đồ án Tổng hợp cô đặc có phòng đốt ngoài

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

MỤC LỤC

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa chất là thiết kế
thiết bị, một hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản suất,
một sinh viên khoa Công nghệ Hóa học được nhận đồ án môn học “Quá trình
và thiết bị Công nghệ Hóa học”. Việc làm đồ án là một công việc tốt giúp cho
mỗi sinh viên từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối
lượng kiến thức của giáo trình “Các quá trình, thiết bị trong Công nghệ hóa
chất và thực phẩm”. Trên cơ sở lượng kiến thức đó và lượng kiến thức của
môn học có liên quan, mỗi sinh viên sẽ thiết kế một thiết bị, một hệ thống thiết
bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong các quá trình công
nghệ. Qua việc làm đồ án, mỗi sinh viên biết dùng tài liệu tham khảo trong tra
cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong thiết kế, tự nâng cao kỹ
năng vận dụng, tính toán, trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa
học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Đồng thời, đồ án này còn giúp
sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở.
Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2
nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, dùng để cô
đặc dung dịch CaCl2, năng suất 5400kg/h, nồng độ đầu của dung dịch 5% khối
lượng, nồng độ cuối của dung dịch 24% khối lượng, áp suất hơi đốt nồi 1 là
4at, áp suất hơi ngưng tụ là 0,2at.

Xin chân thành cảm ơn cô Phan Thị Quyên đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án. Xin
chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn Công nghệ Hóa chất và thực
phẩm đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này.
Trong quá trình làm đồ án, do hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế
nên em không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót…Vì vậy em kính mong
sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, cô và các bạn sinh viên để đồ án này được
hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

2


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC.
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan (không
hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá trình cô đặc là
dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung
dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng lên. Hơi của dung
môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ. Hơi thứ ở nhiệt độ cao
có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác. Nếu hơi thứ dùng để đun nóng một
thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ.
Cô đặc nhiều nồi:
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý

nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: nồi đầu
dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được đưa vào
làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi
đốt cho nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết bị
ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng
độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc
nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật
của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch
áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn
nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồng độ nồi trước nên độ nhớt của dung dịch
tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

1.2.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT CẦN CÔ ĐẶC (CaCl2):

1.2.1. Tính chất vật lí của CaCl2.
• Danh pháp IUPAC: calcium choride. Ngoài ra còn có tên gọi khác như:
canxi clorua, canxi (II) clorua, canxi điclorua, F509.
• Thuộc tính:
-

Dạng CaCl2:
+ Phân tử gam: 119,99 g/mol.
+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.
+ Tỷ trọng: 2,15 g/cm3.
+ Điểm sôi: > 1,600 0C.

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

3


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)
+ Điểm nóng chảy: 772 0C
-

Dạng CaCl2.2H2O – đihdrat.
+ Phân tử gam: 147,02 g/mol.
+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.
+ Tỷ trọng: 0,835 g/cm3.
+ Điểm sôi: > 1,600 0C.
+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)

-

Dạng CaCl2.6H2O – hexahydrat.
+ Phân tử gam: 219,08 g/mol.
+ Bề ngoài: rắn trắng không màu.
+ Tỷ trọng: 1,71 g/cm3.
+ Điểm sôi: > 1,600 0C.
+ Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C)

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.

1.2.2. Tính chất hóa học của canxi clorua
Canxi clorua có thể phục vụ như là nguồn cung cấp ion canxi trong dung
dịch, chẳng hạn để kết tủa do nhiều hợp chất của canxi là không hòa tan trong
nước:
3 CaCl2 (lỏng) + 2 K3PO4 (lỏng) → Ca3(PO4)2 (rắn) + 6 KCl (lỏng)
CaCl2 nóng chảy có thể điện phân để tạo ra canxi kim loại:
CaCl2 (lỏng) → Ca (rắn) + Cl2 (khí)
1.2.3. Công dụng của canxi clorua:
 Trong công nghiệp:
Hàng triệu tấn canxi clorua được sản xuất mỗi năm, chẳng hạn tại Bắc
Mỹ, lượng tiêu thụ năm 2002 là 1.687.000 tấn (3,7 tỉ pao). Các cơ sở sản xuất
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

4


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

của công ty hóa chất Dow tại Michigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại
Hoa Kì về canxi clorua, 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 canxi clorua để loại bỏ hơi ẩm. Cụ thể, canxi
clorua 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 0C (1400F). 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, canxi clorua
cũng được sử dụng như là hợp chất làm tan băng. Không giống như natri
clorua (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 natri clorua 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 milimet.
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.
Canxi clorua lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới
-52 C ( -620F), làm cho nó là lí 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.
0

Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm sử dụng như là phụ gia trong
hóa dẻo, hỗ trợ tiêu nước trong xử lí 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.
 Trong phòng thí nghiệm.
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

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

5


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

với số E la E509. Dạng khan đã được FDA phê chuẩn như là phụ gia hỗ trợ
đóng gói để đảm bảo độ khô (CPG 7112.02).
Canxi clorua 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 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 canxi của thực phẩm.
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 pho mát, như các dạng
brie và stilton. Tính chất tỏa nhiệt của canxi clorua 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 trắng), canxi clorua 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 enzim 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 sulphat 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.
 Trong sinh học – y học:
Canxi clorua 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 magie do dùng quá liều sulphat magie, 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 canxi clorua có thể trung hòa độc tính tim mạch trong
tăng kali máu khi đo bằng điện tam đồ (ECG/EKG).
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

6


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Nó có thể hỗ trợ cơ tim đối với các mức cao – nguy hiểm của kali đường
huyết trong cao kali máu. Canxi clorua có thể dùng để điều trị nhanh độc tính,
ngăn chặn kênh canxi mà không có 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 canxi clorua 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 …mặc dù việc sử dụng canxi hydroxit hay lò phản ứng canxi là phương
pháp được ưa chuộng hơn trong việc bổ sung canxi. Tuy nhiên, canxi clorua là
phương pháp nhanh nhất để tăng nồng độ canxi do nó hòa tan trong nước.
1.3.

THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HỆ THỐNG CÔ ĐẶC
HAI NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC.

• Sơ đồ dây chuyền sản xuất: (sơ đồ đi kèm)
Trong dây chuyền gồm có các thiết bị sau:

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

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

7


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

• Nguyên tắc hoạt động:
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

8


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Dung dịch đầu CaCl2 ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao
vị (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5). Ở thiết
bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi
cô đặc (6). Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun

nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được
đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được
đưa qua cửa tháo khí không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt
bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc
gọi là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận thu hồi
bọt (10) nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
Dung dịch từ nồi cô đặc (6) tự di chuyển qua nồi cô đặc (7) do có sự
chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi
trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi
cô đặc (7) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm
lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự
bốc hơi.
Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm
(11). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).
Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh đi từ trên xuống, ở đây hơi thứ được
ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng
đi qua thiết bị thu hồi bọt (10) rồi đi vào bơm chân không (9) ra ngoài

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

9


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Các số liệu ban đầu:
Dung dịch cô đặc: CaCl2.
Năng suất ban đầu: 9550 kg/h.
Nồng độ đầu: 11,3 %

Nồng độ cuối: 33 %
Áp suất của hơi đốt: 4 at
Áp suất của hơi ngưng tụ: 0,29 at.
Chiều cao ống truyền nhiệt: 4 m.
2.1. XÁC ĐỊNH LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA KHỎI HỆ THỐNG, W:
Áp dụng công thức VI.1, [2-55]:


x 
W = Gd . 1 − d ÷(kg/h)
xc 

Trong đó:
W: Tổng lượng hơi thứ bốc ra, kg/h.
Gd: Lượng dung dịch đầu, kg/h.
xd, xc: Nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối
lượng.
Ta có: Gđ = 9550 kg/h.
xd = 11,3 % khối lượng.
xc = 33 % khối lượng.
→W= 9550 4275 (kg/h)
2.2. TÍNH SƠ BỘ LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA Ở MỖI NỒI:
Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi sau lớn hơn nồi trước. Để đảm bảo việc dùng
toàn bộ lượng hơi thứ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau ta chọn:
W1 : W2 = 1 : 1,03
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

10

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Ta có: W2 = 1,03W1
Mặt khác: W = W1 + W2 = 4275 (kg/h)
Giải hệ 2 phương trình ta được:
W1= 2105,9113 (kg/h)
W2= 2169,0887 (kg/h)
2.3. TÍNH NỒNG ĐỘ CUỐI CỦA DUNG DỊCH TRONG MỖI NỒI:
Được tính theo công thức VI.2,[2-57]:
xd
x i = Gd ×
%
i
Gd − ∑ w j
j =1

Ta có nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi:

Nồi 1:

=

Nồi 2:

8,1965 ( % khối lượng)

24 (% khối lượng)

2.4. TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG, ∆P:
Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P là hiệu số giữa áp suất hơi đốt

sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ p ng.
Do đó ta có:
∆P = p1 – png = 4 – 0,2 = 3,8 (at)
2.5. XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI:
- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là:
∆p1 : ∆p2 = a1 : a2 = 2 : 1
- Áp suất hơi đốt trong từng nồi (pi) được xác định theo công thức:
pi = pi-1 - ∆pi-1 ,at

Với

,at

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

11


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Ta có: ∆p1 =

=

∆p2 =

=

= 2,5333 (at)

= 1,2667 (at)

Do đó: p1 = 4 at
p2 = p1 - ∆p1= 4 – 2,5333 = 1,4667 at
png= p2 - ∆p2= 1,4667 – 1,2667 = 0,2 at
Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên. Bằng
cách tra bảng I.251, [1-314] ta có được các nhiệt độ hơi đốt tương ứng như
sau:
p1 = 4 at

→

T1 = 142,9 0C

p2 = 1,4667 at

→

T2 = 110,034 0C

png = 0,2 at

→

Tng= 59,7 0C

Nhiệt lượng riêng (i1) và nhiệt hóa hơi (r1) của hơi đốt theo áp suất p i. Tra
bảng I.251, [1-314].
p1 = 4 at

p2 = 1,4667 at

png= 0,2 at

T1 = 142,9 0C

T2 = 110,034 0C

Tng=59,7 0C

i1 = 2744.103 J/kg

i2 = 2696,335.103 J/kg

ing=2607.103J/kg

r1 = 2141.103 J/kg

r2 = 2233,665.103J/kg

rng=2358.103 J/kg

2.6. TÍNH NHIỆT ĐỘ (ti’) VÀ ÁP SUẤT HƠI THỨ (p i’) RA KHỎI TỪNG
NỒI:
- Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi (ti’) được xác định theo công thức:
= Ti+1 +

(0C)

Trong đó:

Ti+1: nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1, 0C
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

12


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

T1 = 142,9 0C
T2 = 110,034 0C
: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống: thường chọn
1÷1,50C. Để đơn giản ta chọn
Vậy:

= T2 +

1,2 0C

= 110,034 + 1,2 = 111,234 (0C)

= Tng +
-

=

= 59,7 + 1,2 = 60,9 (0C)

Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi (

từ đó suy ra nhiệt lượng riêng (

và nhiệt hóa hơi ( ) của hơi thứ theo phương pháp nội suy đồ thị.
Tra bảng I.250, [1-312]:
= 111,234 0C
= 1,5259 at
=2697,9744.103 J/kg
= 2230,7916.103 J/kg

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

= 60,9 0C
= 0,2124 at
=2609,956.103 J/kg
=2354,794.103 J/kg

13


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Bảng tổng hợp số liệu 1
Hơi đốt

Hơi thứ

Nồi p, at

T, 0C

i.103,

J/kg

r.103,
J/kg

p', at

1

4

142,9

2744

2141

1,5259 111,234

2

1,4667 110,034 2696,335 2233,665 0,2124 60,9

t', 0C

i'.103, J/kg r'.103, J/kg
2697,9744 2230,7916
2609,956 2354,794

2.7. TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất nhiệt độ
này là do nồng đọ tăng cao (∆’), do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’), do trở lực
đường ống (∆’’’).
2.7.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (∆’):
Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào nồng
độ và áp suất của chúng. ∆’ ở áp suất bất kì được xác định theo phương pháp
Tysenco:
Ta có:

∆i’ =

Với:

f = 16,2.

.f

(VI.10, [2-59])

(VI.11, [2-59])

Trong đó:
f: hệ số hiệu chỉnh
Ti’:nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho, K.
: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm
việc, J/kg.
:tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi ở nhiệt độ nhất định và áp suất khí quyển (t sdd > tsdm ).
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

14


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Giá trị

được tra ở bảng VI.2, [2-66]:

Ta có: T1’ = 111,234 + 273 = 384,234 K
T2’ = 60,9 + 273 = 333,9 K
Nồi 1: x1 = 8,1965 % →

=1,3196 0C

Nồi 2: x2 = 24 %

= 6,5 0C

→

Từ bảng tổng hợp số liệu 1: r1’ = 2230,7916.103 J/kg
r 2’ = 2354,794.103 J/kg
Từ đó ta tính được:

∆1’= 16,2.

∆2’= 16,2.

. 1,3196 = 1,4148 (0C)

. 6,5 = 4,9855 (0C)

Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao là:
∑∆’= ∆1’ + ∆2’= 1,4148 + 4,9855 = 6,4003 (0C)
2.7.2. Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’):
Tổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ
sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng. Thường tính toán ở khoảng giữa của ống
truyền nhiệt. Áp dụng công thức VI.12, [2-60]:
Ptbi= Pi’+

, N/m2

Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị at. Lúc đó công thức
trên trở thành:
Ptbi= Pi’+
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

,at
15


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Trong đó:
Pi’: Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng, at.
h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt
đến mặt thoáng của dung dịch, m.
Chọn h1= 0,5 m
H: Chiều cao của ống truyền nhiệt, m.

H = 6m
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3. Lấy gần đúng
bằng 1 2 khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC:

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3
g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2
Tra bảng I.32, [1-38] ta có khối lượng riêng của dung dịch CaCl 2 ở 20ºC:
Nồi 1: x1= 8,1965% →

= 1067,6488 (kg/m3)

Nồi 2: x2= 24%

= 1218,22 (kg/m3)

=

=

→

= 533,8244 (kg/m3)

= 609,11 (kg/m3)

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

16

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Vậy ta có: Ptb1= 1,5259 +

. 533,8244.

Ptb2= 0,2124 +

. 609,11.

= 1,7127 (at)

= 0,4256 (at)

- Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb1 vừa tính được xác định bằng cách tra
bảng I.251, [1-314]:
Ptb1 = 1,7127 at

→ ttb1 = 114,7286 (0C)

Ptb2 = 0,4256 at

→ ttb2 = 76,808 (0C)

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
∆i’’= ttbi – ti’
Trong đó:
ttbi, ti’: là nhiệt độ sôi ứng với các áp suất Ptbi, pi’
Ta có:
Ptb1 = 1,7127 at

= 1,5259 at

→ ttb1 = 114,7286 (0C)
→

= 111,234 0C

→ ∆1’’= 114,7286 – 111,234 = 3,4946 (0C)
Ptb2 = 0,4256 at
= 0,2124 at

→ ttb2 = 76,808 (0C)
→

= 60,9 (0C)

→ ∆2’’ = 76,808 – 60,9 = 15,908 (0C)
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
∑∆”= ∆1” + ∆2” = 3,4946 + 15,908 = 19,4026 (0C)
2.7.3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆’’’):

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

17


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là đoạn
nối giữa nồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ. Trong giả thiết mục 2.6 khi

tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã chọn

=

1,2 0C

Vậy tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:
∑∆”’= ∆1”’ + ∆2”’ = 1,2 + 1,2 = 2,4 (0C)
2.7.4. Tổng nhiệt độ tổn thất:
∑∆ = ∑∆’ + ∑∆” + ∑∆”’
= 6,4003 + 19,4026 + 2,4 = 28,2029 (0C)
2.8. TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG.
2.8.1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc:
= Ti – Tng -

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

, 0C

(VI.17 và VI.18, [2-67])

18


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Trong đó:
Ti: nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1, 0C.
Tng: nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, 0C.
: tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi, 0C.

Ta có: T1 = 142,9 0C
Tng= 59,7 0C
= 28,2029 0C
Vậy

= 142,9 - 59,7 - 28,2029 = 54,9971 (0C)

2.8.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:
Là hệ số nhiệt độ hơi đốt T i và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô
đặc.
∆Ti= Ti - tsi = Ti – ti’- ∆i’ - ∆i” , 0C
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:
∆T1= T1– t1’- ∆1’ - ∆1”
= 142,9 – 111,234 – 1,4148 – 3,4946 = 26,7566 (0C)
∆T2= T2– t2’- ∆2’ - ∆2”
= 110,034 – 60,9 – 4,9855 – 15,908 = 28,2405 (0C)
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
tsi = ti’+ ∆i’ + ∆i”
Ta có: ts1 = t1’+ ∆1’ + ∆1” = 111,234 + 1,4148 + 3,4946 = 116,1434 (0C)
ts2 = t2’+ ∆2’ + ∆2” = 60,9 + 4,9855 + 15,908 = 81,7935 (0C)

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

19


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Bảng tổng hợp số liệu 2
Nồi

∆’, 0C

∆”, 0C

∆”’, 0C

∆T, 0C

ts, 0C

1

1,4148

3,4946

1,2

26,7566

116,1434

2

4,9855

15,908

1,2

28,2405

81,7935

2.9.

THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ĐỂ
TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT Di, LƯỢNG HƠI THỨ Wi Ở TỪNG NỒI.
2.9.1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng.
D.i1

W1i1’
Qm1
GdCotso

W1i2t2

D θ 1 Cnc1

W2i2’
Qm 2
(Gd-W1)C1ts1

W1Cnc2 θ 2 (Gd-W1-

W2 )C2.ts2
Trong đó:
Gd: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị, kg/h.
D: Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất, kg/h.

i1, i2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.
i1’,i2’: Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.

θ1 , θ 2 : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, 0C.
Co, C1, C2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi
2, J/kg.độ.
Cnc1, Cnc2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.
Qm1,Qm2: Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2.
W1 , W2: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h.
tso, ts1, ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2, 0C.
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

20


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

2.9.2. Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng.
Được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
-

Nồi 1:

D.i1 + Gd C0t so = W1.i1 '+(Gd − W1 )C1.t s1 + D.Cnc1.θ1 + Qm1
-

(1)

Nồi 2 :

W1i2 + (Gd − W1 )C1 .t s1 = W2 i2 '+ (G d − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1C nc 2θ 2 + Qm2

Mà ta lại có: W1 + W 2 = W

(2)

(3)

• Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
0
θ1 = T1 = 142,9 ( C)
0
θ 2 = T2 = 110,034 ( C)

Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt
độ càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các
quá trình sản xuất khác.
Do đó có thể chọn: tso = ts1 = 116,1434 (0C).
• Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng I.249, [1–310]
θ1 = 142,9 oC

→

Cnc1 = 4294,25 (J/kg độ)

θ2 = 110,034 oC

→

Cnc2 = 4233,0578 (J/kg độ)

• Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2:
- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 5 %. Áp dụng công thức I.43, [1-152].

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

21


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Đối với dung dịch loãng (x<0,2):
C = 4186 (1- x)
Ta có:

(J/kg.độ)

Co = 4186 (1 - 0,05) = 3976,7 (J/kg độ)

- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 8,1965 %
Cũng áp dụng công thức trên ta có:
C1 = 4186 (1- 0,081965) = 3842,8945 (J/kg độ).
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x c = 24 %. Áp dụng công thức I.44, [1152]. Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2):
C2 = Cht.x + 4186 (1- x)

(J/kg.độ)

Với Cht là nhiệt dung riêng của CaCl2 khan được xác định theo công thức
I.41, [1-152]:
M.Cht = n1.c1 + n2.c2

Trong đó:

M: KLPT của CaCl2, M = 111
n1: Số nguyên tử Ca, n1 = 1
n2: Số nguyên tử Cl, n2 = 2
c1, c2, c3: Nhiệt dung riêng của nguyên tử Ca, Cl.

Tra từ bảng I.141, [1–152]:
c1 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ.
c2 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ.
Vậy: C ht =

2.26000 + 26000
= 702,7027 (J/kg độ)
111

→ C2 = 702,7027 + 4186.(1- 0,24) = 3350,0086 (J/kg độ)
• Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh 2 nồi:
Nhiệt mất mát này thường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở
từng nồi. Nghĩa là:
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

22


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Qm1 = 0,05D(i1 - Cnc1.θ1 )
Qm2 = 0,05W1(i2 - Cnc2.θ2 )
Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng, qua một số phép biến đổi

đơn giản ta sẽ có biểu thức:
W1 =

W (i2 '−C2t s 2 ) + Gd (C2t s 2 − C1t s1 )
0,95(i2 − C nc 2θ2 ) + i2 '−C1t s1

D=

W1 (i1 '−C1t s1 ) +Gd (C1t s1 −C0t so )
0,95(i1 −Cnc1θ1 )

Thay các số liệu vào ta được:
W1 =

4275(2609,956.10 3 − 3350,0086.81,7935) + 5400(3350,0086.81,7935 − 3842,8945.116,1434)
0,95(2696,335.10 3 − 4233,0578.110,034) + (2609,956.10 3 − 3842,8945.116,1434)

=2114,4955 (kg/h)
D=

2114,4955(2697,9744.10 3 − 3842,8945.116,1434) + 5400(3842,8945.116,1434 − 3976,7.116,1434
0,95(2744.10 3 − 4294,25.142,9)

= 2311,0488 (kg/h)
W2= W – W1 = 4275 – 2114,4955 = 2160,5045 (kg/h)
Bảng tổng hợp số liệu 3
Nồi

C, J/kg.độ

Cnc, J/kg.độ

,0C

W, kg/h

Sai số

Giả thiết

Tính

%

1

3842,8945

4294,25

142,9

2105,9113

2114,4955

0,41

2

3350,0086

4233,0578

110,034 2169,0887

2160,5045

0,4

Tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi:
W1 : W2 = 1 : 1,0218
Sai số giữa Wi tính toán và giả thiết nằm trong sai số kĩ thật cho phép
(<5%)
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

23


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

2.10. TÍNH HỆ SỐ CẤP NHIỆT, NHIỆT LƯỢNG TRUNG BÌNH TỪNG
NỒI.
2.10.1.
Tính hệ số cấp nhiệt α1i khi ngưng tụ hơi.
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 là
∆t1i
- Với điều kiện làm việc ở phòng đốt ngoài thẳng đứng H = 6m, hơi ngưng
bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp nhiệt được tính theo
công thức:

α1i = 2,04. A.(

ri
) 0, 25 W/m2.độ
∆t1i .H

(V.101, [2–28])

Trong đó:
H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 6m.

α 1i : Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W/m2.độ.

∆t1i : Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp
xúc với hơi ngưng của nồi i, 0C.
Giả thiết:
∆t11 = 1,751 0C
∆t12 = 1,848 0C
ri: Ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt, J/kg:
r1 = 2141.103 J/kg

Từ bảng tổng hợp số liệu 1 ta có:

r 2 = 2233,665.103 J/kg
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng (tm): [2-29]
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +Ti )

[2-29]

= Ti - 0,5.∆t1i ,0C
Ti: nhiệt độ hơi đốt.
NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

24


ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

tTi: nhiệt độ bề mặt tường.
Theo bảng tổng hợp số liệu 1: T1 = 142,9 0C
T2 = 110,034 0C
Từ đó ta tính được:
tm1 = T1 + 0,5.∆t11 = 142,9 - 0,5.1,751 = 142,0245 (0C)
tm2 = T2 + 0,5.∆t12 = 110,034 - 0,5.1,848 = 109,11 (0C)
Tra giá trị A theo bảng [2-29] ta được giá trị t m tương ứng:
tm1 = 142,0245 0C

→

A1 = 194,3037

tm2= 109,11 oC

→

A2 = 183,0995

Vậy ta có:

 2141.10 3 

α11 = 2,04.194,3037.
1
,
751
.
6



0 , 25

= 8421,8219(W / m 2 .đô )

 2233,665.10 3 

α12 = 2,04.183,0995.
1
,
848
.
6


2.10.2.

0 , 25

= 7913,3164(W / m 2 .đô)

Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1i = α 1i .∆t1i W/m2

Ta có:

[3-333]

Trong đó: q1i: nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i.
q11 = α 11 .∆t11 = 8421,8219. 1,751 = 14746,6102 (W/m2)
q12 = α 12 .∆t12 = 7913,3164. 1,848 = 14623,8087 (W/m2)
Bảng tổng hợp số liệu 4
,W/m2.độ

Nồi

∆t1i, 0C

tmi, 0C

Ai

1

1,751

142,0245

194,3037

8421,8219

14746,6102

2

1,848

109,11

183,0995

7913,3164

14623,8087

NGÔ THỊ CHIÊN – LỚP ĐHCN HÓA 1 – K4

1i

q1i, W/m2

25