Bài tập lớn Hóa Công II 14 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH- THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM ************************************** BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP Họ tên : Bùi Quang Trung Lớp: MSSV: 20113589 KTHH2- K56 ĐỀ BÀI Đun nóng dung dich: NaOH thiết bị gia nhiệt loại ống chùm đặt thẳng đứng với: • Năng suất thiết bị : 5,9 kg/s • Dùng nước bão hòa làm chất tải nhiệt • Dung dịch đun nóng từ nhiệt độ ban đầu 25oC đến nhiệt độ cuối nhiệt độ sôi Nồng độ dung dịch gồm 8% khối lượng • Áp suất đốt: 3,4 at Yêu cầu: Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 Vẽ sơ đồ cấu tạo giải thích nguyên tắc làm việc thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp loại ống chùm đặt thẳng đứng Hãy xác định: • Bề mặt trao đổi nhiệt • Số ống truyền nhiệt • Đường kính chiều cao thiết A LÝ THUYẾT I CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm sử dụng rộng rãi công nghiệp Hóa- Thực phẩm Thiết bị làm việc ổn định chênh lệch nhiệt độ vỏ thiết bị ống ∆t ≤ 50oC Nếu ∆t ≥ 50oC, phải tìm cách bù lại giãn nở không cách dùng vòng bù áp suất làm việc P ≥ 3,5 atm; dãn dài ≥ 10-15mm Trong tập sử dụng vòng bù nhiệt Cấu tạo: • Gồm có vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai lưới đỡ ống, ống truyền nhiệt ghép chắc, kín vào lưới ống Đáy nắp nối với vỏ mặt bích có bulông ghép Trên vỏ, nắp đáy có cửa ( ống nối ) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị cài đặt giá đỡ tai treo hàn vào vỏ Các ống lắp lưới ống cần phải kín cách nong hàn, người ta dùng đệm để ghép kín Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 - Thân thiết bị - Nắp 3- Đáy 4- Mặt bích bu lông 5- Ống truyền nhiệt 6+7- Lưới đỡ ống 8- Tai đỡ • Các ống trao đổi nhiệt bên bố trí theo hình lục giác đều, hình tròn đồng tâm, hình vuông Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 Nguyên lý làm việc Lưu thể II ( CS2 – CCl4 ) từ đáy qua ống lên khỏi thiết bị, lưu thể I (hơi nước bão hòa ) vào từ cửa trái vỏ vào khoảng trống ống vỏ, sau trao đổi nhiệt thân (hơi nước bão hòa truyền nhiệt cho hỗn hợp) phía bên phải II ƯU, NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG Ưu điểm: • Kết cấu ngắn gọn, chắn • Công nghệ chế tạo không phức tạp • Bề mặt truyền nhiệt lớn • Dễ vệ sinh, sửa chữa Nhược điểm: • Khó chế tạo vật liệu dòn • Giá thành cao Ứng dụng: • Làm bình ngưng tụ môi chất • Làm bình bốc cho máy lạnh • Làm bình lạnh A TÍNH TOÁN Chọn thông số kỹ thuật: • Chọn vật liệu thép CT3 Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 • Chiều cao ống: H = 1,5 (m ) • Chuẩn số Reynolds: Re = 11200 • Đường kính ống: d = 34x2 mm • Bề dày ống truyền nhiệt: δ = mm = 0,002 m • Nhiệt độ nước bão hòa có áp suất 3.4 at là: 136,9 oC ( nội suy từ bảng I.251 trang 315 sổ tay hóa công I) I Hiệu số nhiệt độ trung bình hai lưu thể: to o C 136,90 136,90 102,22 25 Ở 3,4 at, nước bão hòa có to = 136,9oC, ta chọn thđ= 136,9(oC) • Hiệu số nhiệt độ lớn: ∆tđ = 136,90 – 25 = 119,9(oC) • Hiệu số nhiệt độ bé: Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 o ∆tc = 136,9 – 102,22 =34,68( C) • Nhận thấy đenta (tđ/tc)=119,9/34,68>2 nên nhiệt độ trung bình hai lưu thể xác định: ∆ttb = (đt tđ – đt tc) / ln(đt tđ / đt tc ) = 68,70 (oC) Nhiệt độ trung bình lưu thể là: t1tb = 136,9 (oC) t2tb = 136,9 – 68,70 = 68,2(oC) • Tại ttb = 68,2 (oC) nội suy theo bảng I.153 trang 171 sổ tay hóa công 1: CNaOH = 3880,15 J/kg.độ → Cp = CNaOH = 3880,15 J/kg.độ II Tính nhiệt lượng trao đổi Q Q = G.Cp(tc – tđ) Trong đó: G - lưu lượng hỗn hợp ban đầu, G = 5,9 kg/s; Cp - nhiệt dung riêng hỗn hợp t2tb = 68,2 oC Với Cp = 3880,15 J/kg.độ Vậy : Q = 5,9 3880,15 (102,22 – 25) = 1767,789 (kW) III Tính hệ số cấp nhiệt cho lưu thể Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ theo công thức: Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 α1 = 2, 04 A Trong đó: r r ∆t1.H , W/m2.độ - Ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ bão hòa, J/kg; ∆t1 - Chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ đốt nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, oC; H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 1,5 m; A - số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng • Ứng với thđ = 136,9 oC nội suy ( từ bảng ghi sau ), ta có: r = 2735,66.103 J/kg Tính lần 1: giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: • Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = oC → tt1= t1tb- ∆t1= 136,9 - 2= 134,9 (oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm = (t1tb+tt1)/2= (136,9+134,9)/2 = 135,9(oC) Từ tm = 135,9 oC tra bảng ta được: A = 192,77 Vậy : Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 α1 =12152,198 W/m độ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 11200 Hệ số cấp nhiệt α tính theo công thức: 0,25  Pr  Nu = 0, 021.ε1.Re 0,8 Pr 0,43  ÷  Prt  α2 = Nu.λ d 0,25 Suy ra:  Pr  λ α = 0, 021 .ε1.Re 0,8 Pr 0,43  ÷ d  Prt  Trong : Prt- chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình tường, thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình dòng; ε1- hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số chiều dài l đường kính d ống Ta chọn d = 34x2 mm H = 1,5 m Dựa vào bảng 1.3 ta có : l 1, = = 50 → ε1 = d 0, 03 • Tính chuẩn số Pr theo công thức : Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II Pr = 14 C p µ λ Trong đó: Cp - nhiệt độ riêng hỗn hợp t1tb; μ - độ nhớt dung dịch t1tb; λ - hệ số dẫn nhiệt độ t1tb tính theo công thức: λ = ε C p ρ ρ M Trong đó: ρ - khối lượng riêng hỗn hợp, kg/m3; M - khối lượng phân tử hỗn hợp, kg/kmol; Ta có : Cp = 3880,15 J/kg độ ε - hệ số phụ thuộc mức độ liên kết chất lỏng, với chất lỏng kết hợp (dung dịch NaOH) ε kết hợp = 3,58.10-8 • Tại t2tb = 68,2 oC nội suy ta có : rôNaOH 1062,76= kg/m3 → rô =…………… =1062,76 (kg/m3 ) • Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp là: λ =…………………(công thức) = 0,557 W/m.độ Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 o Tại t2tb = 68,2 C nội suy từ…….ta có: μNaOH =0,6934.10-3 Ns/m2 μH2O = 0,4163.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μNaOH) + ( – xF ).lg(μH2O) lg(μhh) = 0,038lg(0,6934.10-3) + (1 – 0,038).lg(0,4163.10-3) → μhh = 0,424.10-3 (Ns/m2) Do đó: Pr= Cp Muy/lamđa = (3880,15.0,424.10-3 )/ 0,557 = 2,954 • Tính chuẩn số Prt : Prt = C pt µ hh λt Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 =12152,198 q1 = 24304,396 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC; ∑rt - nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II ∑r = r t t1 + 14 δ + rt λ Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở cặn bẩn hai phía tường, m2.độ/W; δ - bề dày ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = mm = 0,002 m; λ - hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép CT3 ta có λ = 46,5 W/m.độ Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn: rt1 = 1,16.10-3 , m2.độ/W rt2 = 0,464.10-3 , m2.độ/W ∑ r = 1,16.10 t −3 + 0, 002 + 0, 464.10−3 46,5 ∑rt = 1, 667.10-3 (m2.độ/W) Do đó: ∆tt = q1.∑rt= 24304,396 1,667.10-3 = 40,515 (oC) → tt2 = tt1 – ∆tt = (136,9 - 2) – 40,515 = 94,385 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 94,385- 68,2 = 26,185 (oC) Tại tt2 = 94,385 oC nội suy từ bảng …… ta có: CNaOH = 3896,912 J/kg.độ Cpt = 3896,912 (J/kg.độ) Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 o Tại tt2 = 94,385 C nội suy ta có: ρNaOH = 1046,45 kg/m3 → rô t = 1046,45 ( kg/m3) Tại tt2 = 94,385 oC nội suy ta có: μ NaOH =0,560.10-3 Ns/m2 μH2O = 0,3014 10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,038.lg(0,560.10-3) + (1 – 0,038).lg(0,3014.10-3) → μhh = 0,309.10-3 (Ns/m2) Ta được: λt = ε C pt ρt ρt M λt =0,548 (W/m2.oC) Prt = C pt µ hh λt Prt = 2,197 0,25 Vậy:  Pr  λ α = 0, 021 t ε Re0,8 Pr 0,43  ÷ d  Prt  Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 α2 = 1142,022(W/m độ) → q2 = α2.∆t2 = 1142,022 26,185 q2 = 29903,846 (W/m2) Ở ta thấy nhiệt tải riêng phía ngưng tụ q1 = 24304,396 W/m2 khác xa với nhiệt tải riêng phía hỗn hợp chảy xoáy q2 = 29903,846 W/m2 Mà toán ta xét truyền nhiệt ổn định nên q 1= q2= qtb, vậy, để tìm giá trị q tb ta phải tính lặp Tính lần2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa 0,8oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: • Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 0,8 oC → tt1= t1tb- ∆t1= 136,9- 0,8= 136,1(oC) Khi ta có nhiệt độ màng nước ngưng là: tm = (t1tb+tt1)/2= (136,9+136,1)/2 = 136,5(oC) Từ tm = 136.5oC tra bảng ta được: A = 192,95 Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 Vậy : α1 =15294,848 W/m2.độ b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Chọn Re = 11200 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 =15294,848 0,8 q1 = 12235,878(W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt Ta có ∑rt = 1,667.10-3 (m2.độ/W) Do đó: ∆tt = q1.∑rt= 12235,878 1,667.10-3 = 20,397 (oC) → tt2 = tt1 – ∆tt = (136,9 – 0,8) – 20,397= 115,703 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 115,703 – 68,2 = 47,503 (oC) Tại tt2 = 115,703 oC nội suy ta có: CNaOH = 3909,422 J/kg.độ Cpt = 3909,422 J/kg.độ Tại tt2 = 115,703 oC nội suy ta có: Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 ρ NaOH = 1031,023 kg/m →rô t = 1031,023 kg/m3 Tại tt2 = 115,703 oC nội suy ta có: μNaOH =0,514.10-3 Ns/m2 μH2O = 0,2367.10-3 Ns/m2 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,038.lg(0,514.10-3 ) + (1 – 0,038).lg(0,2367.10-3) → μhh = 0,244.10-3 (Ns/m2) Ta được: λt = ε C pt ρt ρt M λt = 0,539(W/m2.oC) Prt = C pt µ hh λt = 1,770 0,25  Pr  λ α = 0, 021 t ε Re0,8 Pr 0,43  ÷ d  Prt  Vậy: α2 = 1185,624 (W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1185,624 47,503 Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 q2 = 56320,697(W/m2) MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 Dựa vào lần tính, ta có đồ thị: ………………………………… Tính lần 3: Chênh lệch nhiệt độ màng bão hòa tính theo đồ thị 2,2 oC a) Tính hệ số cấp nhiệt cho phía nước ngưng tụ: Dựa vào đồ thị ta suy ∆t1 = 2,2 oC ta có: tt1 = t1tb- ∆t1= 136,9– 2,2 = 134,7 (oC) tm=135,8 (oC) – Từ tm = 135,8oC tra bảng ta được: A = 192,74 Vậy : Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 α1 =11864,217 (W/m độ) b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 Nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: q1 = α1.∆t1 = 11864,217 2,2 = 26101,277 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống: ∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt= 26101,277.1,667.10-3 ∆tt = 43,511 (oC) tt2 = tt1 – ∆tt = 134,7 – 43,511 = 91,189 (oC) ∆t2 = tt2 – t2tb = 91,189 – 68,2 = 22,989 (oC) Tại tt2 =91,189 oC nội suy ta có: CNaOH =3886,762 J/kg.độ → Cpt =3886,762 J/kg.độ Tại tt2 = 91,189 oC nội suy ta có: ρNaOH =1048,527 kg/m3 →rô t = 1048,527 kg/m3 Tại tt2 = 91,189 oC nội suy ta có: μNaOH =0,566.10-3 Ns/m2 μH2O =0,312.10-3 Ns/m2 Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 → lg(μhh) = xF.lg(μM) + ( – xF ).lg(μN) lg(μhh) = 0,038.lg(0,566.10-3 ) + (1 – 0,038).lg(0, 312.10-3) μhh = 0,319.10-3 (Ns/m2) → Ta được: λt = 0,548(W/m.độ) Prt = Ta có C pt µ hh λt =2,263 Vậy: α2 = 1133,603(W/m2.độ) → q2 = α2.∆t2 = 1133,603 22,989 q2 = 26060,399 (W/m2) Dựa số liệu tính toán ta có bảng số liệu: Số Phía nước ngưng tụ lần tín h Nhiệt trở hiệu t1tb tt1 ∆t1 tm α1 số nhiệt độ q1 ∆tt 1,667.10- 136,9 134,9 2 136,9 136,1 0,8 136,5 15294,848 12235,878 1,667.10- 20,397 Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 135,9 12152,198 24304,396 ∑rt 40,515 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 3 136,9 134,7 2,2 135,8 11864,217 26101,277 Số 1,667.103 43,511 Phía hỗn hợp chảy xoáy lần t2tb ∆t2 94,385 68,2 26,185 2,197 1,077 1084,555 29903,846 115,703 68,2 47,503 1,770 1,137 1125,963 56320,697 91,189 22,989 2,263 1,069 1076,559 26060,399 68,2 Prt (Pr/Prt)0,25 α2 tính tt2 q2 Từ ta có: qtb = 26080,838W/m2 • Kiểm tra sai số Epsxilon = (q2-q1)/q1 100 % = 0,157 % IV Tính bề mặt truyền nhiệt F=Q/Qtb=1767789/26080,838 = 67,781 m2 V Số ống truyền nhiệt Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II d td = 14 dt + d n 0, 03 + 0, 034 = = 0, 032 ( m ) 2 Số ống truyền nhiệt: n=F/(pi.d.H) = 67,781/ ( 3,14 0,032.1,5)=450 ( ống ) n: số ống truyền nhiệt Dựa bảng quy chuẩn chọn tổng số ống với cách xếp theo hình lục giác : n = 517 ( ống ) • Số ống cạnh hình cạnh lớn là: 12 ( ống ) • Số ống đường xuyên tâm hình cạnh là: 25 ( ống ) • Tổng số ống không kể ống hình viên phân là: 469( ống ) VI Đường kính thiết bị đun nóng D = t.( b – ) + 4.dn, m Trong : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ; dn – đường kính ống truyền nhiệt, m; b – số ống đường xuyên tâm sáu cạnh Vậy: D = 1,4.0,034.(25– ) + 4.0,034 D = 1,278 (m) Làm tròn: D = 1,3 m = 1300 mm Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 VII Tính chiều cao thiết bị Với D = 1300 mm,chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta chọn: Chiều cao nắp thiết bị: hl = ht + h Trong dựa bảng số liệu ta có: ht = 325 mm h = 25 mm Vậy chiều cao thiết bị: L = H + 2.hl = 1,5.1000 + 2.( 325+ 25 ) = 2200 mm VIII Tính lại vận tốc chia ngăn: • Xác định vận tốc thực: ωt = 4.G π d n.ρ G = 5,9 (kg/s) n = 517 ống d = 0,03 m ρ = 1048,527 kg/m3 → ωt = 0.015 (m/s) • Xác định vận tốc giả thiết: Wgt = Re.muy/(d.roo) Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 ωgt = 0,114 (m/s) Vì: ωgt − ωt 0,158 − 0, 04 100 0 = = 74, 68 0 > 0 ωgt 0,158 (Wgt-wt )/wgt.100 % = (0,114 – 0,015)/ 0,114).100% = 86,84%>5% Nên ta cần phải chia ngăn để trình cấp nhiệt chế độ xoáy • Số ngăn: Số ngăn cần thiết: m=wgt/wt = 0,114/0,015 m = 7,6 ( ngăn ) Quy chuẩn m = ( ngăn ) • Tính lại chuẩn số Reynolds: Re = 4.G 4.1,5 = = 10647, > 104 π d n1.µ 3,14.0, 03 37 0, 6467.10−3 Re=4G/(pi.d.n.muy) = 4.5,9/(3,14.0,03.(469/8) 0,319.10-3 ) = 13396,383 • Lượng cần thiết cấp cho trình: Tại nhiệt độ t = 136,9oC ta có: I1 = 2735,66.103 ( J/kg ) i2 = 576,294.103 ( J/kg ) Q = D.( I1 – i1 ) D: lượng bão hòa cần thiết Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589 Bài tập lớn Hóa Công II 14 D= 0,819 (kg/s) Vậy kích thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là: F = 67,781 (m2) – bề mặt truyền nhiệt; n = 517 ( ống ) – số ống truyền nhiệt; D = 1300 (mm) – đường kính thiết bị; H = 1250 ( mm ) – chiều cao hai mặt bích D = 0,819 ( kg ) – lượng bão hòa cấp cho trình L = 2,2 m - chiều cao thiết bị Bùi Quang Trung Lớp KTHH2-K56 MSSV: 20113589