L B B1 H S l A d
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 46
CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 5.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt dịng nhập liệu 5.1 Cân bằng năng lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt dịng nhập liệu
và sản phẩm đáy
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
GF.CF.(tF’ – tF) + Qng =0,5.GW.CW.(t1’ – t2’) ( IX.167, trang 198, [3]) Trong đĩ:
tF = 30 °𝐶 nhiệt độ đầu vào của dịng nhập liệu tF’: nhiệt độ dịng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt t1’ = tW = 121°𝐶 nhiệt độ đầu vào của sản phẩm đáy
Chọn t2’ = 40℃ nhiệt độ ra của sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt Nhiệt dung riêng nguyên liệu: CF = 3705 J/kg.độ
Nhiệt độ trung bình sản phẩm đáy:
Nhiệt dung riêng sản phẩm đáy: CW = 4135 J/kg.độ Chọn Qxq = 5%QW
Lưu lượng sản phẩm đáy:
𝐺𝐹. 𝐶𝐹. (𝑡𝐹′ - 𝑡F) = 0.475. 𝐺𝑊. 𝐶𝑤. (𝑡′1 - 𝑡′2)
vậy TF’=560C
5.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nĩng hỗn hợp
1/3𝑄𝐷2 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝑚𝑓 (IX.149, trang 197, [2]) (5-1)
Trong đĩ : 𝑄𝐷2 = 𝐷2. 𝜆2 = 1235,177234.2753 = 633567,5787 (kJ.h-1)
𝑄𝑚𝑓 = 0.05𝑄𝐷2
GF.CF.(tF’’ – tF’) =0.316.633567,57.103
tF’’=85 oC
5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho tồn tháp chưng cất
𝑄𝐹 + 𝑄𝐷2+ 𝑄𝑅 = 𝑄𝑦+ 𝑄𝑤+ 𝑄𝑛𝑡2+ 𝑄𝑚𝑓2 (IX.156, trang 197, [2]) (5-8)
Trong đĩ:
𝑸𝑫𝟐: nhiệt độ do dịng hơi đốt để đun sơi dung dịch trong đáy tháp
𝑄𝐷2 = 𝐷2. 𝜆2 = 𝐷2. (𝑟2+ 𝐶2. 𝑡2) (IX.157, trang 197, [2]) (5-9)
Với:
- 𝐷2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sơi dung dịch ở đáy tháp (kg.h-1) - 𝜆2: nhiệt lượng riêng của dịng hơi mang vào đáy tháp (kJ.kg-1)
CHƯƠNG 5: Cân bằng năng lượng CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
- Vì nhiệt độ sơi của hỗn hợp sản phẩm đáy là 1210C nên nhiệt độ của dịng hơi cấp nhiệt phải lớn. Chọn hơi quá nhiệt ở 2.1 at tương đương dịng hơi cấp nhiệt cĩ nhiệt độ là 150oC. Theo bảng I.254 [3] ta cĩ nhiệt lượng riêng của nước ở 1500C là 2753 KJ/Kg => 𝜆đ = 2753 KJ/Kg.
𝑸𝑹: nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp
𝑄𝑅 = 𝐷. 𝑅𝑥. 𝐶𝑅. 𝑡𝑅 (IX.158, trang 197, [2]) (5-10) Với:
- 𝐶𝑅: nhiệt dung riêng của dịng hồi lưu (J.kg-1.độ-1) - 𝑡𝑅: nhiệt độ của dịng hồi lưu ( oC)
Ở 𝑡𝑅 = 79,778 oC:
Tra bảng I.154, trang 172, [1] ⇒ 𝐶𝑅 = 3808,668 J.kg-1.độ-1
Tra bảng I.147, trang 165, [1] ⇒ 𝐶𝑁 = 4198,147 J.kg-1.độ-1 𝐶𝑅 = 𝑥𝐷. 𝐶𝑅 + (1 − 𝑥𝐷). 𝐶𝑁
𝐶𝑅 = 0,65883.3808,668 + (1 − 0,65883).4198,147 = 3941,54583(J.kg-1. 𝐶𝑜 -1)
Suy ra:
𝑄𝑅 = 15,088.43,144.1,716.79.778 = 351252,231 (kJ.h-1)
𝑸𝒚: nhiệt lượng do dịng hơi mang ra khỏi đỉnh tháp
𝑄𝑦 = 𝐷. (1 + 𝑅𝑡ℎ). 𝜆𝐷 (IX.159, [2]) (5-11)
Với 𝜆𝐷: nhiệt lượng riêng của hơi rượu ở đỉnh tháp (J.kg-1).
𝜆𝐷 = 𝜆𝑅. 𝑦∗
𝐷+ 𝜆𝑁. (1 − 𝑦∗ 𝐷)
Ở 𝑡𝐷 = 79,778 oC:
Tra bảng I.154, trang 172, [1] ⇒ 𝐶𝑅 = 3808,668 J.kg-1.độ-1
Tra bảng I.212, trang 254, [1] ⇒ 𝑟𝑅 = 845,5395kJ.kg-1
Ta cĩ:
𝜆𝑅 = 𝑟𝑅+ 𝐶𝑅. 𝑡𝑅 = 845,5395 + 3808,668.79,778 = 1159,988182 (kJ.kg-1)
𝑦∗
𝐷: phân khối lượng của dịng hơi ra khỏi đỉnh tháp
𝑦∗
𝐷 = 0,659.46
0,659.46+(1−0,659).18= 0,658875
Tra bảng I.250, trang 312, [2] ta cĩ 𝜆𝑁 = 2643 kJ.kg-1 Suy ra:
CHƯƠNG 5: Cân bằng năng lượng CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 48
𝜆𝐷 = 1159,988182.0,658875 + 2753(1 − 0,658875) = 1703,404759 (kJ.kg- 1)
𝑄𝑦 = 43,144. (1 + 1,716).1703,404759 = 3011616,754 (kJ.h-1)
𝑸𝒘: nhiệt lượng sản phẩm đáy mang ra
𝑄𝑤 = 𝑊. 𝐶𝑤. 𝑡𝑤 (IX.160, trang 197, [2]) (5-12) Trong đĩ:
𝐶𝑤: nhiệt dung riêng của dịng sản phẩm đáy (J.kg-1.độ-1)
𝑡𝑤: nhiệt độ của dịng sản phẩm đáy ( oC)
Tra bảng I.147, trang 165, [1] ở 120,7 oC ⇒ 𝐶𝑁 = J.kg-1.độ-1
Xem hỗn hợp đáy chỉ gồm nước ⇒ 𝐶𝑤 = 𝐶𝑁 = 4239,46 J.kg-1.độ-1
Suy ra: 𝑄𝑤 = 1014,845. [0,025.4178,14 + (1 − 0,025). 4241,04]. 120,787 = 519673,1654 (kJ.h-1)
𝑸𝑵𝒕𝟐: nhiệt lượng do nước ngưng ở bộ phận đun sơi hỗn hợp đáy
𝑄𝑛𝑡2 = 𝐷2. 𝐶𝑛𝑡2. 𝑡𝑛𝑡2 (IX.161, trang 198, [2]) (5-13) Với:
Tại 𝑝 = 2,088 at tương đương 𝑡𝑛𝑡2= 120,787 oC
Tra bảng I.148, trang 166, [1] ở 120,787 oC: 𝐶𝑛𝑡2 = 4,24662 kJ.kg-1.độ-1
𝑸𝒙𝒒𝟐: nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường của tồn tháp
𝑄𝑥𝑞2 = 0,05. 𝐷2. 𝑟2 (IX.162, trang 198, [2]) (5-14)
Tại 𝑡1 = 120,787 oC ta cĩ 𝑟2 = 2204.95 kJ.kg-1 (tra bảng I.212, trang 254, [1])
Cơng thức (5-8) bằng: 𝑄𝐹 + 𝐷2. 𝜆2+ 𝑄𝑅 = 𝑄𝑦+ 𝑄𝑤+ 2/3𝐷2. 𝐶𝑛𝑡2. 𝑡𝑛𝑡2+ 0,05. 𝐷2. 𝑟2 Suy ra: 𝐷2 = 3/2 𝑄𝑦+𝑄𝑤−𝑄𝑅−𝑄𝐹 𝜆2−0,05.𝑟2−𝐶𝑛𝑡2.𝑡𝑛𝑡2 𝐷2 = 3/23011616,754+519673,1654−351252,231−580658,6634 2753−0.05.2712,1018−4,24662.120,787 = 1852,75kg.h-1) 𝑄𝐷2= 𝐷2. 𝜆2 = 633567,5787 (kJ.h-1) 𝑄𝑁𝑡2 = 𝐷2. 𝐶𝑛𝑡2. 𝑡𝑛𝑡2= 167496,3199 (kJ.h-1) 𝑄𝑥𝑞2 = 0,05. 𝐷2. 𝑟2 = 3400442 (kJ.h-1)
CHƯƠNG 5: Cân bằng năng lượng CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
D × (Rth+ 1) × rD = Ghl× Cn× (t2− t1) (IX. 165 trang 198 − [4])
Với:
rD: ẩn nhiệt hĩa hơi của dịng hơi đi ra khỏi tháp. tra bảng I.212 trang 254 [3] với tD = 79.81 oC rD = 202.088 (kJ/kg).
Ghl: lượng nước cần dùng cho thiết bị ngưng tụ hồi lưu.
t1, t2: nhiệt độ của nước vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ, chọn t1 = 30oC, t2 = 40oC.
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: ttb = 35oC. Cn: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình. Tra bảng I.147 trang 165 [3] => Cn = 4180.098 (J/kg.độ).
Suất lương nước lạnh dùng ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Ghl=𝐺𝐷× (Rth+ 1) × rD
Cn× (t2− t1) (IX. 165 trang 198 − [4]) Ghl =8547,7 × (1.716 + 1) × 650,95
4180,0,98 × 10−3× (40 − 30) = 8547,7 (kg/h)
5.5 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Vì thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là dạng ngưng tụ hồn tồn nên
D × Cp × (t′ 1− t′
2) = Gll× Cn× (t2− t1) (IX. 167 trang 198 − [4])
Với:
Gll: lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ (kg/h)
t1,t2: nhiệt độ nước trước và sau khi trao đổi nhiệt lần lượt là 30,400C Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh khi chưa được làm nguội (J/kg.độ). t’1, t’2: nhiệt độ trước và sau khi sản phẩm đỉnh được làm nguội (oC).
Nhiệt độ trước và sau khi sản phẩm đỉnh được làm nguội là t’1 = 79,78oC, t’2 =
40oC
Tra I.154 trang 172 với 𝑥̅̅̅ = 0,653 [3] ở 79,78.1 𝐷 oC CR = 3979,56 (J/kg.độ). Tra I.147 trang 165 [1] ở 79,78 oC CN = 4198,13 (J/kg.độ).
CHƯƠNG 5: Cân bằng năng lượng CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 50
Suất lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh
Gll =D × Cp × (t ′ 1− t′2) Cn × (t2− t1) Gll =650,95. 4050,13 × (79,78 − 40) 4198,13. (40 − 30) = 2500.55 (kg/h)
5.6 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm mát Chipller
Gkk x Ckk× (t′3− t′4) = Gll× Cn × (t2− t1)
Với:
Gll: lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh đã qua làm mát (kg/h) t1,t2: nhiệt độ nước trước và sau khi trao đổi nhiệt lần lượt là 30,400C Cp: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh khi chưa được làm nguội (J/kg.độ). t’3, t’4: nhiệt độ khơng khí trước và sau khi làm mát lần lượt là 30,600C (oC). Nhiệt độ trước và sau khi sản phẩm đỉnh được làm nguội là t’1 = 40oC, t’2 = 30oC Ta cĩ nhiệt độ tủng bình của khơng khí là 450C.=> Ckk = 980,61 (J/kg.độ). Ta cĩ nhiệt độ tủng bình của nước là 350C.=> Cn = 4198,14 (J/kg.độ).
Gk𝑘 =G𝑖𝑖×Cp×(t2−t1)
Ckk×(t′3−t′4) =2055,55×4198,14×(40−30)
980,61.(60−30) = 3568,39 (Kg.h-1)
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 52
CHƯƠNG 6: Tính tốn thiết bị phụ 6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang
Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25 x 2, chiều dài ống
𝐿 = 1,5 (m)
Chọn nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ đầu 𝑡1 = 28 oC và nhiệt độ cuối 𝑡2 = 42 oC
Nhiệt độ trung bình trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu: 𝑡𝑡𝑏𝐷 = 35 oC
Các tính chất lý học của nước được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình 𝑡𝑡𝑏𝐷 = 35 oC:
Nhiệt dung riêng: 𝐶𝑁 = 4,1809 J.kg-1.độ-1 Khối lượng riêng: 𝜌𝑁 = 994 kg.m-3
Độ nhớt động học: 𝜇𝑁 = 0,7225.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑁 = 0,6257 W.m-1.K-1
6.1.1. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
𝐷. (𝑅𝑥 + 1). 𝑟𝐷 = 𝐺𝑁. 𝐶𝑁. (𝑡2− 𝑡1) (IX.165, trang 198, [2]) (5-15) Tra bảng I.212, trang 254, [1] ở 𝑡𝐷 = 78,2 oC ta được 𝑟𝐷 = 848,748 kJ.kg-1
⇒ 𝐺𝑁 =𝐷.(𝑅𝑥+1).𝑟𝐷
𝐶𝑁.(𝑡2−𝑡1) =42,696.7,202.(1,714+1).848,748
4,1809.(42−28) = 12101,274 (kg.h-1)
⇒ 𝐺𝑁 = 3,361 (kg.s-1)
Nhiệt lượng dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
𝑄𝑛𝑡𝐷 = 𝐺𝑁. 𝐶𝑁. (𝑡2− 𝑡1) = 12101,274.4,1809. (42 − 28) = 708319030,5
(kJ.h-1)
Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡𝐷
𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔 (V.1, trang 3, [2]) (5-16) Với:
- 𝐾: hệ số truyền nhiệt
- 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈: nhiệt độ trung bình logarit Xác định 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−𝛥𝑡2 𝑙𝑛𝛥𝑡1 𝛥𝑡2 (78,2−28)−(78,2−42) 𝑙𝑛(78,2−28) (78,2−42) (oC) (V.8, trang 5, [2]) Xác định hệ số truyền nhiệt K: 𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑅 (W.m-2.độ-1) (V.5, trang 4, [2]) (5-17) Với:
𝛼𝑁: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W.m-2.độ-1)
𝛼𝑅: hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ (W.m-2.độ-1)
∑ 𝑟𝑡: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu
6.1.2. Xác định hệ số cấp nhiệt của nước trong ống
Chọn vận tốc nước đi trong ống: 𝑣𝑁 = 0.8 m.s-1
Số ống trong một đường nước:
𝑛 = 𝐺𝑁 𝜌𝑁. 4 𝜋.𝑑𝑣2.𝑣𝑁=3,361 994 . 4 𝜋.0,0212.0,8= 12 (ống) Chuẩn số Reynolds: 𝑅𝑒𝑁 =𝑣𝑁.𝑑𝑣.𝜌𝑁 𝜇𝑁 =0,8.0,021.994 0,7225.10−3 = 23113,08 > 104 (chế độ chảy rối) Cơng thức xác định chuẩn số Nusselt:
𝑁𝑢𝑁 = 0,021. 𝜀1. 𝑅𝑒𝑁0,8. 𝑃𝑟𝑁0,43. (𝑃𝑟𝑁
𝑃𝑟𝑤 )0,25 (V.40, trang 14, [2]) (5-18)
Trong đĩ:
𝜀1: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào ReN và tỉ lệ chiều dài ống với đường kính ống.
𝑅𝑒𝑁 = 23113,08 và 𝐿
𝑑𝑣= 1,5
0,021 = 71,43 > 50 ⇒ 𝜀1 = 1 (bảng V.2, trang 15, [2]) 𝑃𝑟𝑁 : chuẩn số Prandlt của nước ở 35 oC nên 𝑃𝑟𝑁 = 4,9 (I.249, trang 310, [1])
- 𝑃𝑟𝑤 : chuẩn số Pandlt của nước tính theo nhiệt độ trung bình của vách Suy ra: 𝑁𝑢𝑁 = 0,021 ⋅ 1 ⋅ 2311,080,8 ⋅ 4, 90,43 ⋅ ( 4,9
𝑃𝑟𝑤 )0,25 = 191,707
𝑃𝑟𝑤0,25 Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
𝛼𝑁 =𝑁𝑢𝑁.𝜆𝑁
𝑑𝑣 =191,707.0,6257
𝑃𝑟𝑤0,25.0,021 =5711,956
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 54
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
𝑞𝑁 = 𝛼𝑁. (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 5711,956
𝑃𝑟𝑤0,25 ⋅ (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) (5-19) 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 (5-20)
Trong đĩ:
- 𝑡𝑤1: nhiệt độ vách tiếp xúc với rượu (ngồi ống)
∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡
𝜆𝑡+ 𝑟1+ 𝑟2 (5-21)
Bề dày thành ống: 𝛿𝑡 = 2 mm = 0,002 m
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ: 𝜆𝑡 = 16,3 W.m-2.K-1 (XII.7, trang 313, [2]) - Nhiệt trở lớp bẩn trong nước với nước sạch: 𝑟1 = 1
5000 m2.độ.m-1 - Nhiệt trở lớp cấu tử sản phẩm đỉnh với tường ngồi ống: 𝑟2 = 1
5000 m2.độ.m- 1 ⇒ ∑ 𝑟𝑡 =𝛿𝑡 𝜆𝑡 + 𝑟1+ 𝑟2 =0,002 16,3 + 1 5000+ 1 5000 = 5,227.10−4 (m2.độ.W-1) Vậy: 𝑞𝑡 = 𝑡𝑤1−𝑡𝑤2 5,227.10−4 (5-22)
6.1.3. Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ
Đặt: 𝐴 = 0,725. √𝑟𝑅.𝜆𝑅3.𝜌𝑅2 𝜇𝑅.𝑑𝑛𝑔 4 với 𝑅𝑅 = [J.kg-1] 𝛼𝑅 = 0,725. √ 𝑟𝑅.𝜆𝑅3.𝜌𝑅2 𝜇𝑅.(𝑡𝐷−𝑡𝑤1).𝑑𝑛𝑔 4 = 𝐴 (78,2−𝑡𝑤1)0,25 (5-23) Nhiệt tải ngồi thành ống:
𝑞𝑅 = 𝛼𝑅. (78,2 − 𝑡𝑤1)0,75 (W.m-2) (5-24)
Từ (5-19), (5-22), (5-24) sử dụng phương pháp lặp để xác định 𝑡𝑤1, 𝑡𝑤2. Chọn 𝑡𝑤1 = 55,8 oC
Các tính chất lý học của rượu ngưng tụ được tra ở tài liệu tham khảo [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
𝑡𝑡𝑏𝐷 =𝑡𝐷+𝑡𝑤1
2 =78,2+55,8
2 = 67 oC
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
Khối lượng riêng (bảng I.2, trang 9, [1]): 𝜌𝑅 = 762,363 kg.m-3
Độ nhớt động học (bảng I.101, trang 91, [1]): 𝜇𝑅 = 0,5364.10−3 N.s.m-2
Hệ số dẫn nhiệt (bảng I.130, trang 134, [1]): 𝜆𝑅 = 0,164 W.m-1.K-1
Khi đĩ: 𝐴 = 0,725. √892,722.0,1643.762,3632 0,5364.10−3.0,025 4 = 2620,437 Từ (5-5) ta cĩ: 𝑞𝑅 = 2620,437. (78,2 − 55,8)0,75 = 26981,105 (W.m-2)
Xem nhiệt tải mất mát là khơng đáng kể: 𝑞𝑅 = 𝑞𝑡 = 26981,105 (W.m-2) Từ (5-22) ta cĩ: 𝑡𝑤2 = 𝑡𝑤1− 𝑞𝑡. 5,227.10−4 = 55,8 − 26981,105.5,227.10−4 = 41,7 oC Suy ra: 𝑡𝑡𝑏𝑊 =𝑡𝑤1+𝑡𝑤2 2 =55,8+41,7 2 = 48,8 oC Tra bảng I.249, trang 310, [1]: 𝑃𝑟𝑤 = 3,641
Từ (5-19) ta cĩ:
𝑞𝑁 =5711,956
𝑃𝑟𝑤0,25 . (𝑡𝑤2− 𝑡𝑡𝑏𝑁) = 27704,766 (W.m-2) Kiểm tra sai số:
𝜀 = |𝑞𝑁−𝑞𝑅|
𝑞𝑅 =|27704,766−26981,105|
26981,105 ⋅ 100 = 2,68% < 5% (thỏa điều kiện)
Vậy: 𝑡𝑤1 = 55,8 oC và 𝑡𝑤2 = 41,7 oC Khi đĩ: 𝛼𝑁 =5711,956 𝑃𝑟𝑤0,25 =5711,956 3,6410,25 = 4135,04 (W.m-2.độ-1) 𝛼𝑅 = 𝐴 (78,2−𝑡𝑤1)0,25 = 2620,437 (78,2−55,8)0,25 = 1204,514 (W.m-2.độ-1) Hệ số truyền nhiệt: 𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝑅 = 1 1 4135,04+5,227.10−4+1204,5141 = 627,059 (W.m-2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡𝐷
𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔3600.627,059.43708319030,5 (m2) Chiều dài ống truyền nhiệt:
𝐿′ = 7,328
𝜋.12.0,025+0,0212 = 8,456 (m)
So với 𝐿 = 1,5 m thì số đường nước là 𝐿′
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
SVTH: Phạm Văn Tín Trang 56
Khi đĩ số ống tăng lên 6 lần: 𝑛 = 12.6 = 72 ống nên chọn n = 91 ống
Kiểm tra hệ số cấp nhiệt của ethanol khi cĩ kể để sự ảnh hưởng của sự sắp xếp, bố trí ống. Chọn cách sắp xếp ống xen kẻ, bố trí theo dạng lục giác đều, ta sắp xếp được 11 hàng.
Số ống trung bình trong một hàng: 91
11= 8 (ống)
Tra hình V.20, trang 30, [2] ta được 𝜀𝑡𝑏 = 0,65
Khi đĩ: 𝛼𝑅 = 0,65.1204,514 = 782,934 (W.m-2.độ-1)
Tính lại hệ số truyền nhiệt K, ta cĩ 𝐾 = 489,768 (W.m-2.độ-1) Bề mặt truyền nhiệt trung bình:
𝐹𝑡𝑏 = 708319030,5
3600.489,768.43= 9,382 (m2) Khi đĩ chiều dài ống truyền nhiệt:
𝐿′ = 9,382
𝜋.91.0,025+0,0212 = 1,43 < 1,5 (thỏa điều kiện)
Vậy thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống gồm n = 91 ống và 𝐿 = 1,5 m.
Ống được bố trí theo hình lục giác đều, nên ta cĩ số ống trên đường chéo hình lục giác: b = 11 ống. Chọn bước ngang giữa hai ống: 𝑡 = 1,2. 𝑑𝑛𝑔 = 0,03 m (trang 49,
[2]).
Đường kính vỏ thiết bị:
𝐷𝑣 = 𝑡. (𝑏 − 1) + 4. 𝑑𝑛𝑔 = 0,03. (11 − 1) + 4.0,025 = 0,4 m (V.140, trang 49, [2])
Bảng 6-1: Tĩm tắt thơng số thiết bị làm ngưng tụ sản phẩm đỉnh
`Thơng số Kí hiệu Giá trị
Loại thiết bị Vỏ-ống
Đường kính ngồi của ống dng 25 mm
Bề dày ống 2 mm
Chiều dài ống L 1,5 m
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh
`Thơng số Kí hiệu Giá trị
Hệ số truyền nhiệt K 627,059 W.m-2.độ-1
Bề mặt truyền nhiệt trung bình Ftb 7,328 m2 Đường kính vỏ thiết bị Dv 0,4 m
6.2 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 X18H10T, kích thước ống trong: 10 x 16 và kích thước ống ngồi là 20 x 2.
Chọn:
- Nước làm lạnh đi trong ống 10 x 16 (ống trong) với nhiệt độ đầu 𝑡1 = 40
oC, nhiệt độ cuối 𝑡2 = 50 oC.
- 𝑡𝐷 = 79,78 oC, nhiệt độ cuối 𝑡𝐷′ = 35 oC.
Các tính chất lý học của nước làm lạnh được tra tài liệu [1] ứng với nhiệt độ trung bình:
𝑡𝑡𝑏𝑁 =𝑡1+𝑡2
2 =40+50
2 = 45 oC
- Nhiệt dung riêng: 𝐶𝑁 = 4,185 kJ.kg-1.độ-1 (I.147, trang 156, [1]) - Khối lượng riêng: 𝜌𝑁 = 989,95 kg.m-3 (I.5, trang 11, [1])
- Độ nhớt động học: 𝜇𝑁 = 0,83.10−3 N.s.m-2 (I.102, trang 94, [1]) - Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝑁 = 0,6454 W.m-1.độ-1 (I.129, trang 133, [1]) Các thơng số của dịng sản phẩm đỉnh ứng với:
𝑡𝑡𝑏𝐷 =𝑡𝐷+𝑡𝐷′
2 =78,78+50
2 = 57,389 oC
- Nhiệt dung riêng: 𝐶𝐷 = 3,487 kJ.kg-1.độ-1 (bảng I.154, trang 172, [1]) - Khối lượng riêng: 𝜌𝐷 = 777,01 kg.m-3 (bảng I.2, trang 9, [1])
- Độ nhớt động học: 𝜇𝐷 = 0,67.10−3 N.s.m-2 (bảng I.101, trang 91, [1]) - Hệ số dẫn nhiệt: 𝜆𝐷 = 0,164 W.m-1.độ-1 (bảng I.130, trang 134, [1])
6.2.1. Suất lượng hơi dùng để làm mát sản phẩm đỉnh
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
𝐺𝐷 = 𝐷. 𝑀𝐷 = 0,18kg.s-1
Lượng nhiệt cần tải:
𝑄𝑡 = 𝐺𝐷. 𝐶𝐷. (𝑡𝐷 − 𝑡𝐷′) = 0,18.3,48. (78,78 − 50) = 28,23 (kJ.s-1) Suất lượng nước cần dùng:
CHƯƠNG 6: Tính Tốn thiết bị phụ CBHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh SVTH: Phạm Văn Tín Trang 58 𝐺𝑁 = 𝑄𝑡 𝐶𝑁.(𝑡2−𝑡1)= 28,23 4,185.(50−40)= 0,67 (kg.s-1) 6.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phương trình truyền nhiệt: 𝐹𝑡𝑏 = 𝑄𝑛𝑡𝐷
𝐾.𝛥𝑡𝑙𝑜𝑔 (V.1, trang 3, [2]) Với:
- 𝐾: hệ số truyền nhiệt
- 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈: nhiệt độ trung bình logarit
Xác định 𝜟𝒕𝒍𝒐𝒈:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
𝛥𝑡𝛥𝑡1−𝛥𝑡2 𝑙𝑛𝛥𝑡1 𝛥𝑡2 (79,78−50)−(40−35) 𝑙𝑛(78−50) (40−35) = 13,88 oK (V.8, trang 5, [2]) Xác định hệ số truyền nhiệt K: 𝐾 = 1 1 𝛼𝑁+∑ 𝑟𝑡+ 1 𝛼𝐷 (W.m-2.K-1) (V.5, trang 4, [2]) Với:
𝛼𝑁: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống W.m-2.K-1