Đun nóng là một quá trình rất phổ biến trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng vận tốc của một quá trình phản ứng hóa học, ngoài ra đun nóng còn là một phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như: cô đặc, chưng cất, sấy khô, v.v.Nguồn nhiệt phổ biến nhất để thực hiện quá trình đun nóng là hơi nước bão hòa do nó có nhiều ưu điểm: hệ số cấp nhiệt lớn, lượng nhiệt cung cấp lớn, đun nóng đồng đều và dễ điều chỉnh nhiệt độ. Các dung dịch không thể làm loãng có thể đun nóng bằng phương pháp gián tiếp. Và thiết bị thường được sử dụng nhất trong công nghiệp khi cần đun nóng gián tiếp là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm.
Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Tính tốn thiết bị kiểu ống chùm dùng để đun nóng dung dịch nước bão hịa I.Đặt vấn đề Đun nóng q trình phổ biến cơng nghiệp hóa chất thực phẩm, có tác dụng làm tăng vận tốc trình phản ứng hóa học, ngồi đun nóng cịn phương tiện cần thiết để thực q trình khác như: đặc, chưng cất, sấy khơ, v.v Nguồn nhiệt phổ biến để thực trình đun nóng nước bão hịa có nhiều ưu điểm: hệ số cấp nhiệt lớn, lượng nhiệt cung cấp lớn, đun nóng đồng dễ điều chỉnh nhiệt độ Các dung dịch làm lỗng đun nóng phương pháp gián tiếp Và thiết bị thường sử dụng công nghiệp cần đun nóng gián tiếp thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm Yêu cầu thiết bị : Đun sôi dung dịch Ancol Iso propylic từ 150 C nước bão hòa áp suất P= 5at Thiết bị có suất G d = 2.9 kgdd/s II.Giới thiệu tổng quan thiết bị Thiết bị ống chùm sử dụng phổ biến cơng nghiệp hóa chất có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Cấu tạo: Thiết bị có cấu tạo gồm phận : Vỏ hình trụ Lưới đỡ ống Ống truyền nhiệt Đáy thiết bị Trên vỏ, nắp, đáy có cửa để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt đặt Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân chân đỡ tai treo hàn vào vỏ Trên thân thiết bị thường lắp thêm ống bù trừ nhiệt Các ống truyền nhiệt thường phân bố theo hình sáu cạnh, theo đường tròn đồng tâm theo kiểu thẳng hàng Ống truyền nhiệt gắn vào lưới cách nong, hàn dùng ren Khi cần tăng vận tốc chất tải nhiệt để tăng hiệu truyền nhiệt, ta thường chia thiết bị làm nhiều ngăn Có thể chia ngăn ngồi ống Sử dụng cốc tháo nước ngưng để tháo nước ngưng ngăn khơng cho nước ngồi Ngun lý làm việc: Thiết bị hoạt động theo sơ đồ ngược chiều Chất tải nhiệt I vào đáy qua ống lên khỏi thiết bị, chất tải nhiệt II từ cửa vỏ vào khoảng trống ốngvà vỏ phía III.Tính tốn Các thơng số kĩ thuật: _ Chọn vật liệu : thép CT3 _ Chiều cao mặt bích : H= 2m _ Chuẩn số Renolds : Re= 10500 _ Đường kính ống: d= 34×2 mm - Bề dày ống truyền nhiệt: = 2mm= 0,002m 1.Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể: to t1đ t2c t1c t2đ Nhiệt độ nước bão hịa có áp suất 5at : 151,1oC Dung dịch Ancol iso propylic 100% có nhiệt độ sơi là: 130, c t1đ = t1c = 151,1oC, t2đ = 15oC Dung dịch ancol iso propylic 5at tra theo bảng I.207 [3-247] t2c = ts dd = 130, 20 C Hiệu số nhiệt độ lớn: ∆tl = 151,1 - 15 = 136,1 (oC) - Hiệu số nhiệt độ bé: Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân ∆tb = 151,1 – 130,2 = 20,9 (oC) = = 6,51 > - Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể xác định : ∆ttb = = 61,484 (oC) - Nhiệt độ trung bình lưu thể là: Hơi đốt: t1tb = 151,1 oC Dung dịch Ancol iso propylic: t2tb = 151,1 – 61,484 = 89,616 (oC) Tra theo công thức I.4 [3-152] Cp = Cht ×x + 4186(1-x) x- nồng độ chất hòa tan Cht X=1 � - nhiệt dung riêng chất hòa tan khan không chứa nước Cp = Cht Ngoại suy theo bảng I.171 [30.105] Cht [89,616] = 3130,8912 J/kg.K 2.Tính nhiệt lượng trao đổi Q: Q = G.Cp.(t2c – t2đ), W Trong đó: G – lưu lượng dung dịch ban đầu, kg/s Cp – nhiệt dung riêng dung dịch t2tb , J/kg.oC t2đ, t2c - nhiệt độ ban đầu nhiệt độ sôi dung dịch, oC Với G = 2.9kg/s, t2đ = 15oC, t2c = 130,2oC Ta có: Q = 2.9×3130,8912×(130,2 - 15) = 1045,97 kW 3.Tính lượng nước tiêu hao Lượng cần thiết tính theo công thức: D= Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Trong đó: D – lượng cần thiết, kg/s Q – nhiệt lượng trao đổi, W i1 – Nhiệt lượng riêng nước thể lỏng, J/kg I1 – nhiệt lượng riêng nước, J/kg Q = 1045.97 kW Tại t = 151.1oC, ta có: i1 = 635,054.103 J/kg I1 = 2754,32.103 J/kg ( nội suy từ bảng I.250 – Sổ tay QT&TB CNHC I ) Ta có: D = = = 0,493 (kg/s) 4.Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể 4.1Tính lần 1: Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hịa 2oC = t1 4.1 aTính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: α1 = 2,04.A , W/m2.oC Trong đó: r – Nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa, J/kg ∆t1 – chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, oC H – chiều cao ống truyền nhiệt, m A – số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Ta chọn H = 2m tT1 = t1 - t1 = 151,1 – = 149,1 (oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm = (t1 + tT1) = = 150,1 (oC) Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Tra bảng [2-29] ta : A = 195,515 Với thđ = 151.1oC tra bảng I.251 [3-314] ta có r = 2117×103 J/kg Ta có: α1 = 2,04.195,515 α1 = 10757,8 W/m2.oC Nhiệt tải riêng phía nước ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10757,8× = 21515,6 (W/m2) 4.1.b Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch chảy xoáy: α2 = 0,021 εk Re0,8 Pr0,43 , W/m2.oC Trong đó: Pr – chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý mơi trường Prt – chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình tường, cịn thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình dịng εk – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính d ống truyền nhiệt Re – chuẩn số đặc trưng cho chế độ chuyển động dòng λ – hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC Chọn Re = 10000 Chọn d= 34x2 mm Ta có: = = 76,92 > 50 εk = 1,065 Tính chuẩn số Pr theo cơng thức: Pr = Trong đó: Cp – nhiệt dung riêng dung dịch , J/kg.oC Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân µ – độ nhớt dung dịch , Ns/m2 λ – hệ số dẫn nhiệt dung dịch , W/m2.oC Cp = 3130,8912 J/kg.oC Tại t2tb = 89,616oC tính độ nhớt dung dịch Theo I.17 [3-85] có CT t1 t 1 t t , K -nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt µ1,µ2 1 , - nhiệt độ cảu chất lỏng chuẩn có giá trị độ nhớt µ1,µ2 K- giá trị không đổi với chất lỏng _ Chọn chất lỏng chuẩn H 2O _ Với Ancol izo propylic 100% : tra theo bảng I.101 [3-92] 400 C � µ1 = 1,33ì103 500 C à2 = 1,03ì103 _ ng vi H 2O : Nội suy theo bảng I.102 [3-94] µ1 = 1,33ì10 à2 = 1,03ì10 = 9,421 C � = 190 C 40 50 1,044 9, 421 19 K= Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Tại t2tb = 89,616oC ta có t2tb t1 2tb 1 K � 2tb �(89,616 40) 9, 421 1,044 = = 56,95 C 3 Nội suy theo bảng I.102 [3-95] � µ = 0,491×10 N.S/ m Hệ số dẫn nhiệt tính theo cơng thức: λ = ε.Cp.ρ , W/m2.oC Trong đó: ρ – khối lượng riêng dung dịch, kg/m3 M – khối lượng phân tử dung dịch, kg/kmol Cp – nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg.oC ε – hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng Cp = 3130,8912 J/kg.oC Với chất lỏng kết hợp, ε = 3,58.10-8 Tại t2tb = 89.616oC, nội suy theo bảng I.2 [3-09] ta có = 726,83 kg/ m3 Ta có: λ = 3,58.10-8× 3130,8912×726,83 = 0,188 W/m2.oC Do đó: Pr = = 8,17 Tính chuẩn số Prt: Prt = Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tT1 – tT2 = p1 Trong đó: tT1 , tT2 – nhiệt độ thành ống, oC – nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC/W = rT1 + + rT2 Trong đó: rT1, rT2 – nhiệt trở cặn bẩn hai phía tường, m2.oC/W Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II ` TS Nguy ễn Minh Tân – bề dày ống truyền nhiệt, m λ – hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m2.oC Chọn thép CT3 làm vật liệu ống, ống có δ = 0,002m, λ = 46,5 W/m2.oC 3 rT1 = 0,232 �10 m2.oC/W ( bảng V.1- Sổ tay QT&TB CNHC II ) 3 rT2 = 0,387 �10 m2.oC/W 3 3 = 0,232 �10 + + 0,387 �10 = 0,662.10-3 m2.oC/W Do đó: ∆tt = p1 = 21515,6×0,662.10-3 = 14,25 (oC) tT2 = tt1 - ∆tt = 149,1 – 14,25 = 134,85 (oC) ∆t2 = tT2 – t2tb = 134,85 – 89,616 =45,234 (oC) Tại tT2 = 134,85 oC ta có: Cpt = 3614,895 J/kg.oC ( ngoại suy từ bảng I.171 – Sổ tay QT&TB CNHC I ) �(134,85 40) 9,421 1,044 = 2tb = 100,27 (oC) Ngoại suy từ bảng I.102 [30.111] ta có µhh = 0,283.10-3 Ns/m2 Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I ρt = 686,635 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: λt = εk.Cpt.ρt λt = 3,58.10-8.3614,895.686,635 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân λt = 0,2 (W/m2.oC) Ta có: Prt = Prt = = 5,11 Vậy: α2 = 0,021 εk Re0,8 Pr0,43 α2 = 0,021 1,065.100000,8.8,170,43 α2 = 543,81 (W./m2.oC) q2 = α2.∆t2 = 543,81.45,234 = 24598,70 (W/m2) Nhận xét: Ta thấy rằng, nhiệt tải riêng phía ngưng tụ = 21515,6 W/ khác nhiều so với nhiệt tải riêng phía hỗn hợp chảy xốy = 24598,70 W/ Mà toán ta xét truyền nhiệt ổn định nên = = , vậy, để tìm giá trị ta phải tính lặp 4.2Tính lần 2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa 0,8oC = t1 4.2 a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: Ta có cơng thức 1 2,04 �A �4 r H �t1 W/ m C Ta có t1 = 0,8 � tT t1tb t1 151,1 0,8 150,3 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Khi nhiệt độ màng nước ngưng tm t1tb tt1 151,1 150,3 150,7 o 2 C Với tm = 150,7 nội suy từ bảng [2.29] ta A= 95,605 1 2,04 �195,605 �4 2117 �103 �0,8 = 13533,5 W / m C Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ q1 = 1 � t1 13533,5 �0,8 10826,8W / m 4.2.b tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy Chọn Re=10500 Hiệu số nhiệt độ phía thành ống tT tT tT q1.rt = 10826,8×0,662.103 = 7,167 tT t1 tT 150,3 7,167 143,133o C t tT t2tb 143,133 89,616 53,517 C o Tại tT = 143,133 C ngoại suy từ bảng I.171 sổ tay trình thiết bị C ta có pt = 3703,5231 J/Kg.độ �(143,133 40) 9, 421 1,044 = 2tb = 98.63 (oC) Nội suy từ bảng I.102 [30.111] ta có µhh = 0,288.10-3 Ns/m2 Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I ρt = 679,18 kg/m3 10 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Hệ số dẫn nhiệt: λt = εk.Cpt.ρt λt = 3,58.10-8 3703,5231 679,18 λt = 0,2 (W/m2.oC) Ta có: Prt = Prt = = 5,33 α2 = 0,021 εk Re0,8 Pr0,43 Vậy: α2 = 0,021 1,065.105000,8.8,170,43 α2 = 559,53 (W./m2.oC) q2 = α2.∆t2 = 559,53×53,517 = 29944,37 (W/m2) Dựa vào lần tính ta có đồ thị q 30000 25000 20000 15000 10000 11 0,8 2,0 2,25 t Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân 4.3 Tính lần 3, chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa dựa theo đồi thị 2,25 oC 4.3 a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ Dựa vào đồ thị ta suy ∆t1 = 2,25ºC ta có: tt1 = - ∆t1 = 151,1 – 2,25 = 148,85 oC 151,1 148,85 149,975 t m= Từ tm = 149,975oC nội suy theo [2 - 29] ta được: - A = 195,496 Vậy : = 2,04 195,496 =10444,68 W/.ºC Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 10444,68 × 2,25 q1 =23500,53 W/m2 b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: - ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∆tt = 23500,53 × 0,662.10-3 = 15,56 , m2.độ/W ttb t tT t2 tb 133,29 89,616 43,6740 C o Tại tT = 133,29 C ngoại suy từ bảng I.171 sổ tay trình thiết bị ta C có pt = 3598,203 J/Kg.độ 12 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân �(133, 29 40) 9, 421 1,044 = 2tb = 98.78 (oC) Nội suy từ bảng I.102 [30.111] ta có µhh = 0,2875.10-3 Ns/m2 Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I ρt = 688,03 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: λt = εk.Cpt.ρt λt = 3,58.10-8×3598,203× 688,03 λt = 0,19 (W/m2.oC) Ta có: Prt = Prt = = 5,44 Vậy: α2 = 0,021 εk Re0,8 Pr0,43 α2 = 0,021 1,065.105000,8.8,170,43 α2 = 562,60 (W./m2.oC) q2 = α2.∆t2 = 562,60×43,674 = 24571 (W/m2) qtb q1 q2 23500,53+24571 24035,765 2 Kiểm tra sai số ε = 100 = 100 ε = 4,3 % < 5% ( chấp nhận) 13 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân 5.Tính bề mặt truyền nhiệt F = = = 43,52 (m2) 6.Số ống truyền nhiệt dtd = = = 0,03 (m) Số ống truyền nhiệt: n = = = 231 Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh Dựa bảng quy chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác n = 187 ống ( theo bảng V.11 – Sổ tay QT&T CNHC II ) - Số hình sáu cạnh: - Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: 15 ống - Tổng số ống khơng kể ống hình viên phân: 169 ống - Tổng số ống hình viên phân: 18 ống 7.Đường kính thiết bị đun nóng D = t.(b – 1) + 4.dn, m Trong đó: t – bước ống dn – đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m b – số ống đường xuyên tâm sáu cạnh Lắp ống cách hàn => t = 1,2dn 14 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II Ta có: TS Nguy ễn Minh Tân D = 1,2.0,034.(15 – 1) + 4.0,034 = 0,71 (m) Ta chế tạo thiết bị có D = 0,8m = 800mm 8.Tính chiều cao thiết bị Với D = 800mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn chiều cao nắp thiết bị là: h1 = ht + h Chọn ht = 200mm, h = 25mm ( theo bảng XIII.10 – Sổ tay QT&TB CNHC II ) Vậy chiều cao thiết bị là: L = H + 2.h1 = 2000 + 2.( 200 + 25 ) = 2450 (mm) Tính lại vận tốc chia ngăn: 9.1 Xác định vận tốc thực: ωt = G = 2,9 kg/s n = 231 ống d = 0,03m ρ = 726,83 kg/m3 ωt = = 24,44.10-3 (m/s) 9.2.Xác định vận tốc giả thiết: ωgt = = = 0,236 (m/s) Vì = = 89,65 % > 10% Nên ta phải chia ngăn để trình cấp nhiệt chế độ chảy xoáy 9.3 Chia ngăn: Số ngăn cần thiết: 15 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân m = = = 9,65 Quy chuẩn : m = 10 ngăn Tính lại chuẩn số Reynolds: Re = Re = = 10857,09 > 10000 IV Kết luận Kích thước thiết bị đun nóng dung dịch là: Bề mặt truyền nhiệt F = 43,52 m2 Số ống truyền nhiệt: n = 231 ống Đường kính thiết bị: D = 800mm Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 2m Chiều cao thiết bị: L = 2450mm Số ngăn: 10 ngăn Đường kính ống truyền nhiệt: d = 34x2mm Sử dụng thép CT3 làm vật liệu làm ống Ống hàn vào mặt bích, xếp theo kiểu hình sáu cạnh Chọn dung dịch Ancol iso propylic chất tải nhiệt lưu thơng ống, nước bão hịa chất tải nhiệt lưu thơng ngồi ống 16 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II TS Nguy ễn Minh Tân Mục lục I.Đặt vấn đề II.Giới thiệu tổng quan thiết bị 1.Cấu tạo 2.Ngun lý làm việc III.Tính tốn 2 1.Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể 2.Tính nhiệt lượng trao đổi Q 3.Tính lượng nước tiêu hao 4.Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể 5.Tính bề mặt truyền nhiệt 14 6.Số ống truyền nhiệt 15 7.Đường kính thiết bị đun nóng 15 8.Tính chiều cao thiết bị 15 Tính lại vận tốc chia ngăn 16 IV Kết luận 17 17 Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 Bài tập lớn Hóa cơng II 18 TS Nguy ễn Minh Tân Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643 ... để tăng hiệu truyền nhiệt, ta thường chia thiết bị làm nhiều ngăn Có thể chia ngăn ngồi ống Sử dụng cốc tháo nước ngưng để tháo nước ngưng ngăn khơng cho nước ngồi Nguyên lý làm việc: Thiết bị. .. ngăn Tính lại chuẩn số Reynolds: Re = Re = = 10857,09 > 10000 IV Kết luận Kích thước thiết bị đun nóng dung dịch là: Bề mặt truyền nhiệt F = 43,52 m2 Số ống truyền nhiệt: n = 231 ống Đường kính thiết. .. = 0,71 (m) Ta chế tạo thiết bị có D = 0,8m = 800mm 8 .Tính chiều cao thiết bị Với D = 800mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn chiều cao nắp thiết bị là: h1 = ht + h Chọn