Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO3 bằng thiết bị cô đặc loại ống

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
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

BỘ MÔN CN HÓA HỌC VÀ HÓA DẦU

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC
1.

Họ và tên: 1. Ngô Tiến Việt Anh
2. Nguyễn Hoàng Anh
3. Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh

Nhóm 1 - Lớp DH10H1
Môn học: Các quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực phẩm
2.

Đầu đề thiết kế:
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO3 bằng thiết bị cô đặc loại
ống tuần hoàn trung tâm.
3. Dữ kiện ban đầu
- Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 30000kg/h
- Nồng độ đầu: xđ = 8% khối lượng
- Nồng độ cuối: xc = 48% khối lượng
- Áp suất hơi đốt: P1 = 12 at
- Áp suất hơi ngưng tụ baromet: Png = 0,2 at

4.
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
- Sơ đồ dây truyền công nghệ cô đặc và cấu tạo thiết bị chính (kèm bản vẽ mô tả )
- Tính toán bề mặt truyền nhiệt bề mặt truyền nhiệt thiết bị cô đặc
- Tính toán bề dày lớp cách nhiệt
- Tính toán thiệt bị ngưng tụ baromet và bơm chân không
- Tính cơ khí
5.
Bản vẽ
- Sơ đồ dây truyền công nghệ hệ thống cô đặc: khổ A1 ( 1 bản)
- Nồi cô đặc và các chi tiết: khổ A1 (1 bản )
Ngày giao nhiệm vụ: 21/1/2013
Ngày hoàn thành: 29/4/2013
Vũng Tàu, ngày 22 tháng 12 năm 2013
Xác nhận của trưởng khoa

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ

MỤC LỤC


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................................4
CHƯƠNG I............................................................................................................................5
TỔNG QUAN........................................................................................................................5
CHƯƠNG II..........................................................................................................................9
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ.................................................................................................9
II.7.1 Tổn thất nhiệt do nhiệt độ ()..............................................................................15
II.7.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’):.....................................................16

II.7.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’):.........................................................18
II.7.4. Tổn thất do toàn bộ hệ thống:...........................................................................18
II.10.1. Sức căng bề mặt..............................................................................................24
II.10.2. Độ nhớt:..........................................................................................................24
II.10.3. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch:......................................................................26
II.10.4. Hệ số cấp nhiệt:..............................................................................................28
II.10.5. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi:......................................................34
II.10.6 Tính toán bề mặt truyền nhiệt:........................................................................36
III.1.1 Số ống trong buồng đốt:...................................................................................38
III.1.2. Tính thiết bị ống tuần hoàn trung tâm.( tính theo bề mặt trong)....................39
III.1.3. Đường kính trong buồng đốt...........................................................................40
III.1.4. Chiều dày buồng đốt.......................................................................................40
II.1.5. Bề dày đáy buồng đốt:......................................................................................43
III.2.1. Thể tích buồng đốt...........................................................................................45
III.2.2. Chiều cao buồng bốc:......................................................................................45
III.2.3. Bề dày buồng bốc:...........................................................................................46
III.2.4. Bề dày nắp buồng bốc:....................................................................................47
III.4.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt...........................................................................49
III.4.2. Đường kính ống dẫn dung dịch.......................................................................50
III.4.3. Đường kính ống dẫn hơi thứ ra.......................................................................50
III.4.4. Đường kính ống dẫn dung dịch ra..................................................................51
III.4.5. Đường kính ống tháo nước ngưng..................................................................51

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 2


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
III.5.1. Bề dày lớp cách nhiết cho các ống dẫn:..........................................................51

III.5.2. Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị:..........................................................54
IV.1.1. Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ:.............................61
IV.1.2. Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị :.....................................................61
IV.1.3. Đường kính thiết bị ngưng tụ:.........................................................................62
IV.1.4. Kích thước tấm chắn:......................................................................................64
IV.1.5. Chiều cao thiết bị ngưng tụ:............................................................................65
IV.1.6. Kích thước ống baromet:................................................................................66
IV.1.7. Chiều cao ống Baromet :.................................................................................66
IV.2.1. Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet:............................................69
IV.2.2. Bơm dung dịch vào thùng cao vị:...................................................................71
Tài Liệu Tham Khảo...........................................................................................................75

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 3


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do đó ngành
công nghiệp hóa chất cơ bản củng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày
càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình công nghệ luôn được cải tiến và đổi mới để
ngày càng hoàn thiện hơn. Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá
trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất.
Kali nitrat (potassium nitrate) còn có tên gọi khác là diêm sinh với công thức hóa học
KNO3 là một trong những hóa chất thông dụng. Với nhiều ứng dụng thực tiễn, hiện nay
KNO3 được sản xuất với số lượng ngày càng lớn. KNO 3 được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp như phân bón, thực phẩm, thuốc súng … Vậy làm thế nào để thu
được KNO3 có nồng độ cao và tinh khiết. Một trong những phương pháp được sử dụng

hiệu quả để tăng nồng độ KNO 3 là phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm
chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch
KNO3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm.
Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau:
−
−
−
−
−

Chương I: Tổng quan
Chương II: Tính toán công nghệ,
Chương III: Tính và chọn thiết bị chính.
Chương IV: Tính và chọn thiết bị phụ.
Tài liệu tham khảo.

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 4


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
I.
I.1.

TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM

Các tính chất vật lí của KNO3

Bảng 1: Các tính chất vật lí của KNO3
Công thức phân tử

KNO3

Phân tử gam

101,1032 g/mol

Bề ngoài

Tinh thể trong suốt, không màu

Mùi

Chua hay mặn

Tỷ trọng

2,106 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy

3360C (609 K)

Nhiệt độ sôi

4000C ( 673 K)

Độ hòa tan trong nước

32 mg/ 100ml ( 200C)

pH

ca. 7

I.2.

Các ứng dụng của KNO3
− Phân bón: Nitrat kali được sử dụng chủ yếu trong phân bón , như là một
nguồn nitơ và kali - hai trong số những chất dinh dưỡng cho cây trồng.
− Chất oxi hóa: Nitrat kali là một chất oxy hóa hiệu quả, sản xuất ra một
ngọn lửa màu hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali. Đây là một
trong ba thành phần của bột màu đen, cùng với than bột (đáng kể
carbon) và lưu huỳnh. Như vậy nó được sử dụng trong bột màu đen
động cơ tên lửa. Nó cũng được sử dụng trong pháo hoa như bom khói ,
với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat.
− Bảo quản thực phẩm
− Ngoài ra, KNO3 còn có một số ứng dụng khác như: là thành phần hạt
chính vững chắc của aerosol ức chế đặc cháy hệ thống, là thành phần
chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩm loại bỏ gốc cây. Nó

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 5

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
làm tăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc cây bằng cách cung cấp nitơ
cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kim loại như một dung
II.

môi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC
II.1. Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không
bay hơi với mục đích:
− Làm tăng nồng độ chất tan.
− Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh).
− Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi:
− Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi
(cô đặc ở trạng thái hơi).
− Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên
mặt thoáng của dung dịch để làm tăng quá trình bốc hơi.
Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cần
bằng với áp suát 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 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.
II.2. Lựa chọn phương án thiết kế
Có thể sử dụng cô đặc dung dịch bằng một nồi hay nhiều nồi, ở đề tài này, chúng ta chỉ
xét hệ thống cô đặc nhiều nồi. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi
đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc
nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt,

hơi thứ của nồi này đưa vào nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai đưa vào nồi thứ ba… hơi thứ

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 6


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia,
qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên. Điều kiện cần thiết để truyền
nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói
cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm
việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông
thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất
khí quyển.
Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:
− Theo sự bố trí bề mặt đun: 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, hydrocarbon).
− Theo chế độ tuần hoàn: xuôi chiều, chéo chiều, ngược chiều.
− Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn.
Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch KNO 3 này, ta sử dụng hệ thống cô đặc 3
nồi xuôi chiều ( tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm vì những
ưu điểm 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, tức là
áp suất 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 trung tâm 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 1- Lớp DH10H1

Page 7


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
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 giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
II.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hệ thống cô đặc 3 nồi, làm việc xuôi chiều liên tục. Dung dịch đầu KNO 3 8% khối lượng
được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị
(4). Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế (7) chả vão thiết bị gia nhiệt (8). Ở đây, dung
dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, sau đó đi vào nồi cô đặc (1), (2), (3). Tại nồi
cô đặc, dung dịch được đun sôi bằng thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, buồng
đốt trong, trong đó các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn. Dung dịch đi ở
trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch
trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị
đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn trung tâm thể tích theo một đơn
vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít
hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền
nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hoàn tự
nhiên từ dưới lên trên ở ống truyền nhiệt và từ trên xuống dưới ở ống tuần hoán trung
tâm.
Hơi đốt được lấy ra ở nồi hơi (1) cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (3) và nòi cô đặc

(1). Tại nồi 1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệt làm sôi dung dịch, bốc hơi một lượng hơi thứ.
Hơi thứ từ nồi thứ (1) được dung làm hơi đốt cho nồi thứ (2) và tương tự thì hơi thứ nồi
(2) sẽ là hơi đốt cho nồi (3). Hơi thứ từ nồi (3) được ngưng tụ nhờ thiết bị baromet (13)
và được hút chân không nhờ bơm chân không (15). Nước ngưng từ phòng đốt của các nồi
cô đặc đi qua của xả nước ngưng, qua bẫy hơi (5) để chả xuống thùng chứ nước ngưng
(2). Dung dịch từ nồi cô đặc (3) được bơm ly tâm (6) lấy ra cho vào thùng chứa sản
phẩm (18).

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 8


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

CHƯƠNG II

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
I.

ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦU

Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.
Năng suất đầu vào: Gđ = 30000 kg/h
Nồng độ đầu: xđ = 8% ( khối lượng)
Nồng độ cuối: xc = 48% ( khối lượng)
Áp suất hơi đốt nồi 1: Phđ1 = 12at
Áp suất thiết bị ngưng tụ: Png = 0,2at
Dung dịch: KNO3
Phân tử mol: Mpt = 101 kg/kmol

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 9


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
II.

TÍNH TOÁN
II.1. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Gọi: Gđ, Gc là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h
xđ, xc là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng
W

là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h

Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
Gđ = G c + W
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố:
Gđ.xđ = Gcxc + W xw
Ở đây ta coi quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo lượng hơi
bốc ra nên ta có:
Gđ xđ = Gc xc
Từ (1) và (2) ta có :
W = Gđ (1 – xđ/xc)

(VI.1/55 – [II])

Theo số liệu đề tài ta có lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống là :

W = 30000 (1 – 8/48) = 25000 (kg/h)
II.2. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi :
Gọi

W1, W2, W3

là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h.

Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W1 : W2 :W3 = 1 : 1,1 : 1,2
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi:
Nồi 1:

W1 =

Nhóm 1- Lớp DH10H1

∑W
3,3

=

25000
= 7575,76kg / h
3,3

Page 10


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
Nồi 2:

W2 = 1,1.

Nồi 3:

W3 = 1,2.

∑W
3,3

∑W

= 1,1.

= 1,2

3,3

25000
= 8333,33(kg / h)
3,3

25000
= 9090,91(kg / h)
3,3

II.3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi:
Áp dụng công thức VI.2/ 57- [II], ta có

xi =

Gđ

xđ
3

Gđ −∑W i

, % khối lượng

i =1

Với xi là nồng độ dung dịch tại nồi I
Vậy:
Nồng độ của nồi 1:
x1 = Gđ

xđ
Gđ −W 1

=30000
= 10,70 (% khối lượng)
Nồng độ của nồi 2:
x2 = Gđ

xđ
Gđ −W 1−W2

=30000
= 17,03 (% khối lượng)

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 11


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
Nồng độ của nồi 3:
x3 = Gđ

xđ
Gđ −W 1−W2 − W3

=

30000

= 48 (%khối lượng)
II.4. Tính chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống
Ta có: ∆P = Phđ1 – Png (at)


∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at)
II.5. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi

Giả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt các nồi là: ∆P1 : ∆P2 : ∆P3 = 4,183 : 2,043 : 1
Và ta có: ∆ P = ∆ P1+ ∆ P2+ ∆ P3 = 11,8 at
⇒∆

⇒∆

⇒∆

P3 =

= 1,633 at

P2 =

= 3,336 at

P1 =

= 6,831 at

Mà ta có:
Phđ1 = 12 at
∆ P1 = Phđ1 - Phđ2 => Phđ2 = Phđ1 - ∆ P1 = 12 – 6,831 =5,169 at

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 12


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
∆ P2 = Phđ2 - Phđ3 => Phđ3 = Phđ2 - ∆ P2 = 5,169 – 3,336 = 1,833 at

Gọi: Thđi là nhiệt độ của hơi đốt nồi thứ i
ihđi là nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi thứ i
rhđi là nhiệt hóa hơi

tương ứng với áp suất hơi đốt Phđi

Theo bảng 57/46 – [III], ta có bảng số liệu sau:
Bảng 2: Các thông số của hơi đốt
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Phđ (at)

12

5,169

1,833

Thđ (0C)

187,1

152,366

116,845

ihđ (kJ/kg)

2790

2756,366

2769,165

rhđ (kJ/kg)

1995

2113,282

2215,515

Với thiết bị ngưng tụ baromet Png = 0,2 at => Tng = 59,70C
II.6. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ mỗi nồi
Gọi

là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống.

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 13


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
Chọn ∆1 = ∆2 = ∆3 = 10C
Gọi thti là nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i, 0C
Áp dụng công thức: thti = Thđi +
Nhiệt độ hơi thứ nồi sau = nhiệt độ hơi đốt nồi trước – 10C
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối = nhiệt độ thiết bị baromet + 10C
Vậy từ những dữ kiện trên, ta có:

tht1 = Thđ2 + 1 = 152,213 + 1 = 153,2130C
tht2 = Thđ3 + 1 = 116,845 + 1 = 117,8450C
tht3 = Tng + 1 = 59,7 + 1 = 60,70C
Gọi: phti là nhiệt độ của hơi thứ nồi thứ i
ihti là nhiệt lượng riêng hơi thứ i
rhti là nhiệt hóa hơi
tương ứng với áp suất hơi đốt thti
Theo bảng 57/46 – [III], ta có bảng số liệu sau:
Bảng 3: Các thông số của hơi thứ
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Tht (0C)

153,213

117,845

60,7

Pht (at)

5,302

1,894

0,206

iht (kJ/kg)

2758,226

2709,468

2608,444

rht (kJ/kg)

2110,359

2212,786

2355,556

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 14


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
II.7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi
Tổn thất nhiệt cho từng nồi gồm:
 Tổn thất nhiệt do nồng độ
 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
II.7.1 Tổn thất nhiệt do nhiệt độ ( )
Ta sử dụng công thức Tisencô:

Δ’ = Δ0’.f

(VI.10/59 –[II])

Trong đó Δ’0 – 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. T2/r

(VI.11/59 – [II])

Trong đó : T là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, 0K;
r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm
việc,J/kg.
Dựa vào bảng (VI.2/63 – [II]) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’0 theo nồng độ a (%
khối lượng)
Bảng 4: Tổn thất nhiệt do nhiệt độ
Nồi1

Nồi 2

Nồi 3

Nồng độ của dung dịch (% kl)

10.70

17.03

48.00

Δ’0 (0C)

0,970

1,653

5,75

Vậy: Δ’1 = Δ’0.16,2

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 15


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

= 0,97 . 16,2.
= 1,3530C
Tương tự ta có
Δ’2 = 1,8490C
Δ’3 = 4,4040C
II.7.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’):
Theo CT VI.12/60 – [II] ta có:
h 

Ptb = P o + h1 + 2  ρ dds .g (N/m2)
2


Có 1at = 9,81.104 N/m2
Đổi công thức theo đơn vị at
h ρ

Ptb = P o + h1 + 2  dd .10 − 4 at
2 2


Với:
–

Polà áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.

–

h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch, chọn ∆ h=0,5 cho cả 3 nồi.

–

h2 là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi.

–

g là gia tốc trọng trường, =9,81 m/s2.

–

ρ dds là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3
ρ dds =

Nhóm 1- Lớp DH10H1

ρ dd
2

Page 16


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở
nhiệt độ 200C.
xdd1 = 10,7% => ρdd1 = 1059,03 kg/m3
xdd2 = 17,03% => ρdd2 = 1110,92 kg/m3
xdd3 = 48% => ρdd3 = 1502,86 kg/m3
Từ đó, ta có
h ρ

Ptb1 = P ht1 + h1 + 2  dd 1 .10 − 4
2 2

4  1059,03

Ptb1 = 5,302 0 C +  0,5 + 
.10 −4
2 
2


Ptb1 = 5,434 at

Tương tự, ta có Ptb2 = 2,033 at và Ptb3 = 0,394 at
Với Ptbi ta có ttbi là nhiệt độ sôi ứng với Ptbi
Ptb1 = 5,434 at => ttb1 = 154,1380C
Ptb2 = 2,033 at => ttb2 = 120,03890C
Ptb3 = 0,394 at => ttb3 = 74,9980C
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh tăng cao:

= ttbi - thti

= ttb1 - tht1 = 154,138 – 153,213 = 0,9250C
= ttb2 - tht2 = 120,0359 – 117,845 = 2,19390C
= ttb3 - tht3 = 71,998 – 60,7 = 14,2980C

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 17


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
II.7.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’):
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là ∆ ' ' ' = 1÷ 1,50C
"'
"'
'"
o
Chọn tổn thất = 10C => ∆ 1 = ∆ 2 = ∆ 3 = 1 C

"'
"'
'"

o
 ∆ ' ' ' = ∆1 + ∆ 2 + ∆ 3 = 3 C

II.7.4. Tổn thất do toàn bộ hệ thống:

II.8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn hệ thống
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình dung dịch:
∆Ti = Thđi – tsi , 0C
Với tsi là nhiệt độ sôi của dung dịch tại nổi thứ i
tsi = thti +

+

Vậy ta có:
ts1 = tht1 +

+

= 153,213 + 1,353 + 0,925 = 155,4910C

Tương tự, ta có: ts2 = 121,88790C , ts3 = 79,4020C
=> Hiệu số nhiệt hữu ích :

∆T1 = Thđ1 – ts1 = 187,1 – 155,491 = 31,6090C
∆T2 = Thđ2 – ts2 = 152,213 – 121,8879 = 30,32510C
∆T3 = Thđ3 – ts3 = 116,845 – 79,402 = 37,4430C
Bảng 5: Hiệu số nhiệt hữu ích
Nồi

∆’, 0C

∆’’, 0C

∆’’’, 0C

∆T, 0C

ts, 0C

1

1,353

0,925

1

31,609

155,491

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 18


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

2

1,849

2,1939

1

30,3251

121,8879

3

4,404

14,,298

1

37,443

79,402

II.9. Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Gọi:
D1, D2, D3 là lượng hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h.
W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J/kg.độ.
tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch, 0C.

ts1, ts1, ts1 nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3, 0C.

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 19


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
ihđ1, ihđ2, ihđ3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
iht1, iht2, iht3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3,J/kg.
C1, C2, C3 nhiệt dung riêng của dung dịch nồi 1,2,3, J/kg.độ
Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ.
θ1 θ2 θ3 nhiệt nước của ngưng nồi 1,2,3, 0C.
Qtt1, Qtt2, Qtt3 nhiệt tổn thất ra môi trường sung quanh, J
Theo phương trình cân bằng nhiệt, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra:
Nhiệt lượng vào:
Nồi 1:
- Do dung dịch đầu: Gđ.Cđ.tđ
- Do hơi đốt: D1.ihđ1
Nồi 2:
- Do hơi đốt mang vào: D2.ihđ2
- Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ – W1).C1.ts1
Nồi 3:
- Do hơi đốt mang vào : D3.ihđ3
- Do dung dịch nồi 2 mang vào: (Gđ – W1 –W2).C2.ts2
Nhiệt lựợng ra:
Nồi 1:
-

Do hơi đốt mang ra: W1.iht1

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 20


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
-

Do dung dịch mang ra: (Gđ – W1).C1.ts1

-

Do nước ngưng mang ra: D1.Cn1 .θ1

-

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt1 = 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1)

Nồi 2:
-

Do hơi thứ mang ra: W2.iht2

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2).C2.ts2

-

Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.θ2

-

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2)

Nồi 3:
-

Do hơi thứ mang ra: W3.iht3

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3

-

Do nước ngưng mang ra: D3.Cn3.θ3

-

Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0,05.D3.(ihđ3 – Cn3 θ3)

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
ΣQvào = ΣQra
Nồi 1:
GđCđtđ + D1.ihđ1 = W1.iht1 + (Gđ – W1).C1.ts1+ D1.Cn1 .θ1+ 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1) (1)
Nồi 2:
D2.ihđ2 + (Gđ – W1).C1.ts1 = W2.iht2 + (Gđ –W1 –W2).C2.ts2 + D2Cn2 θ2 + 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2)

(2)
Nồi 3:
D3.ihđ3 + (Gđ – W1 –W2).C2.ts2 = W3.iht3 + (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3 + D3Cn3θ3+ 0,05.D3.(ihđ3 –
Cn3 θ3) (3)

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 21


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục


Tính C1, C2, C3

Công thức tính C với dung dịch loãng có x < 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[I]
→ Co = 4186(1 −

x
) J/kg.độ
100

Dung dịch đặc có x > 20% nên áp dụng CT I.44/152 – [I]
→ Co = C ht .

x
x J/kg.độ
+ 4186(1 −
)
100

100

Với Cht được tính theo công thức I.41/152- [I]
M ct .C ht = nK .C K + n N .C N + nO .CO

Trong đó: Chất hòa tan KNO3 có:
M = 101 kg/kmol
nK, nN, nO:

là số nguyên tử K, N, O trong hợp chất.

CK, CN, CO:

là nhiệt dung riêng của các nguyên tố K, N, O và

CK = 26000J/kg.độ

CN = 26000J/kg.độ

CO =16800J/kg.độ

→ Cht =

1
( nK .C K + nN .C N + nO .CO )
M

→ C ht =

1

(1.26000 + 1.26000 + 3.16800) = 1013,864 J/kg.độ
101

Vậy, với dung dịch đầu, xđ = 8% < 20%, ta có:
→ C đ = 4186.(1 −

8
) = 3851,129 J/kg.độ
100

Với dung dịch 1, có xdd1 = 10,7 % < 20%

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 22


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
→ C1 = 4186.(1 −

10,7
) = 3738,098 J/kg.độ
100

Với dung dịch 2, có xdd2 = 17,03% < 20%
→ C 2 = 4186.(1 −

17,03
) = 3473,124 J/kg.độ
100

Với dung dịch 3, có xdd3 = 48% > 20%
→ C3 = 1013,861.



48
48
+ 4186(1 −
) = 2663,373 J/kg.độ
100
100

Tính Qtt lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn bốc hơi ở từng nồi:
Ta có: θ =thđ; D2 = W1; D3 = W2; W= W1+W2+W3
D1.Cn1 .θ1 = D1.il1
D2Cn2 θ2 = D2.il2 = W1.il2
D3Cn3 θ3 = D3.il3 = W2.il3

Với ili là nhiệt lượng riêng của nức ngưng nồi 1,2,3
Theo Bảng 57/46- [III], ra có:
Phđ1 = 12 at  il1 = 759,3 kJ/kg
Phđ2 = 5,169 at  il1 = 642,8 kJ/kg
Phđ3 = 1,833 at  il3 = 486,7 kJ/kg
 Qtt1 = 0,05.D1.(ihđ1- Cn1 θ1) = 0,05.D1( ihđ1 – il1), J
 Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2) = 0,05.W1( ihđ2- il2), J
 Qtt3 = 0,05.D3.(ihđ3 – Cn3.θ3) = 0,05.W2( ihđ3- il3), J
Thay các dữ kiện trên vào phương trình (1), (2), (3), với các ẩn là W 1, W2, W3, D1 ta có
kết quả như bảng sau:
Bảng 6: Kết quả tính toán của phương trình cân bằng nhiệt lượng

Nồi

1

C

il

θ

W ( kg/h)

(J/kg.độ)

(kJ/kg)

(0C)

Giả thiết

Tính toán

%

7575,76

7634,362

0,771

3738,098 795,3

Nhóm 1- Lớp DH10H1

187,1

Sai số

Page 23


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục

2

3473,124 642,8

152,213

8333,33

8573,708

2,885

3

2663,373 486,7

116,845

9090,91

8791,930

3,289

Sai số:

. 100%

%Wi =

Nhận thấy sai số < 5% => giả thiết đưa ra là phù hợp.
Và có D1 = 11161,399 kg/h.
II.10. Các thông số kĩ thuật chính
II.10.1. Sức căng bề mặt
Theo I.245/305 – [I], ta có sức căng bề mặt của dung dịch như sau:
xdd1 = 10,7%  σ1 = 73,698.10-3 N/m
xdd2 = 17,07%  σ2 = 74,5848.10-3 N/m
xdd3 = 48%  σ3 = 79,253.10-3 N/m
II.10.2. Độ nhớt:
Ta sử dụng công thức Paplov:
t µ1 − t µ 2

θ µ1 − θ µ 2

= k =const

(I.17/85 - [I])

Trong đó: tµ1, tµ2 nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng µ1 , µ 2 .

θ µ 1 ,θ µ 2 là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nồi 1: x1= 10,7 %, chọn chất chuẩn là nước
tµ1 = 200C ta có µ1 = 0,9714. 10-3 (N.s/m2)

Nhóm 1- Lớp DH10H1

(I.107/101 – [I])

Page 24


Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục
⇒ θ µ1 = 21,22280C

(I.102/94 – [I])

tµ2 = 300C ta có µ 2 = 0,8. 10-3 (N.s/m2)

(I.107/101 – [I])

θ µ 2 = 300C

⇒

(I.102/94 – [I])
t µ1 − t µ 2

Nên ta có ⇒

k=

Từ đó ta có :

θµ =

θ µ1 − θ µ 2

=

20 − 30
= 1,139
21,2228 − 30

t s1 −t µ2
k

+θµ2

Có được θµ ta tra bảng I.110/108 – [I] ta biết được μ
Và:

ts1 = 155,491 0C
θµ =

155,491 − 30
+ 30 = 140,176 0 C
1,139

Vậy µ dd 1 = 0,196.10-3 (Ns/m2)
Nồi 2: x2 = 17,03%, chọn chất chuẩn là nước
tµ1 = 200C ta có µ1 = 0,9922. 10-3 (N.s/m2)
⇒ θ µ1 = 21,66650C

(I.107/101 – [I])
(I.102/94 – [I])

tµ2 = 300C ta có µ 2 = 0,8041.10-3 (N.s/m2)
⇒

θ µ 2 = 29,80350C
Nên ta có ⇒

Và

t µ1 − t µ 2

θ µ1 − θ µ 2

(I.107/101 – [I])
(I.102/94 – [I])

=

20 − 30
= 1,1,229
21,6665 − 29,8035

ts2 = 121,88790C

Nhóm 1- Lớp DH10H1

Page 25