ĐỒ án môn học QUÁ TRÌNH THIẾT bị CÔNG NGHỆ hóa thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch NaOH với năng suất 3,6 kgs

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên

: Vũ Thế Dương

Lớp

: LT CĐĐH

Khoa

: Cơng Nghệ Hóa

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Phan Thị Quyên
NỘI DUNG ĐỀ BÀI:
Thiết kế hệ thống 2 nồi cơ đặc xi chiều tuần hồn Trung Tâm cô đặc dung
dịch NaOH với năng suất 3,6 kg/s.
Chiều cao ống gia nhiệt: 2,0 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 5%
Nồng độ cuối của dung dịch: 30%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
∗∗∗∗∗
…………………………………………...............................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................

...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2012
Người nhận xét

1
GVHD :Phan Thị Quyên

1
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

LỜI MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế một
thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên
khoa Cơng nghệ Hố học trường Đại học Công nghiệp Hà Nội được nhận đồ án
mơn học: “Q trình và thiết bị Cơng nghệ Hố học”. Việc thực hiện đồ án là
điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau
khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và
thiết bị Cơng nghệ Hố học” Trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của
một số mơn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết
bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các q
trình công nghệ. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách
sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định
trong tính tốn và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn
phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.

Trong đồ án mơn học này, nhiệm vụ cần phải hồn thành là thiết kế hệ
thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với
dung dịch NaOH, năng suất 3 kg/s, nồng độ dung dịch ban đầu 5%, nồng độ
sản phẩm 30%.
Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên khơng tránh khỏi những thiếu sót trong
q trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của các thầy cô giáo để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn Th.S Phan Thị Quyên đã hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.

2
GVHD :Phan Thị Quyên

2
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Phần I Giới Thiệu Chung
Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết
kế thiết bị, hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản
xuất, sinh viên khoa công Nghệ Hoá học được nhận đồ án môn học“
Qúa trình & Thiết bị công Nghệ Hoá học“. Việc làm đồ án là một công
việc tốt giúp cho mỗi sinh viên trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn
sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình“ Cơ sở các
quá trinh & thiết bị Công Nghệ Hoá học”. Trên cơ sở lượng kiến thức

đó và lượng kiến thức của môn học khác, mỗi sinh viên biết dùng tài
liệu tham khảo trong tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy
định trong thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vận dụng, tính toán, trình bày
nội dung thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một
cách có hệ thống.
Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô
đặc 2 nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với
dung dịch NaOH, năng suất 12960kg/h, nồng độ đầu 5%, nồng đợ sản
phẩm 30%.
1.
1.1

Tổng quan về dung dịch NaOH
tính chất hóa lý
Natri hydroxit tinh khiết là chất rắn có màu trắng ở dạng viên, vảy
hoặc hạt hoặc ở dạng dung dịch bão hòa 50%. Natri hydroxit rất
dễ hấp thụ CO2 trong khơng khí vì vậy nó thường được bảo quản ở
trong bình có nắp kín. Nó phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng
một lượng nhiệt lớn, hịa tan trong etannol và metannol. Nó cũng hịa
tan trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màu vàng
trên giấy và sợi.

3
GVHD :Phan Thị Quyên

3
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Điều chế, sản xuất

1.2

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
natri hyđroxit, và hidro 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:
NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2
Các kiểu buồng điện phân
Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăn cản
khơng cho natri hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các
sản phẩm tinh khiết.
Buồng điện phân kiểu thủy ngân
Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì khơng sử dụng màng hoặc
màn chắn mà sử dụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách.


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 catơt có nhiều lỗ ..



Buồng điện phân kiểu màng ngăn
Cịn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một
màng trao đổi iôn .


1.3

Ứng dụng

Natri hiđroxit hay hyđroxit natri (cơng thức hóa học NaOH)[1] hay thường
được gọi là xút hoặc xút ăn da. Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh
khi hòa tan trong dung mơi như nước. Nó được sử dụng nhiều trong các ngành
cơng nghiệp như giấy, dệt nhuộm, xà phịng và chất tẩy rửa. Sản lượng trên thế
giới năm 1998 vào khoảng 45 triệu tấn. Natri hydroxit cũng được sử dụng chủ
yếu trong các phịng thí nghiệm.

2.Tổng quan về q trình cơ đặc
4
GVHD :Phan Thị Quyên

4
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

2.1 Khái niệm
Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà
tan( không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của
quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi,
còn dung chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ
của dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử
trong hỗn hợp nay cùng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt
độ. Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi
thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng 1 thiết bị khác.
Cô đặc nhiều nồi
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do
đó có ý nghĩa về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là:
nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này
được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm
hơi đốt cho nồi thứ 3…. Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị
ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi
nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc
hơi. Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến. Ưu điểm
của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ
chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ

5
GVHD :Phan Thị Quyên

5
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt của
dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ
nồi đầu đến nồi cuối .
2.2 Cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :
•

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

6
GVHD :Phan Thị Quyên

6
SVTH : Vũ Thế Dương


Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

10

Dung dÞch mi

6

Dung dịch dầu

1

2

4

3

hoi nuoc
bao hoa

Nước ngưng
5

7

Nước ngưng

Nước ngưng

8

Nước làm lạnh

12

9

11

Bơm chân kh«ng

Trường: ĐHCN Hà Nội

Trong dây chuyền gồm có các thiết bị sau:
7
GVHD :Phan Thị Quyên

7
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

1 - Bể chứa dung dịch đầu
2 – Bơm
3 – Thùng cao vị
4 – Lưu lượng kế.
5 - Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6,7 - Nồi cô đặc 1, 2.
8 – Baromet.
9 – Hút chân không
10 –Thùng chứa sản phẩm.
11 – Bơm chân không.
12- Thùng chứa nước ngưng
Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi
nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong cơng nghiệp hóa chất. Loại này
có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp
suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch
đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sơi, kết quả là dung

dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng
nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ sơi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch do đó tiêu
tốn thêm một lượng hơi đốt. Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch trước khi
vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ.
Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau
thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung
dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

8
GVHD :Phan Thị Quyên

8
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

PHẦN II
TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
Số liệu ban đầu :
Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hồn trung tâm cơ đặc
dung dịch NaOH với năng suất 3,6 kg/s = 12960 kg/h
Chiều cao ống gia nhiệt: 2m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 5%
Nồng độ cuối của dung dịch:30%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at

1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra trong tồn bộ hệ thống:
Áp dụng cơng thức (VI.1/[ 2 – 55])

xd
W = Gd – Gc = Gd . (1 - xc )
5
⇒ W = 12960 x (1 - 30 ) =10800 (kg/h)

2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :
W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:
W1 : W2= 1:1
Mà ta có: W1 + W2 = 10800
W1=W2=5400(kg/h)
3. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi
x1:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1
x2:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
Áp dụng công thức :
9
GVHD :Phan Thị Quyên

9
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

x
x

W1 = Gd ( 1-

1

G x
G −W
d

d

) ⇒ x1=

d

d

1

129600.0,05
X 100 = 8.57%
x 1 = 12960 − 5400

x2 = 30%
4. Tính chênh lệch áp xuất chung của hệ thống .
- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:
∆P = P − Png = 5 − 0,3 = 4,7(at )
1

Trong đó P1 là áp xuất hơi đốt
Png là áp xuất hơi ngưng.
5. Chênh lệnh áp suất , nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi
- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
∆P1 2,15
=
⇒ ∆P1 = 2,15∆P2
∆P2
1

mà:

∆P + ∆P2 = 4,7
1

⇒ ∆P2 = 1,492( at )
∆P = 3,208(at )
1
* Vậy áp suất hơi đốt ở từng nồi là:

P1 = 5at
P2 = 5 − 3,208 = 1,972(at )

* Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
Tra bảng (I.251[1-316]:
10
GVHD :Phan Thị Quyên

10

SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Nồi 1: với P1 = 5 [ at ] ta được :
. t1=151.1˚C
Nhiệt lượng riêng: i1=2754.103[J/kg]
Nhiệt hoá hơi:
• Nời

r1=2117.103[J/kg]

2: với P2=1,792 ta được :

T2=116,156 ˚C
Nhiệt lượng riêng: i1= 2708760 J/Kg
Nhiệt hoá hơi: r2=2217400J/Kg
Png=0,3 ta được tng=68,7˚C
6. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi:

Gọi:
ti′

: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i.

∆′′′ : tổn thất nhiệt độ do trở
i

lực đường ống.

o
1
2
Chọn ∆′′′ = ∆′′′ = 1 C

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

∆1 ' ' '

Nồi 1: t’1 = t2 + ∆1 ' ' ' = 116,156+1= 117,156 (ºC)
Nồi 2: T2 = tng + ∆ 2 ' ' ' = 68.7+ 1 = 69,7 (ºC)
Dựa vào nhiệt hơi thứ, theo bảng I.251 –[1- 314] ta tra được áp
suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ được tổng hợp theo bảng sau:
BẢNG SỐ LIỆU 1
11
GVHD :Phan Thị Quyên

11
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Tra các thông số của hơi thứ tại đây
Nồi

Hơi đốt

Hơi thứ

i
P

[ at ]
1
2

T
oC
 

i × 10

−3

[ J / kg ]

r × 10

−3

[ J / kg ]

5
151,1
2754
2117
1,792 116.156 2708,76 2217,4

p′

x
t′

[ at ]

oC
 

1,982
0,25

%
i ′ × 10

−3

[ J / kg ]

r ′ × 10

−3

[ J / kg ]

117,156 2709,25 2214.656
69,7
2627
2340

8,57
30

7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi:
7.1. Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ

∆ i' :

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

,

,
∆ = ∆o . f °C

T2
f =16,2.
r

(CT.VI.10/[2 – 59])

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

dung môi ở áp suất thường
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho

°K

r: ẩn nhiệt hố hơi của dung mơi ngun chất ở áp suất làm việc J/kg
12
GVHD :Phan Thị Quyên

12
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

* Tra bảng (VI.2/[2 – 67])
x1 = 8,57% ⇒ ∆,o1 = 2,285 °C

x2 = 30% ⇒ ∆,o 2 = 17°C

* Xác định nhiệt độ Ti

T1 = 117.156 + 273 = 390.156°K
T2 = 69.7 + 273 = 342.7°K
Vậy:

(390,156) 2
∆ = 16,2.2,285 .
= 2,54°C
2214656
(341,7) 2
,
∆ 2 = 16,2.17
= 13,82 °C
2340000
⇒ ∑ ∆,i = ∆,1 + ∆,2 = 2,54 + 13,82 = 16,36°C
,
1

7.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: ∆

,,

- Áp dụng công thức VI.13

∆,, = t tb − t o
Ptb = Po + ( h1 +

h2 ρ dds .g
).
at
4
2 9,81 .10

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

h2 : chiều cao của ống truyền nhiệt (m)

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

g : gia tốc trọng trường m/s2
13
GVHD :Phan Thị Quyên

13
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

- Khối lượng riêng của dung dịch 20ºC ứng với mỗi nồng độ được xác định
theo bảng (I.23/ST1 – T34)

x1 = 8,57% ⇒ ρdd = 1093,27(kg / m 3 )
x2 = 30% ⇒ ρ dd = 1328( kg / m 3 )
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là

1093,27
= 546.635( kg / m 3 )
2
1328
=
= 664(kg / m 3 )
2

ρ dds1 =
ρ dds2

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

2 546,635.9,81
Ptb1 = 1,982 + (0,5 + ).
= 2,064( at )
2
9,81 .10 4
2 664.9,81
Ptb 2 = 0,25 + (0,5 + ).
= 0,3496( at )
2 9,81 .10 4
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
t tb1 = 120,46°C
t tb2 = 72,02°C

Vậy:
,
∆,1 = ttb1 − t 01 = 120,46 − 117,156 = 3,304°C

∆,,2 = ttb 2 − t 02 = 72,02 − 69,7 = 2,32°C
,
,
⇒ ∑ ∆,, = ∆,1 + ∆,2 = 3,304 + 2,32 = 5,624°C

7.3 Tổn thất do đường ống

(∆,,, )

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

∑∆

,,,

,
= ∆ ,1,, + ∆ ,2, = 1 + 1 = 2°C

14
GVHD :Phan Thị Quyên

14
SVTH : Vũ Thế Dương

Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

⇒ tổng tổn thất nhiệt độ là:

∑∆ = ∑∆ + ∑∆ + ∑∆
,

,,

,,,

= 16,36 + 5,624 + 2 = 23,984

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

Nhiệt độ hữu ích của hệ thống.
∆ t hi = ∆ t ch − ∑ ∆
∆ t ch =

(CT VI.16/[2 –67])

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 = 151,1 − 68,7 = 82 ,4°C

(CT VI.16/ST2 – T67)

Vậy :

∆t hi = 82 ,4 − 23,984 = 58,416°C
Xác định nhiệt độ sôi của từng nồil
,
t s1 = t1, + ∆,1 + ∆,1
,
,
t s 2 = t 2 + ∆,2 + ∆,2

t s1 , t s 2 :

nhiệt độ hơi thứ của từng nồi

t s1 = 117,156 + 2,54 + 3,304 = 123°C
t s 2 = 69,7 + 13,82 + 2,32 = 85 ,84 °C

Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi

∆T1 = t1 − t s1 = 151,1 − 123 = 28,1°C
∆T2 = t 2 − t s 2 = 116,156 − 85 ,84 = 30,316°C
Bảng số liệu số 2

Nồi
1

oC
∆′  

oC
∆ ′′  

2,54

3,304

15
GVHD :Phan Thị Quyên

 oC
∆ ′′′  

1

oC
∆T 

28,1

o
tsi  C 
 

123

15
SVTH : Vũ Thế Dương

Trường: ĐHCN Hà Nội

2

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

13,82

2,32

1

30,316

85,84

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

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống

'
W1 . i1

D.i1

'

W2 . i2

W1 . i2

Qm1

Qm2

(Gd -W1 -W2)C2.ts2
Gd .ts0 .Cd

(Gd - W1 )C1 .ts1
D.Cnc1 . θ1

W1 .Cnc2 . θ 2

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

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

θ1 , θ 2 : Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
Cd : Nhiệt dung riêng của dung dịch đầu

(J/kg độ)

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

(J/kg độ)

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

(kg/h)

W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2
9.1- Nhiệt lượng vào
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào :

D.i1

Nhiệt do dung dịch mang vào : Gđ
16
GVHD :Phan Thị Quyên

.Cd.ts0

16
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào :

W1.i2

Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1
9.2- Nhiệt lượng mang ra:
- Nồi 1:
'

- Hơi thứ mang ra : W1 i1
D. θ1 .Cnc1

- Nước ngưng :

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

'
i2

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

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

(1)

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

(2)

9.4 Tính tốn các thơng số:
•

Nhiệt dung riêng:

Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo cơng
thức sau:
C = 4186,8.(1 - x) (J/kg.độ) ( CT I.43 – [1 – 152])
x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%)
17
GVHD :Phan Thị Quyên

17
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x= 5%
C0 = 4186( 1-0,05) =3976,7 (J/kg.độ)
Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ là 8,57%:

C1 =4186.(1-0.0857) = 3827,259(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ >20% được tính theo cơng
thức sau:
Theo công thức I.144- [1-152]
C = Cht .x + 4186( 1-x) (J/kg.độ)
Cht: nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan( khơng có nước) J/kg.độ
Cht được tính theo cơng thức
MNaOH.Cht = ΣCi.Ni ( CT I.41 – [1 –152])
M :khối lượng phân tử của chất tan
Ci :nhiệt dung riêng của các đơn chất(tra bảng I.141- ST1- T152)
Ni :số nguyên tử trong phân tử
Với : CH =9630 (J/kg độ); CO = 16800 (J/kg độ)
CN = 26000(J/kg độ)
N H .C H + N Na .C Na + N O .C O
M NaOH
Vậy : Cht =
1.9630 + 1.26000 + 1.16800
40
=
= 1310,75 (J/kg độ)

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 là:
C2 = 1310,75.0.3+ 4186(1-0,3) = 3323,425 (J/kg độ)
* Nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt
θ 1 = 151,1 0C
θ 2 = 116,156 0C

Ts0=Ts1=123 oC
Ts2=85,84 oC
18

GVHD :Phan Thị Quyên

18
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Dựa vào bảng I.249 –[1_310] ta có nhiệt dung riêng của nước ngưng tra theo
nhiệt độ.
Cnc1=4255,5 J/kgđộ
Cnc2=4213 J/kgđộ
Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:

(

W1 =

)

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

(

)

Thay W1 vào (1) ⇒ D1
D1

W1 (i '1 −C1t S1 ) + G d (C1t S 1 − C 0 t 0 )
0,95(i1 − C n1θ 1)
=

( * *)

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

10800 (2627000 − 3323,425.85 ,84 ) + 12960(3323,425.85 ,84 − 3827 ,259.123)
= 5365,83
0,95(2708760 − 4213.116,156) + 2627000 − 3827 ,259.123

W1 =

W1 = 5365,83 (kg / h) ⇒ W2 = W − W1 = 10800 − 5365,83 = 5434,17(kg / h)
D=

5400.( 2709250 − 3827 ,259.123) + 12960(3827 ,259.123 − 3976,7.123)
= 5578,9
0,95(2754000 − 4213.123)

Ta có bảng số liệu như sau
Bảng 3

Nồi

C

Cnc

J/kg độ

J/kg độ

θ, °C

W , kg/h
Giả thuyết

Tính tốn

Sai số
ε

1

3827,259

4255,5

151,1

5400

5365,83

0,63

2

3323,425

4213

116,156

5400

5434,17

0,63

19
GVHD :Phan Thị Quyên

19
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W 1 : W2 = 1: 1 Sai số giữa
Lượng hơi thứ các nồi được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết

trong cân bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.

20
GVHD :Phan Thị Quyên

20
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

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

α

khi ngưng tụ hơi.

Τ1i ; α1i
∆t1i

TT2 i
∆t2i
Τ2i ; α 2i

TT1i

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

nồi 2 là : ∆11 , ∆12
- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m ,hơi ngưng
bên ngoài ống ,máng nước ngưng chảy dịng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính
theo cơng thức

α = 2,04. A.(

ri
∆t1i .H

) 0, 25
W/m2. độ

( V.101/[2 – 28]).

Trong đó:

α 1i : hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m2. độ

∆ 1i : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi I ( o C ).
∆11 = 2,12°C

Giả thiết: ∆12 = 1,98°C
ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt đã ghi ở bảng số liệu 1:
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
21
GVHD :Phan Thị Quyên

21

SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +ti )

o

C (*)

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

∆ t1i = t i − tTi
⇒ tTi = t i − ∆ t1i

(**)

thay (**) vào (*) ta được :

t mi = t i − 0,5∆ t1i
Với:

t1 = 151,1 oC
t2 = 116,156 oC

tm1 = 151,1 – 0,5.2,12= 150,04 oC
tm2 = 116,156 – 0,5.1,98 = 115,166oC

Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : [2 – 29 ]
t1 = 150,04oC

A1 = 195,506

t2 = 115,166oC

với:

A2 = 185,3747

Vậy:

 2117000 
α11 = 2,04.195,506.

 2.2,12 

0 , 25

 2217400 
α12 = 2,04.185,3747.

 2.1,98 

= 10601,785 (W / m 2 đô )

0 , 25

= 10344,698(W / m 2 đô )

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

q1i = α 1i .∆t1i W/m2

( CT 4.14/[1_1]

q11 = 10601,785.2,12 = 22475,785 (W/m2)
q12 =10344,698.1,98 = 20482,5 (W/m2)
22
GVHD :Phan Thị Quyên

22
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Bảng 4:
Nồi

∆t1i ,°C

∆t mi ,°C

1

2,12

150,04

2

1,98

115,166

α 1i , W / m 2 do

q1i , W / m 2

195,506

10601,785

22475,785

185,3747

10344,698

20482,5

A

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

α 2i W/m2 độ:

Ta xác định hệ số này theo công thức:

α 2i = 45,8.Pi 0.5 .∆t2i 2,33 .ψ i

(W/m2 độ ) (CT /[1_332])

Pi: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:
P1’=1,982 at
P2’=0,25

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

∆t Ti = q1i .∑ r

, oC

- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

∑ r = r1 + r2 +

δ
λ

m2 độ/W

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

23
SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

r1 = 0,232.10-3 m2 độ/W
r2 = 0,387.10-3 m2 độ/W
- Tra bảng ( VI.6[2 – 80] ) ta chọn bề dày thành ống truyền nhiệt là

δ = 2mm = 0,002m
- Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là thép Crom Niken Titan( X18H9T ), hệ
số dẫn nhiệt của nó là:

∑ r = 0,387 .10

−3

λ = 16,85 W/m. độ ⇒

+ 0,232.10 −3 +

0,002
= 0,73769.10 −3
16,85
m2 độ/W

∆tT 1 = 22475,785 .0,73769.10 −3 = 16,58°C
⇒

∆tT 2 = 20482 ,5.0,7369.10 −3 = 15,109°C

Vậy :

∆t 21 = 28,1 − 2,12 − 16,58 = 9,4°C
∆t 22 = 30,316 − 1,98 − 15,109 = 13,226°C
* ψ : hệ số hiệu chỉnh ,xác định theo công thức(VI.27/ST2 – T71)

λ 

ψ =
λ 
 nc 

0, 565

 ρ
. dd

 ρ nc








2

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

0 , 435

( dd:dung dịch , nc: nước )
Trong đó:

λ : hệ số dẫn nhiệt , W/m. độ

ρ :khối lượng riêng , kg/m3
C: nhiệt dung riêng , J/kg. độ
24
GVHD :Phan Thị Quyên

24

SVTH : Vũ Thế Dương


Trường: ĐHCN Hà Nội

µ : độ nhớt ,

Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học

Cp

λ, ρ , C , µ : lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch.
ts1 = 123 oC
ts2 85,84 oC
* Khối lượng riêng :
- Khối lượng riêng của nước: tra bảng I.249[1_311]

ρ nc1 = 940,61kg / m 3
ρ nc 2 = 968,045kg / m 3
- Khối lượng riêng của dung dịch NaOH :tra bảng ( I.22[1_34]
Lấy = 1/2 khối lượng riêng của dd ở 20 oC

ρdd1 = 527kg / m 3
ρdd 2 = 664kg / m 3
* Nhiệt dung riêng :
- Nhiệt dung riêng của nước :tra bảng I.249 [1 – 310]
Cnc1 = 4254,8J/kg. độ
Cnc2 = 4213 J/kg. độ
- Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:( theo bảng 3 )
Cdd1 = 3827,259 J/kg. độ

Cdd2 = 3323,425 J/kg. độ
* Hệ số dẫn nhiệt:
- Hệ số dẫn nhiệt của nước: tra bảng I.129[1_133]
λ nc1 = 0,68 6 W/m. độ
25
GVHD :Phan Thị Quyên

25
SVTH : Vũ Thế Dương