2.4. Cân bằng nhiệt lượng
2.4.1. Giai đoạn đun nóng nguyên liệu
Chọn nhiệt độ của môi trường là 25°C. Nhiệt độ đun nóng khối phản ứng từ 25°C. đến 80°C bao gồm nhiệt đun nóng thiết bị, nguyên liệu và nhiệt mất mát ra môi trường.
Q=Q1+Q2+Qm
Trong đó: + Q1: nhiệt để đun nóng thiết bị
+ Q2: nhiệt để đun nóng hỗn hợp phản ứng + Qm: nhiệt mất mát ra môi trường, Qm =q1+q2, Với: +q1: nhiệt mất qua phần có bảo ôn
+q2:nhiệt mấtqua phần không có bảo ôn
Nhiệt đun nóng thiết bị Q1
Q1=C ×G × ∆t
Trong đó: + C: tỷ nhiệt của Inox SUS 304, C = 0,119 kcal/kg.độ +G: khối lượng của thiết bị
+∆t: hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt đun nóng với không khí
+ Khối lượng của thiết bị G:
G=G +G +2×G +G
Trong đó: + Gth: khối lượng thân thiết bị, Gth = 135,5 kg +Gvỏ: khối lượng vỏ thiết bị, Gvỏ = 195,73 kg
+ Gđ: khối lượng đáy bằng khối lượng nắp, Gđ = 30 kg + Gk khối lượng cánh khuấy, Gk = 65
G=35,5 + 195,73 + 2 ×30 + 65= 356,23 (kg)
Nhiệt đun nóng thiết bị: Q1=C ×G × ∆t= 0,119 × 356,23× (80 – 25)= 2331,53(kcal)
Nhiệt đun nóng hỗn hợp phản ứng Q2
Q2=(Ggl×Cgl+Gaa×Caa)× ∆t Trong đó,( theo số liệu bảng 2.6 ):
+G: khối lượng các glycol, G = 361,56 kg +Cgl: tỷ nhiệt của glycol, Cgl = 0,5 kcal/kg.độ +Gaa: khối lượng các anhydride acid, Gaa=1137kg
+Caa: tỷ nhiệt của anhydride acid, Caa=¿0,429 kcal/kg.độ
+∆t: hiệu số chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt đun nóng hỗn hợp phản ứng với không khí, °C
Q2=(Ggl×Cgl+Gaa×Caa)× ∆t
¿(361,56×0,5+1137×0,429)×(80−25)=36770,42(kcal) )
Nhiệt mất mát ra môi trường Qm
+Nhiệt mất mát qua phần có bảo ôn q1
q1=α2× F1× ∆t
Trong đó: + α2: hệ số cấp nhiệt từ thành ra ngoài không khí, W/m2.độ
+ F1: diện tích phần vỏ thiết bị có bảo ôn
+∆t: chênh lệch nhiệt độ giữa thành bảo ôn với không khí
+ Giả thiết
Hình 12.Biểu đồ nhiệt độ từ thành ra không khí + t1: nhiệt độ đun nóng dầu khoáng, t1= 220°C
+ tT2: nhiệt độ thành ngoài
+ tT1: nhiệt độ thành trong, tT1 = 218°C
+ tT3: nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn tiếp xúc với không khí, trụ tại nhiệt độ không khí, tT3 =32°C.
+ tkk: nhiệt độ không khí -Nhiệt độ trung bình
Đun nóng dầu khoáng có nhiệt độ t1= 220°C, nhiệt độ thành trong tT1 = 218 °C
ttb=t1+tT1
2 =220+218
2 =219 °C
- Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ
α1=2,04× A ×√4 H × ∆r t1,(W/m2. độ)(Theo sổ tay qttb2trang28) Trong đó: + A: hệ số phụ thuộc đối với dầu khoáng
+ r: ẩn nhiệt ngưng tụ của dầu khoáng, r= 2930×103 kcal/kg
+ H: chiều cao phần có bảo ôn, H = 1918 + 118 + 4=
2040 mm= 2,04 m
+∆t1: chênh lệch nhiệt độ giữa hỗn hợp và thành ống.
∆t1: =220 –218=2°C
Từ bảng số liệu tại sổ tay qttb 2 trang 29 tại ttb = 219°C có giá trị A = 199
α1=2,04× A ×√4 H × ∆r t1=2,04×199×√4 29302,04××1023=16,71×103(kcal/m2. h . độ)
- Hệ số cấp nhiệt từ thành ra ngoài không khí α2=8,4+0,06×(tT3−tbxạ)
Trong đó: + tT3: nhiệt độ bề mặt lớp bảo ôn tiếp xúc với không khí, tT3 = 32°C
+ tbxạ: nhiệt độ bức xạ của lớp bảo ôn với không khí, tbxạ= tkk = 25°C
α2=8,4+0,06×(tT3−tbxạ)=8,4+0,06×(32−25)= 8,82 (kcal/m2. h . độ)
- Hệ số truyền nhiệt
K= 1
1 α1+δ
λ+δ' λ'+ 1
α2
(W/m2. độ)(Theo sổ tay qttb2trang3)
Trong đó: + α1, α2 : lần lượt là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ và thành bảo ôn
α1=¿11,9×103 kcal/m2.h.độ; α2= 8,82 kcal/m2.h.độ
+δ: chiều dày vỏ thiết bị, δ = δ3 = 0,004 m
+ λ: hệ số truyền nhiệt của inox SUS 304, λ = 14 kcal/m2.h.độ
+ δ’: chiều dày lớp bảo ôn, δ '= δ0= 0,118 m
+ λ ' : hệ số truyền nhiệt của bông thủy tinh, λ ' = 0,032 kcal/m2.h.độ
Hệ số truyền nhiệt:
K= 1
1 α1+δ
λ+δ' λ'+ 1
α2
= 1
1
16,71×103+0,004
14 +0,118 0,032+ 1
8,82
=0,263(W/m2. độ)
- Thử lại giả thiết về nhiệt độ:
Từ công thức: α2× F1×(tT3−tbxạ)=K × F1×(ttb−tbxạ)
tT3=tbxạ+K ×(tb−tbxạ)
α2 =25+0,263×(219−25)
8,82 ≈31℃
Sai số: 3231−31=0,032hay3,2 %<5 %
Vậy giả thiết về nhiệt độ như trên có thể chấp nhận được - Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt bao gồm toàn bộ phần vỏ áo thiết bị ( phần thân và đáy )
F1=2× π × d × h+Snắp
Trong đó: + d: khoảng cách từ thân thiết bị đến vỏ áo. d=70 mm
+ h: chiều cao vỏ thiết bị phần trụ, h = 1918 – 4 – 70
= 1844 mm
+ Snắp: diện tích nắp dưới, Snắp = 1,71 m2 ( theo Bảng XIII.10 sổ tay qttb 2 trang 382 )
F1=2× π × D × h+Snắp=2× π ×0,07×1,844+1,71=2,5(m2)
Nhiệt mất mát qua phần có bảo ôn:
q1=α2× F1× ∆t=8,82×2,5×(32−25)=154,35(kcal/h) + Nhiệt mất mát qua phần không có bảo ôn
q2=α '2× F2× ∆ 't
Trong đó: + α '2: hệ số cấp nhiệt từ vỏ phần không có bảo ôn ra ngoài không khí, W/m2.độ
+ F2: diện tích phần vỏ thiết bị không có bảo ôn
+∆ 't: chênh lệch nhiệt độ giữa thành không có bảo ôn với không khí
+Giả thiết
Hình 13.Biểu đồ nhiệt độ của phần không có bảo ôn
Trong đó: + t1: nhiệt độ hỗn hợp trong thiết bị, t1= 80°C + tT2: nhiệt độ thành ngoài thiết bị tiếp xúc với không khí, t =40°C
+ tT1: nhiệt độ thành trong, tT1 = 44°C
+ tbxạ: nhiệt độ bức xạ ở phần không có bảo ôn, trụ tại nhiệt độ không khí, tbxạ = 26°C.
+ t2: nhiệt độ môi trường xung quang, t2= tkk = 25°C
tcp=80+25
2 =¿52,5°C
- Hệ số cấp nhiệt phía thành hỗn hợp
α '1=2,8×√tcp−tT2=2,8×√52,5−40=9,9(kcal/m2. h . độ)
- Hệ số cấp nhiệt từ thành ra ngoài không khí α '2=8,4+0,06×(tT1−tbxạ)
Trong đó: + tT3 = 44°C +tbxạ = 26°C
α '2=8,4+0,06×(tT1−tbxạ)=8,4+0,06×(44−26)= 9,48 (kcal/m2. h . độ) - Hệ số truyền nhiệt
K '= 1
1 α '1+δ
λ+ 1 α '2
(W/m2. độ)(Theo sổ tay qttb2trang3)
Trong đó: + α1=9,9 kcal/m2.h.độ; α2= 9,48 kcal/m2.h.độ +δ: chiều dày vỏ thiết bị, δ = δ3 = 0,004 m
+ λ: hệ số truyền nhiệt của inox SUS 304, λ = 14 kcal/m2.h.độ
Hệ số truyền nhiệt:
K '= 1 1 α'1+δ
λ+ 1 α'2
= 1
1
9,9+0,004 14 + 1
9,48
=4,84(W/m2. độ)
- Thử lại giả thiết về nhiệt độ:
-Từ công thức: α '2× F2×(tT2−tbxạ)=K ' × F2×(tcp−tbxạ)
tT2=tbxạ+K ' ×(tcp−tbxạ)
α '2 =26+4,84×(52,5−26)
9,48 ≈39,5℃ Sai số: 40−3939,5,5=0,013hay1,3 %<5 %
Vậy giả thiết về nhiệt độ như trên có thể chấp nhận được
-Từ công thức: α '1× F ×(tT1−tbxạ)=K ' × F ×(tcp−tbxạ)
tT1=tbxạ+K ' ×(tcp−tbxạ)
α '1 =26+4,84×(52,5−26)
9,9 ≈39℃ Sai số: 40−3939 =0,026hay2,6 %<5 %
Vậy giả thiết về nhiệt độ như trên có thể chấp nhận được - Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt chính là phần nắp thiết bị, Snắp = 1,21 m2 (Theo bảng XIII.10 sổ tay qttb 2 trang 382 ), vậy F2 = 1,21 m2
Nhiệt mất mát qua phần không có bảo ôn:
q2=α '2× F2× ∆ 't=9,48×1,21×(40−26)=160,59(kcal/h)
+Nhiệt lượng tiêu tốn
Giả sử thời gian đốt nóng là 30 phút (0,5 giờ), khi đó lượng nhiệt cần là:
Q=Q1+Q2+q1+q2
2 =2331,53+36770,42+154,35+160,59
0,5 =39731,83(kcal) Khối lượng dầu tiêu tốn: D= q × xQ
Trong đó: + q: nhiệt hóa hơi của dầu, q= 600 kcal/kg +x: hàm ẩn của dầu, x= 0,95
+Q: nhiệt lượng tiêu tốn: Q= 39731,83 kcal -Vậy lượng dầu khoáng tiêu tốn trong 1 giờ là :
D= q × xQ =60039731×0,83,95×2=139,41(kg)
Trong khi đun nóng có khuấy trộn nên lượng dầu cần để bù vào lượng nhiệt mất mát đó là:
D= Qm×t
600×0,95=(154,35+160,59)×1
600×0,95 =0,55(kg) Do đó lượng dầu tiêu tốn trong 1h là: 139,41 + 0,55 = 139,96