Công nghiệp sản xuất hóa chất NaOH

Nguyễn Đức Thọ
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan
trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được
sản xuất và sử dụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức
quan trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu
cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho
quá trình kết tinh nếu cần.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược
chiều, buồng đốt ngoài thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc
dung dịch NaOH từ 4,5% lên 13%
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 sót. Vì
vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và
các anh chị năm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao.
1
Nguyễn Đức Thọ
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
I. Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH)
Tính chất vật lí và hóa học của NaOH:
Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi.
Dễ tan trong nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.
NaOH có trọng lượng riêng 2,02. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng chảy
327,6 ± 0,9

o
C. Nhiệt độ sôi 1388
o
C. Hấp thụ nhanh CO
2
và nước của không khí,
chảy rữa và biến thành Na
2
CO
3
.
NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao;
trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao
động. Ngoài ra, NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên
khi hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh.
Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H
2
O, NaOH.3H
2
O và
NaOH.2H
2
O. Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy.
Điều chế và ứng dụng:
Trong phòng thí nghiệm:
+ Natri tác dụng với nước
2Na + 2H
2
O > 2NaOH + H
2

+ Natri oxit với nước
2NaO + H
2
O > 2NaOH
2
Nguyễn Đức Thọ
Trong công nghiệp:
Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng
với dung dịch natri cacbonat loãng và nóng:
Ca(OH)
2
+ Na
2
CO
3
= 2NaOH + CaCO
3
Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão
hòa:
2NaCl + 2H
2
O
dòng điện
Cl
2
+ H
2
+ 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và

tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm
nhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong
phòng thí nghiệm hóa học
II. Sơ lược về quá trình cô đặc
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.
3
Nguyễn Đức Thọ
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.
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 dùng 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 đọan 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.
4
Nguyễn Đức Thọ
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
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.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều thường được dùng phổ biến hơn cả, loại
này có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh
lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung
dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là
dung dịch sẽ được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng
nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ sôi do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng
dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường
được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
5

Nguyễn Đức Thọ
Khuyết điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau
thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung
dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.
Cấu tạo thiết bị cô đặc:
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng
bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:
a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền
nhiệt để đun sôi dung dịch.
b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ
được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ
có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận
phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi
các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:
- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng,
loại nghiêng.
- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống
chùm.
- Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng
hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt.
- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng
bức,
6
Nguyễn Đức Thọ
Lựa chọn thiết bị:
Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục,
có ống tuần hoàn ngoài buồng đốt ngoài đối lưu tự nhiên.
Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch. Đồng
thời, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi.

Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm
nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến
đổi của chất tan.
Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần
hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ:
Quá trình cô đặc 2 nồi ngược chiều buồng đốt ngoài là quá trình sử dụng
hơi thứ thay cho hơi đốt. Dung dịch ban đầu trong thùng chứa(13) được bơm ly
tâm (14) bơm lên thùng cao vị (1) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu
lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt (2). Tại thiết bị gia nhiệt (2) dung dịch
được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2. Dung dịch sau đó được đưa vào buồng
đốt ngoài (4) của nồi 2. Tại nồi 2 dung dịch NaOH bốc hơi một phần tại buồng
bốc (5), hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ (7), được ngưng tụ còn lượng khí
không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu
7
Nguyễn Đức Thọ
hồi bọt (8). Còn sản phẩm được bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi
đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm(12) 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.
8
Nguyễn Đức Thọ
Chương 2
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
I. Tính cân bằng vật liệu:
Thông số và số liệu ban đầu:
Dung dịch cô đặc: NaOH
Nồng độ dung dịch đầu: 4,5%
Nồng độ dung dịch cuối: 13%
Năng suất ban đầu của dung dịch: 32000 kg/h

1.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung
dịch thay đổi từ x
d
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:
9
Nguyễn Đức Thọ
G
đ
.x
đ
= G
c
x
c
(2)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:
W=G
d
(1-
d
c
x
x
) = 32000.(1-
4,5
13
) = 20923,08 (kg/h)

Trong đó:
G
d :
lượng dung dịch ban đầu
X
d
, X
c
: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng)
1.2 Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi
Ta có: W= W
1
+ W
2
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
Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là :
1,1
2
1
=
W
W
Khi đó ta có hệ phương trình:
1
2
1 2
1,1
20923,08

W
W
W W

=



+ =

Giải hệ trên ta có kết quả:
W
1
= 10959,711 kg/h
W
2
= 9963,369 kg/h
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
X
1
=
1 2
( )
d d
d
G X
G W W− +
=
32000 4,5
32000 (10959,711 9963,3)

×
− +
= 13%
10
Nguyễn Đức Thọ
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
X
2
=
1
d d
d
G X
G W−
=
32000 4,5
32000 10959,711
×
−
=6,844%
Trong đó:
X
1,
X
2
: nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi (% khối lượng)
W
1
, W
2

: lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi (kg/h)
G
d
: lượng dung dịch đầu (kg/h)
X
d
: nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng)
II. Cân bằng nhiệt lượng
2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi
Gọi P
1
, P
2
, P
nt
là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.
∆P
1
: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
∆P
2
: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.
∆P
t
: hiệu số áp suất của cả hệ thống.
Giả sử chọn:
Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P
1
=3,34 at
Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: P

nt
= 0,36 at
Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:
∆P
t
= P
1
-P
nt
= 3,34- 0,36 = 2,98at
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:
1
2
P
P
∆
∆
=
1,6
Kết hợp với phương trình ∆P
1
+∆P
2
= ∆P
t
= 2,98at
11
Nguyễn Đức Thọ
Suy ra: ∆P
1

= 1,834(at)
∆P
2
= 1,146 (at)
P
2
= P
1
- ∆P
1
= 3,34- 1,834= 1,506 (at)
12
Nguyễn Đức Thọ
2.2 Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi
Gọi: t
hd1
, t
hd2
, t
nt
là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
t
ht1
, t
ht2
là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 1
0
C
t

ht1
= t
hd2
+ 1
t
ht2
= t
nt
+ 1
Tra bảng : I. 250, STQTTB, T1/ Trang 312.
I. 251, STQTTB, T1/ Trang 314.
Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi.
Loại
Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(

o
C)
Hơi đốt 3,34 137,422 1,506 111,088
Hơi thứ 1,556 112,088 0,345 73,72
2.3 Xác định tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do đường ống,
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 lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn
thất nhiệt do nồng độ gây ra.
13
Nguyễn Đức Thọ
Ta có: ∆'= t
0
sdd
- t
0
sdmnc
(ở cùng áp suất)
Áp dụng công thức Tisenco:
∆'= ∆'
o
. f
Với f =16,2
×

Trong đó ∆'
o

: tổn thất nhiệt độ do t
sdd
> t
sdm
ở áp suất thường
f: hệ số hiệu chỉnh
T
s
: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (
o
K).
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
14
Nguyễn Đức Thọ
Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 67
Nồi 1 Nồi 2
Nồng độ dung dịch (% khối lượng) 13 6,844
∆'
o
(
o
C)
4,12 1,664
Bảng 2.3: Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314
Nồi 1 Nồi 2
Áp suất hơi thứ (at) 1,556 0,345
Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2229,167.10
3
2325,776.10
3

Nồi 1: ∆'
1
= ∆'
0
×
16,2
×
2
1
( 273)
s
T
r
+

= 4,12
×
16,2
×

2
3
(112,088 273)
2229,167.10
+
= 4,44
0
C
Nồi 2: ∆'
2

= ∆'
0
×
16,2
×

2
2
(73,72 273)
r
+
= 1,664
×
16,2
×
2
3
(73,72 273)
2325,987.10
+
= 1,393
0
C
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
∆'= ∆'
1
+∆'
2
= 4,44+ 1,393= 5,833
0

C
2.3.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆’’ )
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh
∆
"
(tổn
thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
g
h
hPP
ddstb
⋅+∆+=
ρ
)
2
(
0
(N/m
2
)
Hay
0 .
4
( )
2 9,81.10
tb dds
h g
P P h
ρ

= + ∆ +
(at)
Trong đó:
15
Nguyễn Đức Thọ
P
0
: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m
2
)
∆h : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến
mặt thoáng của dung dịch (m)
h : chiều cao ống truyền nhiệt (m)
dds
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
)
g :gia tốc trọng trường (m/s
2
), g=9,81 m/s
2
Vậy ta có:
∆
"
= t
tb
– t
0
, độ;

Ở đây: t
tb
- nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất p
tb
,
0
C;
t
0
- nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p
0
,
0
C.
Bảng 2.4: Tra bảng I.22 STQTTB

T1/34
Nồi i x% p
0
(at) t
o
(
0
C) ρ
dd
ρ
dds
1 13 1,556 112,088 1095,8 547,9
2 6,844 0,345 73,72
1030,54

6
515,273
Hơi đốt 3,34 137,422
Chọn h= 4 m (cho cả 2 nồi)
∆h= 0,5 m (cho cả 2 nồi)
Áp suất thủy tĩnh của từng nồi:
Nồi 1:
1 0
( )
2
tb dds
h
P P h g
ρ
= + ∆ +
(N/m
2
)
1
1 0
4 4
4
( ) (0,5 ) 547,9 9,81
2 2
1,556 1,694
9,81.10 9,81.10
dds
tb
h
h g

P P at
ρ
   
∆ + + × ×
   
= + = + =
   
   
   
16
Nguyễn Đức Thọ
Nồi 2:
2 0
( )
2
tb dds
h
P P h g
ρ
= + ∆ +
(N/m
2
)
2
2 0
4 4
4
( ) (0,5 ) 515,273 9,81
2 2
0,345 0,474

9,81.10 9,81.10
dds
tb
h
h g
P P at
ρ
   
∆ + + × ×
   
= + = + =
   
   
   
Để tính t
0
s
của dung dịch NaOH ứng với P
tb
thì ta dùng công thức BaBo
( )
t
s
P
K
P
=
Trong đó:
P: áp suất hơi bão hoà của dung môi nguyên chất.
P

s
: áp suất hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường
Tra STQTTB
1
/236 & 311.
Nồng độ của dung dịch ở nồi 1: 13%; nhiệt độ sôi t
0
s
=104,301
0
C cũng ở
nhiệt độ đó áp suất hơi bão hòa của nước là 1,204 at.
Nồi 1:
1
1,204
1,21
s
s
P
P P
P
= ⇒ =
P= P
tb1
⇒
P
s1
= 1,204
×
1,649= 2,039at

⇒
t
0
tb1
= 120,61
0
C
P=P
0

⇒
P
os1
= 1,204
×
1,556= 1,874 at
⇒
t
0
s1
= 118,19 at
⇒
∆"
1
= t
0
tb1
- t
0
s

= 120,61- 118,19= 2,42
0
C
Tra STQTTB
1
/236 & 311.
Nồng độ của dung dịch ở nồi 2: 6,844%, nhiệt độ t
0
s
=101,83
0
C cũng ở
nhiệt độ đó áp suất hơi bão hòa của nước là 1,105 at.
17
Nguyễn Đức Thọ
Nồi 2:
1
1,105
1,1
s
s
P
P P
P
= ⇒ =
P=P
tb2
⇒
P
s2

= 1,105
×
0,474= 0,524 at
⇒
t
0
tb2
=83,744
0
C
P=P
0
⇒

P
0s2
= 1,105
×
0,345= 0,382 at
⇒
t
0
s2
= 76,087
0
C
⇒
∆"
2
= t

0
tb2
- t
0
s2
= 83,744- 76,087= 7,657
0
C
Vậy tổng tổn thất do áp suất thủy tĩnh:
∆"= ∆"
1
+∆"
2
= 2,42+ 7,657= 10,077
0
C
2.3.3 Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra
Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1
0
C.
Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra cho cả hệ thống: ∆"' = 2
0
C
2.3.4 Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống
∑∆= ∆'+∆"+∆"' = 5,833+ 10,077+ 2 = 17,91
0
C
2.3.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆t

i1
= t
hd1
- t
hd2
- ∑∆
1
= 137,422- 111,088-(4,44+ 2,42+ 1)= 18,473
0
C
Nồi 2: ∆t
i2
= t
hd2
- t
nt
- ∑∆
2
= 111,088- 72,72- (1,393+ 7,657+ 1)= 28,319
0
C
Nhiệt độ sôi thực tế:
Nồi 1:
18
Nguyễn Đức Thọ
∆t
i1
= t
hd1
- t

s1
⇒
t
s1
=

t
hd1
- ∆t
i1
= 137,422- 18,473= 118,949
0
C
Nồi 2:
∆t
i2
=t
hd2
- t
s2
⇒

t
s2
= t
hd2
- ∆t
i2
= 111,088- 28,319= 82,769
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống:

∆h
i
= t
hd1
- t
nt
- ∑∆= 137,422- 72,72- 17,91= 46,792
0
C
2.4 Nhiệt dung riêng C(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công
thức I.43; STQTTB T1/ trang152
C= 4186.(1-x) ( J/kg.độ)
X là nồng độ chất tan (% khối lượng)
Nhiệt dung riêng đầu có nồng độ x
đ
= 4,5%
C
d
= 4186.(1-0,045)= 3997,63 J/kg.độ
Nồi 1: x
1
= 13%
C
1
= 4186(1-0,13)= 3641,82 J/kg.độ
Nồi 2: x
2
= 6,8%
C

2
= 4186(1-0,06844)= 3899,51 J/kg.độ
2.5 Nhiệt lượng riêng
Gọi:
D
1
, D
2
: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
G
đ
, G
c
lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W, W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)
I
1
, I
2
: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2
19
Nguyễn Đức Thọ
i
1
, i
2

: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)
C
đ
, C
c
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)
t
đ,
t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch
0
C
θ
1
, θ
2
: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2
0
C
C
ng1
,C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2
0
C
Q
tt1
, Q

tt2
: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2(W)
* Nhiệt lượng vào gồm có:
Nồi 1:
- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D
1
I
1
- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (G
đ
-W
2
).C
2
t
s2
Nồi 2:
- Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W
1
i
1
=D
2
I
2
- Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: G
đ
C
đ
t

đ
* Nhiệt mang ra gồm:
Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra: W
1
i
1
- Do dung dịch mang ra: (G
d
-W)C
1
.t
s1
- Do hơi nước ngưng tụ: D
1
C
ng1
θ
1
- Do tổn thất chung: Q
tt1
= 0,05D(I
1
-C
ng1
θ
1
)
Nồi 2:
- Hơi thứ mang ra: W

2
i
2
20
Nguyễn Đức Thọ
- Do dung dịch mang ra: (G
d
-W
2
)C
2
t
s2
- Do hơi nước ngưng tụ: D
2
C
ng2
θ
2
- Do tổn thất chung: Q
tt2
=0,05D
2
(I
2
-C
ng2
θ
2
)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1:
D
1
I
1
+(G
đ
-W
2
)C
2
t
s2
=W
1
i
1
+(G
đ
-W)C
1
t
s1
+D
1
C
ng1
θ
1

+0,05D
1
(I
1
-C
ng1
θ
1
) (1)
Nồi 2:
D
2
I
2
+G
đ
C
đ
t
đ
= W
2
i
2
+(G
đ
-W
2
)C
2

t
s2
+D
2
C
ng2
θ
2
+0,05D(I
2
-C
ng2
θ
2
) (2)
Với: D
2
I
2
=W
1
i
1
; W=W
1
+W
2
Ta có:
(2)
⇔

W
1
(0,95i
1
-C
2
t
s2
+i
2
-0,95C
ng2
θ
2
)= Wi
2
+(G
đ
-W)C
2
t
s2
-G
đ
C
đ
t
s2
⇔
W

1
=
2 2 2 2
1 2 2 2 2 2
( )
0,95 0,95
d s d d s
s ng
Wi G W C t G C t
i C t i C
θ
+ − −
− + −
Bảng 2.1 Tra bảng I.249 STQTTB T1/Trang 310.
I.250 STQTTB T1/Trang 312.
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t (
0
C) I (J/kg) C
n
(J/kg.độ) t (
0
C) i(J/kg) C(J/kg.độ) t
s
(
0
C)
Nồi 1 137.422 2736.391 4281.586 112.088 2699.759 3641.82 118.949
Nồi 2 111.088 2697.959 4234.415 73.72 2633.544 3899.51 82.769
Với: θ

1
= t
hd1
;θ
2
=t
hd2
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
21
Nguyễn Đức Thọ
3
1
3 3
20923,08 2633,545 10 (32000 20923,08) 3899,51 82,769 32000 3997,6 82,769
0,95 2699,759 10 3899,51 82,769 2633,545 10 0,95 4234,415 111,088
W
× × + − × × − × ×
⇒ =
× × − × + × − × ×
= 9102,024 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:
2 1
W W W= −
20923,08 9102,024 11821,056= − =
(kg/h)
Tính sai số:
1 1
1
1
9102.024 10959,711

0,204% 5%
9102,024
gt
W W
W
η
−
−
= = = <
2 2
2
2
11821,056 9963,369
0,186% 5%
11821,056
gt
W W
W
η
−
−
= = = <
5%
i
η
<
chấp nhận được.
Lượng hơi đốt tiêu dùng:
D
1

=
1 1 1 1 2 2 2
1 1 1
. ( ). . ( ). .
0,95( . )
d s d s
ng
W i G W C t G W C t
I C
θ
+ − − −
−
3
3
9102,024 2699,759 10 (32000 20923,08) 3641,82 118,949 (32000 11821,056) 3899,51 82,769
0,95(2736,391 10 4281,586 137,422)
× × + − × × − − × ×
=
× − ×

= 3037,556 (kg/h)
III. Tính bề mặt truyền nhiệt
3.1 Độ nhớt:
Sử dụng công thức Paplov I.17 STQTTB T1/ trang 85:
1 2
1 2
t t
k const
θ θ
−

= =
−
Trong đó: t
1
, t
2
: nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là µ
1
, µ
2
22
Nguyễn Đức Thọ
θ
1,
θ
2
: nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là µ
1
, µ
2
Nồi 1:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
1
=13%
Chọn t
1
= 60
0
C, ta có µ
1

= 1,126.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
1
= 15,451
0
C
Chọn t
2
= 40
0
C, ta có µ
2
= 1,454.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
2
= 6,422
0
C
Tra µ
1

, µ
2
dựa vào bảng I.107 STQTTB,T
1
/ trang 100
Tra θ
1,
θ
2
dựa vào bảng I.102 STQTTB,T
1
/ trang 94
1 2
1 2
60 40
2,215
15,451 6,422
t t
k
θ θ
− −
⇒ = = =
− −
Từ đó ta có:
1 2
1 2
118,948 40
6,422 42,065
2,215
s

s
t t
k
θ θ
− −
= + = + =
(
0
C)
⇒
µ
s1
= 0,6301.10
-3
(N.s/m
2
)
Nồi 2: (tương tự như nồi 1)
Lấy nước làm chất tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
2
= 6,844%
Chọn t
1
= 40
0
C, ta có µ
1
= 0,964.10
-3
(N.s/m

2
)
⇒
θ
1
= 21,725
0
C
Chọn t
2
= 30
0
C, ta có µ
2
= 1,197.10
-3
(N.s/m
2
)
⇒
θ
2
= 13,171
0
C
1 2
1 2
40 30
1,169
21,725 13,171

t t
k
θ θ
− −
⇒ = = =
− −
Từ đó ta có:
2 2
2 2
82,769 30
13,171 58,309
1,169
s
s
t t
k
θ θ
− −
= + = + =
(
0
C)
⇒
µ
s2
= 0,475.10
-3
(N.s/m
2
)

3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Công thức I.32 STQTTB T1/ trang 123
23
Nguyễn Đức Thọ
3
. . .
dd p
A C
M
ρ
λ ρ
=
(W/m.độ)
24
Nguyễn Đức Thọ
Trong đó:
A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg .độ)
ρ: khối lượng riêng (kg/m
3
)
M: khối lượng mol của chất lỏng
Chọn A= 3,58.10
-8
Ta có: M=m
i.
M
dd

+(1-m
i
).M
nước
Mà:
2
1
i
dd
i
i i
dd H O
x
M
m
x x
M M
=
−
+
Nồi 1:
1
0,13
40
0,063
0,13 1 0,13
40 18
i
m = =
−

+
⇒
M
1
= 0,063
×
40+(1-0,063).18= 19,386
8
3
1
1095,8
3,58.10 3641,82 1095,8 0,548
19,386
λ
−
⇒ = × × × =
(W/m.độ)
Nồi 2:
2
0,068
40
0,032
0,068 (1 0,068)
40 18
i
m = =
−
+
⇒
M

2
=0,032
×
40+(1-0,032)
×
18=18,704
8
3
2
1030,546
3,58.10 3899,51 1030,546 0,547
18,704
λ
−
⇒ = × × × =
(W/m.độ)
3.3 Hệ số cấp nhiệt
25