Đồ án môn học Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu diezen để đun nóng dầu thô

Quanghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các quátrình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa học, sẽ tạođiều kiện c

LỜI MỞ ĐẦU

Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng trên

cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật Đặc điểm của lĩnh vực này là nghiên cứu những quyluật hoạt động của các quá trình để định ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sảnxuất Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho các kỹ sư khả năng tính toán,thiết kế thiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng nhấtcho một công nghệ cụ thể, với năng suất cao

Như chúng ta đã biết kỹ thuật công nghệ hóa học bao gồm nhiều quá trình khácnhau và được thực hiện trong các dạng thiết bị khác nhau Trong đó nguyên vật liệuthông qua các tác động tương tác về mặt vật lý, hóa lý và hóa học sẽ biến đổi chuyển hóa

để thành sản phẩm Cùng với sự biến đổi về chất có sự thay đổi về năng lượng và độnglượng

Vì vậy đối tượng của kỹ thuật công nghệ hóa học là các quá trình và thiết bị Quanghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các quátrình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa học, sẽ tạođiều kiện cải tiến quá trình cũ, cải tiến thiết bị, nhằm đổi mới công nghệ để tăng nhanhsản lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm Mặt khác nghiên cứu quá trình và thiết bị cũngnhằm tiến hành cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất, áp dụng kỹ thuật tiêntiến, nhằm giảm mức sử dụng nguyên vật liệu, chi phí chất đốt, năng lượng để đạt hiệuquả kinh tế cao nhất

Khác với các quá trình vật lý, quá trình hóa học làm thay làm biến đổi hoàn toàncấu tạo và thành phần hóa học hay tính chất hóa học của vật chất Trong công nghệ hóahọc gồm nhiều phương pháp sản xuất rất khác nhau song nhìn chung các quá trình chếbiến đều được thực hiện bởi các quá trình vật lý, hóa lý giống nhau như lắng, lọc, đunnóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, chiết, sấy khô, đông lạnh…

Các quá trình đều được tiến hành trong thiết bị Vì vậy, các thiết bị trong nhà máyhóa chất thực phẩm cũng nhiều loại, nhiều kiểu, song khi đảm nhận cùng nhiệm vụ thìcũng có cùng nguyên tắc cấu tạo

Dựa trên những kiến thức đã học bài đồ án này đi sâu vào việc tìm hiểu và tínhtoán các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học cụ thể là tính toán các thiết bịtruyền nhiệt và thiết kế tháp chưng luyện với những thông số đặt ra trước đó.

NỘI DUNG

PHẦN I: TRUYỀN NHIỆT

I Tổng quan về quá trình truyền nhiệt

1 Các khái niệm và các phương thức truyền nhiệt

Trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học và thực phẩm nhiều quá trìnhcần tiến hành ở nhiệt độ xác định thì vận tốc của quá trình và chất lượng sản phẩm mớiđược đảm bảo Để giữ được nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu người ta tiến hành cácquá trình làm nguội, đun nóng, ngưng tụ,… Đó là các quá trình nhiệt

Truyền nhiệt là sự truyền năng lượng dưới dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.Qúa trình truyền nhiệt diễn ra theo hướng nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độthấp hơn

Quá trình truyền nhiệt gồm:

- Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian, không thay đổi theothời gian Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục

- Truyền nhiệt không ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian.Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trìnhliên tục

Nhiệt được truyền từ vật này đến vật khác theo 3 phương thức: dẫn nhiệt, nhiệt đốilưu, bức xạ nhiệt

 Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tửkhác của vật chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau Thường thì quá trình này chỉ xảy

ra trong vật thể rắn các phần tử có nhiệt độ cao hơn, có dao động mạnh hơn va chạm vàocác phần tử lân cận, truyền cho chúng một phần động năng của mình và cứ như thế độngnăng được truyền đi mọi phía của vật thể

 Nhiệt đối lưu: nhiệt đối lưu là hiện tượng truyền nhiệt do các phần tử chất lỏnghoặc khí đổi chỗ cho nhau Hiện tượng đỏi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng này xảy ra

do chúng có nhiệt đọ khác nhau nên khối lượng riêng khác nhau

 Nhiệt bức xạ: là quá trình truyền nhiệt bằng dạng sóng điện từ, nghĩa lànhiệt năng biến thành tia bức xạ truyền đi, khi gặp các vật thể nào đó một phần năng

lượng nhiệt sẽ bị vật thể đó hấp phụ, một phần bị phản xạ lại và một phần xuyên qua vậtthể.

2 Các thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữacác chất mang nhiệt trong kĩ thuật thiết bị trao đỏi nhiệt dược sử dụng rộng rãi và đóngvai trò quan trọng trong các quá trình công nghệ

Theo phương pháp làm việc người ta có thể chia thiết bị trao đổi nhiệt thành 3loại:

 Trao đổi nhiệt trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau

 Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắntiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau Đầu tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với

bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến một nhiệt độ cần thiết, khi đóngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh, vật rắn sẽ truyền nhiệt chochất tải nhiệt lạnh

 Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác thông qua

bề mặt phân cách và trao đổi nhiệt gián tiếp( bề mặt truyền nhiệt) dựa vào cấu tạo của bềmặt trao đổi nhiệt ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại chính sauđây:

3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống

Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống là loại thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp được sử dụngphổ biến trong công nghiệp

 Loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp với nhau,mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau, ống trong của đoạn này nối với ống trong của đoạn

Chất tải nhiệt II đi trong ống trong từ dưới lên còn chất tải nhiệt I đi trong ống ngoài từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dayc làm việc song song.

Ưu điểm của loại này là hệ số truyền nhiệt lớn, cấu tạo đơn giản, nhưng cồng kềnh

và tốn nhiều kim loại

 Loại thiết bị ống chùm: thiết bị loại này được sử dụng phổ biến trong công nghệ hóa chất, nó có ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn

II TÍNH TOÁN

Đề bài: Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu

diezen để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp:

+ ống trong là ống tròn trơn+ ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọckhi biết các thông số cho trong bảng 1.1 và bảng 1.2

Bảng 1.1: Số liệu ban đầu

1,150,890,490,310,240,18

Lưu lượng Dầu thô là 95100 kg/h lưu lượng Diezen là 78100 kg/h

Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW]

G1, G2 là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ]

H T

11 , H T12 là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ T11 và T12 [kJ/kg]

H T

21 , H T22 là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ T21 và T22 [kJ/kg]

η là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt (η=0 , 95÷0 , 97 )

Theo yêu cầu: G1= 78100 kg/giờ G2= 95100 kg/giờ

Q=G1(H T11−H T

12)η=G2(H T22−H T

21)

Hệ số sử dụng nhiệt: chọn η=0,95

Xác định entanpy: Coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị hình 3.23

(trang 83- [7]) ta tìm được các giá trị entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng

Tra bảng entanpy ta được T22 = 447K hay 1740C

2 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình

Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt Trong thực tế, người ta thường chọn thiết

bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều Khi đó thường có lợi ích kinh tếcao hơn Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tảinhiệt chuyển động ngược chiều

ΔTT tb=116−1152,3 lg116115

Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch:

[W/m 2K]

F1, F2 lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân).

Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành trong mọiđiều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và 6 để tính toán hệ số truyền nhiệt Đây là cáccông thức xác định hệ số truyền nhiệt khi bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi

a, tìm F1, F2

Việc tìm F1 và F2 liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB TĐN Đểchọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết Muốn thể

ta giả định hệ số truyền nhiệt K

Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 295 W/m2K Biết

F= Q KΔTt tb (7)

30 m2 với các đặc tính: đường kính ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D =

89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at

+) Vậy Với F=256m2, thì cần 9 thiết bị loại 30m2 là đủ

 Với loại thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt ống có gân:

- Hệ số thêm gân khi có 20 gân là ϕ=4,3

- Hệ số thêm gân khi có 24 gân là ϕ=5

Với ống không có gân F = F1 = 256 m2

Trong đó: λ1 : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK]

dt: đường kính trong của ống nhỏ, [m] (dt = 0,04 m)

Dt: đường kính trong của ống ngoài, [m] (Dt = 0,079 m)

Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel

Re1 và Pr1 là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông số vật lý đượctính ở nhiệt độ trung bình

Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi

λ1= 0,1346

0,804 (1−0 ,00047 488 )=0 , 129 [W/mK]

λ1=0,129[W/mK]

Tính chuẩn số Reynold (Re1):

Re1 được tính theo công thức:

Re1=ω1d t

υ1

Với ω1 là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]

υ1 là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m2/s]

Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: ρ tb 1=659 kg/m3

f1 là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình.

Thiết bị có 4 ngăn, 240 ống, mỗi ngăn có 2 hành trình, mỗi hành trình có 30 ống(Nl = 30).

Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình

Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ Từ đồthị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở một nhiệt độ nào đó

Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ bất kỳ khi biết độ nhớt ở 2 nhiệt độ kháctheo công thức:

Vậy ở nhiệt độ T tb1=488 K ta có:

lg0,49

υ =0, 779 lg

488−273373−273 → υ=0 ,27 cSt

Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold:

Với: C là nhiệt dung riêng, [J/kg.K]

c) Tính α2 : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô

Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính α2 , trong đó các tínhchất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình

- Nhiệt độ trung bình của dầu thô T tb2

- Tính tiêu chuẩn Reynold Re2

Re2 được tính theo công thức 11

Re2=ω2D tb

υ2 (11)

Với ω2 là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống,[m/s]

υ2 là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình [m2/s]

D tb là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m].

+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức:

ρ tb 2 là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình T tb2

d277372, 5=d277293−0 , 000725(372, 5−293)=0 , 89−0 ,000725 (372 ,5−293)

d277372, 5=0 ,832

Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên ρ tb 2=832 kg/m3

f2 là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:

Độ nhớt động học của dầu thô ở nhiệt độ trung bình:

Từ số liệu độ nhớt theo nhiệt độ, vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc t

Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ trung bình từ công thức 11.4

k0 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold

ε1 là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính

ống (l/d)

Với Re2=7282 ,24 thì k0=24 ,31 [16 – Sổ tay T2]

Với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống đã chọn, chiều dài ống thường là l=6,5 m

Như vậy tỷ số l/d >50 Do vậy ε1=1

d) Tính α2' : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân đến dầu thô

Khi ống có gân, có thể xác định hệ số cấp nhiệt theo công thức:

α g=αt(1+2hββ−δ

S )

Với αg là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m2K]

α t là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m2K]

h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m)

δ là chiều dày gân, [m] ( δ =0,001 m)

λ t=51,7 là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo gân (dùng thép các bon, tra ở 372,5 K

hoặc 99,5 0C ,bảng XII.7 Trang 313 Sổ tay T2)

Từ đó tính m:

F1=256m2 , F2=1101 m2 (20 gân) ; F2=1280m2(24 gân)

Cho trở nhiệt dầu thô là δ λ=0,00053 (m2.k/w)

Trở nhiệt của diezen: δ λ=0,00123(m2.k/w)

Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các trường hợp

so với K giả sử (Kgiả sử=295)

+ Khi ống không có gân, bề mặt bẩn:

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:

4 Xác định bề mặt trao đổi nhiệt (F)

Để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F ta dùng biểu thức (15):

F= Q

KΔTt tb (15) với ∆ t=115,63 K ;Q=8713,38.103W

Thiết bị trao đổi nhiệt phải đảm bảo nhiệt lượng trao đổi ngay cả trong trường hợp ốngtrao đổi nhiệt bị bẩn Do vậy phải sử dụng các hệ số truyền nhiệt K khi bề mặt ống bị bẩn

Do diện tích trao đổi nhiệt F này là diện tích trao đổi nhiệt tối thiểu cần phải có

a, Khi ống không có gân, bề mặt ống bị bẩn

5 Chọn thiết bị trao đổi nhiệt

a, Khi ống không có gân

Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 398,81 m2 Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểuống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30 m2) thì số thiết bị cần sử dụng là:

z= F '

F =

398,81

30 =13,29

Để đảm bảo yêu cầu ta sẽ sử dụng 14 thiết bị (z’ = 14) Hai thiết bị này có thể lắp nối tiếp

b, Khi bề mặt ngoài của ống có gân

Ta sẽ sử dụng 7 thiết bị trao đổi nhiệt là đủ

- ống có 24 gân: bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là 202,58 m2

z= F '

F =

202,58

30 =6,75

Cũng chỉ cần 7 thiết bị trao đổi nhiệt

Như vậy, theo kinh nghiệm và thực tế tính toán để đảm bảo yêu cầu đặt ra ta nên sử dụng

7 thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân Đặc tính củathiết bị như sau

PHẦN 2: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN KHỐI

I Tìm hiểu chung về quá trình chưng cất

1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường bao nhiêu cấu tử thì thu được bấy nhiêu sản phẩm nếu xét hệ đơn giản có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sảnphẩm

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và 1 phần ít các cấu tử có độ bay hơi bé hơn

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất

ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ n-hexan- benzen thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là n-hexan, sản phẩm đáy chủ yếu là benzen

2 Các thiết bị chưng cất

Trong thực tế để thực hiện quá trình chưng cất người ta thường sử dụng tháp chưng cất một số loại tháp chưng cất thường được sử dụng:

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới: loại tháp này

có ưu điểm là chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp Tuy nhiên yêu cầu lắp đặt cao, chất lỏng phân phố không đồng đều

- Tháp chưng cất dùng mâm chóp: loại tháp này cho hiệu suất cao , ổn

định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số đĩa ít hơn Tuy nhiên chế tạo phức tạp, trở lực lớn

- Tháp đệm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng hiệu suất thấp, kém ổn

định do sự phân bố theo tiết diện tháp không đều, khó chế tạo kích thước lớn ở quy mô công nghiệp

II Tính toán thiết kế tháp chưng cất cho hệ chưng cất 2 cấu tử n-hexan-

benzen

Đề bài:

Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mm Hg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh và đáy Các yêu cầu cụ thể như sau:

1- Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol/ h) của nguyên liệu, sản phẩmđỉnh và sản phẩm đáy

2- Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y

3- Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp.4- Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp

5- Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyênliệu vào tháp ở trạng thái sôi

Các ký hiệu

GF: lượng hỗn hợp đầu (Kg/h)

aF, aP, aW : nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sảnphẩm đáy (% khối lượng)

Các cấu tử: (8) - (1): n-Hexan - Benzen

Tính các thông số cơ bản của tháp chuyển khối loại đệm làm việc ở áp suấtkhí quyển để chưng luyện hỗn hợp (8) - (1): n-Hexan - Benzen, đảm bảo năng suất tínhtheo hỗn hợp đầu (GF) là 2680 Kg/h và nồng độ nguyên liệu (aF) là 28%, nồng độ sảnphẩm đáy (aW) và đỉnh (aP) yêu cầu tương ứng là 3% và 98%

Bài làm:

Gọi:

xF : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu [phần mol]

xP : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh [phần mol]

xW : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy [phần mol]

F : lưu lượng hỗn hợp đầu [kmol/h]

P : lưu lượng sản phẩm đỉnh [kmol/h]

W : lưu lượng sản phẩm đáy [kmol/h]

Kí hiệu: Benzen : B

72,15

71,05

70,15

69,55

69,25

69,15

69,05

68,95

68,95

68,95

1 Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng [kmol/h] của nguyên liệu, sản phẩm

đỉnh và sản phẩm đáy

- Phương trình cân bằng vật liệu cho cả tháp: (công thức IX.16 – [2])

F = P + W

Hay G F = G P + G W (1)Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: (công thức IX.17 – [2])