Chọn thiết bị đun sôi dòng nhập liệu là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, làm bằng thép X18H10T. Kích thước mỗi ống là 25× 2. Số lượng ống là 30. 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
Hơi nước đưa vào là hơi nước bão hoà ở áp suất P = 2 at, tại điều kiện này ta có các thông số của hơi vào:
- Ẩn nhiệt hoá hơi: rh= 2203290 J/kg - Nhiệt độ ngưng tụ: Tngưng= 119,620C - Nhiệt độ ngưng tụ: Cngưng= 4245,42 J/kg.K
- Lượng hơi nước cần cấp cho quá trình đun sôi: D1 = 162,17 kg/h Nhiệt độ dòng nhập liệu:
- Trước khi vào thiết bị đun sôi (lỏng): Tf= 250C
- Sau khi ra khỏi thiết bị đun sôi (lỏng sôi): TF= 102,20C Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều:
∆Tlog= 119,62−25 −(119,62−102,2)
Hệ số truyền nhiệt (CT V.5/3 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2): K = 1 1
αF+ ��+�N1
, W/m2. độ Trong đó:
αF:Hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu, W/m2. độ
��:Tổng nhiệt trở của thành ống và lớp cáu, m2. độ/W
�N:Hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ, 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=0,00216,3 +50001 +58001 = 4,95. 10-4(m2. độ/W) Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu: TF(TB)=25+102,22 = 63,60C
Tại nhiệt độ 63,60C, tra bảng I.2/9 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 1 và nội suy, ta có khối lượng riêng của Benzene làρB = 832,22 kg/m3và khối luợng riêng của Toluene làρT = 824,40 kg/m3
ρF= (��
ρB +1−��
ρT )-1= ( 0,175
832,22+1−0,175824,40 )-1= 825,76 (kg/m3)
Tại nhiệt độ 63,60C, tra bảng I.153/171 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 1 và nội suy, ta có nhiệt dung riêng của Benzene là CB = 1948,9 J/kg0C và nhiệt dung riêng của Toluene CT= 1914,4 J/kg0C
Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu tại 63,60C:
CF=xF . CB+ (1-xF). CT= 0,175. 1948,9 + (1-0,175). 1914,4 = 1920,4 (J/kg0C)
Tại nhiệt độ 63,60C, tra bảng I.101/91 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 1 và nội suy, ta có độ nhớt của Benzene làμB = 0,389 cP và độ nhớt của Toluene làμT= 0,370 cP
Độ nhớt dòng nhập liệu tại nhiệt độ 63,60C là:μF = 0,374 cP Hệ số dẫn nhiệt của Benzene:λB= 0,134 W/m. độ
Hệ số dẫn nhiệt của Toluene:λT = 0,126 W/m. độ
Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp nhập liệu:λF = 0,125 W/m. độ Chuẩn số Pranld:
PrF=CF. μF
λF = 1920,4.0,3740,125.1000 = 5,74
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống: vF=3600π.ρ.d4.GF
t 2 = 3600.π.825,76.0,0214.2000 2 = 1,94 (m/s) Chuẩn số Reynolds: ReF=vF. ρF.�� μF =1,94.825,76.0,0210,374.10−3 = 89950,43 > 104=> Chảy rối Chuẩn số Nusselt: NuF= 0,021.�.ReF0,8. PrF0,43.( ��� ���' )0,25 (CT V.40/14 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 2)
Chọn loại thiết bị ống chùm có tỉ số L/d > 50 =>�= 1 => NuF=633,11
Hệ số cấp nhiệt phía vỏ ống:
αN = 0,725. 4 ��.��3⋅��2. � ��⋅ ���ư��−��1 ⋅���
Ta dùng phép tính lặp để tính Tw1 và Tw2. Ban đầu chọn Tw1= 1160C Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: Tm=Tw1+Tngưng
2 =116+119,62
2 = 117,810C Tại nhiệt độ 117,810C, tra bảng nước và hơi nước bão hoà theo nhiệt độ, ta có các thông số sau:
��= 0,6858 W/m. độ ;��= 2208757 J/kg ;�� =944,83 kg/m3;�� =0,24 cP Suy ra:αN = 0,725. 4 2208757.0,68580,24.10−3. 119,62−116 .0,0253.944,832.9,81 = 16784,26 (W/m2. độ)
⇒qn=αN.(Tngưng– Tw1) = 16784,26. (119,62 – 116) = 60759,02 (W/m2) Giả sử lượng nhiệt mất mát là không đáng kể⇒qt= qn= 60759,62 W/m2
⇒Tw2= Tw1– qt . �� = 116 – 60759,62. 4,95. 10-4= 85,920C Tại nhiệt độ 85,920C, tra và tính các thông số ta được:
Độ nhớt dòng nhập liệu:��= 0,304 cP
Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu: CF= 2016,01 J/kg0C Hệ số dẫn nhiệt dòng nhập liệu:�� = 0,135 W/m. độ Chuẩn số Prandt: PrF’=CF. μF λF =2016,01.0,3040,135.1000 = 4,54 ⇒Chuẩn số Nusselt: NuF=4,54633,110,25 = 433,73 Hệ số cấp nhiệt dòng trong ống:αF =NuF. λF dt =433,73.0,1350,021 = 2788,26 (W/m2. độ)
⇒qF=αF. (Tw2– TF(TB)) = 2788,26. (85,92 – 63,6) = 62233,96 (W/m2) Kiểm tra sai số:
�= qn−qF
qF . 100%= 60759,62−62233,9662233,96 . 100% = 2,37% < 5% => Thoả Vậy Tw1= 1160C và Tw2= 85,920C
Suy ra hệ số turyền nhiệt: K = 1 1
2788,26+4,95.10−4+16784,261 = 1095,01 (W/m2. độ) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: A =K⋅∆TQ
log =1095,01.45,62122130 = 2,44 (m2)