Cô đặc NaNo3 - Cô đặc chân không một nồi

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 1

Mục lục
Mục lụcMục lục
Mục lục






LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................3

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I. Nhiệm vụ của đồ án
II. Giới thiệu về nguyên liệu
III. Khái quát về cô đặc
1.Đònh nghóa
2.Các phương pháp cô đặc
3.Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
4.Ứng dụng của sự cô đặc
IV.Thiết bò cô đặc nhiệt
1.Phân loại và ứng dụng
2.Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc
V. Lựa chọn thiết bò cô đặc dung dòch NaNO
3


PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I.Cân bằng vật chất và năng lượng
1.Dữ kiện ban đầu
2.Cân bằng vật chất
3.Tổn thất nhiệt độ
4.Cân bằng năng lượng
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 2
II.Thiết kế thiết bò chính
A. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bò chính
1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch
3.Nhiệt tải riêng phía vách
4.Tiến trình tính các nhiệt tải riêng
5.Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc
B. Tính kích thước thiết bò cô đặc
1.Tính cho buông bốc
2.Tính cho buồng đốt
3.Tính kích thước ống dẫn,ống nhập liệu , tháo liệu
C. Tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bò
1. Tính cho buồng đốt
2.Tính cho buồng bốc
3.Tính cho đáy thiết bò
4.Tính cho nắp
5.Tính mặt bích
6.Tính vỉ ống
7.Tính khối lượng và tai treo

PHẦN IV THIẾT BỊ PHỤ
I.Thiết bò gia nhiệt
1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch
3.Nhiệt tải riêng phía tường
4.Diện tích bề mặt truyền nhiệt
II.Thiết bò ngưng tụ
1.Chọn thiết bò ngưng tụ
2.Tính toán thiết bò ngưng tụ
III.Tính bơm
1.Bơm chân không
2.Bơm nước vào thiết bò ngưng tụ
3.Bơm đưa dung dòch nhập liệu vào bơm cao vò
4.Bơm tháo liệu
IV.Tính cho bồn cao vò
V. Bề dày cách nhiệt
VI.Cửa sửa chữa
VII.Kính quan sát
PHẦN V TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

LỜI KẾT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 3

Lời nói đầu

Có thể nói thực hiện Đồ án chuyên ngành là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn
lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra
đây còn là dòp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn,
tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bò với các số liệu rất cụ thể và rất
thực tế.
Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong
quá trình thực hiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự
góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy
Trần Văn Ngũ, và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bò khoa Công nghệ Hóa học
và Dầu khí trường Đại học Bách khoa Thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành
cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ và các thầy cô trong bộ môn Máy và Thiết Bò, cũng
như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án.




GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 4

PHẦN I


TỔNG QUAN
VỀ
CÔ ĐẶC



GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 5











I.NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
:
Thiết kế dây chuyền cô đặc chân không 1 nồi hoạt động liên tục. Có hệ
thống tự động hoá hoàn chỉnh.

Yêu cầu:
° Chọn cô đặc dung dòch NaNO
3
• Năng suất theo sản phẩm: 1500 kg/h (cho)
• Nồng độ đầu: 15% khối lượng (chọn)
• Nồng độ cuối: 45% khối lượng (chọn)
• Áp suất ngưng tụ: 0,6 kg/cm
2
(cho)
II.GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

NaNO
3
là chất rắn, trắng hoặc tinh thể không màu có khả năng tan tốt trong
nước(đến 86.4% ở nhiệt độ thường).Dung dòch NaNO
3
có độ nhớt khá bé



Sức căng bề mặt khá lớn do đó dung dòch sôi sủi bọt nhiều
10(
o
C) 20(
o
C) 30(
o
C) 40(
o
C) 50(

o
C) 60(
o
C)
20% 1.59 1.18 1.03 0.86 0.72 0.62
25% 1.78 1.25 1.14 0.95 0.8 0.69
30% 2.05 1.33 1.3 1.07 0.91 0.79
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 6
Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học ;đặc biệt trong điều kiện
nhiệt độ cao và áp suất khá cao do đó chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bò.
* NaNO
3
được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như:
▪ Sản xuất phân bón,phân đạm nitrat
▪ Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa
▪ Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như sản xuất axit nitric khi cho
phản ứng với axit sunfuric…
▪ Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm.
▪ Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp trong
các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay thế cho KNO
3

*Tính chất nguyên liệu:

• Khối lượng nguyên liệu: 84.9947
• Điểm tan chảy: 307
o
C

• Điểm sôi: 380
o
C
• Khối lượng riêng: 2.3 ×10
3
kg/m
3

• Độ tan : 92g/100mL

III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC:

1. Đònh nghóa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong
dung dòch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dòch 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.
Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó),
ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt
độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh
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 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
tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học

SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 7
thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải
dùng đến máy lạnh.
3 . Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

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 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
(protit) sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc
4.Úng dụng của sự cô đặc:
Trong sản xuất thực phẩm,cô đặc các dung dòch đường ,mì chính,các dung dòch
nước trái cây…
Trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl
2
, các muối vô cơ …
Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử
dụng thiết bò cô đặc như một thiết bò hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong
muốn. Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với
sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu
quả của thiết bò cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bò hiện đại,
đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức
chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bò
cô đặc.

IV. CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT:

1. Phân loại và ứng dụng:

1.1. Theo cấu tạo:

Nhóm 1
: dung dòch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung
dòch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền
nhiệt. Gồm:
• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
• Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2:
dung dòch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dòch từ
1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt,
dùng cho dung dòch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt
truyền nhiệt. Gồm:
• Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 8
• Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3
: dung dòch chảy thành màng mỏng,chảy một lần tránh tiếp xúc
nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dòch thực phẩm
như dung dòch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:
• Màng dung dòch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dòch sôi
tạo bọt khó vỡ.
• Màng dung dòch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dòch sôi ít
tạo bọt và bọt dễ vỡ.

1.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình:

-Cô đặc áp suất thường (thiết bò hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dòch liên tục để giữ mức dung dòch cố đònh để đạt năng
suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dòch đạt
được là không cao.
-Cô đặc áp suất chân không: Dung dòch có nhiệt độ sôi dưới 100
o
C, áp suất
chân không. Dung dòch 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. Có thể cô chân không, cô áp lực
hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích
khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
-Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng
điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.

⇒
Đối với mỗi nhóm thiết bò đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt
ngoài, có ống tuần hoàn hay không. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của
dung dòch mà ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất
thường hay áp suất dư.
2. Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc:

-Thiết bò chính
:
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
 Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…
 Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…
-Thiết bò phụ:

 Bồn cao vò, lưu lượng kế
 Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.
 Các loại bơm: bơm dung dòch, bơm nước, bơm chân không.
 Thiết bò gia nhiệt.
 Thiết bò ngưng tụ Baromet.
 Các loại van.
 Thiết bò đo
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 9
V. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bò cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục,
áp suất chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
Thiết bò cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa,làm sạch và sửa
chữa.
Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dòch, giảm
được chi phí năng lượng, hạn chế không cho chất tan bò lôi cuốn theo và bám lại
trên thành thiết bò, làm hư thiết bò.
Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.vận tốc tuần
hoàn bò giảm vì ống tuần hoàn cũng bò đun nóng

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 10



PHẦN III

THUYẾT
MINH QUY
TRÌNH
CÔNG NGHỆ

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 11

Nguyên liệu đầu tiên là dung dòch NaNO
3
có nồng độ 15%. Dung dòch từ bể
chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vò, từ bồn cao vò dung dòch chảy qua lưu
lượng kế xuống thiết bò gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
Thiết bò gia nhiệt là thiết bò trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Thân hình trụ,
đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều.
Các đầu ống được giữ chặt trên vó ống và vó ống được hàn dính vào thân. Hơi nước
bão hòa có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dòch được bơm vào thiết
bò, đi bên trong ống, từ dưới đi lên. Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt
ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dich nâng nhiệt độ của dung dòch lên đến
nhiệt độ sôi. Dung dòch sau khi gia nhiệt sẻ được đưa vào thiết bò cô đặc thực hiện
quá trình bốc hơi. Hơi ngưng tụ theo ống dẩn nước ngưng qua bẩy hơi chảy ra
ngoài.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc
: phần dưới của thiết bò là buồng đốt

gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dòch đi trong
ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống. Hơi đốt sẽ ngưng tụ
bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dòch chuyển động bên trong
ống. Dung dòch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng
tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hóa hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẩn
nước ngưng qua bẩy hơi chảy ra ngoài.
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là : Khi làm việc dung
dòch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi –lỏng có khối lượng riêng
giảm đi và bò đẩy từ dưới lên trên miệng ống,còn trong ống tuần hoàn thể tích
dung dòch theo một đơn vò bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt ,do
đó lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn;Ví vậy khối lượng riêng của
khối hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền nhiệt,sẽ bò đẩy xuống dưới.
Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bò:từ dưới lên
trên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bò là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng hơi thành 2 dòng,
dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận tách giọt để tách những giọt
lỏng ra khỏi hơi thứ. Giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi thứ tiếp tục đi lên, dung dòch
còn lại được hoàn lưu trở lại.
Dung dòch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ
bơm ly tâm, vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của
thiết bò cô đặc vào thiết bò ngưng tụ baromet. Thiết bò ngưng tụ Baromet là thiết bò
ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của
thiết bò, dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn cuối của thiết bò. Dòng hơi thứ đi lên gặp
nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa , khí không
ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không
ngưng được bơm chân không hút ra ngoài. Khi ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 12
thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bò áp suất sẽ

giảm. Vì vậy thiết bò ngưng tụ Baromet là thiết bò ổn đònh chân không, nó duy trì
áp suất chân không trong hệ hệ thống. p suất làm việc của thiết bò Baromet là áp
suất chân không, do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng
có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm.
Bình tách là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bò lôi cuốn
theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không
ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài.
Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh
trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bò ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp
suất của thiết bò ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô
đặc.

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 13



PHẦN III

TÍNH TOÁN
VÀ
THIẾT KẾ
THIẾT BỊ
CHÍNH





GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 14
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG:

1. Dữ kiện ban đầu:

Nồng độ đầu x
đ

= 15 %, nhiệt độ đầu của nguyên liệu là t
đ
= 30
o
C.
Nồng độ cuối x
c
= 45%.
Năng suất sản phẩm G
c
= 1500 kg/h.
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đốt là 4 at.
p suất tại thiết bò ngưng tụ baromet: P
c
= 0,6 at.
2. Cân bằng vật chất:

1. Suất lượng nhập liệu (G
đ
):
Theo công thức 5.16, [5], tr277:

1500 45%
4500 /
15%
d d c c
c c
d
d
G x G x

G x
G kg h
x
× = ×
× ×
⇒ = = =
(1)
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):

Theo công thức 5.17, [5], tr277:

4500 1500 3000 /
d c
d c
G W G
W G G kg h
= +
⇒ = − = − =
(2)
Trong đó: G
c
– suất lượng tháo liệu (năng suất).
3. Tổn thất nhiệt độ:

• Ta có áp suất tại thiết bò ngưng tụ
P
c
=0.6at nhiệt độ của hơi thứ trong
TBNT
T

c
=85.5
o
C (tr314,[1])
• Ta lại có ∆ ’’’ là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc
đến TBNT, theo [5], tr280,
chọn ∆’’’ = 1 K.
• Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc P
0

t
sdm
(P
o
) - T
c
=∆ ’’’ = 1K ⇒
t
sdm
(P
o
) =t
c
+ 1 = 85.5+ 1 = 86.5
o
C
•
p suất tại buồng bốc: Tra [1] , tr 312: ở nhiệt độ 86.5
o
C là P

0
=ø 0,6275 at.

3.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆
∆∆
∆’):

Theo Tisenco CTVI10,[2], tr 59:
∆’ = ∆’
o
. f
(3)
Ở đây :
 ∆
o
’ - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dòch lớn hơn nhiệt độ
sôi của dung môi ở áp suất khí quyển.

Do cô đặc có tuần hoàn dung dòch lấy a=x
c
=45%
Tra từ đồ thò(HVI.2,[2],tr60) được ∆’
0
=8.4
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 15

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
f

r
t
2
)273(
2.16
+
= (CTVI11,[2],tr59) (4)
Với - t: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho,t = 86.5
o
C
- r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc,
r = 2293.25 kJ/kg(B I251,tr314,[1])


669.791298.04.8
'
=×=∆⇒
Ta có
T
sdd

(Po)=
t
sdm(Po)
+ ∆
∆∆
∆’ = 86.5+7.669= 94.169 (
o
C) (5)
3.2.Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tónh (∆

∆∆
∆’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dòch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:
∆P =
2
1
ρ
S
.g.H
op
N/m
2
(6)
Trong đó:
 ρ
s
: khối lượng riêng trung bình của dung dòch khi sôi bọt, kg/m
3

ρ
s
=0.5 ρ
dd
(7)
.ρ
dd
: Khối lượng riêng thực của dung dòch đặc không có bọt hơi,

.Chọn t
sdd(Po+∆P)
= 96
0
C ; C%=45% ⇒ ρ
dd
= 1331.64kg/m
3
tra Bảng I.59 – trang 46
- Sổ tay QT-TB công nghệ hóa chất tập 1

3
/82.66564.13315.0 mkg
s
=×=⇒
ρ

 H
op
: Chiều cao thích hợp của dung dòch sôi tính theo kính quan sát
mực chất lỏng,m
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].h
o

.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h
o
= 2 m (theo B VI6,[2],tr80)
.
dm
ρ
: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dòch 96
0
C ,
Tra bảng I.249 [1],tr310 :
r
dm
=961.12 kg/m
3
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].h
o
=[0.26+0.0014(1331.64-961.12)]*2=1.557456 m

atP 05185.0
1081.9
557456.1
81.982.6655.0
4
=

×
×××=∆⇒


⇒
Áp suất trung bình:
P
tb
=P
0
+∆P=0.6275+0.05185 = 0.67935 at
Tra sổ tay tại P
tb
=0.67935 (at) ta có

t
sdm(Ptb)=
88.5153
o
C
91298.0
100025.2293
)5.86273(
2.16
2
=
×
+
=⇒ f
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học

SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 16
*Tacó

( ) ( )
00
PtPPt
sdmsdm
−∆+=∆
′′
([3],tr108) (8)

( ) ( )
00
PtPPt
sddsdd
−∆+=∆
′′
(9)
Suy ra :
∆” = 88.5153 – 86.5 = 2.0153
0
C
T
sdd(Ptb)
=t
sdd(Po)
+∆” =94.169+2.0153=96.1843
o
C

Sai số 0.1% chấp nhận được.Vậy t
sdd(Ptb
)=96
o
C
Lấy sản phâm ra tại đáy:t
sdd(Po+2∆P)=
94.169+2*2.0153=98.1996
o
C
*Vậy tổng độ tăng nhiệt độ sôi:
'''''
'
∆+∆+∆=∆∑ (10)

6843.1010153.2669.7
=++=∆∑⇒
0
C

*Gia nhiệt bằng hơi nước bảo hoà, áp suất hơi đốt là 4at, vậy T
D
= 142.9
o
C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích
∆t
h,i
= t
D

– (T
c
+Σ∆) (11)
Ct
O
hi
7157.466843.105.859.142 =−−=∆⇒






Thông số Ký
hiệu
Đơn vò Giá trò
Nồng độ nhập liệu x
đ
%kl 15
Nồng độ sản phẩm x
C
%kl 45
Năng suất nhập liệu G
đ
kg/h 4500
Năng suất sản phẩm G
c
kg/h 1500
HƠI THỨ
Lương hơi thứ thoát ra W kg/h 3000

p suất p
0
at 0.6275
Nhiệt độ t
0

0
C 86.5
Entanpi i
w
kJ/kg 2655.7
HƠI ĐỐT
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 17
p suất p
D
at 4
Nhiệt độ t
D

0
C 142.9
n nhiệt ngưng tụ r
D
kJ/kg 2135.5
TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ
Nhiệt độ sôi dd áp suất p
0
t

sdd
(p
0
)
0
C 94.169
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
∆'
0
C 7.669
p suất ở lớp trung bình p
tb
at 0.67935
Nhiệt độ sôi trung bình dm
( )
tbsdm
Pt

0
C 88.5153
Tổn thất t
0
do cột thủy tónh
∆"
0
C

2.0153
Nhiệt độ sôi dd ở áp suất
TB

t
sdd
(p
tb
)
0
C

96
Tổn thất t
0
trên đường ống
∆'''
0
C

1
Tổng tổn thất nhiệt độ
∑∆
0
C

10.6843
Chênh lệch nhiệt độ hữu
ích
∆t
h.i

0
C

46.7157

4. Cân bằng năng lượng:

Cân bằng nhiệt lượng:
Nhiệt vào:

- Do dung dòch đầu: G
đ
c
đ
t
đ

- Do hơi đốt: Di”
D

- Nhiệt do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt:
D
DcT
ϕ

Nhiệt ra:

- Hơi thứ mang ra: Wi”
W

- Nước ngưng tụ: Dcθ
- Sản phẩm mang ra: G

c
c
c
t
c

- Nhiệt cô đặc: Q
cđ

- Nhiệt tổn thất: Q
tt

-Tại thiết bò gia nhiệt chọn
đun nóng đến nhiệt độ sôi 94.169
o
C


 Dòng nhập liệu: Dòng vào t
v
= 30
o
C
Dòng ra
t
r
= 94.169
o
C




Dòng hơi đốt : T
D
= 142.9
o
C
-Vậy nhiệt độ đầu vào thiết bò cô đặc là t
đ
= 94.169
o
C
- Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bò
t
c
= t
sdd
(P
o
) + 2
∆
′′
(CT2.15,[3],tr107) (12)

⇒
t
c
= 94.169 + 2*2.0153 = 98.1996
o
C

-Nhiệt dung riêng của dung dòch NaNO
3
nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO
3
ở các nồng độ khác nhau được tính
như sau. Theo [1] trang 152 ta có thể tính:
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 18
Ở: a=15% (a<0.2) cd=C
vào
= 4186( 1-a) = 4186( 1- 0,15) = 3558,1 J/kg
O
C
a= 45% (a>0.2) cc=C
ra
= 4186 – ( 4186 – C
ct
)a = 4186 – (4186 – 1205)0,45
= 2844.55 J/kg
O
C
với: C
ct
là nhiệt dung riêng của NaNO
3
khan và = 1205 J/kg
O
C
Thành lập phương trình cân bằng nhiệt:

G
đ
c
đ
t
đ
+ D.i”
D
+
D
DcT
ϕ
= W.i”
W
+ D.c.θ + G
c
c
c
t
c
± Q
cđ
+ Q
tt

(13)
(+Q
cđ
)khi cô đặc thu nhiệt
(-Q

cd
) khi cô đặc tỏa nhiệt
Bỏ qua:-phần nhiệt lượng do hơi đã ngưng từ đường ống dẫn hơi đốt vào buồng
đốt
D
DcT
ϕ
=0
-nhiệt cô đặc Q
cd
=0
Trong hơi nước bão hòa bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bò cuốn theo
khoảng
ϕ
=0.05(độ ẩm của hơi)
⇒
Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp
Q
D
= D(1-
ϕ
)(i”
D
- cθ)
Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ= nhiệt độ hơi đốt vào(không có quá lạnh sau
khi ngưng) thì (i”
D
- cθ)=r
D
=2135.5kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

(13)
⇒
D(1-
ϕ
)(i”D- cθ) + G
đ
c
đ
t
đ
= G
c
c
c
t
c
+ W(.i”W- cθ) + Q
tt
(14)

Thay Q
tt
=
ε
Q
D
=0.05Q
D

(14)
⇒
Q
D
=D(1-
ε
)(1-
ϕ
) (i”
D
- cθ)= G
c
c
c
t
c
- G
đ
c
đ
t
đ
+ W(.i”
W
- cθ)
(15)

⇒
Lượng hơi đốt phải dùng biểu kiến:

D
ccWdddccc
r
tciWtcGtcG
D
)1)(1(
)."(....
ϕε
−−
−+−
=
skg
D
/871.0
)10*5.2135)(05.01)(05.01(
)1996.98*55.284410*7.2655(*
3600
3000
169.94*1.3558*
3600
4500
1996.98*55.2844*
3600
1500
3
3
=
−−
−+−

=

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
Q
D
=0.871*(1-0.05)(1-0.05)(2135.5*10
3
)=1.6787.10
6
W
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
Theo CT2.8,[3],tr105 :
0452.13600*
3000
871.0
===
W
D
d
( kg hơi đốt / kg hơi thứ ).
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 19



Thông số Ký
hiệu

Đơn vò Giá trò

Nhiệt độ vào BB t
đ

0
C 94.169
Nhiệt độ ra lấy tại đáy BD t
C

0
C 98.1996
Nhiệt dung riêng dd 15% C
đ
kJ/kgđộ 3.5581
Nhiệt dung riêng dd 45% C
C
kJ/kgđộ 2.84455
Nhiệt tổn thất Q
tt
W 83935
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Q
D
W 1.6787*10
6

Lượng hơi đốt phải dùng D kg/s 0.871
Lượng tiêu hao riêng d kg/kg 1.0452

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 20
II. KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:

A.TÍNH TOÁN TRUYỀN NHỊÊT CHO THIẾT BỊ CÔ
ĐẶC
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt
vào bằng cách chia làm nhiều miệng vào. Do chọn tốc độ hơi nhỏ (w = 10m/s).
Màng nước ngưng chuyển động dòng (do ống truyền nhiệt ngắn chọn h
o
= 2m).
Ngưng hơi bảo hoà tinh khiết trên bề mặt đứng. Ta có theo công thức (V.101), [4],
tr 28:
)17(04,2
25,0

1
1






∆×
××=
tH
r
A
α

Trong đó:
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4 at.
Tra [1],tr314: r = 2135.5*10
3
J/kg
H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = h
o
= 2 m.
A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng t
m

t
m
= (t
D

+ t
v1
)/2 (18)
Sau nhiều lần tính lặp để tính ta chọn nhiệt độ vách ngoài
t
v1
= 135.29
o
C, t
D

= 142.9
o
C
Ct
m
0
095,139
2
2.1349.142
=
+
=⇒

A tra ở [2], tr 28.
A = 193.7285
α
1
- hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m
2

K.

11 vD
ttt −=∆ (19)


61,729,1359.142
1
=−=∆t
KmW
225.0
3
1
/7485,7653)
61,72
105.2135
(7285.19304.2 =
×
×
××=⇒
α

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng


111
. tq ∆=
α

2
1
/026,5824561,77485,7653 mWq =×=⇒ (20)

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 21
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất
lỏng sôi
Theo công thức VI.27, sổ tay tập 2, trang 71:

)21(/
2
435,0
2
565,0
2
KmW
C
C
dd
n
n
dd
n
dd
n
dd
n

















×








×









×








×=
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
αα

Trong đó:

α
n
-hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dòch, do nước sôi
sủi bọt nên:
α
n
= 0.145. p

0,5
. ∆t
2,33
(CTV.91,[2],tr26) (22)
Với P = P
o
= 0.6275at = 61557.75N/m
2
,
Sau khi tính lặp t
v2
= 99.497
o
C Cttt
o
Posdmv
686,95.86497.99)
(2
=−=−=∆⇒

233.25.0
/73032,7140)686,9()75.61557(145.0 mW
n
=××=⇒
α

C
dd
- nhiệt dung riêng của dung dòch ,J/kg.C
C

n
- nhiệt dung riêng của nước (ở 88.5153
o
C),J/kg.C
µ
dd
- độ nhớt dung dòch , Ns/m
2

µ
n
- độ nhớt nước(ở 88.5153
o
C), Ns/m
2

ρ
dd
- khối lượng riêng dung dòch , kg/m
3

ρ
n
- khối lượng riêng nước (ở 88.5153
o
C), kg/m
3

λ
dd

- độ dẫn nhiệt dung dòch, w/m
2
K
λ
n
- độ dẫn nhiệt nước (ở 88.5153
o
C),W/m
2
K
Nồng độ
ρ
n
ρ
dd
µ
dd
µ
n
C
dd
C
n
λ
dd
λ
n

45% 967.61 1331.64 0.4
3

10
−
× 0.3022*10
-3
2844.55 4222.5 0.5203 0.68
Ghi chú:
µ
dd
: Tra bảng 1.107 tr 100 [1].
ρ
dd
: tra bảng I.59 [2] tr 46
λ
dd
: theo công thức ( I.32 ), [1], trang 123:

3
...
M
CA
i
ii
dd
dddddd
ρ
ρλ
=

+ A : hệ số phụ thuộc mức độ lien kết của chất lỏng, đối với chất lỏng lien kết A =
3,58.10

-8
+ M : khối lượng mol của hỗn hợp lỏng. Ở đây là hỗn hợp của NaNO
3
và H
2
O:

3 3
.85 (1 ).18
NaNO NaNO
M a a= + −

34
NONH
a

: nồng độ phần trăm mol của NaNO
3

→
85 (1 ).18M a a= + −
Giả sử nồng độ NaNO
3
trong dung dịch x = 30 % khối lượng ( lấy khoảng trung
bình)
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 22
[ ]
mola %0832.0

18/7085/30
85/30
=
+
=⇒
→ 57473.2318)0832.01(0832.085
=×−+×=M

3
...
M
CA
i
ii
dd
dddddd
ρ
ρλ
=
=3.58*10
-8
*2844.55*1331.64*(1331.64/23.57473)
1/3
=0.5203W/m
2
K

KmW
2
2

/167,6041=⇒
α

3. Nhiệt tải riêng phía tường (q
v
):
Ta có
q
v
=
v
vv
r
tt
∑
− 21

Trong đó:
Σr
v
- tổng trở vách.
Σr
v
= r
1
+ δ/λ + r
2
(24)

v

r∑⇒ = ( 0,417 + 2/16.3 + 0 )*10
-3
= 0,5397.10
-3
W/m
2
K
Với:
 r
1
- nhiệt trở phía dung dòch, r
1
= 0,417.10
-3
m
2
K / W.
 r
2
- nhiệt trở phía hơi nước, r
2
= 0 m
2
K / W.
Tra bảng V1,[2],tr4
 - bề dày ống, δ = 2 mm
 Tra ở bảng XII.7, tr313, [2]
λ - hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 16.3 m
2
K / W (với ống là thép không gỉ

OX18H10T)
∆t
v
: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆t
v
= t
v1
- t
v2, ,
K
4348406,31105397.0026,58245
3
=××=∑×=∆
−
vvv
rqt (25)
Quá trình cô đặc ổn đònh thì
v
qqq ==
21

Nhiệt tải riêng phía dung dòch


Cttt
o
Posddv
686,32819.5169.948555159,103
)(22
=−=−=∆ (26)

2
222
/711,58515686,9167,6041 mWtq =×=∆×=⇒
α
(27)
4. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng:

Dùng phương pháp số ta lần lượt tính lặp theo các bước sau:
• Chọn nhiệt độ tường phía hơi ngưng: t
v1
, tính được ∆t
1
, t
D
= 142.9
o
C
• Tính được q
1

• Tính hệ số cấp nhiệt phía dung dòch, ta tìm α
2

• Tính ∆t
v
. Tính được t
v2
= ∆t
v
+ t

v1

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 23
• Tính ∆ t
2

• Tính được q
2

• So sánh sai số giữa q
1
và q
2
.
Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t
1
. Quá
trình này dừng lại khi sai số bé hơn 5%.
So sánh q
1
và q
2
ta thấy

%5%4626,0%100*
71,58515
026,5824571,58515
%100

2
12
<=
−
=×
−
q
qq
(28)
Thoả, vậy các thông số ta chọn đả phù hợp
Nhiệt tải trung bình là:
q
tb
=
2
21
qq +
= (58245,026+58515,71)/2=58380,368W/m
2

5. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc:

Trong đó giá trò K được tính thông qua hệ số cấp nhiệt:
21
11
1
αα
+∑+
=
vr

K
(29)
r
v
= 0,5397*10
-3

α
2
= 6041,167 W/m
2
.độ
α
1
= 7653,74849 W/m
2
.độ
K=1196,335579W/m
2
K

6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:


F =
hi
tK
Q
∆.
=1.6787*10

6
/(1196,335579*46.7157)=30,037 m
2

Chọn : F = 40m
2
Theo tiêu chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt [5]tr276.








GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 24



B.TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CƠ ĐẶC

1.Tính buồng bốc

Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:

sm
W
V

h
h
/2264.2
3743.03600
3000
3
=
×
==
ρ

Trong đó:
 W– lượng hơi thứ bốc hơi ( Kg/h )

ρ
h
– khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P
O
=
0,6275
ρ
h
=0,3743

, tr314,[1]
Vận tốc hơi:
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:

222
83474.2

4
2264.2
4
bb
b
hoi
hoi
DDD
V
w =
×
=
×
=
ππ
(30)
trong đó:

D
b
– đường kính buồng bốc, m
Vận tốc lắng:
Theo công thức 5.14, Quá trình và thiết bò truyền nhiệt, trang 276:
6,02,1
0
979423.1
3743.0588.23
0003.0)3743.061.967(81.94
''3
)'''(4

bb
DD
dg
w =
×××
×−××
=
××
×−××
=
ρξ
ρρ

(31)
Trong đó:

 ρ' - khối lượng riêng của giọt lỏng, tr 310,[1]:ρ' = 967.61kg/m
3

 ρ'' - khối lượng riêng của hơi, tr 314,[1]: ρ'' = 0,3743 kg/m
3

 d - đường kính giọt lỏng, từ diều kiện ta chọn d =0,0003 m.
 g = 9,81 m/s
2
.
 ξ- hệ số trở lực, tính theo Re:
232
5261.26
10012.0

3743.00003.083474.2
''
Re
bb
h
h
DD
dw
=
××
××
=
××
=
−
µ
ρ
(32)
Với µ - độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 0,6275at tra trang
121,[1]
µ = 0,012x10
-3
Nm/s
2

• Nếu 0,2 < Re < 500 thì ξ = 18,5 / Re
0,6
(33)
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên

Trang 25
⇒ ξ = 2,588*D
b
1,2
(34)
• Theo [5], điều kiện: W
hoi
< 70% - 80% W
o
.
Chọn:
w
hoi
< 70% w
o
(35)

6,02
979423.1
7.0
83474.2
bb
DD
<<⇒
⇒
2.013<D
b
<5.65
Chọn D
b

= 2200mm(theo dãy chuan)
• Kiểm tra lại Re:
Re=26,5261/(2,2)
2
=5,48
thỏa 0,2 < Re < 500 )
Vậy
đường kính buồng bốc D
b
= 2200 mm.

Chiều cao buồng bốc:

Theo CT VI.33,[2], trang 72:
U
tt
= f*U
tt
(1 at ), m
3
/m
3
.h (36)
• Chọn
( )
hmmatU
tt
./16501
33
=

• f = 1,1 (theo đồ thò H VI.3, tr72,[2]
⇒
U
tt
= 1650*1.1 = 1815 m
3
/m
3
.h
Trong đó:

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển.
 U
tt
(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian
họi(thể tích hơi nước bốc hơi trên một đôn vò thể tích của không gian
hơi trong một đơn vò thời gian),m
3
/m
3
.h
*Thể tích buồng bốc
:
tth
b
U
W
V
×

=
ρ
(37)
3
416,4
18153743,0
3000
mV
b
=
×
=⇒

*Chiều cao buồng bốc:
m
D
V
H
b
b
b
1617,1
2,2
416,44
4
22
=
×
×
=

×
=
ππ
(38)
Để an toàn ta chọn H
b
= 2 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
2. Kích thước buồng đốt:

 Xác đònh số ống truyền nhiệt :

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức : n=
ld
F
..
π
(39)(CT III.49,tr134,[4])
 F= 40 m
2
: diện tích bề mặt truyền nhiệt