Tải bản đầy đủ (.doc) (61 trang)

thiết kế hệ thống cô đặc NaOH hai nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (384.76 KB, 61 trang )

Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

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 NaOH, vì khả năng ứng dụng
rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức
quan trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn
nhu cầu cầu sử dụng đa dạng và 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 NaOH hai
nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm
cô đặc dung dịch NaOH từ 5% lên 35%.
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, đồ án 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 bạn để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao.

SVTH: Võ Thị Út

1


Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Phần 1:
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
I- Giới thiệu về natri hydroxit.
1- Tình hình sử dụng natri hydroxit .
Trên thế giới, hằng năm có khoảng 45 - 50 triệu tấn natri hydroxit
được sản xuất. Trong đó, 16% (7 - 8 triệu tấn) được buôn bán trên thị
trường, chủ yếu là xút sản xuất ở Mỹ và châu Âu (chiếm 80% thị trường).
Khoảng 94% xút được buôn bán ở dạng lỏng (thường là 50% natri hydroxit
), trong đó gần 2 triệu tấn được vận chuển bằng đường bộ. Giá xút rắn
thường cao hơn giá xút lỏng (tính theo dạng khô) 100 – 200 USD/tấn.
Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là ở các nước đang phát triển do
cơ sở hạ tầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng.
Nhưng với cơ sở hạ tầng đang ngày càng được phát triển, những thị trường
lớn như Trung Quốc đang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút
lỏng. Ngày nay các nước Cuba, Angiêri và châu Phi vẫn là những thị
trường tiêu thụ chính đối với xút rắn. Ở châu Á, Inđônêxia là nước duy nhất
còn nhập xút rắn với khối lượng lớn. Do giá xút rắn cao nên khối lượng
buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000 tấn/năm và đang giảm
với tốc độ 8% năm. Xút lỏng được buôn bán trên thế giới chủ yếu phục vụ
nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước như Ôxtrâylia, Braxin,
Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và Ghinê, trong đó đáng kể nhất là
Ôxtrâylia
Ở Việt Nam, sản xuất natri hydroxit là một trong những ngành công

nghiệp hóa chất quan trọng bậc nhất. Nó góp phần to lớn trong sự phát
triển của các ngành công nghiệp khác như sản xuất xà phòng, công nghệ
giấy; công nghiệp lọc dầu; công nghệ dệt nhuộm, thực phẩm; xử lý nước;
sản xuất các loại hóa chất đi từ xút như silicat natri, chất trợ lắng PAC, ...

SVTH: Võ Thị Út

2

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

2- Tính chất hóa lý của natri hydroxit .
Natri hydroxyt là khối tinh thể không màu, không mùi. Dễ tan trong
nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.
Natri hydroxit có trọng lượng riêng 2,02. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ
nóng chảy 327,6 ± 0,9oC. Nhiệt độ sôi 1388oC. Hấp thụ nhanh CO2 và nước
của không khí, chảy rữa và biến thành Na2CO3.
Natri hydroxit là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn
thiết bị cao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị,
đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, natri hydroxit có tính hút ẩm mạnh,
sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan natri hydroxit cần phải
dùng nước lạnh.
Các phương pháp điều chế natri hydroxit:
- Trong phòng thí nghiệm:
+ Natri tác dụng với nước

2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2
+ Natri oxit với nước
2NaO + H2O --> 2NaOH
- Trong công nghiệp: để sản xuất natri hydroxit; trước đây người ta
cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na 2CO3 loãng và nóng nhưng ngày
nay, để sản xuất ta dùng phương pháp phương pháp hiện đại hơn là tiến
hành điện phân dung dịch NaCl bão hoà có màng ngăn.
2NaCl(dd) + 2H2O(l)

2NaOH(dd) + H2(k)↑+ Cl2(k)↑

Sản phẩm thu được trong các phương pháp trên tuy đạt chất lượng
cao, hàm lượng tạp chất thấp nhưng nồng độ loãng rất cao, khó khăn cho
việc vận chuyển, sử dụng. Do đó, để khắc phục nhược điểm trên ta cần phải
tiến hành sản xuất natri hydroxit bằng phương pháp cô đặc.

SVTH: Võ Thị Út

3

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

II- Tổng quan về quá trình cô đặc.
1- Sơ lượt về lý thuyết cô đặc.
1.1- Định nghĩa:

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.
1.2- Cấu tạo thiết bị cô đặc:
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun
nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:
a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt
truyền nhiệt để đun sôi dung dịch.
b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi
thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết
bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo
thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn
hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
SVTH: Võ Thị Út

4


Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:
- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng
đứng, loại nghiêng.
- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn,
ống chùm.
- Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò,
bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt.
- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn
cưỡng bức,...
1.3- Lựa chọn thiết bị:
Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc
liên tục, có ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên.
Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch.
Đồng thời, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm
giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế
những biến đổi của chất tan.
Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận
tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng.
2- Thuyết minh quy trình công nghệ.
* Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của nồi cô đặc.
Nồi cô đặc xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng
bốc, buồng đốt 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
SVTH: Võ Thị Út

5

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

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.
- 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.
* Thuyết minh quy trình:

Hình 1: Sơ đồ cô đặc 2 nồi xuôi chiều:
1- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đầu; 2,3- nồi cô đặc;
4- thiết bị ngưng tụ; 5- thiết bị tách bọt.
Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch natri hydroxit có nồng độ đầu 5%
được bơm lên thiết bị gia nhiệt 1 và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Thiết

bị gia nhiệt 1 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.
SVTH: Võ Thị Út

6

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Dung dịch được cô đặc ở nồi 2 tiếp tục chuyển sang nồi 3. Hơi đốt
được đưa vào phòng đốt của nồi 2 để đốt nóng dung dịch trong nồi 2. Sau
khi cô đặc lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 sẽ dùng làm hơi đốt cho nồi 3,
hơi thứ của nồi 3 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ 4. Dung dịch sau khi cô đặc
đến nồng độ yêu cầu 35% 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 5.
Trong quá trình cô đặc lượng hơi đốt sẽ cấp nhiệt cho dung dịch nên
ngưng tụ lại và được thu hồi ở cửa nước ngưng tụ.


SVTH: Võ Thị Út

7

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Phần 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
I- Tính cân bằng vật liệu.
1- Chuyển đơn vị năng suất từ (tấn/h) sang (kg/h):
Năng suất: GD =10 tấn/h = 10000 kg/h
Nồng độ nguyên liệu ban đầu: XD = 5 %
Nồng độ cuối của sản phẩm : XC = 35%
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất :
GD . XD = GC . XC
Suy ra:

GC=

G D .x D
10000.5
= 1428,57 kg/h
=
xC
35


2- Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W):
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
GD= GC +W (1)
Trong đó:
GD, GC: lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị

kg/h

W: lượng hơi thứ của toàn hệ thống

kg/h

Viết cho cấu tử phân bố:
GD.XD= GC.XC+ W.XW
Trong đó: XD, XC: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng).
Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có:
GD.XD= GC.XC (2)
Vậy lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống được xác định:

W = G D (1 −

xD
)
xC

Theo giả thiết ta có:
GD =10 tấn/h = 10000 kg/h
XD = 5 %
XC = 35%


SVTH: Võ Thị Út

8

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Thay vào ta có: W = 10000.(1 −

5
) = 8571,43 kg/h.
35

3- Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi :
Ta có: W= W1+ W2
Với W1, W2 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 kg/h .
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 :

W1

= 1,1
W2

Khi đó ta có hệ phương trình:
W1
= 1,1
W2

W1 + W2 = W
Giải hệ trên có kết quả :
W1 = 4489,8 kg/h
W2 = 4081,63 kg/h
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:
G .x

10000.5

D D
XC1= G −W = 10000 − 4489,8 = 9,07 %
D
1

Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
G .x

10000.5

D
D
XC2= G − W − W = 10000 − 4489,8 − 4081,63 = 35 %

D
1
2

II- Cân bằng nhiệt lượng:
1- Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi:
Gọi P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.
∆P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2.
∆P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ.

SVTH: Võ Thị Út

9

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

∆Pt: hiệu số áp suất của cả hệ thống.
Giả sử chọn:
Áp suất của hơi đốt vào nồi 1 là P1=3,7 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 = 3,7 – 0,5 = 3,2 at
∆P1

Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: ∆P = 1,6

2
Kết hợp với phương trình: ∆P1 + ∆P2 = ∆Pt = 3,2 at
Suy ra:

∆P1 = 1,97 at
∆P2 = 1,23 at

Gọi: tht1, thd2, tnt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
tht1, tht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2.
tht1= thd2+ 1
tht2= tnt+ 1
Tra bảng :

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

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

Hơi đốt

Nồi 1
Áp suất Nhiệt độ
(at)
(oC)
3,7

Hơi thứ 1,75

Nồi 2

Tháp ngưng tụ
Áp suất Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ
(at)
(oC)
(at)
(oC)

139,90

1,69

114,41

115,41

0,52

81,9

2- Xác định tổn thất nhiệt độ:
2.1- Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆ ’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là
tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra.

SVTH: Võ Thị Út

10


Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

o

Ta có: ∆’= t sđ

o
− tsdmnc

(ở cùng áp suất).

Áp dụng công thức của Tiaxenko:

Ts2
∆ = ∆ .16,2.
r
,

,
o

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).
Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/Trang 67

Nồi 1

Nồi 2

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)

9,07

35

∆’o (oC)

2,47

22

Bảng 2.3: Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314
Nồi 1

Nồi 2

Áp suất hơi thứ (at)

1,75

0,52

Nhiệt hóa hơi r (J/kg)

2297,26.103


2304,8.103

2
∆, .16,2.( t ht1 + 273)
2,47.16,2.(115,41 + 273)
Nồi 1: ∆ = o
=
= 2,63 oC
r1
2297,26.10 3

2

,
1

22.16,2.( 81,9 + 273)
= 19,48 oC
3
2304,8.10
2

Nồi 2: ∆,2 =

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ trong toàn hệ thống:
Σ∆’ = ∆’1 +∆’2 = 2,63 +19,48 =22,11 oC
2.2- Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆ ’’ ):
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là ∆P:
Ta có: ∆P =


1
ρS.g.Hop
2

N/m2

Trong đó:

SVTH: Võ Thị Út

11

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

ρs : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi kg/m3
ρs =0,5 ρdd
ρdd : khối lượng riêng của dung dịch

kg/m3

Hop: chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng m
Hop = [0,26+0,0014(ρdd-ρdm)].Ho
Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông
qua công thức:

Ptbi= P’i+∆Pi
( i ): nồi thứ i
Bảng 2.4: Tra bảng I.2, STQTTB, T1/Trang 7.
II.249, STQTTB, T1/Trang 310.
Nồi I
Nồi II

XC ,%
9,07
35

t’ ,oC
115,41
81,9

ρdd , kg/m3
1049
1310,5

ρdm ,kg/m3
946,72
970,58

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.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là Ho=4 m.
Nồi 1:
Hop1= [0,26+ 0,0014.(ρdd-ρdm)]Ho
Hop1=[0,26+ 0,0014.(1049- 946,72)].4= 1,613 m
Áp suất trung bình:

Ptb1= P’1+∆P1= 1,75+ 0,5.0,5.1049.10-4.1,613 = 1,79 at
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
Tại Ptb1= 1,79 at ta có t”1= 116,16 oC
Suy ra : ∆”1=(t”1+∆’1) – (t’1+∆’1)= 116,16– 115,41= 0,75 oC
Nồi 2:
Hop2 = [0,26+ 0,0014.(ρdd- ρdm)].Ho
Hop2= [0,26+0,0014(1310,5- 970,58)].1,4=2,94 m
SVTH: Võ Thị Út

12

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Áp suất trung bình:
Ptb2 = P’2+ ∆P2 = 0,52+ 0,5.0,5.1310,5.10-4.2,94 = 0,61 at
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
Tại Ptb2=0.61 at ta có t”2= 86,06 oC
Suy ra : ∆”2= (t”2+∆’2) – (t’2+∆’2) = 86,06 – 81,9 =4,16 oC
Vậy tổn thất nhiệt của hai nồi là:
Σ∆” =∆”1+∆”2 = 4,16 + 0,75= 4,91 oC.
2.3- Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (∆ ”’) :
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=1,0 oC

∆”’2 =1,0 oC

∑ ∆,,, = ∆,1,, + ∆,2,, = 1+1= 2 oC
2.4- Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’= 22,11+ 4,91+ 2= 29,02 oC.
2.5- Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
∆ti1= T1 – (T2+Σ∆1) = 139,9 – (114,41+ 2,63+ 0,75+ 1)= 21,11 oC
Nồi 2:
∆ti2=T2 – (tng+Σ∆2) = 114,41– (80,9+ 19,48+ 4,16+ 1)= 8,88 oC
Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆ti1= T1– tS1 suy ra tS1=T1 - ∆ti1=139,9 – 8,88= 118,79 oC
Nồi 2 : ∆ti2=T2 –tS2 suy ra tS2=T2 - ∆ti2=114,41– 8,88= 105,53 oC
Cho toàn hệ thống: ∆hi = 139,9 – 80,9 – 29,02 = 29,98 oC

SVTH: Võ Thị Út

13

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

3- Cân bằng nhiệt lượng:
3.1- Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:
- Nhiệt dung của dung dịch ban đầu:

Vì XD= 5% <20% nên ta áp dụng công thức:
CD= 4186 (1- XD) = 4186 (1- 0,05) = 3976,7 J/kg.độ
- Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Vì XC1= 9,07% <20% nên ta có:
CC1= 4186.(1- XC1) = 4186.(1- 0,0907) = 3806,16 J/kg.độ
- Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2:
Vì XC2= 35% >20% nên ta áp dụng công thức:
C= Cht.x+ 4186.(1- x)
Trong đó:
Cht là nhiệt dung riêng của chất hoà tan
M.Cht =nNa.cNa+ nO.cO+ nH.cH

J/kg.độ

(*)

Tra bảng I.141, STQTTB T1/Trang 152 ta có:
MNaOH =40
NNa=nO=nH =1
cNa = 26000 J/kg nguyên tử.độ
cO = 16800 J/kg nguyên tử.độ
cH = 9630 J/kg nguyên tử.độ
Thay vào (*) ta có: Cht=

26000 + 16800 + 9630
= 1310,75 J/kg.độ
40

Suy ra: CC2= Cht.XC2+ 4186.(1- XC2)
= 1310,75.0,35+ 4186.(1-0,35)= 3179,66 J/kg.độ

3.2- Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng (CBNL):
Nồi 1: D.i+ GD.CD.tD= W1.i1+ (GD – W1)C1.t1+ D.Cng1. θ1+ Qxq1
Nồi 2: W1.i1+ (GD –W1)C1.t1= W2.i2+(GD – 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

SVTH: Võ Thị Út

14

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

tD, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 của dung dịch oC
CD, C1, C2: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và 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 J
GD : lượng dung dịch lúc ban đầu

kg/h


Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hoà, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt
độ, khi đó ta có:
i- Cng1. θ1=r (θ1) và

i1- Cng2. θ2=r(θ2)

Bảng 2.5: Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 310.
I.250, STQTTB, T1/Trang 312.
Đầu vào
Dung dịch NaOH
tD= 118,79 oC

Đầu ra nồi 1
Dung dịch NaOH
t1=118,79 oC

Đầu ra nồi 2
Dung dịch NaOH
t2= 105,53 oC

CD= 3976,7 J/kg.độ

C1= 3806,16 J/kg.độ

C2= 3179,66 J/kg.độ

GD= 10000 kg/h
Hơi đốt
θ1= 139,9 oC


Hơi thứ
θ2= 114,41
i1=2703062 J/kg

G2= 1428,57 kg/h
Hơi thứ
t’2= 81,9 oC

i= 2739860 J/kg

Cng2= 4247,94 J/kg.độ

i2= 2647420 J/kg

Cng1= 4286,79 J/kg.độ

W1= 4489,80 kg/h

W2= 4081,63 kg/h

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

W .i2 + (G D − W ).C 2 .t 2 − GD .C1 .t1
=
0,95.(i − C ng1 .θ1 ) + i2 − C1 .t1
8571,43.2647420 + (10000 − 8571,43).3179,66.105,53 − 10000.3806,16.118,79
=

0,95.(2739860 − 4286,79.139,9) + 2647420 − 3806,16.118,79

W1 =

SVTH: Võ Thị Út

15

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

= 4410,69 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là:
W2 = W - W1= 8571,43 – 4410,69 = 4160,74 kg/h
Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:
D=
=

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

4410,69.2703062 + (10000 − 4410,69).3806,16.118,79 − 10000.3976,7.118,79
0,95(2703062 − 4286,79.139,9)

= 4867,24 kg/h

3.3- Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
4489,8 − 4410,69
100% = 1,76% < 5%
4489,8
4160,74 − 4081,63
100% = 1,90% < 5%
C%(2) =
4160,74

C%(1) =

Vậy :

Đáp ứng u cầu

Lượng hơi thứ nồi 1là: W1 = 4410,69 kg/h
Lượng hơi thứ nồi 2 là: W2 = 4160,74kg/h
Lượng hơi đốt nồi I là: D = 4871,05 kg/h

III- Tính bề mặt truyền nhiệt:
1- Các thơng số cơ bản của dung dịch:
1.1- Độ nhớt:
Ta sử dụng cơng 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.

ts − t2
t −t
= K → θs = s 2 +θ2
Nên:
θs −θ2
K
Nồi 1: Nồng độ dung dịch x1= 9,07%
Chọn chất chuẩn là H20
Tra bảng của nước phụ thuộc nhiệt độ.
I.102, STQTTB T1/ Trang 94
SVTH: Võ Thị Út

16

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

I.101, STQTTB T1/ Trang 91
→ t1 = 40( o C ) → µ 1 = 1,10234.10 −3 ( N .s / m 2 ) → θ 1 = 16,31( o C )
→ t 2 = 30( o C ) → µ 2 = 1,3756.10 −3 ( N .s / m 2 ) →θ 2= 8,26( o C )
→K =

40 −30
=1,242
16,31 −8,26


Từ đó ta có: θs =

t s1 − t 2
116,16 − 30
+ θ2 =
+ 8,26 = 77,63( o C )
k
1,242

⇒ µs1 = 0,62.10-3 (N.s/m2)

Nồi 2: Nồng độ dung dịch x2= 35%
Chọn chất chuẩn là H20
Tra bảng :
I.101, STQTTB T1/ Trang 91 và sử dụng phương pháp ngoại suy.
I.102, STQTTB T1/ Trang 94.
→ t1 = 160( o C ) → µ1 = 1,58.10 −3 ( N .s / m 2 ) → θ1 = 3,75( o C )
→ t 2 = 150( o C ) → µ 2 = 1,695.10 −3 ( N .s / m 2 ) →θ 2= 1,63( o C )
→K =

160 − 150
= 4,72
3,75 − 1,63

Từ đó ta có: θ s =

ts2 − t2
160 − 83,45
+ θ2 =
+ 3,75 = 20( o C )

k
4,72

⇒ µs2 = 26,5.10-3 (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
SVTH: Võ Thị Út

17

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị


GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Chọn A=3,58.10-8

M = mi .M dd + (1 − mi ).M H 2O
xi
M d2
Mà mi =
xi
1 − xi
+
M d2
M H 2O
0,0907
40
Nồi 1: m1 = 0,0907 1 − 0,0907 = 0,043
+
40
18
→ M 1 = 0,043.40 + (1 − 0,043).18 = 18.946
→ λ1 = 3,58.10 −8.3806,16.1049.3

1049
= 0,545 (W/m.độ)
18,946

0,35
40
Nồi 2: m2 = 0,35 1 − 0,35 = 0,195
+

40
18
→ M 2 = 0,195.40 + (1 − 0,195).18 = 22,29
→ λ2 = 3,58.10 −8.3179,66.1310,53

1310,5
= 0,58 (W/m.độ)
22,29

1.3- Hệ số cấp nhiệt: α
1.3.1- Về phía hơi ngưng tụ: α1
Áp dụng công thức V.101, STQTTB, T2/ Trang 28

α1 =2,04. A.4

r
H .∆
t1

W/m2.độ

Với r: ẩn nhiệt ngưng (J/kg)
H: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn H = 4m )
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 = 3,95 oC

SVTH: Võ Thị Út

18

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

tT1 = thđ1 - ∆t1 = 139,9 – 3,95 = 135,95 oC
tm1 = 0,5.(tT1+ thd)=

135,95 + 139,9
= 137,923o C
2

→A1=129,67
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r1,n1 = 2150,3.103 J/kg
→ α1,n1 = 2,04.129,67.4

2150,3.103
= 5078,91 W/m2.độ
4.3,95


→ q1,n1 = α1,n1.∆t1 = 5078,91.3,95= 200061,71 W/m2
Nồi 2: Chọn ∆t1 = 7,15 oC
tT1 = thđ2- ∆t1= 114,41 – 7,15= 107,26 oC
tm2=

107,26 + 114,41
= 110,84 oC
2

→ A2 = 59,63
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r1,n2 = 2222,52.103 J/kg
→ α1,n 2

2222,52.10 3
= 2,04.59,63.4
= 2030,26 W/m2.độ
4.7,15

→ q1,n2 = α1,n2.∆t1 = 2030,26.7,15= 14516,35 W/m2
1.3.2- Về phía dung dịch sôi: α2
Ta có: α2 =ϕ.αn
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

 ρ 2 2  C 2
d

  d
.

ρ  C

 n   n
Theo CT V.91, STQTTB, T2/Trang 26
α n = 0,145.∆t 22,33 . p 0,5 W/m2.độ
Trong đó : P là áp suất hơi thứ
 λd 2
Ta có: ϕ = 
λ
 n

0 , 565






  µn
.
 µ 2
 d







0 , 435

Ta có: ∑ r = r1 + r2 + r3
SVTH: Võ Thị Út

19

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang 4.

δ
+ r3
λ
Trong đó r1: nhiệt trở của lớp hơi nước

∑r = r

+

1

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)
−3
→ ∑ r1 = 0,232.10 +

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

Nồi 1: Tại ts1= t2= 116,16 oC.
Ta có : ∆t = q1.∑ r1= 200061,71.0,699.10-3= 13,22 oC
→ tT2= tT1- ∆t = 135,95 – 13,22 = 122,73 oC
Hệ số cấp nhiệt của nước :
∆t2= tT2- t2= 122,73 – 116,16 = 6,57 oC
Áp suất hơi thứ tại nồi 1 :
Pht1= 1,75.98100= 1,72.105 N/m2
Vậy α n ,n1 = 0,145.6,57 2,33.(1,72.105)0,5= 4831,31 W/m2 độ
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
Cn1= 4242,68 J/kg.độ
µn1= 2,46.10-4 N.s/m2
λn1= 0,685 W/m2.độ
ρn1 = 946,50 kg/m3

 0,545 
ϕn1 = 

 0,685 

0 , 565

SVTH: Võ Thị Út

 1049 2  3806,33   0,246.10 −3 

.
 
.
−3 
946
,
72
4242
,
68
0
,
63
.
10








20

0 , 435

= 0,61

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

α 2,n1 = ϕ1.α n ,n1 = 0,61.4831,31 = 2947,10 W/m2 độ
→ q2,n1 = α2,n1.∆t2,n1 = 6,57 .2947,10 = 19358,48 W/m2
Nên ta có: η1 =

20061,71 − 19338,48
19338,48

.100% = 3,63% < 5% nên đạt

Vậy nhiệt tải trung bình:
q + q2,n1 200061,71 + 19338,48
Q1 = 1,n1
=
= 19710,1 W/m2

2
2
o
Nồi 2: Tại ts2= t2= 86,06 C.
Ta có : ∆t = q1,n2.∑ r1= 14516,35 .0,659.10-3= 9,57 oC
→ tT2= tT1- ∆t = 107,26- 9,57 = 97,69 oC
Hệ số cấp nhiệt của nước :
∆t2= tT2- t2= 97,69 – 86,06 = 11,64 oC
Áp suất hơi thứ tại nồi 1 :
Pht2= 0,52.98100= 0,51.105 N/m2
Vậy α n ,n 2 = 0,145.11,64 2,33.(0,51.105 )0,5= 9973,92 W/m2 độ
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
Cn2= 3494,67 J/kg.độ
µn2= 3,38.10-4 N.s/m2
λn2= 0,677 W/m2.độ
ρn2 = 969,59 kg/m3
0 , 565

ϕn 2

 0,58 
=

 0,677 

 1310,5 2  3179,66   0,338.10 −3
.
 
.
−3


969
,
59
3494
,
67



  26,5.10



α 2,n 2 = ϕ n 2 .α n ,n 2 = 0,13.9973,92= 1296,61 W/m2 độ

0 , 435







= 0,13

→ q2,n2 = α2,n2.∆t2 = 11,64 .1296,61 = 15095,85 W/m2
Nên ta có: η1 =

14516,35 − 15095,85


.100% = 3,83% < 5% nên đạt
15095,85
Vậy nhiệt tải trung bình:
q + q2,n 2 14516,35 + 15095,85
Q2 = 1,n 2
=
= 14806,1 W/m2
2
2
SVTH: Võ Thị Út

21

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

1.3.3- Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi:
Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau: F1= F2 nên nhiệt
độ hữu ích phân bố trong các nồi là:

Qi
Ki


t hi ( k ) = n =2 . ∑


t hi

i=
1

Trong đó:
∆t hi là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (oC )

Qi: lượng nhiệt cung cấp (J/s )
Ki: hệ số truyền nhiệt
Ta có: Qi =

Di .ri
3600

Trong đó:
Di là lượng hơi đốt mỗi nồi
ri: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi
1

Ki =

1

α1

+ ∑r +

1


α2

Nồi 1:
Q1 =

K1 =

D1 .r1 4867,204.2150,3.10 3
=
= 3670339,06 J
3600
3600
1
1
1
+ 0,659.10 −3 +
5078,91
3192,87

= 616,67

Q1 3670339,06
=
= 5951,83
K1
616,67
Nồi 2:
D2 .r2 4410,69.2222,52.10 3
Q2 =

=
= 2030758,01
3600
3600
1
K2 =
= 710,08
1
1
−3
+ 0,659.10 +
2030,26
1296,61

SVTH: Võ Thị Út

22

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Q2 2030758,01
=
= 2859,91
K2
710,08

n =2

Q

Q

Q

i
= 1 + 2 = 5951,83 + 2859,91 = 8811,74
Nên: i∑
=1 K
K1 K 2
i
Vậy:

5951,83
= 20,25( o C )
8811,74
2859,91
= 29,98.
= 9,73( o C )
8811,74

∆t hi1 = 29,98.
∆t hi 2

Tính sai số:
η1 =
η2 =


21,11 − 20,25
21,11
8,88 − 9,73
9,73

.100% = 4,07%

.100% = 8,72%

Tính bề mặt truyền nhiệt F:
F=

Qi
(m 2 )
K i .∆t hi ,i
3670339,06

2
Nồi 1: F1 = 616,67.20,25 = 293,89(m )

2030758,01

2
Nồi 2: F2 = 710,08.9,73 = 293,89(m )

Theo quy chuẩn bảng VI.6, STQTTB, T2/ Trang 80
Chọn bề mặt truyền nhiệt F= 315 m2

SVTH: Võ Thị Út


23

Lớp: CNTP 41


Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Bảng 2.6- Tóm tắt:
q1 (W/m2)

Nồi 1
200061,71

Nồi 2
14516,35

q2 (W/m2)

19358,48

16095,85

Sai số

3,63

3,83


q (W/m2)

19710,1

14800,1

Di (kg/h)

4867,204

4410,69

ri (J/kg)

2150,3

2222,52

Qi (J/s)

3670339,67

2030758,01

Ki

616,67

710,08


Qi/Ki

5951,83

2859,91

∆thi(i)
dự đoán
∆thi(i)
tính toán
Sai số (%)

21,11

8,88

20,25

9,73

4,07

8,72

SVTH: Võ Thị Út

24

Lớp: CNTP 41



Đồ án thiết bị

GVHD: Nguyễn Thị Thủy Tiên

Phần 3: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
I- Buồng đốt:
1- Tính số ống truyền nhiệt:
Tra bảng VI.6, STQTTB T2/Trang 80 chọn đường kính ống truyền nhiệt là
dn= 0,057 m
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là 4 m
n=

F
315
=
= 439,99 ống
d n .h.π 0,057.4.3,14

Theo bảng qui chuẩn số ống truyền nhiệt V.11, STQTTB T2/Trang 48
Chọn n= 469 ống.
Chọn cách xếp ống theo hình lục giác đều
Số ống trên đường truyền xuyên tâm là 25
Số ống trong tất cả các viên phân là 48
2- Đường ống tuần hoàn trung tâm:
Dth =

4. f t
π


π .d 2 .n
3,14.0.057 2 .469
=0,3
= 0,359 m2.
4
4
4.0,359
=
= 0,676 m
3.14

Chọn ft = 0,3.FD =0,3
Vậy : Dth =

4. f t
π

Chọn Dth= 700 mm
3- Đường kính thiết bị buồng đốt:
Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục
giác đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức :
Dt= (d th + 2β .d n ) 2 +

0,4.β 2 . sin 60 0.F .d n
ψ .l

m

Trong đó :

t

β= d = 1,4 : Hệ số, thường β = 1,3 –1,5
n

t =1,4.dn
dn =0,057
ψ = 0,8
l =4 m
SVTH: Võ Thị Út

: Bước ống , m (thường t = 1,2 – 1,5dn)
: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt m
: Hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường ψ = 0,7 – 0,9
: Chiều dài của ống truyền nhiệt m
25

Lớp: CNTP 41


×