V. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Thiết bị gia nhiệt dùng hơi nước bão hòa ở áp suất 5 at để đun nóng hỗn hợp đầu từ nhiệt độ t = 25oC đến nhiệt độ sôi là tF = 80,52oC. Hai lưu thể đi ngược chiều nhau, hơi đốt đi từ trên xuống, truyền ẩn nhiệt hóa hơi cho hỗn hợp lỏng đi từ dưới lên và ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm cụ của ta là phải tính được đủ các thông số kỹ thuật cần thiết của thiết bị đó như đường kính, chiều cao, bề mặt truyền nhiệt, số ống, …
Chọn thiết bị truyền nhiệt ống chùm kiểu đứng có các thông số: - Đường kính ống d = 38x2,5mm
- Chiều cao ống H = 3 m
- Ống làm bằng thép X18H10T có α = 16,3 W/m.độ
* Lượng nhiệt cần thiết:
Hơi nước bão hòa ở 5 at có: • thđ = 151,1oC [1 – 314] • ttb = thd – Δttb
Trong đó:
• Δttb: hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể • thđ; nhiệt độ hơi đốt Ta có Δttb = ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 𝑙𝑛∆𝑡đ ∆𝑡𝑐 = (151,1 −20) −(151,1 − 80,52) 𝑙𝑛151,1 − 84,06151,1 −20 = 93,48oC ttb = thđ - Δttb = 151,1 – 93,48= 57,62oC
- Nhiệt lượng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi là: Q = GF.CP.(tc – tđ) [2 – 46]
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 61
• GF: lượng hỗn hợp đầu cần đun nóng hoặc làm nguội, kg/s • tc, tđ: nhiệt độ đầu và cuối của hỗn hợp, oC
• Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở ttb, J/kg.độ • Cp = aF.CE + (1 – aF).CN
Tại ttb = 57,62oC nội suy trong bảng I.153 [1 – 171] ta có: CN = 4188,215 J/kg Tại ttb = 57,62oC nội suy trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: CM = 2939,06 J/kg => Cp = 0,35. 2939,06 + (1 – 0,35). 4188,215 = 3751,01 J/kg.độ
=> Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi: Q = 3.3751,01. (80,52 – 25) = 664603,952 W
* Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt:
- Các chuẩn số cần thiết:
+ Khối lượng riêng của hỗn hợp tại nhiệt độ trung bình:1 𝜌 = 𝑎𝐹
𝜌𝑚 + 1 − 𝑎𝐹 𝜌𝑛
Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy tại nhiệt độ 57,62oC ta có 𝜌𝑚= 756,142 kg/m3 Từ bảng I.5 [1 – 11,12] nội suy tại nhiệt độ 57,62oC ta có 𝜌𝑛= 984,425 kg/m3 => 1
𝜌 = 0,35
756,142 + 1−0,35
984,425 => ρ = 890,345 (kg/m3) + Tính độ nhớt của dung dịch:
Nội suy từ bảng I.101 [1 – 91] tại nhiệt độ ttb = 57,62oC ta có μrượu = 0.617.10-3 N.s/m2 Nội suy từ bảng I.102 [1 – 94,95] tại nhiệt độ ttb = 57,62oC ta có μnước = 0,486.10-3 N.s/m2 => Độ nhớt của lỏng: 1 μ𝑑𝑑 = 𝑎𝐹 μ𝑟ươ𝑢 + 1 − 𝑎𝐹 μ𝑛ướ𝑐 => 1 μ𝑑𝑑 = 0,35 0.617.10−3 + 1−0,35 0,486.10−3 => μ𝑑𝑑 = 0,525.10-3 N.s/m2 + Chuẩn số Reynon: Re = 𝜔.𝑑.𝜌 𝜇
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 62
=> Re = 0,7.0,033.890,345
0,525.10−3 = 39175,18 > 104 => chế độ chảy xoáy + Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λ: λ = A.CP.ρ.√𝜌
𝑀 3
, W/m.độ [1 – 123] Trong đó:
• A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Vì rượu metylic và nước là 2 chất lỏng liên kết nên A = 3,58.10-8 [1 – 123]
• CP: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ • ρ: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
• M: khối lượng mol tỷ lệ giữa chất lỏng 1 phân tử chất đã cho và 1/16 khối lượng nguyên tử oxi, M = 22,895 g/mol
=> λ = 3,58.10-8. 3751,01. 890,345 .√890,345 22,895 3
= 0,405 W/m.độ + Chuẩn số Pran của hỗn hợp: Pr = 𝐶𝑝.𝜇
𝜆 [2 – 14] Trong đó:
• CP: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ • μ: độ nhớt của chất lỏng
• λ: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch => Pr = 3751,01 .0,525.10
−3
0,405 = 4,8616
+ Chuẩn số Nuyxen: Nu = 0,021.Re0,8.εl.Pr0,43.(𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡)0,25 [2 – 12] Trong đó:
• Prt: chuẩn số Pran tính theo ttb của tường
• εl: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính Ta có: Đường kính ống dn = 38 mm Chiều dài H = l = 3m => 𝑙 𝑑 = 3000 38 = 105,26 > 50 và Re > 104. Tra bảng V.2 [2 – 15] ta có εl = 1
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 63
Do chênh lệch giữa vỏ và dòng lưu thể là khá nhỏ nên ta có thể coi (𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡)0,25= 1 => Nu = 0,021. 39175,180,8.1. 4,86160,43.1 = 195,8587
* Tính hệ số cấp nhiệt
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt α1: α1 = 2,04.A.√ 𝑟 ∆𝑡.ℎ 4
, w/m2.độ [2 – 28] Trong đó:
• r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, J/kg • h = 3 m
• A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm - Với tm = 0,5.(tT1 + tbh) [2 – 29]
• tT1: nhiệt độ của bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, OC • tbh: nhiệt độ của hơi nước bão hòa, oC
Với Δtl = tbh – tT1 là hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng
Chọn Δtl = 10,3oC => nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là: tT1= tbh - Δtl = 151,1 - 10,3 = 140,8 oC
Nhiệt độ của màng nước ngưng tụ là:
tm = 0,5.(140,8 + 151,1) = 145,95oC - Với tm = 145,95oC:
• Nội suy trong [2 – 29] ta được A = 194,8925
• Nội suy bảng I.251 [1 – 314] ta có r = 2132073,17 J/kg Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là:
α1 = 2,04. 194,8925.√2132073,17 10,3.3 4
= 5996,551 W/m2.độ * Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 64
* Hiệu số nhiệt độ ở hai bên bề mặt thành ống:
ΔTt = tT1 – tT2 = q1.Σr Với Σr = r1 + 𝛿
𝜆 + r2 [2 – 3] Trong đó:
• r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, m2.độ/W
• 𝛿: chiều dày của thành ống, 𝛿 = 2,5.10-3 m
• r1, r2 tra bảng V.I [2 – 4] ta có r1 = r2 = 0,387.10-3 m2.độ/W => Σr = 0,387.10-3 + 2,5.10
−3
16,3 + 0,387.10-3 = 0,927.10-3 m2.độ/W => ΔTt = q1.Σr = 61764,473 .0,927.10-3 = 57,28oC
* Nhiệt độ thành ống phía dung dịch: tT2 = tT1 – ΔTt = 140,8 – 57,28 = 83,52 oC * Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch:
Δt2 = tT2 – ttb = 83,52 – 57,62 = 25,9oC * Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α2: α2 = 𝑁𝑢.𝜆
𝑑𝑡 = 195,8587.0,405
0,033 = 2404,129 W/m2.độ * Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch:
q2 = α2. Δt2 = 2404,129. 25,9 = 62272,407 W/m2 Ta có: |𝑞1− 𝑞2|
𝑞1 = |61764,473− 62272,407|
61764,473 = 0,0082 < 5% => chọn Δtl = 10,3oC là hợp lý * Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = 𝑞1 + 𝑞2
2 = 61764,473 + 62272,407 2 = 62018,44 W/m2 * Bề mặt truyền nhiệt: F = 𝑄 𝑞𝑡𝑏 = 664603,952 62018,44 = 10,716 m2 * Tổng số ống n: n = 𝐹 𝑓 Trong đó:
• f - diện tích xung quanh của một ống, m2 • f = π.dn.h = 3,14.0,038.2 = 0,47728 m2
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 65
=> n = 10,716
0,47728 = 22,453 (ống)
Quy chuẩn n = 37 ống theo bảng V.11 [2 – 48]
Bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 3 hình. Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 7 ống theo bảng V.11 [2 – 48]
* Vận tốc thực chảy trong ống: ωt = 𝐺𝐹
𝑛𝑡.3600.𝜌.𝜋4.𝑑2 = 3.3600
37.3600.𝜌.𝜋4.𝑑2 = 0,0897m/s Theo lý thuyết ta chọn ωlt = 0,5 m/s
Do lý thuyết lớn hơn thực tế nên ta phải chia ngăn * Số ngăn: m = 𝜔𝑙𝑡 𝜔𝑡 = 0,5 0,0897 = 5,57 Ta chọn m = 6 ngăn * Tính đường kính thiết bị: D = t(b – 1) + 4.dn [2 – 49] Trong đó: t là bước ống, t = (1,2 – 2,5)dn Chọn t = 1,5dn = 1,5.0,038 = 0,057 m => D = 0,057(7 – 1) + 4.0,038 = 0,494 m Quy chuẩn D = 0,6 m
Vậy thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có các thông số sau:
F = 10,716 m2 H = 4 m dn = 38 mm
D = 0,6 m n = 37 ống m = 6 ngăn