Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Mục lục
Chương I: Tổng quan
I.1. Nhiệm vụ đồ án:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
với yêu cầu công nghệ như sau:
∗ Năng suất theo nhập liệu: 5500 kg/h
∗ Nồng độ đầu: 8% khối lượng
∗ Nồng độ cuối: 32% khối lượng
I.2. Tính chất về nguyên liệu:
Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh.Các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kết ion.
Rất dễ tan trong nước và tăng nhanh theo nhiệt độ, cũng rất dễ bị kết tinh. Nó khó tan trong các
dung môi hữu cơ như ete
Khối lượng riêng 2.265 g/cm
3
; ở 30
o
C (nồng độ 15%) NaNO
3
có độ nhớt là 0,94.10
-
3
N.s/m
2
; độ hoà tan (g chất khan/100g dd) là 49,0.
Khi đun nóng NaNO
3
nóng chảy:

SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 1
1
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
2 NaNO
3
= 2NaNO
2
+ O
2
Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO
3
là chất oxi hóa mạnh
Điều chế và ứng dụng của NaNO
3
:
Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO
3
và NaCl:
KNO
3
+ NaCl = NaNO
3
+ KCl
Hoà tan muối loãng KNO
3
và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tinh KCl ở
nhiệt độ 30
o

. Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22
o
sẽ kết tinh
NaNO
3
.
NaNO
3
được dùng để sản xuất axit nitric là một axit rất quan trọng trong công nghiệp,
sản xuất phân đạm trong công nghiệp. Chế biến thủy tinh, làm thuốc nổ…
I.3. Quá trình cô đặc:
I.3.1. Định nghĩa:
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai
hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt
sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn). Đó
là các quá trình vật lý - hóa lý.
I.3.2. Các phương pháp cô đặc:
Phương pháp nhiệt: 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 thiết bị làm lạnh.
I.3.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:
Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển
động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay
hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần
cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và
chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo

nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.
I.3.4. Ứng dụng của cô đặc:
Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm. Mục đích để đạt được nồng
độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh.
Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây
Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl
2
, các muối vô cơ …
I.4. Thiết bị cô đặc:
I.4.1. Phân loại và ứng dụng:
◦ Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:
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 dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
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
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 2
2
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép…
◦ Theo phương pháp thực hiện quá trình:
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô
đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, 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 thấp hơn do có 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 so với chi phí bỏ ra. Có thể cô đặc chân không, cô đặc 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 tự động hóa.
⇒ Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:
Thiết bị chính:
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
 Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…
Thiết bị phụ:
 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
 Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.
 Thiết bị gia nhiệt.
 Thiết bị ngưng tụ Baromet.
 Thiết bị đo và điều chỉnh
I.4.2. Lựa chọn thiết bị chính:

Để đạt được nồng độ khi cô đặc NaNO3 cao theo đúng yêu cầu cần phải tiêu tốn
một lượng nhiệt rất lớn. Do đó quan tâm đến tiết kiệm năng lượng sẽ đem lại lơi ích kinh
tế lớn.Trong hệ thống cô đặc có nhiều phương án để tiết kiệm năng lượng như:
 Dùng hệ thống cô đặc nhiều nồi, ở đây ta chọn 3 nồi, trong đó hơi thứ của nồi trước làm
hơi đốt của nồi sau. Việc trích một phần hơi thứ làm hơi phụ để gia nhiệt dòng nhập liệu
cũng là một phương án quan trọng để tiết kiệm lượng hơi đốt.
 Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi,
làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở
nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm
là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch
giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng).
 Dùng buồng đốt ngoài nằm ngang : mặc dù cồng kềnh, cấu tạo phức tạp nhưng có ưu

điểm là thiết bị được đặt vững vàng, buồng bốc có thể tách ra khỏi buồng đốt dễ dàng để
làm sạch và sửa chữa,
 Tiến hành cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa.
 Sử dụng hệ thống cô đặc ngược chiều :
 Ưu điểm: từ nồi đầu đến nồi cuối nồng độ của dung dịch và nhiệt độ đều tăng nên
độ nhớt không tăng mấy, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 3
3
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
giảm. Khi cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi vào thiết bị ngưng tụ nhỏ hơn
xuôi chiều
 Nhược điểm: hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều là cần phải có bơm để vận
chuyển dung dịch, tốn năng lượng.
Chương II: Quy trình công nghệ
Thuyết minh quy trình công nghệ:
- Dung dịch NaNO
3
8%, ở 30
o
C, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đó
đưa qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu. Tại đây, dung dịch NaNO
3
đi bên
trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống đến nhiệt độ
cận sôi.
- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc thứ
III, đây là thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài nằm ngang, dung dịch trong nồi cô đặc sẽ
chảy vào các ống truyền nhiệt nằm ngang của buồng đốt. Hơi đốt là hơi nước bão hòa sẽ

đi bên ngoài ống để gia nhiệt cho dung dịch trong ống nhằm duy trì sự sôi , tuần hoàn
dung dịch .Dung dịch sôi sẽ bay hơi lên, gặp thiết bị tách giọt phía trên buồng bốc sẽ tách
làm 2 dòng. Dòng hơi tiếp tục bay lên và được dẫn sang nồi tiếp theo, các giọt lỏng bị lôi
cuốn theo sẽ được hồi về buồng bốc lại. Sự bay hơi liên tục làm dung dịch tăng nồng độ
lên. Tại nồi III, dung dịch được cô đặc đến nồng độ 9,96%.
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 4
4
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
- Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặc
đến nồng độ 14,35%.
- Sau đó dung dịch tiếp tục được bơm qua thiết bị cô đặc thứ I , tại đây dung dịch được cô
đặc đến nồng độ cuối là 32%.
- Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc thứ I, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền
nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có
bẫy hơi để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra
bên ngoài qua ống xả.
- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ I sẽ được tận dụng để làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ
II, tại đây nước ngưng và khí không ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị thứ I.
- Hơi thứ của thiết bị thứ II được tận dụng làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ III, tại đây
khí không ngưng và nước ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị I và II.
- Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ III được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để
ngưng tụ hết phần hơi thứ của nồi III. Phần hơi chứa lỏng chư ngưng tụ sẽ được đưa qua
thiết bị tách lỏng để tiếp tục cho ngưng tụ, phần khí không ngưng sẽ được hút ra ngoài
bằng bơm chân không.
- Dòng sản phầm được dẫn ra ngoài tiếp tục cho trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu nhằm hạ
nhiệt độ dòng sản phầm và đun nóng dòng nhập liệu bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống
chùm. Đây là biện pháp giúp tận dụng nguồn nhiệt từ dòng sản phẩm nóng, tiết kiệm
năng lượng cho hệ thống.

SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 5
5
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Chương III: Cân bằng vật chất & năng lượng
III.1. Dữ kiện ban đầu:
Nồng độ đầu x
đ
= 8%
Nồng độ cuối x
c
= 32%.
Năng suất nhập liệu Q
c
= 5500 kg/h.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà có áp suất tuyệt đối là 3,5 at.
Áp suất tuyệt đối trong TB ngưng tụ: P
nt
= 0,3 at.
III.2. Cân bằng vật chất:
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất:
G
d
= G
c
+W
G
đ
.x

đ
= G
c
.x
c
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 6
6
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
⇒
G .x
G = =1375(kg/h)
x
d d
c
c
Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ:
d
1 2 3 d
c
x
W=W +W +W =G (1- )=
x
5500.(1 -
8
32
) = 4125 kg/h
W: tổng lượng hơi thứ bốc lên của toàn hệ, kg/h
W

1
: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 1, kg/h
W
2
: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 2, kg/h
W
3
: lượng hơi thứ bốc lên trong nồi 3, kg/h
G
d
, G
c
: lượng dung dịch đầu, dung dịch cuối, kg/h.
x
d
, x
c
: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng
Chọn tỷ lệ phân phối hơi thứ:
1
2
1,25
W
W
=
;
2
3
1,25
W

W
=
⇒
W
3
=
W
1 1.1,25 1.1,25.1,25+ +
= 1081,97 (kg/h)
W
2
= 1,25.W
3
= 1352,46 (kg/h)
W
1
= 1,2. W
2
= 1690,57 (kg/h)
Suất lượng dung dịch ra khỏi nồi 3: G
3
= G
đ
– W
3
= 5500 - 1081,97 = 4418,03 kg/h
Suất lượng dung dịch ra khỏi nồi 2: G
2
= G
3

– W
2
= 4418,03 – 1352,46 = 3065,57 kg/h
Suất lượng dung dịch ra khỏi nồi 1: G
1
= G
c
= G
2
– W
1
= 3065,57 – 1690,57 = 1375 kg/h
Vậy nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1:
1
.
W
d d
d
G x
x
G
= =
−
5500.8
32%
5500 4125
=
−
Tương tự nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2:
2

2 3
.
5500.8
14,35%
W W 5500 1352,46 1081,97
d d
d
G x
x
G
= = =
− − − −

Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 3:
3
3
.
5500.8
9,96%
W 5500 1081,97
d d
c
d
G x
x x
G
= = = =
− −
III.3. Phân phối chênh lệch áp suất và nhiệt độ dung dịch trong mỗi nồi:
Ở thiết bị ngưng tụ: P

nt
= 0,3 at
Ứng với áp suất này,nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là 68,7
0
C
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1
o
C
t
3
= 68,7 +1=69,7
o
C
Ứng với nhiệt độ này, áp suất trong nồi 3 là P
3
= 0,33 at
Theo đề bài P
hơi đốt
=3,5 at
Tổng chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và áp suất hơi thứ nồi 3:
Δp = 3,5 – 0,33 = 3,17 at
Chênh lệch áp suất trung bình:
Δp 3,17
Δp
3 3
= =
= 1,057 at
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 7
7
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO

3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Chênh lệch áp suất làm việc trong mỗi nồi: Δp
i
= f
i
.
Δp
Chọn f
1
= 1,65; f
2
= 0.95; f
3
= 0,4
⇒
Chênh lệch áp suất làm việc trong mỗi nồi:
Δp
1
= 1,65. 1,057 = 1,743 at
Δp
2
= 0.95. 1,057 = 1,0038 at
Δp
3
= 0,4. 1,057 = 0.4227 at
Áp suất trong buồng bốc mỗi nồi:
P
3
= 0,33 at

P
2
= 0,33 + 0,4227 = 0,7527 at
P
1
= 0,7527 + 1,0038 = 1,757 at
III.4. Tổn thất nhiệt độ của các nồi:
III.4.1. Tổn thất do nồng độ:
Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch (t
sdd
) bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất. (t
sdm
)

Hiệu số nhiệt độ ∆’= t
sdd
– t
sdm
gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:
Công thức tính toán : ∆
’
= ∆
o
’
f
Với ∆’
o
là tổn thất nhiệt độ do nồng độ bảng 5.2 [6, 282]
f là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào nhiệt độ sôi của dung môi

bảng 5.3 [6, 282]
Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất làm việc
Dung dịch: Nồi 1 (32%) Nồi 2 (14,%) Nồi 3 (9,96%)
Δ’
o
(
o
C) 4,9 1,75 1,14
P
hơi thứ
(at) 1,757 0,753 0,33
t
sdm,Pi
(
o
C) 114,91 92,3 69,7
f 1,038 0,911 0,793
Δ’ (
o
C) 5,09 1,59 0.90
t
dd
(
o
C) 119.98 93,89 70,60
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ ở 3 nồi là: : ∑∆
’
= ∆
1
’

+ ∆
2
’
+∆
3
’
= 7,59
o
C
Tổn thất nhiệt độ do cột chất lỏng:
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh (tổn thất
nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):
∆” = t
sdd
(P
tb
) - t
sdd
(P
o
) = t
sdm
( P
tb
) - t
sdm
(P
o
)
Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt: (tính theo kính

quan sát chỉ mức)
H
op
= [0,26 + 0,0014(ρ
dd
– ρ
dm
)]H (m) 2.20 [6, 108]
Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình:
P
tb
= P
o
+ =

P
o
+

∆p

(at) 2.19 [6, 108]
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 8
8
4
op
10*81.9
gH0.5
hh
ρ

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Trong đó:
ρ
dd
: Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ cuối (ở nhiệt độ t
s,
không kể lẫn bọt hơi), kg/m
3
;
ρ
dm
: Khối lượng riêng dung môi , kg/m
3
;
H : Chiều cao ống truyền nhiệt, m;
H
OP :
Chiều cao tính theo kính quan sát mực chất lỏng, chọn H
OP
= 2 m
P
o
: Áp suất trên mặt thoáng dung dịch lấy bằng áp suất hơi thứ, at;
g : gia tốc trọng trường, lấy g = 9,81 m/s
2
Ta lấy: ρ
hh
= 0,5ρ

dd
[6, 108]
Kết quả tính toán tổn thất nhiệt độ do cột lỏng
Dung dịch: Nồi 1 (32%) Nồi 2 (14,%) Nồi 3 (9,96%)
P
i
(at) 1,757 0,753 0,33
t
sdm,Pi
(
o
C) 114,91 92,3 69,7
ρ
dm
(kg/m
3
) 942 958 978
ρ
dd
(kg/m
3
) 1169 1049 1031
H
op
0,7 0,7 0,7
P
tb
(at) 1,777 0,77 0,348
t
sdm,Ptb

(
o
C) 115,62 92,8 70,2
Δ’’ 0,14 0,53 0,49
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do cột chất lỏng là:
ΣΔ’’ = 0,49 + 0,53 + 0,14 =1,167
o
C
III.4.2. Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ:
Chọn nhiệt độ tổn thất trên mỗi đường ống là Δ’’’ = 1
o
C
Tổng tổn thất trên mỗi đường ống cho cả 3 nồi là ΣΔ’’’ = 3
o
C
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 1 là: Δ
1
= 5,09 + 0,14 +1 = 6,23
o
C
tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 2 là: Δ
2
= 1,59 + 0,54 + 1 = 3,13
o
C
tổng tổn thất nhiệt độ của nồi 3 là: Δ
3
= 0,9 _0,49 +1 = 2,39
o
C

tổng tổn thất nhiệt độ cả 3 nồi: ΣΔ = Δ
1
+ Δ
2
+ Δ
3
= 11,75
o
C
Suy ra nhiệt độ dung dịch ở mỗi nồi: t
sdd,Pi
= t
sdm,Pi
+ Δ
i
(
o
C)
III.5. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích các nồi:
Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là chênh lệch giữa nhiệt độ hơi đốt với nhiệt độ
sôi trung bình của dung dịch:
∆t
i
= Τ
đốt
– T
sdd (p0+
∆
p)

Hoặc: ∆t
i
= T – t
s

Mà: t
s
= t
’
+ ∆
’
+ ∆
’’
Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 9
9
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Nồi 1: ∆t
i1
= T
1
– t
s1
= T
1
– (t
1

’
+ ∆
1
’
+ ∆
1
’’
)
Nồi 2: ∆t
i2
= T
2
– t
s2
= T
2
– (t
2
’
+ ∆
2
’
+ ∆
2
’’
)
Nồi 3: ∆t
i3
= T
3

– t
s3
= T
3
– (t
3
’
+ ∆
3
’
+ ∆
3
’’
)
Trong đó:
∆t
i1
, ∆t
i2
, ∆t
i3
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
T
1
, T
2,
T
3

: Nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
t
s1
, t
s2
, t
s3


: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
t
1
’
, t
2
’
,t
3
’
: Nhiệt độ hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
∆1
’
, ∆2
’,

∆3
’
: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
∆1
’’
, ∆2
’’,
∆3
’’
: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2, nồi 3,
o
C
Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:
∑∆t
i
= ∆t
i1
+ ∆t
i2

+

∆t
i3

Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi
T
đốt

(
o
C)
T
sôi dm
(
o
C)
∆
’
(
o
C)
∆”
(
o
C)
T
sôi dd
(
o
C)
∆t
hi
(
o
C)
Nồi 1
139.50 114.91 5.09 0.14 120.14 19.36
Nồi 2

113.91 92.30 1.59 0.53 94.42 19.48
Nồi 3
91.30 69.70 0.90 0.49 71.10 20.20
Tổng 3 nồi
∑∆t
i
= 59,05
0
C
III.6. Cân bằng nhiệt lượng các nồi:
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%
C = 4186.(1 - x), J/(kg.K) ; I.43 [2, 152]
x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%);
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20%
C = C
ht
.x + 4186.(1 - x), J/(kg.K) ; I.44 [2, 152]
C
ht
: nhiệt dung riêng của chất hoà tan ( J/(kg.K) );
Nhiệt dung riêng NaNO
3
khan (C
ht
) được tính theo công thức:
M
NaOH
.C
ht
= ΣC

i
.N
i
I.41 [2,152]
M : khối lượng mol của hợp chất
C
i
: nhiệt dung riêng của đơn chất
n
i
: số nguyên tử trong phân tử
Ta có: C
Na
= 26000 J/(kg.K); C
o
= 16800 J/(kg.K)

C
N
= 26000 J/(kg.K)
3
. . .
26000.1 26000.1 168000.3
85
Na Na O O N N
ht
NaNO
n C n C n C
C
M

+ +
+ +
= =
=1205 J/(kg.K)
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 10
10
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Nhập liệu Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
C J/(kg.K) 3851,12 3231,99 3585,19 3769,11
III.3.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
D : Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h.
G
đ
: Lượng dung dịch ban đầu, kg/h.
ϕ : Độ ẩm của hơi đốt.
i, i
1
, i
2
: Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg.
t
đ
, t
1
, t
2,
t
3

: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dung dịch,
C
đ
, C
1
, C
2 ,
C
3
: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3 của dd, J/kg.K
θ
1
, θ
2
, θ
3
: Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1, nồi 2, nồi 3
C
ng1
, C
ng2,
C
ng3
: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.K)
Q
xq1
, Q
xq2,
Q
xq3

: Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh, (J)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1: Di(1-ϕ) + (G
đ
- W
2 –
W
3
)C
2
t
2
= (G
đ
– W)C
1
t
1
+ W
1
i
1
+ DC
ng1
θ
1


+ Q
xq1

- Q
cd

(1)
Nồi 2: W
1
i
1
+(G
đ
–W
3
)C
3
t
3
= (G
đ
– W
2 –
W
3
)C
2
t
2
+ W
2
i
2

+ W
1
C
ng2
θ
2
+ Q
xq2
- Q
cd
(2)
Nồi 3: W
2
i
2
+G
đ
C
đ
t
đ
= (G
đ
- W
3
)C
3
t
3
+ W

3
i
3
+ W
2
C
ng3
θ
3
+ Q
xq3
-Q
cd
(3)

Mà: W = W
1
+ W
2
+ W
3 (4)

Với: Q
xq1
= 0,05 D(i – C
ng1
θ
1
)
Q

xq2
= 0,05 W
1
(i
1
– C
ng2
θ
2
)
Q
xq3
= 0,05 W
2
(i
2
– C
ng3
θ
3
)
Nhiệt cô đặc xem như bỏ qua, lấy độ ẩm không khí gần bằng 0.
Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:
(Bảng I.250[4, 312])
Hàm nhiệt của hơi đốt từ nồi hơi và hơi thứ các nồi :
i = 2711 kJ/kg
i
1
= 2704 kJ/kg
i

2
= 2648 kJ/kg
i
3
= 2626 kJ/kg
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
t
đ
= 70,4
o
C
t
1
= 120
o
C
t
2
= 94,4
o
C
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 11
11
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
t
3
= 71,1
o

C
Nhiệt dung riêng của dung dịch:
C
đ
= 3,85 kJ/kg.độ
C
1
= 3,23 kJ/kg.độ
C
2
= 3,59 kJ/kg.độ
C
3
= 3,77 kJ/kg.độ
Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):
θ
1
= 120
o
C
θ
2
= 93,9
o
C
θ
3
= 70,6
o
C

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ: Bảng I.249 [4, 310]
C
ng1
= 4,23 kJ/(kg.K)
C
ng2
= 4,2 kJ/(kg.K)
C
ng3
= 4,19 kJ/(kg.K)
 Thay các giá trị tra được bên trên vào các phương trình (2), (3), (4), giải hệ 3
phương trình 3 ẩn số W
1
, W
2
, W
3
, ta được:
⇒

W
1
= 1663 kg/h; W
2
= 1327 kg/h; W
3
= 1135 kg/h.
 Thay các giá trị trên vào phương trình (1) => D= 1912 kg = 0,531 kg/s

Kiểm tra lại giả thiết phân phối hơi thứ ở các nồi:

tt gt
tt
W W
.100% 5%
W
−
<
W
gt
: lượng hơi thứ theo giả thuyết
W
tt
: lượng hơi thứ theo tính toán
Nồi W
gt
W
tt
∆
W %
Nồi 1 1690 1663 2,62
Nồi 2 1352 1327 1,87
Nồi 3 1081 1135 4,52
Các kết quả trên đều thỏa điều kiện kiểm tra
Chương IV: Tính kích thước thiết bị chính
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 12
12
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH

IV.1. Bề mặt truyền nhiệt buồng đốt:
Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt có thể tính theo công thức tổng quát như sau

i
Q
F
K t
=
∆
m
2
(5.47) [3, 303]
Trong đó:
Q : nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W
Q = Dr nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà.
D : lượng hơi đốt, kg/s.
r : ẩn nhiệt ngưng tụ, J/kg.
K : hệ số truyền nhiệt, W/m
2
độ.
∆t
i
: hiệu số nhiệt độ hữu ích,
0
C
Giả thuyết quá trình truyền nhiệt là liên tục và ổn định.
Nồi 1: Q
1
= Dr , W
Nồi 2: Q

2
= W
1
r
1
, W
Nồi 3 : Q
3
= W
2
r
2
, W
r, r
1
, r
2
: Ẩn nhiệt hóa hơi (ngưng tụ) của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2, nồi 3 (J/kg)
Bảng I.250 [4, 312]
Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Nồi D (kg/s) r (J/kg) Q (W)
Nồi 1 0,531 2130500 1131467
Nồi 2 0,462 2227162 1028844
Nồi 3 0,369 2238885 825253
IV.1.1. Tính hệ số truyền nhiệt K:
Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:
q
1
= α
1

(t
1
– t
w1
) = α
1
∆t
1
Nhiệt tải riêng của thành thiết bị: [2, 3]

w1 w2
1 2
1 2
1 1
( )
c c
t t
q
r r
δ
α λ α
−
=
+ + + +
Nhiệt tải riêng của phía dung dịch sôi:
q
2
= α
2
(t

w2
– t
2
) = α
2
∆t
2
Trong đó:
t
1
: Nhiệt độ hơi đốt,
o
C
t
2
: Nhiệt độ của dung dịch trong nồi,
o
C
t
w1
, t
w2
: Nhiệt độ vách ngoài và vách trong của ống,
o
C
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 13
13
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng

α
1
: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m
2
độ.
α
2
: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m
2
độ.
r
c1
: Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)
r
c1
= 0,232.10
-3
(m
2
độ/W) Bảng V.1 [2, 4]
r
c2
: Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch


r
c2
= 0,387.10
-3
(m

2
độ/W) Bảng V.1 [2, 4]

δ
λ
:Nhiệt trở thành thiết bị, m
2
độ/W.
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T .
λ = 16,3 (W/m.độ) Bảng VII.7 [2, 313]
 Chọn bề dày thành ống là: = 2,0 mm.
Tổng nhiệt trở của vách:
4 2
1 2
7,417.10 ( . ) / W
c c
R r r m K
δ
λ
−
Σ = + + =

Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:
Khi hơi ngưng trên một ống nằm ngang hay các ống của dãy trên cùng trong chùm ống,
giả sử Pr> 0,5 và Re
m
<50 (của nước ngưng) thì phương trình hệ số cấp nhiệt α là:

0,25
1,28 ( )

.
o
r
A
t d
α
=
∆
V.101[2, 30]
Với d : đường kính ngoài của ống : chọn 57 mm
r : Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi bão hòa, J/kg.
∆t
1
= t
1
– t
w1
: Hiệu số nhiệt độ giữa hơi ngưng tụ và thành thiết bị, .
(Chọn t
1
là nhiệt độ của hơi đốt)
Đối với nước, giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm
2 3
0,25
( )A
ρ λ
µ
=
[5, 29]

t
m
(
o
C) 40 60 80 100 120 140 160 180 200
A 139 155 169 179 188 194 197 199 199
Công thức tính nhiệt độ màng t
m
: [5, 29]
t
m
= 0,5(t
w1
+ t
1
)
Chọn ∆t
1
=1,68
0
C, ∆t
1
= 1,61
0
C, ∆t
1
=1,35
0
C
Khi hơi ngưng bên ngoài chùm ống nằm ngang bố trí xen kẽ nhau thì chiều dày màng

nước ngưng ở các ống phía dưới sẽ tăng lên do từ các ống trên chảy xuống, đồng thời tốc độ của
hơi giảm đi vì đã ngưng một phần, do đó hệ số cấp nhiệt ở các dãy ống dưới sẽ giảm.Lúc này hệ
số cấp nhiệt trung bình của chùm ống tính theo công thức.
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 14
14
v
δ
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng

1 0
.
α ε α
=
V.109 [5, 30]
Với là hệ số phụ thuộc cách bố trí ống và số ống trên đường chéo của thiết bị.
Chọn giá trị là 0,4
Thông số Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
t1 (°C)
139,5 113,91 91,30
t2 (°C)
120,14 94,42 71,10
r (j/kg) 2130500 2227162 2238885
d (m) 0,025 0,025 0,025
∆t1 (°C)
1,9 1,80 1,9
tw1 (°C) 137,6 112,11 89,4
tm (°C) 138,6 113,01 90,35
A 190,6 184,85 177,2

α
0
(w/m²độ)
19961,82 19890,41 19037,6
α
1
(w/m²độ)
7984,73 7956,16 7615,05
q1 (w/m²)
15171 14321 14469
Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :
Khi nước sôi và tuần hoàn mãnh liệt trong ống thì có thể tính hệ số cấp nhiệt α
2

theo hệ số cấp nhiệt của nước α
n
bằng công thức:
435.0
2565.0
2
.










































=
dd
n
n
dd
n
dd
n
dd
n
C
C
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
αα

Với: (W/m
2
độ) V.91 [2, 26]
Trong đó:
P : Áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, (N/m
2
).
∆t
2

: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi,
o
C
∆t
2
= t
w2
– t
sdd
λ
dd
, λ
n
: hệ số dẫn nhiệt của dung dịch và nước, W/m.độ
,
: khối lượng riêng của dung dịch và nước, kg/m
3
C
dd
, C
n
: nhiệt dung riêng của dung dịch và nước, J/kg.độ
µ
dd
, µ
n
: độ nhớt dung dịch và hơi đốt, Ns/m
2
Xem như sự mất mát nhiệt không đáng kể.
q = q

1
= q
2
t
w2
= t
w1
– ∆t
w
t
w1 : Nhiệt độ vách ngoài của ống , 0C
∆t
w
: Hiệu nhiệt độ của vách ngoài và vách trong của ống, 0C

∆t
w
= ∑R . q
1
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 15
15
5.0
33.2
2
145.0 Pt
n
∆=
α
dd
ρ

n
ρ
(W/m
2
độ) VI.27 [2, 71]
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
 Tính hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:

3
dd
. . .
P
AC
M
ρ
λ ρ
=

+ C
p
: Nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch (J/kgK)
+ ρ : khối lượng riêng của dung dịch (kg/m
3
)
+ M : khối lượng mol trung bình của dung dịch
M = x.M
NaNO3
+ (1 - x).M

nước
+ A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước A = 3,58.10
-8
Các số liệu tra cứu
Nhiệt tải riêng phía
dung dịch
t
w1
(
o
C)
∆
t (
o
C) t
w2
(
o
C)
P
(N/m
2
)
α
n

(W/m
2
.K)
α

2

(W/m
2
.K)
q2

(W/m
2
)
Nồi 1 137,6 11,25 126,35 172313 44239,3 2375,2 14748
Nồi 2 112,11 10,62 101,49 73836 3746,6 2075,51 14645
Nồi 3 89,4 10,73 78,67 32373 2914,06 1641,6 12423
Kiểm
tra lại
giả
thuyết
∆t1
1 2
1
.100% 5%
q q
q
q
−
∆ = <
Giả sử q
1
> q
2

thì ∆q < 5% là thoả.
Bảng 11
q
1
(W/m
2
) q
2
(W/m
2
)
∆
q
%
Nồi 1 15171 14748 2,79
Nồi 2 14321 14645 1,90
Nồi 3 14469 12423 41,85
Hệ số truyền nhiệt mỗi nồi:
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 16
16
(W/m.K)
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Cdd (J/kg.độ)
3231,99 3585,19 3769,11
Cn (J/kg.độ)
4242 4210 4194
λ
dd
(W/m.độ)
0,42 0,45 0,48

λ
n
(W/m.độ) 0,69 0,68 0,67
M (g/mol) 39,44 27,62 24,67
ρ
dd
(kg/m
3
)
1169,19 1048,83 1031,34
ρ
n
(kg/m
3
)
947,33 964,1 977,9
µ
dd
.10
3
(Ns/m
2
) 0,47.10
-3
0,55.10
-3
0,76.10
-3
µ
n

.10
3
(Ns/m
2
)
0,20.10
-3
0,24.10
-3
0,317.10
-3
P (N/m
2
)
172313 73837 32373
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Ta có:
tb
i
q
K
t
=
∆
[2, 3]
Trong đó : q
tb :
Nhiệt tải riêng trung bình , W/m

2
∆t
i
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích ,
o
C
Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi
q
tb
(W/m
2
)
∆
t
i
(
o
C) K (W/m
2
độ)
Nồi 1 14960
19,36
772,64
Nồi 2 14483
19,48
743,30
Nồi 3 13446
20,20
665,67
Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực của mỗi nồi:

Phân phối ∆t
i
theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau
Công thức chung:
*
/
.
/
m m
im i
m m
Q K
t t
Q K
∆ = Σ∆
∑
(5.50) [3, 304]
( Chỉ số “m” chỉ nồi thứ m )
1 2 3i i i i
t t t t
Σ∆ = ∆ + ∆ + ∆
3
1 2
1 2 3
m
m
Q Q
Q Q
K K K K
= + +

∑

Kiểm tra lại hiệu số nhiệt độ hữu ích:
thì thỏa.
Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực mỗi nồi
Q
(W)
K
(W/m
2
K)
K
Q
*
im
t∆
(
o
C)
∆
t
i
(
o
C)
∆
(
∆
t
i

)
(
%
)
Nồi 1
1131466,56 772,64 1464,42 20,03 19,36 3,33
Nồi 2
1038082,64 743,30 1396,59 19,10 19,48 2,01
Nồi 3
969485,16 665,67 1456,41 19,92 20,20 1,41
IV.1.3 Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:
Ta có: (m
2
) (5.47) [3, 303]
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
Q(w) K(W/m
2
K)
∆t
i* F(m
2
)
Nồi 1 1131466,56 772,64 20,03
73,12
Nồi 2 1038082,64 743,30 19,10
73,12
Nồi 3 969485,16 665,67 19,92
73,12
Chọn F chung = 73,12 m
2

SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 17
17
%5%100)(
<×
∆
∆−∆
=∆∆
∗
∗
i
ii
i
t
tt
t
∗
∆
=
i
tK
Q
F
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Giá trị F chọn chuẩn theo bảng VI.6 [2, 80] là 80 m
2

IV.2. Tính kích thước buồng đốt:

IV.2.1. Số ống truyền nhiệt:
Tổng bề mặt truyền nhiệt: F = n.π.d.H (m
2
)
Trong đó:
n: số ống truyền nhiệt
d: đường kính ống truyền nhiệt, chọn d= 0,025 m
H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H=2 m
⇒
==
Hd
F
n

π
73,12
465
.0,025.2
π
=
ống
Chọn số ống chuẩn theo bảng 3.6 [3,237]: 547 ống ; bố trí ống theo hình lục giác đều.
Số ống trên đường xuyên tâm của hình lục giác là 27 ống
Số ống trên một cạnh của hình lục giác là 13 ống
IV.2.2. Số ống truyền nhiệt bị bỏ đi:
Vì cấu trúc của buồng đốt ngoài nằm ngang nên ta bỏ đi hàng ống
ngang nằm giữa, ứng với 27 ống truyền nhiệt
Vậy số ống truyền nhiệt còn lại là: 547 – 27 = 520 ống
Kiểm tra diện tích bề mặt truyền nhiệt thực: F
thực

= π.n
còn lại
.d.H
⇒ F
thực
= π.456. 0,025 .3 = 81,68 m
2
> 73,12 m
2
, thoả.

IV.2.3. Đường kính buồng đốt:
Theo công thức (5.10) [3,275]:
( 1) 4
t o
D s m d= − +
, m [2, 239]
Trong đó:
D
t
: đường kính trong buồng đốt, m
s: bước ống, chọn s = 1,35.d
n
= 1,35.0,025 = 0,03375 m
m: số ống xếp trên đường chéo của lục giác đều, m=27 ống
0,03375.(27 1) 4.0,025 0,9775
t
D m= − + =
Chọn đường kính chuẩn: D
t

= 1 m Bảng (5.4) [3, 291]
IV.3. Tính kích thước buồng bốc:
Nồi 3 có áp suất thấp nhất nên thể tích riêng hơi thứ của nồi 3 là lớn nhất, do đó nồi 3
cần không gian hơi lớn nhất. Vì vậy kích thước buồng bốc của 3 nồi chọn bằng kích thước tính
theo nồi 3.
Chọn sơ bộ đường kính buồng bốc: D
b
= 1,4 m
Ta có vận tốc hơi thứ:
3
2 2
4.W
4.1135
0,9544
. . 3600.0,2146. .1,4
h
h b
D
ω
ρ π π
= = =
m/s
Với ρ
h
khối lượng riêng của hơi thứ, tra bảng 57,[4,46]: ρ
h
= 0,2146 kg/m
3
. .
Re

h h
h
d
ω ρ
µ
=
=
5
0,9544.0,0003.0,2146
5,3429
1,15.10
−
=

SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 18
18
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Với d: đường kính giọt lỏng, chọn d = 0,0003 m
µ
h
: độ nhớt động lực của hơi thứ, tra bảng 58 [4,48]
Ta có 0,2 < Re < 500, theo [3,276]:
6,0
Re
5,18
=
ξ
=

0,6
18,5
6,77
5,3429
=
[3,292]
Vận tốc lắng của giọt lỏng, theo công thức
0
4 ( )
3
l h
h
gd
ρ ρ
ω
ξρ
−
=
[3,292]
0
4.9,81.0,0003.(978 0,2146)
1,6253
3.6,77.0,2146
ω
−
= =
m/s
Với
;
l h

ρ ρ
là khối lượng riêng của giọt lỏng và của hơi thứ
Điều kiện để giọt lỏng không bị lôi cuốn, theo [3,292]: ω
h
< 0,7.ω
o
Ta có: 0,9544 < 0,7. 1,6253 = 1,157 ⇒ thoả.
Theo công thức 5.15 [3,293] thể tích buồng bốc:
3
. '
b
h
W
V
ρ ω
=
, m
3
Trong đó: ω’: cường độ bốc hơi trung bình, m
3
/m
3
.h
Theo công thức [3,293] ω’ = f. ω’
1at
Với ω’
1at
: cường độ bốc hơi cho phép khi áp suất là 1at
chọn ω’
1at

= 1600 m
3
/m
3
.h
f: hệ số tra theo đồ thị hình 5.6 [3,293] , f = 1,5
⇒ ω’ = 1,5 .1600 = 2400 m
3
/m
3
.h
Vậy thể tích buồng bốc:
1135
2,204
0,2146.2400
b
V = =
m
3
⇒ H
b3
=
2 2
4.
4.2,204
1,43
. .1,4
b
b
V

D
π π
= =
m
Tính toán tương tự cho buồng bốc nồi 1 và nồi 2 ta có H
b1
= 0,74 m ; H
b2
= 0,975 m
Để đảm bảo an toàn,ta chọn chiều cao buồng bốc cho cả 3 nồi (phần thân trụ) H
b
= 2 m.
Kết quả tính kích thước thiết bị chính
Đại lượng Giá trị
Buồng đốt
Đường kính, m 1
Chiều cao, m 2
Số ống truyền nhiệt 520
Đường kính ống truyền nhiệt, mm 25
Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m
2
80
Buồng bốc
Đường kính 1,4
Chiều cao 2
IV.4. Tính đường kính các ống ra vào thiết bị:
Tính đường kính các ống dẫn được tính theo công thức:
v
Q
d

.
.4
π
=
Trong đó:
Q: lưu lượng thể tích lưu chất , m
3
/s
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 19
19
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
v: vận tốc lưu chất, m/s (chọn trước)
Chọn đường kính ống và chiều dài đoạn nối theo bảng XIII.32 [2,434]
Kết quả tính toán được trình bày trong bảng IV.5.
Kích thước các ống dẫn ra vào thiết bị
Suất
lượng
(kg/s)
Khối
lượng
riêng
(kg/m
3
)
Vận
tốc
chọ
n

(m/s
)
Đường
kính
(m)
Đườn
g kính
chọn
(m)
Chiều
dài đoạn
nối
(m)
Nhập liệu nồi 1
0,85 1048,83 1,15 0,030 0,05 0,10
Nhập liệu nồi 2
1,23 1031,34 1,15 0,036 0,05 0,10
Nhập liệu nồi 3
1,53 1025,00 1,15 0,041 0,05 0,10
Tháo liệu nồi 1
0,38 1169,19 1,15 0,019 0,05 0,10
Hơi đốt nồi 1
0,53 1,87
30,0
0
0,110 0,30 0,14
Hơi thứ nồi 1
0,46 0,96
30,0
0

0,143 0,30 0,14
Hơi thứ nồi 2
0,37 0,46
30,0
0
0,184 0,30 0,14
Hơi thứ nồi 3
0,32 0,21
30,0
0
0,250 0,30 0,14
Nước ngưng nồi 1
0,53 942,00 1,15 0,025 0,05 0,10
Nước ngưng nồi 2
0,46 947,00 1,15 0,023 0,05 0,10
Nước ngưng nồi 3
0,37 962,00 1,15 0,021 0,05 0,10
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 20
20
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Chương V: Tính cơ khí thiết bị chính
V.1. Tính thân buồng đốt:
- Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3
- Thân có 3 lỗ: 1 lỗ tháo nước ngưng, 1 lỗ xả khí không ngưng và 1 lỗ dẫn hơi đốt.
a. Buồng đốt n ồi 1 và nồi 2:
Buồng đốt của 2 nồi đều chịu áp suất trong, buồng đốt của nồi 1 chịu áp suất cao hơn (áp
suất hơi đốt) nên ta chọn bề dày thân buồng đốt của 2 nồi bằng bề dày tính toán của thân buồng
đốt nồi 1 để tiện chế tạo và lắp đặt.

Thông số làm việc:
D
t
= 1000 mm
P
t
= 3,5 at  Thân buồng đốt nồi I chịu áp suất trong.
Nhiệt độ hơi đốt: t = t
hđ
= 139,5
o
C
Thông số tính toán:
P
tt
= P
dư
= 3,5 – 1 = 2,5 at = 0,245 N/mm
2
t = 123,9 + 20 = 159,5
o
C (có bọc lớp cách nhiệt) [5,9]
Các thông số cần tra và chọn:
[σ]
*
: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm
2

 [σ]
*

= 131 N/mm
2
(ở 159,5
o
C) [5,15]
η : Hệ số hiệu chỉnh  η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) [5,17]
[σ] : Ứng suất cho phép khi kéo, N/mm
2
[σ] = η[σ]
*
= 124,45 N/mm
2
1-9 [5,17]
ϕ
h
: Hệ số bền mối hàn, chọn chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn giáp mối 2
phía, với D
t
= 1600 mm > 700 mm  ϕ
h
= 0,95
Xét:
[ ] 124,45
. 0,95 482 25
0,245
h
P
σ
ϕ
= × = >

[5,95]
Bề dày tối thiểu của thân buồng đốt:
.
0,245 1000
' 1,03
2.[ ]. 2 124,45 0,95
t
h
P D
S mm
σ φ
×
= = =
× ×
5-3 [5,96]
Bề dày thực:
S = S’ + C mm 5-9 [5,96]
Với C là hệ số bổ sung bề dày tính toán, mm.
C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
mm 1-10 [5,20]
C
a
: Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm

 Chọn C
a
= 1 mm
C
b
: Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm
 Chọn C
b
= 0
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 21
21
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
C
c
: Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm
Chọn C
c
= 0
C
o
: Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm.
Chọn C
c
= 1
Vậy S = S’ + C
a
= 1,03 + 1 + 1 = 3,03 mm
Kiểm tra bảng 5-1 [5,94] Với D

t
= 1000 mm  Chọn S = 4 mm
Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11 [5,97]
4 1
0,003 0.1
1000
a
t
S C
D
−
−
= = <
(thỏa)
2
2.[ ] .( )
2 124,45 0,95 (4 1)
[ ] 0,707 /
( ) 1000 (4 1)
h a
t a
S C
P N mm
D S C
σ φ
−
× × × −
= = =
+ − + −
[P] > P

tt
=0,245 N/mm
2
(thỏa)
Vậy bề dày thân buồng đốt nồi I thỏa điều kiện bền: S = 4 mm.
c. Buồng đốt n ồi 3 : (chịu áp suất ngoài)
Thông số làm việc:
D
t
= 1000 mm
P
t
= 0,7532 at  Thân buồng đốt nồi III chịu áp suất ngoài
Nhiệt độ hơi đốt t = t
hđ
= 91,3
o
C
Thông số tính toán:
P
tt
= P
dư
= 1+(1 – 0,7532) = 1,247 at = 0,122 N/mm
2
t = 91,3 + 20 = 111,3
o
C (có bọc lớp cách nhiệt)
L: chiều dài tính toán thân thiết bị, mm.
Vì thân buồng bốc là thân trụ lắp với 2 mặt bích nên L bằng khoảng cách giữa 2 mặt bích.

L= H = 2000 mm
Các thông số cần tra và chọn:
E
t
: mođun đàn hồi của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, N/mm
2
Tra bảng 2-12 [5,34]  E
t

= 1,95.10
5
N/mm
2
Bề dày tối thiểu của thân chịu áp suất ngoài:
0,4
' 1,18 ( )
b
t b
P L
S D
E D
= × ×
0,4
5
0,122 2000
' 1,18 1000 ( ) 5,1
1,95.10 1000
S mm= × × × =
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 22
22

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Bề dày thực của thân:
S = S’ + C
a
+ C
b
+ C
c
+ = 4,9 +1 +1,05 = 7,2 mm
Theo bảng XIII.9 [2, 364] ⇒ chọn bề dày thép tấm chuẩn là 8 mm.
Kiểm tra bền khi thân chỉ chịu áp suất ngoài:
Kiểm tra bề dày thỏa mãn công thức 5.15 và 5.16 [5,134]:
2 ( )
1,5
2 ( )
a b
b b a
S C D
L
D D S C
× −
× ≤ ≤
× −
2 (8 1)
1,5
1000
× −
×

=0,177 ≤
2000
1000
=2 ≤
1000
2 (8 1)× −
= 8,45 ⇒ thoả
với σ
c
t
là giới hạn chảy của vật liệu làm thân ở nhiệt độ tính toán, N/mm
2

n
c
: hệ số an toàn, tra bảng 1.6 [5,20]

*
[ ]
σ
: Ứ ng suất cho phép tiêu chuẩn của loại thép CT3 làm thân ở nhiệt độ
tính toán.
σ
c
t
= n
c
.[σ]
*
= 1,65.134 = 221 N/mm

2

1.3 [5,13]
3
2 ( )
0,3
t a
t
b c b
E S C
L
D D
σ
 
× −
≥ × ×
 
 

2000
1000
=2 ≥
3
5
1,95 10 2 (8 1)
0,3 .
221 1000
× × −
 
× =

 
 
0,438 ⇒ thoả
Khi đó, kiểm tra áp suất theo công thức 5.19 [5,135]:
2,5
[ ] 0,649
b a
t
b
D S C
P E
L D
 
−
= × × ×
 ÷
 
[P] =
2,5
5
1000 8 1
0,649 1,95 10
2000 1000
−
 
× × × ×
 ÷
 
= 0,259 > 0,122 N/mm
2

⇒ thoả
Kiểm tra bền khi thân chỉ chịu tác dụng của lực nén chiều trục:
Lực nén chiều trục:
2
( 2 )
4
b
CT
D S
P P
π
× +
= ×
(N) [5, 110]
2
(1000 2 8)
0,122
4
CT
P
π
× + ×
= × =
99166 N
Xác định hệ số k
c
theo tỷ số
2 ( )
b
a

D
S C× −
,theo[5,140]:
Khi
2 ( )
b
a
D
S C× −
=
1000
2 (8 1)
=
× −
71,43 thì q
c
= 0,061
).(2
a
t
CS
D
−
50 100 150 200 250 500 1000 2000 2500
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 23
23
Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Q

c
0,05 0,098 0,14 0,15 0,14 0,118 0,08 0,06 0,055
Xác định hệ số K
c
, theo công thức 5.34 [5,140]:
875
t
c
c c
t
K q
E
σ
= × ×
5
221
875 0,061
1,95 10
c
K = × ×
×
=0,06
Xác định ứng suất nén chiều trục cho phép, công thức 5.31 [5,140]:
[ ]
a
n c t
t
S C
K E
D

σ
−
= × ×
, N/mm
2
5
8 1
[ ] 0,06 1,95 10
1000
n
σ
−
= × × ×
= 82,6 N/mm
2
Điều kiện ổn định của thân [5,140]:
( )
CT
a
P
D S C
π
× × −
≤ [σ
n
]

99166
1000 (8 1)
π

× × −
= 4,5 < 82,6 ⇒ thoả
Kiểm tra độ ổn định của thân khi đồng thời chịu tác dụng của áp suất ngoài và của
lực nén chiều trục:
Xác định ứng suất nén chiều trục, công thức 5.48 [5,145]:
( ) ( )
CT
n
b a
P
D S S C
σ
π
=
× + × −
, N/mm
2
99166
(1000 8) (8 1)
n
σ
π
= =
× + × −
4,47 N/mm
2
Điều kiện ổn định của thân, công thức 5.47 [5,145]:
1
][][
≤+

P
P
n
n
σ
σ
4,47 0,122
82,6 0,259
+ =
0,526 < 1 ⇒ thoả
Vậy bề dày thân buồng đốt nồi 3 là 8 mm.
Chọn bề dày thiết kế chung cho buồng đốt của cả 3 nồi là 8 mm.
V.2. Tính thân buồng bốc:
Buồng bốc nồi 1 chịu áp suất trong, buồng bốc nồi 2, nồi 3 chịu áp suất ngoài.
Chọn thân hình trụ và vật liệu làm thân buồng bốc là thép hợp kim X18H10T
V.2.1. Tính thân buồng bốc nồi 1:
Thông số làm việc:
D
t
= 1400 mm
P
t
= 1,76 at  Thân buồng đốt nồi I chịu áp suất trong.
Nhiệt độ hơi đốt: t = t
hđ
= 115
o
C
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 24
24

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO
3
GVHD: TS.Trịnh Văn Dũng
Thông số tính toán:
P
tt
= P
dư
= 1,76 – 1 = 0,76 at = 0,074 N/mm
2
t = 115 + 20 = 135
o
C (có bọc lớp cách nhiệt) [5,9]
Các thông số cần tra và chọn:
[σ]
*
: Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm
2

 [σ]
*
= 141 N/mm
2
(ở 115
o
C) hình 1.1 [5,15]
η : Hệ số hiệu chỉnh  η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) [5,17]
[σ] : Ứng suất cho phép khi kéo, N/mm
2
[σ] = η[σ]

*
= 134 N/mm
2
1-9 [5,17]
ϕ
h
: Hệ số bền mối hàn, chọn chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn giáp mối 2
phía, với D
t
= 1400 mm > 700 mm  ϕ
h
= 0,95
Xét:
[ ] 134
. 0,95 1715 25
0,074
h
P
σ
ϕ
= × = >
[5,95]
Bề dày tối thiểu của thân buồng đốt:
.
0,074 1400
' 0, 4
2.[ ]. 2 134 0,95
t
h
P D

S mm
σ φ
×
= = =
× ×
5-3 [5,96]
Bề dày thực: S = S’ + C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
= 0,4 + 1 + 1 = 2.4 mm
Kiểm tra bảng 5-1 [5,94] Với D
t
= 1400 mm  Chọn S = 4 mm
Kiểm tra điều kiện bền: 5-10, 5-11 [5,97]
4 1
0,002 0.1
1400
a
t
S C
D
−
−
= = <
(thỏa)

2
2.[ ] .( )
2 134 0,95 (4 1)
[ ] 0,544 /
( ) 1400 (4 1)
h a
t a
S C
P N mm
D S C
σ φ
−
× × × −
= = =
+ − + −
[P] > P
tt
=0,074 N/mm
2
(thỏa)
Vậy bề dày thân buồng đốt nồi I thỏa điều kiện bền: S = 4 mm
V.2.2. Tính thân buồng bốc nồi 2, nồi 3:
Buồng bốc của 2 nồi đều chịu áp suất ngoài, buồng bốc của nồi 3 chịu áp suất tính toán
cao hơn (áp suất chân không thấp hơn) nên ta chọn bề dày thân buồng bốc của 2 nồi bằng bề dày
tính toán của thân buồng bốc nồi 3 để tiện chế tạo và lắp đặt.
Thông số làm việc:
D
t
= 1400 mm
P

t
= 0,33 at  Thân buồng đốt nồi III chịu áp suất ngoài
SVTH:Lê Minh Tiên Trang: 25
25