Đồ án cô đặc KOH 2 nồi xuôi chiều

Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập -Tự do-Hạnh phúc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Số…………
Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN XUÂN HUY
Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Xuân
Lớp : ĐH Công Nghệ Hóa 1 – K3
Khoa : Công Nghệ Hóa Học
NỘI DUNG
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn
ngoài dùng cho cô đặc dung dịch KOH với năng suất 11000 kg/h , chiều cao
ống gia nhiệt h =2m .
Các số liệu ban đầu :
- Nồng độ đầu của dung dịch là 8%
- Nồng độ cuối là : 30 %
- Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,1 at
- Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at
TT Tên bản vẽ Khổ giấy Số lượng
1 Dây chuyền sản xuất
A
4
01
2 Nồi cô đặc
A
0
01
PHẦN THUYẾT MINH

1 . Mở đầu
2 . Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất
3 . Tính toán thiết bị chính
4 . Tính toán thiết bị phụ
5 . Tính toán cơ khí
6 . Tỏng kết
Ngày giao đề :……………………ngày hoàn thành:…………………
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
1
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị

1. Giới thiệu chung
 Lời mở đầu và giới thiệu dung dịch KOH
- Lời mở đầu
Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường
phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng , hoặc lỏng trong lỏng . Để
nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần
dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch . Phương pháp phổ biến là
dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi , khi đó nồng độ dung
dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn .
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm , tuần hoàn
cưỡng bức , phòng đốt ngoài , …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống
tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản , dễ
vận hành và sửa chữa , hiệu suất sử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1
nồi , 2 nồi , 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. trong thực tế
người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng
hơi đốt cao nhất , giảm tổn thất trong quá trình sản xuất .
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế
một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất , em được nhận
đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”. Việc thực hiện đồ

án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc
thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các
quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ 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
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
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
2
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
định trong tính toán và thiết kế , tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo
văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống .
Trong đồ án môn học này, em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi
xuôi chiều , thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch KOH
, năng suất 11000kg/h , nồng độ dung dịch ban đầu 8% , nồng độ sản phẩm 30%
- Giới thiệu về dung dịch KOH

KOH có dạng tinh thể không màu , t
nc
= 404
o
C , t
s
= 1324
o
C. Dễ tan trong nước
và phát nhiệt mạnh : ở 20
o
C, 100 g nước hoà tan được 112 g KOH . Thuộc loại
kiềm mạnh ; hấp thụ nước và khí cacbonic (CO

2
) trong không khí , tạo thành
kali cacbonat (K
2
CO
3
) . Dung dịch nước KOH ăn mòn thủy tinh ; KOH nóng
chảy ăn mòn sứ (trong môi trường có không khí) , platin . Điều chế bằng cách
điện phân dung dịch kali clorua (KCl) có màng ngăn . Dùng trong phòng thí
nghiệm , sản xuất xà phòng mềm, các muối kali ; KOH ăn da và rất nguy hiểm
khi bắn vào mắt .
 Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh
Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục :
Dung dịch đầu KOH 8% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa
(1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) . Ở thiết bị
trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (6).
Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung 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 . 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 .
Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó sự chênh lệch áp suất
làm việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước . Nhiệt độ của nồi
trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (2) có nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ sôi , kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này
sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi .
Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (10) .
Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8) . Trong

thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ được ngưng tụ
lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết
bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
3
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị


Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
4
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị

SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT
1 2
3
4
5 2
12
9
8
10
n
u?
c ng
u
ng
s?n ph?m
N
u?
c

l
?
nh
11
H
o
i
d?
t
H
o
i
d?
t
n
u?
c
ng
u
ng
N
u?
c
ng
u
ng
6
7
13
Chú thích

1. Thùng chứa dung dịch đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6,7. Thiết bị cô đặc
8. Thùng chứa nước
9. Thùng chứa sản phẩm
10.Thiết bị ngưng tụ Baromet
11. Thiết bị tách bọt
12. Bơm chân không
13. Ống tuần hoàn
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
5
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
2. Tính toán thiết bị chính
Các số liệu ban đầu:
Năng suất tính theo dung dịch đầu : G
đ
= 11000 kg/h
Nồng độ đầu : x
đ
= 8 %
x
c
= 30%
P hơi đốt nồi 1 = 4,1 at .
P hơi ngưng tụ = 0,2 at .
*Cân bằng vật liệu
 tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

từ công thức:
. 1
d
d
c
x
W G
x
 
= −
 ÷
 
( VI.1 - Tr.55 - Stttt2 )

8
11000. 1 8066,6667( / )
30
W kg h
 
⇒ = − =
 ÷
 
 Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Chọn tỷ lệ hơi thứ:
1
2
1
1
W
W

=
1
8066,6667.1
4033,3333( / )
2
W kg h= =
12
WWW −=

2
8066,6667 4033,3333 4033,3334( / )W kg h⇒ = − =
 Nồng độ cuối của dung dịch
Nồi 1:
1
1
.
d d
c
d
G x
x
G W
=
−
(VI.2a - Tr57 - Stttt2)
%6316,12
3333,403311000
8.11000
=
−

=
(khối lượng )
Nồi 2:

2c
x
=
11000.8
11000 8066,6667−
= 30% ( khối lượng)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
6
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống
W
1
: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1
W
2
: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2
1c
x
: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

2c
x
: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi
*Tính nhiệt độ, áp suất
 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)
nghd

Ρ−Ρ=∆Ρ
1

4,1 0,2 3,9= − =
(at ) (1)
Р
hd1
: áp suất hơi đốt nồi 1
Р
ng
áp suất hơi nước ngưng
 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt
Ta có: chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi :
1
2
p
p
∆
∆
=
2,2
1
(at) (2)
từ (1) và(2) ta có hệ phương trình :
02,2
9,3
21
21
=∆−∆
=∆+∆

pp
pp
Giải ra ta được :
→
Áp suất hơi đốt nồi 2 :

1hd
p
-
1
p∆
= 4,1- 2,68125 = 1,41875 (at)
Trong đó:

1
p∆
: chênh lệch áp suất của nồi 1 và nồi 2

2
p∆
: chênh lệch áp suất của nồi 2 và thiết bị ngưng
Hơi đốt nồi 1 được được cấp từ nồi hơi , hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang
nồi 2 làm hơi đốt để tận dụng nhiệt . Tra bảng (I.251 - Tr 314 – stttt1) ta có :
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
7
)(21875,1
)(68125,2
2
1
atp

atp
=∆
=∆
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Nồi
P
hdi

at
T
hdi
o
C
i
hdi
J/kg
r
hdi
J/kg
1 4,1 143 2744010 2140995,8
2 1,4187
5
109 2691285,5 2235326,4
ngưng 0,2 59,7 2596000 2358000

 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ :
Theo sơ đồ nồi cô dặc , nhiệt độ hơi thứ nồi 1(T
ht1
) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi
2 (T

hd2
) . Nhưng do quá trình truyền khối cố sự tổn thất nhiệt do trở lực đường
ống (
'''
∆
)
chọn
'''
1
∆
= 1°C

'''
2
∆
= 1°C
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1(T
ht1
)
1
21
+=
hdht
TT
=
109 1 110+ =
o
C
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2(T
ht2

)
1
2
+=
nght
TT
=
59,7 1 60,7+ =
o
C
(*)Tra bảng I.251-Tr314-Stttt1.
Nồi
P
hti
at
T
hti
o
C
i
hti
J/kg
r
hti
J/kg
1 1,461 110 2696000 2234000
2 0,21036
6
60,7 2609588 2356000
- Tổn thất nhiệt :

Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi (
∆
′
)
Ta có :

0
.
i
f
′ ′
∆ = ∆
(VI.10 - Tr.59 - Stttt2)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
8
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị

2
16,2.
i
T
f
r
=
(VI.11 - Tr59 - Stttt2)

2
0
16,2. .
i

i
T
r
′ ′
⇒∆ = ∆

1
273 110 383T K
= + =
2
273 60,7 333,7T K
= + =
T
i:
nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước
Giá trị
'
0
∆
được tra từ bảng ( VI.2 – Tr.63 – Stttt2 )
Nồi 1:
x
1
=12,6316%
→

'
01
∆

=3,4
0
C
Nồi 2 :
x
2
=30%
→

'
02
∆
= 12,2
0
C
C
C
0
2
'
2
0
2
'
1
339,9
2356000
7,333
.2,12.2,16
6166,3

2234000
383
.4,3.2,16
==∆⇒
==∆⇒
1 2
3,6166 9,339 12,9556
O
C
′ ′ ′
∆ = ∆ + ∆ = + =
- Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh (
''
∆
)

2
2
1
4
2
1
( ). . ( / )
2
( ). .10 ( )
2
tb hti dds
hti dds
h
h g m

h
h at
ρ
ρ
−
Ρ = Ρ + + Ν
= Ρ + +
(VI.12 - Tr.60 -Stttt2)
P
hti
: áp suất hơi thứ nồi i
h
1i
: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt ,
1
h
=0,5 (m)
h
2:
chiều cao ống truyền nhiệt ,
2
h
= 2 (m)
:
dds
ρ
khối lượng riêng của dung dịch khi sôi . Lấy gần đúng bằng ½ khối
lượng riêng của dung dịch ở 15
0
C

Tra bảng I.21 - Tr33 - Sttt1 ta có :

dd1
ρ
= 1116,844( kg/m³)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
9
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị

2dd
ρ
= 1291 (kg/m³)
4
1
4
2
2
1,461 0,5 .1116,6844.10 1,6285( )
2
2
0,210366 0,5 .1291.10 0,404( )
2
tb
tb
at
at
−
−
 
⇒ Ρ = + + =

 ÷
 
 
⇒ Ρ = + + =
 ÷
 
Tra bảng I.251 - Tr314 - Sttt1 :
C
C
C
Cat
Cat
hdtb
hdtb
tbtb
tbtb
0''
2
1
''''
0
22
''
2
0
11
''
1
0
22

0
11
913,177,14213,3
7,147,604,75
213,3110213,113
4,75)(404,0
213,113)(6285,1
=+=∆+∆=∆
=−=Τ−Τ=∆
=−=Τ−Τ=∆
=Τ⇒=Ρ
=Τ⇒=Ρ
Tổng tổn thất nhiệt của cả hệ thống là :
12,9556 17,913 2 32,8686
o
C
′ ′′ ′′′
∑∆ = ∆ + ∆ + ∆ = + + =
Hiệu số nhiệt độ hữu ích(
)
i
hi
t∆
:
1
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
143 59,7 32,8686 50,4314
143 110 3,6166 3,213 26,1704
109 60,7 9,339 14,7 24,261

hi hd ng
o
hi hd ht
o
ht hd ht
o
t T T
C
T T
C
t T T
C
∆ = − − ∑∆
= − − =
′ ′′
∆ = − − ∆ − ∆
= − − − =
′ ′′
∆ = − − ∆ − ∆
= − − − =
-Cân bằng nhiệt lượng

11
;iW

11
;iW
′
W
2

;i
2
1m
Q
2m
Q
ddd
tCG ;;
111
;);( tCWG
d
−
( )
ccd
tCWQ ;;−

11
;;
θ
p
CD

221
;;
θ
p
CW
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
10

Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)
I: hàm nhiệt của hơi đốt (j/kg)
t: nhiệt độ của dung dịch (
0
C)
θ: nhiệt độ nước ngưng (
0
C)
i: hàm nhiệt của hơi thứ (j/kg)
Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt
( bảng I.249 - Tr.311- Stttt1)
1 1
4,1 4294,5
hd p
at CΡ = ⇒ =
(J/kg.độ)
2 2
1,41875 4233
hd p
at CΡ = ⇒ =
(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của KOH tính theo công thức ( I.41- Tr.152 - Stttt1 )
M.C=
1
n
.
1
c
+

2
n
.
2
c
+
3
n
.
3
c
KOH
OO
KOH
HH
KOH
KK
KOH
M
Cn
M
Cn
M
Cn
C
khan
.

++=
=

26000
56
+
9630
56
+
16800
56
= 936,25 (J/kg.độ)
Đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức
( I.43 - Tr.152 - Stttt1)
( )
( )
8%
4186. 1
4186. 1 0,08 3851,12( / . )
KOH
C x
J kgđô
= −
= − =
( )
( )
12,6316%
. 4186. 1
4186.0,126316 4186. 1 0,126316 3657,24122( / . )
KOH KOH khan
C C x x
J kgđô
= + −

= + − =
Đối với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức ;
( I.44 - Tr.152 - Stttt1 )
( )
( )
30%
. 4186. 1
936,25.0,3 4186. 1 0,3 3211,075( / . )
KOH KOH khan
C C x x
J kgđô
= + −
= + − =
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
11
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Trong đó n : là số nguyên tử của nguyên tố K, H, O trong KOH

KOH
C
: là nhiệt dung riêng của dung dịch KOH ở nồng độ x
x: là nồng độ % phần khối lượng của
KOH

KOH
M
: khối lượng mol của
KOH

; ;

K O H
c c c
: nhiệt dung nguyên tử tra bảng (I.141-tr.152-Stttt1)
C
K
=26000 ; C
O
=16800 ; C
H
=9630
Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1:
( )
( )
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1
. . . . . . . .
0,05. 0,05. . .
đ đ đ m p đ
m p
D I G C t W i Q D C G W C t
Q Q D I C
θ
θ
+ = + + + −
= = −
Phương trình cân bằng vật liệu nồi 2:
( ) ( ) ( )
( )
1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 2
2 2 1 2 2

. . . . . . . .
0,05. 0,05. .
đ m p đ
m p
W i G W C t W W i Q W C G W C t
Q Q i C
θ
θ
′
+ − = − + + + −
′
= = −
Ta có :
Hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1 và nồi 2 :
I =2744010 (J/kg)

'
1
i
=2691285,5 (J/kg)
Hàm nhiệt hơi thứ :

1
i
=2696000 (J/ kg)

2
i
=2609588 (J/ kg)
Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt :

1
θ
=143
0
C

2
θ
=109
0
C
Nhiệt dung riêng của nước ngưng :

1p
c
=4294,5 ( J/ kg)

2p
c
=4233 ( J/ kg)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
12
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Nhiệt độ đầu vào, ra khỏi nồi1, ra khỏi nồi 2 của dung dịch :

1
t
=116,8296
0

C

2
t
=84,739
0
C

3
t
=116,8296
0
C
Nhiệt dung riêng của dung dịch :

d
c
= 3851,12 (J/kg. độ)

1
c
=3657,24122 (J/kg. độ)

2
c
=3211,075 (J/kg. độ)
Ta có :
( ) ( )
( )
( )

2 2 2 2 2 1 1
1
1 2 2 2 1 1
. . . . .
0.95 . .
đ
p
W i C t G C t C t
W
i C i C t
θ
− + −
=
′
− + −
Thay số vào ta được :
1
W
=3985,2537 (kg/h)
2
W
=8066,6667 -
1
W
=4081,413 (kg/h)
Lượng hơi đốt tính được :
( ) ( )
( )
1 1 1 1 1 1
1 1

. . . .
0.95. .
đ đ đ
p
W i C t G C t C t
D
I C
θ
− + −
⇒ =
−
Thay số vào ta được : D = 4345,3013 (kg/h)
Kiểm tra giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi :

Chọn Cân bằng vật liệu Sai số
W
1
=4033,3333 (kg/h) W
1
=3985,2537 (kg/h)
1,2064%≈
W
2
=4033,3334 (kg/h) W
2
=4081,413 (kg/h)
1,178%≈
Giả thiết phân bố áp suất hơi thứ ban đầu chấp nhận được
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
13

Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
(*) lấy nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt
2211
;
hdhd
tt ==
θθ
 hệ số truyền nhiệt


ii 11
;
α
Τ

i
t
1
∆

i
T
T
2

i
t
2
∆
i

T
T
1

ii 22
;
α
Τ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi tính theo công thức :
Nồi 1:
1
t
=
1hd
T
-
1hi
t∆
=143 - 26,1704 = 116,8296
0
C
Nồi 2:
2
t
=
2hd
T
-
2hi
t∆

= 109 - 24,261 = 84,739
0
C
Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch
)( ddhdi
t
−
∆
Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớp
màng mỏng , với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn
ngoài , phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm , phòng đốt treo đều là trường hợp
hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt ( hơi đốt là hơi bão hòa không chứa khí
trơ) , màng nước ngưng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được
tính theo công thức : (V.101 - Tr.28 - Stttt2 )
0.25
1
2 1
2,04. .
.
i
i
r
A
h t
α
 
=
 ÷
∆
 

( V.101 - Tr28 - Stttt2 )
Trong đó
:
1i
α
là hệ cấp nhiệt từ hơi đốt

:
1i
t∆
chênh lệch nhiệt độ nước ngưng và mặt ngoài ống
A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng
r
i
: ẩn nhiệt ngưng tụ ( lấy bằng ẩn nhiệt hóa hơi )

2
h
=chiều cao ống truyền nhiệt , h = 2 m
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
14
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Nồi 1 :
Giả thiết
11
2,5
o
t C∆ =
11
1

11 11
1 11
143 2,5 140,5
143 140,5
141,75
2 2
o
T
o
hd T
m
T T t C
T T
T C
⇒ = − ∆ = − =
+
+
= = =
Từ bảng ( Tr.29-Stttt2 ) suy ra A
1
= 194,2625
)/(6925,253465,2.677,10138
)/(677,10138
5,2.2
8,2140995
.2625,194.04,2
2
111111
2
25,0

11
mwtq
đômw
==∆=
=






=⇒
α
α

Thiết bị sau một thời gian sử dụng sẽ có cặn bẩn bám ở phía trong và phía
ngoài ống truyền nhiệt gây tổn thất nhiệt .
Giá trị này được tra ở bảng (V.1- Tr.4 - Stttt2 ) (bề dày các chất này là 0.0005m)
Hơi nước có
4 2
2,32.10 ( / )
hn
r mđô W
−
=
Cặn bẩn có r
cặn
4 2
3,87.10 ( / )mđô W
−

=
Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép X18H10T dày 0.002m, từ
bảng (XII.7- Tr.362 - Stttt2 ) có
3
46
T
C
λ
=
(W/m.độ) và khối lượng riêng
78500
3
=
T
C
ρ
(kg/m
3
)
Khi đó có trở lực là :
4 4 4
0.002
2,32.10 3,87.10 6,625.10
46
hn c
r r r
σ
λ
− − −
∑ = + + = + + =

(m
2
.độ/W)
Tổn thất nhiệt qua tường ống đó là :
CTTt
CtTT
Crqt
ST
TTT
T
0
21
0
04
11
87822,68296,11670782,123
70782,12379218,165,140
79218,1610.625,6.6925,25346.
121
1121
11
=−=−=∆⇒
=−=∆−=⇒
===∆
−
∑
Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 1 là :
0.5 2.33
21 21
45,3. . .

ht
P t
α ψ
= ∆
(
2
/ . )w mđô
P : áp suất làm việc (áp suất hơi thứ) at
t
∆
: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
15
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
ψ
: Hệ số hiệu chỉnh , tính theo công thức (VI.27 - Tr.71 - Stttt2 )
0.435
0.565 2
1 1 1 1
1 1 1 dd1
. . .
dd dd dd nc
nc nc nc
C
C
λ ρ µ
ψ
λ ρ µ
 
       

 
=
 ÷  ÷  ÷  ÷
 
       
 


0.435
2
0.565
4
4
0,56176 1116,6844 3657,24122 2,396.10
. . . 0,72696 1
0.6778 945,6046 4244,61 3,36544.10
−
−
 
 
   
 
= = <
 
 ÷
 ÷
 ÷  ÷
 
   
 

 
 

nc
C);;;(
µρλ
là các hằng số vật lý của nước theo nhiệt độ sôi dung dịch
1
);;;(
dd
C
µρλ
là các hằng số vật lý của dung dịch
Tổng hợp ta có bảng sau :
T=116,8296
o
C
λ
(w/m.độ)
ρ
(kg/m
3
)
µ
(N.s/m
2
)
p
C
(J/kg.độ)

Nước 0,6778 945,6046
4
2,396.10
−
4244,61
Dung dịch 0,56176 1116,6844
4
3,36544.10
−
3657,24122
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KOH tính theo công thức ( I.32 - Tr.123 - Stttt1)
3
. . .
p
A C
M
ρ
λ ρ
=
(1 )
8
3
1116,6844
3,58.10 .3657,24122.1116,6844. 0,56176
19,6872
λ
−
⇔ = =
(w/m.độ)
8

3,58.10A
−
=
hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết
M : khối lượng phân tử mol của dung dịch
KOH
( )
2
. 1 .
KOH KOH KOH H O
M n M n M= + −
:
KOH
n
phần trăm
KOH
theo mol

2
12,6316
56
0,0444
100 12,6316 100 12,6316
56 18
KOH
KOH
KOH
KOH KOH
KOH H O
x

M
n
x x
M M
= = =
− −
+
+
( phần mol ) (1)
( )
0,0444.56 1 0,0444 .18 19,6872M⇒ = + − =
(g/mol)
0.5 2.33 2
21
2
21 21 21
45,3.1,461 .6,87822 .0,72696 3558,38595( / . )
. 3558,38595.6,87822 24475,36141( / )
w mđô
q t w m
α
α
⇒ = =
= ∆ = =
11 21
11
24475,36141 25346,6925
.100% .100% 3,56% 5%
24475,36141
q q

q
− −
= ≈ <
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
16
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Vậy giá trị có thể chấp nhận .
Nồi 2.
Giả thiết
12
2,097
o
t C∆ =
12
1
12 12
2 12
109 2,097 106,903
106,903 109
107,9515
2 2
o
T
o
hd T
m
T T t C
T T
T C
⇒ = − ∆ = − =

+
+
= = =
Từ bảng ( Tr.29 - Sttt2 ) suy ra A
2
= 182,578175
0.25
2
12
2
12 12 12
2235326,4
2,04.182,578175. 10063,68789( / . )
2.2,097
. 10063,68789.2,097 21103,5535( / )
w mđô
q t w m
α
α
 
⇒ = =
 ÷
 
= ∆ = =

4
6,625.10r
−
∑ =
(m

2
.độ/W) theo trên
Tổn thất nhiệt qua tường ống đó là :
12
22 12 12
22 2
4
12
22
. 21103,5535.6,625.10 13,9811
106,903 13,9811 92,9219
92,9219 84,739 8,183
o
T
o
T T T
o
T s
t q r C
T T t C
t T T C
−
∆ = ∑ = =
⇒ = − ∆ = − =
⇒ ∆ = − = − =
Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 2 là
0.5 2.33
22 2 22
45,3. . .
ht

P t
α ψ
= ∆
ψ
: hệ số hiệu chỉnh, tính theo công thức ( VI.27 - Tr.71 - Stttt2 )
2 2 2 2
2 2 2 2
0.435
0.565 2
dd
. . .
dd dd dd nc
nc nc nc
C
C
λ ρ µ
ψ
λ ρ µ
 
       
 
=
 ÷  ÷  ÷  ÷
 ÷  ÷  ÷  ÷
 
       
 


0.435

0.565 2
4
4
0,57158 1291 3211,075 3,36544.10
. . . 0,973 1
0,68536 968,767 4202,5824 3,8418.10
−
−
 
 
     
= = <
 
 ÷
 ÷  ÷  ÷
     
 
 
 

T=84,739
o
C
λ
(w/m.độ)
ρ
(kg/m
3
)
µ

(N.s/m
2
)
C
(J/kg.độ)
Nước 0,68536 968,767
4
3,36544.10
−
4202,5824
Dung dịch 0,57158 1291
4
3,8418.10
−
3211,075
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KOH tính theo công thức ( I 32 –Tr.123 - Stttt1)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
17
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
3
. . .
p
A C
M
ρ
λ ρ
=
8
3
1291

3,58.10 .1291.3211,075. 0,57158
22,598
λ
−
⇔ = =
(w/m.độ)
8
3,58.10A
−
=
hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết
M: khối lượng phân tử mol của dung dịch
KOH
Áp dụng công thức (1)
( )
0,121.56 1 0,121 .18 22,598M⇒ = + − =
(g/mol)
0.5 2.33 2
22
2
22 22 22
45,3.0,210366 .8,183 .0,973 2708,85065( / . )
. 2708,85065.8,183 22166,52486( / )
w mđô
q t w m
α
α
⇒ = =
= ∆ = =
12 22

12
22166,52486 21103,5535
.100% .100% 4,795% 5%
22166,52486
q q
q
− −
= = <
Vậy giá trị
12
t∆
có thể chấp nhận
Hệ số truyền nhiệt giữa hai lưu thể :
i
i
hi
tb
i
t
q
K
∆
=
(w/m
2
.độ)
:
i
hi
t∆

hiệu số nhiệt độ hữu ích nồi i
:
i
tb
q
nhiệt tải riêng trung bình nồi i
2
21 ii
tb
qq
q
i
+
=
1
2
2
11 21
2
1
2
12 22
2
2
25346,6925 24475,36141
24911,02696( / )
2 2
24911,02696
951,87796( / . )
26,1704

21103,5535 22166,52486
21635,03918( / )
2 2
21635,03918
891,762( / . )
24,261
tb
tb
q q
q w m
K w mđô
q q
q w m
K w mđô
+
+
= = =
⇒ = =
+ +
= = =
⇒ = =
Cân bằng nhiệt trong từng nồi của hệ thống :
)(1176,2584242
3600
8,2140995.3013,4345
3600
.
1
1
w

rD
Q
hd
===
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
18
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
2
1
2
.
3985,2537.235326,4
2474539,668( )
3600 3600
hd
W r
Q w= = =
Phân bố nhệt độ hữu ích trong từng nồi :
Nồi
K
Q
K
Q
1
2584242,176
2714,881
951,87796
=
2584242,176
52,1046

951,87796
=
2
2474539,668
2774,8879
891,762
=
2474539,668
52,6772
891,762
=
5489,7689
Q
K
=
∑
104,7818
Q
K
=
∑

Tổng bề mặt truyền nhiệt các nồi tương ứng :
Nồi
Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau Tổng bề mặt truyền nhiệt bé
nhất
1
1
50,4314.2714,881
24,94

5489,7689
t∆ = =
1
50,4314.52,1046
25,0779
104,7818
t∆ = =
2
2
50,4314.2774,8879
25,4913
5489,7689
t∆ = =
2
50,4314.52,6772
25,3535
104,7818
t∆ = =
Kiểm tra:
50,4314t∆ =
∑
Kiểm tra:
50,4314t∆ =
∑
Sai số nồi 1 :
1 1
1
24,94 26,1704
4,93%
24,94

t thi
t
−
∆ −∆
= =
∆
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
19
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Sai số nồi 2 :
2 2
2
25,4913 24, 261
4,826%
25,4913
hi
hi
t t
t
−
∆ −∆
= =
∆
∑
×∆
=∆
K
Q
K
Q

t
t
hi
1
1
1
Nồi Bề mặt truyền nhiệt bằng
nhau, m
2
Tổng bề mặt truyền nhiệt bé
nhất, m
2
1
2584242,176
108,86
951,87796.24.94
=
2584242,176
108,26
951,87796.25,0779
=
2
2474539,668
108,86
891,762.25,4913
=
2474539,668
109,45
891,762.25,3535
=

217,72F =
∑
217,71F =
∑

11
1
1
tK
Q
F
∆×
=
Chọn theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt bằng nhau F=108,86 m
2

(buồng
đốt)
Tuy nhiên, theo bảng (VI.6 - Tr.80 - Stttt2) thì F
chuẩn
lấy bằng 125(m
2
) .
3.Tính toán thiết bị phụ
 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :
Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào là thiết bị đun nóng loại ống chùm
ngược chiều dùng hơi nước bão hoà ở 4,1at , hơi nước đi bên ngoài ống từ trên
xuống dưới . Hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên . Hỗn hợp đầu vào
thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng (25
0

C) khi ra ở nhệt độ sôi 116,8296
0
C
*) Nhiệt lượng trao đổi : ( Q)
Q = F.C
p
.(t
F
– t
f
) [W]
Trong đó :
F: lưu lượng hỗn hợp đầu F = 11000(kg/h)

F
t
: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp t
F
= 116,8296 (
o
C)
C
p
: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp C
p
= 3657,24122 (J/kg )

t
F
: Nhiệt độ môi trường

Thay số :
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
20
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Q=
11000
3600
.3657,24122.(116,8296-24,1) = 1036244,353 (W)
*) Hiệu số nhiệt độ hữu ích :
Hiệu số nhiệt độ lớn :

Chọn t
hđ
= t
1
= 143 (
0
C)
=> Δ t
d
= 143 – 24,1 = 118,9 (
0
C)
Hiệu số nhiệt độ bé :
Δ t
c
= 151 – 116,8296 = 26,1704 (
0
C)
Do

tc
tđ
∆
∆
=
118,9
4,5433 2
26,1704
= >
Nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là :
∆
t
tb
=
)lg(3,2
tc
tđ
tctđ
∆
∆
∆−∆
=
0
118,9 26,1704
61,262
118,9
2,3lg( )
26,1704
C
−

=
(V.8-Stttt2)
Hơi đốt :
t
1 tb
= 143 (
0
C)
Phía hỗn hợp :
t
2 tb
= 143 – 61,262 = 81,738 (
0
C)
*) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể :
Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :
Công thức tính : α
1
= 2,04.A.(
Ht
r
.1∆
)
0,25
Trong đó:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ lấy theo nhiệt độ hơi bão hòa
r = 2135.10
3
(J/Kg).
Δt

1
: Chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ thành
ống truyền nhiệt .
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
21
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Giả sử: Δt
1
= 3,2 (
0
C)
H: Chiều cao ống truyền nhiệt ; H = 2(m)
A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng
Ta có :
t
m
= 143 -
3,2
2
= 141,4 (
0
C)
Tra bảng (Tr.29 – Stttt2 ) => A = 194,21
Thay số : α
1
= 2,04.194,21.(
3
0,25
2135.10
( )

3,2.2
= 9521,5188 (W/m
2
.độ)
*) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ :
Công thức tính :
q
1
= α
1
.Δt
1
[W/m
2
]
Thay số :
q
1
= 9521,5188.3,2 = 30468,86 (W/m
2
)
*) Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :
Công thức tính : N
u
= 0,021.ε
k
.R
e
0,8
.P

r
0,43
.(
r
rt
p
p
)
0,25
( V.40-tr24-Stttt2)
α
2
= 0,021.
d
1
λ
.
ε
k.
R
e
0,8
.Pr
0,43
.(
r
rt
p
p
)

0,25
Trong đó :
P
rt
: Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ trung bình của tường
ε
k
: Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và
đường kính d của ống .
Chọn d = 38(mm) ; L = 2(m)
Ta có:

d
L
=
2
0,034
= 58,8 > 5m → ε
k
= 1 theo (V-2-Tr15-Stttt2)
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
22
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
Tính chuẩn số Pr :
P
r
=
λ
p
C

µ

Trong đó :
C
p
: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ở t
tb
= 81,669
0
C
C
p
= 3657,24122 (J/kg. độ)
Tra bảng (I.107 – Tr 101 – Stttt1) ta có :
µ =
3
0,35534.10
−

)
(
2
s /N m
p: khối lượng riêng của hỗn hợp ở t
tb
ρ =1073 kg/m
3
Theo công thức (I.32 – Tr.123 – Stttt1 ) ta có :
λ
1

= ε.C
p
.p.
3
M
ρ

Với ε=3,58 .10
-8
(I.32- Tr.123 – Stttt1)
=3,58.10
-8
.1073.3657,24122.
3
1073
19,03323
= 0,53868 (W/m.độ )
Thay số :
P
r
=
3
3657,24122.0,35534.10
0,53868
−
= 2,41249
Hiệu số nhiệt độ ở 2 phía thành ống :
Δt
t
= t

t
1
- t
t
2
= q
1
.∑r
t
Trong đó :
t
t
2
: Nhiệt độ thành ống phía hỗn hợp
∑r
t
: Tổng nhiệt trở ở 2 bên ống truyền nhiệt
∑r
t
=
4
6,625.10
−
(m
2
.độ/W)
Thay số :
Δt
t
=

4 0
6,625.10 .30468,86 20,1856 C
−
=

Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
23
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị
=>t
t2
= t
t1
– Δt
t
= 143- 3,2- 20,1856=119,6144
0
C
Δt
2
=
2t
t
- t
2tb
= 119,6144 – 81,669 = 37,9454
0
C
- Tính chuẩn số P
r
:

P
r
t
=
2
λ
p
C
µ
.
Trong đó :
C
p
: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp
C
p
= 3657,24122(j/kg. độ)
µ : Độ nhớt của hỗn hợp
µ =
3
0,19349.10
−
(N.s/
2
m
)
λ
2
: hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp ở t
t2

λ
2
= ε.C
p
.p.
3
M
ρ


Trong đó :
p : khối lượng riêng của hỗn hợp ở t
t
2
=81,738
0
C , ρ= 1073 (kg/m
3
)
λ
2
= 3,58.10
-8
.3657,24122.1073.
3
1073
19,03323
= 0,53868 ( W/m
2
.độ)

Thay số :
P
r
t
=
3
3657,24122.0,19349.10
0,53868
−
= 1,3137
Vậy hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :
α
2
= 0,021.
0,53868
0,034
.(10500)
0,8
. (2,41249)
0,43
.(
2,41249
1,3137
)
0,25
= 830,769
*) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :
q
2
=

2
α
.
2
t∆
= 830,769.37,8764=31466,85333 ( W/m
2
)
- Kiểm tra sai số :
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
24
Thuyết minh Đồ án môn Quá trình thiết bị

2 1
2
31466,85333 30468,86
.100% 3,1715%
31466,85333
q q
q
− −
= =
<5%
Sai số chấp nhận được
*) Bề mặt truyền nhiệt :
Công thức tính :
F =
tb
q
Q

Trong đó :
Nhiệt lượng trao đổi Q = 1026186,939 (W)
q
tb
:Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch
q
tb
=
1 2
2
q q+
=30967,85667 ( W/m
2
)
Thay số :
85667,30967
939,1026186
=F

= 33,137 m
2

*) Số ống truyền nhiệt :
Công thức tính :
n=
F
dH
π
Trong đó :
F: Bề mặt truyền nhiệt , F=33,137 (m

2
)
d : đường kính trong của ống truyền nhiệt d = 0,038 (m)
H: Chiều cao ống truyền nhiệt , H = 2 (m)
Thay số :

2.038,0.
137,33
π
=n

= 138,787
Sv thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp: ĐH HOÁ1-K3
25