CHƯƠNG 4 : TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
4.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
4.1.1. Nhiệt lượng ngưng tụ do hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ thành lỏng (Qnt )
-Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hồn tồn thành lỏng: Qnt = GP(R+1)rP (J/h)
-Ẩn nhiệt hố hơi của sản phẩm đỉnh (rP ), ở tP = 78,68oC: (Bảng I.212,
T254 [1])
Ẩn nhiệt hố hơi của etanol: rA = 847,944*103(J/kg).
Ẩn nhiệt hố hơi của nước: rB = 2345,947*103 (J/kg).
⇒ rP = rA + (1 – aP)rB = 847,944*103*0,9 + 2345,947*103*0,1 = 997,744*103 (J/kg).
⇒ Qnt = 275*(3,302+1)* 997,744*103 = 1180,381*106 (J/h).
4.1.2. Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ – ống loại đặt nằm ngang4.1.3. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T 4.1.3. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T
- Kích thước ống: 38x3 (mm), L=2 (m).
- Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m). - Bề dày ống: = 3 (mm) = 0,003 (m).
- Đường kính trong dtr = 0,032 (m).
4.1.4. Chọn nước làm lạnh đi trong ống với
- Nhiệt độ đầu: t1 = 30oC. - Nhiệt độ cuối: t2 = 45oC.
4.1.5. Các tính chất lý học của nước làm lạnh
- Được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình: ttbN = = 37,50C
Nhiệt dung riêng: cN = 4181,04 (J/kg.độ).
Khối lượng riêng: N = 992,75 (Kg/m3).
Hệ số dẫn nhiệt: N = 0,636 (W/m.độ).
4.1.6. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Gn = = 5,228 (Kg/s)
4.1.7. Xác định bề mặt truyền nhiệt
-Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: Ftb = (1)
Trong đĩ:
K : hệ số truyền nhiệt.
tlog: nhiệt độ trung bình logarit. Xác định tlog :
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: = 40,7210C.
Xác định hệ số truyền nhiệt K: Được tính theo cơng thức: K = (W/m2.độ) (2) Với:
N: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2độ). ngưng: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W/m2độ). rt : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu cặn.
Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
Chọn vận tốc nước đi trong ống: vN = 0,5 (m/s).
Số ống trong một đường nước: n = = 13,095.
Vận tốc thực của nước đi trong ống: Vn = = 0,218 (m/s).
Chuẩn số Reynolds:
Ren = = 10007,838 >104 .
⇒ Ren >104 nên đây là chế độ chảy xốy.
Cơng thức xác định chuẩn số Nusselt cĩ dạng NuN = 0,021.ε1.Ren0,8 PrN0,43.()0,25 Trong đĩ:
ε1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào Ren và tỷ lệ chiều dài ống với đường kín ống. (Bảng 3,1, T110, [3])
Ren = 10007,838 và . = 62,5 > 50, nên ε1 = 1
Prn = = = 4,5
⇒ NuN = 0,021*1*10007,8380,8*4,50,430,25 =
Hệ số cấp nhiệt của Etanol đi trong ống trong: αn =
qN = (tw2 – ttbN) = ( tw2 – 37,5) (3) Với:
tw2 : nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước (trong ống).
Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu: qt = (W/m2) Trong đĩ:
tw1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với etanol (ngồi ống).
+ r2 (bề dày thành ống: t = 3 mm).
Nước đi trong ống nên nhiệt độ của lớp cặn bẩn bám ở hai bên tường ống xem như khơng đáng kể, cĩ thể bỏ qua.
⇒ = 1,84*10-4 (m2.độ/W).
⇒ qt = (4)
Trong đĩ:
Đặt A =
Ẩn nhiệt ngưng tụ: rngung = rP = 997,744*103 (J/kg).
Nhiệt tải ngồi thành ống:
qP = P(78,68 - tw1) = A(78,68 - tw1)0,75 (5) Từ (3), (4), (5) ta dùng phương pháp lặp để xác định tw1, tw2 : Chọn: tw1 = 73,68oC.
-Các tính chất lý học của hỗn hợp etanol - nước ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
ttbP = = 76,180C.
-Khối lượng riêng: P= 785,862(Kg/m3).
-Độ nhớt động lực: P = 4,976*10-4 (N.s/m2).
- Hệ số dẫn nhiệt: P = 0,407(W/mđộ). ⇒ A = 0,752 = 5181,484.
Từ (5) ta cĩ qP = 5181,484(78,68 – 73,68)0,75 = 30588,179 (W/m2). Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: qt = qP =30588,179 (W/m2). Từ (4) ta cĩ tw2 = tw1 - = 73,68 – 1,84*10-4*30588,179 = 68,0520C. Tra tốn đồ (Hình V.12, T12 [2]) được: Prw = 13
qN = (68,052 – 37,5) = 29712,699 (W/m2). Kiểm tra sai số:
= 2,946 < 5% (thỏa).
Vậy: tw1 = 73,68oC và tw2 = 68,052oC. Khi đĩ: = 969,389 (W/m2.độ). ⇒ = 3465,067 (W/m2.độ). Từ (2) ⇒ K == 664,817 (W/m2.độ).
Từ (1) ta cĩ bề mặt truyền nhiệt trung bình: Ftb = = 12,112 (m2).
Vậy chiều dài ống truyền nhiệt : L’ = = 3,672 (m). So với L = 2(m) thì số đường nước là: = 1,836 2 (đường nước). Chọn số đường nước là 2.
Khi đĩ số ống tăng lên 2 lần: n = 30*2 = 60 (ống). Dựa vào (Bảng V.II, T48) Chọn n = 61(ống).
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh khi cĩ kể đến sự ảnh hưởng của sự sắp sếp, bố trí ống. Chọn cách xếp ống thẳng hàng, bố trí theo dạng lục giác đều,vậy với 61 ống thì ta sếp được 9 hàng.
Số ống trung bình trong 1 hàng: = 6,778. Tra tài liệu tham khảo [2], ta cĩ tb = 0,6.
⇒ P = 0,6*5181,484= 3108,89 (W/m2độ).
Tính lại hệ số truyền nhiệt K từ CT (2), ta cĩ: K = 664,817 (W/m2.độ). ⇒ Bề mặt trung bình: Ftb = = 12,112 (m2).
⇒ Chiều dài ống truyền nhiệt:
L’ = = 1,806m < 2m (thỏa). Vậy:
- Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ – ống gồm n = 61(ống), dài L = 2(m).
- Ống được bố trí theo hình lục giác đều nên ta cĩ số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 9(ống).
- Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,5dng = 1,5*0,038 = 0,057 (m).
- Đường kính vỏ thiết bị: Dv =t(b-1)+4dng = 0,057(9-1) +4*0,038= 0,608(m).
⇒ Chọn Dv = 0,7 (m).