Bá lợido đồ án thiết bị trao đổi nhiệt

1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt a Định nghĩa: Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền n

MỤC LỤC

Trang

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 03

1.1 Nhiệm vụ của đồ án 03

1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt 03

1.2.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 13

1.2.2 Sơ lược về quá trình đun nóng 06

1.3 Tổng quan về vật liệu 07

1.3.1 Tính chất của nguyên liệu 08

1.3.2 Thông số của thiết bị 08

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 09

2.1 Sơ đồ công nghệ 09

2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q 10

2.3 Nhiệt độ trung bình giứa hai lưu thể 10

2.4 Hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 11

2.5 Tính bề mặt truyền nhiệt 21

2.6 Số ống truyền nhiệt 21

2.7 Đường kính trong thiết bị đun nóng 22

2.8 Tính lại vận tốc và chia ngăn 22

PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ 24

3.1 Tính buồng gia nhiệt 24

3.1.1 Các thông số tra và chọn 24

3.2.1 Tính và chọn bề dày – tính bền cho buồng gia nhiệt 24

3.2 Tính toán đáy – nắp thiết bị 25

3.3 Tính toán vỉ ống 25

PHẦN 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 27

4.1 Tai treo 27

4.2 Chọn bích 27

4.3 Chọn bơm 27

PHẦN 5: KẾT LUẬN 28

PHẦN 6 : TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

*** NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 30

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS Nguyễn Tiến Hưng và các thầy côtrong bộ môn cũng như các bạn đồng môn đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện

đồ án

1.2 Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

1.2.1 Định nghĩa và phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

a) Định nghĩa:

Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt

giữa các chất mang nhiệt

b) Phân loại:

- Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn

- Trao đổi nhiệt dạng hồi nhiệt

- Trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp

Trong kỹ thuật cũng như trong sản xuất đời sống thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếpthông qua vách ngăn là loại được sử dụng phổ biến nhất

Các loại thiết bị thường gặp:

*) Dạng ống lồng ống:

Cấu tạo: Gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau,

mỗi đoạn có 2 ống lồng vào nhau.Chất tải

nhiệt I đi trong ống từ dưới lên Còn chất tải

nhiệt II đi trong ống ngoài từ trên xuống Khi

năng suất lớn đặt nhiều dãy làm việc song

song Được dùng cho cả mục đích đun nóng

và làm nguội

Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì có

thể tạo ra tốc độ lớn cho cả 2 chất tải nhiệt

Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao,

khó làm sạch khoảng trống giữa 2 ống

*) Dạng giàn tưới:

Dùng để làm nguội và ngưng tụ, chất

lỏng phun ở ngoài đường ống là nước lạnh

Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên

xuống dưới đổ vào máng chứa CTN nóng đi

trong ống Khi trao đổi nhiệt sẽ có 1 phần

nước bay hơi khi bay hơi như vậy nó sẽ lấy

đi 1 phần nhiệt từ CTN nóng ở trong ống do

đó lượng nước dùng để làm nguội ở đay ít

hơn so với các thiết bị làm nguội khác Thiết

bị cần đặt ở nơi thoáng gió, ngoài trời

Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì có

thể tạo vận tốc lớn ở 2 phía, năng suất cao

Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó

làm sạch khoảng cách giữa 2 ống

*) Ống xoắn ruột gà:

Cấu tạo: Gồm các đoạn ống thẳng nối với

nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gấp khúc, hoặc

các ống uốn cong theo hình ren ốc gọi là ống xoắn

ruột gà Khi làm việc 1 chất tải nhiệt đi trong ống

còn 1 chất tải nhiệt khác đi ngoài ống Hệ số cấp

nhiệt trong ống xoắn thường lớn hơn 1 ít

Ưu điểm: Thiết kế đơn giản có thể là bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểmtra và sửa chữa, chạy êm

Nhược điểm: Cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé,khó làm sạch phía trong ống, trở lực thủy lực lớn hơn ống thẳng

Chất lỏng cho vào từ dưới lên để ống xoắn luôn chứa đầy còn hơi thì cho từ trên xuống

để tránh va đập thủy lực

*) Ống chùm:

Thiết bị ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất, nó cónhững ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệtống chùm loại đứng gồm:

II II

I

I

1 2

3

4 Kiểu nối ống

(Hàn)

SƠ ĐỒ CẤU TẠO

Trên vỏ, nắp, và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệtđược đặt trên chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ 1 Chất tải nhiệt I (dung dịch NaCl) đivào từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II (hơi nướcbão hòa) đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ rồi đi ra phía dưới.Trong thiết bị diễn ra quá trình truyền nhiệt của hơi bão hòa tới hỗn hợp

Cấu tạo: Gồm vỏ hình trụ 1, hai đầu hàn hai lưới ống 2, các ống truyền nhiệt 3được lắp kín, chắc vào lưới ống Trên vỏ, nắp và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tảinhiệt thiết bị được cài đặt trên giá đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ Các ống lắp trên lướiống cần phải kín bằng cách nong hoặc hàn, đôi khi người ta còn dùng đệm để lắp kín

Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn

Nhược điểm: Khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao

1- Vỏ hình trụ

2- Lưới đỡ ống

3- Ống truyền nhiệt

4- Mặt bích có bu lông ghép

1.2.2 Sơ lược về quá trình đun nóng

Đun nóng là việc sử dụng chất tải nhiệt để có nhiệt độ cao để làm tăng nhiệt độcủa một chất tải nhiệt khác

Đây là một quá trình phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, nó cótác dụng làm tăng vận tốc của một số quá trình phản ứng hóa học, ngoài ra nó còn làmột phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như cô đặc, chưng cất,sấy khô

Nhiệt năng lượng dụng cho quá trình đun nóng có thể được tạo ra bằng nhiềuphương pháp và từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau Ví dụ như khói lò, khí thải, chất lỏngthải nhiệt độ cao hay các chất tải nhiệt trung gian như hơi nước, hơi nước quá nhiệt,chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao…

Khi lựa chọn nguồn nhiệt ta cần quan tâm đến các yếu tố quan trọng sau:

- Nhiệt đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ

- Áp suất hơi bão hòa và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ

- Độ độc và tính hoạt động hóa học

- Độ an toàn khi đun nóng (không gây cháy nổ)

- Rẻ tiền, dễ kiếm

Tùy thuộc vào nguồn nhiệt sử mà ta có các phương pháp đun nóng khác nhau:

- Đun nóng bằng hơi nước bão hòa

- Đun nóng bằng khói lò

- Đun nóng bằng dòng điện

- Đun nóng bằng chất tải nhiệt đặc biệt (hơi nước quá nhiệt, chất tải nhiệt hữu cơ,chất lỏng có nhiệt độ sôi cao…)

- Đun nóng bằng chất lỏng thải, khói thải

Thiết bị sử dụng trong quá trình đun nóng rất đa dạng, tùy từng phương pháp traođổi nhiệt (TĐN) gián tiếp hay trực tiếp mà ta có thể sử dụng các thiết bị đun nóng:

- Thiết bị TĐN loại xoắn ốc

- Thiết bị TĐN loại tấm

- Thiết bị TĐN loại ống chùm

- Thiết bị TĐN loại ống lồng ống

- Thiết bị đun nóng loại sục

- Thiết bị đun nóng loại sủi bọt…

Mỗi chất tải nhiệt khi sử dụng các thiết bị TĐN và phương pháp đun nóng đều cónhững ưu nhược điểm nhất định do vậy tùy từng trường hợp cụ thể mà ta đưa sự lựachọn phù hợp để đạt hiệu quả cao

Trong phạm vi đề tài này ta xét đến quá trình gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa sửdụng thiết bị TĐN loại ống chùm.

Đun nóng bằng hơi nước bão hòa.

Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hòa được sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp hóa học với nhiều ưu điểm như:

- Hệ số cấp nhiệt lớn (α = 10000 ÷ 15000 W/m2.độ) do đó bề mặt truyền nhiệtnhỏ tức là thiết bị nhỏ gọn hơn so với các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt kháckhi cùng một năng suất tải nhiệt

- Lượng nhiệt cung cấp lớn vì đó là lượng nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ hơi

- Đun nóng đồng đều do hơi ngưng tụ trên toàn bộ bề mặt TĐN

- Nhiệt độ của hơi nước bão hòa không thay đổi trong suốt quá trình TĐN

- Dễ điều chỉnh nhiệt độ hơi nước đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất hơi

- Vận chuyển hơi đi xa dễ dàng bằng đường ống

Tuy nhiên , không thể sử dụng hơi nước bão hòa để đun nóng ở nhiệt độ quá caođược vì nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hòa cũng tăng đồng thời ẩn nhiệthóa hơi giảm Do đó khi nhiệt độ cao thì thiết bị sẽ phức tạp hơn, hiệu suất sử dụngnhiệt giảm

Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bảo hòa chỉ sử dụng trong trường hợp đunnóng với nhiệt độ t < 1800C

1.3 Tổng quan về vật liệu

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sảnxuất hóa chất cơ bản Nó đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của các ngành côngnghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, sản xuất phèn

NaoH là một bazơ mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao Vì vậy cầnlưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất.Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách choCa(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay người ta dùngphương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa Trong đó công đoạn gianhiệt cho dung dịch NaCl trong quá trình điều chế xút NaOH là một công đoạn rấtquan trọng, nó giúp rút ngắn thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.Quá trình gia nhiệt có thể sử các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, ống xoắnruột gà, ống lồng ống Trong đó thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là loại thiết bị có kếtcấu đơn giản, chắc gọn, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vận hành, sửa chữa mà vẫn manglại hiệu quả cao

1.3.1 Tính chất của nguyên liệu

- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion

- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày

- Khối lượng riêng dung dịch 10% là 1073 (kg/m3)

- Độ nhớt là 1,07.10-3 (Ns/m2) ở 20oC (dung dịch 10%)

- Độ hòa tan ở 50oC là 27,1% ,ở 20oC là 26,3%

- Nguyên liệu đem đi gia nhiệt là dung dịch NaCl 10% với chất tải nhiệt là hơinước bão hòa

1.3.2 Thông số của thiết bị

Các ống trong thiết bị được bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn.Chọn thông số kỹ thuật:

- Chọn vật liệu thép CT3

- Chiều cao giữa hai mặt bích: H = 2 m

- Chuẩn số Reynolds: Re = 10500

- Đường kính ống: d = 30  2 mm

- Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2 mm = 0,002 m

- Nhiệt độ của hơi nước bão hòa có áp suất 4at là: 142,9 oC (I.251 – Tr314 –STQTTB 1)

Thuyết minh sơ đồ dây chuyền:

Bơm dung dịch ban đầu có nhiệt độ 20oC từ bể chứa nguyên liệu vào thiết bị gianhiệt bằng bơm ly tâm Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ

1200 kg thì ngừng

Khi đã nhập liệu đủ 1200 kg thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở ápsuất 4 at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyềnnhiệt (ống chùm) Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống.Dung dịch trong ống sẽ được gia nhiệt Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoàiqua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt Hơi đốt khi ngưng tụchảy ra ngòai qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài

Các chi tiết chính

1 Lò hơi

2 Bơm gia nhiệt

3 Thùng chứa nguyên liệu

4 Bơm nhiên liệu

Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nhiệt độ 84oC thì ngưng cấp hơi Mở van thông

áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu và dung dịch đã được gianhiệt được đưa sang thiết bị điện phân để tiến hành công đoạn tiếp theo

2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q

) 20 84 (

8 , 3394 1200

Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định:

∆ttb = ln

đ c

t t t t

9 , 122 ln

9 , 58 9 , 122

Tại t2tb = 55,888 (oC) (nội suy theo [3.171] (Tr67 – QTTB 3)

Của NaCl: CNaCl = 3394,8 J/kg.oC

Của nước: CN = 4186,916 J/kg.oC

→ Cp = aMCNaCl + (1 – aM)CN

Cp = 0,25.3394,8 + 0,75.4186,916 = 3988,88 (J/kg.oC)

2.4 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể.

Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

H t

r

04 ,

4 1 1





Trong đó:

r - Nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg;

∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyềnnhiệt, oC;

H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 2 (m)

A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng tm

Chọn t1 = 10 0C vậy tm = thđ – 0,5.t1 = 142,9 – 0,5.10 = 137,9oC; vậy A = 195 Ứng với thđ = 142,9 oC nội suy, ta có:

r = 2135,5.103 J/kg (I.251 – Tr314 – STQTTB 1)

10 2

10 5 , 2135 195 04 , 2

25 , 0 3

r1, r2: Nhiệt trở cặn bẩn 2 phía tường (W/m2.độ)

σ: Bề dày ống truyền nhiệt (m2)

λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống đốt (W/m độ)

1 t  t   

082 , 104 218 , 28 9 , 132 '1

1

194 , 45 888 , 58 082 , 104

25 , 0 43

, 0 8 , 0

M C

Trong đó:

A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng A = 3,58.10-3

Cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch , Cp=3394,8 (J/Kg.độ)

M : Khối lượng phân tử của hỗn hợp NaCl, ta có

M = a NaCl 58 , 5 1  a NaCl 18 (*)

18 / 1 , 81 5 , 58 / 9 , 18

5 , 58 / 9 , 18

Thay vào (*) ta được M = 20,713 (kg/kmol)

 : khối lượng riêng của dd ở ttb2 = 40 và Xđ = 18,9%

Tra bảng I.57 - [1-42] ta được  = 1188 (kg/m3)

 : độ nhớt của dung dịch ở ttb2 = 40 và Xđ = 18,9%

Tra bảng I.107 – [1 - 100] ta có  = 0,932.10-3 (N.s/m2)

713 , 20

1188

1188 8 , 3394 10 58 ,

10 932 , 0 8 ,

55 ,

q2 = α2.t2 = 1339,51.45,194 = 60537,81 (W/m2)

Tính lần 1 : Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 2 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

* Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 2 oC

→ tt1= t1tb – ∆t1 = 142,9 – 2 = 140,9 (oC)Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

t t tb t t  o C

2

9,1409,1422

10 5 , 2135

285 , 194 04 ,

, 0 8 , 0

Pr

Pr Pr

Re 021 ,



t k

Suy ra:

25 , 0 43

, 0 8 , 0

Pr

Pr Pr

Re 021 ,

d



Trong đó:

Prt- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông sốkhác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng;

εk-hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính

d của ống

Ta chọn d = 302 mm H = 2 m Dựa vào bảng 1.3 ta có:

58 , 823 50 1

026 , 0

ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3;

M - khối lượng phân tử của hỗn hợp, kg/kmol;

, 984

75 , 0 7008 , 759

25 , 0

m kg

915 , 916 915 , 916 561 , 3825 10 58 ,

10 4726 , 0 561 , 3825

C



.

rt1, rt2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2.độ/W;

δ - bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m;

λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.oC; với thép CT3 ta có

002 , 0 10 16 ,

∆t2 = tt2 – t2tb = 105,181- 55,888 = 49,293 (oC)

Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có:

CNaCl = 2990,905 J/kg.độ

CN = 4241,657 J/kg.độ

→ Cpt = 0,25.2990,905 + 0,75.4241,657

Cpt = 3928,969 (J/kg.độ)Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có:

, 954

75 , 0 783 , 707

25 , 0

m kg

743 , 877 743 , 877 969 , 3928 10 58 ,

C



.

434 , 0

10 257 , 0 969 ,

, 0 8 , 0

Pr Pr

Re 021 ,

, 0 8

, 0

974 , 3 974 , 3 10500 1 026 , 0

434 , 0 021 ,

Ở đây ta thấy rằng nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ q1= 21426,9 W/m2 khác rất

xa với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xoáy q2= 58755,04 W/m2 Mà bài toán tađang xét là truyền nhiệt ổn định nên q1= q2= qtb, do vậy để tìm giá trị qtb ta phải tínhlặp

Tính lần 2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là 0,8 o C.

a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

H t

r

/

04 ,

4 1 1

1 1 142,9 142,1

142,5

tb t m

10 5 , 2135

375 , 194 04 ,

, 954

75 , 0 160 , 686

25 , 0

m kg





Tại tt2 = 124,126 oC nội suy ta có:

ΜNaCl = 0,15.10-3 Ns/m2

μN = 0,15.10-3 Ns/m2

→ lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( 1 – xF ).lg(μN)

lg(μhh) = 0,158.lg(0, 15.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,15.10-3) → μhh = 0,15.10-3 (Ns/m2)

3

212 , 20

442 , 861 442 , 861 208 , 3976 10 58 ,

10 5 , 1 208 , 3976

974 , 3 974 , 3 10500 1 026 , 0

428 , 0 021 , 0

25 , 0 43

, 0 8

, 0