mẫu bài tập lớn quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Đây là mẫu cho các bạn tham khảo. Đặc biệt là sinh viên sẽ cần đến. Hi vọng các bạn thấy hữu ích. Bài tập lớn này có độ chính xác cao nên các bạn có thể đọc rồi nghiên cứu. Hi vọng nó giúp ích cho các bạn
BÀI TẬP LỚN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Đề bài: tính tốn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu gia nhiệt dung dịch KCl suất 8% Trang Giới thiệu dung dịch KCl 8% Vai trò ứng dụng dung dịch KCL 8% + Trong nơng nghiệp: KCL làm phân bón cho trồng + Trong công nghiệp: muối KCL sử dụng làm chất ức chế hidrat hóa, ức chế tương nở phân ủy đá phiến Hóa phẩm sử dụng để điều chế dung dịch thạch cao-kali vôikali + Trong khoa học ứng dụng: tác nhân chữa cháy, làm mềm nước đơn vị, làm nguồn cho hiệu chuẩn thiết bị giám sát x ạ,… + Trong chế biến thực phẩm: sản xuất nước khoáng, bánh kẹo, nước giả khát,… + Trong y học: sử dụng thay cho muối ăn NaCL để giẩm 11% nguy bệnh tim mạch + Trong cơng nghiệp hóa chất: KCL sử dụng cho sản xuất KOH Kali kim loại Công th ức phân t KCL Kh ối l ượng mol 74.5513 g·mol−1 Đi ểm nóng ch ảy 770 °C (1.040 K; 1.420 °F) Đi ểm sôi 1.420 °C (1.690 K; 2.590 °F) 21.74% (0 °C) Độ hòa tan n ước 25.39% (20 °C) 36.05% (100 °C) Kh ối l ượng riêng 1.984 g/cm3 Mô tả B ột màu tr ắng, h ồng ho ặc xám; khơng mùi Nhi ệt độ nóng ch ảy 770 °C Trang 1420 °C Nhi ệt độ sôi Các tính chất hóa lý 2.1 Tính chất vật lý Bảng Tính chất vật lý dung dịch KCL 2.2 Tính chất hóa học Tác dụng với axit, bazơ loại muối khác Tác dụng với axit H2SO4 + 2KCL 2HCL + K2SO4 Tác dụng với bazơ KCL + 3H20 KCLO3 + 3H2 Tác dụng với muối KCL + AgNO3 AgCL + KNO3 Trang TÍNH TỐN THIẾT BỊ Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu thiết bị đun nống loại ống chùm ngược chiều dung nước bão hòa 4at, nước ống từ xuống, hỗn hợp nguyên liệu ống từ lên Ở áp suất 4at ⇒ t1=142,9oC ( Tra bảng I.251-ST1/315) Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt nhiệt độ phòng(25 oC) nhiệt độ sôi hỗn hợp đầu (tso = 100,93oC) Chọn loại ống thép CT3 đường kính d = 38±2 mm ; L = 2(m) ⇒ λ = 46,4W/m.độ (Tra bảng PL4 – ST1) 1- NHIỆT LƯỢNG TRAO ĐỔI :( Q) Q = F.Cp.(tF – tf) ,W Trong : - F: lưu lượng hỗn hợp đầu , F = 2500(kg/h) - tF : Nhiệt độ sôi hỗn hợp tF = tso = 100,93oC - Cp: Nhiệt dung riêng hỗn hợp t2b=69,3 oC tra theo bảng (I.249/ST1-T311) ta được: Cp= Co= 3851,12 J/kg.độ - tf: Nhiệt độ môi trường: tf = 25oC Thay số : Q= 2500 3600 3851,12.(100,93 - 25) = 203066,35(W) Trang 2- HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH: - Chọn thđ = t1 = 142,9(0C) Δ tđ = 142,9 – 25 = 117,9(0C) Δ tc = 142,9 – 100,93= 41,97 (0 C) - Do ∆t đ ∆t c = 117 ,9 41,97 =2,81 > nên nhiệt độ trung bình hai lưu thể là: ∆tđ − ∆tc 117 ,9 − 41,97 117 ,9 ∆tđ 2,3 lg( ) 2,3 lg 41,97 ∆tc ∆ ttb = = =73,60 (0C) - Hơi đốt: t1tb = 142,9 (0C) - Phía hỗn hợp: t2tb = t hđ − ∆ttb = 142,9 – 73,60 = 69,3 (0C) Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể : - Hệ số cấp nhiệt phía nước ngưng tụ : α1 = 2,04.A.( r ∆t1.H )0,25 Trong đó: - r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa r = 2141.103 (J/Kg) Trang - Δt1: Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt - H: Chiều cao ống truyền nhiệt : H = 2(m) - A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng Giả sử : Δt1 = 5,8 (0C) Ta có : tm =142,9 - 5,8 = 140 (0 C) Tra bảng (ST2/29)=> A = 194 ( Thay số: α1= 2,04 194 2141.103 0, 25 ) 5,8.2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ : [W/m2] Áp dụng công thức : q1 = α1.Δt1 q1 = 8202,98.5,8 = 47577,284(W/m2 ) Thay số : = 8202,98 (W/m2.độ) Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy : Chọn Re = 10000 Theo cơng thức V.40-ST-2/14 ta có : Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43.( Mà Nu = α d λ Pr Pr t ⇒ αt = 0,021 )0,25 λ d ε R 0,8.Pr0,43.( k e Trang pr prt )0,25 , Trong : - Prt: Chuẩn số Pran - εk: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỉ số chiều dài L đường kính d ống L d ta có : = 0,038 = 52,63 > 5m → εk= (theo CT V.2- ST2/T15) Cp λ µ *)Tính chuẩn số Pr : Pr = (CT-V.35-ST2/T12) - Cp : Nhiệt dung riêng hỗn hợp t 2tb =69,30C tra theo bảng (I.249/ST1– T311) : Cp=C0= 3851,12 (J/kg.độ) - Tra bảng (I 107- ST1/T101) ta có độ nhớt dung dịch: µ = 0,439696.10-3 (Ns/m2) - Tra bảng I.29-ST1/ T37- ρ : khối lượng riêng hỗn hợp ttb=69,3oC ρ = 1027,98 kg/m3 - nồi 1: x = 8% khối lượng 74,5 = 0,0206 + 92 74,5 18 ⇒ M = 74,5.0,0206 + (1 − 0,0206).18 = 19,1639 a1 = - Với A=3,58 10-8 Trang ρ M ⇒ λ = A.Cp.ρ =3,58.10-8 3851,12 1027,98 Thay số vào CT ta : Pr= 1027,98 19,1639 =0,5345 (W/m.độ) 3851,12.0,439696.10 −3 0,5345 = 3,17 + Hiệu số nhiệt độ phía thành ống : Δtt = tt - tt = q1.∑rt Trong : tt :Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp ∑rt : Tổng nhiệt trở thành ống truyền nhiệt : Ống dẫn nhiệt làm làm thép CT3 có chiều dày δ = (mm) nên: λ = 46,4 (W/m độ) ∑r = r + r2 + δ λ m2 độ/W r1 , r2 : nhiệt trở cặn bẩn phía tường ( bên ngồi cặn bẩn nước ngưng ,bên cặn bẩn dung dịch - Tra theo bảng ( V.I/ST2 - T4) ta có : r1 = 0,387.10-3 m2 độ/W r2 = 0,232.10-3 m2 độ/W - Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt δ = 2mm = 0,002m Trang - Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt thép CT3, hệ số dẫn nhiệt là: λ = 46, W/m độ Thay vào CT ta : ∑r = ( 0,387 + 0,232 + 46,4 −3 ).10 −3 = 0,662.10 (m2.độ/W) Thay số : Δtt =47577,284.0,662.10-3 = 31,496oC tt2 = tt1 – Δtt =142,9–31,496 = 111,404oC => Δt2 = tt – t2tb= 111,404 – 69,3 = 42,104oC C pt *)Tính chuẩn số Prt= λt µ t - Trong : Cpt : Nhiệt dung riêng hỗn hợp t12=111,404 oC tra theo bảng (I.249/ST1-T311) ta được: Cpt =C1= 3896,2 J/kg.độ µt : Độ nhớt hỗn hợp tt2 tra bảng ( I.107-ST1/101 ) : µt = 0,2795.10-3 Ns/m2 λt : hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp tt2 Ta có : λt = A.Cp ρ ρ M Trang Với : A = 3,85.10-8 ρ : khối lượng riêng hỗn hợp tt = 111,4040C Tra bảng I.29-ST1/T37 ta có : ρ = 1001,4057 kg/m3 Thay vào cơng thức ta có : λt = 3,58.10-8 3896,2 1001,4057 Thay số vào ta : Prt = 1001,4057 19,1639 = 0,5222( W/m2.độ) 3896,2 0,2795.10 −3 0,5222 = 2,0854 Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy : αt = 0,021 0,5345 0,038 (10000)0,8 (3,17)0,43 3,17 2,0854 , 25 = 853,702 2.3 Nhiệt tải riêng phía dung dịch : Ta có : q2 = αt.Δt2 = 853,702.42,104 = 35944,27 2.4 Kiểm tra sai số: ε = q1 − q2 q1 47577,284 - 35944,27 47577,284 = 100% = 10,77 % Sai số không đáng kể,ta chấp nhận giả thiết chọn độ chênhblệch nhiệt độ Trang 10 BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT: Cơng thức tính : F= Q q tb Trong : Nhiệt lượng trao đổi : Q = 203253,55 (W) q tb :Nhiệt tải riêng trung bình phía dung dịch qtb = Thay số : F = q1 + q2 47573,572 + 42450,429 = = 45012,0005 2 203253,55 = 4,52 45012,0005 (m ) SỐ ỐNG TRUYỀN NHIỆT: Cơng thức tính : n= F πdH Trong : F : Bề mặt truyền nhiệt F= 4,52 (m2) d : đường kính ống truyền nhiệt d = 0,038 m H : Chiều cao ống truyền nhiệt n= Thay số : H = (m) 4,52 = 18,94 3,14.0,038.2 Qui chuẩn n = 37 ống Theo bảng V.11-ST2/T48 ta có: Bảng 7: Trang 11 Số Sắp xếp ống theo hình cạnh hình Số ống Tổng số ống không kể cạnh đường ống xuyên hình viên tâm phân Dãy Tổng ống Tổng Dãy Dãy tất ống hình viên phân thiết bị cạnh 37 - - - - 5- ĐƯỜNG KÍNH TRONG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NĨNG : Áp dụng cơng thức (CT-V.50-ST-2/T49) ta có : D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó: dn : Đường kính ngồi ống truyền nhiệt dn = d + 2.S = 0,038 + 2.0,002 = 0,042 (m) t : Bước ống Lấy t = 1,4 dn t = 1,4 0,042 = 0,0588 b: số ống đường xuyên tâm hình sáu cạnh b = Thay số : D =0,0588.(7 - 1) + 4.0,042 = 0,5208 m Qui chuẩn : D = 0,5 m=500 (mm) (bảng XIII.6 ST-2/Tr-359 ) 6- TÍNH VẬN TỐC VÀ CHIA NGĂN -Vận tốc thực : Trang 12 37 Wt = 4.Gđ Π.d n.ρ Gđ = 2500 kg/h n = 37 ống ρ = 1027,83 kg/m3 d = 0,038 m Wt = 4.2500 = 0,0161 3,14.( 0,038) 37.1027,83.3600 Thay số ta có: (m/s) -Vận tốc giả thiết: Re µ 10000.0,44752.10-3 Wgt = = = 0,1146 d ρ 0,038.1027,83 Wgt − Wt Wgt 100% = (m/s) 0,1146 − 0,0161 100% = 85,951% 0,1146 Wgt − Wt Vì Wgt lớn 5% nên ta cần chia ngăn để q trình cấp nhiệt chế độ xốy Số ngăn xác định sau: Số ngăn cần thiết: m = Wgt 0,1146 = = 7,118 Wt 0,0161 ⇒Quy chẩn ngăn *Tính lại chuẩn số Re: 4F 4.4,52 n Π.d µ 3,14.0,038 37 0,44752.10 −3 m Re = = = 64057,362> 4000 Trang 13 Vậy kích thước thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là: - Bề mặt truyền nhiệt: F = 4,52 (m2) - Số ống truyền nhiệt: n = 37 (ống) - Đường kính thiết bị: D = 500 (mm) - Chiều cao mặt bích: H = (m) Trang 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tập thể tác giả Sổ tay q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật ( 1974, tập 1) [2] Tập thể tác giả Sổ tay q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật (1982, tập 2) [3] Tập thể tác giả Cơ sở trình thiết bị Cơng nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật (2000, tập 134) [4] GS.TSKH Nguyễn Bin Tính tốn q trình thiết bị cơng nghệ hóa tâp 1,2 [5] Cơ sở thiết kế máy hóa chất ( tác giả Hồ Lê Viên), xuất năm 1997 Trang 15