Đồ án công nghệ sản xuất Na2SO4

Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 04
I. Mở đầu. 04
II. Cô đặc 04
1.Định nghĩa 04
2.Các phương pháp cô đặc 05
3.Phân loại và ứng dụng 05
III.Nhiệm vụ của đồ án 06
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 07
I.Quy trình công nghệ 07
II.Thuyết minh quy trình công nghệ 07
CHƯƠNG III : TÍNH CÔNG NGHỆ 10
I.Cân bằng vật liệu 10
1.Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống 10
2.Xác định nồng độ muối của mỗi nồi 10
II.Cân bằng nhiệt lượng 11
1.Xác định áp suất trong các nồi 11
2.Xác định nhiệt độ của các nồi 12
3.Xác định tổn thất nhiệt độ 13
4.Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi 15
5.Cân bằng nhiệt lượng 16
III.Tính bề mặt truyền nhiệt 20
1.Các thông số cơ bản của dung dịch 20
1.1.Độ nhớt 20
1.2.Hệ số truyền nhiệt của dung dịch 21
1.3. Tính hệ số cấp nhiệt α 22
2.Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi 26
3.Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi 27
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 29
I.Tính buồng đốt 29

1. Tính số ống truyền nhiệt 29
2. Đường kính của buồng đốt 29
3. Tính chiều dày của vỉ ống 33
4. Tính bề dày của đáy buồng đốt 33
Đồ án nhóm13 Trang 1
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
II.Buồn bốc 34
1. Đường kính buồng bốc 34
2. Chiều cao của buồng bốc 34
3. Bề dày của buồng bốc: 35
4. Bề dày nắp của buồng bốc 36
III.Tính toán đường kính ống dẫn 38
1. Đường kính ống dẫn hơi đốt 38
2. Đường kính ống dẫn hơi thứ 38
3. Đường kính ống dẫn dung dịch 39
4. Đường kính ống thải nước ngưng 40
IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 41
1. Cách nhiệt cho ống dẫn 41
2. Cách nhiệt cho than hình trụ 43
V.Tính toán các mặt bích 43
1. Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 44
2. Mặt bích nối thành thiết bị với các ống dẫn 44
VI. Tính toán tai treo và giá đỡ 44
1. Tai treo của thiết bị 44
2. Chân đỡ buồng đốt 47
PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49
I.Tính tháp ngưng tụ Baromet 49
1. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 49
2. Lượng không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 49
3. Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ 50

3.1 Đường kính trong của thiết bị 50
3.2 Kích thước của tấm ngăn 50
3.3 Chiều cao của thiết bị ngưng tụ 51
3.4 Ống Baromet 52
II.Chọn bơm 54
1. Chọn bơm ly tâm để bơm nước lên thiết bị 54
2. Tính bơm chân không cho thiết bị ngưng tụ 57
2.1 Đường kính ống dẫn khí không ngưng ra khỏi tháp: 57
2.2 Công suất bơm 58
3. Bơm để bơm dung dịch vào thùng cao vị 59
Đồ án nhóm13 Trang 2
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Tài liệu tham khảo
61
Đồ án nhóm13 Trang 3
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
I. MỞ ĐẦU:
Na
2
SO
4
là một muối có dạng bột màu trắng,tan trong nước,có thể hấp thụ
chất ẩm,không nặng mùi và không có tính độc hại.
Ngành công nghiệp sản xuất Na
2
SO
4
là một trong những ngành công
nghiệp sản xuất hoá chất cơ bản. Nó được sử dụng rộng rãi trong các việc tẩy

rửa ,hóa chất ngành in,kính,thủy tinh hữu cơ,sản xuất giấy, dược phẩm,thuộc
da và nhuộm vải…
Na
2
SO
4
là một muối trung tính,không có tính độc hại.nhưng ở nhiệt độ
cao nó dễ kết tinh thành các muối không tan ảnh hưởng tới các quá trinh
nung,luyện,làm giảm năng xuất.Vì vậy cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị,
đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất.
Trước đây trong công nghiệp Na
2
SO
4
thường được sản xuất bằng cách
cho NaOH tác dụng với dung dịch CuSO
4
.Ngày nay người ta pha dung dịch
NaOH với dung dịc axit H
2
SO
4
loãng ,nóng . Tuy nhiên dung dịch sản phẩm
thu được thường có nồng độ rất loãng , khó khăn trong việc vận chuyển đi xa.
Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng người ta phải cô đặc dung dịch đến
một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
II.Cô đặc
1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào
đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó

bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung
môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp
làm lạnh kết tinh.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung
dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
Đồ án nhóm13 Trang 4
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
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 thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu
tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để
tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên 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
a. 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 bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).
• Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung
dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số
truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh
trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong, ống tuần 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:
Đồ án nhóm13 Trang 5
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch
sôi tạo bọt khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch
sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
b. Theo phương pháp thực hiện quy trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt
năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung
dịch đạt được là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100
o
C, áp
suất chân không. Dung dịch tuần 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.
III.Nhiệm vụ của đồ án.
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch Na
2
SO
4
hai nồi xuôi chiều với

các thong số sau:
- Buồng đốt ngoài kiểu đứng tuần hoàn tự nhiên.
- Năng suất dung dịch đầu vào 14000kg/h.
- Nồng độ dung dịch đầu : x
đ
= 10%
- Nồng độ dung dịch cuối: x
c
=40%
- Áp suất hơi nước nồi 1 là: p=4 at
- Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ là: p
ng
=0,25 at
Đồ án nhóm13 Trang 6
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.Quy trình công nghệ
2.Thuyết minh quy trình công nghệ
Dung dịch Na
2
SO
4
được bơm lên trên thiết bị gia nhiệt với suất lượng
14000 kg/h. Qua trình bơm sẽ có sự điều chỉnh lưu lượng cho thích hợp với
hệ thống tự động điều khiển lưu lượng. Thiết bị gia nhiệt được sử dụng là
thiết bị gia nhiệt ống chùm dạng vỏ áo, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều
ống truyền nhiệt nhỏ được bố trí theo đỉnh tam giác đều. Các đầu ống này
được giữ cố định nhờ các vỉ ống gắn với thân. Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi
đốt lấy từ lò hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at. Dung dịch được đưa vào cùng
chiều dòng hơi để tránh hiện tượng dòng ra bị cháy do tiếp xúc với nhiệt độ

quá cao.Ngoài ra việc dung dịch chảy từ trên xuống sẽ tận dụng lực trọng
trường nên không tiêu tốn năng lượng. Trong thiết bị gia nhiệt có sự trao đổi
nhiệt giữa dòng lỏng và dòng hơi qua vách ống truyền nhiệt. Dòng lỏng sẽ
được gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào thiết bị cô đặc t
=110.21
0
C. Việc gia nhiệt lên nhiệt độ sôi có ý nghĩa lớn cho quá trình diễn ra
lúc sau ở thiết bị cô đặc vì ta sẽ không phải mất thêm năng lượng cho việc gia
nhiệt đến nhiệt độ sôi, ngoài ra còn đảm bảo quá trình truyền nhiệt để bốc hơi
ở buồng đốt là thật sự hiệu quả. Còn dòng hơi sẽ được ngưng tụ thành lỏng
sôi và đựơc thoát ra ngoài. Ơ thiết bị gia nhiệt có ống thoát khí không ngưng
để đảm bảo an toàn về áp suất trong thiết bị và quá trình truyền nhiệt có hiệu
quả.
Từ thiết bị gia nhiệt, dung dịch được đưa sang hệ thống cô đặc. Ở đây
ta sử dụng thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, cĩ ống tuần hồn và hai nồi liên
tục xuôi chiều.
Đầu tiên dòng lỏng vào buồng đốt 1 (thiết bị cô đặc 1). Thiêt bị này có
cấu tạo như thiết bị gia nhiệt loại màng có bộ phận phân phối lỏng (là bộ phận
Đồ án nhóm13 Trang 7
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
có nhiều lỗ nhỏ và những ống ngắn hàn vào đĩa, các ống này có dưòng kính
nhỏ hơn ống truyền nhiệt và được đặt đồng tâm, lọt vào ống truyền nhiệt. Ở
đây dòng lỏng được để ở chế độ chảy màng từ trên xuống trong các ống
truyền nhiệt để tận dung lực trọng trường cũng như có thể tạo được màng
lỏng mỏng và đều. Việc phân phối lỏng như trên được thực hiện nhờ vào đĩa
phân phối lỏng. Khi lỏng đi vào buồng đốt (phần nắp) sẽ chảy từ từ qua các lỗ
nhỏ rồi men theo thành rỗng giữa ống truyền nhiệt và ống ngắn để tạo thành
màng mỏng với bề dày theo yêu cầu đặt ra. Dòng hơi được sử dụng cũng từ lò
hơi với áp suất tuyệt đối là 4 at, dùng năng lượng lấy từ sự ngưng tụ hơi nước
để cấp nhiệt cho dòng lỏng. Trong thiết bị này, khác với thiết bị gia nhiệt ở

chỗ dòng lỏng không nhận nhiệt để thay đổi nhiệt độ mà đẻ thay đổi entanpi
nhằm chuẩn bị cho quá trình bốc hơi sẽ diễn ra ở trong buồng bốc. Tưong tự
như thiêt bị gia nhiệt dòng hơi ngưng tụ thành lỏng được thoát ra ngoài và ở
buồng đốt cũng có ống thoát khí không ngưng. Sau khi chảy qua hệ thống ống
truyền nhiệt, dung dịch đi xuống thân phụ để chuyển qua buồng bốc. Thân
phụ giúp duy trì một vận tốc ổn dịnh cho dòng lỏng. Thân phụ nối với bồng
bốc nhờ một ống hình chữ nhật đi ra vuông góc với thân phụ và tiếp tuyến với
thân buồng bốc để tạo ra dòng chuyển động xoáy giúp xáo trộn tốt hơi và lỏng
giúp quá trình bốc hơi dễ dàng hơn.
Ở buồng bốc 1, dung dịch thực hiện quá trình bốc hơi (sau khi đã nhận
đủ nhiệt để chuyển trạng thái). Trong quá trình bốc hơi sẽ có hiện tượng dòng
hơi lôi cuốn các giọt lỏng đi theo nó và điều này sẽ làm ảnh hưởng đến thiết
bị phía sau do có sự tạo cặn lên các ống truyền nhiệt làm giảm hiệu quả
truyền nhiệt. Để khắc phục điều này trong các buồng bốc thường có bộ phận
phân ly giọt lỏng. Tuỳ vào loại thiết bị mà có thể dựa vào lực trọng trường, sự
dính ướt hay sự ly tâm. Ơ đây ta sử dụng thiết bị phân ly theo kiểu dính ướt
dạng nón. Khi dòng hơi bốc lên sẽ gặp bề mặt nón, các giọt lỏng sẽ bị giữ lại
trên nón và chảy xuống lại buồng đốt theo ống mao quản, còn hơi thứ tràn qua
Đồ án nhóm13 Trang 8
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
phần nón đi ra ngoài theo ống dẫn hơi để sang truyền nhiệt cho buồng đốt 2.
Còn dung dịch được bơm sang buồng đốt 2 để tiếp tục thực hiện quá trình cô
đặc.
Ở hệ thống nồi cô đặc 2 hiện tượng xảy ra tương tự như ở nồi 1 tuy
nhiên cũng có một số khác biệt về hơi đốt và đầu ra của các dòng như sau:
Ở buồng đốt 2, dung dịch Na
2
SO
4
(lúc này đã có sự giảm mạnh về lưu

lượng) cũng được chảy màng từ trên xuống thực hiện chế độ truyền nhiệt êm
dịu. Hơi đốt lúc này chính là hơi thứ lấy từ buồng bốc 1. Do có sự thay đổi
đáng kể áp suất ở mặt thoáng dung dịch nên nhiệt độ sôi của dung dịch đã
giảm xuống ứng vơi nhiệt độ hiện có của dung dịch. Do đó dung dịch cũng
chỉ cần nhận nhiệt lượng phục vụ cho việc tăng entanpi để có thể bốc hơi khi
sang buồng bốc. Nứơc ngưng cùng khí không ngưng cũng được thoát ra
ngoài. Dung dịch chảy xuống thân phụ được đưa sang buồng bốc.
Tại buồng bốc 2, quá trình bay hơi được thực hiện. Hơi thứ lúc này có
áp suất tuyệt đối khá nhỏ 0.26 at được đi theo ống dẫn hơi đên thiết bị ngưng
tụ baromet. Trong khi đó dung dịch Na
2
SO
4
sau quá trình bốc hơi đạt đến
nồng độ 40 % ở nhiệt độ 67.5
0
C được đưa vào bồn chứa chuẩn bị cho các
công đoạn sau đó.
Thiết bị ngưng tụ baromet được chọn ở đây là thiết bị ngưng tụ trực
tiếp loại khô. Lúc này dòng hơi thứ được đi từ dưới lên, tiếp xúc trực tiếp
dòng lỏng được cấp vào từ trên xuống có nhiệt độ thấp 30
0
C sẽ ngưng tụ
thành lỏng theo dòng nước đi xuống bồn chứa với nhiệt độ nước ngưng bằng
50
0
C. Trong quá trình này có một lượng lớn hơi được ngưng tụ nên áp suất
giảm tạo áp suất chân không. Chính nhờ điều này mà áp suất trong thiết bị
được duy trì ổn định. Sau khi qua thiết bị ngưng tụ, dòng khí không ngưng
còn lại sẽ được chuyển qua thiết bị tách lỏng. Tấm ngăn sẽ làm vật cản để

dính ướt các giọt lỏng có thể còn sót lại trong dòng khí này rồi sau đó mới cho
nó qua thiết bị bơm chân không để tránh hiện tượng xâm thực có thể xảy ra
Đồ án nhóm13 Trang 9
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
làm hư bơm.Do áp suất bên trong thiết bị thấp hơn áp suất bên ngoài nên khí
không ngưng không tự thoát ra ngoài vì vậy phải sử dụng bơm hút chân
không giúp hút khí không ngưng để áp suất không bị thay đỏi trong cả hệ
thống.
Lượng nước ngưng được thoát ra từ thiết bị gia nhiệt, buồng đốt 1,
buồng đốt 2 được gom lại và đi qua tháp giai nhiệt hạ đến nhiệt độ thường
phục vụ cho những mục đích khác nhau tuỳ vào độ tinh sạch của nó.
CHƯƠNG III: TÍNH CÔNG NGHỆ
I. Cân bằng vật liệu :
1) Xác định lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống :
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống :
G
đ
= G
c
+ W (1)
Trong đó :
G
đ
: Lượng dung dịch đầu (kg/h)
G
c
: Lượng dung dịch cuối (kg/h)
W : Lượng hơi thứ ra khỏi thiết bị (kg/h)
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử phân bố :
G

đ
* x
đ
= G
c
* x
c

Với : xđ, xc là nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng)
Trong quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất mát theo lượng
hơi bốc ra.
Ta có : G
đ
* x
đ
= G
c
* x
c
(2)
Từ (1) và (2) : W = G
đ
(1- )
Theo các số liệu ban đầu : G
đ
= 14 (tấn/giờ) = 14000 (kg/h)
x
đ
= 10 (% khối lượng) ; x
c

= 40 (% khối lượng)
⇒
W = G
đ
(1- ) = 14000 (1- ) = 10500 (kg/h)
2) Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi :
Đồ án nhóm13 Trang 10
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Lượng hơi thứ bốc hơi ra ở nồi 1,2 tương ứng là W
1
:W
2
=1:1,1
tức = 1,1 (1)
mà W=W
1
+W
2
(2)
từ (1),(2) ta có hệ:
Từ hệ ta có:
Gọi x
1
, x
2
là nồng độ dung dịch ở nồi 1 và nồi 2
⇒
x
1
= = = 16 ,47(% khối lượng)

x
2
= = = 40 (%khối lượng)
II. Cân bằng nhiệt lượng :
1) Xác định áp suất trong các nồi :
Gọi:
21
, PP
là áp suất của nồi 1 và nồi 2

nt
P

là áp suất trong thiết bị ngưng tụ

1
P
∆

là hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2

2
P
∆
là hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ
Giả thiết ta dùng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hoà.
Gọi
P∆
là hiệu số áp suất của toàn hệ thống
Ta có :

nt
PPP −=∆
1
Đồ án nhóm13 Trang 11
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Theo dữ liệu đã cho :
1
P
= 4 (at) ;
nt
P
= 0,25 (at)
⇒
nt
PPP −=∆
1
= 4 - 0,25 = 3,75
Giả sử
A
P
P
=
∆
∆
2
1
= 1,5
Với
21
PPP ∆+∆=∆

= 3,75
⇒
=∆
1
P
2,25 ;
=∆
2
P
1,5
mà
=−=∆
211
PPP
2,25 ;
=−=∆
nt
PPP
22
1,5
⇒
=+∆=
nt
PPP
22
1,44 + 0,1 = 1,75 (at)
=+∆=
211
PPP
2,25 + 1,75 = 4 (at)

Sau khi tính toán ta được áp suất hơi đốt là 4 (at) đúng với dữ liệu đã cho.
2) Xác định nhiệt độ của các nồi :
Gọi t
hđ1
, t
hđ2
, t
nt
là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ
t
ht1
, t
ht2
là nhiệt độ của hơi thứ đi ra khỏi nồi 1 và nồi 2
Coi sự tổn thất nhiệt độ do trở lực của đường ống khi vận chuyển hơi từ
thiết bị này qua thiết bị khác là 1
0
C
⇒
t
ht1
= t
hđ2
+ 1 (3)
t
ht2
= t
nt
+ 1 (4)
Từ áp suất

21
, PP
đã biết, tra bảng I.251_Tr 314_STQTTB 1 ta được t
hđ1
, t
hđ2

của nồi 1 và nồi 2
Từ các công thức (3) và (4) ta biết được t
ht1
, t
ht2

Từ t
ht1
, t
ht2
, tra bảng I.250_Tr 312_STQTTB 1 ta được áp suất của hơi thứ ở
nồi 1 và nồi 2
Lập bảng I.1 :
Đồ án nhóm13 Trang 12
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Nồi 1 Nồi 2 TBBarômet
P
(at)
t
0
C
P
(at) t

0
C
P
(at)
t
0
C
Hơi đốt 4 143,9 1,75 115,43 0,25 65,5
Hơi thứ 1,81 116,4 0,26 67,5
3) Xác định tổn thất nhiệt độ :
a) Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (
∆
’) :
b)
∆
’ = t
0
sdd
- t
0
sdm
Sử dụng công thức Tiasenco:
r
T
s
2
0
*2,16*' ∆=∆

Trong đó :

s
T
: Nhiệt độ sôi của dung môi (
0
K)
0
'∆
: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thường
r : Ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc
Dựa vào bảng VI.2_Tr 61_STQTTB 2 ta biết được
0
'∆
:
Bảng I.2 :
Nồi 1 Nồi 2
Nồng độ dung dịch (%khối lượng) 16 40
0
'∆
(
0
C)
5,2 28

Dựavào bảng I.251_Tr 314_STQTTB 1 ta xách định được r :
Bảng I.3 :
Nồi 1 Nồi 2
Ap suất hơi thứ (at) 1,81 0,26
Nhiệt độ hoá hơi r (J/kg)
1956 *
3

10
2344,4 *
3
10
Đồ án nhóm13 Trang 13
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng

⇒
011
'' ∆=∆
*16,2 * (t
ht1
+ 273)
2
/r
1
= 5,2 * 16,2 * ( 116,4+ 273)
2
/(1956*
3
10
)=6,53(
0
C)

⇒
022
'' ∆=∆
* 16,2 * (t
ht2

+ 273)
2
/r
2
= 28 * 16,2 * ( 67,5+ 273)
2
/(2344,4 *
3
10
)=
22,40(
0
C)

⇒
21
''' ∆+∆=∆
= 6,53 + 22,40= 28,93(
0
C)
b.Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (∆’’ ):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:
∆P =
2
1
ρ
S
*g*H

op
( N/m
2
)
Trong đó:
ρ
s
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi: ρ
s
=0,5ρ
dd
( kg/m
3
)
ρ
dd
: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m
3
H
op
: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ( m)
H
op
= [0,26+0,0014(ρ
dd
-ρ
dm
)]*H
o
Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông qua

công thức:
P
tbi
= P’
i
+∆P
i
( i ): nồi thứ i
Tra sổ tay ta có được bảng sau:
x
C
, % t’ ,
0
C
ρ
dd ,
kg/m
3
ρ
dm
, kg/m
3
Nồi I 16,47 116,4 1175 958
Nồi II 40 67,5 1430 958
Đồ án nhóm13 Trang 14
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Coi ρ
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt
đến độ sâu trung bình của chất lỏng.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H

o
=1,5
(m)
Nồi I:
H
op1
= [0,26+0,0014(ρ
dd
-ρ
dm
)]*H
o
=[0,26+0,0014(1175-958)]*1,5=0,7157 (m)
Áp suất trung bình
tb1
= P’
1
+∆P
1
=1,75+0,5*0,5*1175*10
-4
*0,7157=1,771 ( at)
Tra sổ tay P
tb1
=1,771 (at) ta co

t”
1
=116,03
0

C.
Suy ra : ∆”
1
=(t”
1
+∆’
1
)

– (t’
1
+∆’
1
)= 116,43– 116,03 =0,4
0
C
Nồi II:
H
op2
= [0,26+0,0014(ρ
dd
-ρ
dm
)]*H
o
=[0*26+0*0014(1430-958)]*1,5=1,2512
( m)
Áp suất trung bình:
P
tb2

= P’
2
+∆P
2
=0,26+0,5*0,5*1430*10
-4
*1,2512=0,304 (at)
Tra sổ tay P
tb2
= 0,304 (at) ta co t”
2
= 67,8
0
C.
Suy ra : ∆”
2
=(t”
2
+∆’
2
)

– (t’
2
+∆’
2
)= 67,8 – 65,5 =2,3
0
C
Vậy tổn thất nhiệt độ 2 nồi là:

Σ∆” =∆”
1
+∆”
2
=0,4+2,3 = 2,7
0
C
c. Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang
nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1
0
C. Do đó:
∆”’
1
=1,5
0
C
∆”’
2
=1,0
0
C
Đồ án nhóm13 Trang 15
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
d.Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’=27,8+2,7+2,5=33,9
0
C
4. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:
Nồi I: ∆t

i1
=T
I
– (T
2
+Σ∆
1
) =143,9 – (115,43+6,53+0,4+1,5)=20,04
0
C
Nồi II: ∆t
i2
=T
2
– (t
ng
+Σ∆
2
) =116,4– (65,5+22,17+2,3+1)=26,46
0
C
Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:
Nồi I : ∆t
i1
=T
I
–t
S1
suy ra t
S1

=T
1
- ∆t
i1
=143,9 – 20,04 = 123,5
0
C
Nồi II : ∆t
i2
=T
2
–t
S2
suy ra t
S2
=T
2
- ∆t
i2
=116,4 – 26,46 = 89,94
0
C
5. Cân bằng nhiệt lượng:
a. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
Nồi I:
Nồng độ đầu dung dịch x
D
=15%<20% nên ta áp dụng công thức:
C
D

=4186 (1-x
D
) =4186* (1- 0,10) =3516,24 j/kg*độ
Nồi II:
Coi C
1
≈
C
2
. Do x
C
=40%>20% nên áp dụng công thức:
C
1
=C
2
=4186 – ( 4186 – C
ht
)x
C1
C
ht
: Nhiệt dung riêng của chất hòa tan ,j/kg.độ
M.C
ht
=n
1
.c
1
+ n

2
.c
2
+ n
3
.c
3
+. . . n
n
.c
n
(*)
Tra sổ tay tập I ta có:
Đối với chất tan Na
2
SO
4
: M = 142 kg/Kmol
n
1
= 2, C
Na
= 2.26000 = 52000
n
2
= 1, C
s
= 22600
Đồ án nhóm13 Trang 16
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng

n
3
= 4, C
O4
4.16800/3 = 22400
thay các giá trị vào công thức ( * ) ta có
C
ht
= ( 52000 + 22600 + 22400 ) = 683,12 J/kg.độ
Nhiệt dung riêng dung dịch ra khỏi nồi II là:
C
2
=C
1
=4186 – ( 4186 – C
ht
)x
C2
=4186 – (4186 –
683,12)0.4=2784,85j/kg.độ
b) Nhiệt lượng riêng :
I : Nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
i : Nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)
Dựa vào bảng I.249_Tr 310_STQTTB 1(tra C
n
, C) và bảng I.250_Tr
312_STQTTB 1(tra I, i) ta có bảng tổng hợp sau :
Bảng I.7 :
Nồi Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t(

0
C) I.10
-3
(J/kg) C
n
(J/kg độ) t(
0
C) i.10
-3
(J/kg) C (J/kg độ) t
s
(
0
C)
1 143,9 2744,06 4294 116,43 2706 3516,24 123,5
2 116,4 2704,6 4243 67,5 2618,38 2784,85 89,93
c) Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần
thiết :
Gọi : D
1
, D
2
: là lượng hơi đốt của cả 2 nồi (trong đó D1 cần phải tìm) (kg/h)
G
đ
, G
c
: lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W
1

,W
2
:

lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
C
đ
, C
c
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu, cuối (J/kg độ)
t
đ
,t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C)
I
1
, I
2
: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)
i
1
, i
2
: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)
C
n1
,C
n2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg độ)

21
,
θθ
: nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (0C)
Đồ án nhóm13 Trang 17
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Q
tt1
, Q
tt2
: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (J)
Đồ án nhóm13 Trang 18
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
W
1
i
1
=D
2
I
2
W
2
i
2
D
1
I
1
Q

tt1
Q
tt2
G
đ
C
đ
t
đ
(G
đ
-W
1
)C
1
t
1

(G
đ
-W
1
-
W
2
)C
2
t
2

D
1
C
n1
1
θ
D
2
C
n2
2
θ
Hình I.1: Sơ đồ hệ thống nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2
Nhiệt lượng vào :
_ Nồi1:
+ Do hơi đốt mang vào : D
1
I
1
+ Do dung dịch mang vào : G
đ
C
đ
t
đ
_ Nồi 2 :
+ Do hơi đốt mang vào : D
2
I
2

+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào : (G
đ
-W
1
)C
1
t
1
Nhiệt lượng ra :
_ Nồi 1 :
+ Do hơi thứ mang ra : W
1
i
1
+ Do dung dịch mang ra : (G
đ
-W
1
)C
1
t
1
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra : D
1
Cn
1
1
θ
+ Do tổn thất chung : Q
tt1

=0,05D
1
(I
1
-C
n1
1
θ
)
Đồ án nhóm13 Trang 19
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
_ Nồi 2 :
+Do hơi thứ mang ra : W
2
i
2
+ Do sản phẩm mang ra : (G
đ
-W
1
-W
2
)C
2
t
2
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra : D
2
C
n2

2
θ
+ Do tổn thất chung : Q
tt2
=0,05D
2
(I
2
-C
n2
2
θ
)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
∑
Q
vào
=
∑
Q
ra
_ Nồi 1 : D
1
I
1
+ G
đ
C
đ
t

đ
= W
1
i
1
+ (G
đ
-W
1
)C
1
t
1
+ D
1
C
n1
1
θ
+ 0,05D
1
(I
1
-C
n1
1
θ
) (1)
_ Nồi 2 : D
2

I
2
+(G
đ
-W
1
)C
1
t
1
=W
2
i
2
+(G
đ
-W
1
-W
2
)C
2
t
2
+D
2
C
n2
2
θ

+ 0,05D
2
(I
2
-C
n2
2
θ
)
(2)
Với D
2
=W
1
; W
1
i
1
=D
2
I
2
; W=W
1
+W
2
Ta có :
(2)
⇔
W

1
I
2
+G
đ
C
1
t
1
-W
1
C
1
t
1
=Wi
2
-W
1
i
2
+G
đ
C
2
t
2
-WC
2
t

2
+W
1
C
n2
2
θ
+0,05W
1
I
2
-
0,05W
1
C
n2
2
θ
⇔
W
1
(0,95I
2
-C
1
t
1
+i
2
-0,95C

n2
2
θ
)=G
đ
(C
2
t
2
-C
1
t
1
)+W(i
2
-C
2
t
2
)
⇔
W
1
=[G
đ
(C
2
t
2
-C

1
t
1
)+W(i
2
-C
2
t
2
)]/(0,95I
2
-C
1
t
1
+i
2
-0,95C
n2
2
θ
)
⇔
W
1
=[14000(3035,6*89,97-3516,24*123,86)+10500(2618,38.10
3
-
3035,6*89,97)]/(0,95*2704,6*10
3

-3516,24*123,6+2618,38*10
3
-
0,95*4243*111,43)
Với
2
θ
=T
hđ2
,
1
θ
=T
hđ1
⇒
W
1
=5213,9 (kg/h)
⇒
W
2
=W-W
1
=10500-5286,1=5286,1 (kg/h)
Thay W
1
vừa tìm được vào (1) ta có:
Đồ án nhóm13 Trang 20
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
0,95D

1
(I
1
-C
n1
1
θ
)=W
1
i
1
+(G
đ
-W
1
)C
1
t
1
-G
đ
C
đ
t
đ
⇒
D
1
=[W
1

i
1
+(G
đ
-W
1
)C
1
t
1
-G
đ
C
đ
t
đ
]/[0,95(I
1
-C
n1
1
θ
)]
Coi dung dịch ban đầu đi vào nồi 1ở nhiệt độ sôi và áp suất khí quyển
t
đ
=100,8576 (
0
C)
⇒

D1=[5213,9*2706*10
3
+(14000-5213,9)*3516,24*123,86-
14000*3767,4*103]/[0,95(2744,06*10
3
-4294*142,9)
⇒
D1=6177,48 (kg/h)
_ Tính sai số :
+Nồi1:
1
η
= (5250-5213,9)/5286,1 * 100% =0,69% < 5%
+Nồi2:
2
η
=(5286,1-5250)/5286,1 *100% = 0,68% <5%
Như vậy các kết quả tính toán trên được chấp nhận.
III. Tính bề mặt truyền nhiệt :
1) Các thông số cơ bản của dung dịch:
1.1) Độ nhớt:
Sử dụng công thức Pavalov :
k
tt
=
−
−
21
21
θθ

=const
Trong đó : t
1
, t
2
: là nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là
21
,
µµ
21
,
θθ

: nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là
21
,
µµ
.
Thường ở đây người ta lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn
Chọn t
1
= 30
0
C, ta có
1
µ
= 1,6014*10
-3
(N.s/m
2

)
⇒

1
θ
= 3,3385
0
C
t
2
= 40
0
C, ta có
2
µ
= 1,312*10
-3
(N.s/m
2
)
⇒

2
θ
= 9,8947
0
C
Đồ án nhóm13 Trang 21
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
⇒

8947,93385,3
4030
21
21
−
−
=
−
−
θθ
tt
= 1,5253
Từ đó ta có :
2
2
θθ
+
−
=
k
tt
s
s
Nồi 1:
8947,9
5253,1
4086,123
1
+
−

=
s
θ
= 64,87
0
C
⇒
1s
µ
= 0,4720*10
-3
(N.s/m
2
)
Nồi 2:
8947,9
5253,1
4097,89
2
+
−
=
s
θ
= 42,66
0
C
⇒
2s
µ

= 0,5147*10
-3
(N.s/m
2
)
Vậy độ nhớt của dung dịch là :
1
µ
= 0,4720*10
-3
(N.s/m
2
)

2
µ
= 0,5147*10
-3
(N.s/m
2
)
1.2) Hệ số truyền nhiệt của dung dịch :
3
**
M
CA
Pd
ρ
ρλ
=

Trong đó : A : Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước
Thường A = 3,58*10
-8
C
P
: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng
ρ
: Khối lượng riêng của chất lỏng
M : Khối lượng Mol của chất lỏng
Ta có : M= m
i
*M
d
+ (1 - m
i
)*M
H2O
Đồ án nhóm13 Trang 22
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng

OH
i
d
i
d
i
i
M
x
M

x
M
x
m
2
1−
+
=
Nồi 1 :
M
1
= m
i1
*M
d
+ (1 - m
i1
)*M
H2O
= 0,048*40 + (1- 0,048)*18= 19,738
3
8
3
1
1
738,19
1175
*1175*24,3516*10*58,3***
−
==

M
CA
Pd
ρ
ρλ
= 0,578
Nồi2 : m
i2

M
2
= m
i2
*M
d
+ (1 - m
i2
)*M
H2O
= 0,077*40 + (1- 0,077)*18= 21,564
3
8
3
2
2
564,21
1430
*1430*6,3035*10*58,3.**
−
==

M
CA
Pd
ρ
ρλ
= 0,629
1.3) Tính hệ số cấp nhiệt
α
:
Mô tả sự truyền nhiệt qua vách ống :
Thiết bị cô đặc có khu vực sôi bố trí bên trong ống, phía ngoài ống có
một lớp nước ngưng tụ. Màng nước ngưng này có ảnh hưởng đến quá trình
truyền nhiệt. Đồng thời sát thành ống phía bên trong có một lớp cặn dung
dịch bám vào, lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai
đoạn:
Đồ án nhóm13 Trang 23
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
- Truyền nhiệt từ hơi đốt đền bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số
cấp nhiệt
1
α
và nhiệt tải riêng q
1
(w/m
2
)
- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày
δ
- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung

dịch với hệ số cấp nhiệt
2
α
và nhiệt tải riêng q
2
(w/m
2
)
a) Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị :
q
1
=
11
* t∆
α
Trong đó
1
t
∆
hiệu số nhiệt độ của hơi:
1
t
∆
= t
hđ
- t
T1
, chọn
1
1

t∆
= 5,1
0
C Với nồi 1
Chọn
12
t∆
=5,85
0
C Với nồi 2
1
α
được xác định theo công thức Luxen :
4
1
22
1
**
.*
*04,2
Ht
r
∆
=
µ
λρ
α
Với r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt. Tra bảng I.250 _Tr 312_STQTTB 1, ta có :
Bảng I.8:
Nồi1 Nồi2

Nhiệt độ hơi đốt t
hđ
142,9 111,5
R 2135,5*10
3
2215,65*10
3
ρ
: Khối lượng riêng của màng nước ngưng
H : Chiều cao đứng của ống truyền nhiệt; H=1,5 (m)
⇒
)
*
(**04,2
1
1
tH
r
A
∆
=
α
với
4
22
*
µ
λρ
=A
; A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng.

Đồ án nhóm13 Trang 24
Trường ĐH Bà Rịa Vũng Tàu GVHD: Dương Khắc Hồng
Ta có : Nhiệt độ của màng nước ngưng:
t
m
= t
hđ
-
2
1
t∆
Từ đó tra bảng Tr29_STQTTB 2 ta có A.
Bảng I.9:
Nồi 1 Nồi 2
t
hđ
142,9 111,5
t
m
140,35 112,505
A 194,0525 182,8588
⇒
Nồi 1:
25,0
3
25,0
1
1
1
)

1,5*5,1
10*5,2135
(*0525,194*04,2)
*
(**04,2 =
∆
=
tH
r
A
α
=
9099,3
1
1
1
1
1
1
* tq ∆=
α
=9099,3*5,1= 46406,43 (w/m
2
)
Nồi 2 :
25,0
3
25,0
1
2

1
)
85,5*5,1
10*65,2215
(*8588,182*04,2)
*
(**04,2 =
∆
=
tH
r
A
α
=
8361,99

2
1
2
1
2
1
* tq ∆=
α
= 8361,99*5,85 = 48917,64 (w/m
2
)
b) Giai đoạn cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch :
Ta có :
222

* tq
∆=
α
Trong đó
2
t
∆
là hiệu số nhiệt của thành ống và dung dịch sôi,
sT
ttt −=∆
22

(Với
t
T2
: nhiệt độ của thành ống phía dung dịch)
t
T2
= t
hđ
-
1
t
∆
-
t
∆
2
α
được xác định bằng công thức:

n
αψα
*
2
=
Với
ψ
: hiệu số hiệu chỉnh
Đồ án nhóm13 Trang 25