“ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 8550kgh chiều cao ống gia nhiệt h=2m

Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

MỤC LỤC

SVTH: Hàn Duyên Dương

1
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

LỜI MỞ ĐẦU
Môn học “ Quá trình thiết bị và công nghệ hoá học” nhằm cung cấp,
trang bị cho sinh viên và kỹ sư công nghệ hoá học, thực phẩm những kiến
thức cơ bản về các quá trình và thiết bị để thực hiện các quá trình hoá học.
Ngoài ra bộ môn này còn góp phần đào tạo kỹ sư cho các ngành kỹ thuật sản
xuất có đủ khả năng hiểu và vận hành các thiết bị máy móc trong công nghiệp
sản xuất liên quan.
Quá trình và thiết bị được trình bày trong cuốn đồ án này là quá trình và
thiết bị cô đặc. Cô đặc là quá trình được thực hiện nhiều trong sản xuất hoá
chất và thực phẩm nhằm tăng nồng độ của sản phẩm bằng cách lấy bớt dung
môi ra. Trong cuốn đồ án này em được giao nhiệm vụ là “ Thiết kế hệ thống
cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm cô đặc
dung dịch KNO3 với năng suất 8550kg/h. Chiều cao ống gia nhiệt H=2m.
Các số liệu ban đầu:

•Nồng độ đầu của dung dịch : 10%
•Nồng độ cuối của dung dịch : 35%
•Áp suất hơi nồi 1

: 4 at

•Áp suất hơi ngưng tụ

: 0,18 at.

Trong quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
hướng dẫn Nguyễn Văn Hoàn và thầy, cô giáo bộ môn quá trình đã hướng
dẫn tận tình, giúp em hoàn thành đồ án này.Do kiến thức còn nhiều hạn chế
nên không thể tránh được sai sót, kính mong được sự giúp đỡ của các thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên
Hàn Duyên Dương

SVTH: Hàn Duyên Dương

2
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Phần I. PHẦN MỞ ĐẦU

I.Giới thiệu về KNO3:
Kali nitrat hay còn gọi là diêm tiêu là hợp chất hóa học có công thức hóa
học là KNO3. Trong quá khứ, con người đã sử dụng nó để làm một số loại
ngòi nổ.Trong tự nhiên chỉ có một lượng nhỏ kali nitrat.
KNO3 là chất nằm trong 1 phát minh lớn, đó là thuốc súng được người Trung
Quốc tìm ra.
Một số tính chất của KNO3:
1. Tan nhiều trong nước(ở 200C là 32g/100g nước)
2. Kali nitrat phân hủy ở nhiệt độ cao tạo
thành kali nitrit và giải phóng khí oxi, vậy
nó có tính oxi hóa mạnh.
2KNO3 → 2KNO2 + O2
Muối kali nitrat dùng để:
* Chế tạo thuốc nổ đen với công thức:
75% KNO3, 10% S và 5% C. Khi nổ, nó
tạo ra muối kali sunfua,khí nitơ và khí
CO2:
2KNO3 + S + 3C → K2S + 3CO2 + N2.
* Làm phân bón, cung cấp nguyên tố kali và nitơ cho cây trồng.
* Bảo quản thực phẩm trong công nghiệp.
* Điều chế oxi với lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm.
* Điều chế HNO3 khi tác dụng với axit:
H2SO4 + KNO3 → K2SO4 + HNO3.
* Phụ gia thực phẩm(E252).

SVTH: Hàn Duyên Dương

3
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7

Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

II.Giới thiệu về cô đặc:
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 chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
- Thu dung môi nguyên chất (cất nước).
Tùy theo yêu cầu về năng suất, tùy theo tính chất của dung dịch cần cô
đặc mà chọn phương thức cô đặc và loại thiết bị cô đặc cho phù hợp.
Với nhiệm vụ: Thiết kế và tính toán hệ thống cô đặc liên tục hai nồi xuôi
chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất
8550 kg/h, từ nồng độ 10% đến 35%, loại thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn
trung tâm. Loại này có đặc điểm là cấu tạo đơn giản nhưng tốc độ tuần hoàn
bé (do ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng) nên hệ số truyền nhiệt thấp.

SVTH: Hàn Duyên Dương

4
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Phần 2. SƠ ĐỒ MÔ TẢ DÂY CHUYỂN SẢN XUẤT
I. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều:
*Thuyết minh sơ đồ (nguyên lý làm việc của hệ thống):
Dung dịch KNO3 đầu có nồng độ 10% từ bồn chứa nguyên liệu được
bơm lên thùng cao vị nhờ bơm nhập liệu.Bồn cao vị được thiết kế có gờ chảy
tràn để ổn định mức chất lỏng có trong bồn.Sau đó nguyên liệu đi qua bộ
phận đo lưu lượng kế đảm bảo lưu lượng nhập liệu là 8550 kg/h.
Dung dịch được đưa vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ( thiết bị loại ống
chùm ). Mục đích dung thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu là để giảm chi phí hơi
đốt và giảm thời gian gia nhiệt trong thiết bị cô đặc. Tại đây dung dịch được
nâng lên đến nhiệt độ sôi bằng hơi bão hòa được cung cấp từ ngoài vào. Sau
khi trao đổi nhiệt thì hơi ngưng tụ thành nước theo đường ống chảy vào thùng
chứa, trên đường tháo nước ngưng có lắp bẫy hơi để không cho hơi theo nước
ngưng ra ngoài.
Dung dịch sau khi gia nhiệt đến trạng thái sôi thì đi vào nồi cô đặc I .Hơi
đốt được cung cấp vào buồng đốt của nồi I là hơi bão hòa có áp suất 4 at.
Dưới tác dụng của hơi đốt của buồng đốt, hơi thứ được bốc lên và đẫn qua
buồng đốt của nồi II để gia nhiệt cho quá trình cô đặc tiếp theo. Hơi đốt của
nồi I sau khi ngưng tụ được dẫn ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, sau đó
chảy vào thùng chứa.Phần khí không ngưng trong hơi đốt của nồi I được dẫn
đến bộ phận tách giọt được bơm chân không hút ra ngoài.
Tương tự quá trình diễn ra ở nồi I, dung dịch ở nồi II được cô đặc. Sau
khi ra khỏi nồi II dung dịch đạt nồng độ 35% được bơm tháo liệu đưa vào
thùng chứa sản phẩm. Hơi thứ nồi II được dẫn qua thiết bị ngưng tụ Bromet.
Tại thiết bị ngưng tụ Baromet hơi bốc từ dưới lên gặp nước lạnh từ trên xuống
khí được ngưng tụ một phần thành nước, phần hơi không ngưng sẽ đi vào
thiết bị phân ly lỏng hơi để tách hơi có lẫn giọt lỏng ra khỏi nhau, hơi được
SVTH: Hàn Duyên Dương

5
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

bơm chân không hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ được ngưng tụ và dẫn về
ống Baromet chảy về bồn chứa. Thùng chứa nước ngưng có lắp ống để nối
với cống xả, khi cần xả lượng nước ngưng thừa
II. Sơ đồ dây chuyền công nghệ:
1,2 - Bể chứa dung dịch đầu.
3 – Thùng cao vị
4 – Lưu lượng kế.
5 - Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6,7 - Nồi cô đặc 1, 2.
8 – Baromet.
9 – Hút chân không
10 –Thùng chứa sản phẩm.
11 – Bơm chân không.
12- Thùng chứa nước ngưng

SVTH: Hàn Duyên Dương

6
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7

SVTH: Hàn Duyên Dương

Dung­dÞch­dÇu

1
2

4

3

hoi nuoc
bao hoa

6­

N­ íc­ng­ ng
5
7

N­ íc­ng­ ng

N­ íc­ng­ ng

8

N­ íc­lµm­l¹nh

12

B¬m­ch©n­kh«ng

10

Dung­dÞch­muèi

9

11

Trường ĐH Công nghiệp
Khoa: Công nghệ Hóa

7
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với
nhau từ nồi nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa
chất. Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ
chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do
đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều 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
thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào

nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng
dung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt. Vì vậy, khi cô đặc xuôi
chiều, dung dịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi
phụ hoặc nước ngưng tụ.
Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi
sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của
dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi
cuối.

SVTH: Hàn Duyên Dương

8
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Phần 3. TÍNH TOÁN
I. Tính toán thiết bị chính
1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống:
Áp dụng công thức
xđ

W = Gđ ( 1 - x )
c

Trong đó:

W: Tổng lượng hơi thứ bốc ra;kg/h
Gđ =8.5 [tấn/h] = 8550[kg/h]
xđ = 10 %; xc = 35%
→ W = 8550.(1 −

10
) = 6107,1429 [kg/h]
35

2. Tính sơ bộ lượng hơi thức bốc ra ở mỗi nồi:
Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi sau lớn hơn nồi trước. Tuy nhiên có thể bắt
đầu từ phân phối đều Wi = W/n.
Giả sử lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi là như nhau W1:W2 = 1:1.05
Trong các phần tính toán dưới đây nếu không có chú thích gì đặc biệt thì
chỉ số

i = 1 chỉ nồi thứ nhất, i = 2 chỉ nồi thứ 2; chỉ số dd – dung dịch; nc –

nước.
Ta có:w = w1+ w2 = 2.05w1
W1 =

W
6107,1429
=
=2979,0941 [kg/h]
2.05
2.05

W2 = 1.05.w1 = 3128,0488[kg/h]

3. Nồng độ cuối của dung dịch trong nồi:
Được tính theo công thức VI.2 [2 – 57]
xi = G đ .

xđ
i

Gđ − ∑ W j
j =1

Ta có:

SVTH: Hàn Duyên Dương

9
Lớp:
ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

x1 = 8550.

10
= 15,3476 [%]
8550 − 2979,0941

x 2 = 8550.

10
= 35 [%] (thỏa mãn)
8550 − 6107,1429

Vậy:
x1 = 15,3476 ( % khối lượng )
x2 =35( % khối lượng )
4. Chênh lệch áp suất chung của hệ thống, ∆P
∆P được đo bằng hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp P1 ở nồi 1 và áp suất
hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Png
Do đó ta có:
∆P = P1 - Png = 4 – 0.18= 3,82 (at)
5. Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt trong mỗi nồi:
- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi như sau:
∆P1 : ∆P2 = 2.5 : 1
- Áp suất hơi đốt trong từng nồi (P i) được xác định theo công thức: 4 [5
-9]
Pi = Pi-1 - ∆Pi-1 , [at]
Với

∆Pi −1 =

∆P.ai −1
2

∑a
j =1

j

Ta có:
∆P2 =

∆P.a 2
3,82.1
=
= 1,0914 [at]
a1 + a 2
3,5

∆P1 = 2.5.1,0914 = 2.7285 (at)
Do đó:
P2 = P1 - ∆P1 = 4 – 2,7285 = 1,2715 [at]
Png = P2 - ∆P2 = 1,2715 – 1,0914 = 0,18 [at] (phù hợp)
Nhiệt độ hơi đốt của từng nồi (T i): được xác định bằng cách tra bảng
I.251 [1-315] (Tính chất của hơi nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất)

SVTH: Hàn Duyên Dương

10
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Ứng với giá trị áp suất vừa tính được trên ta tìm được các nhiệt độ hơi
đốt tương ứng như sau:

P1 =4at →

T1 = 142,9oC

P2 = 1,2715 at

→T2 = 105,8088oC

Png = 0,18 at

→

Tng = 57,4oC

Nhiệt lượng riêng (ii) và nhiệt hóa hơi (r i) của hơi đốt theo áp suất P i.
Tra bảng I.251 [1-315], ta có:
P1 = 4 at

P2 = 1,2715 at

T1 = 142,9oC

T2 = 105,809oC

i1 = 2744.103 J/kg

i2 = 2688,503.103 J/kg

r1 = 2141.103 J/kg

r2 = 2244,71.103 J/kg

6. Nhiệt độ (t'i) và áp suất hơi thứ (P'i) ra khỏi từng nồi:
- Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi (t'i) được xác định:
t'i = Ti+1 +∆'''I [oC]
Trong đó:
Ti+1 : Nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1; [oC]
T1= 142,9 oC
T2 = 105,809oC
∆'''i : (Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống). Thường chọn ∆''' i = 1-1,5
o

C. Để đơn giản ta chọn ∆'''1 = ∆'''2 = 1oC
t'1 = T2 + ∆'''1 = 105,809 + 1 = 106,809oC
t'2 = Tng + ∆'''2 =

57,4 + 1

= 58,4oC

Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi (P' i); từ đó suy ra nhiệt lượng riêng (i' i)
và nhiệt hóa hơi (r'i) của hơi thứ. Theo bảng I.251, [1-314]
t'1= 106,809oC
P'1 = 1,316 at
i'1 = 2690,025.103 J/kg
r'1 = 2242,1.103 J/kg

SVTH: Hàn Duyên Dương

t'2 = 58,4oC

P'2 = 0,1893 at
i'2 = 2604,646.103 J/kg
r'2 = 2360,996.103 J/kg

11
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Bảng số liệu 1:
Nồi

1

2

P, at

4

Hơi đốt
T,
i.103
o

C

142,
9

J/kg
2744

r.103
J/kg
2141

1,271 105, 2688,5 2244,
5

809

03

71

p’, at

1,315

0,1893

Hơi thứ
i’.103
o
t’, C
J/kg

106,8 2690,02
09
58,4

5

r’.103,
J/kg

15,
2242,1

347
6

2604,64 2360,99
6

x%

6

35

7. Tổn thất nhiệt độ do từng nồi:
Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất này
bằng tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi (∆') do cột áp suất thủy lực (∆'') trong nồi và do trở lực thủy lực
(∆''')
a/ Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi

của dung môi (∆'):
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 kỳ được xác định theo Tysenco:
T 2i
∆' i = 16,2. ∆' 0i .
ri

Trong đó:
∆'0: 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.
Giá trị ∆'0 được tra từ bảng VI.2, [2-63]:
Nồi 1:
x1 = 15,3476 %

→ ∆'01 = 1,43476oC

Nồi 2:
x2 =

35%

→ ∆'02 = 3.85oC

SVTH: Hàn Duyên Dương

12
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

T'i : Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (nhiệt độ
hơi thứ ra khỏi mỗi nồi), [oK]
T'1 =106,809 + 273 =379,809 [K]
T'2 = 58,4 + 273

= 331,4

[K]

r'i : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung dịch nguyên chất ở áp suất làm việc,
[J/kg]
Từ bảng số liệu 1: r'1 = 2242,1.103
r'2 = 2360,996.103

[J/kg]
[J/kg]

Từ đó tính được:
∆'1 = 16,2.1,43476

379809 2
= 1,4954
[oC]
2242,1.10 3

331,4 2
∆ 2 = 16,2.3.85

= 2,9013
[oC]
2360,996.10 3
'

Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao:

∑∆

'

= ∆'1 + ∆'2 = 1,4954 + 2,9013 = 4,397

[oC]

b/ Tổng 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 ống
truyền nhiệt:
Ptbi = P0i + (h1 +

h2
g
).ρ ddsi . , [N/m2]
2
2

Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị tính atm. Lúc đó công
thức trên trở thành:
Ptbi = P0i + (h1 +

h2
g
).ρ ddsi .
, [at]
2
2.9,81.10 4

Với g = 9,81 m/s2 : Gia tốc trọng trường
Trong đó:
Poi : Áp suất hơi thứ trên mặt thoáng, [at]

SVTH: Hàn Duyên Dương

13
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Theo bảng số liệu 1:
Po1 = 1.315 at
Po2 = 0,1893 at
h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, h1 = 0,5 m
h2 : Chiều cao ống truyền nhiệt, h2 = 2m
ρddsi : Khối lượng riêng của dung dịch khi sôi.
Tra từbảng 1:

Nồi 1: x1 = 15,3476%

→ ρdds1 = 1099,3989 (kg/m3)

T1 =106,809oC
35 % → ρdds2 = 1244,06(kg/m3)

Nồi 2: x2 =
T2 = 58,4oC
Vậy ta có:

2 1099,3989.9,81
Ptb1 = 1,315 + (0,5 + )
= 1,3975 [at]
2
2.9,81.10 4
2 1244,0.9,81
ptb 2 = 0,1893 + (0,5 + )
= 0,2826
2 2.9,81.10 4

[at]

- Nhiệt độ sôi ứng với áp suất P tb vừa tính được xác định bằng cách tra
bảng I.251 [1-314]
Ptb1=1,3975at → ttb1 = 108,64375oC
Ptb2 = 0,2826 at → ttb2 = 67,134oC
* Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
∆ ' 'i = t tb1 − t 0i = t tb1 − t ' i
'

Trong đó:
ttbi; toi là nhiệt độ ứng với các áp suất Ptbi; Poi
→∆''1 = 108,64375 – 106,809 = 1,835[oC]
→∆''2 = 67,134 – 58,4 = 8,735[oC]
Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:

∑∆

''

= ∆'1' + ∆''2 = 1,835 + 8,735 = 10,57

SVTH: Hàn Duyên Dương

[oC]

14
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

c/ Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống: (∆''')
Trong mục 6 khi tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã
∆'''1 = ∆'''2 = 1oC

chọn:

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:
∆ ' ' ' = ∆ ' ' '1 + ∆ ' ' '2 = 1 + 1 = 2 [oC]

d/ Tổng nhiệt độ tổn thất bằng:

∑∆ = ∑∆ + ∑∆ + ∑∆
'

''

'''

= 4,3967 + 10,5772 = 16,9667 [oC]

8. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:
2

2

i =1

i =1

∑ ∆Ti = T1 − Tng − ∑ ∆
Theo công thức VI.17 và VI.18 [2-673]
Trong đó:
Ti

: Nhiệt độ hơi đốt ở nồi i; oC

Tng : Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ; oC
2

∑∆
i =1

:Tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi; oC

Ta có:
T1= 142,9 oC
Tng= 57,4oC
2

∑∆

= 16,9667oC

i =1

Vậy:
2

∑ ∆T
i =1

i

= 142,9 − 57,4 − 16,9667 = 68,533

[oC]

-Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:là hệ số nhiệt độ giữa nhiệt độ
hơi đốt Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch cô đặc:
∆Ti = Ti − t si = Ti − t 'i − ∆ 'i − ∆ ' 'i [oC]

Ta có:
SVTH: Hàn Duyên Dương

15
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

∆T1 = T1 − t s1 = T1 − t '1 − ∆ '1 − ∆ ' '1

= 142,9 – 106,809 – 1,4954– 1,835
=32,7606[oC]
∆T2 = T2 − t s 2 = T2 − t '2 − ∆ ' 2 − ∆ ' '2

= 105,8088 – 58,4 – 2,9013 – 8,735
= 35,7725 [oC]
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
t si = t 'i + ∆ 'i + ∆ ' 'i

Ta có:

t s1 = t1' + ∆'1 + ∆'1' = 106,809 + 1,4954 + 1,835 = 110,1494 [oC]
t s 2 = t 2' + ∆'2 + ∆''2 = 58,4 + 2,9013 + 8,735 = 70,0363

[oC]

Bảng số liệu 2:
Nồi
1

∆', oC
1,4954

∆'', oC
1,835

∆''', oC
1

∆T, oC
32,2072

ts, oC
110,1394

2

2,9013

8,735

1

35,164

70,0363

9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt
Di, lượng hơi thứ Wi ở từng nồi.
a. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:

Giải thíchcác kí hiệu trong sơ đồ:
- Gđ

: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị; kg/h
Gđ = 8550 kg/h

SVTH: Hàn Duyên Dương

16
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp
-D

Khoa: Công nghệ Hóa

: Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất; kg/h

-W1, W2

: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1,2 ; kg/h
- C0; 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
- tso, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, dung dịch
ra khỏi nồi 1, nồi 2; oC
- θ1, θ2: Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 ; oC
- i1, i2

: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2; J/kg.độ

- i'1, i'2

: Nhệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2; J/kg.độ

- Qm1, Qm1 : Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1, nồi 2;
b. Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Được thành lập dựa trên nguyên tắc:
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
Nồi 1:
D.i1 + Gđ .Co .t so = W1 .i '1 + (Gđ − W1 ).C1 .t s1 + D.C nc1 .θ1 + Qm1

Nồi 2:
W1 .i2 + (Gđ − W1 ).C1 .t s1 = W2 .i '2 + (Gđ − W1 − W2 ).C 2 .t s 2 + W1 .C nc 2 .θ 2 + Qm 2

Và:
W1 + W2 = W

•Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
θ1=142,9oC
θ2 = 105,8088oC
•Nhiệt độ sôi của từng nồi:
→ ts1 = 110,1394oC
→ ts2 = 70,0363oC

SVTH: Hàn Duyên Dương

17
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

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 = 110,1394oC
•Nhiệt dung riêng của nước ngưng – tra theo nhiệt độ nước ngưng
ở từng nồi – Bảng I.249 [1-311] , Ta có:
θ1 = 142,9oC→ Cnc1 = 4294,25 J/kg.độ
θ2 = 105,8088oC → Cnc2 = 4227,5514 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 xo = 10 %< 20% là dung dịch loãng.
Áp dụng công thức I.42, [1-152]. Ta có:
Co = 4186(1 – xo) = 4186(1 – 0,10)
= 3767.4(J/kg.độ)

- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ là x1 = 15,3476%< 20% là
dung dịch loãng
Cũng áp dụng công thức trên ta có:
C1 = 4186(1 – x1) = 4186(1 – 0,153476)
= 3543,549 (J/kg.độ)
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ là x2 = 35%>20%
Áp dụng công thức I.44, [1-152]
C2 = Cht.x2 + 4186(1 – x2) ; J/kg.độ
Với Cht là nhiệt dung riêng của KNO3 khan được xác định theo công thức
I.41, [1-152] :
m1.Cht = n1C1 + n2C2 + n3C3
Trong đó:
m1 : KLPT KNO3 : m1 = 101
n1 : Số nguyên tử K : n1 = 1
n2 : Số nguyên tử N : n2 = 1
n3 : Số nguyên tử O : n3 = 3
SVTH: Hàn Duyên Dương

18
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

C1, C1, C1 : Nhiệt dung riêng nguyên tử của K, N, O. Tra từ bảng I.141
[1-152]


C1 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ



C2 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ



C3 = 16800 J/kg.nguyên tử.độ

Vậy:
C ht =

26000 + 26000 + 3.16800
= 1013,86 J/kg.độ
101

C2 = 4186(1 – 0,35)+1013,86.0,35
= 3075,751 J/kg.độ
•Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:
•Với nồi 1:


Lượng nhiệt mang vào:
do dung dịch đầu : G d C0 t s0
do hơi đốt: Di1



Lượng nhiệt mang ra:

do sản phẩm mang ra: ( G d − W1 ) C1t s1
do hơi thứ : W1i1'
do nước ngưng: DC nc1θ1
do tổn thất Qm1:Qm1 = 0,05.D.(i1 – Cnc1.θ1)

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1:
Di1 + G d C0 t s0 = W1i1' + ( G d − W1 ) C1t s1 + DCθnc1 1 Q
+

•

Với nồi 2:


Lượng nhiệt mang vào:

 do hơi đốt: W1i 2
 do dung dịch từ nồi 1: ( G d − W1 ) C1t s1


Lượng nhiệt mang ra :

 do hơi thứ : W2i 2 '
SVTH: Hàn Duyên Dương

19
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7

m1

Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

 do dung dịch mang ra: ( G d − W1 − W2 ) C2 t s2
 do nước ngưng: W1Cθnc2

2

 do tổn thất Qm2: Q m2 = 0, 05W1 ( i 2 − Cθnc2 2 )
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 2:
W1i 2 + ( G d − W1 ) C1t s1 = W2i 2' + ( G d − W1 − W2 ) C 2 t s2 + W1Cθnc2 2 Q
+

m2

Kết hợp phương trình cân bằng nhiệt lượng của nồi 1 và nồi 2 với
phương trình W1 +W2 = W ta có hệ phương trình:
Di1 + G dC 0 t s0 = W1i1' + ( G d − W1 ) C1t s1 + DCθnc1 1 0,
+ 05.D.(i 1 C
− nc1
. θ
)1

+ 05W i1 ( 2 C− θnc2
 W1i 2 + ( G d − W1 ) C1t s1 = W2i 2' + ( G d − W1 − W2 ) C 2 t s2 + W1Cθnc2 2 0,
W + W = W
2
 1

2

:Giải hệ phương trình ta được

W ( i 2 ' − C 2 t s2 ) + G d ( C 2 t s2 − C1t s1 )
 W1 =
0,95 ( i 2 − Cθnc2 2 ) C− t 1 s1 i+' 2



D = G d ( C1t s1 − C0 t s0 ) + W1 ( i1' − C1t s1 )

0,95 ( i1 − Cθnc1 1 )

 W2 = W − W1

Thay số vào ta được:
W1 = 3015,140(kg/h)
W2 = 3092,0029 (kg/h)
D = 3322,032 (kg/h)
Xác định lại tỷ lệ phân phối :
W1 :W2= 3015,140 : 3092,0025 = 1 :1,025.
Kiểm tra sai số :
Với nồi 1 :
•
ε1 =

Với

nồi

| 2979,0914 − 3015,140 |
.100% = 1,210% < 5%
2979,0614

SVTH: Hàn Duyên Dương

20
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7

1:

)


Trường ĐH Công nghiệp
•
ε2 =

Khoa: Công nghệ Hóa
Với

nồi

2:

| 3128,0488 − 3092,0029 |
.100% = 1,152% < 5%
3128,0488

Các sai số đều nhỏ hơn 5% nên chấp nhận được giả thiết phân phối hơi
thứ.
Bảng số liệu 3
Nồi

Cddi

Cnci j/kg.độ

1
2

J/Kg.độ
3543,549
3075,751

4294,25
4227,5514

θ i , oC

Wi, kg/h
Giả thiết
Tính toán

142,9
2979,0941
105,8088 3128,0488

3015,140
3092,0029

Sai số
ε%

1,210
1,152

10. Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi:
a. Tính hệ số cấp nhiệt α1 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 của phòng đốt trung tâm thẳng đứng H =
2m; hơi ngưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp
nhiệt được tính theo công thức:V.101 [2-28] :
α1i = 2,04. A.(

ri
) 0, 25 , W/m2.độ
∆t1i .H

SVTH: Hàn Duyên Dương

21
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

Trong đó:
α 1i : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi i, [W/m2độ]
∆t1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc

với hơi ngưng của nồi i. [oC]
Giả thiết:
∆t11=3,43oC
∆t12 = 3,8oC
ri : Ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt.
Bảng số liệu 1: r1 = 2141

.103 J/kg

r2 = 2244,71.103 J/kg
A : Hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng (tm) : [2-29]
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi + Ti) = Ti – 0,5∆t1i
Trong đó:
Ti : Nhiệt độ hơi đốt
Theo bảng số liệu 1: T1 = 142,9 oC
T2 = 105,869 oC
Từ đó tính được:
tm1 = T1 – 0,5.∆t11
= 142,9 – 0,5.3,43 = 141,185 [oC]
tm2 = T2 – 0,5.∆t12
= 105,869– 0,5.3,8 = 103,969 [oC]
Tra bảng [3-40] ta được A tương ứng với tmi

tm1 = 141,185oC → A1 = 194,1778
tm2 = 103,969oC → A2 = 180,78605
Vậy ta có:
r1 0,25
2141.103 0,25
α11 = 2, 04. A1.(
) = 2, 04.194,1778.(
)
∆t11.H
3, 43.2

SVTH: Hàn Duyên Dương

22
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

= 9362,738 [W/m2.độ]
α 12

r2
2244,71.10 3 0, 25
0 , 25
= 2,04. A2 .(
)
= 2,04.180,78605.(

)
∆t12 .H
3,8.2

= 597,6893 [W/m2.độ]
b. Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
Theo công thức [3-43]
q11 = α 1i .∆t1i [W/m2]

Ta có:
q11 = α11.∆t11 = 9362, 738 ×3, 43 = 32114,192  w / m 2 

q12 = α 12 .∆t12 = 8597,6893.3,8

= 32671,219

[w/m2]

Bảng số liệu 4
Nồi
1
2

o
∆ t1i , C

3,43
3,8

tmi , oC

141,185
103,969

A
194,1778
180,78605

α1 i, W/m2độ

9362,738
8597,6893

q1i , W/m2
32114,192
32671,219

c. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi:
Tùy thuộc cấu tạo thiết bị, giá trị nhiệt tải riêng q, áp suất làm việc cũng
như chế độ sôi điều kiện tối ưu của chất lỏng mà chọn công thức tính α 2 cho
tích hợp.
Thông thường có thể tính theo α2 theo công thức [3-234]
α 2i = 45,3. pi0,5 .∆t 22i,33 .Ψi , [W/m2độ]

Trong đó:
Pi : Áp suất hơi thứ <xem bảng số liệu 1>
P1 = 1,315 at
P2 = 0,1893 at
∆t2i : Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch
∆t2i = tT2i – tddi = ∆Ti - ∆t1i - ∆tTi
•Hiệu số nhiệt độ ở 2 mặt thành ống truyền nhiệt

SVTH: Hàn Duyên Dương

23
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

∆tTi = q1i.∑r , [oC]
•Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt[2-3]

∑r = r + r
1

2

+

δ
,[m2.độ/W]
λ

r1, r2 : Nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường
r1 = 0,232.10-3,[m2.độ/W]
r2 = 0,387.10-3,[m2.độ/W]
δ : Bề dày ống truyền nhiệt.
δ = 0,002 m

λ : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt.chọn thép
cácbon CT3, λ = 46,5 (w/m2độ)
→

∑ r = 0, 232.10

−3

+ 0,387.10−3 +

0, 002
= 0, 662.10−3 , [m2độ/W]
46,5

Từ đó:
∆tT1 = q11.∑ r = 32114,192.0, 662.10 −3

= 21,2595 [oC]
∆t T2 = q12 .∑ r = 32671,219.0,662.10 −3

= 21,62823 [oC]
Vậy:
∆t21 = ∆T1 - ∆t11 - ∆tT1
= 32,7606 – 3,43 – 21,2595= 8.0711 [oC]
∆t22 = ∆T2 - ∆t12 - ∆tT2
= 35,7725 – 3,8 – 21,6283 = 10,3442 [oC]
•ψ : Hệ số hiệu chỉnh, được tính theo công thức VI.27 [2-71] :
λ
ψ =  dd
 λ nc





0 , 565

 ρ
. dd
 ρ nc

  C dd
 
  C nc

 µ nc

 µ dd





0 , 435

(dd: dung dịch ; nc: nước)
Trong đó :
λ : Hệ số dẫn nhiệt,
SVTH: Hàn Duyên Dương

[W/m.độ]
24
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7


Trường ĐH Công nghiệp

Khoa: Công nghệ Hóa

ρ : Khối lượng riêng, [kg/m3]
C: Nhiệt dung riêng, [J/kg.độ]
[Ns/m2]

μ : Độ nhớt,

λ, ρ, C, μ : Lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch:
ts1 = 110,1394 [oC]
ts2 =

70,0363 [oC]

Bây giờ ta sẽ lần lượt tìm các thông số này:
•Khối lượng riêng:
- Với nước: Tra bảng I.249 [1-311]
ρnc1 = 950,88987[kg/m3]
ρnc2 = 977,778[kg/m3]
Tại x1=15,3476%, ts1=110,1394oC →ρdd1=1050,6829 [kg/m3]
Tại x2=35%,ts2=70,033oC → ρdd2 = 1035,7 [kg/m3]
•Nhiệt dung riêng:
- Của nước: Tra bảng I.249 [1-311]

Tại ts1=110,1394oC → Cnc1 = 4233,273 [J/kg.độ]
Tại ts2=70,0363oC → Cnc2 = 4187,029[J/kg.độ]
- Của dung dịch: Tra theo bảng số liệu 3
Cdd1 = 110,1394[J/kg.độ]
Cdd2 = 3075,751 [J/kg.độ]
•Hệ số dẫn nhiệt:
- Với nước: Tra bảng I.129; [1-133]
Tại ts1=110,1394oC→ λnc1 = 0,685 [W/m.độ]
Tại ts2=70,3063oC → λnc2 = 0,668 [W/m.độ]
- Với dung dịch: Theo I.32 [1-123]
λdd = A.C ddi .ρ ddi .3

ρ ddi
M

+ A : hệ số tỉ lệ phụ thuộc hỗn hợp chất lỏng, A = 3,58.10-8

SVTH: Hàn Duyên Dương

25
Lớp: ĐH - Hóa 2 – K7