Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH một nồi, buồng đốt ngoài tuần hoàn cưỡng bức

Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC & CNTP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Nhóm:… Lớp: DH10H1
Họ tên sinh viên: Nguyễn Quang Đạo MSV: 1052010040
Đào Công Hậu MSV: 1052010069
Lê Hùng Cường MSV: 1052010036
I. Tên đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH một nồi, buồng đốt ngoài tuần
hoàn cưỡng bức.
II. Nhiệm vụ và nội dung:
- Phần I: Tổng quan lý thuyết
• Nguyên liệu
• Sản phẩm
• Cơ sở lí thuyết quá trình
• Thông số quá trình
- Phần II: Quy trình công nghệ
• Sơ đồ quy trình công nghệ
• Thuyết inh quy trình công nghệ
- Phần III: Tính toán thiết kế
• Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng
• Tính toán thiết bị chính
• Tính toán lựa chọn thiết bị phụ
- Phần IV: Bản vẽ thiết bị chính (vẽ tay)
III. Ngày giao nhiệm vụ: 17/02/2014
IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/05/2014
Tp. Vũng Tàu, ngày 10 tháng 5 năm 2014
Cán bộ hướng dẫn
ThS. Nguyễn Quốc Hải

MỤC LỤC
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 1 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
LỜI NÓI ĐẦU 4
PHẦN I.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 5
I. NGUYÊN LIỆU 5
1. Tính chất hóa lí 5
2. Điều chế sản xuất 5
3. Ứng dụng 6
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 6
1. Định nghĩa 6
2. Các phương pháp cô đặc 7
3. Phân loại và ứng dụng 7
4. Các thiết bị và chi tiết 8
III. THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH 9
PHẦN II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10
I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10
II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 10
PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 11
I.CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11
1.Thông số quá trình 11
2.Cân bằng vật chất 11
3.Tổn thất nhiệt 11
4.Cân bằng năng lượng 13
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 16
1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc: 16
2. Tính kích thước thiết bị cô đặc 19
3. Tính bền cơ khí cho các thiết bị chi tiết 23
III. Tính toán và thiết kế thiết bị phụ 39
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 2 Chuyên ngành Hóa Dầu

Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
1.Thiết bị gia nhiệt 39
2.Thiết bị ngưng tụ 43
3.Bồn cao vị 50
4.Bơm 51
5.Bề dày lớp cách nhiệt 56
6.Cửa sữa chữa 57
7.Kính quan sát 57
KẾT LUẬN 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 3 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm cuối,môn học Đồ án Quá Trình và Thiết
Bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ
hóa học. Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc
toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông
dụng.
Cô đặc một nồi liên tục dung dịch
NaOH
tuần hoàn cương bức dạng đốt ngoài là đề án
được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy Nguyễn Quốc Hải….bộ môn
Quá Trình và Thiết Bị -Khoa Công Nghệ Kỹ Thuật hóa học trường Đại Học Bà Rịa
Vũng Tàu, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cũng như các thầy cô của bộ môm
Quá Trình Thiết Bị và những người bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực
hiện.
Vì đồ án Quá Trình và Thiết Bị là đề tài lớn đầu tiên mà chúng tôi đảm nhận nên thiếu
sót và hạn chế. Trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, chúng em rất
mong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô giáo và bạn bè để củng cố và mở rộng
kiến thức chuyên môn.

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 4 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
PHẦN I.TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I. NGUYÊN LIỆU
1. Tính chất hóa lí
Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng,có dạng tinh thể ,khối
lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển.
NaOH tan tốt trong nước(1110 g/l ở 20 oC) tỏa nhiệt mạnh. NaOH tan ít trong các
dung môi hữu cơ như methanol,ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp
thụ CO2 không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín. Nó phản ứng
mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etannolvà
metannol. Nó cũng hòa tan trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màu
vàng trên giấy và sợi.
Dung dịch NaOH là một baze mạnh,có tính ăn mòn và có khả năng ăn mòn
cao.ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất
cơ bản và lâu năm.nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp
khác như dệt,tổng hợp tơ nhân tạo,lọc hóa dầu,sản xuất phèn…
2. Điều chế sản xuất
Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) là dựa trên phản ứng điện phân
nước muối (nước cái). Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân
thành clo nguyên tố (trong buồng anốt), dung dịch natri hyđroxit, và hidro nguyên tố
(trong buồng catôt) Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được
gọi là nhà máy xút-clo. Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:
2 Na + + 2 H
2
O + 2 e - → H
2
+ NaOH
Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bìnhđiện phân có màng ngăn:
NaCl + 2 H

2
O → 2 NaOH + H
2
+ Cl
2
Các kiểu buồng điện phân
Điểm phân biệt giữa các công nghệ này làở phương pháp ngăn cản không cho
natri hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết.
▪ Buồng điện phân kiểu thủy ngân
Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sử
dụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách.
▪ Buồng điện phân kiểu màng chắn
Trong buồng điện phân kiểu màng chắn, nước muối từ khoang anôt chảy qua màng
chia tách để đến khoang catôt; vật liệu làm màng chia tách là amian phủ trên catôt có
nhiều lỗ
▪ Buồng điện phân kiểu màng ngăn
Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổi
iôn
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 5 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
 NaOH cũng được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)
2
tác dụng với ddung dịch
Na
2
CO
3
loãng và nóng.tuy nhiên,sản phẩm thu được thường có nồng độ rất
loãng,gây khó khăn trong việc chuyên chở đi xa.Để thuận tiện cho chuyên
chở và sử dụng,người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất

định theo yêu cầu.
3. Ứng dụng
Dung dịch NaOH là một baze mạnh,có tính ăn mòn và có khả năng ăn mòn
cao.ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất
cơ bản và lâu năm.nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp
khác như dệt,tổng hợp tơ nhân tạo,lọc hóa dầu,sản xuất phèn…
Bảng 1.1: Nhu cầu tiêu thụ của các ngành sử dụng Xút NaOH 30% những năm
qua
(ĐVT: tấn NaOH 30%)
STT Tên ngành 2005 2006 2007 2008 2009
1 Bột giặt 2.609 1.717 1.483 1.774 4.600
2
Chế biến
vỏtôm
434 555 582 237 116
3
Sản xuất công
nghiệp khác
1.279 1.266 1.578 1.766 1.992
4 Dệt nhuộm 8.598 8.318 8.879 6.912 5.294
5 Giấy 1.869 970 557 738 882
6 Hóa phẩm 78 82 52 30 16
7 Xửlý nước 2.797 2.905 2.444 2.230 2.314
8 Thương mại 6.666 7.287 8.347 6.946 5.985
9 Thực phẩm 6.177 7.987 8.471 9.431 8.332
10 Xi mạ 42 38 55 30 178
11 Điện lực 319 132 74 104 148
12 Khác 287 163 102 60 303
Tổng cộng 30.868 31.257 32.624 30.258 30.160
II. CƠ SỞ LÍ THUYẾT QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng
việc đun sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở
dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ
tăng 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 đun nóng
một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá
trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 6 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão
hòa để đốt nóng.
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan
trọng. Nó được ứng dụng với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh )
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất
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 thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể
gián đoạn hay liên tục.
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 thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ 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 nông độ chất
tan. Tùy 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.

3. Phân loại và ứng dụng
∗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 đốt), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc
ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt).
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 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: dung dịch sôi tạo
bọt khó vỡ.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 7 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ.
∗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 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 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. Các thiết bị và chi tiết
 Thiết bị chính:
 Ống nhập liệu, ống tháo liệu
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
 Thiết bị phụ:
 Bể chứa nguyên liệu
 Bể chứa sản phẩm
 Bồn cao vị
 Lưu lượng kế
 Thiết bị gia nhiệt
 Thiết bị ngưng tụ baromet
 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
 Bơm tháo liệu
 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
 Bơm chân không
 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…
*Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
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.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 8 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
+ Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaOH 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.
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
hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hổn hợp
lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ.
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 ngoài khí quyển mà không cần
máy bơm.
Thiết bị tách lỏng:
Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử
bay hơi con sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không.
Các thiết bị phụ trợ khác:
- Bẫy hơi
- Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.
III. THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH
- Năng suất : 7680 tấn/năm
- Số ngày làm việc: 320 ngày/năm
- Năng suất sản phẩm: G

c
= 1000 kg/h
- Nồng độ đầu: x
đ
= 18%
- Nồng độ cuối: x
c
= 30%
- Áp suất ngưng tụ: P
c
= 0,6 at.
- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: t
đ
= 30
0
C.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 9 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
PHẦN II. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
II. THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Nguyên liệu được đưa vào thùng nhập liệu(1), sau đó được bơm qua lưu lượng
kế và qua thiết bị gia nhiệt(2) và được gia nhiệt tới nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa
rồi đi vào thiết bị cô đặc(3). Ở thiết bị cô đặc dung dịch được tiếp tục được đun nóng
bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi
đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được
đưa qua của tháo khí không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của
tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ.
Dung dịch sản phẩm của thiết bị cô đặc(3) được bơm qua lưu lượng kế và qua thiết bị
làm lạnh(4) để vào bồn chứa sản phẩm(7).

Hơi thứ bốc ra khỏi thiết bị cô đặc(3) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet
(5). Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được
ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng
đi qua thiết bị tách lỏng(6) hơi sẽ được bơm chân không (10) hút ra ngoài còn hơi thứ
ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 10 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1. THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH
• Năng suất sản phẩm: G
c
= 1000 kg/h
• Nồng độ đầu: x
đ
= 18%
• Nồng độ cuối: x
c
= 30%.
• Áp suất ngưng tụ: P
c
= 0,6 at.
• Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: t
đ
= 30
0
C.
2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
• Suất lượng nhập liệu (Gđ):
Theo công thức 5.16 [5], trang 277

G
đ
.x
đ
= G
c.
x
c
 G
đ
= = = 1666,67 kg/h
• Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):
Theo công thức 5.17, [5], tr277:
G
đ
= W + G
c
 W = G
đ
– G
c
= 1666,67 – 1000 = 666,67 kg/h
Trong đó: G
c
– suất lượng tháo liệu (năng suất).
3. TỔN THẤT NHIỆT
• Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ P
c
= 0,6 at
 Nhiệt độ của hơi thứ trong TBNT t

c
= 85,5
0
C (tr314,[1])
• Ta lại có ∆’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc
đến TBNT, theo [5], tr 280, chọn ∆’’’ = 1 K.
• Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc P
0
t
sdm(P0)
– t
c
= ∆’’’ = 1 K
 t
sdm(P0)
= t
c
+1 = 85,5 + 1 = 86,5
0
C
• Áp suất tại buồng bốc:
Tra [1], tr 312: ở nhiệt độ 86,5
0
C là P
0
= 0,6275 at.
a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng
Theo Tisenco CTV110, [2], tr 59: ∆’ = ∆’
0
.f

- ∆’: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiết độ sôi của
dung môi ở áp suất khí quyển.
Do cô đặc có tuần hoàn dung dịch, nên lấy a = x
c
= 30%
Tra từ bảng (VI.2,[2],tr67) được ∆’
0
= 17
- f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
f = 16,2 (CTVT11,[2],tr 59)
t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, t = 86,5
0
C
r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, r = 2293,25
kJ/kg (B I251,tr 314, [1])
 f = 16,2. = 0,9130
Thay số, ta được: ∆’ = 17. 0,9130 = 15,521
Ta có: t
sdd(P0)
= t
sdm(P0)
+ ∆’ = 86,5 + 15,521 = 102,021
0
C
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 11 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
b. Tổn thất nhiệt do thủy tĩnh
• Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:

∆P = ρ
s
. g. H
op
N/m
2
Trong đó:
- ρ
s:
khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt, kg/m
3
ρ
s
= 0,5. ρ
dd
ρ
dd:
khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi.
Chọn t
sdd(P0 + ∆P)
= 103
0
C, C% = 30%
Tra bảng I.59, tr 46,[1], ta được ρ
dd
= 1273,25 kg/m
3
ρ
s
= 0,5.1273,25 = 636,625 kg/m

3
- H
op
: chiều cao thích hợp của dd sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng.
H
op
= [0,26 + 0,0014.( ρ
dd
- ρ
dm
)].h
o
Chọn h
0
= 1,5m (theo BVI6, [2], tr 80)
ρ
dm
: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 103
0
C
Tra bảng I.249 [1], tr 311: ρ
dm
= 956,18 kg/m
3
H
op
= [0,26 + 0,0014(ρ
dd
- ρ
dm

)].h
o
= [0,26 + 0,0014(1273,25 – 956,18)].1,5 = 1,056 m
 ∆P = 0,5.636,625.9,81. = 0,0336 at
 Áp suất trung bình:
P
tb
= P
o
+ ∆P

= 0,6275 + 0,0336 = 0,6611 at
Tra sổ tay 1 I.250 trang 312 tại P
tb
= 0,6611 at, ta có t
sdm(Ptb)
= 87,822
0
C
Suy ra: ∆’’ = t
sdm(P0 + ∆P)
– t
sdm(Po)

= t
sdd(P0 + ∆P)
– t
sdd(P0)
= 87,822 – 86,5 = 1,322
0

C
 t
sdd(Ptb)
= t
sdd(P0)
+ ∆’’ = 102,021 + 1,322 = 103,343
0
C
Sai số 0,28% chấp nhận được. Vậy t
sdd(Ptb)
= 103
0
C
Lấy sản phẩm ra tại đáy:
t
sdd(P0 + 2∆P)
= 102,021 + 2.1,322 = 104,665
0
C
• Vậy:
Tổng độ tăng nhiệt độ sôi:
Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 15,521 + 1,322 + 1 = 17,843
0
C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, áp suất hơi đốt là 4 at, nhiệt độ hơi đốt là
142,9
0
C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích:
∆t

h.i
= t
D
– (t
c
+ Σ∆) = 142,9 – 85,5 – 17,843 = 39,557
0
C
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nồng độ nhập liệu x
đ
%kl 18
Nồng độ sản phẩm x
c
%kl 30
Năng suất nhập liệu G
đ
kg/h 1666,67
Năng suất sản phẩm G
c
kg/h 1000
Hơi thứ
Lượng hơi thứ thoát ra W kg/h 666,67
Áp suất P
0
at 0,6275
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 12 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
Nhiệt độ t
o

0
C 86,5
Enthalpy i
w
kJ/kg 2655,7
Hơi đốt
Áp suất P
D
at 4
Nhiệt độ t
D
0
C 142,9
Ẩn nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2141
Tổn thất nhiệt độ
Nhiệt độ sôi dd áp suất P
o
t
sdd(P0)
0
C 102,021
Tổn thất nhiệt do nồng độ ∆’
0
C 15,521
Áp suất ở lớp trung bình P
tb
at 0,6611
Nhiệt độ sôi dm áp suất P

tb
t
sdm(Ptb)
0
C 87,822
Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh ∆’’
0
C 1.322
Nhiệt độ sôi dd áp suất P
tb
t
sdd(Ptb)
0
C 103,343
Tổn thất nhiệt độ đường ống ∆’’’
0
C 1
Tổng tổn thất nhiệt độ Σ∆
0
C 17,843
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ∆t
h.i
0
C 39,557

4. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
• Cân bằng nhiệt lượng:
Nhiệt vào:
- Do dung dịch đầu: G
đ

c
đ
t
đ
- Do hơi đốt: Di’’
D
- Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt: φDct
D
Nhiệt ra:
- Hơi thứ mang ra: Wi’’
w
- Nước ngưng tụ: Dcθ
- Sản phẩm mang ra: G
c
c
c
t
c
- Nhiệt cô đặc: Q
cđ
- Nhiệt tổn thât: Q
tt
• Tại thiết bị gia nhiệt chọn đun nóng đến nhiệt độ sôi 102,021
0
C
- Dòng nhập liệu: Dòng vào t
v
= 30
0
C

Dòng ra t
r
= 102,021
0
C
- Dòng hơi đốt: t
D
= 142,9
0
C
Vậy nhiệt độ đầu vào thiết bị cô đặc là t
đ
= 102,021
0
C
• Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bị:
Theo CT2.15,[3],tr 107:
t
c
= t
sdd(P0)
+ 2∆’’ = 102,021 + 2.1,322 = 104,665
0
C
• Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau:
Theo [1] tr 152 ta có thể tính:
 a = 18% (a<0,2)
thì c
đ
= c

v
= 4186.(1 – a) = 4186.(1 – 0,18) = 3432,52 J/kg.K
 a = 30% (a>0,2)
thì c
c
= c
r
= 4186 – (4186 – c
ct
).a
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 13 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
= 4186 – (4186 – 1310,75).0,3 = 3323,425 J/kg.K
Với c
ct
là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức
(I.41) và bảng I.141, tr 152,[1]:
c
ct
= = = 1310,75 J/kg.K
• Thành lập phương trình cân bằng nhiệt:
Gđcđtđ + D i’’
D
+ φDct
D
= Gccctc + W i’’W + Dcθ ± Qcđ + Qtt
(+Q
cđ
): khi cô đặc thu nhiệt
(-Q

cđ
): khi cô đặc tỏa nhiệt
 Bỏ qua:
- Phần nhiệt lượng do hơi đã ngưng từ đường ống dẫn hơi đốt vào
buồng đốt, φDct
D
= 0
- Nhiệt cô đặc, Q
cđ
= 0
 Trong hơi nước bão hòa bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị
cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp: Q
D
= D(1 – φ)( i’’
D
– cθ)
 Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi đốt vào (không có
quá lạnh sau khi ngưng) thì ( i’’
D
– cθ) = r
D
= 2141 kJ/kg, ẩn nhiệt ngưng
tụ của hơi đốt.
• Từ phương trình cân bằng nhiệt trên ta suy ra:
D(1 – φ)( i’’
D
– cθ) + G
đ
c

đ
t
đ
= G
c
c
c
t
c
+ W(( i’’
D
– cθ) + Q
tt
Thay Q
tt
= εQ
D
= 0,05 Q
D
 Lượng hơi đốt phải dùng biểu kiến:
D =
=
= 0,1873 kg/s
 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Q
D
= 0,1873.(1 – 0,05)(1 – 0,05)(2141.10
3
) = 361910,89 W
 Nhiệt lượng tổn thất:

Q
tt
= 0,05.361910,89 = 18095,54 W
 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
Theo CT2.8,[3],tr105:
d = = = 1,0114(kg hơi đốt/kg hơi thứ)
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 14 Chuyên ngành Hóa Dầu
Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Nhiệt độ đầu vào t
đ
0
C 102,021
Nhiệt độ đầu ra t
c
0
C 104,665
Nhiệt dung riêng dd 18% c
đ
J/kg.K 3432,52
Nhiệt dung riêng dd 30% c
c
J/kg.K 3323,425
Nhiệt tổn thất Q
tt
W 18095,54
Nhiệt lượng do hơi đốt cc Q
D
W 361910,89
Lượng hơi đốt phải dùng D kg/s 0,1873
Lượng tiêu hao riêng d kg/kg 1,0114

Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc:
a. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
 Giảm tốc độ hơi nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng
cách chia làm nhiều miệng vào. Do chọn tốc độ hơi nhỏ (w = 10m/s). Màng nước
ngưng chuyển động dòng (do ống truyền nhiệt ngắn chọn h
0
= 1,5m). Ngưng hơi
bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng. Ta có theo công thức (V.101),[2],tr 28:
= 2,04.A.()
0.25
Trong đó:
- r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4 at.
Tra [1], tr 314: r = 2141.10
3
J/kg
- H: chiều cao ống truyền nhiệt, H = h
0
= 1,5m.
- A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm, t
m
= (t
D
+ t
vl
)/2
Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là t
vl
= 139,8

0
C, t
D
= 142,9
0
C
t
m
= (135.8 + 142.9)/2 = 141,35
0
C
Tra [2], tr 28, ta được A = 194,405
-
1
: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m
2
K.
- ∆
t1
= t
D
– t
v1
= 142,9 – 139,8 = 3,1
0
C

1
= 2,04.194,405.(
0,25

= 10330,67 W/m
2
K
 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:
q
1
=
1
∆
t1
= 10330,67. 3,1 = 32025,08 W/m
2
K
b. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch
 Theo công thức VI.27,[2],tr 71:

2
=
n
.( W/m
2
K
Trong đó:
-
n
: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch, do nước
sôi sủi bọt nên:
n
= 0,145.P
0,5

. ∆t
2,33
(CT V.91,[2],tr26)
Với P = P
0
= 0,6275 at = 61536,73 N/m
2
Ta chọn t
v2
= 112,4337
0
C
∆t = t
v2
– t
sdm(P0)
= 112,4337 – 103 = 9,4337
0
C

n
= 0,145. (61536,73)
0,5
. (9,4337)
2,33
= 6173,44 W/m
2
- C
dd
: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.C

- C
n
: nhiệt dung riêng của nước (ở 103
0
C), J/kg.C
- độ nhớt dung dịch, Pa.s
-
n
: độ nhớt nước (ở 103
0
C), Pa.s
- khối lượng riêng dung dịch, kg/m
3
- khối lượng riêng nước (ở 103
0
C), kg/m
3
- λ
dd
: độ dẫn nhiệt dung dịch, W/m
2
K
- λ
n
: độ dẫn nhiệt nước (ở 103
0
C), W/m
2
K
 Bảng giá trị:

Khoa Hóa Học & CNTP Trang 15 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
Nồng độ:30%
= 1273,25 kg/m
3
C
dd
= 3323,425 J/kg
0
C

= 966.78 kg/m
3
C
n
= 4239,668 J/kg
0
C
= 0,001769 Pa.s λ
dd
= 0,59 W/m
2
.K
n
= 0.000322 Pa.s λ
n
= 0,679 W/m
2
.K
Với:

- : tra B.4,[8],tr 11
-
n
: tra B.249,[1], tr 311
- : tra B.9, [8], tr 16
- λ
dd
theo CT I.32,[1], tr 123
λ
dd
= AC
ddi
- A: hệ số phụ thuộc mứ độ liên kết của chất lỏng, đối với chất
lỏng liên kết A = 3,58.10
-8
- M: khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp của
NaOH và nước.
M = a.M
NaOH
.40 + (1 – a.M
H2O
).18, a: phần mol của NaOH
Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 30%(x
c
)
 a =
 M = 0,161677. 40 + (1 – 0,161677).18 = 21,55689 kg/kmol
Ta được: λ
dd
= AC

ddi
= 0,59 W/m.K

2
= 3377,42 W/m
2
K
c. Nhiệt tải riêng phía tường (q
v
)
Theo [3], Ví dụ và bài tập
Ta có: q
v
=
 Trong đó:
Σr
v
= r
1
+ + r
2
= (0,3448 + + 0,387).10
-3
= 0,8545. 10
-3
W/m
2
.K
r
1

: nhiệt trở phía dung dịch, r
1
= 0,3448. 10
-3
W/m
2
.K tr29,[8]
r
2
: nhiệt trở phía hơi nước, r
2
= 0,387. 10
-3
W/m
2
.K tr4,[2]
: bề dày ống truyền nhiệt, = 2 mm
λ: hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 16,3 m
2
K/W (với ống là thép
không gỉ OX18H10T), tra B.XII.7,[2], tr313
 ∆t
v
: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆t
v
= t
v1
– t
v2
∆t

v
= q
v
. Σr
v
= 32025,08. 0,8545. 10
-3
= 27,3663
0
C
(vì quá trình truyền nhiệt là ổn định nên q
1
= q
2
= q)
 Nhiệt tải riêng phía dung dịch:
q
2
=
2
. ∆t
2
=3377,42 .9,4337 = 31861,55 W/m
2
d. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng
• Dùng phương pháp số ta lần lượt tính lặp theo các bước sau:
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 16 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
 Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: t
v1

, tính được ∆t
1
 Tính được q
1
 Tính hế số cấp nhiệt phía dung dịch, ta tìm được
2
 Ta tính ∆
tv
, tính được t
v2
= ∆t
v
+ t
v1
 Tính ∆t
2
 Tính được q
2
 So sánh sai số giữa q
1
và q
2
Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t
1
. Quá
trình này dừng lại khi sai số bé hơn 5%.
Sai số tương đối của q
2
so với q
1

là:
. 100% = .100% = - 0,51
Sai số < 5% chấp nhận được (các thông số đã cho phù hợp)
Nhiệt thải trung bình là:
q
tb
= = = 31943,32 W/m
2
e. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
Giá trị K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
K =
Σr
v
= 0,8545. 10
-3
W/m
2
.K

2
= 3377,42 W/m
2
.K

1
= 10330,67 W/m
2
K
Thay số, ta được: K= 801,66 W/m
2

K
f. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
F = = = 11,413 m
2
Chọn F = 25 m
2
2. Tính kích thước thiết bị cô đặc
a. Tính buồng bốc
 Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
V
h
= = = 0,4945 m
3
/s
Trong đó:
- W: lượng hơi thứ bốc lên (kg/h)
-
h
: khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P
0
= 0.6275 at.
Tra từ [1], tr 314:
h
= 0,3743
 Vận tốc hơi:
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:
h
= = =
Với D
b

là đường kính buồng bốc, m
 Vận tốc lắng:
Theo CT 5.14,[2],tr 276:
0
= = =
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 17 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
Trong đó:
-
,
: khối lượng riêng của giọt lỏng, [1], tr310:
,
= 967,61 kg/m
3
-
,,
: khối lượng riêng của hơi, tr314:
,,
= 0,3743 kg/m
3
- d: đường kính giọt lỏng, từ điều kiện ta chọn d = 0,0003 m (tr292,
[5])
- g = 9,81 m/s
2
- : hệ số trở lực, tính Re:
Re = = =
Với:
-
h
: là độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,6275 at

tra [1], tr 121, ta được:
h
= 0,012.10
-3
Nm/s
2
-Nếu 0,2< Re < 500 thì = 18,5/Re
0,6
= 6,3832.
-Theo [5], điều kiện: W
h
< 70% - 80% W
0
Chọn W
h
< 70%
< 0,7 .  D
b
> 0,7858 m
Chọn D
b
= 800mm (theo dãy chuẩn)
- Kiểm tra lại Re:
Re = 5,8915/0,8
2
= 9,2055 (thỏa 0,2 < Re < 500)
Vậy đường kính buồng bốc D
b
= 800 mm.
 Chiều cao buồng bốc:

• Theo CT VI.33,[2],tr 72:
U
tt
= f.U
tt
(1 at), m
3
/m
3
.h
Chọn:
U
tt
(1 at) = 1650 m
3
/m
3
.h và f = 1,1 (theo H VI.3,[2],tr 72)
 U
tt
= 1650.1,1 = 1815 m
3
/m
3
.h
Trong đó:
- f: hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển.
- Utt (1 at): cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không
gian hơi (thể tích hoei nước bốc lên trên một đơn vị thể tích của
không gian hơi trong một đơn vị thời gian m

3
/m
3
.h)
• Thể tích buồng bốc:
V
b
= = = 0,9813 m
3
 chiều cao buồng bốc:
H
b
= = = 1,9522 m
Để an toàn ta chọn H
b
= 2m (theo điều kiện cho qt sôi sủi bọt)
b. Tính buồng đốt
 Xác định số ống truyền nhiệt:
Số ống truyền nhiệt được tính theo (CT III.49,tr134,[4]):
n =
F = 25 m
2
: diện tích bề mặt truyền nhiệt
l = 1,5m: chiều dài của ống truyền nhiệt
d: đường kính ống truyền nhiệt
Do
1
>
2
nên lấy d = dt = 38mm

Vậy số ống truyền nhiệt là: n = = = 139,61 ống
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 18 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
Chọn n = 187 ống ([2],tr 48,V.11) bố trí theo hình lục giác đều.
 Đường kính ống tuần hoàn:
Theo CT III.26,[6], tr 121: d
th
=
Chọn f
t
= 0,3 F
D
, với F
D
=
f
t
= 0,3 = 0,3 = 0,037 m
2
Vậy: d
th
= = = 0,217 m
Chọn d
th
= 0,273m = 273 mm. Theo tiêu chuẩn tr290,[5]
 Đường kính buồng đốt:
Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác
đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức [4],tr315:
d
t

=
Trong đó:
- = : hệ số, thường = 1,3 – 1,5. Chọn = 1,4
- = 1,4 d
n
: bước ống, thường t = 1,2 – 1,5d
n
- n = 0,029 m: đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
- = 0,8: hệ số sử dụng vỉ ống, thường = 0,7 – 0,9
- = 1,5m: chiều dài của ống truyền nhiệt
- d
th
= 0,273 + 2.0,002 = 0,277m: đường kính ngoài của ống tuần
hoàn
- F = 25m
2
: diện tích bề mặt truyền nhiệt
Thay số, ta được:
d
t
=
= 0,486 m
Chọn d
t
= 600mm (theo tiêu chuẩn,[5], tr291)
 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt:
Dt ≤ t(b – 1) + 4.d
ng
Với: t là bước ống, t = 1,4. d
ng

b ≥ + 1 = + 1 = 7,76
Chọn b = 9 ống ([2],tr 48)
Số ống trên đường chéo là 9 ống
Quy chuẩn:
Số hình 6 cạnh 7
Số ống trên đường xuyên tâm 15
Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân 169
Số ống trong các hình viên phân
Dãy 1
Dãy 2
3
0
Tổng số ống trong tất cả hình viên phân 18
Tổng số ống của thiết bị 187
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 19 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
c. Tính ống dẫn, nhập và tháo liệu
 Đường kính các ống được tính theo CT VI.41,[4],tr 74: d =
Trong đó:
- G: lưu lượng lưu chất, kg/s
- v: vận tốc lưu chất, m/s
- : khối lượng riêng của lưu chất, kg/m
3
• Ống nhập liệu:
G = 1666,67 kg/h
Nhập liệu là chất lỏng ít nhớt, chọn v = 1,5 m/s (tr74,[2])
= 1147,554 kg/m
3
(theo[1],tr 46)
 d = = = 0,0185 m

Chọn d
t
=34mm, d
n
= 38mm
• Ống tháo liệu:
G = 1000 kg/h
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt, chọn v = 1 m/s (tr74,[2])
= 1272,158 kg/m
3
(theo [1],tr 46)
 d = = = 0,0174 m
Chọn d
t
=34mm, d
n
= 38mm
• Ống dẫn hơi đốt:
D = 0,1873 kg/s
Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất 4 at. Chọn v = 20m/s (tr74, [2])
= 0,4748 kg/m
3
(tr 315, [1])
 d = = = 0,1584 m
Chọn d
t
=150mm, d
n
= 159mm
• Ống dẫn hơi thứ:

W = 666,67 kg/h
Dẫn áp suất hơi nước bão hòa ở áp suất 0,6275 at. Chọn v = 20 m/s (tr74,[2])
= 0,3473 kg/m
3
(Bảng I.251, tr314,[1])
 d = = = 0,18 m
Chọn d
t
=150mm, d
n
= 159mm
• Ống dẫn nước ngưng:
Chọn G = D
Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hòa ở 4 at. Chọn v = 0,75m/s (tr74,
[2]).
= 923,461 kg/m
3
(Bảng I.251, tr314,[1])
 d = = = 0,0107 m
Chọn d
t
=34mm, d
n
= 38mm
• Ống dẫn khí không ngưng:
Chọn d
t
=34mm, d
n
= 38mm

3. Tính bền cơ khí cho các thiết bị chi tiết
Chọn vật liệu làm buồng đốt và buồng bốc là OX18H10T
a. Tính cho buồng đốt
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 20 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
 Sơ lược về cấu tạo:
• Buồng đốt có đường kính trong dt = 600mm, chiều cao ht = 1500mm.
• Thân có 3 lỗ: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí không ngưng.
 Tính toán:
 Tính bề dày tối thiểu (S):
- Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất 4 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
P
m
= P
D
– P
a
= 4 – 1 = 3 at = 0,2943 N/mm
2
Áp suất tính toán là P
t
= P
m
+ gh = 0,2943 + 1273,25. 9,81.10
-6
. 1,5
= 0,313 N/mm
2
- Nhiệt độ của hơi đốt vào là t
D

= 142,9
0
C, vậy nhiệt độ tính toán của buồng đốt
là:
t
tt
= t
D
+ 20 = 142,9 + 20 = 162,9
0
C (trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
- Theo hình 1.2, tr 16,[7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t
tt
là: []* =
115 N/mm
2
Chọn hệ số hiệu chỉnh = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) tr17,[7]
 Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[] = . []* = 0,95. 115 = 109,25 N/mm
2
- Tra bảng 2.12, tr 34,[7]: module đàn hồi của vật liệu ở t
tt
là:
E = 2,05.10
5
N/mm
2
. Xét:
= = 331,59 > 25
Theo CT 5.3,tr 96,[7]:

S’ = = = 0,9047 mm
Trong đó:
= 0,95: hệ số bền mối hàn (B 1.3,[7] tr 19) (hàn một phía)
D
t
= 600 mm, đường kính trong của buồng đốt
P
t
= 0,313 N/mm
2
: áp suất tính toán của buồng đốt
 Bề dày thực (S):
- Dt = 600 mm  S
min
= 3 mm > 0,9047 mm
 chọn S’= S
min
= 3mm (theo bảng 5.1,tr 94,[7])
- Chọn hệ số ăn mòn hóa học là C
a
= 1mm (thời gian làm việc 10 năm).
- Vật liệu được xem là bền cơ học nên C
b
= C
c
= 0.
- Chọn hệ số bổ sung cho dung sai của chiều dày C
0
= 0,22 mm (B XIII.9,tr364,
[2])

 Hệ số bổ sung bề dày là:
C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
0
= 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm
 Bề dày thực là :
S = S’ + C = 3 + 1,22 = 4,22 mm
Chọn S = 5 mm
 Kiểm tra bề dày buồng đốt:
Theo CT 5.10,[7] tr 97:
= = 0,00667 < 0,1 (thỏa)
Áp suất tính toán cho phép trong buồng đốt:
P = = = 1,3747N/mm
2
> P
t
= 0,313N/mm
2
Vậy bề dày buồng đốt là 5 mm.
 Đường kính ngoài của buồng đốt:
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 21 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
D
n
= D

t
+ 2.S = 600 + 2.5 = 610 mm
 Tính bền cho các lỗ:
Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng: (CT 8.2,[7], tr 162)
d
max
= 0,37. mm
Trong đó:
- D
t
= 600mm: đường kính trong của buồng đốt
- S = 5mm: bề dày của buồng đốt
- C
a
= 1mm: hệ số ăn mòn hóa học
- k: hệ số bền của lỗ
k = = = 0,187
 d
max
= 0,37. = 4,623 mm
So sánh:
- Ống dẫn hơi đốt: D
t
= 150mm > d
max
- Ống dẫn nước ngưng: : D
t
= 34mm > d
max
- Ống xả khí không ngưng: D

t
= 34mm > d
max
Như vậy ta cần tăng cứng cho lỗ của hơi đốt vào 9 (dung bạc tăng cứng), chọn
bề dày khâu tăng cứng bằng bề dày thân = 5mm.
b. Tính cho buồng bốc
 Sơ lược cấu tạo:
- Buồng bốc có đường kính trong là Dt = 800mm,chiều cao Ht = 2000mm.
- Thân có 5 lỗ: ống nhập liệu, ống thông áp, cửa sữa chữa và 2 kính quan sát.
- Phía dưới buồng bốc là phần hình nón cụt có gờ liên kết với buồng đốt
 Tính toán:
 Bề dày tối thiểu (S’):
- Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chịu áp lực từ bên ngoài. Vì áp
suất tuyệt đối thấp nhất ở bên trong là 0,6725 at nên buồng bốc chịu áp suất
ngoài là:
P
n
= P
m
= 2P
a
– P
0
= 2.1 – 0,6175 = 1,3725 at = 0,1346 N/mm
2
- Nhiệt độ của hơi thứ ra là 86,5
0
C. Vậy nhiệt độ tính toán của buồng bốc là: t
tt
=

86,5 + 20 = 106,5
0
C (trường hợp thân có bọc cách nhiệt).
- Chọn hệ số bền mối hàn
h
= 0,95 (B 1.8,tr19,[7]) (hàn 1 phía)
- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
[]*= 122 N/mm
2

(hình 1.2,tr16,[7])
Chọn hệ số hiệu chỉnh = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) tr17,[7]
 Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[] = . []* = 0,95.122 = 115,9 N/mm
2
- Tra bảng 2.12, tr 34,[7]: module đàn hồi của vật liệu ở t
tt
là:
E = 2,05.10
5
N/mm
2
.
- Chọn hế số an toàn khi chảy là n
c
= 1,65 (B 1.6,tr14,[7]
- Ứng suất chảy của vật liệu là:
= []*. n
c
= 122.1,65 = 201,3 N/mm

2
- Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 30% ở 86,5
0
C là:
dd
= 1273,25 kh/m
3
.
Theo CT 5.14,[7],tr 98:
S’ = 1,18.D
t
= 1,18.800. = 6,435 mm
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 22 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
Trong đó:
- D
t
= 800mm: đường kính trong của buồng bốc
- P
n
= 0,1346 N/mm
2
: áp suất tính toán của buồng bốc
- L = 2000mm: chiều dài tính toán của thân, là khoảng cách giữa hai mặt bích.
 Bề dày thực (S):
- D
t
= 800mm  S
min
= 3mm < 6,435 mm

 Chọn S’ = 6,435mm (B 5.1,tr94,[7])
- Chọn hệ số ăn mòn hóa học là C
a
= 1mm (thời gian làm việc 10 năm).
- Vật liệu được xem là bền cơ học nên C
b
= C
c
= 0.
- Chọn hệ số bổ sung cho dung sai của chiều dày C
0
= 0,5 mm (B XIII.9,tr364,[2])
 Hệ số bổ sung bề dày là:
C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
0
= 1 + 0 + 0 + 0,5 = 1,5 mm
 Bề dày thực là :
S = S’ + C = 6,435 + 1,5 = 7,953 mm
Chọn S = 9 mm
 Kiểm tra bề dày buồng bốc:
Theo CT 5.15 và 5.16,[7],tr99: = = 2,5
1,5. ≤ ≤
⇔ 1,5. ≤ 2,5 ≤
⇔ 0,212 ≤ 2,5 ≤ 7,071(thỏa)

 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của áp suất ngoài:
So sánh P
n
với áp suất tính toán cho phép trong thiết bị [P
n
] (5.19,tr99,[7])
[P
n
] = 0,649.E
t
. ≥ P
n
⇔ 0,649.2,05.10
5
. N/mm
2
≥ 0,1346 N/mm
2
⇔ 0,532 N/mm
2
≥ 0,1346 N/mm
2
(thỏa)
 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Xét: L = 2000 mm ≤ 5D = 5.800 = 4000 mm
Lực nén chiều trục lên buồng bốc:
P
nct
= = 165331,35 N
Theo điều kiện 5.33,tr 103,[7]:

25 ≤ ≤ 250
Tra [7], tr 103, ta có q = 0,050
 K
c
= 875. = 875. = 0,0429
Điều kiện thỏa mãn độ ổn định của thân (5.32 tr103,[7])
S – C
a
≥ ⇔ 9 – 1 ≥ ⇔ 8 ≥ 2,446 (thỏa)
Ứng suất nén được tính theo CT 5.48 tr 107,[7]:
= = 8,13 N/mm
2
Ứng suất nén cho phép (CT5.31,tr 103,[7]):
[ = K
c
.E
t
. = 0,0429. 2,05.10
5
. = 87,945 N/mm
2
 Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời áp suất ngoài và lực
nén chiều trục:
Kiểm tra điều kiện theo CT 5.47,tr 107,[7]:
+ ≤ 1 ⇔ = 0,345 ≤ 1 (thỏa)
Vậy bề dày buồng bốc là 9 mm
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 23 Chuyên ngành Hóa Dầu
Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
 Đường kính ngoài của buồng bốc:
D

n
= D
t
+ 2S = 800 + 2.9 = 818 mm
 Tính bền cho các lỗ:
Đường kính lỗ cho phép không cần tăng cứng (CT 8.2,tr 162,[7])
d
max
= 0,37. ; mm
Trong đó:
- D
t
= 800mm: đường kính trong của buồng bốc
- S = 9mm: bề dày của buồng bốc
- k: hệ số bền của lỗ
- k = = = 0,0505
 d
max
= 0,37. = 6,752 mm
So sánh:
- Ống nhập liệu: D
t
= 38mm > d
max
- Cửa sữa chữa: D
t
= 300mm > d
max
- Kính quan sát: D
t

= 200mm > d
max
 Cần tăng cứng cho cửa sữa chữa và kính quan sát, dung bạc tăng cứng với bề
dày khâu tăng cứng là 15 mm
c. Tính cho đáy thiết bị
 Sơ lược cấu tạo:
 Chọn đáy nón tiêu chuẩn: D
t
= 600 mm
 Đáy nón có phần gờ cao 40 mm và góc ở đáy là 2 = 60
0
Tra bảng XIII.21, tr 394,[7]
Chiều cao của đáy nón (không kể phần gờ) là H = 544 mm
Thể tích của đáy nón là V
đ
= 0,071 m
3
Đáy nón được khoan lỗ để tháo liệu và một lỗ để gắn vòi thử sản phẩm.
 Tính toán:
 Chiều cao phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt H
c
:
- Chiều cao này bằng chiều cao của phần dung dịch trong buồng bốc
- Thể tích của các ống truyền nhiệt:
V
1
= 0,25 H
đ
(.n) = 0,25 1,5.(187.0,025
2

) = 0,183 m
3
- Thể tích của phần đáy nón: V
2
= 0,071 m
3
- Với đường kính ống nhập liệu là 0,032 m, ta tính lại vận tốc nhập liệu như sau:
V
nl
= = =0,501 m/s
- Vận tốc dung dịch đi trong ống tuần hoàn:
v’ = = = 0,0069 m/s
- Thời gian lưu của dung dịch trong thiết bị:
= = = = 393,18 s
Trong đó:
+ V
nl
: tốc độ của dung dịch trong ống nhập liệu (m/s)
+ d
nl
: đường kính ống nhập liệu (m)
+ D
th
: đường kính ống tuần hoàn (m)
+ l: chiều dài ống truyền nhiệt (m)
+ l’: chiều dài hình học của đáy (m)
- Thể tích dung dịch đi vào thiết bị:
V = 2 . = 2. . = 2 393,18 = 0,317 m
3
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 24 Chuyên ngành Hóa Dầu

Đ n công ngh Trưng ĐH B Ra-Vng Tu
- Tổng thể tích của phần hình nón cụt và phần gờ nối với buồng đốt:
V
3
= V – V
1
– V
2
= 0,317 – 0,183 - 0,071 = 0,063 m
3
- Chọn chiều cao của phần gờ nối với buồng đốt là H
gc
= 40mm.
 Thể tích của phần gờ nối với buồng đốt:
V
gc
= H
gc
= 0,04 = 0,011 m
3
 Thể tích của phần hình nón cụt:
V
c
= V
3
- V
gc
= 0,063 – 0,011 = 0,052 m
3
- Chiều cao của phần hình nón cụt:

H
c
= = 0,163 m
Chọn H
c
= 200 mm
 Bề dày thực S:
- Chiều cao của cột chất lỏng trong thiết bị:
H’ = H
c
+ H
gc
+ H
bđ
+ H
đ
= 200 + 40 + 1500 + 544 = 2284 mm
Trong đó:
H
c
: chiều cao của chất lỏng trong phần hình nón cụt (m)
H
gc
: chiều cao của chất lỏng trong phần gờ với buồng đốt (m)
H
bđ
: chiều cao của chất lỏng trong buồng đốt (m)
H
đ
: chiều cao của chất lỏng trong đáy nón (m)

- Áp suất thủy tĩnh do cột chất lỏng gây ra trong thiết bị:
P
tt
=
dd
.g.H’ = 1273,25. 9,81. 2,284.10
-6
= 0,028 N/mm
2
- Đáy có áp suất tuyệt đối bên trong là P
0
= 0,6275 at nên chịu áp suất ngoài là
1,3725 at = 0,1346 N/mm
2
. Ngoài ra đáy còn chịu áp suất thủy tĩnh do cột chất
lỏng gây ra trong thiết bị. Như vậy áp suất tính toán là:
P
n
= P
m
+ P
tt
= 0,1346 + 0,028 = 0,1626 N/mm
2
- Các thông số làm việc:
+ D
t
= 600mm
+ P
0

= 0,6275 at = 0,06154 N/mm
2
+ t
m
= 103,343
0
C
- Các thông số tính toán:
+ l’: chiều cao tính toán của đáy l’ = H = 544 mm
+ D’: đường kính tính toán của đáy (CT 6.29, tr 133,[7])
D’ = = = 627,926 mm
- Các thông số cần tra và chọn:
+ []* = 120 N/mm
2
: ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở t
t
(hình 1.2, tr 16,
[7])
+ = 0,95: hệ số hiệu chỉnh
+ ] = []* = 0,95.120 = 114 N/mm
2
: ứng suất cho phép của vật liệu
+ E
t
= 2,05.105 N/mm
2
: module đàn hồi của vật liệu (B.2.12, tr 34,[7])
+ n
c
= 1,65: hệ số an toàn khi chảy (B 1.6,tr 14,[7])

+ = n
c
[]* = 1,65.120 = 198 N/mm
2
: giới hạn chảy của vật liệu (CT 1.3, tr 13,[7])
- Chọn bề dày tính toán S = 5mm, bằng với bề dày thực của buồng đốt.
 Kiểm tra bề dày đáy:
= = 0,866
Theo CT 5.15 ,[7],tr99:
1,5. ≤ ≤
⇔ 1,5. ≤ 0,866 ≤
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 25 Chuyên ngành Hóa Dầu