Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Khái quát về chưng:- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗ

Mục lục

Phần 1: Phần mở đầu

1.1 Báo cáo tổng quan:

1.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

1.3 Chế độ làm việc, ưu và nhược điểm của tháp đệm Phần 2: Tính toán, thiết kế thiết bị chính

2.1 Tính toán cân bằng pha, cân bằng vật liệu 2.1.1 Tính cân bằng vật liệu

2.1.2 Xác định số bậc thay đổi nồng độ

2.1.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) 2.1.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp (Rth)

2.1.2.3 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng, đoạn luyện

2.2 Tính đường kính tháp:

2.2.1 Đường kính đoạn luyện: 2.2.1.1 Các thông số vật lý

2.2.1.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện 2.2.1.3 Tốc độ hơi trong đoạn luyện

2.2.2 Đường kính đoạn chưng: 2.2.2.1 Các thông số vật lý

2.2.2.2 Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng 2.2.2.3 Tốc độ hơi trong đoạn chưng

2.2.3 Kiểm tra 2.3 Tính chiều cao tháp

2.3.1 Tính chiều cao đoạn luyện 2.3.2 Tính chiều cao đoạn chưng 2.3.3 Tính chiều cao tháp

2.4 Trở lực của tháp:

2.4.1 Trở lực của đoạn luyện 2.4.2 Trở lực của đoạn chưng 2.4.3 Trở lực của toàn tháp 2.5 Cân bằng nhiệt lượng

2.5.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 2.5.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

2.5.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 2.5.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

3.1.5 Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đáy 3.2 Tính chiều dày của thân tháp hình trụ

3.3 Tính chọn đáy và nắp thiết bị 3.4 Tra bích

3.5 Tính chọn lưới đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng 3.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ

Phần 4: Tính toán, thiết kế thiết bị phụ 4.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Phần 1: Phần mở đầu1.1 Báo cáo tổng quan:

1.1.1 Khái quát về chưng:

- Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly

- Ngày nay, phương pháp chưng được sử dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp Ở trong đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu etylic – nước; chúng là sản phẩm thường thấy từ các quá trình lên men trong công nghệ sinh học - Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm Để có thể thu được sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện.

- Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu etylic – Nước, làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

- Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (rượu etylic) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước) Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi hơn (rượu etylic)

1.1.2 Giới thiệu về hỗn hợp chưng: 1.1.2.1 Rượu etylic (ancol etylic): - Công thức phân tử: C2H6O

- Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol

- Là chất lỏng không màu, nhẹ hơn nước và tan vô hạn trong nước - Một số thông số vật lý quan trọng (với rượu etylic 100%)

+ Nhiệt độ sôi: 78,4oC

+ Nhiệt dung riêng: 3,06 kJ/kg.độ + Độ nhớt: 1,19.103 N.s/m2 (ở 20oC) + Nhiệt hóa hơi: 826 kJ/kg

+ Khối lượng riêng: 789 kg/m3 (ở 20oC)

+ Làm nhiên liệu: sản xuất xăng

+ Làm dung môi cho nhiều chất hữu cơ - Điều chế:

+ Phương pháp tổng hợp: đi từ etilen bằng phản ứng hợp nước có xúc tác H2SO4

hoặc H3PO4 ở nhiệt độ cao:

+ Phương pháp sinh hóa: Từ nông sản chứa nhiều tinh bột, đường (gạo, ngô, khoai, sắn, các quả chín, …), bằng phương pháp lên men:

1.1.2.2 Nước

- Công thức phân tử: H2O

- Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol - Là chất lỏng, không màu, không mùi

- Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC): + Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3

+ Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển) + Độ nhớt động lực: 1,002.103 N.s/m2

+ Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg

- Trong công nghiệp hóa học nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước Có nhiều nguồn nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề mặt Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản xuất, chủ yếu với các quá trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hòa, giải khí độc và sát trùng nước 1.1.2.3 Hỗn hợp rượu etylic – nước:

- Một số thông số vật lý quan trọng: H2SO4, to

enzim+ H2O, to, xt

+ Nhiệt độ sôi: 78,4oC

+ Nhiệt dung riêng: 3,06 kJ/kg.độ + Độ nhớt: 1,19.103 N.s/m2 (ở 20oC) + Nhiệt hóa hơi: 826 kJ/kg

+ Khối lượng riêng: 789 kg/m3 (ở 20oC) - Là hỗn hợp dễ cháy nổ, có tính ăn mòn

1.2 Sơ đồ dây chuyền sản xuất

Chú thích:

1 – Thùng chứa hỗn hợp đầu

* Thuyết minh dây chuyền sản xuất:

Hỗn hợp từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm (2) chuyển lên thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) Sau khi qua thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và được đưa vào tháp chưng luyện (5) ở ống nạp liệu chảy vào đĩa phân phối lỏng Trên đĩa phân phối lỏng, chất lỏng từ hỗn hợp đầu được trộn với phần lỏng đi xuống từ đoạn luyện.

Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự tiếp xúc giữa hai pha Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ thiết bị gia nhiệt đáy tháp (7) đi lên lôi cuốn Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp là rượu etylic sẽ lôi kéo các cấu tử rượu etylic trong pha lỏng đi lên trên Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là ethanol và một phần nhỏ hơi nước Hơi ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (6) Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (7) và được đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là nước được đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp Sản phẩm đáy sau khi qua nồi đun được đưa chuyển về thùng chứa sản phẩm đáy (10)

1.3 Chế độ làm việc, ưu và nhược điểm của tháp đệm: 1.3.1 Chế độ làm việc của tháp đệm:

Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế độ dòng, xoáy hay sủi bọt Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớn hơn lực ì nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử Tăng dần vận tốc đến khi lực ì bằng lực phân tư quá trình chuyển khối được quyết định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn khuếch tán đối lưu Chế độ thủy động lúc này chuyển sang chế độ quá độ Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu Tăng vận tốc khí đến một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng đảo pha Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán, tạo bọt Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha (vận tốc sặc).

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa thì sẽ rất khó đảm bảo quá trình ổn định Ở chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng Vì vậy, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ màng

1.3.2 Ưu, nhược điểm của tháp đệm: 1.3.2.1 Ưu điểm của tháp đệm

- Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn - Cấu tạo tháp đơn giản

- Trở lực trong tháp không lớn lắm

- Giới hạn làm việc của tháp tương đối rộng 1.3.2.2 Nhược điểm của tháp đệm

- Khó làm ướt đều đệm

- Tháp quá cao thì phân phối lỏng không đều

Phần 2: Tính toán, thiết kế thiết bị chính

2.1 Tính toán cân bằng pha, cân bằng vật liệu

- Số liệu cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp (x – thành phần pha lỏng, y – thành phần pha hơi, t – nhiệt độ sôi của hỗn hợp)

=> Số đĩa lý thuyết đoạn chưng Nltc = 3 Số đĩa lý thuyết đoạn luyện Nltl = 17 Số đĩa lý thuyết cả tháp: Nlt = 20

II Xác định đường kính tháp và trở lực trong tháp

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, oK; T = ttb1 = 91,65oC

ytb1: nồng độ phần mol của rượu etylic lấy theo giá trị trung bình

ytb1= yđ1+yc1

2 với yđ1, yc1 lần lượt là nồng độ làm việc của đĩa tiếp liệu và đáy tháp Từ số liệu cân bằng pha, ta có yđ1= yf = 0,513;yc1 = yw = 0,026

ρxtbc: khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn chưng, kg/m3

ρxtb1, ρxtb2: khối lượng riêng trung bình lần lượt của rượu etylic và nước ở pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

Từ bảng I.2 (I – 9), nội suy tại nhiệt độ 91,65oC ta có ρxtb1= 723,93 kg/m3

Từ bảng I.5 (I – 11,12) nội suy tại nhiệt độ 91,65oC ta có ρxtb2= 964,21 kg/m3

Trong đó: μy: độ nhớt của hỗn hợp khí ở nhiệt độ t và áp suất khí quyển

μ1, μ2: độ nhớt của các cấu tử ở nhiệt độ t m1, m2: nồng độ phần thể tích của các cấu tử M1, M2: trọng lượng phân tử của các cấu tử Tth1, Tth2: nhiệt độ tới hạn của các cấu tử, oK

Tại nhiệt độ trung bình t = 91,65oC, gọi cấu tử 1 là rượu etylic, cấu tử 2 là nước

T: Nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, oK; T = ttb2 = 81,27oC

ytb1: nồng độ phần mol của rượu etylic lấy theo giá trị trung bình

ytb1= yđ1+yc1

2 với yđ1, yc2 lần lượt là nồng độ làm việc của đĩa tiếp liệu và đỉnh tháp Từ số liệu cân bằng pha, ta có yđ1= yf = 0,513;yc2 = yP = 0,866

ρxtbl: khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện, kg/m3

ρxtb1, ρxtb2: khối lượng riêng trung bình lần lượt của rượu etylic và nước ở pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

atb2: phần khối lượng trung bình của rượu etylic trong pha lỏng

atb2= aF+aP

xtb2= xF+xp

Từ bảng I.2 (I – 9), nội suy tại nhiệt độ 81,27oC ta có ρxtb1= 733,79 kg/m3

Từ bảng I.5 (I – 11,12) nội suy tại nhiệt độ 81,27oC ta có ρxtb2= 971,02 kg/m3

ρxtb, ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi, kg/m3

μx, μn: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở nhiệt độ 20oC, N.s/m2, từ bảng I.102 (I – 94,95) ta có μn = 1,005.10-3 N.s/m2

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình, kg/s

Trong đó: gtb: lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h gđ = P.(Rth + 1)= 2,068 (kg/s) = 7444,8 kg/h

Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình:

g1 = G1 + Gp

g1.y1 = G1.x1 + Gp.xP (II.182) g1r1 = gđ.rđ

Trong đó: y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện

r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp

+ Gy = g’

tb = gn'+g1'

2 , kg/h (II.181) Trong đó: g’

tb: lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng, kg/h

gn': lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng, kg/h

g1': lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/h

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện (gn' = g1) nên ta có thể viết: g’

tb = g❑1+g1'

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g1', hàm lượng lỏng x1' và lượng lỏng G1’ đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình:

Nhận thấy chênh lệch giữa Dc và Dl không quá 20% => quy chuẩn đường kính tháp D = 0,8 m

* Kiểm tra lại điều kiện làm việc thực tế: - Với đoạn chưng:

+ Tốc độ hơi đi trong thực tế: ωctt = 4423,775 0,01882

+ Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc: ωctt

=> Chấp nhận được - Với đoạn luyện:

+ Tốc độ hơi đi trong thực tế: ωltt = 6342,835 0,01882

+ Tỷ số giữa tốc độ thực tế và tốc độ sặc: ωltt

=> Chấp nhận được

Từ bảng số liệu trang 317 của cuốn Kĩ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử (VI – 317) và các kết quả tính được ở trên, việc ta chọn đường kính tháp D = 0,8 m là hợp lý

III Tính chiều cao tháp:

* Tính chiều cao đoạn chưng, đoạn luyện:

Chiều cao tương đương với đĩa lý thuyết HETP được định nghĩa: HETP = Hp/Nt (VI – 267)

Với Hp – chiều cao của lớp đệm Nt – số đĩa lý thuyết của lớp đệm

Để xác định HETP ta chọn phương trình Strigle cho chưng cất ở vùng áp suất khí quyển: ln(HETP) = nH – 0,187 ln (σ) + 0,213 ln (μL) (VI – 272)

HETP ở đây tính theo ft; tra bảng trong VI – 272 với đệm vòng Pall kim loại, kích thước đệm 38 mm (1,5 inch) nH = 1,3582

Phạm vi ứng dụng của phương trình Strigle: - 4 dyn/cm < σ < 36 dyn/cm

- 0,08 cP < μL < 0,83 cP

- Bộ phận phân phối lỏng hiệu suất cao * Chiều cao đoạn chưng:

Kiểm tra điều kiện của phương trình Strigle: * Chiều cao đoạn luyện:

Kiểm tra điều kiện của phương trình Strigle: * Chiều cao đĩa phân phối lỏng:

- Chọn loại đĩa phân phối lỏng kiểu TCH – III (trang 228) ở đỉnh tháp => chọn H1 = 1,2 m

- Chọn loại đĩa phân phối lỏng kiểu TCH – II (trang 226) ở thân tháp => chọn H2 = 1,2 m

* Chiều cao của nắp và đáy: với D = 0,8 m chọn Hn = Hđ = 200 mm = 0,2 m * Chiều cao đoạn chứa ống hồi lưu sản phẩm đáy: Chọn H3 = 0,8 m

* Chiều cao tháp: H = HC + HL + H1 + H2 + H3 + Hn + Hđ = 1,395 + 9,18 + 1,2.2 + 0,8 + 0,2.2 = 14,175 (m)

IV Trở lực của tháp:

Trở lực của tháp đệm được xác định bằng công thức: Δppư = Δppk[1 + A.(Gx

ρy)n.¿)c], N/m2 (II – 189)

Trong đó: Δppư - tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô, N/m2

Gx, Gy – lưu lượng của lỏng và của hơi, kg/s

ρx, ρy – khối lượng riêng của lỏng và của hơi, kg/m3

μx, μy – độ nhớt của lỏng và của hơi, N.s/m2

Tra bảng IX.7 (II – 189) với hệ hơi - lỏng ta có A = 5,15; m = 0,342; n = 0,190; c =

Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức: ΔpPk = 1,56 H ω1,8y ρ0,8y σd1,2 μ0,2y

Trong đó: H: chiều cao lớp đệm ở đoạn luyện, m; H = 9,18 m ωy: tốc độ của khí trong đoạn luyện, m/s; ωy = 2,726 m/s

Vì Rey > 400 nên tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức: ΔpPk = 1,56 H ω1,8y ρ0,8y σd1,2 μ0,2y

Trong đó: H: chiều cao lớp đệm ở đoạn chưng, m; H = 1,395 m ωy: tốc độ của khí trong đoạn chưng, m/s; ωy = 2,857 m/s

* Trở lực toàn tháp: Δppư = Δppưc + Δppưl = 17307,1 + 69467,64 = 86774,74 N/m2

V Cân bằng nhiệt lượng trong tháp:

* Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị chưng luyện:

* Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, J/h (II - 196)

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1.λ1 = D1 (r1 + θ1C1), J/h (II - 196)

Trong đó: D1 – lượng hơi đốt, kg/h r1 - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

λ1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt J/kg θ1 – nhiệt độ nước ngưng, oC

C1 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Qf = F.Cf.tf, J/h (II - 196) Trong đó Cf – nhiệt lượng riêng của hỗn hợp đầu mang vào, J/kg.độ

Tf – nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị gia nhiệt, oC Ta có: F = 3 kg/s = 10800 kg/h

Chọn tt = 20oC

+ Tính Cf theo công thức: Cf = aF.CE + (1  aF).CN, J/kg độ Tại ttb = 20oC tra trong bảng I.153 (I – 171) ta có: CN = 4180 J/kg Tại ttb = 20oC tra trong bảng I.154 (I – 172) ta có: CE = 2480 J/kg => Cf = 0,35 2480 + (1 – 0,35) 4180 = 3585 J/kg.độ

=> Qf = 10800 3585 20 = 0,7744.109 J/h

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra QF = F.CF.tF, J/h (II - 196) Trong đó CF – nhiệt lượng riêng của hỗn hợp khí đi ra, J/kg.độ

tF – nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị gia nhiệt, oC Ta có: F = 3 kg/s = 10800 kg/h

tF = 84,06 oC

+ Tính CF, Ct theo công thức: C = aF.CE + (1  aF).CN, J/kg độ

Tại ttb = 84,06oC nội suy trong bảng I.153 (I – 171) ta có: CN = 4198,12 J/kg Tại ttb = 84,06oC nội suy trong bảng I.154 (I – 172) ta có: CE = 3280,9 J/kg => CF = 0,35 3280,9 + (1 – 0,35) 4198,12 = 3877,093 J/kg.độ

=> QF = 10800 3877,093 84,06 = 3,5198.109 J/h

- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng1 = Gng1.C1.θ1 = D1.C1.θ1, J/h; (II - 197) Gng1 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h

- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:

Với hơi đốt ở 5 at nội suy C1 = 12564,3375 J/kg.độ

=> Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1 (r1 + θ1C1) = 1355,464 (2132073,17 +

* Cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng luyện:

Tổng lượng nhiệt mang vào tháp bằng tổng lượng nhiệt mang ra: QF + QD2 + QR = Qy + Qw + Qxq + Qng2 (II - 197) - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF, J/h

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2 = D2.λ2 = D2 (r2 + θ2C2), J/h (II - 197) Trong đó: D2 – lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp, kg/h

r2 - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg

λ2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt J/kg θ2 – nhiệt độ nước ngưng, oC

C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ

- Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR = GR.CR.tR, J/h (II - 197) Trong đó GR – lượng lỏng hồi lưu; GR = P.Rx

P, Rx lần lượt là lượng sản phẩm đỉnh và chỉ số hồi lưu

=> GR = P.Rx = 214,56 2,47 = 5299,63 kg/h

CR, tR – nhiệt dung riêng, J/kg.độ và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu,oC tR = tp = 78,48oC

CR = ap.Ce + (1  ap).Cn, J/kg độ

Tại ttb = 78,48oC tra trong bảng I.153 (I – 171) ta có: Cn = 4190 J/kg Tại ttb = 78,48oC tra trong bảng I.154 (I – 172) ta có: Ce = 3201 J/kg => Cp = 0,94 3201 + (1  0,94) 4190 = 3260,34 J/kg

=> Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: QR = 5299,63 3260,34 78,48 = 1356024189 J/h

- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy = P(1 + Rx)λd, J/h (II - 197)

Trong đó λd – nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg; λd = λe.a1 + λn.(1 – a1) λe, λn – nhiệt lượng riêng của cấu tử rượu etylic và nước ở đỉnh, J/kg

a1 – phần khối lượng của rượu etylic trong hơi ở đỉnh tháp, a1 = ap = 0,94 λe = re + tp.Ce

λn = rn + tp.Cn

Tại tp = 78,48oC ta có: Cn = 4190 J/kg; Ce = 3201 J/kg

Tại tp = 78,48oC nội suy tại bảng I.213 (I - 256) ta có re = 1087,472.103 J/kg Tại tp = 78,48oC nội suy trong bảng I.250 (I – 312) ta có rn = 2313,344.103 J/kg

Cw – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg.độ tw – nhiệt độ của sản phẩm đáy, oC; tw = 99,24oC

Cw= aw.Ce + (1  aw).Cn, J/kg.độ

Có aw = 0,01; W = 2,404 kg/s = 865,44 kg/h

Tại tw = 99,24oC tra trong bảng I.153 (I – 171) ta có: Cn = 4228,48 J/kg Tại tw = 99,24oC tra trong bảng I.154 (I – 172) ta có: Ce = 3508,6 J/kg => Cw= 0,01 3508,6 + (1  0,01) 4228,48 = 4221,28 J/kg.độ

=> Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: Qw = 8654,4 4221,28 99,24 = 3625499753 J/h

- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qngt = Gngt.C2.θ2 (II - 198) Trong đó: Gngt – lượng nước ngưng tụ, kg/h

C2.θ2 – nhiệt dung riêng, J/kg.độ và nhiệt độ của nước ngưng, oC Gngt = D2: Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, kg/h θ2 = 151,1oC => Nội suy từ bảng I.149 (I – 168) ta có C2 = 1989,672 J/kg.độ => Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra

=> D2 = 10549111990+3625499753+300639,439 D2+105850 D2−3,5198 109−13560241892417639,137

=> D2 = 4623,62 kg/h

* Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

Ngưng tụ hồi lưu nên P.Rx.r= Gn1.Cn.(t2 – t1) (II - 198) => Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn1 = P Rx r

Cn.(t2−t1), kg/h (II - 198) Trong đó r - ẩn nhiệt ngưng tụ, J/kg

Cn – nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2, J/kg.độ t1, t2 – nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh, oC

Tại nhiệt độ 37,5oC dùng toán đồ I.80 (I – 324) ta có re = 887,5.103 J/kg

Tại nhiệt độ 37,5oC nội suy trong bảng I.250 (I – 312) ta có rn = 2408,65.103 J/kg => r = 0,94 887,5.103+ (1 - 0,94) 2408,65.103 = 978769 J/kg

=> Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn1 = P Rx r

* Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ hồi lưu: P[r + Cp(t’

Chọn t1 = 25oC, t2 = 50oC => nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2 = (50 + 25)/2 = 37,5oC aP = 0,94

Cp = ap.Ce + (1  ap).Cn, J/kg độ

Tại ttb = 37,5oC tra trong bảng I.153 (I – 171) ta có: Cn = 4175,625 J/kg Tại ttb = 37,5oC tra trong bảng I.154 (I – 172) ta có: Ce = 2681,25 J/kg

Trong đó: ω: vận tốc trung bình của lưu thể đi trong ống, m/s V: lưu lượng của dòng pha, kg/s; V = Gρ

G: lưu lượng của dòng pha, kg/s

ρ: khối lượng riêng trung bình của dòng pha đó, kg/m3

* Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh: V1 = gd3600 ρd

ρd: khối lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, kg/m3; ρd = 1,285 (kg/m3) gđ = gtbl = 6342,835 kg/h

Từ bảng I.2 (I – 9), nội suy tại nhiệt độ 78,48oC ta có ρe= 736,44 kg/m3

Từ bảng I.5 (I – 11,12) nội suy tại nhiệt độ 78,48oC ta có ρn= 972,76 kg/m3