Tiểu luận TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NaOH

Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH THIÊT BỊ
TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT
Đề tài
TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NaOH
- Trang 1 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU 1
PHẦN 1: GIỚI THIỆU 2
1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc 2
1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc 2
1.3 Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc 4
1.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 4
PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6
2.1 Mục đích hệ thống 6
2.2 Các thông số công nghệ 6
2.3 Thuyết minh qui trình cô đặc 6
2.4 Khống chế quá trình cô đặc 9
PHẦN 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 11
3.1 Yêu cầu 11
3.2 Cân bằng vật chất 11
3.3 Cân bằng năng lượng 12
3.4 Cân bằng nhiệt lượng 17
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 20
4.1 Tính bề mặt truyền nhiệt buồng đốt 20
4.2 Tính kích thước buồng đốt 27
4.3 Tính kích thước buồng bốc 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

- Trang 2 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sản
xuất hóa chất cơ bản. Nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công
nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, sản xuất phèn…
NaOH là một bazo mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao. Vì vậy
cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an tòan lao động trong quá trình sản xuất.
Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho
Ca(OH)
2
tác dụng với dung dịch Na
2
CO
3
loãng và nóng. Ngay nay người ta dùng
phương pháp hiện đại là diện phân dung dịch NaCl bão hòa. 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 việc chuyên chở và sử dụng người ta phải cô đặc dung dịch đến một
nồng độ nhất định theo yêu cầu.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất trong dung dịch bằng cách tách
bớt một phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh.
Trong khuôn khổ để tài này ta sẽ tiến hành cô đặc theo cách tách dung môi
dưới dạng hơi. Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp
suất hơi riêng phần của dung môi trên mặt thoáng dung dịch bằng với áp suất làm
việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc thường tiến hành ở các áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp
suất thường ( áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở, còn khi làm việc ở áp suất
khác( ví dụ áp suất chân không) người ta dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều

nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Đề tài tính toán thiêt kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô
đặc dung dịch xút NaOH có nồng độ đầu 15% đến nồng độ cuối 45%.
- Trang 3 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
PHẦN I: GIỚI THIỆU
1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc NaOH
1.1.1 Đặc điểm nguyên liệu
Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:
Dung môi: nước
Các chất hòa tan: gồm NaOH là chủ yếu
1.1.2 Đặc điểm sản phẩm:
Sản phẩm là dung dịch NaOH có nồng độ 45% độ tinh thiết cao.
1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc
Biến đổi vật lý:
Các đại lượng giảm: nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng, độ nhớt.
1.1.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa
Đảm bảo đạt nồng độ yêu cầu
Thành phẩn hóa học chủ yếu không thay đổi, giữ nguyên tính chất đặc trưng của
sản phẩm.
1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc
1.2.1 Một số khái niệm:
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.
Quá trình cô đặc thường tiến hành ở dạng sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của
dung môi trên mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.
Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng
nồng độ các dung dịch loãng, hoặc để tách các chất rắn hòa tan (truờng hợp này có
kèm quá trình kết tinh), ví dụ: cô đặc dung dịch đường, dung dịch xút, các dung dịch

muối,…
Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khách nhau. Khi làm việc ở áp suất
thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùng
thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc một nồi hoặc hệ thống cô đặc
nhiều nồi.
- Trang 4 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
1.2.2 Các phương pháp cô đặc
• Phương pháp nhiệt (đun nóng) :
Dưới tác dụng nhiệt do đun nóng, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thóang
dung dịch (tức khi dung dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ
cao ( như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ cao ( như dung dịch đường)
đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay
thường là ở chân không. Đó là phương pháp cô đặc chân không.
• Phương pháp lạnh
Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách ra
dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết - thường la kết tinh dung môi để tăng nồng độ
chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện áp
suất bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ
cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh.
1.2.3 Nguyên tắc chọn phương án cô đặc
Việc lựa chọn bất kỳ một phưong án cô đặc nào cũing phải thỏa mãn các yêu cầu
cơ bản sau:
• Sử dụng hợp lý lượng hơi nước
Việc lựa chọn phương án nào cũng phải đáp ứng được yêu cầu kinh tế sau cho chi
phí thấp nhất mà đạt hiệu quả cao nhất. Lượng hơi nước phải được sử dụng tối đa mà
lại giảm được tiêu hao nhiều nhất.
• Đáp ứng yêu cầu công nghệ

Đáp ứng yêu cầu dùng hơi của các bộ phận khác như: gia nhiệt NaOH, đun nóng
dung dịch NaOH,…nồng độ NaOH sau khi cô đặc phải đạt yêu cầu kỹ thuật .
• Vốn đầu tư thiết bị ít nhất
Chọn phương án nào thiết bị có diện tích truyền nhiệt nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được
yêu cầu công nghệ là phương án tốt nhất. Điều này có nghĩa là tăng được hiệu số nhiệt
độ hữu ích giữa các nồi, làm tăng hệ số truyền nhiệt dẫn tới có thể giảm diện tích
truyền nhiệt.
• Điều kiện thao tác ổn định
Điều kiện này ảnh hưởng trực tiếp đến các điều kiện khác, thông thường phải tính
toán chính xác lượng hơi thứ cần được sử dụng cho các bộ phận khác để đảm bảo
- Trang 5 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
lượng hơi thứ của toàn bộ hệ thống được ổn định, lượng hơi thứ ở các nồi cần được
khống chế tương đối đồng đều để tránh sự đóng cặn cục bộ ở bất cứ nồi nào, do đó duy
trì được tình trạng làm việc lâu dài của thiết bị.
1.3 Phân loại và ứng dụng thiết bị cô đặc
Phân loại theo cấu tạo: TBCĐ được chia thành 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu như
sau:
• Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên)
- Loại I: có buồng đốt ngoài (đồng trục với buồng bốc); có thể có ống tuần hoàn
trong hay ngoài.
- Loại II: có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc)
Ứng dụng : cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự
nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
• Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)
- Loại III: có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài;
- Loại IV: có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Ứng dụng: cô đặc các dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sự
bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
• Nhóm 3: dung dịch thành màng mỏng

- Loại V: màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài;
- Loại VI: màng dung dịch chảy xuôi; có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
Ứng dụng: TBCĐ nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy màng (màng mỏng hay
màng lỏng- hơi) qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác
dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần (xuôi hay ngược) để tranh sự tác
dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.
1.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
1.4.1 Thiết bị chính
Buồng đốt - bề mặt truyền nhiệt
Buồng phân ly hơi (buồng bốc hơi) – khoảng trống để tách hơi thứ ra khỏi dung
dịch
Bộ phận tách bọt- dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
1.4.2 Thiết bị phụ
Thiết bị gia nhiệt
- Trang 6 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Thiết bị ngưng tụ baromet
Thiết bị đo áp suất, nhiệt độ
Các bộ phận khác: bồn cao vị, bồn chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Trang 7 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
PHẦN 2: THUYẾT MINH QUI TRINH CÔNG NGHỆ
2.1 Mục đích hệ thống
Cô đặc dung dịch NaOH từ 15% đến 45% với năng suất sản phẩm 144000kg/ngày
đêm.
2.2 Các thông số công nghệ
Áp suất chân không tại TBNT baromet: 0,3 at
Áp suất hơi đốt: 4,855 at
Khối lượng xút được tạo thành trong 1 giờ:
M = 144000/24 = 6000kg/h

Chọn lưu lượng vào tháp G = 6000kg/h
Coi như quá trình sản xuất là 100%
Các thông số thiết kế:
Lưu lượng: 6000kg/h
Nồng độ nguyên liệu đầu: 15%
Nồng độ sản phẩm cuối 45%
Ta có:
2NaCl + 2H
2
O = 2NaOH + H
2
+ Cl
2
(1)
H
2
+ Cl
2
= 2HCl (2)
Khối lượng xút được sản xuất trong 1 năm:
M = 6000 x 24 x 365 = 52560 tấn/năm
Vậy công suất của nhà máy là: 52560 tấn
2.3 Thuyết minh quy trình cô đặc NaOH
Dung dịch NaOH từ bồn chứa nguyên liệu, nồng độ 15% được bơm lên bồn cao vị.
Trên bồn cao vị có thiết kế đường ống chảy tràn để duy trì ổn định mực chất lỏng và
một đường ống phía dưới bồn để rửa bồn. Từ bồn cao vị, dung dịch được chảy qua
thiết bị gia nhiệt thông qua lưu lượng kế để đảm bảo năng xuất nhập liệu ban đầu. Tại
thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việc
của nồi cô đặc 1.
Sau đó dung dịch tự chảy qua buồng đốt của nồi 1 dung dịch. Trong buồng đốt của

nồi cô đặc 1dung dich đi bên trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm.
Hơi đốt là hơi nước nước bão hòa đi phía khoảng trống bên ngoài ống. Trong ống
truyền nhiệt khi dung dịch sôi khối lượng riêng nhỏ sẽ tạo áp lực đẩy dung dich đi phía
trên ống. Trong ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các
- Trang 8 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch
trong ống truyền nhiệt, khi dung dịch sôi khối lượng riêng lớn hơn so với dung dịch
trong ống truyển nhiệt sẽ tạo áp lực đẩy dung dịch đi từ trên xuống, kết quả là tạo
thành 1 dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị. Tại đây quá trình cô đặc sơ bộ
được diễn ra.
Phía trên buồng đốt là buồng bốc để tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng, trong
buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo.
Do chênh lệch áp suất ở nồi cô đặc 1 đủ lớn nên dung dịch tự chảy vào buồng đốt
nồi cô đặc 2, lượng hơi thứ nồi cô đặc 1 sinh ra được dẫn vào làm hơi đốt cho nồi cô
đặc 2. Tại nồi cô đặc 2 quá trình diễn ra tương tự, dung dịch được cô đặc đến nồng độ
45%.Do áp suất của sản phẩm nhỏ hơn áp suất của khí quyển nên phải dùng bơm để
bơm sản phẩm ra bồn chứa sản phẩm. Trước khi ra sản phẩm ra bồn chứa nó sẽ cho
qua thiết bị làm lạnh. Vì nhiệt độ của dung dịch cao hơn ở nhiệt độ sôi khi qua thiết bị
này nên sẽ làm bốc hơi thêm 1 lượng nước và được gọi là quá trình tự bốc hơi.
Lượng hơi thứ do nồi cô đặc 2 sinh ra được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet.
Trong thiết bị baromet hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, còn nước lạnh chảy từ trên
xuống, chảy tràng qua cạnh tấm ngăn và 1 phần qua lổ của tấm ngăn. Hỗn hợp nước
làm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lên
qua thiết bị thu hồi bọt. Tác dụng thiết bị thu hồi bọt giữ lại những hạt nước bị khí
không ngưng cuốn theo. Những hạt nước chảy vào ống baromet. Khí không ngưng
hoặc không khí được hút ra ngoài ớ phía trên qua bơm chân không.
- Trang 9 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
1

2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14 14
I II
Hôi ñoát
Hôi ngöng
P
T
P
T
Hôi noùng
I, II: Nồi cô đặc 3.Bồn cao vị 6. Bẫy hơi 9. Bồn chứa sản phẩm 12. Bơm nước P: Áp kế
1. Bơm nhập liệu 4. Lưu lượng kế 7. Bồn chứa nước
ngưng
10. Thiết bị ngưng tụ
Baromet
13. Bơm chân không T: Nhiệt kế
2. Bồn chứa nguyên
liệu
5. Thiết bị gia nhiệt 8. Thiết bị làm lạnh 11. Bơm tách bọt 14. Cửa tháo khí

ngưng
- Trang 10 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Hình. Hệ thống thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều
- Trang 11 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
2.4 Khống chế quá trình cô đặc:
Quá trình cô đặc có liên qua trực tiếp đến chất lượng của dung dịch NaOH, muốn
đảm bảo chất lượng của dung dịch cần thực hiện tốt các vấn đề chính sau:
• Khống chế độ chân không và áp suất hơi
Nhiệt độ sôi trong các nồi có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ và áp suất trong các
nồi tương ứng. Độ chân không càng cao thì nhiệt độ sôi càng thấp. Áp suất hơi càng
lớn dung dịch sôi càng mạnh.
Thường ta khống chế độ chân không của nồi cô đặc dưới 600mmHg. Nếu độ chân
không cao hơn sẽ ảnh hưởng đến sự đối lưu dung dịch NaOH do độ nhớt tăng làm
giảm hiệu quả truyền nhiệt.
Trong quá trình khống chế thường xảy ra hiện tượng áp suất hơi của nồi 1 thông
các nồi sẽ tăng cao, sự bốc hơi của các nồi sẽ giảm xuống. Trường hợp này cần mở to
van hơi nồi I, điều chỉnh van ở các nồi sau, hạn chế lượng vào đến khi ổn định trở lại.
• Khống chế chiều cao dung dịch
Chiều cao dung dịch có ảnh hưởng lớn tới hệ số truyền nhiệt và tốc độ tuần hoàn
của dung dịch NaOH. Cô đặc ở mức dung dịch thấp có thể khắc phục được hiện
tượng này.
• Khống chế lượng hút hơi thứ:
Trong quá trình cô đặc, phải khống chế lượng hơi thứ sao cho ổn định để giữ cho
áp suất chân không của các nồi ổn định, duy trì được hiệu quả bay hơi và giảm được
hiện tượng thất thoát NaOH.
• Kiểm soát tốt việc thoát khí không ngưng.
Việc thoát khí không ngưng không tốt sẽ giảm hệ số cấp nhiệt của hơi, dẫn tới
giảm năng suất bốc hơi. Mặt khác, khí không ngưng cũng làm giảm hoặc tăng áp suất

ở một nồi nào đó. Cần phải mở van xả khí không ngưng lớn hơn đến khi quá trình trở
lại bình thường.
• Thao tác năm ổn định:
Gồm: ổn định áp suất hơi, ổn định áp suất chân không, ổn định mức dung dịch, ổn
định hệ thống van và ổn định hơi thứ.
- Trang 12 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Trong cả hệ thống chỉ cần ổn định áp suất hơi của nồi 1 là có thể duy trì được tổng
chênh lệch nhiệt độ cần thiết cho cả hệ thống bốc hơi. Phải căn cứ vào các điều kiện
như lượng hơi, nồng độ NaOH, mức độ sinh cáu cặn để ổn định và duy trì quá trình.
- Ổn định áp suất chân không
Áp suất chân không của các nồi ổn định sẽ không sinh ra sự biến động về độ
chênh lệch nhiệt độ và thể tích khối dung dịch gây hiện tượng mất NaOH, giảm thấp
sự biến động cường độ bốc hơi đảm bảo nồng độ NaOH.
Muốn đảm bảo ổn định áp suất chân không cần ổn định các yếu tố như: ổn định
lượng hút hơi thứ, kiểm soát chặc chẽ và thông suốt việc tháo nước ngưng và thoát
khí không ngưng.
- Ổn định mức dung dịch
Nếu mức tăng giảm thất thường sẽ gây ra hiện tượng mất NaOH, giảm hiệu quả
bốc hơi. Phải điều chỉnh nồng độ NaOH đi qua các nồi điều đặn và căn cứ vào nguyên
tắc khống chế mức dung dịch mà tiến hành.
- Ổn định các van
Trong quá trình thao tác đóng mở các van tuyệt đối tránh hiện tượng đột ngột (quá
to hoặc quá nhỏ) khi đóng mở van. Do các van trong quá trình làm việc thường đã
được điều chỉnh thích hợp, nếu gặp hiện tượng bất thường phải điều chỉnh các van
dung dịch vào và độ chân không ở nồi đầu và nồi cuối, tránh biến động đột ngột tại
các nồi giữa.
- Ổn định hút hơi thứ
Việc ổn định này giúp cho độ chân không ở các hiệu được ổn định, làm tăng hiệu
quả bay hơi, giảm được hiện tượng mất NaOH.

- Trang 13 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
PHẦN 3
TÍNH CẤN BẰNG VẬT CHẤT - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.1 Yêu cầu:
Năng suất : 52560 tấn/năm
Nồng độ nguyên liệu đầu : x
đ
=15 % (khối lượng)
Nồng độ sản phẩm cuối : x
c
= 45% (khối lượng)
Áp suất TBNT (áp suất Baromet) : 0,3at
Áp suất hơi đốt : 4,855at
3.2 Tính Cân Bằng Vật Chất :
3.2.1 Tổng lượng hơi thứ tạo thành trong hai nồi,W
Phương trình cân bằng vật chất:
G
c .
x
c
= x
đ
. G
đ

Trong đó:
G
đ
: Suất lượng dung dịch đầu, kg/h

G
c
: Suất lượng dung dịch cuối, kg/h
x
đ
: Nồng độ dung dịch đầu, % khối lượng
x
c
: Nồng độ dung dịch cuối, % khối lượng
G
đ
=
d
x
x.
cc
G
=
15
45.6000
= 18000 (kg/h)
3.2.2 Lượng hơi thứ tạo thành ở mỗi nồi:
Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống:
W=









−
c
đ
đ
G
x
x
1
(kg/h) (CT VI.1,T.55, [2])
Trong đó :
W: lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)
Tỷ lệ hơi thứ tạo thành ở mỗi nồi:
m=
II
I
W
W
Chọn m=
II
I
W
W
= 1,02
- Trang 14 -
)/(12000)
45
15
1.(18000 hkgW

=−=
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Khi đó ta có hệ phương trình:





=+
=
12000
02,1
III
II
I
WW
W
W

Giải hệ trên có kết quả:
W
I
= 6059,41 (kg/h)
W
II
= 5940,59 (kg/h)
3.2.3 Suất lượng ra - vào của từng nồi:
• Nồi I:
G
đ1

= G
đ
= 18000 (kg/h)
G
c1
= G
đ
– W
I
= 18000 - 6059,41=11940,59 (kg/h)
• Nồi II:
G
đ2
= G
c1
= 11940,59 (kg/h)
G
c2
= G
c
= G
đ
– W = 18000 – 12000=6000 (kg/h)
1.2.4 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi:
• Nồi I:
x
đ
= x
đ1
= 15 (% khối lượng )

x
c1
=x
đ
.G
đ
/G
c1
=
41,60591800
15.18000
−
= 22,61 (% khối lượng )
• Nồi II:
x
đ2
= x
c1
=22,61 (% khối lượng )
x
c2
= x
c
=x
đ
.G
đ
/G
c
=

6000
18000.15
= 45(% khối lượng)
3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
3.3.1 Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:
Áp suất tại thiết bị ngưng tụ Baromet: P
nt

p
ng
= 0,3at
x
đ
= 15%
⇒
t
1
= 105,25
o
C (bảng 36,T 124, [3])
x
c
= 45 %
⇒
t
2
= 135
o
C (bảng 36,T 124, [3])

⇒
t
tb
=
2
21
tt +
= 120,305
o
C
Chọn nhiệt độ bốc hơi nồi I là t
1
= 150
o
C
- Trang 15 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là:
t
P∆
= p
D
– p
ng
= 4,855-0,3 = 4,555at
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là
5,1
2
1
=

∆
∆
P
P
Kết hợp với phương :
733,2
1
=∆P
at

822,1
2
=∆P
at
p
2
= p
1
– p
ng
= 4,855 – 2,733 = 2,122 at
Tra bảng I.251,T 314 [1] ta có bảng sau:
Bảng 1: áp suất và nhiệt độ tại hai nồi và thiết bị ngưng tụ:
Loại
Nồi I Nồi II Tháp ngưng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o

C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Hơi đốt p
1
= 4,855 t
1
= 150 p
1
= 2,122 t
2
= 121,418
p
ng
=0,3 t
ng
= 68,7
Hơi thứ p
’
1

= 2,212 t
’
1
=122,418 p
’
2
= 0,315 t
’
2
= 69,7
Khi tính và nội suy các giá trị trong bảng chấp nhận tổn thất nhiệt độ do trở lực
thủy học trên các đường ống dẫn hơi thứ từ nồi I sang nồi II và từ nồi II đến thiết bị
ngưng tụ là 1
o
C
3.3.2 Tổn thất nhiệt độ:
3.3.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ cao: (
'
∆
)
áp dụng công thức của Tisenko:
'
∆
=
'
∆
o
.f (CT VI.10, T 59, [2])
Trong đó:
'

∆
: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất bất kỳ
'
∆
o
: Tổn thất nhiệt do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường
f : Hệ số hiệu chỉnh (vì thiết bị cô đặc làm việc với áp suất khác với áp suất
thường).

i
i
r
t
f
2'
)273(
.2,16
+
=
(CT VI.11,T 59, [2])
Trong đó
- Trang 16 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
'
i
t
: Nhiệt độ hơi thứ của nồi I nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất
làm việc

i
r
: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc
Tra bảng( I.23, T35, [2]) khối lượng riêng của NaOH.
Tra bảng (I.251,T 314, [2]) tìn ẩn nhiệt hóa hơi của nước.
Tìm
'
0
∆
: tại nồng độ cuối cùng bằng hình VI.2, T 60, [2])
• Nồi I:
Dựa vào sổ tay thiết bị ta có:
345,7
1
=∆
o
;
'
1
t
=122,418
o
C ; r
i1
= 2200,16.10
3
(j/kg)

56,8
10.16,2200

)418,122273(
.2,16.345,7
3
'
=
+
=∆
I
o
C
• Nồi II:
02
∆
= 20,805 ;
'
2
t
= 69,7
o
C; r
i2
=2333,612.10
3
(j/kg)
96,16
10.612,2333
)7,69273(
.2,16.805,20
3
2

'
=
+
=∆
II
o
C
Vậy : tổn thất do nồng độ tăng cao:
'''
III
∆+∆=∆∑
= 8,56+16,96=25,52
o
C
Bảng 2: tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao:
Vị trí X(%kl) t
’
(
o
C) r.10
-3
(J/kg)
)(
'
0
C
o
i
∆
)(

'
C
o
i
∆
'
i
∆∑
Nồi I 22,61 122,418 200,16 7,345 8,56 25,52
Nồi II 45 69,7 233,6 20,805 16,96
3.3.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:
''
∆
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H=3 m
''
∆
= t
tb
- t
o
(CT VI.13,T 60, [2])
Trong đó:
t
tb
:nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất P
tb
t
o
: nhiệt độ sôi ứng với P
o

p
o
: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng của dung dịch
p
tb
: áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc
p
tb
=

P
o
+
P∆
= P
o
+ 0,5
.
hh
ρ
H
op
(N/m
2
) (CT 4.19,T 185,[3])
- Trang 17 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên nên ta có công thức:
H
op

=[0,26+0,0014.(
)]
dmdd
ρρ
−
(CT 4.20,T 185,[3])
với :
:
p
∆
độ tăng áp suất chất lỏng sôi ở độ sâu từ mặt thoáng
Hop: chiều cao thích hợp tính theo quan sát mực chất lỏng
hh
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch sôi bọt
ddhh
ρρ
5,0=

dd
ρ
: khối lượng riêng của dung dịch (không kể lẫn bọt hơi)
dm
ρ
: khối lượng riêng của dung dich tại nhiệt độ sôi t
sdm
H
o
: chiều cao của ống truyền nhiệt
Coi

dd
ρ
trong mỗi nồi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bền mặt đến độ sâu
trung bình của chất lỏng
• Nồi I:
H
op
= [0,26 + 0,0014.(
)
dmdd
ρρ
−
].3=[0,26+0,0014.(1180,85-985).3=1,716 (m)
Áp suất trung bình :
p
tb1
= 2,212 + 0,5.0,5.1180.851,761.10
-4
=2,263 at
Tra sổ tay p
tb1
= 2,263 (at) (bảng 57, [3] ta có : t
tb
= 123,098
o
C
−=∆ 098,123
''
1
122,418 =0,68

o
C
• Nồi II:
H
op
= [0,26 + 0,0014.(
)
dmdd
ρρ
−
].3=2,82 (m)
Áp suất trung bình :
p
tb2
= 0.315+ 0,5.0,5.1443,21.2,82.10
-4
=0,417 at
Tra sổ tay P
tb1
=

0,417(at) (bảng 57, [3]) ta có : t
tb
= 76,335
o
C
−=∆ 335,76
''
2
69,7 =6,635

o
C
Tổn thất nhiệt của hai nồi:
''
2
''
1
''
∆+∆=Σ∆
= 0,68 +6,635=7,315
o
C
Bảng 3 tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở hai nồi
- Trang 18 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Vị trí X
(%k.l)
dm
ρ
(kg/m
3
)
dd
ρ
(kg/m
3
)
H
op
(m)

p
o
(at)
p
tb
(
o
C)
t
o
(
o
C)
t
tb
(
o
C)
''
i
∆
(
o
C)
''
∆∑
(
o
C)
Nồi I 22,61 958 1180,85 1,716 2,212 2,263 122,418 123,098 0,68 7,315

Nồi II 45 958 1443,21 2,82 0,315 0,417 69,7 76,335 6,635
3.3.2.3 Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực trên đường ống (
'''
∆
)
Thực tế:
5,15,0
'''
÷=∆
Chất nhận tổn thất nhiệt trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi
này sang nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1
o
C
Do đó:
C
o
1
'''
2
'''
1
=∆=∆
C
o
211
'''
2
'''
1
'''

=+=∆+∆=Σ∆
Tổn thất nhiệt độ nồi I:
=∆∑
1
8,56+0,68+1=10,24
o
C
Tổn thất nhiệt độ nồi II:
2
∆∑
= 16,96 +6,635+ 1= 24,595
o
C
Tổng tổn thất chung toàn hệ thống cô đặc:
=∆∑
10,24 + 24,595 = 34,835
o
C
3.3.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Tổng chênh lệch nhiệt độ biểu kiến của hệ thống:
=∆∑ t
150- 69,7=80,3
o
C
Tổng chênh lệch nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
1hi
t∆∑
=
i
t ∆∑−∆∑

= 80,3-34,835=45,465
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch tại nồi 1:
t
s1
=
''
1
'
1
'
1
∆+∆+t
=122,418+8,56+0,68=131,658
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch tại nồi II:
t
s2
=
''
2
'
1
'
2
∆+∆+t
=69,7+16,96+6,635=93,295
o

C
Nhiệt độ sôi hữu ích nồi I:
1,hi
t∆
= t
1
-t
s1
=150-131,658=18,342
o
C
Nhiệt độ sôi của nồi II:
2,hi
t∆
=t
2
-t
s2
=122,418–93,295=28,123
o
C
Bảng 4 : hiệu số nhiệt độ hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
- Trang 19 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Vị trí
1
∆∑
(
o
C)

t
s1
(
o
C)
hit,
∆
(
o
C)
Nồi I 10,24 131,658 18,342
Nồi II 24,595 93,295 28,123
3.4 Cân bằng nhiệt lượng:
3.4.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch của dung dịch NaOH ở từng nồi,C
Đối với dung dịch gồm hai cấu tử ta tính nhiệt dung riêng theo công thức sau:
x< 0,2 thì C= 4186 (1-x) (j/kg độ)
x> 0,2 thì C = 4186 (1-x) + C
ht
x (j/kg độ)
Trong đó :
x : nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng)
C
ht
: nhiệt dung riêng chất hòa tan khan, J/kg độ
C
ht
=
n
CnCnCn
332211

++
Tra sổ tay :
C
1
= C
Na
= 26 (j/kg ntử độ)
C
2
= C
o
= 16,826 (J/kg ntử độ)
C
3
= C
H
= 6,626

C
ht
=
3
10.
40
6,98,1626 ++
=1310 (J/kgđộ)
x
đ
= 15% <20%
Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu:

c
đ
=4186 (1- x
đ
)=4186(1-0,15)=3558,1(j/kgđộ)
x
c1
=22,61 %>20% , x
c2
= 45%>20%
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi I:
c
1
=4186–(4186-C
ht
)x
c1
=4186–(4186-C
ht
)x
c1

=4180-(4180-1310).0,2261=3535,74(j/kgđộ)
Nhiệt dung riêng dung dịch ra khỏi nồi II:
c
2
= 4186 – (4186 - C
ht
)x
c2

=4186 – (4186 – 1310).0,45 = 2891,8 (j/kg độ)
3.4.2 Phương trình cần bằng nhiệt lượng :
Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Q
xq1
W
1,
i
1
W
2,
i
2
Q
xq2
- Trang 20 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất

`
G
đ,
C
đ,
t
đ
(G
đ
– W
1
), C

1
(G
đ
– W),C
2
, t
2
D, C
ng1,
1
θ

W
1
, C
ng2
,
2
θ

• Nồi I:
D
i
+G
đ
.C
đ
.t
đ
= W

1
i
1
+(G
đ
–W
1
)C
1
t
1
+D.C
ng1
.
1
θ
+Q
xq1
• Nồi II:
W
1
.i
1
+

(G
đ
– W
1
).C

1
.t
1
= W
2
.i
2
+ (G
đ
–W).C
2
.t
2
+ W
1
.C
ng2
.
2
θ
+ Q
xq2
Trong đó:
D: lượng hơi đốt dùng trong hệ thống (kg/h)
i; i
1;
i
2
: Hàm lượng nhiệt độ của hơi đốt, hơi thứ, ra khỏi nồi I và II (
o

C)
21
,
θθ
: nhiệt độ nước ngưng tụ ở nồi 1 và nồi 2 (
o
C)
C
ng1
; C
ng2
: nhiệt dung riêng nước ngưng tụ nồi I và nồi II (j/kg độ)
G
đ
: Suất lượng dung dịch ban đầu (kg/h)
C
đ
; C
1
; C
2
: nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II
(j/kg độ)
Q
xq1
; Q
xq2
: lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh của nồi 1 và nồi 2
lượng nhiệt mất mát do môi trường xung quanh bằng 5% tổng nhiệt cung cấp cho các
nồi

Q
xq1
= 0,05.D.(i-C
ng1
.
1
θ
)
Q
xq2
=0,05.D.(i-C
ng2
.
2
θ
)
Tra sổ tay ta có các thông số sau:
Đầu vào Đầu ra nồi I Đầu ra nồi II
t
đ
= 130,978(
o
C) t
1
= 131,658 (
o
C) t
2
=93,294 (
o

C)
C
đ
=3558,1 (j/kgđộ) C
1
=3535,74 (j/kgđộ) C
2
=2891,8 (J/kgđộ)
G
đ
=18000 (kg/h)
Hơi đốt Hơi thứ Hơi đốt
1
θ
=150
o
C
2
θ
=121,418
t
'
2
=69,7 (
o
C)
i=2753000 (j/kg) i
1
= 2712985,2 (j/kg) i
2

=2625772 (j/kg)
C
ng1
=4329(j/kgđộ) C
ng2
=4235,672 (j/kgđộ)
W
1
=3059,41 (kg/h) W
2
= 2940,59 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi I là:
- Trang 21 -
Nồi I
Nồi II
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
W
1
=
1121
11222
.0,95.r
w)C(w.i
tCi
tcGtG
dd
−+
−−+
θ
=

658,131.74,35352625772)418,121.672,42352712985.(95,0
65,131.74,3535.18000295,93.8,2891).1200018000(2625772.12000
−+−
−−+
= 5824,59 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi II:
W
2
=W – W
1
=12000-5824,58=6175,41 (kg/h)
Lượng hơi đốt chung:
D=
) (95,0
.)w(.w
111
11111
θ
ng
dddd
Ci
tCGtCGi
−
−−+
=
)15,43202,2712985.(95,0
978,130.1,3558.18000658,3535).59,582418000(52,271298.59,5824
−
−−+
= 6668,17 (kg/h)

Kiểm tra giải thiết hơi thứ giữa các nồi:
C%(I) =
%100.
41,6059
59,582441,6059 −
=3,875 <5%
C%(II)=
%100.
41,6175
59,594041,6175 −
= 3,8 <5%
→
đáp ứng yêu cầu đề bài
Vậy
Lượng hơi thứ nồi I : W
1
=5824,59 (kg/h)
Lượng hơi thứ nồi II :W
II
=6175,41 (kg/h)
Lượng hơi đốt nồi I :D=6668,17 (kg/h)
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1 Tính bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt:
Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt được xác định dựa vào phương trình truyền
nhiệt:
F=
hi
tK
Q
∆.

Trong đó:
- Trang 22 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
K : hệ số truyền nhiệt của thiết bị (W/m
2
độ)
hi
t∆
: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của thiết bị cô đặc (
o
C)
Q : Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp cho thiết bị ( W)
4.1.1 Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, Q
• Nồi I:
Q
1
= D.r
Trong đó:
D: lượng hơi đốt cung cấp cho nồi 1, kg/s
r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt nồi 1, J/kg
Tra bảng 56, [3] ta có:
t
1
=150
o
C, r= 2120 (kj/kg)
Vậy : Q
1
=
)(81,3926

3600
17,6668.2120
kw=
• Nồi II:
Q
2
=W
1
.r
1
Trong đó:
W
1
:suất lượng dung dịch đầu (kg/s)
r
1
:ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt nồi 2 (j/kg)
Tra bảng 56, [3] ta có:
t
2
=121,418
o
C, r
1
= 2203,3 (kj/kg)
Vậy : Q
2
=
)(83,3564
3600

31,2203.59,5824
kw=
4.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi:
K
i
=
ihi
tb
t
q
,
∆
Trong đó:
K: hệ số truyền nhiệt của thiết bị (W/m
2
độ)
ihi
t
,
∆
: hiệu số nhiệt độ hữu ích tính theo lý thuyết (
o
C)
- Trang 23 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
t
1
t
2
t

m2
t
w2
q
2
q
1
t
m1
t
w1
Nhiệt tải riêng của hơi đốt cung cấp cho thành thiết bị
q
1
=
)(.
1111 w
tTt −=∆
αα

Nhiệt tải riêng của thành thiết bị
q=
21
21
cáucáu
ww
rr
tt
++
−

λ
δ
Nhiệt tải riêng của dung dịch sôi
q
2
=
ttt
w
).(.
22222
−=∆
αα
Xem quá trình là liên tục ổn định nên q=q
1
=q
2
(q
tt
=0)
Trong đó:
T: nhiệt độ hơi đốt (
o
C)
t
2
: nhiệt độ sôi dung dịch trong nồi (
o
C)
t
w1

: nhiệt độ thành thiết bị tiếp xúc hơi đốt (
o
C)
1
α
: hệ số cấp nhiệt phía hơi (W/m
2
độ)
2
α
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch lỏng (W/m
2
độ)
λ
: hệ số dẫn nhiệt (W/mđộ)
δ
: bề dày thành thiết bị(m)
r
cáu1
, r
cáu2
: nhiệt trở lớp cáu phía hơi đốt và phíadung dịch (m
2
.s.C/J)
Chọn vật liệu:
δ
=5mm bảng VI.6,T81,
[ ]
2
Ống làm bằng thép khống gỉ mã hiệu 40XH:

44=
λ
Bảng VII.7, T313,
[ ]
2
Tính
1
α
:
- Trang 24 -
Quá trình thiết bị trong CN hóa chất
Khí tốc độ của hơi nhỏ (
sm/10
≤
ω
, chính xác hơn p
’
,
)30
2'
≤
ω
và màng nước
ngưng chuyển động dòng (Re
m
< 100) thì hệ số cấp nhiệt
1
α
đối với ống thẳng đứng
được tính theo công thức sau:

4
1
1
.
04,2
Ht
r
A
∆
=
α
(CT V.101,T28,
[ ]
2
)
Trong đó:
H: chiều cao ống truyền nhiệt,m
Chọn H= 3 m
r: ẩn nhiệt ngưng tụ,J/kg
1
t∆
: Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía thành thiết bị tiếp xúc với hơi
nước ngưng,
o
C
A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng t
m1
A=
25,0
32

.








µ
λρ

t
m1
=
2
11
tt
w
−
Tính W
2
q
1
=q
2
⇔
).(
111
21

21
w
cáucáu
ww
tt
rr
tt
−=
++
−
α
λ
δ
Trong đó:
r
cáu1
, r
cáu2
: tra bảng VI,T4,
[ ]
2
Công thức tính tổng điện trở
áu2cáu1 c
rrr ∑++Σ=∑
λ
δ
Chọn
21 raucau
rr ∑=∑
=1/5000 m

2
.h. độ/Kcal= 1/43000(m
2
. độ/W)
Ống làm bằng thép khống gỉ mã hiệu 40XH:
44=
λ
4-
3
5,788.10
44
10.5
43000
1
.2 =+=∑
−
r
(m
2
. độ/W)
Tính toán nồi 1
Chọn
t
t∆
= 0,57
o
C
- Trang 25 -