CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG
I. Dữ kiện ban đầu:
Dung dòch đường mía
Nồng độ đầu x
đ
= 20 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là t
đ
= 30
o
C.
Nồng độ cuối x
c
= 50%.
Năng suất V
đ
=1,6m
3
/h.
p suất ở thiết bò ngưng tụ: P = 0,4 at.
II. Cân bằng vật chất:
1. Suất lượng nhập liệu (G
đ
):
Khối lượng riêng của dung dòch nhập liệu : ρ = 1082,87 (kg/m
3
) (Bảng I.86 – trang 58 –
Sổ tay QT& TB CN Hóa chất – Tập 1).
Suất lượng dung dòch ban đầu:
G
đ
=1,6 . 1082,87 = 1732,592 (kg/h)

Theo công thức 5.16, QT và TBTN T5, tr184:
G
đ
*x
đ
= G
c
*x
c

G
c
= G
đ
*
xd
xc
 
 ÷
 
= 1732,592*
20
50
 
 ÷
 
= 693,037 kg/h
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):
Theo công thức 5.17, QT và TBTN T5, tr184:
W = G

đ
– G
c
= 1732,592 – 693,037 = 1039,555 kg/h.
Trong đó: G
c
– suất lượng tháo liệu (năng suất), kg /mẻ.
III. Cân bằng năng lượng:
1. Cân bằng nhiệt lượng:
Nhiệt vào:
- Do dung dòch đầu: G
đ
c
đ
t
’
1
- Do hơi đốt: Di
’’
D
Nhiệt ra:
- Hơi thứ mang ra: Wi
’’
W
- Nước ngưng tụ: Dcθ
- Sản phẩm mang ra: G
c
c
c
t

’’
1
- Nhiệt cô đặc: Q
cđ
- Nhiệt tổn thất: Q
tt
Thành lập phương trình cân bằng nhiệt: (theo công thức 5.19, QT và TBTN T5, tr
294)
G
đ
c
đ
t
’
1
+ Di
’’
D
= Wi
’’
W
+ Dcθ + G
c
c
c
t
’’
1
± Q
cđ

+ Q
tt
Trang 1
Từ phương trình ta rút ra: theo công thức 5.20, QT và TBTN T5, tr 294
θ−
+
θ−
±−
+
θ−
−
=
ci
Q
ci
QttcG
ci
tciW
D
D
tt
D
cđđđ
D
c
w
''''
'''
''
''''

)()(
111
i
’
W
– c
c
t
’
1
=2317,4 KJ/Kg là ẩn nhiệt hoá hơi của hơi thứ với áp suất 0,42at.
Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443.
I
’’
D
− θ c =2171KJ/Kg là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at.
Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443
Quá trình cô đặc mía đường có Q
cđ
=0. Đây là quá trình cô đặc liên tục nên
t
’
1
=t
’’
1
. Chọn tổn thất nhiệt là 5% ta tính được lượng hơi đốt là:
1039,55*2317,4 0,05
2171
D

D
+
=
hay D=1135,5 Kg/h
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
Theo công thức 4.5a, VD và BT T10, trang 182:
1135,5
1,092
1039,55
D
m
W
= = =
( kg hơi đốt / kg hơi thứ ).
Trong đó:
D - lượng hơi đốt dùng cô đặc, D = 1135,5 kg/h.
- lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc, W = 1039,55 kg/h.
2. Chế độ nhiệt độ:
p suất buồng đốt là áp suất hơi bão hoà 3 at.Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443:
nhiệt độ hơi đốt là 132,9
o
C.
Gọi ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến TBNT, theo
QT và TBTN T5, tr184, chọn ∆’’’ = 1
o
C
Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc t
sdm
(P
o

):
T
sdm
(P
o
) - T
c
=∆ ’’’ = 1K ⇒ T
sdm
(P
o
) = T
c
+1 = 75,4 +1 = 76,4
o
C
p suất hơi thứ trong buồng bốc: Tra bảng 57, VD và BT T10, trang 443: ở nhiệt độ
hơi thứ là 77,5
o
C là 0, 42 at.
3. Xác đònh nhiệt độ tổn thất :
a. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆’):
Theo công thức 5.3, QT và TBTN T5, tr174:
∆’ = ∆’
o
. f
Ở đây :
∆
o
’ - tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. Tra từ đồ thò.(Hình VI.2, Sổ tay tập

2, tr 60), ∆
o
’=2
f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
Trang 2
f
2
(273 ' )
16.14
i
i
t
r
+
=
=
3
2
(273 76,4)
16,14 0,85
2317,4.10
+
=
t’
i
: nhiệt độ hơi thứ của nồi
r
i
: ẩn nhiệt hoá hơi của hơi ở nhiệt độ t’
i

. Tra bảng I.251, Sổ tay tập 1,tr.314
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tónh (∆’’ ):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dòch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:
∆P =
2
1
ρ
S
.g.H
op
=
4
1
(0,5.1178,53)10 .9,8.0,688 0,199
2
=
N/m
2
Trong đó:
ρ
s
: khối lượng riêng của dung dòch khi sôi , kg/m
3
ρ
s
=0.5 ρ
dd
ρ

dd
: Khối lượng riêng của dung dòch ,kg/m
3
H
op
: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o
Tra sổ tay ta có được bảng sau:
Coi ρ
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến
độ sâu trung bình của chất lỏng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H
o
= 1,5 m.
H
op
= [0,26+0,0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o

=[0,26+0,0014(1231,74-974,89)]*1,5=0,929 ,m
Áp suất trung bình:
P
tb
= P’+∆P=0,4+0,5.0,5.1231,74.10
-4
.0.929=0.428 at
Tra sổ tay tại P
tb
=0.428 (at) ta có

t”
1
=76,94
0
C.
Suy ra : ∆”=76,94– 75,4 = 1,54
0
C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích
∆t
i1
=T
D
– (T
c
+Σ∆) =132,9 – (75,4+1,7+1,54+1)=53,26
0
C
Trang 3

x
C
(%k.l)
∆’
o

(
0
C )
t’
(
0
C )
r.10
-3

(j/kg )
∆’
(
0
C )
50 2 76,4 2320 1,7
TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
I. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bò cô đặc:
1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q
1
):
Theo công thức (V.101), sổ tay tập 2, trang 28:
0,25
0,25

3
1
1
1 1 1
2171.10
2,04* * 2,04.191. 8635
* 1,5.5,62
* 8777,52.5,62 49329,64 (1)
r
A
H t
q t
α
α
 
 
= = =
 ÷
 ÷
∆
 
 
⇒ = ∆ = =

Trong đó:
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at.
Tra bảng 57, VD và BT tập 10, trang 447: r = 2171.10
3
J/kg
H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1.5 m.

A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng t
m
= (t
D
+ tv
1
)/2
A tra ở sổ tay tập 2, trang 28.
với t
D
, tv
1
: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng.
α
1
- hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m
2
K.
2. Nhiệt tải riêng phía dung dòch (q
2
):
Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:
0,435
2
0,565
2
* * * *
dd
dd dd n
n

n
n n dd
C
C
ρ µ
λ
α α
λ ρ µ
 
     
 
 
=
 ÷  ÷  ÷
 ÷
 
 
     
 
0,435
0,565 2
0,254 1231,74 3224,4 0,375
14145,06 3955,17
0,664 974,89 4190 1,462
 
     
 
= =
 
 ÷

 ÷  ÷  ÷
 
     
 
 
2
/ (2)W m K
Trong đó:
α
n
-hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dòch
α
n
= 0.145. p
0,5
. ∆t
2,33
( )
( )
0,5
2,33
4
0,145 0,428.9,81.10 112,78 14145,06= =
trang
26 STT2
C
dd
- nhiệt dung riêng của dung dòch
C
n

- nhiệt dung riêng của nước
µ
dd
- độ nhớt dung dòch
Trang 4
µ
n
- độ nhớt nước
ρ
dd
- khối lượng riêng dung dòch
ρ
n
- khối lượng riêng nước
λ
dd
- độ dẫn điện dung dòch
λ
n
- độ dẫn điện nước
Nồng độ ρ
n
ρ
dd
µ
dd
µ
n
C
dd

C
n
λ
dd
λ
n
15% 974,89 1231,74 1,462.10
3
0.375.10
3
3224,4 4190 0.269 0.664
Ghi chú:
Các thông số của dung dòch:
C
dd
= 4190 – ( 2514 –7,52*t )*x=4190- (2514-7,52.76,4)0,5 = 3224,4 J/kg.K
µ
dd
: Tra bảng 1.112 trang 114 sổ tay tập 2.
ρ
dd
: tra bảng I.86 sổ tay tập 1 trang 58
λ
dd
: theo công thức ( I.32 ) sổ tay tập 1 trang 123:
8
3
8
3
3,58.10 * * *

1231,74
3,58.10 .3224,3.1231,74. 0,269 /
0,5.342 0,5.18
dd
dd dd dd
dd
C
M
W mK
ρ
λ ρ
−
−
=
= =
+

Các thông số của nước tra bảng 39 trang 427 và bảng 57 trang 447 sổ tay tập 2.
3. Nhiệt tải riêng phía tường (q
v
):
Theo BT và VD tập 10:
qv =
v
vv
r
tt
∑
−
21

⇒ ∆t
v
= t
v1
-t
v2
= Σr
v
*q
v
= 0,75.10
-3
* q
v
=0,75.10
3
.51810,6=36,99
0
C (3)
Trong đó:
Σr
v
- tổng trở vách.
Σr
v
= r
1
+ δ/λ + r
2

= ( 0,464 + 2/17,5 + 0,172 )*10
-3
= 0,75.10
-3
W/m
2
K
Trong đó:
r
1
- nhiệt trở màng nước, r
1
= 0,464.10
-3
m
2 o
K / W.
r
2
- nhiệt trở lớp cặn, r
2
= 0,172.10
-3
m
2 o
K / W.
Tra ở bảng 31 trang 419 VD&BT T10
δ - bề dày ống, δ = 2 mm
λ - hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 17,5 m
2 o

K / W (với ống là thép không gỉ )
Tra ở bảng 28 Vd&BT T10
∆t
v
: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆t
v
= t
v1
- t
v2,
o
K
Trang 5
4. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng:
Khi quá trình cô đặc diễn ra ổn đònh:
q
1
= q
2
= q
v
(4)
∆t
v1
= t
D
- t
v1
(5)
∆t

v
=t
v1
- t
v2
(6)
∆t
2
= t
v2
- t
soitb
(7)
Dùng phương pháp số ta lần lượt tính theo các bước sau:
Bước 1: Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: t
v1
, tính được ∆t
1
theo (5) với t
D
=
132,9
o
C.
Bước 2: Tính được q
1
theo (1).
Bước 3:Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dòch, ta tìm α
2
theo (2)

Bước 4: Tính ∆t
v
theo (3). Tính được t
v2
= ∆t
v
- t
v1
Bước 5: Tính ∆ t
2
theo (7) với t
soitb
tra ở bảng 2 theo nồng độ.
Bước 6: Tính được q
2
theo công thức: q
2
= α
2
* ∆ t
2

Bước 7: So sánh sai số giữa q
1
và q
2
.
Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t
1
. Quá trình này dừng

lại khi sai số bé hơn 5%.
1)Chọn t
v1
=127,28
o
C ta tính được ∆t
1
=5,62
o
C .
2)Tính được q
1
=49329,64W/m
2
và α
1
=8777,52 W/m
2
.độ
3)Tính được α
2
=3955,17 W/m
2
.độ
4)Tính được ∆t
v
=36,99
o
C
5)Tính được t

v2
=90,28
o
C
6)Tính được ∆ t
2
=12,78
o
C
7)Tính được q
2
=50547,1W/m
2
So sánh q
1
và q
2
ta thấy
2 1
2
50547,1 49329,64
*100% 100% 2,4% 5%
50547,1
q q
q
− −
= = <
Nhiệt tải trung bình là:
q
tb1

=
2
21
qq
+
=
50547,1 49329,64
2
+
=49938,7 W/m
2
.
5. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:
Trong đó giá trò K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
21
11
1
αα
+∑+
=
v
r
K
=895,44 W/m
2
.độ
Σr
v
= 0,75.10
-3

W/m
2 o
K.
α
2
=3955,17 W/m
2
.độ
α
1
=8777,52W/m
2
.độ
K=895,44 W/m
2
.độ
Trang 6
6. Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Q= D.r(θ) =1168,1 . 2171=2,536.10
6
kj/h =704,43 kW
7. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F =
hi
tK
Q
∆
.
=
704,43*1000

14,77
895,44*53,26
=
m
2
Chọn : F = 16 m
2
.(QT và TN tập 5,trang 292)
TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
I. Tính buồng bốc:
1. Đường kính buồng bốc:
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
3
1039,55
1,12 /
0,25702*3600
hoi
h
W
V m s
ρ
= = =
Trong đó:
W– lượng hơi thứ bốc hơi
ρ
h
– khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P = 0,42 at, tra bảng 57, VD và
BT tập 10, trang 443: ρ
ih
=0,25702 kg/m

3
Vận tốc hơi:
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
2 2 2
1,12 1,43
* *
4 4
hoi
hoi
b b b
V
W
D D D
π π
= = =
trong đó:
D
b
– đường kính buồng bốc, m
Vận tốc lắng:
Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bò truyền nhiệt, trang 182:
Trang 7

1,2 0,6
4* *( ' '')* 4*9,81*(927 0,25702)*0,0003 1,533
3* * ''
3*6,02* *0,25702
o
b b
g d

W
D D
ρ ρ
ξ ρ
− −
= = =
Trong đó:
ρ' - khối lượng riêng của giọt lỏng, tra bảng 39, VD và BT tập 10, trang 427:ρ' = 927
kg/m
3
ρ'' - khối lượng riêng của hơi tra bảng 57, Ví dụ và bài tập - tập 10, trang 443: ρ'' =
0,25702 kg/m
3
d - đường kính giọt lỏng, từ diều kiện ta chọn d =0,0003 m.
g = 9,81 m/s
2
.
ξ- hệ số trở lực, tính theo Re:
3 2 2
* * "
1,5*0,0003*0,25702 6,49
Re
0,017 .10 *
hoi
b b
W d
D D
ρ
µ
−

= = =
Với µ - độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,42 at, tra theo Hình I.35 trang 117
sổ tay tập 1: µ = 0,017.10
-3
Nm/s
2
Nếu 0,2 < Re < 500 thì ξ = 18,5 / Re
0,6
⇒ ξ = 6,02*D
b
1,2
Theo QT và TBTN tập 5: w
hoi
< 70% - 80% w
o
.
Chọn:
W
hoi
< 70% W
o
⇒
2 0,6
1,43 1,533
0,7*
b b
D D
<
D
b

> 1,26 m.
Chọn D
b
= 1,4 m theo QTTN, trang293
Kiểm tra lại Re:
2
16,87
Re 16,87
1
= =
(

thỏa 0,2 < Re < 500 )
Vậy đường kính buồng bốc D
b
= 1200 mm.
Chiều cao buồng bốc:
Theo CT VI.33, sổ tay tập 2, trang 72:
U
tt
= f*U
tt
(1 at

), m
3
/m
3
.h
U

tt
= 1600*1,3 = 2080 m
3
/m
3
.h
Trong đó:
f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển.
Tra sổ tay tập 2,VI.3 trang 72 ta có f = 1,3.
U
tt
(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích ở áp suất khí quyển, at.
Ta chọn cường độ bốc hơi: U
tt
(1 at ) = 1600 m
3
/m
3
.h (theo Ví dụ và bài tập - tập 10 ).
Cường độ bốc hơi riêng ( w
F
):
w
F
= U
tt
*ρ
h
=2080*0,2456 = 510,85 kg/m
3

.h
Trang 8