thiết bị trao đổi nhiệt

63 47 0
  • Loading ...
1/63 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/04/2018, 16:38

I. Đặt vấn đềTrong ngành công nghệ hóa học, thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều quá trình như hấp thu, chưng cất, chế biến khí…Thiết bị trao đổi nhiệt là những thiết bị (cụm thiết bị) được dùng để trao đổi nhiệt giữa hai dòng quá trình (process stream), hoặc giữa dòng quá trình và dòng hữu ích (utility stream) (có thể là nước, không khí hoặc một loại môi chất lạnh nào đó), hoặc để đun nóng (hay làm nguội) một dòng quá trình đơn giản nào đó. Thiết bị trao đổi nhiệt được mô phỏng trong PROII sử dụng một trong 4 dạng cơ bản sau: Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX)Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX)Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX)Thiết bị trao đổi nhiệt dùng không khí làm mát (Air Cooled HX).Mục tiêu của báo cáo là phân tích ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản trong các trường hợp cụ thể, từ đó đề ra phương pháp sử dụng thiết bị trong thực tế.II. Giới thiệu chung1 Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX)Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản trong PROII được dùng để mô phỏng sự truyềnnhiệt giữa hai dòng quá trình, giữa dòng quá trình và dòng chức năng, hoặc để đun nóng hay làm nguội một dòng quá trình đơn giản nào đó. Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản không đánh giá các thông số phức tạp, như độ tổn thất áp suất, hệ số truyền nhiệt phía ống và phía vỏ, …Phương trình truyền nhiệt cơ bản: (2.1)Trong đó:Q : năng suất nhiệt tổng cộng , WhUom : hệ số truyền nhiệt tổng quát trung bình , Wh.m2.KAom : diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2ΔTm : chênh lệch nhiệt độ trung bình , KKhi có sự trao đổi nhiệt giữa hai dòng chuyển động ngược chiều thì ΔTm trở thành: (2.2)Nếu 2 dòng chuyển động xuôi chiều thì ΔTm trở thành: (2.3) Ngoài ra, khi thực hiện qúa trình trao đổi nhiệt, theo định luật bảo toàn năng lượng thì: Trong đó: Q1 là nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra ; WhQ2 là nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào ; WhQ là nhiệt lượng trao đổi tổng; Wh2 Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX)a) Giới thiệu:Rigorous HX dùng để mô phỏng hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống khi xử lý với dòng một pha:dòng hơi hoặc lỏng.Tuy nhiên, các cân bằng pha giữa lỏnghơi (hai pha) hay hơilỏnglỏng (ba pha) cũng được hỗ trợ. Ở đây, hệ số truyền nhiệt vỏống, độ hụt áp suất và các yếu tố gây cáu bẩn cũng được xét đến.Hệ thống thiết bị có thể có nhiều vỏ được sắp xếp nối tiếp, song song hoặc vừa nốitiếpsong song. Tất cả vỏ đều có hình dạng giống nhau.b ) Tính toán truyền nhiệtHệ số truyền nhiệt của hai pha có thể được xác định bằng một trong hai phương pháp:Phương pháp Modified Chen Vaporization.Phương pháp HEX5.Trong đó, phương pháp Modified Chen Vaporization được PROII sử dụng.Phía vỏ:Hệ số truyền nhiệt được tính theo các quan hệ: Trong đó:W=lưu lượng khối lượng dòng chảy trong vỏL=chiều dài đặc trưng của vỏ.C=nhiệt dung riêng củalưu chất.F=độ rỗng của vỏ.Ds=đường kính trong của vỏ.Lb=khoảng cách mỗi vách ngăn trong vỏ.μb= độ nhớt tại nhiệt độ trung bình.k= hệ số dẫn nhiệt của vỏ.Hideal=hệ số truyền nhiệt chung của vỏ trong trường hợp lý tưởng không rò rỉ.Để tính h khi kể đến sự rò rỉ dòng chảy thì phải theo phương pháp BellDelaware với các hệ số hiệu chính:h=hidealJc.Jl.Jb.JsJrVới: Jc= hệ số hiệu chỉnh đối với khoảng cách giữa các tấm ngăn.Jl= hệ số hiệu chỉnh đối với sự rò rỉ ở tấm ngăn.Jb= hệ số hiệu chỉnh khi dòng chảy chảy qua các chặng của chùm ốngJs= hệ số hiệu chỉnh đối với khoảng cách tấm ngăn phía trong và ngoài vỏJr= hệ số hiệu chỉnh đối với sự tổ hợp các vec tơ gradient nhiệt.Phía ống:Đối với dòng chảy tầng trong ống tròn, hệ số truyền nhiệt của ống xác định theophương trình SiederTate : Trong đó:μw: độ nhớt lưu chất tại nhiệt độ thành ống.L: chiều dài ống.D: đường kính hiệu dụng của ống.W: lưu lượng khối lượng của dòng trong ống.c)Yếu tố bẩn do cáu cặn (fouling factors):Trong hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt, lớp cáu cặn khi thành ống bị bào mòn hoặc bị các hydrat của dòng chảy bám vào sẽ ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt (tạo ra nhiệt trở) cũng như tổn thất áp suất (tạo ra trở áp). Nhiệt trở này không thể tính chính xác bằng phương pháp phân tích được mà phải dựa vào các thiết bị tiêu chuẩn mà suy ra, ví dụ trong Perry’s handbook . Đối với trở áp, ProII có thể xác định khi người dùng cung cấp bề dày của lớp cặn.3 Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX)Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng dùng để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa một số dòng nóng và một số dòng lạnh xác định. Thiết bị được chia thành các vùng nhỏ hơn để thực hiện trao đổi nhiệt, được gọi là cell. Nguyên tắc làm việc của thiết bị này dựa theo định luật bảo toàn năng lượng: Trong đó:Q1: nhiệt lượng do tất cả các dòng nóng tỏa ra (được quy ước là âm); WhQ2: nhiệt lượng do tất cả các dòng lạnh thu vào (được quy ước là dương); WhQ: nhiệt lượng trao đổi tổng cộng giữa các cell; WhĐối với LNG HX, cần có ít nhất một cell thực hiện quá trình làm nguội (đối với hot stream, tương ứng là hot type) và một cell thực hiện quá trình đun nóng (đối với coldstream, tương ứng là cold type).Có ít nhất một cell sẽ không có khai báo thông số sản phẩm (với LNG HX đó là năng suất trao đổi nhiệt của cell đó hoặc nhiệt độ dòng sản phẩm). Điều này có thể giải thích như sau: giả sử có n cell bất kì, các thông số sản phẩm hoặc năng suất nhiệt của (n1) cell đa được khai báo; trên cơ sở đó, theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng trên thì năng suất nhiệt của cell còn lại đa được tính và do đó, bài toán trở về dạng cho biết duty của thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản, nên dĩ nhiên cell này không cần phải khai báo thông số sản phẩm nữa. I Đặt vấn đề Trong ngành cơng nghệ hóa học, thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị sử dụng rộng rãi nhiều trình hấp thu, chưng cất, chế biến khí… Thiết bị trao đổi nhiệt thiết bị (cụm thiết bị) dùng để trao đổi nhiệt hai dòng q trình (process stream), dòng q trình dòng hữu ích (utility stream) (có thể nước, khơng khí loại mơi chất lạnh đó), để đun nóng (hay làm nguội) dòng q trình đơn giản Thiết bị trao đổi nhiệt mơ PRO/II sử dụng dạng sau:  Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX)  Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX)  Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX)  Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát (Air Cooled HX) Mục tiêu báo cáo phân tích ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản trường hợp cụ thể, từ đề phương pháp sử dụng thiết bị thực tế II Giới thiệu chung 1/ Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX) Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản PRO/II dùng để mô truyền nhiệt hai dòng q trình, dòng q trình dòng chức năng, để đun nóng hay làm nguội dòng q trình đơn giản Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản không đánh giá thông số phức tạp, độ tổn thất áp suất, hệ số truyền nhiệt phía ống phía vỏ, … Phương trình truyền nhiệt bản: (2.1) Q = U om Aom ∆Tm Trong đó: Q : suất nhiệt tổng cộng , W/h Uom : hệ số truyền nhiệt tổng quát trung bình , W/h.m2.K Aom : diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2 ΔTm : chênh lệch nhiệt độ trung bình , K Khi có trao đổi nhiệt hai dòng chuyển động ngược chiều ΔTm trở thành: ∆Tm = LMTD = (T in ) ( − T out − T out − T in  T 1in − T out   ln   T out − T in  ) (2.2) Nếu dòng chuyển động xi chiều ΔTm trở thành: ∆Tm = LMTD = (T in ) ( − T in − T out − T out  T 1in − T in   ln  T out − T out  ) (2.3) Ngồi ra, thực qúa trình trao đổi nhiệt, theo định luật bảo tồn lượng thì: Q = Q1 = Q2 Q = U om Aom ∆Tm ( Q1 = m1 c1 T 1in − T out ( ) Q2 = m2 c T out − T in Trong đó: ) Q1 nhiệt lượng dòng nóng tỏa ; W/h Q2 nhiệt lượng dòng lạnh thu vào ; W/h Q nhiệt lượng trao đổi tổng; W/h 2/ Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX) a) Giới thiệu: Rigorous HX dùng để mô hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống xử lý với dòng pha:dòng lỏng.Tuy nhiên, cân pha lỏng-hơi (hai pha) hay hơi-lỏng-lỏng (ba pha) hỗ trợ Ở đây, hệ số truyền nhiệt vỏ-ống, độ hụt áp suất yếu tố gây cáu bẩn xét đến Hệ thống thiết bị có nhiều vỏ xếp nối tiếp, song song vừa nối tiếp-song song Tất vỏ có hình dạng giống b ) Tính tốn truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt hai pha xác định hai phương pháp:  Phương pháp Modified Chen Vaporization  Phương pháp HEX5 Trong đó, phương pháp Modified Chen Vaporization PRO/II sử dụng  Phía vỏ: Hệ số truyền nhiệt tính theo quan hệ: Trong đó: W=lưu lượng khối lượng dòng chảy vỏ L=chiều dài đặc trưng vỏ C=nhiệt dung riêng củalưu chất F=độ rỗng vỏ Ds=đường kính vỏ Lb=khoảng cách vách ngăn vỏ μb= độ nhớt nhiệt độ trung bình k= hệ số dẫn nhiệt vỏ Hideal=hệ số truyền nhiệt chung vỏ trường hợp lý tưởng khơng rò rỉ Để tính h kể đến rò rỉ dòng chảy phải theo phương pháp Bell-Delaware với hệ số hiệu chính: h=hidealJc.Jl.Jb.JsJr Với: Jc= hệ số hiệu chỉnh khoảng cách ngăn Jl= hệ số hiệu chỉnh rò rỉ ngăn Jb= hệ số hiệu chỉnh dòng chảy chảy qua chặng chùm ống Js= hệ số hiệu chỉnh khoảng cách ngăn phía ngồi vỏ Jr= hệ số hiệu chỉnh tổ hợp vec tơ gradient nhiệt  Phía ống: Đối với dòng chảy tầng ống tròn, hệ số truyền nhiệt ống xác định theo phương trình Sieder-Tate : Trong đó: μw: độ nhớt lưu chất nhiệt độ thành ống L: chiều dài ống D: đường kính hiệu dụng ống W: lưu lượng khối lượng dòng ống c)Yếu tố bẩn cáu cặn (fouling factors): Trong hầu hết thiết bị trao đổi nhiệt, lớp cáu cặn thành ống bị bào mòn bị hydrat dòng chảy bám vào ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt (tạo nhiệt trở) tổn thất áp suất (tạo trở áp) Nhiệt trở khơng thể tính xác phương pháp phân tích mà phải dựa vào thiết bị tiêu chuẩn mà suy ra, ví dụ Perry’s handbook Đối với trở áp, Pro/II xác định người dùng cung cấp bề dày lớp cặn 3/ Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX) Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng dùng để mơ q trình trao đổi nhiệt số dòng nóng số dòng lạnh xác định Thiết bị chia thành vùng nhỏ để thực trao đổi nhiệt, gọi cell Nguyên tắc làm việc thiết bị dựa theo định luật bảo toàn lượng: Q = Q1 = Q2 Trong đó: Q1: nhiệt lượng tất dòng nóng tỏa (được quy ước âm); W/h Q2: nhiệt lượng tất dòng lạnh thu vào (được quy ước dương); W/h Q: nhiệt lượng trao đổi tổng cộng cell; W/h Đối với LNG HX, cần có cell thực trình làm nguội (đối với hot stream, tương ứng hot type) cell thực q trình đun nóng (đối với cold stream, tương ứng cold type) Có cell khơng có khai báo thơng số sản phẩm (với LNG HX suất trao đổi nhiệt cell nhiệt độ dòng sản phẩm) Điều giải thích sau: giả sử có n cell bất kì, thơng số sản phẩm suất nhiệt (n1) cell đa khai báo; sở đó, theo ngun tắc bảo tồn lượng suất nhiệt cell lại đa tính đó, tốn trở dạng cho biết duty thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản, nên dĩ nhiên cell không cần phải khai báo thơng số sản phẩm Phương trình truyền nhiệt cell thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng Với: δqcell – nhiệt trao đổi cell Hout – enthalpy dòng rời cell Hin – enthalpy dòng nhập vào cell 4/ Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát (Air Cooled HX) Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát thiết bị dùng khơng khí làm dòng tải lạnh Thiết bị sử dụng nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt ngành công nghiệp lọc hóa dầu Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát có phần: ống (tube) vỏ (shell) Các phương trình tính tốn : a) Tính tốn tổn thất áp suất :  Cho ống trần :  Cho ống có cánh tản nhiệt : b) Tính tốn hệ số film :  Đối với phía ống : nói thiết bị khác  Đối với phía khơng khí : Các giá trị HC, AT, AW phụ thuộc vào loại ống : ống trần hay ống có cánh tản nhiệt Các cơng thức tính tốn cụ thể tra tài liệu liên quan Ký hiệu giải nghĩa : 10 - Click vào Flowrate and Composition, sau chọn Individual Component Flowrates, nhập vận tốc dòng thành phần dòng nhập liệu 49 - Sau nhập xong, click OK Sau click vào First Specification chọn Temperature Nhập giá trị nhiệt độ vào ô bên cạnh, 39 F Tiếp đó, click vào Second Specification chọn Pressure Nhập giá trị áp suất vào ô bên cạnh, 390 psia Cuối cùng, click vào Thermodynamic System chọn Default(PRO1) Click OK trở lại hình ban đầu 50 b) Thiết bị trao đổi nhiệt E1: - Double click vào E1 Màn hình Heat Exchanger xuất 51 - Ở cột Hot Side, click vào Process Stream Phải đảm bảo chắn dòng S3 S4 dòng nóng, dòng S1 S2 dòng lạnh Nếu click OK trở lại hình trước - Click vào Specification click vào button Specification hình chọn Cold Product Temperature Nhập vào giá trị 150 F Đây giá trị lựa chọn ngẫu nhiên Mục đích thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt dòng nhập liệu để phản ứng xảy nhanh đạt chuyển đổi cao Giá trị 150 F chọn đủ nhỏ để sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt tương đối nhỏ Click OK trở lại hình trước - Click vào Pressure Drop boxes nhập (psi) 52 - Click OK quay trở lại hình PFD c) Bình phản ứng R1 (Conversion Reactor): - Double click vào R1 Màn hình Conversion Reactor xuất 53 - Click vào button Reaction Set Name chọn Methanation Sau vùng Thermal Specification, click vào Temperature Rise nhập 10 F Sau đó, click vào Pressure click vào Pressure Drop Nhập giá trị áp suất giảm psi - Sau đó, click OK lần quay trở lại hình PFD d) Thiết bị trao đổi nhiệt E2: - Mục đích thiết bị trao đổi nhiệt E2 tiếp tục làm nguội dòng sản phẩm đến nhiệt độ cuối Double click vào E2 Màn hình xuất tương tự thiết bị E1 - Ở cột Hot Side, click vào Process Stream Phải đảm bảo chắn dòng S4 S5 dòng nóng, dòng S6 S7 dòng lạnh Nếu click OK trở lại hình trước - Click vào Pressure Drop boxes nhập (psi) 54 - Click vào Specification click vào button Specification hình chọn Cold Product Temperature Nhập vào giá trị 15 F Ta chọn nhiệt độ để nhiệt độ dòng khơng bị lẫn vào đạt trao đổi nhiệt tốt với dòng NH cung cấp - Click OK quay trở lại hình PFD e) Dòng S6: - Double click vào S6 hình Stream Data xuất 55 - Click vào Flowrate and Composition, sau chọn Individual Component Flowrates Click vào ô bên cạnh NH nhập giá trị 10 vào Giá trị mà nhập vào khơng có vấn đề phận điều khiển (Controller) thay đổi tiến hành chạy mô Click OK quay trở lại hình trước 56 - Click vào First Specification chọn Temperature Nhập giá trị nhiệt độ vào ô bên cạnh, -25 F Tiếp đó, click vào Second Specification chọn Pressure Nhập giá trị áp suất vào ô bên cạnh, 20 psia Click OK trở lại hình PFD 57 f) Bộ phận điều khiển (Controller): - Bộ phận điều khiển dùng để điều khiển thông số kỹ thuật thông qua việc thay đổi biến số khác Trong trường hợp này, dùng phận điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ dòng sản phẩm S5 khỏi thiết bị E2 cách thay đổi vận tốc dòng NH3 S6 vào thiết bị E2 Double click vào điều khiển CN1, hình theo sau xuất 58 - Dưới Specification, click Parameter hình theo sau xuất hiện: - Click Stream/Unit chọn Stream Sau click Stream Name chọn S5 Click vào Parameter… hình theo sau xuất hiện: 59 - Trong nhóm Parameter Chọn Temperature sau click OK Sau click OK lần để quay lại hình Tiếp click vào Value nhập giá trị 25 F Bây giờ, nhóm Variable, click vào Parameter hình theo sau xuất hiện: - Click vào button Stream/Unit chọn Stream Click vào button Stream Name chọn S6 Bây giờ, click vào Parameter chọn Flowrate từ list Và click OK lần để quay trở lại hình PFD Bước 6: Bắt đầu chạy mơ xuất kết - Click vào button công cụ, mô chuyển sang màu xanh dương Nếu khơng xảy ra, double click vào controller tăng giá trị number of iterations hội tụ Nếu khơng, phải kiểm tra lại tất bước để tìm chỗ sai sửa 60 - Tiếp theo xuất kết Kết quan trọng ví dụ kết dòng S5 S6 Để xem kết dòng, click chuột phải vào dòng chọn View Results Kết thu được thấy sau: 61 62 - Thơng tin quan trọng có kết xuất lượng dòng NH dòng S6 332.1906 Lb-mol/h nhận thấy tất CO phản ứng hết (xuất lượng CO dòng S5 Lb-mol/h) CO khơng phản ứng hết ( xuất lượng CO2 dòng S5 Lb-mol/h) Ghi nhớ thơng tin để chạy mơ với loại thiết bị phản ứng khác sau so sánh kết vừa tìm với kết mô khác Ta chọn thiết bị phản ứng mà cho xuất lượng dòng NH3 dòng S6 nhỏ nhất, xuất lượng CO CO dòng S5 nhỏ hiệu suất phản ứng đạt giá trị cao V Kết luận Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản hay thiết bị trao đổi nhiệt nói chung, loại thiết bị ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghệ hóa học Tuy loại thiết bị trung gian, không trực tiếp định đến sản phẩm cuối việc đánh giá có vai trò quan trọng việc tối ưu chế độ hoạt động hệ thống Nhìn chung, PRO/II cho phép người dùng mơ hầu hết ứng dụng thực tế thiết bị trao đổi nhiệt Cơng việc tính tốn cụ thể lại phụ thuộc vào yêu cầu trình độ người sử dụng 63 ... duty thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản, nên dĩ nhiên cell không cần phải khai báo thông số sản phẩm Phương trình truyền nhiệt cell thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng Với: δqcell – nhiệt trao đổi cell... nhập vào cell 4/ Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát (Air Cooled HX) Thiết bị trao đổi nhiệt dùng khơng khí làm mát thiết bị dùng khơng khí làm dòng tải lạnh Thiết bị sử dụng nhiều... dòng lạnh thu vào ; W/h Q nhiệt lượng trao đổi tổng; W/h 2/ Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX) a) Giới thiệu: Rigorous HX dùng để mô hoạt động thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống xử lý với
- Xem thêm -

Xem thêm: thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay