TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP Bài tập lớn hóa công II 1 MỤC LỤC A TÍNH CHẤT HÓA LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4 2 1 Tính chất hóa lí và ứng dụng 2 2 Cô đặc 2 B CẤU TẠO VÀ NGUYÊ[.]
Bài tập lớn hóa cơng II MỤC LỤC A.TÍNH CHẤT HÓA-LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4 Tính chất hóa lí ứng dụng 2 Cô đặc B CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC C TÍNH TỐN Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể Tính nhiệt lượng trao đổi Q Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể Tính lần 1: a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: .5 b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Tính lần 2: a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo cơng thức: .7 b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Tính lần 3: a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: .9 b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 h Bài tập lớn hóa cơng II TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP A.TÍNH CHẤT HĨA-LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4 Tính chất hóa lí ứng dụng Cacbon tetraclorua hay tetraclorua cacbon (Danh pháp IUPAC: Carbon tetrachloride) hợp chất hóa học có cơng thức hóa học CCl4 Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất làm chất phản ứng tổng hợp hữu dung mơi hữu Trước làm chất dập lửa làm chất làm lạnh Đây chất lỏng khơng màu có mùi "thơm", đóng rắn -250K, sơi 350K,dễ bay hơi, tỷ trọng lỏng 1.5842g/cm3, độ hòa tan nước 25oC 785-800mg/L, không bắt cháy Cacbon tetraclorua chất độc gây hại đến sức khỏe đặc biệt cho gan, hệ thần kinh, gây ung thư, tác động xấu tới môi trường làm thủng tần ô-zôn gây nên hiệu ứng nhà kính Mức độ hoạt động hóa học khơng cao Cơ đặc Cơ đặc q trình làm bay dung môi nhiệt độ sôi nhằm mục đích thu lấy dung dịch đâm đặc thu dung môi tinh khiết hay chất rắn kết tinh Trước đưa dung dịch cacbon tetraclorua vào thiết bị đặc cần gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thường thiết bị ống chùm đun nóng nước bão bịa nhằm mục đích đảm bảo cho q trình đặc liên tục đáp ứng yêu cầu nhiệt độ sôi tăng theo nồng độ dung dịch Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thiết bị truyền nhiệt sử dụng phổ biến công nghiệp nhờ ưu điểm làm việc chắn, liên tục, gọn gàng, bề mặt truyền nhiệt lớn 1) 2) 3) 4) Cấu tạo: Vỏ thiết bị hình trụ Lưới đỡ ống ống truyền nhiệt mặt bích có bu lơng ghép h Bài tập lớn hóa cơng II Sơ đồ thiết kế công đoạn gia nhiệt CCl4 sôi Hơi H2O bh 1) 2) 3) 4) 5) 6) Chú giải: Thùng chứa dung dịch đầu Bơm Thùng cao vị Lưu lượng kế Thiết bị trao đổi nhệt ống chùm Thùng chứa nước ngưng B.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Thiết bị ống chùm dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất, có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: 1- Vỏ hình trụ 2- Lưới đỡ ống 3- Ống truyền nhiệt 4-Mặt bích có bu lơng ghép Trên vỏ, nắp, đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt đặt chân đỡ tai treo hàn vào vỏ Chất tải nhiệt I (CCl4 100%) vào từ đáy qua ống lên khỏi thiết bị, chất tải nhiệt II ( nước bão hòa ) từ cửa vỏ vào khoảng trống ống vỏ phía Trong thiết bị diễn q trình truyền nhiệt bão hòa tới hỗn hợp h Bài tập lớn hóa cơng II Các ống thiết bị bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn Chọn thông số kĩ thuật: Chọn vật liệu thép crom-niken-titan Chiều cao hai mặt bích: H=2 m Chuẩn số Reynolds: Re = 10500 Đường kính ống: d = 30x2 mm Bề dày ống truyền nhiệt: δ = mm = 0,002 m Nhiệt độ nước bão hịa có áp suất at là: 151,0oC(tra bảng I.250-tr313) C TÍNH TỐN Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể to o C t1đ t1c t2c t2đ Hiệu số nhiệt độ lớn: Ta chọn thđ = 151,0oC, t2đ= 25oC, t2c= t ∆tđ = 151,0 – 25 = 126,0(oC) = 76,8oC(tra bảng 1.272-tr335) Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc = 151,0 – 76,8 = 74,2(oC) tđ 126, tc 74, 1, Nhiệt độ trung bình hai lưu thể xác định : t tb 126, 74,2 0 ,1 ( o C) Nhiệt độ trung bình lưu thể là: : t1tb = 151,0oC : t2tb = 151,0– 100,1 = 50,9 (oC) Tại t2tb = 50,9 (oC) nội suy theo [1.153-tr171] Cp = 908,35(J/kg.oC) h Bài tập lớn hóa cơng II Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = G.Cp(tF – tf) Trong đó: G - lưu lượng hỗn hợp ban đầu, G = 4,3 kg/s; Cp - nhiệt dung riêng hỗn hợp t2tb = 50,9oC tF= 76,8oC tf = 25oC - nh Với Cp =908,125 J/kg.oC Vậy: Q = 4,3.908,35.(76,8–25) = 202325,9 (W) Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo công thức: r 2, 04.A.4 , W/m2.oC t1 H Trong đó: r - Nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa, J/kg; ∆t1 - Chênh lệch nhiệt độgiữa nhiệt độ đốt nhiệt độ thànhống truyền nhiệt, oC; H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = m; A - số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Ứng với thđ = 151,0oC nội suy theo bảng 1.250-tr313, ta có: r = 2116,9.103 J/kg Tính lần 1:Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hịa oC a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1=2 oC → tt1= t1tb– ∆t1= 151,0–2= 149,0 (oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: Tm t1 tb tt1 1, 149,0 150, (oC) Từ tm = 150,0 C tra bảng ta được: A = 195,5 Vậy : α1 =10756,9 W/m2.oC o b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Hệ số cấp nhiệt α tính theo cơng thức: h Bài tập lớn hóa cơng II ,25 Nu 0, 021 k R e ,8 P r ,43 Pr P rt ,25 Suy ra: 0, 021 d k R e ,8 P r ,43 Pr P rt Trong : Prt - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình tường, cịn thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng; εk - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính d ống Ta chọn d = 30x2 mm H = 2m Dựa vào bảng V.2-tr15 ta có : L d 0, 026 58, 823 50 → εk =1 Tính chuẩn số Pr theo công thức : C p Pr = Trong đó: Cp - nhiệt độ riêng dung dịch t2tb; μ - độ nhớt dung dịch t2tb; λ - hệ số dẫn nhiệt độ t2tb tính theo cơng thức: C p M Trong đó: ρ - khối lượng riêng dung dịch, kg/m3; M -khối lượng phân tử dung dịch, kg/kmol; Ta có : Cp = 908,35 J/kg oC ε -hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng với CCl4 chất lỏng khơng liên kếtthìε= 4,22.10-8 Tạit2tb= 50,9oC nội suy ta có : ρ = 1534,7 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp là: λt = 0,127 W/m.oC Tại t2tb = 50,9oC : μdd = 0,6446.10 (Ns/m ) -3 Do đó: Pr = 4,61 Tính chuẩn số Prt : C P rt = pt hh t Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10756,9.2 q1 =21513,8(W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1– tt2 = q1.∑rt Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC; ∑rt - nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W h Bài tập lớn hóa cơng II rt rt rt Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở cặn bẩn hai phía tường, m2.độ/W; δ -bề dày ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = mm = 0,002 m; λ -hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m.oC; với thép -crom-niken-titan ta cóλ = 18,0 W/m.độ.(I.125-tr127 ) Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn: rt1 = 0,464.10-3 , m2.độ/W rt2 = 1,16.10-3 , m2.độ/W ∑rt =1,735 10-3 (m2.độ/W) Do đó: ∆tt= q1.∑rt= 21513,8.1,735.10-3 = 37,33 (oC) → tt2= tt1– ∆tt = (151,0 - 2) – 37,33 = 111,67(oC) ∆t2 = tt2–t2tb = 111,67- 50,9 = 60,77(oC) Tại tt2 = 111,67oC nội suy I.153-tr171 ta có Cpt = 995,8(J/kg.độ) Tại tt2 = 111,67oC nội suy ta có: I.2-tr9 ρt=1408,33 kg/m3 Tại tt2 = 111,67oC nội suy ta có: I.101-tr91 →μdd = 0,350.10-3(Ns/m2) Ta được: t k C pt t t M λt = 0,124(W/m C) o C P rt = pt hh = 2,81 t ,25 Vậy: 0, 021 d k R e ,8 P r ,43 Pr P rt α2 = 360,4(W/m độ) → q2 = α2.∆t2 = 360,4 60,77= 21901,5 (W/m2) 2= 1= q2= qtb 1=21513,8 21901,5 W/m tb Tính lần 2:Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hịa 3oC a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo cơng thức: 2, 04.A.4 r , W/m2oC t1 H Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 3oC → tt1= t1tb – ∆t1= 151,0– 3= 148 (oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: h W/m2 Bài tập lớn hóa cơng II 151 Tm 148 149,5 (oC) Từ tm = 149,5oC tra bảng ta được: A = 195,43 r = 2116,9.103 J/kg Vậy :α1 =9716,47(W/m2.độ) b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 9716,47 = 29149,4 (W/m2) tm = 149,5 (oC) nên λ = 18,0 Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∑rt =1,735.10-3 , m2.độ/W →∆tt=29149,4.1,735.10-3= 50,57 (oC) tt2 = tt1– ∆tt = 148 – 50,57 = 97,43(oC) ∆t2 = tt2– t2tb= 97,43 – 50,9 =46,53(oC) Tại tt2 = 97,43oC ta có: Cpt =972,145(J/kg.độ) Tại tt2 = 97,43oC ta có: ρ = 1438,8 kg/m3 Tại tt2 = 97,43oC nội suy ta có: → μhh = 0,428.10-3(Ns/m2) λt = 0,124(W/m.độ) C P rt = pt hh t ,1 , 3, ,1 Vậy: α2 =344,63(W/m2.độ) →q2 = α2.∆t2 = 344,63.46,53= 16035,6(W/m2) h Bài tập lớn hóa công II 31000 29149.4 29000 27000 25000 23000 21901.5 21000 21513.8 19000 17000 16035.6 15000 0.5 1.5 q1 q2 2.5 Giải phương trình ta tính ∆t1 = 2.03 oC Tính lần 3:Chênh lệch nhiệt độ màng bão hị a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: Dựa vào đồ thị ta suy ∆t1 = 2,03oC ta có: tt1= t1tb- ∆t1= 151,0 – 2,03 = 148,97(oC) tm 1, 8, 149,985 (oC) Từ tm = 149,985oC tra bảng ta được: A = 195,498 Vậy : α1 =10716,8(W/m2.độ) b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10716,8.2,03= 21755,1 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt= 21755,1.1,735.10-3= 37,745 (oC) tt2 =tt1 – ∆tt = 148,97 – 37,745 = 111,225(oC) ∆t2= tt2 – t2tb = 111,225 – 50,9 = 60,325(oC) Tại tt2 =111,225oC nội suy ta có: Cpt = 995,0825(J/kg.độ) Tại tt2 = 111,225oC nội suy ta có: ρt = 1409,305 kg/m3 Tại tt2 = 111,225oC nội suy ta có: μhh = 0,3511.10-3(Ns/m2) h o C 3.5 Bài tập lớn hóa cơng II Ta được: λt = 0,1238(W/m.độ) C P rt = pt 9 , , 1 hh 2,822 ,1 t Vậy: α2 = 359,414(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 359,414.60,325 =21681,65(W/m2) Dựa số liệu tính tốn ta có bảng số liệu: Số lần tính Phía nước ngưng tụ t1tb 151 151 151 ∆t1 2,03 tt1 149 148 148,97 tt2 111,67 97,43 111,225 ∆t2 60,77 46,53 60,325 t2tb 50,9 50,9 50,9 Prt 2,81 3,36 2,822 Từ ta có: qtb = d td q1 21513,8 29149,4 21755,1 Phía hỗn hợp chảy xốy Số lần tính α1 10756,90 9716,47 10716,80 tm 150 149,5 149,985 Nhiệt trở hiệu số nhiệt độ ∑rt ∆tt -3 1,735.10 37,33 1,735.10-3 50,57 -3 1,735.10 37,745 dt dn 0, 026 0, 030 0, 028 (W/m2) qtb = 21718,375(W/m2) Kiểm tra sai số: Ss=0,34% (quá đạt tiêu chuẩn) Tính bề mặt truyền nhiệt F Q 2 5, q tb 8, 9,32m Làm tròn F = 10 m2 Số ống truyền nhiệt d td dt dn 0, 026 0, 030 0, 028 Số ống truyền nhiệt: n F d td H 9,32 3, 0 , , 10 h (Pr/Prt)0,25 1,13 1,08 1,13 α2 360,40 344,63 359,414 q2 21901,5 16035.6 21681,65 Bài tập lớn hóa công II n: số ống truyền nhiệt Dựa bảng quy chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác : n = 61 ống Số ống cạnh hình cạnh là: ống Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: 9ống Tổng số ống không kể ống hình viên phân là: 61 ống Số hình cạnh là: hình Đường kính thiết bị đun nóng D = t.( b – ) + 4.dn, m Trong : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ; dn – đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m; b – số ống đường xuyên tâm sáu cạnh Vậy: D = 1,2.0,03.(9 – ) + 4.0,03 D = 0,408 (m) Làm tròn: D = 0,5 m = 500 mm Tính chiều cao thiết bị , tra bảng số liệu ta chọn: Chiều cao nắp thiết bị: hl = ht + h Trong đó: ht = 125 mm h = 25 mm Vậy chiều cao thiết bị: L = H + 2.hl = 2.1000 + 2.( 125 + 25 ) = 2300 (mm) Tính lại vận tốc chia ngăn Xác định vận tốc thực: G t d n G = 4,3 (kg/s) n = 61 ống d = 0,026 m ρ = 1534,7 kg/m3 µ = 0,645 Ns/m2(sai) → G t , 4 d n 0, 0865 3, , 6 , ωt = 0,0865 (m/s) Xác định vận tốc giả thiết: Re gt d 0 , ,1 , , ωgt= 0,1697 (m/s) 11 h (m/s) Bài tập lớn hóa cơng II Vì: gt t 0 ,1 0, 0865 49,03 0 10 0 ,1 gt Nên ta cần phải chia ngăn để q trình cấp nhiệt chế độ xốy Số ngăn: Số ngăn cần thiết: m gt ,1 t 0, 0865 1, m = 1,96 ( ngăn ) Quy chuẩn m = (ngăn ) Tính lại chuẩn số Reynolds: Re G d n 4 , 3 , , , 61 16056 Vậy kích thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là: F = 10m2 – bề mặt truyền nhiệt; n = 61 ống – số ống truyền nhiệt; D = 500mm – đường kính thiết bị; H = 2m – chiều cao hai mặt bích L = 2,3m – chiều 12 h