THIẾT kế hệ THỐNG cô đặc nacl HAI nồi NGƯỢC CHIỀU BUỒNG đốt TREO NĂNG SUẤT 10 tấn TRÊN GIỜ

SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
TRƯỜNG ĐẠI HOC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC NaCl HAI NỒI NGƯỢC CHIỀU
BUỒNG ĐỐT TREO NĂNG SUẤT 10 TẤN/GIỜ
GVHD :TS. Lê Thanh Thanh
Lớp : DH11H1
SVTH : Huỳnh Minh Tuân
Dương Hoàng Tuấn
Nguyễn Bình Xuyên
Vũng Tàu, tháng 4 năm 2014
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA HÓA HỌC & CNTP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ
Họ và tên sinh viên : Huỳnh Minh Tuân
Dương Hoàng Tuấn
Nguyễn Bình Xuyên
Lớp: DH11H1
Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
1. Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống cô đặc NaCl hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo năng
suất 10 (tấn/h).
2. Các số liệu ban đầu:
Năng suất nhập liệu : 10 tấn/h
Nồng độ đầu : 10%

Nồng độ cuối : 40%
Áp suất hơi đốt nồi 1 : 4 at
Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ : 0,25 at
3. Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Thanh Thanh
4. Ngày giao nhiệm vụ:
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
Ngày tháng năm 2014
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………
Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014
Người nhận xét
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………
Vũng Tàu, ngày tháng năm 2014

Người nhận xét
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
MỤC LỤC
Trang
LỜI MỞ ĐẦU…………………………………………………………… 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NaCl…………… 2
1.1. Giới thiệu chung 2
1.2. Nguyên liệu 2
1.2.1. Tính chất vật lí 2
1.2.2. Ứng dụng 2
1.3. Những biến đổi trong quá trình cô đặc 2
1.4. Cô đặc 3
1.4.1. Định nghĩa 3
1.4.2. Các phương pháp cô đặc 3
1.4.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 4
1.4.4. Phân loại 4
1.4.5. Hệ thống cô đặc nhiều nồi 5
1.6. Các thiết bị và chi tiết 6
1.7. Yêu cầu thiết bị và năng lượng 6
1.5. Lựa chọn phương án thiết kế 7
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ……………………………… 8
CHƯƠNG 3 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1. Dữ kiện đầu 10
3.2. Cân bằng vật chất 10
3.2.1. Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung
dịch thay đổi từ x
đ
đến x
c
10

3.2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi 10
3.3. Cân bằng năng lượng 11
3.3.1. Xác định áp suất và nhiệt độ 11
a. Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc 11
b. Xác định nhiệt độ trong các nồi 11
3.3.2. Các tổn thất nhiệt độ 12
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra () 12
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tỉnh ( 13
c. Tổn thất nhiệt độ do đường ống () 15
d. Tổn thất do toàn bộ hệ thống () 15
e. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn bộ hệ thống 15
f. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 15
g. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi 16
3.4. Cân bằng nhiệt lượng 16
3.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi 16
3.4.2. Nhiệt lượng riêng 17
3.4.3. Kiểm tra lại lượng phân bố hơi thứ ở các nồi 18
3.5. Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng 18
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT
4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 20
4.1.1.Tính nhiệt lượng đo hơi đốt cung cấp 20
4.1.2. Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi 20
4.2. Diện tịch bề mặt truyền nhiệt 28
4.2.1. Hiệu số hữu ích của mỗi nồi 28
4.2.2. Diện tích bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi 28
CHƯƠNG 5 : TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
5.1 Buồng đốt 30
5.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 30
5.1.2 Đường kính buồng đốt 30

5.1.3. Bề dày của buồng đốt 30
5.1.4 Bề dày đáy buồng đốt 33
5.1.5 Bề dày của vĩ ống 25
5.2 Buồng bốc 35
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
5.2.1 Đường kính đường bốc 35
5.2.2 Chiều cao buồng bốc 36
5.2.3 Bề dày thành buồng bốc 37
5.2.4 Nắp của buồng bốc 39
5.3. Đường kính các ống dẫn 41
5.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt 41
5.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ 41
5.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch 42
5.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 44
CHƯƠNG 6 : TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ
6.1. Bề dày của lớp cách nhiệt 46
6.1.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt ống dẫn 46
a. Ống dẫn hơi đốt 46
b. Ống dẫn hơi thứ 47
c. Ống dẫn dung dịch 47
6.1.2. Bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 48
6.2. Chọn mặt bích 49
6.3. Tính vĩ ống 50
6.4. Tai treo giá đỡ 51
CHƯƠNG 7: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
7.1. Cân bằng vật liệu
7.1.1. Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ
7.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được rút ra khỏi thiết bị
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
7.2. Kích thước thiết bị ngưng tụ .

7.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ
7.2.2. Kích thước tấm ngăn
7.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ
7.2.4. Tính kích thước thiết bị barômét
7.3. Chọn bơm
7.3.1. Bơm chân không
7.3.2. Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ
7.3.3. Bơm dung dịch vào nồi
7.3.4. Bơm dung dịch từ nồi 2 sang nồi 1
7.4. Tính bồn cao vị
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
LỜI MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết
bị phục vụ cho công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên
khối kỹ thuật hóa chất. Từ chọn vật liệu đến kích thước của các thiết bị, phương
án thiết kế…Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều kiện tối ưu và thích hợp
nhất để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế.
Ngày nay, sự phát triển của công nghiệp hóa chất ngày càng mạnh. Vì
thế, nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là
không thể thiếu. Các phương pháp thường được sử dụng là: chưng cất, trích ly,
cô đặc,….Tùy vào đặc tính của hợp chất và mục đích sử dụng mà ta lựa chọn
phương pháp thích hợp. Đối với NaCl ta dùng phương pháp cô đặc để thu được
NaCl có nồng độ và độ tinh khiết cao.
Đồ án môn học “Các Quá Trình và Thiết bị” là một đồ án mang tính tổng
hợp giúp sinh viên tiếp cận với các quá trình tính toán công nghệ và vận dụng
những kiến thức đã học từ các môn như: truyền nhiệt, truyền khối, các quá trình
thiết bị và cơ học. Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến các phần tình toán
thiết bị chính và phụ. Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nội
dung công nghệ.
Đồ án môn học Trang 9

SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC NATRICLORUA (NaCl)
1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của các ngành công nghiệp thì
nhu cầu sử dụng hóa chất ngày càng tăng. Một trong những hóa chất được sản
xuất và sử dụng nhiều là NaCl.
Trong sản xuất NaCl, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng. Nó
đưa dung dịch lên nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết
kiệm chi phí vận chuyển, độ tinh khiết cao và tạo điều kiện cho quá trình kết
tinh nếu cần
1.2. Nguyên liệu
1.2.1. Tính chất vật lí [1,4]
- NaCl là một khối tinh thể màu trắng, tan trong nước phân ly thành ion.
- Là thành phần chính của muối ăn hằng ngày.
- Khối lượng riêng dung dịch 10%: 1073 kg/m
3
.
- Độ nhớt : 1,07.10
-3
Ns/m
2
, ở 20
o
C (dung dịch 10%).
- Độ hòa tan ở 60
0
C: 21,7%, ở 20
0
C: 26,3%.
- Nguyên liệu đem đi cô đặc : NaCl 10% với dung môi nước.

1.2.2. Ứng dụng [2]
- Ngoài công dụng làm gia vị trong nấu ăn, muối ăn còn có nhiều ứng dụng
khác từ sản xuất bột giấy cho đến cố định thuốc nhuộm trong công nghiệp dệt
may và sản xuất vải, sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa.
- NaCl là nguyên liệu để điều chế Na, Cl
2
, HCl, NaOH và hầu hết các hợp
chất khác của natri.
- Muối natri có tính hút ẩm, do đó được sử dụng để bảo quản thực phẩm, nó
làm tăng áp suất thẩm thấu dẫn đến làm cho vi khuẩn mất nước và chết.
1.3. Những biến đổi trong quá trình cô đặc [1,4]
- Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm
biến đổi không ngừng. Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng
dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi.
Đồ án môn học Trang 10
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
- Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt
độ, nhiệt độ sôi.
- Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ
số truyền nhiệt.
∗ Yêu cầu chất lượng sản phẩm:
- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu.
- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi.
1.4. Cô đặc
1.4.1. Định nghĩa [3,134]
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa
chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan;
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể;
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất;

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở
dạng hơi, còn chất tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của chất
tan sẽ tăng dần lên. Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi
thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác.
1.4.2. Các phương pháp cô đặc [1,5]
- Phương pháp nhiệt (đun nóng):
Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của
nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt
thoáng dung dịch. Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi
hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp cùng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp. Đó là
phương pháp cô đặc chân không.
- Phương pháp lạnh:
Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ 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 theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà
quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến
máy lạnh.
Đồ án môn học Trang 11
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
-So sánh 2 phương pháp:
Phương pháp nhiệt Phương pháp lạnh
Cô đặc dung dịch chịu được nhiệt. Cô đặc dung dịch không chịu được
nhiệt.
Sản phẩm dể bị hỏng do nhiệt. Sản phẩm không bị hỏng do nhiệt.
Sản phẩm dể bị thay đổi màu sắc,
đôi khi có mùi.
Sản phẩm không bị thay đổi màu
sắc, không có mùi.
Hiệu suất cô đặc cao. Hiệu suất cô đặc thấp.
Thiết bị đơn giản. Thiết bị phức tạp.

1.4.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt [4]
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là 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. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
1.4.4. Phân loại và ứng dụng [1,5]
a. Phân loại theo cấu tạo
∗ Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên):
Thiết bị dạng này dùng để cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm
bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Thiết bị có buồng đốt trong (đồng trục bốc): có thể có ống tuần hoàn
trong hoặc ngoài.
- Thiết bị có buồng đốt ngoài (không đồng trục bốc).
∗ Dung dịch đối lưu cưỡng bức:
Thiết bị dạng này được dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám
cặn hay kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Thiết bị cô đặc có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
- Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
∗ Dung dịch chảy thành màng mỏng,
Đồ án môn học Trang 12
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt
truyền nhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành
phần của dung dịch.
- Màng dung dịch chảy ngược, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sử
dụng cho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.

- Màng dung dịch chảy xuôi, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng
cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dể vỡ.
b. Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình
- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để năng
suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt
được không cao.
- Cô đặc áp suất chân không (thiết bị kín): dung dịch có nhiệt độ sôi dưới
100
0
C, áp suất chân không, dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước
liên tục. Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi thấp, dể bị
phân hủy vì nhiệt.
- Cô đặc ở áp suất dư dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao
như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá
trình đun nóng khác.
1.4.5. Hệ thống cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi: là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt. Mục đích chính
là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm
hơi. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
Trong thực tế khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng
độ khá đặc thì người ta thường dùng các hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
hay ngược chiều.
-Hệ thống cô đặc xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch chất tan dể
biến tính vì nhiệt độ cao như: dung dịch nước đường hay dung dịch nước trái
cây, thực phẩm,….
- Hệ thống cô đặc ngược chiều thích hợp cho cô đặc các dung dịch vô cơ
không bị biến tính vì nhiệt độ cao.
1.5. Các thiết bị và chi tiết

Đồ án môn học Trang 13
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
∗ Thiết bị chính:
- Ống truyền nhiệt.
- Buồng đốt, buồng bốc, đáy và nắp.
- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, dẫn dung dịch,
- Tai treo.
∗ Thiết bị phụ:
- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước lạnh, bơm chân không,…
- Thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị ngưng tụ baromet.
- Các loại van.
- Thiết bị đo.
1.6. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng
- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm.
- Cường độ truyền nhiệt cao.
- Đơn giản dể sửa chữa, tháo lắp, dể làm sạch bề mặt truyền nhiệt.
- Phân phối hơi đều.
- Xả liên tục ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng.
- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo.
- Tổn thất năng lương do thoát nhiệt nhỏ nhất.
- Thao tác đơn giản, tự động hóa dể dàng.
1.7. Lựa chọn phương án thiết kế [3,149]
Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói
trên đối với đề tài thiết kế hê thống cô đặc NaCl hai nồi ngược chiều buồng đốt
treo nên chúng tôi chọn thiết bị cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo.
Ưu điểm:
- Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi
đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy. Kết quả là hệ số

truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy.
Đồ án môn học Trang 14
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
- Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối nhỏ dẫn đến lượng nước làm ngưng tụ
trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi cuối ít hơn so với cô đặc hai nồi xuôi chiều
nên thiết bị ngưng tụ có kích thước nhỏ hơn so với xuôi chiều.
Nhược điểm:
Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không tự
di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch, làm tăng chi
phí.
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Đồ án môn học Trang 15
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
- Nguyên liệu đầu vào là dung dịch NaCl có nồng độ 10% ở nhiệt độ 30
0
C
được bơm từ bồn chứa (1) lên bồn cao vị (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (4)
vào thiết bị gia nhiệt (5) với suất lượng là 10 tấn/h. Tại đây, nguyên liệu được
gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào.
- Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Thân hình trụ
đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí treo đỉnh hình tam giác đều.
Các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân. Hơi
nước bảo hòa có áp suất 4 (at) đi bên ngoài ống. Dung dịch được bơm vào thiết
bị, đi bên trong ống từ dưới đi lên. Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên bề mặt
của ống, cấp nhiệt cho dung dịch NaCl để nâng cao nhiệt độ của dung dịch đến
nhiệt độ sôi.
-Dung dịch sau khi được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi sẽ đi vào nồi 2 của thiết
bị cô đặc (6) để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi ngựng tụ theo ống dẫn nước
ngưng qua bẩy hơi (12) chảy ra ngoài.

Nguyên lí làm viêc của nồi cô đăc: phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm
các ống truyền nhiệt, được đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa
phòng đốt và vỏ đóng vai trò ống tuần hoàn. Dung dịch đi trong ống,hơi đốt sẽ
đi trong khoảng không gian bên ngoài ống. Hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống
và nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống.
- Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có
khối lượng riêng giảm đi. Dung dịch trong ống truyền nhiệt có khối lượng riêng
nhỏ hơn dung dịch bên ngoài khoảng trống vành khăn nên sẽ bị đẩy lên trên còn
dung dịch trong khoảng trống vành khăn sẽ bị đẩy xuống tạo một dòng chuyển
động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị.
- Sau nhiều lần như vậy hơi nước tách ra khỏi dung dịch càng nhiều thì
nồng độ dung dịch càng tăng. Sau đó, dung dịch ra khỏi nồi 2 được dẫn qua ở
phía dưới và nhờ bơm (15) đưa đến nồi 1. Hơi đốt đi vào ống dẫn hơi đốt với áp
suất 4 (at) rồi phun vào bên ngoài các ống truyền nhiệt. Hơi thứ và khí không
ngưng ở nồi 1 được dẫn vào buồng đốt ở nồi 2. Quá trình cô đặc diễn ra như ở
nồi 2. Dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1 có nồng độ theo yêu cầu là 40%, ra ngoài
và dẫn vào bể chứa sản phẩm (11).
- Hơi thứ của nồi 1 sẽ được đưa vào nồi 2. Còn hơi thứ và khí không ngưng
ở nồi 2 sẽ được hút vào thiết bị ngưng tụ baromet (7).
Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh
là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào
Đồ án môn học Trang 16
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
mâm cuối của thiết bị. Hai dòng lỏng và hơi đi ngược chiều với nhau để nâng
cao hiệu quả truyền nhiệt. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt nên nó sẽ
ngưng tụ thành lỏng rơi trở xuống. Khi ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng thì
thể tích của hơi sẽ giảm làm áp suất giảm. Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên
và được dẫn qua thiết bị tách bọt (8). Bình tách là là một vách ngăn có nhiệm vụ
là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn
chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài.

CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Đồ án môn học Trang 17
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
3.1. Dữ kiện đầu
- Dung dịch NaCl.
- Năng suất nhập liệu : 10 tấn /h.
- Nồng độ dung dịch đầu : 10% Khối lượng (kl).
- Nồng độ dung dịch cuối : 40% Khối lượng (kl).
- Áp suất hơi đốt nồi 1 : 4 (at)
- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ : 0,25 (at)
3.2. Cân bằng vật chất
3.2.1. Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ
dung dịch thay đổi từ x
đ
đến x
c
.
Áp dụng công thức [6,55]
W =

G
đ
.(=10000.(1- = 7500 (kg/h)
Trong đó:
W : lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h);
G
đ
: lượng dung dịch ban đầu (kg/h);
x
đ

, x
c
: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% kl);
3.2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi
Ta có: W= W
1
+ W
2
Trong đó:
W
1
: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 (kg/h);
W
2
: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 (kg/h);
Để đảm bảo việc dùng hơi thứ của nồi trước cho nồi sau thường người ta
phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp.
1,1 1,3
Ta chọn = 1,1
Khi đó ta có hệ phương trình
Giải hệ trên ta có kết quả:
W
1
= 3929 (kg/h)
Đồ án môn học Trang 18
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
W
2
= 3571 (kg/h)
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:[6,57]

x
c1
= = = 40%
- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:[6,57]
x
c2
= = = 16%
Trong đó:
x
c1
, x
c2
: nồng độ cuối của dung dịch ở nồi 1 và nồi 2 (%kl);
W
1
, W
2
: lượng hơi thứ thoát ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h);
3.3. Cân bằng năng lượng
3.3.1. Xác định áp suất và nhiệt độ
a. Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
Gọi:
P
1
, P
2
, P
nt
là áp suất ở nồi 1, nồi 2 và trong thiết bị ngưng tụ (at);
: hiệu số áp suất cho cả hệ thống cô đặc (at);

: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2 (at);
: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ (at);
Ta có: = P
1
- P
nt
= 4 – 0,25 = 3,75 (at)
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: = 1,5
Kết hợp với phương trình: = + = 3,75
Suy ra: = 2,25 (at)
= 1,5 (at)
P
2
= P
1
- = 4 – 2,25 = 1,75 (at)
b. Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi:
t
hd1
, t
hd2
, t
nt
: nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ (
0
C)
t
ht1
, t

ht2
: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 và nồi 2 (
0
C)
Khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2, và hơi thứ đi từ nồi 2 sang thiết bị ngưng
tụ thì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là
”
= 1 1,5
Ta chọn:
”
= 1 (
0
C)
Đồ án môn học Trang 19
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
t
ht1
= t
hd2
+

1
t
ht2
=

t
nt
+ 1
Bảng 3.1. Tóm tắt nhiệt độ, áp suất của các dòng hơi [5,312314]

Loại
Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi đốt 4 142,9 1,75 115,4
0,25 64,5
Hơi thứ 1,81 116,4 0,26 65,5
3.3.2. Các tổn thất nhiệt độ
a. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra ()
- Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi
nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
Áp dụng công thức Tisenco [6,59]
=

0
. f ,
0
C
Với: f = 16,2. [6,59]
Trong đó:
: tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra (
0
C);
0
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển) (
0
C);
t
ht
: nhiệt độ hơi thứ (
0
C);
f : hệ số hiệu chỉnh;
r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg);
Bảng 3.2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra [6,66]
Nồi 1 Nồi 2
Nồng độ dung dịch
(%kl)
40 16
0
(
0
C) 11,04 3,50

Bảng 3.3. Nhiệt hóa hơi phụ thuộc áp suất [5,314]
Nồi 1 Nồi 2
Đồ án môn học Trang 20
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
Áp suất hơi thứ (at) 1,81 0,26
Nhiệt hóa hơi r(J/kg) 2217.10
3
2344.10
3
• Với nồi 1
1
=
01
= 11,04

= 12,23 (
0
C)
• Với nồi 2
2
=
02
= 3,50.
= 2,77 (
0
C)
Vậy tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống gây ra là:
=
1
+

2
= 12,23 + 2,77 = 15 (
0
C)
b. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (
Ta có tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:
= t
tb
– t
0
; [6,60]
Trong đó:
t
tb
: nhiệt độ sôi ứng với áp suất P
tb
(
0
C);
t
0
: nhiệt độ sôi ứng với áp suất P
0
(
0
C);
P
tb
: áp suất thủy tĩnh ở giữa khối chất lỏng cần cô đặc (N/m
2

);
P
0
: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m
2
);
P
tb
= P
0
+ (h
1
+ ) , at; [6,60]
Trong đó:
h
1
: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch (chọn h
1
= 0,5m cho cả 2 nồi);
h
2
: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn h
2
= 1,6m cho cả hai nồi);
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
);
=
g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s

2
);
• Nồi 1: ứng với x
c1
=40%
Đồ án môn học Trang 21
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
t
s1
= 108
0
C (ở áp suất khí quyển) [5,236]
=1254,5 (kg/m
3
) [5,45]
= = = 627,25 (kg/m
3
)

01
= 1,81 (at) (bảng 3.1 trang 12)
Thay số vào ta được:
P
tb1
= P
01
+ (h
1
+ )
= 1,81 + (0,5 + ). .9,81 = 1,89 (at)

• Nồi 2: ứng với x
c2
=16%
t
s2
= 103 (
0
C) [5,236]
= 1068,048 (kg/m
3
) [5,45]
= = = 534,024 (kg/m
3
)
02
= 0,26 (at) (bảng 3.1 trang 12)
P
tb2
= P
02
+ (h
1
+ )
= 0,26 + (0,5 + ).534,024. = 0,33 (at)
Để tính của dung dịch NaCl ứng với P
tb
ta dùng công thức BaBoo:
() = K = const
Với: P là áp suất của dung trên bề mặt thoáng của dung dịch (at);
P

s
: áp suất hơi bão hòa của nước ở áp suất thường (at);
• Nồi 1: Nồng độ dung dịch ở nồi 1: 40%; nhiệt độ sôi t
s1
= 108
0
C cũng tại
nhiệt độ này áp suất hơi bão hòa của nước là: 1,37 (at)
= => = P
 = P
tb1
=> P
s1
= 1,37.1,89 = 2,59 (at)
=> t
tb1
= 127,41
0
C [5,314]
 P = P
01
=> P
0s1
= 1,37.1,81 = 2,48 (at)
=> t
01
= 125,94 (
0
C)
= t

tb1
– t
01
= 127,41 – 125,94 = 1,47 (
0
C)
• Nồi 2: Nồng độ dung dịch ở nồi 2: 16%; nhiệt độ sôi t
s1
= 103
0
C cũng tại
nhiệt độ này áp suất hơi bão hòa của nước là: 1,15 (at)
= => P
s2
= 1,15.P
 = P
tb2
=> P
s2
= 1,15.0,33 = 0,38 (at)
=>
tb2
= 74,06 (
0
C)
 P = P
02
=> P
0s2
= 1,15.0,26 = 0,30 (at)

=> t
02
= 68,70 (
0
C)
= t
tb2
– t
02
= 74,06 – 68,70= 5,36
0
C
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là:
= + = 1,47 + 5,36 = 6,83 (
0
C)
Đồ án môn học Trang 22
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
3.3.2c. Tổn thất nhiệt độ do đường ống ()
Nồi 1: = 1 (
0
C)
Nồi 2: = 1 (
0
C)
=> = + = 1+1 = 2 (
0
C)
3.3.2d. Tổn thất do toàn bộ hệ thống ()
= + +

= 15 + 6,83 + 2
= 23,83 (
0
C)
3.3.2e. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn bộ hệ thống
= t
chung
- = t
hd1
– t
nt
-
= 142,9 – 64,5- 23,83
= 54,57 (
0
C)
3.3.2f. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi.
• Nồi 1:
= t
hd1
– t
ht1
-
= 142,9 – 116,4 – (12,23 + 1,47 + 1)
= 11,8 (
0
C)
• Nồi 2:
= t
hd2

– t
ht2
-
= 115,4 – 65,5 – (2,77+ 5,36 +1)
= 40,8 (
0
C)
3.3.2g. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi
Nồi 1: = t
hd1
– t
stt1
=> t
stt1
= 142,9 – 11,8 = 131,1 (
0
C)
Nồi 2: = t
hd2
– t
stt2
=> t
stt2
= 115,4 - 40,8 = 74,6 (
0
C)
3.4. Cân bằng nhiệt lượng
3.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
- Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:
Do nồng độ của dung dịch là x

đ
= 10% nhỏ hơn 20% nên nhiệt dung riêng
được tính theo công thức:
Đồ án môn học Trang 23
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
C = 4186.(1-x) = 4186.(1-0,1) = 3767,400 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1:
Do nồng độ của dung dịch là x
c1
= 40% lớn hơn 20% nên nhiệt dung
riêng được tính theo công thức:
C = C
ht
.x+4186.(1-x)
C
ht
là nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước)
C
ht
= = 444,44 (J/kg.độ) (tra bảng I.141/trang 152-[5])
=>C
1
= 444,44.0,4 + 4186(1-0,4) = 2689,376 (J/kg.độ)
- Nhiệt dung riêng sau khi ra khỏi nồi 2:
Ta có x
2
= 16% < 20%
=> C
2
= 4186.(1- x

2
) = 4186.(1-0,16) = 3516,240 (J/kg.độ)
Bảng 3.4. Các thông số tính toán
Nồi Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
t (
0
C)
I.10
-3
(K/kg)
C
ng
(J/kg.độ
)
t (
0
C)
i.10
-3
(K/kg)
C(J/kg.độ
)
t
s
(
0
C)
Nồi 1 142,9 2744,06 4294,25 116,4 2705,96 2689,376 117,9
Nồi 2 115,4 2704,56 4242,18 65,5 2618,38 3516,240 70,9
3.4.2. Nhiệt lượng riêng

Gọi:
D
1
, D
2
: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h);
G
đ
, G
c
: lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h);
W, W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h);
I
1
, I
2
: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);
i
1
, i
2
: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);
C
đ
, C
c

: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ);
t
đ
, t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (
0
C);
, : nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (
0
C);
C
ng1,
C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg.độ);
Q
tt1
, Q
tt2
: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (W);
Đồ án môn học Trang 24
SVTH: Nhóm GVHD: T.S Lê Thanh Thanh
• Nhiệt lượng vào gồm có:
 Nồi 1:
- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D
1
I
1
- Nhiệt do dung dịch mang vào: (G

đ
– W
2
).C
2
.t
s2
 Nồi 2:
- Nhiệt do hơi thứ nồi 1 mang vào: D
2
I
2
= W
1
i
1
- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: G
đ
.t
đ
.C
1
• Nhiệt ra bao gồm:
 Nồi 1:
- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W
1
i
1
- Nhiệt do dung dịch mang ra: (G
đ

– W).C
1
.t
s1
- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ: D
1
.C
ng1
.
- Nhiệt do tổn thất chung: Q
tt1
= 0,05D
1
(I
1
– C
ng1
)
 Nồi 2:
- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W
2
i
2
- Nhiệt do dung dịch mang ra: (G
đ
– W
2
).C
2
.t

s2
- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ mang ra: D
2
.C
ng2
.
- Nhiệt do tổn thất chung: Q
tt2
= 0,05D
2
(I
2
– C
ng2
)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ΣNhiệt vào = ΣNhiệt ra
 Nồi 1:
D
1
I
1
+(G
đ
– W
2
).C
2
.t
s2
= W

1
i
1
+ (G
đ
– W).C
1
.t
s1
+ D
1
.C
ng1
. + Q
tt1
 Nồi 2:
D
2
i
2
+ G
đ
.t
s1
.C
1
= W
2
i
2

+ (G
đ
– W
2
).C
2
.t
s2
+ D
2
.C
ng2
. + Q
tt2
Xem nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ đầu của dung
dịch bằng nhiệt độ sôi nồi 2.
• Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1:
=>W
1
=
=
= 3931 (kg/m
3
)
• Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 :
W
2
= W - W
1
= 3569 (kg/h)

3.4.3. Kiểm tra lại lượng phân bố hơi thứ ở các nồi
C%(1) = .100% = 0,051 % < 5%
C%(2) = .100% =0,056 % < 5%
Vậy:
Lượng hơi thứ nồi 1 là: W
1
=3931 (kg/h)
Đồ án môn học Trang 25