Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, làm bằng thép X18H10T. Kích thước mỗi ống là 25× 2. Các thông số khác của ống được lựa chọn như sau:
- Đường kính trong của ống: dt= 0,021 m - Đường kính ngoài của ống: dng= 0,025 m
- Bề dày ống:�= 2 mm = 0,002 m
Lượng hơi nước cần cấp cho quá trình làm nguội: GN2= 217,8 kg/h
Dòng hơi đi ngoài ống có nhiệt độ bằng nhiệt độ tại đỉnh tháp: TD= 81,30C Nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh:
- Trước khi vào thiết bị làm nguội: T3= TD= 81,30C - Sau khi ra khỏi thiết bị làm nguội: T4= 400C
- Nhiệt độ trung bình dòng sản phẩm đỉnh: TD(TB)=81,3+402 = 60,650C Nhiệt độ dòng nước lạnh:
- Trước khi vào thiết bị làm nguội : T5= 250C - Sau khi ra khỏi thiết bị làm nguội : T6 = 550C
- Nhiệt độ trung bình của dòng nước lạnh: TN(TB)= 400C Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:
∆Tlog= 81,3−55 −(40−25)
ln (81,3−5540−25) = 20,120C
Hệ số truyền nhiệt (CT V.5/3 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2): K = 1 1
αN+ ��+�D1
, W/m2. độ Trong đó:
αN:Hệ số cấp nhiệt của dòng nước bên trong ống, W/m2. độ
��:Tổng nhiệt trở của thành ống và lớp cáu, m2. độ/W
�D:Hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đỉnh ngoài ống, W/m2. độ Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
qt =Tw1−Tw2
�� , W/m2 Trong đó:
Tw1, Tw2: Nhiệt độ bên ngoài và bên trong thành ống,0C Ta có:
�:Hệ số dẫn nhiệt của thép X18H10T,�= 16,3 W/m. độ r1: Nhiệt trở của lớp chất bẩn trong ống, r1=50001 m2. độ/W r2: Nhiệt trở của lớp cáu ngoài ống, r2=58001 m2. độ/W Suy ra: �� =�
�+ r1+ r2=0,002
16,3 + 1
5000+ 1
5800= 4,95. 10-4(m2. độ/W)
Tại nhiệt độ 400C, tra bảng hơi nước bảo hoà theo nhiệt độ, ta có các thông số sau:
�� = 0,6350 W/m. độ;�� = 992,2 kg/m3 ;�� = 0,65 cP ; CN = 4180,2 J/kg. độ Chuẩn số Pranld:
PrN=CN. μN
λN = 4180,2.0,650,635.1000 = 4,28
Vận tốc thực tế dòng nước đi trong ống: vN(tt)=3600π.ρ.d4.GN2
t 2 =3600.π.992,2.0,0214.217,8 2 = 0,176 (m/s) Chuẩn số Reynolds: ReN=vN. ρμN.�� N =0,176.992,2.0,0210,65.10−3 = 5641,8 < 104 => Chảy quá độ Chuẩn số Nusselt: NuN= k0.�. PrN0,43.( ���
���' )0,25 (CT V.44/16 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2)
⇒NuN= 55,27
PrN'0,25
Hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đỉnh phía ngoài ống:
αD = 0,725. 4 �ℎℎ.�ℎℎ3 ⋅�ℎℎ2 . � �ℎℎ⋅ ��(��)−��1 ⋅���
Ta dùng phép tính lặp để tính Tw1 và Tw2. Ban đầu chọn Tw1= 56.350C Nhiệt độ trung bình của hơi nước ngưng tụ: Tm=Tw1+TD
2 =56,35+60,652 = 58,50C
Tại nhiệt độ 58,50C, tra bảng và tính toán các thông số về Benzene và Toluene, ta được:
�ℎℎ= 0,133 W/m2. độ ;�ℎℎ= 835,53 kg/m3;�ℎℎ= 0,389 Cp ; rhh= 365149,12 J/kg Suy ra:αD= 0,725. 4 365149,12.0,1333.835,532.9,81
0,389.10−3. 60,65−57,35 .0,025 = 2667,73 (W/m2. độ)
⇒qD=αD.(TD(TB)– Tw1) = 2667,73. (60,65 – 56,35) = 11471,24 (W/m2) Giả sử lượng nhiệt mất mát là không đáng kể⇒qt= qD= 11471,24 W/m2
⇒Tw2= Tw1– qt . �� = 56,35 – 11471,24. 4,95. 10-4= 50,670C
Tại nhiệt độ 50,670C, tra bảng nước bão hoà và tính các thông số ta được: Độ nhớt dòng nước:��= 0,545 cP
Nhiệt dung riêng dòng nước: CN= 4174,74 J/kg0C Hệ số dẫn nhiệt dòng nước:�� = 0,544 W/m. độ Chuẩn số Prandt: PrN’=CN. μN
λN =4174,74.0,5450,544.1000 = 4,18
Hệ số cấp nhiệt dòng nước trong ống:αN =NuN. λN
dt =38,65.0,5440,021 = 1001,22 (W/m2. độ)
⇒qN=αN. (Tw2– TN(TB)) = 1001,22. (50,67 - 40) = 10983,02 (W/m2) Kiểm tra sai số:
�= qN−qhh
qhh . 100%= 10983,02−11471,2411471,24 . 100% = 4,26% < 5% => Thoả Vậy Tw1= 55,350C và Tw2= 49,160C
Suy ra hệ số truyền nhiệt: K = 1 1
1001,22+4,95.10−4+2667,731 = 535,15 (W/m2. độ) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: A = Q
K⋅∆Tlog =535,15.20,127577,63 = 0,704 (m2)