CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.2. Cân bằng năng lượng
- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
QD1+ Qf = QF+ Qng1+ Qxq1 (𝐈𝐗. 𝟏𝟒𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐]) QD1: nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
Qf ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h) QF ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h) Qng1 ∶ nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h) Qxg1 ∶ nhiệt lượng mất mát (J/h)
1(kW) = 1(kJ/s) = 10−3
3600(J/h) + Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :
QD1 = D1× λ1 = D1× (r1+ θ1× C1) (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟎 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐]) C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg × độ)
λ1: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg) θ1: nhiệt độ nước ngưng (°C)
r1: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg) D1: lượng hơi đốt (kg/h)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p=2at
Tra bảng I.148 trang 166 [1] ta có ts = θ1 = 119,62°C
Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ở ts = θ1 = 119,62°C ta có :
r1 = 526.247 (kcal/kg) = 2203,29 × 103 (J/kg)
Nội suy từ bảng I.148 trang 166 [1] ở ts = θ1 = 119,62°C ta có:
C1 = 1,014 (kcal/kg°C) = 4245,4152 (J/kg°C) + Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào:
Qf = F̅ × Cf× tf (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟏 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐]) F̅ ∶ lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
Cf ∶ nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg × độ) tf : nhiệt độ đầu của hỗn hợp (°C)
Chọn nhiệt độ ban dầu của hỗn hợp : tf = 30°C
x = x̅F = 0,2
Nội suy từ bảng I.153 trang 172 và bảng I.154 trang 172 [1], với tf = 30°C ta có :
Cnước = 4177,5 (J/kg°C) Caxit = 2047 (J/kg°C)
⇒ Cf = Chh = x × Cnước+ (1 − x) × Caxit
= 0,2 × 4177,5 + (1 − 0,2) × 2047 = 2473,1 (J/kg°C)
⇒ Qf = 1899,972 × 2473,1 × 30 = 140964622,6 (J/h) = 39,1568 (kW)
+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
QF = F̅ × CF× tF (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐]) CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg × độ)
tF : nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng(°C)
Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2], ta có : tF = 105,037°C
x = x̅F = 0,2
Nội suy từ bảng I.153/172 và bảng I.154/172 [1], với tF = 105,037°C, ta có : C𝑛ướ𝑐 = 4241,3333 (J/kg°C)
Caxit = 2456,4443 (J/kg°C)
⇒ CF = Chh = x̅F× Cnước+ (1 − x̅F) × Caxit
= 0,2 × 4241,3333 + (1 − 0,2) × 2456,4443 = 2813,4221 (J/kg°C)
⇒ QF = F̅ × CF× tF = 1899,972 × 2813,4221 × 105,037
= 561467218,1 (J/h) = 155,9631 (kW) + Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Qng1 = Gng1× θ1× C1 = D1× θ1× C1 (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟑 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Qxq1 = 0.05 × QD1 = 0.05 × D1× r1 (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟒 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun nóng dung dịch đầu đến nhiệt độ sôi:
D1 =QF+ Qng1+ Qxq1− Qf
λ1 =QF− Qf
0.95r1 (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟓 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])
⇒ D1 =QF− Qf
0.95r1 =56146728,1 − 140964622,6
0.95 × 2203.29 × 103 = 200,8969(kg/h) - Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất
QD2+ QF+ QR
= Qy+ QW+ Qng2+ Qxq2 (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟔 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) + Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp : QF = 561467218,1(J/h) + Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp QD2
QD2 = D2× λ2 = D2× (r2+ θ2× C2) (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟕 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) λ2: hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)
θ2: nhiệt độ nước ngưng (°C) r2: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
D2: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch trong đáy tháp (kg/h) C2: nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg × độ)
+ Nhiệt lượng do lỏng hồi lưu mang vào:
QR = GR × CR× tR (J/h) (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟖 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) GR: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
tR: nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu (°C) D̅: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
R ∶ chỉ số hồi lưu
Nội suy từ bảng I.153/172 và bảng I.154/172 [1], với tF = 100,4188°C, ta có : C𝑛ướ𝑐 = 4230,9423 (J/kg°C)
Caxit = 2432,1987 (J/kg°C) tR = tD = 100,4188°C
CR = CD = x̅D × Cnước+ (1 − x̅D) × C𝑎𝑥𝑖𝑡
= 0,8 × 4230,9423 + (1 − 0,8) × 2432,1987 = 3871,1936(J/kg°C)
GR = D̅ × R = 379,9253 × 3,8389 = 1458,4952(kg/h)
⇒ QR = 1458,4952 × 3871,1936 × 100,4188 = 566976322,3 (J/h) + Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp:
Qy = D̅ × (1 + R) × λđ (J/h) (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) λđ: Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
λđ = λnước× y̅D+ λaxit× (1 − y̅D)λ1
y̅D = 0.8537
λnước = rnước+ tD× Cnước λaxit = raxit+ tD× Caxit
Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2] với xD = 0.9302 ta có tD = 100,4188°C
Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ở tD = 100,4188°C ta có:
rnước = 538,7278 (kcal/kg) = 2255,5455 × 103 (J/kg) raxit = 99,0778 (kcal/kg) = 414,8188 × 103 (J/kg)
Nội suy từ bảng I.153 trang 171 và I.154 trang 172 [1] ở tD = 100,4188°C, ta có :
Cnước = 4230,9423 (J/kg°C) Caxit = 2432,1987 (J/kg°C)
⇒ λnước = 2680,4116 × 103(J/kg)
⇒ λaxit = 659,0573 × 103(J/kg)
⇒ λđ= 2384,6875 × 103 (J/kg)
⇒ Qy = 379,9253 × (1 + 3,8389) × 2384,6875 × 103
= 4384058,468 × 103(J/h) = 1217,7940 (kW) + Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
QW = W̅ × CW× tW (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟎 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐]) W̅ : lượng sản phẩm đáy (kg/h) = 1520,0477 (kg/h)
CW : nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy (J/kg × độ) tW : nhiệt độ của sản phẩm đáy (°C)
Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2], ta có:tw = 111,9759°C
x = x̅W = 0,05
Nội suy từ bảng: I.153 trang 171 và I.154 trang 172 [1], với tw = 111,9759°C, ta có :
Cnước = 4256,9458 (J/kg°C) Caxit = 2492,8735 (J/kg°C)
CW = Chh = x̅w× Cnước+ (1 − x̅w) × Caxit
= 0.05 × 4256,9458 + (1 − 0.05) × 2492,8735 = 2581,0771 (J/kg°C)
⇒ QW = 1520,0477 × 2581,0771 × 111,9759
= 439321,8017 × 103 (J/h) = 122,0338 (kW) + Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra:
Qng2 = Gng2× θ2× C2 (J/h) (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟏 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐])
+ Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
Qxq2 = 0.05 × QD2 = 0.05 × D2× r2 (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐]) + Lượng hơi đốt ( lượng hơi nước) cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp:
D2 =Qy+ QW+ Qng2+ Qxq2− QF− QR
λ2 (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟑 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐])
=Qy+ QW− QF− QR
0.95r2 = 1,7653 × 103 (kg/h) - Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
+ Chọn trường hợp ngưng tụ hoàn toàn:
D̅ × (1 + R) × rD = Gn1× Cn× (t2− t1) (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟓 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐])
tD = 100,4188°C thì :
rnước = 2255,5455 × 103 (J/kg), raxit = 414,8188 × 103 (J/kg)
⇒ rD = y̅D× rnước+ (1 − y̅D) × raxit
= 0.8537 × 2255,5455 × 103+ (1 − 0.8537) × 414,8188 × 103
= 1986,2472 × 103 (J/kg)
Chọn nhiệt độ vào của nước lạnh là: t1 =30 °C
Chọn nhiệt độ ra của nước lạnh là: t2 =40 °C
Nhiệt độ trung bình của nước lạnh:
ttb =(t2+ t1)
2 =40 + 30
2 = 35°C
Nội suy từ bảng I.153 trang 171 [1] ở 35 °C, ta được:
Cn = 4176.25 (J/kg°C)
⇒ Gn =D̅ × (1 + R) × rD Cn× (t2− t1)
=379,9253 × (1 + 3,8389) × 1986,2472 × 103
4176.25 × (40 − 30) = 87436,2799(kg/h)
- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
+ Vì dòng sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ nên ta có công thức:
D̅ × CD × (t1′ − t2′) = Gn2× Cn× (t2 − t1) (𝐈𝐗. 𝟏𝟔𝟕 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟖 [𝟐])
Nhiệt độ đầu của sản phẩm đỉnh: t1′ = tD = 100,4188°C
Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh: t2′ = 40°C
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đỉnh:
t′tb =(t1′ + t2′)
2 =100,4188 + 40
2 = 70,2094°C
Nhiệt độ vào của nước lạnh là: t1 =30 °C
Nhiệt độ ra của nước lạnh là: t2 =40 °C
Nhiệt độ trung bình của nước lạnh:
ttb =(t2+ t1)
2 =40 + 30
2 = 35°C
x = x̅D = 0,8
Nhiệt dung riêng của nước ở ttb là Cn = 4176,25 (J/kg°C)
Nội suy từ bảng I.153 trang 171 [2] ở 70,2094 °C, ta có : Cnước = 4190 (J/kg°C)
Caxit = 2262,6412 (J/kg°C)
⇒ CD = x̅D× Cnước+ (1 − x̅D) × Caxit
= 0.8 × 4190 + (1 − 0,8) × 2262,6412 = 3804,5283 (J/kg°C)
⇒ Gn2 =D̅ × CD× (t1′ − t2′)
Cn× (t2− t1) =379,9253 × 3804,5283 × (100,4188 − 40) 4176,25 × (40 − 30)
= 2091,1473 (kg/h)
- Cân bằng nhiệt lượng nồi đun sản phẩm đáy
QD3+ QW3 = QW4+ QD2+ Qng3+ Qxq3 (𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟔 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟕 [𝟐])
+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD3
QD3 = D3× λ3 = D3× (r3+ θ3× C3)
Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at, tra bảng I.148 trang 166 [1] ta có:
ts = θ3 = 119.62°C, C3 = C1 = 4245.4152 (J/kg°C)
Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ta có r3 = 2203.29 × 103 (J/kg) + Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang vào QW3
QW3 = W̅ × CW3× tW3
tW3 = tW = 111,9759°C
Nội suy từ bảng I.153 trang 171 và I.154 trang 172 [1] ở 111,9759°C ta có:
Cnước = 4256,9458 (J/kg°C) C𝑎𝑥𝑖𝑡 = 2492,8735 (J/kg°C)
⇒ CW3 = x̅W× Cnước+ (1 − x̅W) × Caxit
= 0.05 × 4256,9458 + (1 − 0.05) × 2492,8735
⇒ QW3 = 439321,8017 × 103 (J/h) = 122,0338(kW) + Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW4
QW4 = W̅ × CW4× tW4
Nội suy từ bảng I.153 trang 171 và I.154 trang 172 [1] ở tW4 = 118,1°C ta có:
Cnước = 4270,725 (J/kg°C) Caxit = 2525,025(J/kg°C)
⇒ CW4 = x̅W× Cnước+ (1 − x̅W) × Caxit
= 0.05 × 4270,725 + (1 − 0.05) × 2525,025 = 2612,31(J/kg°C)
⇒ QW4 = 468955708,8 (J/h) = 130,2655 (kW) + Nhiệt lượng do hơi đi ra khỏi nồi đun về lại tháp QD2
QD2 = D2× (r3 + θ3× C3)
= 1,7653 × 103× (2203.29 × 103+ 119,62 × 4245,4152)
= 4785951727(J/h) = 1329,4310 (kW) + Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng3
Qng3 = Gng3× θ3× C3 (J/h)
+ Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:
Qxq3 = 0.05 × D3× r3 (J/h) + Lượng hơi đốt cần thiết là:
D3 =QW4+ QD2− QW3
0.95 × r3 = 2300,6674 (kg/h)