Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để biết được lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình gia nhiệt để nâng nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng, và lượng nhiệt cần lấy ra do q trình phản ứng có tỏa nhiệt. Để từ đó tính được lượng nước nóng cần gia nhiệt, lượng nước lạnh để cung cấp cho vỏ áo và thiết bị ngưng tụ, và lập kế hoạch sản xuất hợp lý. Ngồi ra, việc tính cân bằng nhiệt
lượng sẽ tính được kích thước của một số thiết bị phụ như thiết bị ngưng tụ, bơm dùng bơm nước cho vỏ áo, bơm dùng bơm nước cho thiết bị ngưng tụ … và bố trí thiết bị, xây dựng nhà máy đạt độ an tồn, chính xác cao.
3.3.1. Tính tốn giai đoạn đun nóng hỗn hợp
3.3.1.1. Những thơng số ban đầu
Nước dùng để nạp liệu cho quá trình phản ứng ban đầu có nhiệt độ ở 24oC. Lúc này nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp phản ứng là 24oC. Nhiệt độ duy trì phản ứng xảy ra là 58oC, nhưng vì q trình phản ứng xảy ra có tỏa nhiệt, nên chỉ cần tiến hành gia nhiệt hỗn hợp phản ứng lên đến nhiệt độ 55oC.
Nhiệt độ đầu vào của nước gia nhiệt ở vỏ áo là 90oC. Thời gian tiến hành gia nhiệt là 55 phút.
3.3.1.2. Xác định hệ số cấp nhiệt (α)
a) Xác định hệ số cấp nhiệt (α1) của nước gia nhiệt vỏ áo
Theo công thức V.59 [7 - Trang 21].
0,250,8 0,43 0,8 0,43 t Pr Nu 0,037*Re *Pr * Pr = ÷
Trong đó : Theo cơng thức V.36 [7 - Trang 13]
*l *l* Re v ω ω ρ = = µ Với:
l - chiều cao 1 khoang của vỏ áo, l = 0,75 m (vỏ áo cao 5,95 m, chia làm 8 khoang).
ρ - khối lượng riêng của nước ở 900C, ρ = 965,34 kg/m3
(Bảng I.5 [6 – trang 11]).
µ - độ nhớt của nước ở 900C, µ = 0,3165*10-3 N.s/m2
(Bảng I.102 [6 – trang 94]).
ω - tốc độ dòng chảy, ω = 2,74 m/s. [5].
Vậy:
Re = = 6.267.487,3934 Re0,8 = 273.964,7776
Prt - chuẩn số Pran của dịng theo nhiệt độ trung bình của tường. Pr - chuẩn số Pran theo nhiệt độ của dòng.
Do chênh lệch nhiệt độ không lớn [5], Pr ≈ Prt nên
0,25t t Pr 1 Pr = ÷
Theo cơng thức V.64 [7 – Trang 21]
p C . Pr µ = λ Với :
Cp - nhiệt dung riêng của nước ở 900C, Cp = 4,2078*103 J/kg*độ (Theo bảng I.147 [6-trang 165]).
µ - độ nhớt của nước ở 900C, µ =
30,3165*10− 0,3165*10−
N*s/m2
(Theo bảng I.103 [6-trang 95]).
λ - hệ số dẫn nhiệt của nước ở 900C, λ = 68,0355*10-2 W/m*độ (Theo bảng I.129 [6-trang 133]).
Pr = = 1,9575 ⇒ Pr 0,43 = 1,3348 Như vậy :
Nu = 0,037*273.964,7776 *1,3348 = 13.530,8332 Mặt khác theo công thức V.64 [4 – Trang 21] ta có:
1* H
Nu = α
λ
H- chiều cao của bề mặt truyền nhiệt, H = l = 0,75 m
λ- hệ số dẫn nhiệt của nước nóng
α1 = = = 12.274,36 (W/m2.độ)
Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa nước gia nhiệt và bề mặt bên ngoài của
thiết bị là:
∆t1 = t1 - tT1 = 0,675 0C Với
t1 : Nhiệt độ nước gia nhiệt tT1 : Nhiệt độ thân thiết bị.
⇒ tT1 = t1 - ∆t1 = 90 – 0,685 = 89,325 0C. Theo phương trình truyền nhiệt [1 –trang 17] :
q1 = α1* ( t1 - tT1 ) = α1*∆t1 = 12.274,36* 0,675 = 8.285,1930 (W/m2) Diện tích bề mặt truyền nhiệt của nước là :
F = π*DN*H
H = 5,95 m : Chiều cao thân hình trụ của thiết bị.
Đường kính bề mặt trao đổi nhiệt là DN = 4,25 + 2*0,018 = 4,286 (m) F = π*DN*H = 3,1416*4,286*5,95 = 80,0753 (m2)
Nhiệt lượng của nước truyền từ vỏ áo vào thiết bị là: Q1 = q1*F = 8.285,1930*80,0753 = 663.439,6325 (W) Nhiệt độ thành bên trong của thiết bị phản ứng là (tT2) là:
T1 T2 1 T2 T1 1 t t q t t q * r r − = ∑ ⇒ = − ∑ Trong đó:
tT2 - là nhiệt độ thành bên trong hỗn hợp.
1 2 3
r = + +r r r∑ ∑
là tổng nhiệt trở.
r1, r3 - tổng nhiệt trở thành ngoài và cặn bẩn tiếp xúc với nước, tra bảng V.1 [7 – trang 4] ta có giá trị r1 + r3 = 2,32*10-3 m2*độ/W
r2 - là nhiệt trở của tường, r2 = = = 0,0011 m2*độ/W Với :
δ
: chiều dày của thành thiết bị.
λ
: hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị. [6 – Trang 127] Tổng nhiệt trở:
∑r = r1 + r2 + r3 = 0,0034 (m2*độ/W) Vậy nhiệt độ thành bên trong là :
= 89,325 - 8.285,1930 *0,0034 = 61,25 0C Nhiệt độ của dung dịch: t2 = 55 0C
Chênh lệch nhiệt độ giữa thành trong và dung dịch là:
∆t2 = tT2 - t2 = 61,25- 55 = 6,25 0C.
b) Xác định hệ số cấp nhiệt (α2) của hỗn hợp phản ứng
Do hỗn hợp có khuấy trộn, nên theo công thức V.67 [7 - Trang 22] .
0,14m 0,33 m 0,33 t Nu C*Re *Pr * à = ữ à Trong ú : 2*D Nu =α λ ; 2 *n*d Re= ρ µ ; p C * Pr µ = λ
α2 - hệ số cấp nhiệt của hỗn hợp lên thành thiết bị , W/m2*độ. D - đường kính của thiết bị, D = 4,25 m.
n - số vòng quay của cánh khuấy , n = 1 vịng/ giây. [5] d - đường kính của cánh khuấy , d = 1,42 m.
ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp , ρ = 1.050,2822 kg/m3
Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg*độ
µt - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt, N*s/m2.
µ - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình, N*s/m2. Đối với thiết bị có vỏ bọc thì ta có C = 0,36 và m = 0,67
Do chênh lệch nhiệt độ nh [5], nờn àt à
0,14t t 1 à = ữà
Xác định độ nhớt của dung dịch
Theo công thức I.12 [6 - Trang 84], độ nhớt của hỗn hợp được xác định như sau (xem hỗn hợp chỉ hai thành phần : H2O và VCM):
lnµ = x1*lnµ1 + x2*lnµ2 Trong đó :
x1 , x2 - nồng độ phần mol tương ứng của VCM và H2O.
µ1 , µ2 - độ nhớt động lực của VCM và H2O , N*s/ m2. Khối lượng tương ứng của VCM và H2O trong hỗn hợp là :
mVCM = = 34.355,14 (kg) mH2O = = 47.389,30 (kg) Như vậy số mol tương ứng của nó là :
nVCM = = 549.682,22 (mol) nH2O = = 2.632.738,89 (mol)
Tổng số mol của VCM và H2O là: n = 3.182.421,11 (mol).
Như vậy:
x1 = = 0,1727 ; x2 = = 0,8273
Theo bảng I.102 [4 - Trang 94 ÷ 95] và đồ thị tra được giá trị độ nhớt của nước và VCM ở nhiêt độ 50 0C có:
µH2O = 0,5494*10-3 N*s/m2.
µVCM = 0,25*10-3 N*s/m2.
lnµ = 0,1727*ln0,25*10-3 + 0,8273*ln0,5494*10-3 = -7,6427
⇒ µ = e-7,6427 = 0,4795*10-3 N*s/m2
Xác định nhiệt dung riêng của hỗn hợp
CP - nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg*độ.
Để đơn giản cho tính tốn xem hỗn hợp chỉ có hai thành phần, đó là H2O và VCM. Theo công thức I.42 [6 - Trang 152], cơng thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp như sau:
CP = CVCM *xVCM + CH20*xH2O Với:
CVCM - nhiệt dung riêng của VCM ở 58 0C , CVCM = 1,352*103 J/kg*độ. CH2O - nhiệt dung riêng của nước ở 58 0C, CH2O = 4,186*103 J/kg*độ. xVCM - thành phần của VCM trong hỗn hợp phản ứng (phần khối lượng). xH2O - thành phần của nước trong hỗn hợp phản ứng (phần khối lượng). Ta có khối lượng của: mVCM = 34.355,14 (kg); mH2O = 47.389,30 (kg) Khối lượng hỗn hợp là: mhh = 81.744,439 (kg) Suy ra: xVCM = = 0,4203 xH2O = = 0,5797 Vậy: Cp = 0,4203*1,352*103 + 0,5797*4,186*103 = 2,995*103 (J/kg*độ). Xác định chuẩn số Pran
Theo công thức I.33 [6 - Trang 124], hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp được xác định như sau:
λ = λ1*x1 + λ2*x2 - 0,72*x1*x2* ( λ1 - λ2) (W/m*độ)
Trong đó:
λ1 - hệ số dẫn nhiệt của VCM, λ1 = 0,13 W/m*độ. [6 – Trang 123] λ2 - hệ số dẫn nhiệt của H2O, λ2 = 0,657 W/m*độ. [6 – Trang 135]
x1 - nồng độ (theo khối lượng) của VCM, x1 = 0,4203 x2 - nồng độ (theo khối lượng) của H2O, x2 = 0,5797 Như vậy:
λ = 0,13*0,4203 + 0,657*0,5797- 0,72*0,4203*0,5797*(0,657 – 0,13)
= 0,3431
Từ đây ta sẽ tìm được chuẩn số Pran
Pr = Cp * = 2,995*103 * = 4,1865 Pr0,33 = 1,6040
Xác định chuẩn số Renold
Re = = = 4.395.574,30 Re0,67 = 28.237,12
Suy ra: Nu = 0,36*Re0,67 * Pr0,33 *
= 0,36*28.237,12*1,6040*1 = 16.305,50 Vậy hệ số cấp nhiệt α2 của hỗn hợp phản ứng là:
α2 = = = 1.316,21 (W/m2*độ) Theo công thức 1.18a [1 –trang17]:
q2 = α2*(tT2 – t2) = 1.316,21 *(61,25– 55) = 8.229,84 (W/m2).
Diện tích bề mặt truyền nhiệt của hỗn hợp phản ứng là : F = π*D*H = 3,14*4,25*5,95 = 79,4 (m2) Chiều cao phần thân hình trụ là H = 5,95 m.
Đường kính bề mặt trao đổi nhiệt là D = 4,25 m. Nhiệt lượng được truyền từ hỗn hợp là :
Q2 = q2*F = 8.229,84 *79,4 = 653.472,28 (W) Kiểm tra lại xem ta chọn ∆t1 = 0,675 0C là phù hợp hay chưa.
Xét: = = 0,0152 = 1,52% < 5%
Vậy giả thiết lấy ta chọn ∆t1 = 0,675 0C là phù hợp.
3.3.1.3. Xác định nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng hỗn hợp từ 240C lên 550C
a) Xác định nhiệt lượng cần thiết để nâng hỗn hợp lên 550C
Do phản ứng trùng hợp VCM tạo PVC có tỏa nhiệt lớn nên chỉ gia nhiệt đến 550C lúc này đã có phản ứng xảy ra. Lượng nhiệt do phản ứng tỏa ra một phần sẽ nâng nhiệt độ hỗn hợp lên tiếp từ 55 ÷ 600C, phần cịn lại được lấy ra qua vỏ áo và thiết bị ngưng tụ để khống chế nhiệt độ cho hệ phản ứng ở 580C.
Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng hỗn hợp từ 240C lên 550C là: Q1 = m*CP* (50 – 25) (J) [2 – trang 94] Trong đó:
m - khối lượng của nguyên liệu ban đầu.
m = 34.355,14 + 47.389,30 = 81.744,439 (kg).
CP - nhiệt dung riêng của hỗn hợp, CP = 2,995*103 J/kg*độ. Vậy:
Q1 = m*CP*(55 – 24) = 81.744,439 * 2,995*103*(55 – 24) = 7.589.706.297,0370 (J) = 1.813.116,65 (kcal)
b) Tính nhiệt lượng đun nóng cánh khuấy và thành của thiết bị phản ứng Gọi Q2 là nhiệt lượng đun nóng vỏ trong của thiết bị phản ứng, ta có:
Q2 = (G1 + G4)*CT*(ttb – t1) (J) [2 – trang 94] Với :
CT - là nhiệt dung riêng của thép X18H10T, CT = 500 J/kg*độ (Bảng I.144 [6 – trang 162]).
G1 - là trọng lượng thép của thân thiết bị, G1 = 16.746 kg. [5] G4 - là trọng lượng thép của trục cánh khuấy và cánh khuấy G4 = 131,925 kg. [5]
t1 - nhiệt độ ban đầu của vỏ áo, t1 = 240C. [5]
ttb - nhiệt độ trung bình của vỏ thiết bị trong khi đun nóng, 0C. ttb = = = 75,29 0C
Q2 = (16.746 + 131,925)*500*(75,29 – 24) = 432.825.010,34 (J) = 103.398,2347 (kcal) = 432.825.010,34 (J) = 103.398,2347 (kcal) c) Tính nhiệt lượng đã đun vỏ áo thiết bị phản ứng
Gọi Q3 là nhiệt lượng cần thiết để đun nóng vỏ áo của thiết bị: Ta có:
Q3 = G2*CT* (ttb – t) [2 – trang 94] Trong đó :
G2 - là trọng lượng của vỏ ngoài, G2 = 16.707,6 kg. [5]
CT - là nhiệt dung riêng của thép X18H10T, CT = 500 J/kg*độ. ttb - là nhiệt độ trung bình của vỏ áo khi đun nóng, 0C.
t - là nhiệt độ ban đầu của vỏ áo, t = 24 0C. [5]
Theo phương trình truyền nhiệt, cơng thức V.2 [7 –trang 3] :
T N N T t t q r t t q* r − = ⇒ ∑= − ∑ Với:
q = q1 = 8.285,1930 (W/m2) (Thành phần gia nhiệt vỏ áo).
1 2
r r= + +δ r
λ∑ ∑
Trong đó:
r1 – là nhiệt trở của cặn bẩn phía trong của vỏ áo r2 – là nhiệt trở của cặn bẩn phía ngồi của vỏ áo r1 + r2 = 77,4*10-3 [7- trang 4]
δ - là chiều dày của thép làm vỏ áo, δ = 0,0113 (m) λ - là hệ số dẫn nhiệt của thép, λ = 16,85 [6 – trang 127]
= + 77,4*10-3 = 0,0014 (m2*độ/W) Như vậy nhiệt độ phía ngồi vỏ áo thiết bị:
tN = 89,325 – 8.285,1930*0,0014 = 77,37 0C. Nhiệt độ trung bình của vỏ áo:
ttb = = 83,35 0C.
Nhiệt lượng để đun nóng vỏ áo [2 – trang 94] là:
Q3 = 16.707,6*500* (83,35 – 24) = 495.779.586,99 (J) = 118.437,5506 (kcal) = 118.437,5506 (kcal)
d) Tính tổn thất nhiệt
Nhiệt mất mát ra mơi trường xung quanh là do bức xạ và đối lưu trong suốt thời gian gia nhiệt. Theo công thức V.136 [7 - Trang 41], hệ số cấp nhiệt của bức xạ và đối lưu:
α = 9,3 + 0,058*tN (W/m2*độ) Trong đó :
tN - là nhiệt độ bề mặt ngồi của vỏ áo, tN = 77,37 oC Như vậy:
α = 9,3 + 0,058*77,37 = 13,7875 (W/m2.độ) Đường kính bên ngoài vỏ áo :
D1 = 4,25 + 2*0,018 + 2*0,07 + 2*0,0113 = 4,52 (m) Diện tích phần thân hình trụ bên ngồi vỏ áo là:
F1 = π*D1*H = 3,14*4,52*5,95 = 84,4946 (m2). Diện tích bề mặt bên ngoài nắp và đáy thiết bị phản ứng là:
F2 = 2*18,0 = 36,0 (m2) (Tra theo bảng XIII.10 [7 - Trang 382])
Như vậy tổng diện tích bề mặt bên ngồi thiết bị phản ứng là: F = F1 + F2 = 120,4946 (m2)
Thời gian của quá trình gia nhiệt là 55 phút, hay 3300 giây. Nhiệt độ khơng khí bên ngồi là: tk = 240C.
Như vậy nhiệt lượng mất mát trong thời gian đun nóng hỗn hợp phản ứng là: Q4 = α*F*τ * (tN – tk) = 13,7875*120,4946*3300* (77,37 – 24)
= 292.598.541,49 (W) = 70.223,65 (kcal)
e) Lượng nhiệt do VCM phản ứng tỏa ra trong quá trình gia nhiệt
Trong quá trình gia nhiệt cho hỗn hợp thì có một số lượng VCM sẽ phản ứng trước, giả sử là 7 % so với tổng số VCM tham gia phản ứng. Quá trình phản ứng có tỏa nhiệt nên lượng nhiệt gia nhiệt thực tế bằng lượng nhiệt nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 55 0C trừ đi lượng nhiệt do 7 % VCM tham gia phản ứng tỏa ra.
Số mol của VCM tham gia phản ứng là:
VCMVCM VCM m n M = Trong đó:
mVCM - khối lượng của VCM tham gia phản ứng. mVCM = 34.355,14 (kg)
Như vậy, 7 % VCM tham gia phản ứng có khối lượng là: mVCM = 34.355,14*7% = 2.404,86 (kg) Vậy:
nVCM = = 38.477,7557 (mol)
Khi phản ứng trùng hợp chuyển từ VCM sang PVC thì nhiệt lượng tỏa ra là 23 kcal/mol. Như vậy nhiệt tỏa ra của VCM phản ứng trong quá trình gia nhiệt:
Q5 = 23*38.477,7557 = 884.988,38 (kcal)
Vậy: Để gia nhiệt hỗn hợp phản ứng từ 24 0C lên nhiệt độ 55 0C trong thời gian 55 phút thì phải cần nhiệt lượng cung cấp là:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 – Q5 = 1.220.187,7047 (kcal).
Tính lượng nước nóng dùng để gia nhiệt cho thiết bị phản ứng
Ta có:
Q = Gn*Cn* (tđ – tc) [2 – trang 94] Trong đó:
Gn – là lượng nước nóng 900C cần để gia nhiệt cho nồi phản ứng Cn – là nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 900C
Cn = 1,00502 kcal/kg*độ.
tđ – là nhiệt độ đầu của nước, tđ = 900C. [5]
tc – là nhiệt độ sau khi gia nhiệt của nước, ta chọn tc = 600C. [5] Suy ra:
Gn = = = 40.469,7653 (kg) Thể tích nước gia nhiệt ở vỏ áo là:
VH2O = = = 41,9228 (m3)
Với
0 90 C
ρ
= 965,34 kg/m3. [6 – trang12]
Nhiệt lượng cần cung cấp để đun nóng 40.469,7653 (kg) nước từ 240C lên 900C [2 – trang 94] là:
QNL = Gn*Cn*(90-24) = 40.469,7653*1,5002*(90-24) = 2.684.412,9503 (kcal)
f) Tính lượng nhiên liệu đốt cần dùng
Nhiệt lượng tổng cộng Q của nước nóng cung cấp. Nhiệt cung cấp cho nước để đun nóng thành nước là từ than đá. Ở đây ta sử dụng than Mạo Khê (loại than cám 5MK – kí hiệu MK100) có nhiệt trị 5.250 kcal/kg.
k Q Q Q T*r T r = = ⇒ = Trong đó:
T – lượng than cần dùng để gia nhiệt, kg.
r - là ẩn nhiệt hóa hơi của nhiên liệu than, r = 5.250 kcal/kg .
Tuy nhiên trong q trình đun nóng ln xảy ra hao phí, ở đây ta giả sử hao phí của q trình đun nóng là 20%.
Như vậy lượng than thực tế cần sử dụng là: T = (1+0,2) * = 1,2* = 613,5801 (kg)
3.3.2. Tính tốn giai đoạn duy trì phản ứng ở 580C
3.3.2.1. Tính nhiệt lượng cần lấy ra trong q trình phản ứng a) Tính nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng
Khi phản ứng trùng hợp chuyển từ VCM sang PVC thì nhiệt lượng tỏa ra là