Tính cân bằng nhiệt lượng

CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 3.1. Cân bằng vật chất

3.3. Tính cân bằng nhiệt lượng

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 quá 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. Ngoài 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 toàn, chính xác cao.

3.3.1. Tính toán giai đoạn đun nóng hỗn hợp 3.3.1.1. Những thông 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 quá 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].

0,25 0,8 0,43

t

Nu 0,037*Re *Pr * Pr Pr

 

=  ÷

  Trong đó : Theo công thức V.36 [7 - Trang 13]

*l *l*

Re v

ω ω ρ

= =

à 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]).

à - độ nhớt của nước ở 900C, à = 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 dòng 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

0,25

t

Pr 1

Pr

 

 ÷ =

  Theo công thức V.64 [7 – Trang 21]

C .p

Pr à

= λ

Với :

Cp - nhiệt dung riêng của nước ở 900C, Cp = 4,2078*103 J/kg*độ (Theo bảng I.147 [6-trang 165]).

à - độ nhớt của nước ở 900C, à =

0,3165*10−3

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] .

0,14

m 0,33

t

Nu C*Re *Pr= *  ữ àà

Trong đó :

2*D Nu =α

λ ;

*n*d2

Re= ρ

à ;

C *p

Pr à

= 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 vòng/ 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

àt - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt, N*s/m2. à - độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ trung bỡnh, N*s/m2.

Đối với thiết bị có vỏ bọc thì ta có C = 0,36 và m = 0,67

Do chờnh lệch nhiệt độ nhỏ [5], nờn àt ≈ à ⇒

0,14

t

 à =1

 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):

lnà = x1*lnà1 + x2*lnà2

Trong đó :

x1 , x2 - nồng độ phần mol tương ứng của VCM và H2O.

à1 , à2 - 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:

àH2O = 0,5494*10-3 N*s/m2. àVCM = 0,25*10-3 N*s/m2.

lnà = 0,1727*ln0,25*10-3 + 0,8273*ln0,5494*10-3 = -7,6427

⇒ à = 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 toán xem hỗn hợp chỉ có hai thành phần, đó là H2O và VCM. Theo công thức I.42 [6 - Trang 152], công 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 còn 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) 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, công 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 ngoài 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 ngoài 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)

d) Tính tổn thất nhiệt

Nhiệt mất mát ra môi 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 ngoài 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 ngoài 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 ngoài 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 không khí bên ngoài 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:

VCM VCM

n m

= 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

90 C0

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 T*r T Q

= = ⇒ = 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 quá trình đun nóng luôn xảy ra hao phí, ở đây ta giả sử hao phí của quá 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 toán giai đoạn duy trì phản ứng ở 580C

3.3.2.1. Tính nhiệt lượng cần lấy ra trong quá 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 23 kcal/mol.

Số mol của VCM tham gia phản ứng là:

VCM VCM

n m

= M Trong đó:

mVCM - khối lượng của VCM tham gia phản ứng.

mVCM = 34.355,14 (kg)

Khối lượng VCM tham gia phản ứng sau giai đoạn gia nhiệt (93%):

mVCM = 0,93 *34.355,14 = 31.950,2793 (kg) Vậy:

nVCM = = 511.204,4683 (mol) Như vậy nhiệt tỏa ra trong quá trình phản ứng là:

Q = 23*511.204,4683 = 11.757.702,7709 (kcal)

b) Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ hỗn hợp phản ứng lên thêm 30C (Từ 55 0C lên 58 0C)

Khối lượng hỗn hợp phản ứng trong trong 1 tấn sản phẩm không kể lượng nước bổ sung là:

mhh = = 70.170,2650 (kg) Nhiệt dung riêng của hỗn hợp là :

CP = 2,995*103 (J/kg*độ) = 0,7154 (kcal/kg*độ).

Vậy nhiệt lượng cần thiết để nâng hỗn hợp phản ứng lên thêm 30C là : Q1 = 70.170,2650*0,7154*3 = 150.590,3750 (kcal)

c) Tính nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của nước bổ sung từ 240C lên 580C

Khối lượng nước bổ sung thêm vào trong mỗi mẻ phản ứng là : mH2O = *12,08*7,5333 = 12.259,9606 (kg) Nước bổ sung cho vào với nhiệt độ ban đầu là 240C.

Ở 24oC nhiệt dung riêng của nước là: CH2O = 0,99902 kcal/kg*độ (Tra bảng I.147 [6 – trang 165]).

Nhiệt độ của nước được tăng lên thêm: 58 - 24 = 340C.

Nhiệt lượng cần thiết để nâng nước lên thêm 340C là:

Q2 = 12.259,9606*0,99902*34 = 416.430,1598 (kcal) Như vậy nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra là :

Q3 = Q - ( Q1 + Q2 ) = 11.190.682,236 (kcal)

Nhiệt phản ứng tỏa ra sẽ được lấy ra bằng vỏ áo của thiết bị và thiết bị ngưng tụ phía trên nắp của thiết bị phản ứng. Trong đó nước làm lạnh ở vỏ áo sẽ lấy 30% và thiết bị ngưng tụ lấy 70% lượng nhiệt sinh ra.

Nhiệt lượng vỏ áo cần phải lấy là:

QVA = * 11.190.682,236 = 3.357.204,6708 (kcal) Nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ cần phải lấy đi là:

QNT = * 11.190.682,236 = 7.833.477,5653 (kcal) 3.3.2.2. Xác định lượng nước dùng để lấy nhiệt ở vỏ áo

a) Xác định nhiệt tải riêng của hỗn hợp phản ứng

Ta có diện tích truyền nhiệt của hỗn hợp phản ứng là 79,4 m2. Thời gian của quá trình lấy nhiệt ở vỏ áo là 330 phút, hay 19800 giây.

Như vậy nhiệt lượng được lấy ra theo mỗi giây là : Q = = 169,5558 (kcal/s)

Nhiệt tải riêng:

q = = = 2,1354 (kcal/m2) = 8.938,7401 (W/m2) b) Xác định hệ số cấp nhiệt (α1) phía hỗn hợp phản ứng

Do hỗn hợp phản ứng có khuấy trộn nên hệ số cấp nhiệt được xác định theo công thức V.67 [7 - Trang 22].

0,14

m 0,33

t

Nu C*Re *Pr= *  ữ àà

Trong đó:

1*D Nu=α

λ ;

*n*d2

Re=ρ

à ;

C *p

Pr à

= λ

α1 - hệ số cấp nhiệt, W/m2*độ.

λ = 0,3431 (W/m*độ) : hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp (đã tính toán).

ρ - khối lượng riêng của hỗn hợp, ρ = 1.050,2822 kg/m3 (đã tính toán).

n - số vòng quay của cánh khuấy, n = 1 vòng/giây.

d - đường kính của cánh khuấy, d = 1,42 m.

Cp - nhiệt dung riêng đẳng áp của nước ở 900C, Cp = 4,2078*103 J/kg*độ.

àt - độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt, N*s/m2. à - độ nhớt của hỗn hợp ở nhiệt độ trung bỡnh , N*s/m2.

Đối với thiết bị có vỏ bọc thì ta có C = 0,36 và m = 0,67

Do chờnh lệch nhiệt độ nhỏ, nờn à1 ≈ à do đú đại lượng

0,14

T

 à  =1

à ữ

  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):

lnàhh = x1*lnà1 + x2*lnà2 Trong đó :

x1 , x2 - nồng độ phần mol tương ứng của VCM và H2O.

à1 , à2 - độ nhớt động lực của VCM và H2O, N*s/m2. Khối lượng tương ứng của VCM và H2O trong hỗn hợp là :

mVCM = 0,93 *34.355,14 = 31.950,2793 (kg) mH2O = = 47.389,30 (kg)

Như vậy số mol tương ứng của nó là :

nVCM = = 511.204,4683 (mol) nH2O = = 2.632.738,8863 (mol)

Tổng số mol của VCM và H2O là : n = 3.143,943*103 (mol).

Như vậy:

x1 = = 0,1626 ; x2 = = 0,8374

Theo bảng I.102 [6 - Trang 94 ÷ 95] và đồ thị tra được giá trị độ nhớt của nước và VCM ở nhiêt độ 580C có:

àH2O = 0,4832*10-3 N*s/m2.

àVCM = 0,158*10-3 N*s/m2.

lnà = 0,1626*ln0,158*10-3 + 0,8374*ln0,4832*10-3 = -7,8168

⇒ à = e-7,8168 = 0,4*10-3 N*s/m2 Từ đây ta tính được chuẩn số Renold:

Re = = = 5.231.807,0214 Re0,67 = 31.731,94

Chuẩn số Pran là:

Pr = Cp * = 4,2078*103 * = 4,9416 Pr0,33 = 1,6942

Như vậy:

Nu = 0,36*Re0,67 * Pr0,33 *

= 0,36*31.731,94*1,6942*1 = 19.354,1863 α1 = = = 1.562,3012 (W/m2*độ)

Theo phương trình truyền nhiệt:

q = α1*(t1 – tT) [1 –trang 17]

Nhiệt độ thành bên trong của thân thiết bị:

tT = t1 - = 58 - = 52,2785 0C Mặt khác, theo công thức V.2 [7 –trang 3]:

( T N)

q t t * 1

= − r

∑

Trong đó tổng trở của thành thiết bị như đã tính ở trên là:

= 0,0014 (m2*độ/W) Nhiệt độ thành bên ngoài của thân thiết bị

tN = tT – q* = 52,2785 - 8.938,7401 * 0,0014 = 39,3814 0C Nhiệt lượng đun nóng nước làm lạnh từ 240C lên nhiệt độ 39,3814 0C tính theo công thức sau [2 – trang 94] :

( ) ( )

VA H2O H2O c đ

Q m= *C * t – t kcal

Trong đó:

mH2O – là khối lượng nước làm lạnh sử dụng ở vỏ áo.

CH2O – là nhiệt dung riêng của nước làm lạnh.

tđ – nhiệt độ đầu vào của nước làm lạnh, ta chọn tđ = 240C. [5]

tc – nhiệt độ ra của nước làm lạnh, tc = tN = 39,3814 0C.

Khối lượng của nước dùng cho quá trình lấy nhiệt ở vỏ áo là:

mH2O = = = 218.477,4199 (kg).

Ở 24 oC , ρH2O = 997,33 kg/m3. [6 –trang 11]

Như vậy thể tích của nước làm mát ở vỏ áo là:

VH2O = = = 219,0623 (m3)

3.3.2.3. Xác định lượng nước dùng cho thiết bị ngưng tụ

Nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra là nhiệt lượng gia nhiệt nước làm lạnh ở ngoài ống truyền nhiệt từ nhiệt độ 240C lên 460C.

Theo công thức 2.20 [2 – trang 94]:

( )

( )

2

2

H O c đ

H O c đ

Q G*C * t t

G Q

C * t t

= −

⇒ = −

Trong đó:

Q – là nhiệt lượng cần thiết phải lấy ra Q = QNT = 7.833.477,5653 (kcal).

G – khối lượng nước được gia nhiệt, kg.

CH2O – nhiệt dung riêng của nước, CH2O = 0,99902 kcal/ kg*độ.

tc – nhiệt độ của nước sau khi lấy nhiệt đi ra: tc = 460C. [5]

tđ – nhiệt độ ban đầu của nước làm lạnh đi vào: tđ = 240C. [5]

Vậy lượng nước lạnh cần dùng là:

G = = 356.416,4502 (kg)

Với khối lượng riêng của nước ở 240C, ρH2O = 997,33 kg/m3. Thể tích của nước cần dùng để làm mát thiết bị ngưng tụ là:

V = = = 357,3706 (m3)

Tổng hợp lượng nước sử dụng cho quá trình gia nhiệt và làm lạnh Đơn vị:

m3 1 thiết bị 1 mẻ sản xuất 1 ngày sản

xuất 1 năm sản xuất Nước gia nhiệt 41,9228 125,7684 400,6782 138.233,97 Nước làm lạnh

ở vỏ áo 219,0623 657,1869 2.093,6929 722.324,06 Nước làm lạnh ở

thiết bị ngưng tụ 357,3706 1.072,1119 3.415,5777 1.178.374,31 3.4. Tính toán thiết bị phụ

3.4.1. Tính toán và chọn bơm

Hiện nay trong các ngành công nghiệp, nhất là trong ngành công nghiệp hóa chất, việc sử dụng các loại bơm để vận chuyển các nguyên liệu được sử dụng rất rộng rải. Có nhiều loại bơm khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, năng suất, công suất, hiệu suất, giá thành và làm việc an toàn, cũng như tính chất của các chất cần vận chuyển mà ta lựa chọn các loại bơm khác nhau sao cho phù hợp và đảm bảo tốt các yêu cầu đã đề ra. Trong công nghiệp sản xuất nhựa PVC thì bơm được sử dụng nhiều là bơm ly tâm vì chúng có các ưu điểm sau đây:

• Lưu lượng bơm đều.

• Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo và sửa chữa.

• Năng suất cao.

• Có thể bơm các chất lỏng không sạch.

• Không có suppap nên ít bị tắt và hư hỏng.

Bơm ly tâm được sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trở lên. Do đó trong dây chuyền công nghệ sử dụng bơm ly tâm để bơm H2O và VCM .

Ngoài ra còn sử dụng bơm màng và bơm trục vít để bơm các hóa chất có tính ăn mòn thiết bị, có độ nhớt lớn, trong dây chuyền dùng bơm màng để bơm các phụ gia trong quá trình phản ứng.

3.4.1.1. Tính toán và chọn bơm ly tâm để bơm nước nạp liệu

Thời gian bơm nước vào thiết bị phản ứng là 20 phút hay 1200 giây.

Khối lượng nước cần bơm trong một mẻ phản ứng là:

m = = 35.129,3393 (kg)

Khối lượng riêng của nước ở 240C là ρ = 997,33 kg/m3. Năng suất cần thiết của bơm là:

Q = = 0,0293 (m3/s)

Vận tốc của chất lỏng trong ống là ω = 2,74 m/s.

Như vậy theo công thức II.36 [4 - Trang 369], đường kính của ống dẫn là:

d = = = 0,116 (m) Quy chuẩn : d = 0,12 (m).

Tính áp suất toàn phần của bơm

Áp dụng công thức II.185 [4 - Trang 438]:

2 1

O m

P P

H H h

.g

= − + +

ρ (m) (6)

Trong đó:

H - áp suất toàn phần do bơm tạo ra.

P2 , P1 - áp suất đẩy và hút trên bề mặt của bơm N/m2. ρ - khối lượng riêng của nước, ρ = 997,33 kg/m3. g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.

Ho - chiều cao đẩy chất lỏng của bơm, Ho = 11 m