Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu diesel để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp + ống trong là ống tròn trơn

PHẦN I: TRUYỀN NHIỆTTính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu Diesel để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp: + ống trong là ống tròn trơn + ống trong là ống

PHẦN I: TRUYỀN NHIỆT

Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu Diesel để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp:

+ ống trong là ống tròn trơn

+ ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc

khi biết các thông số cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Số liệu ban đầu

Nhiệt độ đầu vào

1,100,810,450,260,210,15

Trong đó:

Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW]

G1, G là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ]2

, là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ và [kJ/kg], là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ và [kJ/kg]

là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt

Theo yêu cầu: G = 39000 kg/giờ G = 47000 kg/giờ1 2

Hệ số sử dụng nhiệt: chọn

Xác định entanpy: Coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ,dùng đồ thị hình 3.23 (trang 83- [7]) ta tìm được các giá trị entanpycủa các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng d và nhiệt độ

Từ các số liệu trên áp dụng công thức (1) ta được

Q= 39000.(732,690 – 334,944) 0,95= 14736489,3 kJ/h

Q= 14736489,3 KJ/h = 4093,47 kW

Cũng từ công thức 1, ta tính được và từ đó tìm được

363,784 kJ/h = 87,03 kcal/h

Tra bảng entanpy ta được T =453 K hay 180 C22 0

Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt Trong thực tế,người ta thường chọn thiết bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý

ngược chiều Khi đó thường có lợi ích kinh tế cao hơn Trong trườnghợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải nhiệtchuyển động ngược chiều.

=555 – 453 = 102 = 423-298 = 125

Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit Áp dụng công thức

ta có:

2.Xác định hệ số truyền nhiệt

Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ốngtrao đổi nhiệt có thể là các ống tròn trơn hoặc có gân dọc Ta có thể sửdụng một số công thức sau để tính hệ số truyền nhiệt K

Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch:

(3)

Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn:

(4)Khi ống có gân, bề mặt ống sạch:

Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêucầu vận hành trong mọi điều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và

6 để tính toán hệ số truyền nhiệt Đây là các công thức xác định hệ sốtruyền nhiệt khi bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi

a, tìm F , F 1 2

Việc tìm F và F liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải1 2chọn sơ bộ TB TĐN Để chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặttrao đổi nhiệt giả định cần thiết Muốn thể ta giả định hệ số truyềnnhiệt K

Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 340 W/m2K Biết , biết K = 340 W/m K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt2theo công thức

Vậy chọn F = 106 msb 2

Trong thực tế có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống có

bề mặt trao đổi nhiệt là 30 m với các đặc tính: đường kính ống trong2

d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D = 89 x 5 mm, nhiệt độ làmviệc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at

Khi đó ta có: số ống N= 106.28/30 Chọn N= 99 ống

Thiết bị chia làm 4 ngăn, mvi ngăn 2 hành trình, suy ra số ống mvi hành trình là 99/4.2=12,375 ống Chọn 12 ống

 Với loại thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt ống có gân:

- Hệ số thêm gân khi có 20 gân là

- Hệ số thêm gân khi có 24 gân là

Với ống không có gân F = F = 106 m1

Trong đó: : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK]

dt: đường kính trong của ống nhỏ, [m] (d = 0,04 m)t

Dt: đường kính trong của ống ngoài, [m] (D = 0,079 m)tCác thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình củaDiesel

Re1 và Pr là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông1

số vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình

Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên cóthể coi

Nhiệt độ trung bình phía Diesel:

(2160C)

Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình:

có thể tính theo công thức (10):

với

 = 0,8036

[W/mK]

Tính chuẩn số Reynold (Re1):

được tính theo công thức:

Với là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]

là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m2/s]

Vận tốc dòng diesel được tính:

là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 489K

Biết = 0,8 Tính

Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên: kg/m3

là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình

Thiết bị có 4 ngăn, 99 ống, mvi ngăn có 2 hành trình, mvi hành trìnhcó1

ống (N = 12).l

m2

Do vậy:

m/s

Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình

Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụthuộc vào nhiệt độ Từ đồ thị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở mộtnhiệt độ nào đó

Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold:

Vậy dòng là dòng chảy rối

- Tính chuẩn số Prandt:

Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:

Với: là nhiệt dung riêng, [J/kg.K]

c)Tính : hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô.

Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính ,trong đó các tính chất vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình

- Nhiệt độ trung bình của dầu thô

K (102,5oC)

- Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình

W/mK

- Tính tiêu chuẩn Reynold

được tính theo công thức (11)

Với là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăngiữa 2 ống, [m/s]

là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình [m2/s]

là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m].+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức: m

+ Vận tốc dòng dầu thô

Trong đó:

là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình

= 0,8202

Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên 820,2 kg/m3

là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:

+ Từ số liệu tính được, ta xác định được chuẩn số Reynold.

Như vậy, dầu thô chảy ở chế độ quá độ, ở chế độ này, ta có thể sửdụng công thức gần đúng sau

là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold

là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài vàđường kính ống (l/d)

Khi ống có gân, có thể xác định hệ số cấp nhiệt theo công thức:

Với là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m2K]

là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m2K]

h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m)

là chiều dày gân, [m] ( =0,001 m)

là bước gân, [m]

là hệ số phụ thuộc vào tích số (m.h) với m được tính theo côngthức:

Bước gân S được tính theo công thức:

vậy nên dùng ống có gân ngoài

+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch:

Sai lệch 4,6% so với K giả sử (Kgiả sử=340)

Khi ống không có gân, bề mặt bẩn:

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch:

+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:

401,546

4 Xác định bề mặt trao đổi nhiệt (F)

Để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F ta dùng biểu thức(15):

(15) với và Q= 4093,47.10 W3

Thiết bị trao đổi nhiệt phải đảm bảo nhiệt lượng trao đổi ngay cảtrong trường hợp ống trao đổi nhiệt bị bẩn Do vậy phải sử dụng các

hệ số truyền nhiệt K khi bề mặt ống bị bẩn Do diện tích trao đổi nhiệt

F này là diện tích trao đổi nhiệt tối thiểu cần phải có

a, Khi ống không có gân, bề mặt ống bị bẩn

5 Chọn thiết bị trao đổi nhiệt

a, Khi ống không có gân

Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 165,012 m Nếu sử dụngthiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30

Diện tích tối thiểu là 91,6 m2

Ta sẽ sử dụng 3 thiết bị trao đổi nhiệt là đủ

- ống có 24 gân: bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là 90,025 m2 Cũng chỉ cần 3 thiết bị trao đổi nhiệt

H 0,013 m

4,3(5)

PHẦN 2: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN KHỐI

I Tìm hiểu chung về quá trình chưng cất

1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hvn hợp lỏngcũng như hvn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơikhác nhau của các cấu tử trong hvn hợp

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường bao nhiêu cấu tử thìthu được bấy nhiêu sản phẩm nếu xét hệ đơn giản có 2 cấu tử thì tathu được 2 sản phẩm

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và 1 phần ítcác cấu tử có độ bay hơi bé hơn

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và mộtphần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Đối với hệ Nước - Axit Axetic thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là Nước,sản phẩm đáy chủ yếu là Axit Axetic

2 Các thiết bị chưng cất

Trong thực tế để thực hiện quá trình chưng cất người ta thường sửdụng tháp chưng cất một số loại tháp chưng cất thường được sửdụng:

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới: loại tháp

này có ưu điểm là chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơntháp chóp, ít tốn kim loại hơn tháp chóp Tuy nhiên yêu cầu lắp đặtcao, chất lỏng phân phố không đồng đều

- Tháp chưng cất dùng mâm chóp: loại tháp này cho hiệu suất cao ,

ổn định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số đĩa ít hơn Tuy nhiênchế tạo phức tạp, trở lực lớn

- Tháp đ m ệ : chế tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng hiệu suất thấp,

kém ổn định do sự phân bố theo tiết diện tháp không đều, khó chế tạokích thước lớn ở quy mô công nghiệp

II Tính toán thiết kế tháp chưng cất cho hệ chưng cất 2 cấu tử

N ướ c - Axit Axetic :

Đề bàii: Quá trình và thiếết b truyếần khôếi.( axit axetc và nị ước)Tính các thông số cơ bản của thiết bị (tháp đệm) chuyển khối làm việc

ở áp suất khí quyển (760 mmHg) để chưng luyện hvn hợp hai cấu tửaxit axetic và nước ; đảm bảo các yêu cầu về năng suất tính theo hvnhợp đầu và thành phần nguyên liệu, đỉnh đáy Các yêu cầu cụ thể nhưsau:

GF=3650kg/h , a 30% , a =98% , a = 2%F = P w

1- Xác đ nh nôầng đ phầần mol và l u lị ộ ư ượng [kmol/h] c aủnguyến li u, s n ph m đ nh và s n ph m đáy.ệ ả ẩ ỉ ả ẩ

2- Veẽ đ ường cần bằầng trến đôầ th x – y.ị

3- Xác đ nh ch sôế hôầi l u thích h p, đị ỉ ư ợ ường làm vi c và sôế đĩa lýệthuyếết c a tháp.ủ

4- Xác đ nh đị ng kính, sôế đĩa th c tếế và chiếầu cao c b n c aườ ự ơ ả ủtháp

5- Xác đ nh nhi t đ đ nh, đáy và v trí đĩa tếếp li u ng v iị ệ ộ ỉ ị ệ ứ ớ

trường h p nguyến li u vào tháp tr ng thái sôi.ợ ệ ở ạ

Số liệu ban đầu:

Tháp chuyển khối loại đệm làm việc ở áp suất khí quyển đểchưng luyện hvn hợp nước – axit axetic; đảm bảo:

GF= 3650 [kg/h] – Nằng suầết tnh theo hôẽn h p đầầuợ

aF = 30 [% khôếi l ượng] – Nôầng đ cầếu t dếẽ bay h i trong ộ ử ơhôẽn h p đầầuợ

aP = 98 [% khôếi l ượng] – Nôầng đ cầếu t dếẽ bay h i trong ộ ử ơ

F : lưu lượng hvn hợp đầu [kmol/h]

P : lưu lượng sản phẩm đỉnh [kmol/h]

W : lưu lượng sản phẩm đáy [kmol/h]

Ở đây cấu tử dễ bay hơi hơn A là Nước

Thành phần cân bằng lỏng hơi của hvn hợp Nước - Axit Axetic :

107,5

105,8

104,4

103,3

102,1

101,3

100,6100

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])

M : khối lượng mol trung bình [kg/kmol]

G

M G P

M

G W

M

2 Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x – y.

Thành phần cân bằng lỏng hơi của hvn hợp Nước- Axit axetic (Số liệubảng IX.2a – 147 – [4])

107,5

105,8

104,4

103,3

102,1

101,3100,

3 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường làm việc và số đĩa lý thuyết của tháp.

a Chỉ số hồi lưu tối thiểu R : min

- Ta lập bảng số liệu sau để xác định R :( các đồ thị xem phần phụ thlục)

Rth 2.937 3.427 3.916 4.406 4.896 5.385 Nth 43.99 35.59 31.36 28.78 27.01 25.77 Nth(Rth+1

)

173.20

2 157.552 154.179 155.584

159.23 8

164.54 3

- Dựa vào bảng số liệu trên ta lập được quan hệ R với Nth lt(Rth + 1) theo đồ thị sau:

c Phương trình đường làm việc:

- Đoạn luyện: (IX.20 – [4])

gtb: Lượng hơi trung bình đi qua tháp (kg/h).

(y )y tb: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(kg/m2.s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháo vàkhác nhau trong mvi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình chotừng đoạn

1 Đường Kính đoạn Luyện

a Xác định lượng hơi trung bình đi qua đoạn luyện.

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện

Trong đó:

gtb Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện(kg/h)

gđLượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp(kg/h)

gl Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp(kg/h)

* Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:

181]

gđ = 1064,583.(3,916 + 1)

gđ= 5233,49 kg/h

* Lượng hơi đi vào đoạn luyện:

Lượng hơi g , hàm lượng hơi y và hàm lượng lỏng G đối với đĩa1 l l thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo phương trình

g y1 1 = G1.x1 + Gp.xp (2) [II 182]

-g r1 1 = gd d.r (3)

Trong đó:

y1: Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện ( Phần khốilượng)

G1 Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hvn hợp vào đĩa

rd: Ẩn nhiệt hóa hơi của hvn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh

x1 = x = 0,5882(phần mol ) tương ứng với 0.30(phần khối lượng)F

yF = y = 0,7059 phần mol ( suy ra từ x = 0,5882 phần mol)l F

Với r , r : a b Ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử nguyên chất nước vàAxit axetic : t = t0

xp = 0,9939 (phần Mol) tương dương 0,98 Phần khối lượng

yđ: Hàm lượng hơi đi qua khỏi đỉnh tháp( Phần khối lượng)

yđ = y = 0,9957 phần mol( suy ra từ x = 0,9939 phần mol)p pĐổi ra phần khối lượng:

b Khối lượng trung bình

* Khối lượng trung bình tính theo pha hơi:

, kg/m 3 [II - 183]

Trong đó:

MA M : Khối lượng phần mol của Nước và Axit axeticB

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp K

ytb1: Nồng độ phần mol của cấu tử

:Khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m 3

: Khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấytheo nhiệt độ trung bình (kg/m )3

nội suy theo bảng I.2- (1) ta được

c tính tốc độ hơi đi trong tháp

Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn kích thước đệm 30x30x3,5 mm Tra bảng IX.8, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 ta được các thông số sau: σ =165m đ 2/m 3 , ρ , V = 0.76m , số đệm trong một mét khối là

 g : gia tốc trọng trường.

 G x , G : lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s y

 μ x , μ n : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 C, N.s/m2 Tốc độ làm việc o

Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau:

được μ = 1,005.10 n -3 N.s/m 2 Tra trên toán đồ hình I.18 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1 trang 90, ứng với nhiệt độ trung bình của đoạn luyện

Vậy chọn đường kính đoạn luyện là: D = 1,2 m L

4.2Đường kính đoạn chưng:

a Lượng hơi trung bình đi trong tháp

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Với lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạnluyện (g = g ) nên’

xw: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.

 r1: n nhi t hoá h i c a hôẽn h p h i đi vào đĩa trến cùng c a ẩ ệ ơ ủ ợ ơ ủ

Thay vào phương trình ta có:

b Tính khối lượng riêng trung bình:

* Khối lượng riêng trung bỡnh đối với pha hơi được tính theo:, kg/m 3 [II - 183]

: khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m 3

: khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấytheo nhiệt độ trung bỡnh, kg/m 3

: phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

Với a’ : nồng độ phần khối lượng của pha lỏng ở đĩa dưới cùng1của đoạn chưng

Ta có: a’ = x’ = 0,0356 (Phần khối lượng)1 1

x



c.Tính tốc độ hơi đi trong thác:

Chọn đệm Rasiga bằng sứ đổ lộn xộn có các thông số như chọn trong đoạn luyện.

Tốc độ hơi đi trong tháp đệm có thể xác định theo công thức sau:

 G x , G : lượng lỏng và lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/s y

 μ x , μ n : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20 C, N.s/m2 Tốc độ làm việc o

Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình có thể được tính theo công thức sau:

lg= x tb lg + (1 – x ) lg tb

* Tính G , G :