Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HÓA HỌC & CNTP

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

BỘ MƠN CN HĨA HỌC VÀ HĨA DẦU

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MƠN HỌC
1. Họ và tên: 1. Ngơ Tiến Việt Anh
2. Nguyễn Hồng Anh
3. Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh
Nhóm 1 - Lớp DH10H1
Mơn học: Các q trình và thiết bị trong CNHH và Thực phẩm
2. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO3 bằng thiết bị cô đặc loại
ống tuần hoàn trung tâm.
3. Dữ kiện ban đầu
- Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 30000kg/h
- Nồng độ đầu: xđ = 8% khối lượng
- Nồng độ cuối: xc = 48% khối lượng
- Áp suất hơi đốt: P1 = 12 at
- Áp suất hơi ngưng tụ baromet: Png = 0,2 at
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn
- Sơ đồ dây truyền cơng nghệ cơ đặc và cấu tạo thiết bị chính (kèm bản vẽ mơ tả )
- Tính tốn bề mặt truyền nhiệt bề mặt truyền nhiệt thiết bị cơ đặc
- Tính tốn bề dày lớp cách nhiệt
- Tính tốn thiệt bị ngưng tụ baromet và bơm chân khơng
- Tính cơ khí

5. Bản vẽ
- Sơ đồ dây truyền công nghệ hệ thống cô đặc: khổ A1 ( 1 bản)
- Nồi cô đặc và các chi tiết: khổ A1 (1 bản )
Ngày giao nhiệm vụ: 21/1/2013
Ngày hoàn thành: 29/4/2013
Vũng Tàu, ngày 22 tháng 12 năm 2013
Xác nhận của trưởng khoa

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 5
CHƢƠNG I ........................................................................................................................ 6
TỔNG QUAN ..................................................................................................................... 6
I.

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM ................................................................................ 6
I.1.

Các tính chất vật lí của KNO3 .............................................................................. 6

I.2.

Các ứng dụng của KNO3 ...................................................................................... 6

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƢƠNG PHÁP CÔ ĐẶC .......................................... 7
II.1.

Định nghĩa ......................................................................................................... 7

II.2.

Lựa chọn phương án thiết kế ............................................................................ 8

II.3.

Thuyết minh sơ đồ công nghệ ........................................................................... 9

CHƢƠNG II ..................................................................................................................... 11
TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ........................................................................................... 11
I.

ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦU ....................................................... 11

II. TÍNH TỐN ............................................................................................................ 11
II.1.

Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống ....................................... 11

II.2.

Sự phân bố hơi thứ trong các nồi : ................................................................. 12

II.3.

Nồng độ dung dịch ở từng nồi: ....................................................................... 12

II.4.

Tính chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống ........................................ 13

II.5.

Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi.............................................. 13

II.6.

Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ mỗi nồi ....................................................... 15

II.7.

Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi ................................................................ 16

II.7.1 Tổn thất nhiệt do nhiệt độ (

) ....................................................................... 16

II.7.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’): ................................................... 17
II.7.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’): ....................................................... 19
II.7.4. Tổn thất do toàn bộ hệ thống: ......................................................................... 19
II.8.

Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích trong tồn hệ thống ....................................... 19

II.9.

Phương trình cân bằng nhiệt lượng ............................................................... 21

II.10. Các thơng số kĩ thuật chính ............................................................................ 26

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 2


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

II.10.1. Sức căng bề mặt ............................................................................................ 26
II.10.2. Độ nhớt: ....................................................................................................... 26
II.10.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch: .................................................................... 28
II.10.4. Hệ số cấp nhiệt: ............................................................................................ 30
II.10.5. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi: .................................................... 35
II.10.6 Tính tốn bề mặt truyền nhiệt: ....................................................................... 38
CHƢƠNG III ............................................................................................................... 39
TÍNH TỐN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH ............................................................... 39
III.1. Buồng đốt ............................................................................................................ 39
III.1.1 Số ống trong buồng đốt: ................................................................................. 39
III.1.2. Tính thiết bị ống tuần hồn trung tâm.( tính theo bề mặt trong) .................. 40
III.1.3. Đường kính trong buồng đốt. ....................................................................... 40
III.1.4. Chiều dày buồng đốt. ..................................................................................... 41
II.1.5. Bề dày đáy buồng đốt: .................................................................................... 44
III.2. Buồng bốc ............................................................................................................ 46

III.2.1. Thể tích buồng đốt ......................................................................................... 46
III.2.2. Chiều cao buồng bốc: .................................................................................... 46
III.2.3. Bề dày buồng bốc: ......................................................................................... 47
III.2.4. Bề dày nắp buồng bốc: .................................................................................. 48
III.3. Cửa làm vệ sinh................................................................................................... 50
III.4. Đường kính các ống dẫn .................................................................................... 50
III.4.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt .......................................................................... 50
III.4.2. Đường kính ống dẫn dung dịch ..................................................................... 51
III.4.3. Đường kính ống dẫn hơi thứ ra ..................................................................... 51
III.4.4. Đường kính ống dẫn dung dịch ra................................................................. 52
III.4.5. Đường kính ống tháo nước ngưng................................................................. 52
III.5. Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị ...................................................................... 52
III.5.1. Bề dày lớp cách nhiết cho các ống dẫn:........................................................ 52
III.5.2. Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị: ........................................................ 55

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 3


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

III.6. Mặt bích ............................................................................................................... 56
III.7. Tai treo................................................................................................................. 58
IV.1 Thiết bị ngưng tụ Baromet ................................................................................... 62
IV.1.1. Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ: ............................. 62
IV.1.2. Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị : .................................................... 62
IV.1.3. Đường kính thiết bị ngưng tụ: ....................................................................... 63

IV.1.4. Kích thước tấm chắn: .................................................................................... 65
IV.1.5. Chiều cao thiết bị ngưng tụ: .......................................................................... 66
IV.1.6. Kích thước ống baromet: ............................................................................... 67
IV.1.7. Chiều cao ống Baromet : ............................................................................... 67
IV.2 Tính tốn và chọn bơm ........................................................................................ 70
IV.2.1. Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet: ............................................ 70
IV.2.2. Bơm dung dịch vào thùng cao vị: .................................................................. 72
Tài Liệu Tham Khảo ....................................................................................................... 75

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 4


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do đó ngành
cơng nghiệp hóa chất cơ bản củng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày
càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình cơng nghệ ln được cải tiến và đổi mới để
ngày càng hoàn thiện hơn. Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá
trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất.
Kali nitrat (potassium nitrate) cịn có tên gọi khác là diêm sinh với cơng thức hóa học
KNO3 là một trong những hóa chất thông dụng. Với nhiều ứng dụng thực tiễn, hiện nay
KNO3 được sản xuất với số lượng ngày càng lớn. KNO3 được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp như phân bón, thực phẩm, thuốc súng … Vậy làm thế nào để thu
được KNO3 có nồng độ cao và tinh khiết. Một trong những phương pháp được sử dụng
hiệu quả để tăng nồng độ KNO3 là phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm

chúng tơi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch
KNO3 bằng thiết bị cơ đặc loại ống tuần hồn trung tâm.
Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau:
 Chương I: Tổng quan
 Chương II: Tính tốn cơng nghệ,
 Chương III: Tính và chọn thiết bị chính.
 Chương IV: Tính và chọn thiết bị phụ.
 Tài liệu tham khảo.

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 5


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

CHƢƠNG I

TỔNG QUAN
I.

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
I.1.

Các tính chất vật lí của KNO3

Bảng 1: Các tính chất vật lí của KNO3
Cơng thức phân tử

KNO3

Phân tử gam

101,1032 g/mol

Bề ngoài

Tinh thể trong suốt, khơng màu

Mùi

Chua hay mặn

Tỷ trọng

2,106 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy

3360C (609 K)

Nhiệt độ sơi

4000C ( 673 K)

Độ hịa tan trong nước

32 mg/ 100ml ( 200C)

pH

ca. 7

I.2. Các ứng dụng của KNO3
 Phân bón: Nitrat kali được sử dụng chủ yếu trong phân bón , như là một
nguồn nitơ và kali - hai trong số những chất dinh dưỡng cho cây trồng.
 Chất oxi hóa: Nitrat kali là một chất oxy hóa hiệu quả, sản xuất ra một
ngọn lửa màu hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali. Đây là một
trong ba thành phần của bột màu đen, cùng với than bột (đáng kể
carbon) và lưu huỳnh. Như vậy nó được sử dụng trong bột màu đen

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 6


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

động cơ tên lửa. Nó cũng được sử dụng trong pháo hoa như bom khói ,
với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat.
 Bảo quản thực phẩm
 Ngồi ra, KNO3 cịn có một số ứng dụng khác như: là thành phần hạt
chính vững chắc của aerosol ức chế đặc cháy hệ thống, là thành phần
chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩm loại bỏ gốc cây. Nó
làm tăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc cây bằng cách cung cấp nitơ
cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kim loại như một dung

môi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt.
II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƢƠNG PHÁP CƠ ĐẶC
II.1. Định nghĩa

Cơ đặc là q trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan khơng
bay hơi với mục đích:
 Làm tăng nồng độ chất tan.
 Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh).
 Thu dung môi ở dạng ngun chất (cất nước).
Thơng thường có 2 loại cơ đặc để làm bốc hơi dung môi:
 Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi
(cô đặc ở trạng thái hơi).
 Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên
mặt thoáng của dung dịch để làm tăng q trình bốc hơi.
Q trình cơ đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cần
bằng với áp suát chung trên bề mặt thống của chất lỏng. Khác với q trình chưng
luyện, trong q trình cơ đặc, chỉ có dung mơi bay hơi. Đáng lưu ý là trong q trình cơ
đặc, nồng độ chất tan tăng, ảnh hưởng đến q trình tính tốn của thiết bị. Khi đó hệ số

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 7


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt  giảm, đồng thời khối lượng riêng , độ
nhớt , tổn thất nhiệt ’ tăng.
II.2. Lựa chọn phương án thiết kế
Có thể sử dụng cơ đặc dung dịch bằng một nồi hay nhiều nồi, ở đề tài này, chúng ta chỉ
xét hệ thống cô đặc nhiều nồi. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi
đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Ngun tắc của q trình cơ đặc
nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt,
hơi thứ của nồi này đưa vào nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai đưa vào nồi thứ ba… hơi thứ
cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia,
qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên. Điều kiện cần thiết để truyền
nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sơi, hay nói
cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm
việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông
thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất
khí quyển.
Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:
 Theo sự bố trí bề mặt đun: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng.
 Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hịa, hơi q nhiệt), khói lị, dịng
điện, các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocarbon).
 Theo chế độ tuần hồn: xi chiều, chéo chiều, ngược chiều.
 Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngồi, ống chùm, ống xoắn.
Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch KNO3 này, ta sử dụng hệ thống cô đặc 3
nồi xi chiều ( tuần hồn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hồn trung tâm vì những
ưu điểm sau:

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 8

Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

 Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp
suất và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau, tức là
áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau.
 Dung dịch vào nồi đầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng
hơi nước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ sơi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt
này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi.
 Cơ đặc ống tuần hồn trung tâm có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn
trong nồi dễ dàng, vận tốc tuần hồn lớn vì ống tuần hồn khơng bị đốt
nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng.
Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở
các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung dịch tăng
nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
II.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hệ thống cô đặc 3 nồi, làm việc xuôi chiều liên tục. Dung dịch đầu KNO3 8% khối lượng
được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị
(4). Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế (7) chả vão thiết bị gia nhiệt (8). Ở đây, dung
dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sơi, sau đó đi vào nồi cô đặc (1), (2), (3). Tại nồi
cô đặc, dung dịch được đun sơi bằng thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn trung tâm, buồng
đốt trong, trong đó các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn. Dung dịch đi ở
trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng khơng gian phía ngồi ống. Khi làm việc, dung dịch
trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị
đẩy từ dưới lên trên miệng ống, cịn trong ống tuần hồn trung tâm thể tích theo một đơn
vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít
hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền
nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hồn tự

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 9


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

nhiên từ dưới lên trên ở ống truyền nhiệt và từ trên xuống dưới ở ống tuần hoán trung
tâm.
Hơi đốt được lấy ra ở nồi hơi (1) cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (3) và nịi cơ đặc
(1). Tại nồi 1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệt làm sôi dung dịch, bốc hơi một lượng hơi thứ.
Hơi thứ từ nồi thứ (1) được dung làm hơi đốt cho nồi thứ (2) và tương tự thì hơi thứ nồi
(2) sẽ là hơi đốt cho nồi (3). Hơi thứ từ nồi (3) được ngưng tụ nhờ thiết bị baromet (13)
và được hút chân không nhờ bơm chân không (15). Nước ngưng từ phịng đốt của các nồi
cơ đặc đi qua của xả nước ngưng, qua bẫy hơi (5) để chả xuống thùng chứ nước ngưng
(2). Dung dịch từ nồi cô đặc (3) được bơm ly tâm (6) lấy ra cho vào thùng chứa sản
phẩm (18).

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 10


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

CHƢƠNG II

TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ
I.

ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦU

Thiết bị cơ đặc ống tuần hồn trung tâm.
Năng suất đầu vào: Gđ = 30000 kg/h
Nồng độ đầu: xđ = 8% ( khối lượng)
Nồng độ cuối: xc = 48% ( khối lượng)
Áp suất hơi đốt nồi 1: Phđ1 = 12at
Áp suất thiết bị ngưng tụ: Png = 0,2at
Dung dịch: KNO3
Phân tử mol: Mpt = 101 kg/kmol
II.

TÍNH TỐN
II.1. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Gọi: Gđ, Gc là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h
xđ, xc là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng
W

là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h

Phương trình cân bằng vật liệu cho tồn hệ thống:
Gđ = Gc + W
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố:
Gđ.xđ = Gcxc + W xw

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 11


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Ở đây ta coi q trình cơ đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo lượng hơi
bốc ra nên ta có:
G đ xđ = G c xc
Từ (1) và (2) ta có :
W = Gđ (1 – xđ/xc)

(VI.1/55 – [II])

Theo số liệu đề tài ta có lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống là :
W = 30000 (1 – 8/48) = 25000 (kg/h)
II.2. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi :
Gọi

W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h.

Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W1 : W2 :W3 = 1 : 1,1 : 1,2
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi:
Nồi 1:

W1 

W
3,3

Nồi 2:

W2  1,1.

Nồi 3:

W3  1,2.



25000
 7575,76kg / h
3,3

W
3,3

 1,1.

25000
 8333,33(kg / h)
3,3

W  1,2 25000  9090,91(kg / h)
3,3

3,3

II.3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi:
Áp dụng cơng thức VI.2/ 57- [II], ta có
xi = G đ

xđ
3

Gđ  W i

, % khối lượng

i 1

Với xi là nồng độ dung dịch tại nồi I

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 12


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Vậy:
Nồng độ của nồi 1:
x1 = Gđ

xđ

Gđ W 1

=30000
= 10,70 (% khối lượng)
Nồng độ của nồi 2:
x2 = Gđ

xđ
Gđ W 1W2

=30000
= 17,03 (% khối lượng)
Nồng độ của nồi 3:
x3 = Gđ

xđ
Gđ W 1W2  W3

= 30000
= 48 (%khối lượng)
II.4. Tính chênh lệch áp suất chung của tồn hệ thống
Ta có: ∆P = Phđ1 – Png


(at)

∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at)
II.5. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 13


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Giả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt các nồi là: ∆P1 : ∆P2 : ∆P3 = 4,183 : 2,043 : 1
Và ta có:  P =  P1+  P2+  P3 = 11,8 at

  P3 =

= 1,633 at

  P2 =

= 3,336 at

  P1 =

= 6,831 at

Mà ta có:
Phđ1 = 12 at
 P1 = Phđ1 - Phđ2 => Phđ2 = Phđ1 -  P1 = 12 – 6,831 =5,169 at
 P2 = Phđ2 - Phđ3 => Phđ3 = Phđ2 -  P2 = 5,169 – 3,336 = 1,833 at

Gọi: Thđi là nhiệt độ của hơi đốt nồi thứ i
ihđi là nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi thứ i

rhđi là nhiệt hóa hơi
tương ứng với áp suất hơi đốt Phđi

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 14


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Theo bảng 57/46 – [III], ta có bảng số liệu sau:
Bảng 2: Các thông số của hơi đốt
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Phđ (at)

12

5,169

1,833

Thđ (0C)

187,1

152,366

116,845

ihđ (kJ/kg)

2790

2756,366

2769,165

rhđ (kJ/kg)

1995

2113,282

2215,515

Với thiết bị ngưng tụ baromet Png = 0,2 at => Tng = 59,70C
II.6. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ mỗi nồi
Gọi

là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống.

Chọn ∆1 = ∆2 = ∆3 = 10C
Gọi thti là nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i, 0C

Áp dụng công thức: thti = Thđi +
Nhiệt độ hơi thứ nồi sau = nhiệt độ hơi đốt nồi trước – 10C
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối = nhiệt độ thiết bị baromet + 10C
Vậy từ những dữ kiện trên, ta có:
tht1 = Thđ2 + 1 = 152,213 + 1 = 153,2130C
tht2 = Thđ3 + 1 = 116,845 + 1 = 117,8450C
tht3 = Tng + 1 = 59,7 + 1 = 60,70C
Gọi: phti là nhiệt độ của hơi thứ nồi thứ i

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 15


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

ihti là nhiệt lượng riêng hơi thứ i
rhti là nhiệt hóa hơi
tương ứng với áp suất hơi đốt thti
Theo bảng 57/46 – [III], ta có bảng số liệu sau:
Bảng 3: Các thông số của hơi thứ
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Tht (0C)

153,213

117,845

60,7

Pht (at)

5,302

1,894

0,206

iht (kJ/kg)

2758,226

2709,468

2608,444

rht (kJ/kg)

2110,359

2212,786

2355,556

II.7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi
Tổn thất nhiệt cho từng nồi gồm:
 Tổn thất nhiệt do nồng độ
 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
II.7.1 Tổn thất nhiệt do nhiệt độ ( )
Ta sử dụng công thức Tisencơ:
Δ’ = Δ0’.f

(VI.10/59 –[II])

Trong đó Δ’0 – tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi ở áp suất thường.
f = 16,2. T2/r

Nhóm 1- Lớp DH10H1

(VI.11/59 – [II])

Page 16


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Trong đó : T là nhiệt độ sơi của dung mơi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K;
r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi ngun chất

ở áp suất làm

việc,J/kg.
Dựa vào bảng (VI.2/63 – [II]) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (%
khối lượng)
Bảng 4: Tổn thất nhiệt do nhiệt độ
Nồi1

Nồi 2

Nồi 3

Nồng độ của dung dịch (% kl)

10.70

17.03

48.00

Δ’0 (0C)

0,970

1,653

5,75

Vậy: Δ’1 = Δ’0.16,2

= 0,97 . 16,2.
= 1,3530C
Tương tự ta có
Δ’2 = 1,8490C
Δ’3 = 4,4040C
II.7.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’):
Theo CT VI.12/60 – [II] ta có:
h 

2
Ptb  P o  h1  2   dds .g (N/m )
2


Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 17


Đồ án mơn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thơng

Có 1at = 9,81.104 N/m2
Đổi công thức theo đơn vị at
h 

Ptb  P o  h1  2  dd .10 4 at
2 2


Với:
– Polà áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
– h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch, chọn  h=0,5 cho cả 3 nồi.
– h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi.
– g là gia tốc trọng trường, =9,81 m/s2.
–  dds là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
 dds =

 dd
2

Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở
nhiệt độ 200C.
xdd1 = 10,7% => ρdd1 = 1059,03 kg/m3
xdd2 = 17,03% => ρdd2 = 1110,92 kg/m3
xdd3 = 48% => ρdd3 = 1502,86 kg/m3
Từ đó, ta có
h 

Ptb1  P ht1  h1  2  dd1 .10 4
2 2

4

Ptb1  5,3020 C   0,5 
2


Nhóm 1- Lớp DH10H1

 1059,03

.10  4

2


Page 18


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Ptb1 = 5,434 at
Tương tự, ta có Ptb2 = 2,033 at và Ptb3 = 0,394 at
Với Ptbi ta có ttbi là nhiệt độ sôi ứng với Ptbi
Ptb1 = 5,434 at => ttb1 = 154,1380C
Ptb2 = 2,033 at => ttb2 = 120,03890C
Ptb3 = 0,394 at => ttb3 = 74,9980C
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh tăng cao:

= ttbi - thti

= ttb1 - tht1 = 154,138 – 153,213 = 0,9250C
= ttb2 - tht2 = 120,0359 – 117,845 = 2,19390C
= ttb3 - tht3 = 71,998 – 60,7 = 14,2980C
II.7.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’):

Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là ' ' ' = 1÷ 1,50C
Chọn tổn thất = 10C => "1'  "2'  '"3  1o C
 ' ' ' = "1'  "2'  '"3  3o C
II.7.4. Tổn thất do tồn bộ hệ thống:
∑

∑

∑

∑

∑

II.8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích trong tồn hệ thống

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 19


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số hơi đốt và nhiệt độ sơi trung bình dung dịch:
∆Ti = Thđi – tsi , 0C
Với tsi là nhiệt độ sôi của dung dịch tại nổi thứ i
tsi = thti +

+

Vậy ta có:
ts1 = tht1 +

+

= 153,213 + 1,353 + 0,925 = 155,4910C

Tương tự, ta có: ts2 = 121,88790C , ts3 = 79,4020C
=> Hiệu số nhiệt hữu ích :

∆T1 = Thđ1 – ts1 = 187,1 – 155,491 = 31,6090C
∆T2 = Thđ2 – ts2 = 152,213 – 121,8879 = 30,32510C
∆T3 = Thđ3 – ts3 = 116,845 – 79,402 = 37,4430C
Bảng 5: Hiệu số nhiệt hữu ích
Nồi

∆’, 0C

∆’’, 0C

∆’’’, 0C

∆T, 0C

ts , 0 C

1

1,353

0,925

1

31,609

155,491

2

1,849

2,1939

1

30,3251

121,8879

3

4,404

14,,298

1

37,443

79,402

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 20


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

II.9. Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi:
D1, D2, D3 là lượng hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h.
W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J/kg.độ.
tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch, 0C.
ts1, ts1, ts1 nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3, 0C.
ihđ1, ihđ2, ihđ3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
iht1, iht2, iht3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3,J/kg.
C1, C2, C3 nhiệt dung riêng của dung dịch nồi 1,2,3, J/kg.độ
Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ.
θ1 θ2 θ3 nhiệt nước của ngưng nồi 1,2,3, 0C.

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 21


Đồ án môn học QTTB

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Qtt1, Qtt2, Qtt3 nhiệt tổn thất ra môi trường sung quanh, J
Theo phương trình cân bằng nhiệt, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra:
Nhiệt lượng vào:
Nồi 1:
- Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.tđ
- Do hơi đốt: D1.ihđ1
Nồi 2:
- Do hơi đốt mang vào: D2.ihđ2
- Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ – W1).C1.ts1
Nồi 3:
- Do hơi đốt mang vào : D3.ihđ3
- Do dung dịch nồi 2 mang vào: (Gđ – W1 –W2).C2.ts2
Nhiệt lựợng ra:
Nồi 1:
-

Do hơi đốt mang ra: W1.iht1

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ – W1).C1.ts1

-

Do nước ngưng mang ra: D1.Cn1 .θ1

-

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt1 = 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1)

Nồi 2:
-

Do hơi thứ mang ra: W2.iht2

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2).C2.ts2

-

Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.θ2

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 22


Đồ án môn học QTTB
-

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2)

Nồi 3:
-

Do hơi thứ mang ra: W3.iht3

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3

-

Do nước ngưng mang ra: D3.Cn3.θ3

-

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0,05.D3.(ihđ3 – Cn3 θ3)

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
ΣQvào = ΣQra
Nồi 1:
GđCđtđ + D1.ihđ1 = W1.iht1 + (Gđ – W1).C1.ts1+ D1.Cn1 .θ1+ 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1)

(1)

Nồi 2:
D2.ihđ2 + (Gđ – W1).C1.ts1 = W2.iht2 + (Gđ –W1 –W2).C2.ts2 + D2Cn2 θ2 + 0,05.D2.(ihđ2 –
Cn2.θ2)

(2)

Nồi 3:
D3.ihđ3 + (Gđ – W1 –W2).C2.ts2 = W3.iht3 + (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3 + D3Cn3θ3+
0,05.D3.(ihđ3 – Cn3 θ3)

(3)

 Tính C1, C2, C3
Cơng thức tính C với dung dịch lỗng có x < 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[I]
 Co  4186(1 

x
) J/kg.độ
100

Dung dịch đặc có x > 20% nên áp dụng CT I.44/152 – [I]

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 23


Đồ án môn học QTTB
 Co  Cht .

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thơng

x

x
 4186(1 
) J/kg.độ
100
100

Với Cht được tính theo công thức I.41/152- [I]
M ct .Cht  nK .C K  nN .C N  nO .CO

Trong đó: Chất hịa tan KNO3 có:
M = 101 kg/kmol
nK, nN, nO:

là số nguyên tử K, N, O trong hợp chất.

CK, CN, CO: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố K, N, O và
CK = 26000J/kg.độ

CN = 26000J/kg.độ

CO =16800J/kg.độ

 Cht 

1
nK .CK  nN .C N  nO .CO 
M

 Cht 

1
1.26000  1.26000  3.16800  1013,864 J/kg.độ
101

Vậy, với dung dịch đầu, xđ = 8% < 20%, ta có:
 Cđ  4186.(1 

8
)  3851,129 J/kg.độ
100

Với dung dịch 1, có xdd1 = 10,7 % < 20%
 C1  4186.(1 

10,7
)  3738,098 J/kg.độ
100

Với dung dịch 2, có xdd2 = 17,03% < 20%
 C2  4186.(1 

17,03
)  3473,124 J/kg.độ
100

Với dung dịch 3, có xdd3 = 48% > 20%

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 24

Đồ án môn học QTTB
 C3  1013,861.

GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thơng

48
48
 4186(1 
)  2663,373 J/kg.độ
100
100

 Tính Qtt lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn bốc hơi ở từng nồi:
Ta có: θ =thđ; D2 = W1; D3 = W2; W= W1+W2+W3
D1.Cn1 .θ1 = D1.il1
D2Cn2 θ2 = D2.il2 = W1.il2
D3Cn3 θ3 = D3.il3 = W2.il3
Với ili là nhiệt lượng riêng của nức ngưng nồi 1,2,3
Theo Bảng 57/46- [III], ra có:
Phđ1 = 12 at  il1 = 759,3 kJ/kg
Phđ2 = 5,169 at  il1 = 642,8 kJ/kg
Phđ3 = 1,833 at  il3 = 486,7 kJ/kg
 Qtt1 = 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1) = 0,05.D1( ihđ1 – il1), J
 Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2) = 0,05.W1( ihđ2- il2), J
 Qtt3 = 0,05.D3.(ihđ3 – Cn3.θ3) = 0,05.W2( ihđ3- il3), J
Thay các dữ kiện trên vào phương trình (1), (2), (3), với các ẩn là W1, W2, W3, D1 ta có
kết quả như bảng sau:
Bảng 6: Kết quả tính tốn của phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng

Nồi

C

il

θ

W ( kg/h)

(J/kg.độ)

(kJ/kg)

(0C)

Giả thiết

Tính tốn

%

Sai số

1

3738,098 795,3

187,1

7575,76

7634,362

0,771

2

3473,124 642,8

152,213

8333,33

8573,708

2,885

3

2663,373 486,7

116,845

9090,91

8791,930

3,289

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 25