng lập năm 1880 bởi Alexander Lyman Holly, Henry Rossiter
Worthington, Jonh Edison Sweet và Matthias N.Frney. Với nhiệm vụ là giải quyết các vấn
đề áp suất nồi hơi.
ASME được biết 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 kỹ thuật liên quan đến lĩnh vực cơ khí ở Bắc Mĩ. và theo dòng phát
triển, ASME ngày nay đã trở thành một tổ chức đa 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 dich vụ liên quan đến thế giới 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.
ASME hiện 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 (loại tiêu chuẩn ASME A17)
Ống và đường ống (loại tiêu chuẩn ASME B31)
Các thiết bị quy trình kép (loại tiêu chuẩn ASME BPE)
Van mặt bích, phụ kiện ống và các miếng đệm (loại tiêu chuẩn B16)

2


I.
Tổng quan về thiết bị phản ứng vỏ áo
1. Khái niệm:
Thiết bị vỏ áo là loại thiết bị thường được dùng để làm thiết bị phản ứng kết hợp cấp
nhiệt hay tải nhiệt phản ứng.
Trong vỏ áo là khoảng không gian dành cho chất tải nhiệt (lỏng, hơi bảo hòa) hay cho
chất tải lạnh (tác nhân lạnh).
Tùy theo điều kiện và tính chất của lưu chất phía áo có thể tạo thành loại tháo lắp để
dễ kiểm tra, làm sạch khoang vỏ áo.

Hình 2.1 thiết bị phản ứng vỏ áo

3


2. Cấu tạo
Chú thích:
1. thân thiết bị
2. vỏ bọc
ngoài
3. mặt bích

Hình 2.2: Cấu tạo của thiết bị vỏ áo

3. Nguyên lí vận hành:
 Thực hiện qua bề mặt của vỏ trong được bảo vệ bởi vỏ ngoài
 Chất tải nhiệt ở không gian giữa hai vỏ cung cấp cho dung dịch ở vỏ trong
 Có thể lắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong
 Quá trình làm việc: có thể liên tục hoặc gián đoạn

4


4. Phân loại thiết bị vỏ áo
 Conventional Jackets:
Một vỏ thứ hai được lắp đặt trên một phần của bình, tạo ra một không gian hình khuyên
trong đó làm mát hoặc làm nóng môi trường. Một loại vỏ áo thông thường đơn giản,
không có các bộ phận bên trong, không hiệu quả lắm đối với việc truyền nhiệt bởi vì môi
trường dòng chảy có vận tốc rất thấp dẫn đến hệ số truyền nhiệt thấp. Phương pháp ngưng
tụ, chẳng hạn như hơi nước hoặc Dowtherm A, là một ngoại lệ bởi vì trong trường hợp
này, hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào vận tốc hoặc nhiễu loạn mà thay vào đó là
liên quan đến diện tích bề mặt mà môi trường ngưng tụ và hiệu quả của việc loại bỏ
ngưng tụ. Các bộ phận bên trong bao gồm các lỗ thông khí hướng dòng chảy theo kiểu
xoắn ốc xung quanh vỏ áo, và các vòi phun gây ra sự hỗn loạn cao tại điểm chất lỏng
được đưa vào vỏ áo.

Hình 4.1. Conventional Jackets
5




Half-Pipe Coil Jackets:

Ống được chia theo chiều dọc, thường có góc bao gồm 180 độ (chia đều cho đến giữa)
hoặc 120 độ, rồi vòng quanh bình và hàn tại chỗ.

 Dimple Jackets:

Hình 4.2. Half-Pipe Coil Jackets

Một vỏ bên ngoài mỏng được gắn vào vỏ bình bằng các mối hàn điểm tại một mẫu
thường, thường khoảng 50 mm ở giữa cả theo chiều ngang lẫn chiều dọc. Những cái gọi
là lúm đồng tiền này gây nhiễu loạn cho môi trường làm nóng hoặc làm mát khi nó chảy
qua lớp vỏ.

5. Thiết kế thiết bị vỏ áo
Thiết kế thiết bị phản ứng vỏ áo cho phản ứng tạo etyl sunfat axit và este dietyl
sunfat trong sản xuất rượu etylic.
Phương trình phản ứng:
C2H4 + H2SO4 –> C2H5OSO2OH
2C2H4 + H2SO4 –> (C2H5O)2SO2

6


Điều kiện tối ưu của phản ứng: áp suất là 15at, t 0= 120-1850C và nồng độ axit
sunfuric 97 -98%.
II.

Thiết kế cơ khí theo tiêu chuẩn Mĩ (ASME)
1. Sơ đồ tính toán

Chọn thông số

Chọn thông số thiết kế

thiết kế

Tính bền cho nắp
chịu P trong

Tính bền cho
vỏ áo chịu áp
suất

Tính bền cho đáy vầ
thân chịu P trong

Kiểm tra
tính bền
cho vỏ
áo

sai
Kiểm tra

Đúng

Đúng

Chọn bề dày tối thiểu
đáy chịu P ngoài

Kiểm tra
đáy

Sai

Kết luận

Sai

Đúng
Chọn bề dày tối thiểu
cho thân chịu P
ngoài

Kiểm
Đúng
tra bền
cho
sai thân

7

Kết luận


2. Thông số công nghệ
 Đường kính ngoài của thân: Dt  1760mm  69, 29in
 Đường kính ngoài của vỏ: Dv  2000 mm  78, 74in
 Chiều cao thân trụ: H  2000 mm  78.74 in
 Chiều cao từ mép thân đến đáy hay nắp: h  400 mm  15, 75 in

2. Thông số thiết kế
 Hệ số chứa đầy:   0, 75
 Khối lượng riêng của lưu chất:   1200 Kg / m3
 Áp suất vận hành:
Áp suất hơi nước bão hòa phía vỏ: Pv  8 kg / cm 2
'
Áp suất làm việc tối đa: Pmax
=200psi

Áp suất thiết kế cho thân:
Pt=P’max+pgH  =200+1200x9,81x2x0,75x1.45x10-4=202,56 psi
Trong đó: 1 Pa=1.45x10-4 Psi
Áp suất làm việc phía vỏ: Pv  8 kg / cm 2  113, 78 psi
 Nhiệt độ hơi nước bão hòa phía vỏ được tra từ Bảng PL2, phụ lục 2,trang 212,
Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực, TS.Nguyễn Hữu Hiếu:
Thbh  170.40o C  338.72 o F

 Nhiệt độ thiết kế cho thân và vỏ được chọn:
Ttk  Thbh  170.4 o C  338.72 o F

8


Bảng PL 3.23 phụ lục 3
Số
hàng

Thành
phần
danh
nghĩa

35 18Cr-8Ni
43 18Cr-8Ni

Dạng
sản
phẩm
Rèn
Tấm

Thiết kế
hợp
kim/ số
ÚN

Chỉ số
kỹ thuật

Loại/bậc
mác

SA-182
SA-204

F304H
S30409
304 S30400



Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu
Bảng PL 3.24 phụ lục 3

Ứng suất cực đại cho phép (kpsi) (nhân 1000 để chuyển về psi) ứng với nhiệt độ kim loại ( 0F)
không vượt quá
Số

20

hàng

đến

35
43

100
20
20,0

150

200

250

300

400

500

600

650

700

750

800

850

-

16.7
16,7

-

15
15,0

13.8 12,9 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2
13,8 12,9 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2

11
11

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

 Từ bảng PL 3.1,2 phụ lục 3, sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực tra:
 Ứng suất cực đại cho phép của vật liệu thân (SA-240, loại 304, thép tấm, hàng 43)
ở Ttk (sử dụng phương pháp nội suy):
St  14544 Psi

 Ứng suất cực đại cho phép vật liệu vỏ áo (thép cacbon, thép tấm, hàng 35) ở Ttk:
Sv =14500 Psi
 Chọn kiểu hàng giáp mối một phía có hệ số bền mối hàn dọc trục thân và vòng
thân:
E  0, 65

 Dung sai ăn mòn cho phép: C A  2mm  0.0787in

9


3. Thiết kế đáy-nắp và thân
a) Nắp elip
 Áp suất thiết kế:
P’max=200psi>Pkq=14,7 psi→ nắp chịu áp suất trong.
 Bề dày tối thiểu yêu cầu:
td  20mm  0, 0787in

 Chọn thép tấm 304 có bề dày 20mm để chế tạo nắp thiết bị
b) Đáy và thân chịu áp suất trong
 Đáy elip có bề dày tối thiểu yêu cầu:
t

Pt Dt
202,56.69, 29

 0, 73in  18,50mm
2St E  1,8 Pt 2.14544.0, 65  1,8.202,56

td  t  C A  0, 73  0, 0787  0,81in  20,50mm

 Bề dày tối thiêu yêu cầu là 20mm khi chịu áp suất trong.
 Thân trụ có bề dày tối thiểu yêu cầu:
69, 29
Pt Rt
2
Theo ứng suất vòng: t 

 0, 75in  19,10mm
t ,v
St E  0, 6 Pt 14544.0, 65  0, 6.202,56
202,56.

Theo ứng suất dọc trục: t
t ,d

69, 29
202,56.
Pt Rt
2


 0,37in  9, 40mm
2St E  0, 4Pt 2.14544.0,65  0, 4.202,56

 tt  tt ,v  C A  0, 75  0, 0787  0,83in  21,10mm
 Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho nắp (MAWP):
Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho nắp để kiểm tra là
tn  20mm  0, 0787in

 Kiểm tra MAWP
( MAWP ) 

2 St Etn
2.14544.0, 65.0,787

Dt  0, 2t n
69, 29  0, 2.0, 787
 214, 26 Psi  200 Psi

 Nắp chịu áp suất trong có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm
10


 Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho thân (MAWP):
Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho thân để kiểm tra là
tt  20mm  0, 0787in

 Theo ứng suất vòng:
St Ett
14544.0, 65.0, 7874

 211,96 Psi  202,56 Psi
Rt  0, 6tt 69, 29  0, 6.0, 7874
2

( MAWP )v 

 Theo ứng suất dọc trục:
( MAWP ) d 

2 St Ett
2.14544.0, 65.0, 7874

 433, 65 Psi  202,56 Psi
69, 29
Rt  0, 4tt
 0, 4.0, 7874
2

Vậy, MAWP=211,96 psi=min{(MAWP)v;(MAWP)d}
 Thân chịu áp suất trong có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm
 Kiểm tra áp suất làm việc tối đa cho phép cho đáy (MAWP):
Để thuận tiện cho việc chế tạo chọn bề dày tối thiểu yêu cầu cho đáy để kiểm tra là
td  20mm  0, 0787in

 Kiểm tra MAWP:
( MAWP) 

2 St Etd
2.14544.0, 65.0,787

Dt  0, 2td
69, 29  0, 2.0, 787
 214, 26 Psi  202,56 Psi

 Đáy chịu áp suất trong có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm

11


c) Đáy và thân chịu áp suất ngoài
 Đáy elip:
Chọn sơ bộ bề dày tối thiểu yêu cầu của đáy tđ=20mm=0,7874in
 Kiểm tra bền:
với R0=0.9Dt= 62.36in  1584mm
A

0,125.td 0,125.0, 78

 0, 0016  log A  2, 79
Ro
62,36

Tra Hình PL6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực:

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

→B= 9500Psi
 Áp suất tối đa cho phép:
Pa 

Btd 9500.0, 787

 122,94 Psi  Pv  113, 78 Psi
Ro
62,36

 Thỏa điều kiện bền. Vậy khi chịu áp suất ngoài đáy cũng có bề dày tối thiểu yêu
cầu là 20mm
12


 Thân hình trụ:
Chọn sơ bộ bề dày thân là tt=20mm=0,787 in, khi đó:
1
1
L  H  2 h  78, 74  2 .15, 75  89, 24in  2266, 66mm
3
3

 Tỉ số:
L 89, 24

 1, 29
Dt 69, 29
Dt 69, 29

 88
tt
0, 787

Tra Hình PL6.1 và 6.8, Phụ lục 6 sách Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực:

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

Suy ra:
A  0, 00125  log A  2,90
B  7800 Psi

13


 Áp suất tối đa cho phép:
Pa 

4 Btt 4.7800.0, 787

 118,18 Psi  Pv  113, 78 Psi
3Dt
3.69, 29

 Thỏa điều kiện bền
Khi chịu áp suất ngoài, thân trụ cũng có bề dày tối thiểu yêu cầu là 20mm.Chọn thép tấm
304 có bề dày 20mm là phù hợp để chế tạo thân, đáy-nắp thiết bị.

4. Thiết kể vỏ áo.
Vì Pv  113.78 Psi >Pkq=14,7 psi nên vỏ áo chịu áp suất trong.
 Bề dày tối thiểu yêu cầu:
+Theo ứng suất vòng:
tv ,v

78, 74
113, 78.
Pv Rv
2


 0, 48in  12,12mm
Sv E  0, 6 Pv 14500.0, 65  0, 6.113,78

+Theo ứng suất dọc trục:
78, 74
Pv Rv
2


 0, 23in  6mm
2Sv E  0, 4 Pv 2.14500.0, 65  0, 4.113, 78
113, 78.

tv ,t

t  tv  C A  0, 48  0, 078  0,558in  14,12mm

 Kiểm tra áp suất lam việc tối đa cho phép (MAWP):
Bề dày được chọn để kiểm tra là t=15mm=0.59 in
+ Theo ứng suất vòng:
( MAWP) v 

Sv Et
 140,11 Psi  113, 784 Psi
Rv  0, 6t

+ Theo ứng suất dọc trục:
( MAWP) d 

2Sv Et
 284, 45Psi  113, 784 Psi
Rv  0, 4t

Vậy chọn MAWP=140,11 psi=min{(MAWP)v;(MAWP)d} và thép tấm cacbon có bề dày
15mm để chế tạo vỏ thiết bị.

14


5. Lựa chọn mặt bích

Nguồn: Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực-TS.Nguyễn Hữu Hiếu

Mặt bích: Nắp với thân nối với nhau bằng mặt bích.
Thân với vỏ ngoài nối với nhau bằng mối hàn
Đường kính ngoài của thân Dt=1760mm
Suy ra, chọn mặt bích có kích thước tiêu chuẩn:
Kích thước

Đường

dang

kính

nghĩa(mm)

ngoài

1800

ống,d1
1820

Mặt bích
D

b

2115

50

Bề mặt
h1

Bulong

được nâng
d4
f

140 1960

5

Khoan lỗ
Số

M45

d2

44 48

Cổ

k

d3

h2

r

2020

1868

30

16

Bảng PL7.2, trang 315. Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực. Nguyễn Hữu Hiếu

III.

Kết luận

Các thông số tính toán để thiết kế thiết bị vỏ áo được thống kế trong bảng dưới đây:
15


Chi tiết

Vật liệu

Bề dày (mm)

Nắp elip

Thép 304

20

Đáy elip

Thép 304

20

Thân chịu

Thép 304

20

Vỏ áo

Thép cacbon

15

IV.

Tài liệu tham khảo

“Thiết kế cơ khí thiết bị áp lực”, Thầy Nguyễn Hữu Hiếu, Nhà xuất bản Đại học Quốc
Gia thành phố Hồ Chí Minh, 2017.
“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 1”, Nhà xuất bản khoa học và kĩ
thuật.
“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập 2”, Nhà xuất bản khoa học và kĩ
thuật.
Trang web Wikipedia.

16



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×