Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH

GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

MỤC LỤC

1


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

2


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

3


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

LỜI NÓI ĐẦU
Đồ án Quá Trình Và Thiết Bị là một môn học hữu ích , giúp cho sinh viên chúng em ôn lại
các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra đây còn là dịp mà
sinh viên học được cách thiết kế thông qua việc lựa chọn, tính toán các chi tiết của một
thiết bị với các số liệu cụ thể và gần với thực tế.
Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực
hiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy
cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn.
Đồ án này , em thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của cô Cao Thị Nhung,
và các thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học trường Đại học
Bách khoa thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm cô Cao Thị Nhung và các thầy
cô cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.

4


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I.
−

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH.
3

 Năng suất nhập liệu: 1 m /h
 Nồng độ đầu: 15% khối lượng
 Nồng độ cuối: 20% khối lượng
 Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,3 at
−
II.

o

Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 C (chọn)
GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
−

Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng
o

o

riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 C và sôi ở 1388 C dưới áp suất khí quyển. NaOH tan
o

tốt trong nước (1110 g/l ở 20 C) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong
các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ
hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín.
− Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta
cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất
−

NaOH.
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản
và lâu năm. Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác
như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn...

−

Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH) 2 tác dụng tới dung
dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung
dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, gây
khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải
cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC
1. Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2 hai
nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt
độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi
hơn); đó là các quá trình vật lý – hoá lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không
bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng
5


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

2. Các phương pháp cô đặc
−

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới
tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất
lỏng.

−

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới
dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.
Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó
xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh.

3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
− Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất

lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để
−

các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt
và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo
(protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.

4. Ứng dụng của sự cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…

Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như
một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt
động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát
triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có
những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho
người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các
nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.
IV. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1. Phân loại và ứng dụng
1.1. Theo cấu tạo
−

Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này có thể
cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền
nhiệt. Bao gồm:
6


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

−

•

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

•

Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm này
dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm
chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, độ nhớt
cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

−

•

Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

•

Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung
dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác dụng
nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các
dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:
 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt

khó vỡ.
 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và

bọt dễ vỡ.

1.2. Theo phương thức thực hiện quá trình
−

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng
trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại
và thời gian cô đặc ngắn nhất.

−

Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung dịch
tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.

−

Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó làm
giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai
phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh
tế.

−

Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động
nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc
không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp
dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.

2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
−

Thiết bị chính:
7


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
 Ống nhập liệu, ống tháo liệu
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng
−

Thiết bị phụ:
 Bể chứa nguyên liệu
 Bể chứa sản phẩm
 Bồn cao vị
 Lưu lượng kế
 Thiết bị gia nhiệt
 Thiết bị ngưng tụ baromet
 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
 Bơm tháo liệu
 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
 Bơm chân không
 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

V.

−

LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề, người
viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn
trung tâm. Thiết bị cô đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa.

−

Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng,
hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị).

−

Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống
tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp

8


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
−

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15%. Dung dịch từ bể chứa nguyên
liệu được bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào

−

thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên
trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống được giữ
chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có
áp suất 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi
nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng
nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào
thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và

−

theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung
tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài
ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong
ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung
cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi
để chảy ra ngoài.
−

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối
lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung
dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi

tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở
ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả
là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và
từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
−

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng. Hơi thứ đi
lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng.

−

Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại được hoàn lưu.
Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm
nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào
thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là nước được
bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị.
9


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn
chứa qua ống baromet. Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách
giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích
của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet
là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm
việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có

thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.
− Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo
dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.
− Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí
không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và
nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc.

10


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

11


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1. Dữ kiện ban đầu

 Nồng độ đầu: xđ = 15 %
 Nồng độ cuối: xc =20 %
3

 Năng suất nhập liệu: Vđ = 1m /h
o

 Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 C
 Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at
2. Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (Gc)
o

3

Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15 % ở 30 C: ρđ = 1158,84 kg/m (tra bảng 4, trang
35, [1]).
Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1158,84 = 1158,84 kg/h
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:
Gđ .xđ = Gc.xc
(1)
Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:
Gđ = W + G c
(2)
3. Tổn thất nhiệt độ

Ta có, áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc= 0,7at
Nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ tc là 89,3oC (trang 314, [1]).

Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ.
o

Chọn Δ’’’ = 1 C (trang 296, [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm(po) - tc = Δ’’’⇒ tsdm(po) = tc + Δ’’’ = 89,3 + 1 = 90,3 oC
Áp suất buồng bốc: tra trang 312 ,[1] ở nhiệt độ 90,3 oC ⇒ po = 0,7238 at

12


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)

Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:
∆' = ∆'o . f
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 khí quyển.
Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 20 %.
o

Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: ∆'o = 8,2 C

•

f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, trang 59,
[2]:
Trong đó :
•

t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất buồng bốc (t sdm(po) = 90,3 oC)
•
r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc(p 0= 0,7238 at)
Tra bảng I.251, trang 314, [1]: r = 2284,096 kJ/kg.
(3)
⇒Δ’ = 8,2 . 0,9378 = 7,6902 oC

⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 90,3 + 7,6902 = 97,9902 oC
3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)

(4)
(5)

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2), ta có:
(6)
Trong đó:
•

ρs – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; kg/m3
ρs = 0,5.ρdd

•

ρdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Chọn tsdd(po+ Δp) = 99 oC, C% = xc = 20 %, ta có ρdd = 1173,14 kg/m3 (tra bảng
I.23, trang 35, [1]).

•

⇒ ρs = 0,5.ρdd = 0,5 * 1173,14 = 586,57 kg/m3

(7)

Hop chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m
Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd - ρdm)] .ho
Thiết bị tuần hoàn tự nhiên, ta chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 1,5 m (bảng
VI.6, trang 80, [2])
ρdm - khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 99 oC. Tra bảng
I.249, trang 311, [1], ρdm = 961,12 kg/m3

⇒ Hop = [0,26 + 0,0014.( 1173,14 – 961,12)].1,5 = 0,8352 m

(8)
13


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

⇒

(9)
⇒ ptb = po + Δp = 0,7238+ 0,0245 = 0,7483; at
(10)
Tra bảng I.251, trang 314, [1], ptb = 0,7483 at ứng với tsdm(ptb) = 91,076oC
Ta có:
Δ’’ = tsdm(po + Δp) - tsdm(po) (trang 296, [5])
(11)
o
⇒ Δ’’ = 91,076 – 90,3 = 0,776 C
Mà Δ’’= tsdd(po + Δp) - tsdd(po)
(12)
o
⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 97,9902 + 0,776 = 98,7662 C
Sai số chọn so với tính toán ≈ 0,237% ⇒chấp nhận tsdd(ptb) đã chọn .
Vậy tsdd(ptb) = 99 oC
Do sản phẩm được lấy ra tại đáy
⇒ tsdd(po + 2Δp) = tsdd(po) + 2Δ’’=97,9902 + 2×0,776 = 99,54 oC
3.3. Tổng tổn thất nhiệt độ (ΣΔ)
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ΣΔ = 7,6902 + 0,776 + 1 = 9,4662 oC
(13)
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3at, t D =132,9 oC (bảng I.251, trang
315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
Δthi = tD - (tc + ΣΔ)
⇒Δthi = 132,9 - (89,3 + 9,4662) = 34,1338 oC

(14)

14

GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị

Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu

xđ
xc
Gđ
Gc

%wt
%wt
kg/h
kg/h

15
20
1158,84
869,13

kg/h
at
o
C
kJ/kg
kJ/kg

289,71
0,7238
90,3
2661,56
2279,92

at
o
C
kJ/kg

3
132,9
2171

o

97,9902
7,6902
0,7483
91,076
0,776
99
99,54
1
9,4662
34,1338

HƠI THỨ
Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ
Enthalpy
Ẩn nhiệt ngưng tụ

W
po
tsdm(po)
iW
rW
HƠI ĐỐT

Áp suất
Nhiệt độ
Ẩn nhiệt ngưng tụ

pD

tD
rD
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Áp suất trung bình
Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy
Tổn thất nhiệt độ trong đường ống
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

tsdd(po)
Δ’
ptb
tsdm(ptb)
Δ’’
tsdd(ptb)
tsdd(po + 2Δp)
Δ’’’
ΣΔ
Δthi

C
C
at
o

C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o

15


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
Cân bằng năng lượng

4.

Cân bằng nhiệt lượng

4.1.

Dòng nhiệt vào (W):
• Do dung dịch đầu
• Do hơi đốt
• Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

Gđcđtđ
Di”D
φDctD

Dòng nhiệt ra (W):
•
•
•

Do sản phẩm mang ra
Do hơi thứ mang ra
Do nước ngưng
• Nhiệt cô đặc
• Nhiệt tổn thất

Gccctc
Wi”W
Dcθ
Qcđ
Qtt

Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15 % trước và sau khi đi qua thiết bị gia
nhiệt
•

•

tvào = 30 oC
tra TBGN = tsdd(po) = 97,9902oC

⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 97,9902oC
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 20 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là (công thức 2.15, trang
107, [3]) :
tc = tsdd(po + 2Δp)= tsdd(po )+2Δ’’= 97,9902+ 2×0,776=99,54 oC

(15)

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức
(I.43) và (I.44), trang 152, [1]:
• a = 15 % (a < 0,2):
cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,15) = 3558,1 J/(kg.K)
• a = 20 % :
cc = 4186.(1 - a) + cct .a = 4186.(1 - 0,2) + 1310,75.(1-0,2) = 3610,95 J/(kg.K)
Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng

I.141, trang 152, [1]:

Phương trình cân bằng nhiệt

4.2.

Gđcđtđ + D iD" + φDctD = Gccctc + W iW" + Dcθ ± Qcđ + Qtt

(17)

(+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)
Có thể bỏ qua:
• Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng
đốt: φDctD = 0
•

Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0
16


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ =
0,05 (độ ẩm của hơi)
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1- φ)( i”D – cθ); W
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi
ngưng) thì (i”D – cθ)= rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
(17) ⇒ D(1 - φ)( i”D – cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW" + Qtt

(18)

Thay Qtt = εQD = 0,05QD
(18) ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( i”D – cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W (iW"- cctc)

(19)

⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến:

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D(1 - ε)(1 - φ).rD =0,09632.(1 - 0,05).(1-0,05). 2171000=188722,42 W
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
Thông số
Nhiệt độ vào buồng bốc
Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt
Nhiệt dung riêg dung dịch 15%
Nhiệt dung riêng dung dịch 20%
Nhiệt tổn thất
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Lượng hơi đốt biểu kiến
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Ký hiệu
tđ
tc
cđ
cc
Qtt(=0,05 QD)
QD
D
d

Đơn vị
o
C
o
C

J/(kg.K)
J/(kg.K)
W
W
kg/s
kg/kg

Giá trị

97,9902
99,54
3558,1
3610,95
9436,12
188722,42
0,09632
1,1969

17


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
• Các kí hiệu và công thức

α 1 : hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi (W/m2K)

α2

: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi( W/m2K)

q1

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (W/m2)

q2

: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi(W/m2)

qv

: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m2)
t v1

: nhiệt độ trung bình vách ngoài ống (oC)

t v2

: nhiệt độ trung bình vách trong ống (oC)

tD

: nhiệt độ hơi ngưng, tD = 132,9(oC)

tdd

: nhiệt độ dung dịch sôi (oC)
∆t 1 = t D − t v1

Δt2 = tv2 – tsdd(ptb)
∆t v = t v1 − t v2

tm =

Nhiệt độ màng nước ngưng (oC) :
1)

1
t D + t v1
2

(

)

Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:

q 1 = α 1 .∆t 1 (W/m2)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]

α1 = 2,04. A.4

Với A=

r
∆t1.H

 ρ 2 .λ3 


 µ 

0 , 25

phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m . Ta tra hệ số A trong bảng

trang 28,[2]
Thực hiện tính lặp ta chọn nhiệt độ vách ngoài tv1=130,6 0C
18


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
⇒

Bảng Thông số A theo tm
tm, oC
A

0
104

20
120

40
139

60
155

80
169

100
179

120
188

140
194

160
197

180
199

200
199

⇒ A=191,5
r =: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD (r = 2171

× 103 ; J/kg)

H : chiều cao ống truyền nhiệt ( H= 1,5 m)

2.

Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi
α 2 .∆t 2 (W/m2)
Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi: q2 =
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]

λ
α 2 = α n  dd
 λn





0 , 565

 ρ
. dd
 ρ n

2
 cdd µ n 
 . .

 cn µ dd 

0 , 435

Trong đó :
 Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa vách tường với dòng chất lỏng sôi

Thực hiện tính lặp, ta có nhiệt độ vách ngoài tv2= 107,4 0C
⇒ Δt2 = 107,4 - 99= 8,4 K
 αn: hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt nên α n

được tính theo công thức (V.91), trang 26, [2]: (W/m2K)
0,5
2,33
αn = 0,145.p .Δt2
Với p = p0 =0,7238 at = 73339.035 (N/m2): áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng
Δt2 = 8,4 K
•

Các thông số của nước ở tsdm(ptb) ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [1] ):
tsdm = 91,076(oC)
19


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
ρ n = 964,6 - khối lượng riêng (kg/m3)

cn = 4257,6 - nhiệt dung riêng (J/kg độ)

µ n = 0,3114×10-3 - độ nhớt (Ns/m2)
λ n = 68,02×10-2 -hệ số dẫn nhiệt (W/mK)
•

Các thông số của dung dịch theo nồng độ ở tsdd(ptb)=99
µ dd = 1,156×10-3 - độ nhớt (Ns/m2) tra ở bảng 9 trang 17 Tài liệu [8]

cdd = 3610,95 -nhiệt dung riêng (J/kg độ) xác định theo nồng độ
ρ dd

3
= 1173,14 - khối lượng riêng (kg/m ) xác định theo nồng độ ở

tsdd(ptb)
λ dd tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]

λ = AC.ρdd 3

ρ  W 
;
÷
M  m.K 

A–hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng
-8

Đối với chất lỏng liên kết, A =3,58.10

M–khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O.
M= a.MNaOH + (1 – a).MH2O ; kg/kmol
Với a là phần mol của dung dịch NaOH
Xem nồng độ NaOH trong dung dịch là 20% (xc)

xc

0, 2
M NaOH
40
a=
=
= 0,1011
xc
1 − xc 0, 2 1 − 0, 2
+
+
40
18
M NaOH M H 2O
⇒ M=0,1011.40+0,8989.18= 20,2242(đvC)

⇒ q2 = 9995,8×14,6= 27177 W/m2

20


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
3.

Nhiệt tải riêng phía tường truyền nhiệt

qv =

∆t v
∑ rv

Với quá trình cô đặc chân không liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2
∆t v =

⇒

qv .∑ rv

=25307×0,9158×10-3=23,2;K

Trong đó:
Δtv = tv1 - tv2 ( K) - chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường

∑r

=

v

1 δv 1
+ +
r1 λ r2

•

: nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31,

•

trang 29, [8])
: nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1,

•
•

trang 4, [2])
δv =3mm = 0,003m : bề dày ống truyền nhiệt
λv = 16,3 W/mK: hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2]
với ống được làm bằng thép không gỉ X18H10T

⇒

∑r
4.

v

= r1 +

δ
0,003
+ r2 = 0,3448.10−3 +
+ 0,387.10−3 = 0,9158.10−3 ( m2 / K .W)
λ
16,3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc
1
K=
1
1
+ ∑ rv +
α1
α 2 , W/m2K

5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
6. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng

Do không biết chính xác nhiệt độ vách ống truyền nhiệt nên phải thực hiện tính lặp như sau:
1)

Chọn

2)

Tính

t v1

(< tD )

⇒ ∆t 1

α 1 theo công thức
21


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
3)

Tính q1 theo công thức

4)

Tính

∆t v theo với q = q
v
1

5)

Tính

α n theo với q = q1

6)

Tính

α 2 theo công thức

7)

Tính q2 theo công thức

8)

9)

Tính qtb =

⇒ t v2 , ∆t 2

1
.( q1 + q2 )
2

Xác định sai số ss =

Nếu ss > 5% thì chọn lại

q 1 − q tb
q1
t v1

và lặp lại quá trình tính đến khi đạt sai số nhỏ

10) Tính K theo công thức
 Bảng tóm tắt kết quả tính toán

Thông số
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng

Ký hiệu
tv1

Đơn vị
o
C

Giá trị
130,6

Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng

tv2
α1

o

C
W/(m2.K)

107,4
11003

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi
Bề dày ống truyền nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống
Nhiệt trở phía hơi nước
Nhiệt trở phía dung dịch

α2
δ
λ
r1
r2

W/(m2.K)
m
W/(m.K)

3227,7
0.003
16,3

m2.K/W
m2.K/W

0.3448.10-3
0.387.10-3

Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Nhiệt tải riêng trung bình
Diện tích bề mặt truyền nhiệt

K
qtb
F

W/(m2.K)
W/m2
m2

759,6
26242
7,5888

22


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

B.TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1. Tính kích thước buồng bốc
1.1. Đường kính buồng bốc (Db)
a) Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc

Áp dụng công thức III-22 trang 120,[6]
Trong đó:
• W- suất lượng hơi thứ (kg/s)
• ρh = 0,4278 kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P0=0,7238 (tra bảng
I.251, trang 314, [1] và nội suy)
b) Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc
Db là đường kính buồng bốc
wo :Tốc độ lắng ,được tính theo công thức (5.14), trang 276, [5]

•
•

Trong đó:
ρ” = ρh =0,4278 kg/m3 khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P0 = 0,7238 (tra
bảng I.251, trang 314, [1])
ρ’ = 965,09 khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm= 90,3oC (tra bảng I.249, trang 311,[1])
d là đường kính giọt lỏng; m. Ta chọn giọt lỏng d = 0,0003m (tra trang 276,[5])

ξ hệ số trở lực, tính theo Re.

•

Với -độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất P0 = 0,7238 at (tra hình I.35, trang 117,
[1])

ξ=

Nếu 0,2 < Re < 500 thì
Từ (*) và (**) suy ra ξ = 11,039 Db1,2
Áp dụng điều kiện

18,5
Re 0,6 (**)

w h < (0,7 ÷ 0,8)w 0 theo [5]

⇒ Db > 0,503 m
⇒ Chọn Db = 1000(mm) theo tiêu chuẩn trang 293, [5].
•

Kiểm tra lại Re

⇒ 0,2 < Re < 500 (thoả)
⇒ Như vậy đường kính buồng bốc là Db = 1000(mm)
1.2. Chiều cao buồng bốc (Hb)
Áp dụng công thức VI.33, trang72, [2]:

U tt = f .U tt (1at ) ;[m3/(m3.h)]

Trongđó:
23


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền
•

f– hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suấtkhí quyển

U tt (1at ) : cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi P =1 at

•

(

)

U tt (1at ) = 1650  m3 / m 3 .h 
Chọn
, f =1 (tra hình VI.3, trang 72, [2].
⇒ Utt = 1×1650 = 1650 ; [m3/(m3.h)]
Thể tích buồng bốc
⇒ Chiều cao buồng bốc
Nhằm mục đích an toàn ta chọn Hb = 2m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt)
2. Tính kích thước buồng đốt
2.1. Số ống truyền nhiệt.

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức (III-25), trang 121, [6]:
F
n=
π .d .l
Trongđó:
2

F = 7,5888m – diện tích bề mặt truyền nhiệt
l =1,5 m– chiều dài của ống truyền nhiệt
d – đường kính của ống truyền nhiệt
Chọn ống truyền nhiệt có kích thước đường kính trong: d25
Vì α1 > α2 nên d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt là:
Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 91 và bố trí ống theo hình lục giác đều.
2.2. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Dth)

Áp dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:

Dth =

4. f t
;m
π

Chọn ft = 0,3 FD
Với

Dth = 0,273 (m)= 273 mm theo tiêu chuẩn 290, [5]

⇒ Chọn
Kiểm tra

Dth 273
=
= 10,92 > 10
dt
25

(thỏa)

2.3. Đường kính buồng đốt (Dt)

Theo công thức (III-28) trang 121,[6]
24


GVHD: ThS. Cao Thị Nhung

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Kim Huyền

Trong đó

β=

t
dn


 t – bước ống ; m
•

- hệ số, thường có giá trị từ 1,3 đến 1,5. Chọn β =1,4.

dn= 2.δ + dt = 0,031 m– đường kính ngoài của ống truyền nhiệt
ψ – hệ số sử dụng vỉ ống,thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9. Chọn ψ = 0,8.
l = 1,5 m– chiều dài của ống truyền nhiệt

dnth= 0,273 + 2.0,003 = 0,279 m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm
o
α = 60 –góc ở đỉnh của tam giác đều
2
F = 7,5888 m – diện tích bề mặt truyền nhiệt
⇒ Chọn Dt = 600 mm = 0,6 m theo tiêu chuẩn trang 291, [5]

2.4. Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 91 ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều theo bảng V.11, trang 48,[2]
Số hình lục giác
Số ống trên đường xuyên tâm
Tổng số ống không kể các ống trong hình viên phân
Số ống trong các hình viên phân
Dãy1
Dãy2
Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân
Tổng số ống của thiết bị

5
11
91
0
0
0
91

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung
tâm. Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức (V.140), trang 49, [2]:
Dth ≤ t.(b-1) + 4.dn ; m

Trong đó:
•
•

t - bước ống ; m. Chọn t =1,5 dn
b – số ống trên đường chéo của hình lục giác đều
⇒ Chọn b = 5 ống theo bảng V.11, trang 48, [2]. Như vậy, vùng ống truyền
nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên tâm.
⇒ Số ống truyền nhiệt được thay thế là
⇒ Số ống truyền nhiệt còn lại là: n’= 91 – 19 =72 (ống)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này:
F ' = ( n '.d1 + Dth ) π .H
25