III. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
6. Cân bằng nhiệt lượng trong tháp
* Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng trong thiết bị chưng luyện:
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 40
* Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1, J/h [2 – 196] - Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
QD1 =D1.λ1 = D1 (r1 + θ1C1), J/h [2 – 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 [2 – 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 = 3,5 kg/s = 12600 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 [1 – 171] ta có: CN = 4180 J/kg - Tại ttb = 20oC tra trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: CM = 2380 J/kg => Cf = 0,35. 2380 + (1 – 0,35). 4180 = 3550 J/kg.độ
=> Qf = 12600. 3550. 20 = 0,8946.109 J/h - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
QF = F.CF.tF, J/h [2 – 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
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 41
Ta có: F = 3,5 kg/s = 12600 kg/h tF = 80,52 oC
- Tính CF, Ct theo công thức: C = aF.CM + (1 − aF).CN, J/kg độ
+ Tại ttb = 80,52 oC nội suy trong bảng I.153 [1 – 171] ta có: CN = 4191,04 J/kg + Tại ttb = 80,52 oC nội suy trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: CM = 2862,73 J/kg => CF = 0,35. 2862,73 + (1 – 0,35). 4191,04 = 3726,13 J/kg.độ
=> QF = 12600. 3726,13. 80,52 = 3,78.109 J/h - Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Qng1 = Gng1.C1.θ1 = D1.C1.θ1, J/h [2 – 197] trong đó: Gng1 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h
- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn: Qxq1 = 0,05.D1.r1, J/h [2 – 197]
- Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi là: D1 = 𝐹(𝐶𝐹..𝑡𝐹 − 𝐶𝑓..𝑡𝑓) 0,95r1 , kg/h [2 – 197] - Sử dụng hơi đốt ở 5 at có θ1 = 151,1oC, r1 = 2132073,17 J/kg => D1 = 𝐹(𝐶𝐹..𝑡𝐹 − 𝐶𝑓..𝑡𝑓) 0,95r1 = 12600(3726,13 .80,52 − 3550.20) 0,95.2132073,17 = 1424,73 kg/h - 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) = 1424,73. (2132073,17+151,1. 12564,3375) = 5742437,76 kJ/h * 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 [2 – 197] - Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF, J/h
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 42
- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2 = D2.λ2 = D2 (r2 + θ2C2), J/h [2 – 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 [2 – 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 = 2998,8. 1,7 = 5097,96 kg/h
CR, tR – nhiệt dung riêng, J/kg.độ và nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu, oC tR = tP = 65,03oC
CR = aP.Cm + (1 − aP).Cn, J/kg độ
- Tại ttb = 65,03oC tra trong bảng I.153 [1 – 171] ta có: Cn = 4190 J/kg - Tại ttb = 65,03oC tra trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: Cm = 2785,15 J/kg => CP = 0,98. 2785,15 + (1 − 0,98). 4190 = 2813,25 J/kg
=> Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào: QR = 5097,96. 2813,25. 65,03 = 0,9326.109 J/h
- Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy = P(1 + Rx)λd, J/h [2 – 197] Trong đó:
• λd – nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg; λd = λm.a1 + λn.(1 – a1) • λm, λn – nhiệt lượng riêng của cấu tử rượu metylic và nước ở đỉnh, J/kg • a1 – phần khối lượng của rượu metylic trong hơi ở đỉnh tháp, a1 = ap = 0,98 • λm = rm + tP.Cm
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 43
• λn = rn + tP.Cn
- Tại tp = 65,03oC ta có: Cn = 4190 J/kg; Cm = 2785,15 J/kg
- Tại tp = 65,03oC nội suy tại bảng I.213 [1 – 256] ta có rm = 1097,39.103 J/kg - Tại tp = 65,03oC nội suy trong bảng I.250 [1 – 312] ta có rn = 2403,08.103 J/kg => λm = 1097,39.103 + 65,03. 2785,15 = 1278,508.103 J/kg
λn = 2403,08.103 + 65,03. 4190 = 2675,556.103 J/kg
=> λd = 1278,508.103 .0,98 + 2675,556.103.(1 – 0,98) = 1306,45.103 J/kg => Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
Qy = 2998,8.(1 + 1,7). 1306,45.103 = 1,0578.1010 J/h - Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra
Qw = W.Cw.tw, J/h [2 – 197] Trong đó:
• W – lượng sản phẩm đáy tháp, kg/h
• Cw – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, J/kg.độ • tw – nhiệt độ của sản phẩm đáy, oC; tw = 99,54oC • Cw= aw.Cm + (1 − aw).Cn, J/kg.độ
Có aw = 0,005; W = 2,667 kg/s = 9601,2 kg/h
Tại tw = 99,54oC tra trong bảng I.153 [1 – 171] ta có: Cn = 4229,08 J/kg Tại tw = 99,54oC tra trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: Cm = 2962,59 J/kg => Cw= 0,005.2962,59 + (1 − 0,005). 4229,08 = 4222,75 J/kg.độ
=> Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: Qw = 9601,2. 4222,75. 99,54 = 4,036.109 J/h
- Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Qngt = Gngt.C2.θ2 [2 – 198] Trong đó:
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 44
• 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 [1 – 168] ta có C2 = 1989,672 J/kg.độ. => Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra
Qngt = D2. 1989,672. 151,1 = 300639,439D2 (J/h)
- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
Qxq2 = 0,05D2.r2, J/h [2 – 198] Tra bảng I.251 [1 – 314] ở θ2 = 151,1oC ta có r2 = 2117.103 J/kg => Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:
Qxq2 = 0,05. D2. 2117.103 = 105850.D2 (J/h) - Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:
D2 = 𝑄𝑦 + 𝑄𝑤 + 𝑄𝑛𝑔𝑡+ 𝑄𝑥𝑞2− 𝑄𝐹 − 𝑄𝑅 λ2 , kg/h [2 – 198] λ2 = r2 + C2.θ2 = 2117.103 + 1989,67. 151,1 = 2417639,137 J/kg => D2 = 1,0578.10 10 + 4,036.109 + 300639,439.𝐷2+ 105850.𝐷2 − 3,78.109 − 0,9326.109 2417639,137 => D2 = 4923,25 kg/h
* Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Ngưng tụ hồi lưu nên P.Rx.r = Gn1.Cn.(t2 – t1) [2 – 198] => Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn1 = 𝑃.𝑅𝑥.𝑟
𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1), kg/h [2 – 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
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 45
Chọn t1 = 25oC, t2 = 50oC => nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2 = (50 + 25)/2 = 37,5oC Tại nhiệt độ 37,5oC nội suy trong bảng I.153 [1 – 171] ta có
• Cn = 4175,625 J/kg.độ • P = 2998,8 kg/h • aP = 0,98
• r = aP.rm + (1 - aP).rn
Tại nhiệt độ 37,5oC dùng toán đồ I.80 [1 – 254] ta có rm = 1144,83.103 J/kg Tại nhiệt độ 37,5oC nội suy trong bảng I.250 [1 – 312] ta có rn = 2408,65.103 J/kg => r = 0,98.1144,83.103 + (1 - 0,98). 2408,65.103 = 1170106,4 J/kg
=> Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn1 = 𝑃.𝑅𝑥.𝑟
𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1) = 2998,8 .1,7.1170106,4
4175,625.(50−25) = 57142,64 kg/h * Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
Thiết bị ngưng tụ chỉ ngưng tụ hồi lưu: P[r + Cp(t’1 – t’2)] = Gn3.Cn(t2 – t1) Trong đó:
• Cp – nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, J/kg.độ • t’1, t’2 – nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ, oC • Gn3 – lượng nước làm lạnh, kg/h
t’1 = tP = 65,03oC, chọn t’2 = 25oC
Chọn t1 = 25oC, t2 = 50oC => nhiệt độ trung bình (t1 + t2)/2 = (50 + 25)/2 = 37,5oC aP = 0,98
CP = aP.Cm + (1 − aP).Cn, J/kg độ
Tại ttb = 37,5oC tra trong bảng I.153 [1 – 171] ta có: Cn = 4175,625 J/kg Tại ttb = 37,5oC tra trong bảng I.154 [1 – 172] ta có: Cm = 2657,5 J/kg => CP = 0,98. 2657,5 + (1 − 0,98). 4175,625 = 2687,86 J/kg
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 46
• P = 2998,8 kg/h • r = 1170106,4 J/kg
=> Lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết Gn3 = 𝑃.[𝑟 + 𝐶𝑝(𝑡1
′−𝑡2′) ]
𝐶𝑛.(𝑡2−𝑡1) = 2998,8 .[1170106,4 + 2687,86.(65,03−25) ]
Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 47