THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP ĐỂ CHƯNG CẤT RƯỢU ETYLIC NĂNG SUẤT SẢN PHẨM 1000 l-h

Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP ĐỂ CHƯNG CẤT
RƯỢU ETYLIC NĂNG SUẤT SẢN PHẨM : 1000
l/h
Lời nói đầu
Ngày nay, 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 qui 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 môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián
đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, năng suất 2.5m
3
/mẻ, sử dụng ống
chùm.
Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại tồn bộ các kiến
thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngồi ra đây còn là dịp mà sinh viên có
thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính tốn và thiết kế các chi tiết của một thiết
bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế.
Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình
thực hiện đồ án khó có thể tránh được 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 này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Lê Xuân Hải,
và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học và Dầu khí trường Đại học
Bách khoa thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Hải và các
thầy cô khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.
SVTH : trang 1
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN
Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián

đoạn dung dịch KOH từ nồng độ 25% đến nồng độ 40%, năng suất 2.5m
3
/mẻ, sử dụng ống
chùm.
II. TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU
- KOH là một khối tinh thể trong suốt, màu trắng, 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, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH (dạng dung dịch được sử dụng nhiều).
Aùp suất hơi của nước trên KOH ở nhiệt độ phòng là 0.002 mmHg
III. CÔ ĐẶC
1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung
dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi
trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương
pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách
bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
2. Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi 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 thống
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
tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở
nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
SVTH : trang 2
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
3. Phân loại và ứng dụng
a. Theo cấu tạo
• Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá lỗng,
độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hồn 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 hồn trong
hoặc ngồi.
- Có buồng đốt ngồi ( 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:
- Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
- Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
• 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 ngồi: dung dịch sôi tạo bọt khó
vỡ.

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sôi ít tạo bọt và
bọt dễ vỡ.
b. 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 hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
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.
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.
4. Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn
• Ưu điểm
- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.
- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.
- Thao tác dễ dàng.
- Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.
- Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
• Nhược điểm
SVTH : trang 3
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
- Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo
nồng độ, thời gian.
- Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dùng được cho mục đích khác.

- Khó giữ được độ chân không trong thiết bị.
IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1. Thuyết minh quy trình công nghệ
- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0.65 at.
- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 25% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc
bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ 2.5m
3
thì
ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 2.5m
3
thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at) vào
buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) và
một ống tuần hồn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong ống được gia
nhiệt bởi hơi đốt đi ngồi ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hồn qua ống tuần hồn (do
ống tuần hồn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hồn
sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hồn sẽ
lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch
từ ống tuần hồn sang các ống truyền nhiệt). Dung môi là nước bốc hơi và thốt ra ngồi qua
ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi thứ được dẫn qua thiết bị
ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra
ngồi bồn chứa. Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không
ngưng được bơm chân không hút ra ngồi. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngồi qua cửa tháo
nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngồi.
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 40% (sau thời gian cô đặc đã tính: 45 phút) thì
ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu.
2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
a Bơm
Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không.
+ Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng.

Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch KOH từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô
đặc.
+ Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc.
b Thiết bị cô đặc
Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và
buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hồn trung
tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng
hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần hồn được
sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hồn trong thiết bị.
SVTH : trang 4
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
c Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ
trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng
thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao
cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà không cần máy bơm.
d Thiết bị tách lỏng
Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử bay
hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không.
e Các thiết bị phụ trợ khác
- Bẫy hơi
- Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.
SVTH : trang 5
Đồ án mơn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xn Hải
Tỉ lệ:
Chức năng
CNB M
GVHD

SVTT
Họ tên Chữ ky ù
Ng ày HT
Ngày BV
VŨ BÁ MINH
MAI ANH DŨNG
LÊ XUÂN HẢI
BA ÛN VẼ QUI TR ÌNH
CÔNG NGH Ệ
Trươ øng Đa ïi họ c Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh
Kh oa Co âng Ng hệ Hoa ù học
BỘ MÔN MA Ù Y VÀ T HIẾT BỊ
Bản vẽ số: 02
T HIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHA ÂN KHÔNG GIÁ N ĐOA ÏN
DUN G DỊC H KOH NĂNG SU ẤT 2.5m /m e
û
P T
P
P T
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1 1
12
13
1 4
15
16
1 7
18
19
BỒN C HỨA NGU YÊN L IỆU 1 X1 8H10T
BƠM NHẬ P LIỆU 1
ĐẦU TH Ử SẢN PHẨM 1
1 X1 8H10TỐNG DẪN HƠI ĐỐT
1
X1 8H1 0T
ỐNG THÔ NG ÁP 1 X18 H10T
ỐNG DẪN H ƠI THỨ
d =50,
δ
=3. 5
1 X18 H10 T
Á P KẾ 3
NHIE ÄT KẾ 2
TH IẾT B Ị C Ô ĐẶC
d=16 0,
δ
=5
1 X1 8H10T
ỐNG XẢ KHÍ KHO ÂNG NGƯNG
1 X1 8H1 0T

ỐNG TH ÁO NƯỚ C NGƯNG 1
BỒN CHỨA SA ÛN PHA ÅM
1
BẪY HƠ I 1
THIẾT B Ị NGƯNG T Ụ BARO MET
d=25,
δ
=3.5
1 X18 H10T
ỐNG DẪN NƯƠ ÙC VÀO 1 X18 H10T
ỐNG DẪ N HƠI TH Ứ VÀO
1 X1 8H1 0T
THIẾT BỊ T HU HỒI 1 X18 H10T
BE Å CH ỨA NƯỚ C NGƯN G 1
ỐNG NHA Ä P LIỆU
STT TÊ N G ỌI Đ A ËC TÍN H KỸ THUA ÄT SL V A ÄT LIỆU
1
2
10
18
1914
13
15
20
4
5
6
8 9
16
17

12
11
3
7
2 0
BƠM CHÂ N KHÔNG
d=40 0,
δ
=13
X18 H10T
1
D=500,
Η
=4900
3
d =300
d=10 0
2 2/06/05
28/06/ 05
SVTH : trang 6
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
A. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các số liệu ban đầu:
• Dung dịch KOH có:
- Nhiệt độ đầu 25
o
C, nồng độ đầu 25%.
- Nồng độ cuối 40%.

• Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
• Aùp suất ngưng tụ: P
ck
= 0.65 at.
Cô đặc gián đoạn với năng suất 2.5m
3
/mẻ
1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, % 25 30 35 40
Khối lượng riêng, kg/m
3
1239 1291 1344 1399
2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
G
đ
= G
c
+ W
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
Trong đó
G
đ
, G

c
: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg
x
đ
, x
c
: nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn
G
đ
.x
đ
, G
c
.x
c
: khối lượng KOH trong dung dịch, kg
a Giai đoạn 25% đến 30%
G
đ
= 2.5m
3
= 2.5*1239 = 3097.5 kg
x
đ
= 0.25 ; x
c
= 0.3
• Lượng sản phẩm ( là dung dịch KOH 30% )
G

c
= G
đ
.
25.2581
3.0
25.0
*5.3097
x
x
c
ñ
==
kg
• Lượng hơi thứ
W = G
đ
- G
c
= 3097.5 – 2581.25 = 516.25 kg
b Giai đoạn 30% đến 35%
G
đ
= 2581.25 kg ; x
đ
= 0.3 ; x
c
= 0.35
⇒
G

c
=
5.2212
35.0
3.0
*25.2581
x
x
.G
c
ñ
ñ
==
kg
W = G
đ
– G
c
= 2581.25 – 2212.5 = 368.75 kg
c Giai đoạn 35% đến 40%
G
đ
= 2212.5 kg ; x
đ
= 0.35 ; x
c
= 0.4
SVTH : trang 7
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
9375.1935

4.0
35.0
*5.2212
x
x
.GG
c
ñ
ñc
===⇒
kg
W = 2212.5 – 1935.9375 = 276.5625 kg
• Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W
t
= 516.25 + 368.75 + 276.5625 = 1161.5625 kg
• Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
Thể tích dung dịch trong nồi, m
3
2.5 2 1.65 1.38
Khối lượng dung dịch, kg 3097.5 2581.25 2212.5 1935.9375
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 516.25 885 1161.5625
Khối lượng riêng dung dịch, kg/m
3
1239 1291 1344 1399
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Aùp suất thiết bị ngưng tụ P
o
= 0.35 at.

⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t
o
= 72.05
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] ).
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ
K1
'''
=∆
.
⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t
1
= 72.05 + 1 = 73.05
o
C.
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thống dung dịch
)P(sdm
1
t
=
73.05
o
C.
⇒
Aùp suất trên mặt thống dung dịch trong buồng bốc P
1
= 0.3636 at
≈

0.36 at (Bảng I.250
trang 312 Tài liệu [1]).
1. Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sôi dung dịch
Ta có tổn thất nhiệt độ sôi theo nồng độ dung dịch KOH ở áp suất khí quyển (Bảng VI.2
trang 61 Tài liệu [2]). Từ đó suy ra nhiệt độ sôi dung dịch KOH ở áp suất khí quyển theo các
nồng độ là:
Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
'
∆
ở Pa,
o
C 10 12.2 17 23.6
Nhiệt độ sôi dung dịch ở Pa,
o
C 110 112.2 117 123.6
a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch KOH theo nồng độ ở
áp suất P
1
= 0.3636 at
Theo phương pháp Babo ( Công thức 5.9 trang 150 Tài liệu [3] )
2
2
1
2
t
OH
dd
t
OH
dd

P
P
P
P








=








* Xét dung dịch KOH 25%
SVTH : trang 8
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
Nhiệt độ dung dịch KOH 25% ở Pa = 1.033 at là 110
o
C
Ở 110
o
C áp suất hơi nước bão hòa là 1.461 at ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] ).

Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch ở P
1
= 0.3636 at

110
OH
dd
t
OH
dd
22
P
P
P
P








=









461.1
033.1
P
3636.0
)t(OH
2
=
51.0P
)t(OH
2
=⇒
4 at
Vậy nhiệt độ sôi của nước ở 0.51 at là t = 81.54
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [2] )
⇒
Nhiệt độ sôi của dung dịch KOH 25% ở P
1
= 0.3636 at là 81.54
o
C
Tổn thất nhiệt độ sôi
49.805.7354.81
'
=−=∆
o
C
Tính tương tự ở các nồng độ 30%, 35%, 40% ta được kết quả sau:

Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
Nhiệt độ sôi dung dịch,
o
C 81.54 83.43 87.36 92.96
Tổn thất
'
∆
,
o
C 8.49 10.38 14.31 19.91
b Tổn thất nhiệt độ do hiệu ứng thủy tĩnh
''
∆
. Nhiệt độ sôi dung dịch ở áp suất trung
bình
Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]
)P(sdm)P(sdm)P(sdd)P(sdd
''
1tb1tb
tttt
−=−=∆
Với: P
tb
= P
1
+ 0.5
hh
ρ
.g.H
op

= P
1
+
∆
P
•
∆
P = 0.5
hh
ρ
.g.H
op

•
ddhh
2
1
ρρ
=

Trong đó
dd
ρ
: Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ
)PP(sdd
1
t
∆+
• H
op

: Chiều cao lớp chất lỏng sôi
Trong thiết bị tuần hồn tự nhiên
H
op
=
( )
[ ]
odmdd
H.0014.026.0
ρρ
−+
Với H
o :
Chiều cao ống truyền nhiệt

dm
ρ
: Khối lượng riêng dung môi ở t
sdm

* Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H
o
= 1.5m
 Tính cho trường hợp dung dịch KOH 25%
Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số
dmdd
ρρ
−
thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra
dmdd

,
ρρ
ở 15
o
C
3
dm
m/kg999
=
ρ
3
%)25(dd
m/kg1239
=
ρ
SVTH : trang 9
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
[ ]
894.05.1*)9991239(*0014.026.0H
op
=−+=⇒
m
⇒
at03.0m/N55.2716894.0*81.9*1239*
2
1
*5.0H*g**5.0P
2
ophh
====∆

ρ
at3936.003.03636.0PPP
1tb
=+=∆+=⇒
Nhiệt độ sôi của H
2
O ở 0.394 at là 74.998
o
C
99.74
≈
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu
[1] )
Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh
94.105.7399.74tt
)P(sdm)P(sdm
''
1tb
=−=−=∆
o
C
⇒
nhiệt độ sôi dung dịch KOH 25% ở áp suất P
1
+
P
∆
48.8394.154.81t
)PP(sdd

1
=+=
∆+
o
C
 Tính tương tự ta được
Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
''
∆
,
o
C 1.94 1.94 2.41 2.41
)PP(sdd
1
t
∆+
83.48 85.37 89.77 95.37
2. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn
Tính theo công thức 4.4 trang 181 Tài liệu [4]
* Phương trình cân bằng nhiệt
cñt
''
wcccññ.ñ
''
D
QQ.c.Di.Wt.c.Gt.cGi).1.(D.c.D.
±+++=+−+
θϕθϕ
Với
D : lượng hơi đốt sử dụng, kg

%5
=
ϕ
: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo

θ
: nhiệt độ nước ngưng,
o
C
C : nhiệt dung riêng nước ngưng ở
C
o
θ
, J/kg độ
c
đ
, c
c
: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ
t
đ
, t
c
: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn,
o
C

''
D

i
: entanpi của hơi đốt, J/kg

''
w
i
: entanpi của hơi thứ, J/kg
Q
t
: nhiệt lượng tổn thất, J
Q
cđ
: nhiệt lượng cô đặc, J
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo )
Q
D
= D.(1-
ϕ
).(
θ
.ci
''
D
−
) = D.(1-
ϕ
).r
r =
θ
.ci

''
D
−
: nhiệt hóa hơi của nước ở áp P
Đ
* Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính theo công thức 4.11 trang 182 Tài liệu [4]
c
dd
= 4190.(1-x) + c
1
.x
Trong đó
x: nồng độ dung dịch
SVTH : trang 10
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
c
1
: nhiệt dung riêng KOH khan, J/kg độ
Theo công thức 4.12 trang 183 Tài liệu [4]
c
1
=
936
56
10*6.910*8.1610*26
333
=
++
J/kg độ

Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch. % 25 30 35 40
Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ 3376.5 3213.8 3051.1 2888.4
* Chọn hơi đốt có áp suất P
D
=3 at
⇒

t
D
=132.9
o
C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at
r = 2171.10
3
J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
* Entanpi của hơi thứ ở 73.05
o
C
''
w
i
=2632.2*10
3
J/kg ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] )
* Tổn thất nhiệt Q
t
= 0.05*Q
D

* Xem nhiệt cô đặc là không đáng kể
a Giai đoạn đưa dung dịch 25% từ 25
o
C đến 83.48
o
C
G
đ
= G
c
= 3097.5 kg
c
đ
= c
c
=3376.5 J/kg độ
t
đ
= 25
o
C ; t
c
=83.48
o
C ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
1
=3097.5*3376.5*(83.48-25) =6.12*10
8

J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D1
=
8
1
10*44.6
95.0
Q
=
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
1
=
25.312
10*2171*)05.01(
10*44.6
3
8
=
−
kg
b Giai đoạn đưa dung dịch từ 25% đến 30%
G
đ
= 3097.5 kg ; c
đ
=3376.5 J/kg độ ; t

đ
=83.48
o
C
G
c
= 2581.25 kg ; c
c
= 3213.8 J/kg độ ; t
c
= 85.37
o
C
W = 516.25
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q
2
= 2581.25*3213.8*85.37 – 3097.5*3376.5*83.48 + 516.25*2632.2*10
3

Q
2
=11.94*10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D2
=
8

8
2
10*57.12
95.0
10*94.11
95.0
Q
==
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
=
47.609
10*2171*)05.01(
10*57.12
3
8
=
−
kg
SVTH : trang 11
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
c Giai đoạn đưa dung dịch từ 30% đến 35%
G
đ
= 2581.25 kg ; c
đ
= 3213.8 J/kg độ ; t
đ

= 85.37
o
C
G
c
= 2212.5 kg ; c
c
= 3051.1 J/kg độ ; t
c
= 89.77
o
C
W = 368.75 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
3
= 2212.5*3051.1*89.77 – 2581.25*3213.8*85.37 + 368.75*2632.2*10
3

Q
3
= 8.68*10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D3
=
8
8

10*14.9
95.0
10*68.8
=
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
3
=
16.443
10*2171*)05.01(
10*14.9
3
8
=
−
kg
d Giai đoạn đưa dung dịch từ 35% đến 40%
G
đ
= 2212.5 kg ; c
đ
= 3051.1 J/kg độ ; t
đ
= 89.77
o
C
G
c
= 1935.9375 kg ; c

c
= 2888.4 J/kg độ ; t
c
= 95.37
o
C
W = 276.5625 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
4
= 1935.9375*2888.4*95.37 – 2212.5*3051.1*89.77 + 276.5625*2632.2*10
3
Q
4
= 6.55*10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D4
=
8
8
10*89.6
95.0
10*55.6
=
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D

4
=
07.334
10*2171*)05.01(
10*89.6
3
8
=
−
kg
* Tổng nhiệt lượng
Q
D
= 6.44*10
8
+ 12.57*10
8
+ 9.14*10
8
+ 6.89*10
8
=35.04*10
8
J
* Tổng lượng hơi đốt
D = 312.25 + 609.47 + 443.16 + 334.07 =1698.95 kg
* Lượng hơi đốt riêng
D
riêng
=

46.1
5625.1161
95.1698
W
D
==
kg/kg hơi thứ
* Tóm tắt cân bằng năng lượng
Nồng độ dung dịch. % 25(25
o
C) 25(83.48
o
C) 30 35 40
Nhiệt lượng hữu ích, J*10
-8
0 6.12 18.06 26.74 33.29
Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*10
-8
6.44 19.01 28.15 35.04
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 312.25 921.72 1364.88 1698.95
SVTH : trang 12
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
B. TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
1. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
1.1 Các kí hiệu và công thức
1
α
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m
2

K
2
α
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m
2
K
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m
2
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m
2
q
v
: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt, W/m
2
1
v
t
: nhiệt độ trung bình vách ngồi ống,
o
C
2
v
t
: nhiệt độ trung bình vách trong ống,
o
C

t
D
: nhiệt độ hơi ngưng, t
D
= 132.9
o
C
t
dd
: nhiệt độ dung dịch sôi,
o
C
1
vD1
ttt −=∆

ddv2
ttt
2
−=∆
21
vvv
ttt
−=∆
( )
1
vDm
tt
2
1

t
+=
: nhiệt độ màng nước ngưng,
o
C
1.1.1 Phía hơi ngưng
111
t.q
∆=
α
(1)
Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
4
1
1
H*t
r
*A*04.2
∆
=
α
(2)
Với A=
25.0
32
.









µ
λρ
phụ thuộc vào nhiệt độ màng t
m
t
m
,
o
C 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
ρ
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ t
m
, kg/m
3
λ
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t
m
, W/mK
µ
:độ nhớt của nước ở nhiệt độ t
m
, Pas
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t
D
r = 2171*10

3
J/kg
H = 1.5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
1.1.2 Phía dung dịch
q
2
=
22
t.
∆
α
(3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
SVTH : trang 13
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
435.0
dd
n
n
dd
2
n
dd
565.0
n
dd
n2
.
c
c

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

λ
λ
αα
(4)
Trong đó
nnnn
,c,,
µρλ
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m
3
), nhiệt dung riêng (J/kg
độ), độ nhớt (Pas) của nước
dddddddd
,c,,
µρλ
: các thông số của dung dịch theo nồng độ
n
α
: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m
2
K
15.07.0
n
p*q*56.0
=
α
(5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2])
Với q : nhiệt tải riêng, W/m
2
p : áp suất tuyệt đối trên mặt thống, N/m

2
p = p
1
= 0.3636 at = 35669.16 N/m
2
* Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] )
t
sdm
= 73.05
o
C
=
n
ρ
975.97 kg/m
3
c
n
= 4189.44 J/kg độ
n
µ
= 0.38619*10
-3
Ns/m
2
n
λ
= 66.983*10
-2
W/mK

* Các thông số của dung dịch
•
dd
µ
tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] ( ở 40
o
C )
•
dd
λ
tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
3
dd
dd
dddd
8
M
**c*10*58.3
ρ
ρλ
−
=
, W/mK
M
dd
=
18
x1
56
x

1
−
+
Với x : nồng độ dung dịch
• c
dd
và
dd
ρ
xác định theo nồng độ
Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
t
sdd
,
o
C 83.48 85.37 89.77 95.37
dd
ρ
, kg/m
3
1239 1291 1344 1399
c
dd
, J/kg độ 3376.5 3213.8 3051.1 2888.4
dd
µ
, Ns/m
2
1.31*10
-3

1.57*10
-3
1.83*10
-3
2.09*10
-3
M
dd
21.68 22.6 23.61 24.71
dd
λ
, W/mK
0.577 0.572 0.565 0.555
1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt
Theo thí dụ 19 trang 148 Tài liệu [4]
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
(6)
SVTH : trang 14
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
⇒
v
t

∆
=
∑
vv
r.q
Trong đó:
∑
++=
2v
v
1
v
r
1
rr
1
r
δ
Lấy
4000
1
r
1
r
1
21
==
, (W/mK)
-1
2

v
=
δ
mm: bề dày ống truyền nhiệt
=
v
λ
17.5 W/mK: hệ số dẫn nhiệt qua vách
4000
1
5.17
10*2
4000
1
r
3
v
∑
++=⇒
−
=6.143*10
-4
, (W/mK)
-1
1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K
∑
++
=
2
v

1
1
r
1
1
K
α
α
, W/m
2
K
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như
sau
1 Chọn
1
v
t
(< t
D
)
1
t
∆⇒
2 Tính
1
α
theo công thức (2)
3 Tính q
1
theo công thức (1)

4 Tính
v
t
∆
theo công thức (6) với q
v
= q
1
2v
t,t
2
∆⇒
5 Tính
n
α
theo công thức (5) với q = q
1
6 Tính
2
α
theo công thức (4)
7 Tính q
2
theo công thức (3)
8 Tính q
tb
=
( )
21
qq.

2
1
+
9 Xác định sai số ss =
1
tb1
q
qq
−
Nếu ss > 5% thì chọn lại
1
v
t
và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ
10 Tính K theo công thức (7)
1.2 Tính K cho các giai đoạn
a. Tímh ở nồng độ 25%
Chọn
•
K2.5t7.127t
1v
1
=∆⇒=
• Tính
1
α
( )
09.191AC3.1307.1279.132*
2
1

t
o
m
=⇒=+=
84.8953
5.1*2.5
10*2171
*09.191*04.2
H*t
r
*A*04.2
4
3
4
1
1
==
∆
=⇒
α
W/m
2
K
•
2
111
m/W968.465592.5*84.8953t.q
==∆=
α
SVTH : trang 15

Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
•
C6.2810*143.6*968.46559r.qt
o4
v1v
===∆
−
∑
C1.996.287.127t
o
v
2
=−=⇒
C62.1548.831.99t
o
2
=−=∆⇒
•
21.499616.35669*968.46559*56.0p*q*56.0
15.07.015.07.0
1n
===
α
W/m
2
K
435.0
3
3
2565.0

2
10*31.1
10*38619.0
*
44.4189
5.3376
*
97.975
1239
66983.0
577.0
*21.4996





















=
−
−
α
Km/W74.3024
2
2
=
α
•
44.4724662.15*74.3024t.q
222
==∆=
α
W/m
2
•
( ) ( )
2
21tb
m/W2.4690344.47246968.46559
2
1
qq.
2
1
q
=+=+=

=
−
=
1
tb1
q
qq
ss
%7.0007.0
968.46559
44.47246968.46559
==
−
(thỏa)
Vậy
C7.127t
o
v
1
=

K =
Km/W44.946
74.3024
1
10*143.6
94.8953
1
1
2

4
=
++
−
b. Tính ở nồng độ 30%
Tính tương tự
C2.128t
o
v
1
=
K =
Km/W8.911
84.2676
1
10*143.6
63.9186
1
1
2
4
=
++
−
c. Tính ở nồng độ 35%
Tímh tương tự
129t
1
v
=

o
C
K =
Km/W08.865
95.2283
1
10*143.6
35.9631
1
1
2
4
=
++
−
d. Tính ở nồng độ 40%
Tính tương tự
C130t
o
v
1
=
K =
Km/W87.798
98.1847
1
10*143.6
92.10379
1
1

2
4
=
++
−
o Bảng tóm tắt
Nồng độ dung dịch,% 25 30 35 40
t
sdd
,
o
C 83.48 85.37 89.77 95.37
q
1
, W/m
2
46559.968 43177.16 37562.265 30101.77
q
2
,W/m
2
47246.44 43659.26 36908.63 29826.4
q
tb
, W/m
2
46903.2 43418.21 37235.45 29964.08
1
α
,W/m

2
K 8953.94 9186.63 9631.35 10379.92
SVTH : trang 16
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
2
α
, W/m
2
K 3024.74 2676.84 2283.95 1847.98
K, W/m
2
K 946.44 911.8 865.08 798.87
ss, % 0.7 0.6 0.9 0.5
2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ 25
o
C đến 83.48
o
C
2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu
1
α
,
2
α
, q
1
,

q

2
,

q
v
,
1
v
t
,
2
v
t
, t
D
, t
dd
,
v21
t,t,t
∆∆∆
, t
m
như mục 1.1
2.1.1 Phía hơi ngưng
111
t.q
∆=
α
4

1
1
H*t
r
*A*04.2
∆
=
α
A xác định theo t
m
r = 2171*10
3
J/kg
H = 1.5 m
2.1.2 Phía vách
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
∑
−−
=
124
v
)Km/W(10*143.6r

2.1.3 Phía dung dịch
222
t.q
∆=
α
l
.Nul.
Nu
dd
2
dd
2
λ
α
λ
α
=⇒=
Trong đó
( )
n
Pr.Gr.CNu
=
dd
dddd
.c
Pr
λ
µ
=
2

dd
2dd
3
dd
g.t...l
Gr
µ
βρ
∆
=
* C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
 Gr.Pr
3
10
−
≤
thì Nu = 0.5
 Gr.Pr
50010
3
→=
−
thì
( )
125.0
Pr.Gr18.1Nu
=

7
10.2500Pr.Gr

→=
thì
( )
25.0
Pr.Gr54.0Nu
=
 Gr.Pr
7
10.2
>
thì
( )
33.0
Pr.Gr135.0Nu
=
* l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1.5 m
*
dddddddddd
c,,,,
µλβρ
: khối lượng riêng ( kg/m
3
), hệ số dãn nở thể tích ( K
-1
), hệ số
dẫn nhiệt ( W/mK ), độ nhớt ( Pa.s ), nhiệt dung riêng ( J/kg độ ) của dung dịch KOH lấy ở
nhiệt độ màng







+=
2
v
dd
_
m
tt
2
1
t
SVTH : trang 17
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
Với
C24.54)2548.83(
2
1
t
o
dd
_
=+=
3
dd
m/kg1239=
ρ
c
dd

= 3376.5 J/kg độ
3
dd
10*31.1
−
=
µ
Ns/m
2
mK/W577.0
dd
=
λ
β
của dung dịch KOH 25%
T
o
,
o
C 0 20 40 60 80 100 120
3
10.
−
β
0.425 0.455 0.48 0.505 0.535 0.57 0.605
2.1.4 Hệ số truyền nhiệt
∑
++
=
2

v
1
1
r
1
1
K
αα
, W/m
2
K
* Trình tự tính lặp
(1). Chọn
1v
tt
1
∆⇒
(2). Tính
1
α
(3). Tính q
1
(4). Tính
2v1
ttt
2
∆⇒⇒∆
(5). Tính Nu
2
2

α
⇒
(6). Tính q
2
(7). Tính q
tb
=
( )
21
qq2
1
+
(8). Tính ss =
q
qq
tb1
−
, tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% )
2.2 Thực hiện tính lặp
(1). Chọn
C3.121t
o
v
1
=
K6.113.1219.132t
1
=−=∆⇒
t
m

=
( )
C1.1273.1219.132
2
1
o
=+
13.190A
=⇒
(2).
Km/W68.7289
5.1*6.11
10*2171
13.190*04.2
2
4
3
1
==
α
(3).
2
111
m/W29.845606.11*68.7289tq
==∆=
α
(4).
∑
===∆
−

K95.5110*143.6*29.84560r.qt
4
v1v
C35.6995.513.121t
o
v
2
=−=⇒
K11.1524.5435.69t
2
=−=∆⇒
(5). Tính
2
α
SVTH : trang 18
Đồ án môn học Máy và Thiết bị GVHD : TSKH. Lê Xuân Hải
67.7
577.0
10*31.1*5.3376
.c
Pr
3
dd
dddd
===
−
λ
µ
( )
508.0C795.6135.6924.54

2
1
t
o'
m
=⇒=+=
β
( )
14
2
3
23
10*273.2
10*31.1
81.9*11.15*508.0*1239*5.1
Gr
==⇒
−
ta thấy Gr.Pr > 2.10
7
99.14454)Gr(Pr**135.0Nu
33.0
==⇒
35.5560
l
.Nu
dd
2
==⇒
λ

α
W/m
2
K
(6).
2
222
m/W89.84016t.q
=∆=
α
(7). q
tb
= 84288.59W/m
2
(8). ss=0.003=0.3% (thoả)
Vậy hệ số truyền nhiệt giai đoạn này
Km/W74.1073
35.5560
1
10*143.6
68.7289
1
1
K
2
4
=
++
=
−

II. BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC
Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT
dQ= K.F(T-t).dT
Giả sử đến cuối quá trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt
F
⇒
không đổi, T
không đổi
d.F
⇒
T=
( )
tTK
dQ
−
Lấy tích phân ta được
F.T
2
=
( )
∫
−
Q
0
tTK
dQ
(1)
T
2
: thời gian cô đặc ( không kể thời gian gia nhiệt cho dung dịch đầu đến 83.48

o
C ), s
Q : nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình này, J
* Ta tính tích phân (1) bằng đồ thị. Cần xác định Q,
( )
tTK
1
−
ở từng thời điểm.
Nồng độ dung dịch, % 25 30 35 40
Q.10
-8
, J 0 11.94 20.62 27.17
t(t
sdd
),
o
C
83.48 85.37 89.77 95.37
K, W/m
2
K
946.44 911.8 865.08 798.87
T-t 49.42 47.53 43.13 37.53
5
10*
)tT.(K
1
−
2.1 2.3 2.7 3.3

Vẽ đồ thị có : trục hồnh : Q
SVTH : trang 19