THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC NĂNG SUẤT 1000 KGH (Autocad + thuyết minh chi tiết)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

KHOA CƠNG NGHỆ
HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
-------------------BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---oOo---

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: Phạm Hồng Huy Phước Lợi

ĐỒ
MƠN
Họ và tên
sinhÁN
viên thực
hiện: HỌC

Q TRÌNH THIẾT BỊ

- 1. Nguyễn Văn Tiến

MSSV: 18128063

- 2. Nguyễn Thị Huyền Trân

MSSV: 18128068

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1. Tên đồ án: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI
LIÊN TỤC NĂNG SUẤT 1000 KG/H

DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN TỤC

2. Nhiệm vụ của đồ án: Tính tốn và thiết kế thiết bị cô đặc dung dịch NaOH một nồi

NĂNG SUẤT 1000 KG/H

liên tục, có ống tuần hồn trung tâm, cô đặc ở áp suất chân không.
3. Các số liệu ban đầu:
-

Năng suất nhập liệu: 1000 kg/h

-

1. Nguyễn Văn Tiến
Nồng độ đầu :SVTH:
32% khối lượng

MSSV:18128063

-

2. Nguyễn Thị Huyền Trân
Nồng độ cuối: 50% khối lượng

MSSV: 18128068

-

GVHD:
TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
Các thông số khác
tự chọn

4. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính tốn:
1) Tổng quan
2) Qui trình cơng nghệ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2021


3) Tính cân bằng vật chất và năng lượng
4) Tính thiết bị chính
5) Tính thiết bị phụ
6) Kết luận
5. Yêu cầu về trình bày bản vẽ:
-

01 bản vẽ quy trình khổ A1 (Bản khổ A4 kẹp trong tập thuyết minh)

-

01 bản vẽ cấu tạo thiết bị cô đặc khổ A1

6. Yêu cầu khác:

-

Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 05/03/2021

-

Ngày hoàn thành đồ án: 16/8/2021
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 08 năm 2021
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVHD: TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
2. Sinh viên: Nguyễn Văn Tiến.............................. 3. MSSV: 18128063
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN

TỤC NĂNG SUẤT 1000 KG/H.


5. Kết quả đánh giá:
STT
1

Nội dung

Thang điểm

Điểm số

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1,0

2

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,5

3

Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế

0 – 0,75

0,5

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,5

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

1,0

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,75

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

0,75

10

9,5

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chín phẩy năm)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
Có tinh thần ham học hỏi, chịu khó, đã hoàn thành tốt đồ án.
7. Kết luận
Được phép bảo vệ : 

Không được phép bảo vệ : 
Ngày 14 tháng 8 năm 2021

Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MƠN HỌC: PWPD322703

1. GVHD: TS. Phạm Hồng Huy Phước Lợi
2. Sinh viên: Nguyễn Thị Huyền Trân................... 3. MSSV: 18128068
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN
TỤC NĂNG SUẤT 1000 KG/H.
5. Kết quả đánh giá:
STT
1

Nội dung
Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

Thang điểm

Điểm số

0 – 1,0

1,0


2

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,5

3

Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế

0 – 0,75

0,25

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,25

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,5

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

1,0

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,75

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

0,75

10

9,5

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chín phẩy năm)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
Có tinh thần ham học hỏi, chịu khó, đã hồn thành tốt đồ án.
7. Kết luận
Được phép bảo vệ : 

Không được phép bảo vệ : 
Ngày 14 tháng 8 năm 2021
Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Văn Tiến.............................. 3. MSSV: 18128063
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN
TỤC NĂNG SUẤT 1000 KG/H.
5. Kết quả đánh giá:
STT

Nội dung

Thang

Điểm
số

1

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

điểm
0 – 2,5

2

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

3

Hồn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

4

Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

0 – 1,0

5

Trả lời được các câu hỏi phản biện

0 – 3,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
Ngày … tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Thị Huyền Trân................... 3. MSSV: 18128068
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH MỘT NỒI LIÊN
TỤC NĂNG SUẤT 1000 KG/H.
5. Kết quả đánh giá:
STT

Nội dung

Thang

Điểm
số

1

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

điểm
0 – 2,5

2

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

3

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

4

Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

0 – 1,0

5

Trả lời được các câu hỏi phản biện

0 – 3,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày … tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên trình độ năm thứ 3, Đồ án quá trình thiết bị
trong cơng nghiệp hóa học và thực phẩm là một cơ hội tốt để sinh viên có thể tiếp cận
với việc tính tốn, thiết kế và chọn lựa các chi tiết của một thiết bị theo các thông số cụ
thể. Qua đó sinh viên có thể tích lũy được những kiến thức cần thiết như: khả năng
đọc, tra cứu tài liệu và kĩ năng tính tốn, trình bày theo phong cách khoa học. Những
kĩ năng này rất có ích cho sinh viên sau này khi ra trường đi làm việc.
Trong đồ án này, nhiệm vụ của nhóm chúng tơi là “Tính tốn, thiết kế hệ thống cơ đặc
một nồi, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 32% lên 50%”. Đồ
án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi –
giảng viên môn Máy và thiết bị trong cơng nghiệp hóa học trường Đại học Bách Khoa
TP.HCM.

Vì đồ án qn trình thiết bị trong cơng nghiệp hóa học và thực phẩm là đề tài lớn dầu
tiên mà sinh viên đảm nhận nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Do đó
nhóm chúng tơi rất mong được sự chỉ dẫn, góp s từ các thầy cơ bộ mơn để có thể hồn
thành tốt đồ án này. Cũng nhưng tăng khả năng ứng dụng vào thực tế.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2021
Nhóm sinh viên thực hiện


Nguyễn Văn Tiến
Nguyễn Thị Huyền Trân

MỤC LỤC


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
NaOH là một hoá chất cơ bản và cũng là hố chất thơng dụng trong nhiều ngành sản
xuất và trong đời sống, nó được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp quan
trọng như: sản xuất hoá chất, sản xuất giấy, thực phẩm, chất tẩy rửa, xử lý nước, chế
biến kim loại, vải, dược phẩm, cao su…
Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp kể trên, và sự mở rộng quy mô,
ngành sản xuất, lượng xút được sử dụng cũng tăng qua hằng năm. Tuỳ vào mục đích
sử dụng mà NaOH sẽ được dùng ở những nồng độ cao thấp khác nhau. Để sản xuất
lượng lớn NaOH ở nồng độ cao phục vụ cho sản xuất, người ta cần một hệ thống cơ
đặc cơng suất lớn.
Đối với những kỹ sư hố tương lai như chúng tôi, đây là một cơ hội để tìm hiểu cách
tính tốn, thiết kế và vận hành hệ thống cơ đặc như thế nào. Vì vậy chúng tôi đã chọn
đề tài Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục để nghiên cứu.
2. Mục đích
Đến với đề tài nghiên cứu này, với những hiểu biết cịn hạn chế, chúng tơi đưa ra hai

mục tiêu chính:
-

Nắm được các thơng số cần thiết để chế tạo thiết bị cô đặc

-

Nghiên cứu để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

3. Đối tượng và phạm vi nghiên thiết kế đồ án
Đối tượng của đồ án này là Thiết bị cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục.
Đồ án này tập trung vào các bước tính tốn để thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều
kiện sản xuất tại các nhà máy ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh.

8


NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về NaOH
Natri hiđroxit hay Hyđroxit natri (cơng thức hóa học NaOH) hay thường được gọi là
xút hoặc xút ăn da. NaOH tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hịa tan trong dung mơi
như nước. Nó được sử dụng nhiều trong các ngành cơng nghiệp như giấy, dệt nhuộm,
xà phòng và chất tẩy rửa. Trên thế giới trung bình mỗi năm sản xuất khoảng 45 - 50
triệu tấn. NaOH cũng được sử dụng chủ yếu trong các phịng thí nghiệm.
NaOH tinh khiết là chất rắn màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt hoặc ở dạng dung
dịch bão hòa 50%. NaOH rất dễ hấp thụ CO2 trong khơng khí vì vậy nó thường được
bảo quản ở trong bình có nắp kín. Nó phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một
lượng nhiệt lớn, hòa tan trong Etanol, Metanol, trong Ether và các dung mơi khơng
phân cực.

Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mịn cao. Vì vậy
ta cần lưu ý đến việc ăn mịn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản
xuất.
1.1.1. Tính chất vật lý
-

NaOH là chất rắn màu trắng, hút ẩm mạnh, tan nhiều trong nước và toả nhiệt.
Dung dịch NaOH có tính nhớt.
Enthalpy (Nhiệt lượng mà hệ trao đổi trong q trình đẳng áp) hịa tan ΔH o

-

-44,5 kJ/mol.
Ở trong dung dịch nó tạo thành mạng Monohydrat ở 12,3 - 61,8 °C với nhiệt độ
nóng chảy 65,1°C và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3.

1.1.2. Tính chất hóa học
NaOH là một base mạnh: làm quỳ tím hoá xanh, Phenolphtalein hoá hồng.

9


-

Phản ứng với các acid tạo thành muối và nước.
NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H2O

-

Phản ứng với Oxit acid

2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 → NaHCO3

-

Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:
RCOOR’ + NaOH → RCOONa + R’OH

-

Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:
2NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓

1.1.3. Phương pháp sản xuất
Toàn bộ dây chuyền sản xuất NaOH là dựa trên phản ứng điện phân nước muối (nước
cái). Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành clo nguyên tố
(trong buồng Anode), dung dịch NaOH, và Hydro nguyên tố (trong buồng Cathode).
Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi là nhà máy xútclo. Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:
2 Na+ + 2 H2O + 2 e- → H2 + NaOH
Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:
2NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

10


Sơ đồ điện phân có màng ngăn
1.1.4. Ứng dụng của NaOH
NaOH ứng dụng trong sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, bột giặt, tơ nhân tạo, sản xuất
giấy, sản xuất nhôm (làm sạch quặng nhôm trước khi sản xuất), trong chế biến dầu mỏ
và nhiều ngành cơng nghiệp hóa chất khác.

Tuy nhiên dung dịch sản phẩm NaOH thu được thường có nồng độ rất lỗng gây khó
khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho việc chuyên chở và sử dụng,
người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ nhất định theo yêu cầu.
1.2. Tổng quan về cô đặc
1.2.1. Định nghĩa cô đặc
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung mơi của dung dịch chứa chất tan không
bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:
-

Làm tăng nồng độ dung dịch.
Tách chất rắn hịa tan ở dạng tinh thể (tinh khiết).
Thu dung mơi ở dạng nguyên chất (cất nước).

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi của dung môi, ở mọi áp suất (áp suất chân không,
áp suất thường, áp suất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi) hay trong hệ thống
nhiều thiết bị cơ đặc. Q trình có thể gián đoạn hay liên tục.

11


1.2.2. Phân loại các phương pháp cơ đặc
Phương pháp nóng (phương pháp nhiệt): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác
dụng lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra
dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ dung dịch. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà
q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.
1.2.3. Bản chất của sự cô đặc
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất

lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngồi. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt
để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong q trình
cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên
bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hồn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và
lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
1.2.4. Ứng dụng của cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây
Trong sản xuất hố chất, ta cần cơ đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl 2, các muối vô
cơ.
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô
đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cơ đặc
chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà
máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là
một tất yếu. Nó địi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất

12


cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và
đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
1.3. Các thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
1.3.1. Phân loại và ứng dụng
1.3.1.1. Theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên). Thiết bị cơ đặc nhóm này có
thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề
mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
-

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hồn trong hoặc ngồi.
Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc).

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức). Thiết bị cơ đặc nhóm
này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt.
Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá
đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
-

Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cơ đặc nhóm này chỉ cho phép
dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh
sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích
hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:
Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó
vỡ.
Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo bọt và
bọt dễ vỡ.

13


1.3.1.2. Theo phương pháp thực hiện q trình
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được
dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng
suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.
Cơ đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung
dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục. Mặt khác, cô đặc

chân không thì nhiệt độ sơi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của quá
trình sản xuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho cô đặc.
Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên q lớn vì nó
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cơ chân khơng, cô áp lực hay phối
hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng
cao hiệu quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động
nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy. Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết
kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có hoặc khơng có ống tuần hồn. Tuỳ theo điều
kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cơ đặc ở áp suất
chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
Trong thực tế người ta thường thiết kế các hệ thống cô đặc nhiều nồi để tăng hiệu quả
sử dụng hơi đốt.
1.3.2. Các thiết bị và chi tiết dùng trong hệ thống cơ đặc
1.3.2.1. Thiết bị chính
-

Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng

1.3.2.2. Thiết bị phụ
-

Bể chứa nguyên liệu, Bể chứa sản phẩm
14


-

Bồn cao vị
Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt, Thiết bị ngưng tụ baromet
Bơm nguyên liệu, Bơm tháo liệu, Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ, Bơm chân

-

không
Các van, Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất….

1.3.2.3. Lựa chọn thiết bị trong cơ đặc NaOH
Q trình cơ đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều
nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Quá trình cơ đặc có thể được thực hiện ở áp suất
khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị
hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cơ đặc chân khơng vì có ưu
điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sơi của
dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng).
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề,
em lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần
hồn trung tâm.
1.4. Quy trình cơng nghệ
1.4.1. Cơ sở lựa chọn quy trình cơng nghệ
Ngun tắc của q trình cơ đặc một nồi có thể tóm tắt như sau: hơi nước bão hịa
được cấp vào thiết bị để làm bay hơi dung môi của dung dịch. Hơi đốt sau cấp nhiệt
ngưng tụ lại được tháo qua cốc tháo nước ngưng. Dung môi bay hơi qua cơ cấu tách
bọt, hơi thứ ra khỏi thiết bị đi vào thiết bị ngưng tụ baromet thành lỏng. Dung dịch sau
cô đặc đạt được nồng độ cần thiết sẽ được tháo qua cửa tháo liệu ra ngoài.
 Ưu,nhược điểm của hệ thống cô đặc một nồi:
Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ vận hành. Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt

độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo
và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị).

15


Nhược điểm: Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sơi của dung dịch, giảm
chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị
(làm hư thiết bị).
1.4.2. Sơ đồ và thuyết minh quy trình cơng nghệ
1.4.2.1. Sơ đồ công nghệ:

16


1.4.2.2. Thuyết minh quy trình
Dung dịch NaOH 32%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau
đó được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu. Tại đây, dung dịch
NaOH đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hịa đi bên ngồi
ống.
Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cơ đặc
tuần hồn ống tâm, ở đây dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn trung tâm và ống
truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hịa sẽ đi bên ngồi ống, tại đây dung dịch được cô
đặc đến nồng độ 50%.
Hơi đốt là hơi bão hịa được đưa vào thiết bị cơ đặc, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền
nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có
cốc tháo nước ngưng để tránh hơi đốt thốt ra bên ngồi, khí khơng ngưng cũng sẽ
được cho thốt ra bên ngồi qua ống xả.
Hơi thứ của thiết bị cơ đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để
ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ

phần hơi cịn lại, phần khí sẽ được hút ra ngồi bằng bơm chân khơng.

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ
2.1. Cân bằng vật chất
2.1.1. Dữ kiện ban đầu
Nồng độ đầu: xđ = 32 %
Nồng độ cuối: xc = 50 %
Năng suất nhập liệu: 1000 kg/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30oC
Áp suất ngưng tụ:
17


pck = 0,7 at
pc = pa – pck = 1 – 0,7 = 0,3 at (pa = 1 là áp suất khí quyển)
2.1.2. Cân bằng vật chất
 Xác định lượng hơi thứ bốc lên
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 32% ở 30oC, tra Bảng I.23, trang 35, [1]:
ρđ = 1342,6 kg/m3
Năng suất thiết bị (tính theo kg/h) : Gđ = 1000 kg/h
Suất lượng tháo liệu tính theo cơng thức (III-25) trang 117, [3]:
Có Gđ .xđ = Gc.xc => (kg/h)
Tổng lượng hơi thứ bốc lên tính theo cơng thức (III-25) trang 117, [3]:
Gđ = Gc + W => W = Gđ – Gc = 1000 - 640 = 360 (kg/h)
2.1.2. Tổn thất nhiệt độ
 Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ.
Chọn Δ’’’ = 1 oC.
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c = 0,3 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng
tụ, tra Bảng I.251, trang 314, [1]: tn = 68,7 oC
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsdm(po) – tn = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tn + Δ’’’ = 68,7 + 1 = 69,7 oC
Áp suất buồng bốc: tra bảng I.250 trang 312, [1] ở nhiệt độ 69,7 oC: po = 0,314 at
 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô VI.10, trang 59, [2]:

Δ’ = Δ’o . f, oC

Trong đó:
18


• Δ’o: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất khí quyển.
Dung dịch được cơ đặc có tuần hoàn nên a = xc = 50%. Tra bảng VI.2, trang 67, [2]:
Δ’o = 29,4 oC
• f : hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo cơng thức VI.11
trang 59, [2]:

Với:
• t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 69,7 oC)
• r: ẩn nhiệt hố hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc.
Tra bảng I.25, trang 314, [1]:

r = 2333,76 kJ/kg

⇒ Δ’ = 29,4.0,815 = 23,96 oC
⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 69,7 + 23,96 = 93,66 oC
 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)
Ta có: (N/m2)
Trong đó:

• : khối lượng riêng trung bình của chất lỏng khi sơi bọt (kg/m3),
• : khối lượng riêng của dung dịch đặc khơng có bọt hơi (kg/m3)
Chọn tsdd = (po+ = 94

C% = 50%, Tra bảng I.23, trang 35, [1]
(kg/m3)

= 736,55 (kg/m3)

• H0p (m): chiều cao thích hợp của dung dịch sơi tính theo bình quan sát mực chất
lỏng:

H0p = [0,26 + 0,0014 (

19


• h0 – chiều cao ống truyền nhiệt (m). Tra bảng VI.6, trang 80, [2] Chọn h 0 = 1,5
m
• ρdm – khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sơi của dung dịch 94oC
Ta có ρdm = 962,5 kg/m3 tra bảng I.249 trang 311, [1]
H0p = [0,26 + 0,0014 ( = 1,33 m
(at)
ptb = po + = 0,314 + 0,049 = 0,363 (at)
Tra bảng I.25, trang 314, [1], Ptb = 0,363 at => tsdm(Ptb) = 72,92 oC
Ta có: Δ’’ = tsdm(Ptb) – tsdm(Po) = 72,92 – 69,7 = 3,22 oC
⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 93,66 + 3,22 = 96,88 oC
 Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 23,96 + 3,22 + 1 = 28,18 oC
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 4 at

Tra bảng I.251 trang 315, [1]:

tĐ = 142,9 oC

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, cơng thức VI.17, trang 67, [2]:
Δthi = tĐ – (tc + ΣΔ) = 142,9 – (69,7 + 28,18) = 45,02 oC
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu
Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ
Enthalpy
Ẩn nhiệt hoá hơi
Áp suất
Nhiệt độ

Ký hiệu
xđ
xc
Gđ
Gc
HƠI THỨ
W
po
tsdm(po)
iW
rW

HƠI ĐỐT
pD
tD

Đơn vị
%wt
%wt
kg/h
kg/h

Giá trị
32
50
1000
640

kg/h
at
o
C
kJ/kg
kJ/kg

360
0,314
69,7
2621,68
2333,76

at

C

4
142,9

o

20


Ẩn nhiệt ngưng tụ

rD
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po
tsdd(po)
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Δ’
Áp suất trung bình
ptb
Nhiệt độ sơi của dung mơi ở ptb
tsdm(ptb)
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh
Δ’’
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb
tsdd(ptb)
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Δ’’’
Tổng tổn thất nhiệt độ
ΣΔ

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích
Δthi

kJ/kg

2141

o

C
C
at
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C

93,66
23,96
0,363
72,92
3,22

96,88
1
28,18
45,02

o

2.2. Cân bằng năng lượng
2.2.1. Cân bằng nhiệt lượng
 Dòng nhiệt vào (W):
-

Do dung dịch đầu
Do hơi đốt
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

Gđcđtđ
D.iD
φD.c.tD

 Dòng nhiệt ra (W):
-

Do sản phẩm mang ra
Do hơi thứ mang ra
Do nước ngưng
Nhiệt cô đặc
Nhiệt tổn thất

Gccctc

W.iw
D.c.θ
Qcđ
Qtt

 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 32 % trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:
tvào = 30oC

tra = tsdd(po) = 93,66oC

Nhiệt độ của dung dịch NaOH 32 % đi vào thiết bị cô đặc là: tđ = 93,66 oC
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 50 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 93,66 + 2.3,22 = 100,1oC
 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo cơng
thức (I.43) và (I.44) trang 152, [1]:
21


a = 32 % (a > 0,2):

cđ = cht.a + 4186.(1 - a)

Với cht là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo cơng thức (I.41) và bảng
I.41, trang 152, [1].

cht = = = 1310,75 J/(kg.K)
cđ = 1310,75.0,32 + 4186.(1 – 0,32) = 3265,92
a = 50 % (a > 0,2):

J/(kg.K)

cc = 1310,75.0,5 + 4186.(1 – 0,5) = 2748,375 J/(kg.K)

Với cht là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng
I.141 trang 152, [1].
2.2.2. Phương trình cân bằng nhiệt
Gđcđtđ + D.iD + φD.c.tD = Gccctc + W.iw + D.c.θ ± Qcđ + Qtt (*)
(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)
Có thể bỏ qua:
- Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt
vào buồng đốt: φD.c.tD = 0
- Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0
Trong hơi nước bão hồ, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo
khoảng
φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (khơng có q lạnh sau
khi ngưng) thì:
 Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt:
( iD - cθ) = rD = 2141 kJ/kg
(*) ⇒ D(1 - φ).(iD - c.θ) + Gđ.Cđ.tđ = Gc.cc.tc + W.iw + Qtt

(**)

22


Thay Qtt = ε.QD = 0,05.QD
(**) ⇒ QD = D.(1 – ε).(1 – φ).(iD – cθ) = Gđ(cc.tc – Cđ.tđ) + W(iw - cc.tc)
 Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến:

0,117 kg/s
 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D.(1 – ε).(1 – φ).rD = 0,117.(1 – 0,05).(1 – 0,05).2141000 = 226108,51 (W)
 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
(kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Nhiệt độ vào buồng bốc

tđ

o

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

tc

o

Nhiệt dung riêng dung dịch 32%

C

Giá trị
93,66

C

100,1

cđ

J/(kg.K)

3265,92

Nhiệt dung riêng dung dịch 50%

cc

J/(kg.K)

2748,375

Nhiệt tổn thất

Qtt

W

11305,43

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD

W

226108,51

Lượng hơi đốt biểu kiến

D

kg/s

0,117

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

d

kg/kg

1,17

23


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
3.1. Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
3.1.1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng
cách chia làm nhiều miệng vào. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước ngưng
chảy màng (do ống truyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hoà tinh khiết trên

bề mặt đứng. Công thức (V.101), trang 28, [2] được áp dụng:
α1 = 2,04.A.
Trong đó:
• α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K)
• r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hồ ở áp suất 4 at (2141 kJ/kg).
• H: chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5 m).
• A: hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm.
• = : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mắt
tường tiếp xúc với hơi ngưng, oC
tm =
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là = 139,8 0C
tm = = 141,35 0C.
Tra A ở trang 28, [2]:

tm (oC)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

A

104

120

139

155

169

179

188

194

197

199

⇒ A = 194,2025
24

= 142,9 – 139,8 =3,1 0C.
⇒ α1 = 2,04.194,2025. = 10319,91 W/(m2.K)
 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q1 = α1.= 10319,91.3,1 = 31991,72 W/m2.
3.1.2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi
Áp dụng cơng thức (VI.27), trang 71, [2]:
α2= αn. .

; W/(m2.K)

Trong đó: αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước
sôi sủi bọt nên αn được tính theo cơng thức (V.91), trang 26, [2]:

αn

=

0,145.p0,5.Δt2,33
với p = po = 0,314 at = 30792,88 N/m2
Ta chọn, tv2 = 107,856 oC
⇒ Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 107,856 – 96,88 = 10,976 oC.
⇒ αn = 0,145.30792,880,5.10,9762,33 = 6758,15 W/(m2.K)
Ta có:
•
•
•
•
•

•
•
•

cdd = 3007,1475 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb).
cdm = 4189,336 J/(kg.K): nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)
dd = 0,003 (Pa.s): độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb)
dm = 0,0003867 (Pa.s): độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)
ρdd = 1386,584 (kg/m3 ): khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)
ρdm =976,048 (kg/m3): khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)
λdd = 0,57 W/(m.K): hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb)
λdm = 0,67 W/(m.K): hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)

Ghi chú:

cdm, dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1]
dd

: tra bảng I.101, trang 91, [1]

ρdd : tra bảng I.23, trang 35, [1]
λdd được tính theo cơng thức (I.32), trang 123, [1]:

25