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
Trang 1TÍNH TOAN-THIET B] TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP
1 Ví dụ
5.8.1.1 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 lăng suất ð,5 tấn/h
GIẢI:
Đo kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, nên lưu thể nào sạch _(Àhông 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,(0y - t) 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, - nhiét dung riéng cia hén hop tai ty = 68,011°C
Tai At = 70,61°C néi 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,, = 120°C
Af¿ = 120 - 25 = 95°C
«_ Hiệu số nhiệt độ bé:
At, = 120 - 95,61 = 24,39°C
Ma - 8 =8808>2
At, 2439
233
Trang 2
nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể được xác định theo c
(1.101);
- _Al=A2, _ _95-24,39
3,3ig| —+ a sẻ Si Hgị ——
Aty, = 51,989 (°C)
Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là;
Hơi đốt: typ = 120°C
Phia hén hdp: tz, = 120 - 51, 989 = 68, 011°C
3) Tinh hé 56 cap nhiet cho timg Iu thé
trong do: r- dn nhiét ngung ty lay theo nhiệt độ hai bao hoa, J/kg;
‘At, chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền nhiệt, (
11- chiều cao ống truyền nhiệt, m; chọn #ï = 2 m;
A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
*_ Ứng với tạ = 120°C nội suy theg [3-312], ta có:
r=92017.10°J/kg
+ Giả sử chênh lệch nhiệt độ A#, = 2° khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:
2 t,=120- = = 119°C
~ Ti ¢,,= 119°C, tra bang [ 3.29] ta được:
A= 187,55
220°
Vay: a, = 2,04 187,55,
@, = 10427,563 Wim? do
234
Trang 30) Tinh hệ
cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy ay Chọn Re =
Hệ số cấp nhiệt ø tính theo công thức (8.32)
02
Nu = 0,0216,Re™ ‘pee
Pr
0500
025
trong đó: P - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường,
còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng;
+, - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài /
và đường kính đ của ống
Ta chọn đ = 80x? mm Ở = 2m Dựa vào bằng 1.3 ta có:
L Song = 58,823 > 50 2
d 0096
s Tính chuẩn số Pr theo công thức (1.22):
du
i <a
trong d6: C, - nhiệt độ riêng của hỗn hợp ở #„„;
- độ nhớt của hỗn hợp ở £„y, ;
2 - hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở #„, tính theo công thức (1.4):
A= eCyp l
ở đây: _ ø - khối lượng riêng của hỗn hợp, kgím”;
M - khối lượng phân tử của hỗn hợp, kg/kmol;
~ Tại tụ, = 68, 011 C) nội suy theo [3,171]:
€
972,058 J/kg 46
Cạ = 193,044 J/kg độ,
285
Trang 4> C,=ap.Cg+ (1- a9) Cy 1
¢,
| 0,35.1972,058 + (1 — 0,35) 1932,044 = 1946,049 J/kg.d) |
£- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, với chất lỏng
không liên kết (benzen - toluen) thì A = 4,22,103
~ Tại tụ, =68,011°C nội suy theo [3-9];
Pp = 827,588 ke/m®
Pr = 819,989 kh/m?
~ Hệ số dẫn nhi
của hỗn hợp là:
Ä = 4,22.10°.1946,049.822,633 [822.633
86,568 4= 0,143 W/m độ
— Tại Ít = 68,011°C nội suy theo [3-91]:
Hg = 0,36 10° Ns/m?
bp = 0,356.10 Ns/m?
> Wein = xpleng + (1 - xg) lghự
Igy, = 0,388.1g0,36.10 + (1 ~ 0,388) 1g0,356.10~
> bly = 0,357.10 N/m?
ey 3 Đođó pr= 1946,049-0,357.10 = 4,858 0143
* Tinh chuẩn số Pr,:
~ Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
đị = øy At, = 10427,563 2
q\=20855,126 Wim*
286
Trang 5~ Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống;
var
g đó: 2,„ - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp,
3 r, - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, tinh theo [3.3], m?.°C/W
é
Xn=n,+ als l8 đây: Tụ, nụ - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m.độ/W;
ð- bể dày của ống truyền nhiệt, mỂ; chon 6 = 2 mm = 0,009 m;
4 - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.độ; với thép Cr, ta
có 4 = 46, W/m.độ
~ Dựa vào bảng [3.4] ta chọn:
rụ = 1,16 10', m”,độ/W
Tụ, = 0,464 10, mỂ.độfW'
+=1,16 10Ỷ + = + 0,464, 10
Er,= 1,667 10, m”.độ/W
Do đó:
At, = 20855,126 1,667 10 = 34,765 °C thy = ty, ~ Án = 118 ~ 34,765 = 88,286 °C
hạ
‘Aty = ~ toy = 88,285 ~ 68,011 = 16,224
~ Tại tạ, = 83,236 °C nội suy theo [3.171]:
Cụ = 2048,749 J/kg độ
Cy = 1994,557 J/kg a6
> Cy = 0,85 2048,749 + (1 - 0,35) 1994,557
Cyc = 2013,524 J/kg độ
~ Tai (,„ = 83,285 °C nội suy theo [3.9]:
Pp = 811,442 kgím”
Pr = 804,765 kg/m®
237
Trang 6
+
35 1-0335 3
Srey aE)” = 807,089 ke
~ Tại £„ = 83,236 °C nội suy theo bằng [3.91]:
‘Mg = 0,307.10 Na/m?
Hy = 0,311.10 Ns/m?
Iguy = 0,3881g0,307.10° + (1 - 0,388)1g0,311.10
=> Hp = 0,309.10 Ns/m?
Ta được: 4, = 4,22.10°.2013,524 807,089
A, = 0,144 Wim độ,
4
Pp, = 2013.524.0,309.10
= 4,321
0144
0143 0 9.43
Vay: ue Sỹ = 0,021 “33 | 19500" 4,858", 1,03 002g 1050
a„ = 386,854 W/mẺ,độ
đ; = dạ.Aty = 386,854 15,294 q¿ = ð889,465 W/mổ
© O day ta thấy rằng nhiệt tải riêng vể phía hơi ngưng tụ
4; = 20855,126 W/m” khác rất xa với nhiệt tải xiêng về phía hỗn hợp chảy _
xoáy q; = 5889,465 W/m* Ma bai toán ta đang xét là truyền nhiệt ổn định nên đị = đ; = quy), do vậy, để tìm giá trị qụ, ta phải tính lặp và các kết quả tính toán được xếp vào bằng 8.8,
Bảng 5.3
1 [120] 118 2 119 _ | 10427,563 | 20855,126 | 1,667.10" | 34,765
2 |120| 1192 | 0,8 | 119/6 | 10442575 | 835406 |1,667.10° | 13,926
3 | 120 | 118,835 | 1,165 119,418 | 10438,015 | 12160,287 | 1,667.10' | 20,271
288
Trang 7Bang 5.4
lan
tink | °; tay #8 Pr, | (Pr/Pt)°*| œ a
1 | 83,235 | 68,011 | 15,224 | 4,321 1,03 | 386,854 | 5889,465
2 | 105,272 | 68,011 | 37,261 | 3/713 | 1/0695 | 401,69 | 14967,371
|3 | 98564 | 68,011 | 30,553 | 3,867 | 1,059 | 397/746 | 12152,338
- Qua ba lẫn tính cộng với sự hỗ trợ
_ của đổ thị ở hình 5.8 ta xác định được:
đi 12160,287 +12152,333 %
a=
đụ, = 12156,310 Wim?
gì
12160,287 z100= ^^ 10080) 4s 12152,333 Hinh 5.8
£= 0,06% < ö% (chấp nhận)
4) Tính bề mặt truyền nhiệt
-9 -2H20189 = 974 m?
Qu 12156310
5) Số ống truyền nhiệt
_ x4H ` 314 -
"
ditd, _ 0,026+0,03
2 2
® Dựa vào bảng [3.48], ta qui chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp
xếp theo hình lục giác là n = 127 ống
~ Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh là: 6
239
Trang 8~ Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là 13 ống
~ Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân: 127 ống
~ Số ống trong các hình viên phân là: 28 ống
6) Đường kính trong của thiết bị đun nóng tính theo [3.49]
D=tb-1)+4d,, m trong đó: £ - bước ống, thường lấy t= 1,2+1,5d,;
đ, - đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m;
Š- số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh
Vậy: D=1,3 0,03 (18 - 1) + 4 0,08
D = 0,588 m ,6 m = 600 mm
7) Tính lại vận tốc và chia ngân:
* Xác định vận tốc thực:
4P
ad?np
F = 5500 kg/h = 1,528 kg/s n= 127 ing
d= 0,026 m
P= 822,633 kg/m?
128
3,14.0,0267 127.822,633 = 0,027 mis,
« Xac dinh van tée gia thi
~ 10500.0,357.10-5
0026.822633
@q = 0,175 mis
Vi: PERM 10005 = 115-0027 100v, - 34,5719 % 0175 > 5%
240
Trang 9ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy
s Số ngăn:
; %g _ 0175
Số ngăn cần thiết m = —#— = ———C ngàn cần thiết m= CC = nôn = 6,48 ngăn
Qui chuẩn m = 8 ngăn
* Tinh lai chuẩn số Reynolds:
KH 3314.0,026 =—.0,357.10-°
Vậy các kích thước của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là:
}'= 18 mỸ - bể mặt truyền nhiệt
n= 127 Ong - sO ống truyền nhiệt;
D = 600 mm - đường kính trong của thiết bị;
HH = 2m - chiều cao giữa hai mặt bích
5.2.1.2 Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hỗn hợp hơi alcol stylie - nước bay lên từ đỉnh tháp chưng luyện năng suất; G, = 1607,9 kg/h,
nồng độ alcol trong hỗn hợp hơi: a, = 0,9384 phần khối lượng thiết bị làm
ở áp suất thường
GIẢI:
Chọn thiết bị loại ống chùm thẳng đứng, ống truyền nhiệt $25 x 2,5 mm Chiều cao các ống truyền nhiệt H = 1, m bằng vật liệu X18H10T Tác nhân lạnh là nước lạnh công nghiệp có ứ¿ = 25°C; £, = 45°C Do chỉ ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi G„ thành lỏng ở cùng nhiệt độ £„„ = ty = 78,5°C
Do kết cấu của thiết bị nên ta cho hơi alcol đi vào khoảng không gian ngoài ống, nước lạnh đi trong ống
1) Hiệu số nhiệt độ trung bình
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào:
= 78,5 - 25 = 53,5°C
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra:
At; = 78,5 ~ 4B = 93,5°C
241
Trang 10Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hơi và nước làm lạnh:
Ah-Aty _ 535-385
Aty 385 hoặc Ate, 2354385 = 43,5
© Nhigt độ trung bình của nước:
ty =ty ~ Aty, = 78,5 ~ 43,7 = 35,8°C
© Lugng nhigt dé ngung tu hoan toan hoi aleol thanh léng:
Q=Gz, Jh trong đó _r - ẩn nhiệt ngưng tụ ra khỏi đỉnh tháp:
+ = 939.10 J/kg (tính ở phần trước)
Q= 16079.989 0$
3600
Hé 06 truyén nhigt K:
K=
2) Hệ số cấp nhiệt phía nước
a) Khối lượng riêng của nước tai t,, = 35,8°C
p= 993,71 kg/m®
5) Độ nhớt của nước tai t, = 35,8°C
Tựa vào bảng I.101 của [3] và bằng phương pháp nội suy ta được:
Hy = 0,719.10" N.s/m?
©) Hệ số dẫn nhiệt của nước
Dựa vào bảng I.129 của [3] và bằng phương pháp nội suy ra, ta được:
4a = 0,627 W/m.độ
4) Chuẩn số Prandtl của nước theo tông thức (1.38)
Pr= Sot
242
Trang 11Tai t, = 35,8°C ta c6: C, = 4172,8 Ike d6
3 pr= 4172,3.0,719.10
= 4,785
0627
@) Chuẩn số Nusselt của dòng nước
Chọn chế độ chảy trong thiết bị truyền nhiệt Re > 10, theo công thức
(1.82):
025 ,021 a„Re05py04a(_ Em
Pry
trong dé: Re = 15000;
+ - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiéu dài /
và đường kính ống:
oe a
cho nên chọn 4y = 1;
#rr - chuẩn số Prandtl của đồng tính theo nhiệt độ tường phía trước,
025
Âu =0,021.1 «soon ras cố
Pry
S5
Nu= vo.a0( 4282) x
#) Hệ số cấp nhiệt phía nước ơ,
Từ công thức anal
Nua
Suy ra: a= › WimÊ.°,
trong đó: 1- kích thước hình học chủ yếu ,
035
Nuwd _ 9025 (2) 0,697 = 1.460 W/m?.độ 1 0.02 | Pry
a= 280.4 ) Wim?.d9 045
243
Trang 123) Hệ số cấp nhiệt phía hoi a, xée định theo công thức (1.64):
trong đó: A- hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng alcol etylic
f ss (ty +t)
ở đây: tq, - nhiệt độ tường phía hoi, °C;
0, - nhiệt độ hơi ngưng tụ, °C;
r - ẩn nhiệt ngưng tụ r = 980.10” J/kg;
.H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m;
At=t, +tạ - chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và tường
4) Tổng trở nhiệt 3
Xren + $ +r, ,m*.dgW
trong đó _ rụ,rạ - nhiệt trở của cận bẩn bám vào hai bên thành ống phía hổi |
và phía nước lạnh, m”.độfW;
.# chiều dài ống truyền nhiệt;
.^- hệ số dẫn nhiệt của thành ống; 2 = 16,85 W/m°C
Dựa vào [3.4] ta chọn:
rị = 0,464.10 2 m.độfW
2 = 0,116.10 9 m”.độ/W
0,0025 ,464.10 + 4.10% + Tee + 0,116.10 + 0,116.10" = 0,728.10, m?.d mỶ.độ/W
Vay: Zr
5) Nhiệt tải riêng ạ¡ (W/m?)
Nếu coi mất mát của nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia không qué 5%, thi ta tính toán nhiệt tải riêng gị va g; cũng không chênh
244
Trang 13quá 5% Tign hanh:
*_ Chọn nhiệt độ chênh lệch giữa hơi và thành ống:
At, = ty ~ ty,
* Tinh a; va q; (nhiệt tải riêng phía hơi)
* Tinh At = tp, ~ tp, - chénh léch nhiệt độ giữa hai bên thành ống:
At=q,.=0r
Từ đó suy ra tp, là nhiệt độ tường phía nước
* Tinh chudn s6 Prandtl tường Pr, theo nhiệt độ try
“Tính ø¿ theo công thức đã xác định
Tính q; = a Aty
* So sdnh q; vagy: = < 55% thi phù hợp h
“Tính qụ, là nhiệt tải riêng trung bình:
= si +42), Wim?
Chọn rất nhiều giá trị At, trong đó có gid tri At, = 5,6°C là thích hợp và cuối cùng gy và gy chênh lệch không quá 5%
At, = 5,6°C
ty, =ty~ ty = 18,6 - 5,6 = 72,9°C Nhiệt độ màng dung dịch ngưng:
t= > (ty tty.) = 3088 + 72,9) = 75,7°C
2g
“ Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi:
|939.103 2,
= 2,04.166 4 = 6192 Wim*d6
a; = 2,04.166 4 = 6192 Wim*ds
=
2 „
046
Từ [3.9] A = ( ) của màng alcol etylic ở 75,7 °C A = 166
245
Trang 14Nhiệt tải riêng:
9, = a, At, = 6192.5,6 = 34675,2 Wim?
Chenh lech nhiét độ giữa hai thành ống:
At, = q) Lr = 34675,2.0,728,10° = 25,24°C Nhiệt độ tường phía nước:
ty, = tp, — At = 72,9 - 25,24 = 41,66 °C
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước:
At, = tạ, ~ t„ = 47,66 ~ 35,8 = 11,86%C
ty, = 47,68°C nội suy theo [3.92], ta được:
#= 0,574.10 Na/mÊ'
Nội suy theo [3,168], ta được;
Cp = 4182,4 J/kg độ
3
Pp = 2574.10°*.4182,4
Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước:
046
4,785
@, = 2829,34 (333) = 2991,7 Wim? Dé
Nhiệt tải riêng phía nước:
đ; = dạ.Af; = 2991,7 11,86 = 35481,6 Wim?
~|m-9 |35481.6~34675,3|
= 100% = .100%
Tra CHỦ 354816
n= 2,3% < 5%
So sánh:
Vay At; = 5,6°C là phù hợp
Nhiệt tải riêng trung bình:
(34675,2+35481,6) = 3ö078,4 W/m*
1
đu = T4: +3)
246