Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi thiet bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng Cô đặc dung dịch NaOH.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ
KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ
Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch
-------------------

CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
--------o0o-------

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BI
Họ và tên sinh viên : Trần Văn Tiến
Lớp
: CNTP 47B
Ngành
: Công Nghệ Thực Phẩm
1/ Tên đề tài
Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều.
Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng.
Cô đặc dung dịch NaOH.
2/ Các số liệu ban đầu
- Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 16
- Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 10
- Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng): 34
- Áp suất hơi đốt nồi 1 (at):
3,5
- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3
3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
- Đặt vấn đề
- Chương 1: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết
kế
- Chương 2: Tính toán công nghệ thiết bị chính

- Chương 3: Tính cơ khí thiết bị chính
- Chương 4: Tính và chọn thiết bị phụ
- Chương 5: Kết luận
- Tài liệu tham khảo
4/ Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ)
- 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A3 đính kèm trong bản thuyết minh.
- 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1.
5/ Giáo viên hướng dẫn
Phần: toàn bộ
Họ và tên giáo viên: Nguyễn Thị Diễm Hương
6/ Ngày giao nhiệm vụ:
15/02/2016
7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/05/2016
Thông qua bộ môn
Ngày tháng
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

năm 2016

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)
1


ThS. Nguyễn Thị Diễm Hương

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành công nghiệp

sản xuất hóa chất và thưc phẩm là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng
đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được sản xuất và sử
dụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan
trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử
dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình
kết tinh nếu cần.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều,
phòng đốt ngoài kiểu đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch
NaOH từ 10% lên 34%.
Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị
là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu
sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc,
quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các
thông số kỹ thuật cụ thể. Ngoài ra, qua việc thiết kế thiết bị, chúng ta sẽ biết cách
thiết lập một bản vẽ kĩ thuật, biết cách đọc, phân tích và hiểu một bản vẽ.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do chưa có kinh nghiệm và kiến thức còn
hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự
đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các anh chị năm trước để có thể
hoàn thành tốt đồ án được giao. Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Diễm
Hương và các thầy cô thuộc khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.

2


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1. Giới thiệu về natri hydroxit
1.1.1. Tình hình sử dụng natri hydroxit
Trên thế giới, hằng năm có khoảng 45 - 50 triệu tấn natri hydroxit được sản

xuất. Trong đó, 16% (7 - 8 triệu tấn) được buôn bán trên thị trường, chủ yếu là xút
sản xuất ở Mỹ và châu Âu (chiếm 80% thị trường). Khoảng 94% xút được buôn
bán ở dạng lỏng (thường là 50% natri hydroxit), trong đó gần 2 triệu tấn được vận
chuyển bằng đường bộ. Giá xút rắn thường cao hơn giá xút lỏng (tính theo dạng
khô) 100 – 200 USD/tấn.
Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là ở các nước đang phát triển do cơ sở hạ
tầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng. Nhưng với cơ sở
hạ tầng đang ngày càng được phát triển, những thị trường lớn như Trung Quốc
đang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút lỏng. Ngày nay các nước
Cuba, Angiêri và châu Phi vẫn là những thị trường tiêu thụ chính đối với xút rắn. Ở
châu Á, Inđônêxia là nước duy nhất còn nhập xút rắn với khối lượng lớn. Do giá
xút rắn cao nên khối lượng buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000
tấn/năm và đang giảm với tốc độ 8% trong một năm. Xút lỏng được buôn bán trên
thế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước như
Ôxtrâylia, Braxin, Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và Ghinê, trong đó đáng kể nhất
là Ôxtrâylia
Ở Việt Nam, sản xuất natri hydroxit là một trong những ngành công nghiệp
hóa chất quan trọng bậc nhất. Nó góp phần to lớn trong sự phát triển của các ngành
công nghiệp khác như sản xuất xà phòng, công nghệ giấy, công nghiệp lọc dầu,
công nghệ dệt nhuộm, thực phẩm, xử lý nước, sản xuất các loại hóa chất đi từ xút
như silicat natri, chất trợ lắng PAC, ...
1.1.2. Tính chất hóa lý của natri hydroxit

3


Natri hydroxyt là khối tinh thể không màu, không mùi, dễ tan trong nước,
tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.
Natri hydroxit có trọng lượng riêng 2,02. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng chảy
327,6 ± 0,9 oC. Nhiệt độ sôi 1388 oC. Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí,

chảy rữa và biến thành Na2CO3.
Natri hydroxit là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị
cao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn
lao động. Ngoài ra, natri hydroxit có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào
nước nên khi hòa tan natri hydroxit cần phải dùng nước lạnh.
Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H 2O, NaOH.3H2O và
NaOH.2H2O. Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy.
Các phương pháp điều chế natri hydroxit
- Trong phòng thí nghiệm
+ Natri tác dụng với nước
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
+ Natri oxit tác dụng với nước
2NaO + H2O → 2NaOH
- Trong công nghiệp
Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng
với dung dịch natri cacbonat loãng và nóng:
Ca(OH)2 + Na2CO3 → 2NaOH + CaCO3
Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl
bão hòa:
2NaCl + 2H2O

dòng điện

Cl2 + H2 + 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơ
nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm
nhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng
thí nghiệm hóa học.
4

1.2. Sơ lượt về lý thuyết cô đặc
1.2.1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất
tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong
hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị
phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô
đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch
nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc. Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi
được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không
bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng
cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau
về nồng độ trong hỗn hợp.
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 dùng hơi thứ đung
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác

nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô
5


đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ
sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch
tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý
nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có
thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ
của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba,...hơi thứ
nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ
sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều kiện
cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt
và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ
trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của
nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn
nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
1.2.2. Cấu tạo thiết bị cô đặc
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng
bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:
a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt
để đun sôi dung dịch.
b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được
tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng
đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi –
lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch
bị hơi thứ mang theo.
1.2.3. Các phương pháp cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái rắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất
tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một
cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung
môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên
6


ngoài tác dụnglên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay
thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
1.2.4. Ứng dụng của cô đặc
- Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây...
- Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ...
1.2.5. Phân loại thiết bị cô đặc
1.2.5.1. Phân loại theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung
dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ
dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch
từ 1,5-3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền
nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên
bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt
lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như

dung dịch nước trái cây, hoa quả ép. Gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho
dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng
cho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.5.2. Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình

7


- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không
đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định
để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ
dung dịch đạt được là không cao.
- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suất
chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc
chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.
- Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao
như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các
quá trình đun nóng khác.
- Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên
lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay
phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác
để nâng cao hiệu quả kinh tế.
- Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều
khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy
1.3. Lựa chọn phương án thiết kế
1.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế
Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói
trên ta chọn thiết bị cô đặc 3 nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài kiểu đứng.

Ưu điểm của hệ thống
Dùng hệ thống 3 nồi xuôi chiều liên tục:
+ Có thể sử dụng hợp lí lượng hơi bằng cách dùng hơi thứ của nồi trước làm
hơi đốt của nồi sau.
+ Nhiệt độ của dung dịch và áp suất giảm dần từ nồi trước ra nồi sau, do đó
nhiệt độ của dung dịch ở nồi cuối cùng sẽ thấp.
+ Dung dịch di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa
các nồi.

8


+ Do nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch của mỗi nồi
đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là ta có một lượng nhiệt thừa và
lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi cho một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Sử dụng buồng đốt ngoài nhằm:
+ Giảm bớt khoảng cách theo chiều cao giữa buồng bốc và không gian hơi,
có thể điều chỉnh được sự tuần hoàn.
+ Hoàn toàn tách hết bọt, vì buồng đốt cách xa không gian hơi.
+ Có khả năng sử dụng không gian hơi như là một bộ phận phân ly loại ly
tâm.
+ Cường độ tuần hoàn, cường độ bốc hơi lớn.
+ Có thể ghép nhiều buồng đốt với một buồng bốc để tiện cho quá trình sửa
chửa, làm sạch mà vẫn đảm bảo thiết bị làm việc liên tục.
Nhược điểm
+ Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung
dịch lại tăng dần làm độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền
nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
+ Thiết bị cồng kềnh, phức tạp.
+ Việc xử lý điều khiển khó khăn.

1.3.2. Sơ đồ hệ thống thiết bị và thuyết minh quy trình công nghệ
Dung dịch ban đầu có nồng độ 10% được chứa trong thùng chứa nguyên liệu
(1) được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3) qua lưu lượng kế (4) sau đó vào thiết bị
gia nhiệt (6). Tại thiết bị gia nhiệt (6) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của
nồi cô đặc thứ nhất. Sau đó dung dịch được đưa vào buồng đốt ngoài (9), dung
dịch NaOH được đun sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi vào phòng bốc tại đây hơi
thứ được tách ra và đi lên phía trên, dung dịch quay về buồng đốt (9) theo ống tuần
hoàn (8), hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2, hơi thứ nồi 2 làm hơi đốt cho nồi 3,
hơi thứ nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ lại còn lượng khí
không ngưng được bơm chân không (14) hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi
bọt (11). Dung dịch nồi 1 khi đạt nồng độ chất khô yêu cầu thì đi ra và làm nguyên
liệu cho nồi 2, sản phẩm nồi 2 làm nguyên liệu cho nồi 3, sản phẩm nồi 3 là sản
9


phẩm của hệ thống có nồng độ chất khô là 34% và được đưa vào bể chứa sản phẩm
(12). Nước ngưng tụ sẽ được tháo qua cửa tháo nước ngưng và được chứa trong bể
chứa nước ngưng (7).

CHƯƠNG 2 TÍNH CÔNG NGHỆ THIẾT BI CHÍNH
10


2.1. Tính cân bằng vật liệu
2.1.1. Chuyển đơn vị năng suất từ (tấn/h) sang (kg/h)
Năng suất: GD = 16 tấn/h = 16000 kg/h
Nồng độ nguyên liệu ban đầu: XD = 10%
Nồng độ cuối của sản phẩm: XC = 34%
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất:
GD .XD = GC .XC

Suy ra: GC =

=

(kg/h)

2.1.2. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W)
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
Gđ = Gc + W
Trong đó:
Gđ, Gc: lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị (kg/h)
W: lượng hơi thứ đi ra khỏi thiết bị (kg/h)
Viết cho cấu tử phân bố:
Gđ .Xđ = Gc .Xc + W.Xw
Trong đó: Xđ, Xc là nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng)
Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có:
Gđ .Xđ = Gc .Xc
Vậy lượng hơi thứ bốc ra của toàn bộ hệ thống được xác định:

(CT VI.1 STQTTB, T2/trang 55)
Theo giả thuyết ta có: Gđ = 16 tấn/h = 16000 kg/h
11


Xđ = 10%
Xc = 34%
Thay vào ta có:

(kg/h)

2.1.3. Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi
Ta có: W = W1 + W2 = 11294,118 (kg/h)
Trong đó: W1, W2, W3 là lượng hơi thứ thoát ra ở mỗi nồi 1, 2, 3

Giả sử: W1 = W2 = W3 =

=

= 3764,706 (kg/h)

Nồng độ cuối của mỗi nồi: (VI.2 STQTTB, T2/trang 57)
Nồi 1:

x1 =

=

= 13,08 (% khối lượng)

Nồi 2:

x2 =

=

= 18,89 (% khối lượng)
Nồi 3:

3

=

=

x
= 34 (% khối lượng)
2.2. Cân bằng nhiệt lượng
12


2.2.1. Xác định áp suất trong mỗi nồi
Gọi: Phđ1, Pht1

: áp suất hơi đốt nồi 1, hơi thứ nồi 1

Phđ2, Pht2

: áp suất hơi đốt nồi 2, hơi thứ nồi 2

Phđ3, Pht3

: áp suất hơi đốt nồi 3, hơi thứ nồi 3

Pnt

: áp suất của thiết bị ngưng tụ

∆P

: chênh lệch áp suất chung của toàn bộ hệ thống

∆P1, ∆P2, ∆P3: chênh lệch áp suất trong nồi 1, nồi 2, nồi 3
Giả thuyết hơi đốt dùng để bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hòa:
Theo đề: Phđ1 = 3,5 (at)
Pnt = 0,3 (at)
Ta có: ∆P = ∆P1 + ∆P2 + ∆P3 = Phđ1 - Pnt = 3,5 - 0,3 = 3,2 (at)

Chọn :

= 1,4

= 1,25
Suy ra: ∆P1 = 1,4 (at)
∆P2 = 1,0 (at)
∆P3 = 0,8 (at)
Mặt khác: ∆P1 = Phđ1 – Phđ2

Phđ2 = Phđ1 - ∆P1 = 3,5 – 1,4 = 2,1 (at)

∆P2 = Phđ2 – Phđ3

Phđ3 = Phđ2 - ∆P2 = 2,1 – 1,0 = 1,1 (at)

2.2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: thđ1, thđ2, thđ3, tnt : là nhiệt độ hơi đi vào các nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng
tụ.
tht1, tht2, tht3: là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

13

Từ áp suất: Phđ1, Phđ2, Phđ3, Pnt đã biết ta tra bảng I.251 STQTTB, T1/Trang
314 xác định được thđ1, thđ2, thđ3, tnt
Phđ1 = 3,5 (at)

thđ1 = 137,9 (0C)

Phđ2 = 2,1 (at)

thđ2 = 120,93 (0C)

Phđ3 = 0,8 (at)

thđ3 = 93 (0C)

Pnt = 0,3 (at)

tnt = 68,7 (0C)

Giả sử tổn thất nhiệt độ từ nồi 1 sang nồi 2 là 10C, từ nồi 2 sang nồi 3 là 10C
tht1 = thđ2 + 1 = 120,93 + 1 = 121,93 (0C)
tht2 = thđ3 + 1 = 93 + 1 = 94 (0C)
tht3 = tnt + 1 = 68,7 + 1 = 69,7 (0C)
Pht1 = 2,175 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)
Pht2 = 0,833 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)
Pht3 = 0,314 (at) (I.205 STQTTB, T1/trang 312)
Từ các số liệu trên ta có bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ như sau:
Bảng 1.1 Bảng tổng kết áp suất và nhiệt độ
Loại hơi
Hơi đốt

Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

TB Baromet

P(at)

t(oC)

P(at)

t(oC)

P(at)

t(oC)

3,5

137,9

2,1

120,93

0,8

93

94

0,314

69,7

Hơi thứ 2,175 121,93 0,833

P(at)

t(oC)

0,3

68,7

2.2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi
2.2.3.1. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra ()
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên
chất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
Ta có:

= tosdd - tosdmnc

(ở cùng áp suất)

Áp dụng công thức Tisenco:
14


Trong đó:
Ts: là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất (oK).
: tổn thất nhiệt độ do áp suất thường (áp suất khí quyển) gây ra.
r : ẩn nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất làm việc.
Dựa vào bảng VI.2 STQTTBT2/trang 67 ta xác định được
Bảng 1.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thường hoặc áp suất khí quyển gây ra

Nồng độ dung dịch (% khối lượng)

Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

13,08

18,89

34

4,155

7,489

21

(oC)
Tra bảng I.250 STQTTB, T1/Trang 312 ta xác định được ẩn nhiệt hóa hơi
Bảng 1.3 Bảng ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

Áp suất hơi thứ (at)

2,175

0,833

0,314

Ẩn nhiệt hoá hơi r (J/kg)

2201,29.103

2275,4.103

2333,739.103

Thay vào công thức Tisenco, ta có:
Đối với nồi 1:

(oC)

Đối với nồi 2:

15


(oC)
Đối với nồi 3:

(oC)
(oC)
2.2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆”)
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.

Với

: 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 STQTTB, T2/Trang 60, ta có:

(N/m2)

Hay

(N/m2)

Ptb= Po + P với P =

Trong đó:
16


Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch (N/m2)
P: chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống (N/m2)
dds

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3)

Với:
g: gia tốc trọng trường, m/s2, g = 9,81 (m/s2)
s

: khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

Hop: chiều cao thích ứng tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m)
Hop = [ 0,26 + 0,0014.( dd – dm )].H0
Tra bảng I.22 STQTTBT1/trang 34 ta xác định được dd và bảng I.5
STQTTBT1/trang 11 ta xác định được dm. Số liệu được biểu diễn theo bảng sau:
Bảng 1.4 Bảng khối lượng riêng của dung dịch và dung môi
xc (%)

tht (0C)

Pht (at)

Nồi1

13,08

121,93

2,175

1142,88

941,82

571,44

Nồi 2

18,89

94

0,833

1206,79

962,604

603,39

Nồi 3

34

69,7

0,314

1370

977,98

685

dd

(kg/m3)

dm

(kg/m3)

s

(kg/m3)

Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ đang xét.
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là H0 = 4m
Nồi 1: Hop1 = [0,26 + 0,0014.( dd1 - dm1)].H0
= [0,26 + 0,0014.(1142,88 – 941,82)].4 = 2,166 (m)

(at)

Ptb1 = Pht1 + P1 = 2,175 + 0,06 = 2,235 (at)
Tra bảng I.251 STQTTB, T1/Trang 314 ta xác định được t’’1 = 122,726 (0C)
’’

1

= t’’1 - tht1 = 122,726 – 121,93 = 0,796 (0C)
17


Nồi 2: Hop2 = [0,26 + 0,0014.( dd2 - dm2)].H0
= [0,26 + 0,0014.(1206,79 – 962,604)].4 = 2,407 (m)

(at)
Ptb2 = Pht2 + P2 = 0,833 + 0,071 = 0,904 (at)
Tra bảng I.251 STQTTB, T1/Trang 314 ta xác định được t’’2 = 96,212 (0C)
’’

2

= t’’2 - tht2 = 96,212 – 94 = 2,212 (0C)

Nồi 3: Hop3 = [0,26 + 0,0014.( dd3 - dm3)].H0
= [ 0,26 + 0,0014.(1370 – 977,98)].4 = 3,235 (m)

(at)
Ptb3 = Pht3 + P3 = 0,314 + 0,109 = 0,423 (at)
Tra bảng I.251 STQTTB, T1/Trang 314 ta xác định được t’’3 = 75,527 (0C)
’’

3

= t’’3 - tht3 = 75,527 – 69,7 = 5,827 (0C)

Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh của ba nồi là:
’’

= ’’1 + ’’2 + 3 = 0,796 + 2,212 + 5,827 = 8,835 (0C)

2.2.3.3. Tổn thất do trở lực thủy lực
Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi 1 sang nồi
2, từ nồi 2 sang nồi 3 và từ nồi 3 sang thiết bị ngưng tụ là 10C. Do đó:
’’’
’’’
’’’
’’’

1

= 1 0C

2

= 1 0C

3

= 1 0C

= ’’’1 + ’’’2 + ’’’3 = 1 + 1 + 1 = 3 (0C)

2.2.3.4. Tổn thất cho toàn bộ hệ thống
= ’ + ’’ + ’’’ = 22,071 + 8,835 + 3 = 33,906 (0C)
18


2.2.3.5. Hiệu số nhiệt độ có ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi
* Cho từng nồi
+ Nồi 1
Nhiệt độ sôi:
ts1 = (tht1 + ’1 + ’’1 + ’’’1) = 121,93 + 4,769 + 0,796 + 1 = 128,495 (0C)
Hiệu số nhiệt độ hữu ích:
thi1 = thđ1 – ts1 = 137,9 – 128,495 = 9,405 (0C)
+ Nồi 2
Nhiệt độ sôi:
ts2 = (tht2 + ’2 + ’’2 + ’’’2 ) = 94 + 7,812 + 2,212 + 1 = 104,394 (0C)
Hiệu số nhiệt độ hữu ích:
thi2 = thđ2 – ts2 = 120,93 – 104,394 = 16,536 (0C)
+ Nồi 3
Nhiệt độ sôi:
ts3 = (tht3 + ’3 + ’’3 + ’’’3 ) = 60,7 + 10,120 + 5,827 + 1 = 76,647 (0C)
Hiệu số nhiệt độ hữu ích:
thi3 = thđ3 – ts3 = 93 – 76,647 = 10,353 (0C)
* Cho toàn bộ hệ thống
Ta có: ∆thi = ∆ch - ∆ = thđ1 - tnt - ∆ = 137,9 – 68,7 – 33,906 = 35,294 (0C)
2.2.4. Cân bằng nhiệt lượng
2.2.4.1. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi
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 STQTTB, T1/trang 152)

Trong đó: x là nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ban đầu:
19


Cđ = 4186.(1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1:
C1 = 4186.(1 - 0,131) = 3638,471 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2:
C2 = 4186.(1 – 0,189) = 3395,265 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 có nồng độ lớn hơn 20%
nên:
C3 = Cht .X + 4186.(1 - x) (J/kg.độ)
MNaOH .Cht =
M: Khối lượng của phân tử chất đó
Ci: Nhiệt dung riêng của các đơn chất
Ni: Số nguyên tử trong phân tử
Với: CNa = 26000 (J/kg.độ)
CO = 16800 (J/kg.độ)
CH = 14300(J/kg.độ)

Vậy:

(J/kgđộ)
•

C3 = 1427,5.0,34 + 4186.(1 - 0,34) = 3248,11 (J/kgđộ)

2.2.4.2. Tính nhiệt lượng riêng
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt.
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ.
Tra bảng I.251 STQTTB, T1/trang 314 ta xác định được nhiệt lượng riêng.
Bảng 1.5 Bảng tra nhiệt lượng riêng của hơi đốt và hơi thứ
20


Nồi

Hơi đốt

Hơi thứ

t(0C)

I.10-3 (J/kg)

t(0C)

i.10-3 (J/kg)

Nồi 1

137,9

2737

121,93

2713,5

Nồi 2

120,93

2712

94

2664,6

Nồi 3

93

2663

69,7

2612,8

2.2.4.3. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Gọi:
D1: Là lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h)
I1, I2, I3: Hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)
Gđ, Gc: Lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h)
W1, W2, W3: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h)
Cđ, C1, C2, C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của

dung dịch (J/kg.độ)
tđ, ts1, ts2, ts3: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1, nồi 2 và nồi 3 của dung dịch
0

( C)
i1, i2, i3: Hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg)
Cn1, Cn2, Cn3: Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J/kg.độ)
Nhiệt độ của nước ngưng ở nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (0C) lấy bằng
nhiệt độ hơi đốt của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (0C)
Qtt1, Qtt2, Qtt3: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, nồi 2, nồi 3 (J)
Nhiệt lượng vào:
Nồi 1:
+ Do hơi đốt mang vào: D1.Ihđ1
+ Do dung dịch mang vào: Gđ .Cđ .tđ
Nồi 2:
21


+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): D2.Ihđ2
+ Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (Gđ - W1).C1.ts1
Nồi 3:
+ Do hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2): D3.Ihđ3
+ Do dung dịch ở nồi 2 mang vào: (Gđ - W1 – W2).C2.ts2
Nhiệt lượng ra:
Nồi 1:
+ Do hơi thứ mang ra: W1.iht1
+ Do sản phẩm mang ra: (Gđ - W1).C1.ts1
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: D1.Cn1.1
+ Do tổn thất chung: Qtt1 = 0,05D1(ihđ1 - Cn1.1)
Nồi 2:

+ Do hơi thứ mang ra: W2.iht2
+ Do sản phẩm mang ra: (Gđ - W1 – W2).C2.ts2
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: D2.Cn2.2
+ Do tổn thất chung: Qtt2 = 0,05D2(ihđ2 - Cn2.2)
Nồi 3:
+ Do hơi thứ mang ra: W3.iht3
+ Do sản phẩm mang ra: (Gđ - W1 – W2 – W3).C3.ts3
+ Do hơi nước ngưng tụ mang ra: D3.Cn3.3
+ Do tổn thất chung: Qtt3 = 0,05D3(ihđ - Cn3.3)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
Nồi 1:
22


GđCđtđ + D1.ihđ1 = W1.iht1 + (Gđ – W1)C1.ts1 + D1Cn11 + 0,05D1(ihđ1 – Cn11)
Nồi 2:
D2Ihđ2 + (Gđ –W1).C1.t1 = W2iht2 + (Gđ - W1 – W2).C2ts2 + D2Cn2

+ 0,05D2(Ihđ2 - Cn2 )

Nồi 3:
D3Ihđ3 + (Gđ – W1 – W2)C2.ts2 = W3iht3 + (Gđ – W1 – W2 – W3).C3ts3 + D3Cn3
+ 0,05D3(Ihđ3 - Cn3 )
Với: W = W1 + W2 + W3
1

= thđ1, 2 = thđ2, 3 = thđ3

tđ = ts1
Từ nồi 2 suy ra:
W1.ihđ2 + Gđ.C1.ts1 – W1.C1.ts1 = W2.iht1 + Gđ.C2.ts2 – W1.C2.ts2 – W2.C2.ts2
+ W1.Cn2.2 + 0,05.W1.ihđ2 – 0,05.W1.Cn22
W1.ihđ2 – W1C1ts1 + W1C2ts2 – 0,05W1.ihđ2 – W1Cn22 + 0,05W1Cn22
+ W2C2ts2 – W2.iht2 = GđC2ts2 - GđC1ts1
W1(0,95ihđ2 – 0,95Cn22 – C1ts1 + C2ts2 + W2(C2ts2 – iht2) = Gđ(C2ts2 – C1ts1)
[1]
Tra bảng I.249 STQTTB, T1/trang 310 gộp thêm bảng 1.5
Bảng 1.6 Bảng nhiệt dung riêng của dung dịch và dung môi
Hơi đốt

Hơi thứ
Cn

t

(0C)

I.10-3
(J/kg)

(J/kgđộ)

(0C)

1

137,9

2737

4282,6

121,93

2713,5 3638,471 128,495

2

120,93

2712

4251,5

94

2664,6 3395,265 104,394

3

93

2663

4236,8

69,7

Nồi

t

23

i.10-3
(J/kg)

Dung dịch

2621,8

C

ts

(J/kg.độ)

(0C)

3248,11

76,647


Thay số vào [1] ta được:
W1(0,95.2712.103 – 0,95.4251,5.120,93 – 3638,471.128,495
+ 3395,265.104,394 + W2(3395,265.104,394 – 2664,6.103)
W1.1974892,8 + W2(- 2310154,706) = -1809280583

[]

Từ nồi 3 suy ra:
W2.ihđ3 + GđC2ts2 – W1C2ts2 – W2C2ts2 = W.iht3 – W1.iht3 – W2.iht3 + GđC3ts3
– W.C3ts3 + W2Cn33 + 0,05W2.ihđ3 – 0,05W2Cn33
W1.iht3 – W1C2ts2 + W2.ihđ3 – W2C2ts2 + W2.iht3 – 0,05W2.ihđ3 – W2Cn33
+ 0,05W2 Cn33 = GđC3ts3 – GđC2ts2 + W.iht3 – W.C3ts3
W1(iht3 – C2ts2) + W2(0,95ihđ3 – 0,95 Cn33 – C2ts2 + iht3) = Gđ(C3ts3 – C2ts2) +
W(iht3 – C3ts3)
[2]
Thay số vào [2] ta được:
W1(2621,8.103 – 3395,265.104,394) + W2(0,95.2663.103 – 0,95.4236,8.93
– 3395,265.104,394 + 26218,8.103) = 16000(3248,11.86,647
– 3395,265.104,394) + W(2621,8.103 – 3248,11.86,647)
W1.2267354,706 + W2.4422883,426 = 25264212530
Từ [] và [] giải hệ phương trình ta có kết quả:
W1 = 3604,324 (kg/h)
W2 = 3864,432 (kg/h)
W3 = 3825,362 (kg/h)
Từ nồi 1 suy ra:
D1Ihđ1 + GđCđtđ = W1iht1 + (Gđ – W1).C1.ts1 + D1Cn11 + 0,05D1Ihđ1
– 0,05D1 Cn11
0,95.D1Ihđ1 – 0,95D1Cn11 = W1.iht1 + (Gđ – W1).C1ts1 – GđCđtđ

24

[]

= 4039,989 (kg/h)
Tính sai số:

Nồi 1:

Nồi 2:

Nồi 3:
Nhận thấy sai số < 5%

giả thiết đưa ra là phù hợp và có D1 = 4039,989 (kg/h)

2.3. Tính bề mặt truyền nhiệt
2.3.1 Tính độ nhớt (, N.s/m2)
Áp dụng công thức paplov (CT I.17 STQTTB T1 /Trang 85)
= k = const
Trong đó: t1, t2 là nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt
, là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là
Nồi 1: X1 = 13,08%, chọn nước làm chất lỏng tiêu chuẩn

25