Đề tài tính chất hóa lý và phạm vi ứng dụng của dung dịch CCL4

Cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi dung môi ở nhiệt độ sôi nhằm mục đích thu lấy dung dịch đâm đặc hơn hoặc thu được dung môi tinh khiết hay chất rắn kết tinh.. Trước khi đưa dung d

A.TÍNH CHẤT HÓA-LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4 2

1 Tính chất hóa lí và ứng dụng 2

2 Cô đặc 2

B CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 3

C TÍNH TOÁN 4

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể 4

2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q 5

3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể 5

Tính lần 1: 5

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: 5

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 5

Tính lần 2: 7

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức: 7

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 8

Tính lần 3: 9

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ: 9

b Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2 9

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP

1 Tính chất hóa lí và ứng dụng

Cacbon tetraclorua hay tetraclorua cacbon (Danh pháp IUPAC: Carbon tetrachloride)

là một hợp chất hóa học có công thức hóa học CCl4 Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ và dung môi hữu cơ Trước đây nó còn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh

Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm", đóng rắn ở -250K, sôi ở 350K,dễ bay hơi, tỷ trọng lỏng là 1.5842g/cm3, độ hòa tan trong nước ở 25o

C là 785-800mg/L, không bắt cháy

Cacbon tetraclorua là một chất độc gây hại đến sức khỏe đặc biệt cho gan, hệ thần kinh, gây ung thư, tác động xấu tới môi trường như làm thủng tần ô-zôn gây nên hiệu ứng nhà kính Mức độ hoạt động hóa học không cao

2 Cô đặc

Cô đặc là quá trình làm bay hơi dung môi ở nhiệt độ sôi nhằm mục đích thu lấy dung dịch đâm đặc hơn hoặc thu được dung môi tinh khiết hay chất rắn kết tinh

Trước khi đưa dung dịch cacbon tetraclorua vào thiết bị cô đặc nó cần được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi thường bằng một thiết bị ống chùm được đun nóng bằng hơi nước bão bòa nhằm mục đích đảm bảo cho quá trình cô đặc liên tục và đáp ứng được yêu cầu nhiệt độ sôi tăng theo nồng độ dung dịch

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là thiết bị truyền nhiệt được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhờ ưu điểm làm việc chắc chắn, liên tục, gọn gàng, bề mặt truyền nhiệt lớn

Cấu tạo:

1) Vỏ thiết bị hình trụ

2) Lưới đỡ ống

3) ống truyền nhiệt

4) mặt bích có bu lông ghép

Sơ đồ thiết kế công đoạn gia nhiệt

Chú giải:

1) Thùng chứa dung dịch đầu

2) Bơm

3) Thùng cao vị

4) Lưu lượng kế

5) Thiết bị trao đổi nhệt ống chùm

6) Thùng chứa nước ngưng

B.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Thiết bị ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất, nó có những ưu điểm

là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn Thiết bị truyền nhiệt ống chùm loại đứng gồm: 1- Vỏ hình trụ

2- Lưới đỡ ống

3- Ống truyền nhiệt

4-Mặt bích có bu lông ghép

Trên vỏ, nắp, và đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất tải nhiệt Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ 1

Chất tải nhiệt I (CCl4 100%) đi vào từ dưới đáy qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II ( hơi nước bão hòa ) đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa các ống và vỏ rồi đi

ra phía dưới Trong thiết bị diễn ra quá trình truyền nhiệt của hơi bão hòa tới hỗn hợp

Hơi H 2 O bh

CCl 4 sôi

1

2

4

3

5

6

Các ống trong thiết bị được bố trí theo hình sáu cạnh, cách lắp ống kiểu hàn Chọn thông số kĩ thuật:

Chọn vật liệu thép crom-niken-titan

Chiều cao giữa hai mặt bích: H=2 m

Chuẩn số Reynolds: Re = 10500

Đường kính ống: d = 30x2 mm

Bề dày ống truyền nhiệt: δ = 2 mm = 0,002 m

Nhiệt độ của hơi nước bão hòa có áp suất 5 at là: 151,0o

C(tra bảng I.250-tr313)

C TÍNH TOÁN

1 Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể

Hiệu số nhiệt độ lớn:

Ta chọn thđ = 151,0oC, t2đ= 25oC, t2c= t = 76,8oC(tra bảng 1.272-tr335)

∆tđ = 151,0 – 25 = 126,0(oC)

Hiệu số nhiệt độ bé:

∆tc = 151,0 – 76,8 = 74,2(oC)

1 2 6 , 0

1, 7 0 2

7 4 , 2

đ

c

t

t

Nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định :

1 2 6 , 0 7 4 , 2

1 0 0 , 1 2

t b

Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là:

- : t1tb = 151,0oC

- : t2tb = 151,0– 100,1 = 50,9 (oC)

Tại t2tb = 50,9 (oC) nội suy theo [1.153-tr171]

Cp = 908,35(J/kg.oC)

t2đ

t2c

to oC

2 Tính nhiệt lượng trao đổi Q

Q = G.Cp(tF – tf)

Trong đó: G - lưu lượng hỗn hợp ban đầu, G = 4,3 kg/s;

Cp - nhiệt dung riêng của hỗn hợp tại t2tb = 50,9oC

tF= 76,8oC

-tf = 25oC - nh

Với Cp =908,125 J/kg.oC

Vậy: Q = 4,3.908,35.(76,8–25) = 202325,9 (W)

3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

4 1

1

.

r A

t H

, W/m2.oC

Trong đó: r - Nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg;

∆t1 - Chênh lệch nhiệt độgiữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thànhống truyền nhiệt, oC;

H - chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; chọn H = 2 m;

A - hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

Ứng với thđ = 151,0oC nội suy theo bảng 1.250-tr313, ta có:

r = 2116,9.103 J/kg

C

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1=2 oC

→ tt1= t1tb– ∆t1= 151,0–2= 149,0 (oC)

Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

1 1 1 5 1, 0 1 4 9 , 0

1 5 0 , 0

m

Từ tm = 150,0oC tra bảng ta được:

A = 195,5

Vậy :

α1 =10756,9 W/m2.oC

Chọn Re = 10500

Hệ số cấp nhiệt α được tính theo công thức:

0 , 2 5

0 , 0 2 1 R e P r

P r

k

t

N u

Suy ra:

0 , 2 5

0 , 8 0 , 4 3 P r

P r

k

t

d

Trong đó :

Prt - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, còn các thông số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dòng;

εk - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d của ống

Ta chọn d = 30x2 mm H = 2m Dựa vào bảng V.2-tr15 ta có :

2

5 8 , 8 2 3 5 0

0 , 0 2 6

L

d

→ εk =1 Tính chuẩn số Pr theo công thức :

.

P r = p

C

Trong đó: Cp - nhiệt độ riêng của dung dịch ở t2tb;

μ - độ nhớt của dung dịch ở t2tb;

λ - hệ số dẫn nhiệt độ ở t2tb tính theo công thức:

3

.C p .

M

Trong đó: ρ - khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

;

M -khối lượng phân tử của dung dịch, kg/kmol;

Ta có : Cp = 908,35 J/kg oC

ε -hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng

với CCl4 chất lỏng không liên kếtthìε= 4,22.10-8

Tạit2tb= 50,9oC nội suy ta có :

ρ = 1534,7 kg/m3

Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp là:

λt = 0,127 W/m.oC

Tại t2tb = 50,9oC :

μdd = 0,6446.10-3(Ns/m2)

Do đó: Pr = 4,61

Tính chuẩn số Prt :

.

t

C

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1.∆t1 = 10756,9.2

q1 =21513,8(W/m2)

Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tt = tt1– tt2 = q1.∑rt

Trong đó: tt2 - nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp, oC;

∑rt - nhiệt trở ở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC /W

1 2

Trong đó: rt1, rt2 - nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía của tường, m2.độ/W;

δ -bề dày của ống truyền nhiệt, (m); chọn δ = 2 mm = 0,002 m;

λ -hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/m.o

C; với thép -crom-niken-titan ta cóλ = 18,0 W/m.độ.(I.125-tr127 )

Dựa vào bảng [ 3.4 ] ta chọn:

rt1 = 0,464.10-3 , m2.độ/W

rt2 = 1,16.10-3 , m2.độ/W

∑rt =1,735 10-3 (m2.độ/W)

Do đó: ∆tt= q1.∑rt= 21513,8.1,735.10-3 = 37,33 (oC)

→ tt2= tt1– ∆tt = (151,0 - 2) – 37,33 = 111,67(oC)

∆t2 = tt2–t2tb = 111,67- 50,9 = 60,77(oC)

Tại tt2 = 111,67oC nội suy I.153-tr171 ta có

Cpt = 995,8(J/kg.độ)

Tại tt2 = 111,67oC nội suy ta có: I.2-tr9

ρt=1408,33 kg/m3

Tại tt2 = 111,67oC nội suy ta có: I.101-tr91

→μdd = 0,350.10-3(Ns/m2)

Ta được: t k.C p t. t 3 t

M

λt = 0,124(W/m2.oC)

.

P r =t p t h h

t

C

= 2,81

Vậy:

0 , 2 5

0 , 8 0 , 4 3 2

P r

0 , 0 2 1 R e P r

P r

k

t

d

α2 = 360,4(W/m2.độ)

→ q2 = α2.∆t2 = 360,4 60,77= 21901,5 (W/m2)

1=21513,8 W/m2

2= 21901,5 W/m2

C

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:

4 1

1

2 , 0 4

.

r A

t H

, W/m2oC Giả sử chênh lệch nhiệt độ ∆t1 = 3oC

→ tt1= t1tb – ∆t1= 151,0– 3= 148 (oC)

Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:

1 5 1 1 4 8

1 4 9 , 5 2

m

Từ tm = 149,5oC tra bảng ta được:

A = 195,43 và r = 2116,9.103 J/kg

Vậy :α1 =9716,47(W/m2.độ)

Chọn Re = 10500

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1.∆t1 = 9716,47 3 = 29149,4 (W/m2)

tm = 149,5 (oC) nên λ = 18,0 Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt

Ta có: ∑rt =1,735.10-3 , m2.độ/W

→∆tt=29149,4.1,735.10-3= 50,57 (oC)

tt2 = tt1– ∆tt = 148 – 50,57 = 97,43(oC)

∆t2 = tt2– t2tb= 97,43 – 50,9 =46,53(oC)

Tại tt2 = 97,43oC ta có:

Cpt =972,145(J/kg.độ)

Tại tt2 = 97,43oC ta có:

ρ = 1438,8 kg/m3

Tại tt2 = 97,43oC nội suy ta có:

→ μhh = 0,428.10-3(Ns/m2)

λt = 0,124(W/m.độ)

3

. 9 7 2 , 1 4 5 0 , 4 2 8 1 0

0 , 1 2 4

p t h h

t

t

C

Vậy:

α2 =344,63(W/m2.độ)

→q2 = α2.∆t2 = 344,63.46,53= 16035,6(W/m2)

Giải phương trình ta tính được ∆t1 = 2.03 oC

C

a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:

Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t1 = 2,03oC vậy ta có:

tt1= t1tb- ∆t1= 151,0 – 2,03 = 148,97(oC)

1 5 1, 0 1 4 8 , 9 7

1 4 9 , 9 8 5 2

m

Từ tm = 149,985oC tra bảng ta được:

A = 195,498

Vậy :

α1 =10716,8(W/m2.độ)

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1 = α1.∆t1 = 10716,8.2,03= 21755,1 (W/m2) Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt= 21755,1.1,735.10-3= 37,745 (oC)

tt2 =tt1 – ∆tt = 148,97 – 37,745 = 111,225(oC)

∆t2= tt2 – t2tb = 111,225 – 50,9 = 60,325(oC)

Tại tt2 =111,225oC nội suy ta có:

Cpt = 995,0825(J/kg.độ)

Tại tt2 = 111,225oC nội suy ta có:

ρt = 1409,305 kg/m3

Tại tt2 = 111,225oC nội suy ta có:

μhh = 0,3511.10-3(Ns/m2)

21513.8

29149.4

21901.5

16035.6 15000

17000

19000

21000

23000

25000

27000

29000

31000

Ta được:

λt = 0,1238(W/m.độ)

3

. 9 9 5 , 0 8 2 5 0 , 3 5 1 1 1 0

0 , 1 2 3 8

p t h h t

t C

Vậy:

α2 = 359,414(W/m2.độ)

→ q2 = α2.∆t2 = 359,414.60,325 =21681,65(W/m2)

Dựa trên số liệu tính toán ta có bảng số liệu:

Số

lần

tính

nhiệt độ

3 151 148,97 2,03 149,985 10716,80 21755,1 1,735.10-3 37,745

Số lần

tính

Phía hỗn hợp chảy xoáy

Từ trên ta có:

qtb = 0 , 0 2 6 0 , 0 3 0 0 , 0 2 8

td

qtb = 21718,375(W/m2) Kiểm tra sai số:

Ss=0,34% (quá đạt tiêu chuẩn)

1 Tính bề mặt truyền nhiệt

2

2 0 2 3 2 5 , 9

9 , 3 2

2 1 7 1 8 , 3 7 5

t b

Q

q

Làm tròn F = 10 m2

2 Số ống truyền nhiệt

0 , 0 2 6 0 , 0 3 0

0 , 0 2 8

t d

d

Số ống truyền nhiệt:

9 , 3 2

5 3 , 0 0 t d 3 , 1 4 0 , 0 2 8 2

F n

Dựa bảng quy chuẩn và chọn tổng số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là : n = 61 ống

Số ống trên một cạnh của hình 6 cạnh là: 5 ống

Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 9ống

Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là: 61 ống

Số hình 6 cạnh là: 4 hình

3 Đường kính trong thiết bị đun nóng

D = t.( b – 1 ) + 4.dn, m Trong đó : t – bước ống, thường lấy t = 1,2 – 1,5 dn ;

dn – đường kính ngoài của ống truyền nhiệt, m;

b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh

Vậy: D = 1,2.0,03.(9 – 1 ) + 4.0,03

D = 0,408 (m)

Làm tròn: D = 0,5 m = 500 mm

4 Tính chiều cao của thiết bị

, tra bảng số liệu ta chọn:

Chiều cao của nắp thiết bị: hl = ht + h

Trong đó: ht = 125 mm

h = 25 mm

Vậy chiều cao của thiết bị:

L = H + 2.hl = 2.1000 + 2.( 125 + 25 ) = 2300 (mm)

Xác định vận tốc thực:

2

4

t

G

d n

G = 4,3 (kg/s)

n = 61 ống

d = 0,026 m

ρ = 1534,7 kg/m3

µ = 0,645 Ns/m2(sai)

→

4 4 0 , 9 4 4

0 , 0 8 6 5 3 , 1 4 0 , 0 2 6 6 1 9 1 6 , 9 1 5

t

G

(m/s)

ωt = 0,0865 (m/s)

Xác định vận tốc giả thiết:

3

R e 1 0 5 0 0 0 , 6 4 5 1 0

0 , 1 6 9 7 0 , 0 2 6 1 5 3 4 , 7

g t

d

ωgt= 0,1697 (m/s)

Vì: 0 0 0

0 , 1 6 9 7 0 , 0 8 6 5

0 , 1 6 9 7

g t t

g t

Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy

Số ngăn:

Số ngăn cần thiết: 0 , 1 6 9 7 1, 9 6

0 , 0 8 6 5

g t

t

m

m = 1,96 ( ngăn )

Quy chuẩn m = 3 (ngăn )

Tính lại chuẩn số Reynolds:

3 1

6 1

3 , 1 4 0 , 0 2 6 0 , 6 4 5 1 0

3

G

d n

Vậy các kích thước của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu là:

F = 10m2 – bề mặt truyền nhiệt;

n = 61 ống – số ống truyền nhiệt;

D = 500mm – đường kính trong của thiết bị;

H = 2m – chiều cao giữa hai mặt bích