Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 9100 kg/h, chiều cao ống gia nhiệt h =2m

Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Bộ Công Thương
Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
*~ ○*○~*

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Số…………..
Họ và tên SV :
Lớp
: ĐH Hóa 2- Khóa 5
Khoa
: Công Nghệ Hóa Học
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Văn Hoàn
NỘI DUNG
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt ngoài .Cô đặc
3

dung dịch KNO với năng suất 9100 kg/h ,chiều cao ống gia nhiệt h =2m .
Các số liệu ban đầu :
-Nồng độ đầu của dung dịch là 10%
-Nồng độ cuối là 24 %
-Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 6 at
-Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,24 at
T
T
1

2

Tên bản vẽ
Vẽ dây chuyền sản xuất
Vẽ nồi cô đặc

Khổ giấy

Số lượng

A4
A0

01
01

PHẦN THUYẾT MINH
1. Mở đầu
2. Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất.

3.
4.
5.
6.

Tính toán thiết bị chính
Tính toán và chọn các thiết bị phụ
Tính toán cơ khí
Tổng kết

11

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Mục lục
………………………………………………………………………Trang
Chương I.Giới thiệu chung…………………………………………….4
 I- Lời mở đầu và giới hiệu về dung dịch KNO3……………………4
 II- Hình vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất dung dịch KNO3...6

Chương II.Tính toán thiết bị chính…………………………………….8
Các số liệu ban đầu
I- Tính Cân bằng vật liệu………………………………………………8
 1- Tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống
 2- Tính toán lượng hơi thứ ra khỏi từng nồi cô đặc
 3- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi mỗi nồi

II-Tính cân bằng nhiệt lượng……………………………………...……9
 1- Áp suất chung của hệ thống
 2- Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt vào mỗi nồi
 3- Áp suất, nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
 4- Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi
 5- Tính hiệu số nhiêt độ hữu ích cho từng nồi
 6- Thiết lập PTCB nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt , hơi thứ các

nồi.
 7- Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt trung bình từng nồi
 8- Tính hệ số truyền nhiệt của từng nồi
 9- So sánh ∆t hữu ích và ∆t giả thiết
 10- Tính bề mặt truyền nhiệt.

Chương III.Tính thiết bị phụ…………………………………………31
I- Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu(ống chùm)………………..31
II- Thiết bị ngưng tụ baromet …………………………………….38
22

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

III- Tính Bơm…………………...………………………………….46
IV- Thùng cao vị ……...…………………………………………...49
V- Một số chi tiết khác…………………………………..……...…57
Chương IV.Tính toán cơ khí và lựa chọn thiết bị……………………59
I- Tính buồng đốt……………………………………………….…..59
II- Tính buồng bốc………………………………………………….66
III- Tính bích nối……………………………………………………71
IV- Tính toán một số chi tiết khác ………………………………...72
Chương V. Kết luận chung……………………………………………84
Chương VI . Phụ lục …………………………………………………...86

33

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Chương I:
GIỚI THIỆU CHUNG
I. Lời mở đầu và giới thiệu chung về dung dịch KNO3
1- Lời mở đầu
Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng
công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta
đang phát triển mạnh kéo theo sự phát triển của ngành sản xuất các hợp
chất hóa học,bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùng quan trọng để
các ngành khác phát triển.
Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác,
thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng
trong lỏng. Để năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất
kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch.
Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không
bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn
cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống
trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn
đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền
thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm
theo yêu cầu. trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi
hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong

quá trình sản xuất.
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
44

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.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 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 bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề
một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kếhệ
thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài làm
việc liên tục với dung dịch KNO3,năng suất 9100kg/h, nồng độ dung dịch
ban đầu 10%, nồng độ sản phẩm 24%.

2.Giới thiệu về dung dịch KNO3
• Định nghĩa:

Kali nitrathay còn gọi là diêm tiêu kali, có công thức là KNO3
• Tính chất vật lý và hóa học :
- KNO3là chất lỏng ở dạng những tinh thể, có chứa 13,8% N, 44% K,
0

còn lại là O, nó bị tà phương nóng chảy ở 334 C. Không hút ẩm, tan nhiều
0

trong nước ( ở 20 C là 32g/100g nước )và độ tan tăng nhanh theo nhiệt độ
0

nên rất dễ kết tinh lại. Nó khó tan trong rượu và ete .Ở 400 C, KNO3 phân
huỷ thành kali nitrit và giải phóng oxi:
KNO3 = KNO2+ ½O2
Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá
của Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn.
-Hỗn hợp của KNO3 và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh
liệt. Hỗn hợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than là thuốc súng đen.
• Ứng dụng KNO3 :
55

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

+được dùng làm phân bón
+chất bảo quản thịt

+ dùng trong công nghệ thủy tinh, công nghệ luyện kim
+được dùng làm thuốc nổ công nghiệp…
•Cách khai thác và điều chế KNO3:
Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từ phân dơi hay đúng hơn
từ đất ở trong các hang có dơi ở. Phân dơi trong các hang đó lâu ngày bị
phân huỷ giải phóng khí NH3. Dưới tác dụng của một số vi khuẩn, khí
NH3 bị oxi hoá thành nitrơ và axit nitric. Axit này tác dụng lên đá vôi tạo
thành Ca(NO3)2, muối này một phần bám vào thành hang, một phần tan
chảy ngấm vào đất trong hang. Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi
rồi dùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO3 :
K 2CO3

Ca(NO3)2 +
 2KNO3 + CaCO3
Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêu tuy
ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc kháng
chiến chống Pháp trước đây.

II.Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh
Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục
-Dung dịch đầu KNO3 10% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ
thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi
nhiệt (5) . Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt
độ sôi rồi đi vào nồi (6). Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung 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 của tháo khí không ngưng.Nước ngưng
được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng .Dung dịch sôi ,
dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ .Hơi thứ trước khi ra khỏi
nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi

theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
-Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó 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 (2) 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
(10).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet
(8).Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ
66

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không
ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11).

Chú giải: 1. Thùng chứa lượng nước đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị trao đổi nhiệt
6,7. Nồi cô đặc
8. Thiết bị ngưng tụ Baromet
9. Bộ phận thu hồi bọt
10. Thùng chứa sản phẩm

11. Bơm chân không
77

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Chương II :
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Các số liệu ban đầu
Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 9100 kg/h
Nồng độ đầu : xđ = 10%
xc = 24%
P hơi đốt nồi 1 : Phd1 = 6 at
P hơi ngưng tụ : Png = 0,24 at
I. Tính cân bằng vật liệu.
1 - Tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống .
Từ công thức( VI.1-ST2- T55):

 x 
W = Gd × 1 − d 
xc 

Ta có tổng lượng hơi thứ của hệ thống là :

W = 9100×

 10 
1 − 
 24 

= 5308,33 (Kg/h)

2 - Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi.
Chọn tỷ lệ phân bố hơi thứ của hai nồi như sau :
W1 : W2 = 1 : 1,03
Trong đó : W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1
W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

88

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Từ cách chọn tỷ lệ đó thì ta tính được lượng hơi thứ bốc ra ở
mỗi nồi theo hệ phương trình sau:
(Kg/h)

3- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi mỗi nồi.
Lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là :
G1 = Gd - W1 = 9100 – 2614,94= 6485,06 (kg/h).
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là :

x1 =

=

Gd × xd
Gd − W1

9100.10
9100 − 2614,94

(VI.2a-tr57-T2)

= 14,032 % khối lượng.

Lượng dung dịch ra khỏi nồi 2 là :
G2 = Gd - W1 - W2 = 9100 – 2614,94- 2693,39 = 3791,67 (kg/h).
Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 2 là :

x2 = Gd.×

xd
Gd − W1 − W2

10
≈ 24%
3791, 67
= 9100×

Đúng như bài ra ban đầu đã cho nồng độ cuối của nồi 2 là 24%

II. Tính cân bằng nhiệt lượng.
1- Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р):
∆Ρ = Ρhd1 − Ρng

99

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

= 6 − 0, 24 = 5, 76

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

at

Trong đó:
Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1
Рng :áp suất hơi nước ngưng.

2- Nhiệt độ, áp suất hơi đốtcủa mỗi nồi.
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
∆P1 2,9
=
⇒ ∆P1 = 2,9∆P2
∆P2
1

mà:

∆P1 + ∆P2 = 5, 76

5, 76
= 1, 4769( at )
3, 9
∆P1 = 5, 76 − 1, 4769 = 4, 283( at )

⇒ ∆P2 =

* Vậy áp suất hơi đốt ở từng nồi là:
Ở nồi 1 : P1 = 6 at
Ở nồi 2:

P2 = 6 − 4, 283 = 1,1717( at )

* Xác định nhiệt độ hơi đốt ở mỗi nồi:
Tra bảng (I.251/ST1-T315) :
0

Ở nồi 1 : P1 = 6 at ⇒ t1 = 158,1

C
0

Ở nồi 2: P2 = 1,1717at ⇒ t2=114,806
Hơi ngưng tụ:

C

Pnt = 0, 24 at ⇒ tnt = 63, 3 °C

3- Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi.

1010

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Nhận xét: khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2 ,và hơi thứ từ nồi 2 đi
sang thiết bị ngưng tụ thì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là :
đó nó sẽ trở thành hơi đốt cho nồi 2: chọn

∆ = 1 : 1,5°C

∆ = 1°C

,và khi

Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:

t1, , t 2, , P1, , P2,
ta có:

t1, = t2 + 1 = 114,806 + 1 = 115,806 °C
t2, = tnt + 1 = 63,3 + 1 = 64,3 °C

Tra bảng (I.250/ST1-T313), ứng với mỗi nhiệt độ hơi thứcủa mỗi nồi sẽ
cho áp hơi thứ tương ứng:

Áp suất hơi thứ nồi 1:

t1' = 115, 806 0C ⇒

P1'

= 1,7725 at

Áp suất hơi thứ nồi 1:

t2' = 64,3 0C ⇒ P2'

= 0,251 at

Kết quả tính được cho ta bảng dưới đây:
Bảng 1:

Nồi

Lượng
hơi thứ

Nồng
độ cuối

Kg/h

%

Áp suất, nhiệt độ
hơi đốt

PI at

t i °C

∆

Áp suất, nhiệt độ
hơi thứ

Pi , at

t i, °C
1111

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

1

2614,9
4

14,032

6

158,1

1

1,7725

115,806

2

2693,3
9

24

1,1717

114,806

1

0,251

64,3

4- Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi
4.1- Tổn thất nhiệt độ do nồng độ :

∆, °C

Áp dụng công thức(VI.10/ST2 – T59) :
∆ , = ∆ ,o . f

(°C )

T2
f = 16, 2.
r

Trong đó:

T:Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho

°K

r: Nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việcJ/kg
* Tra bảng (VI.2/ST2 – T62) :
x1 = 14, 032% ⇒ ∆,01 = 1, 3032°C
x2 = 24% ⇒ ∆ ,02 = 2.4 °C
* Xác định nhiệt độ Ti :

T1 = T1' + 273 = 115,806 + 273 = 388, 806° K
T2 = T2' + 273 = 64, 3 + 273 = 337, 3° K

* Xác định ri:

Tra bảng (I.250/ST1 – T312)

t1' = 115, 608 ⇒ r1 = 2218, 372.103 ( J / kg )
t2' = 64, 3 ⇒ r2 = 2346, 75.103 ( J / kg )
1212

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Nên ta có tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi là :

(388,806) 2
∆ = 16, 2 × 1, 3032 ×
= 1, 43865°C
2218, 372 × 103
,
1

(337, 3) 2
∆ = 16, 2 × 2, 4 ×
= 1,8849 °C
2346, 75 × 103
,
2

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

⇒ ∑ ∆,i = ∆1, + ∆ ,2 = 1, 43865 + 1, 8849 = 3, 3235°C
4.2- Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:

∆,,

- Áp dụng công thức VI.12 (STT2.T60 )

h P .g
Ptb = P0 + (hi + ). dds 4
2 9,81.10

P0

( at )

: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng dung dịch (at)

hi

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

h
: chiều cao của ống truyền nhiệt (m)

ρ dds

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

g
: gia tốc trọng trường (m/s2)
- Khối lượng riêng của dung dịch KNO3 ứng với mỗi nồng độ được xác
định theo bảng (I.21/ST1 – T33) :

x1 = 14, 032% ⇒ ρ dd 1 = 1090, 28( kg / m3 )
x2 = 24% ⇒ ρ dd 2 = 1162,33( kg / m3 )
1313

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là :

1090,28
= 5845,14( kg / m3 )
2
1162,33
=
= 581,165( kg / m3 )
2

ρ dds1 =
ρ dds 2

- Chọn h1 = 0,5 m và h2 = 0,85 m

2 545,14 × 9,81
Ptb1 = 1, 7725 + (0, 5 + ) ×
= 1,8733( at )
2
9,81.104
2 581,165 × 9,81
Ptb 2 = 0, 251 + (0,85 + ) ×
= 0,3585(at )
2
9,81.10 4
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
Với nồi 1 : Ptb1 = 1,8833 at
Với nồi 1 : Ptb2 = 0,3585 at

⇒
⇒

0

ttb1 = 117,509

C

0

ttb2 = 72,61

C

.

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

∆ ,, = ttb − t0
0

C

Trong đó: ttb - Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb .
0

t 0- Nhiệt độ sôi ứng với áp suất P0 .

C

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

∆1,, = ttb1 − t01 = 117, 509 − 115,806 = 1, 703°C
∆ ,,2 = ttb 2 − t02 = 72, 61 − 64, 3 = 8, 31 °C
⇒ ∑ ∆ ,, = ∆1,, + ∆ ,,2 = 1,703 + 8,31 = 10,013°C

1414

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

4.3- Tổn thất do đường ống

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

(∆,,, )

.

- Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là :1oC

∑∆

, ,,

Vậy:
⇒

= ∆,1,, + ∆,2,, = 1 + 1 = 2°C

Tổng tổn thất nhiệt độ cả hệ thống là:

∑∆ = ∑∆ + ∑∆ + ∑∆
,

,,

,,,

= 3,3235 + 10,103 + 2 = 15,3365 0C

5- Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi
5.1- Hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống được xác định :
Áp dụng công thức ( VI.17/ST2 –T67) :

∆t hi = ∆t ch − ∑ ∆

(Theo CT VI.17/ST2 –T67)

Trong đó :

∆tch

: Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.

∆tch = thd − tnt = 158,1 − 63,3 = 94,8°C
Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thốnglà:

∆thi = 94,8 − 15,3365 = 79, 4635°C
5.2- Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi.

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

nhiệt độ hơi thứ của từng nồi
1515

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5

Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

t s1 = 115,806 + 1, 43865 + 1, 703 = 118,94765°C
t s 2 = 64,3 + 8,31 + 1,8849 = 74, 4949 °C
5.3- Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi.

∆T1 = t1 − t s1 = 158,1 − 118, 49765 = 39, 602°C
∆T2 = t2 − ts 2 = 114,806 − 74, 4949 = 40,3111°C
Kết quả vừa tính cho ta bảng dưới đây:
Bảng 2:

Nồi

∆,

∆,,

1

1,43865

1,703

2

1,8849

8,31

thứ

∆,,,

Hiệu số nhiệt
độ hữu ích

Nhiệt độ sôi
của dung dịch

1

39,602

118,49765

1

40,3111

74,4949

i

Kiểm tra lại dữ kiện :

ε=

∆T1 −

∆thi

∆thi

2 =

39, 602 − 79, 4635
79, 4635

2

2 = 0, 32 % < 5 %

2

Vậy các dữ kiện chọn được thoả mãn.

6- Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng.
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

D.i1

i1'

W1 . W1 . i2W2 .

i2'

1616

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Qm1Qm2

(Gd -W1 -W2 )C2 .ts2
Gd .ts0 .Cd (Gd - W1 )C1.ts1
D.Cp1 .

θ1

W1 .Cp2 .

θ2

Trong đó :
D:Lượng hơi đốt vào (kg/h)

i1 , i2
i1' , i2'

: Hàm nhiệt của hơi đốtnồi 1 , nồi 2 (J/kg)
: Hàm nhiệtcủa hơi thứ nồi 1 , nồi 2 (J/kg)

θ1 , θ 2

: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

Cd:Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg độ)
Cp1 , Cp2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 , nồi 2 (J/kg độ)
C1, C2 : Nhiệt dung riêng của hơi đốt ra khỏi nồi 1 , 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
6.1-Nhiệt lượng vào gồm có:
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i1
Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd
- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1
6.2- Nhiệt lượng mang ra:
1717

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

- Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W1

i1'

θ1

- Nước ngưng :D. .Cp1
- Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
θ1

- Nhiệt mất mát :=0,05D(i1 - C1 )
- Nồi 2 :
- Hơi thứ : W2.

i2'

- Nước ngưng : W1.

θ2

.Cp2

- Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: = 0,05W1(i2– Cp2)

θ2

6.3- Hệ phương trình cân bằng nhiệt:

Các PT được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
- Nồi 1 :

D.i1 + Gd Cd ts 0 = W1 .i1' + (Gd − W1 )C1.t s1 + D.C p1.θ1 + Qm1
θ1

Trong đó :=0,05D(i1 - C1 )

⇒ D.i1 + Gd Cd t s 0 = W1.i1' + (Gd − W1 )C1.ts1 + D.C p1θ1 + 0, 05D(i1 − C1θ1 )
(1)
- Nồi 2 :

W1i2 + (Gd − W1 )C1 .ts1 = W2 i2' + (Gd − W1 − W2 )C2 ts 2 + W1C p 2θ 2 + Qm2
Trong đó := 0,05W1(i2– Cp2)

θ2

1818

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB
⇒ W1i1 + (Gd
'

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

− W1 )C1ts1 = W2i2' + (Gd − W1 − W2 )C2ts 2 + W1C p 2θ2 + 0,05W1 (i2 − C p 2 )θ2

mà ta lại có:

(2)

W1 + W2 = W

(3)

Giải hệ phương trình (1),(2), và (3) ta được :
W (i2' − C2t s 2 ) + Gd (C2t s 2 − C1t s1 )
W1 =
0, 95(i2 − C p 2θ 2 ) + i2' − C1ts1

(4)

Thay (4) vào phương trình (1) ta có :
W1 (i1' − C1t s1 ) + Gd (C1t s1 − Cd ts 0 )
D=
0, 95(i1 − C p1θ1 )

(5)

- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt

θ1 = 158,1 °C
θ 2 = 114,806 °C
Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt độ càng
cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các quá trình
sản xuất khác.

Vì vậy ta có thể chọn : ts0 = ts1 = 118,9475oC
ts2 = 74,4949oC
- Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng (I.249/ST1 – T311)
ta có:
θ1 = 158,1oC

⇒ Cp1 = 4334,68 (J/kg độ)

θ2 = 114,806oC ⇒ Cp2 = 4214,17 (J/kg độ)
- Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1 ,nồi 2 và ra khỏi nồi 2 :
+ Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10%.
Đối với dung dịch loãng ( x < 0,2 ) ta áp dụng công thức I.43 /ST1 – T152 ta có:
×

×

Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1) = 3764,7 (J/kg độ)
+ Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x1 = 14,032 %
Cũng áp dụng công thức trên ta được:
1919

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
×

×

C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,14032) =3598,62 (J/kg độ)
+ Dung dịch ra khỏi nồi 2 có nồng độ xc = 24 %
Đối với dung dịch ( x > 0,2 ) ta áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có:
×

C2 = Cht.x + 4186 (1- x)
Với Cht là nhiệt dung riêng của KNO3 được xác định theo công thức
(I.41/ST1 – T152)
M1.Cht = n1.C1 + n2.C2 + n3C3
trong đó :

M1 KLPT của KNO3 : M1 = 101
n1 Số nguyên tử K : n1 = 1
n2 Số nguyên tử O : n2 = 3
n3 Số nguyên tử N : n3= 1

C1 , C2 , C3 Nhiệt dung riêng của nguyên tử K, O , N .Tra từ bảng (I.141
/ST1 – T152) ta có :
C1 = 26000 J/kg.nguyên tử. độ
C2 = 16800 J/kg.nguyên tử. độ
C3 = 26000 J/kg.nguyên tử. độ
Vậy :

Cht =

26000 + 16800.3 + 26000
= 1013,8613
101

(J/kg độ)

Từ đó ta sẽ tính được nhiệt dung riêng của hơi đốt ra khỏi nồi 2 :
×

C2 = 1013,8613 0,24 + 4186.(1- 0,24) = 3424,686 (J/kg độ).
- Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ;
Tra bảng ( I.250/ST1 – 312 )

t1 = 158,1C ⇒ i1 = 2768000 J / kg
t2 = 114, 806°C ⇒ i1' = 2706510 J / kg
t1, = 115, 806°C ⇒ i2 = 2708176 J / kg
t2, = 64, 3°C ⇒ i2' = 2613644 J / kg
2020

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Thay các kết quả ta đã tính toán được vào phương trình (4) ta được kết quả
sau :

W1 =

5308,33(2613644 − 3424,6867.74, 4949) + 9100(3424, 6867.74, 4949 − 3598,62.118,9475)
0,95(2706510 − 4214,17.114,806) + 2613644 − 3598, 62.118,9475

W1 = 2547,309(kg / h)
Thay W1 vào phương trình (5) ta được :
D=

2547,309(2108176 − 3598, 62.118,9475) + 9100(3598, 62.118,9475 − 3767, 4.118,9475)
0,95(2768000 − 4334, 68.158,1)

D = 2194, 059( kg / h)

Từ (3)

⇒ W2 = W − W1 =

−

5308,33 2547,309 = 2761,02 (kg/h).

Ta có bảng số liệu 3 như sau :
Bảng 3:
Nồi

C

Cn

J/kg độ

J/kg độ

1

3598,62

4334,68

2

3424,6867 4214,17

θ, °C

W , kg/h

Sai số

CBVC

CBNL

ε

158,1

2614,94

2547,309

2,6549%

114,806

2693,39

2761,02

2,4494%

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiện như sau :
W1 : W2 = 1: 1,0838
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân
bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.

2121

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

7- Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi.
7.1-Tính hệ số cấp nhiệt

α

khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1
∆ 11 , ∆ 12

và nồi 2 là :
- Với điều kiện làm việc của phòng đốt thẳng đứng H = 2m, hơi ngưng bên
ngoài ống ,máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính
theo công thức ( V.101/ST2 – T28 ):

α = 2,04. A.(

ri
∆t1i .H

) 0, 25
W/m2. độ

Trong đó:

α 1i

∆ 1i

: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i, W/m2. độ
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc

với hơi ngưng của nồi 1, o C .
∆11 = 4,78°C

Giả thiết:

∆12 = 4,72°C

ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt:

Tra bảng I.250/ST1 – T312 ta có:
⇒

t1 = 158,1oC
o

t2 = 114,806 C

⇒

r1 = 2095.103 J/kg
r2 = 2221,15.103 J/kg

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +ti )

o

C (*)

ti: nhiệt độ hơi đốt
2222

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

tTi : nhiệt độ bề mặt tường
mà ta lại có:

∆t1i = t i − tTi
⇒ tTi = t i − ∆t1i

(**)

thay (**) vào (*) ta được :

t mi = ti − 0,5∆t1i
Với:

→

t1 = 158,1oC
o

t2 = 114,806 C

→

tm1 = 158,1 – 0,5.4,78= 155,71oC
tm2 = 114,806– 0,5.4,7= 112,456oC

Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : (ST2 – T 29 )
với:

o

tm1 = 155,71 C
tm2 = 112,456oC

⇒
⇒

A1 = 196,3567

A2 = 184,6052

Vậy hệ số cấp nhiệt của mỗi nồi là :
Nồi1 :
0,25

 2095.103 
α11 = 2, 04.196, 3567. 
÷
 4, 78.2 

= 8666, 773
W/m2. độ

Nồi 2 :
0,25

 2221,15.103 
α12 = 2, 04.184, 6052. 
÷
 4, 72.2 

= 8294, 014
W/m2.độ

7.2- Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
( CT 4.14/QTTB1 – T1 )

q1i = α 1i .∆t1i

W/m2

Trong đó : q1i : nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của nồi i , W/m2
Thay số vào ta có :
2323

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

Nồi 1 :

q11 = 8666,773.4,78= 41427,174(W/m2)

Nồi 2 :

q12 = 8294,018.4,72 = 39147,7(W/m2)

Từ các kết quả trên ta được bảng số liệu sau :
Bảng 4 :
Nồi

∆t1i ,°C

tmi , °C

1

4,78

155,71

2

4,7

112,456

A

α 1i , W / m 2 do

q1i , W / m 2

196,3567

8666,773

41427,174

184,6052

8294,018

39147,7

7.3- Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

α 2i

W/m2 độ

Ta xác định hệ số này theo công thức:
(CT /QTTB1 – T332)

α 2 I = 45,8.PI .∆t 2i
0.5

2 , 33

.ψ i

(W/m2độ )

(1)

Pi: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:

P1, = 1,7725 at

P2, = 0,251 at

∆t 2i

: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.

∆t 2i = t T 2i − t ddi = ∆Ti − ∆t1i − ∆t Ti

(2)

- Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt

2424

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5


Đồ Án Môn Học QT&TB

∆t Ti = q1i .∑ r

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn

, oC

(3)

- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

∑r = r

1

+ r2 +

δ
λ

m2 độ/W

(4)

Với : r1 , r2 : nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường ( bên ngoài cặn bẩn của nước
ngưng ,bên trong cặn bẩn do dung dịch)
- Tra theo bảng ( V.I/ST2 - T4) ta có :
r1 = 0,232.10-3 m2 độ/W
r2 = 0,387.10-3 m2 độ/W

- Tra bảng ( VI.6/ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

δ = 2mm = 0,002m
- Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép CT3, hệ số dẫn nhiệt của nó là:
λ = 46
W/m. độ
Thay vào PT (4) ta được :

∑ r = 0, 232.10−3 + 0,387.10−3 +
⇒

−4
0, 002
= 6, 6247.10
46

m2 độ/W

Thay vào phương trình (3) ta có hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền
nhiệt của mỗi nồi là :
Nồi 1 :

∆tT 1 = 41427,174.6, 6247.10−3 = 27, 4442°C

Nồi 2 :

∆tT 2 = 39147, 7.6, 6247.10−3 = 25, 934°C

Từ bảng 2 thì ta có hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi là :

∆T1

= 39,602oC
2525

SVTH :: ĐHCN Hóa 2_ K5