2. Cân bằng nhiệt lượng
2.2. Xác định tổn thất nhiệt trong hệ
2.2.1. Tổn thất do nồng độ
- Hiệu suất nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ ∆’ được xác định theo công thức:
∆’= ∆0’ .f
Trong đó:
∆0’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường.
f: hệ số hiệu chỉnh Với
f = 16,2 Tr2
với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho ,0K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Dựa vào bảng (VI.2/63 –[II] ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ a (% khối lượng)
Bảng:Tổn thất nhiệt do nồng độ
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nồng độ của dung dịch (% kl)
15,23 21,66 40
∆’0 (0C) 0,061 0,206 2,309
Bảng: Nhiệt hóa hơi mỗi nồi
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Áp suất hơi thứ 1,9854 1,5615 0,8451
Nhiệt hóa hơi 2203 2223 2268
Vậy : ∆’1 = ∆’0.16,2 (t¿¿ht1+273)2¿
rht1
= 0,061 . 16,2 . (121,23+273)
2
= 0,070 0C Tương tự ta có: ∆’2 = 0,223 0C ∆’3 = 2,228 0C
∑∆’=∆’1 +∆’2+∆’3 = 2,5120C
2.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Theo CT VI.12/60 – [II] ta có:
Ptb = P0+(h1+h2
2)ρ dd .g (N/m2) Có 1at = 9,81 .104 N/m2
Đổi công thức theo đơn vị at Ptb = P0+(h1+h2
2 )ρdd
2 . 10-4 at Với
– Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
– h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch, chọn h=0,5 cho cả 3 nồi.
– h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi. – g là gia tốc trọng trường, =9,81 m/s2.
– dds là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
dds=2dd
Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở nhiệt độ 200C.
xdd1 = 15,23% => ρdd1 = 1061,90kg/m3
xdd3 = 40% => ρdd3 = 1178,53 kg/m3 Từ đó, ta có 4 1 2 1 1 1 .10 2 2 dd ht tb h h P P Ptb1=1,9854+(0,5+42¿1061,90 2 .10 −4 Ptb1 = 2,118 at Tương tự, ta có Ptb2 = 1,698at và Ptb3 = 0,992 at
Với Ptbi ta có ttbi là nhiệt độ sôi ứng với Ptbi
Ptb1 = 2,118 at => ttb1 = 121,780C
Ptb2 = 1,698 at => ttb2 = 114,2450C
Ptb3 = 0,992 at => ttb3 = 99,640C
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh tăng cao: ∆i'' = ttbi - thti
∆1'' = ttb1 - tht1 = 121,78 - 121,23= 0,550C
∆2'' = ttb2 - tht2 = 114,245 – 112,38 = 1,8650C
∆3'' = ttb3 - tht3 = 99,54 – 94,52= 5,120C
Σ = ∆1'' + ∆2'' + ∆3'' = 0.55 + 1.865 + 5.12 = 7.5350C
2.2.3. Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’):
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là ' ''= 1÷ 1,50C
’’’2 =10C ’’’3 =1.5 0C Σ' ''= ’’’1 + ’’’2 + ’’’3 = 4 0C 2.2.4. Tổn thất do toàn bộ hệ thống: ∑ i=1 n ∆=∑ i=1 n ∆'+∑ i=1 n ∆''+∑ i=1 n ∆'' ' ∑ i=1 3 ∆=2.521+8.535+4=15.0560C
2.3. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi cho từng nồi
Nồi 1: thi1= thd1 – t hd2 - 1= 133.54 – 120.23 – (0.07 + 0.55 + 1.5) = 11.190C thi1= thd1 – ts1 => ts1 = thd1 - thi1 = 133.54 – 11.19 = 122.350C Tương tự Nồi 2 thi2 = 5.672 0C ts2 = 114.468 0C Nồi 3 thi3 = 8.72 0C ts3 = 102.66 0C
Hệ số nhiệt hữu ích cho toàn hệ thống:
thi = tchung - Σ = tht1 - tnt - Σ = 133.54 – 93.52 – 15.056 = 24.964 0C
2.4. Tính nhiệt dung riêng của từng nồi
Công thức tính C với dung dịch loãng có x< 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[I]
) 100 1 ( 4186 x Co J/kg.độ
Dung dịch đặc có x > 20% nên áp dụng CT I.44/152 – [I] ) 100 1 ( 4186 100 . x x C Co ht J/kg.độ
Với Cht được tính theo công thức I.41/152- [I]
Mct.Cht = nC.CC + nH.CH + nO.CO
Trong đó: Chất hòa tan C12H22O11 có:
M = 342 kg/kmol
nC, nH, nO: là số nguyên tử C, H, O trong hợp chất.
CC, CH, CO: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố C, H, O
CC = 7500J/kg.độ CH = 9630J/kg.độ CO =16800J/kg.độ
→ Cht = 1/M (nC.CC + nH.CH + nO.CO)
→Cht = 1/342 (2*7500 + 22*9630 +1116800) = 1422.98J/kg.độ
Vậy, với dung dịch đầu, xđ = 12% < 20%, ta có:
→ Cđ = 4186(1 -10012 ) = 3683,68 J/kg.độ
Với dung dịch 1, có xdd1 = 15,23 % < 20%
→ C1 = 4186(1 -15.23100 ) = 3548,47 J/kg.độ
→ C2 = 1422.98.21,66100 + 4186(1 -21,66100 ) = 3587.530 J/kg.độ
Với dung dịch 3, có xdd3 = 40% > 20%
→ C3 = 1422.98 .10040 + 4186(1 -10040 ) = 3080.792 J/kg.độ
Tính nhiệt lượng riêng:
Nồi Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
T I Cn T i C ts 1 133.54 2725 4270 121.23 2708.5 3548.47 2 123.44 2 120.23 2707 4250 112.38 2694 3587.53 0 114.648 3 111.38 2693 4230 94.52 2667 3080.79 2 102.661
3. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và lượng hơi đốt cần thiết
Nồi 1 Vào Dung dịch đầu mang vào Gđ.Cđ.tđ Hơi đốt mang vào D1.I1 Ra Hơi thứ mang ra W1.i1
Dung dịch mang ra (Gđ-W1).C1.t1 Nước ngưng mang ra D1Cn1θ1 Tổn thất nhiệt chung 1 Qtt1=0,05D1I1 Nồi 2 Vào Dung dịch ( ở nồi 1) mang vào (Gđ-W1).C1.t1
Ra Hơi thứ mang ra W2.i2
Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2).C2.t2 Nước ngưng mang ra D2Cn2θ2
Tổn thất nhiệt chung 2 Qtt1=0,05D2I2 Nồi 3 Vào Dung dịch ( ở nồi 2) mang vào (Gđ-W1-W2).C2.t2
Hơi đốt mang vào D3.I3 Ra Hơi thứ mang ra W3.i3
Dung dịch mang ra (Gđ-W1-W2-W3).C3.t3 Nước ngưng mang ra D3Cn3θ3
Tổn thất nhiệt chung 3 Qtt1=0,05D3I3
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
ΣQvào = ΣQra - Nồi 1: GđCđtđ + D1I1= W1i1+(Gđ –W1)C1t1+D1Cn1θ1+0,05D1I1 → D1(0,95I1- Cn1θ1)+ W1(C1t1-i1)= Gđ(C1t1- Cđtđ) (3.1) - Nồi 2: Ở nồi 2 chú ý D2=W1 (Gđ –W1)C1t1+ D2I2= W2i2+(Gđ –W2)C2t2+D2Cn2θ2+0,05D2I2 Biến đổi ta được:
W1(0,95I2- C1t1+ C2t2- Cn2θ2)+ W2(C2t2-i2)= Gđ(C2t2- C1t1) (3.2)
- Nồi 3: Ở nồi 3 chú ý D3=W2 và W= W1+ W2+ W3
(Gđ –W1-W2)C2t2+ D3I3= W3i3+(Gđ –W)C3t3+D3Cn3θ3+0,05D3I3 Biến đổi ta được:
W2(0,95I3- C2t2- Cn3θ3+i3)- W1(C2t2-i3)= Gđ(C3t3- C2t2) + W(i3-C3t3) (3.3)
{2,54.106W1−2,28.106W2=−89,12.106
2,25 106W1+5,17.106W2=7,74. 109
→ {W1=941,115
W2=1087,523
W3=1471,362 Bảng
Nồi W theo CBVC,kg/h W theo CBNL,kg/h
1 1060 941,115
2 1170 1087,523
3 1270 1471,362
4. Sơ đồ nguyên lý
Trong đó:
- D1,D2,D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1,2,3 (kg/h)
- Gđ,Gc là lượng dung dịch đầu và cuối của hệ thống (kg/h) - W1,W2,W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1,2,3 (kg/h)
- Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra (J/kg.độ) - Cn1,Cn2,Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ 1,2,3 (J/kg.độ) - i’1,i’2,i’3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1,2,3 (J/kg)
- i1,i2,i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1,2,3 (J/kg) - tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C)
- t1,t2,t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1,2,3 ở Ptb (0C) - Qtt1,Qtt2,Qtt3 là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1,2,3 (J) - Ɵ1,Ɵ2,Ɵ3 là nhiệt độ nước ngưng nồi 1,2,3 (0C)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[I]. GS, TSKH Nguyễn Bin và tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1 – NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006
[II]. GS, TSKH Nguyễn Bin và tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 2 – NXB Khoa học và kỹ thuật, 2006