2. GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP ĐƯỢC CHƯNG LUYỆN:
4.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU
Đối với quá trình chưng luyện, để nâng cao hiệu quả làm việc thì hỗn hợp đầu đưa vào ở trạng thái lỏng sôi nhằm tạo sự tiếp xúc tốt giữa 2 pha
lỏng – hơi. Điều này được thực hiện nhờ thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu.
Ta giả thiết dung dịch đầu có nhiệt độ ban đầu là 25C, cần đun nóng tới nhiệt độ sôi của hỗn hợp là t = 72,63C. Để đun nóng hỗn hợp đầu ta dùng thiết bị gia nhiệt loại ống chùm kiểu đứng, dùng hơi nước bão hòa ở 2 at để đun sôi hỗn hợp.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm thẳng đứng với các thông số:
Chiều cao ống: h = 2 (m)
Đường kính ống: d = 25 (mm)
Chiều dày thành ống: δ = 2,5 (mm)
Đường kính trong của ống là: d = 20 (mm)
Dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngoài ống. Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ X18H10T
Theo XII.7 (Sổ tay II – 313), hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là: λ = 16,3 (W/m.độ)
Nhiệt độ vào của dung dịch là t = 25C
Nhiệt độ ra của dung dịch là t = t = t = 72,63C
Hơi đốt là hơi nước bão hòa nên nhiệt độ không thay đổi và là nhiệt độ sôi ở áp suất đã chọn (2 at) : 119,6C
=>
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể tích theo công thức:
Δ\a\ac\vs0( = \f(Δt,Δt\f(Δt-Δt,ln = =68,02C
Vậy nhiệt độ trung bình của dung dịch là: t = 119,6 – 68,02= 51,58C
4.1.2. Tính lượng nhiệt trao đổi
Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ 25C đến nhiệt sôi của hỗn hợp đầu 72,63C, tính theo công thức:
Q = m.C.(t - t) (J/s) Trong đó:
m: Lượng dung dịch đưa vào (kg/s) m = F = 5870kg/h=1,6305 (kg/s)
t1: nhiệt độ đầu của dung dịch, oC; t1= 25oC
t2 : nhiệt độ cuối của dung dịch, oC; t2= 72,63oC
C: Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.độ) ở t = 48,81 Nội suy theo bảng I.153 và I.154 (Sổ tay I - 171) ta có:
CCH3OH = 2709,78(J/kg.độ); CC2H5OH = 2824,53 (J/kg.độ) Nồng độ đầu hỗn hợp là: a = 32,8% C = C.a+C.(1 - a) = 2709,78.0,328+ 2824,53.(1 - 0,328) = 2223,26 (J/kg.độ)
t, t : Nhiệt độ vào và ra của dung dịch (C) Vậy :
Q = 1,6305.2223,26.( 72,63- 25) = 172607,014 W
4.1.3. Tính hệ số cấp nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt gồm 3 phần:
Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa cho thành ống truyền nhiệt:
q = α.Δ\a\ac\vs0( (W/m)
α : Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (Wm.độ)
Δ\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và thành ống tiếp xúc với với hơi đốt
Δ\a\ac\vs0( = t - t\a\ac\vs0(
Dẫn nhiệt từ thành ống phía tiếp xúc với hơi sang thành ống tiếp
xúc với lỏng (dẫn nhiệt qua 1m thành ống)
Lượng nhiệt của quá trình này:
q = \f(1,Σr .Δt (W/m)
Σ r : Tổng nhiệt trở của thành ống (m.độ/W)
Δt = t\a\ac\vs0( - t\a\ac\vs0( : Hiệu số nhiệt độ giữa hai phía thành ống (C)
t\a\ac\vs0( , t\a\ac\vs0( : Nhiệt độ hai phía thành ống
Cấp nhiệt từ thành ống phía tiếp với pha lỏng cho hỗn hơi lỏng
q = α.Δt
α : Hệ số cấp nhiệt từ thành ống (W/m.độ) Δt = t\a\ac\vs0( - t
a. Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy
Chuẩn số Re của dung dịch
- ω: vận tốc dòng chảy trong ống, m/s - d: đường kính trong của ống, m
- ρ: khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ trung bình, kg/m3
để quá trình truyền nhiệt đạt hiệu quả, dung dịch phải ở chế độ chảy xoáy Re>10000, ω>0,5 m/s. Chọn Re = 10500.
Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức: Ta lại có:
Pr : chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình dòng.
εk:: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính
ống.
dựa vào bảng (1.3 – tr 25- qttb tập 3) ta có:
tính chuẩn số Pr theo công thức:
Trong đó: Cp- nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở ttb; μ – độ nhớt của hỗn hợp ở ttb;
λ- hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở ttb;
- ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3;
- M: khối lượng mol của chất lỏng, kg/kmol;
- ε: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, đối với nước và etylic
là chất lỏng kết hợp với nhau thì ε= 3,58.10-8.
Tại nhiệt độ ttb= 51,58 oC nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt
dung riêng của hỗn hợp là:
CCH3OH= 2722,11J/kg.độ
CC2H5OH= 2860,51J/kg.độ
Tại nhiệt độ ttb= 51,58oC nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là:
ρCH3OH= 763,578 kg/m3, ρC2H5OH761,578 kg/m3
Vậy hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng là:
Tại nhiệt độ ttb= 51,58oC nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác định
độ nhớt của chất lỏng là:
μC2H5OH= 0,559.10-3 N/s.m2, μCH3OH=0,382.10-3 N/s.m2
Vậy :
Tính chuẩn số Prt:
b. Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ đối với ống chùm:
(W/m2.độ) [V.101-tr28-II]
A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng.
r: ẩn nhiệt nước ngưng, J/kg.độ
r= 2208. 103 J/kg
H: chiều cao ống chùm: H=ho= 2 m
∆t1: hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và hơi ngưng tụ mặt ngoài ống,
+ th: nhiệt độ hơi bão hòa
+ tT1: nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ
Giả sử độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi bão hòa và hơi ngưng tụ là: ∆t1= 4,7oC
Theo bảng số liệu A-tm (II-tr29) nội suy ta có: A= 186,7625 Vậy hệ số cấp nhiệt ngưng tụ là:
Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Hiệu số nhiệt độ giữa hai bề mặt thành ống là:
tT2: nhiệt độ thành ống phía dung dịch lỏng, oC
∑rt: nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC/W Tổng nhiệt trở thành ống:
rt1, rt2: nhiệt trở do lớp cặn bám bên ngoài thành ống, m2.oC/W
δ: bề dày của ống truyền nhiệt, chọn δ = 2mm=0,002m
λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ. với thép X18H10T có hệ số
dẫn nhiệt: λ=16,3 W/m.độ
dựa vào bảng PL.12-tr 346- TTQTTB tập 1 ta chọn : + rt1=0,464.10-3 m2.độ/W .
+ rt2= 0,116.10-3 m2.độ/W.
Vậy
tại tT2=87,19836oC nội suy theo bảng (I.153- tr 171 st I) Ta có nhiệt dung
riêng của hỗn hợp là:
CCH3OH= 2897,791 J/kg.độCC2H5OH= 3527,9754 J/kg.độ
Tại nhiệt độ ttb= 87,19836oC nội suy theo bảng (I.2-tr9- ST I), thì khối lượng riêng của chất lỏng là:
ρCH3OH= 728,081 kg/m3, ρC2H5OH= 728,16156 kg/m3
Tại nhiệt độ ttb= 87,19836oC nội suy theo bảng (I.101-tr91,92 –ST I) ta xác
định độ nhớt của chất lỏng là: μCH3OH=0,42385.10-3 N/s.m2, μC2H5OH=0,39577.10-3 N/s.m2 Vậy : Xét: Vậy giả sử ∆t=4,7oC là đúng. Do đó qtb được xác định: [V.2.tr3-ST II] K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.độ c. xác định bề mặt truyền nhiệt 1. Số ống truyền nhiệt
Dựa vào bảng ( V.11-tr48- ST II), ta quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n= 37 ống.
Số ống trên mỗi cạnh của hình 6 cạnh là: 3 ống
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 7 ống
Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phấn : 37
ống
2. Đường kính trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
t: bước ống, thường lấy t= (1,2÷1,5).dn ;
dn : đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m ;
b : số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh ;
vậy :
D= 1,2.0,025.(7- 1)+ 4. 0,025 = 0,28 m.
Quy chuẩn đường kính D= 0,3m = 300mm.
3. Tính lại vận tốc và chia ngăn
Xác định vận tốc thực :
- F= 5,78.103 kg/h=1,6055 kg/s
- n = 37 ống - d = 0,02 m
ρ : khối lượng riêng dung dịch ở t = ttb= 51,58oC
Xác định vận tốc giả thiết :
Nên ta cần phải chia số ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy :
Số ngăn :
Quy chuẩn m= 2 ngăn
Tính lại chuẩn số Reynolds :
Vậy kích thước của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là : F = 30 m2 – bề mặt truyền nhiệt ;
N= 37 ống – số ống truyền nhiệt ;
D= 300 mm – đường kính trong của thiết bị ; H= 2m – chiều cao giữa hai mặt bích;