THIẾT kế THIẾT bị cô đặc NAOH

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

MÔN: THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH

Nhóm: 3; Tổ: 1; Buổi: sáng; Thứ sáu.
Sinh viên thực hiện: Vũ Trung Hiếu.
MSSV: 14124501.
Giáo viên hướng dẫn: Võ Thanh Hưởng.


MỤC LỤC
1. Giới thiệu tổng quan về NaOH ..................................................................................... 5
1.1. Giới thiệu về nguyên liệu .......................................................................................... 5
1.2. Tính chất vật lý .........................................................................................................5
1.3. Tính chất hóa học ......................................................................................................5
1.4. Phương pháp sản xuất ............................................................................................... 6
Cơ sở phương pháp ............................................................................................ 6
Các kiểu buồng điện phân ..................................................................................7
1.5. Ứng dụng của NaOH ................................................................................................ 7
Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới ................................ 7
Triển vọng tương lai .......................................................................................... 9
Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam: ..................................................... 9
2. Giới thiệu tổng quan về cô đặc ................................................................................... 11
2.1. Khái niệm ................................................................................................................11
2.2. Các phương pháp cô đặc ......................................................................................... 11
2.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt ..............................................................................11

2.4. Ứng dụng ................................................................................................................11
2.5. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt ....................................................... 12
Phân loại và ứng dụng ..................................................................................... 12
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc ..................................................13
3. Quy trình công nghệ .................................................................................................... 13
3.1. Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ .......................................................................13
3.2. Sơ đồ công nghệ ......................................................................................................14
3.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ .................................................................................15
4. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng .............................................................. 15
4.1. Dữ kiện ban đầu ......................................................................................................15
4.2. Cân bằng vật chất ....................................................................................................15
Suất lượng tháo liệu (Gc) .................................................................................15
Tổng lượng hơi thứ (W) ................................................................................... 16
Tổn thất nhiệt độ .............................................................................................. 16
2


4.3. Cân bằng năng lượng .............................................................................................. 19
Cân bằng nhiệt lượng ....................................................................................... 19
Phương trình cân bằng nhiệt ............................................................................20
5. Thiết kế thiết bị chính .................................................................................................. 21
5.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc .............................................................. 21
Hệ số cấp nhiệt .................................................................................................21
Nhiệt tải riêng trung bình .................................................................................24
Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc....................................................... 24
Diện tích bề mặt truyền nhiệt ...........................................................................24
Số ống truyền nhiệt .......................................................................................... 24
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm .............................................................. 25
5.2. Tính cơ khí của thiết bị cô đặc ................................................................................26
Buồng đốt nồi cô đặc ....................................................................................... 26

Buồng bốc nồi cô đặc....................................................................................... 30
6. Tính toán thiết bị phụ trợ............................................................................................ 33
6.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ................................................................................33
Lựa chọn thiết bị và các thông số đầu vào ....................................................... 33
Tính toán thiết bị .............................................................................................. 34
6.2. Thiết bị ngưng tụ bazomet ...................................................................................... 38
Các thông sô đầu vào ....................................................................................... 39
Tính toán ..........................................................................................................40
6.3. Bồn cao vị ...............................................................................................................44
6.4. Bơm ......................................................................................................................... 46
7. Các chi tiết phụ trợ ...................................................................................................... 47
7.1. Ống dẫn ................................................................................................................... 47
Tính kích thước ống dẫn ..................................................................................47
Ống nhập liệu ...................................................................................................47
Ống tháo liệu ....................................................................................................48
Ống dẫn hơi đốt ............................................................................................... 48
Ống dẫn hơi thứ ............................................................................................... 48
3


Ống dẫn nước ngưng........................................................................................ 48
7.2. Tính toán và chọn tai treo ....................................................................................... 49
Tai treo thiết bị .................................................................................................50
Khối lượng của ống truyền nhiệt .....................................................................50
Khối lượng của buồng đốt ...............................................................................50
Khối lượng của buồng bốc ...............................................................................51
Khối lượng thép làm đáy buồng đốt ................................................................ 51
Khối lượng thép làm nắp buồng đốt ................................................................ 51
Khối lượng thép làm nón cụt nối giữa buồng bốc và buồng đốt ..................... 51
Khối lượng thép làm bích và vỉ ống ................................................................ 52

Khối lượng dung dịch trong thiết bị ................................................................ 53
7.3. Cửa quan sát ............................................................................................................54
7.4. Lớp cách nhiệt .........................................................................................................54
8. Kết luận ......................................................................................................................... 55
9. Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 55

4


1. Giới thiệu tổng quan về NaOH
1.1. Giới thiệu về nguyên liệu
- NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13g/ml,
nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nước và sự
hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol,
etanol,…NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được
chứa trong các thùng kín.
- Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy,
ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất
NaOH.
- Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản
và lâu năm. Nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt,
tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn,…
- Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuấ bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với
dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân
dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng,
gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta
phải cô đặc NaOH đến nồng độ nhất định theo yêu cầu.
1.2. Tính chất vật lý


Entanpi hòa tan ΔHo = -44,5kJ/mol



Ở trong dung dịch nó tạo thành dạng monohydrat ở 12,3-61,8 °C với nhiệt độ nóng chảy

65,1 °C và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3


Một số tính chất vật lý quan trọng của NaOH

1.3. Tính chất hóa học


Phản ứng với các axít và ôxít axít tạo thành muối và nước
NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H2O



Phản ứng với cacbon điôxít
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 → NaHCO3



Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:

5

Hình 1.1. Phản ứng xà phòng hoá


Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:
2 NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓

1.4. Phương pháp sản xuất
Cơ sở phương pháp
Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) là dựa trên phản ứng điện phân nước
muối (nước cái). Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành clo nguyên
tố (trong buồng anốt), dung dịch NaOH, và hiđrô nguyên tố (trong buồng catôt). Nhà máy có
thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi là nhà máy xút-clo. Phản ứng tổng
thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:
2 Na+ + 2 H2O + 2 e- → H2 + NaOH
Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:
2NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

Hình 1.2. Sơ đồ điện phân có màng ngăn

6


Các kiểu buồng điện phân
Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăn cản không cho natri
hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết.


Buồng điện phân kiểu thuỷ ngân
Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sử

dụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách. Xem thêm Công nghệ Castner-Kellner.


Buồng điện phân kiểu màng chắn

Trong buồng điện phân kiểu màng chắn, nước muối từ khoang anôt chảy qua màng chia tách
để đến khoang catôt; vật liệu làm màng chia tách là amian phủ trên catôt có nhiều lỗ


Buồng điện phân kiểu màng ngăn

Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổi ion
1.5. Ứng dụng của NaOH
NaOH ứng dụng trong sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, bột giặt, tơ nhân tạo, sản xuất giấy,
sản xuất nhôm (làm sạch quặng nhôm trước khi sản xuất), trong chế biến dầu mỏ và nhiều
ngành công nghiệp hóa chất khác.
Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới
1.5.1.1. Tình hình sản xuất và xu hướng công nghệ hiện nay
Toàn thế giới hiện có khoảng 500 công ty sản xuất xút - clo lớn với công suất danh định
45 triệu tấn xút năm. Một phần ba tổng sản lượng xút toàn cầu được sản xuất tại Mỹ với giá cả
rất cạnh tranh.
Hơn 95% sản lượng xút - clo của thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân
dung dịch muối ăn với ba công nghệ chính: điện cực thủy ngân, điện phân màng ngăn và màng
trao đổi ion. ở châu Âu, hiện nay khoảng 54% tổng công suất xút - clo là theo công nghệ điện
cực thủy ngân, 22% theo công nghệ điện phân màng ngăn và 22% theo công nghệ điện phân
màng trao đổi ion. Nhưng trước áp lực của các quy định nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường,
Hiệp hội các nhà sản xuất xút - clo châu Âu đã cam kết đến năm 2025 sẽ đóng cửa hoặc
chuyển đổi toàn bộ các nhà máy xút-clo theo công nghệ điện cực thủy ngân sang công nghệ
màng trao đổi ion. Hiện nay, hầu như tất cả những nhà máy xút - clo mới xây dựng trên thế

7


giới đều áp dụng công nghệ màng trao đổi ion, vì đây là công nghệ có mức tiêu hao nhiên liệu
thấp nhất, giá thành sản phẩm thấp và không ảnh hưởng đến môi trường.
Để đánh giá tổng chi phí sản xuất xút-clo, người ta tính toán chi phí sản xuất theo đơn vị
ECU (1 ECU = 1,0 tấn clo + 1,1 tấn xút).
1.5.1.2. Tình hình kinh doanh xút trên thế giới
Trong số 45 - 50 triệu tấn xút được sản xuất hàng năm, có khoảng 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 (thướng là 50% NaOH), trong đó gần 2
triệu tấn được vận chuyển bằng đường biển và trên 5 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 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 và các nước SNG đang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển
sang nhập xút lỏng. Ngày nay, Cuba, Angiêri và châu Phi là những thị trường tiêu thụ chính
đối với xút rắn. Ở châu Á, Inđônêxia là nước duy nhất còn nhập khẩu 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%/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. Các nước nhập khẩu lớn khác, phản ánh sự bất cân bằng xút-clo
trong các khu vực là Hàn Quốc và Côlômbia.
1.5.1.3. Sản xuất và kinh doanh xút - clo tại châu Á
Nhìn tổng thể, nếu sản xuất đủ clo để có thể đảm bảo nhu cầu đối với sản phẩm này thì
châu Á lại không thể tiêu thụ hết sản phẩm đồng hành là xút. châu Á đang phải nhập các hóa
chất chứa clo (chủ yếu là PVC) với lượng ngày càng tăng. Trên thực tế, nhiều nước châu Á
đang xuất khẩu sản phẩm xút giá cao (do chi phí điện năng cao) để cân bằng nhu cầu lớn của
mình về các sản phẩm chứa clo. Nhưng giá điện cao khiến cho xuất khẩu xút chỉ hạn chế ở

mức khiêm tốn và khó có thể cạnh tranh được với các nhà sản xuất giá thành thấp ở Mỹ và
Ảrập Xêút. Thị trường nhập khẩu xút lớn nhất thế giới là Ôxtrâylia với nhu cầu mỗi năm 1
8


triệu tấn xút cho ngành sản xuất các sản phẩm nhôm. Hiện nay Ôxtrâylia nhập khẩu xút chủ
yếu từ Nhật Bản, Ảrập Xêút, châu Âu và Mỹ, nhưng cũng sẽ là thị trường đích cho các nhà sản
xuất mới ở châu Á. Tuy nhiên, Ôxtrâylia đang có kế hoạch xây dựng nhà máy xút - clo công
suất lớn, nhà máy này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đối với thị trường xút - clo trên thế giới và
khu vực.
Triển vọng tương lai
Triển vọng của sản xuất xút clo thế giới chịu ảnh hưởng của nhiều tác động như: nhu cầu
clo cho sản xuất PVC, tình hình cung ứng chất thay thế là sô đa, chi phí điện, và việc xây dựng
những nhà máy xút clo mới, như nhà máy xút - clo sắp xây dựng của Ôxtrâylia. Ngoài ra còn
có những yếu tố chu kỳ và xu hướng phát triển trong khu vực, thuế nhập khẩu và tỷ giá giữa
các đồng tiền. Những yếu tố then chốt cho khả năng cạnh tranh của các sản phẩm xút - clo là
giá điện, quy mô công suất nhà máy, sự kết hợp một cách hiệu quả dây chuyền xút - clo vào
các tổ hợp hóa dầu, và triển vọng của sản xuất nhựa P VC trước những lo ngại về môi trường.
Về trung hạn, các nhà máy mới xây dựng với giá thành sản xuất thấp sẽ gây áp lực mạnh
đối với các nhà sản xuất quy mô nhỏ, giá thành cao. Các nước châu Á như Trung Quốc trước
đây thường nhập khẩu xút thì nay đang bắt đầu xuất khẩu sản phẩm này. Đặc biệt, Trung Quốc
đang cơ cấu lại ngành công nghiệp hóa dầu của mình, các cơ sở sản xuất hóa dầu nội địa với
công suất thấp sẽ được thay thế bằng các nhà máy lớn ở vùng duyên hải với khả năng xuất
khẩu sản phẩm, do đó nhu cầu clo sẽ tăng đáng kể.
Nhưng vấn đề then chốt là giá năng lượng đang làm thay đổi cơ cấu công nghiệp xút - clo
thế giới. Các nước và khu vực có giá năng lượng thấp, ví dụ Ôxtrâylia, sẽ xuất khẩu clo dư
thừa ở dạng EDC sang các thị trường đang tăng trưởng ở châu Á. Đối với nhiều nước, kể cả
Ôxtrâylia, việc xuất khẩu clo nhiều khi nhằm mục đích cân bằng cơ cấu xút - clo.
Có thể nói, tương lai của sản xuất xút liên quan chặt chẽ với nhu cầu clo, mà cơ bản vẫn
là với ngành công nghiệp PVC thế giới.

Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam:
Hiện nay cả nước ta có 5 cơ sở sản xuất xút lớn và một số cơ sở sản xuất nhỏ khác với
tổng năng lực sản xuất khoảng 100.000 tấn/năm. Cụ thể như sau:

9


- Nhà máy Hóa chất Việt Trì (hiện là Công ty Hóa chất Việt Trì) do Trung Quốc giúp đỡ
xây dựng từ đầu những năm 60, với công suất ban đầu 1990 tấn xút lỏng 31%/năm (tính theo
100% NaOH), 1020 tấn HCl 31%/ năm và 145 tấn clo lỏng/năm để cung cấp cho nhà máy giấy
tại khu công nghiệp Việt Trì. Trong những năm chiến tranh, nhà máy bị bom Mỹ tàn phá, hư
hại nhiều, đến năm 1975 được tiến hành khôi phục mở rộng. Từ giữa năm 1975 đến đầu năm
1976 các công trình phục hồi được đưa vào sản xuất với quy mô mới. Hiện nhà máy có năng
lực sản xuất 6500 tấn NaOH/năm. Sản lượng thực tế đạt khoảng 6000 tấn/năm. Công ty đã có
dự án mở rộng công suất lên 10.000 tấn NaOH/năm, dự kiến sẽ hoàn thành trong năm 2003.
- Nhà máy Hóa chất Biên Hoà (hiện trực thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền Nam) được
xây dựng với mục đích ban đầu là cung cấp xút và clo cho khu công nghiệp Biên Hoà. Sau khi
thống nhất đất nước năm 1975, Nhà máy đã hư hỏng nhiều, đã được cải tạo, mở rộng và lắp đặt
trang thiết bị mới. Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 15.000 tấn xút /năm, sản lượng thực tế
đạt 11000-12000 tấn/năm.
- Xưởng sản xuất xút của Công ty Giấy Đồng Nai: Xút được sản xuất chủ yếu để dùng cho
sản xuất giấy. Công suất của xưởng đạt 5.000 tấn/năm
- Xưởng xút-clo của Công ty Bột ngọt Vedan: Xưởng xút - clo của Nhà máy Bột ngọt
Vedan được xây dựng vào thời kỳ 1991-1995 có công suất 20.000 tấn/năm với nhiệm vụ cung
cấp axit HCl cho dây chuyền sản xuất bột ngọt của nhà máy. Xưởng xút đã được mở rộng lên
công suất 60.000 tấn/năm cân đối theo lượng axit HCl tiêu thụ tại nhà máy.
- Nhà máy xút-clo của Công ty Giấy Bãi Bằng có công suất 7.000 tấn xút/năm chủ yếu phục
vụ cho việc nấu bột giấy và dùng clo để tẩy trắng bột giấy.
Nhìn chung, tổng công suất sản xuất xút của nước ta còn nhỏ, lại phân tán ở nhiều cơ sở.
Do chưa có phương án cân bằng clo về dài hạn nên các cơ sở thường phải sản xuất dưới mức

công suất thiết kế, tỷ lệ sử dụng công suất nhiều khi chỉ đạt 55 - 65%, sản phẩm kém tính cạnh
tranh và không đáp ứng nhu cầu trong nước. Trong 10 - 15 năm tới, vấn đề cân bằng clo vẫn sẽ
là một thách thức rất lớn cho sản xuất xút ở nước ta. Chỉ khi công nghiệp hóa dầu ở nước ta
được xây dựng và phát triển thì mới có thể giải quyết về căn bản vấn đề cân bằng clo và nâng
công suất sản xuất xút trong nước. Mặt khác, trong tương lai xa, khi công nghiệp hóa dầu phát

10


triển thì nhu cầu về clo sẽ tăng vọt, đòi hỏi các nhà máy xút clo cũng phải nâng công suất xút
một cách tương xứng.
2. Giới thiệu tổng quan về cô đặc
2.1. Khái niệm
Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm
2 hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng-lỏng hay lỏng-rắn có chênh lệch nhiệt
độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi
hơn); đó là quá trình vật lí-hoá học. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi, ta có thể tách
một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương
pháp làm lạnh kết tinh.
2.2. Các phương pháp cô đặc
- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi
dưới tác dụng nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất
lỏng.
- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiẹt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới
dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.
Tuỳ 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 ta phải dùng máy lạnh.
2.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi, 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 phân tử đủ năng lượng thực hiện
quá trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là 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. Tách không khí và lắng keo sẽ ngăn
chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
2.4. Ứng dụng
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, bột ngọt, nước trái
cây,…Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô
cơ,… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô
đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một
hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự
phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi
11


phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được ra là
phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám quá các nguyên lí mới của
thiết bị cô đặc.
2.5. Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt
Phân loại và ứng dụng
2.5.1.1. Theo cấu tạo
Loại 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc loại này có thể
cô đặc dung dịch khá loãng, có độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền
nhiệt. Bao gồm:
-

Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc).

Loại 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc loại này
dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm
chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khác đặc, độ nhớt cao,
giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
-

Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn trong.

Loại 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung
dịch chảy qua bề mặt truyền nhiệt một lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một
số thành phần của dung dịch. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái
cây. Bao gồm:
-

Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó

-

Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt ngoài: dung dịch sôi ít tại bọt và bọt dễ vỡ.

vỡ.
2.5.1.2. Theo phương thức thực hiện
- Cô đặc áp suất thường ( thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp không đổi; thường được dùng
trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và
thời gian cô đặc ngắn nhất
- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không. Dung
dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.
- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay kết hợp

cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
12


- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều khiển tự động
nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.
Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có
hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể
áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Thiết bị chính:
-

Ống nhập liệu, ống tháo liệu
Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

Thiết bị phụ:
-

Bề chứa nguyên liệu
Bề chứa sản phẩm
Bồn cao vị
Lưu lượng kế
Thiết bị gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ baromet
Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
Bơm tháo liệu

Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
Bơm chân không
Các van
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

3. Quy trình công nghệ
3.1. 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).
Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề,
em lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn
trung tâm.
13


Nguyên tắc của quá trình cô đặc có thể tóm tắt như sau: hơi nước bão hòa được cấp vào
thiết bị để làm bay hơi dung môi của dung dịch. Hơi đốt sau cấp nhiệt ngưng tụ lại được tháo
qua cột tháo nước ngưng. Dung môi bay hơi qua cơ cấu tách bọt, hơi thứ ra khỏi thiết bị đi vào
thiết bị ngưng tụ bazomet thành lỏng. Dung dịch sau cô đặc đạt được nồng độ cần thiết sẽ được
tháo qua cửa tháo liệu ra ngoài
Ưu nhược điểm của hệ thống
- Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ vận hành. Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt
độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám
lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị).
- Nhược điểm: loại thiêt bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ và hệ
số truyền nhiệt thấp.

3.2. Sơ đồ công nghệ

Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ

14


3.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
- Dung dịch NaOH 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 NaOH 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
tuần hoàn ống tâm, ở đây 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
30%.
- Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền
nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có cốc tháo
nước ngưng 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 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.
4. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng
4.1. Dữ kiện ban đầu
-

Nồng độ đầu: 10% (khối lượng).
Nồng độ cuối: 30% (khối lượng).
Năng suất nhập liệu: 3600 (𝑘𝑔/ℎ).
Nhiệt độ của nguyên liệu đầu vào: 𝑡𝑜 = 300 𝐶.

Gia nhiệt bằng hơi nước bảo hoà, áp suất ở thiết bị ngưng tụ 150 mmHg = 0,2 at.

4.2. Cân bằng vật chất
Suất lượng tháo liệu (Gc)
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% ở 30oC: 𝜌 = 1104,5 𝑘𝑔/𝑚3
Theo công thức:
𝐺đ . 𝑥đ = 𝐺𝑐 . 𝑥𝑐
→ 𝐺𝑐 =

𝐺đ . 𝑥đ 3600.0,1
𝑘𝑔
=
= 1200 ( )
𝑥𝑐
0,3
ℎ

15


Tổng lượng hơi thứ (W)
𝐺đ = 𝑊 + 𝐺𝑐
→ 𝑊 = 𝐺đ − 𝐺𝑐 = 3600 − 1200 = 2400 (

𝑘𝑔
)
ℎ

Tổn thất nhiệt độ
 Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pn = 0,2 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị

ngưng tụ là tn = 59,7 oC (Bảng I.251 [1-314]).
 Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng
tụ, chọn Δ’’’ = 1 oC.
 Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
 tsdm(po) – tn = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tn + Δ’’’ = 59,7 + 1 = 60,7 oC.
 Áp suất buồng bốc: tra bảng [1-312] ở nhiệt độ 60,7 oC ⇒ po = 0,2031 at.
 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), [2-59] Δ’ = Δ’o . f
Trong đó:
- Δ’o: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở
áp suất khí quyển.
- Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = xc = 30 %. Tra bảng VI.2, [2-67]: Δ’o =
17oC
- f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11 [2-59]:

 t  273
f  16, 2.

2

r

Trong đó:
o t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 60,7 oC)
o r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc.
Tra bảng I.25[1-314]: r = 2293,25 kJ/kg.
𝑓 = 16,2.

(60,7 + 273)2
= 0,7866

2293,5.1000

16


⇒ Δ’ = 17.0,7866 = 13,3722 oC
⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 60,7 + 13,3722 = 74,0722 oC
 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)
Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2),
Ta có:
1
p  s .g.H op ; N/m2
2

Trong đó:
ρs: khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; kg/m3
ρs = 0,5.ρdd
ρdd: khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3
Giả thiết: tsdd (po+ Δp) = 76oC , C% = xc = 30 %,
Ta có ρdd = 1273,29 kg/m3 (tra bảng I.23[1-35]).
⇒ ρs = 0,5.1273,29 = 636,645 kg/m3
-

Hop: chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng (m).
Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd – ρdm)].ho

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 3,0 m (bảng VI.6 [2-80])
Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 76 oC.
Tra bảng I.249 [1-311], ρdm = 974,2 kg/m3
⇒ Hop = [0,26 + 0,0014.(1273,29 – 974,2)].3,0 = 2,036 (m)

∆𝑝 =

1
2,036
. 636,645.9,81.
= 0,0648 (𝑎𝑡)
2
9,81. 104

ptb = po + Δp = 0,2031 + 0,0648 = 0,2679 at.
Tra bảng I.251[1-314], ptb = 0,2679 at => tsdm(ptb) = 63,35 oC
Ta có: Δ’’ = tsdm(po + Δp) – tsdm(po) = tsdd(po + Δp) – tsdd(po) = 63,35 – 60,7 = 2,65 oC
⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 74,0722 +2,65 = 76,7222 oC
17


Sai số 0,94% được chấp nhận. Vậy tsdd(ptb) = 76 oC.
Sản phẩm được lấy ra tại đáy ⇒ tsdd(po + 2Δp) = 74,0722 + 2.2,65 = 79,3722oC
 Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 13,3722 + 2,65 + 1 = 17,0222 oC
Gia nhiệt bằng hơi nước bảo hoà, áp suất hơi đốt là 4at, tD = 142,9oC (tra bảng I.251[1315]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:
Δthi = tD – (tc + ΣΔ) = 142,9 – (59,7 + 17,0222) = 66,1778 oC
Bảng 4.1. Bảng giá trị các thông số của hơi thứ, hơi đốt và tổn thất nhiệt độ
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu

Ký hiệu
xđ
xc
Gđ
Gc
HƠI THỨ
Suất lượng
W
Áp suất
po
Nhiệt độ
tsdm(po)
Enthalpy
iw
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rW
HƠI ĐỐT
Áp suất
pD
Nhiệt độ
tD
Ẩn nhiệt ngưng tụ
rD
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po
tsdd(po)
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Δ’
Áp suất trung bình
ptb

Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb
tsdm(ptb)
Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh
Δ’’
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb
tsdd(ptb)
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Δ’’’
Tổng tổn thất nhiệt độ
ΣΔ
18

Đơn vị
%wt
%wt
kg/h
kg/h

Giá trị
10
30
3600
1200

kg/h
at
o
C
kJ/kg
kJ/kg

2400
0,2031
60,7
2608,3
2293,25

at
o
C
kJ/kg

4
142,9
2141

o

C
o
C
at
o
C
o
C
o
C
o
C

o
C

74,0722
13,3722
0,2679
60,7
2,65
76
1
17,0222


Thông số
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Ký hiệu
Δthi

Đơn vị
o
C

Giá trị
66,1778

4.3. Cân bằng năng lượng
Cân bằng nhiệt lượng
 Dòng nhiệt vào (W):
 Do dung dịch đầu

Gđc đt đ

 Do hơi đốt

DiD

 Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt

Dφ D c t D

 Dòng nhiệt ra (W):
 Do sản phẩm mang ra

Gc

 Do hơi thứ mang ra

W iw

 Do nước ngưng

Dcθ

 Nhiệt cô đặc

Qcđ

 Nhiệt tổn thất

Qtt

 Nhiệt độ của dung dịch NaOH 10 % trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:


tvào = 30 oC



tra = tsdd(po) = 74,0722oC

Nhiệt độ của dung dịch NaOH 10 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 74,0722oC
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 30 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 74,0722+ 2. 2,65= 79,3722 oC
 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43)
và (I.44) [1-152]:
 a = 10 % (a < 0,2):
cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,1) = 3767,4 J/(kg.K)
 a = 30 % (a > 0,2):
cc = 4186 - (4186 - cct).a = 4186 – (4186 – 1310,75).0,3 = 3323,425 J/(kg.K)
19


Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141 [1152]:
cct 

cNa .1  cO .1  cH .1 26000  16800  9630

 1310,75

Mct
40

Phương trình cân bằng nhiệt
Gđ.cđ.tđ + D.iD" + φDctD = Gc.cc.tc + W iW" + D.cθ ± Qcđ + Qtt
( Dấu “+” ứng với quá trình thu nhiệt, dấu “-” ứng với quá trình toả nhiệt).
-

Có thể bỏ qua:



Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt:

φD.c.tD = 0


Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0

-

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo

khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( iD" - cθ); W
-

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau

khi ngưng) thì ( iD" - cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).

 D(1 - φ).(i” - Cθ) + GĐ.CĐ.tĐ = Gc.Cc.tc + W.i”w + Qtt
Với Qtt = ε.QD = 0,05. QD
 QD = D.(1 – ε).(1 – φ).(i”D – Cθ) = GĐ(Cc.tc - CĐ.tĐ) + W(i”w - Cc.tc)
Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến:
"
𝐺Đ . (𝐶𝑐 . 𝑡𝑐 − 𝐶Đ . 𝑡Đ ) + 𝑊(𝑖𝑤
− 𝐶𝑐 . 𝑡𝑐 )
𝐷=
(1 − ε)(1 − φ)𝑟𝐷

3600
2400
(3323,452.79,3722 − 3767,4.74,0722) +
(2608300 − 3323,452.79,3722)
3600
3600
=
(1 − 0,05)(1 − 0,05). 2141000
= 0,8 (

𝑘𝑔
)
𝑠

Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp:
𝑄𝐷 = 𝐷. (1 − ε)(1 − φ)𝑟𝐷 = 0,8(1 − 0,05)(1 − 0,05). 2141000 = 1545802 (𝑊 )
20


Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

𝑑=

𝐷
0,8
𝑘𝑔 ℎơ𝑖 đố𝑡
)
=
= 1,2 (
𝑊 2400
𝑘𝑔 ℎơ𝑖 𝑡ℎứ
3600

Bảng 4.2. Bảng giá trị thông số cân bằng nhiệt
Đơn vị

Thông số

Ký hiệu

Nhiệt độ vào buồng bốc

tđ

o

C

74,0722

Nhiệt độ ra ở đáy buồng đốt

tc

o

C

79,3722

Nhiệt dung riêng dung dịch 10%

cđ

J/(kg.K)

3767,4

Nhiệt dung riêng dung dịch 30%

cc

J/(kg.K)

3323,453

Nhiệt tổn thất

Qtt

W

77290,1

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp

QD

W

1545802

Lượng hơi đốt biểu kiến

D

kg/s

0,8

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

d

kg/kg

1,2

5. Thiết kế thiết bị chính
5.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
Hệ số cấp nhiệt

Sau nhiều lần tính lặp ta chọn Δt1 = 7,45oC
 Nhiệt tải phía hơi nước bão hoà
 r 
1  2, 04. A. 

 t1.H 

0,25

(Công thức V.101 [2 – 28])

Trong đó:
-

α1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng; W/m2.K

-

r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 4at
Tra bảng I.251 [1-314] có r =2141 kJ/kg

-

H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 1,5 (m)

-

A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng.
tm 

1
tt1  tD 
2

Trong đó
21

Giá trị


tt1: Nhiệt độ của mặt tường 1
tD: Nhiệt độ của hơi đốt; tD = 142,9oC
tt1 = tD – Δt1 = 142,9 – 7,45 = 135,45 (oC)
1

1

2

2

 𝑡𝑚 = (𝑡𝑡1 + 𝑡𝐷 ) = (135,45 + 142,9) = 139,175𝑜 𝐶
Với tm = 141,15 tra bảng [2-29] ta được A = 193,7525
𝛼1 = 2,04. 𝐴(

𝑟 0,25
2141000 0,25
𝑊
)
= 2,04.193,7525. (

)
= 8269,32 ( 2 )
∆𝑡1 . 𝐻
7,45.1,5
𝑚 .𝐾

Nhiệt tải phía hơi ngưng
Q1 = α1 . Δt1 = 8269,32.7,45 = 61606,4 (W/m2)
 Nhiệt tải riêng từ bề mặt đốt đến lòng chất lỏng sôi
Áp dụng công thức VI.27[2-71]
𝛼2 = 𝛼𝑛 (

𝜆𝑑𝑑 0,565 𝜌𝑑𝑑 2 𝐶𝑑𝑑
𝜇𝑑𝑚 0,435
).(
))
)
. ((
) .(
(W/𝑚2 . K)
𝜆𝑑𝑚
𝜌𝑑𝑚
𝐶𝑑𝑚
𝜇𝑑𝑑

Trong đó:
-

αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt

nên αn được tính theo công thức V.91[2-26]

n  0,145. p0,5 .t 2,33 với p = 0,2031 (at) = 20579,11 (N/m2)
Δt = Δt2 = tt2 – tsdd(ptb)
tt2 = tt1 - Δtt
Trong đó:
 Δt2: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi
 Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống
 Δtt: hiệu số truyền nhiệt giữa 2 mặt ống truyền nhiệt
Δt = Q1 . Σr
Σr: Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt


r  r1   r2

r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn 2 phía tường
22


Tra bảng VI [2-4]


r1 = 0,232.10-3 (m2.độ/W); Nhiệt trở của nước sạch.



r2 = 0,387.10-3 (m2.độ/W); Nhiệt trở của cặn bẩn.

Tra bảng VI.6[2-80]


Chọn ống truyền nhiệt có bề dày δ = 0,002 (m)



Vật liệu thép OX18H10T có λ = 16,3 W/m.K

  r  0, 232.103 

0, 002
 0,387.103  7, 42.104
16,3

 Δtt = 61606,4.7,42.10-4 = 45,71 (oC)
 tt2 = tt1 – Δtt = 135,45 – 45,71 = 89,74 (oC)
 Δt2 = tt2 – tsdd(ptb) = 89,74 – 76 = 13,74 (oC)
 αn = 0,145. 20579,11 0,5. 13,74 2,33 = 9323,745 (W/m2.k)
Tại tsdd(ptb) = 76 (oC) và tsdm(ptb) = 60,7 (oC) ta có:
𝐶 (𝐽/𝑘𝑔. độ)

µ (N.s/m2)

ρ (kg/m3)

λ (W/m.độ)

Dung dịch

3638

0,002408

1291,8

0,658

Dung môi

4183

0,320.10-3

983,2

0,659

Ghi chú:
-

Cdm, µdm, λdm, ρdm: Tra bảng I.249[1-311]

-

µdd: Tra bảng I.23[1-35]

-

λdd: Được tính theo công thức I.32[1-123]

dd  A.Cdd .dd . 3

dd
M

Trong đó:


A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ lien kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết
𝐴 = 3,58. 10−8



M: Khối lượng mol của hỗn hợp (ở đây là NaOH và H2O)
M = a.MNaOH + (1- a).MH2O) = a.40 + (1- a).18

a: là phần mol của NaOH
23


x

0,3
M NaOH
40
a

 0,16167
x
1 x
0,3 0, 7



M NaOH M H 2O
40 18

 M = 0,16167.40 + (1- 0,16167).18 = 21,5567
𝛼2 = 𝛼𝑛 (

𝜆𝑑𝑑 0,565 𝜌𝑑𝑑 2 𝐶𝑑𝑑
𝜇𝑑𝑚 0,435
).(
))
)
. ((
) .(
𝜆𝑑𝑚
𝜌𝑑𝑚
𝐶𝑑𝑚
𝜇𝑑𝑑
= 9323,745. (

0,658 0,565 1291,8 2 3638
0,320.10−3 0,435
).(
))
)
. ((
) .(
0,659
983,2

4183
0,002408

= 4620,69 (W/𝑚2 . K)


Q2 = 4620,69.13,74 = 63488,296 (W/m2)

Nhận xét:
Sai số tương đối giữa Q1 và Q2:
𝜀=

𝑄2 − 𝑄1 63488,296 − 61606,4
=
. 100% = 3,05% < 5%
𝑄1
61606,4

Chấp nhận sai số.
Nhiệt tải riêng trung bình
𝑄𝑡𝑏 =

𝑄1 + 𝑄2 63488,296 + 61606,4
𝑊
=
= 62547,348 ( 2 )
2
2
𝑚

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
−1
1
1 −1
1
1
𝑊
−4
) = 926,486 ( 2 )
𝐾 = ( + ∑𝑟 + ) = (
+ 7,42. 10 +
𝛼1
𝛼2
8269,32
4620,69
𝑚 . độ

Diện tích bề mặt truyền nhiệt
𝐹=

𝑄𝐷
1545802
=
= 25,21 (𝑚2 )
𝐾. ∆𝑡ℎ𝑖 926,486.66,1778

Số ống truyền nhiệt
𝑛=

𝐹

𝜋. 𝐻. 𝐷𝑛

Trong đó:
-

Dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; Chọn 𝐷𝑛 = 32 (𝑚𝑚)
24


-

H: chiều cao của ống truyền nhiệt; H = 1,5 (m)

-

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; F = 25,21 (m2)
𝑛=

𝐹
25,21
=
= 167 (ố𝑛𝑔)
𝜋. 𝐻. 𝐷𝑛 𝜋. 1,5.0,032

Quy chuẩn theo bảng V.11[2-48] chọn số ống truyền nhiệt n = 187 ống, bố trí theo hình lục
giác đều.
-

Số ống trên đường xuyên tâm:
Tổng số ống không kể các ống trên hình viên phân:

Số ống trong hình viên phân:

-

Tổng số ống trên tất cả các hình viên phân:
Số hình lục giác:
Tổng số ống truyền nhiệt:

Dãy 1
Dãy 2

15 ống
169 ống
3 ống
0 ống
18 ống
7 hình
187 ống

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm
Theo công thức III.50 [3-134]
2
𝜋. 𝑑𝑡2 𝜋. 𝐷𝑡ℎ
𝑛.
=
4
4𝜑

Trong đó:
 n là số ống truyền nhiệt 187 ống

 dtr : đường kính ống truyền nhiệt

32x2mm;

dtr = 28 mm

 Dth : đường kính ống tuần hoàn
 φ : Hệ số hiệu chỉnh φ. = 0,25 ÷ 0,35
2
𝜋. 282 𝜋. 𝐷𝑡ℎ
187.
=
→ 𝐷𝑡ℎ = 209
4
4.0,3

Quy chuẩn bảng XIII.26[2] →Dth = 273 mm
Bảng 5.1. Bảng giá trị tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc
Thông số
Nhiệt độ phía hơi ngưng tụ
Nhiệt độ phía dung dịch sôi
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ

Kí hiệu
tt1
tt2
α1

Đơn vị
o

C
o
C
W/m2.k

8269,32

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi

α2

W/m2.k

4620,69

25

Giá trị
135,45
89,74