tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm vỏ bọc

Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc Tính toán thiết bị đun bốc hơi loại Kettle ở đáy tháp tách C 3 C 4 . • Chất tải nhiệt nóng: hơi nước bão hòa ở 10,23 at, 1800 C (453K) • Chất tải nhiệt lạnh (sản phẩm cần đun bốc hơi): sản phẩm đáy tháp tách C 3 C 4 ở 16.5 at, 980 C (371 K) • Lưu lượng sản phẩm đáy tháp tách C 3 C 4 (R=17000 Kggiờ) • Thành phần sản phẩm đáy R (% mol): C3H8 C4H10 C5H12 1,5 95 3,5 Qui trình tính: Phương pháp chung để tính một thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp. 1. Xác định lượng tải nhiệt: Q(KJGiờ, KW) 2. Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆t tb 3. Xác định hệ số truyền nhiệt K (Tìm K), (KJm2 .giờ .0 C) hoặc Wm2 .độ 4. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt: F ( m2 ) 5. Tìm số thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động tiêu chuẩn lắp song song hoặc nối tiếp cần thiết

4.3- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm vỏ bọc

Đề bài 1:

Tính toán thiết bị đun bốc hơi loại Kettle ở đáy tháp tách C /C

 Chất tải nhiệt nóng: hơi nước bão hòa ở 10,23 at, 180 C (453K)

 Chất tải nhiệt lạnh (sản phẩm cần đun bốc hơi): sản phẩm đáy tháp tách C /C ở 16.5 at, 98 C (371 K)

 Lưu lượng sản phẩm đáy tháp tách C /C (R=17000 Kg/giờ)

 Thành phần sản phẩm đáy R (% mol):

C3H8 C4H10 C5H12

Qui trình tính:

Phương pháp chung để tính một thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.

1 Xác định lượng tải nhiệt: Q(KJ/Giờ, KW)

2 Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình: ∆t

3 Xỏc định hệ số truyền nhiệt K (Tỡm K), (KJ/m.giờ C) hoặc [W/

m độ]

4 Xỏc định bề mặt trao đổi nhiệt: F ( m )

5 Tỡm số thiết bị trao đổi nhiệt hoạt động tiờu chuẩn lắp song song hoặc nối tiếp cần thiết

4.3.1-Xác định tải nhiệt Q:

Tải nhiệt Q được xỏc định dựa vào phương trỡnh cõn bằng năng lượng: Q+Q =Q +Q =>A.H + Q = R.H + V.H

hay M H + Q = M.H + M H (1)

Q = Q - Q

Trong đú:

A, R, V là lưu lượng nguyờn liệu, lượng lỏng, lượng hơi

H là entanpy của nguyờn liệu lỏng ở nhiệt độ trước khi đun (T) (chưa biết)

H là entanpy của lỏng ở nhiệt độ sau khi đun T (T =371K)

H là entanpy của hơi ở nhiệt độ sau khi đun T

Ta mới biết A, T cũn cỏc thụng số khỏc chưa biết:

A, R, V(Kg/giờ)

(KJ/Kg)

và hơi ở nhiệt độ T (KJ/Kg)

4.3.1.1- Tớnh A, R, V, T hay M , M , M và T

ta dựa vào cỏc phương trỡnh cõn bằng vật chất

Ở trạng thái lỏng-hơi ta có quan hệ:

x = x.[1 + v ( k - 1)] (2)

Trong đó:

x là số mol cấu tử i trong 1 mol hỗn hợp ra khỏi đáy tháp A(nồng độ phần mol)

k là hằng số cân bằng cấu tử i ở 16.5 at, 98 C (371K)

v là tổng số mol của các cấu tử ở thể hơi trong 1 mol hỗn hợp đầu A Chọn v=0.2

Kết quả tính x cho ở bảng 1:

Bảng 1: kết quả tính x và y

Cấu tử Phần mol

(x)

Để tính A, v ta phải tính được khối lượng các cấu tử trong R

 Gọi số kmol của lỏng R trong hỗn hợp A là n

n = , R=17000Kg/giờ

M là phân tử lượng, được tính theo công thức:

M = x M = 0.015*44+0.95*58+0.035*72=58,28

M là phân tử lượng của cấu tử i

Do vậy, n = 1700058,28 =291,69 kmol/giờ

 Số mol các cấu tử trong R (n ) và khối lượng các cấu tử trong R (M) là:

Với n =n x , M =M n

n =4,38 kmol/giờ và M=192,52 kg/giờ

n=277,11 kmol/giờ và M =16072,12 kg/giờ

n =10,21 kmol/giờ và M =735,06 kg/giờ

Gọi số kmol hỗn hợp đầu A là n ;số kmol hơi v là n , ta có:

n = n 01,8 =364,61 kmol/giờ và n = n - n = 72,92 kmol/giờ

 số mol các cấu tử trong A (n ) và khối lượng các cấu tử trong A (M) là:

với n =n * x và M = M * n

n =6,53 kmol/giờ và M = 287,17 kg/giờ

n =345,69 kmol/giờ và M =20049,83 kg/giờ

n =11,38 kmol/giờ và M = 819,06 kg/giờ

Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hơi đi ra khỏi nồi tái đun y phải thỏa mãn các phương trình:

y =k * x (3) và y =1

Ta tính được:

y =1.95*0.015= 0,02925

y =0.99*0.95= 0,9405

y =0.46*0.035 =0,0161

y =0,997 ≈ 1

Do vậy, số kmol các cấu tử trong v (n ) và khối lượng các cấu tử trong v ( n)

Với n = n *y và M =M *n

n = 2,13kmol/giờ và M =93,85 kg/giờ

n = 68,58kmol/giờ và M =3977,89 kg/giờ

n = 1,17 kmol/giờ và M =84,53 kg/giờ

Số liệu tính được của các cấu tử trong A, R và V cho trong bảng 2:

Bảng 2: Nồng độ phần mol và khối lượng các cấu tử trong A, R và V

Cấu

tử

R, 16.5at, 98 C A, 16.5at, T V, 16.5at, 98 C

C H 0.015 192,52 0,0179 286,37 0,02925 93,85

C H 0.95 16072,31 0,9481 20050,29 0,9405 3977,89 C5 H 0.035 735,07 0,0312 819,7 0,0161 84,53

Kiểm tra lại: R + V= 21156,27 ≈ A

 Tính T: Nhiệt độ hỗn hợp ra khỏi đáy tháp chưng cất trước khi vào nối tái đun (A)

Bằng phương pháp giả sử hỗn hợp ra ta tính được nhiệt độ đáy tháp chưng cất ở 16.5 at.Nhiệt độ đáy tháp chưng cất phải thỏa mãn phương trình:

k x =1 (5)

k là hằng số cân bằng ở 16.5at và nhiệt độ giả định

Kết quả tính toán cho ở bảng 3:

Bảng 3: Kết quả tính toán nhiệt độ đáy tháp (nhiệt độ hỗn hợp A)

Tổng 0,997 0,974≈1

Vậy nhiệt độ hỗn hợp A trước khi đun là 92 C (365K=T )

4.3.1.2- T×m Entanpy :

Tìm entanpy: Bằng cách tra các bảng entanpy của các cấu tử theo nhiệt

độ và áp suất trạng thái hơi, lỏng hay hỗn hợp và chuyển đổi đơn vị ta tính được entanpy của các cấu tử ở nhiệt độ và áp suất tính.Kết quả tra entanpy cho trong bảng 4:

Bảng 4: Entanpy(H) và khối lượng các cấu tử

Cấu

tử

CH 20050,29 534.98 16072,31 597.78 3977,89 790.84

H , H là entanpy hơi và lỏng của các cấu tử i tra ở 16.5at và 98 C (242.55Psia và 206.6 F)

H là entanpy của cấu tử i ở 16.5at và 92 C(242.55psia và 197 F)

4.3.1.3 - T×m Q :

Ta có phương trình cân bằng năng lượng:

Q + Q = Q + Q hay (1)11312477,73 + Q = 10160125,38 + 3293282,16

Q = 2 140 929,8 KJ/giờQ=594,7 KW

Do R + V<A khoảng 0.2 % nên có thể Q sẽ bé hơn giá trị này Tuy nhiên, ta vẫn chọn tải nhiệt này để tính toán

4.3.2- Tính hiệu số nhiệt độ trung bình (∆T) và lượng hơi nước bão hòa cần thiết.

Việc tính hiệu số nhiệt độ trung bình (chênh lệch nhiệt độ trung bình) liên quan đến việc chọn chất tải nhiệt nóng và việc chọn chiều lưu thể

Trong trường hợp này ta sẽ chọn chất tải nhiệt nóng là hơi nước bão hòa

và nhiệt độ phía bề mặt nóng tiếp xúc với hơi nước bão hòa được coi là bằng nhiệt độ của hơi nước bão hòa

Do vậy, ta có thể thay việc tính hằng số nhiệt độ trung bình bằng việc tính chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước bão hòa với nhiệt độ vào và ra của chất tải nhiệt lạnh (chất lỏng cần đun bay hơi)

Theo yêu cầu, hỗn hợp chất lỏng A cần gia nhiệt từ nhiệt độ T = 365K đến T =371K

Theo bảng tính chất của hơi nước bão hòa ( trang 375_sổ tay …Tập 1) phụ thuộc nhiệt độ:

 Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=6.34at sẽ có nhiệt độ là T =433K và nhiệt ngưng tụ là 2086.72 KJ/Kg=r

 Nếu hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at sẽ có nhiệt độ là T =443K và nhiệt ngưng tụ là 2053.665 KJ/Kg=r

Nếu ta chọn hơi nước bão hòa có áp suất P=8.08at, nhiệt độ T =443K, nhiệt ngưng tụ là 2053.65KJ/Kg làm chất tải nhiệt nóng thì chênh lệch nhiệt

độ giữa hỗn hợp A với hơi nước bão hòa có giá trị là:

∆T =443-365=78K

∆T =443-371=72K

Vì = 7278 =1.08 < 2 nên ∆T được tính như sau:

∆T = =75K

Tuy nhiên khi tính toán ta có thể coi ∆T=∆T

Đồng thời với việc lựa chọn điều kiện của hơi nước bão hòa ta đã quyết định lượng hơi nước bão hòa cần thiết sử dụng (G ).G được tính theo công thức:

G =

Q là tải nhiệt: Q=2140929,8 KJ/Giờ

R là nhiệt ngưng tụ: r=2053.65 KJ/Kg

η là hệ số hay hiệu suất truyền nhiệt, η=0.95

G = 20532140929,65.0,,958 =1 097,37 Kg/Giờ

4.3.3- Xác định hệ số truyền nhiệt K (kJ/m giờ.K, kJ/m giờ.C hay w/m.K)

Nồi tái đun được coi là thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm, vỏ bọc, có không gian bay hơi

Trong trường hợi này, hơi nước bão hòa ở 443K đi trong các ống trao đổi nhiệt còn hỗn hợp A đi bên ngoài các ống trao đổi nhiệt hay đi trong không gian giữa các ống trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị:

Hệ số truyền nhiệt K được tính theo công thức:

K= (6)

Ở đây , α là hệ số cấp nhiệt phía đun hồi lưu (hỗn hợp A), thực chất α là

hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt đến hỗn hợp A [w/m K]

α là hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (hơi nước bão hòa

G ) thực chất α là hệ số cấp nhiệt từ hơi nước bão hòa đến bề mặt trong của ống trao đổi nhiệt [w/m K]

là nhiệt trở của thành ống trao đổi nhiệt (ống sạch), δ và λ lần lượt là chiều dày ống và độ dẫn nhiệt của ống trao đổi nhiệt

và là nhiệt trở của hai lớp bẩn bám trên 2 bề mặt ống trao đổi nhiệt (mặt trong (phía hơi nước bão hòa) và mặt ngoài (phía hỗn hợp A) của ống trao đổi nhiệt)

 ,  lần lượt là chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp bẩn bám ở mặt trong ống trao đổi nhiệt

 ,  lần lượt là chiều dày và độ dẫn nhiệt của lớp bẩn bám ở mặt ngoài ống trao đổi nhiệt

=0.0002 (m K/w); =0.0006 (m K/w) (cho trước)

(có thể chọn =0.0005 (m K/w))

 =0.0025(m)(chọn);  =33.53 (w/m.K)(đồng thau),

 =49.13(w/m.K)(thép các bon) , …ở 170 C

Như vậy, ta cần phải tính  , 

a Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp đun hồi lưu (hỗn hợp A): 

Hỗn hợp hidrocacbon A trong nồi tái đun được coi là hỗn hợp sôi.Khi sôi sủi bọt trong thể tích lớn ở điều kiện đối lưu tự nhiên, đối với chất lỏng thấm ướt bề mặt đun nóng và áp suất nhỏ hơn áp suất tới hạn thì hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:

 =7.77*10 *( ) *( ) *( ) (tr25.SổtayT2) (7)

Ở đây:

 là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng R [w/m.K]

 là độ nhớt động lực [N.s/m ]

 ,  là khối lượng riêng của lỏng R và hơi V.[Kg/m ]

r là nhiệt hóa hơi[J/Kg]

T là nhiệt độ bão hòa[K], (T là nhiệt độ sôi hay nhiệt độ sau khi đun T=371K)

C là nhiệt dung riêng của lỏng R[J/Kg.K]

 là sức căng bề mặt lỏng hơi [N/m]

q là nhiệt tải riêng [w/m ]

Các thông số vật lí lấy ở nhiệt độ bão hòa T, nghĩa là ở nhiệt độ tạo thành hơi, xác định từ áp suất chung trên chất lỏng (coi T=371K)

Cường độ cấp nhiệt thực tế không phụ thuộc vào chiều cao của lớp chất lỏng trên bề mặt trao đổi nhiệt

 Tính khối lượng riêng hơi :

Khối lượng riêng pha hơi được tính theo phương trình mendeleep-Clapeyron):

 =  * * (8)

Ở đây:

 là khối lượng riêng ở điều kiện chuẩn [kg/m ]

T là nhiệt độ sau khi đun [T=371K]

P là áp suất hỗn hợp A [P=16.5at=16.5*10 Pa]

P là áp suât chuẩn [ P=98.1*10 Pa]

T là nhiệt độ chuẩn [T =273K]

 được tính theo công thức:

 = , với M là phân tử lượng hỗn hợp hơi

M= y M =0.02925*44+0.9405*58+0.0161*72=56,99

Do vậy,  = 5622,,994 =2.544[kg/m ]

 =2.544*

371

273

* =31.49 [kg/m ]

 Tính khối lượng riêng của lỏng ( )

Khối lượng riêng lỏng được tính như sau:

Trước tiên, ta tính được tỉ khối  theo công thức:

 = (9)

Ở đây, M là phân tử khối lỏng R, M = M = 58,28.Do đó:

 = 00,,69359.58.58,28,2867,479,581 =0.582

Ta tính tỉ khối ở nhiệt độ T ( ) theo công thức:

 =  - 0.000725(T-293) (10)

 371277 =0.582 - 0.000725(371-293)

 371277 = 0,525

Tương tự, ta cũng tính được  =0.585

Coi tỉ khối bằng khối lượng riêng nên ta có:

 =525 kg/m

 Tính nhiệt hóa hơi ( r)

Nhiệt hóa hơi r có thể tính theo công thức:

r = (11)

Ở đây,

M là phân tử lượng A

M là phân tử lượng cấu tử i

H , H là entanpy của cầu tử i ở trạng thái hơi và lỏng ở nhiệt độ T

=371K

M = x M =0,0179*44+0,9481*58+0,03122*72= 58,03

Từ đó, tính được r:

r= 183,201061658,03,33496,71 =194,66 KJ/Kg

r=194,66*10 J/Kg

 Tính sức căng bề mặt (  )

Sức căng bề mặt trên ranh giới lỏng hơi có thể xác định theo công thức:  = *( T -T -  ) ( 12)

Trong đó:

 là sức căng bề mặt trên ranh giới lỏng hơi [N/m]

M là phân tử lượng lỏng R[M =58,28]

 là khối lượng riêng lỏng R[kg/m ], [  =525 kg/m ]

T là nhiệt độ sau khi đun[K], [T =371K]

T là nhiệt độ tới hạn của R[K], [cần tính]

 là hằng số  =7k

Nhiệt độ tới hạn của lỏng R được xác định theo công thức:

T = x T

Với,

x là nồng độ phần mol của cấu tử i trong R

T là nhiệt độ tới hạn của cấu tử i

Với T =369.82K;T =425.16K;T =469.65K (tra từ bảng thong số tới hạn của các cấu tử C H ;C H ;C H )

Do vậy,

T =0.015*369.82+0.94*425.16+0.035*469.65=421.64K

Thay vào công thức tính sức căng bề mặt  ta có:

 = )^(2/3)

525

28 , 58 (

6

^ 10 2 ,

*(421.64-371-7)=4.005*10 [N/m]

 Tính hệ số dẫn nhiệt của lỏng R (  )

Hệ số dẫn nhiệt của lỏng R được tính theo công thức:

 = *(1-0.00047*T )

Với  =0.585;T =371K

Do vậy,

 = 00,1346,585 *(1-0.00047*371)=0.18997[w/m.K]

 Tính độ nhớt động lực của lỏng R:

Độ nhớt động lực của lỏng R (  ) có thể tính theo công thức:

Lg= x lg  (13)

Với,

 là độ nhớt động lực của cấu tử i ở nhiệt độ T =371K

x là nồng độ phần mol của cấu tử i trong R

Ta có độ nhớt động lực của các cấu tử i ở 371K:

Với C H: =0,05725*10 =57,25*10 [N.s/m ]

Với C H:  =0,09881*10 =98,.81*10 [N.s/m ]

Với C H:  =0,15322*10 =153,22*10 [N.s/m ]

Áp dụng công thức (13) ta tính được :

Lg  =0,015*lg 57,25*10+0,94*lg98,81*10+0,035 *lg153,22*10

=-3,962

  =109,14*10 [N.s/m ]

 Tính nhiệt dung riêng của lỏng R ( C ):

Nhiệt dung riêng của lỏng C được tính theo công thức:

C = (0.762+0.0034* T ) (14)

Với  =0.585;T =371K là nhiệt độ sau khi đun

Thay giá trị  và T vào công thức (14) ta có:

C = 0,1585 *(0.762+0.0034*371)=2.648 kJ/Kg.K=2648 J/kg.K

 Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp đun hồi lưu ( ):

Thay các thông số vật lí vừa tính được vào công thức (7) ta có:

 60 , 45 0 , 117  0 , 37

7 , 0 75 , 0 333

, 0 3

3 2

1

371 2648 10

14 , 109

) 18997 , 0 (

10 005 , 4

525

49 , 31 525

10 66 , 194 49 , 31 10 77 , 7



































<=> =4,17* q [w/m K]

Ta chưa biết nhiệt tải riêng q

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ (

)

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ có thể tính theo công thức:

 =1.36*A*L*d *q (15)

Ở đây,

A là hệ số phụ thuộc nhiệt độ trung bình (nhiệt độ ngưng tụ trung

bình).A=(T )

L là chiều dài ống trao đổi nhiệt [m]

d là đường kính trong của ống trao đổi nhiệt [m]

q là nhiệt tải riêng bề mặt [w/m ]

 Tính A:

Nhiệt độ ngưng tụ trung bình ( T ) được tính theo công thức:

T =0.5 ( T + T ) (16)

Trong đó:

T là nhiệt độ hơi bão hòa[K]

T là nhiệt độ thành ống trao đổi nhiệt tiếp xúc với hơi ngưng tụ[K]

Trong thực tế, đối với hơi nước có khả năng trao đổi nhiệt đồng đều,

người ta coi T≈T và do đó T≈T ≈T

Như vậy, T =453K.Theo tài liệu tham khảo thì A=6.2 Khi T càng tăng

thì hệ số A có giá trị càng giảm

Với thiết bị trao đổi nhiệt ống chum, vỏ bọc, có không gian bay hơi (nối tái đun), chiều dài ống trao đổi nhiệt tiêu chuẩn là 8;12;16 và 20 ft (2.4;3.6;4.8

và 6 m) ( theo tiêu chuẩn TEMA) và 3-6 m(theo tiêu chuẩn Nga)

Ta sẽ chọn ống có chiều dài L=6m để tính toán

 Chọn đường kính ống:

Có rất nhiều loại ống trao đổi nhiệt với đường kính khác nhau, đường kính ngoài từ ½ inch ( 12.7mm) đến 2 inch (50.8 mm), đường kính trong cũng thay đổi cho phù hợp (theo tiêu chuẩn của TEMA).Theo tiêu chuẩn của Nga thì hay chọn ống có đường kính ngoài từ 25 mm đến 48 mm và đường kính ngoài cũng khác nhau

Ta sẽ chọn ống trao đổi nhiệt có đường kính ngoài d =25mm, đường kính trong d =20mm, chiều dày ống là  = 2.5 mm

 Thay các thông số tìm được và lựa chọn vào công thức (15) ta tính được  =1.36*6.2*6 * (0.02) * q

 =41.98* q [w/m K]

Vì hệ số truyền nhiệt k phụ thuộc vào hệ số cấp nhiệt ở hai phía bề mặt trao đổi nhiệt  và.Mà  và phụ thuộc vào nhiệt tải riêng q.Như vậy, k phụ thuộc vào q.Ta sẽ dung phương pháp sau để tính k:

 Nếu cho trước: =0.0002 (m .K/w);

=0.0005 (m K/w)

Chọn ống trao đổi nhiệt là thép cacbon có  =0.0025(m),

 =49.13(w/m.K) (ở 180 C)

Ta có k như sau: Thay các thông số vào công thức (6):

K= =

 Gọi chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi

nước (453K) và nhiệt độ của hỗn hợp lỏng-hơi khi sôi (380K) là T (coi T

chính là T =453-371=82K)

q ta tính được ,  , K và đại lượng q/K= T Kết quả như bảng 5:

Bảng 5: Kết quả tính  ,  , K, T theo q.

=4,17* q [w/m K] 5677,03 8117,36 10273,17 12249,15 14096,49

 =41.98* q [w/m K] 7271.15 9387.01 11106.86 12594 13923,19

K [w/m K] 940,13 1020,69 1066,81 1097,65 1120.12

Từ số liệu ở bảng 5, lập đồ thị quan hệ q và T như hình 1

Hình 1: Đồ thị quan hệ q và T

Từ hình 1 ta sẽ tìm được giá trị q ứng với giá trị T=82K.Đây chính là

giá trị nhiệt tải riêng q cần tìm.Từ hình 1 ta nội suy, với giá trị T =82K ta tìm

được q ≈ 90 012,33 w/m

Khi biết nhiệt tải riêng q , ta có thể tính được hệ số truyền nhiệt K vì