Đang tải... (xem toàn văn)
Phần i quá trình và thiết bị truyền nhiệt
Phần I: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Đề số 2 Tính toán và chọn thiết bị tái đun bốc hơi (thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm, vỏ bọc có không gian bay hơi) dùng hơi nước bão hòa ở 10,23 at và 180 o C để đun sôi chất lỏng đi ra từ đáy tháp tách C 3 -C 4 (A) ở áp suất 16,5 at và nhiệt độ 98 o C. Lưu lượng (R) và thành phần (x, % mol) của sản phẩm đáy lấy ra từ lò tái đun được cho như sau: R [kg/h] x [%mol] C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 23000 2 95,5 2,5 1. Quan hệ nhiệt độ: - Diễn biến nhiệt trong hệ ngược chiều Lưu thể nóng (nước) 180 o C → 180 o C Lưu thể lạnh (C 3 -C 4 ) 110 o C ← 98 o C Δt c = 70 Δt d = 82 Quá trình bên trong ống truyền nhiệt là quá trình nước ngưng tụ tại 180 o C và áp suất 10,23at. Lưu thể nguội là dòng ra từ đáy C 3 -C 4 đi bên ngoài ống truyền nhiệt. - Nhiệt độ sôi của hỗn hợp C 3 -C 4 -C 5 gồm chủ yếu C 4 (95,5%) nên ta lấy gần đúng tại nhiệt độ sôi của C 4 H 10 là 110 o C (ngoại suy từ bảng I.207 – [3]) - Hiệu số nhiệt độ trung bình: ][ 76 2 7082 Ct o tb = + =∆ - Nhiệt độ trung bình của: o Dòng nóng : t nóng = 180 [ o C] o Dòng lạnh: t lạnh = 180 – 76 = 104 [ o C] 2. Nhiệt tải của quá trình: - C P của các cấu tử trong hỗn hợp C 3 -C 4 -C 5 là: (bảng I.176 – [3]) o C 4 H 10 = 0,549 [Kcal/kg o C] = 2300 [J/kg o C] o C 3 H 8 = 0,576 [Kcal/kg o C] = 2410 [J/kg o C] o C 5 H 12 = 0,471 [Kcal/kg o C] = 1971[J/kg o C] ][J/kg 229402501971020241095502300C o P C = ,. + ,. + ,.= - Nhiệt tải của quá trình là: Q = ∑C pi .x i .Δt.R Q = [2300.0,955.(110 – 98) + 2410.0,02.(110 – 98) + 1971.0,025.(110 – 98)].23000 Q = 633137100 [J/h] 3. Hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ: Hơi nước ngưng tụ trong ống chùm bên trong và nằm ngang chưa có nghiên cứu đầy đủ, vì vậy khi tính toán có thể sử dụng công thức sau: (V.101 – [4]) ][W/m . 04,2 2 4 1 C Ht r A o ∆ = α - Ứng với t nóng = 180 o C, ta có: (nội suy I.250 – [3]) r = 2021.10 3 [J/kg] - Chọn H = 2m - Giả sử chênh lệch nhiệt độ Δt 1 = 1 o C, khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng (lưu thể nóng) là: ( ) ][ 5,179 2 1180180 Ct o n = −+ = Ngoại suy từ số liệu trang 29 – [4], ta có A = 199 - Vậy ][W/m 12871,15 2.1 10.2021 .199.04,2 2 4 3 1 C o == α - Tổng nhiệt q 1 cho quá trình là : q 1 = α 1 . Δt 1 = 12871,15.1 = 12871,15 [W/m 2 ] 4. Hệ số cấp nhiệt cho dòng hỗn hợp C 3 -C 4 : - Chọn chế độ chảy của hỗn hợp C 3 -C 4 có Re = 10 4 – chế độ chảy xoáy. - Hệ số cấp nhiệt α 2 được tính như sau : .Nu d λ α = 2 với d = 30 × 2 mm (chọn) 250 43080 Pr Pr PrRe0210 , t ,, k ε,Nu = - Do thiếu số liệu và 1 Pr Pr 25,0 ≈ t nên ta coi 1 Pr Pr 25,0 = t để tiện cho việc tính toán. o Với H = 2m ; d = 30 × 2 mm 1 50823,58 026,0 2 =→ >==→ k d L ε (Bảng 1.3 – [1]) - Tính chuẩn số Pr ; tại t = 104 o C λ µ . Pr P C = o Tra bảng I.143 – [3], ta có : λ C4H10 = 0,09 [kcal/m.h. o C] = 0,10467 [W/m. o C] Do hỗn hợp chứa tới 95,5% C 4 H 10 nên ta coi λ = λ C4H10 o Độ nhớt hỗn hợp : ∑ ∑ = Kiii Kiiii TMx TMx µ µ Tra bảng I.110 – [3] : µ C3H8 = 0,01.10 -3 [Ns/m 2 ] µ C4H10 = 0.028.10 -3 [Ns/m 2 ] µ C5H12 = 0.07.10 -3 [Ns/m 2 ] Tra bảng PL.2 – trang 338 – [2], ta có các giá trị Kii TM của : 128 83 = HC Kii TM 157 104 = HC Kii TM 184 125 = HC Kii TM ( ) ][Ns/m 10.029,0 025,0.184955,0.15702,0.128 10.025,0.184.07,0955,0.157.028,002,0.128.01,0 23 3 − − = ++ ++ =⇒ µ µ o Vậy chuẩn số Pr bằng : 6356,0 10467,0 10.029,0.2294 Pr 3 == − - Hệ số cấp nhiệt α 2 bằng : ( ) ( ) ][W/m 26,110 6356,0.10.1.021,0. 026,0 10467,0 2 2 43,0 8,0 4 2 C o = = α α 5. Tổng nhiệt q 2 : q 2 = α 2 .Δt 2 Mặt khác, Δt 2 = t t2 – t lạnh = t t2 – 104 trong đó t t2 là nhiệt độ tường bên lưu thể lạnh : t t2 = t nóng – Δt 1 – Δt t = 180 – 1 – Δt t = 179 – Δt t Δt t là hiệu số nhiệt độ hai thành ống, được tính : Δt t = q 1 .R t R t là nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt λ δ ++= 21 RRR t R 1 = 0,725.10 -3 [m 2 . o C/W] – nhiệt trở của nước R 2 = 0,116.10 -3 [m 2 . o C/W] – nhiệt trở của hỗn hợp C 3 -C 4 ]/[m 3,16 002,0 2 WC o = λ δ – sử dụng thép X18H10T có λ = 16,3 [W/m] ; δ = 0,002 [m] → ]/.[m 10.64,9 3,16 002,0 10.725,010.116,0 2433 WCR o t −−− =++= Suy ngược lại, ta tính được q 2 : ( ) ][W/m 41,6901 10410.64,9.15,12871179.26,110 2 2 4 2 = −−= − q q 6. Sai số : %5 %5,86100. 41,6901 41,690115,12871 100. 2 21 >>= − = − = q qq ξ Ta cần giả thiết lại t 1 từ bước 3 rồi tính lặp, ta thu được bảng số liệu sau : Lần tính t nóng t t1 Δt 1 α 1 q 1 R t Δt t 1 180 179 1 12871,15 12871,15 9,64.10 -4 12,40779 2 180 179,5 0,5 15306,46 7653,23 9,64.10 -4 7,38 3 180 179,51 0,49 15383,97 7538,14 9,64.10 -4 7,27 Lần tính t t2 t lạnh Δt 2 Pr α 2 q 2 ξ 1 166,5922 104 62,59 0,6356 110,26 6901,41 7 86,5% 2 172,12 104 68,12 0,6356 110,26 7511,16 3 1,89% 3 172,24 104 68,24 0,6356 110,26 7524,5 0,18% Qua 3 lần tính ta xác định được t t1 = 179,51 [ o C] ][W/m 32,7531 2 5,752414,7538 2 2 21 = + = + = qq q tb Với sai số : ξ = 0,18% << 5% (thỏa mãn). 7. Tính bề mặt truyền nhiệt ; hệ số truyền nhiệt - Hệ số truyền nhiệt : ][W/m 02,99 10.64,9 26,110 1 97,15383 1 1 11 1 2 4 21 CK R K o t = ++ = ++ = − αα - Diện tích bề mặt truyền nhiệt : ][ 35,23 3600.32,7531 633137100 2 m q Q F tb === 8. Số ống truyền nhiệt : 133 2.028,0.14,3 35,23 === Hd F n td π [ống] Với [m] 028,0 2 03,0026,0 2 = + = + = ngoàitrong td dd d - Dựa vào bảng V.11 – [4], ta chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n = 187. o Số hình sáu cạnh là 7 o Số ống trên đường xuyên tâm : 15 o Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân : 169 o Số ống trong các hình viên phân : 18 9. Đường kính trong của thiết bị đun nóng : D = t.(b – 1) + 4d n t – bước ống ; thường lấy t = (1,2 → 1,5) d n d n – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt b – số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh. Vậy : D = 0,03.1,3.(15 – 1) + 4.0,03 D = 0,666 [m] ≈ 0,7[m] = 700 [mm] 10. Tính lại vận tốc và chia ngăn : - Xác định vận tốc thực : ρπ ω 4 2 nd R t = R = 23000 [kg/h] n – số ống d – đường kính trong của ống truyền nhiệt ρ – khối lượng riêng của hỗn hợp C 3 -C 4 - Xác định vận tốc giả thiết : ρ µ ω . .Re d gt = Re chọn = 10 4 µ – độ nhớt của hỗn hợp = 0,029.10 -3 [Ns/m 2 ] - Xét : tgt t gt t gt R nd ωω ω ω πµ ω ω <→<→ === − 1 173,0 3600 23000 .4 187.026,0.14,3.10.029,0.10 4 Re 34 Vậy ta không cần phải chia ngăn để đảm bảo quá trình chảy xoáy. 18,57722 187.026,0.14,3.10.029,0 3600 23000 .4 4 Re 3 === − nd R t πµ 11. Vậy kích thước thiết bị như sau : - Bề mặt truyền nhiệt F = 23,35 [m 2 ] - Số ống truyền nhiệt n = 187 ống - Đường kính trong của thiết bị D = 700 [mm] - Chiều cao giữa 2 mặt bích H = 2 [m]. Phần II: Quá trình và thiết bị truyền khối. Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp) chuyển khối làm việc ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hỗn hợp hai cấu tử; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hỗn hợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy. Các yêu cầu cụ thể như sau: 1- Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng [kmol/h] của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. 2- Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y. 3- Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp. 4- Xác định đường kính, số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp. 5- Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi. Số liệu ban đầu: Tháp chuyển khối loại đĩa làm việc ở áp suất khí quyển để chưng luyện hỗn hợp toluen – metylcyclohexan; đảm bảo: G F = 3000 [kg/h] – Năng suất tính theo hỗn hợp đầu a F = 30 [% khối lượng] – Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu a P = 98 [% khối lượng] – Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh a W = 2 [% khối lượng] – Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy Gọi: x F : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu [phần mol] x P : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh [phần mol] x W : nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy [phần mol] F : lưu lượng hỗn hợp đầu [kmol/h] P : lưu lượng sản phẩm đỉnh [kmol/h] W : lưu lượng sản phẩm đáy [kmol/h] Ký hiệu: Toluen : B M B = 92 [g] ; t s = 110,6 ; t nc = –94,991 Metylcyclohexan : A M A = 98 [g] ; t s = 100,9 ; t nc = –126,58 Ở đây cấu tử dễ bay hơi hơn A là Metylctclohexan. Thành phần cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Metylcyclohexan - Toluen: x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0,0 7,5 14,3 27,0 37,8 47,0 56,0 65,0 73,7 81,8 90,6 100,0 t 110, 6 109,5 5 108,5 5 106, 9 105, 6 104, 5 103,5 5 102,7 5 102,1 5 101,6 5 101, 2 100,8 5 1. Xác định nồng độ phần mol và lưu lượng [kmol/h] của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. - Phương trình cân bằng vật liệu cho cả tháp: (công thức IX.16 – [4]) F = P + W Hay G F = G P + G W (1) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: (công thức IX.17 – [4]) Fx F = Px P + Wx W G F a F = G P a P + G W a W (2) Từ (1) và (2) suy ra: FP W WF P WP F aa G aa G aa G − = − = − → [kg/h] 875 298 230 3000 = − − = − − = WP WF FP aa aa GG Từ (1) suy ra: G W = G F – G P = 3000 – 875 = 2125 [kg/h] - Nồng độ phần mol trong hỗn hợp đầu: (công thức VIII.1 – [4]) 2869,0 92 3,01 98 3,0 98 3,0 1 = − + = − + = B F A F A F F M a M a M a x [phần mol] Nồng độ phần mol trong sản phẩm đỉnh: 9787,0 92 98,01 98 98,0 98 98,0 1 = − + = − + = B P A p A P P M a M a M a x [phần mol] Nồng độ phần mol trong sản phẩm đáy: [...]... 1,00218 1,00086 T I LIỆU THAM KHẢO [1] Các quá trình, thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm – tập 3 – Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt – Phạm Xuân Toản – NXB KH&KT [2] Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm – GS.TS Nguyễn Bin – NXB KH&KT [3] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 1 – NXB KH&KT [4] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa... [kg/h] o Lượng h i i vào đoạn luyện g1: Dựa vào hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: (hệ IX.93, IX.94, IX.95 – [4]) g1 = G1 + P g1 y1 = G1 x1 + P xP g r = g r p p 1 1 (1) v i: y1 – hàm lượng h i i vào đĩa 1 của đoạn luyện [phần mol] G1 – lượng lỏng đ i v i đĩa 1 của đoạn luyện [kmol/h] r1, rp – ẩn nhiệt hoá h i của hỗn hợp h i i vào đĩa 1 và i ra kh i đỉnh tháp ở... 2 – NXB KH&KT [5] Crystallization and glass formation processes in methylcyclohexane: Vibrational dynamics as a possible molecular indicator of the liquid–glass transition – H Abramczyk and K Paradowska-Moszkowska – JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS – VOLUME 115, NUMBER 24 – 22 DECEMBER 2001 [6] Section 2 – Physical and Chemical Data, Perry's Chemical Engineers' Handbook (McGrawHill – 8thEd – 2008) ... 0,0188 [phần mol] xF = 0,02869 [phần mol] → yF* = 0,3639 (ngo i suy từ đường cân bằng) xP = 0,9000 [phần mol] Vì giả thiết l i xP nên ta ph i tính l i aP, GP, GW, MP, P và W dựa vào các công thức trên, ta có : aP = 91%, GP = 944 [kg/h], GW = 2056 [kg/h] MP = 97,4 [kg/kmol], P = 9,69 [kmol/h], W = 22,32 [kmol/h] a Chỉ số h i lưu t i thiểu Rmin: Chỉ số h i lưu t i thiểu Rmin được xác định dựa vào công... đường cân bằng) G’1 – lượng lỏng đ i v i đĩa 1’ của đoạn chưng [kmol/h] r’1, r’n – ẩn nhiệt hoá h i của hỗn hợp h i i vào đĩa 1’ và i ra kh i đoạn chưng ở đĩa n’ [kJ/kmol] - Tính r’1, r’n (trang 182 – [4]) r’1 = rA.y’1 + (1 – y’1).rB r’n = rAn.y’n + (1 – y’n).rBn v i r’n = r1; rA, rB, rAn, rBn – ẩn nhiệt hóa h i tương ứng t i đáy và t i đĩa tiếp liệu của 2 cấu tử A và B: xW = 0,0188 → tW = 110,2;... g’1 – lượng h i vào đĩa dư i cùng (đĩa 1’) của đoạn chưng [kg/h] o Xác định g’n: g’n = g1 = 117 [kmol/h] = 10965 [kg/h] o Lượng h i i vào đoạn chưng g’1: Dựa vào hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau: (hệ IX.98, IX.99, IX.100 – [4]) ′ G1′ = g1 + W ′ ′ ′ G1′ x1 = g1 y1 + W xW g ′.r ′ = g ′ r ′ = g r n n 1 1 1 1 (2) v i: y’1 = yW* = 0,0282 [phần mol] (ngo i suy đường cân... 0,754 [atm] o Hệ số Ki được tính bằng: Ki = Pi / Phệ v i Phệ = 760 [mmHg] = 1 [atm] KA = 1,01/1 = 1,01 KB = 0,754/1 = 0,754 o Tính ∑yi = ∑Ki.xi : ∑y = yAP + yBP = 1,01.0,9 + 0,754.0,1 = 0,9836 ≈ 1 Ta cần giả thiết l i nhiệt độ sao cho ∑y gần bằng 1 nhất Dựa vào cách tính trên, ta có thể tìm được nhiệt độ chính xác nhất, kết quả được tổng hợp ở bảng sau : Đỉnh tháp Đáy tháp Vị trí tiếp liệu t [oC] 101,8... tế Ntt và chiều cao cơ bản của tháp H: a Đường kính tháp D : Đường kính tháp được xác định theo công thức (IX.90 – [4]): D = 0,0188 trong đó: g tb ( ρ y ω y ) tb gtb: lượng h i trung bình i trong tháp [kg/h] ytb: tốc độ h i trung bình i trong tháp [kg/m2.s] ytb: kh i lượng riêng trung bình trong pha h i [kg/m3] Vì lượng h i và lượng lỏng thay đ i theo chiều cao của tháp và khác nhau trong m i đoạn... i trong tháp gtb bằng: g tb = 11798 + 10965 = 11381,5 [kg/h] 2 Tính ωytb và ρytb: Chọn tháp đĩa lư i, làm việc đều đặn (đường kính lỗ 2,5mm, chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa 10 – 12 mm, thiết diện tự do của đĩa 12,8%) Thường lấy tốc độ làm việc ωytb khoảng 80 – 90% tốc độ gi i hạn ωgh: (IX.111 – [4]) ωgh = 0,05 ρ xtb ρ ytb [m/s] trong đó ρytb, ρxtb là kh i lượng riêng trung bình của pha h i và. .. Chiều cao cơ bản của tháp: H = N tt ( H d + δ ) + ( 0,8 ÷ 1,0 ) [m] (IX.54 – [4]) trong đó Hd – khoảng cách giữa các mâm δ – chiều dày của mâm, chọn δ = 4 [mm] = 0,004 [m] Hd = 400 [mm] – chọn theo bảng IX.4a – [4] ứng v i đường kính tháp D = 1400 [mm] Vậy, H = 77.( 0,4 + 0,004 ) + 0,9 = 32,008 ≈ 32 [m] 5 .Nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng v i trường hợp nguyên liệu vào ở trạng th i s i: . Phần I: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Đề số 2 Tính toán và chọn thiết bị t i đun bốc h i (thiết bị trao đ i nhiệt lo i ống chùm, vỏ bọc có không gian bay h i) dùng h i nước bão. ống truyền nhiệt n = 187 ống - Đường kính trong của thiết bị D = 700 [mm] - Chiều cao giữa 2 mặt bích H = 2 [m]. Phần II: Quá trình và thiết bị truyền kh i. Tính các thông số cơ bản của thiết bị. thực tế và chiều cao cơ bản của tháp. 5- Xác định nhiệt độ đỉnh, đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng v i trường hợp nguyên liệu vào tháp ở trạng th i s i. Số liệu ban đầu: Tháp chuyển kh i lo i đĩa