Bài tập giữa kỳ môn thiết kế thiết bị truyền nhiệt & chuyển khối thiết kế thiết bị ngưng tụ hơi dme năng suất 2300 kgh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CN SINH HỌC & CN THỰC PHẨMBM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CNSH&CNTP BÀI TẬP GIỮA KỲ MÔN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT & CHUYỂN KHỐI THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CN SINH HỌC & CN THỰC PHẨM

BM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CNSH&CNTP

BÀI TẬP GIỮA KỲ MÔN THIẾT KẾ THIẾT BỊ

TRUYỀN NHIỆT & CHUYỂN KHỐI

THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ HƠI DME

NĂNG SUẤT 2300 KG/H

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Ngọc Hoàng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy – 20180470

Nguyễn Quang Anh – 20180399 Trần Thị Thảo – 20180547

Hà Nội, tháng 6, năm 2022

Mục lục

1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về dung môi Dimetyl ether 4

1.1.1 Đặc tính 4

1.1.2 Tính chất hóa học 4

1.1.3 Ứng dụng của Dimetyl ether 5

1.2 Nguyên lí hoạt động thiết bị ngưng tụ ống chùm 5

2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 6

2.1 Tính toán nhiệt độ đầu vào của nước làm mát – nước ra khỏi tháp giải nhiệt 6 2.2 Đề bài đưa ra 7

2.3 Thông số đầu vào 7

2.4 Tính toán nhiệt lượng tỏa ra 7

2.5 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt 8

2.6 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ∝1 9

2.7 Hệ số cấp nhiệt phía nước 10

2.8 Tổng nhiệt trở 11

2.9 Tính tải nhiệt lượng riêng 11

2.10 Hệ số truyền nhiệt 13

2.11 Xác định kích thước thiết bị ngưng tụ 14

3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ 18

3.1 Mặt bích 18

3.2 Kích thước các ống dẫn 18

3.3 Tính chân đỡ 20

4 KẾT LUẬN 22

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

 Khí rất dễ cháy, hỗn hợp nổ với không khí, hòa tan trong nước.

 Khi bay hơi hình thành sương mù lan rộng

 Công thức hóa học: C2H6O

 Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol

 Hệ số chuyển đổi (pha khí) tại 1013 mbar và T = 200C: 1 ml/m3 = 1,92mg/m3

 Điểm nóng chảy tại áp suất thường: T = -141,50C

 Điểm sôi tại áp suất thường: T = -24,80C

 Thông số tới hạn:

- Nhiệt độ tới hạn T = 126,90C

- Áp suất tới hạn: p = 53,70C

- Khối lượng riêng tới hạn: ρ = 0,271 g/cm3

- Khối lượng riêng:

- Khối lượng riêng của hơi tại t = 00C, p = 1013 mbar: ρ = 2,1146 kg/m

- Điểm nhanh (Flash point): T = -410C

- Độ hòa tan trong nước:

- Nồng độ: 70g/l

- Nhiệt độ: 200C

Bảng 1.1 Tương quan nhiệt độ và áp suất của DME

50 11,4

1.1.3 Ứng dụng của Dimetyl ether

• Do là dung môi không phân cực nên có khả năng hòa tan tốt các chất khôngphân cực và do đó được ứng dụng vào các quá trình trích ly

• DME hóa lỏng có khả năng hòa tan rất lớn với nước, do đó được ứng dụng táchnước khỏi các chất rắn sinh học hoặc trích ly kèm theo cả chất hữu cơ và nướctrong nguyên liệu thực phẩm

• Thân thiện với môi trường và an toàn với con người được công nhận bởiEFSA, FSANZ, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ

1.2 Nguyên lí hoạt động thiết bị ngưng tụ ống chùm

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếpgiữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt Để tăngcường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong vàngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng

Quá trình là ngưng tụ hơi Dimethylether (DME) thành lỏng nên ta cho hơi DME đibên ngoài không gian giữa các ống truyền nhiệt và vỏ thiết bị còn nước lạnh làm mát

đi bên trong ống

Đặt thiết bị nằm ngang để tránh hiện tượng ngưng tụ màng hơi sau khi ngưng tụthoát khỏi bề mặt truyền nhiệt nhanh hơn từ đó tăng hiệu quả truyền nhiệt

2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ

2.1 Tính toán nhiệt độ đầu vào của nước làm mát – nước ra khỏi tháp giải nhiệt

Khi cho hơi nước bay hơi đoạn nhiệt vào không khí chưa bão hòa, nhiệt độ củakhông khí sẽ giảm dần trong khi độ ẩm tương đối tăng lên Tới trạng thái bão hoà,quá trình bay hơi chấm dứt Nhiệt độ ứng với trạng thái bão hoà cuối cùng này gọi lànhiệt độ bầu ướt

Đồ thị I – d của không khí diễn ra trong tháp giải nhiệt

Như vậy nhiệt độ nhiệt kế ướt của một trạng thái là nhiệt độ ứng với trạng tháibão hòa và có entanpi I bằng entanpi của trạng thái không khí đã cho Giữa entanpi I

và nhiệt độ nhiệt kế ướt tư có mối quan hệ phụ thuộc

Trên lý thuyết, tháp hạ nhiệt sẽ giải nhiệt nước xuống đến bằng nhiệt độ vàobầu ướt Tuy nhiên, trên thực tế, nước được giải nhiệt xuống nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ bầu ướt khoảng 2 – 3 ˚C vì nhiệt cần phải được thải bỏ khỏi tháp giải nhiệt từ từ

 Ta chọn thông số không khí ngoài trời như sau:

Không khí ngoài trời có t0 = 26˚C, φ0 = 80%, P = 1atm = 1,013 bar

Tra phần mềm đồ thị không khí ẩm ta có:

Nhiệt độ điểm sương ứng với không khí với thông số trên:

WP (daw point temperature) = 23,319 ˚C

 Chọn nhiệt độ làm mát sau khi ra khỏi tháp giải nhiệt là t = 29 ˚C.

2.2 Đề bài đưa ra

Thiết kế thiết bị ngưng tụ dạng ống chùm cho hơi Dimethylether (DME) có năngsuất 2300 kg/h, làm việc ở áp suất 8 atm Nước làm mát tuần hoàn qua tháp giải nhiệt

2.3 Thông số đầu vào

Lưu lượng hơi cần ngưng tụ là: N= 2300 kg/h

Nhiệt độ nước đầu vào là: 29oC  t1 = 29oC

Nhiệt độ nước đầu ra là: 34oC  t2 = 34oC

Nhiệt độ ngưng của dymethyl ether ở 8atm: tr = 36 oC

Nhiệt độ hơi Dymethyl ether vào là tv = 40 oC

Chọn ống truyền nhiệt inox 304 loại DN32 với các thông số như sau

- Đường kính ngoài d n =42,2mm

- Bề dày: 2,97 mm

- Chiều dài: l = 3 m

2.4 Tính toán nhiệt lượng tỏa ra

Phương trình cân bằng nhiệt:

Nhiệt lượng tỏa ra khi DME hơi ngưng tụ thành DME lỏng:

Q =Q nt +Q hn +Q tt(kcal

h )Trong đó:

- Q: Tổng nhiệt lượng tỏa ra (Kcal/h)

- Qnt: Nhiệt lượng tỏa ra khi ngưng tụ DME (kcal/h)

- Qtt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (kcal/h)

- Qhn: Nhiệt lượng để hạ nhiệt độ hơi DME về nhiệt độ ngưng tụ(kcal/h)

Cho rằng nhiệt lượng tổn thất ra môi trường bằng 5% tổng nhiệt lượng cấp vào, khi

đó phương trình trở thành:

Q=Q nt +Q hn

0 , 96 (kcal

h )Nhiệt lượng làm ngưng tụ DME:

Trong đó C = 0,325 kcal/kgK – là nhiệt dung riêng của hơi DME

Nhiệt lượng cần để hạ nhiệt hơi DME đến nhiệt độ ngưng tụ là:

2.5 Tính nhiệt độ trung bình

Tính các nhiệt độ trung bình

Chênh lệch nhiệt độ đầu vào:

∆ t1=40−29=11o C

Chênh lệch nhiệt độ đầu ra:

2.6 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ∝1

Lượng nhiệt bỏ ra để ngưng tụ hoàn toàn hơi dimethylether thành lỏng là:

Trong trường hợp ống chùm nằm ngang những dãy ống phía dưới sẽ bị phủ lênmột lớp nước ngưng dày hơn các ống phía trên, đồng thời vận tốc cũng bị giảm từtrên xuống dưới do một phần đã bị hơi ngưng tụ Vì vậy, hệ số cấp nhiệt giảm dần đốivới các dãy phía dưới

Ta có hệ số cấp nhiệt phía hơi dimethylether là:

α 1 = ɛtb α (V.109 – Sổ tay QTTB 2 – tr31)Trong đó:

 α = 1,28 x A x (t d r ) 0,25 (V.111 – Sổ tay QTTB2 – tr28)

 d: là đường kính ngoài ống dẫn nhiệt, d = 0,0422 m

 A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng dimethylether tm = 12 (tD + tT1)

 A = (❑❑2❑3)0,25 (V.101 – Sổ tay QTTB2 – tr28)

 tT1: nhiệt độ tường phía hơi, oC

 tD: nhiệt độ hơi ngưng tụ, oC

 r: ẩn nhiệt ngưng tụ

t = tD – tT1: chênh lệch nhiệt độ ngưng của hơi dimetylether và nhiệt độ tườngphía mặt tiếp xúc với hơi ngưng

tD: nhiệt độ hơi ngưng tụ

tT1: Nhiệt độ tường phía hơi;

 ε tb: Hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống, số ống mỗi dãy

2.7 Hệ số cấp nhiệt phía nước

Các thông số của nước tại nhiệt độ 32,72oC:

Các thông số của nước tại nhiệt độ 32,72℃:

- Khối lượng riêng của nước: ρ =994 ,73(kg /m3) (nội suy từ bảng I.5 trang 12 Sổtay QT&TB Công nghệ hóa chất tập 1)

- Độ nhớt của nước: μ=0,000752(N s /m2)  ( suy từ bảng I.102 trang 94 Sổ tay QT&TB Công nghệ hóa chất tập 1)

- Hệ số dẫn nhiệt của nước: λ=0,5364(W /m o C) (nội suy từ bảng I.139 trang

133 Sổ tay QT&TB Công nghệ hóa chất tập 1)

- Nhiệt dung riêng của nước: (nội suy từ bảng I.147 trang 165 Sổ tay QT&TB Công nghệ hóa chất tập 1)

Chuẩn số Prandtl của nước là:

Pr¿C p μ

λ =4180 , 91.0,000752

Chuẩn số Nusselt của dòng nước:

Chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt Re= 10000 (chảy xoáy), theocông thức:

- - Chuẩn số Prandtl của dòng nước tính theo tường phía ngoài.

Thay số liệu ta được:

2.9 Tính tải nhiệt lượng riêng

Nếu coi sự mất mát của nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia ko quá5%, thì ta tính toán nhiệt tải riêng q1 và q2 cũng không chênh lệch quá 5% Thực hiệncác bước như sau:

- Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa hơi và thành ống: Δ t1=t hc −t T 1;

- Tính α1, q1 (nhiệt tải riêng phía hơi);

- Tính Δt =t T 1 −t T 2 chênh lệch nhiệt độ giữa hai bên thành ống: Δt =q1×∑ r Từ

đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước;

- Tính chuẩn số Prandlt tường PrT theo nhiệt độ tT2 Tính α2 theo công thức đã xác định, từ đó tính q2=α2× Δ t2;

- So sánh q1 và q2: |q1−q2

q1 |<5 % thì phù hợp;

- Tính qtb là nhiệt tải riêng trung bình: q tb=1

2(q1+q2 ), W/m2.Chọn Δ t1=0 ,5 o

Ở 35,85oC ta có các thông số vật lí của dimethylether

- Khối lượng riêng  = 638,43 kg/ m3 ;

- Độ nhớt: μ = 1,16.10-4 Ns/m2;

- Nhiệt dung riêng Cp = 15,49 cal/ mol oC = 1407,67 J/kg.℃;

- Hệ số dẫn nhiệt nước ngưng λ = 0,1143 W/m độ

q1=α1 Δ t1=3322.0 ,5=1780(W /m2)Chênh lệch nhiệt độ giữa hai thành ống:

Tại tT2 = 34,29℃ ta có thông số của nước

- Cp= 4179,49 J/kg.℃ (bảng I.149/168 Sổ tay QTTB công nghệ hóa chất 1)

- λ= 0,626 W/m.độ (bảng I.129/133 Sổ tay QT và TB công nghệ hóa chất 1)

- μ= 0,734.10-3 Ns/m2 (bảng I.102/95 Sổ tay QT và TB công nghệ hóa chất 1)

2.11 Xác định kích thước thiết bị ngưng tụ

a Số ống trao đổi nhiệt

Thay vào ta có: a = 10

Chọn quy chuẩn theo bảng V.11 – 48 - Sổ tay hóa công tập 2 - trang 48 ta có:

- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 19 ống

- Tổng số ống không kề các ống trong các hình viên phân: 271 ống

Cách sắp xếp ống trên vỉ ống: Việc sắp xếp ống trên vỉ ống sao cho hiệu suất truyền nhiệt cao nhất Thông thường, ta chọn cách sắp xếp các ống thành các đỉnh của tam giác đều có cạnh là t

Theo mục c – trang 262 – tài liệu 1, ta tính được chiều dài mỗi cạnh t là:

b Tính đường kính thiết bị ngưng tụ

Đường kính Dbn của bình ngưng tụ được tính như sau: (trang 49 Sổ tay QTTB2-t2)

Dbn = t.(b-1) + 4dn ,mmTrong đó:

 t: Bước ống, mm

 b: Số ống trên đường chéo của lục giác lớn nhất, ống

 dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, mm

Vậy đường kính bình ngưng là:

Dbn = 0,055 (19-1) + 4.0,0422 = 1,16 mChọn đường kính bình ngưng tụ là: Dbn = 1,2m

Vận tốc chảy giả thiết (Với Re = 10000):

Suy ra số ngăn chia là: m=0,176

0,034=5 ,17 Vậy chọn số ngăn là 6

Kiểm lại số ống sau bản vẽ cần bỏ đi tất cả 54 ống ứng với 9 ống ở mỗi lối, do đó tacần thêm ống và góc viên phân của hình 6 cạnh và tra theo bảng V.11 – 48 - Sổ tayhóa công tập 2 - trang 48 ta xac định được số ống cần thêm bù vào ở mỗi góc hìnhviên phân là 5 ống là:

n =271−54+5.6=247 ống

c Chiều dày thân bình ngưng tụ

Chọn vật liệu làm thân bình ngưng là inox 304 và phương pháp chế tạo là dạng thân hình trụ hàn:

(m) Trong đó:

- Dt = 1200(m): Đường kính trong của thiết bị;

- φ - hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc;

- C - hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m;

- P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2;

- [σ] - ứng suất cho phép, N/m2.

Hệ số bổ sung do ăn mòn được xác định theo công thức sau: (XIII.17, STQTTB T2, 363)

C = C1 + C2 + C3 (mm) C1: Bổ sung do ăn mòn, xem vật liệu chế tạo thiết bị tương đối bền chọn C 1 = 1 mm/năm]

C2: Bổ sung do hao mòn chỉ tính đến trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị, vậy trong trường hợp đang xét C2 = 0.

C3: Bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu theo (XIII.9, STQTTB T2, 364) ta có: C3 = 1 (mm) đối với thép cán loại dày 4mm.

Vậy: C = 1+1 = 2 (mm)

Ứng suất kéo cho phép:

Ứng suất cho phép của thép SUS 304 theo giới hạn bền, theo công thức:

Ứng suất cho phép giới hạn chảy, theo công thức:

Do [σ c ].φ h

P =123.1 06

810600 .0 , 95=144 ,15>50 nên có thể bỏ qua P ở mẫu số của công thức

Khi đó chiều dày thân được tính bằng công thức:

Đường kính trong Dt (mm) Chiều cao Ht (mm) Chiều cao gờ h (mm)

Nắp và đáy bình ngưng tụ là phần không gian nước làm mát chảy qua, không chịu áp cao Chọn chiều dày nắp bằng chiều dày thân Sn = Sđ = 6 (mm)

3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ

m)

(m m)

(m

(cá i)

(m m)

0

140 0

132 5

127 5

121 9

Chọn ống có kích thước danh nghĩa DN50 ∅ 60,3 độ dày 1,65 mm

Theo kích thước danh nghĩa ống ta chọn bích theo bảng XIII.26 trang 412 Sổ tay QTTB tập 2

D (m m)

D δ

(m m)

h (m m)

M1

b Ống dẫn hơi DME vào

Lượng hơi vào 2300 kg/h

Theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn DN80 Ø90 độ dày 3,05mm

Theo kích thước danh nghĩa ống ta chọn bích theo bảng XIII.26 trang 412 Sổ tay QTTB tập 2

D (m m)

D δ

(m m)

h (m m)

12 8

Đường kính trong của ống dẫn hơi DME ra là

D=√4.W

π v =√ 4.0,638

π 638 , 42.1 =0,036 (m)=36 (mm)

Theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn DN32 Ø42 độ dày 2,77mm

Theo kích thước danh nghĩa ống ta chọn bích theo bảng XIII.26 trang 412 Sổ tay QTTB tập 2

Áp

D (m m)

D δ

(m m)

h (m m)

M1

d Ống thoát khí không ngưng

Theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn khí không ngưng DN15 Ø21,3 độ dày 2,11mm

m tb =961,55+7 ,9+541+1355+112+414.1=3391.55 (kg)

Làm tròn lên 3400 kg

Tải trọng mà chân đỡ thiết bị phải chịu là:

q tb =m tb .9 , 81=3400.9 ,81=33354 ( N )

Tải trọng trên mỗi chân đỡ: 33354 :2=16677 (N)

Dựa vào tải trọng mà chân đỡ thiết bị phải chịu ta tra bảng XIII.35 và XIII.37 Sổ tay hóa công tập 2 trang 437 và 439 ta chọn được kích thước của chân đỡ như sau:

Bảng 3.2 Bảng thông số chân đỡ thiết bị ngưng tụ DME

L mm

B mm

B1 mm

B2 mm

H mm

h mm

s mm

l mm

d mm

Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi có lót

mm

4 KẾT LUẬN

Về phương pháp tính toán, phần tính toán sử dụng dựa trên các tài liệu đáng tin cậycủa các tác giả có nhiều năm kinh nhiệm giảng dạy và thực tế Các thông số về kíchthước cơ bản đã được tính một cách rõ ràng và logic Các số liệu sau khi tính toán đãđược sự góp ý của giảng viên hướng dẫn để phù hợp hơn với thực tế

Về phương diện thiết kế, bản vẽ đã trình bày rõ về hình dạng cũng như các kíchthước cơ bản của thiết bị; phóng to một số các kết cấu quan trọng như: cách xếp ốngtrên vỉ, các kết cấu ghép của các mặt bích,…

Tuy nhiên, phần tính toán thiết kế vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót cũng như dokinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm thực tế còn thiếu nên không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót không đáng có Vì vậy, trong thời gian tới, chúng em sẽ tiếp tục học hỏi cáckiến thức và kĩ năng cần thiết để phần tính toán thiết kế thêm đầy đủ, hoàn thiện vàsát hơn với thực tế

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới T.S Nguyễn Ngọc Hoàng đã cho chúng em những gợi ý, những lời khuyên và những kiến thức thực tế hữu ích để em có thể hoànthành tốt môn học của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2

[2] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1

[3] Thiết bị truyền nhiệt và chuyển khối - Nguyễn Văn May