Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle
Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, 7 ống
Dòng sản phẩm đáy, trước khi vào nồi đun có nhiệt độ tw1 = 99,08oC, sau khi ra khỏi nồi đun là hơi ở nhiệt độ tw2 = 100oC, đi ở ngồi
Dịng hơi nước ở áp suất 3 at ngưng tụ ở thơi = 132,7oC, đi ở ống trong Nhiệt hoá hơi rh = 2171,29 (kJ/kg)
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡
𝐾.∆𝑡̅̅̅ (ST2_V.1/3) Hiệu số nhiệt độ trung bình:
∆𝑡 ̅̅̅ =∆𝑡1−∆𝑡2 𝑙𝑛 (∆𝑡1 ∆𝑡2) =(132,7−99,08)−(132,7−100) 𝑙𝑛 (132,7−99,08132,7−100) = 30,16℃ (ST2_V.8/5) Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp cho nồi đun:
𝑄𝐷2 = 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính ở cân bằng năng lượng)
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 𝛼𝑆+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼ℎ (ST2_V.5/3) Trong đó:
𝛼𝑆: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống (W/m2.K) 𝛼ℎ: hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
* Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:
𝛼ℎ = 1,28𝐴. ( 𝑟ℎ
(𝑡ℎ−𝑡𝑤1).𝑑𝑡𝑟)0,25 = 129,07.𝐴
(132,7−𝑡𝑤1)0,25 (ST2_V.111/30) Với A là hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ Nhiệt tải phía hơi nước:
𝑞ℎ = 𝛼ℎ(𝑡ℎ− 𝑡𝑤1) = 129,07. 𝐴. (132,7 − 𝑡𝑤1)0,75 (*)
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy:
Do nồng độ methanol trong dòng sản phẩm đáy là rất nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy là nước:
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy trong nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54oC Khi sủi bọt trong thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt được tính theo cơng thức:
𝛼𝑆 = 7,77. 10−2. (𝜌′𝑆.𝑟𝑆ℎ 𝜌𝑆−𝜌′ 𝑆 ) 0,033 . (𝜌𝑆 𝜎𝑆)0,333. 𝜆𝑆 0,75 .𝑞0,7 𝜇𝑆0,45.𝐶𝑆0,117.𝑇0,37 (ST2_V.89/26)
→𝛼𝑆 = 7,77. 10−2.(0,589.2258,61
958,32−0,589)0,033.(958,32
0,059)0,333. 0,683
0,75.𝑞0,7
(0,286.10−3)0,45.4229,080,117.(99,54+273)0,37 = 2,467. 𝑞0,7
Các thông số của nước ở tStb = 99,54oC, 1at là ( tra ở ST1) Khối lượng riêng pha lỏng: 𝜌𝑆 = 958,32 kg/m3
Khổi lượng riêng pha hơi, ta có: 𝜌′𝑆 =273.𝑀𝑛ướ𝑐 22,4.𝑇 = 273.18 22,4.(99,54+273) = 0,589 kg/m3 Độ nhớt động lực học: 𝜇𝑆 = 0,286. 10−3 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑆 = 0,683 W/m.oC Sức căng bề mặt: 𝜎𝑆 = 0,059 N/m Nhiệt dung riêng: 𝐶𝑆 = 4229,08 J/kg.oC Nhiệt hoá hơi: 𝑟𝑆 = 2258,61 kJ/kg Giả sử q = qt
→ 𝑞𝑆 = 𝛼𝑆(𝑡𝑤2− 99,54) (**)
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2 ∑ 𝑟𝑡 (W/m2) Trong đó: ∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 2𝑟 𝛿𝑡 = 2 mm: bề dày thành ống
𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28)
r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4) → 𝑞𝑡 =0,0021
17,5+2.50001 (tw1− tw2) = 1944,44 (tw1− tw2) (***) Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm tw1 và tw2
Chọn tw1 = 130,72oC
Ta tra được giá trị của A = 191,216 → qh = 41195,37 (W/m2) Giả sử qt = qh → tw2 = 109,53 oC
→ qS = 41891,75 (W/m2)
Kiểm tra sai số: 𝜀 =|𝑞𝑆−𝑞ℎ|
𝑞ℎ . 100% = 1,69% < 5% (thoả)
Vậy tw1 = 130,72oC và tw2 = 109,53oC
→ 𝐾 = 1 1
20805,74+1944,441 +4193,371 = 1001,72 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝐷2
𝐾.∆𝑡̅̅̅ = 19889,87
1001,72.30,16 = 0,65 m2
Chiều dài ống truyền nhiệt: 𝐿 = 𝐹𝑡𝑏
𝜋.𝑛.(𝑑𝑛+𝑑𝑡𝑟)/2 = 1,18 (𝑚) (ST2_V.1/3) → Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/dtr>50.