I. THIẾT BỊ KẾT TINH
3. Kiểm tra bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt là phần bề mặt của thành thiết bị mà các tác nhân lạnh và đung dịch tiếp xúc.
Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị kết tinh là: F = 7,737 m2
Hệ số truyền nhệt tổng quát: K =
Với : hệ số tỏa nhiệt phía thân, W/m2.0C : hệ số tỏa nhiệt phía vỏ, W/m2.0C
: hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị làm bằng thép không gỉ, W/m2.K : Hệ số dẫn nhiệt của lớp đã bám, W/m2.K
, : Bề dày của thành thiết bị, = 10 mm, = 0,5 mm.
3.1. Sơ đồ tính toán Bắt đầu Chọn NO YES 10% Kết thúc N, dk Fthực (Fth) Re Ftính (Ft) Pr Nu Q K k1 q t
3.2. Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 1 3.2.1. Tính hệ số tỏa nhiệt phía dung dịch
Đây là trường hợp cấp nhiệt khi khuấy chất lỏng bằng cánh khuấy, nên chuẩn số Nu có thể xác định theo công thức:
Nu = ([6],1.99, 35) Ở đây: Nu = ; Re = ; ; .
Với: : hệ số tỏa nhiệt của dung dịch. W/m2.0C : đường kính trong của thiế bị, m; = 1.2 m : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch, = 0,2579 Ns/m2
: đường kính cánh khuấy kết hợp dao cạo đá, m, chọn = 1,198 m N: số vòng quay của cánh khuấy, vg/s; chọn N = 0,8 vg/s
, : độ nhớt của dung dịch nhiệt độ trung bình và ở nhiệt độ thành. Khi đó: + Re = 515000,4 + = = = 32,13 + Nu = 0,36.(515000,4)0,67.(32,13)0,33 = 7594,41 Hệ số tỏa nhiệt : = = = 1632,17 ()
3.2.2. Hệ số tỏa nhiệt phía tác nhân lạnh NH3
Nhiệt của dung dịch sẽ được tải thông qua tác nhân lạnh NH3, hệ số tỏa nhiệt của NH3
được xác định như sau: ([15], 7.16, 302)
= (17,3 + 0,04t0)
Trong đó: t0: nhiệt độ sôi của tác nhân NH3, 0C, chọn t0 = -100C : mật độ dòng nhiệt phía trong, W/m2
: đường kính tương đương ứng với bề mặt truyền nhiệt phía tác nhân. Chọn = Dng – Dtr = 1,3 - 1,2 = 0,1 m
Xác định mật độ dòng nhiệt: qtr = kt
- Mật độ dòng nhiệt từ dung dịch đến thành qdd =
Với : : nhiệt độ trung bình của dung dịch; = (3 + (-2))/2 = 0,50C : nhiệt độ thành thiết bị phía dung dịch; 0C
: hệ số tỏa nhiệt của dung dịch, W/m2. 0C; = 1632,17 W/m2. 0C = 2,524 W/m2.K; = 0.5 mm
= 17,4 W/m2.K; = 10 mm Khi đó: = .(0,5 - ) = 721,77(0,5 - ) W/m2
- Mật độ dòng điện từ tác nhân NH3 tới thành = 580.( - )5/3. Trong đó = -100C – nhiệt độ tác nhân lạnh
: nhiệt độ thành tiếp xúc với tác nhân lạnh, 0C
Chọn chênh lệch nhiệt độ thành trong và ngoài là 20C = – 2
da = 1,3m đường kính phía vỏ; di = 1,2m – đường kính phía thân dung dịch = 580.( – (-10))5/3. = 628,33.( – 2 – (-10))5/3 W/m2
Ta có: =
721,77(0,5 - ) = 628,33.( – 2 – (-10))5/3
= - 50C
= 721,77(0,5 – (-5)) = 3969,74 W/m2
Hệ số tỏa nhiệt phía tác nhân NH3 là = (17,3 + 0,04t0) = (17,3 + 0,04(-10)).
= 1222,73 W/m2.độ
3.2.3. Hệ số truyền nhiệt tính
K = = = 453,86 W/m2.0C
3.2.4. Bề mặt truyền nhiệt tính
- Nhiệt lượng tỏa ra của một thùng là: Q = = 29,8 kW - Chênh lệch nhiệt độ trung bình Tdd: 30C -20C
= = 10,298
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán: Ftính = = = 6,38 m2 - Tính sai số
Sai số = . 100% = ..100% = 2,82%
3.3. Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị kết tinh 2 3.3.1. Tính hệ số tỏa nhiệt phía dung dịch
Tương tự như ở thiết bị kết tinh 1, chuẩn số Nu cũng được xác định theo công thức: Nu = ([6],1.99, 35) Với = 0,2404 Ns/m2; = = 5,823.10-3 Ns/m2; = 1259,76 kg/m3; dk = 1,198m; N = 0,3 vg/s. Khi đó: Re = = 93148,51 Pr = = = 67,50 Nu = 0,36.(93148,51)0,67.(67,50)0,33 = 3085,46 Hệ số tỏa nhiệt : = = = 618,12 ()
3.3.2. Hệ số toả nhiệt phía tác nhân lạnh NH3 Hệ số tỏa nhiệt của NH3: = (17,3 + 0,04.)..
Trong đó : nhiệt độ sôi của tác nhân NH3, 0C; chọn = -150C
Xác định mật độ dòng nhiệt: qtr = kt
- Mật độ dòng nhiệt từ dung dịch đến thành qdd =
Với : : nhiệt độ trung bình của dung dịch; = (-5 + (-2))/2 = -3,50C : nhiệt độ thành thiết bị phía dung dịch; 0C
: hệ số tỏa nhiệt của dung dịch, W/m2. 0C; = 618,12 W/m2. 0C = 2,563 W/m.độ; = 0,5 mm; = 17,4 W/m.độ; = 10 mm Khi đó: = .(-3,5 - ) = 418,83(-3,5 - ) W/m2
- Mật độ dòng điện từ tác nhân NH3 tới thành = 580.( - )5/3. Trong đó = -150C – nhiệt độ tác nhân lạnh
: nhiệt độ thành tiếp xúc với tác nhân lạnh, 0C
Chọn chênh lệch nhiệt độ thành trong và ngoài là 20C = – 2
da = 1,3m đường kính phía vỏ; di = 1,2m – đường kính phía thân dung dịch = 580.( – (-15))5/3. = 628,33.( – 2 – (-15))5/3 W/m2
Ta có: =
418,83(-3,5 - ) = 628,33.( – 2 – (-15))5/3
= - 10,50C
= 418,83(-3,5 – (-10,5)) = 2931,81 W/m2
Hệ số tỏa nhiệt phía tác nhân NH3 là = (17,3 + 0,04t0) = (17,3 + 0,04(-15)).
= 1054,21 W/m2.độ
3.3.3. Hệ số truyền nhiệt tính
K = = = 299,74 W/m2.0C
3.3.4. Bề mặt truyền nhiệt tính toán
- Nhiệt lượng tỏa ra của thùng 2 là: Q = = 33,90 kW - Chênh lệch nhiệt độ trung bình Tdd: -20C -50C
Ttn: -150C -150C = = 11,43
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán: Ftính = = = 8,52 m2 - Tính sai số
Sai số: k = . 100% = ..100% = 8,89%
3.4. Tính toán bề đay lớp cách nhiệt và tổn thất nhiệt ra môi trường
Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K =
Trong đó: , : hệ số cấp nhiệt phía tác nhân và môi trường bên ngoài, W/m2.K , : hệ số dẫn nhiệt của vỏ thiết bị và lớp cách nhiệt, W/m.K
, : bề dày vỏ thiết bị và lớp cách nhiệt, m.
Chọn các thông số (các thông số là như nhau ở cả hai thùng kết kinh): - Lớp cách nhiệt làm bằng bông thủy tinh:
+ Bề dày: = 0,09 m
+ Hệ số dẫn nhiệt: = 0,35 W/m.K ([16], bảng 28, tr28) - Lớp vỏ làm bằng thép thường:
+ Bề dày: = S = 5 mm = 0,005 m.
+ Hệ số dẫn nhiệt: = 46,5 W/m.K. ([16], bảng 28, tr28) - Hệ số cấp nhiệt phía môi trường (không khí) vào bề mặt:
= 1,98 (W/m2.K) ([3], V.75, 24) Với : hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt thiết bị và không khí xung quanh Chọn = 100C
= 1,98 = 3,52 W/m2.K Khi đó: K = = 0,35
- Nhiệt độ môi trường trung bình: 27,90C ([15], 443)
- Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa không khí và môi trường chất lạnh là: + = 27,9 – (-10) = 37,90C (ở thùng kết tinh 1)
+ = 27,9 – (-15) = 42,90C (ở thùng kết tinh 2) - Bề mặt truyền nhiệt (diện tích vỏ):
= .Hdịch.Dngoài + Fđáy = .(1,939+0,05).1,3 + 2,04 = 10,16 mm2
- Nhiệt tổn thất do môi trường bên ngoài: + Qtt1 = KF = 0,35.10,16.37,9 = 134,77 W + Qtt2 = KF = 0,35.10,16.42,9 = 152,55 W
- Nhiệt cần thiết cho kết tinh 1: Q’1 = Qtt1 + Qkt1 = 134,77 + 29800 = 29934,77 W - Nhiệt cần thiết cho kết tinh 2: Q’2 = Qtt2 + Qkt2 = 152,55 + 33900
= 34052,55 W