(TIỂU LUẬN) đồ án học PHẦN đề tài TÍNH TOÁN và THIẾT kế THIẾT bị cô đặc một nồi DUNG DỊCH cacl2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
BỘ MƠN MÁY VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

Đề Tài
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH
CaCl2

Giảng viên hướng dẫn: Ths. Nguyễn Minh Tiến
Sinh viên thực hiện: Hồ Dương Phụng
MSSV: 18029701
Lớp: DHVC14
Khóa : 2018-2022

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021
1

Tieu luan


BỘ CƠNG THƯƠNG

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐHCN TP. HỒ CHÍ MINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
_______________

TÍNH TỐN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

KHOA: CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
BỘ MƠN: MÁY & THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN: HỒ DƯƠNG PHỤNG

MSSV: 18029701

LỚP HP: ……

1. Tên nhiệm vụ:
Tính tốn hệ thống và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi liên tục dùng để cô đặc dung dịch CaCl 2
với năng suất theo nhập liệu 2400 kg/h.
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
a. Số liệu ban đầu:
- Nồng độ 17% khối lượng.
- Nồng độ cuối 38% khối lượng.
- Các thống số khác tự chọn.
b. Yêu cầu:
- Tổng quan và quy trình cơng nghệ PFD.
- Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống cơng nghệ PFD
- Tính tốn chi tiết cho thiết bị chính trong quy trình cơng nghệ PFD.
c. Bản vẽ:
- Bản vẽ qui trình cơng nghệ PFD (1 bản A1).
- Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (1 bản A1).
3. Ngày giao nhiệm vụ bài tập lớn:
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
5. Họ và tên người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Minh Tiến
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2021.
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Minh Tiến

2

Tieu luan


LỜI CẢM ƠN
Đối với sinh viên năm thứ tư đại học, mơn học Đồ án Q trình và Thiết bị là cơ hội tốt
cho việc hệ thống kiến thức về các q trình và thiết bị của cơng nghệ hóa học. Bên cạnh
đó, cịn giúp sinh viên tiếp cận thực tế thơng qua tính tốn, thiết kế và lựa chọn các chi
tiết của một số thiết bị với các số liệu cụ thể và thông dụng.
Cô đặc một nồi dung dịch CaCl2 là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình
của Th.S Nguyễn Minh Tiến, bộ mơn Q trình và thiết bị - Khoa cơng nghệ hóa học,
trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh. Tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp
đỡ tận tình và chu đáo của thầy Nguyễn Minh Tiến cũng như các thầy của bộ mơn Q
Trình va Thiết Bị và những người bạn đã giúp đỡ tôi thực hiện xong đồ án này.
Vì đồ án này là một đề tài lớn đầu tiên của tơi, điều thiếu xót và hạn chế là
khơng thể tránh khỏi. Mong được sự đóng góp ý kiến, chỉ dẫn từ các thầy và bạn bè
để củng cố thêm kiến thức chuyên môn.
Tôi xin chân thành cảm ơn mọi người.

3

Tieu luan


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...........................................................................................

Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện:.............................................................................................................
Nội dung thực hiện:.........................................................................................................
Hình thức trình bày:.........................................................................................................
Tổng hợp kết quả:............................................................................................................
Điểm bằng số: ............................................................Điểm bằng chữ:...........................
Tp HCM, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

năm

Giáo viên hướng dẫn

1

Tieu luan


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...........................................................................................

Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện:.............................................................................................................
Nội dung thực hiện:.........................................................................................................
Hình thức trình bày:.........................................................................................................
Tổng hợp kết quả:............................................................................................................
Điểm bằng số: ………………………………Điểm bằng chữ.........................................
Tp HCM, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

năm

Giáo viên phản biện

2

Tieu luan


MỤC LỤC
Chương 1

Tổng quan...................................................................................................................1

1.1

Giới thiệu chung về nguyên liệu CaCl2.........................................................................................1

1.2

Định nghĩa cô đặc........................................................................................................................1

1.3

Các phương pháp cô đặc.............................................................................................................2

1.4

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt..................................................................................................2

1.5

Ứng dụng của sự cô đặc...............................................................................................................2

Chương 2

Sơ đồ PFD...................................................................................................................6

2.1

Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi CaCl2..............................................................................................6

2.2

Thuyết minh quy trình.................................................................................................................6

Chương 3

Cân bằng vật chất và năng lượng..............................................................................9

3.1

Dữ kiện ban đầu..........................................................................................................................9

3.2

Cân bằng vật chất........................................................................................................................9

3.2.1

Suất lượng tháo liệu (Gc).....................................................................................................9

3.2.2

Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)...........................................................................................9

3.3

Tổn thất nhiệt độ.........................................................................................................................9

3.3.1

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)..............................................................................10

3.3.2

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’).......................................................................10

3.3.3

Tổng tổn thất nhiệt độ:......................................................................................................11

3.3.4

Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2:...............................................................................12

3.4

Cân bằng năng lượng.................................................................................................................14

3.4.1

Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101...............................................................14

3.4.2

Cân bằng năng lượng ở thiết bị cô đặc..............................................................................15

3.4.3

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102..............................................................16

3.4.4

Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103.............................................17

Chương 4

Thiết kế thiết bị chính..............................................................................................19

Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cơ đặc.....................................................................................19
4.1

Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt:......................................................................................................19

4.2

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:..................................................................................................19

4.2.1

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(Ptb):.......................................................................20

4.2.2

Hệ số cấp nhiệt của dung dịch:..........................................................................................20

4.2.3

Nhiệt tải riêng phía dung dịch:...........................................................................................21

4.2.4

Nhiệt tải riêng trung bình:..................................................................................................22

4.3

Tổng trở vách:............................................................................................................................22

3

Tieu luan


4.4

Hệ số truyền nhiệt tổng qt cho q trình cơ đặc:..................................................................22

4.5

Diện tích bề mặt truyền nhiệt:...................................................................................................22

Chương 5
5.1

Tính kích thước thiết bị cơ đặc................................................................................23

Tính kích thước buồng bốc........................................................................................................23

5.1.1

Đường kính buồng bốc......................................................................................................23

5.1.2

Chiều cao buồng bốc (Hb)..................................................................................................25

5.2

Tính kích thước buồng đốt........................................................................................................25

5.2.1

Chọn kích thước ống truyền nhiệt:....................................................................................25

5.2.2

Số ống truyền nhiệt:..........................................................................................................26

5.2.3

Đường kính ống tuần hồn trung tâm:..............................................................................26

5.2.4

Chiều cao buồng đốt..........................................................................................................27

5.2.5

Đường kính buồng đốt:......................................................................................................27

5.3

Tính kích thước các ống dẫn......................................................................................................28

5.3.1

Ống nhập liệu.....................................................................................................................28

5.3.2

Ống tháo liệu.....................................................................................................................29

5.3.3

Ống dẫn hơi đốt.................................................................................................................29

5.3.4

Ống dẫn nước ngưng.........................................................................................................29

5.3.5

Ống dẫn hơi thứ.................................................................................................................30

5.3.6

Ống dẫn khí khơng ngưng:.................................................................................................30

Chương 6
6.1

Tính tốn tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bị của cơ đặc.................................32

Tính cho thiết bị buồng đốt.......................................................................................................32

6.1.1

Sơ lược về cấu tạo:............................................................................................................32

6.1.2

Tính tốn............................................................................................................................32

6.2

Tính cho buồng bốc...................................................................................................................35

6.2.1

Sơ lược về cấu tạo.............................................................................................................35

6.2.2

Tính tốn............................................................................................................................35

6.3

Tính cho đáy thiết bị..................................................................................................................39

6.3.1

Sơ lược về cấu tạo.............................................................................................................39

6.3.2

Tính tốn............................................................................................................................39

6.4

Tính tốn cho nắp thiết bị..........................................................................................................45

6.4.1

Sơ lược về cấu tạo.............................................................................................................45

6.4.2

Tính tốn............................................................................................................................46

6.5

Tính mặt bích.............................................................................................................................48

6.5.1

Sơ lược về cấu tạo.............................................................................................................48

6.5.2

Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt...............................................................................48

4

Tieu luan


6.5.3

Mặt bích nối buồng đốt và đáy:.........................................................................................49

6.5.4

Mặt bích nối nắp và buồng bốc:.........................................................................................49

6.6

Tính vỉ ống.................................................................................................................................50

6.6.1

Sơ lược về cấu tạo:............................................................................................................50

6.6.2

Tính cho vỉ ống ở trên buồng đốt.......................................................................................50

6.6.3

Tính cho vỉ ống ở dưới buồng đốt......................................................................................52

6.7

Khối lượng và tai treo................................................................................................................54

6.7.1

Buồng đốt..........................................................................................................................54

6.7.2

Buồng bốc..........................................................................................................................54

6.7.3

Phần hình nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt..............................................................55

6.7.4

Đáy nón..............................................................................................................................55

6.7.5

Nắp ellipse.........................................................................................................................56

6.7.6

Ống truyền nhiệt và ống tuần hồn trung tâm..................................................................56

6.7.7

Mặt bích.............................................................................................................................56

6.7.8

Bu lơng và ren....................................................................................................................57

6.7.9

Đai ốc.................................................................................................................................58

6.7.10

Vỉ ống.................................................................................................................................59

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................62

5

Tieu luan

Chương 1
1.1

Tổng quan

Giới thiê ̣u chung về nguyên liê ̣u CaCl2

Canxi clorua (CaCl2) là một hợp chất ion canxi gồm các yếu tố (một kim loại kiềm thổ)
và clo. Nó là một, không màu không mùi, nontoxic giải pháp, được sử dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp khác nhau và các ứng dụng trên thế giới.
Canxi clorua (CaCl2), ở dạng lỏng, là một giải pháp hút ẩm cao hòa tan được cũng tỏa
nhiệt. Khả năng của nó để vẽ ở độ ẩm từ mơi trường xung quanh mình, chống lại sự bốc
hơi, và nhiệt phát hành trong một phản ứng hóa học làm cho nó chất hồn hảo cho việc
xây dựng và bảo trì đường bộ, bao gồm cả băng và kiểm soát bụi và ổn định cơ bản.
Ứng dụng của Calcium Chloride:
•Cơ sở ổn định cho xây dựng đường
•Freeze-hiê ̣u đinh cát để áp dụng đường mùa đơng
•Nước thải tinh chế viện trợ, flocculent, bãi bỏ các phốt phát và fluorides
• Bơm vữa đại lý cho các mỏ và giếng dầu
• Mơi trường phụ gia cho xi măng lị nung
• Nitơ ức chế cho các nhà máy phân bón
•Muối thay thế trong thức ăn động vật (như là một bổ sung cho thiếu hụt canxi)
• Phân bón hữu cơ canxi
•Lạnh chất lỏng
•Lỏng kiểm sốt mùi
•Điều chỉnh độ pH đất
•Chất chống đơng cho xe vui chơi giải trí, quăn & rinks trượt băng và nhiều hơn nữa

1.2

Định nghĩa cô đặc

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm
2 hai nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh
1

Tieu luan


lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu
tử dễ bay hơi hơn); đó là các q trình vật lý – hố lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó
bay hơi (hay khơng bay hơi trong q trình đó), ta có thể tách một phần dung mơi (cấu tử
dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết
tinh.

1.3

Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi 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 chất
tan. 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.

1.4

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

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 hoàn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và lắng keo
(protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.

1.5

Ứng dụng của sự 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 cô đặc chỉ là
2

Tieu luan


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 cao.
Phân loại và ứng dụng

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 hoàn 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.
Theo phương thức thực hiện quá trình

3

Tieu luan


- Cô 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.
- Cô đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp ở áp suất chân khơng.Dung
dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.
- 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 không, 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.
- Cơ đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô 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.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc
- 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
- Thiết bị phụ:
 Bể chứa nguyên liệu
 Bể chứa sản phẩm
 Lưu lượng kế
 Thiết bị gia nhiệt
 Thiết bị ngưng tụ baromet
 Bơm tháo liệu
 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
4

Tieu luan

 Bơm chân không
 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

Chương 2
2.1
V-101
Bồn chứa
nguyên liệu

Sơ đồ PFD

Sơ đồ hệ thống cô đặc 1 nồi CaCl2
V-103
Bồn chứa hơi
ngưng tụ

V-102
Bồn chứa
sản phẩm

E-101
Thiết bị gia
nhiệt

E-102
Thiết bị ngưng
tụ baromet

E-103
thiết bị làm
nguội sản phẩm

P-102 A/B
Bơm sản
phẩm vào
thiết bị làm
nguội

P-101 A/B
Bơm nhập liệu
vào thiết bị gia
nhiệt

T-101
Thiết bị cơ đặc

LEGEND/CHÚ THÍCH

P-103
Bơm chân
khơng

E-104
Thiết bị thu
hồi bọt

Evaporato
Thiết bị cô đặc

Áp suất (at)
Nhiệt độ
o
( C)
Lưu lượng
(kg/h)

1
30

Stream
number

50473,06

E-104

10

TC

Bộ điều
khiển nhiệt
độ

TT

Bộ hiển thị
nhiệt độ

LC

Bộ điều
khiển mực
chất lỏng

LT

Bộ hiển thị
mực chất
lỏng

FC

Bộ điều
khiển lưu
lượng chất
lỏng

FT

Bộ hiển thị
lưu lượng
chất lỏng

0,626
86,5
1326,32

TC
FT

FC

3

TT

E-102
8

1
30
2400

TC

TT

2
119,6
29.5

lps

1
94,5
2400

V-28

Evaporato

2

lps
E-101

LT

2
119,6
2034,97

9

E-18

1
45
1326,32

T-101

4
0,758
104,42

1

LC

1073,6

1
30

Dung dịch CaCl2
17%

1
30

1073,6

349,62

CW

7

6

5
P-103

V-103

V-102

V-101

E-103
P-102 A/B
P-101 A/B

Dịng
Thơng tin Ký hiệu
Nhiệt độ
Áp suất at
Lưu lượngkg/h
Nồng độ %

1

2

3

4

5

6

7

Nước

8

9

10

Dung dịch CaCl2
38%

30 94.5 86.5 45 104.4 30 30 119.6 30
30
1 1 0.626 1 0.758 1 1
2 1
1
2400 2400 1326.32 1326 1074 349.6 1074 29.5 2035 50473.06
17 17
38
38

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
BỘ MƠN MÁY VÀ THIẾT BỊ
HÓA HỌC

Người vẽ :Hồ Dương Phụng
Người duyệt : Nguyễn Minh Tiến

THỰC HÀNH TÍNH TỐN HÊ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠNG NGHÊ HĨA
HỌC

Bản vẽ PFD q trình cơ đặc dung dịch CaCl2 với năng suất theo

nhập liệu 2400kg/h
SIZE

FSCM NO

DWG NO

A1

23/08/2021

2021-PFD-CD-01

SCALE

1:1

SHEET

REV

01
1 OF 1

5

Tieu luan


2.2

Thuyết minh quy trình

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch CaCl 2 có nồng độ 17%. Dung dịch từ bể chứa nguyên
liệu được bơm dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun
nóng đến nhiệt độ sơi.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, bên trong gồm
nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ
ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hồ có áp suất 2 at đi
bên ngồi ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hoà
ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung
dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực
hiện quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng
qua bẫy hơi chảy ra ngồi.
Ngun lý làm việc của nồi cơ đặc:
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn
trung tâm. Dung dịch đi trong ống cịn hơi đốt (hơi nước bão hồ) đi trong khoảng khơng
gian ngồi ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang
chuyển động trong ống.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung
cấp để sơi, làm hố hơi một phần dung mơi.
Ngun tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi
có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hồn,
thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền
nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượng riêng
của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này
được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dịng chuyển động tuần hồn tự nhiên trong thiết bị:
từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.

6

Tieu luan


Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng. Hơi thứ đi
lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng. Giọt
lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch cịn lại được hồn lưu.
Dung dịch sau cơ đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm
nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí khơng ngưng thốt ra từ phía trên của buồng bốc đi vào
thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được
bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị.
Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn
chứa qua ống baromet. Khí khơng ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách
giọt rồi được bơm chân khơng hút ra ngồi. Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích
của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet
là thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển
nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí
quyển mà khơng cần bơm. Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt
lỏng bị lơi cuốn theo dịng khí khơng ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng

7

Tieu luan


Chương 3
3.1

Cân bằng vật chất và năng lượng

Dữ kiện ban đầu

Nồng độ đầu: xđ = 17 %
Nồng độ cuối: xc = 38 %
Năng suất nhập liệu: Gđ = 2400 kg/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 ℃
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hịa có độ ẩm bằng 5%, P = 2at
Áp suất ngưng tụ: pc = 0,6at

3.2

Cân bằng vật chất

3.2.1 Suất lượng tháo liệu (Gc)
Suất lượng tháo liệu:
G đ . x đ =G c . x c
⇒ Gc =

Gđ . x đ 2400.17
kg
=
=1073,68
xc
38
h

3.2.2 Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo công thức G đ =W + Gc
⇒ W =G đ – G c =2400−1073,68=1326,32

3.3

kg
h

Tổn thất nhiệt độ

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c = 0,6 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị
ngưng tụ là:

tw = 85,5 ℃ (trang 314, [1])

Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng
tụ. Chọn Δ’’’ = 1 ℃ (trang 296, [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
t sdm ( P o ) – t w = Δ ’ ’ ’

8

Tieu luan


⇒ t sdm ( P o )=t w+ Δ ’ ’ ’=85,5+1=86,5℃

Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 86,5 0C ⇒ P0=0,626 at
3.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:
∆ ' =∆' o . f

Trong đó:
∆ 'o - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung mơi ở

áp suất khí quyển.
Dung dịch được cơ đặc có tuần hoàn nên a=xtb=27,5 %
Tra bảng VI.2, trang 66, [2]:∆ ' o=8,75℃
f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo cơng thức VI.11, trang 59,
[2]:
f =16,2. ¿ ¿

Trong đó:
t - nhiệt độ sơi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(Po) = 86,5 ℃ )
r - ẩn nhiệt hố hơi của dung mơi nguyên chất ở áp suất làm việc.
Tra bảng I.251, trang 314, [1]: rw = 2291 (kJ/kg).
⇒ ƒ=16,2.¿ ¿
⇒ Δ’=8,75.0,914=8℃
⇒ t sdd ( P0 )=t sdm ( P0 )+ Δ ’=86,5+8=94,5 ℃

3.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
Ptb =P0 +(h 1+

h 2 ρdd
).
. g (N/m2)
2
2

Giả sử t sdd (P0 + ΔP) = 100 ℃ , xc = 38%, có ρdd = 1322 kg/m3 (tra [1], bảng I.32 trang 38)
h2 – chiều cao ống truyền nhiệt; m. Chọn h2 =3 m. (bảng VI.6, trang 80, [2].
9

Tieu luan


h1 – chiều cao thích hợp của dung dịch sơi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng (m).

Chọn h1 = 0,5 m.

g – gia tốc trọng trường.
P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2.
Ptb =P0 +(h 1+

h 2 ρdd
).
.g
2
2

(

Ptb=0,626 .9,81 .10 4 + 0,5+

3 1322
.
.9,81=743379,42 N / m2= 0,758 at
2
2

)

Tra bảng I.251, trang 314, [1], ptb = 0,758 at tương ứng với t sdm ( Ptb ) = 91,46 ℃
Ta có:
⇒ Δ’ ’=t sdm ( Ptb )−t sdm ( P 0 )=91,46−86,5=4,96 ℃
⇒ t sdd (Ptb )=t sdd (P 0)+ Δ’ ’=94,5+ 4,96=100,1 ℃
Sai số 0,001%. Vậy tsdd(Ptb) = 100oC
3.3.3 Tổng tổn thất nhiệt độ:
Σ Δ=Δ ’+ Δ’ ’ + Δ’ ’ ’

⇒ Σ Δ=8 ℃+ 4,96 ℃ +1℃ =13,96 ℃
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 2 at, tD = 119,6 oC
(bảng I.251, trang 315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, cơng thức VI.17, trang 67, [2].
∆ thi=∆ t ch−Σ Δ

Trong đó:
tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi ℃
tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ ℃
ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, ℃
Hiệu số nhiệt độ chung

∆ t ch =t D−t w công thức VI.18, trang 67, [2].

10

Tieu luan


∆ t ch =t D−t w =119,6−85,5=33,5

⇒ Δt hi=33,5 – 13,96=19,54 ℃
3.3.4 Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2:
Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 đi vào thiết bị cô đặc là tsdd = 94,5 oC
Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 38 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = t sdd ( P 0 ) +2 Δ ’ ’=94,5+2.4,96=104,42 ℃
Nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 ở các nồng độ khác nhau được tính theo cơng thức
(I.43) và (I.44), trang 152, [1]:
a = 17 % (a < 0,2):
C đ =4186.(1−a)=4186.(1−0,17)=3474,38 J /(kg . K)

a = 38% (a > 0,2):
Cc¿ 4186−( 4186−C ct ) . a=4186 – ( 4186 – 702,7).0,38=2862,346 J/(kg.K)
Với cct là nhiệt dung riêng của CaCl2 khan, được tính theo cơng thức (I.41) và
bảng I.141, trang 152, [1]:
Cct =

CCa .1 +CCl .2 26000+ 26000.2
¿
=702,7 J /(kg . K )
111
M ct

Tra bảng I.154, trang172, [1] ta được nhiệt dung riêng ở nhiệt độ sôi 94,5℃
nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 là C sdd
đ =3854,49 J /( kg . K )
Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ đầu

xđ

% khối lượng

17

Nồng độ cuối

xc

% khối lượng

38

Năng suất nhập liệu

Gđ

kg/h

2400

Năng suất sản phẩm

Gc

kg/h

1073,6

Hơi thứ

11

Tieu luan


Suất lượng

W

kg/h

1326,32

Áp suất

Po

At

0,626

Nhiệt độ

tsdm(Po)

o

C

86,5

Enthalpy

iw

kJ/kg

2651,8

Ẩn nhiệt hóa hơi

rw

kJ/kg

2322

Áp suất

PD

At

2

Nhiệt độ

tD

o

C

119,6

Ẩn nhiệt ngưng tụ

rD

kJ/kg

2208

Enthalpy

iD

kJ/kg

2710

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Po

tsdd(Po)

o

94,5

Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

Δ’

o

8

Áp suất trung bình

Ptb

At

0,758

Nhiệt độ sơi của dung môi ở Ptb

tsdm(Ptb)

o

91,46

Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh

Δ”

o

4,96

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb

tsdd(Ptb)

o

100

Tổn thất nhiệt độ trên đường ống

Δ”’

o

1

Tổng tổn thất nhiệt độ

ΣΔ

o

13,96

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Δthi

o

19,54

Hơi đốt

Tổn thất nhiệt độ
C
C

C
C
C
C
C
C

12

Tieu luan


3.4

Cân bằng năng lượng

3.4.1 Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101
7
D1.iD
Gđ.Cđ.tđ

Gđ.Csdd.
tsdd

Qtt

D1.Cn.tD

Phương trình cân bằng nhiệt lượng
G đ .C đ . t đ + D 1 .i D=G đ . Cđsdd . t sdd + D 1 . Cn . t D +Q tt

Nhiệt độ của dung dịch CaCl2 trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:
tđ = 30 oC
tsdd = t sdd (P0 )=94,5 ℃
Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp
Trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là
5%
sdd
 0,95. D1 . r D (1−φ ) =Gđ . ( C đ −C đ ) . ( t sdd −t đ ) +Q tt
Lượng hơi nước sử dụng cho thiết bị gia nhiệt
Gđ ( Cđsdd −C đ ) . ( t sdd −t đ )
D 1=
0,95. r D .(1−0,05)
D 1=

2400.(3854,49−3474,38). ( 94,5−30 )
=29,5 kg /h
0,95.2208 . 103 (1−0,05)

13

Tieu luan


3.4.2 Cân bằng năng lượng ở thiết bị cô đặc
Phương trình cân bằng nhiệt.
3

W.iw

n

Qtt
Gđ.Csdd.tsdd

Evaporato

2

D.iD
8

E-18

D.Cn.tD

Gc.Cc.tc
D .i D +G đ . C sdd .t sdd =D . Cn . t D + D .C n .t D W . i w +Q tt
D .i D−D . Cn . t D=G đ . C sdd . t sdd −G c . C c . t c +W . i w + Q tt(*)

 D . r D =Gđ . C sdd . t sdd −Gc .C c . t c +W .i w +Qtt
Do trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi
đốt là 5%
Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp
⇒ Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị cô đặc
D=

G đ . C sdd . t sdd −G c .C c . t c +W . i w
(1−ε) .(1−φ). r D

2400.3854,49.94,5−1073,6.2836,346.104,42+1326,32.2651,8 .103
=
3
(1−0,05).(1−0,05).2171. 10

= 2034,97 kg/h
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho nồi cô đặc
QD = D.(1 – ε).(1 – φ).rD
¿

2034,97
.(1 – 0,05).(1 – 0,05).2171 .10 3
3600

14

Tieu luan


= 1107547,97 W
Nhiệt tổn thất:
Q tt=0,05. Q D =0,05. 1107547,97=55377,39W

Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng:
d=

D 2034,97
=
=1,534 (kg hơi đốt / kg hơi thứ )
W 1326,32

3.4.3 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102

W.iw
8

E-104

Gn.Cn.tnvao

Qtt

3
E-102

4

Cn.W.tnra+Cn.G.tnra

Phương trình cân bằng nhiệt lượng
W . i w +G n . Cn . t nv =Gn . Cn . t nra + W .C n .t nra +Qtt

Dựa vào bảng I.251, trang 314 [1], tra được hàm nhiệt hóa hơi của nước tại 0,6 at là
2651,8.103 J/kg
Chọn φ=0,05.
Chọn t nr =45℃ , t nv =30℃
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi thứ tỏa ra
Lượng nước làm mát đi vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ:
Gn=0,95.W .

(i ¿ ¿ w−Cn . t nr ).(1−0,05) 1326,32.(2651,8. 103−4186.45). ( 1−0,05 ) .0,95
=
=50473,06(kg/h) ¿
4186.(45−30)
C n . ( t nr −t nv )

15

Tieu luan


3.4.4 Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103

Gn.Cn.tnvao CW

6
Gc.Cc.tsp
Gc.Csdd.tc

E-103
Qtt

Gn.Cn.tnra

Phương trình cân bằng năng lượng
Gc ¿

Chọn t nvao=45 ℃

t nra =30℃

Chọn nhiệt độ đầu ra của sản phẩm t sp =40℃
Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng sản phẩm ra
Lượng nước sử dụng cho quá trình làm nguội
G 2=

Gc ( C sdd −Cc ) . ( t c −t sp ) .(1−0,05)
C n (t nvao −t nra )

G 2=

1073,6.(3140−2805,88). ( 104,42−40 ) .(1−0,05)
=349,62kg/h
4186.(45−30)

Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nhiệt độ vào buồng bốc

tđ

℃

94,5

Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc

tc

℃

104,42

Nhiệt dung riêng dung dịch 17%

Cđ

J/(kg.K)

3683,68

Nhiệt dung riêng dung dịch 38%

Cc

J/(kg.K)

2805,88
16

Tieu luan


Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD

W

1107547,97

Nhiệt tổn thất

Qtt

W

55377,39

Lượng hơi đốt cung cấp

D

Kg/h

2034,97

Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng

D

Kg/kg

1,534

Kg/h

29,5

KJ/kg.độ

4186

Kg/h

50473,06

Kg/h

349,62

Thiết bị gia nhiệt
Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị gia D1
nhiệt
Nhiệt dung riêng của nước ngưng

Cn

Thiết bị ngưng tụ
Lượng nước làm mát cho thiết bị Gn
ngưng tụ
Thiết bị làm nguội sản phẩm
Lượng nước làm nguội

Chương 4

G2

Thiết kế thiết bị chính

Tính tốn truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
4.1

Hệ số cấp nhiệt của hơi đốt:

α 1=2,04. A .

(

rD
H . Δt 1

0,25

)

(công thức V.101 trang 28, [2])

Với α1 là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m2.K)
H là chiều cao ống truyền nhiệt H = h2 = 3 m
Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm:
t m=

t D +t v 1
2

17

Tieu luan