Đồ án thiết bị trao đổi nhiệt

Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC MỤC LỤC Trang PHẦN 1: MỞ ĐẦU 03 1.1 Nhiệm vụ đồ án 03 1.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt 03 1.2.1 Định nghĩa phân loại thiết bị trao đổi nhiệt 13 1.2.2 Sơ lược q trình đun nóng 06 1.3 Tổng quan vật liệu 07 1.3.1 Tính chất nguyên liệu 08 1.3.2 Thông số thiết bị 08 PHẦN 2: TÍNH TỐN CƠNG 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 lưu thể 11 2.5 Tính bề mặt truyền nhiệt 21 2.6 Số ống truyền nhiệt 21 2.7 Đường kính thiết bị đun nóng 22 2.8 Tính lại vận tốc chia ngăn 22 PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ 24 3.1 Tính buồng gia nhiệt 24 3.1.1 Các thông số tra chọn 24 3.2.1 Tính chọn bề dày – tính bền cho buồng gia nhiệt .24 3.2 Tính tốn đáy – nắp thiết bị 25 3.3 Tính tốn 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 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC PHẦN 5: KẾT LUẬN 28 PHẦN : TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 *** NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 30 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - PHẦN 1: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC MỞ ĐẦU 1.1 Nhiệm vụ đồ án Nhiệm vụ đồ án mơn học là: “Tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch NaCl trình điều chế xút NaOH” với suất 1200 kg/h, nhiệt độ NaCl vào 20oC, nhiệt độ NaCl 84oC, gia nhiệt nước bão hòa Đồ án gồm phần chính: • Phần 1: Mở đầu • Phần 2:Tính tốn cơng nghệ • Phần 3:Tính khí • Phần 4: Lựa chọn thiết bị phụ trợ • Phần 5: Kết luận Có thể nói thực Đồ án mơn học hội tốt cho sinh viên ơn lại tồn kiến thức học trình cơng nghệ hóa học Ngồi dịp mà sinh viên tiếp cận với thực tế thơng qua việc lựa chọn, tính tốn thiết kế chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể thực tế Trong trình thực đồ án em nhận nhiều giúp đỡ hướng dẫn trực tiếp giảng viên ThS Nguyễn Tiến Hưng, thầy cô mơn Máy thiết bị hóa chất khoa Cơng nghệ Hóa học trường Đại học Cơng nghiệp Việt Trì Em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS Nguyễn Tiến Hưng thầy cô môn bạn đồng môn giúp đỡ em trình thực đồ án 1.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.1 Định nghĩa phân loại thiết bị trao đổi nhiệt a) Định nghĩa: Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thực trình truyền nhiệt 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 sản xuất đời sống thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua vách ngăn loại sử dụng phổ biến Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Các loại thiết bị thường gặp: *) Dạng ống lồng ống: Cấu tạo: Gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, đoạn có ống lồng vào nhau.Chất tải nhiệt I ống từ lên Còn chất tải nhiệt II ống từ xuống Khi suất lớn đặt nhiều dãy làm việc song song Được dùng cho mục đích đun nóng làm nguội Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn tạo tốc độ lớn cho chất tải nhiệt Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó làm khoảng trống ống *) Dạng giàn tưới: Dùng để làm nguội ngưng tụ, chất lỏng phun đường ống nước lạnh Nước tưới ống chảy từ xuống đổ vào máng chứa CTN nóng ống Khi trao đổi nhiệt có phần nước bay bay lấy phần nhiệt từ CTN nóng ống lượng nước dùng để làm nguội đay so với thiết bị làm nguội khác Thiết bị cần đặt nơi thống gió, ngồi trời Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn tạo vận tốc lớn phía, suất cao Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó làm khoảng cách ống *) Ống xoắn ruột gà: Cấu tạo: Gồm đoạn ống thẳng nối với ống khuỷu gọi xoắn gấp khúc, ống uốn cong theo hình ren ốc gọi ống xoắn ruột gà Khi làm việc chất tải nhiệt ống chất tải nhiệt khác ống Hệ số cấp nhiệt ống xoắn thường lớn Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Ưu điểm: Thiết kế đơn giản vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra sửa chữa, chạy êm Nhược điểm: Cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ hệ số cấp nhiệt phía ngồi bé, khó làm phía ống, trở lực thủy lực lớn ống thẳng Chất lỏng cho vào từ lên để ống xoắn ln chứa đầy cho từ xuống để tránh va đập thủy lực *) Ống chùm: Thiết bị ống chùm dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất, có ưu điểm kết cấu gọn, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: 1- Vỏ hình trụ 2- Lưới đỡ ống 3- Ống truyền nhiệt 4- Mặt bích có bu lơng ghép Trên vỏ, nắp, đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt đặt chân đỡ tai treo hàn vào vỏ Chất tải nhiệt I (dung dịch NaCl) vào từ đáy qua ống lên khỏi thiết bị, chất tải nhiệt II (hơi nước bão hòa) từ cửa vỏ vào khoảng trống ống vỏ phía Trong thiết bị diễn q trình truyền nhiệt bão hòa tới hỗn hợp Cấu tạo: Gồm vỏ hình trụ 1, hai đầu hàn hai lưới ống 2, ống truyền nhiệt lắp kín, vào lưới ống Trên vỏ, nắp đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt thiết bị cài đặt giá đỡ tai treo hàn vào vỏ Các ống lắp lưới ống cần phải kín cách nong hàn, đơi người ta dùng đệm để lắp kín Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Nhược điểm: Khó chế tạo vật liệu giòn, giá thành cao Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 1.2.2 Sơ lược trình đun nóng Đun nóng việc sử dụng chất tải nhiệt để có nhiệt độ cao để làm tăng nhiệt độ chất tải nhiệt khác Đây q trình phổ biến cơng nghiệp hóa chất thực phẩm, có tác dụng làm tăng vận tốc số q trình phản ứng hóa học, ngồi phương tiện cần thiết để thực q trình khác đặc, chưng cất, sấy khơ Nhiệt lượng dụng cho q trình đun nóng tạo nhiều phương pháp từ nhiều nguồn nhiệt khác Ví dụ khói lò, khí thải, chất lỏng thải nhiệt độ cao hay chất tải nhiệt trung gian nước, nước nhiệt, chất hữu có nhiệt độ sôi cao… Khi lựa chọn nguồn nhiệt ta cần quan tâm đến yếu tố quan trọng sau: - Nhiệt đun nóng khả điều chỉnh nhiệt độ - Áp suất bão hòa độ bền ảnh hưởng nhiệt độ - Độ độc tính hoạt động hóa học - Độ an tồn đun nóng (khơng gây cháy nổ) - Rẻ tiền, dễ kiếm Tùy thuộc vào nguồn nhiệt sử mà ta có phương pháp đun nóng khác nhau: - Đun nóng nước bão hòa - Đun nóng khói lò - Đun nóng dòng điện - Đun nóng chất tải nhiệt đặc biệt (hơi nước nhiệt, chất tải nhiệt hữu cơ, chất lỏng có nhiệt độ sơi cao…) - Đun nóng chất lỏng thải, khói thải Thiết bị sử dụng q trình đun nóng đa dạng, tùy phương pháp trao đổi nhiệt (TĐN) gián tiếp hay trực tiếp mà ta sử dụng thiết bị đun nóng: - Thiết bị TĐN loại xoắn ốc - Thiết bị TĐN loại - 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 sử dụng thiết bị TĐN phương pháp đun nóng có ưu nhược điểm định tùy trường hợp cụ thể mà ta đưa lựa chọn phù hợp để đạt hiệu cao Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Trong phạm vi đề tài ta xét đến trình gia nhiệt nước bão hòa sử dụng thiết bị TĐN loại ống chùm Đun nóng nước bão hòa Phương pháp đun nóng nước bão hòa sử dụng rộng rãi cơng nghiệp hóa học với nhiều ưu điểm như: - Hệ số cấp nhiệt lớn (α = 10000 ÷ 15000 W/m 2.độ) bề mặt truyền nhiệt nhỏ tức thiết bị nhỏ gọn so với thiết bị đun nóng chất tải nhiệt khác suất tải nhiệt - Lượng nhiệt cung cấp lớn lượng nhiệt tỏa ngưng tụ - Đun nóng đồng ngưng tụ toàn bề mặt TĐN - Nhiệt độ nước bão hòa khơng thay đổi suốt q trình TĐN - Dễ điều chỉnh nhiệt độ nước đun nóng cách điều chỉnh áp suất - Vận chuyển xa dễ dàng đường ống Tuy nhiên , sử dụng nước bão hòa để đun nóng nhiệt độ cao nhiệt độ tăng áp suất bão hòa tăng đồng thời ẩn nhiệt hóa giảm Do nhiệt độ cao thiết bị phức tạp hơn, hiệu suất sử dụng nhiệt giảm Phương pháp đun nóng nước bảo hòa sử dụng trường hợp đun nóng với nhiệt độ t < 1800C 1.3 Tổng quan vật liệu Ngành công nghiệp sản xuất NaOH ngành công nghiệp sản xuất hóa chất Nó đóng vai trò lớn phát triển ngành công nghiệp khác dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, sản xuất phèn NaoH bazơ mạnh, có tính ăn da, khả ăn mòn thiết bị cao Vì cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an tồn lao động q trình sản xuất Trước công nghiệp NaOH thường sản xuất cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na 2CO3 lỗng nóng Ngày người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hòa Trong cơng đoạn gia nhiệt cho dung dịch NaCl trình điều chế xút NaOH cơng đoạn quan trọng, giúp rút ngắn thời gian sản xuất nâng cao chất lượng sản phẩm Q trình gia nhiệt sử thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, ống xoắn ruột gà, ống lồng ống Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại thiết bị có kết cấu đơn giản, gọn, bề mặt truyền nhiệt lớn, dễ vận hành, sửa chữa mà mang lại hiệu cao 1.3.1 Tính chất nguyên liệu Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC - NaCl khối tinh thể màu trắng, tan nước phân ly thành ion - Là thành phần muối ăn ngày - Khối lượng riêng dung dịch 10% 1073 (kg/m3) - Độ nhớt 1,07.10-3 (Ns/m2) 20oC (dung dịch 10%) - Độ hòa tan 50oC 27,1% ,ở 20oC 26,3% - Nguyên liệu đem gia nhiệt dung dịch NaCl 10% với chất tải nhiệt nước bão hòa 1.3.2 Thơng số thiết bị Các ống thiết bị bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn Chọn thông số kỹ thuật: - Chọn vật liệu thép CT3 - Chiều cao hai mặt bích: H = m - Chuẩn số Reynolds: Re = 10500 - Đường kính ống: d = 30 × mm - Bề dày ống truyền nhiệt: δ = mm = 0,002 m - Nhiệt độ nước bão hòa có áp suất 4at là: 142,9 oC (I.251 – Tr314 – STQTTB 1) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - PHẦN 2: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ cơng nghệ Các chi tiết Lò Bơm gia nhiệt Thùng chứa nguyên liệu Bơm nhiên liệu Đáy thiết bị Thân thiết bị Nắp thiết bị Áp kế Nhiệt kế 10 Trai treo 11 Ống xả khí ngưng 12 Thiết bị điện phân Thuyết minh sơ đồ dây chuyền: Bơm dung dịch ban đầu có nhiệt độ 20oC từ bể chứa nguyên liệu vào thiết bị gia nhiệt bơm ly tâm Q trình nhập liệu diễn vòng 15 phút đến nhập đủ 1200 kg ngừng Khi nhập liệu đủ 1200 kg bắt đầu cấp đốt (là nước bão hòa áp suất at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) Dung dịch chảy ống gia nhiệt đốt ống Dung dịch ống gia nhiệt Dung môi nước bốc ngồi qua ống dẫn thứ sau qua buồng bốc thiết bị tách giọt Hơi đốt ngưng tụ chảy ngòai qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy xả Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang P T Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Quá trình tiếp tục đến đạt nhiệt độ 84 oC ngưng cấp Mở van thơng áp, sau tháo sản phẩm cách mở van tháo liệu dung dịch gia nhiệt đưa sang thiết bị điện phân để tiến hành cơng đoạn 2.2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = Gđ.Cp.(tF –tf) (W) Trong đó: Gđ - Lưu lượng hỗn hợp đầu, Gđ = 1200 kg/h tF - Nhiệt độ hỗn hợp , tF = t = 84oC tf - Nhiệt độ thường (tf = 20oC) t1 - Nhiệt độ làm việc hỗn hợp P = 4at có t1 = 142,9oC (I.251 – Tr314 / ST QTTB 1) Cp - Nhiệt dung riêng hỗn hợp tF, ta có: Nồng độ NaCl 10% < 20%, áp dụng CT : C = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1) = 3394,8 (J/kg.độ) Vậy nhiệt lượng trao đổi Q : Q= 1200.3394,8.(84 − 20) = 72422,4 (W) 3600 2.3 Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể to o C t1đ t1c t2c t2đ Hiệu số nhiệt độ lớn: Ta chọn t1 = 142,9 oC, tf = 20 oC, tF = 84 oC ∆tđ = 142,9 – 20 = 122,9 (oC) Hiệu số nhiệt độ bé: ∆tc = 142,9 – 84 = 58,9 (oC) Vì ∆tđ 122,9 = ≈ 2,1 > nên nhiệt độ trung bình theo CT (Tr67 – QTTB 3) ∆tc 58,9 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 10 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? Σrt = 1,16.10 − + Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 0,002 + 0,464.10− 46,5 ∑rt = 1,667.10-3 (m2.độ/W) Do đó: ∆tt = q1.∑rt= 21426,9.1,667.10-3 = 35,719 (oC) → tt2 = tt1 – ∆tt = (142,9 - 2) – 35,719 = 105,181 (oC) ∆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: ΡNaCl = 707,783 kg/m3 ρN = 954,114 kg/m3 −1 0,75   0,25 +  = 877,743 ( kg / m3 ) → ρt =   707,783 954,114  Tại tt2 = 105,181 oC nội suy ta có: μM = 0,2.10-3 Ns/m2 μN = 0,27.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + (1 – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158.lg(0,2.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,27.10-3) → μhh = 0,257.10-3 (Ns/m2) Ta được: λt = ε k C pt ρt ρt M λt = 3,58.10−8.3928,969.877,743.3 Prt = C pt µ hh λt = 877,743 = 0,434 (W/m2.oC) 20,212 3928,969.0,257.10 −3 = 2,327 0,434  Pr  λ Vậy: α = 0,021 .ε k Re 0,8 Pr 0, 43   d  Prt  Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi , 25 Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 16 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC 0,434  3,974  α = 0,021 .1.105000,8.3,9740, 43   0,026  2,327  , 25 α2 = 1191,955 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1191,955 49,293 q2 = 58755,04 (W/m2) Ở ta thấy nhiệt tải riêng phía ngưng tụ q1= 21426,9 W/m2 khác xa với nhiệt tải riêng phía hỗn hợp chảy xốy q 2= 58755,04 W/m2 Mà toán ta xét truyền nhiệt ổn định nên q1= q2= qtb, để tìm giá trị qtb ta phải tính lặp Tính lần 2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa 0,8 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo cơng thức: α1 = 2,04 A.4 ( r W / m o C ∆t1.H ) Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 0,8 oC tt1= t1tb- ∆t1= 142,9 - 0,8 = 142,1 (oC) → Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm = t1tb + tt1 142,9 + 142,1 = = 142,5 (oC) 2 Từ tm = 142,5 oC tra bảng ta được: A = 194,375 ( 2135,5.103 = 13477,69 W / m o C Vậy : α1 = 2,04.194,375 0,8.2 ) b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Chọn Re = 10500 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 13477,69 0,8 = 10782,152 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có: ∑rt = 1,667.10-3 , m2.độ/W → ∆tt= 10782,152.1,667.10-3 = 17,974 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 142,1 – 17,974 = 124,126 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb= 124,126 – 55,888 = 68,238 (oC) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 17 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Tại tt2 = 124,126 oC ta có: CNaCl = 3085,359 J/kg.độ CN = 4273,158 J/kg.độ → Cpt = 0,25.3085,359 + 0,76.4273,158 Cpt = 3976,208 (J/kg.độ) Tại tt2 = 124,126 oC ta có: ρ NaCl = 792,544 kg/m3 ρN = 787,582 kg/m3 −1 0,75   0,25 +  = 861,442 ( kg / m3 ) → ρt =   686,160 954,623  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) + ( – 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) λt = 3,58.10−8.3976,208.861,442.3 Prt = C pt µ hh λt = ( 861,442 = 0,428 W / m.o C 20,212 ) 3976,208.1,5.10 −3 = 1,394 0,428 0,428  3,974  1.105000,8.3,9740, 43   Vậy: α = 0,021 0,026  1,394  , 25 = 1339,425 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1339,425.68,238 = 91399,683 ( W/m2) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 18 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Dựa vào lần tính ta có đồ thị: q q2 q1 ∆t 0,8 3,5 Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa theo đồ thị 3,5 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: Dựa vào đồ thị ta suy ∆t1 = 3,5 oC ta có: tt1 = t1tb- ∆t1= 142,9 – 3,5 = 139,4 (oC) tm = t1tb + tt1 142,9 + 139, = = 141, (oC) 2 Từ tm = 141,2 oC tra bảng ta được: A = 194,18 Vậy : α1 = 2,04.194,184 2135.103 = 9309,686 (W/m2.độ) 3,5.2 b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 9309,686.3,5= 32583,901 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt= 32583,901.1,667.10-3 ∆tt = 54,317 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 139,4 – 54,317 = 85,083 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 85,083 – 55,888 = 29,195 (oC) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 19 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có: CNaCl = 2886,686 J/kg.độ CN = 4200,166 J/kg.độ → Cpt = 0,25.2886,686 + 0,75.4200,166 Cpt = 3871,796 (J/kg.độ) Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có: ρ ΡNaCl = 730,4087 kg/m3 ρN = 968,4419 kg/m3 −1 ( → ρt =  0,25 + 0,75  = 895,484 kg / m3  730,4087 968,4419  ) Tại tt2 = 85,083 oC nội suy ta có: ΜNaCl = 0,25.10-3 Ns/m2 μN = 0,338.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,158.lg(0, 25.10-3) + (1 – 0,158).lg(0,338.10-3) → μhh = 0,313.10-3 (Ns/m2) Ta được: λt = 3,58.10−8.3871,796.895,484.3 Ta có: Prt = C pt µ hh λt 895,494 = 0,439 (W/m.độ) 20,212 3871,796.0,313.10−3 = = 2,761 0,439 0,439  3,974  1.105000,8.3,9740, 43   Vậy: α = 0,021 0,026  2,761  , 25 = 1158,095 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1158,095.29,195 = 33810,584 (W/m2) Dựa số liệu tính tốn ta có bảng số liệu: Số lần tính Nhiệt trở hiệu số Phía nước ngưng tụ t1tb 142,9 142,9 142,9 tt1 140,9 142,1 139,4 ∆t1 0,8 3,5 tm 141,9 142,5 142,2 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi α1 10713,45 13477,690 9309,686 q1 21426,9 10782,152 32583,901 Lớp CHLT1-2Đ12 nhiệt độ ∑rt ∆tt 1,667.10-3 35,719 1,667.10-3 17,974 1,667.10-3 54,317 Trang 20 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? Số Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Phía hỗn hợp chảy xốy lần tính tt2 105,181 124,126 85,083 t2tb 55,888 55,888 55,888 ∆t2 49,293 68,238 29, 195 Prt 2,327 1,394 2,761 (Pr/Prt)0,25 1,14 1,299 1,095 α2 1191,955 1339,425 1158,095 q2 58755,04 91399,683 33810,584 Từ ta có: qtb = q1 + q2 32583,901 + 33810,584 = = 33197,243 (W/m2) 2 Kiểm tra sai số: q2 − q1 33810,584 − 32583,901 100% = 100% = 3,63% q2 33810,584 ε= Vì ε = 3,63% < 10% (chấp nhận) 2.5 Tính bề mặt truyền nhiệt F= ( ) Q 231125,584 = = 6,92 m qtb 33197,243 2.6 Số ống truyền nhiệt d td = d t + d n 0,026 + 0,03 = = 0,028 ( m ) 2 Số ống truyền nhiệt: n= F 6,962 = = 39,59 π d H 3,14.0,28.2 Trong đó: n: số ống truyền nhiệt Dựa bảng quy chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác là: n = 61 ống Số ống cạnh hình cạnh là: ống Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: ống - Tổng số ống khơng kể ống hình viên phân là: 61 ống - Số ống hình viên phân là: 18 ống 2.7 Đường kính thiết bị đun nóng D = t.(b – ) + 4.dn (m) Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 21 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Trong đó: t – bước ống, thường lấy t = 1,2 ÷ 1,5 dn ; dn – đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m; b – số ống đường xuyên tâm sáu cạnh Vậy: D = 1,5.0,03.(9 – 1) + 4.0,03 D = 0,48 (m) Làm tròn: D = 0,5 m = 500 mm 2.8 Tính chiều cao thiết bị Với D = 500 mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn: Chiều cao nắp thiết bị: hl = ht + h Trong đó: ht = 125 mm h = 25 mm Vậy chiều cao thiết bị là: L = H + 2.hl = 2.1000 + 2.(125 + 25) = 2300 (mm) 2.9Tính lại vận tốc chia ngăn: Xác định vận tốc thực: ωt = 4.G π d n.ρ G = 0,944 (kg/s) n = 61 ống d = 0,026 m ρ = 916,915 kg/m3 → ωt = 4.0,944 = 0,0318 ( m / s ) 3,14.0,262.61.916,915 Xác định vận tốc giả thiết: ω gt = Vì: Re µ 10500.0,4726.10−3 = = 0,2082 ( m / s ) d ρ 0,026.916,915 ω gt − ωt 0,2082 − 0,0318 100% = = 84,73% > 10% ω gt 0,2082 Nên ta cần phải chia ngăn để q trình cấp nhiệt chế độ xốy Xác định số ngăn: Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 22 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? Số ngăn cần thiết: m= Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC ω gt 0,2082 = = 6,55 (ngăn) ωt 0,0318 Quy chuẩn m = (ngăn) PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ Chọn vật liệu Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 23 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Do NaCl có tính ăn mòn nên ta chọn vật liệu thép không gỉ X18H10T → Ứng suất cho phép tiêu chuẩn 153oC [σ ] *BD = 115 (N/mm2) (hình 1.2 trang 22 Tài liệu [7]) Ứng suất cho phép: [σ ] BD = [σ ] *BD η = 115 0,95 = 109,25 (N/mm2) Với η = 0,95 hệ số hiệu chỉnh Hệ số bền mối hàn ϕ h = 0,95 (bảng 1-7 trang 24 Tài liệu [7]) 3.1 Tính tốn buồng gia nhiệt Đường kính trong: Dt = 500 (mm) Chiều cao : Hđ = 2300 (mm) 3.1.1Các thông số tra chọn 3.1.1.1 Áp suất tính tốn Buồng đốt chịu áp suất PBĐ = Phơi đốt –Pa = – = at = 0,3 (N/mm2) 3.1.1.2 Chọn vật liệu Vật liệu chọn thép khơng gỉ X18H10T NaCl có tính ăn mòn → Ứng suất cho phép tiêu chuẩn 163oC [σ ] *BD = 115 (N/mm2) (hình 1.2 trang 22 Tài liệu [7]) Ứng suất cho phép: [σ ] BD = [σ ] *BD η = 115 * 0,95 = 109,25 (N/mm2) Với η = 0,95 hệ số hiệu chỉnh Hệ số bền mối hàn ϕ h = 0,95 (bảng 1-7 trang 24 Tài liệu [7]) 3.1.2 Tính chọn bề dày – tính bền cho buồng gia nhiệt ϕ h 109,25.0,95 = = 519 > 25 Ta có: [σ ] BD PBD 0,2 ⇒ Bề dày tối thiểu thân buồng đốt tính theo cơng thức: ' S BD = Dtr ( BD ) PBD 2.[σ ] BD ϕ h = 500.0,3 = 0,723 (mm) 2.109,25.0,95 Bề dày nhỏ Tra bảng 5-1 trang 128 Tài liệu [7] Smin = 3-4 mm Dung dịch ăn mòn (NaCl) nên Ca = Vậy chọn bề dày buồng SBĐ = mm Kiểm tra áp suất tính tốn S BD − Ca − = = 0,006 < 0.1 Dtr ( BD ) 500 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 24 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Cho nên áp suất tính tốn cho phép xác định theo cơng thức: 2.[σ ] BD ϕ h ( S BD − Ca ) 2.109,25.0,95.(4 − 1) [ P] BD = Dtr ( BD ) + S BD − Ca = 500 + − = 1,22 (N/mm2) → PBĐ = 0,3 N/mm2 < [P]BĐ = 1,22 N/mm2 (thoả mãn) Vậy bề dày buồng đốt SBĐ = mm 3.2 Tính toán đáy – nắp thiết bị Chiều dày đáy nắp chịu áp suất tính theo cơng thức: S= Dt p Dt +C 3,8[σ k ]ϕ h − b 2hb (m) (XIII.47 –Tr385- QTTB 2) Trong : hb : chiều cao phần lồi đáy với h = 0,4 m ϕ h : hệ số bền mối hàn hướng tâm Với vật liệu X8H10T ta chọn 0,85 k : hệ số không thứ nguyên xác định sau : k = 1- d/Dt thường lấy k =1 p: 1at = 9.81.10 N/m Dt: 500 mm Để tính σ ta dựa vào công thức (XIII tr386 - QTTB 2) σ= [ Dt + 2hb ( s − c)] po 7,6.kϕ h hb ( s − c) Thay số: ⇒ σ = 150.10 N/m Trong đại lượng bổ xung C S-C = 8,2< 10 mm ta tăng thêm 2mm so với giá trị C C =(1,8+2).10 −3 =3,8.10 −3 m Do đó: S = (8,2+3,8.10-3) = 12.10 −3 m Theo bảng XIII.11 ta chọn chiều dày S =12 mm → Sn = 0,5.1.10 5.0,5 + C = 3,4.10 −3 + C m 3,8.150.10 5.2.0,40 Vậy ta chọn S n mm 3.3 Tính tốn vỉ ống Chọn vỉ tròn phẳng, vật liệu X18H10T Nhiệt độ tính tốn Ttt = 142,9(oC) Ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ σ ]* = 120 (N/mm2) Hệ số an toàn nB = 2,6 (bảng 1-6 trang 20 Tài liệu [7]) Giới hạn bền uốn [ σ ]u = 120*2.6 = 312 N/mm2 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 25 Trường Đại học công nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Áp suất làm việc Po : Po = PĐ + PCK = 4+(1-0.3) = 4,7 at = 0,47 (N/mm2) Chiều dày tính tốn tối thiểu vỉ ống : h’= KDt Po (công thức 8.19 trang 212 Tài liệu [7]) [σ ]u K : hệ số, K = 0,28 ÷ 0,36 Chọn K= 0,3 Dt : đường kính thân buồng đốt, mm ⇒ h ' = 0,3.1200 0,47 = 12,4 mm 312 Chọn h’ = 13 (mm) Tính sơ chiều dày vỉ: h' = dn 38 +5= + = 9,75 (mm) (dn đường kính ngồi ống truyền nhiệt) 8 PHẦN 4: LỰA CHON THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 4.1 Tai treo Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 26 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Ta sử dụng tai đỡ cho thiết bị chính, số lượng tai đỡ Để phản lực phân bố lên diện tích lớn thân để tăng cứng cho thân chỗ hàn tai đỡ người ta lót đệm thép thân tai Dạng tai đỡ sử dụng cách gắn tai đỡ vào thiết bị: h s d s a 4.2 Chọn bích Trong thiết bị có hai bích để gắn đáy nắp thiết bị Ta chọn bích dựa theo đường kính thiết bị Ở ta sử dụng bích liền thép 4.3 Chọn bơm Chọn bơm theo bảng 1.7 trang 35 Tài liệu [4] Hiệu bơm : X20/18 Lưu lượng Q = 5,5.10-3 m3/s Cột áp H = 10,5 m Số vòng n = 48,3 v/ph Động điện : Loại A02-31-2 Cơng suất N = kW Hiệu suất η đ = 0,83 PHẦN V: Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi KẾT LUẬN Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 27 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC Sau thời gian học tập trường Đại học công nghiệp Việt Trì giao đề tài: “Tính tốn, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch NaCl trình điều chế xút NaOH” Em cố gắng tìm đọc, tra cứu thêm tài liệu, với giúp đỡ tận tình thầy giáo mơn, em hồn thành nhiệm vụ thiết kế giao Qua trình làm em rút số nhận xét sau Việc thiết kế tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho dung dịch NaCl trình điều chế xút NaOH việc làm phức tạp, tỉ mỉ lâu dài Nó khơng u cầu người thiết kế phải có kiến thức thực sâu chuyên chuyên ngành Máy thiết bị hoá chất mà phải biết thêm lĩnh vực khác như: cấu tạo thiết bị máy móc, quy định vẽ kỹ thuật Em xin chân thành cảm ơn giảng viên ThS Nguyễn Tiến Hưng thầy cô giáo bạn đồng môn hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! Phú Thọ ngày 28 tháng 09 năm 2013 Sinh viên Trần Bá Lợi Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 28 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - PHẦN 6: Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Các tác giả, Sổ tay Q trình thiết bị Cơng nghệ hóa chất, Tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1992 [2] Các tác giả, Sổ tay Quá trình thiết bị Cơng nghệ hóa chất, Tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1992 [3] Phạm Văn Bôn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, Giáo trình QT & TB CNHH tập : Quá trình thiết bị truyền nhiệt, NXB ĐH Quốc gia TP HCM, 2002 [4] Giáo sư Nguyễn Bin Tính tốn q trình ,thiết bị cơng nghệ hố chất thực phẩm, tập Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [5] Các tài liệu thư viện C.Ty CP hố chất Việt Trì [6] Hồ Lệ Viên – Cơ sở tính tốn thiết bị hoá chất & thực phẩm – Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1997 [7] Hồ Lê Viên, Thiết kế tính tốn chi tiết thiết bị hóa chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1978 Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 29 Trường Đại học cơng nghiệp Việt Trì *** Khoa CN Hóa Học*** - @&? - Đồ án chuyên ngành Máy & TBHC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Trần Bá Lợi Lớp CHLT1-2Đ12 Trang 30 ... cô môn bạn đồng mơn giúp đỡ em q trình thực đồ án 1.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt 1.2.1 Định nghĩa phân loại thiết bị trao đổi nhiệt a) Định nghĩa: Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị thực trình... truyền nhiệt 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 sản xuất đời sống thiết bị trao đổi nhiệt gián... đổi nhiệt (TĐN) gián tiếp hay trực tiếp mà ta sử dụng thiết bị đun nóng: - Thiết bị TĐN loại xoắn ốc - Thiết bị TĐN loại - Thiết bị TĐN loại ống chùm - Thiết bị TĐN loại ống lồng ống - Thiết bị