thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục ở áp suất chân không + cad

Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp
quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những
hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaNO 3, vì khả năng ứng dụng
rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaNO3, quá trình cô đặc là một khâu hết
sức quan trọng. Nó đưa dung dịch NaNO3 đến một nồng độ cao hơn, thỏa
mãn nhu cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo
điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có
buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục ở áp suất
chân không, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 15% lên 45%.
Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực
phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội
cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về
các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa
chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ
thuật cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực
tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều
thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của
quý thầy cô giáo và các anh chị năm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án
được giao.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

1

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG
NGHỆ THỰC HIỆN
I – NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi có buồng đốt trong và ống tuần
hoàn trung tâm, làm việc liên tục ở áp suất chân không cho dung dịch
NaNO3.
Yêu cầu:
Năng suất theo dung dịch đầu: 8000 (kg/h).
Nồng độ của dung dịch trước khi cô đặc: 15 %.
Nồng độ của dung dịch sau khi cô đặc: 45 %.
Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: 30 (0C).
Áp suất hơi đốt: 4 (at).
Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,2 (kg/m2).
II – GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU:
Tên khoa học: Sodium Nitrate.
Tên thường gọi: Muối Natri nitrat.
Công thức hóa học: NaNO3.
NaNO3 là chất rắn trắng hoặc tinh thể không màu, có khả năng tan tốt
trong nước (đến 86,4% ở nhiệt độ thường). Dung dịch NaNO 3 có độ nhớt
khá bé, sức căng bề mặt khá lớn nên dung dịch sôi sủi bọt nhiều. Đồng thời
muối nitrat có tính ăn mòn hóa học, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và
áp suất khá cao do đó cần chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bị và điều

kiện cô đặc.
1. Ứng dụng của NaNO3:
- Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat.
- Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa.
- Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như: sản xuất axit nitric khi
cho phản ứng với axit sunfuaric…
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

2

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

- Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm.
- Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp
trong các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay thế cho KNO3.
- Dùng trong công nghiệp thủy tinh, luyện kim.
2. Tính chất nguyên liệu:
2.1 Tính chất hóa lý:
- Dạng tồn tại: tinh thể rắn hoặc bột màu trắng, không mùi, vị mặn, đắng.
- Phân tử lượng: 84,9947 (g/mol), khối lượng riêng là 2,3 ×103
(kg/m3).
- Tan chảy ở 307 (0C) và sôi ở 380 (0C).
- Độ hòa tan:
+ Có khả năng tan trong nước, độ hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng. Ở
nhiệt độ thường, độ hòa tan là 92g/100 ml.

+ Dễ tan trong amoni lỏng, ít tan trong methanol (CH 3OH), rất ít tan
trong acetone và glycerol.
2.2 Tính chất hóa học:
- Phản ứng mạnh với các chất cháy, hữu cơ.
- Có phản ứng với các loại chất khử, axit.
III – KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC:
1. Khái niệm cô đặc:
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hòa tan
trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏngrắn hay lỏng-lỏng có chênh lệch nhiệt 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-hóa lý. Tùy 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 phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương
pháp làm lạnh kết tinh.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

3

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

2. Các phương pháp cô đặc:
2.1 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.
2.2 Phương pháp lạnh:
Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra
dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ chất tan. Tùy 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
phải dùng đến máy lạnh.
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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 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.
4. Ứng dụng của sự cô đặc:
Quá trình cô đặc được ứng dụng: trong sản xuất thực phẩm: cô đặc các
dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây…; trong sản xuất
hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…Hiện nay, phần lớn các
nhà máy sản xuất hóa 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 chỉ là một
hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

4

Lớp: CNTP 41

Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

máy nên việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Đòi hỏi
phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao.
IV – CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT:
1. Phân loại và ứng dụng:
1.1 Theo cấu tạo:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô
đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua
bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
+ Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần
hoàn trong hoặc ngoài.
+ Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc).
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc
dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường
hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn,
kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. 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, chảy một lần tránh
tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung
dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, hoa quả ép…, 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 pháp thực hiện quá trình:

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:

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

5

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

- 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.
V – LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Dựa theo tính chất nêu trên của nguyên liệu và yêu cầu đã cho của
đồ án, ta chọn hệ hống cô đặc hai nồi, làm việc liên tục, áp suất chân
không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
- Ưu điểm: 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 nên giảm được chi
phí năng lượng, hạn chế chất tan bị cuốn theo và bị bám vào thành thiết bị

làm hư thiết bị.
- Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.
VI - CẤU TẠO THIẾT BỊ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:
1. Cấu tạo và hoạt động của nồi cô đặc:
Nồi cô đặc ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng đốt, buồng
bốc và bộ phận thu hồi cấu tử .Trong đó:
- Buồng đốt ở dưới bao gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần
hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt ngoài ống. Nguyên tắc
hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính
lớn hơn đường kính ống truyền nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch
sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ
có khối lượng riêng giảm do đó tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ trong ống
tuần hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả, tạo nên dòng chuyển động tuần
hoàn đối lưu tự nhiên giữa ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn.
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

6

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

- Phía trên thiết bị là buồng bốc. Đây là một phòng trống, ở đây hơi
thứ được tách ra khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi. Bên trong
buồng bốc còn có bộ phận thu hồi cấu tử để tách những giọt chất lỏng còn
lại do hơi thứ mang theo.
2. Thuyết minh quy trình: (sơ đồ trang cuối cùng)

Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch NaNO 3 có nồng độ đầu 15% được
bơm lên thiết bị gia nhiệt. Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng
ống chùm có thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ; các
đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân. Dung
dịch được bơm vào thiết bị, đi bên trong ống từ dưới lên còn hơi đốt đi bên
ngoài ống. Hơi đốt sau khi cấp nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt độ của dung
dịch lên đến nhiệt độ sôi sẽ ngưng tụ lại. Dung dịch sau khi gia nhiệt sơ bộ
được đưa vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi.
Dung dịch được cô đặc ở nồi 1 tiếp tục chuyển sang nồi 2. Hơi đốt
sau khi cấp nhiệt cho dung dịch trong nồi cô đặc 1, một phần bị ngưng tụ
thành nước ngưng và được thu hồi ở cửa nước ngưng, còn hơi thứ thoát ra
được đưa vào nồi cô đặc 2, hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ.
Dung dịch ở nồi 2 sau khi được cô đặc đến nồng độ yêu cầu 45% sẽ tháo ra
ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm.
Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra phía trên của thiết bị cô đặc
được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet và được bơm chân không hút ra
ngoài. Khí không ngưng còn lại tiếp tục đi qua thiết bị tách bọt .

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

7

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

CỦA QUÁ TRÌNH
I – DỮ LIỆU BAN ĐẦU:
Năng suất theo dung dịch đầu: Gđ = 8000 (kg/h).
Nồng độ của dung dịch trước khi cô đặc: xđ = 15 %.
Nồng độ của dung dịch sau khi cô đặc: xc = 45 %.
Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: tđ = 76 (0C).
Áp suất hơi đốt: 4 (at).
Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,5 (at).
II – CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
1. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W):
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống :
Gđ = Gc + W
W : là lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống (kg/h).
Đối với chất tan :
Gđ .xđ = Gc .xc
xđ, xc là nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng).
Hay : Gc = Gđ.

x
x

đ

(kg/h)

c

Vậy, lượng hơi bốc ra của toàn hệ thống được xác định :
W = Gđ.(1 -

x
x

đ

) = 8000 . (1 -

c

15
) = 5333,33 (kg/h)
45

2. Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:
Ta có: W = W1+ W2
Với W1, W2 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 (kg/h).

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

8

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau,
thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở

từng nồi thích hợp.
W1
≥1,1 ÷1,3
W2

Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : 1,1
Khi đó ta có hệ phương trình:

W1
= 1,1
W2
W1 + W2 = W
Giải hệ trên có kết quả :
W1 = 2793,65 (kg/h)
W2 = 2539,68 (kg/h)
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1 :
xc1=

G đ .x đ
8000.15
=
= 23,05 %
Gđ − W1 8000 − 2793,65

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
Xc2=

G đ .x đ
8000.15
=

= 45 %
G đ − W1 − W2 8000 − 2539,68 − 2793,65

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

9

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

PHẦN III: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
I – XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA MỖI NỒI:
1. Xác định áp suất 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 là P1 = 4 (at).
Áp suất hơi của thiết bị ngưng tụ là Pnt = 0,5 (at).
Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :
∆Pt =P1 – Pnt = 4 – 0,5 = 3,5 (at)
Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là:

∆ P1
= 1,6

∆ P2

Kết hợp với phương trình: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 3,5 (at)
Suy ra: ∆P1 = 2,15 (at)
∆P2 = 1,35 (at)
Vậy:

P2 = P1 – ∆P1 = 4 – 2,15 = 1,85 (at)

2. Xác định nhiệt độ trong các nồi:
Gọi: thđ1, thđ2, 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 do trở lực đường ống gây ra khi chuyển từ nồi
1 sang nồi 2 là 10C, thì:
tht1 = thd2 + 1
tht2 = tnt + 1

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

10

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Tra bảng : I. 250, STQTTB, T1/ Trang 312.
I. 251, STQTTB, T1/ Trang 314.

Bảng 4.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi.
Nồi 1
Nồi 2
Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ

Loại

(at)

(oC)

(at)

(oC)

Hơi đốt

4

142,9

1,85

117,1

Hơi thứ

1,91

118,1

0.52

81.9

Tháp ngưng tụ
Áp suất Nhiệt độ
(at)

(oC)

II – XÁC ĐỊNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ:
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: ∆’= t0sđ – t0sdmnc (ở cùng áp suất).
Áp dụng công thức của Tiaxenko:
Ts2
∆’ = ∆’0 . 16,2 .
r

Trong đó: ∆’o : tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường gây ra.
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).
Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 64.
Bảng 4.2: Tổn thất do nồng độ ở áp suất thường.

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)
∆’o (oC)

Nồi 1

Nồi 2

23,05

45

3,11

8,35

Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

11

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Bảng 4.3: Nhiệt hóa hơi của hơi thứ các nồi.
Nồi 1

Nồi 2

Áp suất hơi thứ (at)

1,91

0.52

Nhiệt hóa hơi r (J/kg)

2212,05.103

2304,8.103

2
∆,o1 .16,2.( t ht1 + 273)
3,11.16,2.(118,1 + 273)
=
Nồi 1: ∆’1
=
= 3,48 (oC)
3
r1
2212,05.10
2

8,35.16,2.( 81,9 + 273)
Nồi 2: ∆’2 =
2304,8.10 3

2

= 7,39 (oC)

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
Σ∆’ = ∆’1 + ∆’2 = 3,48 +7,39 = 10,88 (oC)
2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆’’ ):
2.1 Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của cột chất lỏng:
Theo công thức CT VI.12, STQTTB, T2/trang 60, ta có:


h

Ptb= P0 + ∆h +  ρdds.g (N/m2)
2

Trong đó:
P0: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
ρdds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3).
ρdds = 0,5 ρdd
ρdd : khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m3).
∆h: Là chiều cao của lớp dung dịch sôi.
h = H0: là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn 3 m cho cả hai nồi.
∆h = Hop = [0,26 + 0,0014(ρdd - ρdm)].Ho
Tra bảng I.204, STQTTB, T1/Trang 236.
II.249, STQTTB, T1/Trang 310.
II.59, STQTTB, T1/Trang 46.
Bảng 4.4: Khối lượng riêng của dung dịch.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

12

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

t’oC
103,2

XC %
Nồi 1

23,05

Nồi 2

45

ρdd kg/m3

1
108,4
5

1061,66
1276,1

ρdm kg/m3

956,
02
952,
15

Coi ρdd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ
từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng.
Nồi 1:
Hop1 = [0,26 + 0,0014(ρdd - ρdm)]Ho
Hop1 = [0,26 + 0,0014(1061,66 – 956,02)].2 = 0,82 (m)
Áp suất trung bình:


h

Ptb1 = P0 + ∆h +  ρdds.g
2

= 1,91+(0,82+1)

1061,66.9,81
.10-5 = 2 (at)
2

Nồi 2:
Hop2 = [0,26 + 0,0014(ρdd - ρdm)].Ho
Hop2 = [0,26 + 0,0014(1276,1 - 952,15)].2 = 1,43 (m)
Áp suất trung bình:
h


Ptb2 = P0 + ∆h +  ρdds.g
2


= 0,52+(1,43+1)

1276,1.9,81
.10-5 = 0,67 (at)
2

Để tính nhiệt độ sôi của dd NaNO3 ứng với áp suất trung bình ta dùng
công thức Babo:
P
PS

=const

Nếu biết nhiệt độ sôi của dung dịch đã cho ứng với áp suất nào đó thì
có thể xác định được nhiệt độ sôi của nó ở áp suất khác.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

13

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Nồi 1:
Ứng với xc1 = 23,05 %
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 312.
ts = 103,21 0C, áp suất hơi nước bão hòa là: Ps = 1,16 (at)
P
PS

=

Mà: P = Ptp

1
1,16

Ps = 1,16P
Ps1 = 1,16.2 = 2,32 (at)

Vậy: ts1 = tstb = 124,3 (0C), tra bảng I.251, STQTTB, TI/trang 312.
Ứng với P01 = 1,91
t01 = tht1 + ∆’I = 118,1 + 3,48 = 121,58 (0C)
Vậy: ∆”1 = ts1 – t01 = 124,3 – 121,58 = 2,72 (0C)
Nồi 2:
Ứng với xc2= 45 %
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 312.
ts = 108,45 (0C), áp suất hơi nước bão hòa là: Ps = 1,37 (at)
P
PS

=

Mà: P = Ptp

1
1,37

Ps = 1,37P
Ps1 = 1,37.0,672 = 0,92 (at)

Vậy: ts2 = tstb = 96,78 0C, tra bảng I.251, STQTTB, TI/trang 312.
Ứng với P02 = 0,52
 t02 = tht2 + ∆’II = 81,9 + 7,39 = 89,29 (0C)
Vậy: ∆”1 = ts1 – t01 = 96,78 – 89,29 = 7,49 (0C)
Tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn bộ hệ thống :
Σ∆” = ∆”1 + ∆”2 = 2,72 + 7,49 = 10,21 (oC)

3. Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (∆”’) :
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

14

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này
sang nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 1oC.

Do đó:
∆”’1=1 (oC)
∆”’2 =1 (oC)

∑ ∆,,, = ∆,1,, + ∆,2,, = 1 + 1 = 2 (oC)
4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆ = Σ ∆’+Σ∆”+Σ∆”’ = 10,88+ 10,21+ 2 = 23,09 (oC)
5. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆tthi1 = thd1 – thd2 – Σ∆1
= 142,9 – 117,1 – (3,48 + 2,72 + 1) = 18,6 (oC)
Nồi 2: ∆tthi2 = thd2 – (tnt+Σ∆2)
= 117,1– 80,9 – (7,39 + 7,49 + 1)= 20,32 (oC)
Toàn hệ thống:
∆tthi = tchung – Σ∆ = thd1 – thd2 – Σ∆
= 142,9 – 80,9 – 23,09 = 38,91 (0C)
III – CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
Nhiệt dung của dung dịch ban đầu:
Vì xđ = 15 % < 20 %
Nên ta áp dụng công thức CT I.42, STQTTB, TI/trang 153:
Cđ = 4186.(1- xđ) = 4186(1 – 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ)
Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Vì xc1 = 23,05 % > 20 %
Nên ta tính theo công thức CT I.44, STQTTB TI/trang 152:
Cc1 = Cht.xc1+ 4186.(1- xc1)
Trong đó:
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

15

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Cht: là nhiệt dung riêng của chất hoà tan, (J/kg.độ).
Tính Cht theo công thức CT I.41, STQTTB, TI/trang 152:
M.Cht = nNa.cNa + nN.cN + nO.cO
Tra bảng I.141, STQTTB T1/Trang 152 ta có:
M = 85 (đvC)
nNa = 1, nN = 1, nO = 3
cNa = 26000 (J/kg.độ)
cO = 16800 (J/kg.độ)
cN = 26000 (J/kg.độ)
Cht =

1
.(1.26000 + 1.26000 + 3.16800) = 1204,7 (J/kg.độ)
85

Suy ra:
Cc1 = Cht.xc1 + 4186.(1 – xc1)
= 1204,7. 0,2305 + 4186.(1 – 0,2305)
= 3498,81 (J/kg.độ)
Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2:
Vì xc2 = 45 % > 20 % nên ta áp dụng công thức:
Cc2 = Cht.xc2 + 4186.(1 – xc2)

= 1204,7. 0,45 + 4186.(1 – 0,45)
= 2844,42 (J/kg.độ)

2. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng (CBNL):

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

16

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Nồi 1:
D.i + Gđ.Cđ.tđ = W1.i1 + (Gđ – W1)C1.t1 + D.Cng1. θ1 + Qxq1
Nồi 2:
W1.i1 + (Gđ –W1)C1.t1 = W2.i2 + (Gđ – W)C2.t2 + W1.Cng2.θ2 + Qxq2
Trong đó:
D: lượng hơi đốt dùng cho toàn hệ thống, (kg/h).
I, i1, i2: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, (J/kg).
tđ, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, nhiệt độ sôi ra khỏi nồi 1, nhiệt độ sôi ra khỏi
nồi 2 của dung dịch, (oC).
Cđ, C1, C2: nhiệt dung riêng ban đầu, nhiệt dung riêng ra khỏi nồi 1và nồi 2
của dung dịch, (J/kg.độ).
θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1 và nồi 2, (oC).
Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2, (J/kg.độ).
Qxq1,Qxq2 :nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh của nồi 1 và nồi 2, (J).

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

17

Lớp: CNTP 41


Đồ án mơn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Gđ : lượng dung dịch lúc ban đầu, (kg/h).
Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hồ, nước ngưng là lỏng sơi ở cùng nhiệt
độ, khi đó ta có:
i- Cng1. θ1 = r (θ1)

i1- Cng2. θ2 = r(θ2)

và

Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 310.
I.250, STQTTB, T1/Trang 312.
Bảng 4.5: Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ.
Nồi

Hơi đốt
I.103

t(0C)

Cn

1

142,9

(J/kg.độ) (J/kg.độ)
2744,06 4294,25

2

117,1

2706,94

4245,07

Hơi thứ
Dung dịch
3
i.10
C
t(0C)
ts (0C)
(J/kg.độ) (J/kg.độ)
118,1 2708,34 3498,81 124,3
81,9

2647,42

2844,42 96,78

Cho: Qxp1 = 0,05.D.(i – Cng1. θ1)
Qxp2 = 0,05.W.(i1 – Cng2. θ2)
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là :

W1 =

=

W .i2 + (Gđ −W ).C 2 .t 2 −Gđ .C1 .t1
0,95.(i −C ng 2 .θ2 ) +i2 −C1 .t1

5333,33.2647420 + (8000 − 5333,33).2844,42.96,78 − 8000.3498,81.124,3
0,95.(2708340 − 4245,07.117,1) + 2647420 − 3498,81.124,3

= 2637,12 (kg/h)
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là:
W2 = W - W1= 5333,33 – 2637,12 = 2697,21 (kg/h)
Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:
D=

=

W1 .i1 + (Gđ − W1 ).C1 .t1 − Gđ .C đ .t đ
=
0,95(i1 − C ng1 .θ1 )

2637,12.2708340 + (8000 − 2637,12).3498,81.124,3 − 8000.3558,1.76
0,95(2744060 − 4294,25.142,9)

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

18

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

= 3612,5 (kg/h)
3. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
C%(1) =

2637,12 − 2793,65
100% = 4,53% < 5%
2793,65

C%(2) =

2697,21 − 2539,68
100% = 4,74% < 5%
2697,21

Đáp ứng yêu cầu

Vậy :
Lượng hơi thứ nồi 1là : W1 = 2637,12 (kg/h).

Lượng hơi thứ nồi 2 là: W2 = 2697,21 (kg/h).
Lượng hơi đốt nồi I là : D = 3612,5 (kg/h).

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

19

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

PHẦN IV: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
I – TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT:
1. Các thông số cơ bản của dung dịch:
1.1. Độ nhớt:
Ta sử dụng công thức Pavolov:

t1 − t 2
= K = const
θ1 − θ 2

Với t1, t2 là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt μ1, μ2.
θ1 ,θ 2 là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.

Nên:

ts − t2

t −t
= K → θs = s 2 +θ2
θs −θ2
K

Nồi 1: Nồng độ dung dịch x1 = 23,05 %.
Chọn chất chuẩn là H20.
Tra bảng của nước phụ thuộc nhiệt độ.
I.102, STQTTB T1/ Trang 94
I.101, STQTTB T1/ Trang 100
→ t1 = 30( o C ) → µ1 = 1,0971.10 −3 ( N .s / m 2 ) → θ1 = 16,4778( o C )

→ t 2 = 10( o C ) → µ2 = 1,71.10 −3 ( N .s / m 2 ) →θ 2= 1,36( o C )
→K =

30 −10
= 1,33
16,4778 −1,36

Từ đó ta có: θ s =

t s1 − t 2
124,3 − 10
+θ2 =
+ 1,36 = 87,3 (0C)
k
1,33

⇒ µs1 = 0,373.10-3 (N.s/m2)

Nồi 2: Nồng độ dung dịch x2 = 45%.
Chọn chất chuẩn là H20.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

20

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Tra bảng :
I.102, STQTTB T1/ Trang 94.
I.107, STQTTB T1/ Trang 100.

→ t1 = 38,77( o C ) → µ1 = 1,473.10 −3 ( N .s / m 2 ) → θ1 = 6( o C )
→ t 2 = 37,46( o C ) → µ 2 = 1,519.10 −3 ( N .s / m 2 ) →θ 2= 5( o C )
→K =

38,77 − 37,46
= 1,31
6 −5

Từ đó ta có: θ s =

ts2 − t2
96,78 − 37,46

+ θ2 =
+ 5 = 50,28 (0C)
k
1,31

⇒ µs2 = 1,246.10-3 (N.s/m2)

1.2. Hệ số truyền nhiệt của dung dịch:
Áp dụng công thức I.32 ST QTTB T1/ Trang 123:

λdd = A.Cp.ρ.3

ρ
M

(W/m.độ)

Với:
A:là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.
Cp:nhiêt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, (J/kg. độ).
ρ :khối lượng riêng, (kg/m3).

M:là khối lượng mol của chất lỏng
Chọn A = 3,58.10-8

M = mi .M dd + (1 − mi ).M H 2O

Mà

xi

M d2
mi =
xi
1 − xi
+
M d 2 M H 2O

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

21

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

Nồi 1:
0,2305
85
m1 =
= 0,06
0,2305 1 − 0,2305
+
85
18

→ M 1 = 0,06.85 + (1 − 0,06).18 = 22,02
→ λ1 = 3,58.10 −8.3498,81.1061,66.3

1061,66
= 0,484
22,02

(W/m.độ)

Nồi 2:

0,45
85
m2 =
= 0,148
0,45 1 − 0,45
+
85
18
→M 2 = 0,148.85 + (1 − 0,148).18 = 27,92

→ λ 2 = 3,58.10 −8.2844,42.1276,13

1276,1
= 0,465 (W/m.độ)
27,92

1.3. Hệ số cấp nhiệt: α

thđ

tT1

ts

∆
t1

tT2
α2

∆t
∆t 2

α1
δ

1.3.1. Về phía hơi ngưng tụ: α1
Áp dụng công thức V.101, STQTTB, T2/ Trang 28:

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

22

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

α1 = 2,04. A.4

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

r
(W/m2.độ)
H .∆t1

Với:
r: ẩn nhiệt ngưng, (J/kg).
H: chiều cao ống truyền nhiệt, (chọn H = 2m ).

A=

4

ρ2 .λ3
: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ nước ngưng tụ.
µ

tm = 0,5(tT1 +thd)

∆t1 = t hd − t T 1
Nồi 1: Chọn ∆t1 = 1,95 (oC).
tT1 = thđ1 – ∆t1 = 142,9 – 1,5 = 140,95 (oC)
tm1 = 0,5.(tT1 + thd) =
YA1 =

4

141,4 + 142,9
= 141,93 (0C)
2

1061,66 2.0,484 3
= 136,05
0,368.10 −3

Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r1,n1 = 2135,5.103 (J/kg)
→ α1,n1 = 2,04.136,05.4

2135,5.103
= 7549,83 (W/m2.độ)
2.1,95

→ q1,n1 = α1,n1.∆t1 = 8061,64.1,5 = 14722,18 (W/m2)
Nồi 2: Chọn ∆t2 = 2,32 (oC).
tT2 = thđ2 - ∆t2 = 117,1 – 2,32 = 114,78 (oC)
tm2=
→ A1 =

4

114,78 +117,1
= 115,94 (oC)
2

1276,12.0,4653
= 107,07
1,246.10 −3

Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

23

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

→ r2,n2 = 2215,12.103 (J/kg)
→ α1,n 2

2215,12.103
= 2,04.107,07.4
= 5741,4 (W/m2.độ)
2.2,32

→ q2,n2 = α1,n2.∆t1 = 5741,4 . 2,32 = 13320,05 (W/m2)
1.3.2. Về phía dung dịch sôi: α2
Ta có: α n1 = ϕ .α n
Với: ϕ là hệ số hiệu chỉnh.
α n là hệ số cấp nhiệt của nước.

Mà theo CT VI.27, STQTTB, T2/Trang 71

0 , 565

 λd 2

Ta có: ϕ = 
λ
 n






 ρ 2
d
.
ρ

 n

2






 Cd 2

C
 n

  µn



. µ 2
 d

0 , 435






Theo CT V.91, STQTTB, T2/Trang 26

α n = 0,145.∆t22,33 . p 0,5 (W/m2.độ)
Trong đó : P là áp suất hơi thứ
Ta có: ∑ r = r1 + r2 + r3
Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang 4.

∑r =r

1

+

δ
+ r3
λ

Trong đó r1: nhiệt trở của lớp hơi nước

r2 =

δ
: nhiệt trở của tường
γ

λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt
δ : bề dày ống truyền nhiệt ( δ = 2mm)

r3 : nhiệt trở của lớp cặn bẩn
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3, λ = 50 (W/m độ), tra bảng
XII.7,STQTTB, T2/ Trang 313.

SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

24

Lớp: CNTP 41


Đồ án môn học

GVHD: Nguyễn Thỵ Đan Huyền

−3
→ ∑ r1 = 0,232.10 +

2
.10 −3 + 0,387.10 −3 = 0,659.10 −3 (m2độ/W)
50

Nồi 1:
Tại ts1 = t2 = 124,3 (oC).
Ta có : ∆t = q1.∑ r1 = 14722,18 . 0,659.10-3 = 9,7 (oC)
→ tT2 = tT1 – ∆t = 140,95 – 9,7 = 131,25 ( oC)
Hệ số cấp nhiệt của nước :
∆t2,n1 = tT2 – t2 = 131,25 – 124,3 = 6,95 (oC)
Áp suất hơi thứ tại nồi 1 :
Pht1 = 1,91.98100 = 187371 (N/m2)
Vậy: α n,n1 = 0,145. 6,952,33.1873710,5 = 5744,67 (W/m2 độ)
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
Cn1 = 4256,88 (J/kg.độ)
µn1 = 0,229.10-3(N.s/m2)
λn1 = 0,686 (W/m2.độ)
ρn1 = 939,53 (kg/m3)

 0,484 
ϕ n1 = 

0
,
686



0 , 565

 530,83  2  3498,81   0,229.10 −3  

.

 
.
−3  
939
,
53
4256
,
88
0
,
373
.
10
 


 

0 , 435

= 0,37

α 2,n1 = ϕ1.α n ,n1 = 0,37 .5744,67 = 2125,53 (W/m2 độ)
→ q2,n1 = α2,n1.∆t2,n1 = 2125,53.6,95 = 14768,34 (W/m2)
Nên ta có: η1 =

14768,34 − 14722,18
14768,34

.100% = 0,313% < 5% nên đạt

Vậy nhiệt tải trung bình:

Q1 =

q1,n1 + q2,n1
2

=

14768,34 + 14722,18
= 14745,26 (W/m2)
2

Nồi 2:
Tại ts2 = t2 = 96,78 ( oC).
SVTH: Nguyễn Thị Tuyết Trinh

25

Lớp: CNTP 41