2.2. Tính toán thiết bị chính
2.2.2 Thiết bị ngưng tự cho nồi phản ứng
Ở đây ta chọn thiết bị ngưng tụ loại ống chùm có nhiều tấm ngăn, do có các ưu điểm như :
+ Cơ cấu gọn, chắc chắn +Bề mặt truyền nhiệt lớn
+ Tốn ít kim loại (tính theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt) + Dễ làm sạch phía bên trong
=> Thiết bị ngưng tụ ở đây được dùng để ngưng tụ hơi glycol bay lên trong quá trình sản xuất nhựa UPE gốc. Chọn thiết bị có các thông số:
+ Chiều cao ống truyền nhiệt: 1 = 1,5 m + Đường kính ống truyền nhiệt: d = 0,035 m + Độ dày của ống truyền nhiệt: s= 0,0025 m + Nhiệt độ ban đầu của nước làm lạnh: tđ= 25°C + Nhiệt độ của hỗn hợp ban đầu vào: thhđ= 80°C + Nhiệt độ nước làm lạnh ra khỏi thiết bị: tc= 35°C + Nhiệt độ hơi ngưng tụ: tntu= 40°C
Lượng nhiệt trao đổi Lượng nhiệt gồm 2 quá trình:
+ Ngưng tụ: lượng nhiệt trao đổi Q1
+ Làm lạnh: lượng nhiệt trao đổi Q2
=>Tổng lượng nhiệt trao đổi: Q=Q1 +Q2
+ Nhiệt ngưng tụ
Q1=Gr=G ×(0,9× rH+0,1× rG)
Trong đó: +0,9: hàm lượng của nước trong hỗn hợp đẳng phí +0,1: hàm lượng của glycol trong hỗn hợp đẳng phí +rH: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, rH = 550 kcal/kg +rG: ẩn nhiệt ngưng tụ của glycol, rG = 400 kcal/kg +G: trọng lượng chất lỏng ngưng tụ được
Ta có, lượng nước ngưng tụ được sử dụng ứng với 1 tấn sản phẩm là 200 kg
=> Lượng nước ngưng tụ ứng với 2,07 tấn sản phẩm là:
2,07×200
1 =414kg
- Có: hàm lượng của nước/glycol trong hỗn hợp đảng phí là 0,9/0,1
=> Lượng chất lỏng ngưng tụ thu được là: G= 414 +46= 460 kg
Nhiệt ngưng tụ: Q1 = Gr = 460×(0,9×550+0,1×400)= 246100 (kcal)
+ Nhiệt làm lạnh
Q2=G ×C × ∆t=G ×C ×(thhđ−tntu)
Trong đó: +G: lượng chất lỏng ngưng tụ, G= 460 kg
+C: nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng ngưng tụ, (kcal/kg.độ)
+thhđ: nhiệt độ của hỗn hợp ban đầu vào, thhđ = 80°C +tntu: nhiệt độ hơi ngưng tụ, t ntu = 40°C
- Nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng:
C=0,9×C1+0,1×C2
Trong đó:+C1: nhiệt dung riêng của nước, C1 = 1 kcal/kg.độ +C : nhiệt dung riêng của glycol, C2 = 0,45
kcal/kg.độ
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp chất lỏng:
C=0,9×C1+0,1×C2 = C=0,9×1+0,1×0,45=0,945(kcal/kg.độ) Nhiệt làm lạnh: Q2 =Q2=G ×C × ∆t=G ×C ×(thhđ−tntu)
¿460×0,945×(80−40)=17388(kcal) +Tổng lượng nhiệt trao đổi
Tổng lượng nhiệt trao đổi: Q = Q1 +Q2= 246100+ 17388 = 263488 ( kcal )
Lượng nước làm lạnh + Nhiệt trao đổi:
Q '2=Q=G ' ×Cn× ∆tn=G ' ×Cn×(tc−tđ) Trong đó:+G': lượng nước cần thiết để làm lạnh, kg
+Cn: nhiệt dung riêng của nước, Cn = 1 kcal/kg.độ +tđ: nhiệt độ đầu vào của nước làm lạnh, tđ= 25°C
+ tc: nhiệt độ nước làm lạnh ra khỏi thiết bị: tc = 35°C +Q: nhiệt làm trao đổi, Q = 263488 kcal
- Lượng nước cần thiết để làm lạnh là:
G'= Q
Cn×(tc−tđ)= 263488
1×(35−25)=26349kg
Hiệu số nhiệt độ trung bình
Ta cho hai lưu thể đi ngược chiều nhau, nước lạnh đi từ dưới lên trong không gian trong ống, hỗn hợp hơi đi từ trên xuống trong không gian ngoài ống.
Chiều đi của hai lưu thể:
Hỗn hợp hơi:80°C giảm xuống 40°C Nước làm lạnh:25°C tăng lên 35°C
∆ tlớn=80−35=45° C ∆ tbé=40−25=15° C
Xét:∆ t∆ tlớn
bé
=45 15=3>2
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là:
∆ ttb=
∆ tlớn−∆ tbé 2,3×log∆ tlớn
∆ tbé
= 45−15 2,3×log45
15
=27,34(
°C ) Hệ số cấp nhiệt
+Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ
α1=2,04× A ×√4 H × ∆r t1,(W/m2. độ)
Trong đó: +A: hệ số phụ thuốc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm
+r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp, J/kg
+H: chiều dài ống truyền nhiệt, H = l = 1,5m
+∆t1: chênh lệch nhiệt độ giữa hỗn hợp và thành ống, °C -Ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp:r=0,9× rH+0,1× rG
Trong đó:+rH: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước, rH= 550 kcal/kg +rG ẩn nhiệt ngưng tụ của glycol, rG=¿400 kcal/kg
r=0,9× rH+0,1× rG=0,9×550+0,1×400=535kcal/kg
- Giả sử nhiệt độ thành ống là tT1= 70 °C Vậy chênh lệch nhiệt độ :∆t1= 80 – 70= 10°C
- Nhiệt độ màng tm = 0,5×(tT1+thbh)(Theo sổ tay qttb2trang29) =0,5×(70+80)=75°C
Từ bảng số liệu sổ tay qttb 2 trang 29, khi tm = 60°C thì A = 155, khi tm = 80°C thi A = 169, vậy nội suy tại tm = 75°C thì giá trị A là :
A=155+169−155
80−60 ×(75−60)= 165,5
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ là:
α1=2,04× A ×√4 H × ∆r t1=2,04×165,5×4√22410××110,54= 6636,93 (W/m2. độ)
+ Hệ số cấp nhiệt phía nước làm lạnh Nu=α ×l
λ (Theo sổ tay qttb2trang11) α2=Nu× λ
l , (W/m2. độ) Trong đó: +Nu: chuẩn số Nuyxen
+λ: hệ số dẫn nhiệt của nước
+d: đường kính ống truyền nhiệt, d = 0,035m
+ Chuẩn số Reynold:
Tính chuẩn số Re, xác định chế độ chảy của nước trong ống:
ℜ=w ×l × ρ
μ (Theo sổ tay qttb2trang13) Trong đó: + w: tốc độ lỏng chảy trong ống (m/s)
+ l: kích thước hình học, đường kính tương đương của ống truyền nhiệt (m), l= d= 0,035 m
+ p: khối lượng riêng của nước ( kg/m3 ) +μ: độ nhớt động lực của nước ( N.s/m3 )
- Giả sử nước chảy trong ống truyền nhiệt là tự chảy nên w = 0,1 – 0,5 m/s ( bảng II.2 sổ tay qttb 1 trang 370 )
Chọn w= 0,5m/s
-Nhiệt độ trung bình của nước: ttb=25+35
2 =30(° C)
-Từ bảng I.5 sổ tay qttb 1 trang 11, tại ttb= 30° C ,có khối lượng riêng của nước là p= 995,68 kg/m3
-Từ Bảng I.102 sổ tay qttb 1 trang 94, tại tại ttb= 30° C ,có độ nhớt nước là μ= 0,8007×10−3 ( N.s/m3 )
Vậy chuẩn số Reynold:
ℜ=w ×l × ρ
μ =0,5×0,335×995,68
0,8007×10−3 =2,18×104>104
Chế độ chảy của nước trong ống truyền nhiệt là chế độ chảy xoáy
+ Chuẩn số Pran:
Pr=Cp× μ
λ (Theo sổ tay qttb2trang12)
Trong đó: +Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của nước tại ttb = 30°C, ( theo Bảng I.147 sổ tay qttb 1 trang 165 ), tại ttb = 30°C có Cp= 0,99866 kcal/kg.độ=4181 J/kg.độ
+ μ: độ nhớt của nước, μ = 0,8007×103 N.s/m2
+ λ: hệ số dẫn nhiệt của nước, ( theo Bảng I.129 sổ tay qttb 1 trang 133 ) có hệ số dẫn nhiệt của nước tại ttb = 30°C là λ =0,531 kcal/m.h.độ=0,618 W/m.độ
Chuẩn số Pran:
Pr=Cp× μ
λ =4181×0,8007×103
0,618 =5,42 + Chuẩn số Nuyxen:
Do chế độ chảy của chất lỏng trong ống là chế độ chảy xoáy nên có:
Nu=0,021× ε1×ℜ0,8× Pr0,43×( Pr Prt)
0,25
(Theo sổ tay qttb2trang14)
Trong đó: + Re= 2,18×104; Pr=5,4
+ε1: hiệu số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống
Do tỉ sổ dl= 1,5
0,035=43<50,ℜ>104nên từ bảng V.2 sổ tay qttb 2 trang 15 có ε1=1,02
+ Prt: chuẩn sổ Pran của hỗn hợp lỏng tính theo nhiệt độ trung bình của tường
Từ sổ tay qttb 2 trang 15, thấy chênh lệch nhiệt độ giữa tường và dòng nhỏ nên ( Pr
Prt)0,25≈1 Nu=0,021× ε1×ℜ0,8× Pr0,43×( Pr
Prt)0,25=0,021×1,02×(2,18×104)0,8×5,40,43×10,25=130,98 Hệ số cấp nhiệt phía nước làm lạnh α2 là:
α2=Nu× λ
l =130,98×0,618
0,035 =2312,73(W/m2. độ)
+Hệ số truyền nhiệt
Hệ số truyền nhiệt K được xác định theo công thức:
K= 1
1 α1+ δ
λ0+ 1 α2
(Theo sổ tay qttb2trang3)
Trong đó: + α1, α2: lần lượt là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và nước làm lạnh
α1= 6636,93 W/m2.độ; α2= 2312,73 W/m2.độ +δ: chiều dày thành ống, δ= s= 0,0025 m
+λ0: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu SUS 304, λ0 = 21,5 W/m2.độ
Hệ số truyền nhiệt:
K= 1
1 α1+ δ
λ0+ 1 α2
= 1
1
6636,93+0,0025
21,5 + 1 2312,73
=1429,92(W/m2. độ)
Bề mặt truyền nhiệt, số ống và số ngăn + Bề mặt truyền nhiệt:
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức:
F= Q
K × ∆ ttb Trong đó: + Q: nhiệt lượng trao đổi, W
Q= 263488 kcal= 827352,32 kJ; thời gian phản ứng là 6 giờ
Nên Q= 827352,32×103
6×3600 =38303,35(W)
+ K: hệ số truyền nhiệt, K= 1429,92 W/m2. độ
+ ∆ ttb: hiệu số nhiệt độ trung bình, ∆ ttb = 27,34(C)
Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F= Q
K × ∆ t = 38303,35
1429,92×27,34=0,98(m2)
+Xác định số ống, cách sắp xếp ống trong thiết bị trao đổi nhiệt
- Sổ ống của thiết bị được xác định theo công thức:
n=F f
Trong đó:+ F: tổng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, F =0,98 m2 + f: diện tích bề mặt một ống truyền nhiệt (m2), f = π × dtb×l
Với:+ l: chiều cao ống truyền nhiệt, l= 1,5m
+ dtb: đường kính trung bình của một ống truyền nhiệt (m) dtb=dn+dt
2 =0,035+(0,035+0,0025×2)
2 =0,0375m
Số ống của thiết bị là: n=F
f = 0,98
π ×0,0375×1,5=7ống
Theo bảng V.11 sổ tay qttb2 trang 48, chọn cách sắp ống theo hình sáu cạnh (lục giác), và quy chuẩn số ống của thiết bị có các số liệu:
+ Tổng số ống của thiết bị: n = 7 ống + Số hinh sáu cạnh (số vòng tròn) là 1
+Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là b = 3 ống +Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt
- Đường kính trong của thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức:
Dgn=t ×(b−1)+4× d(Theo sổ tay qttb2trang49)
Trong đó: + d: đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d =0,035 + 0,0025 ×2 = 0,04 m
+ b=3 ống
+ t: bước ống, t= (1,2÷1,5) ×d, chọn t= 1,4× d= 1,4 × 0,04 = 0,056 m
Vậy đường kính trong của thiết bị:
Dgn=t ×(b−1)+4× d=0,056×(3−1)+4×0,04=0,272(m)