THIẾT kế THIẾT bị cô đặc CHÂN KHÔNG một nồi GIÁN đoạn DUNG DỊCH ĐƯỜNG từ 10% lên 42%, NĂNG SUẤT 1,5m3 TRÊN mẻ sử SỤNG ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG tâm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TÊN ĐỒ ÁN:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI GIÁN
ĐOẠN DUNG DỊCH ĐƯỜNG TỪ 10% LÊN 42%, NĂNG SUẤT
1,5m
3
/MẺ SỬ SỤNG ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Văn Toàn
Chủ nhiệm bộ môn : PGS. TS. Nguyễn Văn Thông
Nhóm sinh viên : Phạm Trung Nghĩa
: Nguyễn Hoàng Khôi Nguyên
Lớp : DH09H2
Khóa : 2009 – 2013
Vũng Tàu Tháng 4 Năm 2012
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
(Quá trình và thiết bị trong hóa học và công nghệ thực phẩm)
Họ và Tên Sinh Viên:
1) Phạm Trung Nghĩa Giới tính: Nam
2) Nguyễn Hoàng Khôi Nguyên Giới tính: Nữ
Chuyên ngành: Hóa dầu
Khóa: 2009 – 2013
1) TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế hệ thống cô đặc chân không một nồi gián đoạn dung dịch đường
từ nồng độ 10% lên 42%, sử dụng ống tuần hoàn trung tâm năng suất 1,5
tấn/mẻ, áp suất trân không là 0,2at.

2) NHIỆM VỤ
- Giới thiệu quy trình công nghệ
- Cân bằng vật chất cho tháp và hệ thống
- Tính toán thiết kế tháp
- Tính toán các thiết bị phụ
- Kết luận
3) Ngày giao :20/03/2012
4) Ngày hoàn thành :02/05/2012
GVHD : Ths. NGUYỄN VĂN TOÀN
Giáo viên hướng dẫn Trưởng bộ môn
Kí tên Kí tên
SVTH :Nhóm 15 trang 2
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 5
CHƯƠNG 1. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6
1.1 Sơ đồ công nghệ 7
1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 8
1.3 Các thiết bị trong quy trình công nghệ 8
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 9
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 9
2.1.1 Cân bằng vật chất 10
2.1.2 Cân bằng năng lượng 10
2.2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH – NỒI CÔ ĐẶC 17
2.2.1 Hệ số truyền nhiệt 17
2.2.2 Bề mặt truyền nhiệt 24
2.2.3 Buồng đốt 25
2.2.4 Buồng bốc 26
2.3 TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH 26

2.3.1 Buồng đốt 27
2.3.2 Buồng đốt 28
2.3.3 Đáy 30
2.3.4 Nắp êlip 30
2.3.5 Tính cách nhiệt cho thân 31
2.3.6 Mối ghép bích 32
2.3.7 Vỉ ống 34
2.3.8 Khối lượng và tai treo 36
2.3.9 Các đường ống dẫn, cửa 38
CHƯƠNG 3. CÁC THIẾT BỊ PHỤ 40
SVTH :Nhóm 15 trang 3
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
3.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ ỐNG CHÙM 40
SVTH :Nhóm 15 trang 4
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
3.1.1 Lưu lượng nước lạnh cần thiết 40
3.1.2 Bề mặt truyền nhiệt 41
3.1.3 Đường kính trong thiết bị ngưng tụ 42
3.1.4 Đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị 42
3.1.5 Bề dày thiết bị 43
3.2 BƠM 43
3.2.1 Bơm chân không 44
3.2.2 Bơm nhập liệu 45
3.2.3 Bơm sản phẩm 47
3.2.4 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 48
BẢNG TỔNG KẾT 51
KẾT LUẬN 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

SVTH :Nhóm 15 trang 5
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho
nền công nghiệp
nước
ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những
ngành có đóng góp vô cùng to lớn
đó
là ngành công nghiệp hóa học, đặc
biệt đó là ngành sản xuất các hóa chất cơ
bản, phục vụ cho đa số các ngành
công nghiệp.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiều hóa chất có
độ đậm đặc

cao. Nhu cầu này đặt ra cho các nhà sản xuất hóa chất sử
dụng nhiều phương pháp
để
nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như : trích
ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu …
Tuỳ
theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm
mà ta có sự lựa chọn phương pháp cho phù hợp.
Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân
không gián đoạn một nồi dung dịch Đường từ nồng độ 10% đến nồng độ
42%, năng suất 1,5 tấn/mẻ, sử dụng ống tuần hoàn trung tâm.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy
Nguyễn Văn Toàn, và các thầy cô trong khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực

Phẩm Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu.
Có thể nói thực hiện đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại
toàn bộ kiến thức đã học về các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học.
Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua
việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các thiết bị với các số liệu cụ thể.
Tuy nhiên vì kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực hiện
đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn
của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn.
SVTH :Nhóm 15 trang 6
SÔ ÑOÀ QUY TRÌNH COÂNG NGHEÄ
4
3
5
7
6
8
9
1
12
17
2
16
13
TRU? NG Ð? I H? C BÀ R?A - VUNG TÀU
KHOA HÓA H? C VÀ CÔNG NGH? TH? C PH? M
Ð?c tính k? thu?t
SO Ð? QUY TRÌNH
CÔNG NGH?
SVTH
GVHD

CNBM
H? và tên
Ch? kí
T? l?
BV s?
Ngày HT
Ngày BV
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Tên g?i
S? lu? ng
V?t li?u
1
3
1
1
1
1
1
1
1

1
B?n ch?a nguyên li?u
Bom nh?p li?u
C?a nh?p li?u
C?a d?n hoi d?t
Bu?ng d?t
Bu?ng b?c
C? a d?n hoi th?
Thi?t b? cô d?c
Thi?t b? tách b?t
13
12
11
2
1
Thi?t b? ngung t? ki?u ?ng chùm
Thi?t b? làm l?nh b?ng không khí
Thi?t b? do áp su?t
NGUY?N VAN TOÀN
1
Bom hút chân không
PH? M TRUNG NGHIA
NGUY? N H KHÔI NGUYÊN
NGUY? N VAN THÔNG
14
15
16
17
B? ch? a s?n ph?m
B? ch?a nu? c ngung

Thùng nu?c ngu ng và khí không ngung
Van
1
1
1
1
6
Ly tâm
? ng chùm
Vòng nu?c
10
15
14
11
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
CHƯƠNG 1. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.1 Sơ đồ công nghệ ( bản vẽ A3 kèm theo )
Hình 1: Sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc chân không một nồi có
ống tuần hoàn trung tâm
1.Thùng chứa nguyên liệu; 2.Bơm nhập liệu; 3.Cửa nhập liệu;4.Cửa dẫn
hơi đốt; 5.Buồng đốt; 6.Buồng bốc; 7.Ống dẫn hơi thứ; 8.Thiết bị cô
đặc; 9.Thiết bị tách bọt; 10.Thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm; 11.Thiết bị
làm lạnh bằng không khí; 12.Thiết bị đo áp suất; 13.Bơm hút chân
không; 14.Bồn chứa sản phẩm; 15.Bể chứa nước ngưng; 16.Thiết bị
chứa nước ngưng và hơi không ngưng; 17. Van.
1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ
SVTH :Nhóm 15 trang 7
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn

- Khởi động bơm chân không đến áp suất P
ck
= 0,2 at.
- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 10% từ bể chứa nguyên liệu
(1) vào nồi cô đặc bằng bơm ly tâm (2) qua lưu lượng kế và đi vào buồng đốt
(5) trong thiết bị cô đặc (8), sau khi nhập đủ 1,5 tấn thì ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 1,5 tấn thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa
ở áp suất 3 at), tại đây dung dịch đường được đun nóng tới nhiệt độ sôi, dung
dịch sẽ tạo hỗn hợp lỏng – hơi (phần hơi sẽ đi lên buồng bốc (7)). Buồng đốt
gồm một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn và nhiều ống nhỏ truyền
nhiệt. Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống.
Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn
có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần
hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch
trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền
nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền
nhiệt). Một phần dung dịch bị hơi thứ cuốn theo sẽ gặp thiết bị tách bọt (9) và
rơi xuống sau đó trở lại buồng bốc. Hơi thứ và khí không ngưng sẽ được dẫn
qua thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm (10) ( thiết bị ngưng tụ này gồm nhiều
ống truyền nhiệt nhỏ và được ngưng tụ bằng nước lạnh đi bên ngoài ống ), sau
khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa (16), còn phần khí không
ngưng sẽ được bơm hút chân không hút ra ngoài ống. Hơi đốt khi ngưng tụ
chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng rồi được xả ra ngoài thùng chứa nước
ngưng (11)
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 42% thì ngưng cấp hơi đốt,
sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo sản phẩm và đưa vào bể chứa
(14).
1.1 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
SVTH :Nhóm 15 trang 8
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

Toàn
a) Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm: Đây là thiết bị chính
trong quy trình công nghệ bao gồm buồng đốt và buồng bốc dùng để
làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách
bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
b) Thiết bị ngưng tụ kiểu ống chùm: Dùng để ngưng tụ hơi thứ (đi trong
ống ) bằng nước lạnh ( đi ngoài ống ).
c) Thiết bị tách bọt: Được dùng để tách những cấu tử lỏng và bọt bị hơi
thứ cuốn theo trước khi hơi thứ được ngưng tụ.
d) Bơm chân không và bơm ly tâm: Được sử dụng để bơm dung dịch
đường từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc, hút sản phẩm, bơm
nước lạnh cho thiết bị ngưng tụ và tạo độ chân không khi hệ thống
bắt đầu làm việc.
e) Các loại bồn chứa: Dùng để chứa nguyên liệu, sản phẩm và nước
ngưng.
f) Thiết bị tháo nước ngưng: Dùng để tháo nước ngưng và ngăn không
cho phần hơi thoát ra ngoài
g) Các thiết bị phụ trợ khác: thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại
van.
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
SVTH :Nhóm 15 trang 9
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
Các số liệu ban đầu:
• Dung dịch Đường có:
- Nhiệt độ đầu là 20
o
C, nồng độ đầu là 10%.

- Nồng độ cuối 42%.
• Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
• Áp suất ngưng tụ: P
ck
= 0,2 at.
Cô đặc gián đoạn với năng suất 1,5 tấn/mẻ
1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, % 10 18 26 34 42
Khối lượng riêng,
kg/m
3
1039,98 1074,04 1110,14 1148,37 1188,87
2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
G
đ
= G
c
+ W
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
Trong đó:
G
đ
, G

c
: lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg
W : lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg
x
đ
, x
c
: nồng độ đầu và cuối của mỗi giai đoạn
G
đ
×
x
đ
, G
c
×
x
c
: khối lượng đường trong dung dịch, kg
a) Giai đoạn 10% đến 18%
G
đ
= 1,5 x 1039,98 = 1559,97 kg
x
đ
= 0,1 ; x
c
= 0.18
• Lượng sản phẩm ( là dung dịch Đường 18% )
G

c
= G
đ
.

0,1
1559,97 866,65
0,18
d
c
x
x
= × =
kg
• Lượng hơi thứ
W = G
đ
- G
c
= 1559,97 – 886,65 = 673,32 kg
b) Giai đoạn 18% đến 26%
G
đ
= 866,65 kg ; x
đ
= 0.18 ; x
c
= 0.26
⇒
G

c
= G
đ

0.18
866,65 599,98
0.26
d
c
x
x
× = × =
kg
W = G
đ
– G
c
= 866,65 – 599,98 = 266,67 kg
SVTH :Nhóm 15 trang 10
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
c) Giai đoạn 26% đến 34%
G
đ
= 599,98 kg ; x
đ
= 0.26 ; x
c
= 0.34

⇒
G
c
= G
đ

0.26
599,98 458,81
0.34
d
c
x
x
× = × =
kg
W = 599,98 – 458,81 = 141,17 kg
c) Giai đoạn 34% đến 42%
G
đ
= 458,81 kg ; x
đ
= 0.34 ; x
c
= 0.42
⇒
G
c
= G
đ

0.34
458,81 371.42
0.42
d
c
x
x
× = × =
kg
W = 458.81 – 371,42 = 87,39 kg
• Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W
t
= 673,32 + 266,67 + 114,17 + 87,39 = 1141,55 kg
• Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, % 10 18 26 34 42
Khối lượng dung dịch, kg 1559,97 866,65 599,98 458,81 371,42
Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 673,32 266,67 141,17 87,39
Khối lượng riêng dung dịch,
kg/m
3
1039,98 1074,04 1110,14 1148,37 1188,87
2.1.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Áp suất thiết bị ngưng tụ P
o
= 0,2 at.
⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t
o
= 59,7

o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [1] ).
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ
'''
∆ =
0,5
o
C
⇒
Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t
1
= 59,7 + 0,5 = 60,2
o
C.
Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch
sdm
t
= 60,2
o
C.
⇒
Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P
1
≈
0.2031 at (Bảng
I.250 trang 312 Tài liệu [1]).
1. Tổn thất nhiệt độ:
SVTH :Nhóm 15 trang 11
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

Toàn
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ,
tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
1.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆
’
:
• Ở cùng 1 áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ
sôi của dung môi nguyên chất 1 khoảng là ∆
o
’
=
0,52
m
M
×
,
o
C
Nồng độ dung dịch, % 10 18 26 34 42
Tổn thất nhiệt
∆
o
’
(
o
C)
0,16 0,31 0,52 0,74 1,14
Nhiệt độ sôi dung dịch
o
C 100,16 100,31 100,52 100,74 101,14

a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch
Đường theo nồng độ ở áp suất P
1
= 0,2 at
Theo phương pháp Babo ( Công thức 5.9 trang 150 Tài liệu [3] )
2
2
1
2
t
OH
dd
t
OH
dd
P
P
P
P








=









* Xét dung dịch Đường 10%
Nhiệt độ dung dịch Đường 10% ở Pa = 1at là 100,16
o
C
Ở 100,16
o
C áp suất hơi nước bão hòa là 1,007 at ( Bảng I.250 trang 312 Tài
liệu [1] ).
Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch ở P
1
= 0.2031 at

2 2
100,16
dd dd
H O H O
t
P P
P P
   
=
 ÷  ÷
 ÷  ÷
   

2
( )
0.2031 1
1.007
H O t
P
=
2
( )
0.21
H O t
P
⇒ =
at
Vậy nhiệt độ sôi của nước ở 0,21 at là t = 61,45
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [2] )
⇒
Nhiệt độ sôi của dung dịch đường ở P
1
= 0.2031 at là 61,45
o
C
Tổn thất nhiệt độ sôi
'
61,45 60,2 1,25
∆ = − =
o
C

Tính tương tự ở các nồng độ 18%, 26%, 42% ta được kết quả sau:
Nồng độ dung dịch, % 10 18 26 34 42
SVTH :Nhóm 15 trang 12
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
Nhiệt độ sôi dung dịch,
o
C
61,45 61,84 62,031 62,25 62,47
Tổn thất
'
∆
,
o
C 1,25 1,64 1,831 2,05 2,27
b Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
''
∆
.
Đây là tổn thất nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng
trên miệng ống so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sôi trung bình ( thường lấy
nhiệt độ sôi của lớp chất lỏng ở giữa ống).
Ta có :
=∆ ''
t
tb
– t
1
Mà áp suất thuỷ tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc :
P

tb
= P
1
+ (Δ
h
+ h/2).
ρ
dds
. g (N/m
2
)
Hay P
tb
= P
1
+ (Δ
h
+ h/2).
ρ
dds
. g .
4
10.81,9
1
(at)
Trong đó:
t
tb
: nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P
tb

t
1


: nhiệt độ sôi của dung dịch ứng với áp suất P
1
trên mặt thoáng
P
1
: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch (N/m
2
)

∆
h : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống trên của ống
truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch (m) .Thường chọn
∆
h = 0,5m
h : chiều cao ống truyền nhiệt (m) ; h=1,5m

ρ
dds
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
)
g : gia tốc trọng trường (m/s
2
).Thường chọn g = 9,81 m/s
2
 Tính cho trường hợp dung dịch Đường 10%

Ta có: P
tb
= 0,2031 + (0,5 + 0,25)
×
519,99
×
9,81
×
4
1
9,81 10
×
= 0,247 at
Nhiệt độ sôi của H
2
O ở 0,247 at là 63,8
o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài
liệu [1] )
Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh
=∆ ''
t
tb
– t
1
= 63,8 – 60,2 = 3,6
o
C
SVTH :Nhóm 15 trang 13
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn

Toàn
⇒
nhiệt độ sôi dung dịch Đường 10% ở áp suất P
tb
là
tb
(P )
61,45 3,6 65,05
sdd
t
= + =
o
C
 Tính tương tự ta được
Nồng độ dung dịch,
%
10 18 26 34 42
''
∆
,
o
C
3,6 3,85 4,13 4.2 4,34
tb
(P )sdd
t
65,05 65,35 65,63 65,7 65,79
1. Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn
• Cân bằng nhiệt lượng:
∑

nhiệt vào =
∑
nhiệt ra
+ Nhiệt lượng vào gồm có:
Do dung dịch đầu: G
đ
,c
đ
,t
đ
Do hơi đốt:
''
.(1 ).
D
D i
φ
−
Độ ẩm của hơi:
. . .D c
φ θ
+ Nhiệt lượng ra gồm có:
Hơi thứ mang ra:
''
.
w
W i
Nước ngưng tụ:
. .D c
θ
Sản phẩm mang ra:

. .
c c c
G c t
Nhiệt cô đặc: Q
cđ
Nhiệt tổn thất: Q
tt
Độ ẩm của hơi: φ = 0,05
* Phương trình cân bằng nhiệt
cñt
''
wcccññ.ñ
''
D
QQ.c.Di.Wt.c.Gt.cGi).1.(D.c.D.
±+++=+−+
θϕθϕ
Với :
D : lượng hơi đốt sử dụng, kg

%5
=
ϕ
: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo

θ
: nhiệt độ nước ngưng,
o
C
c : nhiệt dung riêng nước ngưng ở

C
o
θ
, J/kg độ
SVTH :Nhóm 15 trang 14
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
c
đ
, c
c
: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai
đoạn, J/kg độ
t
đ
, t
c
: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn,
o
C

''
D
i
: entanpi của hơi đốt, J/kg

''
w
i
: entanpi của hơi thứ, J/kg

Q
t
: nhiệt lượng tổn thất, J
Q
cđ
: nhiệt lượng cô đặc, J
* Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp (do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)
Q
D
= D.(1-
ϕ
).(
θ
.ci
''
D
−
) = D.(1-
ϕ
).r
r =
θ
.ci
''
D
−
: nhiệt hóa hơi của nước ở áp P
Đ
* Nhiệt dung riêng của dung dịch
 Nếu như x < 20% ta tính c theo công thức:

c
dd
= 4186 (1- x)
 Nếu như x >20% thì C được tính theo công thức
c
dd
= c
ht
. x + 4186 (1-x)
Trong đó:
x: nồng độ dung dịch
c
ht
: nhiệt dung riêng KOH khan, J/kg độ
c
ht
tính theo công thức:
c
ht
=
12 7500 22 9630 11 16800
1422,98
342
× + × + ×
=
J/kg độ
Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch. % 10 18 26 34 42
Nhiệt dung riêng dung dịch,
J/kg độ

3767,4 3432,52 3367,61 3244,59 3025,53
* Chọn hơi đốt có áp suất : P
đ
=3 at
⇒

t
đ
=132.9
o
C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at
r = 2171.10
3
J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
*
Entanpi của hơi thứ ở 60,2
o
C
''
w
i
=2632.2
×
10
3
J/kg ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] )
*
Tổn thất nhiệt Q
t

= 0.05
×
Q
D
*
Xem nhiệt cô đặc Q
cđ
là không đáng kể
SVTH :Nhóm 15 trang 15
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
a Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 20
o
C đến 65,05
o
C
G
đ
= G
c
= 1559,97 kg
c
đ
= c
c
= 3767,4 J/kg độ
t
đ
= 20
o

C ; t
c
=65,05
o
C ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
1
=1559,97
×
3767,4
×
(60,05 - 20) =2,35
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D1
=
8
1
2,478 10
0.95
Q
= ×
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D

1
=
8
3
2,478 10
120,15
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
b Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 18%
G
đ
= 1559,97 kg ; c
đ
=3767,4 J/kg độ ; t
đ
=65,05
o
C
G
c
= 866,65 kg ; c
c
= 3432,52/kg độ ; t
c
= 65,35
o
C

W = 693,32 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình:
Q
2
=866,65
×
3432,52
×
65,35 - 1559,97
×
3767,4
×
65,05 + 693,32
×
2632,2
×
10
3

⇒ Q
2
= 16,37
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất )
Q
D2
=

8
8
2
20,1310
17,2 10
0.95 0.95
Q
= = ×
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
=
8
3
17,2 10
833,96
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
c Giai đoạn đưa dung dịch từ 18% đến 26%
G
đ
= 866,65 kg ; c
đ
= 3432,52 J/kg độ ; t
đ
= 65,35

o
C
G
c
= 599,98 kg ; c
c
= 3367,61 J/kg độ ; t
c
= 65,63
o
C
W = 266,67 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
SVTH :Nhóm 15 trang 16
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
Q
3
=599,98
×
3367,61
×
65,63–866,65
×
3432,52
×
65,35+266,67
×
2632,2
×

10
3
⇒ Q
3
= 6,4
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D3
=
8
6,44 10
0,95
×
=
6,74
×
10
8
J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
3
=
8
3
6,74 10

326,8
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
d Giai đoạn đưa dung dịch từ 26% đến 34%
G
đ
= 599,98 kg ; c
đ
= 3367,61 J/kg độ ; t
đ
= 65,63
o
C
G
c
= 458,81 kg ; c
c
= 3244,59 J/kg độ ; t
c
= 65,7
o
C
W = 141,17 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
4
= 458,81

×
3244,59
×
65,7 – 599,98
×
3367,61+141,17
×
2632,2
×
10
3
⇒
Q
4
= 4,67
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )
Q
D4
=
8
8
4,67 10
4,92 10
0.95
×
= ×

J
Lượng hơi đốt sử dụng
D
4
=
8
3
4,92 10
238,55
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
e Giai đoạn đưa dung dịch từ 34% đến 42%
G
đ
= 458,81 kg ; c
c
= 3244,59 J/kg độ ; t
c
= 65,7
o
C
G
c
= 371,42 kg ; c
c
= 3025,53 J/kg độ ; t
c

= 65,79
o
C
W = 87,39 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q
5
= 371,42
×
3025,53
×
65,79 - 458,81
×
3244,59
×
65,7 + 87,39
×
2632,2
×
10
3
⇒
Q
5
= 2,06
×
10
8
J
Nhiệt lượng cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt )

Q
D5
=
8
8
2,06 10
2,17 10
0.95
×
= ×
J
Lượng hơi đốt sử dụng
SVTH :Nhóm 15 trang 17
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
D
5
=
8
3
2,17 10
105,2
(1 0.05) 2171 10
×
=
− × ×
kg
* Tổng nhiệt lượng
Q
D

= Q
D1
+ Q
D2
+ Q
D3
+ Q
D4
+ Q
D5
= 2,478
×
10
8
+ 17,2
×
10
8
+ 6,78
×
10
8
+ 4,92
×
10
8
+ 2,17
×
10
8

⇒
Q
D
= 33,55
×
10
8
J
* Tổng lượng hơi đốt
D = 120,15 + 833,96 + 328,74 + 238,55 + 105,2 = 1626,6 kg
* Lượng hơi đốt riêng
D
riêng
=
1626,6
1,37
1188,55
D
W
= =
kg hơi đốt/kg hơi thứ
* Bảng tóm tắt cân bằng năng lượng
Nồng độ dung dịch. % 10 18 26 34 42
Nhiệt lượng hữu ích, J
×
10
8
2,35 18,72 25,16 29,83 31,89
Tổng nhiệt lượng cung cấp,

J
×
10
8
2,48 19,68 26,46 31,38 33,55
Lượng hơi đốt sử dụng, kg 120,15 954,11 1282,85 1521,4 1626,6
2.2 TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
2.2.1 HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT
1. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
1.1 Các kí hiệu và công thức
1
α
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m
2
K
2
α
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m
2
K
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m
2
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m
2
q
v

: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt, W/m
2
1
v
t
: nhiệt độ trung bình vách ngoài ống,
o
C
2
v
t
: nhiệt độ trung bình vách trong ống,
o
C
t
D
: nhiệt độ hơi đốt, t
D
= 132.9
o
C
t
dd
: nhiệt độ dung dịch sôi,
o
C
SVTH :Nhóm 15 trang 18
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
1

vD1
ttt
−=∆

ddv2
ttt
2
−=∆
21
vvv
ttt −=∆
( )
1
vDm
tt
2
1
t
+=
: nhiệt độ màng nước ngưng,
o
C
1.1.1 Phía hơi đốt tới thành thiết bị
 q
1
= α
1
.Δt
1
(1)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
4
1
1
2.04
r
A
t H
α
= × ×
∆ ×
(2)
Với A=
25.0
32
.








µ
λρ
phụ thuộc vào nhiệt độ màng t
m
t
m

,
o
C 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
ρ
: khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ t
m
, kg/m
3
λ
: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t
m
, W/mK
µ
:độ nhớt của nước ở nhiệt độ t
m
, Pas
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t
D
r = 2171
×
10
3
J/kg
H = 1.5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
1.1.2 Từ thành thiết bị tới dung dịch
 q
2
=
22

t.
∆
α
(3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
435.0
dd
n
n
dd
2
n
dd
565.0
n
dd
n2
.
c
c


























=
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
αα
(4)
Trong đó
•
nnnn
,c,,
µρλ
: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m

3
), nhiệt
dung riêng (J/kg độ), độ nhớt (Pas) của nước
•
dddddddd
,c,,
µρλ
: các thông số của dung dịch theo nồng độ
•
n
α
: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m
2
K
•
0.7 0.15
0.56
n
q p
α
= × ×
(5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2])
Với: q : nhiệt tải riêng, W/m
2
p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m
2
SVTH :Nhóm 15 trang 19
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
p = p

1
= 0.2031 at = 19924,11 N/m
2
* Các thông số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] )
t
sdm
= 60,2
o
C

=
n
ρ
983,2 kg/m
3
c
n
= 4183 J/kg độ
n
µ
= 0.47
×
10
-3
Ns/m
2
n
λ
= 65.9
×

10
-2
W/mK
* Các thông số của dung dịch

dd
µ
tra ở bảng I.107 trang 115 Tài liệu [1] ( ở 40
o
C )

dd
λ
tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
8
3
3.58 10
dd
dd dd
dd
c
M
ρ
λ ρ
−
= × × × ×
, W/mK
M
dd
=

1
1
342 18
x x
−
+
Với: x : nồng độ dung dịch
a. c
dd
và
dd
ρ
xác định theo nồng độ
Nồng độ dung dịch,
%
10 18 26 34 42
t
sdd
,
o
C 65,05 65,35 65,63 65,7 65,79
dd
ρ
, kg/m
3
1039,98 1074,04 1110,14 1148,37 1188,87
c
dd
, J/kg độ 3767,4 3432,52 3367,61 3244,53 3025,53
dd

µ
, Ns/m
2
0,973
×
10
3
1.672
×
10
3
2,349
×
10
3
2,892
×
10
3
3,449
×
10
3
M
dd
19,88 21,7 23,88 25,83 29,89
dd
λ
, W/mK
0.523 0.485 0.481 0,473 0,441

1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
(6)
⇒
v
t
∆
=
∑
vv
r.q
Trong đó:
∑
++=
2v
v
1
v
r
1
rr
1

r
δ
Lấy
4000
1
r
1
r
1
21
==
, (W/mK)
-1
2
v
=
δ
mm: bề dày ống truyền nhiệt
SVTH :Nhóm 15 trang 20
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
=
v
λ
17.5 W/mK: hệ số dẫn nhiệt qua vách
3
1 2 10 1
4000 17.5 4000
v
r

−
×
⇒ = + +
∑
=6.143
×
10
-4
, (W/mK)
-1
1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K
∑
++
=
2
v
1
1
r
1
1
K
α
α
, W/m
2
K
Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện
tính lặp như sau
1- Chọn

1
v
t
(< t
D
)
1
t
∆⇒
2- Tính
1
α
theo công thức (2)
3- Tính q
1
theo công thức (1)
4- Tính
v
t
∆
theo công thức (6) với q
v
= q
1
2v
t,t
2
∆⇒
5- Tính
n

α
theo công thức (5) với q = q
1
6- Tính
2
α
theo công thức (4)
7- Tính q
2
theo công thức (3)
8- Tính q
tb
=
( )
21
qq.
2
1
+
9- Xác định sai số ss =
1
tb1
q
qq
−
Nếu ss > 5% thì chọn lại
1
v
t
và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ

10-Tính K theo công thức (7)
a. Tính K cho các giai đoạn
1. Tính ở nồng độ 10%
Chọn:
1
1
124,4 8,5
o
v
t t C
= ⇒ ∆ =
• Tính
1
α
( )
1
132.9 124,4 128,65 190,595
2
o
m
t C A
= × + = ⇒ =
3
4
4
1
1
2171 10
2.04 2.04 190,595 7898,22
8,5 1.5

r
A
t H
α
×
⇒ = × × = × × =
∆ × ×
W/m
2
K
•
2
1 1 1
. 7898, 22 8,5 67134,87 /q t W m
α
= ∆ = × =
•
4
1
. 67134,87 6.143 10 41, 24
o
v v
t q r C
−
∆ = = × × =
∑
2
124,4 41,24 83,16
o
v

t C
⇒ = − =
SVTH :Nhóm 15 trang 21
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
2
83,16 65,05 18,11
o
t C⇒ ∆ = − =

0.7 0.15 0.7 0.15
1
0.56 0.56 67134.87 19924,11 5915,05
n
q p
α
= × × = × × =
W/m
2
K
0.435
2
0.565
3
2
3
0.523 1039,98 3767,4 0.47 10
5915,05
0.659 983,2 4183 0,973 10
α

−
−
 
×
 
 
= × × ×
 
 ÷
 ÷
×
 
 
 
 
2
2
3795,07 /W m K
α
=

2 2 2
. 3795,07 18,11 68728,72q t
α
= ∆ = × =
W/m
2

( ) ( )
2

1 2
1 1
. 67134,87 68728,72 67931,8 /
2 2
tb
q q q W m
= + = + =
=
−
=
1
tb1
q
qq
ss
67134,87 67931,8
0,012 1,2%
67134,87
−
= =
(thỏa)
Vậy
1
124,4
o
v
t C
=

K =

2
4
1
995,61 /
1 1
6.143 10
7898,22 3795,07
W m K
−
=
+ × +
2. Tính ở nồng độ 18%
Ta có
1
125,6
o
v
t C
=
K =
2
4
1
894,87 /
1 1
6.143 10
8212,27 2621,85
W m K
−
=

+ × +
3. Tính ở nồng độ 26%
Ta có
1
126,2
v
t =
o
C
K =
2
4
1
841,32 /
1 1
6.143 10
8394,21 2196,95
W m K
−
=
+ × +
4. Tính ở nồng độ 34%
Ta có
1
126.6
o
v
t C
=
K =

2
4
1
803,76 /
1 1
6.143 10
8527,07 1950,91
W m K
−
=
+ × +
5. Tính ở nồng độ 42%
Ta có:
1
127,2
o
v
t C
=
K =
2
4
1
748,85 /
1 1
6.143 10
8747,24 1648,12
W m K
−
=

+ × +
SVTH :Nhóm 15 trang 22
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
o Bảng tóm tắt
Nồng độ dung dịch,% 10 18 26 34 42
t
sdd
,
o
C 65,05 65,35 65,63 65,7 65,79
q
1
, W/m
2
67134,87 59949,52 56241,21 53720,54 49859,27
q
2
,W/m
2
67728,72 61403,73 57164,64 54430,39 50729,13
q
tb
, W/m
2
67931,8 60676,65 56702,92 54075,47 50294,2
1
α
,W/m
2

K
7898,22 8212,27 8394,21 8527,07 8747,24
2
α
, W/m
2
K
3795,07 2621,85 2196,95 1950,91 1648,12
K, W/m
2
K 995,61 894,87 841,38 803,76 748,85
ss, % 1,2 1,2 0.8 0.7 0.9
2. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt dung dịch ban đầu từ
20
o
C đến 65,05
o
C
2.1 Các kí hiệu và công thức
Các kí hiệu
1
α
,
2
α
, q
1
,

q

2
,

q
v
,
1
v
t
,
2
v
t
, t
D
, t
dd
,
v21
t,t,t ∆∆∆
, t
m
như mục 1.1
2.1.1 Phía hơi ngưng
111
t.q ∆=
α
4
1
1

2.04
r
A
t H
α
= × ×
∆ ×
A xác định theo t
m
r = 2171
×
10
3
J/kg
H = 1.5 m
2.1.2 Phía vách
∑
∆
=
v
v
v
r
t
q
4 2 1
6,143.10 ( / )
v
r W m K
− −

=
∑
2.1.3 Phía dung dịch
222
t.q ∆=
α
SVTH :Nhóm 15 trang 23
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
l
.Nul.
Nu
dd
2
dd
2
λ
α
λ
α
=⇒=
Trong đó:
( )
n
Pr.Gr.CNu =
dd
dddd
.c
Pr
λ

µ
=
2
dd
2dd
3
dd
g.t l
Gr
µ
βρ
∆
=
- C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
- Gr.Pr
3
10
−
≤
thì Nu = 0.5
- Gr.Pr
50010
3
→=
−
thì
( )
125.0
Pr.Gr18.1Nu =
-

7
10.2500Pr.Gr →=
thì
( )
25.0
Pr.Gr54.0Nu =
- Gr.Pr
7
10.2>
thì
( )
33.0
Pr.Gr135.0Nu =
- l : chiều cao ống truyền nhiệt, l = 1.5 m
-
dddddddddd
c,,,,
µλβρ
: khối lượng riêng ( kg/m
3
), hệ số dãn nở thể tích
( K
-1
), hệ số dẫn nhiệt ( W/mK ), độ nhớt ( Pa.s ), nhiệt dung riêng
( J/kg độ ) của dung dịch KOH lấy ở nhiệt độ màng







+=
2
v
dd
_
m
tt
2
1
t
Với:
_
1
(65,05 20) 42,53
2
o
dd
t C
= + =
3
1039,98 /
dd
kg m
ρ
=
c
dd
= 3767,4 J/kg độ
3

0,973 10
dd
µ
−
= ×
Ns/m
2
0.523 /
dd
W mK
λ
=
β
dd
= 0,503 K
-1
2.1.4 Hệ số truyền nhiệt
∑
++
=
2
v
1
1
r
1
1
K
αα
, W/m

2
K
* Trình tự tính lặp
SVTH :Nhóm 15 trang 24
Đồ Án Môn Học Quá Trình và Thiết Bị GVHD: ThS. Nguyễn Văn
Toàn
(1).
Chọn
1v
tt
1
∆⇒
(2).
Tính
1
α
(3).
Tính q
1
(4).
Tính
2v1
ttt
2
∆⇒⇒∆
(5).
Tính Nu
2
2
α

⇒
(6).
Tính q
2
(7).
Tính q
tb
=
( )
21
qq2
1
+
(8).
Tính ss =
q
qq
tb1
−
, tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% )
2.2 Thực hiện tính lặp
(1). Chọn
C3.121t
o
v
1
=
K6.113.1219.132t
1
=−=∆⇒

t
m
=
( )
C1.1273.1219.132
2
1
o
=+
13.190A =⇒
(2).
3
2
4
1
2171.10
2.04 190.13 7289.68 /
11,6 1,5
W m K
α
= × =
×
(3).
2
1 1 1
7289,68 11,6 84560,29 /q t W m
α
= ∆ = × =
(4).
4

1
. 84560,29 6,143 10 51,95
v v
t q r K
−
∆ = = × × =
∑
2
121,3 51,95 69,35
o
v
t C
⇒ = − =
2
69,35 42,53 26,82t K
⇒ ∆ = − =
(5).
Tính
2
α
3
3767,4 0,973.10
Pr 7,01
0.523
dd dd
dd
c
µ
λ
−

×
×
= = =
( )
'
1
42,53 69,35 55,94
2
o
m
t C
= + =
( )
3 2
14
2
3
1,5 1239 0,508 15,11 9,81
2,273.10
1,31.10
Gr
−
× × × ×
⇒ = =
ta thấy Gr.Pr > 2.10
7
0.33
0,135 (Pr ) 14454,99Nu Gr⇒ = × × =
SVTH :Nhóm 15 trang 25