I. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại tuần hoàn nằm ngang
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống: 25x2 mm
Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo hình lục giác đều, 91 ống (ST2_V.11/49) Nhiệt độ của nước vào là tLV = 25oC, nhiệt độ đầu ra của nước là tLR = 40oC
Dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ tại nhiệt độ tN = 65,03oC
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) =(65,03−25)−(65,03−40) 𝑙𝑛 (65,03−2565,03−40) = 31,95℃ (ST2_V.8/5) Nhiệt lượng cần thiết để ngưng tụ sản phẩm ở đỉnh tháp:
𝑄𝑛𝑡 = 𝐷̅. 𝑟𝐷. (𝑅 + 1) = 447,17.1107,85. 103. (1,673 + 1) = 367832,48 (𝑊) Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 (ST2_V.5/3) Trong đó:
𝛼𝑁: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K) 𝛼𝐷: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2.K) ∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W) - Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (𝛼𝑁) Các thông số của nước ở nhiệt độ trung bình 𝑡𝑁𝑡𝑏 =𝑡𝐿𝑉+𝑡𝐿𝑅
2 =25+40
2 = 32,5℃
Lưu lượng nước: GN = 5,87 kg/s Nhiệt dung riêng: CN = 4180,9 J/kg.oC Khối lượng riêng: ρN = 995,2 kg/m3
Độ nhớt động lực: µN = 0,765.10-3 N.s/m2 Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,62 W/m.oC
Vận tốc thực tế của nước trong ống:
𝜈𝑁 = 4𝐺𝑁 𝜌𝑁𝑛𝜋𝑑2𝑡𝑟 = 4.5,87 995,2.91.𝜋.0,0212 = 0,187 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑁 =𝜈𝑁.𝑑𝑡𝑟.𝜌𝑁 𝜇𝑁 =0,187.0,021.995,2 0,765.10−3 = 5108,7 > 2300 (ST2_V.36/13)
→ Chế độ chảy quá độ, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức: Chuẩn số Nusselt: 𝑁𝑢𝑁 = 𝑘0. 𝜀1. 𝑃𝑟𝑁0,43. (𝑃𝑟𝑁
𝑃𝑟𝑤2)0,25 (ST2_V.44/16) Trong đó:
𝑘0: phụ thuộc vào ReN, với ReN = 5108,7 thì 𝑘0 = 15,5
𝜀1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN tỷ lệ giữa chiều dài ống và đường kính ống, giả sử 𝜀1 = 1.
PrN: chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5oC nên PrN = 4,75 (ST2_V.12/12) Prw: chuẩn số Prandlt của nước ở nhiệt độ trung bình vách. Suy ra NuN = 44,72
𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: 𝛼𝑁 =𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁
𝑑𝑡𝑟 = 44,72.0,62
𝑃𝑟𝑤0,25.0,021= 1320,3
𝑃𝑟𝑤0,25 (ST2_V.33/11) Nhiệt tải phía nước làm lạnh: 𝑞𝑁 = 𝛼𝑁. (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 1320,3
𝑃𝑟𝑤0,25. (𝑡𝑤2− 32,5) (*) Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống)
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (W/m2) Trong đó:
𝑡𝑤1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ 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) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2) (**)
* Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ
𝛼1 = 0,725. √ 𝑟ℎℎ.𝑔.𝜆ℎℎ 3 .𝜌ℎℎ2 𝜇ℎℎ.(𝑡𝐷−𝑡𝑤1).𝑑𝑛𝑔 4 = 𝐴 (65,03−𝑡𝑤1)0,25 (ST2_V111/30) Đặt 𝐴 = 0,725. √𝑟ℎℎ.𝑔.𝜆ℎℎ𝜇 3.𝜌ℎℎ2 ℎℎ.𝑑𝑛𝑔 4
Trong đó: Ẩn nhiệt ngưng tụ: rhh = rD = 1107,85 (kJ/kg)
Hệ số cấp nhiệt ngoài thành ống có bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp ống. Bố trí ống theo hình lục giác với 91 ống → số đường chéo của đường 6 cạnh là 11 ống. Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có 𝜀𝑡𝑏 = 0,55.
Khi đó: 𝛼𝑛𝑡 = 𝜀𝑡𝑏. 𝛼𝐷 Nhiệt tải ngồi thành ống:
Từ (*), (**), (***) ta dùng phương pháp lặp để xác định 𝑡𝑤1, 𝑡𝑤2 Chọn 𝑡𝑤1 = 58,35oC
Tại nhiệt độ trung bình: 𝑡𝑡𝑏𝐷 =𝑡𝐷+𝑡𝑤1
2 =65,03+58,35
2 = 61,69℃
Khối lượng riêng hỗn hợp: {𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 754,46 𝑘𝑔/𝑚
3 𝜌𝑛ướ𝑐 = 982,15 𝑘𝑔/𝑚3 → 1 𝜌ℎℎ = 𝑥̅𝐷 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+1−𝑥̅𝐷 𝜌𝑛ướ𝑐 = 0,98 754,46+1−0,98 982,15 ⇒ 𝜌ℎℎ = 757,97 (𝑘𝑔 𝑚3) Độ nhớt động lực hỗn hợp: {𝜇𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 0,346. 10−3𝑁. 𝑠/𝑚2 𝜇𝑛ướ𝑐 = 0,46. 10−3𝑁. 𝑠/𝑚2 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 𝑥. 𝑙𝑜𝑔 µ𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+ (1 − 𝑥). 𝑙𝑜𝑔 µ𝑛ướ𝑐 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 0,965. 𝑙𝑜𝑔(0,346. 10−3) + (1 − 0,965). 𝑙𝑜𝑔( 0,46. 10−3) → µℎℎ= 0,349. 10−3𝑁. 𝑠/𝑚2
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: {𝐶𝑝(𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙)= 2767,7 𝐽/𝑘𝑔𝐾 𝐶𝑝(𝑛ướ𝑐) = 4190 𝐽/𝑘𝑔𝐾 →𝐶𝑝ℎℎ = 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙. 𝑥̅+ 𝐶𝑛ướ𝑐.(1 − 𝑥̅)= 2767,7.0,98 + 4190.(1 − 0,98) = 2796,15( 𝐽 𝑘𝑔. độ) Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆ℎℎ = 3,58. 10−8. 𝐶𝑝ℎℎ. 𝜌ℎℎ. √𝜌ℎℎ 𝑀ℎℎ 3 = 3,58. 10−8. 2796,15.757,97. √757,97 31,51 3 = 0,219 𝑊/𝑚𝐾 Khi đó: 𝐴 = 0,725. √𝑟ℎℎ.𝑔.𝜆ℎℎ3.𝜌ℎℎ2 𝜇ℎℎ.𝑑𝑛𝑔 4 = 6750,61 Từ (***): 𝑞1 = 6750,61.0,55. (65,03 − 58,35)0,75 = 15427,23 (W/m2) Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = q1 = 15427,23 (W/m2) Từ (**), ta có: tw2 = 50,42oC. Suy ra ttbw = 54,39oC
Suy ra Prw = 4,65 (ST2_V.12/12) Từ (*), tính được qN = 16111,92 (W/m2)
Kiểm tra sai số: 𝜀 =|𝑞𝑁−𝑞1|
𝑞1 . 100% = 4,44% < 5% (thoả)
Vậy tw1 = 58,35oC và tw2 = 50,42oC
Khi đó: 𝛼𝑁 = 899,1 (W/m2.oC) và 𝛼1 = 4199,03 (W/m2.oC)
𝐾 = 1 1
899,1+5,14.10−4+4199,031 = 536,37 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡
𝐾.∆𝑡̅̅̅ = 367832,48
536,37.31,95 = 21,4 m2 (ST2_V.1/3) Chiều dài ống truyền nhiệt: 𝐿 = 𝐹𝑡𝑏
𝑛.𝜋.(𝑑𝑛+𝑑𝑡𝑟)/2 = 2,99 (𝑚) Chọn chiều dài ống là 3 (m), thoả điều kiện L/dtr >50
Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,2.dống = 1,2.0,025 = 0,03 (m)
Đường kính vỏ thiết bị: Dv = t.(b-1) + 4.dống = 0,03.(11 – 1) + 4.0,025 = 0,4 (m) → Chọn Dv = 0,4m.
II. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống, đặt nằm ngang, gồm 1 pass phía vỏ và 4 pass phía ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, gồm 61 ống xếp vòng lục giác, xếp thành 4 vòng, số ống trên đường xuyên tâm là 9. (ST2_V.11/49)
Chọn đường kính ngồi của ống dng = 0,025m, đường kính trong của ống dtr = 0,021m Bước ống, chọn : t = 1,2.dống = 1,2.0,025 = 0,03 m
Đường kính trong của thiết bị ống chùm ( ST2_V.141/49 ) D = t.(b-1) + 4d = 0,03.(9-1) + 4.0,025 = 0,34 m
→ Chọn D = 0,4 m
Nhiệt độ vào là tv = 25C và ra là tr = 40C. Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ vào là tDv = 65,03C và nhiệt độ ra là tDr = 40C.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo cơng thức: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡
𝐾.∆𝑡̅̅̅ ( ST2_V.1/3 ) Hiệu số nhiệt độ trung bình:
∆𝑡 ̅̅̅ =∆𝑡1−∆𝑡2 𝑙𝑛 (∆𝑡1 ∆𝑡2) =(65,03−40)−(40−25) 𝑙𝑛 (65,03−4040−25 ) = 16,59℃ ( ST2_V.8/5 ) Tính 𝜀(1−4): 𝑅 =𝑇𝐷1 − 𝑇𝐷2 𝑇2 − 𝑇1 =65,03−40 40−25 = 1,67 (ST6_3.61/192) 𝑆 = 𝑇2 − 𝑇1 𝑇𝐷1 − 𝑇1 = 40 − 25 65,03 − 25= 0,37 (ST6_3.61/192) 𝜀(1−4) = √𝑅 2+1.𝑙𝑛1 − 𝑅𝑆1 − 𝑆 (𝑅−1).𝑙𝑛2 − 𝑆.(𝑅+1 − √𝑅2+1) 2 − 𝑆.(𝑅+1+√𝑅2+1) = 0,82 (ST6_3.71/192)
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 ( ST2_V.5/3 ) 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 của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
Nhiệt lượng cần tải:
𝑄𝑡 = 𝐺𝐷. 𝐶𝐷. (𝑡𝐷𝑣− 𝑡𝐷𝑟) = 447,17.2755,5. (65,03 − 40) = 30841,39 (𝑘𝐽
ℎ)
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đi trong ống
Các thông số của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ tDtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52oC: Suất lượng đỉnh GD = 447,17/3600 = 0,124 (kg/s)
Nhiệt dung riêng CD = 2726,34 (J/kg.oC) Khối lượng riêng ρD = 762,73 (kg/m3) Độ nhớt động lực µD = 0,385.10-3 (N.s/m2 )
Hệ số dẫn nhiệt λD = 0,206 W/m.oC ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống:
𝜈𝐷 = 4𝐺𝐷 𝜌𝐷𝜋4𝑛𝑑𝑡𝑟2= 4.0,124 762,73.𝜋4.61.0,0212= 0,03 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝐷 =𝜈𝐷.𝑑𝑡𝑑.𝜌𝐷 𝜇𝐷 =0,03.0,021.762,73 0,385.10−3 = 1248,1 < 2300 (ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
𝑁𝑢 = 0,15. 𝜀1. 𝑅𝑒0,33. 𝑃𝑟0,43. 𝐺𝑟0,1. (𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑡)0,25 (ST2_V.45/17) Chuẩn số Gratkov: (ST2_V.39/13) 𝐺𝑟 =𝑔. 𝑑ố𝑛𝑔 3 . 𝜌𝐷2. 𝛽. ∆𝑡𝐿 𝜇𝐷2 =9,81. 0,021 3. 762,732. 1,25. 103. 10 (0,385. 10−3)2 = 4,5. 1012
Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích của sản phẩm đỉnh coi như là methanol ở 52,52oC: 𝛽 = 1,25.103oC-1
Với:
𝜀1: hệ số phụ thuộc vào ReD và tỉ số L/dtr. Giả sử L/dtr > 50, nên 𝜀1= 1. PrD: Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 52,52C
𝑃𝑟𝐷 =𝜇𝐷.𝐶𝐷
λD =0,385.10−3.2726,34
0,206 = 5,1 ( ST2_V.35/12 ) → 𝑁𝑢𝑛 = 66,75
𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước ngoài chùm ống : 𝛼𝐷 =𝑁𝑢𝐷.λD
𝑑𝑛𝑔 = 66,75.0,206
𝑃𝑟𝑤0,25.0,021 = 654,8
𝑃𝑟𝑤0,25 (W/m2.oC) (ST2_V.33/11) Nhiệt tải phía nước lạnh:
𝑞𝐷 = 𝛼𝐷. (𝑡̅ − 𝑡𝐷 𝑤1) = 654,8
* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi ngồi ống
Các thơng số của nước ở nhiệt độ trung bình tNtb = (tv + tr) = (25+40)/2 = 32,5oC Nhiệt dung riêng Cn = 4180,9 J/kg.oC ( Nội suy ST1_Bảng I.147/165 ) Khối lượng riêng ρn = 995,2 kg/m3 ( Nội suy ST1_ Bảng I.2/ 9 ) Độ nhớt động lực μn = 0,765.10-3 N.s/m2 ( Nội suy ST1_Bảng I.101/91 ) Hệ số dẫn nhiệt λn = 0,62 W/m.oC ( Nội suy ST1_Bảng .129/133 ) 𝐺𝑛2 =𝐷̅.𝐶𝐷.(𝑡𝐷−𝑡𝐷′)
𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1) =447,17.2726,34.(65,03−40)
4180,9.(40−25) = 486,58 (kg/h) Vận tốc thực tế của nước ở ngoài ống:
𝜈𝑛 = 4.𝐺𝑛2 𝜌𝑛.𝜋.𝑑2𝑡𝑑 = 4.486,58 995,2.𝜋.(0,42−61.0,0252).3600= 1,42.10-3 (m/s) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑛 =𝜈.𝑑𝑡𝑑.𝜌𝑛 𝜇𝑛 =5,22.10−3.√0,42−61.0,0252.995,2 0,765.10−3 = 2270,7 < 2300 ( ST2_V.36/13) → Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
𝑁𝑢 = 0,23. 𝜀𝜑. 𝑅𝑒0,65. 𝑃𝑟0,33. (𝑃𝑟
𝑃𝑟𝑡)0,25 ( ST2_V.47/18 ) Với:
𝜀𝜑: hệ số tính đến ảnh hưởng của góc 𝜃 ( giả sử 90o ) nên 𝜀𝜑 = 1.
Prn: Chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5oC, Prn = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12) Prw: Chuẩn số Prandlt của nước ứng với nhiệt độ trung bình của vách.
→ 𝑁𝑢𝑛 = 46,4
𝑃𝑟𝑤0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống: 𝛼𝑛 =𝑁𝑢𝑛.λn
𝑑ố𝑛𝑔 = 46,4.0,62
𝑃𝑟𝑤0,25.0,025=1150,72
𝑃𝑟𝑤0,25 (W/m2.oC) Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑞𝑛 = 𝛼𝑛. (𝑡𝑤2− 𝑡𝑛𝑡𝑏) =1150,72
𝑃𝑟𝑤0,25. (𝑡𝑤2− 32,5) (**) Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ở phía trong ống.
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (W/m2)
Với: tw1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu ở ngoài ống và ∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡
𝜆𝑡+ 2𝑟 Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 0,002 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ: 𝜆𝑡 = 17,5 (W/m.oK) (ST3_Bảng 28/28) Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống: r =1/5000 (m2.oK/W) (ST2_V.1/4) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2) (***)
Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm tw1 và tw2. Chọn tw1 = 41,41oC
Các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ tw1: Nhiệt dung riêng 𝐶𝑤1 = 2676,35 J/kg.oC
Độ nhớt động lực µw1= 0,442. 10−3N. s/m2
Hệ số dẫn nhiệt 𝜆𝑤1 = 0,208 𝑊/𝑚𝐾 ( nội suy ST1_ bảng I.130/134) 𝑃𝑟𝑤1 =𝜇𝑤1.𝐶𝑤1
𝜆𝑤1 =0,442.10−3.2676,35
0,208 = 5,69 ( ST2_V.35/12) Từ (*) → qD = 4710,26 (W/m2)
Xem như nhiệt mất mát không đáng kể: qt = qD = 4710,26 (W/m2) Từ (***) → tw2 = 38,99oC → twtb = (41,41+38,99)/2 = 40,2oC → Prw2 = 5,77 (ST2_V.12/12)
Từ (**) → qn = 4818,59 (W/m2)
Kiểm tra sai số: 𝜀 =|𝑞𝑛−𝑞𝐷|
𝑞𝐷 . 100% = 2,3% < 5% (thoả)
Vậy tw1 = 41,41oC và tw2 = 38,99oC
Khi đó: αn = 742,46 (W/m2.C) và αD = 422,49 (W/m2.C) Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
𝐾 = 1 1 742,46+5,14.10−4+422,491 = 198,53 (W/m2.oC) (ST2_V.8/5) Bề mặt truyền nhiệt: ( ST6_3.72/192 ) 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡 𝐾.∆𝑡̅̅̅.𝜀(1−4) = 8567,05 198,53.16,59.0,82= 6,34 m2 Chiều dài ống: 𝐿 = 𝐹𝑡𝑏 𝜋. 𝑛.(𝑑𝑛+ 𝑑𝑡𝑟)/2= 1,61 (𝑚)
Chọn chiều dài ống là 2 m, đường kính trong của vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,4 m. Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr:
𝐿 𝐷𝑡𝑟 = 2
III. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
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.
IV. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống đặt nằm ngang, gồm 6 pass phía ống và 1 pass phía vỏ. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 16x2, 61 ống. Các thơng số của ống:
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
Hơi đốt là hơi nước ở 3 at, đi trong ống 16x2. Ta được các thông số: Nhiệt hoá hơi: rnước = rn = 2171,29 kJ/kg
Nhiệt độ sôi: tnước = tn = 132,7oC Dịng nhập liệu có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): 25oC - Sau khi được đun (hơi): 82,06oC Suất lượng hơi nước cần dùng:
𝐷1 =𝑄𝐹−𝑄𝑓
0,95𝑟𝑛 = 159,29 (kg/h) Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆𝑡 ̅̅̅ =∆𝑡1−∆𝑡2 𝑙𝑛 (∆𝑡1 ∆𝑡2) =(132,7−25)−(132,7−82,06) 𝑙𝑛 (132,7−82,06132,7−25 ) = 75,62℃ (ST2_V.8/5) Hệ số truyền nhiệt: 𝐾 = 1 1 𝛼𝐹+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑛 (ST2_V.5/3) Trong đó:
𝛼𝐹: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.K) 𝛼𝑠: hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m2.K)
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
𝑞𝑡 =𝑡𝑤1−𝑡𝑤2
∑ 𝑟𝑡 (W/m2) Trong đó:
𝑡𝑤1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ 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) Suy ra: ∑ 𝑟𝑡 = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (𝑡𝑤1 − 𝑡𝑤2) (*)
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống:
Tại nhiệt độ sơi trung bình của dịng nhập liệu: tFtb = 53,53oC - Khối lượng riêng hỗn hợp: { 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙 = 761,82 𝑘𝑔/𝑚3
𝜌𝑛ướ𝑐 = 985,91 𝑘𝑔/𝑚3 1 𝜌ℎℎ = 𝑥𝐹̅̅̅̅ 𝜌𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+ 1−𝑥𝐹̅̅̅̅ 𝜌𝑛ướ𝑐 = 0,3 761,82+ 1−0,3 985,91 → 𝜌ℎℎ = 905,96 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆ℎℎ = 3,58. 10−8. 𝐶𝑝ℎℎ. 𝜌ℎℎ. √𝜌ℎℎ 𝑀ℎℎ 3 = 3,58. 10−8. 3748,87.905,96. √905,96 20,72 3 = 0,428 𝑊/𝑚𝐾 Độ nhớt của hỗn hợp: {𝜇𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙= 0,38. 10−3 N. s/𝑚2 𝜇𝑛ướ𝑐 = 0,52. 10−3 N. s/𝑚2 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 𝑥𝐹. 𝑙𝑜𝑔 µ𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙+ (1 − 𝑥𝐹). 𝑙𝑜𝑔 µ𝑛ướ𝑐 → 𝑙𝑜𝑔 µℎℎ = 0,194. 𝑙𝑜𝑔(0,38. 10−3) + (1 − 0,194). 𝑙𝑜𝑔( 0,52. 10−3) → µℎℎ= 0,489. 10−3𝑁. 𝑠/𝑚2
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: {𝐶𝑝(𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙)= 2730,89 𝐽/𝑘𝑔𝐾 𝐶𝑝(𝑛ướ𝑐) = 4185,15 𝐽/𝑘𝑔𝐾 → 𝐶𝑝ℎℎ = 𝐶𝑚𝑒𝑡ℎ𝑎𝑛𝑜𝑙. 𝑥̅̅̅ + 𝐶𝐹 𝑛ướ𝑐. (1 − 𝑥̅̅̅) = 2730,89.0,3 + 4185,15. (1 − 0,3) = 3748,87 (𝐹 J