thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl có phòng đốt ngoài

Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
MỤC LỤC
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 3
PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 6
PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7
I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7
II. Lượng hơi thứ mỗi nồi 7
III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi 8
IV. Chênh lệch áp suất chung 8
V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8
VI. Nhiệt độ t’i (oC), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi 9
VII. Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 11
1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao ∆i” : 11
2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆i’ 13
3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống 14
VIII. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 15
1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 15
2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống 15
3. Bảng tổng hợp số liệu 2 15
IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ Wi [kg/h] 16
1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 16
2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng 16
3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi 18
4. Bảng tổng hợp số liệu 3: 18
X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 19
1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi 19
2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt 21
3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 22
4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2 24

5) Bảng tổng hợp số liệu 6 25
XI. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi 26
1. Hệ số truyền nhiệt Ki 26
2. Lượng nhiệt tiêu tốn 26
XII. Nhiệt độ hữu ích từng nồi 26
1. Lập tỉ số: Li = 27
2. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 27
XIII. So sánh ∆Ti* và ∆Ti 27
1. Nồi 1 27
2. Nồi 2 27
3. Bảng số liệu 7 27
XIV. Tính bề mặt truyền nhiệt F 28
PHẦN 4. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 29
I.Hệ thống thiết bị 29
II. Tính toán 29
1. Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 30

1
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
2. Đường kính trong của thiết bị 30
3. Kích thước tấm ngăn 31
4. Chiều cao thiết bị ngưng tụ 32
5. Kích thước ống Baromet 33
6. Lượng hơi và khí không ngưng 35
7. Tính toán bơm chân không 36
PHẦN 5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 38
A.Buồng đốt 38
I. Xác định số ống trong buồng đốt 38

II. Xác định đường kính trong buồng đốt 38
III. Chiều dày phòng đốt 39
1. Kiểu buồng đốt 39
2. Tính chất cơ học của vật liệu 39
3. Các số liệu 40
4. Chiều dày phòng đốt 41
5. Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử 41
IV. Tính chiều dày lưới đỡ ống 41
1. Để đáp ứng yêu cầu 1 42
2.Để đáp ứng yêu cầu 4 42
3. Để đáp ứng yêu cầu 2 42
4. Để đáp ứng yêu cầu 3 42
V. Chiều dày đáy lồi phòng đốt 43
VI.Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy 45
B. Buồng bốc hơi 45
I.Thể tích buồng bốc hơi 45
II.Tính chiều cao phòng bay hơi 46
III.Chiều dày phòng bốc 46
IV. Chiều dày nắp buồng bốc 47
IV.Tra bích để lắp đáy, nắp và thân buồng bốc 49
C. Một số chi tiết khác 49
I. Đường kính các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị 49
1. Ống d ẫn hơi đốt vào 49
2. Đối với ống dẫn dung dịch vào : 50
3. Đối với ống dẫn hơi thứ ra 51
4. Đối với ống dẫn dung dịch ra 52
5. Đối với ống tháo nước ngưng 52
II. Tính và chọn tai treo 53
1 Tính Gnk 53
2. Tính Gnd 56

3. Khối lượng nồi khi thử thuỷ lực 57
4. Chọn tai treo 57
III. Chọn kính quan sát 58
IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 58
PHẦN 6. KẾT LUẬN 59
PHẦN PHỤ LỤC 62

2
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
PHẦN 1. MỞ ĐẦU
*
* *
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là
thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ
trong sản xuất, sinh viên khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học
Bách Khoa Hà nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị
Công nghệ Hoá học”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi
sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn
thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết
bị Công nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức
của một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết
kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có
giới hạn trong các quá trình công nghệ. Qua việc làm đồ án môn học
này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu,
vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết kế,
tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học và
nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết

kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài làm việc liên
tục với dung dịch NaCl, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban
đầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%.
Quá trình cô đặc
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan
(không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá

3
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
trình cô đặ là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn
chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung
chất sẽ tăng dần lên. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô
đặc gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng
một thiết bị khác. Nếu hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khác
ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ.
Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do
đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều
nồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở
nồi nay được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ
hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba, hơi thứ ở nồi cuối
trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần
lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng
dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều nồi
được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật
của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ
chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của
nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọ

nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống
giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
Dung dịch NaCl
NaCl (Natri clorua) là muối của axit HCl (axit clohidric) và bazơ
NaOH (Natri hidroxit) còn có tên gọi quen thuộc khác là muối ăn.
NaCl là muối kết tinh rắn, không màu, dễ tan trong nước, nóng chảy ở

4
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
800
o
C. Dung dịch NaCl có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng
của nước. NaCl là chất rất cần thiết cho cuộc sống của người và động
vật. Là nguyên liệu để điều chế ra NaOH, Cl
2,
axit HCl và nước
Javen, , được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp lạnh.

5
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
*
* *
• Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục.
Dung dịch đầu (NaCl10%) được bơm (4) đưa vào thùng cao vị (5)
từ thùng chứa (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (6) vào thiết bị trao

đổi nhiệt (7). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ
đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (1). Ở nồi (1), dung dịch tiếp tục được
đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong
các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng
dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí
không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo
nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi
là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách
bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn
bọt.
Dung dịch từ nồi (1) tự di chuyển sang nồi thứ hai do đó sự chênh
lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi
trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau, do đó dung dịch di
vào nồi (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi ; kết quả là dung dịch sẽ
được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng
nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Dung dịch sản phẩm ở nồi (2) được đưa vào thùng chứa sản phẩm
(11). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (2) được đưa vào thiết bị ngưng tụ
Baromet (thiết bị ngung tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao).

6
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ
được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài còn
khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân
không (12)
*Chú thích:
1, 2 : nồi cô đặc

3 : thùng chứa dung dịch
đầu
4, 10 : bơm
5 : thùng cao vị
6 : lưu lượng kế
7 : thiết bị trao đổi nhiệt
8 : thiết bị ngưng tụ
baromet
9 : bộ phận thu hồi bọt
11 : ống baromet
12 : bơm chân không
PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
*
* *
Các số liệu ban đầu:
Năng suất tính theo dung dịch đầu G
đ
= 8700kg/h
Nồng độ đầu : 10% khối lượng.
Nồng độ cuối 28 % khối lượng.
Áp suất của hơi đốt P
1
= 6 at.
Áp suất của hơi ngưng tụ P
ng
= 0,19 at.
I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống.
W=G(1-x
đ
/x

c
)=8700[1-0.1/0.28]=5592.86[kg/h]
II. Lượng hơi thứ mỗi nồi.

7
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là như
nhau.
Vậy W
1
= W
2
= W/2 = 5592.86/2 = 4800 (kg/h).
III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi.
Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 là x
c1
.
Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 là x
c2
.
Từ (1) ta có x
c1
= G
đ
.
1
W−
d

d
G
x
VI2[2-57]
Thay số ta có x
c1
= 14,74%
Tương tự x
c2
= G
đ
.
21
WW −−
d
d
G
x

Thay số ta có x
c2
= 28 %.
IV. Chênh lệch áp suất chung
Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆p là hiệu số giữa áp suất
hơi đốt sơ cấp p
1
ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng
tụ p
ng

∆p = p
1
– p
ng
, at
thay số ta có : ∆p = 4 – 0.19 = 3.81at
V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi
a)Áp suất
Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi:
∆p
1
: ∆p
2
= a
1
:a
2
= 2,6:1.
∆p
i
=
∑
=
−
∆
2
1
1
.
j

j
i
a
ap
,[at]4[5-9]
(2)

8
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Thay số vào (2) ta có:
∆p
1
= ∆p. a
1
/(a
1
+a
2
) = 3,81. 2,6 /(2,6+1) = 2,752 at
∆p
2
= ∆p. a
2
/(a
1
+a
2
) = 3,8.1 /(2,6+1) = 1,058 at

Áp suất hơi đốt từng nồi được tính:
P
i
= p
i-1
- ∆p
i-1
at 4[5-9] (3)
Thay số vào (3) ta có p
2
= p
1
- ∆p
1
= 4 – 2,752 = 1,248 at
p
1
= 4 at
b) Nhiệt độ hơi đốt T (
0
C), nhiệt lượng riêng i (J/kg), nhiệt hoá
hơi r(J/kg) :
Tra bảng (I-251) trong [1 - 314] theo áp suất, ta có
tại p
1
= 4 at ta có:
T
1
= 142,9
0

C.
i
1
= 2744.10
3
J/kg
r
1
= 2141.10
3
J/kg
tại p
2
= 1,248 at ta có
T
2
= 105,28
0
C
i
2
= 2687,68.10
3
J/kg
r
2
= 2246,12.10
3
J/kg
tại p

ng
= 0,19 at ta có
T
ng
= 58,48
0
C
VI. Nhiệt độ t
’

i

(
o
C), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi.
a) Nhiệt độ
Theo công thức: t
i
’
= T
i+1
+ ∆
i
”’
,
0
C
(4)
∆
i

”’
: Là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống.

9
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Thường chọn ∆
i
”’
= 1
0
C
Thay số vào công thức (4) ta có t
1
’
= T
2
+ 1,4 = 105,28 + 1 =
106,28
o
C
t
2
’
= T
ng
+ 1,4 = 58,48 + 1 =
59,48
o

C
Áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ trong mỗi nồi
Tra bảng (I-250) trong [1 –312] theo nhiệt độ
Tại t
1
’
= 106,28
0
C Ta có
p
1
’
= 1,29 at
i
1
’
= 2689,3.10
3
J/kg
r
1
’
= 2244,42.10
3
J/kg.
Tại t
2
’
= 59,48
0

C Ta có
p
2
’
= 0,1987 at
i
2
’
= 2607,3.10
3
J/kg
r
2
’
= 2358,075.10
3
J/kg
c) Ta có bảng tổng hợp số liệu 1:
Nồi
Hơi đốt Hơi thứ x
%
P
At
T
o
C
i.10
-3
J/kg
r.10

-3
J/kg
P
’
at
t
’
o
C
i
’
.10
-3
J/kg
r
’
.10
-3
J/kg
x
1 4 142,9 2744 2141 1,29
106,2
8
2689,
3
2244,4
2
14,74
2
1,24

8
105,2
8
2687,6
8
2246,1
2
0,198
7
59,48
2607,
3
2358,0
75
28

10
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
VII. Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi
1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao
∆

i
”
:
Tôn thât nhiêt đô do nhiêt đô sôi dung dich lơn hơn nhiêt đô sôi
dung môi
a)Áp suất trung bình ở giữa ống truyền nhiệt được xác định theo

công thức [3-283]
p
tb
= p
0
+ 0,5. (h
1
+H/2) ρ
dd
.g , N/m
2
(5)
p
0
: Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch , N/m
2
*) Nồi 1
p
01
= p
’
1
= 1,29at = 194238 N/m
2

*) Nồi 2
p
02
= p
’

2
= 0.1987 at = 20797 N/m
2

h
1
:Chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến
mặt thoáng dung dịch và thường chọn h
1
=
0,5 m
H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 m
g : gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s
2
ρ
dd
: khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ sôi. Lấy
gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 25
o
C
Tra bảng (I-64) trong [1- 48] ta có :
ρ
dd1
(25
o
C) = 1,1356.10
3
kg/m
3
ρ

dd2
(25
o
C)

= 1,26675.10
3
kg/m
3
Vậy : ρ
dd1
= 1,1356.10
3
/ 2 = 567,8 kg/m
3
ρ
dd2
= 1,26675.10
3
/ 2 = 633,375 kg/m
3

11
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Thay số vào công thức (5) ta có :
*) Nồi 1
p
tb1

= p
01
+ 0,5. (h
1
+H/2) ρ
dd1
.g , N/m
2

P
tb1
= 1,29 + 0,5. (0,5 + 2/2).
98100.2
81.9.8,567
= 1,3326 at
*) Nồi 2
p
tb2
= p
02
+ 0,5. (h
1
+H/2) ρ
dd2
.g , N/m
2

p
tb2
= 0,1987 + 0,5. (0,5+2/2).

98100.2
81,9.375,633

= 0,246 at
b) Nhiệt độ trunh bình ứng với p
tb

Tra bảng (I-251) trong [1- 314] theo áp suất và nồng độ ở
trên ta có :
*) Nồi 1
t
tb1
= 107,184
0
C
*) Nồi 2
t
tb2
= 63,84
0
C
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao được xác định
theo công thức :
[2-60] , ∆
i
”
= t
tbi
– t
0i

= t
tbi
– t
’
i
,
0
C
(6)
Thay số vào công thứ (6) ta có :
*) Nồi 1
∆
1
”
= 107,184-106,28= 0,904
0
C
*) Nồi 2
∆
2
”
= 1063,84-59,48 = 4,36
0
C

12
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
*) Cho cả hệ thống

∑
∆
2
1
"
i
= ∆
1
”
+ ∆
2
”
= 4.36 + 0,904 = 5,264
0
C
2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
∆
i’.
Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi nguyên chất
[2- 59] ∆
’
i
=16,2
'
2
0
'
.

i
i
i
r
T
∆
0
C [VI.10](2-59)
(7)
a) Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất khí quyển
Tra bảng (VI- 2) , [2-66] ta có :
Với dung dịch NaCl thì
*) Nồi 1
x
1
= 14,29% thì ∆
01
’
= 1,294C
*) Nồi 2
x
2
= 28 % thì ∆
02
’
= 2,66
o
C
T

'
i
:nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho
T
'
1
=106,28+273=379,28
0
K
T
'
2
= 59,48+273
0
K
r
'
1
=2244,42.10
3
.(J/kg)
r
'
2
=2358,075.10
3
(J/kg)
∆
'
1

=16,2
3
2
10.42,2244
28,379.294,1
=1,3436
o
C
∆
'
2
=16,2.2,66.
3
2
10.075,2358
48,332
=2,02
0
C
∑
∆
=
'
1
∆
+
'
2
∆
=1,3436+2,02=3,3636

0
C

13
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
b) Hệ số hiệu chỉnh f
f là hệ số hiệu chỉnh tra bảng (VI –1) trong [2- 59]
theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất
Theo bảng (I-197) trong [1- 272] thì :
Tại p
1
’
= 1,98 at thì t
s1
= 142,9
0
C
Tại p
2
’
= 0,212 at thì t
s2
= 99,2
0
C
Vậy ta có :
*) Nồi 1
f

1
= 1,3
*) Nồi 2
f
2
= 1
c) Tổn thất nhiệt độ ∆
’
trong mỗi nồi
Thay số vào công thức (7) ta có :
*) Nồi 1
∆
1
’
= 1,3. 3 = 3,9
0
C
*) Nồi 2
∆
2
’
= 1. 7 = 7
0
C
*) Cho cả hệ thống

∑
∆
2
1

'
i
=∆
1
’
+ ∆
2
’
= 3,9 + 7 = 10,9
0
C
3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống
Ở trên ta đã giả thiết ∆
”’
trong mỗi nồi bằng nhau và bằng 1 do
đó cả hệ thống thì :

∑
∆
’’’
= 1 + 1 = 2
o
C
4. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là

14
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-

∑
∆
=
∑
∆
'
+
∑
∆
"
+
∑
∆
’’’
= 10,9 + 12 + 2,4 = 25,3
o
C
VIII. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống
1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi
a)Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi
[3-283] t
si
= t
’
i
+ ∆
i
’
+ ∆
i

”
,
o
C [3-283]
(8)
Thay số vào (8) ta có :
*) Nồi 1
t
s1
= 106,28+1,3436+0,904 = 108,5276
o
C
*) Nồi 2
t
s2
= 59,48 + 2,02 + 4,36 = 65,86
o
C
b)Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi
[5-103] ∆ T
i
= T
i
– t
si
,
0
C (9)
Thay số vào (9) ta có :
*) Nồi 1

∆ T
1
= 142,9 – 108,5276 = 34,37
o
C
*) Nồi 2
∆ T
2
= 105,28– 65,86 = 39,42
o
C
2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống
∆t
ht
= 34,37 + 39,42 = 73,79
o
C
3. Bảng tổng hợp số liệu 2
Nồ
i
∆
’
0
C
∆
”
0
C
∆
”’

0
C
∆T
0
C
t
s
0
C

15
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
1
1,34
4
0,90
4
1
34,3
7
108,5276
2 2,02 4,36 1
39,4
2
65,86
IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W
i
[kg/h]

1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng
2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nồi 1: Di
1
+G
đ
C
0
t
so
= W
1
i
1
’
+ (G
đ
–W
1
) C
1
t
s1
+DC
nc
θ
1
+Q
m1
(*) Nồi 2: W

1
i
2
+(G
đ
–W
1
) C
1
t
s1
= W
2
i
2
’

+(G
đ
–W
1
-W
2
)
C
2
t
s2
+W
1

C
nc
θ
2
+Q
m2

W
1
+ W
2
= W

16
G
đ
C
0
t
s0
1 2
Di
1
Q
m1
Q
m2
DC
ncθ1
W

1
C
ncθ2
(G
đ
–W
1
) C
1
t
s1
W
1
i
1
’
W
1
t
1
i
2

W
2
i
2
’
(G
đ

–W
1
-W
2
) C
2
t
s2
Hình 3.1 :Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống.
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Trong đó:
*) Chọn : Q
m1
=0,05W
1
(i
1
-C
1nc
.
θ
)
Q
m2
=0,05W
1
(i
2

-C
2nc
.
θ
)
*) D:Lượng hơi đốt ở nồi 1, kg/h
*) G
đ
: Lượng dung dịch đầu bằng 16000 kg/h
*) C
0
,C
1
,C
2
: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1 nồi 2
và ra khỏi nồi 2
Tra bảng (I-163) , [1-207] ta có :
Với x = 10% và t = 158,1
o
C thì C
0
= 3986 J/kg.độ
Với x = 14,74% và t = 124,3
o
C thì C
1
= 3852,3 J/kg.độ
Với x = 25% và t = 78,7
o

C thì C
2
= 3567 J/kg.độ
*) i
1,
i
2
: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2 , J/kg
Theo bảng số liệu 1 thì :
i
1
= 2744.10
3
J/kg
i
2
= 2687,68.10
3
J/kg
*) i
1
’,
i
2
’
: Nhiệt dung riêng của hơi thứ nồi 1 và nồi 2 , J/kg
Theo bảng số liệu 1 thì
i
’
1

= 2689,3.10
3
J/kg
i
’
2
= 2607,3.10
3
J/kg
*) θ
1,
θ
2
: Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt
độ hơi đốt
θ
1
= 142,9
o
C
θ
2
= 105,28
o
C
*) C
nc1,
C
nc2
: Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1 và nồi 2 ,

J/kg.độ
Tra bảng (I-148) , [1-195] ta có :

17
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
θ
1
= 142,9
o
C thì C
nc1
= 4294,25 J/kg.độ
θ
2
= 105,28
o
C thì C
nc2
= 4226,864 J/kg.độ
*) t
s0,
t
s1,
t
s2
: Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, ra nồi 1 và ra nồi
2
t

s0
tra bảng (I-249) trong [1- 311] ta có
t
s0
= 108,5276
0
C
Thay số liệu vào hệ phương trình (*), giải ra ta được :
W
1
= 2731,95 kg/h
W
2
= 2860,91 kg/h
D = 2901,509 kg/h
3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi
a) Sai số so với giả thiết ban đầu
ε
1=
43,2796
95,273143,2796 −
.100% = 2,3%
ε
2
=
43,2796
43,27962860 −
.100% = 2,3%
Vì sai số nhỏ hơn 5% nên giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi
ban đầu là có thể chấp nhận được

b) Tỉ lệ phân phối hơi thứ trong các nồi :
W
1
/W
2
= 2731,95/2860,91 = 1/1,047
4. Bảng tổng hợp số liệu 3:
Nồ
i
C C
nc
θ W, kg/h
Giả
thiết
Tính
1 3570, 4294,25 142, 2796,4 2731,9 2,3

18
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
66 9 3 5
2
3293,
53
4226,86
4
105,
28
2796,4

3
2786,9
1
2,3
X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi
1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi.
[3-324] ψ =
565.0








nc
dd
λ
λ
435.0
dd
nc
nc
dd
2
nc
dd
C
C

















µ
µ

















ρ
ρ
(10)
Tra bảng (I – 64), [1-48] ta có :
ρ
dd
1
= 1086,4.10
3
kg/m
3
ρ
dd
2
= 1145,45.10
3
kg/m
3
Tra bảng (I .249) [1-310], Khối lượng riêng và thể tích riêng
của nước ta có:
t
s1
= 108,5276 —> ρ
nc1
= 952,089

kg/m
3
t
s2
= 65,85 —> ρ
nc2
= 980,03

kg/m
3
Tra bảng (I – 148) , [1-49] ta có:
C
nc1
= 4231,86 J/kg độ
C
nc2
= 4183,68 J/kg độ
Theo bảng kết quả 3:
C
dd1
= 3570,66 J/kg độ
C
dd2
= 3293,53 J/kg độ
Tra bảng hệ số dẫn nhiệt của nước và hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ
và áp suất
[ I.129] [1-133] λ
nc1
= 58,87.10
-2

W/m độ
λ
nc2
= 57,1095.10
-2
W/m độ

19
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức(I32) [1-
123]
λ = A.C
dd
.
ρ
3
M
ρ
W/m độ (11)
C
p
: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng
C
p1
= 3852,3 J/kg độ
C
p2
= 3567 J/kg độ

ρ: Khối lượng riêng chất lỏng (dung dịch NaCl từng nồi)
ρ
dd
1
= 1.0475.10
3
kg/m
3
ρ
dd
2
= 1.1573.10
3
kg/m
3
A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng A = 3,58.10
-8
M: Khối lượng mol từng nồi.
*) Nồi 1

42
SONa
N
=
18/3,85142/74,14
142/74,14
+
= 0,0214

1

M
=
42
SONa
N
.
2
4
NaSO
M
+
OHOH
MN
22
.
.
= 0.0214 + 0,9786.18 = 20,65
*) Nồi 2

42
SONa
N
=
18/72141/28
142/28
+
= 0,04698
M
2
= .

42
SONa
N
.
2
4
NaSO
M
+
OHOH
MN
22
.
.
= 0,06498.142+0.95302.18=23.83
Thay vào công thức (11)
λ
1dd
= 3,58.10
-8
. 3570,66.1086,4.10
3
.
3
65,20/4,1086
= 0,5204 W/m
độ

20
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
λ
2dd
= 3,58.10
-8
.3293,53.1145,45.10
3
.
83,23/45,1145
= 0,4911 W/m
độ
Tra bảng (I-104), [1-106] Độ nhớt của nước cao hơn 100
o
C.
µ
nc1
= 0,2604

Cp
µ
nc2
= 0,43023

Cp
Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi :
µ
dd1
= 0,455. Cp
µ

dd2
= 0,83 Cp
Bảng tổng hợp số liệu 4
Nồi
ρ
dd
.10
-
3
Kg/m
3
ρ
nc
.10
-
3
Kg/m
3
M
λ
dd
W/mđ
ộ
λ
nc
W/mđ
ộ
µ
dd
.10

3
N.s/m
2
µ
nc
10
3
N.s/m
2
1
1,086
4
0,952
089
20,65
0,520
4
0,588
7
0,455
0,260
4
2
1145,
4
0,980
036
23,83
0,491
1

0,571
095
0,83
0,430
23

Thay vào công thức (10)
ψ
1
=
565.0
5887,0
5204,0






435.0
2
455,0
2604,0
86,4231
66,3570
089,952
4,1086



























ψ
1
= 0,762
ψ
2
=
565.0

571095,0
4911,0






435.0
2
83,0
43023,0
68,4183
53,3293
036,980
45,1145



























ψ
2
= 0,751
2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

21
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
[2-3] ∑ r = r
1
+ r
2
+
λ
δ

(12)

r
1,
r
2
: Nhiệt trở cặn bẩn 2 bên thành ống
Tra bảng (V-1), [2-4]
r
1
= 0,232.10
-3
m
2
độ/W (cặn Na
2
SO
4
)
r
2
= 0,387.10
-3
m
2
.độ/W
Ống dẫn nhiệt làm bằng làm bằng thép CT3 có chiều dày 2 mm
nên
λ = 46,5 (W/m độ)
Vậy ∑ r = (0,232 + 0,348 +
46
2

10
-3)
= 0,6621.10
-3
(m
2
độ/ W)
3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1
Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống
truyền nhiệt ở nồi1là
∆t
11
= 3,8
o
C và ∆t
12
= 4,5
o
C
a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi được tính theo công thức :
[2-28] α
1i
= 2,04. A
i
.
25,0
1
.









∆ Ht
r
i
i
W/m
2
độ
(13)

22
T
2
∆T
2
∆T
1
T
1
t
T1
∆t
0
t
T2

Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
*) H là chiều cao ống truyền nhiệt, H = 2 m
*) r là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt
r
1
= 2141.10
3
J/kg
r
2
= 2246,12.10
3
J/kg
*) Nhiệt độ màng nước ngưng
[2- 29] t
mi
= T
i
=
2
1i
t∆
,
o
C (13)
do đó:
t
m1

= 158,1 -
2
8,3
155
o
C
t
m2
= 118 -
2
5,4
= 114,4
o
C
*) Hệ số A tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Tra bảng [2-28] —> A
1
=194,15
A
2
=180,36
*) Nồi 1:
α
11
= 2,04. 194,15.
25,0
8,3.2
2141000







= 9124,69 W/ m
2
. độ
b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ.
[3-234] q
1i
= α
1i
.∆t
1i ,
W/m
2

(14)
thay số :
q
11
= α
11
.∆t
11
= 9124,69.3,8 = 34673,822 W/m
2
c) Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

[3-234] α
2i
= 45,3.
,
i
p
.∆t
2i
2,33
.Ψ
i ,
W/m
2
.độ
(15)

23
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
*) Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch
[3-210] ∆t
2i
= ∆T
i
- ∆t
1i
- ∆t
Ti
= ∆T

i
- ∆t
1i
- q
1i
. ∑r ,
o
C
(16)
Thay số vào (16) ta có:
∆t
21
= 34,37 – 3,8 – 34673,822.0,6621.10
-3

= 7,6
o
C
*) p
,
i
: áp suất làm việc bằng áp suất hơi thứ.
*) Thay số vào công thức (15) ta có:
α
21
= 45,3
29,1
7,6
33,2
. 0,762= 4422,254 W/m

2
. độ
d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
q
21
=α
21
.∆t
21 ,
W/m
2
Thay số:
q
21
= 5257,3. 7,55 = 39692 W/m
2
e) So sánh q
11
và q
21
ta thấy :

1
q∂
=
2)q (q
| q - q |
1121
1121
+

.100% = 1,46% < 5% nên chấp nhận
được
4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2
a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Theo công thức (13) ta có:
α
12
= 2,04. 185,2.
25,0
3
5.15,7
2212,5.10








= 5959 W/ m
2
. độ
b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
Theo công thức (14) ta có :
q
12
= α
12
.∆t

12
= 5959.7,15 = 42607 W/m
2

24
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang

-
c) Hệ số cấp nhiệt α
22
từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi.
Theo công thức (16) ta có:
∆t
22
= 39,3 – 7,15 – 42607.0,5033.10
-3

= 10,95
o
C
Theo công thức (15) ta có:
α
22
= 45,3.
202,0
. 10,95
2,33
. 0,741 = 3990,7 W/m
2
.

độ
d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch
Theo công thức (14)
q
22
= 3990,7.10,95 = 43698 W/m
2
e) So sánh q
12
và q
22


1
q∂
=
2)q (q
| q -q |
2212
2212
+
.100% = 2,5% < 5% nên chấp nhận
được
4) Bảng tổng hợp số liệu 5
Nồ
i
∆t
1i
o
C

t
m
o
C
A
α
1
W/m
2
độ
q
1
W/m
2
1 6,25 155 196,
3
6444 4027
5
2 7,15 114,
4
185,
2
5959 4260
7
5) Bảng tổng hợp số liệu 6
Nồi
∆t
2
o
C

Ψ
α
2
W/m
2
đ
ộ
q
2
W/m
2

25