Tính toán thiết bị kiểu ống chùm dùng để đun nóng dung dịch bằng hơi nước bão hòa

Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Tính tốn thiết bị kiểu ống chùm dùng để đun
nóng dung dịch bằng hơi nước bão hịa
I.Đặt vấn đề
Đun nóng là một q trình rất phổ biến trong cơng nghiệp hóa chất
và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng vận tốc của một q trình phản ứng
hóa học, ngồi ra đun nóng cịn là một phương tiện cần thiết để thực hiện
các q trình khác như: cơ đặc, chưng cất, sấy khô, v.v.
Nguồn nhiệt phổ biến nhất để thực hiện q trình đun nóng là hơi
nước bão hịa do nó có nhiều ưu điểm: hệ số cấp nhiệt lớn, lượng nhiệt
cung cấp lớn, đun nóng đồng đều và dễ điều chỉnh nhiệt độ. Các dung dịch
khơng thể làm lỗng có thể đun nóng bằng phương pháp gián tiếp. Và thiết
bị thường được sử dụng nhất trong công nghiệp khi cần đun nóng gián tiếp
là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm.
Yêu cầu đối với thiết bị : Đun sôi dung dịch Ancol Iso propylic từ

150 C bằng hơi nước bão hịa ở áp suất P= 5at. Thiết bị có năng suất G d =
2.9 kgdd/s.

II.Giới thiệu tổng quan về thiết bị
Thiết bị ống chùm được sử dụng phổ biến nhất trong cơng nghiệp
hóa chất do nó có những ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền
nhiệt lớn.

1. Cấu tạo:
Thiết bị có cấu tạo gồm các bộ phận
chính :
1. Vỏ hình trụ

2. Lưới đỡ ống
3. Ống truyền nhiệt
4. Đáy thiết bị
Trên vỏ, nắp, đáy có cửa để dẫn chất
tải nhiệt. Thiết bị truyền nhiệt được đặt trên

1

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

chân đỡ hoặc tai treo hàn vào vỏ. Trên thân thiết bị thường lắp thêm ống bù
trừ nhiệt.
Các ống truyền nhiệt thường được phân bố theo hình sáu cạnh, theo
đường trịn đồng tâm hoặc theo kiểu thẳng hàng. Ống truyền nhiệt có thể
được gắn vào lưới bằng cách nong, hàn hoặc dùng ren.
Khi cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt,
ngươi ta thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn. Có thể chia ngăn trong
hoặc ngoài ống.
Sử dụng cốc tháo nước ngưng để tháo nước ngưng và ngăn khơng
cho hơi nước đi ra ngồi.

2. Ngun lý làm việc:
Thiết bị hoạt động theo sơ đồ ngược chiều.
Chất tải nhiệt I đi vào đáy dưới qua các ống lên trên và ra khỏi thiết
bị, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa ốngvà

vỏ rồi đi ra phía dưới.

III.Tính tốn
Các thơng số kĩ thuật:
_ Chọn vật liệu : thép CT3
_ Chiều cao giữa 2 mặt bích : H= 2m
_ Chuẩn số Renolds : Re= 10500
_ Đường kính ống: d= 34×2 mm
- Bề dày ống truyền nhiệt:  = 2mm= 0,002m

1.Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể:
to
t1đ
t2c

t1c
t2đ

Nhiệt độ của hơi nước bão hịa có áp suất 5at là : 151,1oC
0
Dung dịch Ancol iso propylic 100% có nhiệt độ sơi là: 130, 2 c
t1đ = t1c = 151,1oC, t2đ = 15oC
Dung dịch ancol iso propylic 5at tra theo bảng I.207 [3-247]

t2c = ts dd = 130, 20 C

Hiệu số nhiệt độ lớn:
∆tl = 151,1 - 15 = 136,1 (oC)
- Hiệu số nhiệt độ bé:
2

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

∆tb = 151,1 – 130,2 = 20,9 (oC)
= = 6,51 > 2
- Hiệu số nhiệt độ trung bình của hai lưu thể được xác định :
∆ttb = = 61,484 (oC)
- Nhiệt độ trung bình của từng lưu thể là:
Hơi đốt: t1tb = 151,1 oC
Dung dịch Ancol iso propylic: t2tb = 151,1 – 61,484 = 89,616 (oC)
Tra theo công thức I.4 [3-152]
Cp

= Cht ×x + 4186(1-x)
x- nồng độ chất hịa tan
Cht

X=1 �

- nhiệt dung riêng của chất hịa tan khan khơng chứa nước
Cp

= Cht

Ngoại suy theo bảng I.171 [30.105]

Cht [89,616] = 3130,8912 J/kg.K

2.Tính nhiệt lượng trao đổi Q:
Q = G.Cp.(t2c – t2đ), W
Trong đó: G – lưu lượng dung dịch ban đầu, kg/s
Cp – nhiệt dung riêng của dung dịch tại t2tb , J/kg.oC
t2đ, t2c - nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ sôi của dung dịch, oC
Với G = 2.9kg/s, t2đ = 15oC, t2c = 130,2oC

Ta có: Q = 2.9×3130,8912×(130,2 - 15) = 1045,97 kW

3.Tính lượng hơi nước tiêu hao.
Lượng hơi cần thiết được tính theo cơng thức:
D=
3

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Trong đó: D – lượng hơi cần thiết, kg/s
Q – nhiệt lượng trao đổi, W
i1 – Nhiệt lượng riêng của nước thể lỏng, J/kg
I1 – nhiệt lượng riêng của hơi nước, J/kg
Q = 1045.97 kW
Tại t = 151.1oC, ta có:
i1 = 635,054.103 J/kg

I1 = 2754,32.103 J/kg
( nội suy từ bảng I.250 – Sổ tay QT&TB CNHC I )
Ta có:

D = = = 0,493 (kg/s)

4.Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể.
4.1Tính lần 1: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hịa là
2oC. = t1
4.1. aTính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
α1 = 2,04.A. , W/m2.oC
Trong đó: r – Nhiệt ngưng tụ của hơi lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa, J/kg
∆t1 – chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ
thành ống truyền nhiệt, oC
H – chiều cao ống truyền nhiệt, m
A – hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng.
Ta chọn H = 2m.
tT1 = t1 - t1 = 151,1 – 2 = 149,1 (oC)
Khi đó ta có nhiệt độ màng nước ngưng là:
tm = (t1 + tT1) = = 150,1 (oC)
4

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Tra bảng [2-29] ta được : A = 195,515

Với thđ = 151.1oC tra bảng I.251 [3-314] ta có r = 2117×103 J/kg
Ta có:

α1 = 2,04.195,515.
α1 = 10757,8 W/m2.oC

Nhiệt tải riêng về phía hơi nước ngưng tụ:
q1 = α1.∆t1 = 10757,8× 2 = 21515,6 (W/m2)
4.1.b. Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch chảy xoáy:
α2 = 0,021 .. εk . Re0,8 . Pr0,43 , W/m2.oC
Trong đó:
Pr – chuẩn số Prandtl đặc trưng cho tính chất vật lý của mơi trường.
Prt – chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, cịn
thơng số khác tính theo nhiệt độ trung bình của dịng.
εk – hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và
đường kính d của ống truyền nhiệt.
Re – chuẩn số đặc trưng cho chế độ chuyển động của dòng.
λ – hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC
Chọn Re = 10000.
Chọn d= 34x2 mm. Ta có:
= = 76,92 > 50
 εk = 1,065
Tính chuẩn số Pr theo cơng thức:
Pr =
Trong đó: Cp – nhiệt dung riêng của dung dịch , J/kg.oC

5

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643

Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

µ – độ nhớt của dung dịch , Ns/m2
λ – hệ số dẫn nhiệt của dung dịch , W/m2.oC
Cp = 3130,8912 J/kg.oC
Tại t2tb = 89,616oC tính độ nhớt của dung dịch
Theo I.17 [3-85] có CT
t1  t 2

 1    2
t 1 t  2

,

K
trong đó

-nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt µ1,µ2

 1   2
,
- nhiệt độ cảu chất lỏng chuẩn có cùng giá trị độ nhớt là µ1,µ2
K- giá trị khơng đổi với chất lỏng
_ Chọn chất lỏng chuẩn là H 2O
_ Với Ancol izo propylic 100% : tra theo bảng I.101 [3-92]

400 C � µ1 = 1,33×103

500 C � µ2 = 1,03×103
_ Ứng với H 2O : Nội suy theo bảng I.102 [3-94]
µ1 = 1,33ì10

3

à2 = 1,03ì10

3

1 = 9,421 0 C

 2 = 190 C

40  50
 1,044
9,
421

19
K=

6

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Tại t2tb = 89,616oC ta có
t2tb  t1

 2tb   1

K

�  2tb

1
�(89,616  40)  9, 421
0
1,044
=
= 56,95 C

3
2
Nội suy theo bng I.102 [3-95] à = 0,491ì10
N.S/ m

H số dẫn nhiệt được tính theo cơng thức:
λ = ε.Cp.ρ. , W/m2.oC
Trong đó: ρ – khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3
M – khối lượng phân tử của dung dịch, kg/kmol
Cp – nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.oC
ε – hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng
Cp = 3130,8912 J/kg.oC
Với chất lỏng kết hợp, ε = 3,58.10-8

Tại t2tb = 89.616oC, nội suy theo bảng I.2 [3-09] ta có  = 726,83 kg/ m3
Ta có:

λ = 3,58.10-8× 3130,8912×726,83 = 0,188 W/m2.oC

Do đó:

Pr = = 8,17

Tính chuẩn số Prt:
Prt =
Hiệu số nhiệt độ hai phía thành ống:
∆tt = tT1 – tT2 = p1.
Trong đó: tT1 , tT2 – nhiệt độ thành ống, oC
– nhiệt trở hai bên ống truyền nhiệt, m2.oC/W
= rT1 + + rT2
Trong đó: rT1, rT2 – nhiệt trở của cặn bẩn hai phía tường, m2.oC/W
7

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

`

TS. Nguy ễn Minh Tân

– bề dày ống truyền nhiệt, m
λ – hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/m2.oC

Chọn thép CT3 làm vật liệu ống, ống có δ = 0,002m, λ = 46,5 W/m2.oC
3
rT1 = 0,232 �10 m2.oC/W

( bảng V.1- Sổ tay QT&TB CNHC II )
3
rT2 = 0,387 �10 m2.oC/W
3

3

= 0,232 �10 + + 0,387 �10 = 0,662.10-3 m2.oC/W
Do đó:

∆tt = p1. = 21515,6×0,662.10-3 = 14,25 (oC)
tT2 = tt1 - ∆tt = 149,1 – 14,25 = 134,85 (oC)
∆t2 = tT2 – t2tb = 134,85 – 89,616 =45,234 (oC)

Tại tT2 = 134,85 oC ta có:
Cpt = 3614,895 J/kg.oC
( ngoại suy từ bảng I.171 – Sổ tay QT&TB CNHC I )
1
�(134,85  40)  9,421
1,044
=  2tb = 100,27 (oC)

Ngoại suy từ bảng I.102 [30.111] ta có
µhh = 0,283.10-3 Ns/m2
Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I

ρt = 686,635 kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt:
λt = εk.Cpt.ρt.
λt = 3,58.10-8.3614,895.686,635.

8

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

λt = 0,2 (W/m2.oC)
Ta có:

Prt =
Prt = = 5,11

Vậy:

α2 = 0,021 .. εk . Re0,8 . Pr0,43
α2 = 0,021..1,065.100000,8.8,170,43.
α2 = 543,81 (W./m2.oC)
q2 = α2.∆t2 = 543,81.45,234 = 24598,70 (W/m2)



 Nhận xét: Ta thấy rằng, nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ = 21515,6

W/ khác nhiều so với nhiệt tải riêng về phía hỗn hợp chảy xốy =
24598,70 W/. Mà bài toán ta đang xét là truyền nhiệt ổn định nên =
= , do vậy, để tìm giá trị ta phải tính lặp.

4.2Tính lần 2: Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa là
0,8oC. = t1
4.2. a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ:
Ta có cơng thức

1  2,04 �A �4

r
H �t1

2 0
W/ m . C

Ta có t1 = 0,8 � tT 1  t1tb  t1  151,1  0,8  150,3
9

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Khi đó nhiệt độ màng nước ngưng là
tm 

t1tb  tt1 151,1  150,3

 150,7
o
2
2
C

Với tm = 150,7 nội suy từ bảng [2.29] ta được A= 1 95,605

1  2,04 �195,605 �4

2117 �103
2 �0,8 = 13533,5 W / m 2 .0 C

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
q1 = 1 � t1  13533,5 �0,8  10826,8W / m 2

4.2.b tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy  2
Chọn Re=10500
Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống
tT  tT 1  tT 2  q1.rt = 10826,8×0,662.103 = 7,167

tT 2  t1   tT  150,3  7,167  143,133o C
 t 2  tT 2  t2tb  143,133  89,616  53,517 0 C
o
Tại tT 2 = 143,133 C ngoại suy từ bảng I.171 sổ tay q trình và thiết bị 1
C
ta có pt = 3703,5231 J/Kg.độ

1
�(143,133  40)  9, 421
1,044
=  2tb = 98.63 (oC)

Nội suy từ bảng I.102 [30.111] ta có
µhh = 0,288.10-3 Ns/m2
Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I
ρt = 679,18 kg/m3
10

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Hệ số dẫn nhiệt:
λt = εk.Cpt.ρt.
λt = 3,58.10-8. 3703,5231. 679,18.
λt = 0,2 (W/m2.oC)
Ta có:

Prt =
Prt = = 5,33
α2 = 0,021 .. εk . Re0,8 . Pr0,43

Vậy:

α2 = 0,021..1,065.105000,8.8,170,43.
α2 = 559,53 (W./m2.oC)
q2 = α2.∆t2 = 559,53×53,517 = 29944,37 (W/m2)



Dựa vào 2 lần tính ta có đồ thị
q

30000

25000
20000
15000
10000

0
11

0,8

2,0 2,25

t

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

4.3. Tính lần 3, chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hòa dựa theo đồi thị
trên là 2,25 oC
4.3. a Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ
Dựa vào đồ thị ta suy ra được ∆t1 = 2,25ºC vậy ta có:
tt1 = - ∆t1 = 151,1 – 2,25 = 148,85 oC

151,1  148,85
 149,975
2
t m=
Từ tm = 149,975oC nội suy theo [2 - 29] ta được:

-

A = 195,496
Vậy :

= 2,04. 195,496.
=10444,68

W/.ºC

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q1 = α1.∆t1 = 10444,68 × 2,25
q1 =23500,53

W/m2

b) Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2
Chọn Re = 10500
Hiệu số nhiệt độ ở hai phía thành ống:

-

∆tt = tt1 – tt2 = q1.∑rt
Ta có:

∆tt = 23500,53 × 0,662.10-3 = 15,56 , m2.độ/W.

ttb
 t 2  tT 2  t2 tb  133,29  89,616  43,6740 C
o
Tại tT 2 = 133,29 C ngoại suy từ bảng I.171 sổ tay q trình và thiết bị 1 ta
C
có pt = 3598,203 J/Kg.độ

12

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

1
�(133, 29  40)  9, 421
1,044

=  2tb = 98.78 (oC)

Nội suy từ bảng I.102 [30.111] ta có
µhh = 0,2875.10-3 Ns/m2
Ngọai suy từ bảng I.2 – Sổ tay QT&TB CNHC I
ρt = 688,03 kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt:
λt = εk.Cpt.ρt.
λt = 3,58.10-8×3598,203× 688,03.
λt = 0,19 (W/m2.oC)
Ta có:

Prt =
Prt = = 5,44

Vậy:

α2 = 0,021 .. εk . Re0,8 . Pr0,43
α2 = 0,021..1,065.105000,8.8,170,43.
α2 = 562,60 (W./m2.oC)
 q2 = α2.∆t2 = 562,60×43,674 = 24571 (W/m2)



qtb 

q1  q2 23500,53+24571

 24035,765
2

2

 Kiểm tra sai số

ε = .100 = .100
ε = 4,3 % < 5% ( chấp nhận)

13

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

5.Tính bề mặt truyền nhiệt.
F = = = 43,52 (m2)

6.Số ống truyền nhiệt.
dtd = = = 0,03 (m)
Số ống truyền nhiệt:
n = = = 231
Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh. Dựa bảng quy chuẩn và chọn tổng
số ống với cách sắp xếp theo hình lục giác là n = 187 ống.
( theo bảng V.11 – Sổ tay QT&T CNHC II )
- Số hình sáu cạnh: 7
- Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh là: 15 ống.
- Tổng số ống khơng kể các ống trong các hình viên phân: 169 ống
- Tổng số ống trong các hình viên phân: 18 ống.

7.Đường kính trong thiết bị đun nóng.
D = t.(b – 1) + 4.dn, m
Trong đó: t – bước ống
dn – đường kính ngồi ống truyền nhiệt, m
b – số ống trên đường xuyên tâm sáu cạnh.
Lắp ống bằng cách hàn => t = 1,2dn
14

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

Ta có:

TS. Nguy ễn Minh Tân

D = 1,2.0,034.(15 – 1) + 4.0,034 = 0,71 (m)

Ta chế tạo thiết bị có D = 0,8m = 800mm

8.Tính chiều cao của thiết bị.
Với D = 800mm chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, tra bảng số liệu ta
chọn chiều cao của nắp thiết bị là: h1 = ht + h.
Chọn ht = 200mm, h = 25mm.
( theo bảng XIII.10 – Sổ tay QT&TB CNHC II )
Vậy chiều cao của thiết bị là:
L = H + 2.h1 = 2000 + 2.( 200 + 25 ) = 2450 (mm)

9. Tính lại vận tốc và chia ngăn:
9.1. Xác định vận tốc thực:
ωt =
G = 2,9 kg/s
n = 231 ống
d = 0,03m
ρ = 726,83 kg/m3



ωt = = 24,44.10-3 (m/s)
9.2.Xác định vận tốc giả thiết:
ωgt = = = 0,236 (m/s)
Vì = = 89,65 % > 10%
Nên ta phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ chảy xốy.
9.3. Chia ngăn:
Số ngăn cần thiết:
15

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

m = = = 9,65
Quy chuẩn : m = 10 ngăn.
Tính lại chuẩn số Reynolds:
Re =

Re = = 10857,09 > 10000

IV. Kết luận
Kích thước của thiết bị đun nóng dung dịch là:
Bề mặt truyền nhiệt F = 43,52 m2.
Số ống truyền nhiệt: n = 231 ống.
Đường kính trong thiết bị: D = 800mm.
Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 2m.
Chiều cao của thiết bị: L = 2450mm.
Số ngăn: 10 ngăn.
Đường kính ống truyền nhiệt: d = 34x2mm.
Sử dụng thép CT3 làm vật liệu làm ống. Ống được hàn vào mặt bích,
sắp xếp theo kiểu hình sáu cạnh.
Chọn dung dịch Ancol iso propylic là chất tải nhiệt lưu thông trong
ống, hơi nước bão hịa là chất tải nhiệt lưu thơng ngồi ống.

16

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643


Bài tập lớn Hóa cơng II

TS. Nguy ễn Minh Tân

Mục lục
I.Đặt vấn đề

1

II.Giới thiệu tổng quan về thiết bị

1

1.Cấu tạo
2.Nguyên lý làm việc

III.Tính tốn

1
2
2

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

2

2.Tính nhiệt lượng trao đổi Q

3

3.Tính lượng hơi nước tiêu hao

3

4.Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể

4

5.Tính bề mặt truyền nhiệt

14

6.Số ống truyền nhiệt

15

7.Đường kính trong thiết bị đun nóng

15

8.Tính chiều cao của thiết bị

15

9. Tính lại vận tốc và chia ngăn

16

1

IV. Kết luận

17

17

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643

Bài tập lớn Hóa cơng II

18

TS. Nguy ễn Minh Tân

Trần Thanh Lam – SHSV : 20103643