cô đặc NaOH hai nồi ngược chiều có buồng đốt ngoài thẳng đứng

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
Bộ môn: Quá trình và Thiết bị

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------o0o----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Môn học: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ - MSMH: 605040
Họ và tên sinh viên:
Ngành:

Trần Trọng Thiện
Kỹ thuật Hóa vô cơ

MSSV: 61203593.
Lớp: HC12VS.

1. Đầu đề đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc xút hai nôi ngược chiều bằng buồng
đốt ngoài thẳng đứng.
2. Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu):
 Năng suất: 4000 kg/h
 Nồng độ NaOH ban đầu: 13%
 Nồng độ NaOH sau khi cô đặc: 40%
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Tổng quan


Quy trình Công nghệ

Tính toán Công nghệ

Tính toán cơ khí

Tính toán thiết bị phụ

Kết luận

Tài liệu tham khảo
4. Các bản vẽ và đồ thị (loại và kích thước bản vẽ):
1 bản vẽ thiết bị chính (A1)
1 bản vẽ qui trình công nghệ (A1)
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày hoàn thành đồ án:
7. Ngày bảo vệ hay chấm:
Chủ nhiệm bộ môn
(kí và ghi rõ họ tên)

Ngày 25 tháng 12 năm 2015
Người hướng dẫn
(kí và ghi rõ họ tên)

Trịnh Văn Dũng
Trịnh Văn Dũng

1

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 5
1.1 Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH) ..................................................................... 5
1.1.1. Tính chất vật lí và hóa học của NaOH ..................................................................... 5
1.1.2. Điều chế và ứng dụng ............................................................................................... 5
1.2. Sơ lược về quá trình cô đặc ............................................................................................. 5
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ............................................................................... 7
2.1. Tính cân bằng vật chất ..................................................................................................... 7
2.2. Cân bằng năng lượng ....................................................................................................... 8
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi ................................................................. 8
2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ ........................................................................................ 8
2.2.3. Nhiệt dung riêng C(J/kg.độ) ................................................................................... 11
2.2.4. Tính bề mặt truyền nhiệt......................................................................................... 12
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ....................................................................................... 17
3.1. Buồng đốt ...................................................................................................................... 17
3.1.1. Tính số ống truyền nhiệt ......................................................................................... 17
3.1.2. Đường kính thiết bị buồng đốt................................................................................ 17
3.1.3. Bề dày buồng đốt .................................................................................................... 17
3.1.4. Bề dày đáy và nắp buồng đốt ................................................................................. 19
3.2. Buồng bốc ...................................................................................................................... 20
3.2.1. Đường kính buồng bốc ........................................................................................... 20
3.2.2. Chiều cao buồng bốc: ............................................................................................. 20
3.2.3. Bề dày buồng bốc ................................................................................................... 21
3.2.4. Bề dày nắp buồng bốc ............................................................................................ 22
3.2.5. Bề dày đáy buồng bốc ............................................................................................ 24
3.3. Đường kính các ống dẫn ................................................................................................ 25
3.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt ................................................................................... 26

3.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ................................................................................... 26
3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch .............................................................................. 26
3.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng .......................................................................... 27
3.3.5. Đường kính ống tuần hoàn ngoài ........................................................................... 28
3.3.6. Bề dày vỉ ống .......................................................................................................... 28
3.3.7. Bề dày lớp cách nhiệt ............................................................................................. 29
3.4. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị .................................................................. 30
3.5. Chọn mặt bích................................................................................................................ 31
3.5.1. Buồng đốt ............................................................................................................... 31
3.5.2. Buồng bốc ............................................................................................................... 31
3.6. Chọn tai treo buồng đốt ................................................................................................. 32
2


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
3.6.1. Khối lượng thân thiết bị .......................................................................................... 32
3.6.2. Khối lượng đáy và nắp thiết bị ............................................................................... 33
3.6.3. Khối lượng lớp cách nhiệt ...................................................................................... 33
3.6.4. Khối lượng cột chất lỏng ........................................................................................ 33
3.6.5. Khối lượng bích ...................................................................................................... 33
3.6.6. Khối lượng ống truyền nhiệt................................................................................... 34
3.6.7. Khối lượng vĩ ống ................................................................................................... 34
3.7. Chọn chân đỡ buồng bốc ............................................................................................... 35
3.7.1. Khối lượng thân thiết bị .......................................................................................... 35
3.7.2. Khối lượng nắp thiết bị ........................................................................................... 35
3.7.3. Khối lượng đáy thiết bị ........................................................................................... 35
3.7.4. Khối lượng lớp cách nhiệt ...................................................................................... 35
3.7.5. Khối lượng cột hơi .................................................................................................. 35
3.7.6. Khối lượng bích ...................................................................................................... 36
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHỤ ................................................................................................ 37

4.1. Cân bằng vật chất .......................................................................................................... 37
4.1.1. Lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ ....................................... 37
4.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút khỏi thiết bị ............................. 37
4.2. Kích thước thiết bị ngưng tụ .......................................................................................... 38
4.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ ................................................................................ 38
4.2.2. Kích thước tấm ngăn .............................................................................................. 38
4.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ..................................................................................... 39
4.2.4. Kích thước ống Baromet ........................................................................................ 39
4.3. Chọn bơm ...................................................................................................................... 41
4.3.1. Bơm chân không ..................................................................................................... 41
4.3.2. Bơm dung dịch ....................................................................................................... 42
4.4. Xác định chiều cao thùng cao vị .................................................................................... 48
4.5. Kính quan sát ................................................................................................................. 49
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN........................................................................................................ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 51

3


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

LỜI NÓI ĐẦU
Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là
cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học. Bên
cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế,
lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng.
Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc xút hai nồi ngược chiều bằng buồng đốt ngoài thẳng đứng là
đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của Thầy Trịnh Văn Dũng, bộ môn Quá trình
và Thiết bị - khoa Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Em
xin chân thành cảm ơn Thầy Trịnh Văn Dũng cũng như các thầy cô của bộ môn Quá trình và

Thiết bị đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.
Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một sinh viên đảm nhận nên còn nhiều
thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện. Vì lý do đó, em rất mong nhận được thêm nhiều
sự góp ý, chỉ dẫn từ các thầy cô để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn.
Em xin chân thành cảm ơn.

4


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH)
1.1.1. Tính chất vật lí và hóa học của NaOH
Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi. Dễ tan trong
nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.
NaOH có trọng lượng riêng 2,02. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ± 0,9oC.
Nhiệt độ sôi 1388oC. Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa và biến thành
Na2CO3.
NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao; trong quá trình
sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, NaOH có tính
hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh.
1.1.2. Điều chế và ứng dụng
Trong phòng thí nghiệm:
2Na +2H2O --> 2NaOH + H2
2NaO + H2O --> 2NaOH
Trong công nghiệp:
Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch
natri cacbonat loãng và nóng:
Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3

Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa:
2NaCl + 2H2O

dòng điện

Cl2 + H2 + 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơ nhân tạo,
tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm, làm
khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm hóa học
1.2. Sơ lược về quá trình cô đặc
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.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp
suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết
bị cô đặc.
1.2.1. Lựa chọn thiết bị
Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục, có buồng đốt
ngoài đối lưu tự nhiên.

5


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Thiết bị cô đặc có cấu tạo khá phức tạp, khó vệ sinh và sửa chữa. Tuy nhiên, nó có ưu
điểm là giảm bớt khoảng cách theo chiều cao giữa buồng đốt và không gian bốc hơi, có thể điều
chỉnh được sự tuần hoàn. Một không gian hơi có thể nối với hai hoặc nhiều buồng đốt và như

vậy có thể luân phiên nhau sửa chữa buồng đốt mà không phải ngừng sản xuất. Ngoài ra có thể
hoàn toàn tách hết bọt vì buồng đốt cách xa không gian hơi.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ sôi của
dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất tan.
1.2.2. Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ
Dung dịch ban đầu trong thùng chứa (13) được bơm ly tâm (14) bơm lên thùng cao vị (1)
qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt (2). Tại thiết
bị gia nhiệt (2) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 2. Dung dịch sau đó được đưa
vào buồng đốt ngoài (5) của nồi 2. Tại nồi 2 dung dịch NaOH bốc hơi một phần tại buồng bốc
(4), hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ (6), được ngưng tụ còn lượng khí không ngưng còn
lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt (7). Còn sản phẩm được
bơm vào nồi 1 để tiếp tục quá trình cô đặc, khi đến nồng độ yêu cầu thì được đưa ra ngoài vào
bể chứa sản phẩm (11) Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2 thì hơi đốt chính
là hơi thứ của nồi 1.

6


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
2.1. Tính cân bằng vật chất
Thông số và số liệu ban đầu:
- Nồng độ dung dịch đầu: 13%
- Nồng độ dung dịch cuối: 40%
- Năng suất ban đầu của dung dịch: 4000 kg/h
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn hệ thống:
Gđ = Gc+ W
Trong đó:

Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
W: lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (công thức VI.1; STQTTB T2/ 55)
13
x
W = Gđ - Gc = Gd(1- d ) = 4000.(1  ) = 2700 (kg/h)
40
xc
Trong đó:

xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối lượng)

Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi
Ta có: W= W1+ W2 = 2700 (kg/h)
Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là :

W1
 1,1
W2

Khi đó ta có hệ phương trình:

Giải hệ trên ta có kết quả:

W1 = 1414,3 kg/h
W2 = 1285,7 kg/h

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
X1=

Gd X d
= 40%
Gd  (W1  W2 )

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2:
X2=

Gd X d
= 20,11%
Gd  W1

Trong đó:
X1, X2: nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi (% khối lượng)
W1, W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi (kg/h)
Gd : lượng dung dịch đầu (kg/h)
Xd: nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng)

7


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
2.2. Cân bằng năng lượng
2.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi
Gọi P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.
P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.
Pt: hiệu số áp suất của cả hệ thống.
Giả sử chọn: Áp suất của hơi đốt vào nồi 1: P1=4 at
Áp suất của thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt= 0,2 at
Khi đó hệ số áp suất cho cả hệ thống cô đặc là:

∆Pt = P1-Pnt= 4- 0,2 = 3,8 at
P1
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:
=5
P2
Kết hợp với phương trình ∆P1+∆P2= ∆Pt= 3,8 at
∆P1= 3,167 at
∆P2= 0.633 at
=> P2= P1- ∆P1= 4- 3.167= 0.833 at
Xác định nhiệt độ trong mỗi nồi
Suy ra:

Gọi: thd1, thd2, tnt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
Giả sử tổn thất nhiệt độ trên đường ống từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C
tht1= thd2+ 1
tht2= tnt+ 1
Tra bảng :

I. 250, STQTTB, T1/ 312 vàI.251, STQTTB, T1/ 314.

Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi.
Nồi 1

Thiết bị ngưng tụ

Nồi 2

Áp suất

Nhiệt độ

Áp suất

Nhiệt độ

Áp suất

Nhiệt độ

(at)

(oC)

(at)

(oC)

(at)

(oC)

Hơi đốt

4

142,9

0,833

94,506

Hơi thứ

0,864

95,056

0,211

60,7

0,2

59,7

Loại

2.2.2. Xác định tổn thất nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do đường ống, tổn thất do áp suất
thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.2.2.1. Tổn thất nhiệt 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 nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt do
nồng độ gây ra. Ta có: ∆'= t0sdd- t0sdmnc (ở cùng áp suất)
Áp dụng công thức Tisenco: '= 'o. F
8

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
2
Với f =16,2  T s
r

Trong đó 'o : tổn thất nhiệt độ do tsdd > tsdm ở áp suất thường
f: hệ số hiệu chỉnh
Ts : là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK).
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/ 67 và I.251, STQTTB, T1/ 314
Nồi 1

Nồi 2

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)

40

20,11

'o (oC)

28

8,52

Áp suất hơi thứ (at)

0,864

0,211

Nhiệt hóa hơi r (J/kg)

2272,86.103

2355,57.103

(95, 056  273)2
(Ts  273)2
Nồi 1: ∆'1= ∆'0  16,2 
= 28 16, 2 
= 27,040C
3
r1
2272,86.10
Nồi 2: ∆'2= ∆'0  16,2 

(60,7  273) 2
(73,72  273) 2
= 8,52 16, 2 
= 6,520C
r2
2355, 57.103

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
∆'= ∆'1+∆'2= 27,04+ 6,52 = 30,560C
2.2.2.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ):
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh  "(tổn thất nhiệt độ
do áp suất thủy tĩnh tăng cao):

Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
h
Ptb  P0  (h1  2 ) dds g (N/m2)
2
h2


 (h1  2 ) dds g 
Hay Ptb  P0  
 (at)
4
9,81.10




Trong đó:
P0 : áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2)
h1 : chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung
dịch (m)
h2 : chiều cao ống truyền nhiệt (m)
 dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)
g :gia tốc trọng trường (m/s2), g=9,81 m/s2
Vậy ta có:
 " = ttb – t0 , độ;
Ở đây: ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C;
t0 - nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p0, 0C.

9

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Bảng 2.4: Tra bảng I.22 STQTTB T1/34
Nồi i
1
2
Hơi đốt

x%
40
20,11

p0(at)
0,864
0,211
4

to(0C)
95,056
60,7
142,9

ρdd
1378,5
1195,5

ρdds
689,25
597,75

Chọn h1= 1 m (cho cả 2 nồi), h2= 3 m (cho cả 2 nồi)
Áp suất thủy tĩnh của từng nồi:
Nồi 1:
h2


3


 (h1  2 ) dds1 g  = 0.864 +  (1  )  689, 25  9,81g  = 1,036 at
2
Ptb1  P0  

4


9,81.104
 9,81.10








 t0tb1= 100,19 0C (Tra STQTTB T1/311.)  ∆"1= t0tb1- t0s= 100,19 - 95,056 = 5,134 0C
Nồi 2:
h2



 (h1  2 ) dds 2 g 
Ptb 2  P0  
 = 0,36 at
4
9,81.10





 t0tb2=72,95 0C (Tra STQTTB T1/311.)  ∆"2= t0tb2- t0s2= 72,95- 60,7= 12,250C
Vậy tổng tổn thất do áp suất thủy tĩnh:
∆"= ∆"1+∆"2= 5,134 + 12,25= 17,3840C
2.2.2.3. Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:
Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 10C.
Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra cho cả hệ thống: ∆"' = 20C
2.2.2.4. Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống:
∑∆= ∆'+∆"+∆"' = 30,56 + 17,384 + 2 = 52,9440C
2.2.2.5. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và cả hệ thống:
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
∆ti1= thd1- thd2 - ∑∆1 = 142,9- 94,056-(27,04+ 5,134 + 1)= 15,6750C
Nồi 2:
∆ti2= thd2- tnt- ∑∆2 = 95,056- 60,7- (6,52+ 12,25+ 1)= 12,5810C
Nhiệt độ sôi thực tế:
Nồi 1:
∆ti1= thd1- ts1  ts1= thd1 - ∆ti1= 142,9- 15,675= 127,2250C
Nồi 2:

∆ti2=thd2- ts2  ts2= thd2- ∆ti2= 94,056- 12,581= 79,4750C
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống:
∆hi= thd1- tnt- ∑∆= 142,9-60,7- 52,944= 30,256 0C

10


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
2.2.3. Nhiệt dung riêng C(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức I.43;
STQTTB T1/ 152 :

C= 4186.(1-x) ( J/kg.độ)
x là nồng độ chất tan (% khối lượng)

Nhiệt dung riêng đầu có nồng độ xđ= 13%
Cd= 4186.(1-0,13)= 3641.82 J/kg.độ
Nồi 1: x1= 40% => C1= 4186(1-0,4)= 3035.9 J/kg.độ
Nồi 2: x2= 20,11% => C2= 4186(1-0,2011)= 3599.45 J/kg.độ
* Nhiệt lượng riêng
Gọi:

D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h)
Gđ, Gc lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h)
I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2
i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg)
Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ)
tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch 0C
θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C

Cng1,Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 0C
Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2(W)

* Nhiệt lượng vào gồm có
Nồi 1: - Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1
- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2ts2
Nồi 2: - Nhiệt do lượng hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2
- Nhiệt do dung dịch sau nồi 1 mang vào: GđCđtđ
* Nhiệt mang ra gồm
Nồi 1: - Hơi thứ mang ra: W1i1
- Do dung dịch mang ra: (Gd-W)C1.ts1
- Do hơi nước ngưng tụ: D1Cng1θ1
- Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1)
Nồi 2: - Hơi thứ mang ra: W2i2
- Do dung dịch mang ra: (Gd-W2)C2ts2
- Do hơi nước ngưng tụ: D2Cng2θ2
- Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2-Cng2θ2)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nồi 1:
D1I1+(Gđ-W2)C2ts2=W1i1+(Gđ-W)C1ts1+D1Cng1θ1+0,05D1(I1-Cng1θ1)

(1)

Nồi 2:
D2I2+GđCđtđ= W2i2+(Gđ-W2)C2ts2+D2Cng2θ2+0,05D(I2-Cng2θ2)
Với: D2I2=W1i1; W=W1+W2

(2)

11

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Ta có:
(2)  W1(0,95i1-C2ts2+i2-0,95Cng2θ2)= Wi2+(Gđ-W)C2ts2-GđCđts2
Wi  (Gd  W )C2ts 2  Gd Cd ts 2
 W1= 2
0,95i1  C2ts 2  i2  0,95Cng 22

(2’)

Bảng 2.1 Tra bảng I.249 STQTTB T1/ 310 và I.250 STQTTB T1/ 312.
Hơi đốt
I (J/kg)
Cn(J/kg.độ)
2736.391
4281.586
2697.959
4234.415

t (0C)
Nồi 1 137.422
Nồi 2 111.088
Với: θ1= thd1; θ2=thd2
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là:
(2’)  W1 = 1397,36 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2:

Hơi thứ

t (0C)
i(J/kg)
112.088 2699.759
73.72
2633.544

Dung dịch
C(J/kg.độ) ts (0C)
3641.82
118.949
3899.51
82.769

W2  W  W1 = 2700 – 1397,36 = 1302,64 (kg/h)

Tính sai số:

1 
2 

W1  Wgt1
W1



W2  Wgt 2
W2



1397,36  1414,3
 1, 212%  5%
1397,36
1302, 64  1285, 7
 1,3%  5%
1302, 64

i  5% chấp nhận được.
Lượng hơi đốt tiêu dùng:
W .i  (Gd  W ).C1.ts1  (Gd  W2 ).C2 .ts 2
D1= 1 1
= 1707,677 (kg/h)
0,95( I1  Cng1.1 )
2.2.4. Tính bề mặt truyền nhiệt
2.2.4.1. Độ nhớt
Tra Bảng I.104 STQT&TB T1/96: µs1= 2.33 Cp, µs2= 1,34 Cp
2.2.4.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Công thức I.32 STQTTB T1/ 123:

dd  A.C p . . 3


M

(W/m.độ)

Trong đó:

A: hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước ()
Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg .độ)

ρ: khối lượng riêng (kg/m3)
M: khối lượng mol của chất lỏng
Chọn A= 3,58.10-8
Ta có: M=mi.Mdd+(1-mi).Mnước

xi
M dd
Mà: mi 
xi
1  xi

M dd M H 2O
12


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

0, 4
40
Nồi 1: mi1 
 0, 231
0, 4 1  0, 4

40
18
 M1= 0,231  40+(1-0,231).18= 23,082

 1  3,58.108  3035,9 1378,5  3

1378,5

 0,5856 (W/m.độ)
23, 082

0,13
40
Nồi 2: mi 2 
 0,103
0,13 (1  0,13)

40
18
 M2=0,103  40+(1-0,103)  18=20,266

 2  3,58.108  3599, 45 1195,5  3

1195,5
 0,5997 (W/m.độ)
20.266

2.2.4.3. Hệ số cấp nhiệt
* Về phía hơi ngưng tụ (α1)
Công thức V.101 STQTTB T2/ 28: 1  2,04. A. 4
Với

r
h.t1

r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt ( chọn H= 4m)

A

4

 2 3
: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng tm


tm= 0,5(tT1+thd)
∆t1=thd- tT1
Nồi 1: Chọn ∆t11= 0,90C  tm1= 142,9 - 0,5  0,9= 141,450C
Tra STQTTB T2/ 29 ta có: A1= 194,38
Tra bảng I.250 STQTTB T1/ 312: thd1= 142,90C => r1= 2141.103 (J/kg)

 11  2, 04 194,38  4

2141103
 11833 (W/m2.độ)
4  0,9

 q11  11  t11  11833  0,9  10649,7 (W/m2)

Nồi 2: Chọn ∆t12= 0,80C  tm2= 94,056 - 0,5  0,8= 93,6560C
Tra STQTTB T2/ 29 ta có: A2= 175,833
Tra bảng I.250 STQTTB T1/ 312: thd2= 94,0560C suy ra r2= 2273  103 (J/kg)

 12  2, 04 175,833  4

2273 103
 11189,9 (W/m2.độ)

4  0,8

 q12  12  t12  11189  0,8  8951,95 (W/m2)

* Về phía dung dịch sôi
Ta có:  2  . n
13


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Với:

 là hệ số hiệu chỉnh.

 n là hệ số cấp nhiệt của nước.
Mà theo công thức VI.27, STQTTB, T2/ 71

 d 2
Ta có:   
 
 n






  2
. d

  n

0 , 565






2

 Cd 2

 C
 n

  n
.
  2
 d






0 , 435

Trong đó:

dd , dd , Cdd , dd lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ
nhớt của dung dịch.
n , n , Cn , n lần lượt là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ
nhớt của nước.
Ta có: ∑ r = r1 + r2 + r3
Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ 4.

r  r

1




 r3


Trong đó:

r1: nhiệt trở do lớp nước ngưng
r2: nhiệt trở do lớp cặn của dung dịch bám trên thành ống
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt
 : bề dày ống truyền nhiệt (  =2mm)
r3 : nhiệt trở qua lớp vật liệu
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3: λ = 16,85 W/m độ.
Tra bảng XII.7,STQTTB, T2/ 313.
Chọn: r1=0,232.10-3 (m2.độ/W)
r3= 0,387.10-3 (m2.độ/W)
2
 ∑r= 0, 232.103 

.103  0,387.103  0, 7377.103
16,85
Nồi 1: ta có: ts1= t21= 127,2250C
Ta có: ∆tI= q11.∑r= 10649,7  0,7377.10-3= 7,8560C
Hiệu số cấp nhiệt của nước: ∆t21= ∆ti1- ∆tI - ∆t11 = 15,675 - 7,856 – 0,9 = 6,920C
Tra bảng I.249 STQTTB T1/ 311Ta có:
Cn1 = 4259,1 J/kg.độ ;
µn1 = 0,2125 Cp
λn1 = 0,686 W/m.độ ;
ρn1 = 938,36 kg/m3
Độ nhớt của NaOH (Tra bảng I.101 STQT&TB T1/91): µdd1 = 2,33 Cp

 0,5856 
1  

 0,686 

0,565

Hệ số cấp nhiệt

 1378,5 2  3035,9  0, 2125  

 


 938,36   4259,1  2,33  

0,435

 0,3892

 2i từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi là:

 21  45,3. pht0,51 .t212,33 .1 = 45,3.0,8640,5.6,922,33.0,3892 = 1485,09 (W/m2.độ)
 q21= α21.∆t21= 1485,09  6,92= 10274,858 (W/m2)

14


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Nên ta có: 1 

10649, 7  10274,858
10649, 7

Vậy nhiêt tải trung bình: qtb1=

.100  3,5% < 5%

q11  q21 10649, 7  10274,858

 10462, 28 (W/m2)
2
2

Nồi 2: ta có ts2= t22= 82,7690C
∆tII = q12. ∑r= 10649,7  0,7377.10-3 = 6,6040C
Hiệu số cấp nhiệt của nước:

∆t22= ∆ti2- ∆tII - ∆t12 = 12,581 – 6,604 – 0,8 = 7,180C
Tra bảng I.249 STQTTB T1/ 311: Cn2 = 4191,8 J/kg.độ
;
λn2 = 0,672 W/m.độ ;

µn2 = 0,375 Cp
ρn2=974,22 kg/m3

Độ nhớt của NaOH (Tra bảng I.101 STQT&TB T1/91): µdd2 = 1.34 Cp

 0,5997 
2  

 0, 672 

0,565

Hệ số cấp nhiệt

 1195,5 2  3599, 45  0,375  

 


 974, 22   4191,8  1,34  

0,435

 0, 603

 2i từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi là:

 22  45,3. pht0,52 .t222,33 .2 = 45,3.0,2110,5.7,182,33.0,603 = 1485,09 (W/m2.độ)
 q22= α22.∆t22= 1485,09  7,18 = 8882,515 (W/m2)
Nên ta có: 2 

8951,95  8884,515
8951,95

Vậy nhiệt tải trung bình: qtb2=

.100% = 0,753% < 5%

q12  q22 8951,95  8884,515

 8918,232 (W/m2)
2
2

* Tính hệ số nhiệt độ hữu ích cho các nồi
Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau: F1= F2 nên nhiệt độ hữu ích phân bố trong
các nồi được tính theo công thức VI.20 STQTTB T2/ 68
Qi
K
t h i ( k )  n  2i .  t h i

i 1

Trong đó:

t hi là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (oC )
Qi: lượng nhiệt cung cấp (W/m2)
D .r
Qi  i i
A
3600
Di là lượng hơi đốt mỗi nồi
ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi
Ki: hệ số truyền nhiệt:
Ki 

(W/m2.độ)

1
1

1

 r 

1

2

15


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Nồi 1:

Q1=
K1=

Suy ra:

Nồi 2:

K2 

n 2


i 1

1
 668, 645 (W/m2.độ)
1
1
 0, 7377.103 
11833
1485, 09

Q1 1051644,17

 1572,8
K1
668,645
Q2=

Suy ra:

D1r1 1707,677  2217.103

 1051644,17 (W/m2)
3600
3600

D2 r2 1397,36  2355,57.103

 914328,37 (W/m2)
3600
3600
1
1
1
 0,7377.103 
11189,9
1237,86

 611,646 (W/m2.độ)

Q2 914328,37

 1494,84
K2
611,646

Qi Q1 Q2
= 1572,8 + 1494,84 = 3067,64



Ki K1 K 2

Ta có hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống: ∑thi= 52,9440C
Nhiệt độ hữu ích thực tế của từng nồi là:
Nồi 1:

∆thi1=

1572,8
 52,944  15,51 0C
3067,64

Nồi 2:

∆thi2=

1494,84
 52,944  14,74 0C
3067,64

Sai số nhiệt độ hữu ích là:

Nồi 1: 1 
Nồi 2: 1 

15,51  15, 675
15,51

14, 74  14,581
14, 74

 1, 036 % < 5%

 1,1 % < 5%

Các sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn 5% nên kết quả cuối cùng có thể chấp nhận
được.
Bề mặt truyền nhiệt thực tế của nồi 1:
Q1
1051644,17
F1 

 101,3895 m2
K1.thi1 668, 645 15,51
Bề mặt truyền nhiệt thực tế của nồi 2:
Q2
914328,37
F2 

 101,3895 m2
K 2 .thi 2 611, 646 14, 74
Như vậy dựa vào F1, F2 ta có thể thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi có diện tích truyền nhiệt
bằng nhau và bằng 101,3895 m2

16


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
3.1. Buồng đốt
3.1.1. Tính số ống truyền nhiệt
Theo bảng VI.6 STQTTB T2/ 80 chọn loại ống truyền nhiệt có đường kính 38  2 mm nên
d=dt= 34mm.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt h = 3m
F
101,3895
n

 316,565 (ống)
dt .h. 0, 034  3  3,14
Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.II STQTTB T2/ 48
Chọn n = 367 ống.
Chọn cách xếp ống theo hình 6 cạnh
Số hình 6 cạnh là 10.
Số ống trong tất cả các viên phân là b =21 ống.
3.1.2. Đường kính thiết bị buồng đốt
Theo công thức V.140 STQTTB T2/ 49: Dt= t.(b-1)+ 4.dn
Trong đó t là bước ống, thường chọn t= (1,2- 1,5)dn
Chọn t= 1,3dn  t= 1,3  0,038= 0,0494 (m)
 Dt= 0,0494.(21-1) +4  0,038= 1,14 (m)
Theo bảng XIII.6 STQTTB T2/ 359: Chọn Dt= 1,2m
3.1.3. Bề dày buồng đốt
Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép CT3.
Bề dày buồng đốt được xác định theo công thức XIII.8 STQTTB T2/ 360.
Dt .P
S
 C (m)

2    P
trong đó: Dt là đường kính trong của buồng đốt (m)
φ: hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn φ=0,95
(theo bảng XIII.8 STQTTB T2/ 362)
C: hệ số bổ sung ăn mòn (m)
P: áp suất trong thiết bị (N/m2)
  ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [  k] và ứng suất giới hạn chảy [  c]
Ứng suất kéo: [ k ] 

k
nk

. (N/m2) (Công thức XIII.1 STQTTB T2/ 355)

: hệ số hiệu chỉnh, chọn = 0,9 (Bảng XIII.2 STQTTB T2/ 356)
nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền, nb= 2,6
(Bảng XIII.3 STQTTB T2/ 356) ( vật liệu hợp kim được cán, rèn dập)
k: giới hạn bền khi kéo,  k  380.106 (N/m2)
Với:

(theo bảng XII.4 STQTTB T2/ 309)

 [ k ] 

380.106
.0,9  131,54.106 (N/m2)
2, 6

17

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Ứng suất giới hạn chảy:
[ c ] 

Với:

c
nc

. (N/m2) (Công thức XIII.2 STQTTB T2/ 355)

nc= 1,5 ( bảng XIII.3 STQTTB T2 /356)
: hệ số hiệu chỉnh, chọn = 0,9 ( bảng XIII.3 STQTTB T2 /356)
c: giới hạn bền chảy,  c  240.106 (N/m2) (bảng XII.4 STQTTB T2/ 309)

240.106
 [ c ] 
.0,9 = 144.106 (N/m2)
1,5
Ứng suất cho phép phải lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điều kiện bền, tức là lấy
  = 131,54. 106 (N/m2)
Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày.
Đại lượng C được xác định theo công thức XIII.17 STQTTB T2/ 363.
C= C1+ C2+ C3 (m)
Với C1 : đại lượng bổ sung do ăn mòn, C1= 1mm
C2 : đại lượng bổ sung do hao mòn, C2= 0
C3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày ; C3 phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu.
Nồi 1 :
Áp suất làm việc trong thiết bị: P= Phd1= 4 (at) = 4  98100= 392400 (N/m2)

S

1, 2  392400
 C  1,887.103  C (m)
8
2 1,315.10  0,95

Chọn C3= 0,18(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= C1+ C2+ C3= 1+ 0+ 0,18= 1,18 (mm)= 1,18.10-3 (m)
 S= (1.887+ 1,22).10-3= 3,07.10-3 (m).
Chọn S= 4.10-3 (m)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 STQTTB T2/ 365.
 D  (S  C ).P0   c (N/m2)
 t
2( S  C ).
1, 2
Trong đó :
Po là áp suất thử công thức XIII.27 STQTTB T2/ 366:
Po= Pth + P1 (N/m2)
Pth là áp suất thử thủy tĩnh lấy theo bảng XIII.5 STQTTB T2/ 358.
Chọn Pth= 1,5.Phđ
P1 là áp suất thủy tĩnh của nước, tính theo công thức XIII.10 STQTTB T2/360
P1= g.ρdd1.H = 9,81  689,25  3 = 20284,6 (N/m2)
Với H là chiều cao cột chất lỏng
Vậy: Po= 1,5  392400 + 20284,6 = 608885 (N/m2)
1, 2   4  1,18  .103  .608885
 c 240.106
8


1,367.10

 2.108 (N/m2)
Ta có:   
<
3
1, 2
1, 2
2.  4  1, 22  .10 .0,95

Vậy chọn S= 4(mm)

18


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Nồi 2 :
Áp suất làm việc trong thiết bị : P= Phd2= 0,833.98100 = 81717,3 (N/m2)
ta có :

  .  1,315.108 .0,95  1529, 2  50 do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.

Nên

S

P

81717,3

1, 2.81717,3
 C =0.39.10-3+ C.
2.1,315.108.0,95

Chọn C3= 0,12(mm) ( bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)

 C= 1+0+0,12= 1,12 (mm)= 1,12.10-3(m)
 S= 0.39.10-3+ 1,12.10-3= 1,51.10-3 (m)
Chọn S= 2.10-3(m)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử :
Với P0= 1,5.81717,3 + 9,81.597,75.3= 140168 (N/m2)
1, 2   2  1,12  .103  .140168

 1, 258.107  2.108 (N/m2)
2.  2  1,12  .103.0,95

Vậy chọn bề dày thân buồng đốt cho cả 2 nồi : S = 4(mm).
3.1.4. Bề dày đáy và nắp buồng đốt
Được tính theo hình elip có gờ, vật liệu là thép CT3:
Dt .P
D
S
. t  C (m) (công thức XIII.47 STQTTB T2 / 385)
3,8  k  .k.h  P 2.hb
Trong đó :

hb là chiều cao phần đáy lồi của đáy (m)
Chọn hb= 0,25. Dt = 0,25. 1,2= 0,3 (m)
φh là hệ số bền của mối hàn hướng tâm.(tra bảng XIII.8 STQTTB T2/ 362)

Chọn φh= 0,95
K là hệ số không thứ nguyên xác định như sau:
d
( công thức XIII.48 STQTTB T2 / 385)
k  1
Dt

Ở đây d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, chọn d= 0,15(m)

 k  1

0,15
 0,875
1, 2

Nồi 1 :
Ta có :

  .k.

Nên S 

P

h



1,315.108.0,875.0,95
 278,57 >30 => Có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.

392400

1, 2.92400
1, 2
.
 C  2, 269.103  C
8
3,8.1,315.10 .0,875.0,95 2.0,3

Chọn C3= 0,22(mm) (bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)

 C= C1+ C2+ C3= 1+ 0+ 0,22= 1,22 (mm)= 1,22.10-3 (m)
 S= (2,269+1,22).10-3= 3,49.10-3 (m)
Khi (S-C)= 2,269 < 10(mm) ta thêm 2mm so với giá trị C ban đầu.
19


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

 C= (1,22+2).10-3= 3,22.10-3(m)
 S= (3,22+2,269).10-3= 5,49.10-3 (m)
Chọn S= 6(mm)
Kiểm tra ứng suất của đáy thiết bị theo áp suất thủy lực bằng công thức XIII.49 STQTTB T2/
386.
 Dt 2  2.hb ( S  C )  Po 

 c (N/m2)
7, 6.k .h .hb  S  C 
1, 2

1, 22  2.0, 4.  6  3, 22  .103  .608885

 1, 67.10 8  2.108 (N/m2)
3
7, 6.0,875.0,95.0,3.  6  3.22  .10

Chọn S = 6(mm)
Nồi 2:
Ta có:

  .k.
P

Nên S 

h



8
1,315.10 .0,875.0,95
 1337,65 30 => Có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.
81717,3

1, 2.81717,3
1, 2
.
 C  0, 47.103  C
8
3,8.1,315.10 .0,875.0,95 2.0,3

Chọn C3= 0,12(mm) (bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,12= 1,12(mm)
 S= (0,47+1,18).10-3= 1,59.10-3 (m)
Vì (S-C)< 10mm nên ta thêm 2mm so với giá trị C ban đầu.
 C= (1,12+2).10-3= 3,12.10-3 (m).
 S= (0,47+3,12).10-3= 3,59.10-3 (m).
Chọn S= 4(mm)
Kiểm tra ứng suất của đáy thiết bị theo áp suất thủy lực bằng CT XIII.49 STQTTB T2/ 386.
 Dt 2  2.hb ( S  C )  Po



7, 6.k .h .hb  S  C 



c
1, 2

(N/m2)

1, 22  2.0,3.  4  3,12  .103.140168

 1,89.108  2.108 (N/m2)
3
7, 6.0,8775.0,95.0,3.  4  3,12  .10
Chọn S= 4 (mm)
Vậy chọn bề dày đáy và nắp buồng đốt cho cả 2 nồi S = 6(mm)
ứng với hb= 0,3 (m), chiều cao gờ h= 0,025(m) (theo bảng XIII.11 STQTTB T2/ 384)

3.2. Buồng bốc
3.2.1. Đường kính buồng bốc
Chọn đường kính buồng bốc Dt= 1,4m
3.2.2. Chiều cao buồng bốc:
Thể tích không gian hơi được xác định theo công thức VI.32 STQTTB T2/ 71.
W
(m3)
Vkgh 
h .U tt

20


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Trong đó:

Vkgh: là thể tích không gian hơi (m3)
W: là lượng hơi thứ bốc lên trong thiết bị (m3)
ρh: là khối lượng riêng của hơi thứ. (kg/m3)
Utt: là cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi trong
một đơn vị thời gian (m3/m3.h)
Theo công thức VI.33 STQTTB T2/ 72: Utt = f.utt(1at) (khi P ≠ 1at)
Với utt(1at): cường độ bốc hơi cho phép ở P = 1at; Chọn utt = 1600 m3/m3.h
Chiều cao không gian hơi được tính theo công thức VI.34 STQTTB T2/ 72

H kgh 

4.Vkgh

 .Dt2

(m)

Nồi 1:
Pht1= 0,864 at; tht1= 95,0560C
tra bảng I.250 STQTTB T1/ 312 : ρ1= 0,5049 (kg/m3)
Tra đồ thị VI.3 STQTTB T2/ 72 : f= 0,99
vậy utt= 0,97  1600= 1584 (m3/m3h)
W1
1397,36
Vkgh1 

 1, 747 (m3)
ht1utt 0,5049 1584

H kgh1 

4.Vkgh1

 .D

2
t



4 1, 747
 1,136 (m)
3,14 1, 42

Nồi 2:
Pht2= 0,211 at; tht2= 60,70C
tra bảng I.250 STQTTB T1/ 312: ρ2= 0,1344 (kg/m3)
Tra đồ thị VI.3 STQTTB T2/ 72 : Ta được f= 1,6
Vậy utt= 1,6  1600= 2560(m3/m3h)
W2
1302, 64
Vkgh 2 

 3, 786 (m3)
ht 2utt 0,1344  2560

H kgh 2 

4  3, 786
 2, 46 (m)
3,14 1, 42

Chọn chiều cao của phần dịch sôi tràn lên buồng bốc là 1m.
Vậy chọn chiều cao buồng bốc cho cả 2 nồi là 2,5m
3.2.3. Bề dày buồng bốc
Vật liệu chế tạo buồng bốc là thép CT3, bề dày buồng bốc được tính theo công thức:
Dt .P
S
 C (m) (công thức XIII.8 STQTTB T2/ 360).
2.  .  P
Nồi 1: Áp suất làm việc trong thiết bị: P=Pht1= 0,864.98100= 84758,4 (N/m2)
Ta có:

  .  1,315.108 .0,95  1473  50 do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.

P

Nên S 

84758, 4

1, 4.84758, 4
 C  0, 475.103  C
8
2.1,315.10 .0,95

Chọn C3= 0,12(mm) ( bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,12= 1,12(mm)
 S=(0,475+1,12).10-3= 1,595.10-3 (m)
21


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Chọn S= 2(mm)
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử bằng công thức XIII.26 STQTTB T2/ 365.
 Dt   S  C   Po



2  S  C 



c

1, 2

(N/m2)

Với P0= 1,5.0,864.98100+9,81.689,25.2,5= 144041 (N/m2)
1, 4   2  1,12  .103  .144041

 1, 207.108  2.108 (N/m2)
3
2  2  1,12  .10 .0,95
Chọn S= 2(mm).
Nồi 2: Vì buồng bốc nồi 2 làm việc ở áp suất chân không nên chịu tác dụng của áp suất ngoài
nên. Nên bề dày tối thiểu của thân được tính theo công thức:
P H
S=1,25.Dt.( t . )0.4 + C (m) (công thức XIII.32 STQTTB T2/ 370).
E Dt
Áp suất làm việc trong buồng bốc: P= Pht2= 0,211 (at)
 Pck= 1- 0,211= 0,789 (at)
Áp suất ngoài: Pn= Pa+Pck= 1+0,789= 1,789 (at)= 175500,9 (N/m2)
H 2,5
1

 1, 786  8
Kiểm tra điều kiện XIII.30 STQTTB T2/ 371:
Dt 1, 4
Và theo điều kiện XIII.31 STQTTB T2/ 371.
0,4

 Pn H 
 175500,9 2,5 

.
 0, 00476  0,523
 t .  
10
1, 4 
 20.10
 E Dt 
Vì đã thỏa mãn 2 điều kiện trên nên chiều dày bằng:
0,4

0,4

 175500,9 2,5 
3
S  12,5.1, 4. 
.
  C  8,34.10  C
10
20.10
1,
4


Chọn C3=0,8 (mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,8= 1,8 (mm)
 S= (8,34+1,8).10-3= 10,14.10-3 (m)
Ta lấy S= 12(mm)
Vậy chọn chiều dày buồng bốc cho cả 2 nồi S= 14 (mm)

3.2.4. Bề dày nắp buồng bốc

Chọn nắp cho cả 2 nồi theo hình elip có gờ, vật liệu làm bằng thép CT3. Bề dày nắp được tính
theo công thức XIII.47 STQTTB T2/ 385.
Dt .P
D
S
. t  C (m)
3,8  k  k . h  P 2.hb
Trong đó: hb là chiều cao phần lồi của nắp.
Hb= 0,25.Dt= 0,25.1,4= 0,35 (m)
φh là hệ số bền của mối hàn hướng tâm. φh= 0,95.
k là hệ số thứ nguyên, được xác định: k=1-d/Dt (CT XIII.48 STQTTB T2/ 385)
Nắp có lỗ được tăng cứng hoàn toàn nên k=1.
Nồi 1:
Áp suất làm việc trong thiết bị: P=Pht1= 0,864.98100= 84758,4 (N/m2)
22


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

  .  1,315.108 .0,95  1473,9  50

do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.
84758, 4
1, 4.84758, 4
1, 4
Nên S 
.
 C  0,5.103  C
8
3,8.1,315.10 .1.0,95 2.0,35

Chọn C3= 0,12(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,12= 1,12(mm)
 S= (0,5+1,12).10-3= 1,62.10-3 (m)
Khi (S-C)= 0,5< 10mm nên thêm 2mm ở giá trị C ban đầu.
 C= 1,12+2= 3,12(mm)
 S= (0,5+3,12).10-3= 3,6 (m)
Chọn S= 4mm.
 Dt 2  2.hb ( S  C )  Po 
 c
Kiểm tra ứng suất:  
7, 6.k .h .hb  S  C 
1, 2
Ta có:

P

1, 42.2.0,35.  4  3,12  .103  .144041



7, 6.1.0,95.0,35.  4  3,12  .10

3

 1, 27.108  2.108

Chọn S= 4mm.
Nồi 2:
Chiều dày nắp thiết bị làm việc chịu áp suất ngoài được xác định theo công thức XIII.50
STQTTB T2/ 387.

Dt .Pn
D
S
. t C
3,8.  n .k .k1 h  Pn 2.hb
Trong đó: k1 là hệ số; chọn k= 0,74.

 n  .k.k .
Ta có:

1,315.108
.1.0,74.0,95  526,75  30 do đó có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu.
1 h 
P
175500,9
1, 4.175500,9
1, 4
.
 C  1,398.103  C
Nên S 
8
3,8.1,315.10 .1.0, 74.0,95 2.0,35
Chọn C3= 0,18(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= C1+ C2+ C3= 1+ 0+ 0,18= 1,18 (mm)
 S= (1,398+1,18).10-3= 2,578.10-3 (m)
Khi (S-C)=1,398 < 10mm nên ta thêm 2mm vào giá trị C ban đầu.
C=(1,18+2).10-3= 3,18.10-3 (m)
 S= (1,398+3,18).10-3= 4,6.10-3 (m)
Chọn S=6(mm)
 Dt2  2.hb  S  C  P0  c


Kiểm tra ứng suất:  
7,6.k .k1. h .hb  S  C  1, 2

Với P0= 1,5.Pht2+ P
= 1,5.0,211.98100+ 9,81.597,75.2,5= 45708,47 (N/m2)

1, 42  2.0,35  6  3,18  .103  .45708, 47

 1, 7.107  2.108
3
7, 6.1.0, 74.0,95.0,35  6  3.18  .10
Chọn S= 6mm.
23


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Vậy chọn bề dày cho nắp buồng bốc cho cả 2 nồi S= 6mm.
ứng với hb= 0,35 (m); chiều cao gờ h= 0,025 (m) ( tra bảng XIII.11 STQTTB T2/ 384)
3.2.5. Bề dày đáy buồng bốc
Chọn đáy buồng bốc cho cả 2 nồi theo hình nón có gờ, vật liệu là thép CT3, góc ở đáy 600 
α= 300 và Rδ/Dt= 0,15.
Nồi 1: Bề dày đáy nón làm việc với áp suất trong (P>1at) được tính theo công thức:
D .P. y
S t
 C (m) (công thức XIII.52 STQTTB T2/ 399)
2  u  h

S

D ' .P

2cos     P 

 C (m) (công thức XIII.53 STQTTB T2/ 399)

Trong đó: y là yếu tố hình dạng đáy, xác định theo đồ thị hình XIII.15, y= 1,28
φh là hệ số bền của mối hàn vòng trên nón, chọn φh= 0,95 (bảng XIII.8 STQTTB T2/ 362)
d là đường kính lỗ tâm ở đáy. d= 0,07 (m)
D’ là đường kính (m). Đối với nón có gờ:
D'  Dt  2  R 1  cos   10S sin    0,5  Dt  2 R 1  cos   d 

C là hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m).
Áp suất làm việc trong thiết bị:
P=Pht1= 0,864.98100= 84758,4 (N/m2)

S

1, 4  84758, 4 1, 28
 0, 465.103  C
8
2 1,315 10  0,95

Chọn C3= 0,12(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,12= 1,12(mm)
 S= (1,12+ 0,465).10-3 = 1,585.10-3(m)
Xác định D’:
D’=1,4-2[0,15  1,4(1-cos300)+10  1,585.10-3  sin300]=1,32>0,5[1,4-2  0,15(1cos300+0,07]= 0,721
Hệ số bền của đáy nón theo phương dọc φ= φh= 0,95.

Ta có:

  .  1,315.108 .0,95  1473,895  50 do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu của

P
84758, 4
công thức XIII.53 STQTTB T2/ 399.

S

D' .P
1,32  84758, 4
C 
 1,12.103  1, 64.103 (m)
0
8
2cos   
2  cos30 1,315.10  0,95

Đại lượng tính theo công thức XIII.52 lớn hơn nên ta chọn kết quả này.
Ta có: (S-C)= 0,52mm < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C (STQTTB T2/ 386).
Do đó: C= (1,12+2).10-3= 3,12.10-3 (m)
 S= (0,52+3,12).10-3= 3,64.10-3 (m)
Vậy chọn chiều dày đáy buồng bốc S= 4mm.
Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng CT XIII.54 STQTTB T2/ 399.
Dt .P0 . y


 c (N/m2)
2  S  C   h 1, 2

24


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị



1, 4 1440411, 28
 1,3.108 <2.108 (N/m2).
3
2  4  3,12  .10  0,95

Vậy chọn S= 4mm.
Nồi 2: Bề dày đáy nón làm việc với áp suất ngoài (vì P < 1at) được tính theo công thức:
Dt .Pn . y
S
 C (m) (công thức XIII.56 STQTTB T2/ 402)
2  u  k1 h
S

D ' .Pn
 C (m) (công thức XIII.57 STQTTB T2/ 402)
2cos  .k1.  n   Pn 

Trong đó:
k1 là hệ số; chọn k= 0,74.
1, 4 175500,9 1, 28
S
 1,3.103  C

2 1,315 108  0, 74  0,95
Chọn C3= 0,18(mm) (theo bảng XIII.9 STQTTB T2/ 364)
 C= 1+0+0,18= 1,18(mm)
 S= (1,3+1,18).10-3= 2,48.10-3 (m).
Xác định D’:
D’=1,4-2[0,15  1,4(1-cos300)+10  1,48.10-3  sin300]=1,32>0,5[1,4-2  0,15(1-cos300+0,07]=
0,7209.
Hệ số bền của đáy nón theo phương dọc φ= φh= 0,95.
  .  1,315.108 .0,95  1473,895  50 do đó ta có thể bỏ qua đại lượng P ở mẫu của
Ta có:
P
84758, 4
công thức XIII.57 STQTTB T2/ 402.
Nên S 

D ' .Pn
C
2cos  .k1.  

1, 4 175500,9
 1,18.103  2, 249.103 (m)
2cos 30  0, 74 1,315 108  0,95
đại lượng công thức XIII.56 lớn hơn nên chọn kết quả này.
Ta có: (S-C)= 1,3mm < 10mm nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C (STQTTB T2/ 386).
 C= (1,18+2).10-3= 3,18.10-3(m).
 S= (1,3+3,22).10-3= 4,52.10-3(m)
Chọn bề dày đáy buồng bốc bằng 6mm.
Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử thủy lực bằng CT XIII.58 STQTTB T2/ 402.
Dt .Pon . y



 c (N/m2)
2.k1 ( S  C ) h 1,2

S

0

1, 4  45708,5 1, 28
 2,9.107  2.108 (N/m2)
3
2  0, 74(6  3,18).10  0,95
Chọn bề dày đáy buồng bốc S=6mm.
Vậy chọn cho cả 2 nồi S= 6mm.
Ứng với chiều cao gờ h= 0,04(m) (tra bảng XIII.21 STQTTB T2/ 394)



3.3. Đường kính các ống dẫn
Phương trình lưu lượng: Vs 

 .d 2
4

 m 3 / s  (Theo công thức V.41, STQTTB T2/ 74)
25