CÔ dặc NaOH 2 nồi XUÔI CHIỀU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI
XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NAOH
GVHD : Phan Văn Mẫn
SVTH : Lê Thành Long 1152010120
Lê Văn Dương 1152010043
Lớp : DH11H1
Vũng tàu, tháng 4 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA - VŨNG TÀU Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
KHOA: HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN: QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN: LÊ THÀNH LONG 1152010120 DH11H1
LÊ VĂN DƯƠNG 1152010043 DH11H1
1. Tên đồ án:
Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều dùng để cô đặc NaOH.
2. Nhiệm vụ đồ án.
Số liệu ban đầu: V
đ
= 1 m
3
/h, x
đ
= 15%, x
c
= 30% (theo khối lượng)

Nội dung:
- Giới thiệu tổng quan (tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc).
- Quy trình công nghệ (đưa ra sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ).
- Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng.
- Tính toán thiết kế thiết bị chính (tính toán các thông số về đường kính,
chiều cao, bề dày và các chi tiết khác của thiết bị và các bộ phận của thiết bị).
- Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A
1
và A
3
sơ đồ quy trình công nghệ bằng card và 1
bản vẽ khổ A
1
các thiết bị chính.
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày Tháng Năm
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày Tháng Năm
5. Họ và tên người hướng dẫn: T.s PHAN VĂN MẪN
 
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN












MỤC LỤC
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá dầu là thiết kế một
thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viện
khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu được nhận đồ án
môn học: “Quá trình và thiết bị”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi
sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối
lượng kiến thức của hai môn học là quá trình thiết bị 1 và quá trình thiết bị 2.
Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có
liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện
một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ. Qua việc làm
đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra
cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết kế, tự
nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận
vấn đề một cách có hệ thống. Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn
thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm

làm việc liên tục với dung dịch NaOH, năng suất 1 m
3
/h, nồng độ dung dịch ban
đầu 15%, nồng độ sản phẩm 30%.Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến
thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh
khỏi những thiếu sót trongquá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của các thầy cô giáo để đồ án được hoàn
thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn Thầy Phan Văn Mẫn đã hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.
Nhóm SVTH: Trang 6
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nguyên liệu.
1 Tính chất hóa lý.
Natri hydroxit có công thức hóa học là NaOH hay thường được gọi là xút
hoặc xút ăn da, ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối
lượng riêng 2,1 g/cm
3
, nóng chảy ở 318
o
C (519K), và sôi ở 1390
o
C (1663K)
dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20
o
C) và sự hòa
tan tỏa nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol,
etanol…NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO
2
từ không khí nên

chúng cần được chứa trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH là một bazơ mạnh, có tính ăn da và khả năng ăn mòn
cao. Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động
trong quá trình sản xuất NaOH.
2 Điều chế và sản xuất.
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất
hóa chất cơ bản và lâu năm.
Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho
Ca(OH)
2
tác dụng với dung dịch Na
2
CO
3
loãng và nóng. Ngày nay, người ta
dung phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa. Trong quá
trình này muối NaCl được điện phân thành clo nguyên tố (trong buồng anot),
dung dịch Natri hydroxit và hydro nguyên tố (trong buồng catot). 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 bình điện phân có
màng ngăn:

NaCl + 2 H
2
O → 2 NaOH + H
2
+ Cl
2
3 Ứng dụng.
Nó đóng vai trò to lớn trong sự nghiệp phát triển của các ngành công
nghiệp như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, giấy , dệt nhuộm, xà phòng
Nhóm SVTH: Trang 7
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
và chất tẩy rửa,… Natri hydroxit cũng được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí
nghiệm.
1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch
gồm hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi bằng phương
pháp sử dụng nhiệt độ hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh. Quá trình cô đặc của
dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi quá cao thường
được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn).
Trong cô đặc cần hiểu rõ các khái niệm :
- Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch
- Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc
- Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc
Quá trình cô đặc thường dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích
làm tăng nồng độ các dung dịch loãng hoặc tách bớt chất rắn hòa tan.
Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở các điều kiện áp suất khác
nhau. Khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) người ta dùng thiết bị
hở, khi làm việc ở 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 hoăc gián đoạn.

1.3. Cô đặc nhiều nồi.
Khi cô đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không tinh tế. Mặt
khác,hơithứ còn mang một nhiệt lượng lớn, tốn nước để ngưng tụ. quá trình
côđặc nhiều nồi tận dụng hơi thứ làm hơi đốt, do đó hạ thấp chỉ tiêu tiêu haohơi
đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kĩ thuật.
Trong công nghiệp, hệ thống cô đặc nhiều nồi được chia thành 3 loại:
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song
Ưu điềm và nhược điểm của thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều :
Nhóm SVTH: Trang 8
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
: Để hệ thống làm việc được thì nhiệt độ và áp suất nồi trước phải
lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần
bơm, đỡ tốn năng lượng. thường nồi đầu áp suất dương, nồi sau áp suất âm.
- Nhiệt độ sản phẩm yếu thấp nên chất lượng sản phẩm tốt.
- Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tư thấp.
 Các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt
tăng do đó hệ số K giảm không khai thác được hết công suất thiết kế của thiết bị.
 Trong đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc dung dịch NaOH theo cách tách dung
môi dưới dạng hơi bằng hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều liên tục. Quá
trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung
môi trên mặt thoáng dung dịch bằng với áp suất làm việc của thiết bị.
Nhóm SVTH: Trang 9
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
CHƯƠNG 2: MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT.
2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ .
2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ.
2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều.
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% được chứa

trong bồn chứa nguyên liệu số 15. Sau đó được bơm lên bồn cao vị số 1 nhờ
bơm nguyên liệu số 16. Từ bồn cao vị, NaOH chảy qua lưu lương kế rồi đi vào
thiết bị gia nhiệt số 2 và được đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc số 1 để
cô đặc một phần dung dịch. Nồi số 1 sử dụng hơi đốt là hơi chính trong nhà
máy. Dung dịch từ nồi số 1 chuyển sang nồi số 2 do chênh lệch áp suất làm việc
giữa hai nồi (áp suất nồi sau < áp suất nồi trước). Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn
nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. Nồi số
2 sử dụng hơi thứ của nồi số 1 để làm hơi đốt, tiếp tục cô đặc dung dịch NaOH
đạt tới nồng độ yêu cầu (30% theo khối lượng). Hơi thứ của nồi 2 được đưa qua
thiết bị ngưng tụ baromet số 8 để tạo độ chân không cho hệ thống nhờ bơm hút
chân không số 11. Sản phẩm ở nồi cô đặc số 2 được bơm sản phẩm (bơm ly
tâm) số 13 liên tục hút ra ngoài.
2.2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị cô đặc.
Thiết bị gia nhiệt số 2 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình
trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác
đều. các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân.
Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất 3,5 at đi bên ngoài ống (phía vỏ).
Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. hơi hước bão hòa ngưng tụ trên bề
mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch đề nâng nhiệt độ của dung dịch
lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để
thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn
nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
Nhóm SVTH: Trang 10
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
2.2.3. 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 hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa)
đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và
truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống.Dung dịch đi trong ống
theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm

hóa hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi
để chảy ra ngoài. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không
ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng.
Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch,
trong buồng bốc có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ .
Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu
phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt.
2.2.4. Nguyên lý làm việc của ống tuần hoàn trung tâm.
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn
hợp lỏng – hơi, có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng
ống. đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền
nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống
truyền nhiệt là lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở
ống tuần hoàn lớn hơn ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới.
kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên
trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
2.2.5. Thiết bị ngưng tụ baromet và các thiết bị phụ khác.
Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên buồng bốc nồi cô đặc số
2 đi vào thiế bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). trong thiết bị
ngưng tụ, chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ
được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị. dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải
nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa nước ngưng số 11
Nhóm SVTH: Trang 11
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
qua ống baromet, còn khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ
phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài.
Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất
trong thiết bị ngưng tụ giảm. vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định
chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống. thiết bị làm việc ở áp
suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có

thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
Bơm chân không số 10 có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để
trành trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều làm
tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy nước có thể chảy ngược vào nồi
cô đặc. trước khi khí không ngưng được hút ra ngoài thì nó được đưa qua thiết
bị phân ly số 9 (bình tách giọt). thiết bị phân ly có một vách ngăn với nhiệm vụ
tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa
nước ngưng.
Nhóm SVTH: Trang 12
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu.
- Năng suất nhập liệu : V
đ
= 1 m
3
/h
- Nồng độ đầu : x
đ
= 15%
- Nồng độ cuối : x
c
= 30%
- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu : chọn t
o
= 30
o
C
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15% ở 30
o

C :
ρ
đ
= 1159 kg/m
3
( tra và nội suy bảng 4/11[3])
- Suất lượng nhập liệu : G
đ
=
ρ
đ
. V
đ
= 1159 . 1 = 1159 (kg/h)
- Áp dụng công thức phương trình cân bằng vật chất
G
đ
. x
đ
= G
c
. x
c
⇒
G
c
=
xc
Gđ
.x

đ
=
5,579
30
15.1159
=
(kg/h)
-  !"#$%%&!
Áp dụng công thức: W = G
đ
. (1 -
xc
xđ
) , kg/h
⇒
W = 1159 . (1 -
30
15
) = 579,5 (kg/h)
- Giả thuyết phân bố hơi thứ trong các nồi
Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và nồi 2 là
1
1,1
2
1
=
'
'
Khi đó ta có hệ phương trình:




=
=+
21
21
1,1
5,579
''
''
Giải hệ trên ta có kết quả :



=
=
('
('
/276
/5,303
2
1
)*+,--*.+
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
x’
c
=
1
.
'/

)/
−
=
5,3031159
15.1159
−
= 20,32 %
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
x’’
c
=
21
.
''/
)/
−−
=
2765,3031159
15.1159
−−
= 30 %
3.2. Cân bằng nhiệt lượng
Nhóm SVTH: Trang 13
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
3.2.1. Xác ðịnh áp suất và nhiệt ðộ mỗi nồi.
Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
Chọn áp suất ngưng tụ là 0,5 at
Tra bảng I.251/314 [1] ta có nhiệt độ tại thiết bị ngưng tụ:
T
ng

= 80,9
o
C
Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là P
1
= 3,5 at
Khi đó hiệu 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 bố áp suất giữa các nồi là :
5,1
2
1
=
∆
∆
0
0
Kết hợp với phương trình: ∆P
1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 3 at




=∆
=∆
⇒
10
10
2,1
8,1
2
1
Áp suất hơi đốt nồi 2 : P
2
= P
1
- ∆P
1
= 3,5 – 1,8 = 1,7 (at)
3.2.2. Nhiệt ðộ và áp suất hõi thứ.
Theo sơ đồ cô đặc, nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ( t
’
1
) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi 2
(T
2
). Nhưng do quá trình truyền khối có sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
(∆’’’).Chọn: ∆
1
’’’= 1

o
C ∆
2
’’’= 1
o
C
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1: t’
1
= T
2
+ ∆
1
’’’
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2 : t
’
2
= t
ng
+ ∆
2
’’’
Dựa vào các dữ kiện trên và tra bảng I.251/314 [1] ta có bảng sau đây:
Bảng 3.1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ.
Loại Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)

Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Hơi đốt P
1
= 3,5
T
1
=137,9
P
2
=1,7
T
2
=114,5
Nhóm SVTH: Trang 14
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
P
ng
= 0,5 T
ng

=80,9
Hơi thứ P’
1
=1,76
t’
1
=115,5 P’
2
=0,52 t’
2
= 81,9
3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất.
Tổn thất nhiệt trong hệ cô đặc bao gồm : tổn thất do nồng độ, tổn thất do
áp suất thũy tỉnh và tổn thất do trở lực đường ống.
a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’).
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn
nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
gọi là tổn thất nhiệt độ sôi theo nồng độ:
Theo tiaxenko: ∆’ = ∆’
o
. f 23456789
Trong đó:
∆’
o
: tổn thất nhiệt ở áp suất thường :$1 ;345<=89>
f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất thường
f



$

2
)'273(
2.16
+
=
23456789
r
i
: ẩn nhiệt hóa hơi ở nhiệt độ t’
i
, J/kg
t’
i
: nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i,
o
C
Bảng 3.2. Tổn thất nhiệt do nồng độ ∆’
Nhóm SVTH: Trang 15
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
x
c
( %
khối
lượng)
∆’
o
(
o

C)
t’
i
(
o
C )
r
i
.10
-3
( J/kg )
∆’
i
(
o
C )
Nồi 1 20,32 8,457 115,5 2218,7 9,33
Nồi 2 30 17 81,9 2304,6 15,05
Tổng 2
nồi
∑∆’ = ∆’
1
+ ∆’
2
= 9,33 + 15,05 = 24,38
o
C
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆’’).
Áp suất lớp chất lỏng trung bình là:
000


∆+=
, at 2475?68@9
Trong đó:
P
hti
: áp suất hơi thứ nồi i, at
∆P: độ tăng áp suất trong chất lỏng sôi ở độ sâu từ mặt thoáng, N/m
2
%AB
C0 5,0
ρ
=∆
, N/m
2
Hay
4
10 5,0
−
=∆
%AB
C0
ρ
, at
ρ
s
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
ρ
s

= 0,5.ρ
dd
, kg/m
3
ρ
dd
: khối lượng riêng của dung dịch, kg/m
3
H
op
: chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng, m
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o
245?68@9
H
o
: chiều cao ống truyền nhiệt, m
Tra và nội suy bảng 4/11 [4] và bảng I.249/311 [1] ta có bảng sau đây:
Bảng 3.3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ∆’’
Nhóm SVTH: Trang 16
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
x
c
( % ) t’

i
(
o
C ) ρ
dd
( kg/m
3
) ρ
dm
(kg/m
3
)
Nồi 1 20,32 115,5 1173,4 958
Nồi 2 30 81,9 1276 958
Coi ρ
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bế
mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là 1,5 m
Nồi 1:
H
op1
=[0.26+0.0014(ρ
dd1
-ρ
dm1
)].H
o
=[0,26+0,0014(1173,4 -958)].1,5=
0,84234 m

Áp suất trung bình nồi 1:
785,184234,0.10.4,1173.5,0.5,076,1
4
111
=+=∆+=
−
000

at
Nồi 2:
H
op2
=[0.26+0.0014(ρ
dd2
-ρ
dm2
)].H
o
=[0,26+0,0014(1276 -958)].1,5= 1,0578
m
Áp suất trung bình nồi 2:
554,00578,1.10.1276.5,0.5,052,0
4
222
=+=∆+=
−
000

at
$1D,B ;3465@89 ta có:

P
tb1
= 1,785 at
⇒
t
1
’’= 116,03
o
C
P
tb2
= 0,544 at
⇒
t
2
’’= 83,37
o
C
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh:
∆”
1
=(t”
1
+∆’
1
)– (t’
1
+∆’
1
)= 116,03– 115,5 =0,53

0
C
∆”
2
=(t”
2
+∆’
2
)– (t’
2
+∆’
2
)= 83,37 – 81,9 =1,47
0
C
247,153,0''''''
21
=+=∆+∆=∆∑⇒
o
C
c. Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực trên đường ống (∆’’’).
Nhóm SVTH: Trang 17
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang
nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1
o
C. EF1D%"&$1<=89
1G
∆
1

’’’ = 1,5
o
C ∆
2
’’’ = 1
o
C
⇒
∑∆’’’ = ∆
1
’’’ + ∆
2
’’’ = 1,5 + 1 = 2,5
o
C
d. Tồn thất chung trong toàn bộ hệ thống cô đặc.
∑∆ = ∑∆’ + ∑∆’’ + ∑∆’’’ = 24,38 + 2 + 2,5 = 28,88
o
C234789
3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt ðộ sôi của từng nồi.
Nồi 1:∆t
i1
=T
1
-(T
2
+Σ∆
1
) =137,9-(114,5+9,33+0,53+1,5)=12,04
0

C234=89
Nồi 2 : ∆t
i2
=T
2
– (t
ng
+Σ∆
2
) =114,5– (80,9+15,05+1,47+1)=16,08
0
C
3.2.5. Nhiệt ðộ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi.
Nồi 1 : ∆t
i1
=T
1
–t
S1
suy ra t
S1
=T
1
- ∆t
i1
=137,9 – 12,04 = 125,86
0
C
Nồi 2 : ∆t
i2

=T
2
–t
S2
suy ra t
S2
=T
2
- ∆t
i2
=114,5 – 16,08 = 98,42
0
C
3.2.6. Cân bằng nhiệt lượng.
a. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi.
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%
C = 4186.( 1 – x ) , J/kg.độ :34@5689>
x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng
Nồi 1:
Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu x
đ
= 15% < 20% nên:
C
đ
= 4186.( 1 – 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ)
Nồi 2:
Coi C
1
≈
C

2
và do x
c
= 30% > 20% nên ta áp dụng công thức:
C
1
= C
2
= C
ht
. x + 4186.(1 – x ), J/kg.độ :345689>
C
ht
: nhiệt dung riêng của chất hòa tan, J/kg.độ
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH tính theo công thức:
M . C
ht
= n
1
.c
1
+ n
2
.c
2
+ n
3
.c
3
(*) :345689>

Tra bảng I.41/152 [1] ta được:
Nhóm SVTH: Trang 18
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
M
NaOH
= 40
n
1
= n
2
= n
3
= 1
Với n
1
, n
2
, n
3
: Số nguyên tử của nguyên tố trong dung dịch
c
1
= c
Na
= 26 ( kJ/kg ng,tử.độ)
c
2
= c
O
= 16,8 (kJ/kg ng.tử.độ)

c
3
= c
H
= 9,6 (kJ/kg ng.tử.độ)
Với c
1
, c
2
, c
3
:nhiệt dung riêng của các nguyên tố trong dung dịch
Thay vào (*) ta được:
C
ht
=
40
6,98,1626
++
. 10
3
= 1310 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1và nồi 2 là :
C
1
= C
2
= 1310 . 0,3 + 41,86.(1 – 0,3) = 3323,2 (J/kg.độ)
b. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng.
Nồi 1:

D.i +G
đ
.C
đ
.t
đ
= W
1
.i
1
+(G
đ
– W
1
).C
1
.t
1
+D.C
ng1
.
1
θ
+Qm
1
Nồi 2:
W
1
.i
1

+ ( G
đ
– W
1
).C
1
.t
1
= W
2
.i
2
+ (G
đ
– W).C
2
.t
2
+ W
1
.C
ng2
.
2
θ
+ Qm
2
W = W
1
+ W

2
Mà : Qm
1
= 0,05.D.( i – C
ng1
.
1
θ
)
Qm
2
= 0,05.W
1
.( i
1
– C
ng2
.
2
θ
)
Trong đó:
D: lượng hơi đốt dung cho hệ thống, kg/h
i, i
1
, i
2
: hàm nhiệt của của hơi đốt, hơi thứ nồi 1, nồi 2, J/kg
t
đ

, t
1
, t
2
: nhiệt độ ban đầu, nhiệt độ ra khỏi nồi 1và nồi 2,
o
C
C
đ
, C
1
, C
2
: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2, J/kg.độ
21
,
θθ
: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2,
o
C
C
ng1
, C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2, J/kg.độ
Qm
1
, Qm
2
: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh, J

Nhóm SVTH: Trang 19
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
G
đ
: lượng dung dịch lúc đầu, kg/h
W
1,
W
2
: lượng hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2, kg/h
Chọn hơi thứ, hơi đốt là hơi bão hòa, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ,
khi đó ta có:
i - C
ng1
.
θ
1
= r(
θ
1
)
i
1
– C
ng2
.
θ
2
= r(
θ

2
)
$1 ;3475@89D ;3465@89ta được bảng tổng hợp sau:
Bảng 3.4. Cân bằng nhiệt lượng
Đầu vào Đầu ra nồi 1 Đầu ra nồi 2
Dung dịch NaOH:
+ t
đ
= 125,33
o
C
+ C
đ
= 3558,1 J/kg.độ
+ G
đ
= 1159 kg/h
Hơi đốt:
+
θ
1
= 137,9
o
C
+ i = 2737000 J/kg
+ C
ng1
= 4290 J/kg.độ
+ W = 579,5 kg/h
Dung dịch NaOH:

+ t
1
= 125,86
o
C
+ C
1
= 3323,2 J/kg.độ
Hơi thứ:
+
θ
2
= 114,5
o
C
+ i
1
= 2706000 J/kg
+ C
ng2
= 4290 J/kg.độ
+ W
1
= 303,55 kg/h
Dung dịch NaOH:
+ t
2
= 98,42
o
C

+ C
2
= 3323,2 J/kg.độ
+ G
c
= 579,5 kg/h
Hơi thứ:
+ t
2
’ = 80,9
o
C
+ i
2
= 2643740 J/kg
+ W
2
= 276 kg/h
Vậy: " !"#H+
W
1
=
( )
11211
11222
95,0
).(.
22
2/2'/'



−+−
−−+
θ
=
( )
86,125.2.332326437409,137.42902737000.95,0
86,125.2,3323.115942,98.2,3323).5,5791159(2643740.5,579
−+−
−−+
= 289,9 (kg/h)
 !"#.+
W
2
= W – W
1
= 579,5 – 289,9 = 289,6 (kg/h)
Nhóm SVTH: Trang 20
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
!#!"
D =
( )
111
11111
95,0
).(.
θ


2

2/2'/'
−
−−+
=
( )
9,137.42902706000.95.0
33,125.1,3558.115986,125.2,3323).9,2891159(2706000.9,289
−
−−+
= 314,6 (kg/h)
c. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi.
1
1
'
''

−
.100% < 5%
W
1
: Lượng hơi thứ theo giả thiết hay tính toán có giá trị lớn
W
n
: Lượng hơi thứ theo giả thiết hay tính toán có giá trị nhỏ
C% (nồi 1) =
5,303
9,2895,303 −
. 100% = 4,48% < 5%
C% (nồi 2) =
=

−
6,289
2766,289
. 100% = 4,7% < 5% (thõa mãn yêu cầu)
Vậy: Lượng hơi thứ nồi 1 là: W
1
= 289,9 (kg/h)
Lượng hơi thứ nồi 2 là: W
2
= 289,6 (kg/h)
Lượng hơi đốt nồi 1 là: D = 314,6 (kg/h)
Nhóm SVTH: Trang 21
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt.
4.1.1. Tính nhiệt lýợng do hõi ðốt cung cấp.
Nồi 1 :
Q
1
=D.(i - C
ng1
.
θ
1
) =314.6.(2737000-4290.137,9)=674945,7 kJ/h =187,5 kW
Nồi 2:
Q
2
=W
1

.(i
1
-C
ng2
.
θ
2
) =289,9.(2706000-4290.114,5) =642069,1kJ/h=178,4 kW
4.1.2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi.
Công thức tổng quát:



I
J
∆
=
, W/m
2
.độ
Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt:
∑r = r
1
+ r
2
+
λ
δ
Trong đó:
r

1
, r
2
: nhiệt trở của cặn bẩn ở hai phía tường, m
2
.độ/W
δ
: Bề dày ống truyền nhiệt, m
λ
: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt, W/m.độ
Chọn: r
1
= r
2
= 2,32.10
-4
m
2
.độ/W (Tra bảng V.1/4 [2])
Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép không rĩ 40XH dày 0,002
m, từ bảng XII.7/313 [2] tra được hệ số dẫn nhiệt
λ
= 44 (W/m.độ) và khối
lượng riêng
ρ
= 7820 (kg/m
3
).
Khi đó có trở lực là:
∑r = 2,32. 10

-4
+ 2,32.10
-4
+
44
002,0
= 5,106.10
-4
(m
2
.độ/W)
Nhiệt tải riêng trung bình:
Nồi 1: q
tb1
=
2
2111
II +
Trong đó:
I

&;$#AK1!LA%M *
Nhóm SVTH: Trang 22
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
q
11
=α
11
.∆t
11

(1)
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được
tính theo công thức của Nusselt:
α
11
=1.13.A
1
.(
11
. C
$
∆
)
.025
Kcal/ m
2
.h.độ (*) 2@4<@578@9
Trong đó:
α
11
: Hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt, W/m
2
.độ
∆t
11
: Chênh lệch nhiệt độ nước ngưng và mặt ngoài ống,
o
C
r
1

: Ẩn nhiệt ngưng tụcủa hơi đốt, J/kg
r
1
= r(
θ
1
) = i -C
ng1
.
θ
1
=2737000 -4290.137,9 = 2145,41kJ/kg
=512,03Kcal/kg
H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m
A
1
: Hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m1
:$1 ;$18@9>
Chọn t
T11
= 137,54
o
C
Khi đó: ∆t
11
= T
1
– t
T11

= 137,9 – 137,54 = 0,36
o
C
( ) ( )
72,13754,1379,137.5,0.5,0
1111
=+=+=⇒


o
C
Từ giá trị t
m1
vừa tính được, tra bảng số liệu trang 120 [3] ta được: A
1
=2362,02
Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:
α
11
=1.13.2362,02.(
36,0.5,1
03,512
)
.025
= 14811,1Kcal/m
2
.h.độ
Thay α
11
vào công thức (1) ta có:

q
11
= 14811,1. 0,36 = 5332 Kcal/m
2
.h.độ = 6201,12 W/m
2
I

&;AK1--*BN4
q
21
=α
21
.∆t
21
(2)
Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch α
21
được tính theo công thức:
α
21
= 1,6 .ϕ. P
1
0,4
.q
11
0.7
kcal/m
2
.h.độ (**) 2@4=<58@9

Trong đó:
P
1
: áp suất hơi trên bề mặt thoáng của dung dịch sôi, P
1
=1,76 at
Nhóm SVTH: Trang 23
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
q
11
: nhiệt tải riêng phía hơi đốt, q
11
= 5332 Kcal/m
2
.h.độ
ϕ
: thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH,
76,0=
ϕ
Ta có:
16,310.106,5.12,6201.
4
1121
==∑=∆
−
$I

o
C
52,886,12516,354,137

1211121
=−−=−∆−=∆⇒
B

o
C
Thay các giá trị vào công thức (**) ta có:
α
21
= 1,6 .0,76. 1,76
0.4
.5332
0.7
=619,4 Kcal/m
2
.h.độ =720,4 W/m
2
.độ
Thay α
21
vào công thức (2) ta có:
q
21
= 720,4. 8,52 = 6137,8 W/m
2
Kiểm tra lại giả thiết ∆t
1
:
02,1100.
12,6201

8,613712,6201
11
2111
=
−
=
−
I
II
%
≤
5% (thỏa mãn điều kiện sai
số)
Vậy nhiệt tải trung bình nồi 1 là:
46,6169
2
8,613712,6201
2
2111
1
=
+
=
+
=
II
I

W/m
2

Nồi 2:
2
2212
2
II
I

+
=
Trong đó:
I

&;$#AK1!LA%M *
q
12
=α
12
.∆t
12
(3)
Hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ống thẳng đứng được
tính theo công thức của Nusselt:
α
12
=1.13.A
2
.(
12
. C
$

∆
)
.025
Kcal/ m
2
.h.độ(I) 2@4<@578@9
Trong đó:
α
12
: Hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt, W/m
2
.độ
Nhóm SVTH: Trang 24
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: ThS. Phan Văn Mẫn
∆t
12
: Chênh lệch nhiệt độ nước ngưng và mặt ngoài ống,
o
C
r
2
: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt, J/kg
r
2
= r(
θ
2
) = i
1
-C

ng2
.
θ
2
=2706000 – 4290.114,5 = 2214,8 kJ/kg
=528,6 Kcal/kg
H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 1,5 m
A
2
: Hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m2
:$1 ;$18@9>
Chọn t
T12
= 114,18
o
C
Khi đó: ∆t
12
= T
2
– t
T12
= 114,5 – 114,18 = 0,32
o
C
( ) ( )
34,11418,1145,114.5,0.5,0
1222
=+=+=⇒



o
C
Từ giá trị t
m2
vừa tính được, tra bảng số liệu trang 120 [3] ta được: A
2
=2268,87
Thay các giá trị vào công thức (I) ta có:
α
12
=1.13.2268,87.(
32,0.5,1
6,528
)
.025
= 14769,3 Kcal/m
2
.h.độ
Thay α
12
vào công thức (3) ta có:
q
12
= 14769,3. 0,32 = 4726,2 Kcal/m
2
.h.độ = 5496,5 W/m
2
I


&;AK1--*BN4
q
22
=α
22
.∆t
22
(4)
Hệ số cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch α
22
được tính theo công thức:
α
22
= 1,6 .ϕ. P
2
0,4
.q
12
0.7
kcal/m
2
.h.độ (II) 2@4=<58@9
Trong đó:
P
2
: áp suất hơi trên bề mặt thoáng của dung dịch sôi, P
2
=0,52 at
q

12
: nhiệt tải riêng phía hơi đốt, q
12
= 4726,2 Kcal/m
2
.h.độ
ϕ
: thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH,
76,0
=
ϕ
Ta có:
8,210.106,5.5,5496.
4
1212
==∑=∆
−
$I

o
C
96,1242,988,218,114
2121222
=−−=−∆−=∆⇒
B

o
C
Thay các giá trị vào công thức (II) ta có:
Nhóm SVTH: Trang 25