Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi làm việc liên tục xuôi chiều được sử dụng để cô đặc dung dịch CaCl2, từ nồng độ 5% đến nồng độ 30% khối lượng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

1.1 Yêu cầu :
Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi làm việc liên tục xuôi chiều được sử dụng để cô
đặc dung dịch CaCl2, từ nồng độ 5% đến nồng độ 30% khối lượng. Năng suất tính theo
dung dịch đầu 4 tấn/h. Dung dịch trước khi vào hệ thống cô đặc được đun nóng đến nhiệt độ
sôi. Hơi đốt dùng cho hệ thống là hơi nước bão hòa ở áp suất 4at. Độ chân không ở thiết bị
ngưng tụ 0,2at.

1.2 Tổng quan về muối CaCl2 :
Canxi clorua CaCl2 là hợp chất ion của canxi và clo. Chất này tan nhiều trong nước.
Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn.Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản
xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay. Do
nó có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín.

1


Clorua canxi

Danh pháp
IUPAC

calcium chloride

Tên khác

Canxi clorua, canxi (II) clorua,
canxi diclorua,
E509

Nhận dạng
Số CAS

[10043-52-4]

Số RTECS

EV9800000, khan

Thuộc tính

Công thức
phân tử

1.3
dụng Phân tử gam
CaCl2

CaCl2
CaCl2.2H2ODihydrat
CaCl2.4H2OTetrahydrat
CaCl2.6H2OHexahydrat
110,99 g/mol, khan
147,02 g/mol, dihydrat
183,04 g/mol, tetrahydrat
219,08 g/mol, hexahydrat

Bề ngoài

rắn trắng hay không màu

Tỷ trọng

2,15 g/cm³, khan
0,835 g/cm³, dihydrat
1,71 g/cm³, hexahydrat
2

Điểm nóng
chảy

772 °C (khan)

Ứng
của
:


1.3.1 Công nghiệp
Hàng triệu tấn clorua canxi được sản xuất mỗi năm, chẳng hạn tại Bắc Mỹ, lượng tiêu thụ
năm 2002 là 1.687.000 tấn (3,7 tỷ pao). Các cơ sở sản xuất của Công ty hóa chất Dow tại
Michigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại Hoa Kỳ về clorua canxi, và nó có nhiều ứng
dụng công nghiệp khác nhau:
Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó, nên không khí hay các loại khí khác có thể cho đi qua
các ống chứa clorua canxi để loại bỏ hơi ẩm. Cụ thể, clorua canxi thông thường được sử
dụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí đi
qua. Nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng.
Quá trình hấp thụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 60 ° C (140
°F).Vì khả năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm.

Do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó, clorua canxi cũng được sử
dụng như là hợp chất làm tan băng. Không giống nhưclorua natri (muối đá hay halit) phổ
biến hơn, nó là tương đối vô hại cho các loại cây trồng và đất; tuy nhiên, các quan sát gần
đây tại bang Washington lại cho rằng nó có thể gây hại cho các cây thường xanh ở hai bên
đường.Nó cũng có hiệu lực hơn clorua natri ở các nhiệt độ thấp.Khi được phân phối cho
mục đích này, nó thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng, đường kính vài
milimét.
Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp chất lỏng trên
mặt đường nhằm thu hút hết bụi. Nó cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăng
nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông, tuy nhiên ion clorua lại dẫn tới sự ăn mòn của
các thanh gia cố bằng thép, vì thế không nên sử dụng nó trong bê tông chịu lực.
Clorua canxi lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới -52°C (-62°F),
làm cho nó là lý tưởng để nhồi đầy các lốp không săm bổ sung như là các đồ dằn lỏng, hỗ
trợ cho sức kéo trong điều kiện khí hậu lạnh.
Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm sử dụng như là phụ gia trong hóa dẻo, hỗ trợ
tiêu nước trong xử lý nước thải, chất bổ sung trong các thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụ
gia trong kiểm soát tạo xỉ trong các lò cao, cũng như làm chất pha loãng trong các loại thuốc
làm mềm vải.
1.3.2 Thực phẩm
Như là một thành phần, nó được liệt kê như là phụ gia thực phẩm được phép sử dụng
tại Liên minh châu Âu để làm phụ gia cô lập và chất làm chắc với số E là E509. Dạng khan
đã được FDA phê chuẩn như là phụ gia hỗ trợ đóng gói để đảm bảo độ khô (CPG 7117.02).
Clorua canxi được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực mặn, được tìm
thấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể thao và các dạng đồ uống
khác, như Smartwater và nước đóng chai của Nestle. Nó cũng có thể được sử dụng như là
phụ gia bảo quản để duy trì độ chắc trong rau quả đóng hộp hoặc ở hàm lượng cao hơn
trong các loại rau dưa muối để tạo ra vị mặn trong khi không làm tăng hàm lượng natri của
thực phẩm.
3

Nó cũng có thể dùng để chế biến các đồ thay thế cho trứng cá muối từ nước hoa
quả hay bổ sung vào sữa đã chế biến để phục hồi sự cân bằng tự nhiên giữa canxi và
protein trong các mục đích sản xuất phó mát, như các dạng brie và stilton. Tính chất tỏa
nhiệt của clorua canxi được khai thác trong nhiều loại thực phẩm 'tự tỏa nhiệt' trong đó nó
được hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để bắt đầu quá trình sinh nhiệt, cung cấp một loại nhiên
liệu khô, không nổ, dễ dàng kích hoạt.
Trong ủ bia (đặc biệt là ale và bia đắng), clorua canxi đôi khi được sử dụng để điều chỉnh
sự thiếu hụt chất khoáng trong nước ủ bia (canxi là đặc biệt quan trọng cho chức năng của
enzym trong quá trình ngâm, cho quá trình đông kết lại của protein trong hầm ủ và trao đổi
chất của men bia) và bổ sung độ cứng vĩnh cửu nhất định cho nước. Các ion clorua gia tăng
hương vị và tạo cảm giác ngọt và hương vị đầy đủ hơn, trong khi các ion sulfat trong thạch
cao, cũng được sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo ra hương vị
khô và mát hơn, với độ đắng cao hơn.
1.3.3 Sinh học/Y học
canxi phẩm cấp y tế có thể tiêm vào đường ven để điều trị giảm canxi máu (thấp canxi
huyết). Nó cũng có thể sử dụng cho: các vết đốt hay châm của côn trùng; các phản ứng mẫn
cảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như mày đay (phát ban); ngộ độc magiê do dùng quá
liều sulffat magiê; như là chất bổ trợ trong kiểm soát các triệu chứng cấp tính trong ngộ
độc chì; hồi tim mạch, cụ thể là sau phẫu thuật tim. Canxi dùng ngoài đường ruột có thể
được sử dụng khi epinephrin thất bại trong việc cải thiện sự co cơ tim quá yếu hoặc không
hiệu quả. Tiêm clorua canxi có thể trung hòa độc tính tim mạch trong tăng kali máu khi đo
bằng điện tâm đồ (ECG/EKG).
Nó có thể hỗ trợ cơ tim đối với các mức cao-nguy hiểm của kali đường huyết trong cao
kali máu. Clorua canxi có thể dùng để điều trị nhanh độc tính ngăn chặn kênh canxi mà
không có các tác dụng phụ của các loại dược phẩm như Diltiazem (Cardizem) - giúp tránh
các cơn đau tim tiềm tàng.
Dạng lỏng trong dung dịch của clorua canxi được sử dụng trong biến đổi gen của các tế
bào bằng sự gia tăng độ thẩm thấu của màng tế bào, sinh ra năng lực cho việc lấy vào ADN
(cho phép các mảnh ADN đi vào trong tế bào dễ hơn).

Nó cũng có thể dùng trong các bể cảnh để bổ sung có thể sử dụng về mặt sinh học trong
dung dịch cho các sinh vật cần dùng nhiều canxi như tảo, ốc, san hô v.v mặc dù việc sử
dụng hydroxit canxi hay lò phản ứng canxi là phương pháp được ưa chuộng hơn trong việc
bổ sung canxi. Tuy nhiên, clorua canxi là phương pháp nhanh nhất để tăng nồng độ canxi do
nó hòa tan trong nước.

1.4 .Giới thiệu sơ lược về quá trình và thiết bị cô đặc
1.4.1 Giới thiệu chung về quá trình cô đặc
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách
bớt một phần dung môi qua dạng hơi.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. Đối với
sản phẩm thực phẩm, cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng phương pháp nhiệt
(đun sôi). Do đó, ở đây chỉ đề cập đến phương pháp nhiệt.
4


Khi cô đặc bằng phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt độ, dung môi chuyển từ
trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất mặt thoáng
chất lỏng (tức là khi dung dịch sôi), sau đó dung môi lỏng sẽ bay hơi ra khỏi dung dịch. H ơi
của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ
cao có thể dùng để đun nóng cho một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóng một thiết
bị ngoài hệ thống cô đặc thì gọi là hơi phụ.
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền
nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp
thường dùng hơi bão hòa để đốt nóng.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau, khi làm việc ở áp suất thường
thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác (chân không hoặc áp suất dư) thì
dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn trong thiết bị một nồi hoặc nhiều
nồi.

Khi cô đặc một nồi, nếu muốn sử dụng hơi thứ để đốt nóng lại thì phải nén hơi thứ đến áp
suất của hơi đốt (gọi là thiết bị có bơm nhiệt).
Khi cô đặc nhiều nồi thì dung dịch đi từ nồi nọ sang nồi kia, hơi thứ của nồi trước làm hơi
đốt cho nồi sau.
Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất thực phẩm
như cô đặc muối, đường, sữa, cà chua, ớt …làm tăng chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, cô
đặc còn có tác dụng bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật.
1.4.2 Phân loại
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu
tạo sau là dễ dàng và tiêu biểu nhất:
Các thiết bị cô đặc được chia làm 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu sau đây:
- Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên.
+ Loại 1: Có buồng đốt trong; có thể có ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 2: Có buồng đốt ngoài.
- Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)
+ Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
+ Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.
- Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng.
+ Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.
+ Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay ngoài.

1.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống cô đặc
5


Dung dịch được chứa ở thùng chứa (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3). Từ
thùng cao vị dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (4) trước khi vào hệ
thống cô đặc. Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để nâng đến nhiệt độ sôi.
Tiếp theo dung dịch đi vào hệ thống 3 nồi cô đặc (6), dung dịch qua mỗi nồi có nồng độ

tăng dần. Hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt. Dung dịch đi trong ống, hơi nước
đi ngoài ống. Hơi thứ nồi thứ nhất là hơi đốt nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai là hơi đốt nồi thứ ba.
Hơi thứ ra khỏi nồi thứ ba được đưa vào baromet ngưng tụ (7), có tác dụng tạo độ chân không
cho hệ thống cô đặc. Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối nhờ chênh áp. Dung dịch
sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa (8).

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1 Cân bằng vật liệu:
Các số liệu ban ban đầu:
6


-

Dung dịch cô đặc: CaCl2
Năng suất dung dịch đầu: 4000kg/h
Nồng độ đầu: 5%
Nồng độ cuối: 30%
Áp suất hơi nồi 1: 4at
Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,8at

2.1.1 Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống:

2.1 Cân bằng vật liệu
2.1.1 Lượng nước bốc hơi của cả hệ thống (hơi thứ )
Gọi :
Gđ , Gc , W lần lượt là lưu lượng dung dịch ban đầu, sản phẩm cuối và tổng lượng hơi thứ
(kg/h).
xđ, xc là nồng độ chất khô trong dung dịch ban đầu và trong sản phẩm cuối (% khối lượng).
W

Gđxđ

Cô đặc

Gc xc

Chọn căn bản tính là 1 giờ.
Cân bằng vật chất tổng quát:
Gđ = Gc + W
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
Gđ.xđ = Gc.xc
Ta có: xđ = 5% = 0,05
xc = 30% = 0,3
Gđ= 4 tấn/h = 4000kg/h

xc
0,05
x
⇒ Gc = đ .Gđ = 0,3 .4000 = 666,67 kg/h
⇒W = Gđ – Gc = 4000 – 666,67 = 3333.33 kg/h
2.1.2 Lượng hơi thứ phân bố trong từng nồi
Gọi W1, W2, W3 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h)
Ta có: W1 + W2 + W3 = 3333.33 kg/h
Giả sử tỷ lệ lượng hơi thứ của từng nồi W 1:W2:W3 = 1,1:1,05:1, sau khi tính toán thực tế ta
sẽ tìm được W1, W2 và W3 và so sánh với W1, W2, W3 theo giả thuyết ban đầu. Nếu sai số giữa
lượng hơi thứ thực tế và lượng hơi thứ lý thuyết < 5% là được.
7


⇒

W1 = 1164,02 kg/h
W2 = 1111,11 kg/h
W3 = 1058,2 kg/h

2.1.3 Tính nồng độ của dung dịch trong từng nồi

W

Gđ, xđ

W

G1, x1

Nồi 1

W

G2, x2

Gc, xc

Nồi 3

Nồi 2

G1: khối lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 trong 1 giờ (kg/h)
x1 : nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 1 (% khối lượng)
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1:

Cân bằng vật chất tổng quát:
G1 = Gđ – W1 = 4000 – 1164,02= 2835,98 kg/h
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:
Gđ.xđ = G1.x1

Gđ
4000
G
⇒x1 = 1 .xđ = 2835,98 . 0,05 = 0,0705 = 7,05%
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 (x2):
Cân bằng vật chất tổng quát:
G2 = G1 – W2 = 2835,98– 1111,11 = 1724,87 kg/h
Cân bằng vật chất đối với cấu tử chất khô:

G1
2835,98
G
G1.x1 = G2.x2⇒ x2 = 2 .x1= 1724,87 . 0,0705= 0,1159 = 11,59%
- Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 3 (x3):
G3 = Gc = 666,67 kg/h
Nồng độ của dung dịch khi ra khỏi nồi 3 chính là nồng độ sản phẩm cuối.
x3= xc = 30%
Nồng độ trung bình nồi 1:

⇒ x tb1 =

x đ + x1
5 + 7,05
.100 =
.100 = 6,025 %

2
2

Nồng độ trung bình nồi 2:

8


⇒ x tb2 =

x1 + x 2
7,05 + 11,59
.100 =
.100 = 9,32 %
2
2

Nồng độ trung bình nồi 3:

⇒ x tb3 =

x2 + x3
11,59 + 30
.100 =
.100 = 20,79 %
2
2

2.2 Phân bố áp suất làm việc trong các nồi:
Gọi: P1, P2, P3, Pnt, là áp suất hơi đốt trong các nồi I, II, III và thiết bị ngưng tụ.

Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ sau:

Pi
Pi + 1 =1,5
Vậy áp suất làm việc từng nồi là:
Ta có:

P1-Pnt=4-0,8= 3,2 (at)
∆P = P1+P2+P3= 3,2 at

Nên:
P1= 1,52 at
P2= 1,01 at
P3= 0,67 at.
Gọi thđ1, thđ2, thđ3, tnt: là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị ngưng tụ.
tht1, tht2, tht3, là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3.
Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mat1khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị khác là
1.
Do đó:

thđ2 = tht1-1
thđ3 = tht2-1
tnt = tht3-1.

Từ áp suất của Pht1, Pht2, Pht3 đã biết, ta tra bảng I.251/314 –[1] ta được nhiệt độ hơi thứ
của nồi 1, nồi 2, nồi 3, từ đó biết được nhiệt độ hơi đốt của các nồi 1, 2, 3 qua công thức (8),
(9). Biết nhiệt độ của hơi đốt ta biết được áp suất của hơi đốt bằng cách tra bảng I.250/312 –[1]:
Bảng 2.1: Sự phân bố áp suất và nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ ở các nồi

Hơi đốt

Hơi thứ

nồi 1

nồi 2

P1 (at)
4
142.9
2,55
126,98

P2 (at)
2,48
1,46

nồi 3
125,98
109,84

2.3 Tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi
9

P3 (at)
1,47
0,83

Thiết bị baromet
Pnt (at)
108,84

94,0

0,8

93,0


2.3.1 Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ (Δ')
Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cũng một áp suất:
t0sdd – t0sdm

Ta sử dụng công thức Tisencô:
-

1
T r
’
’
0 .f = 0 .16,2.
2
s .

(VI.10/59-) Trong đó:

Δ’0 : là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất thường.
Ts : là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, K.
r : là là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg.

Dựa vào bảng (VI.2/67 – [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ Δ’ 0 theo nồng độ a (%kl)

Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ ở mỗi nồi

Nồng độ dd
(%kl)
’
0 ()

Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

7,05

11,59

30

1,21

1,7

10,5

Dựa vào (I.251/314 – [1]) ta xác định được nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ:
Bảng 2.3: Nhiệt độ hóa hơi theo áp suất hơi thứ ở các nồi
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Áp suất làm việc (at)

2,55

1,46

0,83

Nhiệt hóa hơi, r.10-3 J/kg

2191,35

2234

2272,4

Vậy, ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo các công thức trên:

Bảng 2.4: Sự phân bố nhiệt độ hơi thứ, hệ số hiệu chỉnh tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi
Nhiệt độ hơi thứ, K
Hệ số hiệu chỉnh, f
Tổn thất nhiệt độ, ’

Nồi 1
399,98
1,18
0,53

Nồi 2
382,84
1,06
0,85

Nồi 3
367
0,96
2,98

Suy ra tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ của hệ thống: ΣΔ’ = 4,36 oC
2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)
Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áp lực của
cột chất lỏng. Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thất
nhiệt dộ do áp suất thuỷ tĩnh.
10


∆” = t(P+∆P) - tP
Với:
- t(P+∆P) là nhiệt độ sôi ứng với Ptb
- tP là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch.
Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng:
Theo CT VI.12/55-[2] ,ta có:

h
Ptb =Po + (∆h + 2 )ρddsoi.g
Với:
-

Po là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng
dung dịch, chọn ∆h=0,5m cho cả 3 nồi.
H là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3 m cho cả 3 nồi.
ρddsoi là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3.

ρ dd
ρddsoi = 2
ρdd được nội suy và ngoại suy từ bảng I.37/40-[1].
Để tính tos của dung dịch CuSO4 ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:

P
 
 Ps  t = K = const
Trong đó:
- P: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch
- Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy từ

bảng I.250/312-[1].
Nồi 1: ứng với x1= 7,05% → ts1 =101,2oC (theo bảng I.204/236 –[1])
Pht = 2,55at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P s = 1,04 at
Ta có: ρdd = 1062,3 (kg/m3) → ρdds = 531,15 (kg/m3)

3
Suy ra: Ptb =2,55+(0,5 + 2 ).531,15.9,81.10-5 =2,66 (at)
P
1
P
K = s = 1,04 = 0,96

11


2,66
Mà : P = Ptb1 → P0 = 0,96 =2,77 at ttb =131,54oC
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
tp = tht + Δ’ = 126,98 +0,52 = 127,5 oC
Vậy → ∆”1 = t(P+∆P) - tP = 131,54 -127,5 = 4,04 oC
Nồi 2: ứng với nồng độ x2 =11,59 % → ts2 =102,2oC ( theo bảng I.204/237-)
Pht =1,46 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,08 at
Ta có: ρdd = 1105.2 (kg/m3) → ρdds = 552,6 (kg/m3)

3
Suy ra: Ptb =1,46 +(0,5 + 2 ).552,6. 9,81.10-5 = 1,57 (at)
P
1
P
K = s = 1,08 = 0,92

Mà : P = Ptb1

1,57
P0 = 0,93 =1,73 (at) ttb =116,03

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
tp = tht + Δ’ = 109,84 +0,85 = 110,69 oC
Vậy → ∆”1 = t(P+∆P) - tP = 116,03-110,69 =5,34 oC.
Nồi 3: ứng với nồng độ x3=30% → ts2 =111,00oC ( theo bảng I.204/237-)
Pht =0,83 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P s = 1,17at

Ta có: ρdd = 1281.6 (kg/m3) → ρdds = 640 (kg/m3)

3
Suy ra: Ptb =0,83 +(0,5 + 2 ).640. 9,81.10-5 = 0,98 (at)
P
1
P
K = s = 1,17 = 0.85

Mà : P = Ptb1

0,98
P0 = 0,85 =1,15 at ttb= 102,79 oC

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng: tp = tht + Δ’ =94 +2,98=96,98 oC
Vậy → ∆”1 = t(P+∆P) - tP = 102,79-96,98 =5,81 oC.
Kết quả quá trình tính ở trên được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2.5. Tính áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt.
12


Nồng độ (%kl)
Áp suất hơi thứ P0, (at)
Ts,
ρdd , (kg/m3)
dds

= ρdd /2 , (kg/m3)

Ptb , at

Nồi 1
7,05
2,55
101,2
1062.3

Nồi 2
11,59
1,46
102,2
1105.2

Nồi 3
30
0,83
111
1281.6

531,15

552,6

640

2,66

1,59

0,98

Bảng 2.6. Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh
Nồi 1
101,2
1
1,04
0,96
2,66
2,89
131,54
126,98
1,21
127,5
3,74

Nhiệt độ sôi dd,
Áp suất mặt thoáng dd (áp suất khí quyển)
Ps , AS hbh của nước ng/chất ở Ts
Hệ số K=P/Ps
Áp suất mặt thoáng dd Ptb
Áp suất hbh nước ng/chất Ps
Nhiệt độ sôi ứng với Ptb ,
Nhiệt độ hơi thứ,
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ,
Nhiệt độ sôi dd trên mặt thoáng,
Tổn thất nhiệt độ do ASTT,
Vậy

1

Nồi 2
102,2
1
1,08
0,93
1,59
1,62
116.03
109,84
1,7
110,69
5,34

+’’2+ 3 = 14,89 .

2.3.3 Tổn thất do trở lực của đường ống,(Δ”’)
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là 1
=1+2 +3 =1+1+1 = 3.
2.3.4 Tổn thất do toàn bộ hệ thống
= + + = 4,36+ 14,89+ 3 = 22,25 .
2.3.5 Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi
Nồi 1: tthi1 = thd1 – thd2 - 1 = 142,9-125,98- (0,53+3,74+1) = 11,65
Nồi 2: tthi2 = thd2 – thd3 - 2 = 125,98-108,84- (0,85+5,34+1) = 9,95
Nồi 3: tthi3 = thd3 – tnt -

3

= 108,84-93- (2,98+5,81+1)

= 6,05

Cho toàn hệ thống:
ht

= thd1- tnt-

= 142,9-93-22,25 =27,65.

2.4 Tính nhiệt lượng, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt ngưng tụ
13

Nồi 3
111
1
1,17
0,85
0,98
1,15
102,79
94
10,5
96,98
5,81


2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg
Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ): I.250/312 –[1]
2.4.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:
Vì xđ =5% < 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]
C0 =4186.(1-x) = 4186.(1-0,05) = 3976,7 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1:
Ta có : x1=7,05 % 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]
C1 =4186.(1-0,0705) = 3890,9 (J/kg.độ).
Nhiêt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2:
Ta có: x2=11,59% 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]:
C2 =4186.(1-0,1159) = 3700,8(J/kg.độ).)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồi 3:
Vì x3 = 30 % > 20% nên ta áp dụng công thức I.44/152 – [1]
C3 = Chtx3 + 4186(1 – x3) =723,75.0,30+ 4186(1-0,30)= 3147,3 (J/kg.độ)
2.4.3 Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt
độ sôi của các dung dịch trong các nồi
Chọn tổn thất nhiệt độ khi hơi thứ nồi trước di chuyển trong hệ thống ống, đi làm hơi đốt
cho nồi sau là 1.
Dựa vào nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ đã tính được ở cân bằng vật liệu, tra bảng và nội suy,
ta được các giá trị I, i, Cn.
Tính I và i bằng phương pháp nội suy theo bảng I.250/312-[1].
Tính Cn bằng cách nội suy theo bảng I.249/310-[1].
Bảng 2.7: Nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt độ sôi
của các dung dịch trong các nồi
Nồi
1
2
3

Hơi đốt
t
142.9

125,98
108,84

i.10-3
(J/kg)
2745,06
2719,57
2693,91

Cn
(J/kg.độ)
4294,25
4259,57
4231,49

Hơi thứ
t
126,98
109,82
94,0

i.10-3
(J/kg)
2721,17
2695,71
2669,4

Dung dịch
t
Cp

(J/kg.độ)
131,24
3890,9
116,03
3700,8
102.79
3147,3

2.5 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết

Hình 2.1: Cần bằng nhiệt lượng trong dây chuyền

14


Ta có:
-

D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)
Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h).
W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3 (kg/h).
C1, C2, C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ).
Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ).
Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ).
I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg).
i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg).
tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, ().
t1, t2, t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở P tb ()
1,2, 3 là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, ().
Qtt1, Qtt2, Qtt là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

ΣQvào = ΣQra

Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi
Bảng 2.8: Cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi
Nồi 1

Vào

Ra

Nồi 2

Vào

Ra

Dung dich đầu mang vào

Gđ.Cđ.tđ

Hơi đốt mang vào

D1.I1

Hơi thứ mang ra

W1.i1

Dung dịch mang ra

(Gđ-W1)C1.t1

Nước ngưng mang ra

D1Cn1θ1

Tổn thất nhiệt chung 1

Qtt1= 0,05. D1.I1

Hơi đốt mang vào

D2.I2

Dung dịch(ở nồi 1 ra) mang vào

(Gđ-W1)C1.t1

hơi thứ mang ra

W2.i2

Dung dịch mang ra

(Gđ-W1-W2)C2.t2

Nước ngưng mang ra

D2Cn22

15


df

Vào

Ra

tổn thất nhiệt chung 2

Qtt2 = 0,05. D2.I2

Hơi đốt mang vào

D3.I3

Dung dịch(ở nồi 2 ra) mang vào

(Gđ-W1-W2)C2.t2

Hơi thứ mang ra

W3.i3

Dung dịch mang ra

(Gđ-W1-W2-W3)C3.t3

nước ngưng mang ra

D3Cn33

Tổn thất nhiệt chung 3

Qtt3 = 0,05. D3.I3

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi
Nồi 1:
Gđ.Cđ.tđ + D1.I1 = W1.i1 + (Gđ-W1)C1.t1 + D1Cn11 + 0,05. D1.I1
D1(0,95I1- Cn11) + W1(C1.t1 –i1) = Gđ(C1.t1 - Cđ.tđ)
Nồi 2:
Ở nồi 2, chú ý: D2 = W1
(Gđ-W1)C1.t1 + D2.I2 = W2.i2 + (Gđ-W1-W2)C2.t2 + D2Cn22 + 0,05. D2.I2
Biến đổi ta được:
W1(0,95I2 - C1.t1 + C2.t2 - Cn22) + W2 (C2.t2 – i2) = Gđ (C2.t2 - C1.t1). (2)
Nồi 3:
D3.I3 + (Gđ-W1-W2)C2.t2 = W3.i3 + (Gđ-W)C3.t3 + D3Cn33 + 0,05. D3.I3
Ở nồi 3, chú ý: D3 = W2 và W = W1 + W2 + W3 = 3333,33
Biến đổi, ta được:
W2(0,95I3 - Cn33 - C2.t2 + I3 ) - W1 (C2.t2 - i3) = Gđ (C3.t3 - C2.t2 ) +W(i3- C3.t3) (3)
Giả thiết nhiệt cung cấp cho quá trình cô đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể xem nhiệt độ
nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: = thd
Từ phương trình (2) và (3), với số liệu ở bảng trên, ta tính được:
2016248,9W1 – 2215790,26 W2 = -122887888
2263295W1 + 4288139,38W2 = 7193987182
Giải ra ta được:

W1 = 1124,,02(kg/h)
W2 = 1118,33 (kg/h)
W3 = W– (W1 + W2) = 1090,98 kg/h)

Wi ( ptcbnl ) − Wi ( ptcbvl )
Wi ( ptcbnl )
Tính sai số theo công thức: η =
16

(2’)
(3’)


Bảng 2.9:Cân bằng vật liệu và cần bằng năng lượng ở các nồi
Theo CBVL, kg/h
1164,02
1111,11
1058,2

Nồi 1
Nồi 2
Nồi 3

Theo CBNL,kg/h
1124.02
1118.33
1090.98

Sai số, %
3,44

0,65
3,1

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1
D1 = 1648,6 (kg/h) (thay các giá trị vào biểu thức nồi 1)
2.6. Các thông số kĩ thuật chính
2.6.1 Độ nhớt

t1 − t 2
=k
θ
−
θ
Ta sử dụng công thức Paplov: 1 2
Trong đó: t1, t2 nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng .
l à nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nồi 1: x1= 7,05 %, chọn chất chuẩn là nước .
t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,062 g/cm3.
Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :

C %.10.d
C %.10.d
= 2.
M
111 (dlg/l)
CN = n.CM = n.
Trong đó : C% là nồng độ dung dịch CaCl2.
n là tổng điện tích của ion Ca 2+ trong phân tử.
d là khối lượng riêng của dung dịch CaCl 2
Suy ra: CN = 1,32 (dlg/l)

Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 1,88.10-3 (N.s/m2)
Nhiệt

độ của H2O tương ứng với : = 0,990C
t2 = 400C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d2 = 1,022g/cm3.
Suy ra: CN = 1,25 (dlg/l)
Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 1,63.10-3 (N.s/m2)
Nhiệt

độ của H2O tương ứng với : = 2,80 0C

ts − t2
= k θ s = ts − t2 + θ 2
θ −θ2
k
Suy ra K = 11,05, mà: s
Ts là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 1 : Ts = 101,2 oC
Suy ra: = 8,24
Tra bảng I.102/95-[1], μ1 = 1,376.10-3(N.s/m2)
17


Nồi 2: x2 = 11,59%, chọn chất chuẩn là H2O
t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,152 g/cm3.
Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng
Suy ra: CN = 2,41 (dlg/l)
Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 2,41.10-3 (N.s/m2)
Nhiệt

độ của H2O tương ứng với : = 0,96 0C

t2 = 400C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d2 = 1,128g/cm3.
Suy ra: CN = 2.36 (dlg/l)
Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 2,25.10-3 (N.s/m2)
Nhiệt

độ của H2O tương ứng với : = 10,22 0C

ts − t2
= k θ s = ts − t2 + θ 2
θ −θ2
k
Suy ra K = 2,16 mà: s
Ts là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 2 : Ts = 102,2oC
Suy ra: = 38,33
Tra bảng I.102/95-[1], μ2 = 0,677.10-3(N.s/m2)
Nồi 3: x2 = 30%, chọn chất chuẩn là dung dịch NaCl 15%.
t1 = 200C, tra bảng I.37/39-[1], được khối lượng riêng d1 = 1,281 g/cm3.
Sử dụng công thức sau để tính nồng độ đương lượng :
Suy ra: CN = 6,924 (dlg/l)
Tra bang I.105/97-[1], ta có =
 3,203.10-3 (N.s/m2)
N
 hiệt độ của dung dịch NaCl 15% tương ứng với : = -8,360C
t2 = 400C, tra bảng I.44/41-[1], được khối lượng riêng d 2 = 1,270 g/cm3.
Suy ra: CN = 6,86 (dlg/l)
Tra bảng I.105/97-[1], ta có = 3,218.10-3 (N.s/m2)
Nhiệt

độ của dung dịch NaCl 15% tương ứng với : = -3,71 0C

ts − t2
= k θ s = ts − t2 + θ 2
θ −θ2
k
Suy ra K = 4,301. Mà : s
Ts là nhiệt độ sôi dung dịch nồi 3 : Ts = 111oC
Suy ra: = 10,71
Tra bảng I.102/95-[1], μ3 = 1,282.10-3(N.s/m2)
2.6.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch
Tính theo công thức (I.32/123- [1]):
18


λ d = A.C p .ρ 3

ρ
M , W/m.độ

Trong đó:
-

với:

Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch , J/kg.độ;
ρ: khối lượng riêng của dung dịch , kg/m 3;
M: khối lượng mol của dung dịch, g/mol ;
A: hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng; lấy A = 3,58.10 -8;
M = mi Mct + (1- mi) MH2O

Mà:

xi
mi =

xi

M ct

+

M ct
(1 − xi )

M H 2O

Với Mct = 160 (g/mol); MH2O = 18 (g/mol)
Nồi 1: Với x1 = 7,05%, tính được m1 = 0,0206
M1 = m1.Mct + (1- m1).MH2O
= 0,0206. 160 + (1 – 0,0206).18
= 20,92.

λ d 1 = A.C p .ρ 3

ρ
M1

= 3,58.10-8.3526,7.1114,6. =0,530 (W/m.độ)

Nồi 2: Với x2 = 11,59%, tính được m2 = 0,0327
M2 = m2.Mct + (1- m2).MH2O = 0,0327.160 + (1-0,0327).18= 22,64

Tương tự:
λd2 = 3,58.10-8.3385,53.1286,79. = 0,600 (W/m.độ).
Nồi 3: Với x3 = 30%, tính được m3 = 0,070
M3 = m3.Mct + (1- m3).MH2O = 0,070.160+(1-0,07)18= 27,94
λd3 = 3,58.10-8.2801,1.1492. = 0,563 (W/m.độ).
2.6.3 Hệ số cấp nhiệt
Mô tả sự truyền nhiệt qua thành ống:
Ở đây ta dùng hơi nước bão hòa làm hơi đốt đi ngoài ống, còn dung dịch cô đặc đi trong
ống. Do đó khu vực sôi bố trí bên trong ống còn phía ngoài ống là lớp nước ngưng tụ. Màng
nước ngưng này ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Còn sát thành ống sẽ có một lớp cặn
dung dịch bám vào,vì vận tốc khu vực này gần bằng không. Lớp cặn này cũng ảnh hưởng đến
qua trình truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm ba giai đoạn:
19


- Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ số cấp nhiệt là α1
với nhiệt tải là q1 (W/m2).
- Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày là δ, m;
- Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là α 2 với nhiệt tải riêng
là q2 (W/m2).
Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị:
Theo định luật Niutơn ta có
q1= α1.Δt1

(4.3)

Trong đó Δt1 hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ (nhiệt độ bão hòa) và
nhiệt độ thành Δt1 =tbh – tT;
Ở đây ta chọn Δt1(n1)= 1,36 , Δt1(n2) =1,15 , Δt1(n3) = 1,21

Đây là trường hợp nước ngưng chảy thành dòng, khi đó hệ số cấp nhiệt tính theo công
thức Nuxen:

α 1 = 2,04. A4

r
∆ t1 .H

, [W/m2.độ]

(V.101/28 – [1])

H- chiều cao của ống truyền nhiệt H= 3m;
Trong đó:

 ρ 2λ3 

A = 
µ



0 , 25

Đối với nước giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m, còn r là ẩn nhiệt hóa
hơi của hơi đốt. Tra bảng I.250/312 – [1] ta có:
Bảng 2.10: Sự phân bố nhiệt độ hơi đốt, và nhiệt hóa hơi ở các nồi
Nhiệt hóa hơi rhh.10-3J/kg
2130,5
2191,06

2237,02

Nhiệt độ hơi đốt,
142,9
125,98
108,84

Nồi 1
Nồi 2
Nồi 3

Mà ta có: tm = 0,5(tT + tbh ), mà tT =tbh– Δt1
tm = thđ – Δt1/2 , ( tbh = thđ )
Từ đó tra hệ số A (trang 29- [2] ) ta lập bảng sau:
Bảng 2.11
Thd
Δt1 ,
Tm,
A

Nồi 1
142,9
1,36
142,22
194,33

Nồi 2
125,98
1,15
125,41

189,62

20

Nồi 3
108,84
1,21
108,24
186,42


 r 


H
.
∆
t1 
Vậy Nồi 1: 11 =2,04.A 

0 , 25

 2130,5.10 3 


3
.
1
,
36


=2,04.194,33. 

0 , 25

=10656,76 (W/m2.độ)

q11 = 11. Δt11= 10656,76.1,36 =14493,19 (W/m2)
tương tự:
Nồi 2:

12

= 10920,01 (W/m2.độ)

q12= 12558,01(W/m2).
Nồi 3:

13

= 10655,25 (W/m2.độ)

q13 = 12892,85 (W/m2).
2.6.4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi
Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:
F1 = F2 = F3 = const
Trong trường hợp này hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi tỉ lệ bậc nhất với tỉ số Q/K
của các nồi tương ứng:

Qi

K
∆ t hii ( k ) = n =3 i .∑ ∆ t ht
Qi
∑
t =1 K i
Trong đó:

(VI.20/68 – [2])

ΣΔthi – tổng hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi;
Qi - nhiệt lượng cung cấp, J
Ki – hệ số truyền nhiệt,W/m2.độ;

Ta có:
Qi = Di.ri/3600
Trong đó: Di : lượng hơi đốt của mỗi nồi, kg/h;
ri : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg;

Ki =

1
1
1
+∑r+
α1
α2

Nồi 1:
Q1 = D1.r1/3600 = 1648,6.2130,5.103/3600 = 975295,56

1
1
1
+ 0,000659 +
2414,83 = 856,94 (W/m2.độ)
K1 = 10656,76
21


Q1 975295,56
=
K
856 ,94 =1138,11
Suy ra : 1
Nồi 2:
Q2 = D2.r2/3600 =124,02 .2191,60.103 /3600 =684278,4(W)

1
1
1
+ 0,000659 +
1650,94 = 737,30 (W/m2.độ)
K2 = 10920,01

Q2 684278,4
=
K2
737,30 = 928,09

Suy ra :

Nồi 3:

Q3 = D3.r3/3600 = 1118,33.2237,20.103/3600 = 694979,96 (W)

1
1
1
+ 0,000659 +
902,61 = 542,16
K3 = 12892 ,85

Q3 694979,96
=
= 1281,87
K3
542,16
Nên ta có:
n= 3

Qi Q1 Q2 Q3
∑i=1 K = K + K + K
i
1
2
3 =3348,07
Vậy, hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

Nồi 1:

Nồi 2:

Nồi 3 :

1138,11
3348,07 = 19,35 0C
hi1 = 56,88.
928,09
3348,07 = 15,77
hi2 = 56,88.
1281,87
3348,07 = 21,78 .
hi3 = 56,88.

2.6.5 Tính toán bề mặt truyền nhiệt
Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:
22


Q1
975295,56
=
K
∆
h
856,94
.19,35
1
1
Nồi 1: F1 =
=

58,85 m2
Q2
684278,4
=
K
∆
h
737,30.15,
77
2
2
Nồi 2: F2 =
=
58,85 m2
Q3
694979,96
=
K
∆
h
542,16.21,
78
3
3
Nồi 3: F3 =
=
58,85 m2.
2.7 Tính toán các thiết bị chính
2.7.1 Buồng đốt
2.7.1.1 Số ống truyền nhiệt

Chọn đường kính ống truyền nhiệt là:dn = 57 mm = 0,057 m
Chiều cao ống truyền nhiệt là: h=3 m;
Bề dày ống truyền nhiệt: 2 mm.
Suy ra đường kính trong của ống truyền nhiêt: dt = 53 mm.
Thiết bị sử dụng là thiết bị ống tuần hoàn ngoài nên số ống được tính theo công thức sau:

58,85
F
n = dt .H .π = 0,053.3.3,14 = 117,77 (ống)
Theo bảng qui chuẩn số ống truyền nhiệt V.11/48-[2], ta có n qc = 127 ống.
Và với số ống được quy chuẩn trên, mạng ống được sắp xếp theo hình sáu cạnh (lục giác
đều) với số hình sáu cạnh là 8, số ống trên đường xuyên tâm là 17. Tổng số ống không kể các
ống trong hình viên phân là 127 ống.
2.7.1.2 Đường kính buồng đốt
Số ống trên đường xuyên tâm của hình 6 cạnh: b = 17 (ống).
Chọn bước ống: t = 1,4.do = 1,4.0,057 = 0,0798 (m).
Tính đường kính trong của TB trao đổi nhiệt theo công thức V.140/49-[2]:
Dt = t.(b - 1) +4d = 0,0798.(17-1) + 4.0,057 = 1,5045 (m).
Lấy đường kính trong của buồng đốt theo quy chuẩn ở bảng XIII.6/359-[2]:
Dt = 1,5 (m)
Bảng 2.12: Đường kính buồng đốt:
Bước ống (m)
0,0798

Số ống trên
đường xuyên
tâm
17

dtn (m)

Dt (m)

Dt quy chuẩn
(m)

0,053

1,5

1,5

23


2.7.1.3. Chiều dày buồng đốt
Thường dùng thép chịu nhiệt CT3.
Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo công thức
sau:

Dt .P
+C
2
.[
σ
].
ρ
−
P
S=

(m)

(XIII.8/360 – [2])

Trong đó:
-

Dt : là đường kính trong của buồng đốt, (m).
φ: hệ số bền của thành hình trụ tính theo phương dọc, chọn φ=0,95.(theo bảng
XIII.8/362 – [2]).
C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai chiều dày, (m);
P: áp suất trong thiết bị (at);
[σ] -ứng suất cho phép gồm ứng suất kéo [σ k], và ứng suất theo giới hạn chảy
[σch];

[σ k ] =
Ứng suất kéo:

σk
η
nk , (N/m2)

(XIII.1/355 – [2])

Với :
-

η là hệ số điều chỉnh,theo bảng XIII.2/356 – [2] ta chọn η = 0,9
nk là hệ số an toàn theo giới hạn bền theo bảng XIII.3/356 – [2] ta chọn
nk =2,6

σk giới hạn bền khi kéo theo bảng XII.4/309 – [2] ta chọn σ k = 380.106 N/m2.

380 .106
[σ k ] =
0,9 = 131,54.106
2,6
→
(N/m2)
Ứng suất cho phép giới hạn chảy:

[σ c ] =

σc
η
nc (N/m2)

(XIII.2/355 – [2])

Tương tự ta chọn : η = 0,9; nc = 1,5; σc = 240.106 N/m2

240.106
[σ c ] =
0,9 = 144.106
1,5
→
(N/m2)
Ứng suất cho phép phải lấy giá trị nhỏ để tính toán đảm bảo điệu kiện bền, tức là lấy
[σ] = 131,54. 106 (N/m2)
Đại lượng bổ sung C phụ thuộc vào độ ăn mòn và dung sai của chiều dài. Xác định theo
công thức sau:

C =C1 + C2 + C3 ,( m) (XIII.17/363 – [2])
24


Trong đó: C1 – là đại lượng bổ sung do ăn mòn; ta chọn C1 = 1 mm;
C 2 – là đại lựong bổ sung do hao mòn,trong trường hợp tính toán thiết hóa chất
có thể bỏ qua C2.
C 3 – đại lượng bổ sung đo dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm
vật liệu, theo bảng XIII.9/364 – [2] ta chọn C 3 = 0,4 m
C = 1 + 0 + 0,4 = 1,4 mm = 0,0014 m
Nồi 1: Áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phđ : P =Phđ1
Phd1 = 4 at = 4.9,81.104= 392400 (N/m2)

Dt .P
1,5.392400
+C =
+ 0,0014 = 0,0037
6
2
.[
σ
].
ρ
−
P
2
.
131
,
54

.
10
.
0
,
95
−
392400
(m)
1 =
Chọn S1 = 0,004 (m) = 4 (mm) để đảm bảo độ bền.
Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử:

σ th

[ Dt + ( S − C )].Po σ c
≤
2.( S − C )ϕ
1,2

(CTXIII.26/365-[2])

Trong đó:
Po là áp suất thử tính toán theo công thức sau:
Po=Pth+P1 , N/m2
(CT XIII.27/366 – [2]).
Pth: áp suất thử thuỷ tĩnh lấy theo bảng XIII.5/358 – [2]

-

Chọn Pth=1,5Phd, vì 0,07.106 < Phd1 = 392400 < 0,4.106 (N/m2).
P1 là áp suất thủy tĩnh của nước, xác định theo công thức XIII.10/360-[2]:
P1 = g.ρdd1.H = 9,81.1062,3.3 = 31263,49 (N/m2)
Vậy: Po = 1,5.392400 + 31263,49 = 619863,49 (N/m 2)

σ c 240.106
=
1
,
2
1,2 = 200.106 ( N/m2)
Và:
Ta thấy:

[1,5 + (3 − 1,4)10 − 3 ].619863,49
σ th =
= 188,5.106 < 200.106
−3
2.( 3 − 1,4)10 .0,95
Vậy bề dày 3 mm thỏa mãn nồi 1.
Nồi 2: Áp suất trong thiết bị bằng áp suất hơi đốt Phđ : P =Phđ2
Phđ2 = 2,48 at = 2,48.9,81.104= 243288 (N/m2)

S2 =

Dt .P
1,5.243288
+C =
+ 0,0014 =
2.[σ ].ϕ − P

2.131,54.106.0,95 − 243288
2,86.10-3(m)
25