quá trình và thiết bị truyền nhiệt

mẫu bài tập lớn quá trình và thiết bị truyền nhiệt. Đây là mẫu cho các bạn tham khảo. Đặc biệt là sinh viên sẽ cần đến. Hi vọng các bạn thấy hữu ích. Bài tập lớn này có độ chính xác cao nên các bạn có thể đọc rồi nghiên cứu. Hi vọng nó giúp ích cho các bạn

BÀI T P L N Ậ Ớ

Đ bài ề : tính toán thi t b gia nhi t h n h p đ u ế ị ệ ỗ ợ ầ gia nhi t dung d ch KCl năng su t 8% ệ ị ấ

Giới thiệu về dung dịch KCl 8%

1 Vai trò và ng d ng c a ứ ụ ủ dung d ch KCL 8% ị

+ Trong nông nghi p: KCL làm phân bón cho cây tr ngệ ồ

+ Trong công nghi p: mu i KCL đệ ố ượ ử ục s d ng làm ch t c ch ấ ứ ế hidrat hóa, c ch tứ ế ương n và phân y đá phi n Hóa ph m này ở ủ ế ẩ còn đượ ử ục s d ng đ đi u ch dung d ch th ch cao-kali và vôi-ể ề ế ị ạ kali

+ Trong khoa h c ng d ng: tác nhân ch a cháy, làm m m nọ ứ ụ ữ ề ước

đ n v , làm ngu n cho hi u chu n c a thi t b giám sát b c x ,…ơ ị ồ ệ ẩ ủ ế ị ứ ạ

+ Trong ch bi n th c ph m: s n xu t nế ế ự ẩ ả ấ ước khoáng, bánh k o, ẹ

nước gi khát,…ả

+ Trong y h c: s d ng thay th cho mu i ăn NaCL đ gi m 11% ọ ử ụ ế ố ể ẩ nguy c v các b nh tim m chơ ề ệ ạ

+ Trong công nghi p hóa ch t: KCL đệ ấ ượ ử ục s d ng cho s n xu t KOHả ấ

và Kali kim lo i ạ

2 Các tính ch t ấ hóa lý

2.1 Tính ch t v t ấ ậ

lý

Trang 2

i m nóng ch y

° F)

i m sôi

° F)

hòa tan trong n c

21.74% (0 ° C) 25.39% (20 ° C) 36.05% (100 ° C)

Mô t ả B t màu tr ng, h ng ho cộ ắ ồ ặ

xám; không mùi

1420 ° C

B ng 1 Tính ch t v t lý c a dung d ch KCL ả ấ ậ ủ ị

2.2 Tính ch t hóa h c ấ ọ

Tác d ng v iụ ớ axit, bazơ và các lo i mu i khácạ ố .

1 Tác d ng v i axitụ ớ

H2SO4 + 2KCL 2HCL + K2SO4

2 Tác d ng v i bazụ ớ ơ

KCL + 3H20 KCLO3 + 3H2

3 Tác d ng v i mu iụ ớ ố

KCL + AgNO3 AgCL + KNO3

TÍNH TOÁN THI T B Ế Ị

Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là thiết bị đun nống loại ống chùm ngược

chiều dung hơi nước bão hòa ở 4at, hơi nước đi ngoài ống từ trên xuống, hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên Ở áp suất 4at ⇒

t1=142,9oC ( Tra bảng I.251-ST1/315)

Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng(25oC) đi ra ở nhiệt độ sôi

của hỗn hợp đầu (tso = 100,93oC)

Chọn loại ống bằng thép CT3 đường kính d = 38±2 mm ; L = 2(m)

⇒

λ = 46,4W/m.độ (Tra bảng PL4 – ST1)

1- NHI T L Ệ ƯỢ NG TRAO Đ I :( Q) Ổ

Q = F.Cp.(tF – tf) ,W Trong đó :

- F: lưu lượng hỗn hợp đầu , F = 2500(kg/h)

- tF : Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = tso = 100,93oC

- Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại t2b=69,3 oC tra theo bảng

(I.249/ST1-T311) ta được:

Cp= Co= 3851,12 J/kg.độ

- tf: Nhiệt độ môi trường: tf = 25oC

Thay số :

Q= 3600

2500

.3851,12.(100,93 - 25) = 203066,35(W)

2- HI U S NHI T Đ H U ÍCH: Ệ Ố Ệ Ộ Ữ

- Chọn thđ = t1 = 142,9(0C)

Δ tđ = 142,9 – 25 = 117,9(0C)

Δ tc = 142,9 – 100,93= 41,97 (0 C)

- Do c

đ

t

t

∆

∆

=41,97

9 , 117

=2,81 > 2 nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là:

∆

ttb =

) lg(

3 , 2

tc tđ

tc tđ

∆

∆∆

−

∆

= 41,97

9 , 117 lg 3 , 2

97 , 41 9 ,

117 −

=73,60 (0C)

- Hơi đốt: t1tb = 142,9 (0C)

- Phía hỗn hợp: t2tb =t hđ −∆t tb =

142,9 – 73,60 = 69,3 (0C)

1 Tính h s c p nhi t cho t ng l u th ệ ố ấ ệ ừ ư ể :

- Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :

α1 = 2,04.A.(

H t

r

1

∆

)0,25 Trong đó:

- r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa r = 2141.103 (J/Kg)

- Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành ống truyền

nhiệt

- H: Chiều cao ống truyền nhiệt : H = 2(m)

- A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

Giả sử : Δt1 = 5,8 (0C)

Ta có : tm =142,9 - 2

8 , 5

= 140 (0 C) Tra bảng (ST2/29)=> A = 194

Thay số: α1= 2,04 194

)

( 3 0 , 25

2 8 , 5

10 2141

= 8202,98 (W/m2.độ)

2 Nhi t t i riêng v phía h i ng ng t ệ ả ề ơ ư ụ :

Áp dụng công thức : q1 = α1.Δt1 [W/m2]

Thay số : q1 = 8202,98.5,8 = 47577,284(W/m2 )

3 H s c p nhi t phía h n h p ch y xoáy ệ ố ấ ệ ỗ ợ ả :

Chọn Re = 10000

Theo công thức V.40-ST-2/14 ta có :

Nu = 0,021.εk.Re0,8.Pr0,43.(Prt

Pr )0,25

Mà Nu = λ

α.d

⇒ αt = 0,021 d

λ

.ε

k.Re0,8.Pr0,43.( rt

r p p

)0,25 , Trong đó :

- Prt: Chuẩn số Pran

- εk: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường

kính d của ống

ta có :

d

L

= 0,038

2 = 52,63 > 5m → εk= 1 (theo CT V.2- ST2/T15)

*)Tính chuẩn số Pr : Pr = λ

p

C

µ

(CT-V.35-ST2/T12)

- Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t2tb =69,30C tra theo bảng (I.249/ST1–

T311) :

Cp=C0= 3851,12 (J/kg.độ)

- Tra bảng (I 107- ST1/T101) ta có độ nhớt dung dịch:

µ = 0,439696.10-3 (Ns/m2)

- Tra bảng I.29-ST1/ T37- ρ : khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb=69,3oC

ρ = 1027,98 kg/m3

- nồi 1: x = 8% khối lượng

1639 , 19 18 )

0206 , 0 1 ( 0206 , 0 5 , 74

0206 , 0 18

92 5 , 74 8

5 , 74 8

1

1

=

− +

=

⇒

= +

=

M

a

- Với A=3,58 10-8

⇒ λ = A.Cp.ρ M

ρ

3

=3,58.10-8 3851,12 1027,98 19,1639

98 , 1027 3

=0,5345 (W/m.độ)

Thay số vào CT ta được : Pr= 0,5345

10 0,439696

12 ,

= 3,17 + Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống :

Δtt = tt

1

- tt

2

= q1.∑rt Trong đó : tt

2 :Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp

∑rt : Tổng nhiệt trở ở 2 thành ống truyền nhiệt : Ống dẫn nhiệt làm bằng làm thép CT3 có chiều dày δ = 2 (mm) nên: λ = 46,4 (W/m độ)

λ

δ

2

r r

m2 độ/W

r1 , r2 : nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường ( bên ngoài cặn bẩn của nước

ngưng ,bên trong cặn bẩn do dung dịch

- Tra theo bảng ( V.I/ST2 - T4) ta có :

r1 = 0,387.10-3 m2 độ/W

r2 = 0,232.10-3 m2 độ/W

- Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

m

mm 0 , 002

=

δ

- Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, hệ số dẫn nhiệt của nó là:

46, 4

λ =

W/m độ Thay vào CT ta được :

∑r = ( 0,387 + 0,232 + 46,4

2 ).10

3

−

= 0,662.10

3

−

(m2.độ/W) Thay số : Δtt =47577,284.0,662.10-3 = 31,496oC

=> tt2 = tt1 – Δtt =142,9–31,496 = 111,404oC

Δt2 = t2

t

– t2tb= 111,404 – 69,3 = 42,104oC

*)Tính chuẩn số Prt= t

pt

C

t

- Trong đó :

Cpt : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t12=111,404 oC tra theo bảng (I.249/ST1-T311) ta được:

Cpt =C1= 3896,2 J/kg.độ

µt : Độ nhớt của hỗn hợp ở tt2 tra bảng ( I.107-ST1/101 ) :

µt = 0,2795.10-3 Ns/m2

λt : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở tt2

ρ 3

Với : A = 3,85.10-8

ρ

: khối lượng riêng của hỗn hợp ở tt

2

= 111,4040C Tra bảng I.29-ST1/T37 ta có : ρ = 1001,4057 kg/m3

Thay vào công thức ta có :

λt = 3,58.10-8 3896,2 1001,4057 19,1639

4057 , 1001 3

= 0,5222( W/m2.độ)

Thay số vào ta được : Prt = 0,5222

10 0,2795

3896,2 − 3

= 2,0854 Thay số ta có hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :

αt = 0,021 0,038

0,5345

.(10000)0,8 (3,17)0,43

25 , 0 2,0854

17 , 3













= 853,702

2.3 Nhi t t i riêng v phía dung d ch ệ ả ề ị :

Ta có :

q2 = αt.Δt2 = 853,702.42,104 = 35944,27

2.4 Ki m tra sai s : ể ố

ε

= 1

2 1

q

q

q −

=

47577,284

35944,27

47577,284

.100% = 10,77 % Sai số không đáng kể,ta chấp nhận giả thiết chọn độ chênhblệch nhiệt độ

3 B M T TRUY N NHI T: Ề Ặ Ề Ệ

Công thức tính : F = tb

q Q

Trong đó : Nhiệt lượng trao đổi : Q = 203253,55 (W)

q tb :Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch

qtb =

0005 , 45012 2

429 , 42450 572

, 47573 2

2

q

Thay số : F =

( )2 52

, 4 0005 , 45012

203253,55

m

=

4 S NG TRUY N NHI T: Ố Ố Ề Ệ

Công thức tính : n= dH

F

π

Trong đó : F : Bề mặt truyền nhiệt F= 4,52 (m2)

d : đường kính ống truyền nhiệt d = 0,038 m

H : Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 (m)

Thay số :

94 , 18 2 038 , 0 14 , 3

52 ,

=

n

Qui chuẩn n = 37 ống Theo bảng V.11-ST2/T48 ta có:

Số

hình

6

cạnh

Sắp xếp ống theo hình 6 cạnh

Số ống

trên

đường

xuyên

tâm 6

cạnh

Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân

Tổng ống trong tất cả các hình viên phân

Tổng ống trong thiết bị

Dãy 1

Dãy 2

Dãy 3

5- Đ ƯỜ NG KÍNH TRONG C A THI T B ĐUN NÓNG : Ủ Ế Ị

Áp dụng công thức (CT-V.50-ST-2/T49) ta có :

D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó: dn : Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt

dn = d + 2.S = 0,038 + 2.0,002 = 0,042 (m)

t : Bước ống Lấy t = 1,4 dn

t = 1,4 0,042 = 0,0588 b: số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh b = 7 Thay số : D =0,0588.(7 - 1) + 4.0,042 = 0,5208 m

Qui chuẩn : D = 0,5 m=500 (mm) (bảng XIII.6 ST-2/Tr-359 )

6- TÍNH V N T C VÀ CHIA NGĂN Ậ Ố

-Vận tốc thực :

4

2 n d

G

t

Π

=

Gđ = 2500 kg/h n = 37 ống

d = 0,038 m ρ = 1027,83 kg/m3

Thay số ta có:

0161 , 0 3600 83 , 1027 37 ) 038 , 0 (

14 , 3

2500 4

=

t W

(m/s) -Vận tốc giả thiết:

1146 , 0 1027,83

038 , 0

0,44752.10

10000

=

=

=

ρ

µ

d

W gt

(m/s)

% 951 , 85

% 100 1146 , 0

0161 , 0 1146 , 0

% 100

−

gt

t gt

W

W W

Vì gt

t

gt

W

W

W −

lớn 5% nên ta cần chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy

Số ngăn được xác định như sau:

Số ngăn cần thiết: m =

118 , 7 0161 , 0

1146 , 0

=

=

t

gt

W W

⇒Quy chẩn 7 ngăn

*Tính lại chuẩn số Re:

n F

Vậy các kích thước của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là:

- Bề mặt truyền nhiệt: F = 4,52 (m2)

- Số ống truyền nhiệt: n = 37 (ống)

- Đường kính của thiết bị: D = 500 (mm)

- Chiều cao giữa 2 mặt bích: H = 2 (m)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tập thể tác giả Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật ( 1974, tập 1)

[2] Tập thể tác giả Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật (1982, tập 2)

[3] Tập thể tác giả Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học NXB Khoa học – Kỹ thuật (2000, tập 134)

[4] GS.TSKH Nguyễn Bin Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hóa tâp 1,2

[5] Cơ sở thiết kế máy hóa chất ( tác giả Hồ Lê Viên), xuất bản năm 1997