C 1,9 2,2 3,3 3,8 4,4 6 10,3 15,5 19,5 27 33 Bảng 4.13: Hệ số cấp nhiệt của dịng nóng 1 G’N (l/p ReN PrN NuN C dtd1 (m) N (w/m.độ) N (w/m2.độ) 8 7196,81 4,19008 0,94402 2134,49 23,38 0,02 0,360 38420,8 7247,71 4,19428 0,94402 2150,51 23,55 0,358 38494,1 7397,59 4,19404 0,94402 2194,93 24,04 0,351 38521,04 7553,51 4,19495 0,94402 2241,40 24,54 0,344 38552,13 7660,98 4,19142 0,94402 2272,47 24,89 0,339 38518,37 10 9000,03 4,24827 0,94402 2685,18 29,25 0,365 49004,5 9000,03 4,24827 0,94402 2685,18 29,25 0,365 49004,5 9000,05 4,27156 0,94402 2691,50 29,25 0,367 49389,18 9000,05 4,27156 0,94402 2691,50 29,25 0,367 49389,18 9000,03 4,24827 0,94402 2685,18 29,25 0,365 49004,5 Bảng 4.14: Hệ số cấp nhiệt của dòng lạh 2 G’L (l/p) ReL PrL NuL dtd1 (m) L (w/m.độ) L (w/m2.độ) 8 40376, 66 3,30844 0,94402 8380,65 0,02 0,730 305893,9 38442, 05 3,63950 0,94402 8395,15 0,698 292990,9 36687, 05 4,00286 0,94402 8424,90 0,665 280128,1 36687, 05 4,00286 0,94402 8424,90 0,665 280128,1
36273, 48 4,09931 0,94402 8434,75 0,657 277081,8 10 43092, 39 2,9338 0,94402 8383,99 0,771 323203,1 40891, 65 3,23022 0,94402 8379,40 0,738 309200,0 38379, 97 3,63950 0,94402 8384,30 0,698 292612,3 37452, 8 3,81659 0,94402 8391,57 0,682 286152,7 37005, 55 3,90874 0,94402 8397,01 0,673 282559,5
Tính hệ số truyền nhiệt lý thuyết KL
Bảng 4.15: Hệ số truyền nhiệt dài lý thuyết KL
N (w/m2.độ L (w/m2.độ dtr (m) dng (m) inox (w/m.độ) KL (w/m.độ 38420,8 305893,9 0.017 0.021 17.5 0 12,9984 38494,1 292990,9 12,9982 38521,04 280128,1 12,9978 38552,13 280128,1 12,9979 38518,37 277081,8 12,9977 49004,5 323203,1 13,0167
49004,5 309200,0 13,0163 49389,18 292612,3 13,0163 49389,18 286152,7 13,0161 49004,5 282559,5 13,0155 Bảng 4.16: So sánh K* và KL Chảy dọc KL (w/m.độ) KL* (w/m.độ) 12,9984 865,57 12,9982 1648,15 12,9978 12,9979 3372,27 12,9977 4291,50 13,0167 929,99 13,0163 1716,43 13,0163 2330,21 13,0161 3011,79 13,0155 3759,78 4. Đồ thị
21500220002250023000235002400024500250002550026000265000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 KL (w/m.độ) KL* (w/m.độ) Chuẩn số Re Kl v à Kl * (W /m đ ộ)
Đồ thị biểu diễn Kl* và Kl theo Re kiểu chảy dọc
III. KẾT LUẬN 1. Nhận xét
- Ta thấy sai số giữa KL lí thuyết và thực tế là khá cao. Tổn thất nhiệt là tương đối lớn.
- Hệ số truyền nhiệt thực tế và lý thuyết của chảy dọc đều rất khác xa nhau. Trong bài thí nghiệm này sai số lớn.
- Trong cơng nghiệp thì người ta thường áp dụng chảy dọc vì hệ số dẫn nhiệt của nó cao hơn, tiết kiệm được diện tích và chi phí.
2. Nguyên nhân
- Do các bước tiến hành thí nghiệm chưa nhịp nhàng , các chỉ số trên máy.
- không được nhạy, dẫn đến nhiệt độ chênh lệch lớn.
- Máy đã sử dụng lâu nên có nhiều trở lực.
- Tính tốn có nhiều sai số.
3. Cách khắc phục
- Kiểm tra các van đúng theo trình tự đã hướng dẫn. Đọc các thơng số cần đo chính xác, đúng thời điểm.
IV. TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ 1. Mục tiêu bài thí nghiệm
- Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất. trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm của thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
- Vận hành được thiết bị truyền nhiệt.
- Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữa hai dịng lạnh và nóng qua vách kim loại, thiết lập cân bằng nhiệt lượng ở các chế độ chảy khác nhau.
2. Các thông số cần đo
- G’L, G’N: lưu lượng thể tích của dòng lạnh và dịng nóng (lít/phút).
- tV1, tR1: nhiệt độ vào, ra của dịng nóng (oC).
- tV2, tR2: nhiệt độ vào, ra của dịng lạnh (oC).
3. Trình tự thí nghiệm
- Chuẩn bị thí nghiệm.
- Khảo sát q trình truyền nhiệt trong ống chảy vng góc.
- Khảo sát quá trình truyền nhiệt trong ống chảy dọc.
- Ngưng - tắt máy.
4. Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống có phải là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống không?
Thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống là thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ ống.
5. Chỉ rõ đường đi của dịng nóng trong hệ thống thiết bị thí nghiệm
Nước được điện trở (A) đun nóng ở nồi đun nước nóng (B) được bơm (C) bơm lên và chảy vào V10 (chảy ngang), V11 (chảy dọc) rồi chảy qua ống trong (đi từ phải sang trái) đi ra V5-lưu lượng kế-V4 (nếu muốn đo lưu lượng) hoặc qua V6 (không đo lưu lượng) rồi chảy vào nồi đun.
Hình 4.3:Hệ thống truyền nhiệt ống lồng ống
6. Chỉ rõ đường đi của dòng lạnh trong hệ thống thiết bị thí nghiệm
Dịng lạnh qua V7 đến V8 (chảy ngang), đến V9 (chảy dọc) vào ống ngoài đi từ trái sang phải rồi ra ở V1 (nếu không đo lưu lượng), ở V3- lưu lượng kế-V2 (đo lưu lượng) rồi chảy ra ngồi.
Hình 4.4: Đường đi của dịng lạnh trong truyền nhiệt ống lồng ống
7. Ưu nhược điểm của thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống?
Ưu điểm: sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết bị.
Nhược điểm: Hiệu suất truyền nhiệt thấp.Diện tích tiếp xúc giữa lưu chất và ống nhỏ.
8. Hãy cho biết các phương thức truyền nhiệt cơ bản? Trong bài thí nghiệm này có những phương thức truyền nhiệt nào?
Các phương thức truyền nhiệt cơ bản là:
- Truyền nhiệt trực tiếp.
- Truyền nhiệt gián tiếp.
- Truyền nhiệt ổn định.
- Truyền nhiệt không ổn định.
Trong bài thí nghiệm này có phương thức truyền nhiệt gián tiếp và ổn định.
9. Vẽ và giải thích sơ đồ cơ chế truyền nhiệt giữa 2 lưu chất qua vách ngăn ở thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
Nhiệt truyền từ dòng lưu chất lạnh qua vách bằng dòng bức xạ hoặc đối lưu nhiệt trong vách ống và làm lạnh dịng nóng bên trong.
10. Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng, giải thích các thơng số và cho biết đơn vị đo của chúng
Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho 2 dịng lưu chất nóng và lạnh có dạng:
Q = G1.C1(tV1 - tR1) = G2.C2(tR2 - tV2)
Trong đó: G1, G2: lưu lượng khối lượng của dịng nóng và dịng lạnh (kg/s).
C1, C2: nhiệt dung riêng đẳng áp của nước nóng và nước lạnh (J/kg.độ).
tV1, tR1: nhiệt độ vào, ra của dịng nóng (oC). tV2, tR2: nhiệt độ vào, ra của dòng lạnh (oC).
11. Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài KL? Cơng thức tính? Giải thích các thơng số và cho biết đơn vị đo của chúng?
Ý nghĩa vật lý của hệ số truyền nhiệt dài là: cho ta biết được khả năng truyền nhiệt của lưu chất.
Hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm: Trong đó: Q: nhiệt lượng trao đổi (W hoặc j/s).
KL: hệ số truyền nhiệt dài (W/m.độ).
(: hiệu nhiệt độ logarit của hai dòng lưu chất (0C). L: chiều dài ống.
Hệ số truyền nhiệt dài lí thuyết KL
Trong đó: dtr, dng: đường kính trong và đường kính ngồi của ống
truyền nhiệt (m).
inox: hệ số dẫn nhiệt của kim loại chế tạo ống (w/m.độ). 1, 2: hệ số cấp nhiệt của dịng nước nóng, dịng nước lạnh
(w/m2.độ).
rb: hệ số nhiệt của cặn bẩn (m2.độ/w). db: đường kính lớp bẩn (m).
KL: hệ số truyền nhiệt dài (w/m.độ).
Hệ số cấp nhiệt1, 2 giữa vách ngăn và các dịng lưu chất được tính từ chuẩn số Nusselt (Nu).
12. Viết phương trình truyền nhiệt? Giải thích các thơng số và cho biết đơn vị đo của chúng?
Phương trình truyền nhiệt: dQ = k(t1 – t2)dF
Trong đó : k: hệ số truyền nhiệt (W/m2.độ).
L t Q K L L . log * ng b b tr ng inox tr L d d r d d d K . 1 ln . 2 1 . 1 2 1
t1 – t2: độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng nóng và lạnh trên bề mặt phân bố dF.
Q=
13. Ảnh hưởng của chế độ chảy đến q trình truyền nhiệt? Giải thích
- Chế độ chảy rối làm tăng khả năng truyền nhiệt vì chế độ chảy rối xảy ra khi vận tốc chảy lớn làm tăng khả năng va chạm của lưu chất lên thành ống nên khả năng truyền nhiệt lớn.
- Chế độ chảy màng tuy dịng chảy ở tốc độ tháp nhưng cõng có khả năng truyền nhiệt nhưng dòng nhiệt này được cung cấp đều lên tường theo dòng chảy.
- Chảy chuyển tiếp là chế độ chảy giao toa giữa hai chế độ chảy trên vì thề khả năng truyền nhiệt cũng nằm trong khoảng giữa của hai chế độ.
14. Phân biệt q trình truyền nhiệt ổn định và khơng ổn định
Truyền nhiệt ổn định: Truyền nhiệt ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo khơng gian mà không thay đổi theo thời gian.
Truyền nhiệt không ổn định : Truyền nhiệt khơng ổn định là q trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian
15. Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt
Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số cấp nhiệt là:
- Chế độ chảy của dịng lưu chất.
- Mơi chất.
- Nhiệt độ vách.
- Vật liệu làm ống.
- Kích thước ống.
16. So sánh hiệu quả q trình truyền nhiệt xi chiều và ngược chiều f t F k dF t k. . . .
Q trình truyền nhiệt ngược chiều có hiệu quả hơn tại vì sự trao đổi nhiệt được phân bố đều trên khắp chiều dài của thiết bị và làm cho sản phẩm có chất lượng truyền nhiệt đồng đều. Cịn truyền nhiệt xi chiều thì nhiệt truyền ở đầu vào là rất cao còn đầu ra là rất thấp nên hiệu quả kém hơn.
BÀI 5: CỘT CHÊM
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Khái niệm quá trình hấp thu
Quá trình hấp thu là q trình cho một hỗn hợp khí tiếp xúc với dung mơi lỏng nhằm mục đích hịa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng, pha khí sau hấp thu gọi là khí sạch, pha lỏng sau hấp thu gọi là dung dịch hấp thu.
Ví dụ: Ví dụ hấp thu SO2 vào nước thành dung dịch H2SO3 hoặc hấp thu SO3 vào nước để điêu chế H2SO4.
Vậy quá trình hấp thu là quá trình truyền vận cấu tử vật chất từ pha khí vào pha lỏng. Nếu quá trình xảy ra theo chiều ngược lại, nghĩa là truyền vận cấu tử vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có q trình nhả hấp thu.
2. Ứng dụng q trình hấp thu
- Cơng nghiệp thực phẩm
- Cơng nghệ hóa học
- Cơng nghệ sinh học
- Kỹ thuật mơi trường
- Ngành cơng nghiệp dầu khí
3. Phương pháp lựa chọn dung mơi hấp thu
Khi lựa chọn dung mơi cho q trình hấp thu người ta dựa vào các tính chất sau:
- Độ hịa tan chọn lọc
Đây là những tính chất chủ yếu của dung mơi, là tính chất chỉ hịa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp mà khơng hịa tan các cấu tử cịn lại hoặc hịa tan khơng đáng kể. Tổng qt, dung mơi và dung chất có bản chất hóa học tương tự nhau thì cho độ hịa tan tốt. Dung mơi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ bền hịa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để đùng lại thì phản ứng phải có tính hồn ngun.
Dung mơi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau q trình hấp thu sẽ bão hịa hơi dung mơi do đó dung mơi bị mất.
- Tính ăn mịn của dung mơi
Dung mơi nên có tính ăn mịn thấp để vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.
- Chi phí:
Dung mơi dễ tìm và rẻ tiền để sự thất thốt khơng tốn kém nhiều.
- Độ nhớt
Dung mơi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt.
- Các tính chất khác
Dung mơi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hồn ngun dung mơi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, khơng tạo kết tủa, không độc.Trong thực tế, không một dung môi nào cùng một lúc đáp ứng được tất cả các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện q trình hấp thu, Dù sao tính chất thứ nhất cũng khơng thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào.
4. Phương pháp hấp thua. Hấp thu ngược dịng a. Hấp thu ngược dịng
Pha khí là hỗn hợp khí G vào chứa nhiều chất. Trong đó:
- Các chất trơ Gtr (khơng hấp thu vào lỏng)
- Chất hấp thu vào lỏng gọi là cấu tử A
- Pha lỏng:
- Lượng dung môi gọi là L
- Cấu tử A đã có sẵn trong pha lỏng L
- Lượng dung môi trơ là Ltr là lượng dung môi tổng cộng L trừ đi lượng cấu tử A
b. Hấp thu xi dịng (khơng xét)
5. Cân bằng vật chất cho q trình hấp thua. Quá trình hấp thu ngược chiều a. Quá trình hấp thu ngược chiều
- Một số định nghĩa:
Phần mol của cấu tử i là số mol (suất lượng mol) của cấu tử i chia cho tổng số mol hỗn hợp (suất lượng mol hỗn hợp).
Phần khối lượng của cấu tử i là khối lượng (suất lượng khối lượng) của cấu tử i chia cho tổng khối lượng hỗn hợp (suất lượng khối lượng hỗn hợp).
Tỉ số mol của cấu tử i là số mol (suất lượng mol) của cấu tử i chia cho tổng số mol (suất lượng mol) trừ đi số mol (suất lượng mol) của i.
- Các đơn vị:
Suất lượng mol: mol/h; (kmol/h.m2); (mol/h.m2). Suất lượng khối lượng: kg/h; (kg/h.m2); (g/h.m2). Phần mol và tỉ số mol khơng có đơn vị.
b. Hấp thu xi dịng
6. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thu
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố có ảnh hưởng quan trọngg lên quá trình hấp thu. Chúng ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Nếu nhiệt độ tăng thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung, động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độ truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt khối lên một giới hạn nào đó thì khơng những động lưc truyền khối giảm mà ngay cả q trình cũng khơng thực hiện được. Mặt khác nhiệt độ cao cũng có ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung mơi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng).
7. Thiết bị hấp thu
Trong cơng nghiệp, thực tế sản xuất người ta có thể dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thu. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản của thiết bị vẫn là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để tăng hiệu suất của quá trình hấp thu.
8. Sơ đồ thiết bị
Hình 5.1 Sơ đồ thiết bị cột chêm
I-Máy thổi khí 1,2-Van điều chỉnh lưu lượng dịng khí II-Lưu lượng kế dịng khí 3-Van xả nước đọng trong ống khí III-Cột chêm 4,6-Van điều chỉnh lưu lượng dòng lỏng IV-Bồn chứa 5-Van tạo cột lỏng ngăn khí
V-Bơm 7-Van điều chỉnh mức nước trong cột chêm VI- Lưu lượng kế dòng lỏng 8-Van xả nhanh khi lụt cột chêm
II. THÍ NGHIỆM 1. Các bước tiến hành Cột khơ
Bước 1: Khởi động bơm, mở Vk1, tắt quạt.
Bước 2: Chỉnh VL3 đóng, điều chỉnh VL2 đóng dần, kiểm tra mực nước. Bước 3: Khóa VL4, tắt bơm
Bước 4: Bật quạt, mở dần Vk2, chỉnh VL4, VL5 Bước 5: Đọc Pck
Bước 6: Bật quạt, mở dần Vk2, đóng dần Vk1 Bước 7: Tắt quạt, mở Vk1, đóng Vk2
Cột ướt
Bước 1: Kiểm tra mực nước phải ln duy trì giữa 2 mức dấu, nếu q mức thì mở van xả.
Bước 2: Chỉnh Vk2, mở VL2 Bước 3: Đọc Pcư
Bước 4: Bật quạt, bật bơm
Lặp lại thí nghiệm tới khi kết thúc
Chỉnh VL3, VL2, VL4, VL5 Tắt bơm và quạt, mở VL2, Vk1 Xả nước
2. Số liệu thực nghiệm
Hình 5.3: Số liệu cột ướtCột khô: Cột khô: Bảng 5.1: số liệu cột khô STT Mức ∆Pck (cm H2O) Số lớn Số nhỏ 1 2 30,7 30,2 2 2,5 31 30,0 3 3 31,6 29,3 4 3,5 32,1 28,8 5 4 32,2 28,5 6 4,5 32,7 28,2 Cột ướt:
Bảng 5.2: số liệu cột ướt lưu lượng 4
STT Mức ∆Pck (cm H2O) Số lớn Số nhỏ 1 2 31,4 29,3 2 2,5 31,6 29,4 3 3 32,1 28,8 4 3,5 32,4 28,6 5 4 32,0 27,9
6 4,5 33,1 27,8
Bảng 5.3: số liệu cột ướt lưu lượng 5