đồ án quá trình thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị tuần hoàn cưỡng bức NaOH

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA
****

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
-------o0o--------

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU
THIẾT BỊ CÔ ĐẶC TUẦN HOÀN CƯỠNG BỨC
DÙNG CHO DUNG DỊCH NAOH

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên

:

Mã sinh viên

:

Lớp

:

Hà nội-2018
\

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

Đồ án qúa trình thiết bị
1


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

---***---

Đồ án môn học quá trình và thiết bị
I-Nội dung thiết kế
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng
bức dùng cho cô đặc dung dịch NAOH.
Các số liệu ban đầu:
• Năng suất 10,22 tấn/h.
• Nồng độ đầu vào 15,22% khối lượng.
• Nồng độ cuối 29,21% khối lượng.
• Áp suất hơi đốt nồi một là 4at.
• Áp suất hơi ngưng tụ 0,2at.
• Chiều cao ống gia nhiệt 3m
Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

∗∗∗∗∗
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................

LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết
bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ án
môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” với đề bài là: “thiết kế hệ
thống thiết bị cô đặc hai nồi tuần hoàn cưỡng bức ”.Việc thực hiện đồ án là điều
rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau
Đồ án qúa trình thiết bị
2


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và
thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một
số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ
thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công
nghệ .Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài
liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán
và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và

nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Đồ án của em trình bày về thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức . Thiết bị cô đặc
tuần hoàn cưỡng bức có những ưu điểm như:
-

Hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần và có thể làm
việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ (3-5ºC) vì cường độ tuần
hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ hữu ích mà phụ thuộc vào năng suất
của bơm.

-

Cô đặc tuần hoàn cưỡng bức cũng trách được hiện tượng bám cặn trên bề mặt
truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự
nhiên khó thực hiện.
Tuy nhiên khuyết điểm của thiết bị này là tốn năng lượng để bơm, thường
ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn.
Trong đồ án môn học này của em được chia thành 5 nội dung chính:
Phần 1: Giới thiệu chung
Phần 2: Tính toán thiết bị chính
Phần 3: Tính toán cơ khí
Phần 4: Tính toán thiết bị phụ
Phần 5: Kết luận
Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong
Đồ án qúa trình thiết bị
3


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ….đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án
này.

PHẦN I : GIỚI THIỆU CHUNG
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành
công nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch
lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người
ta thường làmbay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt,
ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc.
Đồ án qúa trình thiết bị
4


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất
hóachất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh
thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất. dung dịch được chuyển đi không
mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu. thiết bị dùng để cô đặc
gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô
đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn
chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài,thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng
bức,thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm…..

Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết
bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được
sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt
độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung
môi. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay
hơi trong quá trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử
khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh.
- Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi. Để cô đặc
các dung dịch không chịu được nhiệt độ ( như dung dịch đường) đòi hỏi
cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc
chân không.
- Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì
một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết
tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch
mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi
phải dùng đến máy lạnh.
1.

Sơ lược về quá trình cô đặc

Đồ án qúa trình thiết bị
5


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

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. Trong đó:
•

Cô đặc chân không: dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ

•

bị phân hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao: hơn áp suất khí quyển 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.
Cô đặc ở áp suất khí quyển: thì hơi thứ không được sử dụng mà được
thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng
không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ

dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc.
Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở
dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó
nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất,
trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác
nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
Hơi của dung môi được 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, nếu
dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi
đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều
nồi,làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở
Đồ án qúa trình thiết bị
6


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất
thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các
áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì
có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm,
do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm
được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực
phẩm, ví dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay

thiết bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên
liệu,hiệu quả kinh tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn
giản,nên người ta thường chọn cô đặc nhiều nồi.
2. Phân loại thiết bị cô đặc:
Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên ta có thể
phân loại theo 1 số đặc điểm sau:
- Theo nguyên lý làm việc: Có 2 loại thiết bị cô đặc làm việc theo
chu kỳ và làm việc liên tục.
- Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: Chia ra 3 loại: Thiết bị
làm việc ở Pdư, Pck…
- Theo nguồn cấp nhiệt:
Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu.




Nguồn điện.
Nguồn hơi nước: Nay là nguồn cấp nhiệt thường gặp nhất.




Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp điphenyl cho
thiết bị chu kỳ có công suất nhỏ.

Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau:

Đồ án qúa trình thiết bị
7

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

- Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận
nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên
ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.
- Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên
phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt.
- Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:
- Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ
nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn.
- Tách ly hơi thứ tốt.
- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
3. Cô đặc nhiều nồi:
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý
nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt.
Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa
vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi
thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ
nồi nọ 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 các nồi
phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông

thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất
thấp hơn áp suất khí quyển (chân không).
Đồ án qúa trình thiết bị
8


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi.
Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1 kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều
nồi sẽ tăng. Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1 kg hơi thứ:
•
•
•
•
•

Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg

Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng nhưng
không giảm theo tỉ lệ bậc 1 mà từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, còn từ nồi 4
lên nồi 5 giảm đi 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm đi không quá 1%
nghĩa là xét về mặt hơi đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể quá 10
nồi.

Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do
đó bề mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng.
Vì vây, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi.

4. Giới thiệu về dung dịch cô đặc: NAOH
a) Tính chất vật lí 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 khối lượng riêng 2,13 g/ml. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng
chảy 318oC. Nhiệt độ sôi 1338 oC. Hấp thụ nhanh CO 2 và nước của không
khí, chảy rữa và biến thành Na 2CO3.
- Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H 2O, NaOH.3H2O và
NaOH.2H2O. Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng
chảy.
b)

tính chất hóa học của NaOH

- 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
Đồ án qúa trình thiết bị
9


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

toàn lao động.Ngoài ra, NaOH còn có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa

tan vào nước nên khi hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh.
-NaOH có đầy đủ tính chất của một bazơ điển hình như :
+ Làm quỳ hóa xanh
+ Dung dịch phenolphtalein chuyển thành màu hồng
+ Tác dụng với oxit axit
+ Tác dụng với axit
+ Tác dụng với dung dịch muối
c)
-

Điều chế
Trong phòng thí nghiệm

+Natritác dụng vớinước :
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
+ Natri oxit với nước :
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 với các điện cực làm bằng graphit và có các màng ngăn giữa anot và
catot ( màng ngăn được làm bằng amiăng hoặc vật liệu xốp khác ) :
2NaCl + 2H2O
d) Ứng

dòng điện

Cl2 + H2 + 2NaOH

dụng của NaOH

NaOH được dùng để :
-

Sản xuất xenlulozơ từ gỗ.
Sản xuất xà phòng,chất tẩy rửa, bột giặt.
Sản xuất giấy.
Sản xuất tơ nhân tạo.

Đồ án qúa trình thiết bị
10


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
-

Khoa Công nghệ Hóa

Sản xuất nhôm ( làm sạch quặng trước khi SX ).
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.

5. Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.

Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức
11

10

3

4

12

8

1

2

5

6

7

2

9

Hình1: Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức
Chú thích:
1. Thùng chứa dung dịch đầu.

8. Thùng chứa nước.

Đồ án qúa trình thiết bị
11


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

2. Bơm.

9. Thùng chứa sản phẩm.

3. Thùng cao vị.

10.Thiết bị ngưng tụ Baromet.

4. Lưu lượng kế.

11.Thiết bị thu hồi bọt.

5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.

12. Bơm chân không.

6. Thiết bị cô đặc.

13. Ống tuần hoàn.

7. Thiết bị cô đặc.
Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch NaOH ban đầu được chứa trong thùng chứa dung dịch đầu (1),


dùng bơm (2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được
thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy
qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm). Ở thiết
bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi
nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào, rồi đi vào nồi (6). Ở nồi này dung dịch
tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch
chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng
dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không
ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng.
Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ. Dưới tác
dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buồng đốt
của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ sự chênh
lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước.
Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (7)
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. Kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và
lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (9) qua
thiết bị bơm (2).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ
Baromet (10). Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, chảy
tràn qua các cạnh tấm ngăn và đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm
Đồ án qúa trình thiết bị
12

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

ngăn. Hỗn hợp nước làm nguội và hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy
qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi
bọt (11) hơi sẽ được bơm chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ
chảy vào thùng chứa nước ngưng.
 Ưu điểm
- Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất
giữa các nồi mà không cần dùng bơm.
- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi
đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó ( trừ nồi đầu), kết quả là dung
dịch sẽ nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi
( quá trình tự bốc hơi ).
Nhược điểm :
- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau,
do đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy
khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun
nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung
dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số
truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.

Đồ án qúa trình thiết bị
13


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

PHẦN II:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1.

Các thông số ban đầu
-

Dung dịch cần cô đặc :

NaOH.

-

Năng suất tính theo dung dịch đầu:
Nồng độ đầu:
Nồng độ cuối
Áp suất hơi đốt
Áp suất hơi ngưng tụ:
Chiều cao ống gia nhiệt

Gđ = 10,22 tấn/h=10220 (kg/h)
xđ = 15,22% khối lượng.
xc = 29,21% khối lượng.
P1 = 4at.
Png = 0,2at
H =3

2.Cân bằng vật liệu.
2.1. Lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W (kg/h)


x 
1 − đ 
xc 
Từ công thức( 3.20- QTTB III- T150):W = Gđ 

Trong đó :
W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống ,(kg/h).
Gđ: lượng dung dịch đầu ,(kg/s).
xđ, xc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối
lượng



 0,1522 
1 − 0, 2921 ÷

W = 10220× 
=4894,82
(kg/h)

2.2.Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi
Đồ án qúa trình thiết bị
14


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (kg/h)
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W2 (kg/h)
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là :W1: W2 = 1:1,06
Ta có hệ:

1,06 W1 = W2

W1 = 2376,128 (kg/h)

W=W1+W2=4894,82

W2 = 2518,696 (kg/h)

2.3. Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi
Theo công thức (VI.2c-ST2-T54), Ta có :
(%)

x1 =
•
•

Nồi 1:
Nồi 2:

x2 =

Gđ × x10220
× 0,1522
đ
Gđ −= W

10220
− 2376,126
1
= 19,83 %

Gđ ⋅ xđ
10220 × 0,1522
Gđ − ( W1=+10220
W2 ) − (2376,126 + 2518,694)
= 29,21 %

Ta được x2 = xc ,phù hợp với số liệu ban đầu
3. Cân bằng nhiệt
3.1. Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống ()
∆

P = P1 - Png = 4 - 0,2 = 3,8 ( at )
Trong đó :
∆P

: là chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống
P1 : áp suất hơi đốt vào nồi 1
Pnt: áp suất hơi ngưng tụ
3.2. Chênh lệch áp suất, nhiệt độ của mỗi nồi
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
∆P1 2,38
=
⇒ ∆P1 = 2,38∆P2
∆P2
1

Ta có hệ :
Đồ án qúa trình thiết bị
15


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

3.3 . Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt ra khỏi mỗi nồi
Theo công thức :
Ta có :
Nồi 1 : P1 = 4 ( at )
Nồi 2 :
Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
•
•



Dựa vào áp suất, tra bảng (I.251-ST1-T314), Ta được :
P1 = 4at

⇒ t1 = 142,9°C

P2 = 1, 256at ⇒ t2 = 106,99°C
Pnt = 0, 2at

⇒ tnt = 59,7°C

3.4. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Nhận xét: Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch
nhiệt độ giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi.Hơi thứ của nồi 1 được dẫn sang nồi
2 và trở thành hơi đốt của nồi 2, hơi thứ của nồi 2 đi sang thiết bị ngưng tụ.Quá
''
trình này sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ (do trở lực học trên ống dẫn gây ra) là ∆ = 1. : 1,5

Và khi đó nó sẽ trở thành hơi thứ của nồi 2. Chọn

∆ '' =
10C.
Do đó :
-

Nhiệt độ của hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ của hơi thứ nồi trước trừ đi

-

10C.
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối cùng bằng nhiệt độ hơi ngưng tụ của thiết bị
baromet cộng thêm 10C.

Gọi :


t1', t2' : Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1, nồi 2.
P1’ , P2’ : Áp suất hơi thứ của nồi 1, nồi 2.
: Tổn thất do trở lực đường ống .
Nhiệt độ hơi thứ trong các nồi :

Đồ án qúa trình thiết bị
16


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

Theo công thức : ,Ta có :
•
•

Nồi 1: t1'= t2+ = 106,99 + 1 = 107,99 ()
Nồi 2: t2' = tng+ = 59,7 + 1 = 60,7 ()

Dựa vào nhiệt hơi thứ, tra bảng (I.250 – ST1- T.314), ta được :
t1 ' = 107,99°C ⇒ P1 ' = 1,37 at
t2 ' = 60,7°C ⇒ P2 ' = 0, 2104at

Các kết quả tính được ở trên cho ta bảng số liệu sau :
Bảng 1:
Loại
Hơi đốt
Hơi thứ

Áp suất

Nồi I
Nhiệt độ

Nồi 2
Nhiệt độ

Áp suất

(at)

(0C)

(at)

(0C)

P1 = 4

t1=142,9

P2=1,324

t2=106,99

P’1=1,37 t’1=107,99 P’2=0,2104

Hơi ngưng tụ
Áp suất Nhiệt độ
(at)

(0C)

Png=0,2

tng=59,7

t’2 =60,7

3.5. Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi
Nhận xét: Tổn thất nhiệt độ trong thiết bị cô đặc bằng tổng tổn thất nhiệt độ
do nồng độ dung dịch tăng cao, do áp suất thủy tĩnh và do trở lực thuỷ lực trong
ống dẫn của các nồi.
3.5.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ()
-Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi chất tan,
đặc biệt là nồng độ của chất tan. Nhiệt độ của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Khi nồng độ của chất tan tăng thì nhiệt
độ sôi của dung dịch càng tăng.
∆
’

là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất, trong cô đặc

thường gọi đó là tổn thất nồng độ,
∆
’

là thông số vật lý của dung dịch, nó phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ

Đồ án qúa trình thiết bị
17

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

càng tăng thì
∆
’

càng tăng, nó còn phụ thuộc vào bản chất chất tan và dung môi đồng thời

∆
’

phụ thuộc vào áp suất.
-

∆
’

được tính theo công thức dần gần đúng của Tensico

Áp dụng công thức (VI.10 ─ ST2 – T59) :

∆ , = ∆ ,o . f

(°C )

T2
f = 16, 2.
r

Trong đó:
∆’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất thường
T:Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,
r: Nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Tra bảng (VI.2 ─ ST2 – T67) :

x1 = 19,83% ⇒ ∆ ,o1 = 8,1°C

•

Nồi 1:

•


,
x
=
29,21%
⇒
∆
2
o1 = 16,24°C
Nồi 2:
Xác định nhiệt độ Ti:

T’1 + 273 = 107.99 + 273 =380,99
T2 = T’2 + 273 = 60,7 + 273 = 333,7


Xác định ri:

r1 =°C2243,9.103 J / kg
t '1 = 107,99
t '2 = 60,7r°2C= 2355,262.103 J(I.250─ST1
/ kg
– T312)


Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi :

Đồ án qúa trình thiết bị
18


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội



Khoa Công nghệ Hóa

Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của cả hệ thống là:

3.5.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:
Nhận xét: Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu. Trên mặt
thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất,càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng, nguyên nhân
là do cột áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng.
- Áp dụng công thức (VI.13 ─ST2─T60):

Ptb = Po + (h1 +

h2 ρ dds .g
).
(at )
2 9,81.104

Po
: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at).
h1

:chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m).

h2
: chiều cao của ống truyền nhiệt (m).

ρ dds
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3 ).
ρdds =0.5 ρdd(20˚C)

g
: gia tốc tọng trường (m/s2).
- Khối lượng riêng của dung dịch NaOH ở 20 ứng với mỗi nồng độ được xác định
theo bảng (I.22─ST1 – T34) :
x1 = 19,83%
⇒
ρdd

= 1217,13 (kg/m3)
Đồ án qúa trình thiết bị

19


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

x2 = 29,21%
⇒
ρdd

= 1319,31 (kg/m3)
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là:
1217,13
ρdds1= =2608,565 (kg / m3)
1319,31
ρdds2= =2 659,655 (kg/m3)

- chọn h1 = 0,5 m và h2 = 3,0 m ( đề bài ra )

3 608,565
Ptb1 = 1,37 + (0,5 + ).
.9,81 = 1, 492( at )
2 9,81.104
3 659, 655
Ptb 2 = 0, 2104 + (0,5 + ).
.9,81 = 0,3423( at )
2 9,81.104
-Tra bảng (I.251─ST1- T314):
•

•

Nồi 1 : Ptb1 = 1,492 (at)
Nồi 2 : Ptb2 = 0,3423 (at)

⇨ ttb1= 110,54
⇨ ttb2 = 71,534

Áp dụng công thức VI.13 (STT2.T60) để tính áp suất thủy tĩnh của hệ thống :

∆ ,, = ttb − to
Trong đó:
ttb: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb (
0

C

)
to : Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Po (
0

C

)
Vậy tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi là :

Đồ án qúa trình thiết bị
20

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

∆1,, = ttb1 − t01 = 110,54 − 107,99 = 2,55°C
∆,,2 = ttb 2 − t02 = 71,534 − 60,7 = 10,834°C

⇒ ∑ ∆ ,, = ∆1,, + ∆ ,,2 = 2,55 + 10,834 = 13,384°C
3.5.3 Tổn thất do đường ống

(∆,,, )

Nhận xét: Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là đoạn
nối giữa nồi 1 và nồi 2, giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ.Ta chọn tổn thất
nhiệt độ do đường ống là 1oC.

∑∆

,,,

Vậy:

= ∆,1,, + ∆,2,, = 1 + 1 = 2°C

⇒

tổng tổn thất nhiệt độ là:

∑∆ = ∑∆ + ∑∆ + ∑∆
,

,,

,,,

= 20,945 + 13,384 + 2 = 36,329°C

3.6 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi
3.6.1. Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống
Áp dụng công thức ( VI.17─ST2 –T67) :

∆t hi = ∆t ch − ∑ ∆
Trong đó :

∆t ch
= Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ ngưng ở
thiết bị ngưng tụ.

∆t ch = t hd − t nt = 142,9 − 59,7 = 83,2°C
Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống là:

∆thi = 83, 2 − 36,329 = 46,871°C
3.6.2. Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi.
Đồ án qúa trình thiết bị
21


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

t s1 = t1, + ∆,1 + ∆,1,
t s 2 = t 2, + ∆,2 + ∆,2,
t s1 , t s 2 :

nhiệt độ hơi thứ của từng nồi

ts1 = 107,99 + 8,505 + 2,55 = 119,045°C
ts 2 = 60,7 + 12, 44 + 10,834 = 83,974°C
3.6.3. Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi

∆T1 = t1 − ts1 = 142,9 − 119,045 = 23,855°C
∆T2 = t2 − ts 2 = 106,99 − 83,974 = 23,016°C
Kết quả vừa tính cho ta bảng dưới đây:
Bảng 2:

∆,

ứ

∆,,,

∆,,

I
1
8,505
2
12,44
Kiểm tra lại dữ kiện :

2,55
10,834

Hiệu số nhiệt độ

Nhiệt độ sôi

hữu ích

dung dịch

1
1

23,855
21,486

119,045
83,974

Vậy các dữ kiện chọn được thoả mãn.
3.7. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống:
GdCdtso

W1i1

W1.i2

W2i3

Qm1
D.i
(Gd-W1-W2 )C2.ts2
Đồ án qúa trình thiết bị
22

W


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

D
θ1

Cn1

(Gd-W1)C1ts1
W1Cn2

θ2

Trong đó :
-

D:Lượng hơi đốt vào kg/h

-

i, i:1lần
, i 2 lượt là hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1, hơi thứ nồi 2.(J/kg)

-

θ 1: ,Nhiệt
θ 2 độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

Cd,: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu.
(J/kg độ)
: Là nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 và nồi 2. (J/kg độ)
: là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2. (J/kg độ)
Qm1,Qm2 : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị
(kg/h)
W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2

3.7.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
•

Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i

Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd.tso .Cd
•

Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1

3.7.2 Nhiệt lượng mang ra:
•

Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W1 .i1
- Nước ngưng :D.

θ1

.Cn1
- Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
Đồ án qúa trình thiết bị
23


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

- Nhiệt mất mát : Qm1=0,05D(i - C1
θ1

)
•

Nồi 2:
- Hơi thứ : W2. i3
- Nước ngưng : W1.

θ2

.Cn2
- Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cn2)
θ2

3.7.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Các phương trình được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
•

Nồi 1 :

D.i1 + Gd Cd t so = W1.i1 + (Gd − W1 )C1 .t s1 + D.Cn1 .θ1 + Qm1
D.i1 + Gd Cd t s 0 = W1.i1 + (Gd − W1 )C1.t s1 + D.Cn1θ1 + 0,05 D (i − Cn
1θ1 )
(1)
•

Nồi 2 :

W1i2 + (Gd − W1 )C1 .t s1 = W2 i3 + (Gd − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1Cn2θ 2 + Qm2
W1i2 + (Gd − W1 )C1t s1 = W2 i3 + (Gd − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1Cn2θ 2 + 0,05W1 (i2 − Cn
(2)2 )θ 2

=W
Ta lại có: W1 + W2 (3)
Kết hợp pt (1),(2),(3) ta được:
W1 =

W .(i3 − C2 ts 2 ) + Gd .(C2 ts 2 − C1ts1 )
0, 95.(i2 − Cn2θ 2 ) + i3 − C1t s(4)
1

D=

W1 (i1 − C1t s1 ) + G d (C1t s1 − C d t s 0 )
0,95(i − Cn1θ 1 )
(5)

Đồ án qúa trình thiết bị
24


Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt

-

θ1 = t1 = 142,9°C
θ 2 = t2 = 106,99°C


Nhiệt độ sôi của dung dịch

Tra bảng ( I204─ST1─T236 ):
x0 = 15,22% ⇒ ts0 =105,36

Đã tính được : ts1 = 119,045oC
ts2 = 83,974 oC


Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi

θ1 = 142,9 oC⇒ Cn1 = 4294,25 (J/kg độ)(I.249─ST1 – T310)
θ2 = 106.99oC⇒ Cn2 = 4229,087 (J/kg độ)


Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1,nồi 2 và ra khỏi nồi 2 :

Đối với dung dịch loãng ( x <20% ) ta áp dụng công thức sau (I.43 ─ST1 – T152):
C = 4186.(1 – x)



(J/kg.độ)

Áp dụng tính dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x = 15,22%
= 4186.(1 – 0,1522) = 3548,89 (J/kg.độ)
Áp dụng với dung dịch trong nồi 1 có nồng độ = 19,83%
= 4186.(1 – 0,1983) = 3355,92 (J/kg.độ)

Đối với dung dịch đậm đặc (x > 20%) ta áp dụng công thức sau (I.44 ─ ST1 ─
T152)
C = Cht.x + 4186
×

(1- x)

J/kg.độ
Trong đó :

Cht: là nhiệt dung riêng của NaOH (hòa tan khan không có nước) xác định theo
công thức sau :
M1.Cht = ΣCi.Ni ( CT I.41 – ST1 – T152)
M1.Cht = n1.C4+ n2.C5 + n3C6
Đồ án qúa trình thiết bị
25