4.1. Cân bằng nhiệt lượng
4.1.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Qnt = (R + 1).D.rd (kJ/h)
Trong đó: Qnt là nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng (kJ/h). Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng.
Ta có D = 5,202 (kmol/h) R = 10,990
rd = 39791,862 (kJ/kmol)
Vậy Qnt = (10,990 + 1).5,202.39791,862 = 2481897,221 (kJ/h)
4.1.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi QF = CF.F.(tF – to) (kJ/h) xF = 0,15 (mol/mol) xF = 0,15.𝑀𝑛 0,15.𝑀𝑛+0,85.𝑀𝑎𝑎 = 0,15.18,015 0,15.18,015+0,85.60,052 = 0,050 (kg/kg) Ta có F = 2000 (kg/h) tF = 111,95 oC, to = 25 oC ttb = 111,95+25 2 = 68,475 oC
(Tài liệu tham khảo [2] trang 154 bảng I.153 – 154)
Nhiệt dung riêng của nước Cn = 4190 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của acid acetic Caa = 2253,189 (J/kg.độ) CF = Cn.xF + Caa.(1 – xF) = 4190.0,050 + 2253,189(1 – 0,050) = 2350,030 (J/kg.độ)
T r a n g | 50
Vậy QF = 2350,030.2000.(111,95 – 25)
1000 = 408670,217 (kJ/h)
4.1.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
QW = CW.W.(tW – tWra) (kJ/h) xW = 0,02 (mol/mol) xW = 0,02.𝑀𝑛 0,02.𝑀𝑛+0,98.𝑀𝑎𝑎 = 0,02.18,015 0,02.18,015+0,98.60,052 = 0,006 (kg/kg) Ta có W = 32,010 (kmol/h) = 1895,352 (kg/h) tW = 117,02 oC chọn tWra = 35 oC ttb = 117,02+35 2 = 76,010 oC
(Tài liệu tham khảo [2] trang 154 bảng I.153 – 154)
Nhiệt dung riêng của nước Cn = 4190 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của acid acetic Caa = 2267,005 (J/kg.độ) CW = Cn.xW + Caa.(1 – xW) = 4190.0,006 + 2267,005(1 – 0,006) = 2278,543 (J/kg.độ)
Vậy QW = 2278,543.1895,352.(117,02 – 35)
1000 = 354214,938 (kJ/h)
4.1.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
QD = CD.D.(tD – tDra) (kJ/h) xD = 0,95 (mol/mol) xD = 0,95.𝑀𝑛 0,95.𝑀𝑛+0,05.𝑀𝑎𝑎 = 0,95.18,015 0,95.18,015+0,05.60,052 = 0,851 (kg/kg) Ta có D = 5,202 (kmol/h) = 104,648 (kg/h) tD = 100,3 oC chọn tDra = 35 oC ttb = 100,3+25 2 = 67,650 oC
T r a n g | 51
(Tài liệu tham khảo [2] trang 154 bảng I.153 – 154)
Nhiệt dung riêng của nước Cn = 4190 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của acid acetic Caa = 2248,693 (J/kg.độ) CD = Cn.xD + Caa.(1 – xD) = 4190.0,851 + 2248,693(1 – 0,851) = 3900,745 (J/kg.độ)
Vậy QD = 3900,745.104,648.(100,3 – 35)
1000 = 26655,797 (kJ/h)
4.1.5. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp
Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất QF + Qđ = QW + QD + Qnt + Qm
Qm là nhiệt lượng tổn thất, ta chọn Qm khoảng 5% nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp
Qđ = 354214,938+26655,797+2481897,221− 408670,217
0,95 =2583260,778 (kJ/h)
4.2. Thiết bị nhiệt
4.2.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, đặt nằm ngang
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép CT3 với các thơng số Đường kính ngồi dn = 25 mm = 0,025 m
Bề dày ống 𝛿t = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong dtr = 0,021 m Chiều dài ống L = 2 m
Chọn nước lành lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào t1 = 25 oC và nhiệt độ ra t2 = 45 oC. Ta có ttbN = 𝑡1+ 𝑡2 2 = 25+45 2 = 35 oC
T r a n g | 52
Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2]
Khối lượng riêng 𝜌n = 993,5 (kg/m3) (trang 9 bảng I.2)
Độ nhớt của nước μn = 0,000729 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101) Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,626 (W/m.độ) (trang 133 bảng I.129) Nhiệt dung riêng Cn = 4,176 (kJ/kg.độ) (trang 172 bảng I.153) Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ tD = 100,3 oC
4.2.1.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng
Ta có Qnt = 2481897,221 (kJ/h)
Lượng nước cần dùng (Tài liệu tham khảo [6] trang 169 công thức 5.307) GN = 𝑄𝑛𝑡
3600.𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1) =
2481897,221
3600.4,176.(45−25) = 8,255 (kg/s)
4.2.1.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên
∆𝑡𝑙𝑛 = (𝑡𝐷−𝑡1)−(𝑡𝐷−𝑡2) ln (𝑡𝐷−𝑡1 𝑡𝐷−𝑡2) = (100,3−25)−(100,3−45) ln (100,3−25 100,3−45) = 64,786 (K) 4.2.1.3. Hệ số truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt K (Tài liệu tham khảo [3] trang 3 công thức V.5) K = 1 1
𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑛𝑡
(W/m2.K)
Trong đó: αN – hệ số cấp nhiệt của dòng nước lạnh (W/m2.K)
αnt – hệ số cấp nhiệt của dòng hơi ngưng tụ (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡 – nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi trong ống
Chọn vận tốc nước đi trong ống VN = 0,5 (m/s) (Tài liệu tham khảo [2] trang 370 bảng II.2)
T r a n g | 53
Số ống trong một đường nước n = 𝐺𝑁 𝜌𝑁. 4 𝜋.𝑑𝑡𝑟2.𝑉𝑁 = 8,255 993,5. 4 𝜋.0,0212.0,5 = 47,979 (ống) Chọn n = 48 ống
Vận tốc thực tế của nước trong ống VN = 4.𝐺𝑁 𝜌𝑁.𝑛.𝜋.𝑑𝑡𝑟2 = 4.8,255 993,5.48.𝜋.0,0212 = 0,500 (m/s) Chuẩn số Reynolds ReN = 𝑉𝑁.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝑁 𝜇𝑁 = 0,5.0,021.993,5 0,000729 = 14309,671 Ta thấy ReN > 10000: cấp nhiệt xảy ra ở chế độ chảy rối.
Công thức chuẩn số Nu (Tài liệu tham khảo [3] trang 14 công thức V.40) NuN = 0,021.𝜀1. 𝑅𝑒𝑁0,8. 𝑃𝑟𝑁0,43. (𝑃𝑟𝑁
𝑃𝑟𝑊)0,25
Trong đó 𝜀1 – hệ số tính đến ảnh hưởng của hệ số cấp nhiệt theo tỉ lệ giữa chiều dài L và đường kính d của ống khi Re > 10000, tương ứng với 𝜀1 = 1.
PrN – chuẩn số Prandlt của nước ở 35oC nên PrN = 5 (Tài liệu tham
khảo [3] trang 12 hình V.12)
PrW – chuẩn số Prandlt của nước tra ở nhiệt độ trung bình vách Vậy NuN = 132,441
𝑃𝑟𝑊0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống
𝛼𝑁 = 𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁
𝑑𝑡𝑟 = 132,441.0,626
𝑃𝑟𝑊0,25.0,021 = 3948,003 𝑃𝑟𝑊0,25
T r a n g | 54
Nhiệt tải phía nước làm lạnh
qN = 𝛼N.(tW2 – ttbN) = 3948,003
𝑃𝑟𝑊0,25 .(tW2 – 35) (1)
Với tW2 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống) (oC).
4.2.1.4. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn
qt = 𝑡𝑊1− 𝑡𝑊2
∑ 𝑟𝑡 (W/m 2)
Trong đó: tW1 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi ngưng tụ (oC). ∑ 𝑟𝑡 = 𝛿𝑡
𝜆𝑡 + 𝑟𝑐
Bề dày thành ống 𝛿𝑡 = 0,002 (𝑚)
Hệ số dẫn nhiệt của thép CT3 𝜆𝑡 = 50 (W/m.độ) (Tài liệu tham khảo [2] trang
127 bảng I.125.
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống 𝑟𝑐 = 1
2600 (m2.K/W) (Tài liệu tham khảo [5] trang 419 bảng 31) Vậy ∑ 𝑟𝑡 = 0,002 50 + 1 2600 = 0,000425 (m 2.K/W) qt = 𝑡𝑊1− 𝑡𝑊2 0,000425 (W/m 2) (2)
4.2.1.5. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngồi ống
Điều kiện: ngưng tụ hơi bão hịa
khơng chứa khơng khí khơng ngưng hơi ngưng tụ ở mặt ngoài ống
màng chất ngưng tụ chảy tầng ống nằm ngang
T r a n g | 55
Đối với ống nằm ngang (Tài liệu tham khảo [5] trang 120 công thức 3.65)
𝛼𝑛𝑡 = 0,725.√ 𝑟𝑛𝑡.𝜆𝑛𝑡3.𝜌𝑛𝑡2 𝜇𝑛𝑡.(𝑡𝐷−𝑡𝑊1).𝑑𝑛𝑔 4 = 𝐴 (100,3− 𝑡𝑊1)0,25 Đặt A = 0,725.√𝑟𝑛𝑡.𝜆𝑛𝑡3.𝜌𝑛𝑡2 𝜇𝑛𝑡.𝑑𝑛𝑔 4 Ẩn nhiệt ngưng tụ rnt = rD = 1978036,391 (J/kg) Nhiệt tải ngoài thành ống
𝑞𝑛𝑡 = 𝛼𝑛𝑡. (100,3 - 𝑡𝑊1) = A.(100,3 – tW1)0,75 (3) Từ (1)(2)(3) ta dùng phương pháp lặp để xác định tW1 và tW2. Chọn tW1 = 87,7 oC Nhiệt độ trung bình ttbD = 𝑡𝐷+ 𝑡𝑊1 2 = 100,3+87,7 2 = 94oC Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2]
Khối lượng riêng 𝜌nt = 962,602 (kg/m3) (trang 9 bảng I.2) Độ nhớt μnt = 0,000333 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101)
Hệ số dẫn nhiệt λnt = 0,600 (W/m.độ) (trang 134 – 135 bảng I.130)
A = 0,725.√𝑟𝑛𝑡.𝜆𝑛𝑡 3.𝜌𝑛𝑡2 𝜇𝑛𝑡.𝑑𝑛𝑔 4 = 0,725.√1978036,391.0,6003.962,6022 0,000333.0,025 4 = 10706,249 Từ (3) 𝑞𝑛𝑡 = A.(100,3 – tW1)0,75 = 10706,249.(100,3 – 87,7)0,75 = 71600,367 (W/m2)
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể qt = qnt = 71600,367 (W/m2) Từ (2) tW2 = 57,3 oC
Vậy ttbW = 𝑡𝑊1+𝑡𝑊2 2 =
87,7+57,3
2 = 72,5 oC
T r a n g | 56 Từ (1) qN = 3948,003 𝑃𝑟𝑊0,25.(tW2 – 35) = 3948,003 2,50,25 .(57,3 – 35) = 70016,006 (W/m 2) Kiểm tra sai số
𝜀 = |𝑞𝑁−𝑞𝑛𝑡| 𝑞𝑛𝑡 = |70016,006−71600,367| 71600,367 = 2,21% < 5%, thỏa mãn Vậy tW1 = 87,7 oC, tW2 = 57,3 oC Khi đó 𝛼𝑁 = 3948,003 𝑃𝑟𝑊0,25 = 3948,003 2,50,25 = 3139,731 (W/m2.K) 𝛼𝑛𝑡 = 𝐴 (100,3− 𝑡𝑊1)0,25 = 10706,249 (100,3−87,7)0,25 = 5682,569 (W/m 2.K) Vậy hệ số truyền nhiệt
K = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑛𝑡 = 1 1 3139,731+0,000425+ 1 5682,569 = 1087,577 (W/m2.K)
4.2.1.6. Bề mặt truyền nhiệt trung bình
Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Tài liệu tham khảo [6] trang 169) Ftb = 𝑄𝑛𝑡
𝐾.∆𝑡𝑙𝑜𝑔 =
2481897,221.1000
3600.1087,577.64,786 = 9,785 (m 2) Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%)
L’ = 9,785.110% 𝜋.48.0,025+0,021
2
= 3,103 (m)
So với L = 2 (m) thì số đường nước là 𝐿′ 𝐿 =
3,103
2 = 1,55 (đường nước )
T r a n g | 57
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống có n = 91 ống và L = 2 m.
Ống được bố trí theo hình lục giác đều (Tài liệu tham khảo [3] trang 48 công thức V.139)
Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh ngồi cùng
n = 3a.(a – 1) + 1 91 = 3a.(a – 1) + 1 a = 6 (ống) Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh đều
b = 2.a – 1 = 2.6 – 1 = 11 (ống)
Chọn bước ống t = 1,2.dng = 1,2.0,025 = 0,03 (m)
Đường kính thiết bị trao đổi nhiêt (Tài liệu tham khảo [3] trang 49 công thức V.140)
D = t.(b – 1) + 4.dng = 0,03.(11 – 1) + 4.0,025 = 0,4 (m)
4.2.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép CT3, kích thước ống trong là 16x2 và kích thước ống ngoài là 25x2.
Chọn – nước làm lạnh đi trong ống 16x2 (ống trong) nhiêt độ vào t1 =25 oC và nhiệt độ cuối là t2 = 45 oC Đường kính ngồi dn = 16 mm = 0,016 m Bề dày ống 𝛿t = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong dtr = 0,012 m Ta có ttbN = 𝑡1+ 𝑡2 2 = 25+45 2 = 35 oC
T r a n g | 58
Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2]
Khối lượng riêng 𝜌n = 993,5 (kg/m3) (trang 9 bảng I.2)
Độ nhớt của nước μn = 0,000729 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101) Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,626 (W/m.độ) (trang 133 bảng I.129) Nhiệt dung riêng Cn = 4,176 (kJ/kg.độ) (trang 172 bảng I.153)
Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) nhiệt độ đầu tD = 100,3 oC và nhiệt độ cuối ta chọn tDra = 35 oC. Đường kính ngồi Dn = 25 mm = 0,025 m Bề dày ống 𝛿t = 2 mm = 0,002 m Đường kính trong Dtr = 0,021 m Ta có ttbD = 𝑡𝐷+ 𝑡′𝐷 2 = 100,3+35 2 = 67,65 oC Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2]
Khối lượng riêng 𝜌D = 981,238 (kg/m3) (trang 9 bảng I.2) Độ nhớt của nước μD = 0,000419 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101) Hệ số dẫn nhiệt λD = 0,588 (W/m.độ) (trang 134 bảng I.130) Nhiệt dung riêng CD = 3,901 (kJ/kg.độ) (trang 172 bảng I.153)
4.2.2.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh
Suất lượng nước cần dùng (Tài liệu tham khảo [6] trang 169 công thức 5.307) GN = 𝑄𝐷
𝐶𝑁.(𝑡2−𝑡1) =
26655,797
T r a n g | 59
4.2.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiêt
Bề mặt truyền nhiệt (Tài liệu tham khảo [6] trang 169) Ftb = 𝑄𝐷
𝐾.∆𝑡𝑙𝑜𝑔 (m 2) Với – K: hệ số truyền nhiệt
∆𝑡𝑙𝑜𝑔: nhiệt độ trung bình logarit
Xác đinh ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 – chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên
∆𝑡𝑙𝑛 = (𝑡𝐷−𝑡2)−(𝑡𝐷𝑟𝑎−𝑡1) ln ( 𝑡𝐷−𝑡2 𝑡𝐷𝑟𝑎−𝑡1) = (100,3−45)−(35−25) ln (100,3−45 35−25 ) = 26,488 (K) Xác định hệ số truyền nhiệt K K = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 (W/m2.K)
Trong đó: αN – hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K)
αD – hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡 – nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn
Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài Vận tốc sản phẩm đỉnh đi trong ống ngoài
VD = 4.𝐺𝐷
𝜌𝐷..𝜋.(𝐷𝑡𝑟2−𝑑𝑛𝑔2) =
4.104,648
3600.981,238.π.(0,0212−0,0162) = 0,204 (m/s) Đường kính tương đương dtd = Dtr – dng = 0,021 – 0,016 = 0,005 (m) Chuẩn số Reynolds
ReD = 𝑉𝐷.𝑑𝑡𝑑.𝜌𝐷 𝜇𝐷 =
0,204.0,005.981,238
0,000419 = 2388,694 Ta thấy 2300 < ReD < 10000: chế độ chảy quá độ.
T r a n g | 60
Công thức chuẩn số Nu (Tài liệu tham khảo [3] trang 16 công thức V.44) NuN = ko.𝜀1. 𝑃𝑟𝐷0,43. ( 𝑃𝑟𝐷
𝑃𝑟𝑊1)0,25
Trong đó 𝜀1 – hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống, chọn 𝜀1 = 1
ko – hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Re, với Re = 2388,694 nên ko = 3,743 (Tài liệu tham khảo [3] trang 16)
PrD – chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 67,65 oC nên PrD = 𝜇𝐷.𝐶𝐷
𝜆𝐷 = 0,000419.3901
0,588 = 2,780
PrW1 – chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình vách Vậy NuD = 7,502
𝑃𝑟𝑊10,25
Hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh trong ống ngoài
𝛼𝐷 = 𝑁𝑢𝐷.𝜆𝐷 𝑑𝑡𝑑 = 7,502.0,588 𝑃𝑟𝑊10,25.0,005 = 882,235 𝑃𝑟𝑊10,25 Nhiệt tải phía sản phẩm đỉnh
qD = 𝛼D.(ttbD – tW1) = 882,235
𝑃𝑟𝑊10,25.(67,65 – tW1) (W/m 2)
Với tW1 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với sản phẩm đỉnh (oC) Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn
qt = 𝑡𝑊1− 𝑡𝑊2
∑ 𝑟𝑡 (W/m 2)
T r a n g | 61
Trong đó: tW2 – nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống nhỏ) (oC). ∑ 𝑟𝑡 = 𝛿𝑡
𝜆𝑡 + 𝑟𝑐
Bề dày thành ống 𝛿𝑡 = 0,002 (𝑚)
Hệ số dẫn nhiệt của thép CT3 𝜆𝑡 = 50 (W/m.độ) (Tài liệu tham khảo [2] trang
127 bảng I.125)
Nhiệt trở trung bình lớp cặn trong ống 𝑟𝑐 = 1
2600 (m2.K/W) (Tài liệu tham khảo
[5] trang 419 bảng 31) Vậy ∑ 𝑟𝑡 = 0,002 50 + 1 2600 = 0,000425 (m 2.K/W) qt = 𝑡𝑊1− 𝑡𝑊2 0,000425 (W/m 2) Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống nhỏ
Vận tốc nước đi trong ống VN = 4.𝐺𝑁 𝜌𝑁.𝜋.𝑑𝑡𝑟2 = 4.0,089 993,5.π.0,0122 = 0,792 (m/s) Chuẩn số Reynolds ReN = 𝑉𝑁.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝑁 𝜇𝑁 = 0,792.0,012.993,5 0,000729 = 12952,296 Ta thấy ReN > 10000: chế độ chảy rối.
Công thức chuẩn số Nu (Tài liệu tham khảo [3] trang 14 công thức V.40) NuN = 0,021.𝜀1. 𝑅𝑒𝑁0,8. 𝑃𝑟𝑁0,43. ( 𝑃𝑟𝑁
𝑃𝑟𝑊2)0,25
Trong đó 𝜀1 – hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Re với tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống Re = 12952,296, chọn 𝜀1 = 1.
PrN – chuẩn số Prandlt của nước ở 35oC nên PrN = 5 (Tài liệu tham khảo [3] trang 12 hình V.12)
T r a n g | 62
Vậy NuN = 122,292 𝑃𝑟𝑊20,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống
𝛼𝑁 = 𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁 𝑑𝑡𝑟 = 122,292.0,626 𝑃𝑟𝑊20,25.0,012 = 6379,566 𝑃𝑟𝑊20,25 Nhiệt tải phía nước làm lạnh
qN = 𝛼N.(tW2 – ttbN) = 6379,556
𝑃𝑟𝑊20,25.(tW2 – 35) (W/m 2) Chọn tW1 = 44,4 oC
Tra cứu các thông số sau tại tW1 = 44,4 oC ở tài liệu tham khảo [2] Độ nhớt μ’D = 0,000643 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101)
Hệ số dẫn nhiệt λ’D = 0,574 (W/m.độ) (trang 134 – 135 bảng I.130) Nhiệt dung riêng C’D = 3872,284 (J/kg.độ) (trang 172 bảng I.154) Khi đó PrW1 ≈ 𝜇′𝐷.𝐶′𝐷 𝜆′ 𝐷 = 0,000643.3872,284 0,574 = 4,338 qD = 882,235 𝑃𝑟𝑊10,25.(67,65 – tW1) = 882,235 4,3380,25. (67,65 − 44,4) = 14212,970 (W/m2)
Xem nhiệt tải mất mát không đáng kể qt = qD = 14212,970 (W/m2) Ta có qt = 𝑡𝑊1− 𝑡𝑊2 0,000425 (W/m 2) 14212,970 = 44,4−𝑡𝑊2 0,000425 tW2 = 38,36 oC Vậy ttbW = 𝑡𝑊1+ 𝑡𝑊2 2 = 44,40+38,36 2 = 41,38 oC
Với tW2 = 38,36 oC PrW2 = 4,6 (Tài liệu tham khảo [3] trang 12 hình V.12) qN = 6379,556
𝑃𝑟𝑊20,25.(tW2 – 35) =
6379,556
4,60,25 (38,36 – 35) = 14636,602 (W/m 2)
T r a n g | 63
Kiểm tra sai số 𝜀 = |𝑞𝑁−𝑞𝐷| 𝑞𝐷 = |14636,602−14212,970| 14212,970 = 2,98% < 5%, thỏa mãn Vậy tW1 = 44,40 oC, tW2 = 38,36 oC Khi đó 𝛼𝑁 = 6379,566 𝑃𝑟𝑊0,25 = 6379,566 4,60,25 = 4356,138 (W/m 2.K) 𝛼𝐷 = 882,235 𝑃𝑟𝑊10,25 = 882,235 4,3380,25 = 611,311 (W/m 2.K) Vậy hệ số truyền nhiệt
K = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 = 1 1 4356,138+0,000425+ 1 611,311 = 436,607 (W/m2.K)
Bề mặt truyền nhiệt trung bình (Tài liệu tham khảo [6] trang 169) Ftb = 𝑄𝐷
𝐾.∆𝑡𝑙𝑜𝑔 =
26655,797 .1000
3600.436,607.26,488 = 0,64 (m 2) Chiều dài ống truyền nhiệt (lấy dư 10%)
L = 0,64.110% 𝜋.0,016+0,012 2 = 16 (m) Kiểm tra 𝐿 𝑑𝑡𝑟 = 16 0,012 = 1333,333 > 50 thỏa 𝜀1 = 1
Vậy thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống với chiều dài ống truyền nhiệt L = 16 (m), chia thành 10 dãy, mỗi dãy dài 1,6 (m).
T r a n g | 64
4.2.3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Chọn thiết bị gia nhiệt nhập liệu là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép CT3, kích thước ống trong là 100x4 và kích thước ống ngồi là 130x4.
Chọn – hơi đốt là hơi nước 2at, đi trong ống 130x4 (ống ngoài) Đường kính ngồi Dn = 130 mm = 0,130 m
Bề dày ống 𝛿t = 4 mm = 0,004 m Đường kính trong Dtr = 0,122
Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2] trang 312 Nhiệt độ sôi tsN = 120 oC
Ẩn nhiệt ngưng tụ rN = 2207 (kJ/kg)
Dòng nhập liệu đi trong ống 100x4 (ống trong) nhiệt độ đầu t’F = 25 oC và nhiệt độ cuối tF = 111,95 oC. Đường kính ngồi dn = 100 mm = 0,100 m Bề dày ống 𝛿t = 4 mm = 0,004 m Đường kính trong Dtr = 0,092 m Ta có ttbF = 𝑡𝐹+ 𝑡′𝐹 2 = 111,95+25 2 = 68,48 oC Tra cứu các thông số sau ở tài liệu tham khảo [2]
Khối lượng riêng 𝜌F = 993,452 (kg/m3) (trang 9 bảng I.2) Độ nhớt μF = 0,000630 (N.s/m2) (trang 92 bảng I.101) Hệ số dẫn nhiệt λF = 0,187 (W/m.độ) (trang 134 bảng I.130) Nhiệt dung riêng CF = 2,350 (kJ/kg.độ) (trang 172 bảng I.153)
T r a n g | 65
4.2.3.1. Suất lượng hơi nước cần dùng
Suất lượng hơi nước cần dùng GN = 𝑄𝐹
𝑟𝑁 =
408670,217
3600.2207 = 0,051 (kg/s)
4.2.3.2. Xác định bề mặt truyền nhiêt
Bề mặt truyền nhiệt (Tài liệu tham khảo [6] trang 169) Ftb = 𝑄𝐹
𝐾.∆𝑡𝑙𝑜𝑔 (m 2) Với – K: hệ số truyền nhiệt
∆𝑡𝑙𝑜𝑔: nhiệt độ trung bình logarit
Xác đinh ∆𝑡𝑙𝑜𝑔 – chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều nên
∆𝑡𝑙𝑛 = (𝑡𝑠𝑁−𝑡′𝐹)−(𝑡𝑠𝑁−𝑡𝐹) ln (𝑡𝑠𝑁−𝑡′𝐹 𝑡𝑠𝑁−𝑡𝐹) = (120−25)−(120−111,95) ln ( 120−25 120−111,95) = 35,228 (K) Xác định hệ số truyền nhiệt K K = 1 1 𝛼𝐹+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑁 (W/m2.K)
Trong đó: αF – hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.K)
αN – hệ số cấp nhiệt của hơi nước (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡 – nhiệt trở qua thành ống và lớp cặn Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống nhỏ
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống nhỏ VF = 4.𝐺𝐹
𝜌𝐹..𝜋.𝑑𝑡𝑟2 =
4.2000
T r a n g | 66 Chuẩn số Reynolds ReF = 𝑉𝐹.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝐹 𝜇𝐹 = 0,084.0,092.993,452 0,000630 = 12186,345 Ta thấy ReF > 10000: chế độ chảy rối.