CHƯƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.3. Cân bằng năng lượng
Các thông số nhiệt độ được chọn theoBảng 3.1 3.3.1. Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ
Nhiệt độ dòng hơi sản phẩm đỉnh trước khi vào thiết bị ngưng tụ: tD1= 57,30oC. Nhiệt độ vào và ra của dòng nước lạnh: tv= 30oC; tr=40oC.
Nhiệt độ trung bình của dịng nước lạnh: ttb= 35oC.
Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh ở ttb= 35oC: Cn= 4,176 kJ/kg.độ. Phương trình cân bằng năng lượng (ngưng tụ hoàn toàn):
GD. (Rth+ 1). rD = Gn1. Cn. (tr− tv) (IX. 165, trang 198, [2]). → Gn1 =GDC. (Rth+ 1). rD
n. (tr− tv) , kg/h.
Trong đó: GD - suất lượng dòng hơi sản phẩm đỉnh, kg/h.
Rth- chỉ số hồn lưu thích hợp.
Cn - nhiệt dung riêng của nước lạnh, kJ/kg.độ.
tr, tv- nhiệt độ nước ra, nước vào;oC.
Bảng nhiệt hóa hơi ( Tra bảng I.212, trang 254, [1]).
Nhiệt hóa hơi
Nhiệt độ rAceton(kJ/kg) rnước(kJ/kg)
tD1= 57,30oC 521,4 2425,6
Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở 57,30oC:
rD = xD. rAceton+ (1 − xD). rnước =
= 0,98. (521,4kJ/kg) + 0,02. (2425,6kJ/kg) = = 559,5 kJ/kg.
Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dòng sản phẩm đỉnh:
Gn1 =(1041,6kg/h). (0,66 + 1). (559,5kJ/kg)
(4,176kJ/kg. độ). (40 − 30) = 23165,9 kg/h.
Nhiệt lượng hơi ngưng tụ tỏa ra Qnt:
��� = ��. (��� + �). �� = (����, ���/�). (�, �� + �). (���, ���/��) = = ������, � ��/�.
→ ��ọ� ��� = �� �ấ�/�.
3.3.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Phương trình cân bằng năng lượng:
GD. CD2. (tD2v − tD2r) = Gn2. Cn. (tr− tv) (IX. 167, trang 198, [2]).
Trong đó: GD - suất lượng dòng sản phẩm đỉnh, kg/h.
Gn2 - suất lượng nước lạnh tiêu tốn để làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/h.
Cn - nhiệt dung riêng của nước lạnh, kJ/kg.độ.
tD2v, tD2r- nhiệt độ vào, ra của dòng sản phẩm đỉnh trong thiết bị làm nguội; oC.
tr, tv- nhiệt độ nước ra, nước vào;oC.
Do ngưng tụ sản phẩm đỉnh về trạng thái lỏng sơi, nên nhiệt độ dịng sản phẩm đỉnh trước khi làm nguội: tD2v= 57,30oC.
Nhiệt độ dòng sản phẩm sau khi làm nguội: tD2r= 40oC.
Nhiệt độ trung bình của dịng sản phẩm đỉnh trong thiết bị làm nguội:tD2= 48,65oC.
Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [2]).
Thông số
Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ)
tD2= 48,65oC 2,268 4,181
Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ 48,65oC:
CD2 = xD. CpAceton+ (1 − xD). Cpnước =
= 0,98. (2,268kJ/kg. độ) + 0,02. (4,181kJ/kg. độ) = = 2,306 kJ/kg. độ.
Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnhQng:
��� = ��. ���. (����− ����) = (����, ���/�)(�, ��� ��/��. độ). (��, �� − ��) =
= �����, � ��/�.
Suất lượng nước tiêu tốn cho quá trình làm nguội: Gn2 =GD. CD2. (tD2vC − tD2r) n. (tr− tv) = =(1041,6kg/h)(2,306 kJ/kg. độ). (57,30 − 40) (4,176kJ/kg. độ). (40 − 30) = = 995,1 kg/h. → ��ọ� ��� = �, � �ấ�/�.
3.3.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy và nhập liệu
Để tận dụng nguồn nhiệt của sản phẩm đáy ta thiết kế dòng lạnh là dòng nhập liệu để gia nhiệt cho nhập liệu.
Phương trình cân bằng năng lượng:
GW1. CW1. (tW1v− tW1r) = GF. CF1. (tF1r− tF1v).
Trong đó:GW1- suất lượng dịng sản phẩm đáy đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, kg/h.
CW1 - nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy, kJ/kg.độ.
GF - suất lượng dòng nhập liệu, kg/h.
CF1 - nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt, kJ/kg.độ.
tW1v, tW1r- nhiệt độ vào, ra của dòng sản phẩm đáy trong thiết bị trao đổi nhiệt;oC.
tF1r, tF1v- nhiệt độ ra, vào của dòng nhập liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt;oC. Do suất lượng nhập liệu là 2000 kg/h không thể thay đổi nên ta chọn:
Nhiệt độ vào của dòng nhập liệu: tF1v= 30oC. Nhiệt độ ra của dòng nhập liệu là: tF1r= 50oC.
Dịng sản phẩm đáy đang ở trạng thái sơi trong tháp chưng cất nên cũng là nhiệt độ đầu vào trong thiết bị trao đổi nhiệt: tW1v= 98,30oC.
Nhiệt độ đầu ra của dòng sản phẩm đáy: tW1r= 60oC.
Nhiệt độ trung bình của dịng sản phẩm đáy ở thiết bị trao đổi nhiệt:tW1= 79,15oC.
Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1])
Thông số
Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ)
tW1= 79,15oC 2,367 4,190
tF1= 40oC 2,240 4,175
Nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy ở nhiệt độ 79,15oC:
CW1 = xW. CpAceton+ (1 − xW). Cpnước =
= 0,011. (2,367kJ/kg. độ) + 0,989. (4,190kJ/kg. độ) = = 4,170 kJ/kg. độ.
Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ở nhiệt độ: tF1= 40oC:
CF1 = xF. CpAceton+ (1 − xF). Cpnước =
= 0,52. (2,240kJ/kg. độ) + 0,48. (4,175kJ/kg. độ) = = 3,169 kJ/kg. độ.
Suất lượng của dòng sản phẩm đáy vào thiết bị trao đổi nhiệt:
GW1 =GCF. CF1. (tF1r− tF1v)
W1. (tW1v− tW1r) =
(2000kg/h). (3,169kJ/kg. độ). (50 − 30)
3.3.4. Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
Phương trình cân bằng năng lượng:
QD1+ Qf = QF+ Qng1+ Qxq1, J/h (IX. 149, trang 196, [2]).
Trong đó: QD1 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào, kJ/h.
Qf - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu ban đầu mang vào, kJ/h.
QF - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang ra thiết bị, kJ/h.
Qng1- nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, kJ/h.
Qxq1 - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh; kJ/h. Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQD1:
QD1 = D1λ1 = D1(r1+ θ1C1), J/h (IX. 150, trang 196, [2]).
Trong đó: D1 - lượng hơi đốt để đun sôi dung dịch nhập liệu, 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 vàoQf:
Qf = GF. Cf. tf, J/h (IX. 151, trang 196, [2]).
Trong đó: GF- suất lượng nhập liệu, kg/h.
Cf - nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu mang vào thiết bị đun , J/kg.độ.
tf - nhiệt độ dòng nhập liệu mang vào thiết bị đun (hay nhiệt độ đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt),oC.
Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1])
Thông số
Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ)
tf= 50oC 2,273 4,183
tF=63,3oC 2,316 4,190
Nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu ở nhiệt độ: tf= 50oC:
Cf = xF. CpAceton+ (1 − xF). Cpnước =
= 0,52. (2,273kJ/kg. độ) + 0,48. (4,183kJ/kg. độ) = = 3,190 kJ/kg. độ.
Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vàoQf:
�� = (������/�). (�, ��� ��/��. độ). (��℃) = ������ ��/�.
Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang raQF:
QF = GF. CF. tF, kJ/h (IX. 152, trang 196, [2]).
Trong đó:CF - nhiệt dung riêng của dịng nhập liệu ra khỏi thiết bị đun nóng, kJ/kg.độ.
tF- nhiệt độ dịng nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng, oC.
Đun nóng dịng nhập liệu đến trang thái lỏng sơi nên nhiệt độ dịng nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng: tF= 63,3oC.
Nhiệt dung riêng của dịng nhập liệu ở nhiệt độ: tF= 63,3oC:
CF = xF. CpAceton+ (1 − xF). Cpnước =
Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang raQF:
�� = (������/�). (�, ��� ��/��. độ). (��, �℃) = ������, � ��/�.
Áp suất hơi đốt: PF= 1at; tra bảng I.250, trang 312 [1] được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rnước= r1= 2,260 kJ/kg.
Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi dung dịch nhập liệu:
D1 =Q0,95rF − Qf
1 , kg/h (IX. 155, trang 197, [2]). D1 =(407145,6kJ/h) − (319000kJ/h)0,95. (2,260kJ/kg) = 41055,3 kg/h.
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq1:
���� = �, ��. ��. �� = �, ��. (�����, ���/�). (�, �����. ��) = ����, � ��/�.
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (đã trừ đi lượng tổn thất)QD1:
��� = ��. �� = (�����, ���/�). (�, �����. ��) = ����� ��/�. → ��ọ� �ượ�� �ơ� đố� ��ự� �ế �� = �� �ấ�/�.
3.3.5. Cân bằng năng lượng cho tồn tháp chưng cất
Phương trình cân bằng nhiệt lượng tồn pháp chưng cất:
QF+ QD2+ QR = Qy+ Qw + Qxq2+ Qng2(IX. 156, trang 197, [2]).
Trong đó: QD2 - nhiệt lượng hơi đốt mang vào, kJ/h.
QF - nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp, kJ/h.
QR - nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, kJ/h.
Qy- nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, kJ/h.
Qng2- nhiệt lượng do nước ngưng mang ra, kJ/h.
Qxq2 - nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh; kJ/h.
Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào tháp (hay nhiệt lượng hỗn hợp nhập liệu mang ra thiết bị đun sôi):QF= 407145,6 kJ/h.
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQD2:
QD2 = D2λ2 = D2(r2 + θ2C2), kJ/h (IX. 157, trang 197, [2]).
Trong đó: D2 - lượng hơi đốt để đun sơi dung dịch trong đáy tháp, kg/h.
r2 - ẩn nhiệt hóa hơi, kJ/kg.
λ2 - hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, kJ/kg.
θ2 - nhiệt độ nước ngưng,oC.
C2 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, kJ/kg.độ. Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:
QR = GR. CR. tR, kJ/h (IX. 158, trang 197, [2]).
trongđó:GR - lượng lỏng hồi lưuGR = GD. Rth, kg/h.
CR - nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, kJ/kg.độ.
tR - nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu,oC. Lượng lỏng hồi lưu GR:
GR = (1041,6kg/h). 0,66 = 687,5 kg/h.
Bảng nhiệt dung riêng (Tra bảng I.153, trang 171-172, [1]).
Thông số
Nhiệt độ CpAceton(kJ/kg.độ) Cpnước(kJ/kg.độ)
tR= 56,82oC 2,295 4,188
Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu tại nhiệt độ 56,82oC.
CR = xD. CpAceton+ (1 − xD). Cpnước =
= 0,98. (2,295kJ/kg. độ) + 0,02. (4,188kJ/kg. độ) = = 2,333 kJ/kg. độ.
Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vàoQR:
�� = (���, ���/�). (�, �����/��. độ). (��, ��℃) = �����, � ��/�.
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh thápQy:
Qy = GD. (Rth+ 1). λD, kJ/h (IX. 159, trang 197, [2]).
Với:λD - Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp, J/kg (hay chính là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở đỉnh).
→ �� = (����, ���/�). (�, �� + �). (���, ���/��) = ������, � ��/�.
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW:
QW = GW1. CW1. tW1, kJ/h (IX. 160, trang 197, [2]).
��= (�����/�). (�, ��� ��/��. độ). (��, ��℃) = ������, � ��/�.
Áp suất hơi đốt: PW= 2at; tra bảng I.250, trang 312, [1], được giá trị ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r2= 2,207 kJ/kg.
D2 =Qy+ Q0,95r2W − QF− QR, kg/h (IX. 163 − tr 198).
D2 =(967752,6 kJ/h) + (280547,2 kJ/h) − (407145,6 kJ/h) − (91135,7 kJ/h)0,95. (2,207kJ/kg) = = 357722,3 kg/h.
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vàoQD2:
��� = ��. �� = (������, � ��/�). (�, �����/��) = ������, � ��/�. →Chọn lượng lỏng hồi lưu thực tế�� = 750 kg/h.
→Chọn lượng hơi đốt thực tế�� = 380 tấn/h.
Bảng 3.3.1. Kết quả tính tốn cân bằng năng lượng tồn tháp chưng cất.
Đối tượng Giá trị
Nhiệt lượng của quá trình ngưng tụ Qnt 967406,8kJ/h Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnhQng 41553,4kJ/h Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vàoQR 91135,7kJ/h Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào tháp QF 407145,6 kJ/h
Nhiệt lượng đáy mang ra QW 280547,2kJ/h
Nhiệt lượng đun sơi dung dịch đáyQD2 789493,1kJ/h
Bảng 3.3.2. Kết quả tính tốn suất lượng trong các thiết bị.
Đối tượng Kết quả tính tốn Chọn giá trị thực tế
Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dịng sản phẩm đỉnh thành
lỏng sơi���
Gn1 = 23165,9 kg/h ��� = �� �ấ�/�
Suất lượng nước tiêu tốn cho quá
trình làm nguội��� Gn2 = 995,1 kg/h ��� = �, � �ấ�/�
Suất lượng của dòng sản phẩm đáy
vào thiết bị trao đổi nhiệt��� GW1 = 793,7 kg/h ��� = ��� ��/� Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần
thiết để đun sơi dịng nhập liệu�� D1 = 41055,3 kg/h �� = �� �ấ�/�
Lượng lỏng hồi lưuGR GR = 687,5 kg/h �� = 750 kg/h
Lượng hơi đốt (lượng hơi nước) cần
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 4.1. Tính kích thước thiết bị
4.1.1. Lựa chọn thiết bị ngưng tụ
ChọnBình ngưng vỏ ống nằm ngangvới những ưu điểm sau:
Thiết bị chắc chắn, nhỏ gọn dễ dàng chế tạo lắp đặt, hình dạng đẹp phù hợp u cầu thẩm mỹ cơng nghiệp, có thể sửa chữa và làm sạch bằng cơ học hay hóa chất.
Suất tiêu hao kim loại nhỏ nhất khoảng 40-45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (của các ống). Ống nước có đường kính 20-50mm, tốc độ nước khoảng 1,2-2,5m/s (giá trị lớn cho nước bẩn).
Nhiệt độ nước làm mát qua bình ngưng có thể tăng từ 4-10K, tức 1kg nước nhận 6-33kJ nhiệt từ môi chất. Hệ số truyền nhiệt k tương đối lớn k = 800-1000W/m2.K.
Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: đối các thiết bị ngưng tụ kiểu khác do chứa cả nước và khơng khí nên tốc độ bào mịn ống trao đổi nhiệt khá nhanh. Đối với bình ngưng ln ln ngập nước mà khơng tiếp xúc với khơng khí nên tốc độ bào mịn chậm hơn nhiều.
Nhưng cũng có một số nhược điểm sau:
Diện tích mặt bằng bình ngưng chiếm khơng lớn nhưng phải có diện tích dự phịng phía đầu bình hoặc có phương án thích hợp để có thể rút ống ra khi sửa chữa hay thay thế. Yêu cầu khối lượng nước làm mát lớn và nhanh tạo cận bẩn (nhất là chất lượng nước xấu) giảm nhanh khả năng truyền nhiệt.
Để tiết kiệm nước phải có tháp giải nhiệt tức phải đầu tư thêm kinh phí, chiếm thêm diện tích và thường gây ồn, ẩm mơi trường lân cận.
→ Được dùng phổ biến với công suất lạnh trung bình và lớn, thích hợp cho những nơi có nguồn nước sạch và sẵn, giá thành nước khơng cao. Khi có thêm tháp giải nhiệt thì nhiệt
4.1.2. Các thơng số ban đầu
Để đảm bảo chất lượng của thiết bị và khả năng chống ăn mòn chọn ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 có các thơng số:
Bảng 4.1.1. Các thông số của ống truyền nhiệt được chọn trong thiết bị ngưng tụ.
Thơng số Giá trị
Đường kính ngồi của ống dng= 25 mm = 0,025 m Đường kính trong của ống dtr= 20 mm = 0,02 m
Bề dày thành ống δ = 2,5 mm = 0,0025 m
Chiều dài ống l = 3 m
Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép λ = 16,3 (W/m.oC )
Vận tốc dòng nước ω= 0,8 m/s
Nhiệt độ mặt ngoài thành ống tT1= 50oC
Dựa vào kết quả tính tốn cân bằng năng lượng thiết bị ngưng tụ ta được các giá trị trong bảng dưới đây.
Bảng 4.1.2. Các thơng số tính tốn cân bằng năng lượng thiết bị ngưng tụ.
Thơng số Giá trị
Nhiệt độ dịng hơi sản phẩm đỉnh trước khi vào
thiết bị ngưng tụ tD1= 57,30oC
Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh rD= 559,5 kJ/kg Nhiệt độ vào của dòng nước làm lạnh tv= 30oC
Nhiệt độ ra của dòng nước làm lạnh tr= 40oC Suất lượng nước lạnh tiêu tốn để ngưng tụ dòng Gn1=23165,9kg/h
sản phẩm đỉnh thành lỏng sơi
ChọnGn1= 25 tấn/h
Tổng nhiệt lượng q trình ngưng tụ tỏa ra Qnt=967406,8kJ/h Độ chênh lệnh nhiệt độ trung bình của hai lưu chất∆tlog:
∆tlog =(tD1v− tr) − (tD1r− tv) ln (tD1v − tr)
(tD1r− tv)
=(57,30 − 40) − (57,30 − 30)
ln (57,30 − 40)(57,30 − 30) = 21,92℃.
Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh:
tntb = tD1 − ∆tlog = 57,30 − 21,92 = 35,38℃.
Bảng 4.1.3. Thông số vật lý của nước làm lạnh ở 35,38oC.
Thông số Giá trị Nội suy theo bảng
Khối lượng riêng (��, kg/m3) 993,4 Bảng I.2, tr 9, [1]
Độ nhớt (��, 10-3N/m2.s) 0,723 Bảng I.101, tr 91- 92, [1]
Ẩn nhiệt hóa hơi (rn, J/kg) 2427480,5 Bảng I.212 , tr 254, [1]
Hệ số dẫn nhiệt (��, W/m.độ) 0,632 Bảng I.130, tr 134, [1]
Nhiệt dung riêng (Cpn, kJ/kg.độ) 4,176 Bảng I.153, tr 171-172, [1]
Chuẩn sốPrn 4,82
Xác định chuẩn số Re của nước:
Ren=ω. dμtr. ρn
n =(0,8m/s). (0,02m)(993,4kg/m3)
0,723. 10−3N/m2. s = 21984. →Ren>10000 nước chảy thuộc chế độ chảy rối.
∆t = tD1− tT1 = 57,30 − 50 = 7,3℃.
Nhiệt độ màng lỏng ngưng:
tm =tD1 + tT12 =57,30 + 502 = 53,65℃.
Bảng 4.1.3. Thông số vật lý của các cấu tử ở 53,65oC.
Thông số Aceton Nước
Khối lượng riêng (�, kg/m3) 753 985,8
Độ nhớt (�,10-3N/m2.s) 0,240 0,520
Ẩn nhiệt hóa hơi (r, J/kg) 524480,4 2427480,5
Hệ số dẫn nhiệt (�, W/m.độ) 0,165 0,652
Nhiệt dung riêng (Cp, kJ/kg.độ) 2,284 4,185
Khối lượng riêng của lỏng ngưngρhh:
1 ρhh= xD ρAceton+ 1 − xD ρnước = 0,98 (753kg/m3)+ 0,02 (985,8kg/m3). → ρhh = 756,6 kg/m3.
Độ nhớt hỗn hợp lỏng ngưngμhh(I. 12,trang 84, [1]):
logμhh = ��. log μA + (1 − ��) log μB = 0,98 . log 0,240 + 0,02 . log 0,520.