Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cho dung dịch NaOH

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP- TỰ DO- HẠNH PHÚC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
-----------------------o0o---------------------Họ và tên : Mai Ngọc Khánh Toàn
MSSV: 0941.120.139
Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa 2 _K9
Khoa: Công nghệ Hóa – Chuyên ngành Hóa Phân Tích
Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Hoàn

NỘI DUNG:
Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cho dung dịch
NaOH:
Các số liệu ban đầu :
- Năng suất 9520 kg/h.
- Nồng độ đầu vào 10% khối lượng.
- Nồng độ cuối 35% khối lượng.
- Áp suất hơi đốt nồi 1 : 4 at.
- Áp suất hơi ngưng tụ : 0,2 at.
- Chiều cao ống gia nhiệt 2m.

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

1

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất 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 thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn
cưỡng bức cho dung dịch NaOH: năng suất 9520 kg/h, nồng độ đầu vào 10% KL, nồng độ
cuối 35% KL, áp suất hơi đốt 4at, áp suất hơi ngưng tụ 0,2 at, chiều cao ống gia nhiệt 2m.
Đối với một sinh viên nghành hóa,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 cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là môn học rất khó mà kiến thức thực tế của sinh viên thì
hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót. Vì vậy kính mong nhận được
sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, Cô và các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện
hơn.
Và cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô khoa Công Nghệ
Hóa, đặc biệt là Thầy Giáo Nguyễn Văn Hoàn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện
thuận lợi cho chúng em làm đồ án.
Xin chân thành cảm ơn!!!.

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

2

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHẦN I :
GIỚI THIỆU CHUNG
1. Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH)
1.1 Tính chất vật lí của NaOH
- Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi. Dễ tan trong
nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete.
- NaOH có khối lượng riêng 2,13 g/ml. Độ pH là 13,5. Nhiệt độ nóng chảy 318oC. Nhiệt độ
sôi 1338oC. Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa và biến thành Na2CO3.
- 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.
1.2 Tính chất hóa học của NaOH
- NaOH 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, NaOH còn có
tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan NaOH cần phải dùng
nước lạnh.
-NaOH có đầy đủ tính chất của một bazơ điển hình như :
+ Làm quỳ hóa xanh
+ Dung dịch phenolphtalein chuyển thành màu hồng
+ Tác dụng với oxit axit
+ Tác dụng với axit
+ Tác dụng với dung dịch muối
1.3 Điều chế
a. Trong phòng thí nghiệm
+ Natri tác dụng với nước :
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
+ Natri oxit với nước :
2NaO + H2O = 2NaOH

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

3


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
b. 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
với các điện cực làm bằng graphit và có các màng ngăn giữa anot và catot ( màng ngăn
được làm bằng amiăng hoặc vật liệu xốp khác ) :
2NaCl + 2H2O

dòng điện

Cl2 + H2 + 2NaOH

1.4 Ứng dụng của NaOH
NaOH được dùng để :
-

Sản xuất xenlulozơ từ gỗ.
Sản xuất xà phòng,chất tẩy rửa, bột giặt.
Sản xuất giấy.
Sản xuất tơ nhân tạo.
Sản xuất nhôm ( làm sạch quặng trước khi SX ).
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.

2. Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.
2.1. Giới thiệu chung về cô đặc.
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác
nói chung, thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi. Để
làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên
nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc.
Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất, nó làm
tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên
chất. Dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu.
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

4


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như: Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm,
thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất
lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc
ống tuần hoàn trung tâm…..
Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp
với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn,giảm tổn
thất trong quá trình sản xuất.
2.2. Sơ lược về quá trình 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 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 tăng nồng độ 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.
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

5


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
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 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 được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví dụ: cô
đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô đặc
nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không cao chỉ
thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta thường chọn cô đặc nhiều nồi.
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.
2.3. Dây chuyền sản xuất:
Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức:

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

6


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

11

10

3

4

12

8

1

2

5

6

7

2

9

Hình1: Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức
Chú thích:
-

1. Thùng chứa dung dịch đầu
2. Bơm
3. Thùng cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6. Thiết bị cô đặc

-

7. Thiết bị cô đặc

- 8. Thùng chứa nước
- 9. Thùng chứa sản phẩm
- 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet
- 11.Thiết bị tách bọt
- 12.Bơm chân không
- 13. Ống tuần hoàn

 Nguyên tắc hoạt động:
Dung dịch NaOH ban đầu được chứa trong thùng chứa dung dịch đầu (1), dùng bơm
(2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để
ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

7


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
nhiệt (5) (thiết bị ống chùm). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến

nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào, rồi đi vào nồi (6). Ở nồi này
dung dịch tiếp tục được đun 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. Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn
sang buồng đốt của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ sự chênh
lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước. Nhiệt độ của nồi
trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (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 (9) qua thiết bị bơm (2).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ
Baromet (10). Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được
ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua
thiết bị tách bọt (11) hơi sẽ được bơm chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ
chảy vào thùng chứa nước ngưng.

 Ưu điểm:
- Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi
mà không cần dùng bơm.
- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi đều có nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó ( trừ nồi đầu), kết quả là dung dịch sẽ nguội đi và lượng
nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi ( quá trình tự bốc hơi ).
 Nhược điểm :

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

8

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, do đó cần phải
tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch
trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng
dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi
đầu đến nồi cuối.

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

9


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PHẦN II:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1.Các thông số ban đầu :
-

Dung dịch cần cô đặc : NaOH.
Năng suất tính theo dung dịch đầu
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Áp suất hơi đốt
Áp suất hơi ngưng tụ
Chiều cao ống gia nhiệt

Gđ = 9520 (kg/h)
xđ = 10% khối lượng.
xc = 35% khối lượng.
P1 = 4at.
Png = 0,2at
H = 2m

2.Cân bằng vật liệu.
2.1. Lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W (kg/h)
Từ công thức ( VI.1-ST2- T55), Ta có :

 x 
W = Gđ 1 − đ 
 xc 
Trong đó :
W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống ,(kg/h).
Gđ: lượng dung dịch đầu ,(kg/s).
xđ, xc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối
lượng


 0.10 
W = 9520×  1 −
 =6800 (kg/h)
 0.35 

2.2.Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (kg/h)
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W2 (kg/h)
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là : W1: W2 = 1:1

Ta có hệ:

W1 = W2

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

W1 = 3400 (kg/h)
10


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
W=W1+W2=6800

W2 = 3400 (kg/h)

2.3. Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi
Theo công thức (VI.2c-ST2-T54), Ta có :
(%)

• Nồi 1:
• Nồi 2:

x1 =
x2 =

Gđ × xđ
9520 × 0,10
=
= 15,56 %

Gđ −W1 9520 − 3400

Gđ ⋅ xđ
9520 × 0,10
=
= 35 %
Gđ − ( W1 + W2 ) 9520 − (3400 + 3400)

Ta được x2 = xc ,phù hợp với số liệu ban đầu.
3. Cân bằng nhiệt
3.1. Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (

)

∆ P = P1 - Png = 4 - 0,2 = 3,8 ( at )

Trong đó :
∆P : là chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống

P1 : áp suất hơi đốt vào nồi 1
Pnt : áp suất hơi ngưng tụ
3.2. Chênh lệch áp suất, nhiệt độ của mỗi nồi
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

∆P1 2, 01
=
⇒ ∆P1 = 2, 01∆P2
∆P2
1
Ta có

ΔP1 = 2,01ΔP2

ΔP1 = 2.6125
ΔP2 = 1.1875

ΔP=ΔP1 +ΔP2 = 3,8
3.3 . Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt ra khỏi mỗi nồi
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

11


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Theo công thức :
Ta có :
• Nồi 1 : P1 = 4 ( at )
• Nồi 2 : P2 =P1 - ΔP1 = 4 – 2,6125 = 1,3875 (at)
 Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
Dựa vào áp suất, tra bảng (I.251-ST1-T314), Ta được :

P1 = 4at

⇒ t1 = 142,9°C

P2 = 1, 4625at ⇒ t 2 = 109,95°C
Pnt = 0, 2at

⇒ tnt = 59, 7°C

3.4. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Nhận xét: Hơi thứ của nồi 1 được dẫn sang nồi 2 và trở thành hơi đốt của nồi 2, hơi
thứ của nồi 2 đi sang thiết bị ngưng tụ.Quá trình này sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ do trở lực
học trên ống dẫn gây ra.
Do đó :
-

Nhiệt độ của hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ của hơi thứ nồi trước trừ đi 1 0 C.
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối cùng bằng nhiệt độ hơi ngưng tụ của thiết bị baromet cộng
thêm 10C.

Gọi :
-

t1', t2' : Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1, nồi 2.
P1’ , P2’ : Áp suất hơi thứ của nồi 1, nồi 2.
: Tổn thất do trở lực đường ống

.

 Nhiệt độ hơi thứ trong các nồi :
Theo công thức :

,Ta có :

• Nồi 1: t1'= t2 +

= 109,95 + 1 = 110,95( )

• Nồi 2: t2' = tng +

= 59,7 + 1 = 60,7 ( )

Dựa vào nhiệt hơi thứ, tra bảng (I.251 – ST1- T.314), ta được :
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

12


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

t1 ' = 110,95°C ⇒ P1 ' = 1,5125at

•

t2 ' = 60, 7°C ⇒ P2 ' = 0, 2111at

• Các kết quả tính được ở trên cho ta bảng số liệu sau :
• Bảng 1:
Nồi I
Loại

Áp suất

Nồi 2
Nhiệt

độ Áp suất

(0C)
Hơi đốt

P1= 4

Hơi ngưng tụ
Nhiệt

độ Áp suất

(0C)

t1=142,9

P2=1,4625

(0C)

t2=109,95
Png=0.2

Hơi thứ P’1=1,5125 t’1=110,95

P’2=0,2111

Nhiệt độ

tng=59,7

t’2 =60,7

3.5. Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi
• Nhận xét: Tổn thất nhiệt độ trong thiết bị cô đặc bằng tổng tổn thất nhiệt độ
do nồng độ dung dịch tăng cao, do áp suất thủy tĩnh và do trở lực thuỷ lực
trong ống dẫn của các nồi.
3.5.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (

)

Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt do
nồng độ gây ra.
Gọi

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.

phụ thuộc vào nồng độ chất tan, áp suất, bản chất của

chất tan và dung môi.
Áp dụng công thức (VI.10 ─ ST2 – T59) :

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

13

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

∆, =∆,o . f
f =16, 2.

(°C )
T2
r

Trong đó:
∆’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,
r: Nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Tra bảng (VI.2 ─ ST2 – T67) :
• Nồi 1: x1 = 15,56% ⇒ ∆,o1 = 5,35°C
• Nồi 2: x2 = 35% ⇒ ∆,o1 = 22°C
 Xác định nhiệt độ Ti :
T’1 + 273 = 110,95+ 273 =383,95
T2 = T’2 + 273 = 60,7 + 273 = 333,7
 Xác định ri :
Tra bảng (I.250 ─ ST1 – T312)

t '1 = 110, 95°C

r1 = 2233, 43.103 J / kg

t '2 = 60, 7°C

r2 = 2355, 262.103 J / kg

 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi :
383,952
’
= 5, 72060 C
Δ 1 =16,2.5,35
3
2233, 43.10

333,7 2
= 16,85 0 C
Δ 2 =16,2.22
3
2355,262.10
’

 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của cả hệ thống là:
Δ’= Δ’1 + Δ’2 = 5,7206 + 16,85 = 22,5706 oC
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

14


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
3.5.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:
Nhận xét: Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu. Trên mặt thoáng
nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng, nguyên nhân là do cột áp suất
thủy tĩnh của cột chất lỏng.

- Áp dụng công thức (VI.13 ─ST2─T60):

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 ).
ρdds = 0.5 ρdd(20˚C)

g : gia tốc trọng trường (m/s2).
- Khối lượng riêng của dung dịch NaOH ở 20

ứng với mỗi nồng độ được xác định theo

bảng (I.22─ST1 – T34) và sử dụng nội suy Largrange
x1 = 15,56%

⇒ ρdd = 1170,16 (kg/m3)

x2 = 35%

⇒ ρdd = 1380 (kg/m3)

Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là:
ρdd1 =

1170,16
= 585,08(kg / m3)
2

ρdd 2 =

1380
= 690 (kg/m3)
2

- chọn h1 = 0,5 m và h2 = 2,0 m ( đề ra )
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

15


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

2 585, 08.9,81
Ptb1 = 1, 5125 + (0, 5 + ).
= 1, 6002(at )
2
9,81.10 4
2 690.9,81
Ptb 2 = 0, 2111 + (0, 5 + ).
= 0.3146( at )

2 9,81.104
-Tra bảng (I.251─ST1- T314):
• Nồi 1 : Ptb1 = 1,6002 (at)

⇨ ttb1 = 112,7036

• Nồi 2 : Ptb2 = 0,3146 (at)

⇨ ttb2 = 69,6782

Áp dụng công thức VI.13 (STT2.T60) để tính áp suất thủy tĩnh của hệ thống :

∆,, = ttb −to
Trong đó:
ttb: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb ( 0C )
to : Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Po ( 0C )
Vậy tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi là :

∆1,, = ttb1 − t '01 = 112, 7036 − 110,95 = 1, 7536°C
∆ ,,2 = ttb 2 − t '02 = 69,6782 − 60,7 = 8,9782°C
⇒ ∑ ∆ ,, = ∆1,, + ∆ ,,2 = 1, 7536 + 8,9782 = 10, 7318°C
3.5.3 Tổn thất do đường ống

( ∆,,, )

Nhận xét: Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là đoạn nối giữa
nồi 1 và nồi 2, giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ.Ta chọn tổn thất
nhiệt độ do đường ống là 1oC.
Vậy:

∑∆

, ,,

= ∆,1,, + ∆,2,, = 1 + 1 = 2°C

⇒ tổng tổn thất nhiệt độ là:

∑∆ =∑∆ +∑∆ +∑∆
,

,,

,,,

= 22,5706 + 10, 7318 + 2 = 35,3024°C

3.6 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi
3.6.1. Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

16


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Áp dụng công thức ( VI.17─ST2 –T67) :

∆ t hi = ∆ t ch − ∑ ∆

Trong đó :

∆ 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 = 142,9 − 59,7 = 83,2°C
Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống là:

∆thi = 83, 2 − 35,3614 = 47,8976°C
3.6.2. Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi.

t s1 = t1, + ∆,1 + ∆,1,
t s 2 = t 2, + ∆,2 + ∆,2,
t s1 , t s 2 : nhiệt độ hơi thứ của từng nồi
ts1 = 110,95 + 5, 7206 + 1, 7536 = 118, 4242°C
ts 2 = 60, 7 + 16,85 + 8,9782 = 86,5282°C
3.6.3. Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi

∆T1 = t1 − t s1 = 142,9 − 118, 4242 = 24, 4758°C
∆T2 = t2 − t s 2 = 109,95 − 86,5282 = 23, 4218°C
Kết quả vừa tính cho ta bảng dưới đây:
Bảng 2:

∆,

∆,,

1

5,7206

1,7536

1

24,4758

119,194

2

16,85

8,516

1

23,4218

82,236

ứ

∆,,,

Hiệu số nhiệt độ Nhiệt độ sôi của
hữu ích
dung dịch

I

Kiểm tra lại dữ kiện :
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

17


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Vậy các dữ kiện chọn được thoả mãn.
3.7. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống:
D.i

W1 .i1

W 1 . i2

W2 .i3

Qm1

Qm2

(Gd-W1-W2)Cn2 .ts2
Gd .tso .Cd

(Gd - W1 )C1 .ts1
D.Cn1 . θ1

W1 .Cp2 . θ 2

Trong đó :
-

D:Lượng hơi đốt vào kg/h
i, i1 , i 2 :hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg

θ1 , θ 2 : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

Cd, C1,Cn1,Cn2,C2: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và nước ngưng.
Qm1,Qm2 : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2
Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị
W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2

3.7.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
•

Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i
Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd .tso .Cd

•

Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1

3.7.2 Nhiệt lượng mang ra:
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

18


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
•

Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W1 .i1
- Nước ngưng :D. θ 1 .Cn1
- Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
- Nhiệt mất mát : Qm1=0,05D(i - C1 θ 1 )

•

Nồi 2:
- Hơi thứ : W2. i3
- Nước ngưng : W1. θ 2 .Cn2
- Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cn2) θ 2

3.7.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Các phương trình được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
•

Nồi 1 :

D.i1 + Gd Cd t so = W1.i1 + (Gd −W1 )C1.t s1 + D.Cn1.θ1 + Qm1
D.i1 + Gd Cd t s 0 = W1.i1 + (Gd −W1 )C1.t s1 + D.Cn1θ1 + 0,05 D (i − Cn1θ1 )

•

(1)

Nồi 2 :

W1i2 + (Gd − W1 )C1 .t s1 = W2 i3 + (Gd − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1Cn 2θ 2 + Qm2
W1i2 + (Gd − W1 )C1t s1 = W2 i3 + (Gd − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1Cn2θ 2 + 0,05W1 (i2 − Cn2 )θ 2

(2)

Ta lại có: W1 + W 2 = W (3)
Kết hợp pt (1),(2),(3) ta được:

W1 =

W (i 3 − C 2 t s 2 ) + G d (C 2 t s 2 − C1t s1 )
0,95(i 2 − Cn 2θ2 ) + i 3 − C1t s1

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

(4)

19


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

D=

-

W1 (i1 − C1t s1 ) + G d (C1t s1 − C d t s 0 )
(5)
0,95(i − Cn1θ1 )

Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt

θ1 = 142,9°C
θ 2 = 109,95°C
 Nhiệt độ sôi của dung dịch
Tra bảng ( I204─ST1─T236 ):
x0 = 10%

⇒ ts0 =102,945

Đã tính được : ts1 = 118,4242oC
ts2 = 86,5282 oC
 Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi
Tra theo bảng (I.249─ST1 – T310)
θ1 = 142,9 oC

⇒ Cn1 = 4294,25 (J/kg độ)

θ2 = 109,95 oC

⇒ Cn2 = 4232,935 (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 = 10%

Đối với dung dịch loãng ( x < 0,2 ) ta áp dụng công thức (I.43 ─ST1 – T152), ta có:
Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,10) = 3767,4 (J/kg. độ)
 Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 15,56%
Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1556) = 3534,6584 (J/kg. độ)
 Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 35 %
Đối với dung dịch đậm đặc (x > 0,2) ta áp dụng công thức (I.44 ─ ST1 ─ T152)
C1 = Cht.x + 4186 × (1- x)
Trong đó :
Cht: là nhiệt dung riêng của NaOH xác định theo công thức (I.41─ ST1 – T152) :
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

20


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
M1.Cht = n1.C1 + n2.C2 + n3C3
Trong đó :

M1 KLPT của NaOH : M1 = 40
n1 Số nguyên tử Na: n1 = 1
n2 Số nguyên tử O : n2 = 1
n3 Số nguyên tử H : n3 = 1

C1 , C2 , C3 Nhiệt dung riêng của nguyên tử Na, O , H .Tra từ bảng ( I.141 ─ ST1 – T152) ta có :
C1 = 26000 J/kg.nguyên tử. độ
C2 = 16800 J/kg.nguyên tử. độ
C3 = 9630 J/kg.nguyên tử. độ
Vậy :

Cht =

26000 + 16800 + 9630
= 1310,75 (J/kg độ)
40

Từ đó ta sẽ tính được nhiệt dung riêng của NaOH trong nồi 2 :
C2 = 1310,75 × 0,35 + 4186.(1- 0,35) = 3179,66 (J/kg độ)
 Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ:
Tra bảng ( I.250 ─ ST1 –T 312 )

t1 = 142,9°C ⇒ i = 2744, 06.103 J / kg
t2 = 109, 95°C ⇒ i2 = 2695,91.103 J / kg
t1 ' = 110,95°C ⇒ i1 = 2697, 52.103 J / kg
t2 ' = 60, 7°C

⇒ i3 = 2609, 288.103 J / kg

Thay các kết quả ta đã tính toán được vào pt (4) và pt (5) ta được kết quả sau :
W1 =

6800.(2609, 288.103 − 3179, 66.86,528) + 9520.(3179, 66.86.528 − 3534, 65.118, 424)
0,95.(2695,91.103 − 4232,935.109,95) + 2609, 288.103 − 3534, 65.118, 424

W1 = 3366,0451 (kg/h)
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

21

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Từ (3) ⇒ W2 = W − W1 = 6800 – 3366,0451 = 3433,9549 (kg/h)
3366, 0451(2697,52.103 − 3534, 6584.118, 4242) + 9520(3534, 6584.118, 4242 − 3767, 4.102,945)
D=
0,95(2744, 06.103 − 4294, 25.142,9)

D=3934,877 (kg/h)
Ta có bảng số liệu như sau:
Bảng 3
C

Cn

J/kg độ

J/kg độ

1

3534,6584

4294,25

2

3179,66

4232,935

Nồi

W , kg/h

θ, °C

Sai số

CBVC

CBNL

ε

142,9

3400

3366,0451

0.998 %

109,95

3400

3433,9549

0.998 %

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1,0201
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng vật chất
< 5% ,vậy thoả mãn.
4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi:
4.1.Tính hệ số cấp nhiệt

α

khi ngưng tụ hơi.

Τ1i ; α1i
∆t1i

TT2 i

∆t 2 i
TT1i

Τ2i ; α 2i

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và nồi 2 là :

∆ 11 , ∆12

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

22

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
- 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
( V.101─ST2 – T28 ).

α = 2,04. A.(

ri
∆t1i .H

) 0, 25 W/m2. độ

Trong đó:
-

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

-

∆ 1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và

W/m2. độ

nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng

của nồi I, o C .
Giả thiết:
-

∆t11 = 1.97°C

∆t12 = 1.57°C

ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt:
Tra bảng I.250 ─ ST1 – T312 Ta có:

-

t1 = 142,9 oC

⇒ r1 = 2135,5 .103 J/kg

t2 = 109,95oC

⇒ r2 = 2234,14.103 J/kg

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +ti )

o

C (*)

tI : nhiệt độ hơi đốt
tTi: nhiệt độ bề mặt tường
Mặt khác:

∆ t1i = t i − tTi
⇒ tTi = t i − ∆ t1i

(**)

thay (**) vào (*) ta được :

t mi = t i − 0,5∆ t1i
GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

23


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Với:

t1 = 142,9 oC

⇒ tm1 = 142,9 – 0,5.1.97 = 141,915 oC

t2 = 109,95 oC

⇒ tm2 = 105,45 – 0,5.1,45 = 109,165oC

Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : (ST2 – T 29 )
tm1 = 141,915oC

với:

A1 = 194,3015

tm2 = 109,165 oC

A2 = 183,12425

Vậy hệ số cấp nhiệt của mỗi nồi là :
•

Nồi 1:
0,25

 2135,5.103 
α11 = 2, 04.194, 2873. 
÷
 1,97.2 
•

2
= 10754,13(W / mđô
. )

Nồi 2:
0,25

 2234,14.103 
α12 = 2, 04.183,12425. 
÷
 1,57.2 

2
= 10849, 78695(W / mđô
. )

4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ
Áp dụng ( CT 4.14─QTTB1 – T1 )

q1i = α 1i .∆t1i W/m2
q1i : nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ của nồi i , W/m2

.

Thay số vào, ta có :
•
•

Nồi 1: q11 = 1075,13.1.97= 21185,637(W/m2)
Nồi 2: q12 =10849,78695.1,57 = 17034,16551 (W/m2)

Bảng 4:
Nồi

∆t1i ,°C

∆t mi ,°C

1

1,97

141,915

194,3015

10754,13

21185,637

2

1,57

109,165

183,12425

10849,78695

17034,16551

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

A

α1i , W / m 2 .đô q1i , W / m 2

24


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

4.3.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:
(CT QTTB1 – T332)

α 2 I = 45,3.Pi .∆t2i
0 .5

2 , 33

.ψ i

(W/m2 độ )

(1)

Pi: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:

P1, = 1, 5125at

P2, = 0,2111at

∆ 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
-

(2)

, oC

(3)

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

∑r = r

1

+ r2 +

δ
λ

(m2 độ/W)

(4)

Với 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 ─ ST2 – T4 ):
r1 = 0,387.10-3 m2 độ/W

r2 = 0,232.10-3 m2 độ/W
- Tra bảng ( VI.6 ─ ST2 – T80 ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

GVHD : Nguyễn Văn Hoàn
SVTH : Mai Ngọc Khánh Toàn

25