Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch Na2SO4 với năng suất 16000 kgh

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên

: Đỗ Thị Thương

Lớp

: ĐH Công Nghệ hóa 1-k6

Mã SV

: 0641120066

Khoa

: Công Nghệ Hóa

Giáo viên hướng dẫn

: Nguyễn Xuân Huy
NỘI DUNG ĐỀ BÀI:

Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn Trung Tâm cô đặc dung
dịch Na2SO4 với năng suất 16000 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 2,0 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10%
Nồng độ cuối của dung dịch: 34%

Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,1 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
∗∗∗∗∗
…………………………………………...............................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2015
Người nhận xét

1
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

1
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

MỤC LỤC

2
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

2
SVTH : Đỗ Thị Thương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế một
thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên
khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học Công nghiệp Hà Nội được nhận đồ án
môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học”. Việc thực hiện đồ án là
điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau
khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và
thiết bị Công nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của
một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết
bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các quá
trình công nghệ. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách
sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định
trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn
phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ
thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với
dung dịch Na2SO4, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%,
nồng độ sản phẩm 34%.
Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong
quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của các thầy cô giáo để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Huy đã hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.

3
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

3
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế thiết bị,
hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên khoa
công Nghệ Hoá học được nhận đồ án môn học“ Qúa trình & Thiết bị công
Nghệ Hoá học“. Việc làm đồ án là một công việc tốt giúp cho mỗi sinh viên
trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức
của giáo trình“ Cơ sở các quá trinh & thiết bị Công Nghệ Hoá học”. Trên cơ sở
lượng kiến thức đó và lượng kiến thức của môn học khác, 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
thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi
xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch Na 2SO4
năng suất 16000kg/h, nồng độ đầu 10%, nồng độ sản phẩm 34%.

1. Tổng quan về dung dịch Na2SO4
* Tính chất hóa học và vật lý
Natri sunfat là muối natri của acid sunfuric , khi ở dạng khan nó là một tinh

thể rắn có màu trắng và có công thức hóa học là Na2SO4
Natri sunfat rất bền về mặt hóa học, không tương tác với hầu hết các oxi hóa ở
dạng thường, ở nhiệt độ cao nó có thể khử thanh natri sunfit
Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2
Natri sunfat là muối trung hòa khi tan trong nước tạo thành muối có PH = 7.
Tính trung hòa trứng tỏ muối bắt nguồn từ 1 axit mạnh axit sunfuric. Hơn nữa
ion với chỉ 1 điện tích dương có khả năng phân cực các phân tử nước của nó
rất yếu miễn là có ion kim loại trong dung dịch
Na2SO4 + H2SO4 → 2NaHSO4
* Điều chế
Phần lớn thu được là trong quá trình sản xuất axit clohidric
4
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

4
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

-

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

2 NaCl + H2SO4 → 2 HCl + Na2SO4
4 NaCl + 2 SO2 + O2 + 2 H2O → 4 HCl + 2 Na2SO4
Nguồn sản xuất lớn thứ 2 là từ quá trình mà axit sunfuric được trung hòa
bởi Natri hidroxit
2 NaOH(aq) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + 2 H2O(l)

- Trong phòng thí nghiệm:
2NaHCO3 + MgSO4 → Na2SO4 + Mg(OH)2 + 2CO2
* Ứng dụng
Natri sunfat là 1 vật liệu rẻ tiền, ứng dụng là làm chất độn, dùng để sản xuất
bột giấy, sản xuất thủy tinh, sản xuất vải, trong thí nghiệm Natri sunfat khan
được dùng như 1 chất làm khô trơ.
Các ứng dụng khác bao gồm phá băng cửa kính, trong chất làm thơm thảm, sản
xuất bột hồ và chất phụ gia trong thức ăn gia xúc
2.Tổng quan về quá trình cô đặc
2.1 Khái niệm
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà 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 dung chất hoà tan trong dung
dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá
trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp nay cùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng
độ ở mỗi nhiệt độ. Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi
thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng 1 thiết bị khác.
Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý
nghĩa về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch
được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để
làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt cho nồi thứ 3…. Hơi thứ ở nồi
cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến
nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung
môi bốc hơi. Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến. Ưu điểm
5
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

5
SVTH : Đỗ Thị Thương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

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 nồi sau thấp hơn nhưng nồng
độ lại cao hơn 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 .
2.2 Cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :

6
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

6
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Sơ đồ dây chuyền sản xuất: (sơ đồ đi kèm)

10

Dung­dÞch­muèi

7
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

6­

Dung­dÞch­dÇu

1

2

4

3

hoi nuoc
bao hoa

N­ íc­ng­ ng
5

7

N­ íc­ng­ ng

N­ íc­ng­ ng

8

N­ íc­lµm­l¹nh

12

9

11

B¬m­ch©n­kh«ng

•

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

7
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Trong dây chuyền gồm có các thiết bị sau:
1 - Bể chứa dung dịch đầu
2 – Bơm
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
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.

8
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

8
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

PHẦN II
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Số liệu ban đầu :
Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn trung tâm cô đặc dung

dịch Na2SO4 với năng suất 16000 kg/h
Chiều cao ống gia nhiệt: 2m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10%
Nồng độ cuối của dung dịch: 34%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,1 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at
1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống:
Áp dụng công thức (VI.1/[ 2 – 55])

xd
W = Gd – Gc = Gd. (1 - xc )
10
⇒ W= 16000 x (1 - 34 ) =11294,12 (kg/h)

2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :
W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:
W1 : W2= 1:1
Mà ta có: W1 + W2 = 11782,5376
W1=W2=5647,06 (kg/h)
3. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi
x1:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1
x2:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
Áp dụng công thức :
9
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

9
SVTH : Đỗ Thị Thương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

x
x

W1 = Gd ( 1-

1

G x
G −W
d

d

) ⇒ x1=

d

d

1

16000.10
= 15,455%
16000

−
5647
,
06
x1 =

x2 = 34 %
4.Tính chênh lệch áp xuất chung của hệ thống .
- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:

∆P = P1 − Png = 4,1 − 0,3 = 3,8(at )
Trong đó P1 là áp xuất hơi đốt
Png là áp xuất hơi ngưng.
5. Chênh lệnh áp suất , nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi
- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
∆P1 2,5
=
⇒ ∆P1 = 2,5∆P2
∆P2
1

mà:

∆P1 + ∆P2 = 3,8
⇒ ∆P2 = 1,0857 (at )
∆P1 = 3,8 − 1,0857 = 2,71428(at )

* Vậy áp suất hơi đốt ở từng nồi là:

P1 = 4,1at

P2 = 4,1 − 2,71428 = 1,3857 (at )
* Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
Tra bảng (I.251[1-316]:
Nồi 1: với P1=4,1at ta được :
10
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

10
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

. t1=143,72 ˚C
Nhiệt lượng riêng: i1=2745.103[J/kg]
Nhiệt hoá hơi:

r1=2138,6.103[J/kg]

• Nồi 2: với P2=1,3857 ta được :

T2=108,38 ˚C
Nhiệt lượng riêng: i1= 2692499,5 J/Kg
Nhiệt hoá hơi: r2=2237858 J/Kg
Png=0,3 ta được tng=68,7˚C
6. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:
Gọi:
ti′ : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i.

∆′′′i : tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống.

′′′ ′′′ o
Chọn ∆1 = ∆ 2 = 1 C

Tương ứng với các nhiệt độ tính toán được ta xác định được áp suất hơi
thứ của mỗi nồi.
Ta tính nhiệt độ theo công thức:
ti' = Ti +1 + ∆1'''  o C  ∆1 ' ' '

Nồi 1: t’1= t2+ ∆1 ' ' ' = 108,38+1= 109,38 (ºC)
Nồi 2: T2 = tng+ ∆ 2 ' ' ' = 68,7+ 1 = 69,7 (ºC)
Dựa vào nhiệt hơi thứ, theo bảng I.251 –[1- 314] ta tra được áp suất, nhiệt
lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ được tổng hợp theo bảng sau:
BẢNG SỐ LIỆU 1
Tra các thông số của hơi thứ tại đây

Nồi

Hơi đốt

Hơi thứ

i
P

T

[ at ]

 o C 

i × 10

−3

[ J / kg ]

11
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

r × 10

−3

[ J / kg ]

x
%

p′

t′

i ′ × 10−3

r ′ × 10

[ at ]

 o C 

[ J / kg ]

[ J / kg ]

−3

11
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

1
2

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

4,2
143,72 2745
2138,6
1,387 109,38 2693,084 2238,536 15,445
1,3857 108,38 2692,4995 2237,858 0,314 69,7
2625,772 2333,732 34
7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi:
'
7.1. Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ i :

-Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi chất

tan, đặc biệt là nồng độ của chất tan. Nhiệt độ của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Khi nồng độ của chất tan
tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng.
- ∆ ’ là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất,
trong cô đặc thường gọi đó là tổn thất nồng độ, ∆ ’ là thông số vật lý của dung
dịch, nó phụ thuộc vào nồng độ chất tan, nồng độ càng tăng thì ∆ ’ càng tăng,
nó còn phụ thuộc vào bản chất chất tan và dung môi đồng thời ∆ ’ phụ thuộc
vào áp suất.
- ∆ ’ được tính theo công thức dần gần đúng của Tensico

∆, = ∆,o . f °C
T2
f = 16,2.
r

(CT.VI.10/[2 – 59])

∆’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của

dung môi ở áp suất thường
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho ° K
r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc J/kg
* Tra bảng (VI.2/[2 – 65])
x1 = 15,455% ⇒ ∆,o1 = 1,3655°C
x2 = 34% ⇒ ∆,o 2 = 3,32°C

* Xác định nhiệt độ Ti

T1 = 109,38 + 273 = 382 ,38° K
T2 = 69,7 + 273 = 342,7° K

12
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

12
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Vậy:

(382 ,38) 2
∆ = 16,2.1,3655.
= 1,445°C
2238536
(342,7) 2
,
∆ 2 = 16,2.3,32
= 2,7066°C
2333732
⇒ ∑ ∆,i = ∆,1 + ∆,2 = 1,445 + 2,7066 = 4,152°C
,
1

7.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: ∆

,,

- Áp dụng công thức VI.13

∆,, = t tb − t o
Ptb = Po + (h1 +

h2 ρ dds .g
).
at
2 9,81 .10 4

Po : áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at)
h1 :chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m)

h2 : chiều cao của ống truyền nhiệt (m)
ρ dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3 ). Lấy gần đúng bằng 1 2
khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC
T0i=nhiệt độ sôi ứng với áp suất Pi’

g : gia tốc trọng trường m/s2
- Khối lượng riêng của dung dịch 20ºC ứng với mỗi nồng độ được xác định
theo bảng (I.23/ST1 – T48)

x1 = 15,445% ⇒ ρ dd = 1145,09( kg / m 3 )
x2 = 34% ⇒ ρ dd = 1335,35( kg / m 3 )
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là

13
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

13

SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

1145,09
= 572,545(kg / m 3 )
2
1335,35
=
= 667,675(kg / m 3 )
2

ρ dds1 =
ρ dds2

- chọn h1 = 0,5 m và h2 = 2 m ( đề ra )

2 572,545.9,81
Ptb1 = 1,387 + (0,5 + ).
= 1,473(at )
2
9,81 .10 4
2 667,675.9,81
Ptb 2 = 0,314 + (0,5 + ).
= 0,414(at ) j
2
9,81 .10 4

Tra bảng (I.251/ST1- T314)
t tb1 = 110,16°C
t tb 2 = 76,17°C k

Vậy:

∆,1, = ttb1 − t 01 = 110,16 − 109,38 = 0,78°C
∆,,2 = ttb 2 − t 02 = 76,17 − 69,7 = 6,47°C
⇒ ∑ ∆,, = ∆,1, + ∆,,2 = 0,78 + 6,47°C = 7,25
,,,
(
∆
)
7.3 Tổn thất do đường ống

- Như đã nói ở trên ta chọn tổn thất nhiệt độ do đường ống là :1oC

∑∆

,, ,

Vậy:

= ∆,1,, + ∆,2,, = 1 + 1 = 2°C

⇒ tổng tổn thất nhiệt độ là:

∑∆ = ∑∆ + ∑∆ + ∑∆
,

,,

,,,

= 4,152 + 7,25 + 2 = 13,402

8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống:

Nhiệt độ hữu ích của hệ thống.
14
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

14
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

∆t hi = ∆t ch − ∑ ∆

(CT VI.16/[2 –67])

∆t ch = Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
∆t ch = t hd − t nt = 143,72 − 68,7 = 75,02°C

(CT VI.16/ST2 – T67)

Vậy :
∆t hi = 75,02 − 13,402 = 61,618°C
Xác định nhiệt độ sôi của từng nồil

t s1 = t1, + ∆,1 + ∆,1,
t s 2 = t 2, + ∆,2 + ∆,2,
t s1 , t s 2 : nhiệt độ hơi thứ của từng nồi
t s1 = 109,38 + 1,445+ 0,78 = 111,605°C
t s 2 = 69,7 + 2,7066 + 6,47 = 78,8766 °C
Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi

∆T1 = t1 − t s1 = 143,72 − 111,605 = 32,115°C
∆T2 = t 2 − t s 2 = 109,38 − 78,8766 = 30,5034°C
Bảng số liệu số 2

Nồi

o 
∆′  C 

o 
∆ ′′  C 

1
2

1,445
2,7066

0,78

6,47

o 
∆ ′′′  C 

1
1

o 
∆ T  C

o
tsi  C 

32,115
30,5034

111,605
78,8766

9. Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng hơi đốt D và lượng
hơi thứ Wi ở từng nồi:

15
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

15
SVTH : Đỗ Thị Thương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

'

W1 . i1

D.i1

'

W2 . i2

W1 . i2
Qm1Qm2

(Gd -W1 -W2)C2.ts2
Gd .ts0 .Cd (Gd - W1 )C1.ts1
D.Cnc1 . θ1

W1 .Cnc2 . θ 2

Trong đó :
D: Lượng hơi đốt vào (kg/h)

i1 , i2 : Hàm nhiệt của hơi đốtnồi 1 , nồi 2 (J/kg)
i1' , i2' : Hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1 , nồi 2 (J/kg)

θ 1 , θ 2 : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
Cd:Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu (J/kg độ)
Cnc1 , Cnc2 : Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 , nồi 2 (J/kg độ)
C1, C2 : Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 , nồi 2

(J/kg độ)

Qm1,Qm2 : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị

(kg/h)

W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2
9.1-Nhiệt lượng vào
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i1
Nhiệt do dung dịch mang vào : Gđ

.Cd.ts0

- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1
9.2- Nhiệt lượng mang ra:
- Nồi 1:
16
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

16
SVTH : Đỗ Thị Thương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học
'

- Hơi thứ mang ra : W1 i1
- Nước ngưng :D. θ 1 .Cnc1
- Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
- Nhiệt mất mát : Qm1=0,05D(i1– Cnc1 θ 1 )
- Nồi 2 :
- Hơi thứ : W2.

i2'

- Nước ngưng : W1. θ 2 .Cnc2
- Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cnc2) θ 2
9.3- Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Các PT được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

* Phương trình cân bằng nhiệt cho từng nồi:
- Nồi 1:
Gd × C0 × tso + D × i1 = (Gd − W1 ) × C1 × ts1 + W1 × i1′ + D × Cnc1 × θ1 + Qm1

(1)

- Nồi 2:
W1 × i2 + (Gd − W1 ) × C1 × ts1 = W2 × i2′ + (Gd − W1 − W2 ) × C2 × t s 2 + W1 × Cnc 2 × θ2 + Qm 2 (2)

9.4Tính toán các thông số:
•

Nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức
sau:
C = 4186.(1 - x) (J/kg.độ) ( CT I.43 – [1 – 152])
x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%)
Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x= 10%
C0 = 4186( 1-0,1) =3767,4(J/kg.độ)
Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x=15,455%:
17
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

17
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

C1 =4186.(1-0.15455) = 3539,0537(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ >20% được tính theo công thức
sau:
Theo công thức I.144- [1-152]
C = Cht .x + 4186( 1-x) (J/kg.độ)
Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan( không có nước) J/kg.độ

Cht được tính theo công thức
MNa2SO4.Cht = ΣCi.Ni ( CT I.41 – [1 –152])
M :khối lượng phân tử của chất tan
Ci :nhiệt dung riêng của các đơn chất(tra bảng I.141- ST1- T152)
Ni :số nguyên tử trong phân tử
Với : CNa =26000 (J/kg độ); CS = 22600 (J/kg độ)
CO = 16800(J/kg độ)
N Na .C Na + N S .C S + N O .C O
M Na 2 SO 4
Vậy : Cht =

26000.2 + 22600 + 16800 .4
142
=
= 998,5915 (J/kg độ)

* Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 là:
C2 = 998,5915.0,34+4186(1-0,34)=3102,28 (J/kg độ)
* Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt
θ 1 = 143,720C
θ 2 = 108,380C

Ts1=111,605 oC
Ts2=78,8766 oC
x0=10 % => tSo=100,6
Dựa vào bảng I.249 –[1_310]ta có nhiệt dung riêng của nước ngưng tra theo
nhiệt độ.
Cnc1=4235,73 J/kgđộ
Cnc2=4194,1 J/kgđộ
18

GVHD :Nguyễn Xuân Huy

18
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:

(

W1 =

)

W . i2' − C 2 .t s 2 + Gd .( C 2 .t s 2 − C1 .t s1 )
0,95.( i 2 − C nc 2 .θ 2 ) + i 2' − C/ 1 .t s1

(

)

Thay W1 vào (1) ⇒ D1
D1

W1 (i '1 −C1t S 1 ) + Gd (C1t S 1 − C 0 t 0 )
( * *)

0,95(i1 − C n1θ 1)
=

Thay các số liệu ở trên vào (*) và ( * *)
W1 =

11294,12(2625,772.10 3 − 3102,28.78,8766 ) + 16000(3102,28.78,8766 − 3539,0537.111,605)
0,95(2692,4995.10 3 − 4191,1.108,38) + (2625,772.10 3 − 3539,0537.111,605)

=5620,512 (kg/h)
D=

5620,512( 2693,084 .10 3 − 3539,0537.111,605) + 16000(3539,0537.111,605 − 3767,4.100,6)
0,95( 2745.10 3 − 4235,73.143,72)

= 6490,6 (kg/h)
W2= W – W1 = 11294,12 – 5620,512 = 5673,607 (kg

Ta có bảng số liệu như sau
Bảng 3
Nồ

C

Cnc

i

J/kg độ

J/kg độ

θ, °C

W , kg/h
Giả thuyết

Tính toán

Sai số
ε

1

3539,0537 4235,73

143,72

5647,06

5620,512

0,47

2

3102,28

108,38

5647,06

5673,607

0,47

4194,1

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W 1 : W2 = 1: 1,009. Sai số
giữa lượng hơi thứ các nồi được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả
thiết trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.

19
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

19
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

10.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi:
10.1.Tính hệ số cấp nhiệt

α

khi ngưng tụ hơi.

Τ1i ; α1i
∆t1i TT2 i
∆t2i
Τ2i ; α 2i

TT1i

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và
nồi 2 là : ∆ 11 , ∆ 12
- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m ,hơi ngưng
bên ngoài ống ,máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính
theo công thức

α = 2,04. A.(

ri
∆t1i .H

) 0, 25
W/m2. độ( V.101/[2 – 28]).

Trong đó:

α 1i : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i

W/m2. độ

∆ 1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi I ( o C ).
∆11 = 3,15°C

Giả thiết: ∆12 = 2,9°C
ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt đã ghi ở bảng số liệu 1:
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +ti )
20
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

o

C (*)

20
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

ti: nhiệt độ hơi đốt
tTi : nhiệt độ bề mặt tường
mà ta lại có:

∆t1i = t i − t Ti
⇒ tTi = t i − ∆t1i

(**)

thay (**) vào (*) ta được :
t mi = t i − 0,5∆t1i
Với:

t1 = 143,72 oC
t2 = 108,38 oC

tm1 = 143,72 – 0,5.3,15= 142,145oC
tm2 = 108,38 – 0,5.2,9 = 106,93oC

Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : [2 – 29 ]
với:

t1 = 142,145 oC

A1 = 194,32

t2= 106,93oC

A2 = 180,7325

Vậy:

 2138600 
α11 = 2,04.194,32.

 2.3,15 

0 , 25

 2237858 
α12 = 2,04.180 ,7325.

 2.2,9 

= 9568,609(W / m 2 đô )
0 , 25

= 8827 ,69(W / m 2 đô )

10.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1i = α 1i .∆t1i

W/m2( CT 4.14/[1_1]

q11 = 9568,609.3,15 = 30141,12 (W/m2)
q12 =8827,69.2,9 = 26648,06 (W/m2)

21
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

21
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

22
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

22
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Bảng 4:
Nồi

∆t1i ,°C

∆t mi ,°C

1

3,15

142,145

2

2,9

106,93

α 1i , W / m 2 do

q1i , W / m 2

194,32

9568,609

30141,12

180,7325

8827,69

26648,06

A

10.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi

α 2i W/m2 độ:

Ta xác định hệ số này theo công thức:

α 2i = 45,3.Pi 0.5 .∆t 2i 2,33.ψ i

(W/m2 độ )(CT /[1_332])

Pi: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:

P1’=1,387 at
P2’=0,314

∆t 2i : hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.
∆t 2i = t T 2i − t ddi = ∆Ti − ∆t1i − ∆t Ti
- Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt

∆t Ti = q1i .∑ r

, oC

- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

∑r = r

1

+ r2 +

δ
λ

m2 độ/W

r1 , r2 : nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường ( bên ngoài cặn bẩn của nước
ngưng ,bên trong cặn bẩn do dung dịch.
- Tra theo bảng V.I[2 _ 4 ]
23
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

23
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

r1 = 0,295.10-3 m2 độ/W
r2 = 0,387.10-3 m2 độ/W
- Tra bảng ( VI.6[2 – 80] ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

δ = 2mm = 0,002m
- Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép Crom Niken Titan( X18H9T ), hệ
λ = 46,5 W/m. độ

số dẫn nhiệt của nó là:

∑ r = 0,387 .10

−3

+ 0,295.10 −3 +

⇒

0,002
= 0,725.10 −3
46,5
m2 độ/W

∆tT 1 = 30141,12.0,725.10 −3 = 21,85 °C
−3
∆
t
=
26648
,
06
.
0
,
725
.
10
= 19,32°C
T
2
⇒

Vậy :

∆t 21 = 32,115 − 3,15 − 21,85 = 7,113°C
∆t 22 = 30,5034 − 2,9 − 19,32 = 8,28°C
* ψ : hệ số hiệu chỉnh ,xác định theo công thức(VI.27/ST2 – T71)

λ 
ψ =  
 λ nc 

0 , 565

 ρ
. dd
 ρ nc





2

 C dd  µ nc 



C
µ
 nc  dd 

0 , 435

( dd:dung dịch , nc: nước )
Trong đó:

λ : hệ số dẫn nhiệt , W/m. độ

ρ

:khối lượng riêng , kg/m3

C: nhiệt dung riêng , J/kg. độ

24
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

24
SVTH : Đỗ Thị Thương


Trường: ĐHCN Hà Nội

µ : độ nhớt ,

Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học

Cp

λ , ρ , C , µ : lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch.
ts1 = 111,605oC
ts2 =78,8766oC
* Khối lượng riêng :
- Khối lượng riêng của nước: tra bảng I.249[1_311]

ρ nc1 = 949,732kg / m 3
ρ nc 2 = 972,474kg / m 3
- Khối lượng riêng của dung dịch Na2SO4 :tra bảng ( I.22[1_42]

ρ dd1 = 1072,21kg / m 3
ρ dd 2 = 1290,22kg / m 3

* Nhiệt dung riêng :
- Nhiệt dung riêng của nước :tra bảng I.249 [1 – 310]
Cnc1 = 4235,73 J/kg. độ
Cnc2 = 4191,1 J/kg. độ
- Nhiệt dung riêng của dung dịch KNO3:( theo bảng 3 )
Cdd1 = 3539,0737 J/kg. độ
Cdd2 = 3102,28 J/kg. độ
* Hệ số dẫn nhiệt:
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng I.129[1_310]

λnc1 = 0,671

W/m. độ

λnc 2 = 0,6848 W/m. độ
25
GVHD :Nguyễn Xuân Huy

25
SVTH : Đỗ Thị Thương