Huong-Dan-Do-an-Mon-Hoc-Truyen-Nhiet

4.2- Tính thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống Đề bài: Một thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu điêzen bên ống trao đổi nhiệt để đun nóng dòng dầu thô bên ống trao đổi nhiệt có yêu cầu bên Giả sử dòng dầu điêzen dòng dầu thô chuyển động ngược chiều Hãy tính toán lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống hai trường hợp (1) ống ống tròn trơn (2) ống ống tròn, mặt có gân dọc Các yêu cầu sau: Thông số Lưu lượng, kg/h Nhiệt độ đầu vào, oC Nhiệt độ đầu ra, oC 293 Tỷ khối, d 277 Độ nhớt động học, cSt 20 oC 40 oC 100 oC 200 oC 250 oC 300 oC Dầu thô 40 000 25 0,897 Điêzen 15 000 280 150 0,806 6,2 3,8 1,4 0,5 0,4 0,3 1,10 0,81 0,45 0,26 0,21 0,15 T22 Qui trình tính: Phương pháp chung để tính thiết bị trao đổi nhiệt 4.2.1 Xác định tải nhiệt Q - Chất tải nhiệt nóng: Diesel - Chất tải nhiệt lạnh: Dầu thô Chọn: Chất tải nhiệt nóng ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh không gian ống Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân nhiệt chất tải nhiệt ( ) ( Q = G1 H T11 − H T12 η = G H T22 − H T21 ) (1) Trong đó: 4/26/2012 Q tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW] G1, G2 lưu lượng chất tải nhiệt nóng lạnh [kg/giờ] H T11 , H T12 entanpy chất tải nhiệt nóng nhiệt độ T11 T12 [kJ/kg] H T21 , H T22 entanpy chất tải nhiệt lạnh nhiệt độ T21 T22 [kJ/kg] η hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt ( η = 0,95 ÷ 0,97 ) Theo yêu cầu: G = 15000 kg/giờ G = 40000 kg/giờ Hệ số sử dụng nhiệt: chọn η = 0,95 Tìm entanpy: coi chất tải nhiệt phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị (phụ lục 1) (hay bảng biểu) để tìm entanpy phân đoạn dầu mỏ biết tỷ trọng d nhiệt độ Từ phụ lục , ta tìm giá trị entanpy (coi hiệu chỉnh): H T11 = H 553 ≈ 165 kcal / kg = 690,69 kJ / kg H T12 = H 423 ≈ 80 kcal / kg = 334,88 kJ / kg H T21 = H 298 ≈ 12 kcal / kg = 50,23 kJ / kg Từ số liệu trên, ta tính Q theo công thưc 1: Q = 15000 ( 690,69 − 334,88).0,95 = 5070292 ,5 kJ / h Q = 5070292 ,5 kJ / h = 1408,4 kW Q = 1408,4 kW Cũng từ công thức 1, ta tính H T từ tìm T22 22 ( Q = 5070292 ,5 = 40000 H T22 − 50,23 ) H T22 = 176,99 ≈ 177 kJ / kg Từ ta tìm được: T22 = 357 K hay 840C 4.2.2 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình Trước hết ta phải chọn chiều chất tải nhiệt Trong thực tế, người ta thường chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều Khi 4/26/2012 thường có lợi ích kinh tế cao Trong trường hợp này, ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt có dòng chất tải nhiệt chuyển động ngược chiều 5 ∆ T m in ∆ T m a x t G a s o il 9 D ầ uth ô F ∆Tmax = 553 − 357 = 196 K ∆Tmin = 423 − 298 = 125 K Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit Áp dụng công thức […] ∆Ttb = ∆Tmax − ∆t ∆Tmax − ∆Tmin = ∆Tmax ∆T ln 2,3 lg max ∆Tmin ∆Tmin Như ta có: ∆Ttb = 196 − 125 = 157,16 K 196 2,3 lg 125 ∆Ttb = 157,16 K 4.2.3 Xác định hệ số truyền nhiệt Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, ống trao đổi nhiệt ống tròn trơn có gân dọc Ta sử dụng số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K Khi ống gân, bề mặt ống sạch: K= 1 δt + + α1 λ t α [ W/m K ] Khi ống gân, bề mặt ống bẩn: 4/26/2012 1 δ t δ1 δ + + + + α1 λ t λ1 λ α K= [ W/m K ] Khi ống có gân, bề mặt ống sạch: K= 1 δt F + + ' α1 λ t α F2 [ W/m K ] Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn: K= 1 δ t δ1 δ F + + + + ' α1 λ t λ1 λ α F2 [ W/m K ] Trong công thức từ (3) đến (6): k hệ số truyền nhiệt [ W / m K ] α hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy ống nhỏ đến bề mặt ống nhỏ [ W / m K ] α hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy ống [ W / m K ] δ t , δ1 , δ chiều dày ống nhỏ, lớp bẩn bám bề mặt ống nhỏ [ m ] λ t , λ1 , λ hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, lớp bẩn bám bề mặt ống nhỏ [ W / mK ] F1 , F2 diện tích toàn bề mặt bề mặt ống nhỏ (có gân) Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành điều kiện nên thường sử dụng công thức để tính toán hệ số truyền nhiệt Đây công thức xác định hệ số truyền nhiệt bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm a) Tìm F1 F2 4/26/2012 Việc tìm F1 F2 liên quan đến TB TĐN cụ thể, ta phải chọn sơ TB TĐN Để chọn sơ TB TĐN ta phải tính bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết Muốn thể ta giả định hệ số truyền nhiệt K Trên sở số liệu chất tải nhiệt chọn, ta giả sử K = 300 W/m2K Biết ∆t tb = 157,16 K , biết K = 300 W/m2K, ta tính bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức F= Q K∆t tb 1408,4.10 F= = 29,87 ≈ 30 m 300.157,16 Trong thực tế, có loại TB TĐN loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt 30 m2 với đặc tính: đường kinh ống d = 48x4 mm, đường kính ống D = 89 x mm, nhiệt độ làm việc tối đa 723 K, áp suất làm việc tối đa 25 at, bề mặt ống gân (loại TTP 7.2) (còn loại TTP 7.1 có diện tích trao đổi nhiệt 15 m2, loại TTP 7.3 có diện tích trao đổi nhiệt 45 m2) Cũng có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống, bề mặt ống có gân (loại TT 7.2) có diện tích 30 m2, hệ số thêm gân có 24 gân ϕ = , có 20 gân , đường kinh ống d = 48x4 mm, đường kính ống D = 89 x mm, nhiệt độ làm việc tối đa 723 K, áp suất làm việc tối đa 25 at Như vậy, với loại TB TĐN với ống nhẵn hay ống gân, ta cần chọn thiết bị đủ Với ống gân F = F1 = 30 m2 Với ống có gân dọc F1 = 30 m2 Ống có 20 gân F2 = ϕ.F1 = 4,3.30 = 129 m Ống có 24 gân F2 = ϕ.F1 = 5.30 = 150 m b) Tính α1 : hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ống nhỏ đến bề mặt ống 4/26/2012 Ta sử dụng công thức sau để tính α1 dòng chảy rối  Pr  λ α1 = 0,021 Re10,8 Pr10,43   d  Prt ,1  0, 25 D λ Hay: α1 = 0,027 Re10,8 Pr10,  t d  dt    0, 45 Trong đó: λ1 : hệ số dẫn nhiệt vật liệu, [W/mK] dt: đường kính ống nhỏ, [m] (dt = 0,04 m) Dt: đường kính ống ngoài, [m] (Dt = 0,079 m) Các thông số nhiệt vật lý tính nhiệt độ trung bình Diesel Re1 Pr1 chuẩn số Reynold chuẩn số Prandt thông số vật lý tính nhiệt độ trung bình Trong tính toán, chuẩn số Pr thay đổi theo nhiệt độ nên coi Pr1 =1 Prt ,1 Nhiệt độ trung bình phía Diesel: Ttb1 Ttb1 = T11 + T12 553 + 423 = = 488 K (2150C) 2 Hệ số dẫn nhiệt nhiệt độ trung bình: λ1 tính theo công thức (10): λ1 = 0,1346 (1 − 0,00047 Ttb1 ) với d 288 277 = 0,809 d 288 277 λ1 = 0,1346 (1 − 0,00047 488) = 0,129 [W/mK] 0,809 λ1 = 0,129 [W/mK] Tính chuẩn số Reynold (Re1): Re1 tính theo công thức: Re1 = ω1d t υ1 4/26/2012 Với ω1 vận tốc diesel chảy ống, [m/s] υ1 độ nhớt động học diesel nhiệt độ trung bình, [m2/s] Vận tốc dòng diesel tính: G1 3600.ρ tb1f1 ω1 = ρ tb1 khối lượng riêng diesel nhiệt độ trung bình 488 K 488 293 Biết d 293 277 = 0,806 Tính d 277 = d 277 − 0,000725 ( T − 293 ) 293 d 488 277 = d 277 − 0,000725 ( 488 − 293 ) = 0,664 Coi tỷ khối trọng lượng riêng nên: ρ tb1 = 664 kg/m3 f1 tiết diện cắt ngang ống hành trình Thiết bị có ngăn, 14 ống, ngăn có ống ( N1 = ) πd 2t 3,14.( 0,04 ) N1 = = 0,0088 m2 4 f1 = Do vậy: ω1 = 15000 = 0,713 m/s 3600.664.0,0088 ω1 = 0,713 m/s Độ nhớt động học diesel 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 đồ thị ta tìm giá trị độ nhớt nhiệt độ 4/26/2012 Hình 3: Đồ thị xác định độ nhớt diesel 1.2 Độ nhớt 0.8 0.6 0.4 0.2 0 100 200 300 400 Nhiệt độ Từ đồ thị hình 3, ta xác định độ nhớt động học 215 0C: υ1 = 0,24cSt = 0,24 10-6 m2/s Ta xác định độ nhớt nhiệt độ biết độ nhớt nhiệt độ khác theo công thức: lg υ1 T − 273 = n lg υ2 T1 − 273 Biết T1, T2, υ1 , υ , ta xác định n Sau ta tính ngược lại để xác định độ nhớt nhiệt độ Ví dụ: Ở T1 = 373 K có υ1 = 0,45 T2 = 523 K có υ = 0,21 lg 0,45 523 − 273 = n lg → n = 0,8317 0,21 373 − 273 Vậy nhiệt độ Ttb1 = 488 K ta có: lg 0,45 488 − 273 → υ = 0,238 ≈ 0,24 = 0,8317 lg υ 373 − 273 Từ số liệu cho ta tính chuẩn số Reynold: Re1 = 0,713.0,04 = 118833,33 > 10000 0,24.10 −6 4/26/2012 Re1 = 118833,33 Vậy dòng dòng chảy rối - Tính chuẩn số Prandt: Chuẩn số Pr xác định theo công thức: Pr = υC.ρ λ Với: C nhiệt dung riêng, [J/kg.K] Pr1 = υ1C1 ρ 0,24.10 −6.2,69.10 3.664 = = 3,323 λ1 0,129 Pr1 = 3,323 Vì nhiệt dung riêng C1 tính theo công thức: C1 = d 288 277 ( 0,762 + 0,0034.Ttb1 ) = ( 0,762 + 0,0034.488) [kJ/kg.K] 0,809 Tính α1 : Áp dụng công thức 8, ta có: α1 = 0,021 0,129 118833,330,83,323 0, 43 = 1303 W/m2K 0,04 α1 = 1303 W/m2K c) Tính α : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô Nếu dòng chảy rối, sử dụng công thức để tính α , tính chất vật lý dầu thô nhiệt độ trung bình - Nhiệt độ trung bình dầu thô Ttb Ttb = T21 + T22 359 + 298 = = 328,5 K 2 - Hệ số dẫn nhiệt dầu thô nhiệt độ trung bình Ttb λ2 = 0,1346 (1 − 0,00047 Ttb ) d 288 277 λ2 = 0,1346 (1 − 0,00047 328,5) = 0,126 W/mK 0,900 4/26/2012 λ = 0,126 W/mK 293 Trong đó: d 288 277 = d 277 − 0,000725 ( 288 − 293 ) = 0,897 − 0,000725 ( 288 − 293) → d 288 277 = 0,900 - Tính tiêu chuẩn Reynold Re Re tính theo công thức 11 Re = ω D tb υ2 Với ω2 vận tốc dòng dầu thô chảy tiết diện hình vành khăn ống, [m/s] υ độ nhớt dầu thô nhiệt độ trung bình [m2/s] D tb đường kính tương đương hình vành khăn, [m] + Đường kính tương đương xác định theo công thức: D tb = D t − d n = 0,079 − 0,048 = 0,031 m + Vận tốc dòng dầu thô ω2 = G2 3600.ρ tb f Trong đó: ρ tb khối lượng riêng dầu thô nhiệt độ trung bình Ttb ,5 293 d 328 277 = d 277 − 0,000725 ( 328,5 − 293) = 0,897 − 0,000725 ( 328,5 − 293) ,5 d 328 277 = 0,871 Coi tỷ trọng khối lượng riêng nên ρ tb = 871 kg/m3 f tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức: f2 = N ( ) π 3,14 (0,079 − 0,0482 ) = 0,022 m2 Dt − d n2 = 4 Do ω2 = 40000 = 0,58 m/s 3600.871.0,022 4/26/2012 10 Bảng 2: Nồng độ phần mol khối lượng cấu tử A, R V Cấu tử R, 16.5at, 97 C A, 16.5at, T V, 16.5at, 97 C x M x M y M CH 0.02 227.59 0.0333 1263.1 0.039 1035.52 CH 0.96 14400 0.9543 47715 0.9504 33264 C5 H 0.02 327.41 0.0124 769.65 0.0092 339.72 Tổng 15000 49747.75 0.999 34639.24 Kiểm tra lại: A≈R + V ( sai lệch khoảng 0.2% khối lượng) Tính T: Nhiệt độ hỗn hợp khỏi đáy tháp chưng cất trước vào nối tái đun (A) • Bằng phương pháp giả sử hỗn hợp rat a tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 16.5 at.Nhiệt độ đáy tháp chưng cất phải thỏa mãn phương trình: k x =1 (5) k số cân 16.5at nhiệt độ giả định Kết tính toán cho bảng 3: Bảng 3: Kết tính toán nhiệt độ đáy tháp (nhiệt độ hỗn hợp A) Cấu tử x CH P=16.5at, T=92 C k k x 0.0333 1.8 0.05994 CH 0.9543 0.98 0.93521 C5 H 0.0124 0.4 0.00496 Tổng 1.00011≈1 Vậy nhiệt độ hỗn hợp A trước đun 92 C (365K=T ) 4.3.1.2- T×m Entanpy : Tìm entanpy: Bằng cách tra bảng entanpy cấu tử theo nhiệt độ áp suất trạng thái hơi, lỏng hay hỗn hợp chuyển đổi đơn vị ta tính 4/26/2012 23 entanpy cấu tử nhiệt độ áp suất tính.Kết tra entanpy cho bảng 4: Bảng 4: Entanpy(H) khối lượng cấu tử Cấu Hỗn hợp đầu A Lỏng R Hơi V tử M H M H M H CH 1263.1 581.5 227.59 604.76 1035.52 837.36 CH 47715 534.98 14400 597.78 33264 790.84 CH 769.65 511.72 327.41 593.13 339.72 814.1 Tổng 49747.75 15000 34639.24 H , H entanpy lỏng cấu tử i tra 16.5at 97 C (242.55Psia 206.6 F) H entanpy cấu tử i 16.5at 92 C(242.55psia 197 F) 4.3.1.3 - T×m Q : Ta có phương trình cân lượng: Q + Q = Q + Q hay (1)26698978.21 + Q = 8939866.022 + 27450170.84 Q = 9691058.655 KJ/giờQ=2691.96 KW Do R + V K= = =1083.56 [w/m k] Tuy nhiên, biết q không cần phải tính K xác định bề mặt trao đổi nhiệt F 4.3.4- Xác định bề mặt trao đổi nhiệt F Ta dùng công thức sau để tính bề mặt trao đổi nhiệt F: F= (18) Hoặc F= (19) Theo công thức (19) ta có: F= =34.032 m Vậy bề măth trao đổi nhiệt có diện tích khoảng 34 m 4.3.5- Chọn thiết bị trao đổi nhiệt Khi biết bề mặt trao đổi nhiệt F =34 m ta chọn thiết bị phù hợp.Trong công nghiệp chế biến dầu ta có loại thiết bị trao đổi nhiệt có không gian bay kiểu 800 PP 16/25 Đây lò tái đun có đường kính D=800mm, bề mặt trao đổi nhiệt F=40 m , áp suất làm việc thiết bị 16at, áp suất làm việc chùm ống 25 at có 86 ống trao đổi nhiệt có kích thước 25x2.5mm, chiều dài ống trao đổi nhiệt L=6m Nếu chọn thiết bị trao đổi nhiệt tái bốc kiểu 800 PP 16/16 cần thiết bị đủ đun bốc 15000 kgA/giờ Ta chọn số loại khác bảng sau: Bảng 7: kích thước thiết bị lựa chọn Đường kính thiết bị, D(mm) 4/26/2012 Ống trao đổi nhiệt Đường kính ngoài, d(mm) Số ống Chiều dài ống, L(m) Bề mặt trao Số hành Áp suất đổi trình, làm việc, nhiệt, at n F(m) 35 478 630 25(25x2.5) 151 35 Đến 25 38(38x2.5) 61 43 Đến 25 25(25x2.5) 144 34 Đến 25 38(38x2.5) 60 43 Đến 25 38(38x2.5) 117 42 Đến 25 38(38x2.5) 104 37 Đến 25 Nếu áp suất làm việc loại 800 PP 16/16 cho phép vượt 16 at chọn loại Kết luận: -Chọn thiết bị có kích thước … -Vẽ hình minh họa… Loại thiết bị PP800-40 PP-1400-40 Áp suất làm việc thiết bị trao đổi nhiệt quy định, at 25 25 Đường kính thiết bị, mm 800 1400 Chiều dài thiết bị, mm 7990 8080 Chiều cao thiết bị, mm 2036 2052 Đường kính chùm ống, mm 790 830 Áp suất làm việc chùm ống, at 25 40 Số chùm ống 1 Số ống trao đổi nhiệt chùm ống 96 96 6000 6000 Đường kính ống trao đổi nhiệt, mm 25 25 Đường kính ống trao đổi nhiệt, mm 20 20 Chiều dày ống trao đổi nhiệt, mm 2.5 2.5 Chiều dài ống trao đổi nhiệt, mm 4/26/2012 36 4/26/2012 37