V. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
2. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp dùng nước có nhiệt độ ban đầu là 25oC để làm nguội hỗn hợp sản phẩm đỉnh từ nhiệt độ tP = 65,03oC đến nhiệt độ t = 25oC. Hai lưu thể đi ngược chiều nhau, nước làm nguội đi từ dưới lên, nhận ẩn nhiệt hóa hơi từ hỗn hợp hơi đi từ trên xuống và sản phẩm ngưng tụ thành lỏng đi ra khỏi thiết bị. Nhiệm vụ 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, …
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 66
- Đường kính ống d = 38x2,5mm - Chiều cao ống H = 2 m
- Ống làm bằng thép X18H10T có α = 16,3 W/m.độ * Lượng nhiệt cần thiết:
ttb = tđ – Δttb Với:
• Δttb: hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể • tđ; nhiệt độ sản phẩm đỉnh Ta có Δttb = ∆𝑡đ − ∆𝑡𝑐 𝑙𝑛∆𝑡đ ∆𝑡𝑐 = (65,03 −25) −(65,03 − 50) 𝑙𝑛65,03 − 5065,03 −25 = 26,23oC ttb = tđ - Δttb = 65,03 – 26,23= 38,8oC
- Nhiệt lượng dùng để làm ngưng tụ hỗn hợp sản phẩm đỉnh là: Q = GP.CP.(tc – tđ) [2 – 46] Trong đó:
• GP: lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh cần 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 = aP.CM + (1 – aP).CN
Tại ttb = 38,8oC nội suy trong bảng I.153 [1 – 171,172] ta có: CN = 4175,3 J/kg Tại ttb = 38,8oC nội suy trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: CM = 2696,2 J/kg => Cp = 0,98. 2696,2 + (1 – 0,98). 4175,3 = 2784,946 J/kg.độ
=> Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu tới nhiệt độ sôi: Q = 0.596.2784,946.(65,03 – 25) = 88767.59 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 = 𝑎𝑃
𝜌𝑚 + 1 − 𝑎𝑃 𝜌𝑛
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 67
Từ bảng I.2 [1 – 9], nội suy tại nhiệt độ 38,8oC ta có 𝜌𝑚= 773,02 kg/m3 Từ bảng I.5 [1 – 11,12] nội suy tại nhiệt độ 38,8oC ta có 𝜌𝑛= 992,63 kg/m3 => 1
𝜌 = 0,98
773,02 + 1−0,98
992,63 => ρ = 783,42 (kg/m3) + Tính độ nhớt của dung dịch:
Nội suy từ bảng I.101 [1 – 91] tại nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có μrượu = 0.846.10-3 N.s/m2 Nội suy từ bảng I.102 [1– 94,95] tại nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có μnước = 0.6712.10-3 N.s/m2 => Độ nhớt của dung dịch: 1 μ𝑑𝑑 = 𝑎𝑃 μ𝑟ươ𝑢 + 1 − 𝑎𝑃 μ𝑛ướ𝑐 => 1 μ𝑑𝑑 = 0,98 0,846.10−3 + 1−0,98 0,6712.10−3 => μ𝑑𝑑 = 0,833.10-3 N.s/m2 + Chuẩn số Reynon: Re = 𝜔.𝑑.𝜌 𝜇
Chọn vận tốc của dung dịch đi trong ống là ω = 0,5 m/s => Re = 0,5.0.033.783,42
0,833.10−3 = 15517,923 => chảy xoáy
+ Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch λ: λ = A.CP.ρ.√𝜌 𝑀 3
, W/m.độ Trong đó:
• A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng. Vì rượu etylic 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 = 42.133 g/mol
=> λ = 3,58.10-8. 2784,946. 783,42.√783,42 42.133 3
= 0,2069 W/m.độ + Chuẩn số Pran của hỗn hợp: Pr = 𝐶𝑝.𝜇
𝜆 [2 – 12] Trong đó:
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 68
• 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 = 2784,946.0,833.10
−3
0,2069 = 11,211
+ Chuẩn số Nuyxen: Nu = 0,021.Re0,8.εl.Pr0,43.(𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡) [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 = 2m => 𝑙 𝑑 = 2000 38 = 52,63 và Re > 104. Tra bảng V.2 [2 – 15] ta có εl = 1
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. 15517,9230,8. 1. 11,2110,43. 1 = 133.731
* 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 = 2 m
• A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng, tm Với tm = 0,5.(tT1 + tđ) [2 – 29]
o tT1: nhiệt độ của bề mặt tường, tiếp xúc với nước ngưng, OC o tđ; nhiệt độ sản phẩm đỉnh, oC
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 69
Với Δtl = tđ – tT1 là hiệu số nhiệt độ giữa tbh và nhiệt độ phía tường tiếp xúc với nước ngưng
Chọn Δtl = 3,35oC => nhiệt độ thành ống phía hơi ngưng tụ là: tT1= tđ - Δtl = 65,03 – 3,35 = 61,68oC
Nhiệt độ của màng nước ngưng tụ là: tm = 0,5.(61,68 + 65,03) = 63,355oC
Với tm = 63,355oC nội suy trong [2 – 29] ta được A = 166,7635 và nội suy bảng I.251 [1 – 314] ta có r = 2316679,09 J/kg
Vậy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là: α1 = 2,04. 166,7635.√2316679,09
3,35.2 4
= 8249,525 W/m2.độ
* Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q1 = α1.Δtl = 8249,525 . 3,35 = 27635,908 W/m2
* 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:
o r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn bám vào hai bên thành ống phía hơi đốt và phía dung dịch, m2.độ/W
o 𝛿: chiều dày của thành ống, 𝛿 = 2,5.10-3 m
o 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 = 27635,908 . 0,927.10-3 = 12,18oC
* Nhiệt độ thành ống phía dung dịch: tT2 = tT1 – ΔTt = 61,68 – 12,18 = 49,5 oC * Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch:
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 70
Δt2 = tT2 – ttb = 49,5 – 38,8 = 10,7oC * Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch α2: α2 = 𝑁𝑢.𝜆
𝑑𝑡 Trong đó: 𝜆: Hệ số dẫn nhiệt của nước ở ttb = 38,8oC
Nội suy từ bảng I.130 [1 – 135] tại nhiệt độ ttb = 38,8oC ta có 𝜆 = 0,6393 W/m.độ => α2 = 133,731. 0,6393
0,033 = 2590,7382 W/m2.độ * Nhiệt tải riêng từ thành ống đến dung dịch:
q2 = α2. Δt2 = 2590,7382. 10,7 = 27713,2707 W/m2 Ta có: |𝑞1− 𝑞2|
𝑞1 = |27635,908 − 27713,2707 |
27635,908 = 0,0028 < 5% => chọn Δtl = 3,35oC là hợp lý
* Nhiệt tải riêng trung bình: qtb = 𝑞1 + 𝑞2 2 = 27635,908 + 27713,2707 2 = 27674,5896 W/m2 * Bề mặt truyền nhiệt: F = 𝑄 𝑞𝑡𝑏 = 88767.59 27674,5896 = 3,207 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 = 0,23864 m2 => n = 3,207
0,23864 = 13,44 (ống)
Quy chuẩn n = 19 ống theo bảng V.11 [2 – 48]
Bố trí ống sắp xếp theo hình 6 cạnh gồm 2 hình. Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là b = 5 ống theo bảng V.11 [2 – 48]
* 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
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 71
=> D = 0,057.(5 – 1) + 4.0,033 = 0,38 m Quy chuẩn D = 0,4 m
Vậy thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh có các thông số sau:
F = 3,207 m2 H = 2 m dn = 38 mm D = 0,4 m n = 19 ống