Tính toán cân bằng nhiệt lượng

Tính toán cân bằng nhiệt lượng
Các giá trị nhiệt dung riêng và nhiệt phản ứng sử dụng trong tính toán
dưới đây được lấy từ phần mềm mô phỏng HYSYS với hệ nhiệt động Peng –
Robinson.
1. Tính toán cân bằng thiết bị gia nhiệt cho hỗn hợp nguyên liệu trước
khi vào thiết bị phản ứng thứ nhất
Hỗn hợp sản phẩm từ thiết bị phản ứng thứ nhất có nhiệt độ 327,5
0
C được
trao đổi nhiêt với hỗn hợp nguyên liệu ban đầu bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống
lồng ống 2 trước khi vào thiết bị phản ứng đầu tiên. Hỗn hợp ban đầu sẽ được
gia nhiệt lên 180
0
C.
Ta có:
Q
1
: nhiệt lượng của hỗn hợp nguyên liệu ban đầu, kJ/h;
Q
2
: nhiệt lượng của hỗn hợp sau khi gia nhiệt, kJ/h;
Q
3
: nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm trước trao đổi nhiệt, kJ/h;
Q
4
: nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm sau trao đổi nhiệt, kJ/h;
Q
5
: nhiệt lượng mất mát, kJ/h.
Vậy:

Q
1
+ Q
3
= Q
2
+ Q
4
+Q
5
1.1. Nhiệt lượng nguyên liệu ban đầu Q
1
Hỗn hợp nguyên liệu ban đầu có nhiệt độ 25
0
C vào thiết bị trao đổi nhiệt
gồm: benzen, hydro, metan, etan, propan, butan và pentan.
Nhiệt lượng của các chất được tính theo công thức:
q
i
= G
i
×C
i
×t
i
, kJ/h.
Trong đó:
G
i
: khối lượng của chất i, kg/h;

C
i
: nhiệt dung riêng của chất i, kJ/h;
t
i
: nhiệt độ của chất i,
0
C.
Thành phần của nguyên liệu ban đầu bao gồm:
Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C
p
(kJ/kg.
0
C) q
i
(kJ/h)
C
6
H
6
947,95 44,09 1,53 36218,73
H
2
328,08 15,26 14,22 116593,02
CH
4
114,69 5,33 2,46 7059,01
C
2
H

6
271,55 12,63 2,63 17868,91
C
3
H
8
240,59 11,19 2,79 16756,25
C
4
H
10
109,35 5,09 2,40 6566,61
C
5
H
12
135,74 6,31 2,27 7698,13
Thiophe
n
2,05 0,10 1,29 65,90
Tổng 2000,00 100,00 2,088.10
5
1.2. Nhiệt lượng của hỗn hợp nguyên liệu sau khi được gia nhiệt Q
2
Hỗn hợp sau gia nhiệt lên nhiệt độ 180
0
C sau đo được đưa vào thiết bị
phản ứng.
Thành phần của hỗn hợp bao gồm:
1.3. Nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm trước khi trao đổi nhiệt Q

3
Hỗn hợp phản ứng đi từ tháp phản ứng 3 có nhiệt độ 327,5
0
C được trao
đổi nhiệt với dòng nguyên liệu ban đầu có nhiệt độ 25
0
C.
Thành phần của hỗn hợp này bao gồm:
1.4. Nhiệt lượng mất mát Q
5
Ta xét lượng nhiệt mất mát trong quá trình trao đổi nhiệt bằng 2% lượng
nhiệt đầu vào của thiết bị:
Lưu lượng (kg/h) % khối lượng C
p
(kJ/kg.
0
C) q
i
(kJ/h)
C
6
H
6
947,95 44,09 2,28 389136,49
H
2
328,08 15,26 14,33 846476,09
CH
4
114,69 5,33 2,79 57609,79

C
2
H
6
271,55 12,63 2,53 123453,88
C
3
H
8
240,59 11,19 2,57 111309,37
C
4
H
10
109,35 5,09 2,86 56262,82
C
5
H
12
135,74 6,31 4,36 106424,45
Thiophen 2,05 0,10 1,84 677,38
Tổng 2000,00 100,00 1,69.10
6
Lưu lượng (kg/h) % khối lượng
C
p
(kJ/kg.
0
C)
q

i
(kJ/h)
C
6
H
6
56,68 1,57 2,23 41373,93
H
2
146,55 4,07 14,52 696754,22
CH
4
114,69 3,19 3,30 124013,62
C
2
H
6
271,55 7,54 3,04 270776,59
C
3
H
8
240,59 6,68 2,98 235103,26
C
4
H
10
112,84 3,13 3,02 111442,34
C
5

H
12
135,74 3,77 3,05 135446,15
C
6
H
12
2519,20 69,98 2,93 2414259,71
Thiophen 0,12 0,00 1,71 67,34
H
2
S 2,04 0,06 1,20 799,22
Tổng 3600,00 100,00 4,03.10
6
1.5. Nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm sau khi đã trao đổi nhiệt Q
4
Vậy cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị trao đổi nhiệt:
Dòng vào Dòng ra
Nhiệt lượng nguyên liệu
ban đầu (kJ/h)
2,088.10
5
Nhiệt lượng của hỗn
hợp nguyên liệu sau khi
được gia nhiệt (kJ/h)
1,69.10
6
Nhiệt lượng của hỗn
hợp sản phẩm trước khi
trao đổi nhiệt (kJ/h)

4,03.10
6
Nhiệt lượng của hỗn
hợp sản phẩm sau khi
đã trao đổi nhiệt (kJ/h)
2,464.10
6
Nhiệt lượng mất mát
(kJ/h)
8,478.10
4
Tổng 4,239.10
6
Tổng 4,239.10
6
2. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ nhất
2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp nguyên liệu mang vào Q
1,1
Q
1,1
= Q
2
= 1,69.10
6
kJ/h
2.2. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra Q
1,2
Nhiệt lượng này do 2 phản ứng hydro hóa benzen và thiophen tỏa ra. Ta có
phản ứng:
Nhiệt lượng do cả 2 phản ứng tỏa ra:

2.3. Nhiệt lượng của hỗn hợp sau phản ứng Q
1,3
Sau phản ứng hỗn hợp sản phẩm có nhiệt độ 430
0
C với thành phần
như sau:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối lượng
C
p
(kJ/kg.
0
C)
q
i
(kJ/h)
ΔH
pư
(benzene) = -208 kJ/mol
3H
2
C
6
H
6
142,19 6,61 2,35 143420,62
H
2
265,52 12,35 14,66

1674169,8
5
CH
4
114,69 5,33 3,66 180657,75
C
2
H
6
271,55 12,63 3,39 395263,04
C
3
H
8
240,59 11,19 3,29 340520,51
C
4
H
10
110,55 5,14 3,28 156100,66
C
5
H
12
135,74 6,31 3,28 191420,11
C
6
H
12
868,15 40,38 3,15

1174998,0
4
Thiophen 0,31 0,01 1,77 235,69
H
2
S 0,70 0,03 1,24 371,92
Tổng 2150,00 100,00 4,26.10
6
2.4. Nhiệt lượng mất mát trong tháp Q
1,m
Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ nhất:
Dòng vào Dòng ra
Nhiệt lượng nguyên liệu
ban đầu (kJ/h)
1,69.10
6
Nhiệt lượng của hỗn
hợp sản phẩm ra khỏi
thiết bị phản ứng (kJ/h)
4,26.10
6
Nhiệt lượng do phản
ứng tỏa ra
2,534.10
6
Nhiệt lượng mất mát
(kJ/h)
8,45.10
4
Tổng 4,25.10

6
Tổng 4,34.10
6
Sai số
3. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ 2
3.1. Nhiệt lượng của hỗn hợp nguyên liệu đầu vào Q
2,1
Sản phẩm từ thiết bị phản ứng thứ nhất được đưa qua thiết bị tạo hơi sau
đó được trộn với dòng benzen ban đầu có lưu lượng G
2
= 950 kg/h để đưa về
nhiệt độ 180
0
C. Sau đó dòng này được đưa vào thiết bị phản ứng 2
Hỗn hợp nguyên liệu sau khi trộn với dòng benzen G
2
có nhiệt độ 180
0
C
và thành phần:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối
lượng
C
p
(kJ/kg.
0
C)
q

i
(kJ/h)
C
6
H
6
1090,15 35,17 2,28 447397,56
H
2
265,52 8,57 14,33 684882,29
CH
4
114,69 3,70 2,79 57597,32
C
2
H
6
271,55 8,76 2,53 123663,87
C
3
H
8
240,59 7,76 2,57 111296,93
C
4
H
10
110,55 3,57 2,86 56911,14
C
5

H
12
135,74 4,38 4,36 106528,75
C
6
H
12
868,15 28,00 2,67 417232,89
Thiophen 2,35 0,08 1,84 778,32
H
2
S 0,70 0,02 1,78 224,28
Tổng 3100,00 100,00 2,01.10
6
3.2. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra Q
2,2
Trong tháp phản ứng cũng xảy ra 2 phản ứng hydro hóa benzen và
thiophene tương tự như ở thiết bị thứ nhất.
Ta có nhiệt lượng do phản ứng tỏa rả sẽ là
3.3. Nhiệt lượng của hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng Q
2,3
Sau phản ứng, hỗn hợp sản phẩm có nhiệt độ 430
0
C với thành phần bao
gồm:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối
lượng
C

p
(kJ/kg.
0
C)
q
i
(kJ/h)
C
6
H
6
130,82 4,22 2,35 132193,61
H
2
191,04 6,16 14,66 1204277,95
CH
4
114,69 3,70 3,66 180499,12
C
2
H
6
271,55 8,76 3,39 395838,44
C
3
H
8
240,59 7,76 3,29 340362,67
C
4

H
10
111,98 3,61 3,28 157936,59
C
5
H
12
135,74 4,38 3,28 191447,70
C
6
H
12
1901,76 61,35 3,15 2575933,92
Thiophe
n
0,28 0,01 1,77 213,11
H
2
S 1,54 0,05 1,24 821,13
Tổng 3100,00 100,00 5,18.10
6
3.4. Nhiệt lượng mất mát Q
2,m
Lượng nhiệt mất mát có giá trị 2% so với lượng nhiệt vào thiết bị
Có cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị này là như sau:
Dòng vào Dòng ra
Nhiệt lượng nguyên
liệu ban đầu (kJ/h)
2,01.10
6

Nhiệt lượng của hỗn
hợp sản phẩm ra khỏi
thiết bị phản ứng (kJ/h)
5,18.10
6
Nhiệt lượng do phản
ứng tỏa ra
2,91.10
6
Nhiệt lượng mất mát
(kJ/h)
98400
Tổng 4,92.10
6
Tổng 5,28.10
6
Sai số
4. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ 3
4.1. Nhiệt lượng của nguyên liệu Q
3,1
Tương tự ở tháp phản ứng thứ 2, sản phẩm sau khi qua thiết bị tạo hơi
nước được trộn với dòng benzen G
3
= 500 kg/h để đưa về nhiệt độ 180
0
C.
Thành phần của dòng nguyên liệu bao gồm:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối

lượng
C
p
(kJ/kg.
0
C)
q
i
(kJ/h)
C
6
H
6
629,74 17,49 2,28 258445,30
H
2
191,04 5,31 14,33 492768,58
CH
4
114,69 3,19 2,79 57597,32
C
2
H
6
271,55 7,54 2,53 123663,87
C
3
H
8
240,59 6,68 2,57 111296,93

C
4
H
10
111,98 3,11 2,86 57647,30
C
5
H
12
135,74 3,77 4,36 106528,75
C
6
H
12
1901,76 52,83 2,67 913985,86
Thiophe
n
1,36 0,04 1,84 450,43
H
2
S 1,54 0,04 1,78 493,42
Tổng 3600,00 100,00 2,12.10
6
4.2. Nhiệt lượng do phản ứng tỏa ra Q
3,2
Tương tự như ở 2 thiết bị phản ứng trên, trong thiết bị 3 xảy ra 2 phản
ứng hydro. Nhiệt lượng do 2 phản ứng sẽ là:
4.3. Nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm Q
3,3
Hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng có nhiệt độ 327,5

0
C có thành
phần và nhiệt lượng đã tính ở thiết bị trao đổi nhiệt
4.4. Nhiệt lượng mất mát Q
3,m
Lượng nhiệt mất mát tính bằng 2% lượng nhiệt đầu vào thiết bị
Vậy cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị phản ứng thứ 3:
Dòng vào Dòng ra
Nhiệt lượng nguyên
liệu ban đầu (kJ/h)
2,12.10
6
Nhiệt lượng của hỗn
hợp sản phẩm ra khỏi
thiết bị phản ứng (kJ/h)
4,03.10
6
Nhiệt lượng do phản
ứng tỏa ra
1,69.10
6
Nhiệt lượng mất mát
(kJ/h)
76200
Tổng 3,81.10
6
Tổng 4,106.10
6
Sai số
5. Tính toán cho thiết bị tạo hơi

5.1. Thiết bị tạo hơi với dòng sản phẩm từ thiết bị phản ứng 1
Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị thứ nhất có nhiệt độ 430
0
C được đưa vào
thiết bị tạo hơi trao đổi nhiệt với dòng nước được bơm từ bể 11 lên. Nước nhận
nhiệt tạo thành hơi đốt đem sử dụng ở các quá trình khác.
Nhiệt lượng của sản phẩm từ tháp thứ nhất: Q
vào
= 4,26.10
6
kJ/h
Hỗn hợp sau khi trao đổi nhiệt cần hạ xuống nhiệt độ 249
0
C để có thể
trộn với dòng benzen G
2
thu được hỗn hợp có nhiệt độ 180
0
C. Thành phần hỗn
hợp bao gồm:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối
lượng
C
p
(kJ/kg.
0
C)
q

i
(kJ/h)
C
6
H
6
142,19 6,61 2,35 115166,86
H
2
265,52 12,35 14,66 953014,94
CH
4
114,69 5,33 3,66 86301,16
C
2
H
6
271,55 12,63 3,39 186964,55
C
3
H
8
240,59 11,19 3,29 164487,16
C
4
H
10
110,55 5,14 3,28 77954,85
C
5

H
12
135,74 6,31 3,28 101114,23
C
6
H
12
868,15 40,38 3,15 816508,99
Thiophen 0,31 0,01 1,77 186,52
H
2
S 0,70 0,03 1,24 205,06
Tổng 2150,00 100,00 2,50.10
6
Nhiệt lượng do nước mang vào: lượng nước làm mát G
nc
có nhiệt độ 25
0
C
được bơm dưới áp suất 3 at, C
p
= 4,313 kJ/kg.
0
C.
Nước sau khi trao đổi nhiệt có hóa hơi tại 3 at, nên có nhiệt độ của hơi là
134
0
C, C
p
= 1,947 kJ/kg.

0
C.
Ngoài ra để hóa hơi nước, cần tính đến ẩn nhiệt hóa hơi của nước r =
2164 kJ/kg (Sổ tay QTTB)
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị:
5.2. Thiết bị tạo hơi với dòng sản phẩm từ thiết bị phản ứng 1
Dòng sản phẩm ra khỏi thiết bị thứ hai có nhiệt độ 430
0
C được đưa vào
thiết bị tạo hơi trao đổi nhiệt với dòng nước được bơm từ bể 11 lên. Nước nhận
nhiệt tạo thành hơi đốt đem sử dụng ở các quá trình khác.
Nhiệt lượng của sản phẩm từ tháp thứ hai: Q
vào
= 5,18.10
6
kJ/h
Hỗn hợp sau khi trao đổi nhiệt cần hạ xuống nhiệt độ 212
0
C để có thể
trộn với dòng benzen G
2
thu được hỗn hợp có nhiệt độ 180
0
C. Thành phần hỗn
hợp bao gồm:
Lưu lượng
(kg/h)
% khối
lượng
C

p
(kJ/kg.
0
C)
q
i
(kJ/h)
C
6
H
6
130,82 4,22 2,54 70399,57
H
2
191,04 6,16 14,37 581972,79
CH
4
114,69 3,70 2,89 70358,54
C
2
H
6
271,55 8,76 2,63 151564,84
C
3
H
8
240,59 7,76 2,64 134759,43
C
4

H
10
111,98 3,61 2,79 66233,16
C
5
H
12
135,74 4,38 3,41 98175,32
C
6
H
12
1901,76 61,35 2,98 1200763,20
Thiophe
n
0,28 0,01 2,01 119,58
H
2
S 1,54 0,05 1,17 383,14
Tổng 3100,00 100,00 2,37.10
6
Nhiệt lượng do nước mang vào: lượng nước làm mát G
nc,1
có nhiệt độ
25
0
C được bơm dưới áp suất 3 at, C
p
= 4,313 kJ/kg.
0

C.
Nước sau khi trao đổi nhiệt có hóa hơi tại 3 at, nên có nhiệt độ của hơi là
134
0
C, C
p
= 1,947 kJ/kg.
0
C.
Ngoài ra để hóa hơi nước, cần tính đến ẩn nhiệt hóa hơi của nước r =
2164 kJ/kg (Sổ tay QTTB)
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị: