Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút NaOH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
I. MỞ ĐẦU:
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sản xuất hố chất
cơ bản. Nó đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt , tổng
hợp tơ nhân tạo, lọc hố dầu, sản xuất phèn...
NaOH là một baz mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao. Vì vậy cần lưu ý đến
việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an tồn lao động trong quá trình sản xuất.
Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)
2
tác
dụng với dung dịch Na
2
CO
3
lỗng và nóng
.
Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện
phân dung dịch NaCl bão hòa. Tuy nhiên dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất lỗng
, khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng người ta phải cô
đặc dung dịch đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hồ tan trong dung dịch bằng cách tách bớt
một phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh.
Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc theo cách tách dung môi dưới dạng hơi.
Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi
trên mặt thống dung dịch bừng với áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng
nồng độ các dung dịch lỗng, hoặc để tách các chất rắn hồ tan.
Quá trình cô đặc thường tiến hành ở các áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thường (
áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở , còn khi làm việc ở áp suất khác ( vd áp suất chân không )
người ta dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm

việc liên tục hoặc gián đoạn.
Thiết kế đồ án môn học máy và thiết bị hố chất giúp sinh viên làm quen với phương pháp
tính tốn máy thiết bị hố chất.
Tập đồ án này thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung
dịch xút NaOH có nồng độ đầu 15% đến nồng độ cuối 30%. Năng suất đầu vào là 1m
3
/hour.
II.CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ :
1. Qui trình công nghệ :
Năng suất của qui trình cô đặc là 1m
3
/h. Đây là năng suất nhỏ do đó ta chọn qui trình công nghệ
như sau.
Trang 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
2. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc:
Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảy
xuống qua thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việc của nồi I.
Dung dịch sau đó được đưa vào nồi I. Do có sự chênh lệch áp suất giữa nồi I và nồi II nên dung
dịch tiếp tục chảy qua nồi II rồi được bơm hút ra rồi chuyển vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ trong
nồi I dùng làm hơi đốt nồi II để tận dụng nhiệt. Hơi thứ nồi II sẽ được đưa qua thiết bị ngưng tụ
baromet và được chân không hút ra ngồi.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có các ống truyền
nhiệt và một ống tuần hồn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không
gian phía ngồi ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hồn trung tâm là : do ống tuần hồn có
đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch
sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ có ρ
ds
= 0.5 ρ
dd

do đó sẽ
tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hồn sang ống truyền nhiệt. Kết quả là tạo một dòng
chuyển động tuần hồn trong thiết bị. Để ống tuần hồn trung tâm hoạt động có hiệu quả dung dịch
chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc
để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra
khỏi hơi thứ.
A.TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
III.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
1. Chuyển đơn vị năng suất từ (m
3
/h) sang (kg/h) :
Năng suất nhập liệu : G’
D
=1 m
3
/h.
Khối lượng riêng : ρ
NaOH
= 1159 kg/m
3
G
D
= G’
D
∗ ρ
NaOH
= 1159 kg/h
Nồng độ nhập liệu : x
D
= 15 %

Nồng độ cuối của sản phẩm : x
C
= 30%
Trang 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất : G
D
∗ x
D
= G
C
∗ x
C
Suy ra: G
C
=
C
DD
x
xG
∗
=
30
151159
∗
= 579.5 kg/h .
2. lượng hơi thứ bốc lên trong tồn hệ thống :
Áp dụng công thức :
)1(
C

D
D
x
x
GW
−=
kg/h
Trong đó:
W : Lượng hơi thứ của tồn hệ thống kg/h
G
D
: Lượng dung dịch ban đầu kg/h
x
D
,x
C
: Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng
Thay số vào ta có:
5.579)
30
15
1.(1159)1(
=−=−=
C
D
D
x
x
GW
kg/h.

3. Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi :
Chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi I và II là :
1.1
=
II
I
W
W
Khi đó ta có hệ phương trình:

1.1
=
II
I
W
W
W
I
+ W
II
= W
Giải hệ trên có kết quả :
W
I
= 303.5 kg/h
W
II
= 276 kg/h
4. Xác định nồng độ dung dịch từng nồi :
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi I :

x’
C
=
32.20
5.3031159
15.1159
.
=
−
=
−
ID
DD
WG
xG
%
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi II :
x’’
C
=
30
2765.3031159
15.1159
.
=
−−
=
−−
IIID
DD

WWG
xG
%
IV.CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:
Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:
Theo đầu bài áp suất ngưng tụ là: P
ng
= 0.5 at
Chọn áp suất của hơi đốt vào nồi I là : P
1
= 3.5 at
Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :
∆P
t
=P
1
– P
ng
= 3.5 – 0.5 = 3 at
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là :
5.1
2
1
=
∆
∆
P
P
Kết hợp với phương trình : ∆P

1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 3 at
Trang 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Suy ra : ∆P
1
= 1.8 at
∆P
2
= 1.2 at
Dựa vào các dữ kiện trên và tra sổ tay qúa trình thiết bị tập I ta có bảng sau đây :
Loại Nồi I Nồi II Tháp ngưng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất
(at)

Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 3.50 T
1
=137.9 P
1
=1.70 T
2
=114.5
Hơi
thứ
P’
1
=1.76 t’
1
=115.5 P’
2
=0.52 t’
2
=81.9
2. Xác định nhiệt độ tổn thất :
a. Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (∆’):
Áp dụng công thức của Tiaxenko:
∆’ = ∆’

o
. f
Ở đây :
∆’
o
: Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường.
f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường.
f
i
i
r
t
2
)'273(
2.16
+
=
t’
i
: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ I
r
i
: ẩn nhiệt hố hơi của hơi ở nhiệt độ t’
i
.
Từ các dữ kiện trên ta lập được bảng sau:
Đại lượng
Nồi I
x
C

(%k.l)
∆’
o

(
0
C )
t’
(
0
C )
r.10
-3

(j/kg )
∆’
i

(
0
C )
Nồi I 20.32 8.457 115.5 2218.7 9.33
Nồi II 30.00 17.0 81.9 2304.6 15.05
Từ đây ta có tổng tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao :
Σ∆’ = ∆’
I
+∆’
II
= 9.33 +15.05 = 24.38
0

C
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (∆’’ ):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:
∆P =
2
1
ρ
S
.g.H
op
N/m
2
Trong đó:
ρ
s
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi , kg/m
3
ρ
s
=0.5 ρ
dd
ρ
dd
: Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m
3
H
op
: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m

Trang 4
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o
Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua công thức:
P
tbi
= P’
i
+∆P
i
( i ): nồi thứ i
Tra sổ tay ta có được bảng sau:
x
C
,% t’ ,
0
C
ρ
dd ,
kg/m
3
ρ
dm

,kg/m
3
Nồi I 20.32 115.5 1173.4 958
Nồi II 30.00 81.9 1276 958
Coi ρ
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung
bình của chất lỏng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H
o
=1.5 m.
Nồi I:
H
op1
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o
=[0.26+0.0014(1173.4-958)]*1.5=0.84234 ,m
Áp suất trung bình:
P
tb1
= P’
1
+∆P
1
=1.76+0,5.0,5.1173.4.10
-4

.0.84234=1.785 at
Tra sổ tay tại P
tb1
=1.785 (at) ta có

t”
1
=116.03
0
C.
Suy ra : ∆”
1
=(t”
1
+∆’
1
)

– (t’
1
+∆’
1
)= 116.03– 115.5 =0.53
0
C
Nồi II:
H
op2
= [0.26+0.0014(ρ
dd

-ρ
dm
)].H
o
=[0.26+0.0014(1276-958)]*1.5=1.0578 ,m
Áp suất trung bình:
P
tb2
= P’
2
+∆P
2
=0,52+0,5.0,5.1276.10
-4
.1,0578=0,554 at
Tra sổ tay tại P
tb2
= 0.554 (at) ta có t”
2
= 83.37
0
C.
Suy ra : ∆”
2
=(t”
2
+∆’
2
)

– (t’
2
+∆’
2
)= 83.37 – 81.9 =1.47
0
C
Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là:
Σ∆” =∆”
1
+∆”
2
=0.53+1.47 = 2.00
0
C
c. Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (∆”’)
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi nọ và từ nồi cuối
đến thiết bị ngưng tụ là 1
0
C. Do đó:
∆”’
1
=1.5
0
C
∆”’
2
=1.0
0
C

d. Tổn thất chung trong tồn hệ thống cô đặc:
Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’=24.38+2.00+2.5=28.88
0
C
3. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:
Nồi I: ∆t
i1
=T
I
– (T
2
+Σ∆
1
) =137.9 – (114.5+9.33+0.53+1.5)=12.04
0
C
Nồi II: ∆t
i2
=T
2
– (t
ng
+Σ∆
2
) =114.5– (80.9+15.05+1.47+1)=16.08
0
C
Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:
Nồi I : ∆t

i1
=T
I
–t
S1
suy ra t
S1
=T
1
- ∆t
i1
=137.9 – 12.04 = 125.86
0
C
Nồi II : ∆t
i2
=T
2
–t
S2
suy ra t
S2
=T
2
- ∆t
i2
=114.5 – 16.08 = 98.42
0
C
4. Cân bằng nhiệt lượng:

Trang 5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
a. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
Nồi I:
Nồng độ đầu dung dịch x
D
=15%<20% nên ta áp dụng công thức:
C
D
=4186 (1-x
D
) =4186 (1- 0.15) =3558.1 ,j/kg.độ
Nồi II:
Coi C
1
≈
C
2
. Do x
C
=30%>20% nên áp dụng công thức: C
1
=C
2
=4186 – ( 4186 – C
ht
)x
C1
C
ht

: Nhiệt dung riêng của chất hồ tan ,j/kg.độ
M.C
ht
=n
1
.c
1
+ n
2
.c
2
+ n
3
.c
3
+. . . n
n
.c
n
(*)
Tra sổ tay tập I ta có:
M
NaOH
=40
n
1
=n
2
=n
3

=1
c
1
=c
Na
= 26 j/kg n.tửû.độ
c
2
=c
O
= 16.8 j/kg n.tửû.độ
c
3
=c
H
= 9.6 j/kg n.tửû.độ
Thay vào (*) ta có: C
ht
=
131010.
40
6.98.1626
3
=
++
j/kg.độ
Nhiệt dung riêng dung dịch ra khỏi nồi II là:
C
2
=C

1
=4186 – ( 4186 – C
ht
)x
C2
=4186 – (4186 – 1310)0.3
=3323.2 j/kg.độ
b. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng (CBNL):
Nồi I:
D.i+G
D
.C
D
.t
D
=W
1
.i
1
+(G
D
– W
1
)C
1
.t
1
+D.C
ng1
. θ

1
+Q
xq1
Nồi II:
W
1
.i
1
+(G
D
–W
1
)C
1
.t
1
=W
2
.i
2
+(G
D
– W)C
2
.t
2
+W
1
.C
ng2

.θ
2
+Q
xq2
Trong đó:
D: lượng hơi đốt dùng co hệ thống ,kg/h
i,i
1
,i
2
: hàm nhiệt của hơi đốt , hơi thứ nồi I và nồi II ,j/kg
t
D
, t
1
, t
2
: nhiệt độ sôi ban đầu, rakhỏi nồi I và nồi II của dung dịch ,
0
C
C
D
, C
1
, C
2
:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II của dung dịch , j/kg.độ
θ
1,
θ

2
:nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I và nồi II ,
0
C
C
ng1
, C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi I và nồi II ,j/kg.độ.
Q
xq1
,Q
xq2
:nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh , J
G
D
: lượng dung dịch lúc ban đầu ,kg/h

Chọn hơi đốt , hơi thứ là hơi bão hồ, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ, khi đó ta có:
i- C
ng1
. θ
1
=r (θ
1
) và i
1
- C
ng2
. θ

2
=r(θ
2
)
tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây:
đầu vào Đầu ra nồi I Đầu ra nồi II
Dung dịch NaOH :
+ t
D
=125.33
0
C
+ C
D
= 3558.1 j/kg.độ
+ G
D
=1159 kg/h
Hơi đốt:
Dung dịch NaOH :
+ t
1
=125.86
0
C
+ C
1
= 3323.2 j/kg.độ
Hơi thứ :
+θ

2
=114.5
0
C
Dung dịch NaOH:
+ t
2
=98.42
0
C
+ C
2
= 3323.2 j/kg.độ
+ G
2
=579.5 kg/h
Hơi thứ :
Trang 6