Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h

Trường đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Khoa Công Nghệ Hóa Học & Thực Phẩm
----------

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn:
Th.S Phạm Văn Hưng
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Kim Ngân

15116034

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 11 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐHSPKT TP.HỒ CHÍ
MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
__________________

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

KHOA: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN: Nguyễn Kim Ngân MSSV: 15116034

LỚP:

1. Tên đồ án:
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h và các thông
số nồng độ ban đầu và nồng độ cuối là 10% và 42%( tính theo khối lượng)
2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
- Tổng quan về nguyên liêu
- Tổng quan về phương pháp cô đặc
- Thuyết minh quy trình
- Tính toán cân bằng vật chất
- Tính toán thiết kế thiết bị chính
- Tính toán thiết bị phụ
- Bản vẽ A1 quy trình công nghệ
- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 15/09/2018
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28/11/2018
5. Họ và tên người hướng dẫn: Th.S Phạm Văn Hưng

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2018
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
Phạm Văn Hưng

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ....................................................................................................................... 7


1.

Tên đồ án. ......................................................................................................................................... 7
1.1.

Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) ................................................... 7

1.2.

Tính chất nguyên liệu .............................................................................................................. 7

1.2.1.

Tính chất vật lý của NaNO3: .......................................................................................... 7

1.2.2.

Điều chế và ứng dụng của NaNO3: ................................................................................ 7

1.3.

Quá trình cô đặc: ...................................................................................................................... 8

1.3.1.

Định nghĩa ......................................................................................................................... 8

1.3.2.

Phương pháp cô đặc......................................................................................................... 8

1.3.3.

Bản chất của sự cô đặc do nhiệt ...................................................................................... 8

1.3.4.

Ứng dụng của cô đặc ........................................................................................................ 9

1.4.

Thiết bị cô đặc ........................................................................................................................... 9

1.4.1.

Phân loại và ứng dụng ...................................................................................................... 9

a.

Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc: .............................................................. 9

b.

Theo phương pháp thực hiện quá trình: ........................................................................... 9

1.4.2.

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc: .............................................................. 9

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ......................................................................................................... 11
1.

Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ: ............................................................................................ 11

2.

Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ: .................................................................................. 11
2.1.

Sơ đồ công nghệ ..................................................................................................................... 11

2.2.

Thuyết minh qui trình ............................................................................................................. 13

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ........................................................... 14
1.

Cân bằng vật chất.......................................................................................................................... 14

2.

Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi........................................................................................... 15

3.

Xác định tổn thất nhiệt độ ............................................................................................................ 17

4.

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ........................................................................................ 18

5.

Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra ............................................................................................ 19

6.

Tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống ................................................................................................ 19

7.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống: .................................................... 19

8.

Tính cân bằng nhiệt....................................................................................................................... 21

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH .......................................................................................... 24
1.

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt.............................................................................................. 24

2.

Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp.......................................................................................... 24

3.

Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi: ....................................................................................... 24
a.Nhiệt tải riêng trung bình: [2] .......................................................................................................... 24

b. Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ: ............................................................................................ 25
c. Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi :....................................................................................... 27
4.

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi:........................................................................... 30

4.1.

Tính kích thước buồng đốt và buồng bốc: .................................................................................. 31
Buồng đốt: .............................................................................................................................. 31

4.1.1.
a.

Tính số ống truyền nhiệt:........................................................................................................... 31

b.

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm: ..................................................................................... 31

c.Kính buồng đốt: [2] ........................................................................................................................... 32
d. Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm: ......................................................... 33
e.

Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt: ........................................................................................ 33

4.1.2.

4.2.

Buồng bốc: ......................................................................................................................... 33

a.

Đường kính buồng bốc: .......................................................................................................... 33

b.

Thể tích buồng bốc ................................................................................................................. 34
Kích thước của buồng đốt và buồng bốc:................................................................................ 35

4.2.1.

Buồng đốt ........................................................................................................................... 35

4.2.2.

Buồng bốc ........................................................................................................................... 35

4.3.

Bộ phận nối buồng đốt và buồng bốc:....................................................................................... 35

CHƯƠNG 5: TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ ............................................................................................ 37
Tính bền cho thân: ........................................................................................................................ 37

I.

1.1. Thân buồng đốt: ......................................................................................................................... 37
a. Buồng đốt nồi I: ........................................................................................................................... 37
b. Buồng đốt nồi II: ......................................................................................................................... 38
c. Buồng đốt nồi III:......................................................................................................................... 40
1.2. Thân buồng bốc: ......................................................................................................................... 43
a. Buồng bốc nồi I: .......................................................................................................................... 43
b. Buồng bốc nồi II: ......................................................................................................................... 45
c.Buồng bốc nồi III: ......................................................................................................................... 46
2.

Tính bền cho đáy và nắp thiết bị: .............................................................................................. 49
2.1. Nắp thiết bị: ............................................................................................................................. 49
a.

Nắp nồi I: ............................................................................................................................. 50

b.

Nắp nồi II: ............................................................................................................................ 50

c. Nắp nồi III: ............................................................................................................................... 51
2.2.

Đáy thiết bị: ........................................................................................................................ 53

a.Đáy nồi I: .................................................................................................................................. 53
b . Đáy nồi II: .............................................................................................................................. 54


c. Đáy nồi III: .............................................................................................................................. 56

Tính bích, đệm, bu lông, vỉ ống và tay treo: ........................................................................... 58

3.

3.1. Tính bích: .................................................................................................................................. 58
3.2.

Đệm: .................................................................................................................................... 59

3.3. Bulông ghép bích: .................................................................................................................... 59
a. Bulông ghép bích buồng bốc và nắp: .................................................................................... 59
b.Bulông ghép bích buồng đốt và đáy: ...................................................................................... 61
3.4. Vĩ ống: ...................................................................................................................................... 61
3.5. Tai treo: .................................................................................................................................... 62
CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ..................................................................................................... 70
1.Thiết bị ngưng tụ Baromet: ................................................................................................................. 70

2

1.1.

Lượng nước lạnh cần tưới vào thiết bị ngưng tụ: .............................................................. 70

1.2

Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet ...... 70

1.3

Đường kính trong của thiết bị baromet............................................................................... 71

1.4

Kích thước tấm ngăn............................................................................................................. 71

1.5

Chiều cao của thiết bị ngưng tụ ........................................................................................... 72

1.6

Kích thước của ống Baromet................................................................................................ 72

Thiết bị gia nhiệt cho dòng nhập liệu .......................................................................................... 74
2.1.

Nhiệt lượng hơi nước cần dung ............................................................................................ 75

2.2

Tính hệ số truyền nhiệt ......................................................................................................... 76


LỜI CÁM ƠN
Em muốn gửi những lời cám ơn và biết ơn chân thành nhất của mình tới Thầy- Ths.Phạm
Văn Hưng, Giảng viên Khoa Công Nghệ Thực Phẩm- Trường Đại Học Bách Khoa
Tp.HCM, người đã trực tiếp hướng dẫn, nhận xét, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực
hiện Đồ án. Xin chân thành cảm ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô trong Khoa
Công Nghệ Thực Phẩm đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và
làm Đồ Án Quá Trình Thiết Bị. Do thời gian thực hiện có hạn, kiến thức còn nhiều hạn

chế nên Đồ Án Quá Trình Thiết Bị chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất
định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy để em có thêm kinh nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 28 Tháng 11 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Kim Ngân


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.

Tên đồ án.
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi dung dịch NaNO3 có năng suất nhập liệu 2700kg/h và

các thông số nồng độ ban đầu và nồng độ cuối là 10% và 42% ( tính theo khối lượng).
1.1. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
➢

Tổng quan về nguyên liệu

➢

Tổng quan về phương pháp sấy

➢

Thuyết minh quy trình

➢

Tính toán cân bằng vật chất

➢

Tính toán thiết kế thiết bị chính

➢

Tính toán thiết bị phụ

➢

Bản vẽ A1 quy trình công nghệ

➢

Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế
1.2.

Tính chất nguyên liệu

1.2.1. Tính chất vật lý của NaNO3:
Là muối của axit mạnh và bazơ mạnh.Các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kết ion.
Rất dễ tan trong nước và tăng nhanh theo nhiệt độ, cũng rất dễ bị kết tinh. Nó khó tan trong
các dung môi hữu cơ như ete....
Khối lượng riêng 2.265 g/cm3; ở 30oC (nồng độ 15%) NaNO3 có độ nhớt là 0,94.103

N.s/m2; độ hoà tan (g chất khan/100g dd) là 49,0.
Khi đun nóng NaNO3 nóng chảy:

2 NaNO3 = 2NaNO2 + O2
Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa
Mn2+ → MnO42-, Cr3+ → CrO42- .v.v.MnSO4 +
MnSO4 + 2KNO3 + 2NaCO3 = Na2MnO4+ 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2
1.2.2. Điều chế và ứng dụng của NaNO3:


Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:
KNO3 + NaCl = NaNO3 + KCl
Hoà tan muối loãng KNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tinh KCl ở
nhiệt độ 30o. Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22osẽ kết tinh
NaNO3.
NaNO3 được dùng để sản xuất axit nitric là một axit rất quan trọng trong công nghiệp,
sản xuất phân đạm trong công nghiệp. Chế biến thủy tinh, làm thuốc nổ…
1.3. Quá trình cô đặc:
1.3.1. Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch hai
hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch
nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay
hơi hơn). Đó là các quá trình vật lý - hóa lý.
1.3.2. Phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi 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
tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy
ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh.
1.3.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển
động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử

khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do
đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và
chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy
tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.


1.3.4. Ứng dụng của cô đặc
Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm. Mục đích để đạt được nồng
độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh.
Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây...
Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ …
1.4. Thiết bị cô đặc
1.4.1. Phân loại và ứng dụng
a. Theo cấu tạo và tính chất của đối tượng cô đặc:
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 dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
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.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả
ép…
b. Theo phương pháp thực hiện quá trình:
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, 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 thấp hơn do có áp suất chân không.
Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
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 so với chi phí bỏ ra. Có thể cô đặc chân không, cô đặc 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 tự động hóa.
 Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp.
1.4.2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:


Thiết bị chính:
✓

Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.

✓

Buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp…

Thiết bị phụ:
✓

Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.

✓

Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không.

✓

Thiết bị gia nhiệt.

✓

Thiết bị ngưng tụ Baromet.

✓

Thiết bị đo và điều chỉnh.


CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
1.

Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi,
làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng
khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể
giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn
đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng).
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho 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 của nồi hai đưa vào đun nồi thứ ba… hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết
bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi
một 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 mỗi 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.

Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều được
sử dụng nhiều.
❖

Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:

➢

Ưu điểm: từ nồi đầu đến nồi cuối nồng độ của dung dịch và nhiệt độ đều tăng nên

độ nhớt không tăng mấy, kết quả hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm. Khi
cô đặc ngược chiều lượng nước bốc hơi vào thiết bị ngưng tụ nhỏ hơn xuôi chiều
➢

Nhược điểm: hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều là cần phải có bơm để vận

chuyển dung dịch.
2.

Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:

2.1. Sơ đồ công nghệ


Png = 0,35 at
Tng = 72,5°C
Nu?c

P2=1 at
T2=99°C

P1=2,3 at
T1=123°C

P3= 0,36 at
T3=73,5°C

Hoi d?t

Hoi d?t

PD= 5 at
TD= 151,1°C

d
Ð

Dung d?ch b? sung

V? n?i hoi

CHÚ THÍCH
Áp k?

Van khóa

Nhi?t k?

Van 1 chi?u

Luu lu?ng k?

B?y hoi

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

THI? T B? CÔ Ð? C
B? CH? A NGUYÊN LI? U
BOM NH? P LI? U
TB GIA NHI? T BAN Ð? U
BOM S? N PH? M
BOM NH? P LI? U N? I I,II
N? I CAO V?

8. B? Y HOI
9. B? CH? A NU? C NGUNG
10. BOM CHÂN KHÔNG
11. BÌNH TÁCH L? NG
12. TB NGUNG T? BAROMET
13. B? N CH? A S? N PH? M

TRU? NG Ð? I H? C SU PH? M K? THU? T
KHOA HOÁ H? C VÀ TH? C PH? M
B? MÔN QUÁ TRÌNH & THI? T B?

Ð? ÁN MÔN H? C QUÁ TRÌNH THI? T B?

THI? T K? H? TH? NG CÔ Ð? C 3 N? I NGU? C CHI? U
DUNG D?CH NaNO V? I NANG SU? T S? N PH? M 2.5T/H
NGUY? N KIM NGÂN
PH? M VAN HUNG
NGUY?N TI?N DUNG
? C NANG

Hình1: Sơ đồ công nghệ

? TÊN

? l?

SO Ð? QUY TRÌNH CÔNG
NGH?

? N V? S?

V


2.2. Thuyết minh qui trình
Dung dịch NaNO3 10%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đó
được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu. Tại đây, dung dịch NaNO3 đi
bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống.
Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc thứ
III, đây là thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn
trung tâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung

dịch được cô đặc đến nồng độ 19%.
Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị cô đặc thứ II, tại đây dung dịch sẽ được cô đặc
đến nồng độ 25%.
Sau đó dung dịch tiếp tục được bơm qua thiết bị cô đặc thứ III , tại đây dung dịch được cô
đặc đến nồng độ 42%.
Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc thứ I, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền
nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có bẫy
hơi để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra bên
ngoài qua ống xả.
Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ I sẽ được tận dụng để làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ
II, tại đây nước ngưng và khí không ngưng cũng được xả bỏ ra ngoài như thiết bị thứ I.
Hơi thứ của thiết bị thứ II được tận dụng làm hơi đốt cho thiết bị cô đặc thứ III, tại đây
khí không ngưng và nước ngưng cũng được xã bỏ ra ngoài như thiết bị I và II.
Hơi thứ của thiết bị cô đặc thứ III được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để
ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi
còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không.


CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
1.

Cân bằng vật chất

❖ Theo định luật bảo toàn khối lượng trong suốt quá trình cô đặc ta có thể thấy rằng Nồng
độ chất tan không đổi
𝐺đ × 𝑋đ = 𝐺𝑐 × 𝑋𝑐

(1.1)

❖ Theo yêu cầu của đề bài: Năng suất là 2700 kg/h, nồng độ đầu là 10%, nồng độ cuối là

42%, ta có thể dễ dàng tính được khối lượng nguyên liệu trước khi cô đặc như sau:
𝐺đ =

2700 × 42
= 11340 (𝐾𝑔/ℎ)
10

➢ Như vậy, cứ 11340 Kg nguyên liệu thì trong vòng Một giờ sẽ thu được 2700 Kg sản
phẩm. Gđ là 11340 đã đáp ứng yêu cầu của bài toán. Ta quyết định chọn Gđ bằng
11340 Kg.
❖ Lượng nước bốc hơi của toàn hệ thống được xác định theo công thức sau:
𝑊 = 𝐺đ × (1 −

𝑋đ
10
) = 11340 × (1 − ) = 8640 (𝐾𝑔/ℎ)
𝑋𝑐
42

❖ Lượng nước bốc hơi ở từng nồi được xác định theo công thức sau:
𝑊 = 𝑊1 + 𝑊2 + 𝑊3

( 1.2)

• Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi thứ I được xác định như sau:
𝑥1 = 𝐺đ ×

𝑥đ
10
= 11340 ×

𝐺đ − 𝑊1
2700 − 𝑊1

• Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi thứ II được xác định như sau:
𝑥2 = 𝐺đ ×

𝑥đ
10
= 11340 ×
𝐺đ − 𝑊1 − 𝑊2
2700 − 𝑊1 − 𝑊2

• Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi thứ II được xác định như sau:
𝑥3 = 𝐺đ ×

𝑥𝑑
10
= 11340 ×
𝐺𝑑 − 𝑊1 − 𝑊2 − 𝑊3
2700 − 𝑊1 − 𝑊2 − 𝑊3


Việc phân phối Wi để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước đốt cho nồi sau thì
thông thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi
thích hợp thoả:
𝑚𝑖 =

𝐷𝑖
≥ 1.2 ÷ 1.25
𝑊𝑖

Nghĩa là phải đảm bảo:
𝑊1 𝑊2
𝑊𝑛−1
=
=⋯=
= 𝑚 ≥ 1.2 ÷ 1.5
𝑊2 𝑊3
𝑊𝑛
Từ đó ta lựa chọn W1= 1,25W2 = 1.5625 W3 và W2= 1.25W3
Mà W= W1 + W2 + W3 = 8640 ( Kg/h) = 1.5625W3+ 1.25 W3 +W3
 W1= 3541 (kg/h) ; W2=2832.8 (kg/h); W3= 2266.22 (kg/h)
❖ Nồng độ cuối của dung dịch trong từng nồi
• Đối với nồi III:
𝑥1 =

𝐺đ 𝑥𝑑
11340 × 10
=
= 14.54 (%)
𝐺đ − 𝑊1 11340 − 3541

• Đối với nồi II:
𝑥2 =

𝐺𝑑 𝑥𝑑
11340 × 10
=
= 22.83 (%)
𝐺𝑑 − 𝑊1 − 𝑊2 11340 − 3541 − 2832.8

• Đối với nồi I:
𝑥2 =

2.

𝐺𝑑 𝑥𝑑
11340 × 10
=
= 42 (%)
𝐺𝑑 − 𝑊1 − 𝑊2 − 𝑊3 11340 − 3541 − 2832.8 − 2266.22

Xác định nhiệt độ và áp suất mỗi nồi

Áp suất thiết bị ngưng tụ là 0,35 at, sau khi tra bảng ta nhận được nhiệt độ tại thiết bị ngưng
tụ là 72,05OC.


Nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối sẽ bằng nhiệt độ thiết bị ngưng tụ + (1 ÷2) OC
• Từ đó ta tính được
+ T3 = 73.05OC
+ P3= 0.36 at
Chọn áp suất cho nồi I là P1 = 5at.
Tính được hiệu số áp suất cho cả hệ thống: ΔP = P1 – Pnt = 5 – 0,35 = 4,65 at
Tỷ lệ hiệu số áp suất cho các nội:

∆𝑃1
∆𝑃2

= 2;

∆𝑃2
∆𝑃3

= 2.

Mà ∆𝑃1 +∆𝑃2 +∆𝑃3 = ∆𝑃 = 4.65 at
Suy ra: ∆𝑃1 = 2.63 𝑎𝑡 𝑣à ∆𝑃2 = 1.31 𝑎𝑡; ∆𝑃3 = 0.57 𝑎𝑡
Ta có: ∆𝑃1 =𝑃1 − 𝑃2
∆𝑃2 = 𝑃2 − 𝑃3
∆𝑃3 = 𝑃3 − 𝑃ℎ𝑡
Suy ra: P2= P1−∆𝑃1 = 5 − 2.63 = 2.27 𝑎𝑡
P3= P2−∆𝑃2 = 2.27 − 1.31 = 0.96𝑎𝑡
Với: P1,P2, P3: áp suất hơi đốt nồi 1, 2 và 3 at
Pnt : áp suất ở thiết bị ngưng tụ,
ΔP1, ΔP2, ΔP3 : hiệu số áp suất nồi 1 so với nồi 2, nồi 2 so với nồi 3 và nồi 3 so với thiết bị
ngưng tụ , at
ΔP: hiệu số áp suất cho cả hệ thống, at
Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 (1 chính là tổn thất
nhiệt độ do trở lực thuỷ học trên ống dẫn), còn nhiệt độ hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng
nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC.
Bảng 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi


Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

TBNT

P (at)

T(oc)

P (at)

T (oc)

P (at)

T(oc)

Hơi đốt

5

151,1

2,27

122

0,96

98

Hơi thứ

2,3

123

1

99

0,36

73,05

P (at)

T(oc)

0,35

72,05

3. Xác định tổn thất nhiệt độ
• Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm:
+ Tổn thất do nồng độ.
+ Tổn thất do áp suất thủy tĩnh.
+ Tổn thất do trở lực đường ống.
Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất
nhiệt độ sôi do nồng độ.
Theo Ticenco:
Trong đó:

Δ’ = Δo’f
O
Δ’ là độ tăng phí điểm tại áp suất cô đặc ( C)
O
Δo’ là độ tăng phí điểm tại áp suất thường ( C)

f là hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung môi
Mà hệ số hiệu chỉnh được xác định theo công thức sau:

𝑇𝑚 2
𝑓 = 16.2
𝑟
Trong đó:
Tm

: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị bằng nhiệt độ hơi

thứ, oC


r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg.
t’: nhiệt độ hơi thứ, oC
Thế f vào ta nhận được công thức sau:
' = 'o 16.2

(273 + t')2
r

Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng độ dung dịch

sôi gần với nồng độ cuối do đó Δ’ lấy theo nồng độ cuối dung dịch.
Bảng 2:
xc (%kl)

Δo’

Nồi I

42

Nồi II

o
( C)

o
t’ ( C )

r (J/kg)

Δ’

7.40

123

2185000

8.60

22.83

3.07

99

2262000

3.04

Nồi III

14.54

1.79

73.05

2317000

1.49

Tổng 3 nồi

∑Δ’ = Δ1’+ Δ2’ +Δ3’ = 13.13

o
( C)

4. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh

Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh (tổn thất nhiệt độ do
áp suất thủy tĩnh tăng cao)
Δ” = tsdd(Ptb) - tsdd(Po) = tsdm( Ptb) - tsdm(Po)
Chiều cao thích hợp của dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt: (tính theo kính quan
sát chỉ mức)
Hop = [0,26 + 0,0014(ρdd – ρdm)]H (m)
Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình:
Ptb = Po +

0.5 hh gH op = P + Δp (at)
o
4
9.81*10


Trong đó:
ρdd

: Khối lượng riêng dung dịch theo nồng độ cuối (ở nhiệt độ ts,
không kể lẫn bọt hơi), kg/m3;

ρdm : Khối lượng riêng dung môi , kg/m3;
H

: Chiều cao ống truyền nhiệt, m;

Po

: Áp suất trên mặt thoáng dung dịch lấy bằng áp suất hơi thứ,

at;
g

: gia tốc trọng trường, lấy g = 9,81 m/s2

Chọn H = 2,5m, ρhh = 0,5ρdd;
Bảng 3:
ρdd

ρdm

Hop

Ptb

(kg/m3)

(kg/m3)

(m)

(at)

Nồi I

1149

940,4

1.3801

2,33

Nồi II

979

958,1

0.723

Nồi III

810

971,22

0.085

Po

tsdm (Po)

Δ”

(at)

o
( C)

o
( C)

125

2,3

123

2

1,01

99

1

99

0,2

0,36

74

0,36

73,05

0,95

Tổng

tsdm (Ptb)
o
( C)

3.15

5. Tổn thất nhiệt do đường ống gây ra
Cho tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1OC và tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra trên cả hệ
thống là ∆’’’ = 3 OC.
6. Tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống
Σ∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ , OC= 13.13 + 3,15 + 3 = 19.28

O

C

7. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của từng nồi và của cả hệ thống:
Theo định nghĩa, hiệu số nhiệt độ hữu ích là:


Δti = Δtch - ∑Δ
Mà: Δtch = T – tng
Δti = T – ts

Hoặc:

III-10/111

Mà:

[2]

ts = t’ + Δ’ + Δ’’

Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi I:

ΔtiI = TI – tsI = TI – (tI’ + ΔI’ + ΔI’’)

Nồi II:

ΔtiII = TII– tsII = TII – (tII’ + ΔII’ + ΔII’’)

Nồi III:

ΔtiIII = TIII– tsIII = TIII – (tIII’ + ΔIII’ + ΔIII’’)

Trong đó:
ΔtiI, ΔtiII,Δ tiIII : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi I, nồi II, nồi III, oC
TI, TII, TIII

: Nhiệt độ hơi đốt nồi I, nồi II, nồi III, oC

tI’, tII’ ,tIII’

: Nhiệt độ hơi thứ nồi I, nồi II, nồi III, oC

tsI, tsII, tsIII

: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

ΔI’,Δ II’, ΔIII’

: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở nồi I, nồi II, nồi III, oC

ΔI’’,ΔII’’, ΔIII’’: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi I, nồi II, nồi III, oC
Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống:
∑Δti = ΔtiI + ΔtiII + ΔtiIII
Bảng 4: Hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi
T

t’

Δ’

Δ”

ts

Δti

o
( C)

o
( C)

o

( C)

o
( C)

o
( C)

o
( C)

Nồi I

151,1

123

7,95

2

132,95

18,15

Nồi II

122

99

2,76

0,2

101,96

20,04

Nồi III

98

73,05

1,31

0,95

75,31

22,69

Tổng 3 nồi

∑Δti = 18,15 + 20,14 + 22,69 = 60,88


8. Tính cân bằng nhiệt
• Nhiệt dung riêng

+ Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu có nồng độ dưới 20% được xác định theo công
thức:
𝐶𝑑 = 4186 × (1 − 𝑥) = 4186 × (1 − 0.1) = 3767.4 ( J/kg.độ)
+ Nhiệt dung riêng của một hợp chất hóa học được xác định theo công thức sau:
Mc = n1c1 +n2c2 + n3c3+…
Trong đó M là khối lượng mol của hợp chất, c là nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học, n1,
n2, n3 là số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất; c1, c2, c3 là nhiệt dung nguyên tử
của các nguyên tố tương ứng. Từ đó ta có thể xác định được Cht của NaNO3 ( với CNA=
26000 j/kg.độ; CO= 16800 j/kg.độ; CN = 26000 j/kg.độ)
𝐶ℎ𝑡 =

26000 × 1 + 26000 × 1 + 16800 × 3
𝐽
= 1205 ( . độ)
85
𝑘𝑔

+ Nhiệt dung riêng của dung dịch khi ra khỏi nồi III:
𝐶3 = 1205 × 0.42 + 4186 × (1 − 0.42) =2933.98 (J/kg.độ)
+ Nhiệt dung riêng ủa dung dịch khi ra khỏi nồi II:
𝐶2 = 1205 × 0.2283 + 4186 × (1 − 0.2283) =3505.4377 (J/kg.độ)
+ Nhiệt dung riêng của dung dịch khi ra khỏi nồi I:
𝐶1 = 1205 × 0.1454 + 4186 × (1 − 0.1454) =3752.5626 (J/kg.độ)
• Đối với nồi thứ nhất:
Di + (Gđ -W2 – W3)C2t2 = W1i1 + DCng1θ1 + (Gđ – W)C1t1 + Qxq1
• Đối với nồi thứ hai:
W1i1+(Gđ –W3)C3t3 = W2i2 + (Gđ – W2 – W3)C2t2 + W1Cng2 θ 2 + Qxq2
• Đôi với nồi thứ ba:
W2i2+GđCđtđ = W3i3 + (Gđ - W3)C3t3 + W1Cng2 θ 2 + Qxq3

Trong đó:
D: Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h.
Gđ: Lượng dung dịch ban đầu, kg/h.
φ: Độ ẩm của hơi đốt.
i, i1, i2: Hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi I và nồi II, J/kg.
tđ, t1, t2, t3: Nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dung dịch,
Cđ, C1, C2 , C3: Nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I, nồi II, nồi III của dd, J/kg.độ.
θ 1, θ 2, θ 3 : Nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I, nồi II, nồi III.
Cng1, Cng2,Cng3: Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ ở nồi I, nồi II, nồi III J/kg.độ.
Qxq1, Qxq2, Qxq3: Nhiệt mất mác ra môi trường xung quanh, J.
Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:
•

Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi I và nồi II: (tra Bảng I.250/312 [4])

i = 2754 kJ/kg
i1 = 2716 kJ/kg
i2 = 2677 kJ/kg
i3 = 2630 kJ/kg
•

Nhiệt độ sôi của dung dịch:

tđ = 75,31

o

t1 = 132,95

o

t2 = 101,96

o

t3 = 75,31

o

•

C
C
C
C

Nhiệt dung riêng của dung dịch:

Cđ = 3767.4

J/kg.độ

C1 = 3752.5

J/kg.độ

C2 = 3505.43

J/kg.độ

C3 = 2933.98

J/kg.độ

•

Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):

θ 1 = 151,1 oC


θ 2 = 122,0 oC
θ 3 = 98,0
•

o

C

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ: (tra Bảng I.249/310 [4])

Cng1 = 4,315 kJ/kg.độ
Cng2 = 4,253 kJ/kg.độ
Cng3 = 4,218 kJ/kg.độ
Thay các giá trị tra được bên trên vào các phương trình (2), (3), (4), giải hệ 3 phương trình
3 ẩn số W1, W2, W3, ta được:
𝐷𝑖 + (𝐺đ − 𝑊2 − 𝑊3 ) ∗ 𝐶2 𝑇2 = 𝑊1 × 2754 + 𝐷 × 4.315 × 151.1 + (11340 − 𝑊) × 3752.5 + 0.05 × 𝐷 × (2754 − 4.315 × 151.1)
{𝑊1 × 2716 + (11340 − 𝑊3 ) × 2933.98 × 75.31 = 𝑊2 × 2716 + (11340 − 𝑊2 − 𝑊3 ) × 3505.43 + 𝑊1 × 4.253 × 122 + 0.05 × 𝑊1 × (271 − 4.253 × 122)
𝑊2 × 2677 + 11340 × 3767.4 × 75.31 = 𝑊3 × 2630 + (11340 − 𝑊3 ) × 2933.98 + 𝑊1 × 4.253 × 122 + 0.05 × 𝑊2 × (2677 − 4.218 × 98)

Giải hệ trên ta thu được W1, W2, W3 lần lượt là:
 W1= 3553 (kg/h) ; W2=2890.8 (kg/h); W3= 2275 (kg/h)
 W1= 3541 (kg/h) ; W2=2832.8 (kg/h); W3= 2266.22 (kg/h)

W1 − Wn
.100%  5%
W1
W1

: lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn

Wn

: lượng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ

Nồi

Wgt

Wtt

W

Nồi I

3541

3563

3,3 %

Nồi II

2832.8

2890

2%

Nồi III

2266.22

2266

3.95 %


CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1.

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt

Bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt được xác định theo công thức sau
𝐹=

𝑄

[2]

𝐾∆𝑡𝑖

Trong đó:
Q

: nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp, W

Q = Dr nếu chất tải nhiệt là hơi nước bão hoà.
D

: lượng hơi đốt, kg/s.

r

: ẩn nhiệt ngưng tụ, J/kg.

K

: hệ số truyền nhiệt, W/m2độ.

Δti

: hiệu số nhiệt độ hữu ích,

.

Gỉa thuyết quá trình truyền nhiệt là liên tục và ỏn định
2.

Tính nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

Nồi I: QI = Dr

,W

Nồi II: QII = W1r1 , W
Nồi III: QIII = W2r2 , W
r, r1, r2

: Ẩn nhiệt hóa hơi (ngưng tụ) của hơi đốt ở nồi I và nồi II, nồi III J/kg. [4]
Bảng 5: Tính nhiệt lượng do hơi đốt cunng cấp

3.

Nồi

D (kg/s)

r (kJ/kg)

Q (kW)

Nồi I

1,230

2119

2606,4

Nồi II

0,983

2200

2162,6

Nồi III

0,786

2263

1778,7

Tính hệ số truyền nhiệt K của mỗi nồi:

a.Nhiệt tải riêng trung bình: [2]
Nhiệt tải riêng của hơi đốt cấp cho thành thiết bị:


q1 = α1(t1 – tw1) = α1∆t1
Nhiệt tải riêng của thành thiết bị:

q=

1
1  1

(t w1 − t w 2 ) = ( + + )(t w1 − t w 2 )
r
rc1  rc2

[5]

Nhiệt tải riêng của phía dung dịch sôi:
q2 = α2(tw2 – t2) = α2∆t2
Trong đó:
t1

: Nhiệt độ hơi đốt, oC

t2

: Nhiệt độ của dung dịch trong nồi, oC

tw1, tw2 : Nhiệt độ 2 bên thành ống, oC
α1

: Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ, W/m2độ.

α2

: Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch, W/m2độ.

rc1

: Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi đốt (nước sạch)

Tra bảng ta có: rc1 = 0,232.10-3(m2độ/W)
rc2

[5]

: Nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch

Tra bảng ta có: r

c2

= 0,387.10

-3

2
(m độ/W) [5]

V
: Nhiệt trở thành thiết bị, m2độ/W


Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép không rỉ X18H10T có: λ = 16,3 (W/m.độ) [5]
→ Chọn bề dày thành ống là:  v = 2,0 mm.
Tổng nhiệt trở của tường:  r = rc1 +

V
2.10−3
−3
+ rc 2 = 0.23210 +

+ 0.387 10−3

16.3

= 7,417.10-4 (m2.độ/W)
b. Tính hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ:
Khi tốc độ của hơi nhỏ (10 m/s) và màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem <100) thì
hệ số cấp nhiệt α1 đối với ống thẳng đứng được tính theo công thức sau: