GIẢI BÀI TẬP QTCĐ VÀ QTN Nhập 10 dung dịch lỗng có nồng độ x đ = 5% khối lượng vào thiết bị cô đặc chân không làm việc gián đoạn có diện tích bề mặt đun nóng 40m 2, để đặc dung dịch đến nồng độ xc = 50% khối lượng Tính: a Lượng đốt tiêu tốn (sử dụng nước bão hòa khơ có nhiệt độ 120oC) b Thời gian đặc Cho biết dung dịch đưa vào thiết bị cô đặc trạng thái sôi t đ(dd) = o 55 C; nhiệt độ cuối sản phẩm tc(dd)=95oC; nhiệt dung riêng dung dịch vào khỏi thiết bị c đ=0,965kcal/kg.độ cc=0,656kcal/kg.độ; ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa 120 oC rD=526,7kcal/kg; nhiệt hàm thứ iW=619,6kcal/kg; nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ đốt; nhiệt dung riêng nước ngưng c n≈1kcal/kg.độ; lượng nhiệt tổn thất môi trường 3% lượng nhiệt đốt cung cấp Cho hệ số truyền nhiệt K=1130W/m2.độ bỏ qua nhiệt cô đặc (Qcđ=0) Gợi ý phương pháp giải : a Lượng đốt tiêu tốn (sử dụng nước bão hòa khơ có nhiệt độ 120oC) Để tính lượng đốt tiêu tốn ta cần tính lượng thứ thoát lượng dung dịch cuối thu  x    = Gđ 1 − đ  = 100001 −  = 9000 [ kg ] xc   50   Gc = Gđ − W = 10000 − 9000 = 1000 [ kg ] W Viết phương trình cân nhiệt lượng thiết bị cô đặc theo số liệu cho để tính lượng đốt cần thiết D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± Qcđ + Qtt D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± + 0,03D.rD →D= D= D= Wi w Gđ C đ t đ Gc C c t c − + 0,97( rD − C nθ ) 0,97( rD − C nθ ) 0,97( rD − C nθ ) W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,97( rD − C nθ ) ( 9000 × 619,6) − (10000 × 0,965 × 55) + (1000 × 0,656 × 95) = 12948 [ kg ] 0,97( 526,7 − × 120) b Thời gian cô đặc Nhiệt lượng cần cung cấp cho q trình đặc gián đoạn nhiệt lượng đốt mang vào Q = D.rD = K F ∆t tb τ CD → τ CD = ∆t tb = D.rD K F ∆t tb ∆t đ − ∆t c (120 − 55) − (120 − 95) 65 − 25 = = = 41,862 o C ∆t đ 120 − 55 65 ln ln ln 120 − 95 25 ∆t c [ ] → τ CD = 12948 × 526,7 × 4,186 × 10 = 3,604 × 4,186 × 10 = 15087 [ s ] = 4,19 [ h] 1130 × 40 × 41,862 Để tính hiệu số nhiệt độ trung bình cần biết trình đặc nhiệt độ đốt khơng đổi, nhiệt độ dung dịch tăng từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối ∆t tb = ∆t đ − ∆t c (120 − 55) − (120 − 95) 65 − 25 = = = 41,862 o C ( ∆t đ 120 − 55) 65 ln ln ln (120 − 95) 25 ∆t c [ ] Hãy xác định lượng nước (D) nước bão hòa khô dùng hệ thống cô đặc nồi để cô đặc liên tục dung dịch NaOH Nhập liệu dung dịch tấn/h với nồng độ đầu 14,1% khối lượng, nồng độ cuối 24,1% khối lượng Nhiệt độ đốt 150oC, nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ đốt, nhiệt độ sản phẩm khỏi thiết bị 111oC Tổn thất nhiệt thiết bị 10% lượng nhiệt đốt cung cấp Tính cho trường hợp sau: a Dung dịch vào nhiệt độ chưa sôi 20oC b Dung dịch vào nhiệt độ sôi (bằng nhiệt độ sôi dung dịch thiết bị đến cuối q trình cơ) Cho biết nhiệt dung riêng dung dịch NaOH 14,1% 24,1% 3,8kJ/kg.độ 3,5kJ/kg.độ; ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa 150oC rD= 2753kJ/kg; nhiệt hàm thứ iW=2677kJ/kg; nhiệt dung riêng nước ngưng cn=4,32kJ/kg.độ; bỏ qua nhiệt cô đặc (Qcđ=0) Hướng dẫn: Để tính lượng đốt tiêu tốn ta cần tính lượng thứ lượng dung dịch cuối thu  x   14,1  = Gđ 1 − đ  = 20001 −  = 829,875 kg h    xc   24,1   Gc = Gđ − W = 2000 − 829,875 = 1170,125 kg   h  W Viết phương trình cân nhiệt lượng cho nồi đặc làm việc liên tục từ tính lượng đốt cần thiết D D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± Qcđ + Qtt D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± + 0,1D.rD →D= D= Wi w Gđ C đ t đ Gc C c t c − + 0,9( rD − C nθ ) 0,9( rD − C nθ ) 0,9( rD − C nθ ) W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,9( rD − C nθ ) a Dung dịch vào nhiệt độ chưa sôi 20oC D= D= W ⋅ i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,9( rD − C n θ ) ( 829,875 × 2677 ) − ( 2000 × 3,8 × 20) + (1170,125 × 3,5 × 111) = 1332,366 kg   h  0,9( 2753 − 4,32 × 150 ) b Dung dịch vào nhiệt độ sôi (bằng nhiệt độ sôi dung dịch thiết bị đến cuối trình cô) D= D= W ⋅ i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,9( rD − C n θ ) ( 829,875 × 2677 ) − ( 2000 × 3,8 × 111) + (1170,125 × 3,5 × 111) 0,9( 2753 − 4,32 × 150 ) = 967,31 kg   h  Tính lượng đốt (D) nước bão hòa khơ (có nhiệt độ t hđ=120oC) diện tích bề mặt truyền nhiệt (F) thiết bị đặc có dàn ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng để cô đặc dung dịch CaCl2 từ 15% lên 25% (theo khối lượng), nhập liệu 20000kg/h trạng thái sôi (75oC) Nhiệt độ sản phẩm khỏi TBCĐ 85oC; hệ số truyền nhiệt K=1000W/m2.độ; nhiệt tổn thất môi trường 5% so với nhiệt lượng hữu ích; bỏ qua nhiệt cô đặc (Qcđ) Biết nhiệt dung riêng dung dịch trước sau cô đặc c đ=3,56kJ/kg.độ cc=3,31kJ/kg.độ; ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa 120oC rD= 2237kJ/kg; nhiệt hàm thứ iW= 2475kJ/kg; nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ đốt; nhiệt dung riêng nước ngưng c n=4,32kJ/kg.độ; tổn thất nhiệt độ: ∆’=6,3oC; ∆’’=4,7oC ∆’’’=1oC; nhiệt độ thứ buồng bốc tsdm=72oC Hướng dẫn: Để tính lượng đốt tiêu tốn ta cần tính lượng thứ lượng dung dịch cuối thu  x   15  = Gđ 1 − đ  = 200001 −  = 8000 kg   h  xc   25   Gc = Gđ − W = 20000 − 8000 = 12000 kg   h  W Viết phương trình cân nhiệt lượng cho nồi đặc làm việc liên tục từ tính lượng đốt cần thiết D D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± Qcđ + Qtt D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± + 0,05 D.rD →D= D= D= Wi w Gđ C đ t đ Gc C c t c − + 0,95( rD − C nθ ) 0,95( rD − C nθ ) 0,95( rD − C nθ ) W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,95( rD − C nθ ) ( 8000 × 2475) − ( 20000 × 3,56 × 75) + (12000 × 3,31 × 85) 0,95( 2237 − 4,32 × 120 ) = 10924,559 kg   h  Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F theo công thức: Q , m2 k∆t D.rD 10924,559 × 2237 10 F= = ⋅ = 183,47 m k ∆t 1000 × 37 3600 Q = kF∆t → F = [ ] Trong đó: ∆t = t hđ − t stb = 120 − ( 72 + 6,3 + 4,7 ) = 120 − 83 = 37 oC Tính lượng đốt (D) nước bão hòa khơ (có nhiệt độ t hđ=120oC) diện tích bề mặt truyền nhiệt (F) thiết bị đặc có dàn ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng để cô đặc dung dịch CaCl2 từ 15% lên 25% (theo khối lượng), nhập liệu 20000kg/h trạng thái sôi (75oC) Nhiệt độ sản phẩm khỏi TBCĐ 85oC; hệ số truyền nhiệt K=1000W/m2.độ; nhiệt tổn thất mơi trường 5% so với nhiệt lượng hữu ích; bỏ qua nhiệt cô đặc (Qcđ) Biết nhiệt dung riêng dung dịch trước sau cô đặc c đ=3,56kJ/kg.độ cc=3,31kJ/kg.độ; ẩn nhiệt ngưng tụ nước bão hòa 120oC rD= 2237kJ/kg; nhiệt hàm thứ iW= 2475kJ/kg; nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ đốt; nhiệt dung riêng nước ngưng c n=4,32kJ/kg.độ; nhiệt độ sơi trung bình dung dịch ống truyền nhiệt tsdd(Ptb)= 83oC Hướng dẫn: Bài tương tự số 3, đơn giản biết nhiệt độ sơi trung bình dung dịch Để tính lượng đốt tiêu tốn ta cần tính lượng thứ lượng dung dịch cuối thu  x   15  = Gđ 1 − đ  = 200001 −  = 8000 kg   h  xc   25   Gc = Gđ − W = 2000 − 8000 = 12000 kg   h  W Viết phương trình cân nhiệt lượng cho nồi đặc làm việc liên tục từ tính lượng đốt cần thiết D D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± Qcđ + Qtt D.rD = W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c + D.C n θ ± + 0,05 D.rD →D= D= D= Wi w Gđ C đ t đ Gc C c t c − + 0,95( rD − C nθ ) 0,95( rD − C nθ ) 0,95( rD − C nθ ) W i w − Gđ C đ t đ + Gc C c t c 0,95( rD − C nθ ) ( 8000 × 2475) − ( 20000 × 3,56 × 75) + (12000 × 3,31 × 85) 0,95( 2237 − 4,32 × 120 ) = 10924,559 kg   h  Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt F theo công thức: Q , m2 k∆t D.rD 10924,559 × 2237 10 F= = ⋅ = 183,47 m k ∆t 1000 × 37 3600 Q = kF∆t → F = [ ] Trong đó: ∆t = t hđ − t stb = 120 − 83 = 37 oC Trong thiết bị trao đổi nhiệt cần làm nguội 275 kg/h chất lỏng nóng từ 1200C đến 500C, chất lỏng nóng có nhiệt dung riêng Cp1 = 3,04 kJ/kg.K Chất lỏng lạnh (chất giải nhiệt) có lưu lượng 1000 kg/h, nhiệt độ vào thiết bị 100C, nhiệt dung riêng Cp2 = 4,18 kJ/kg.K Tính diện tích truyền nhiệt thiết bị hai trường hợp: a Chất lỏng chuyển động ngược chiều b Chất lỏng chuyển động chiều Biết hệ số truyền nhiệt thiết bị K = 1160 W/m2.K Hướng dẫn giải: 1/ Tính nhiệt độ cuối chất giải nhiệt G1C1 ( t1đ − t1c ) = G2 C ( t c − t đ ) → t c = G1C1 ( t1đ − t1c ) + t 2đ G2 C 2/ Tính bề mặt trao đổi nhiệt a Chất lỏng chuyển động ngược chiều [ ] Q m2 k ∆t Q = G1C1 ( t1đ − t1c ) [ w] Q = k ∆t.F → F = ∆t tb = ∆t l − ∆t n ∆t ln l ∆t n [ k = 60 kcal [ C] o m ⋅ h⋅ o C ] b Chất lỏng chuyển động chiều: Tính tương tự, đó: ∆t tb = ∆t đ − ∆t c ∆t ln đ ∆t c [ C] o 1/ Mơi chất lạnh (hay gọi tác nhân lạnh) gì? Cho biết số mơi chất lạnh số tính chất hóa lý đặc trưng 2/ So sánh hai chu trình máy lạnh nén cấp: chu trình Các-nơ ngược chiều chu trình khô Hướng dẫn: Xem phần lý thuyết học Chu trình Carno có cơng tiêu hao nhỏ nhất, suất lạnh lớn nhất, hệ số lạnh εc lớn có nhiều nhược điểm vận hành: - Trạng thái nằm vùng ẩm, độ ẩm phải điều chỉnh cho điểm cuối trình nén rơi vào đường bão hòa khơ Điều khơng thể thực thực tế Hơn lỏng không phân bố không gian nên máy nén dễ bị va đập thủy lực - Máy giãn nở có ưu điểm sinh ngoại cơng công thu nhỏ, đủ khắc phục ma sát nó; mặt khác thiết bị cồng kềnh làm cho chi phí đầu tư tăng đáng kể Chu trình khơ giải hai nhược điểm cách cho máy nén hút bão hòa khô thay máy giãn nở thiết bị tiết lưu (mục đích giảm áp mơi chất qua khe hẹp) Máy lạnh đơn giản hơn, vận hành dễ dàng giá thành hạ Hai đặc điểm điểm ln nằm đường bảo hòa khơ (thường nhờ thiết bị tách lỏng lắp máy nén thiết bị bốc hơi) q trình tiết lưu có tổn thất khơng thuận nghịch với nhiệt độ lỏng trước van tiết lưu nhiệt độ ngưng tụ Chu trình chủ yếu sử dụng cho môi chất NH3 Việc thay máy giãn van tiết lưu không sử dụng công sinh ra, mặt khác suất lạnh q0 lại bị giảm, thực tế dùng van tiết lưu cấu tạo đơn giản so với máy giãn Cho sơ đồ chu trình máy lạnh nén sau (hình dưới): 1/ Hãy biểu diễn chu trình đồ thị lgP - h; 2/ Trình bày nguyên lý hoạt động thay đổi trạng thái môi chất chu trình 3/ Dựa vào đồ thị vẽ xác định đại lượng: suất lạnh Q 0, công tiêu tốn W hệ số lạnh ε chu trình 4/ So sánh chu trình với chu trình khơ ∆tql 3’ MN 2’ 1’ TL BH Hướng dẫn: ∆tqn