thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều Na2CO3

Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
LỜI NÓI ĐẦU
Đối với một sinh viên chuyên ngành công nghệ hóa học, việc nắm vững các kiến
thức về môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất là thực sự cần thiết. Việc
lĩnh hội các kiến thức này sẽ giúp cho các kỹ sư trong tương lai không những có thể thiết
kế, vận hành tốt một quá trình sản xuất và chế biến, mà còn biết cách tối ưu hóa các quá
trình và chi phí thiết kế, có ý tưởng cải tiến thiết bị, nâng cao năng suất. Do vậy, với yêu
cầu trên, môn học đồ án quá trình thiết bị thật sự mang đến cho em và tất cả sinh viên
khác cơ hội để hình dung lại kiến thức đã học và liên hệ thực tiễn sản xuất, chế biến. Để
thiết kế được một đề tài, sinh viên cần phải nắm vững tổng quát các kiến thức về các quá
trình thủy lực, truyền nhiệt và chuyển khối.
Trong công nghệ hóa chất, để làm tăng nồng độ một hóa chất lên nồng độ dùng
trong thương mại và công nghiệp, một phương pháp dùng khá phổ biến là cô đặc. Đây
cũng chính là đề tài em thực hiện trong đồ án này, cụ thể là thiết kế hệ thống cô đặc ba
nồi xuôi chiều. Cấu trúc của tập đồ án có thể chia thành các phần sau:
» Chương 1: Tổng quát về sản phẩm, phương pháp cô đặc
» Chương 2: Tính toán công nghệ - tính và chọn thiết bị chính
» Chương 3: Tính và chọn thiết bị phụ
» Tài liệu tham khảo
Trong quá trình thực hiện đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy
Dương Khắc Hồng và các thầy cô trong khoa. Tuy nhiên, vì hạn chế về thời gian và kiến
thức, chắc chắn trong đồ án còn tồn tại nhiều sai sót. Em xin gởi lời cám ơn đến thầy
Dương Khắc Hồng và tất cả thầy cô trong khoa đã giúp em hoàn thiện đồ án này, và em
rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để có được nhiều kinh nghiệm
và kiến thức cho bản thân.
Nhóm : 4 Trang 1
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
MỤC LỤC……………………………………………………………………………… 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN
PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 5
I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 5
II. CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 6
III. THIẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 8
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH…………………… 10
I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 10
1) Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống 10
2) Sự phân bố hơi thứ trong các nồi 11
3) Nồng độ dung dịch ở từng nồi 11
II. PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI 11
III. TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở MỖI NỒI 13
1) Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ ( 13
2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( 14
3) Tổn thất do trở lực của đường ống ( 16
4) Tổn thất do toàn bộ hệ thống 16
5) Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi 16
IV. TÍNH NHIỆT LƯỢNG, NHIỆT DUNG RIÊNG,ẨN NHIỆT NGƯNG TỤ 17
1) Tính nhiệt lượng riêng 17
2) Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ 17
Nhóm : 4 Trang 2
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
3) Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng
và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi 18
V. LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG VÀ TÍNH LƯỢNG HƠI
ĐỐT CẦN THIẾT ……………………………………………………… ……19
VI. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH 21
1) Độ nhớt 21
2) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 24

3) Hệ số cấp nhiệt 25
4) Hệ số phân bố nhiệt hữu ích 31
5) Tính toán bề mặt truyền nhiệt 33
VII.TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 33
1) Buồng đốt 33
2) Buồng bốc 40
3) Cửa làm vệ sinh 46
VIII.ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 46
1) Đường kính ống dẫn hơi đốt 46
2) Đường kính ống dẫn hơi thứ 48
3) Đường kính ống dẫn dung dịch 50
4) Đường kính ống tháo nước ngưng 50
IX.BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT CỦA THIẾT BỊ 51
1) Bề dày lớp cách nhiệt cho các ống dẫn 51
2) Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị 54
X.MẶT BÍCH 55
XI.TA TREO 57
Nhóm : 4 Trang 3
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
1) Trọng lượng thân thiết bị 57
2) Tải trọng của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài 58
3) Trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 58
4) Trọng lượng vĩ ống 59
5) Trọng lượng đáy buồng đốt 59
6) Trọng lượng nắp buồng đốt 59
7) Trọng lượng của bích 60
8) Trọng lượng của hơi 61
CHƯƠNG 3: TÍNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ………………………… … 64
I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 64

1) Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 64
2) Lượng không khí và không khí ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 64
3) Đường kính thiết bị ngưng tụ 65
4) Kính thước tấm ngăn 66
5) Chiều cao thiết bị ngưng tụ 67
6) Kính thước ống Baromet 68
7) Chiều cao ống Baromet 68
II TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 70
1) Bơm chân không 70
2) Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet 72
3) Bơm ly tâm bơm dung dịch vào thùng cao vị 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Nhóm : 4 Trang 4
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sản xuất từ ngành
công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi. Nali
carbonate (tên thường gọi là sô đa) với công thức hóa học Na
2
CO
3
, là một trong những
hóa chất thông dụng đó. Với nhiều ứng dụng trong thực tiễn, hiện nay Na
2
CO
3

đang được
sản xuất ngày càng lớn.
1 Các tính chất vật lý của Na
2
CO
3
Carbonat natri là bột tinh thể màu trắng, tỷ trọng d = 2,53 g/cm
3
, nhiệt độ nóng chảy
853
o
C. Bột tinh thể màu trắng, mùi nồng, dể tan trong nước và để ngoài không khí dể
chảy nước. Tỉ trọng d=2,53 g/cm
3
,Nhiệt độ nóng chảy: 853
o
C, nhiệt độ sôi : 1.600
o
C
Độ hoà tan trong nước : 22g / 100ml (20
o
C) Bền nhiệt, không phân hủy ở nhiệt độ cao
Xôđa Na
2
CO
3
được dùng nhiều trong công nghiệp các chất vô cơ để điều chế các
sản phẩm xôđa khác, dùng trong luyện kim để nhận các muối, trong công nghiệp thủy
tinh, để làm sạch các sản phẩm dầu mỏ, trong công nghiệp giấy, sơn màu dệt da…
Xôđa Na

2
CO
3
là muối tính chất kiềm. Công nghệ sản xuất xôđa là kiểu mẫu của kỹ
thuật sản xuất muối dựa trên cơ sở những quá trình hấp thụ hóa học trong hệ lỏng – khí.
2 Các ứng dụng của N
2
CO
3
Muốn cho nền kinh tế và công nghiệp phát triển, các nước đều phải phát triển các
ngành công nghiệp sản xuất ra nguyên liệu cho công nghiệp, trong đó sô đa là loại
nguyên liệu phục vụ cho công nghiệp sản xuất ra các mặt hàng tiêu dùng và nguyên liệu
Nhóm : 4 Trang 5
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
cho sản xuất một số kim loại màu và các loại thủy tinh khác nhau. Hai lĩnh vực này sử
dụng 50% tổng lượng sô đa sản xuất ra hàng năm trên thể giới.
Trên thế giới, Mỹ và Trung Quốc là hai cường quốc sản xuất soda lớn nhất thế giới
với hơn 60% tổng sản lượng soda toàn thế giới. Cho đến nay việt nam chỉ có duy nhất
một nhà máy sản xuất soda , đó là nhà máy Chu Lai . Nằm ở khu công nghiệp Tam Hiệp
tỉnh Quảng Nam. Với công suất 20000tấn/năm
Khi sản xuất sô đa phát triển thì mức tiêu thụ muối của nước ta cũng sẽ tăng theo.
Với một đất nước có trên 2000 km bờ biển, có thể sản xuất muối natri clorua (NaCl) theo
phương pháp bốc hơi bằng năng lượng mặt trời. Để sản xuất 1 tấn sô đa cần 1500 - 1600
kg NaCl công nghiệp. Như vậy, với sản lượng sô đa hàng năm khoảng 200.000 tấn sẽ tiêu
thụ trên 300.000 tấn NaCl, tạo được việc làm cho hàng chục vạn diêm dân, phát huy được
thế mạnh tài nguyên và lao động của nước ta.
Nghành công nghiệp Sản lượng Na
2
CO

3
cần :
(kg/1 tấn sản phẩm)
Luyện gang 50
Nấu thủy tinh 170-200
Luyện oxit nhôm 145-220
Oxit coban 9000-14000
Chế tạo criolit 608-610
Bột giặt tổng hợp 560
Dầu mỏ
Tách lưu huỳnh ra khỏi dầu 350
Tách dầu mỏ 0,15
Khoan giếng dầu 2kg/m giòng khoan
II CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch bằng cách tách một
phần dung môi sang dạng hơi. Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi:
Nhóm : 4 Trang 6
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
 Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi (cô
đặc ở trạng thái sôi).
 Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần của hơi trên
mặt thoáng của dung dịch để tăng tốc quá trình bốc hơi.
Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi
cân bằng với áp suất chung trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng
luyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi. Đáng lưu ý là trong quá trình cô
đặc nồng độ của chất tan tăng, ảnh hưởng đến quá trình tính toán của thiết bị. Khi đó hệ
số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ,
độ nhớt μ, tổn thất nhiệt ’ tăng.
Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:

 Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng.
 Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện,
các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocacbon).
 Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức.
 Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn.
Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch K
2
CO
3
này, ta sử dụng hệ thống cô
đặc 3 nồi xuôi chiều (tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài, vì
những ưu điểm như sau:
 Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp suất
và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau.
 Dung dịch vào nồi đầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng hơi
nước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt độ cao
hơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc
hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi.
 Cô đặc ống tuần hoàn ngoài có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn trong nồi dễ
dàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt nóng dẫn đến đối
lưu dễ dàng.
Nhóm : 4 Trang 7
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung
dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung
dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
III THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Dung dịch chứa ở thùng chứa (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3). Từ
thùng cao vị dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (5) trước khi vào

hệ thống cô đặc. Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (6) để nâng đến nhiệt
độ sôi. Lượng hơi nước sau khi đã gia nhiệt cho dung dịch xong đi ra khỏi thiết bị gia
nhiệt qua bẫy hơi (4) rồi nước chảy vào đường nước ngưng . Tiếp theo dung dịch đi vào
nồi cô đặc (7), tại đây hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt. Dung dịch đi
trong ống, hơi nước đi ngoài ống. Hơi nước sau khi gia nhiệt cho nồi được qua bẫy hơi
rồi chảy về đường nước ngưng. Hơi thứ nồi thứ nhất sau khi qua bộ phận tách bọt trên
đỉnh tháp được đưa ra theo đường hơi tiếp tục cấp nhiệt , làm hơi đốt cho nồi thứ 2
(8).Tại nồi 1 dung dịch được cô đặc tới 12,22% tiếp tục chảy vào nồi thứ 2 do sự chênh
lệch áp suất và tiếp tục được cô đặc. Tại nồi 2 quá trình cũng diễn ra giống như nồi thứ
nhất, dung dịch được cô đặc có nồng độ 16,18%, lượng hơi thứ sau khi qua bộ phận tách
bọt sẽ đi vào đường hơi, để tiếp tục làm hơi đốt cho nồi thứ 3 (9), lượng hơi nước sau khi
gia nhiệt được đi qua bẫy hơi, lượng nước chảy về đường nước ngưng, dung dịch di
chuyển sang nồi 3. Tại nồi thứ 3, dung dịch được cô đăc tới 25% theo ống dẫn chảy về
bồn chứa (17),để thu hồi lại lượng dung dịch theo hơi thứ ra khỏi nồi 3, ta cho hơi thứ đi
qua thiết bị Baromet (13) để ngưng tụ lại lượng nước, ở thiết bị này, nước được bơm ly
tâm bơm vào cửa trên thiết bị, hơi ngưng đi đường dưới, hơi ra khỏi thiết bị baromet qua
thiết bị tách bọt (14), do sự thay đổi đột ngột của hướng dòng khí, nên bọt khí va đập vào
thành rồi chảy xuống, ta thu hồi lại tối đa lượng nước. Áp suất của toàn bộ hệ thống được
tạo ra nhờ bơm chân không (15) được đặt ở thiết bị tách bọt.
Theo sơ đồ công nghệ sau :
Nhóm : 4 Trang 8
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
I CÂN BẰNG VẬT LIỆU
Các số liệu ban đầu:
Dung dịch cô đặc: Na
2
CO
3

Nhóm : 4 Trang 9
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Năng suất dung dịch đầu: 12tấn/h =12000kg/h
Nồng độ đầu:10%
Nồng độ cuối:25%
Áp suất hơi nồi 1:4at
Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ:0,25at
1. Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống
Gọi: G
đ
, G
c
là lượng dung dịch lúc đầu và cuối (kg/h)
x
đ
, x
c
là nồng độ đầu và cuối (% khối lượng)
W là lượng hơi thứ bốc hơi trong toàn hệ thống (kg/h)
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
G
đ
= G
c
+ W (1)
Phương trình cân bằng vật liệu cho chất tan:
G
đ
x

đ
= G
c
x
c
+W x
w
Ở đây ta coi quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo
lượng hơi bốc ra nên ta có:
G
đ
x
đ
= G
c
x
c
(2)
Từ (1) và (2) ta có:
W = G
đ
(1 – ) (3)
Theo số liệu đề tài ta có lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống là:
W = 12000.(1 – )7200 (kg/h)
2. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi
Gọi W
1
, W
2
, W

3
là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h)
Nhóm : 4 Trang 10
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ: W
1
:W
2
:W
3
=1:1,1:1,2
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi theo công
thức: W = W
1
+ W
2
+ W
3
Nồi 1:W
1
= = 2181,82 (kg/h)
Nồi 2:W
2
=1,1. = 1,1. 2400 (kg/h)
Nồi 3:W
3
=1,2. = 1,2. 2618,18(kg/h)
3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi
Theo đầu bài dung dịch có nồng độ đầu x

đ
= và nồng độ cuối, tức khi ra
khỏi nồi 3 là x
c
= 25%
Gọi: x
1
, x
2
, x
3
là nồng độ tương ứng trong nồi 1, nồi 2, nồi 3
Vậy: Nồng độ của dung dịch nồi 1:
x
1
=G
đ
. = 12000. 12,22%
Nồng độ của dung dịch nồi 2:
x
2
= = 12000.16,18%
Nồng độ của dung dịch nồi 3: x
3
= 25%
II PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI
Gọi P
1
, P
2

, P
3
, P
nt
là áp suất hơi đốt trong các nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị nghưng
tụ.
Nhóm : 4 Trang 11
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ
sau:
= 1,02
Vậy áp suất làm việc ở từng nồi là:
Ta có: ∆P = P
1
- P
nt
= 4 - 0,25=3,75 at
∆P = ∆P
1
+ ∆P
2
+ ∆P
3
=3,75 at
=>∆P
1
=1,776 at
=>∆P
2

=1,184 at
=>∆P
3
=0,789 at
Gọi t
hđ1
, t
hđ2
, t
hđ3
, t
nt
là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị
ngưng tụ.
Gọi t
ht1
, t
ht2
, t
ht3
là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3.
Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mát khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị
khác là 1
o
C.
Do đó t
hđ2
= t
ht1
– 1 (7)

t
hđ3
= t
ht2
– 1 (8)
t
nt
= t
ht3
– 1 (9)
Từ áp suất của P
ht1
, P
ht2
, P
ht3
đã biết, ta tra bảng I.251/314 - [1] ta được nhiệt độ hơi
thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3, từ đó biết được nhiệt độ hơi đốt của các nồi 1, 2, 3 qua công
thức (8), (9). Biết nhiệt độ của hơi đốt ta biết được áp suất của hơi đốt bằng cách tra bảng
I.250/312 - [1]:
Bảng 1.1
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 TB baromet
P
1
(at) t
o
C P
2
(at) t
o

C P
3
(at) t
o
C P
nt
(at) t
o
C
Hơi đốt 4 149,2 2,22 122,53 1,04 100,12 0,25 64,2
Hơi thứ 2.297 123.52 1.078 101.12 0.26 65.2
Nhóm : 4 Trang 12
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
6
III TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở MỖI NỒI
1) Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’)
Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng một
áp suất:
∆’ = t
o
sdd
- t
o
sdm
Ta sử dụng công thức Tisencô:
Δ’ = Δ
0
’.f (VI.10/59 –[2])
Trong đó: ∆’

o
là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường:
F = 16,2. T
2
/r (VI.11/59 – [2])
Trong đó:T
s
là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (K)
r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg)
Dựa vào bảng (VI.2/65 - [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆’
o
theo nồng độ a
(% khối lượng).
Bảng 1.2
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nồng độ của dung dịch (%kl) 12,22 16,18 25
∆’
o
(
o
C) 1,19 1,88 3,25
Dựa vào (I.251/314 - [1]) ta xác định được nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ:
Bảng 1.3
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Áp suất làm việc (at) 2.297 1.078 0.26
Nhiệt hóa hơi r.10
-3
(J/kg) 2197.5 2258.39 2243.79
Nhóm : 4 Trang 13

Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Vậy, ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo các công thức
Δ’
1
= Δ’
0.
16,2 (t
ht1
+ 273)
2
/r
1
= 0,47 . 16,2.(142,9+ 273)
2
/2197,5*10
3
= 1,576
0
C
Tương tự ta có
Δ’
2
= 1,874
O
C
Δ’
3
= 2,558
O

C
Bảng 1.4
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nhiệt độ hơi thứ K 396.526 374.12 338.2
Hệ số hiệu chỉnh f 1.38 1.37 1.86
Tổn thất nhiệt độ ∆’ 1.576 1.874 2.558
Suy ra tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ của hệ thống:∑ ∆’=6,008
2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)
Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áp
lực của cột chất lỏng. Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng
gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.
∆’’ = t
(P + ∆P)
- t
P
Với: t
(P + ∆P)
là nhiệt độ sôi ứng với P
tb
t
P
là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch
Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng
Theo CT VI.12/55-[2], ta có:
P
tb
= P
o
+ (∆h + )ρ
ddsoi

.g
Nhóm : 4 Trang 14
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Với:
 P
o
là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
 ∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
dung dịch, chọn ∆h = 0,5m cho cả 3 nồi .
 h là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3m cho cả 3 nồi.
 ρ
ddsoi
là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
).
=
ρ
dd
được nội suy và ngoại suy từ bảng I.56/45-[1].
Để tính t
os
của dung dịch Na
2
CO
3
ứng với P
tb
ta dùng công thức Babo: K=
Trong đó: P là áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch.

P
s
là áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy
từ bảng I.250/312-[1].
 Nồi 1: ứng với x
1
=12,22% → t
s1
= 101,359
o
C (theo bảng I.204/236-[1])
P
ht
=2,297 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,087at
Ta có: ρ
dd
= 1081,42 (kg/m
3
) → =541 (kg/m
3
)
Suy ra: P
tb
=2,297 + (0,5 + ).541.9,81.10
-5
= 2,4 (at)
K= =0.92
Mà P = P

tb1
→ P
o
=2,612 at →t
tb
=127.74
o
C
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t
p
= t
hd1
+ ∆
1
’ =123.526 + 1.576=124.1
o
C
Vậy → ∆”
1
= t
(P+∆P)
– t
p
=2.64
o
C
Nhóm : 4 Trang 15
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng

Tính toán tương tự như ở trên cho nồi 2,3 ta được bảng sau bảng sau:
Bảng 1.5Tính áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nồng độ (% khối lượng) 12,22 16,18 25
Áp suất hơi thứ P
o
, at 2.297 1.078 0.26
T
s
,
o
C 101.359 101.866 103.236
ρ
dd
(kg/m
3
) 1081,42 1122 1212
ρ
dds
= ρ
dd
/2 (kg/m
3
) 541 561 606
P
tb
(at) 2.4 1.18 0.37
Bảng 1.6Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3
Nhiệt độ sôi của dung dịch (

o
C) 101.36 101.87 103.24
Áp suất mặt thoáng dung dịch (áp suất khí
quyển)
1 1 1
P
s
, AS hbh của nước nguyên chất ở T
s
1.09 1.11 1.16
Hệ số K = P/P
s
0.92 0.9 0.86
Áp suất mặt thoáng dung dịch (áp suất trung
bình) P
tb
2.4 1.18 0.37
Áp suất hbh nước nguyên chất P
s
1.09 1.11 1.16
Nhiệt độ sôi ứng với P
tb
,
o
C 127.74 108,23 84,44
Nhiệt độ hơi thứ (
o
C) 122.53 101.12 65.2
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆’ 1.58 1.87 2.56
Tổn thất nhiệt độ do ASTT ∆” 2.64 5,24 16,68

Vậy ∆” = ∆”
1
+ ∆”
2
+ ∆”
3
=24,56
o
C
3) Tổn thất do trở lực của đường ống (∆’’’)
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là 1
o
C
→ ∆”’ = ∆”’
1
+ ∆”’
2
+ ∆”’
3
=1+1+1=3
o
C
4) Tổn thất do toàn bộ hệ thống
Nhóm : 4 Trang 16
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
∆ = ∆’ + ∆” + ∆”’ =6,008+ 24,56 +3= 33,568
o
C
5) Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi

Nồi 1: ∆t
hi1
= t
hd1
- t
hd2
-∑ ∆
1
= 149,2-122,53-(1,576+2,638+1) = 15,16
o
C
Nồi 2: ∆t
hi2
= t
hd2
- t
hd3
-∑ ∆
1
= 14,295
o
C
Nồi 3: ∆t
hi3
= t
hd3
- t
nt
-∑ ∆
1

= 15,679
o
C
Cho toàn hệ thống:∆t
ht
= t
hd1
- t
nt
-∑ ∆= 149,2-64,2- 33,568 = 45,132
o
C
IV TÍNH NHIỆT LƯỢNG, NHIỆT DUNG RIÊNG, ẨN NHIỆT NGƯNG TỤ
1. Tính nhiệt lượng riêng
- I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
- i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)
Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ): I.250/312 - [1]
2. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ
Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:
Vì x
d
= 10% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]
C
1
= 4186(1-x) → C
0
= 4186(1-0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1
Vì x
d

= 12,22% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]
C
1
= 4186(1-x) → C
0
= 4186(1-0,0,1222) = 3674,47 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2
Vì x
d
= 16,18% <20% nên áp dụng công thức I.43/152-[1]
C
2
= 4186(1-x) → C
0
= 4186(1-0,1618) = 3508,71 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 3
Vì x
d
= 25% <20% nên áp dụng công thức I.44/152-[1]
C
3
= C
ht
.x
3
+ 4186(1-x
3
) = 1036,79.0,25 + 4186(1-0,25) = 3398,7(J/kg.độ)
∗ Tính nhiệt dung riêng của Na
2

CO
3
khan (không hòa tan):
Nhóm : 4 Trang 17
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Tính C
ht
theo công thức I.41/153 - [1]:
M
ct
.C
ht
= n
Na
.C
Na
+ n
c
.C
c
+ n
o
.C
o
Trong đó: n
Na
, n
c
, n

o
: là số nguyên tử Na, C, O trong hợp chất
C
Na
,C
c
,C
o
: là nhiệt dung riêng của các nguyên tố Na, C, O
3. Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng
và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi
Chọn tổn thất nhiệt độ khi hơi thứ nồi trước di chuyển cho hệ thống ống đi làm hơi đốt
cho nồi sau là 1
o
C.
t
1
= 142,9
o
C
t
s1
= t
1
– Δ
thi1
=142,9 – 15,16 = 127,74
o
C
t

ht1
= t
s1
– (Δ’
1
+ Δ”
1
) = 127,74 – (1,58 + 2,64) = 123.52
o
C
t2 = t
ht1
– Δ”
1-2
= 123,52 – 1 = 122,52
o
C
t
s2
= t
2
– Δ
thi2
=122,52 – 12,09 =110,5
o
C
t
ht2
= t
s2

– (Δ’
2
+ Δ”
2
) = 110,5 – (1,874+ 7,45) = 101,176
o
C
t
3
= t
ht2
– Δ”
2-3
= 101,176 – 1 = 100,176
o
C
t
s3
= t
3
– Δ
thi3
= 100,176 – 1,47 = 98,706
o
C
t
ht3
= t
s3
– (Δ’

3
+ Δ”
3
) = 98,706 – (2,558 + 30,89) = 65,258
o
C
Dựa vào nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ đã tính được ở cân bằng vật liệu, tra bảng và nội
suy, ta được các giá trị I, i, C
n
.
 Tính I và i bằng phương pháp nội suy theo bảng I.250/312 – [1]
 Tính C
n
bằng cách nõi suy theo bảng I.249/310 – [1]
Bàng 1.7
Nhóm : 4 Trang 18
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Nồi
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t
o
C
I.10
-3
(J/kg)
C
n
(J/kg.độ)
t

o
C
i.10
-3
(J/kg)
t
o
C
C
P
(J/kg.độ
)
1 142.9 2141000 4235.48 123.526 2715958 127.74 3674.47
2 122.526 2714400 4254.04 101.12 2680547 108,23 3508.71
3 100.12 2678800 4220.156 65.2 2615408 84,44 3398.7
V LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG VÀ TÍNH LƯỢNG HƠI
ĐỐT CẦN THIẾT
Ta có:
- D
1
, D
2
, D
3
là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)
- G
đ
, G
c
là lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h)

- W
1
, W
2
, W
3
là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h)
- C
1
, C
2
, C
3
là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)
- C
đ
, C
c
là nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra (J/kg.độ)
- C
n1
, C
n2
, C
n3
là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ)
- I
1
, I
2

, I
3
là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3 (J/kg)
- i
1
, i
2
, i
3
là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3 (J/kg)
- t
đ
, t
c
là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (
o
C)
- t
1
, t
2
, t
3
là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở P
tb
(
o
C)
- θ
1

, θ
2
, θ
3
là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2 , 3 (
o
C)
- Q
tt1
, Q
tt2
, Q
tt3
là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3 (J)
Nhóm : 4 Trang 19
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑Q
vào
= ∑Q
ra
Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:
Bảng 1.8
Nồi 1
Vào
Dung dịch đầu mang vào G
đ
.C
đ
.t

đ
Hơi đốt mang vào D
1
.I
1
Ra
Hơi thứ mang ra W
1
.i
1
Dung dịch mang ra (G
đ
– W
1
)C
1
.t
1
Nước ngưng mang ra D
1
C
n1
θ
1
Tổn thất nhiệt chung 1 Q
tt1
= 0.05D
1
.I
1

Nồi 2
Vào
Hơi đốt mang vào D
2
.I
2
Dung dịch (ở nồi 1 ra) mang vào (G
đ
– W
1
)C
1
.t
1
Ra
Hơi thứ mang ra W
2
.i
2
Dung dịch mang ra (G
đ
– W
1
– W
2
)C
2
.t
2
Nước ngưng mang ra D

2
C
n2
θ
2
Tổn thất nhiệt chung 2 Q
tt2
= 0.05D
2
.I
2
Nồi 3
Vào
Hơi đốt mang vào D
3
.I
3
Dung dịch (ở nồi 2 ra) mang vào (G
đ
– W
1
– W
2
)C
2
.t
2
Ra
Hơi thứ mang ra W
3

.i
3
Dung dịch mang ra (G
đ
– W
1
– W
2
– W
3
)C
2
.t
2
Nước ngưng mang ra D
3
C
n3
θ
3
Tổn thất nhiệt chung Q
tt3
= 0.05D
3
.I
3
Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
 Nồi 1:
G
đ

C
đ
t
đ
+ D
1
.I
1
= W
1
i
1
+ (G
đ
– W
1
)C
1
t
1
+ D
1
C
n1
θ
1
+ 0.05D
1
.I
1

D
1
(0,95I
1
– C
n1
θ
1
)+ W
1
(C
1
.t
1
– i
1
)) =G
đ
(C
1
.t
1
– C
d
t
d
) (1)
 Nồi 2:
Ở nồi 2, chú ý: D
2

= W
1
(G
đ
– W
1
)C
1
t
1
+ D
2
I
2
= W
2
i
2
+ (G
đ
– W
1
– W
2
)C
2
.t
2
+ D
2

C
n2
θ
2
+ 0.05D
2
.I
2
Biến đổi ta được:
Nhóm : 4 Trang 20
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
W
1
(0.95I
2
–C
1
t
1
+C
2
.t
2
–C
n2
θ
2
) + W
2

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

.t
2
= W
3
.i
3
+ (G
đ
- W)C
3
.t
3
+ D
3
C
n3
θ
3
+ 0.05D
3
.I
3
Ở nồi 3, chú ý: D
3
= W
2
và W = W
1
+ W
2

+ W
3
Biến đổi, ta được:
W
2
(0,95I
3
-C
n3
θ
3
-C
2
.t
2
+i
3
) –W
1
(C
2
.t
2
- i
3
)=G
đ
(C
3
.t

3
- C
2
.t
2
)+W(i
3
-C
3
t
3
) (3)
Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể xem
nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: θ = t
hd
Từ phương trình (2) và (3), với số liệu ở bảng trên, ta tính được:
1,976.10
6
W
1
– 2,293.10
6
W
2
= 9,825.10
8
(2)
2,228.10
6
W

1
+ 4,350.10
6
= 1,579.10
10
(3)
Suy ra : W
1
= 2330,43 (kg/h)
W
2
= 2436,25 (kg/h)
W
3
= 2433,32 (kg/h)
Tính sai số theo công thức : η=
Bảng 1.9
Theo CBVL (kg/h) Theo CBNL (kg/h) Sai số (%)
Nồi 1 (W
1
) 2181,82 2330,43 6,377
Nồi 2 (W
2
) 2400 2436,25 1,488
Nồi 3 (W
3
) 2618,18 2433,32 7,597
Lượng hơi nước vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1:
D
1

(0,95I
1
– C
n1
θ
1
)+ W
1
(C
1
.t
1
– i
1
)) =G
đ
(C
1
.t
1
– C
đ
t
đ
) (1)
t
đ
= t
s2
=108,23

o
C
Nhóm : 4 Trang 21
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
C
đ
= 3767,4 (J/kg.độ)
D
1
= 3371,17 (kg/h)
VI CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH
1) Độ nhớt
Ta sử dụng công thức Paplov:
=const (4.1)
Trong đó: t
1
, t
2
nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng μ
T1
, μ
T2
.
θ
1
, θ
2
là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
 Nồi 1: x

1
= 12,22% , chọn chất chuẩn là nước
 t
1
= 30
o
C ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
1
= 1,1224 g/cm
3
Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :
C
N
= nC
M
= (n.C%.10.d)/M
Trong đó : C% là nồng độ dung dịch Na
2
CO
3
N là tổng điện tích của ion Na
+
trong phân tử.
D là khối lượng riêng của dung dịch Na
2
CO
3
Suy ra: C
N
=2,59 (dlg/l)

Tra toán đồ I.23/103-[1],ta có μ
T1
= 1,64.10
-3
(N.s/m
2
)
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T1
:θ
1
= 0,5
o
C
 t
2
= 40
o
C,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
2
=1,1163 g/cm
3
Suy ra: C
N
=2,54
Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μ
T2
= 1,7.10
-3
(N.s/m

2
)
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T2
:θ
2
= 10
o
C
Nhóm : 4 Trang 22
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
 Suy ra: K = 1,053 .Mà
T
s
là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 1 : T
s
= 127,74
o
C
Suy ra: θ
s
= + 10 = 93,32
o
C
Tra bảng I.104/96-[1],μ
1
= 0,3296.10
-4
(N.s/m

2
)
 Nồi 2:x
1
= 16,18% , chọn chất chuẩn là nước
 t
1
= 30
o
C ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
1
= 1,1650 g/cm
3
Suy ra: C
N
=3,56 (dlg/l)
Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μ
T1
= 1,7.10
-3
(N.s/m
2
)
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T1
:θ
1
= 19,84
o
C

 t
2
= 40
o
C,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
2
=1,1365 g/cm
3
Suy ra: C
N
=3,47(dlg/l)
Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μ
T2
= 1,73.10
-3
(N.s/m
2
)
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T2
:θ
2
= 15,16
o
C
 Suy ra: K = 2,135 .Mà
T
s
là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 2 : T
s

= 110,44
o
C
Suy ra: θ
s
= + 15,16 =48,15
o
C
Tra bảng I.104/96-[1],μ
2
= 0,5962.10
-4
(N.s/m
2
)
 Nồi 3:x
1
= 25% , chọn chất chuẩn là nước
 t
1
= 30
o
C ,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
1
= 1,2203 g/cm
3
Suy ra: C
N
=5,76 (dlg/l)
Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μ

T3
= 4.10
-3
(N.s/m
2
)
Nhóm : 4 Trang 23
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T3
:θ
3
= 24,375
o
C
 t
2
= 40
o
C,tra bảng I.56/45-[1],được khối lượng riêng d
2
=1,1365 g/cm
3
Suy ra: C
N
=5,36 (dlg/l)
Tra toán đồ I.21/102-[1],ta có μ
T2
= 2,9.10

-3
(N.s/m
2
)
 Nhiệt độ của nước ứng với μ
T2
:θ
2
= 21,25
o
C
 Suy ra: K = 3,2 .Mà
T
s
là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 3 : T
s
= 105,47
o
C
Suy ra: θ
s
== 35,7
o
C
Tra bảng I.104/96-[1],μ
3
= 0,712.10
-4
(N.s/m
2

)
2) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Tính theo công thức (I.32/123-[1])
λ= A.C
p
.ρ ,W/m.độ ;
Trong đó: C
P
là nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch (J/kg.độ)
ρ là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m
3
)
M là khối lượng mol của dung dịch (g/mol)
A là hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng;
lấy A = 3,58.10
-8
Trong đó: M = m
i
M
ct
+ (1 – m
i
) M
H2O
Mà : m
i
=
Nhóm : 4 Trang 24
Lớp: DH10H2
Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng

M
ct
= 106 (g/mol) ; M
H20
=18 (g/mol)
 Nồi 1: Với x
1
=12,22% ta tính được
(g)
M
1
= m
1
.M
ct
+ (1- m
1
).M
H2O
= 0,0231. 106 + (1 – 0,0231).18
= 20,033 (g/mol)
λ
1
= 0,619 (W/m.độ)
 Nồi 2:Với x
2
=16,18% ta tính được
M
2
= m

2
.M
ct
+ (1- m
2
).M
H2O
=0,032.106 + (1- 0,032).18
= 20,82 (g/mol)
λ
2
=0,7 (W/m.độ)
 Nồi 3:Với x
3
=25% ta tính được
Nhóm : 4 Trang 25
Lớp: DH10H2