1.5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
1.5.3. Tính chiều dày thân thiết bị
Thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất cao. Chọn vật liệu là thép không rỉ, có độ bền hóa học và độ bền cơ, nhiệt. Đó là thép X18H10T, thành phần của thép gồm:
C<1%, Cr khoảng18%, Ni khoảng 10% và Ti làm tăng độ bền hóa học và độ bền cơ, nhiệt.
Lưu ý: - Đường hàn càng ngắn càng tốt - Chỉ hàn giáp mối
- Hàn ở vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn
❖ Tính chiều dày của thân thiết bị hình trụ
Chiều dày của thân thiết bị được tính theo công thức ST= Dt× P
2[σ]× ϕ−P+C [STQTTB tập 2, Tr 360]
Trong đó: Dt - Đường kính trong của thiết bị
ϕ - hệ số bền theo phương dọc trục, ϕ = 0,95 P - áp suất bên trong thiết bị, N/m2
C - hệ số bổ sung
[σ] - ứng suất kéo cho phép
❖ Tính áp suất làm việc của thiết bị
Thiết bị khuấy nhựa và chất đóng rắn nên chỉ dùng ở nhiệt độ phòng là 250C.
Chọn áp suất làm việc của môi trường trong thiết bị để tính toán là 100 kPa. Áp suất làm việc bên trong thiết bị tính theo công thức:
P = Pm + PL = Pm+ ρ×HL ×g
Trong đó: -Pm là áp suất làm việc của môi trường bên trong thiết bị Pm = 100 kPa = 1×105 (N/m2)
- PL là áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị - ρ là khối lượng riêng của cột chất lỏng trong thiết bị - HL là chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị
Ta có công thức tính khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng trong thiết bị:
1 ρ=x1
ρ1+x2 ρ2+x3
ρ3+..xn ρn=∑
i=1 n xi
ρi [STQTTB tập 1, Tr 5]
Trong đó: ρi là khối lượng lượng riêng của cấu tử thứ i.
xi là nồng độ phần khối lượng của cấu tử thứ i.
Nồng độ của các cấu tử được tính như sau:xi=mi
G. Tổng khối lượng của các cấu tử trong thiết bị khi tiến hành phản ứng: G = 123,2 (kg)
⇒ 1ρ=G1 .(mρnhựanhựa+mρCĐRCĐR)=931,17.(70,76551210 +22,40451170 )
⇒ ρ = 1200,134 (kg/m3)
Hỗn hợp trong nồi phản ứng sẽ chiếm toàn bộ thể tích phần đáy và một phần thể tích hình trụ:
VNL=Vd+π × R2× hl=Vd+π ×(D2t)2× hl⇒hl=4×(π × DVNL−Vt d) 2
Với thể tích đáy tra bảng VIII.10, [STQTTB tập 2, Tr 383]:
Vd = 0,0352 (m3) Do đó thể tích của hỗn hợp trong thân hình trụ:
Vt = VNL – Vd = 0,077 – 0,0352 = 0,0418 m3 Chiều cao của cột chất lỏng trong khối hình trụ:
hl= Vt.4
π . Dt2=0,0418.4
π .0,52 =0,213m
Chiều cao của cột chất lỏng kể từ đáy:
HL = hl + h = 0,213 + 0,175 = 0,388 m Với Pm = 100 kPa thì áp suất làm việc bên trong thiết bị:
P = 1. 105 + 0,388. 9,81. 1200,134 = 104568,046 (N/m2)
Áp suất làm việc bên trong thiết bị lớn hơn áp suất bên ngoài nên khi tính toán ta tính theo áp suất làm việc bên trong.
❖ Tính áp suất thử tính toán
P0 = Pth + P1 [STQTTB tập 2,Tr 366]
Trong đó:
- Áp suất thuỷ lực Pth = 1,25*P= 1,25 × 104568,046 = 130710,058 (N/m2) - Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị:
P1 = ρ.g.HL = 1200,134 9,81. 0,388 = 4568,046 (N/m2)
⇒ P0 = 130710,058 + 4568,046 = 135278,104 (N/m2)
❖ Hệ số bền của thành thiết bị theo phương dọc trục
Chọn vật liệu cho thiết bị là loại thép không gỉ X18H10T. Hàn bằng phương pháp hàn tay, sử dụng hồ quang điện để hàn. Chọn ϕ = 0,95.
❖ Tính ứng suất tính toán
Ở nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 4700C, chiều dày ước tính của thân thiết bị 4÷25 mm với thép X18H10T thì độ bền của vật liệu như sau:
Chọn: σk = 550×106 (N/m2), σc = 220×106 (N/m2) [STQTTB tập 2,Tr 310]
Hệ số an toàn với thép tấm sản xuất theo phương pháp cán dập, chọn nk = 2,6 và nc =1,5 [STQTTB tập 2,Tr 356]
Hệ số điều chỉnh η=0,9
Ta có: Giới hạn bền khi kéo:
[σk]=σnk
k
× η=550
2,6×0,9×1 06=190,385×1 06( N m2)
Giới hạn bền khi chảy:
[σc]=σnc
c
× η=220
1,5×0,9×106=132×106( N m2)
Ta lấy giá trị bé nhất trong hai kết quả vừa tính được của ứng suất để tính toán.
Suy ra lấy: [σ]=[σc]=132×1 06(N/m2)
Vì [σk]. φ
P = 132.106
104568,046 . 0,95 = 1199,219 > 50, do đó có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày thiết bị phản ứng.
❖ Tính hệ số bổ sung
C = C1 + C2 + C3
Trong đó:
- C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị. Đối với vật liệu rất bền, ta có thể lấy C 1 = 1mm (tính theo thời gian làm việc từ 15-20 năm).
- C2: đại lượng bổ sung do hao mòn, đại lượng này được chọn theo thực nghiệm, chọn C2 = 0
- C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, lấy C3 = 0,8 (mm)
⇒ C = 1 + 0,8 = 1,8 (mm)
Từ các số liệu đã được ở trên ta tính được chiều dày thiết bị phản ứng theo công thức:
S= DtP
2[σ]. φ−P+ C, m
S=0,5.104568,046
2.132.106.0,95 + 1,8 .10−3 S = 2,008.10-3 (m) = 2,008 (mm)
Lấy chiều dày thiết bị phản ứng S = 3 mm
❖ Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị
Thành thiết bị được kiểm tra bằng áp suất thử theo công thức
σ=[Dt+ST−C]× P0
2(ST−C)× ϕ < σc
1,2 [STQTTB tập 2,Tr 365 ] Giới hạn chảy: σc = 220×106 (N/m2), tỷ số1σ,c2=183×106( N
m2)
Ứng suất thử:
σ= [0,5+(3.10−3−1,8.10−3)].135278,104
2(3.10−3−1,8.10−3).0,95 = 29,737 . 106 (N/m2)
σ <1σ,c2=183×106( N m2)
Như vậy, chiều dày của thân thiết bị ST = 3 mm đáp ứng yêu cầu của điều kiện làm việc.