Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và tháp chưng cất hai cấu từ

Đồ án môn học

Page 1
Sv: Hà Minh Tiến
Đồ án này gồm có:
Trang
I. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống
Giới thiệu chung 2
1.tính toán chung 3
2. tính toán cho ống trong là ống tròn trơn 6
3. tính toán cho ống trong là ống có gân dọc 10

II. Tính toán tháp chưng cất hai cấu tử
Giới thiệu chung 16
1. Tính toán nồng độ phần mol và lưu lượng (kmol/h) của nguyên liệu,sản
phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 17
2. Vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y 19
3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, đường là việc và số đĩa lý thuyết 20
4. Xác dịnh đường kính 25
5. Số đĩa thực tế và chiều cao cơ bản của tháp 29
6. Xác định nhiệt độ đỉnh ,đáy và vị trí đĩa tiếp liệu ứng với trường hợp
nguyên liệu vào tháp ở trạng thái sôi . 34
Kết luận 36

Đồ án môn học

Page 2
Sv: Hà Minh Tiến
I. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:
Giới thiệu chung về thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống:
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống có cấu tạo rất gọn gàng do hiệu quả
trao đổi nhiệt cao, chúng có các ưu điểm nổi bật sau:
 Thường được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa các chất lỏng với nhau hoặc
chất lỏng với môi chất đang sôi hay đang ngưng tụ với khả năng trao đổi
nhiệt lớn.
 Cả hai môi chất khi chuyển động qua thiết bị đều chuyển động đối lưu
cưỡng bức với tốc độ rất lớn nên thời gian đạt yêu cầu trao đổi nhiệt sẽ giảm
xuống.
 Kết cấu gọn gàng, an toàn và dễ chế tạo.
Tuy nhiên, các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống hiện nay chỉ là các ống
trơn hiệu quả thấp, ít nhiều bị hạn chế , đặc biệt trong moi trường ngưng tụ môi
chất , ống trơn sẽ hạn chế khả năng ngưng tụ của môi chất. nên người ta thiết
kế ống lồng ống với ống trong có gân dọc mặt ngoài. Một số dạng ống lồng ống
trong thực tế hay gặp như hình dưới đây:
Đồ án môn học

Page 3
Sv: Hà Minh Tiến

Hình 1 :Cấu tạo ống lồng ống
Yêu cầu và mục tiêu cần đạt được:
Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng ống dung dầu điesel đun nóng dầu
thô trong hai trường hợp :

 ống trong là ống tròn trơn
 ống trong là ống tròn ,mặt ngoài có gân dọc
số liệu như sau:lưu lượng dầu thô 35000kg/h, lưu lượng diesel là 27000 kg/h
một số tính chất ban đầu được cho ở bảng dưới đây:
Thông số Dầu thô diezen
Nhiệt độ đầu vào (
o
C) 25 280
Nhiệt độ đầu ra (
o
C) Cần tính 150
Tỷ khối d
4
20
0,89 0,8
Độ nhớt(cst)
20
o
C
40
o
C
100
o
C
200
o
C
250
o

C
300
o
C

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

1,1
0,81
0,45
0,26
0,21
0,15
Đồ án môn học

Page 4
Sv: Hà Minh Tiến
Đồ thị độ nhớt theo nhiệt độ được vẽ để tiện cho tính toán:

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 50 100 150 200 250 300 350
độ nhớt(cst)
nhiệt độ(
o
C)
dầu thô
diezen
Đồ án môn học

Page 5
Sv: Hà Minh Tiến
1. Tính toán chung
1.1lượng nhiệt trao đổi và tính lượng nhiệt đầu ra :
nhiệt dung riêng điesel và dầu được tính theo công thức:
0.5
9

1625 1,1886( 32)
5
( )
t
t
t
C
d
 


 Tại 280
o
c nhiệt dung riêng diesel là :
C
d
=1884 j/ kg
o
=0,497 kcal/kg
o

 Tại 150
o
c nhiệt dung riêng diesel là :
C
d
=1884,3 j/ kg
o
=0,497 kcal/kg
o

 Lượng nhiệt trao đổi của diesel là:
. . 0,497.27000.(280 150) 1744470( / )
P
Q C m T Kcal h     
 Do lượng nhiệt của dầu thô nhận bằng lượng nhiệt diesel cung cấp nên
theo cân bằng nhiệt:
Q(dầu thô)=Q(diesel)=1744470 kcal/h
 Tại 25
o
c nhiệt dung riêng của dầu thô là:
C
p
=1793,39j /kg
o
=0,429 kcal/kg
o

Theo công thức : . .
P
Q C m T   =>
1744470
116,18
35000.0,429
o
p
Q
T c
C m
   



 Nhiệt độ đầu ra của dầu thô là:t= 116,18-25=91,18
o
C

1.2 nhiệt độ và độ nhớt :
 hiệu số nhiệt độ trung bình:
diesel 280
o
→ 150
o
dầu thô 91,18
o
← 25
o

188,8
o
125
o

188,8 125
154,9 155
188,8
2,3lg
125
o o
t c c


   

Đồ án môn học

Page 6
Sv: Hà Minh Tiến
 Độ nhớt trung bình của dầu thô được tính :
Nhiệt độ trung bình dầu thô là: (25+91,18)/2=58,09
o
c
Theo đồ thị ta có độ nhớt động học dầu thô là:
ν = 2,1(cst)=2,8.10
-6
(m
2
/s)
độ nhớt động lực học tương ứng là:
µ
p
=v
p
.ρ
p
=2,8*10
-6
.860=2,408.10
-3
(N.s/m
2
)

 Độ nhớt trung bình của diesel được tính :
Nhiệt độ trung bình diesel là: (280+150)/2=215
o
c
Theo đồ thị ta có độ nhớt động học diesel là:
ν =0,22(cst)=0,22.10
-6
(m
2
/s)
độ nhớt động lực học tương ứng là:
µ
d
=v
d
.ρ
d
=2,2.10
-7
.640=1,408.10
-4
(N.s/m
2
)
2. phần tính toán riêng cho ống trong là ống tròn trơn:

Đối với loại ống lồng ống quy định đường kính ống trong là 38-57mm, đường kính
ống ngoài là 76-108 mm. nên ta chọn ống trong có kích thước 57х2 mm, ống ngoài
108х3mm được làm bằng thép X18H10T (có λ=16,3w/m

0
)
2.1 hệ số cấp nhiệt diesel:
Hệ số cấp nhiệt được tính theo công thức:
d
d d
Nu
d



Trong đó chuẩn số Nu được tính:
0.25
0,8 0.43
Pr
0,021.Re .Pr
Pr
d
d d d
w
Nu
 

 
 

Đồ án môn học

Page 7
Sv: Hà Minh Tiến

Vận tốc diesel được tính theo công thức:
 
2 2
4. 4.27000
5,3145 /
3,14.0,053 .640.3600
d
d
d
G
W m s
d
 
  

Chuẩn số reynold được tính cho dầu diesel:
4
4
. . 5,3145.0,053.640
Re 1280303,94 10
1,408.10
d d
d
d
 


   

Nên chế độ thuỷ động của diesel là chảy rối.

Chuẩn số Pr của điesel tại nhiệt độ trung bình t=215
o
c
4
3600. .
3600.0,497.1,408.10
Pr 3,072
0,082
d d
d
C



  

Tại 215
o
c hệ số dẫn nhiệt điesel được ngoại suy là ג=0,082 [kcal/m.h.độ]
Thay vào công thức tính chuẩn số Nu ta có :
0,25 0,25
0,8 0,43
Pr Pr
0,021.Re .Pr 2616,14
Pr Pr
d d
d d d
w w
Nu
   

 
   
   

Vậy hệ số cấp nhiệt của diesel là :
0,25 0,25
Pr Pr0,083
.2616,14 4097
0,053 Pr Pr
d d d
d d
w w
Nu
d


   
  
   
   

2.2 hệ số cấp nhiệt dầu thô là:
Nhiệt độ trung bình dầu thô là :58,09
o
c , nhiệt dung riêng dầu thô là C
p
=0,404
[kcal/m.h.độ]
Vận tốc dầu thô được tính theo công thức:
 

2 2 2
4.
4.35000
2,013 /
3,14.(0.102 0,057 ).860.3600
p
p
p
G
W m s
d
 
  


Chuẩn số reynold được tính cho dầu thô:
4
3
. .
2,013.(0,102 0,057).860
Re 32351,78 10
2,408.10
p d
d
d
 



   

Đồ án môn học

Page 8
Sv: Hà Minh Tiến
Chế độ thuỷ động của dầu thô là chảy rối.
Chuẩn số Pr của dầu thô tại nhiệt độ trung bình t=58,09
o
c có hệ số dẫn nhiệt ג=
0,12[kcal/m.h.độ]
3
3600. .
3600.0,404.2,408.10
Pr 29,185
0,12
p p
p
C



  

Chuẩn số Nu của dầu thô được tính:
0,25 0,25
0,8 0,43
' '
Pr Pr
0,021.Re .Pr 363,2
Pr Pr

p p
p p p
w w
Nu
   
 
   
   

Hệ số cấp nhiệt phía dầu thô là:
d=0,102-0,057=0,045 (m)
0,25 0,25
' '
Pr Pr
0,12
.363,2 968,5
0,045 Pr Pr
p p p
d p
w w
Nu
d


   
  
   
   

2.3 hệ số truyền nhiệt K khi bỏ qua

Ta có
2
1
57
2
53
d
d
 
nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng.
Trở lực qua tường là:
3
3 3 3
1 2
2.10
1,16.10 1,16.10 2,4427.10
16,3
r r r



  
       
[m
2
.h.độ/kcal]
Khi bỏ qua
0,25 0,25
'
Pr

Pr
1
Pr Pr
p
d
w w
   
 
   
   

Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức:
2
3
1 1
268,87( / . . )
1 1 1 1
2,4427.10
4097 968,5
d p
K Kcal m h do
r
 

  
    

Nhiệt tải riêng :
0,25
Pr

Pr
d
w
 
 
 
Đồ án môn học

Page 9
Sv: Hà Minh Tiến
Q=K.Δt=268,87.155 =41674,85 [kcal/m
2
.h]
2.4 hệ số truyền nhiệt khi chú ý đến
Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,8
o
c
Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10
-6
N.m
2
/s, hệ số dẫn nhiệt ג= 0,084
kcal/m
2
.h.độ .
Chuẩn số Pr
w
được tính
6
3600. .

3600.0,497.0,258.10 .640
Pr 3,517
0,084
d d
d
C



  

0.25
Pr
0,9668
Pr
w
 

 
 

Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là: 0,968.4097 3961,063

  [kcal/m
2
.h.độ]
Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Q
d
= α.(t
d

-t
t
)=3961,063.(215-203,8)=44363,91
[kcal/m
2
.h]
Nhiệt độ tường phía dầu thô là: t
wp
=t
t
-Q
d
.Σr=203,8-44363,91.2,4427.10
-
3
=95,43228
o
C
Chuẩn số Pr
wp
phía dầu thô là:
6
3600. .
3600.0,404.(1,43.10 .860)
Pr 15,158
0,118
wp wp
wp
wp
C




  

0,25
0,25
Pr
29.185
1,178
Pr 15,1578
p
wp
 
 
 
 
 
 
 
 

Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=968,5.1,178=1140,855 [kcal/m
2
.h.độ]
Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô
Q
w
=α(t
wp

-t
p
)=1375,258.(95,43-58,09)=42602,13[kcal/m
2
.h]
Sai số ε=(44363,91-42602,13)/44363,91.100 %=1,986%<5%
0,25
Pr
Pr
d
w
 
 
 
Đồ án môn học

Page 10
Sv: Hà Minh Tiến
Nên chấp nhận được. khi đó Q
tb
=(44363,91+42602,13)/2=43483,02[kcal/m
2
.h]
Sai số dòng nhiệt
 
( )
1140,85 95,43 58,09
1 1 0,03977 3,977%
( ) 3961,063(215 203,8)
p wp p

d d wd
t t
t t





     
 

Vậy α
d
,α
p
được lấy như trên.khi đó
2
3
1 1
280( / . . )
1 1 1 1
2,4427.10
3961,063 1140,855
d p
K Kcal m h do
r
 

  
    

Diện tích trao đổi nhiệt
2
1744470
40,118
43483,02
tb
Q
F m
Q
  

Số modul :
1
40,118
80,4 81
3,14.0,053.3
F
N
d l

   
ống
Hiệu suất trao đổi nhiệt:
280 150
0,51 51%
250 25
max
d p
t

t t

 
   
 

1. tính toán riêng cho ống trong là ống tròn mặt ngoài có gân dọc:

Đồ án môn học

Page 11
Sv: Hà Minh Tiến

Chọn kích thước ống 57х2 và 108х3 ống có gân h= 12,7 mm ; w=0,082mm, bước
gân w
r
=4,02mm độ dày gân w=0,82 mm;
Số gân trên bề mặt ống tỏng là:
2
. 3,14.57
37
0,82 4,02
r
d
n
w


  
 

3.1Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel chảy trong ống không thay đổi tính như 2.1
0,25 0,25
Pr Pr0,083
.2616,14 4097
0,053 Pr Pr
d d d
d d
w w
Nu
d


   
  
   
   

3.2 hệ số cấp nhiệt của dầu thô:
 Diện tích dòng chảy dầu thô ngoài ống là :
2 2
.( ) .( . )
4
r
S D d n h

  
   
2 2 6 6 3
.(0,102 0,057 ) 37.(12,7.0,82.10 4,02.0,82.10 ) 5,1.10

4
S

  
     m
2

 Vận tốc dầu thô được tính theo công thức:
3
35000
2,217( / )
3600. . 3600.5,1.10 .860
p
p
p
G
m s
S



  

Chu vi thấm ướt :
Đồ án môn học

Page 12
Sv: Hà Minh Tiến
2
2 ( ) 1,56

r
C D d n h n n m
    
      
Đường kính tương đương được tính:
3
5,1.10
4 4. 0,0131[ ]
1,56
td
S
d m
C

  

 Chuẩn số Reynold tính ở 58,09
o
C là:
4
3
. .
2,217.0,0131.860
Re 10372,4 10
2,408.10
p td p
p
p
d
 



   

Chế độ thuỷ động là chảy rối.
 Chuẩn số Pr của dầu thô được tính như sau;
3
3600. .
3600.0,404.2,408.10
Pr 29,185
0,12
p p
p
C



  

Với λ=0,12(kcal/m.h.độ)
 Chuẩn số Nu được tính theo :
0,25 0,25
0,25 0,43
' '
Pr Pr
0,021.Re .Pr 146,2
Pr Pr
p p
p p p
w w

Nu
   
 
   
   

Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:
0,25 0,25
' '
Pr Pr
0,12
.146,2 1339,24
0,0131 Pr Pr
p p p
d p
w w
Nu
d


   
  
   
   

Trở lực tường và cặn bẩn:
3
3 3 3
1 2
2,82.10

1,16.10 1,16.10 2,49.10
16,3
r r r



  
       
[m
2
.h.đô/kcal]
r
1
là trở lực tường bên diesel
r
2
là trở lực phía tường bên dầu thô
Đồ án môn học

Page 13
Sv: Hà Minh Tiến
δ là bề dày ống
λ là độ dẫn nhiệt vật liệu chế tạo ống
3.3 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi bỏ qua
Ta có
2
1
57
2
53

d
d
 
nên có thể coi như truyền nhiệt qua tường phẳng.
Khi bỏ qua
0,25 0,25
'
Pr
Pr
1
Pr Pr
p
d
w w
   
 
   
   

Hệ số truyền nhiệt được tính theo công thức:
2
3
1 1
287,3( / . . )
1 1 1 1
2,49.10
4097 1339,24
d p
K Kcal m h do
r

 

  
    

Nhiệt tải riêng :
Q=K.Δt=287,3.155=44531,5 [kcal/m
2
.h]
3.4 tính hệ số truyền nhiệt và nhiệt tải riêng khi tính đến
Giả thiết hiệt độ thành của dầu diesel là:203,2
o
c
Tại đó độ nhớt động học µ=0,258.10
-6
N.m
2
/s, hệ số dẫn nhiệt ג= 0,084
kcal/m
2
.h.độ .
Chuẩn số Pr
w
được tính
6
3600. .
3600.0,497.0,258.10 .640
Pr 3,517
0,084
d d

d
C



  

0.25
Pr
0,9668
Pr
w
 

 
 

Hệ số cấp nhiệt của dầu diesel là: 0,968.4097 3961,063

  [kcal/m
2
.h.độ]
0,25
Pr
Pr
d
w
 
 
 

0,25
Pr
Pr
d
w
 
 
 
Đồ án môn học

Page 14
Sv: Hà Minh Tiến
Nhiệt cung cấp phía dầu điesel là: Q
d
= α.(t
d
-t
t
)=3961,063.(215-203,2)=46740,55
[kcal/m
2
.h]
Nhiệt độ tường phía dầu thô là: t
wp
=t
t
-Q
d
.Σr=203,2-46740,55.2,49.10
-3

=86,81
o
C
Chuẩn số Pr
wp
phía dầu thô là:
6
3600. .
3600.0,404.(1,6.10 .860)
Pr 16,96
0,118
wp wp
wp
wp
C



  

0,25
0,25
Pr
29.185
1,1145
Pr 16,96
p
wp
 
 

 
 
 
 
 
 

Hệ số cấp nhiệt của dầu thô:α=1339,24.1,1145=1533,887 [kcal/m
2
.h.độ]
Nhiệt cấp phía thành ống phía dầu thô
Q
w
=α(t
wp
-t
p
)=1533,887.(88,81-58,09)=44062,49[kcal/m
2
.h]
Sai số ε=(46740,55-44062,49)/46740,55.100 %=2,865%<5%
Nên chấp nhận được. khi đó Q
tb
=(46740,55+44062,49)/2=45401,52[kcal/m
2
.h]
Sai số dòng nhiệt
 
( )
1533,887 86,81 58,09

1 1 0,0575 5,75% 10%
( ) 3961,063(215 203,2)
p wp p
d d wd
t t
t t





      
 

Vậy α
d
,α
p
được lấy như trên.khi đó
2
3
1 1
295( / . . )
1 1 1 1
2,49.10
3961,063 1533,887
d p
K Kcal m h do
r
 


  
    

Diện tích trao đổi nhiệt
2
1744470
38,423
45401,52
tb
Q
F m
Q
  

Số modul :
1
38,423
76,959 77
3,14.0,053.3
F
N
d l

   
ống
Đồ án môn học

Page 15
Sv: Hà Minh Tiến

Hiệu suất trao đổi nhiệt:
280 150
0,51 51%
250 25
max
d p
t
t t

 
   
 
.