|
Thành viên ChemVN
PHOEBUS
Tham gia ngày: Sep 2008
Tuổi: 36
Posts: 3
Thanks: 0
Thanked 1 Time in 1 Post
Groans: 0
Groaned at 0 Times in 0 Posts
Rep Power: 0
|
ngung tu acid acetic
Trong công nghiệp (đặc biệt là trong công nghiệp hóa học và thực phẩm), nhiều quá trình cần được tiến hành ở những điều kiện nhiệt độ xác định để đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm. Để giữ được nhiệt độ quá trình theo yêu cầu, người ta thường tiến hành các quá trình đun nóng, làm nguội, ngưng tụ.. Đó là các quá trình nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt gồm:
- Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian, không thay đổi theo thời gian. Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục.
- Truyền nhiệt không ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian. Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình liên tục.
Nhiệt được truyền từ vật này sang vật khác theo 3 phương thức: Dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt. Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt thường xảy ra đồng thời theo cả 2, 3 phương thức. Tùy từng trường hợp cụ thể mà ảnh hưởng của một hiện tượng nào đó không đáng kể so với toàn bộ quá trình thì có thể bỏ qua.
Ngưng tụ là quá trình chuyển hơi nước hay khí sang trạng thái lỏng bằng 2 cách:
- Làm nguội hơi (hoặc khí)
- Nén và làm nguội hơi (khí) đồng thời
Dùng nước để lấy nhiệt cho hơi ngưng tụ có thể tiến hành theo 2 cách:
- Ngưng tụ gián tiếp: có tường ngăn cách giữa hơi và nước
- Ngưng tụ trực tiếp: hơi và nước tiếp xúc với nhau
II. Cơ sở lý thuyết phương pháp tính (ngưng tụ gián tiếp)
Trong các thiết bị ngưng tụ gián tiếp, thường người ta cho hơi và nước đi ngược chiều nhau; nước làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở quá trình chuyển động của lưu thể, hơi cho đi từ trên xuống để chất lỏng đã ngưng tụ chảy dọc xuống tự do và dễ dàng.
Nếu quá trình ngưng tụ thực hiện đối với hơi bão hòa và chất lỏng, chất lỏng đã ngưng tụ cần làm nguội đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa thì khi tính toán phải chia làm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ bão hòa
- Giai đoạn 2: ngưng tụ hơi bão hòa ở nhiệt độ không đổi
- Giai đoạn 3: làm nguội chất lỏng đã ngưng tụ xuống nhiệt độ cần thiết
Ký hiệu:
Q: nhiệt lượng trao đổi trong quá trình trao đổi nhiệt (W)
Q1: nhiệt lượng lấy đi để làm nguội hơi quá nhiệt đến nhiệt độ bão hòa (W)
Q2: nhiệt lượng hơi tỏa ra khi ngưng tụ (W)
Q3: nhiệt lượng tỏa ra khi làm nguội nước ngưng (W)
r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
Gh: lượng hơi ngưng tụ (kg/s)
Ch: nhiệt dung riêng của hơi quá nhiệt (J/kg.độ)
Cng: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Cn: nhiệt dung riêng của nước (J/kg.độ)
Gn: lượng nước làm nguội (kg/s)
t1đ: nhiệt độ đầu của hơi quá nhiệt (0C)
t1c: nhiệt độ cuối của hơi quá nhiệt (0C)
tbh: nhiệt độ của hơi bão hòa (0C)
t2đ, t2c: nhiệt độ đầu và cuối của nước làm nguội (0C)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
GnCn(t2c – t2đ) = Q1 + Q2 + Q3 = Q (1)
Trong đó:
Q1 = GhCh(t1đ – tbh)
Q2 = Ghr
Q3 = GhCng(tbh – t1c)
Từ (1) suy ra lượng nước làm nguội:
(kg/s)
Tương ứng với mỗi giai đoạn đều có một bề mặt trao đổi nhiệt. Do đó tổng bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết cho toàn bộ quá trình sẽ bằng tổng số bề mặt trao đổi nhiệt của 3 giai đoạn:
(m2)
Trong đó:
F1: bề mặt trao đổi nhiệt ứng với giai đoạn I
(m2)
F2: bề mặt trao đổi nhiệt ứng với giai đoạn II
(m2)
F3: bề mặt trao đổi nhiệt ứng với giai đoạn III
(m2)
Hiệu số nhiệt độ trung bình tính theo từng giai đoạn
Giai đoạn I:
; ;
Giai đoạn II:
; ;
Giai đoạn III:
; ;
Nhiệt độ tx,ty có thể xác định từ phương trình cân bằng nhiệt của từng giai đoạn:
Hệ số truyền nhiệt K1,K2, K3 tính toán riêng theo từng giai đoạn tương ứng theo công thức tổng quát:
III. Thiết bị trao đổi nhiệt (gián tiếp)
1. Loại vỏ bọc:
2. Loại ống
a. Ống xoắn ruột gà
b. Ống tưới
c. Ống lồng ống
d. Ống chùm
3. Loại tấm
4. Loại ống có gân
5. Loại xoắn ốc
Trong các loại thiết bị truyền nhiệt nêu trên, loại ống chùm được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất. Thiết bị này có nhiều ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn.
IV. Tính toán thiết bị
Chọn thiết bị loại ống chùm thẳng đứng ống truyền nhiệt có ø25x2,5 mm; chiều cao các ống truyền nhiệt H = 1m bằng vật liệu 12XH3. Tác nhân lạnh là nước lạnh công nghiệp có tđ = 250C, tc = 450C. Ngưng tụ hoàn toàn hơi bão hòa Acid Acetic thành lỏng và làm nguội nước ngưng xuống nhiệt độ 500C.
Do kết cấu của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm dạng thẳng đứng nên ta cho lưu thể sạch (hơi acid acetic bão hòa) đi ở khoảng không gian ngoài ống; lưu thể có khả năng tạo cặn bẩn (nước) cho đi trong ống (làm sạch dễ dàng hơn).
A. Giai đoạn I: ngưng tụ
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình
th = 1180C – nhiệt độ ngưng tụ của Acid Acetic
- Lượng nhiệt ngưng tụ hoàn toàn hơi Acid Acetic thành lỏng:
Trong đó: r = 405073 J/kg – Ẩn nhiệt ngưng tụ của Acid Acetic
- Lượng nhiệt làm nguội:
W
- Tổng lượng nhiệt:
Q = Q1 + Q2 = 28173,819 + 10320,417 = 38494,236 W
- Lượng nước làm nguội và ngưng tụ
Cn = 4190 J/kg.độ : nhiệt dung riêng của nước
- Nhiệt độ tx
- Hệ số truyền nhiệt:
(W/m2.độ)
α1 : Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ
α2 : Hệ số cấp nhiệt phía nước
2. Hệ số cấp nhiệt phía nước α2 giai đoạn I:
Nhiệt độ trung bình phía nước:
Ở nhiệt độ trung bình 380C, nước có các thông số vật lý:
Khối lượng riêng: ρ = 992,54 kg/m3
Độ nhớt: μ = 0,682.10-3 N.s/m2
Hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,631 W/m.độ
Nhiệt dung riêng: Cp = 4190 J/kg.độ
a. Chuẩn số Prandtl:
b. Chuẩn số Nusselt: chọn chế độ chảy xoáy có Re = 12000.
(1)
εk - hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số chiều dài ống l và đường kính ống d
Nên ta chọn εk = 1
(1) =>
Mặt khác:
(W/m2.độ)
3. Hệ số cấp nhiệt phía hơi α1
Khi ngưng hơi trên ống thẳng đứng,
Xác định theo công thức (W/m2.độ)
- Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
H = 1 m : chiều dài của ống
Δt1 = th – tT1 : Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành ống
r: ẩn nhiệt ngưng tụ (r = 405073 J/kg)
4. Tổng trở nhiệt
(m2.độ/W)
r1, r2 – nhiệt trở của cặn bẩn bám vào 2 bên thành ống phía hơi ngưng tụ và phía nước (m2.độ/W)
δ = 0,0025m – bề dày ống truyền nhiệt
λ = 36,1 W/m.độ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu thép 12XH3 làm thành ống (ở 1000C)
Lấy hệ số cấp nhiệt của thép 12XH3 ở 1000C, kết quả tính toán sẽ có sai số nhưng không đáng kể do khi tăng nhiệt độ thì hệ số cấp nhiệt của thép 12XH3 thay đổi không đáng kể.
Ta chọn
r1 = 0,116.10-3 m2.độ/W
r2 = 0,464.10-3 m2.độ/W
Vậy (m2.độ/W)
5. Nhiệt tải riêng
Nếu coi mất mát nhiệt khi truyền từ lưu thể này sang lưu thể kia không quá 5% thì ta tính toán nhiệt tải riêng q1 và q2 cũng không chênh lệch quá 5%
- Chọn chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và thành ống: Δt1 = th – tT1
- Tính α1 và q1 (nhiệt tải riêng phía hơi)
- Tính Δt = tT1-tT2 : chênh lệch nhiệt độ giữa 2 bên thành ống
Δt = q1.Σr
Từ đó suy ra tT2 là nhiệt độ tường phía nước
- Tính q2 = α2. Δt2
- So sánh < 5% thì phù hợp
- Nhiệt tải riêng trung bình: (W/m2)
Chọn rất nhiều giá trị Δt1 trong đó giá trị Δt1 =130C là thích hợp và q1, q2 chênh lệch không quá 5%
Δt1 = 130C
tT1 = th –13= 118 –13 = 1050C
- Nhiệt độ màng dung dịch ngưng:
Từ tm = 111,50C, => A = 184,2 (tra bảng)
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi:
W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng:
q1 = α1. Δt1 = 4992,491.13= 64902,381W/m2
- Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống:
- Nhiệt độ tường phía nước:
- Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước:
Tại =62,90C, nước có các thông số:
W/m.độ
J/kg.độ
Vậy:
- Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước:
W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng phía nước:
W/m2
- So sánh:
Vậy Δt1 = 130C là phù hợp
- Nhiệt tải riêng trung bình:
W/m2
6. Diện tích truyền nhiệt
B. Giai đoạn II: làm nguội
Làm nguội Acid Acetic từ nhiệt độ 1180C xuống 500C, nhiệt độ của nước từ 250C đến 30,40C
Lượng nhiệt làm nguội:
W
Trong đó: Ch = 2185,5 J/kg.độ - Nhiệt dung riêng của Acid Acetic
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình
- Nhiệt độ trung bình:
- Nhiệt độ trung bình của nước:
- Nhiệt độ trung bình của Acid Acetic:
2. Hệ số cấp nhiệt phía nước
= 1, Re = 12000
Tại 280C nước có các thông số:
N.s/m2
W/m.độ
J/kg.độ
- Chuẩn số Prantld:
=>
W/m2.độ
3. Tổng trở nhiệt không đổi m2.độ/W
4. Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ Acid Acetic
W/m2.độ
Chọn rất nhiều giá trị, trong đó là thích hợp và chênh lệch giữa q1 & q2 <5%
Δt1 = 10,50C
tT1 = th –10,5= 77,72 –10,5 = 67,20C
- Nhiệt độ màng dung dịch ngưng:
Từ tm = 72,50C, => A = 163,75 (tra bảng)
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi:
W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng: q1 = α1. Δt1 = 4681,634.10,5 =49175,157 W/m2
- Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 thành ống:
- Nhiệt độ tường phía nước:
- Chênh lệch nhiệt độ giữa thành ống và nước:
Tại = 35,20C, nước có các thông số:
N.s/m2
W/m.độ
J/kg.độ
Vậy:
- Khi đó hệ số cấp nhiệt phía nước:
W/m2.độ
- Nhiệt tải riêng phía nước:
W/m2
- So sánh:
Vậy Δt1 = 8,20C là phù hợp
Nhiệt tải riêng trung bình:
W/m2
5. Diện tích truyền nhiệt
m
C. Xét cả 2 quá trình:
Tổng diện tích truyền nhiệt:
m2
1. Số ống truyền nhiệt:
Trong đó:
m
ống
- Quy chuẩn thiết bị:
- Tổng số ống : n = 19
- Xếp ống theo hình 6 cạnh
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: 5 ống
- Chiều cao ống: H= 1m
- Vận tốc nước chảy thực tế trong ống: (1)
Trong đó:
- Lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình: Gn = kg/h
- Nhiệt độ trung bình của nước:
Tại 33,10C, nước có các thông số:
(1) =>
- Vận tốc chảy theo giả thiết Re = 12000:
Ta thấy vgt > vt cho nên phải chia ngăn trong ống (do nước chảy trong ống)
- Số ngăn:
Chọn số ngăn m = 6
- Tính lại chuẩn số Re:
Trong đó:
2. Đường kính trong của thiết bị
Trong đó:
a: Số ống trên 1 cạnh của hình 6 cạnh ngoài cùng, a = 3
b = 2a – 1: Số ống trên đường chéo của hình 6 cạnh , b = 2.3 – 1 = 5
dn: Đường kính ngoài của ống d = 0,025 m
t: Bước ống (thường chọn t = (1,2 ÷ 1,5)dn)
Chọn t = 1,5dn = 1,5.0,025=0,0375
KẾT LUẬN:
Chọn thiết bị dạng ống chùm, đặt thẳng đứng có các thông số:
- Đường kính trong của thiết bị: D = 0,25 m.
- Đường kính ống ø25x2,5 mm
- Số ống truyền nhiệt: n = 19 ống, ống xếp theo hình 6 cạnh
- Chiều cao ống: H = 1 m
- Chia ngăn trong ống , số ngăn: m = 6 ngăn
V. Tài liệu tham khảo
1. Các quá trình và thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm; Tập 3: Các quá trình truyền nhiệt; Phạm Xuân Toản; NXB khoa học kỹ thuật
2. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất; tập 1, 2; NXB khoa học kỹ thuật
|
Linear Mode
