Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch o0o

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đăng Việt
Lớp: CNTP43
Ngành: Công nghệ Thực Phẩm
1/ Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều.
Thiết bị cô đặc phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài.
Cô đặc dung dịch KOH
2/ Các số liệu ban đầu:
- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 10
- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 12
- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) 30
- Ap suất hơi đốt nồi 1 (at): 3.5
- Ap suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3
3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
- Đặt vấn đề
- Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế.
- Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính.
- Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm dung
dịch, thiết bị gia nhiệt.
- Chương IV: Kết luận.
- Tài liệu tham khảo
4/ Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ):
- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh.
- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1.
5/ Giáo viên hướng dẫn:
Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Tống Thị Quỳnh Anh.

6/ Ngày giao nhiệm vụ: 03/03/2012
7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 03/05/2012
Thông qua bộ môn
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Ngày tháng năm 2010 (Ký, ghi rõ họ tên)
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)
1
MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ 6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7
I. Tổng quan về sản phẩm 7
II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc 8
1. Định nghĩa 8
2. Các phương pháp cô đặc 10
3. Ứng dụng của sự cô đặc 10
4. Cấu tạo thiết bị cô đặc 10
III. Lựa chọn phương án thiết kế - thuyết minh quy trình công nghệ 12
1. Lựa chọn phương án thiết kế 12
2. Thuyết minh quy trình công nghệ 12
CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14
1. Tính cân bằng vật chất 14
1.1. Xác định lượng dung môi bốc hơi 14
1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối mỗi nồi 15
2. Cân bằng nhiệt lượng 16
2.1 Xác định áp suất ban đầu 16
2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi 17
2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt độ trong các nồi 18
2.3.1. Tổn thất do nồng độ gây ra

( ')∆
18
2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
( '')∆
19
2.3.3. Tổn thất do trở lực của đường ống
( ''')∆
21
2.3.4. Tổn thất cho toàn bộ hệ thống 21
2.3.5. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi 21
2
2.4. Cân bằng nhiệt lượng 22
2.4.1. Tính nhiệt dung riêng 22
2.4.2. Tính nhiệt lượng riêng 23
3. Tính bề mặt truyền nhiệt 27
3.1. Độ nhớt 27
3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 30
3.3. Hệ số cấp nhiệt 31
3.3.1. Về phía hơi ngưng tụ 31
3.3.2. Về phía dung dịch sôi 33
3.4. Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi 35
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH 41
3.1. Buồng bốc 41
3.1.1. Tính số ống truyền nhiệt 41
3.1.2. Đường kính thiết bị buồng đốt 41
3.1.3. Chiều dày buồng đốt 42
3.1.4. Chiều dày đáy buồng đốt 44
3.2. Buồng bốc 46
3.2.1. Đường kính buồng bốc 46
3.2.2. Chiều cao buồng bốc 46

3.2.3. Chiều dày buồng bốc 48
3.2.4.Chiều dày nắp buồng bốc 49
3.3. Đường kính các ống dẫn 50
3.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt 50
3.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ 51
3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch 52
3.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng 54
3
3.3.5. Đường kính ống tuần hoàn ngoài 56
3.4. Chiều dày vĩ ống 56
3.5. Chiều dày lớp cách nhiệt 57
3.5.1. Chiều dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 57
3.5.2. Tính chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 60
3.6. Chọn mặt bích 62
3.6.1. Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 62
3.6.2. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn 63
3.7. Chọn tai treo 63
3.7.1. trọng lượng thân thiết bị 63
3.7.2. Tải trọng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài 64
3.7.3. trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 65
3.7.4. trọng lượng hơi 65
3.7.5. Trọng lượng vĩ ống 65
3.7.6. Trọng lượng đáy buồng đốt 66
3.7.7. Trọng lượng nắp buồng bốc 66
3.7.8. Trọng lượng bích 66
3.7.9. Trọng lượng lớp cách nhiệt 67
3.7.10. Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo 67
CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHỤ 69
4.1. Cân bằng vật liệu 69
4.1.1. lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ 69

4.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị 69
4.2. kích thước thiết bị ngưng tụ 71
4.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ 71
4.2.2. Kích thước tấm ngăn 71
4
4.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ 73
4.2.4. Kích thước ống baromet 74
4.3. Chọn bơm 76
4.3.1. Bơm chân không 76
4.3.2. Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 78
4.3.3. Bơm dung dịch lên thùng cao vị 82
4.3.4. Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2 84
4.3.5. Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1 86
4.3.6. Bơm dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm 89
4.4. Thiết bị gia nhiệt 92
CHƯƠNG V. KẾT LUẬN 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 95
5
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng
ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản
xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.
Trong quá trình sản xuất KOH, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu
được dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết
kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược
chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài, cô đặc dung dịch KOH từ 12% lên
30%
Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết
bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách

sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp
xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị
với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế
của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu xót.
Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều
kiến thức chuyên môn. Đồ án được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của
GV Tống Thị Quỳnh Anh và các thầy cô bộ môn khoa cơ khí – công nghệ,
trường Đại học Nông lâm Huế. Em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Quỳnh
Anh cùng các thầy cô giáo và các bạn đã giúp em thực hiện đồ án này.
6
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM,
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1. Tổng quan về sản phẩm:
Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sử dụng
từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng
rộng rãi. Kalihydroxyt với công thức hóa học KOH, là một trong những hóa chất
thông dụng với nhiều ứng dụng tực tiễn, hiện nay KOH đang được sản xuất ngày
càng lớn.
 Các tính chất vật lý cơ bản của KOH:
− KOH là một khối tinh thể trong suốt, không màu, ăn da mạnh.
− Nhiệt độ nóng chảy là 360,4
0
C (khan).
− Nhiệt độ sôi là 1325
0
C (khan)
− Độ nhớt là 1,63 Cp ở 20
0
C (dung dịch 20%)

− Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO
2
của không khí, dễ chảy rữa thành K
2
CO
3
.
KOH dễ dàng tan trong nước, 100g nước hòa tan được 112g KOH, tỏa nhiều
nhiệt tạo dung dịch KOH. Áp suất hơi của nước ở trên KOH ở nhiệt độ phòng là
0,002 mmHg.
 Các ứng dụng của KOH:
− Sản xuất dầu diesel sinh học
− Sản xuất xà phòng mềm, làm chất tẩy rữa
− Tiền thân của các hợp chất kali khác
− Làm pin điện phân
 Các phương pháp sản xuất:
− Điện phân (có màng ngăn) dung dịch KCl:
7
KCl + H
2
O
→
KOH +
2 2
1
2
H Cl↑ + ↑
− Điều chế KOH từ kali:
2 2
1

2
K H O KOH H+ → +
− Điều chế từ dung dịch K
2
CO
3
:
K
2
CO
3
+ Ca(OH)
2

→
2KOH + CaCO
3
↓
1.2. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc
1.2.1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa
chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay
trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị
phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho
cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải
ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
8
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch
nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi
được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không
bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng
cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác
nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
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 dùng hơi thứ đung
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín
cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì
nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và
dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý
nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô 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 đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi
thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi
nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều
kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa
hơi đốt và dung dịch sôi, 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 các nồi phải giảm dần vì
9
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.
1.2.2. Các phương pháp cô đặc
− Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái rắn 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 thì một cấu
tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để
tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng
lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi
phải dùng đến máy lạnh.
1.2.3. Ứng dụng của cô đặc
− Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây
− Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl
2
, các muối vô cơ
1.2.4.Cấu tạo thiết bị cô đặc
1.2.4.1. Phân loại theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc
dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch
dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch
từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền
nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề
mặt truyền nhiệt. Gồm:

10
− Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
− Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc
nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực
phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:
− Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho
dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
− Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho
dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.4.2. Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình:
− Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt
năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch
đạt được là không cao.
− Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100
o
C, áp suất
chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc
chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như
các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình
đun nóng khác.
− Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên
lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô 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.
11
− Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều
khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.

1.3. Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ
1.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế
Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói
trên ta chọn thiết bị cô đặc 3 nồi, ngược chiều, phòng đốt trong, ống tuần hoàn
ngoài.
 Ưu điểm:
− Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi
đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy. Kết quả là hệ số truyền
nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy. Ngoài ra lượng bốc hơi ở cuối
nồi sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ngược chiều, do đó lượng hơi nước dùng làm ngưng tụ
hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
− Hệ thống này thường dùng cho dung dịch có độ nhớt cao, ăn mòn.
 Nhược điểm:
− Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không
tự di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch,, làm tăng chi
phí.
1.3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm bơm lên thùng cao
vị qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia
nhiệt. Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi
3.Tại nồi 3 dung dịch KOH bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên
qua thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn lại được
bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt. Còn sản phẩm
12
được bơm vào nồi 2 để tiếp tục quá trình cô đặc, và sản phẩm của nồi 2 được
bơm đi làm nguyên liệu cô đặc của nồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt được nồng
độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm. Ở nồi 1 hơi đốt được
cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1, hơi đốt
của nồi 3 là hơi thứ của nồi 2, còn hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ.
13

CHƯƠNG 2 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG
1.Tính cân bằng vật liệu :
Thông số và số liệu ban đầu
Dung dịch cô đặc : KOH
Nồng độ đầu của dung dịch : 12%
Nồng độ cuối của dung dịch : 30%
Năng suất tính theo dung dịch đầu : 10000kg/h
1.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung
dịch thay đổi từ x
đ
đến x
c
:
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
G
đ
= G
c
+ W (1)
Trong đó:
G
đ
, G
c
là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
W: lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)
Viết cho cấu tử phân bố:
G
đ

.x
đ
= G
c
.x
c
+ W.x
w
Trong đó:
x
đ
, x
c
là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối
lượng)
xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:
G
đ
.x
đ
= G
c
x
c
(2)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:
14
W=G
đ
(1-

d
c
x
x
) = 10000(1-
12
30
) = 6000 (kg/h)
Trong đó:
G
đ
, G
c :
lượng dung dịch ban đầu, dung dịch cuối, kg/h
1.1.1 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:
Gọi W
1,
W
2,
W
3 là
lượng hơi thứ của nồi 1, 2,3 kg/h
Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ lệ:
W
W 1
i
i +
= 1,1
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính ra được lượng hơi thứ bốc ra các nồi theo
công thức: W = W

1
+ W
2
+W
3
= 6000 kg/h
Nồi 1: W
1
= 2193,353kg/h
Nồi 2: W
2
= 1993,958 kg/h
Nồi 3: W
3
= 1812,689 kg/h
1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối ở từng nồi:
Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường
người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích
hợp.
x
1
=
.
W
d d
d
G x
G
−
% khối lượng

=
10000.12
10000 6000−
= 30 % khối lượng
x
2
=
2 3
.
(W W )
d d
d
G x
G − +
% khối lượng
15
=
10000.12
10000 (1993,958 1812,689)− +
= 19,376 % khối lượng
x
3
=
3
.
W
d d
d
G x
G −

% khối lượng
=
10000.12
10000 1812,689−
= 14,657 % khối lượng
x
1
, x
2
,
x
3
- nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối
lượng;
W
1
, W
2,
W
3
- lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;
x
đ
- nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;
G
đ
- lượng dung dịch đầu, kg/h;

2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG :
2.1 Xác định áp suất mỗi nồi :

Gọi P
1
, P
2
, P
3
, P
nt
: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ
1
∆P
:hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2
2
∆P
:hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với nồi 3
∆P
3
: hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ
∆
P
:hiệu số áp suất của toàn hệ thống
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão
hòa
Ta có:
∆P = P
1

−
P
nt

= 3,5
−
0,3 = 3,2 at
16
Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và theo tỉ lệ
sau:
1
i
i
P
P
+
∆
∆
= 2,5
Mà: ∆P
1
+ ∆P
2
+∆P
3
= ∆P = 3,2 at
Suy ra: ∆P
1
= 2,051 at
∆P
2 = 0,821 at
∆P
3 = 0,328 at
Ta có:

∆P
1
= P
1
−
P
2
∆P
2 =
P
2
−
P
3

∆P
3

= P
3

– P
nt
Suy ra: P
2
= P
1
- ∆P
1
= 3,5

−
2,051 = 1,449 at
P
3
= P
2
- ∆P
2

= 1,449
−
0,821 = 0,628 at
2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: t
hd1
, t
hd2
, t
hd3
, t
nt
: nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị
ngưng tụ
t
ht1,
t
ht2
, t
ht3
:nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1
0
C (1
0
C
chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống dẫn), còn nhiệt độ
hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1
0
C.
Tra bảng I.250, ST QTTB T1 / 312 và I.251, [2] / 314
17
Bảng 2.1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 TBNT
P (at) T(
o
c) P (at) T (
o
c) P (at) T(
o
c)
P
(at)
T(
o
c
)
Hơi đốt 3,5 137,9 1,449 109,68 0,628 86,564
Hơi thứ 1,497 110,68 0,654 87,564 0,314 69,7
2.3 Xác định tổn thất nhiệt trong các nồi:
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn

thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:
Theo Tisencô: ∆
’
= ∆
o
’
f
Mà : f = 16,2.
2
s
T
r
Suy ra: ∆’ = ∆
o
’.16,2.
2
s
T
r
Trong đó:
∆
o
’
: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường
f : hệ số hiệu chỉnh.

18
T
m
: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị
bằng nhiệt độ hơi thứ,
o
C
r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg.
t’ : nhiệt độ hơi thứ,
o
C
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì
nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (x
c
) do đó ∆
’
lấy theo nồng độ cuối
dung dịch.
Tra đồ thị, Hình VI.2, STQTTB,T2/Trang 60,T1/Trang 312.
Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
x
c
(%kl)
∆
o
’
(
C
o
)

t’ (
C
o
)
r

(J/kg)
∆
’
(
C
o
)
Nồi I 30 12,2 110,68 2232,2.10
3
12,88
Nồi II 19,678 8,4 87,564 2290,6.10
3
7,723
Nồi III 14,821 7,1 69,7 2333,7.10
3
5,7
Tổng 3 nồi
∑∆
’
= ∆
1
’
+ ∆
2

’
+∆
3
’
= 26,303
2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch : Ở trên bề
mặt thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất trên
mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính toán,
ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch :
P
tb
= P
o
+ (h
1
+
2
2
h
)
dd
.
s
g
ρ
(at)
Với P
o
: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch

h
1
:chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, chọn h
1
= 0,5m cho cả 2 nồi.
h
2
: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3m cho cả 3 nồi.
19
dds
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
.
dds
ρ
=
dd
2
ρ
g: gia tốc trọng trường, m/s
2
Để tính t
tb
của dung dịch KOH ứng với P
tb
ta dùng công thức Babo:
(
s

P
P
)
t
= conts
Trong đó:
P: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch
Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội
suy từ bảng I.250/312-[1].
Nồi 1: Ứng với x
1
= 30%
→
t
s1
= 113,44
o
C (theo bảng I.204/236 –[1])
P
ht
= 1,497 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,642 at
Ta có: ρ
dd
= 962,14 (kg/m
3
) → ρ
dds
= 481,07 (kg/m

3
)
Suy ra: P
tb
= 1,497 + (0,5 + 1,5).481,07.9,81.10
-5

= 1,59 at
K =
s
P
P
=
1
1,642
= 0,69
Mà P = P
tb1

→
P
o
=

1,59
0,69

= 2,3 at
→
t

tb
= 124,92
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t
tm
= t
th
+
'∆
= 110,68 + 12,88 = 123,48
o
C
1
''∆
= t
tb
−
t
m
= 124,92
−
123,48 = 1,36
o
C
Nồi 2: Ứng với x
2
= 19,376%
→

t
s2
104,76
o
C
20
P
ht
= 0,654 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,25 at
ρ
dd
= 901,45 (kg/m
3
)
→
ρ
dds
= 450,725 (kg/m
3
)
Suy ra: P
tb
= 0,654 + (0,5 + 1,5).450,725.9,81.10
-5

= 0,74 at
K =
s

P
P
=
1
0,8
1,25
=
Mà P = P
tb2

→
P
o
=

0,74
0,928
0,8
=

at
→
t
tb
= 96,9
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t
tm

= t
th
+
'∆
= 87,56 + 7,723 = 95,283
o
C
Vậy
2
''∆
= 96,9
−
95,283 = 1,617
o
C
Nồi 3: Ứng với x
3
= 14,657%
→
t
s3
= 103,16
o
C
P
ht
= 0,314 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,18 at
ρ

dd
= 870,23 kg/m
3

→
ρ
dds
= 435,11 kg/m
3
Suy ra: P
tb
= 0,314 + (0,5 + 1,5).435,11.9,81.10
-5

= 0,399 at
K =
s
P
P
=
1
1,18
= 0,85
Mà P = P
tb3

→
P
o
=

0,399
0,85
= 0,469 at
→
t
tb
= 76,14
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t
tm
= t
th
+
'∆
= 69,7 + 5,7 = 75,4
o
C
Vậy
3
''∆
= 76,14
−
75,4 = 0,74
o
C
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:
1 2 3
'' '' '' ''∆ = ∆ + ∆ + ∆

= 1,36+1,617+0,74 = 3,717
o
C
2.3.3 Tổn thất do trở lực đường ống (
'''∆
)
21
Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1
o
C
Tổn thất nhiệt độ do trở lực gây ra trên cả hệ thống
'''∆
= 3
o
C
2.3.4 Tổn thất cho toàn hệ thống :
' '' '''∆ = ∆ + ∆ + ∆
= 26,303 +3,717 + 3 = 33,297
o
C
2.3.5 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi:
Cho từng nồi:
− Nồi 1:
1thi
∆
=
1 2 1hd hd
t t− − ∑∆
= 137,9
−

109,68
−
(12,88+1,36+1) = 12,98
o
C
1thi
∆
=
1 1 1 1 1hd s s hd thi
t t t t− ⇒ = − ∆
= 137,9
−
12,98 = 124,92
o
C
− Nồi 2:
2thi
∆
=
2 3 2hd hd
t t− − ∑∆
= 109,68
−
86,564
−
(7,723+1+1,617) = 12,78
o
C
2thi
∆

=
2 2 2 2 2hd s s hd thi
t t t t− ⇒ = − ∆
= 96,9
o
C
− Nồi 3:
3thi
∆
=
3 3hd nt
t t− − ∑∆
= 86,564
−
68,7
−
(5,7+1+0,74) = 10,424
o
C
3thi
∆
=
3 3 3 3 3hd s s hd thi
t t t t− ⇒ = − ∆
= 86,564
−
10,424 = 76,14
Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống:
1hi chung hd nt
t t t∆ = − ∑∆ = − − ∑∆

= 137,9
−
68,7
−
33,297 = 35,903
o
C
2.4 Cân bằng nhệt lượng
2.4.1 Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x<20%
C = 4186.(1
−
x), J/kg.độ CTI.43/52
x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%)
Nhiệt dung riêng dung dịch đầu :
C
đ
= 4186.(1
−
0,12) = 3683,68 J/kg.độ
22
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 :
C
3
= 4186.(1
−
0,14657) = 3572,458 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
C
2

= 4186.(1
−
0,19376)= 3374,921 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x>20%
C

= C
ht
.x + 4186.(1
−
x) J/kg.độ I.44/152
Theo công thức :
M
KOH
.C
ht
=
∑
C
i
N
i
I.41/152
M : Khối lượng mol của hợp chất
C
i
: nhiệt dung riêng của đơn chất
N
i
: số nguyên tử trong phân tử

Ta có
C
K
= 26000 (J/kg.độ) ; C
O
= 16800 (J/kg.độ) ; C
H
= 9630 (J/kg.độ)
→
C
ht
=
1
( . . . )
K K O O H H
ct
n c n c n c
M
+ +
=
1
58
(26000.1 + 16800.1 + 9630.1) = 903,97 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 :
C
1
= 903,97.0,3 + 4186.(1
−
0,3) = 3201,39 (J/kg.độ)
I : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)

i : nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)
Tra bảng I.249 STQTTB,T1/trang 310, bảng I.250 STQTTB,T1/trang 312)
Bảng 2.4 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt
độ sôi của dung dịch trong các nồi.
23
Nồi Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
T(
o
C)
I.10
3
(J/kg)
C
n
(J/kg.độ)
t(
o
C)
i.10
3
(J/kg)
C
(J/kg.độ)
t
s
(
o
C)
1 137,9 2737,1 4282,6 110,68 2697,1 3201,39 124,92
2 109,68 2695,4 4232,6 87,56 2657,6 3374,92 96,9

3 86,56 2655,8 4223,3 69,7 2625,8 3572,45 76,14
2.4.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
– D
1
, D
2
, D
3
là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)
– G
đ
, G
c
là lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h).
– W
1
, W
2
, W
3
là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3. (kg/h).
– C
1
, C
2
, C
3
là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ).
– C
đ

, C
c
là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ).
– C
n1
, C
n2
, C
n3
là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ).
– I
1
, I
2
, I
3
là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg).
– i
1
, i
2
, i
3
là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg).
– t
đ
, t
c
là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, (
o

C).
– t
1
, t
2
, t
3
là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở P
tb
(
o
C)
–
1 2 3
, ,
θ θ θ
là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, (
o
C).
– Q
tt1
, Q
tt2
, Q
tt3
là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Q∑
vào
=

ra
Q∑
Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:
Bảng 2.5 Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi
Nồi 1
Vào
Hơi đốt mang vào D
1
.I
1
24
Dung dịch mang vào (G
đ
−
(W
2
+W
3
)).C
2
.t
s2
Ra
Hơi thứ ra W
1
.i
1
Dung dịch mang ra (G
đ
−

W).C
1
.t
s1
Nước ngưng mang ra D
1
.C
n1
.
θ
1
Tổn thất nhiệt chung 1 0,05D
1
(I
1
-C
n1
.
θ
1)
Nồi 2 Vào
Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1) D
2
.I
2
=W
1
.i
1
Dung dịch ở nồi 1 mang vào (G

đ
-W
3
).C
3
.t
s3
Ra
Hơi thứ ra W
2
.i
2
Dung dịch mang ra (G
đ
-(W
2
+W
3
)C
2
.t
s2
Nước ngưng mang ra D
2
C
n2
θ
2
Tổn thất nhiệt chung 2 0,05D
2

(I
2
-C
n2
.
θ
2
)
Nồi 3
Vào
Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2) D
3
I
3
=W
2
i
2
Dung dịch nồi 2 mang vào G
đ
C
đ
t
đ
ra
Hơi thứ ra W
3
i
3
Dung dịch mang ra (G

đ
-W
3
)C
3
t
s3
Nước ngưng mang ra D
3
C
cn3
θ
3
Tổn thất nhiệt chung 3 0,05D
3
(I
3
-C
n3
θ
3
)
Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:
Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi 1 và nồi 2, (tra Bảng I.250/312 )
I = 2737,1.10
3
kJ/kg
i
1
= 2697,1.10

3
kJ/kg
i
2
= 2657,6.10
3
kJ/kg
i
3
= 2625,8.10
3
kJ/kg
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
t
đ
= 76,14
o
C
t
s1
= 124,92
o
C
t
s2
= 96,9
o
C
t
s3

= 76,14
o
C
Nhiệt dung riêng của dung dịch:
C
đ
= 3683,68 J/kg.độ
25