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

Bài tập lớn hóa cơng II

MỤC LỤC
A.TÍNH CHẤT HĨA-LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4 ............. 2
1. Tính chất hóa lí và ứng dụng ........................................................................................... 2
2. Cơ đặc .............................................................................................................................. 2
B. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ........................................................................ 3
C. TÍNH TỐN ........................................................................................................................ 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 xốy α2 ..................................................................5

Tính lần 2:........................................................................................................................... 7
a.

Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo cơng thức: .......................................7

b.

Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy 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

1
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT GIÁN TIẾP
A.TÍNH CHẤT HĨA-LÝ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA DUNG DỊCH CCl4
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 cơng thức hóa học CCl4. Người ta sử dụng chủ yếu hợp
chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ và dung mơi hữu cơ. Trước đây nó
cịn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh.
Đây là một chất lỏng khơng màu có mùi "thơm", đóng rắn ở -250K, sơi ở 350K,dễ bay
hơi, tỷ trọng lỏng là 1.5842g/cm3, độ hòa tan trong nước ở 25oC 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 khơng cao.
2. Cơ đặc
Cơ đặc là q trình làm bay hơi dung mơi ở nhiệt độ sơi 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 cơ đặc nó cần được gia nhiệt
đến nhiệt độ sôi thường bằng một thiết bị ống chùm được đun nóng bằng hơi nước
bão bịa nhằm mục đích đảm bảo cho q trình cơ 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.

1)
2)
3)
4)

Cấu tạo:
Vỏ thiết bị hình trụ
Lưới đỡ ống
ống truyền nhiệt
mặt bích có bu lơng ghép

2
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

Sơ đồ thiết kế cơng đoạn gia nhiệt

3
CCl4 sôi

Hơi H2O bh

5
4

6
2

1

1)
2)
3)
4)
5)
6)

Chú giải:
Thùng chứa dung dịch đầu
Bơm
Thùng cao vị
Lưu lượng kế
Thiết bị trao đổi nhệt ống chùm
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 lơng 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 q trình truyền nhiệt của hơi bão hịa tới hỗn hợp.

3
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

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 hịa có áp suất 5 at là: 151,0oC(tra bảng I.250-tr313)

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

to

o

C

t1đ

t1c

t2c

t2đ

Hiệu số nhiệt độ lớn:
Ta chọn thđ = 151,0oC, t2đ= 25oC, t2c= t
∆tđ = 151,0 – 25 = 126,0(oC).

= 76,8oC(tra bảng 1.272-tr335)

Hiệu số nhiệt độ bé:
∆tc = 151,0 – 76,8 = 74,2(oC).
tđ

126, 0

tc

74, 2

1, 7 0

2

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

126, 0

74, 2

1 0 0,1 (

o

C)

2

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)

4
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

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:

1

r

2, 0 4 .A.4

, W/m2.oC

t1 . H

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
Tính lần 1:Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hịa là 2 oC.
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:
Tm

t 1 tb

tt1

1 5 1, 0

2

149, 0

150, 0

(oC)

2

Từ tm = 150,0 C tra bảng ta được:
A = 195,5
Vậy :
α1 =10756,9 W/m2.oC
o

b. Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy α2
Chọn Re = 10500
Hệ số cấp nhiệt α được tính theo cơng thức:

5
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

0 ,25

Nu

0, 021.

k

.Re

0 ,8

.P r

0 ,43

Pr
P rt
0 ,25

Suy ra:

0, 021.

.
d

k

.Re

0 ,8

.P r

0 ,43

Pr
P rt

Trong đó :
Prt - chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của tường, cịn các 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.
Ta chọn d = 30x2 mm. H = 2m . Dựa vào bảng V.2-tr15 ta có :
L

2

d

0, 026

5 8, 8 2 3

50

→ εk =1

Tính chuẩn số Pr theo cơng thức :
C p.

Pr =

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 cơng thức:
.C p . . 3

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 khơng 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 (Ns/m )
-3

2

Do đó: Pr = 4,61
Tính chuẩn số Prt :
C
P rt =

pt

.

hh

t

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

6
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

rt

rt 1

rt 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.oC; 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

pt

.

t

t

.3
M

λt = 0,124(W/m . C)
2 o

C
P rt =

pt

.

hh

= 2,81

t
0 ,25

Vậy:

2

0, 021.

.
d

k

.Re

0 ,8

.P r

0 ,43

Pr
P rt

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

2

2=
1=

q2= qtb

1=21513,8
2

W/m2

21901,5 W/m
tb

.

Tính lần 2:Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hịa là 3oC.
a. Tính hệ số cấp nhiệt cho phía hơi nước ngưng tụ theo công thức:
1

2, 0 4 .A.4

r

, W/m2oC

t1 . H

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:

7
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

151

Tm

148

149,5

(oC)

2

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)

b. Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2
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)
C
P rt =

pt

.

hh

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

t

3

3, 3 6

0 ,1 2 4

Vậy:
α2 =344,63(W/m2.độ)
→q2 = α2.∆t2 = 344,63.46,53= 16035,6(W/m2)

8
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

31000
29149.4
29000
27000
25000
23000

21901.5

21000

21513.8

19000
17000

16035.6

15000
0

0.5

1

1.5
q1

q2

2

2.5

3

Giải phương trình ta tính được ∆t1 = 2.03 oC

Tính lần 3:Chênh lệch nhiệt độ giữa màng và hơi bão hị

o

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)
tm

1 5 1, 0

1 4 8, 9 7

149, 985

(oC)

2

Từ tm = 149,985oC tra bảng ta được:
A = 195,498
Vậy :
α1 =10716,8(W/m2.độ)

b. Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xốy α2
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)

9
CuuDuongThanCong.com

/>
3.5


Bài tập lớn hóa cơng II
Ta được:
λt = 0,1238(W/m.độ)
C
P rt =

pt

.

3

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

hh

2,822

0 ,1 2 3 8

t

Vậy:
α2 = 359,414(W/m2.độ)
→
q2 = α2.∆t2 = 359,414.60,325 =21681,65(W/m2)
Dựa trên số liệu tính tốn ta có bảng số liệu:
Số
lần
tính
1
2
3

Phía hơi nước ngưng tụ
t1tb
151
151
151

∆t1
2
3
2,03

tt1
149
148
148,97

α1
10756,90
9716,47
10716,80

tm
150
149,5
149,985

q1
21513,8
29149,4
21755,1

Phía hỗn hợp chảy xốy

Số lần
tính
tt2
111,67
97,43
111,225

1
2
3

∆t2
60,77

46,53
60,325

t2tb
50,9
50,9
50,9

Prt
2,81
3,36
2,822

(Pr/Prt)0,25
1,13
1,08
1,13

Từ trên ta có:
qtb =

Nhiệt trở và hiệu số
nhiệt độ
∑rt
∆tt
-3
1,735.10
37,33
1,735.10-3
50,57

-3
1,735.10
37,745

d td

dt

dn

0, 026

2

0, 030

0, 028

(W/m2)

2

qtb = 21718,375(W/m2)
Kiểm tra sai số:
Ss=0,34% (quá đạt tiêu chuẩn)
1. Tính bề mặt truyền nhiệt.
F

Q

2 0 2 3 2 5, 9

q tb

2 1 7 1 8, 3 7 5

9,32m

2

Làm tròn F = 10 m2
2. Số ống truyền nhiệt.
d td

dt

dn

0, 026

2

0, 030

0, 028

2

Số ống truyền nhiệt:
n

F
. d td . H

9,32

5 3, 0 0

3 , 1 4 .0 , 0 2 8 .2

10
CuuDuongThanCong.com

/>
α2
360,40
344,63
359,414

q2
21901,5
16035.6
21681,65


Bài tập lớn hóa cơng II
n: số ống truyền nhiệt.
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 ngồi 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 trịn: D = 0,5 m = 500 mm.
Tính chiều cao của thiết bị.

4.

, 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)
5. Tính lại vận tốc chia ngăn.
Xác định vận tốc thực:
4 .G
t

2

.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 .G

→

t

4 .0 , 9 4 4

2

.d .n .

0, 0865

2

(m/s)

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

ωt = 0,0865 (m/s)
Xác định vận tốc giả thiết:
Re.

gt

d.

1 0 5 0 0 .0 , 6 4 5 .1 0

3

0,1 6 9 7

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

ωgt= 0,1697 (m/s)

11
CuuDuongThanCong.com

/>

Bài tập lớn hóa cơng II

Vì:

gt

t

.1 0 0

0 ,1 6 9 7

0

0, 0865

0

49,03

0
0

10

0
0

0 ,1 6 9 7

gt

Nên ta cần phải chia ngăn để quá trình cấp nhiệt ở chế độ xoáy.
Số ngăn:
Số ngăn cần thiết:

m

gt

0 ,1 6 9 7

t

0, 0865

1, 9 6

m = 1,96 ( ngăn )
Quy chuẩn m = 3 (ngăn ).
Tính lại chuẩn số Reynolds:
Re

4 .G
.d .n 1 .

4 .4 , 3
3

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

61

16056

3

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.
L = 2,3m – chiều
.

12
CuuDuongThanCong.com

/>