Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm : Các quá trinh và thiết bị truyền nhiệt part 9 ppt

Hãy xác định hệ số cấp nhiệt đối với aleol isopropyli nhiệt độ trung bình của aleol isopropylie là 60°C; nhiệt độ trung bình v GIẢI: Hệ số cấp nhiệt khi chuyển động tự do của chất lỏn

5.11.21 Alcol isopropylic được đun nóng trong bình đổi lưu tự

bằng nước nóng Nước này được bơm qua các dãy ống nằm ngang đường

ngoài 30 mm Hãy xác định hệ số cấp nhiệt đối với aleol isopropyli

nhiệt độ trung bình của aleol isopropylie là 60°C; nhiệt độ trung bình

v GIẢI:

Hệ số cấp nhiệt khi chuyển động tự do của chất lỏng gân với các nằm ngang được tính theo công thức (1.28):

9y, - thể tích riêng của aleol isopropylic 4 60°C

“Thể tích riêng có thể tính theo phương trình:

5.1.1.28 Hãy xác định hệ số cấp nhiệt của hơi benzen bão hoà ngưng tụ

ìn bề mặt ngoài ống chùm thảng đứng ở áp suất thường Năng suất của

iết bị 8600 kg/h Đường kính ống truyền nhiệt là ¿ 2 x 2mm; số ống 210

GIẢI:

Hệ số cấp nhiệt khi hơi benzen bão hòa ngưng tụ trong thiết bị ống

'thùm thẳng đứng được tính theo công thức:

ð.1.1.23 Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng, người ta

đun sôi hỗn hợp toluen-benzen, nổng độ của benzen rất bé, nhiệt độ sôi

trung bình 114°C Bằng hơi nước bão hòa đi phía ngoài ống có = 136°C

Đường kính các ống truyền nhiệt ¿25 x2 mm

Hãy xác định nhiệt tải riêng Nếu hệ số cấp nhiệt từ hơi ngưng tụ đến

219

thành ống truyền nhiệt œ; = 10.000 W/m.°C Nhiệt độ của tường tiếp xúc

v6i dung dich ty = 128,õ°C, bỏ qua ảnh hưởng của benzen trong hỗn hợp GIẢI:

Hiệu số nhiệt độ trung bình: At„, = 186 - 114 = 22 °C Hệ số cấp nhiệt từ thành ống truyền nhiệt đến dung dịch sôi:

Ta lấy độ dẫn nhiệt của các lớp cặn hai phía ống truyền nhiệt bằng Ì

5800 W/mỄ.°C,độ dẫn nhiệt của thép CT;: Â = 46,5 W/m °C Khi đó:

5.1.1.24 Alcol metyllic 100% được đun nóng trong các ống chùm từ 15 + 40°C Ở khoảng không gian ngoài ống chùm là nước nóng đi ngược chiều với sleol, được làm lạnh 90 + 40°C Thiết bị trao đổi nhiệt gồm 111 ống 425x2 mm Van téc alcol đi trong dng 0,75 m/s

Hãy xác định bể mặt truyền nhiệt cẩn thiết của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và chiểu dài của các ống truyền nhiệt Nếu hệ số cấp nhiệt từ nước nóng đến tường œ; = 840 W/m”.°C; tổng nhiệt trở dẫn của hai lớp cặn về hai _ phía của tường là 1/170 W/mẺ.°C và nhiệt độ trung bình trên bề mặt lớp cặn

của tường tiếp xúc với alcol là 38°C

trong đó: ø; = 785 kg/mỶ - khối lượng riêng của alcol ở 27,õ°C

Chuẩn số Reynolds đối với alcol là:

trong đó: 2 = 46,5 W/m °C - độ dẫn nhiệt của thép CTạ

Lượng nhiệt trao đổi giữa hai lưu thể:

5.1.1.25 Không khí được đun nóng trong không gian ống truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có hai ngăn vào và ra, từ 2C đến 90°C ở áp suất tuyệt đối trung bình 810 mmHg Lưu lượng thể tích của

không khí ở điều kiện chuẩn 0°C và 760 mmHg) la V, = 8.290 mŸ/h Tổng số

ống truyền nhiệt là 450 ống, vậy trên mỗi ngăn có 225 ống đường kính

$38x2 mm Hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2 kG/cm cho vào không

gian giữa các ống

222

Hãy xác định bề mặt truyền nhiệt cần thiết và chiều dài các ống truyền

nhiệt Ta coi hệ số truyền nhiệt thiết bị bằng hệ số cấp nhiệt của không khí

Nhiệt độ trung bình của không kt

trong đó: /;- tiết diện cắt ngang của các ống trong một dãy chuẩn số

Reynolds của không khí 55,8°C:

trong đó: 2; = 0,0284 W/m °C - hệ số dẫn nhiệt của không khí ở õ5,8°

tụ =1 với gia thiét Lid > 50

Lượng nhiệt trao đổi giữa hai lưu thể:

€ = G;C;¿, - t;ạ) = 2,98.1006(90 - 2) = 263800 W trong đó: C = 1006 J/kg°C - nhiệt dung riêng của không khí ở 55,8"

26 Toluen (là chất lỏng nóng) được nạp một khối lượng là 1400kg ì

vào một bình kín có ống xoắn ruột gà, bề mặt ống xoắn là 3,9 m° Nước lạnh _

đi trong ống xoắn có nhiệt độ ban đầu tị = 18C Hồi thời gian cần làm lạnh - lượng toluen trên từ 105°C đến 25°C là bao nhiêu? Nếu lấy hệ số truyền nhiét K = 255 W/m?,°C và lượng nước lạnh là bao nhiêu?

GIẢI:

Ở đây, quá trình làm lạnh toluen bằng nước lạnh là quá trình gián đoạn,

nên động lực trung bình phải tính theo công thức:

T, = 105°C - nhiệt độ ban đầu của toluen;

T,, = 25°C - nhiệt độ cuối của toluen;

tị 18°C - nhiệt độ ban đầu của nước lạnh

Do nhiệt độ cuối quá trình làm lạnh của toluen là T, = 25°C, nén ta chon nhiệt độ nước lạnh đi ra £; = 18°C

105-25 1715-1

Vay wi At,=—————————= ST 108=18 1718181718 °° °C %

25-13 25-13

= 1812 kg,

ð.1.1.27 Xác định lượng nhiệt tổn thất do bức xạ qua bề mặt của thiết

bị hình trụ bằng thép đặt trong phòng, trên thành thiết bị có phủ một lớp sơn Kích thước của thiết bị như sau: ï = 2 m; Ð = 1 m; kích thước phòng cao 4 m dài 10 m rộng 6 m Nhiệt độ thành thiết bị là 70°C, nhiệt độ không khí trong phòng là 20 °C Déng thời xác định lượng nhiệt tổn thất chung bằng bức xạ và đối lưu

225

1.2 Bài tập

#1-2.1 Nhiệt độ của thành ống truyền nhiệt loại ống xoắn ruột gà

'438x 2,5 mm bang thép Cr, tang lén bao nhiéu lan nếu phủ lên nó 1 lớp men

day 0,õ mm? Hệ số dẫn nhiệt của lớp men: 1,05 W/m°C

Tính độ lạnh tổn thất trong 1 h của 1 mét chiều dài

ĐÁP SỐ: 136 kJ/h

5-1.3-4 Độ lạnh tổn thất sẽ thay đổi như thế nào trong điều kiện bài 5.1.2.8 nếu như lớp bên trong làm bằng sovelit dày 40 mm: bên ngoài là lớp bần dầy 30 mm

DAP SO: Tang gin 23%

5.1.2.5 Tim nhiét do bé mat trong ciia

lớp lót nổi hấp (hình 5.6) Nếu nhiệt độ bể

mặt ngoài của nó là 35°C Chiểu dày lớp lót

là 260 mm Nhiệt kế cắm sâu vào 50 mm

5.1.3.6 Tính hệ số dẫn nhiệt của

a) cloroform 8 20°C

b) khí sunfurơ SO; ở £ = 100°C va p = 1 ata;

©) dung dịch canxi clorua 80 % có nhiệt dung riéng: 328, 644 J/kg"

DAP SO: a) 0,14 W.m°C

b) 0,017 W/m°C

©) 0,47 W/m°C

5.1.8.7 Biết lượng nhiệt tổn thất ra môi trường trung bình là 2030

nhiệt dung riêng của dung dịch là 2,õ kJ/kg °C Tìm nhiệt độ của 2 tấn di

dịch canxi clorua được đun nóng từ 10°C bằng lượng hơi đốt tiêu hao là

kg (p = 2 ata) trong 2 h 30 ph

ĐÁP SỐ: 94,7°C

b 5.1.2.8 Xéc dinh lugng nhigt trao déi trong thiét bi ngung ty nguge chiểu hơi cacbon sunfua 850 kg/h Ở áp suất thường bằng nuéc lanh Hoi caebon sunfua đi vào thiết bị có nhiệt độ 90°C, ra khỏi thiết bị thấp hơn nhiệt độ ngưng tự 8°C Nhiệt độ nước lạnh đi vào thiết bị là 17°C Nhiệt dung riêng của hơi caebon sunfua là 0,67.10Ẻ J/kg °C Ngoài ra, hãy xác định -

lượng nước lạnh tiêu tốn tối thiểu là bao nhiêu nếu hiệu số nhiệt độ tối thiểu

cho phép giữa cacbon sunfua và nước ở trong thiết bị ngưng tụ là 6°C

ĐÁP SỐ: a)92kW;

b) 3180 kgíh

5.1.3.9 Trong một thiết bị ngưng tụ ngược chiểu, người ta cho vào

120 kg/h khí cacbonic ở 70 ata ở 80°C ngưng tụ thành lỏng chảy ra khỏi thiết bị ở áp suất đó và ở nhiệt độ ngưng tụ Hiệu số nhiệt độ tối thiểu cho phép giữa cacbonic lỏng và nước lạnh ở trong thiết bị là 6° Xác định lưu lượng nước lạnh cần thiết nếu nước lạnh đi vào thiết bị ở £ = 18°C

DAP SO : 263 kg/h

228

10 Cần làm lạnh 1930 kg/h alcol n- butylie từ 90°C đến 50°C trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiểu có bể mặt truyền nhiệt là 6 m”, Dùng

nước để làm lạnh có nhiệt độ ban đầu 18% Hệ số truyển nhiệt

= 233 Wim™C Héi long nude lạnh tiêu tốn là bao nhiều?

ĐÁP SỐ: 3,86 m*h

5-12.11 Mgt dung dich đặc nóng từ thiết bị cô đặc có nhiệt độ 106°C

được dùng để đun nóng một dung dịch loãng từ nhiệt độ 10°C đến 50°C

Dụng dịch đặc nguội dén 60 °C Hãy xác định hiệu số nhiệt độ trung bình đối với hệ thống xuôi chiểu và ngược chiều

DAP SO: Nguge chiều Aty, = 60,5°C; xuôi chiều Aty = 86,8 °C

Š.1-8.12 Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có 19 ống đồng thau

$ 18x2 mm đài 1,2 m Hỏi thiết bị này có đủ bể mặt trao đổi nhiệt để ngưng

1 350 kg/h alcol etylic, nếu hệ số truyền nhiệt X = 698,3 W/mˆ°C; nhiệt độ đâu và cuối của nước lạnh là 16°C và 35°C, ngung tụ aleol ở áp suất thường, quá trình ngưng tụ không kèm theo làm lạnh

ĐÁP SỐ: Bề mặt truyền nhiệt không đủ,

5 1.2.18 Xée định hệ số truyền nhiệt K cita thiết bị trao đổi nhiệt loại

ống xoắn ruột gà, bể mặt trao đổi nhiệt 48 m?, dun nóng 8ð, tấn/h, nước từ

TT'C đến 9ð °C bằng hơi nước bão hòa dưới áp suất 0,23 ati

ĐÁP SỐ: 2130 W/m'°C,

ð.1.2.14 Hệ số truyền nhiệt sẽ thay đổi như thế nào nếu ta thay ống

thép đường kính 4 38 x2,5 mm bing ống đồng cùng có kích thước như vậy: 3) trong thiết bị gia nhiệt không khí bằng hơi nước bão hoà với

| pong xn = 40, 756 Wim?.°C; a9; = 11369 Wim?.°C

5.1.2.15 Chiéu dai cin thiết của thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều loại

"ống lồng ống" là bao nhiêu, để làm lạnh 0,83 mỶ/h, cacbon sunfua từ nÌ

đội sôi dưới áp suất thường đến 22°C, nước làm lạnh được đốt nóng từ 1

đến 2ö°C Hệ số cấp nhiệt của cacbonsufua; œy = 267,7 W/m”°C œ„u¿, = 7

'Wim”°C Đường kính trong của ống trong là 75 mm Bỏ qua lớp cầu, cặn, Xác

định lưu lượng nước lạnh

ĐÁP SỐ: L = 13,5m; G, = 0,572 m/h

5.12.16 Tinh chuẩn số Pr ở áp suất thường:

a) đối v6i amoniac 8 20°C;

b) đối với khí cacbonic ở 0°C và ở 200°C

DAP Si

œ= 665,75 Wim”.°C

5.1.2.18, Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có 19 ống $16x2 mm,

alcol metylic với năng suất 3700 kg/h đi trong các ống truyền nhiệt và được gia nhiệt từ 10°C đến 50°C Hãy xác định hệ số cấp nhiệt của alcol nếu lấy nhiệt độ của tường (thành ống) tiếp xúc với alol là 60°C

a) không khí đi trong ống (L./đ > 50) còn hơi bão hòa đi ngoài ống;

b) không khí đi ngoài ống có tấm ngăn ngang, còn hơi bão hòa đi trong ống

230

Trong cả hai trường hợp ta lấy vận tốc không khí là 10 mis,

ei báo hoà — 1164 W/m”.°C, Các ống phân bố xen kẽ

DAP SO: K, = 48 Wim?.°C K, = 71 Wim?°C

thường đi phía ngoài và vuông

tóc với ống gân, được đun nóng

từ 10 °C đến 80 °C bằng hơi bão

n tốc khí tai tiết diện tự do bé nhất là 8 m/s,

5.1.2.21 Xée dinh hé s6 céip nhiệt của hơi alcol etylic bão hòa được ngưng tụ ở áp suất thường trong hai trường hợp:

8) ngưng tụ trên bển mặt ngoài của ống nằm ngang đường kính 50x3

mm;

Ð) ngưng tụ trên bể mặt trong của ống thẳng đứng cao 1,5 m

Nhiệt độ của bề mặt tường trong cả hai trường hợp 1 48°C

DAP SO: a) 1711 W/m?.°C; b) 1187 Wim?.°C,

ð.1.3.22 Một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm gồm 19 ống $46 x 3mm Nước chảy trong ống với vận tốc 0,7 mís được đun nóng từ 12°C đến 80°C

Xác định hệ số cấp nhiệt đối với nước nếu nhiệt độ bể mặt tiếp xúc với nước 1a 90°C

di ngược chiểu phía ngoài ống nhiệt độ tăng từ 15°C đến 40°C Ống 3

ruột gà làm bằng thép có $ð7x3,õ mm; ø„„ = 582 W/m”.°C Đường

vòng xoắn là 0,4 m Hãy xác định chiểu dài của ống truyền nhiệt cẩn

và lưu lượng nước lạnh

DAP SO: L = 39m G„ = 1510 kg/h

6.1.3.34 Cân làm bay hơi 1.600 kg/h chất lỏng sôi ở ¢ = 137°C va

vào một thiết bị bốc hơi ở nhiệt độ này Nhiệt hoá li của chất

+ = 877 kJfkg Nhiệt độ của hơi đốt không được nhỏ hơn 150°C Nhiệt du

riêng của hơi đốt là 2,14 kg”

Hãy xác định lượng hơi đốt tiêu tốn:

a) hơi bão hòa khô 4 ati;

b) hơi quá nhiệt đến 960°C ở p = 4 ati;

©) hơi quá nhiệt đến 250°C ở p = 3 ati

Biểu diễn quá trình biến đổi trang thái của hơi đốt trên đổ thị T - 8

DAP SO: a) 286 kg/h;

b) 259 kg/h

c) 2830 kg/h

§.1.2.25 Ngudi ta cho hơi bão hòa dưới áp suất 4ata đi vào ống dẫn hơi

nằm ngang $ð1x2,ỗ mm dài 50 m Hãy xác định lượng nước ngưng tụ tạo

thành trong 1 ngày đêm trong ống không bọc lớp cách nhiệt Nhiệt độ không khí xung quanh 15°C

ĐÁP SỐ: 772 kg/ngày đêm

5.1.8.6 Hỏi lượng nhiệt tổn thất sẽ giảm đi bao nhiêu phần trăm nếu

ống dẫn hơi của bài 5.1.2.25 được bọc một lớp cách nhiệt dày 40 mm có độ dẫn nhiệt 4 = 0,093 Wim °C

ĐÁP SỐ: Trên 90%

232

TÍNH TOAN-THIET B] TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP

.1 Ví dụ

ð.8.1.1 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm để gia nhiệt hỗn hợp

36% khối lượng benzen, 65% khối lượng toluen từ nhiệt độ ứ; = 25°C đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất thường bằng hơi nước bão hòa 120°C Ning suất 5,5 tấn/h

— GIẢI:

Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, nên lưu thể nào sạch

(không tạo ra cặn bẩn trên bể mặt truyền nhiệt, làm giảm hệ số dẫn nhiệt)

người ta cho đi khoảng không gian ngoài ống, còn lưu thể nào tạo ra cặn bẩn

trong quá trình làm việc thì cho đi trong ống Ngoài ra, lưu thể nào có áp suất lớn người ta cũng cho đi trong ống, vì ống chịu được áp suất lớn hơn vỏ Với bài này, ta cho hơi nước bão hòa đi khoảng không gian ngoài ống Hỗn

hợp cho đi trong ống

1) Tính lượng nhiệt trao đổi Ø

Q=FC (tpt)

trong đó: F- lưu lượng hỗn hợ p đầu, F = 1,528 ke/s;

tp = 95,61°C - nhiệt độ sôi của hỗn hợp;

C, - nhiệt dung riêng của hỗn hợp tai tp = 68,011”

Tai A£ = 70,61°C nội suy ta tính được C, = 1957,582 J/kg°C

Vay : @ = 1,528.1957,582.(95,61 — 25) = 211207,594 W

2) Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể

« _ Hiệu số nhiệt độ lớn: ta chon t,4 = 120°C

nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể được xác định theo công (

3) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

4) Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tự theo công thức

(3.64)

-

@, = 2,04.A, 'Wm?°C

trong đó: r- ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hoà, J/kg;

^f,- chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt,°C;

Tĩ- chiều cao ống truyền nhiệt, m; chọn #ï = 2 m;

A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

* Ung véi f,ạ = 120°C nội suy theợ [3-312], ta có: