Đồ án quá trình thiết bị cô đặc

Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

LỜI MỞ ĐẦU
Việc thiết kế hệ thống thiết bị, phục vụ cho một nhiệm vụ kỹ thuật là một
yêu cầu khơng thể thiếu đối với một kỹ sư máy hố chất. Để trở thành một người
kỹ sư như vậy, việc nắm vững các kiến thức về mơn học Q Trình - Thiết Bị trong
cơng nghệ hóa chất là thực sự cần thiết. Khơng chỉ thế, việc giải các bài tốn công
nghệ, hay việc thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền cơng
nghệ cũng rất cần đối với một kĩ sư trong tương lai.
Chính vì thế, để thiết kế được một đề tài, sinh viên chúng em cần phải nắm
vững tổng quát các kiến thức về các quá trình trong thủy lực, truyền nhiệt và
chuyển khối. Cũng như ở đồ án môn học này, chúng em nhận nhiệm vụ “ thiết kế
hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3 ba nồi xuôi chiều”.
Cấu trúc của tập đồ án này, chúng em xin chia ra làm như sau:
 Mục lục.
 Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế,
chọn phương án thiết kế.
 Chương II: Tính tốn cơng nghệ thiết bị chính.
 Chương III: Tính và chọn thiết bị phụ.
 Chương IV: Kết luận.
 Tài liệu tham khảo.
Đây cũng là những bước đi đầu tiên để thực hiện một cơng việc hết sức mới
mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của
các thầy cô sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với chúng em, để những lần thiết
kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cơ bộ mơn Cơng nghệ
Hóa Học- Dầu và Khí đã trang bị cho chúng em những kiến thức nền tảng làm cơ
sở, cho chúng em thực hiện đồ án này. Chúng em cũng xin rất cảm ơn thầy Lê
Ngọc Trung đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thiết

kế.

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 1

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM,
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG
ÁN THIẾT KẾ.
1.1. Tổng quan về sản phẩm.
Vấn đề hóa chất trong thực phẩm là mối quan tâm của rất nhiều người trong
chúng ta. Dù ăn ở nhà hay ăn ở tiệm chúng ta cũng không thể nào tránh khỏi được
hóa chất...Hầu như hóa chất hiện diện khắp mọi nơi, mọi chỗ. Ăn một tơ phở, ăn
một gói mì, uống một lon coca, thậm chí nhai một thỏi chewing gum, chúng ta
cũng đã vơ tình nuốt vào người một số chất hóa học nào đó. Tùy loại hóa chất, tùy
theo ăn uống nhiều hay ít, ăn uống có thường xun hay khơng và đơi khi cũng cịn
tùy theo người ăn, có người ăn vào thì khơng hề hấn gì, có người khác thì bị phản
ứng ngay lập tức, chẳng hạn như ngứa ngáy, nổi mề đay, khó thở… Cuộc sống
càng văn minh tiến bộ, con người càng phải đối đầu nhiều hơn với hiểm hoạ hóa
chất cũng như chất phụ gia…
Trên thị trường có 4 dạng muối nitrit, nitrat dùng trong bảo quản thực phẩm
nhưsau: KNO2, NaNO2, KNO3, NaNO3 . Ở đây chúng em chỉ đề cập đến NaNO3.
1.1.1 Nhận dạng hóa học.

Tên khoa học: Sodium Nitrate.
Tên thường gọi: Muối natri nitrat, Sơ đa nitơ. Muối này cịn được biết đến
với cái tên diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru ( do 2 nơi này có lượng trầm tích lớn
nhất).

CTHH: NaNO3
1.1.2 Tính chất vật lý cơ bản.
• Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt hoặc bột màu trắng.
• Mùi: khơng mùi.
• Vị: ngọt.
• Phân tử lượng: 84.9947 g/mol.
• Tỉ trọng: 2.257 g/cm3, rắn.
• Điểm nóng chảy: 3080C.
2NaNO3 = 2NaNO2 + O2
 Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó
có thể oxi hóa Mn2+ → MnO42- , Cr3+ → CrO42- .
MnSO4 + 2KNO3 + 2Na2CO3 = Na2MnO4 + 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 2

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

• Điểm sơi: 3800C ( nóng chảy).
• Độ nhớt ở 300C (nồng độ 15%) NaNO3: 0,94.10-3 N.s/m2.

• Độ hịa tan:
 Tăng trong nước nóng.
73.0 g/ 100 ml ở 00C.
92.1 g/ 100 ml ở 250C.
180 g/ 100 ml ở 1000C.
 Ít tan trong metanol ( CH3OH ) : 1g/ 300 ml.
 Rất ít tan trong axeton và glycerol.
 Tan rất tốt trong amoniac.
• Độ ổn định:
 Phản ứng mạnh với các chất dễ cháy, hữu cơ.
 Có phản ứng với các loại chất khử, acid.
1.1.3 Tính chất độc hại.
• Ngun nhân: Hít hoặc nuốt nhầm.
• Tác hại lâu dài: (theo các kết quả thử nghiệm trên động vật).
 Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hồng
cầu hiện tượng tím tái và hơn mê.
 Có thể gây đột biến gen (ảnh hưởng tới các tế bào gốc).
 Có thể gây hại cho sức khỏe sinh sản.
 Có thể là nguyên nhân gây ung thư.
• Tác hại khác:
 Da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tấy đỏ, ngứa, đau nhức.
 Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt.
 Hít nhầm: gây hại cho hệ hơ hấp khi hít phải: ho, thở gấp.
 Nuốt nhầm: có thể gây ngộ độc nghiêm trọng.
1.1.4 Triệu chứng lâm sàng khi ngộ độc nitrat:
Viêm dạ dày, đau bụng, buồn nôn và nơn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng mặt,
mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, mất tập trung, tăng nhịp tim, tụt huyết áp, khó
thở ….
1.1.5 Đặc tính cháy nổ:
• Cháy:

 Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa.
 Tăng khả năng bắt cháy của các chất dễ cháy (gỗ, giấy …).
 Cháy bùng thành ngọn lửa khi nung nóng đến 540°C.
 Dễ bắt cháy khi nung nóng nếu trộn lẫn với than củi.
 Dễ bắt lửa khi tiếp xúc các chất hữu cơ, dễ cháy.
• Nổ:
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 3

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

 Gây phản ứng nổ với các hợp chất hydrocarbon.
 Tương tác với amidosulfate (sulfamate) khi nung nóng có thể gây
nổ mạnh do tạo ra N2O và hơi nước.
 Khi trộn lẫn với bột nhôm hoặc oxit nhôm.
1.1.6 Điều chế và ứng dụng
• Điều chế
 Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:
KNO3 + NaCl = NaNO3 + KCl
Hồ tan muối lỗng KNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết
tinh KCl ở nhiệt độ 300C. Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ
dưới 220C sẽ kết tinh NaNO3.
 Natri nitrat được sản xuất trong công nghiệp bằng phản ứng trung
hoà HNO3 với Na2CO3.

HNO3 + Na2CO3 = NaNO3 + CO2 + H2O.
• Ứng dụng
Nó có thể dùng trong sản xuất HNO3 khi phản ứng với H2SO4 rồi tách HNO3
ra thơng qua q trình chưng cất phân đoạn, cịn lại là bã NaHSO4 . Những người
săn vàng dùng natri nitrat để điều chế nước cường toan có thể hồ tan vàng và các
kim loại quý khác.
NaNO3 còn được dùng chung với KNO3 cho việc bảo quản nhiệt, và gần đây,
cho việc chuyển đổi nhiệt trong các tháp năng lượng mặt trời. Ngồi ra nó cịn
dùng trong cơng nghiệp nước thải cho sự hô hấp tuỳ ý của vi sinh vật.
1.2. Khái niệm chung về cơ đặc
Cơ đặc là q trình đun sôi dung dịch, làm bay hơi một phần dung
môi trong dung dịch, kết quả thu được dung dịch đậm đặc hơn dung dịch ban đầu,
dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ.
Ứng dụng của q trình bay hơi( cơ đặc) là làm tăng nồng độ của chất hòa
tan trong dung dịch; tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn ( kết tinh); tách dung mơi ở
dạng ngun chất ( nước cất). Nó có 2 phương pháp cơ đặc:
• Phương pháp nhiệt: dung mơi 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 thống chất lỏng.
• Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó
thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung
môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng
lên mặt thống mà q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi
phải dùng đến thiết bị làm lạnh.
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 4

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh

Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Q trình cơ đặc khác q trình chưng cất ở chỗ: trong qúa trình chưng cất
cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Cịn cơ đặc chỉ
cho dung mơi bay hơi, cịn chất tan không bay hơi.
Cô đặc bao gồm hệ thống cô đặc một nồi và nhiều nồi. Với cô đặc một nồi
thường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng khơng có giá trị kinh tế.
Cịn cơ đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa
kinh tế cao về sử dụng nhiệt.
1.3. Cấu tạo thiết bị cô đặc
Trong cơng nghiệp hóa chất và thực phẩm, các loại thiết bị cơ đặc đun nóng
bằng hơi nước phổ biến, loại này gồm 2 bộ phận chính:
- Bộ phận đun sơi dung dịch ( phòng đốt) .
- Bộ phận bốc hơi( phòng bốc hơi) là 1 phòng trống.
Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý những yêu cầu sau:
- Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa và lắp ghép, các chi tiết
phải quy chuẩn hóa, giá thành rẻ.
- Đáp ứng yêu cầu kĩ thuật: chế độ làm việc ổn định ít bám cặn, dễ
làm sạch, dễ điều chỉnh và kiểm tra.
- Cường độ truyền nhiệt lớn.
Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:
- Theo sự bố trí bề mặt truyền nhiệt: loại nằm ngang, loại thẳng
đứng, loại nằm nghiêng…
- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi( hơi nước bão hịa, hơi q
nhiệt), bằng khói lị, bằng dịng điện, bằng các chất tải nhiệt đặc biệt( dầu,
hydrocacbon).
- Theo tính chất tuần hồn của dung dịch: tuần hoàn tự nhiên hay

cưỡng bức.
- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt: loại vỏ bọc ngoài, ống chùm,
ống xoắn…
1.4. Nhiệm vụ thiết kế.
Trong đồ án này, yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO3
ba nồi xi chiều phịng đốt trong ống tuần hồn ngồi kiểu đứng với u cầu cơng
nghệ như sau:
Năng suất tính theo dung dịch đầu: 14 tấn/h.
Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng.
Nồng độ cuối của dung dịch: 36% khối lượng.
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,5 at.
Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,1 at.
1.4.1.Ưu - nhược điểm của thiết bị
a. Ưu điểm
 Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 5

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

giữa các nồi, chính vì thế mà ở thiết bị này không dùng bơm.
 Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nhiệt độ sơi của nồi sau, do đó
dung dịch đi vào mỗi nồi( trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sơi, do đó
dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước,

gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu, có nhiệt độ tháp
hơn nhiệt độ sơi, do đó cần phải tốn 1 lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy
dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hay
nước ngưng tụ.
 Q trình cơ đặc rất tiết kiệm năng lượng cần sử dụng, vận tốc tuần hồn
lớn vì ống tuần hồn khơng bị đơt nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng.
b. Nhược điểm
 Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung
dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền
nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.
1.5. Thuyết minh hệ thống cô đặc.
Dung dịch đầu NaNO3 10% được bơm đưa vào thùng cao vị từ thùng chứa,
sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị trao đổi nhiệt. Ở thiết bị trao đổi nhiệt
dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi 1. Ở nồi này dung
dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng, dung dịch chảy trong các ống
truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí
khơng ngưng được đưa qua cửa tháo khí khơng ngưng. Nước ngưng được đưa ra
khỏi phịng đốt bằng của tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong
phòng bốc gọi là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận
tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
Dung dịch từ nồi 1 tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó sự chênh lệch áp suất làm
việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước . Nhiệt độ của nồi trước lớn
hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi ,
kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một
lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Hơi thứ bay lên ở nồi 1 được đưa vào
phòng đốt của nồi 2, làm hơi đốt cho nồi 2, hơi thứ bay lên ở nồi 2 được đưa vào
phòng đốt của nồi 3, làm hơi đốt cho nồi 3 và hơi thứ bay lên của nồi 3 được đưa
vào thiết bị baromet ngưng tụ, có tác dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc.
Dung dịch sản phẩm của nồi 3 được đưa vào thùng chứa sản phẩm. Hơi thứ bốc ra
khỏi nồi 3 được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet, lúc nayg nước làm lạnh từ trên

đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra
ngoài cịn khí khơng ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi đi vào bơm hút chân
không.

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 6

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ
CHÍNH
2.1 Cân bằng vật liệu
Mục đích: tính được lượng hơi đốt và hơi thứ
Các số liệu ban đầu như sau:
Năng suất tính theo dung dịch đầu: 14 tấn/h = 14000 kg/h.
Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng.
Nồng độ cuối của dung dịch: 36% khối lượng.
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4.5 at.
Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0.10 at.
2.1.1 Xác định lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống
Gọi: Gđ, Gc - lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h
xđ, xc - nồng độ đầu và cuối, % khối lượng
W - lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h
Ở đây, ta coi q trình bốc hơi chất hịa tan khơng bị mất mát theo hơi thứ, khi đó

phương trình cân bằng vật liệu của quá trình bốc hơi sẽ là:
Gđ = Gc + W
Đối với chất hòa tan:
Gđ .xđ = Gc.xc + W
Từ 2 phương trình này ta rút ra:

(1)
(2)

xđ

W = Gđ.( 1 - x )
c
Thay các giá trị ban đầu vào, ta được:
W = 14000. ( 1-

10
) = 10111.11 (kg/h)
36

Vậy lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là 10111.11 kg/h.
2.1.2 Sự phân phối hơi thứ trong các nồi
Gọi W1 ,W2, W3 là lượng hơi thứ của các nồi tương ứng 1, 2, 3 (kg/h).
W

W

1
2
Ta chọn sự phân phối hơi thứ theo tỉ lệ: W = W = 1,002

2
3
Ta có lượng nước bốc hơi của các nồi:

W
⇔
⇔

W1

W1

= W1 + W2 + W3 = W1 + 1,002 + (1,002) 2 =10111,11
3,006004.W1 = 10151,595
W1 = 3377,106 (kg/h)

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 7

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

W1
= 3370,365(kg/h).
1,002

W2
Ở nồi 3: W3 = (1,002) 2 = 3363,639( kg/h).

Ở nồi 2: W2 =

2.1.3 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi
Gọi x1 , x2 , x3: là nồng độ tương ứng trong nồi 1, 2, 3, % khối lượng
G

14000

đ
Ở nồi 1: x1 = x đ . G − W = 10. 14000 − 3377,106 = 13,171%
đ
1

G

14000

đ
Ở nồi 2: x 2 = x đ . G − W − W = 10. 14000 − 3377,106 − 3370,365 = 19,304% .
đ
1
2
Ở nồi 3: x3 = 36% .
2.2 Cân bằng nhiệt lượng
Mục đích: tính được lượng nhiệt cần tiêu tốn, hệ số, nhiệt độ hữu ích. Tính
được hệ số truyền nhiệt K để từ đó tính được bề mặt truyền nhiệt.
2.2.1 Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi

∆P : hiệu áp suất chung, at.
P1, P2, P3: áp suất hơi đốt nồi 1, 2, 3, at.
Pnt: áp suất hơi ở thiết bị ngưng tụ, at.
Bằng cách giả thiết hệ số áp suất giữa các nồi là 1 đại lượng thích hợp.

∆P1

∆P2

Cho ∆P = 1,75; ∆P = 2,0
2
3
Ta có: ∆P = P1 − Pnt = 4.5 − 0.1 = 4.4at
Mà ∆P = ∆P1 + ∆P2 + ∆P3 = 4.4at
Suy ra: ∆P = 1,75∆P2 + ∆P2 +

∆P2
= 4,4
2,0

⇔ 6,5∆P2 = 8,8
⇔
∆P2 = 1,354at
⇔ ∆P1 = 1,75.∆P2 = 2,3695at
∆P
⇔ ∆P3 = 2 = 0,677 at
2,0

Vậy:

P3 = ∆P3 + Pnt = 0,677 + 0,1 = 0,777 at.
P2 = ∆P2 + P3 = 1,354 + 0,777 = 2,131 at.
P1 = ∆P1 + P2 = 2,3695 + 2,131 = 4,5005 at.

Gọi

t hđ 1 , t hđ 2 , t hđ 3 , t nt

là nhiệt độ của hơi đốt đi vào các nồi 1, 2, 3 và

thiết bị ngưng tụ
t ht1 , t ht 2 , t ht 3 là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 8

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Với t htt = t hds + 10 C
Dựa vào bảng I250,STQTTB,T1/312 và bảng I251,STQTTB,T1/314
Bảng 1.1
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

TB
ngưng tụ

P1 (at )

t 0C

P2 (at )

t 0C

P3 (at )

t 0C

Pnt (at )

t 0C

Hơi 4,5
đốt
Hơi 2,185
thứ

147

2,131

121,342

0,777

92,149

0,1

45,4

122,342

0,8076

93,149

0,1056

46,4

-

-

2.2.2 Xác định nhiệt độ tổn thất
2.2.2.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ( ∆' )
Ta có:

∆' = t sdd − t sdm : là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi

nguyên chất ở cùng 1 áp suất, gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Theo phương pháp Tiasenco: ∆' = ∆ 0 ' . f = ∆' 0 .16,2.
Trong đó:

Ts
r

2

'

∆ 0 - tổn thất nhiệt độ do áp suất thường gây ra

f- hệ số hiệu chỉnh, với
Ts - nhiệt độ sôi của dung dịch nguyên chất (K)
r- ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất làm việc (J/kg).
'
Tra bảng VI.2,STQTTB,T2/64 ta sẽ biết được tổn thất nhiệt độ ∆ 0 theo nồng độ a (
% kl).
Dựa vào bảng I251,STQTTB,T1/314- 315 ta xác định được nhiệt hóa hơi r
theo áp suất hơi thứ.
Vậy ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo công thức trên:
T
∆ = ∆ 0 . f = ∆ 0 .16,2. s
r
'

'

2

'

Các số liệu tương ứng
Bảng 1.2
Nồi 1
Nồi 2
Nồi 3

∆' 0 (0C)

t ht (0C)

1,58394
2,4956
5,80

122,342
93,149
46,4

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 9

r (J/kg)
2201155
2277392
2459760
SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh

Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Ở nồi 1:
16,2.(122,342 + 273) 2
∆ 1 = 1,58394.
= 1,822 0 C
2201155
'

Ở nồi 2:
'

∆ 2 = 2,4956.

16,2.(93,149 + 273) 2
= 2,38 0 C
2277392

Ở nồi 3:
'

∆ 3 = 5,80.

16,2.(46,4 + 273) 2
= 3,9 0 C
2459760

Vậy tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ là: ∑ ∆' = 8,102 0 C
2.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆'' )
Trong lịng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sơi của dung dịch càng tăng
do áp lực của cột chất lỏng. Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên
mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh.

∆'' = ttb − t0 , độ.
Với:

t tb - nhiệt độ sôi ứng với P

tb

to - nhiệt độ sơi của dung dịch trên mặt thống.
Theo CT VI.12,STQTTB,T2/60, ta có:
Ptb = Pht + (h1 +

h2
).ρ dds .g
2

Với: Pht - áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch.
h1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến
mặt thoáng của dung dịch, = 0.5m
h2 - chiều cao ống truyền nhiệt, = 3m.
g- gia tốc trọng trường, m/s2.
ρ dds - khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3.
ρ dds =

ρ dd
.
2

ρ dd được nội suy và ngoại suy từ bảng I59,STQTTB,T1/46
Để tính t tb của dung dịch NaNO3 ứng với Ptb ta dùng công thức Balo:
P

 Ps

P

P
P
 = K = const ⇒
= 0 ⇒ Ps = Ps 0 .
Ps Ps 0
Po


Trong đó:

P0 = 1 at: giá trị áp suất ở điều kiện chuẩn.
Ps0 – áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở điều kiện
chuẩn, at. Nội suy từ bảng I250,STQTTB,T1/312.
P – áp suất môi trường( hơi thứ), at.
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 10

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Ps - áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất P, at.
⇒ Ps = Ps 0 .P ⇒ Ps = Ps 0 .Ptb

Ở nồi 1:
Ứng với x1= 13,171% → t s 0 = 101,677 0 C bảng I204, STQTTB,T1/236, chất
NaNO3.
Ta có: Pht1 = 2,185at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ứng với
t so = 101,677 0 C là Ps 0 = 1,0997at
ρ dd = 1042,02 (kg/m3) → ρ dds = 521,01(kg/m3)
3

Vậy: Ptb1 = 2,185 + (0,5 + 2 ).521,01.

9,81
= 2,2892(at )
9,81.10 4

⇒ Ps = Ps 0 .Ptb ⇒ Ps = 1,0997.2,2892 = 2,5174(at ) → t tb1 = 126,4810 C

(bảng I251,STQTTB,T1/315).
Nhiệt độ sơi của dung dịch trên mặt thống:
t o1 = t ht1 + ∆1 ' = 122,342 + 1,822 = 124,164 0 C

Vậy : ∆ 1'' = 126,481 − 124,164 = 2,317 0 C

Ở nồi 2:
Ứng với x2= 19,304% → t sô = 102,59 0 C bảng I204, STQTTB,T1/236, chất
NaNO3.
Ta có: Pht 2 = 0,8076at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ứng với
t s 02 = 102,59 0 C là Ps 02 = 1,1361at
ρ dd = 1085,106 (kg/m3) → ρ dds = 542,553(kg/m3)
3

Vậy: Ptb 2 = 0,8076 + (0,5 + 2 ).542,553.

9,81
= 0,9161( at )
9,81.10 4

⇒ Ps = Ps 0 .Ptb ⇒ P02 = 1,1361.0,9161 = 1,0408(at ) → t tb 2 = 100,14 0 C

(bảng I251,STQTTB,T1/314).
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t os 2 = t ht 2 + ∆ 2 ' = 93,149 + 2,38 = 95,529 0 C

Vậy : ∆ 2 '' = 100,14 − 95,529 = 4,6110 C
Ở nồi 3:
Ứng với x3=36 % → t so = 105,89 0 C bảng I204, STQTTB,T1/236, chất
NaNO3.
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 11

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

t s 03

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Ta có: Pht 3 = 0,1056at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ứng với
= 105,89 0 C là Pso 3 = 1.273at
ρ dd = 1219,1 (kg/m3) → ρ dds = 609,55 (kg/m3)
3

9,81

Vậy: Ptb3 = 0,1056 + (0,5 + 2 ).609,55. 9,81.10 4 = 0,23(at )
P

1

Mặt khác: K = P = 1,273 → P03 = 1,273.P
03
⇒ Ps = Ps 0 .Ptb ⇒ Ps 03 = 1,273.0,23 = 0,293( at ) → t tb 3 = 68,07 0 C

(bảng I251,STQTTB,T1/314).
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
t o 3 = t ht 3 + ∆ 3 ' = 46,4 + 3,9 = 50,3 0 C
''

Vậy : ∆ 3 = 68,07 − 50,3 = 17,77 0 C
Vậy ∑ ∆'' = ∆1'' + ∆ 2 '' + ∆'' 3 = 24,698 0 C .
2.2.2.3 Tổn thất do trở lực của đường ống (∆''' )
Chọn tổn thất áp suất do trở lực của đường ống trong từng nồi là 10C
→ ∑ ∆''' = ∆'''1 + ∆''' 2 + ∆''' 3 = 3 0 C

2.2.2.4 Tổng tổn thất nhiệt độ cho toàn bộ hệ thống
∑ ∆ = ∆' + ∆'' + ∆''' = 8,102 + 24,698 + 3 = 35,8 0 C

2.2.2.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn hệ thống và từng nồi
Nồi 1: ∆t1 = t hđ 1 − t hđ 2 − ∑ ∆1 = 147- 121,342- (1,822+2,317+1) = 20,519 0 C
Nồi 2: ∆t 2 = t hđ 2 − t hđ 3 − ∑ ∆ 2 = 121,342 – 92,149 – (2,38 +4,611 + 1) = 21,202 0C
Nồi 3: ∆t 3 = t hđ 3 − t nt − ∑ ∆ 3 = 92,149 – 45,4 – (3,9 + 17,77 + 1)= 24,0790C
Cho toàn hệ thống:
∆t ht = t hđ 1 − t nt − ∑ ∆ = 147- 45,4 – 35,8= 65,80C.
2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng.
2.2.3.1 Tính nhiệt lượng riêng.
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt, J/kg
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ, J/kg
Các giá trị trên được tra theo bảng I250,STQTTB,T1/312.
2.2.3.2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch
 Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cơ đặc.
Vì x đ = 10% < 20% nên áp dụng CT I.43,STQTTB,T1/152
→ C 0 = 4186.(1 − x) → C 0 = 4186(1 − 0,1) = 3767,4 (J/kg.độ)
 Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1.
Ta có: x1 = 13,171% < 20%
→ C1 = 4186.(1 − x) → C1 = 4186(1 − 0,13171) = 3634,662 (J/kg.độ)
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 12

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

 Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2.
Ta có: x 2 = 19,304% < 20%
→ C 2 = 4186.(1 − x 2 ) → C 2 = 4186(1 − 0,19304) = 3377,935 (J/kg.độ)
 Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 3.
Ta có: x3 = 36% > 20% nên áp dụng CT I.44,STQTTB,T1/152.
C 3 = C ht .x3 + 4186(1 − x3 )
Với C ht - nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan, ở đây là NaNO3 , J/kg.độ.
Tính C ht theo CT I.41,STQTTB,T1/152:
M hc .C ht = n Na .C Na + n N .C N + nO .C O
Trong đó: n Na , n N , nO - số nguyên tử của Na, N, O trong hợp chất.

Mhc – khối lượng mol của hợp chất
C Na , C N , C O - nhiệt dung riêng của các nguyên tố trong hợp chất. Tra
theo bảng I.141,STQTTB,T1/152 ta có:
C Na = C N = 26000 J/kg.độ ; C O = 16800 J/kg.độ.
1

Vậy: C ht = M .(n Na .C Na + n N .C N + nO .CO )
hc
1
.(1.26000 + 1.26000 + 3.16800) = 1204,71 (J/kg.độ)
85

Do đó: C3 = 1204,71.0,36 + 4186(1 − 0,36) = 3112,736 (J/kg.độ)
→ C ht =

2.2.3.3 Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước
ngưng và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi.
Chọn tổn thất nhiệt độ khi hơi thứ nồi trước di chuyển trong hệ thống ống đi
làm hơi đôt cho nồi sau là 10C.
Dựa vào nhiệt độ hơi đốt và hơi thứ đã tính được ở CBVL, tra bảng và nội
suy, ta được các giá trị I, i, Cn.
Tính I và i bằng phương pháp nội suy ( tra theo bảng I.250,
STQTTB,T1/312 - 313).
Tính Cn theo bảng I.249,STQTTB,T1/311.
Bảng 1.3
Hơi đốt
Hơi thứ
-3
0
Nồi
tC
I.10
tC
i.10-3
Cn
(J/kg.độ) (J/kg.độ)
(J/kg.độ)
1
147
2749,4
4304,5 122,342 2714,279
2 121,342 2712,879 4252,14 93,149 2667,668

7
3
92,149 2665,86 4211,438
46,4
2582,516
8
0

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 13

Dung dịch
tC
C
(J/kg.độ)
126,481 3634,662
100,14 3377,935
0

68,07

3112,736

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

2.2.3.4 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng và tính lượng hơi đốt cần thiết.
Ta có:
- D1 , D2 , D3 : lượng hơi đốt vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 ,kg/h
- Gđ , Gc : lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống ,kg/h.
- W: lượng hơi thứ bốc ra của toàn hệ thống, kg/h
- W1 ,W2 ,W3 : lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2 và nồi 3, kg/h.
- C1 , C 2 , C 3 : nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1, 2, 3, J/kg.độ
- C đ , C c : nhiệt dung riêng của dung dịch vào và ra, J/kg.độ
- C n1 , C n 2 , C n3 : nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3, J/kg.độ
- I 1 , I 2 , I 3 : hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, J/kg.độ
- i1 , i2 , i3 : hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, J/kg.độ
- t đ , t c : nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, 0C.
- t1 , t 2 , t 3 : nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3 ở Ptb, 0C
- θ1, θ2, θ3: nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, 0C.
- Qtt1 , Qtt 2 , Qtt 3 : nhiệt độ tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, J.
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑ Qvào = ∑ Qra
Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
 Ở nồi 1.
Gđ .C đ .t đ + D1 .I 1 = W1 .i1 + ( Gđ − W1 ).C1 .t1 + D1 .C n1 . θ1 + 0,05.D1 .( I 1 − C n1 . θ1)
⇔ 0,95.D1 .( I 1 − C n1 . θ1) + W1 .(C1 .t1 − i1 ) = Gđ .(C1 .t1 − C đ .t đ )
 Ở nồi 2.
D2 .I 2 + ( Gđ − W1 ).C1 .t1 = W2 .i2 + (Gđ − W1 − W2 ).C 2 .t 2 + D2 .C n 2 . θ2+ 0,05.D2 .( I 2 − C n 2 .θ2)
⇔ W1 .(0,95.I 2 − C1 .t1 + C 2 .t 2 − 0,95C n 2 . θ2) + W2 .(C 2 .t 2 − i 2 ) = Gđ .(C 2 .t 2 − C1 .t1 ) (*)
 Ở nồi 3.
D3 .I 3 + (Gđ − W1 − W2 ).C 2 .t 2 = W3 .i3 + (Gđ − W1 − W2 − W3 ).C 3 .t 3 + D3 .C n 3 . θ3 + 0,05.D3 .( I 3 − C n 3 . θ3)
⇔ W2 .(0,95 I 3 − C 2 .t 2 + i3 − 0,95.C n 3 . θ3)+ W1 .(i3 − C 2 .t 2 ) = Gđ (C 3 .t 3 − C 2 .t 2 ) + W (i3 − C 3 .t 3 )

(đặt là **).
Giả thiết nhiệt cung cấp cho q trình cơ đặc chỉ là nhiệt ngưng tụ thì có thể

xem nhiệt độ nước ngưng bằng nhiệt độ hơi đốt: θ = t hđ .
1965619,956.W 1 - 2329401,589.W 2 = -1700289829
(1)
2244249,589.W 1 + 4308148,379.W 2 = 22200366930
(2)
Giải hệ phương trình (1) và (2), có:
W 1 = 3241 kg/h
W 2 = 3464,78kg/h.
W 3 = W – (W1 + W2 ) = 10111,11-( 3241+ 3464,78)= 3405,33 kg/h.
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 14

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Ta có:
η1 =
η2 =
η3 =

W1 − W1gt
W1
W2 − W2 gt
W2
W3 − W3 gt

W3

.100% =
.100% =
.100% =

3241 − 3377,106
3241

.100% = 4,1995% < 5%

3464,78 − 3370,365
3464,78
3405,33 − 3363,639
3405,33

.100% = 2,725% < 5%
.100% = 1,2243% < 5%.

Gđ .(C1 .t1 − C đ .t đ ) − W1 .(C1 .t1 − i1 )
=
0,95( I 1 − C n1 .t hđ 1 )
14000.(3634,662.126,481 − 3767,4.124,164) − 3241.(3634,662.126,481 − 2714279)
=
0,95.(2749400 − 4304,5.147)

D1 =

=3577,77 (kg/h).
2.3 Tính các thơng số kĩ thuật chính.

2.3.1 Độ nhớt
t1 − t 2

Sử dụng cơng thức Pavolow: θ − θ = K
1
2
Trong đó: t1 ,t 2 - nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt µ1 , µ 2 .
θ1 , θ 2 - nhiệt độ chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
x1 = 13,171% , chọn chất chuẩn là nước.
Nồi 1.
 t1 = 20 0 C ⇔ µ t1 = 1,102.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].
⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t1 là θ1 = 16,32 0 C tra bảng I.102/94-[1].
 t 2 = 40 0 C ⇔ µ t 2 = 0,758.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].
⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t 2 là θ 2 = 32,6310 C tra bảng I.102/94-[1].
ts − t2
t −t
= K ⇒ θs = s 2 + θ2 .
θs −θ2
K
126,481 − 40
Với t s = t tb = 126,4810C, nên θ s = 1,226 + 32,631 =103,170C.
Tra bảng I.104/96-[1] ta được µ1 = 0,2755.10 −3 ( N .s / m 2 )
x 2 = 19,304% , chọn chất chuẩn là nước.
Nồi 2.
 t1 = 20 0 C ⇔ µ t1 = 1,1716.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].
⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t1 là θ1 = 13,9810 C tra bảng I.102/94-[1].

 Suy ra K=1,226. Mà

 t 2 = 40 0 C ⇔ µ t 2 = 0,85.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].

⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t 2 là θ 2 = 27,2430 C tra bảng I.102/94-[1].
 Suy ra K=1,508. Mà
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

ts − t2
t −t
= K ⇒ θs = s 2 + θ2 .
θs −θ2
K
Page 15

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh

=


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

100,14 − 40
+ 27,243 =67,1240C.
1,508
Tra bảng I.102/95-[1] ta được µ 2 = 0,42257.10 −3 ( N .s / m 2 )
x3 = 36% , chọn chất chuẩn là nước
Nồi 3.

Với t s = t tb = 100,140C, nên θ s =

 t1 = 20 0 C ⇔ µ t1 = 1,426.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].

⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t1 là θ1 = 7,048 0 C tra theo bảng
I.102/94-[1].
 t 2 = 40 0 C ⇔ µ t 2 = 1,122.10 −3 ( N .s / m 2 ) tra theo bảng I.107/100-[1].
⇒ Nhiệt độ của nước tương ứng với µ t 2 là θ 2 = 15,62 0 C tra theo bảng
I.107/94-[1].
ts − t2
t −t
= K ⇒ θs = s 2 + θ2
θs −θ2
K
68,07 − 40
Với t s = t tb = 68,070C, nên θ s = 2,333 + 15,62 = 27,6520C.
Tra bảng I.102/94-[1] ta được µ 3 = 0,84244.10 −3 ( N .s / m 2 )

 Suy ra K = 2,333. Mà

2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch.
Tính theo cơng thức I.32/123-[1]:

ρ
M

λdd = A.C p .ρ .3

, W/m.độ;

Trong đó:
Cp- nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch, J/kg.độ,
ρ - khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3,
M- khối lượng mol của dung dịch, g/mol;

A- hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng, chọn A= 3,58.10-8.
Với : M = mi .M ct + (1 − mi ).M H 2O
Mà:
xi

mi =

M ct
xi
(1 − xi )
+
M ct M H 2O

Với Mct= 85 (g/mol); MH 2 O= 18( g/mol ).
x1 = 13,171% ⇒ m1 = 0,0311
Nồi 1.
M 1 = m1 .M ct + (1 − m1 ).M H 2O
= 0,0311.85+ (1 – 0,0311).18 = 20,0837 (g/mol).

ρ1
SVTH1: Nguyễn Thị Minh ThảoM
1
λ1 = A.C p1.ρ1.3

Page 16

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

= 3,58.10-8.3634,662.1042,02. 3
Nồi 2.

1042,02
=0,506(W/m.độ)
20,0837

x 2 = 19,304% ⇒ m2 = 0,0482

M 2 = m2 .M ct + (1 − m2 ).M H 2O
= 0,0482.85+ (1-0,0482).18 = 21,2294 (g/mol)

λ2 = A.C p 2 .ρ 2 .3

ρ2
M2

=3,58.10-8.3377,935.1085,106. 3
Nồi 3.

1085,106
=0,487(W/m.độ)
21,2294

x3 = 36% ⇒ m3 = 0,1064

M 3 = m3 .M ct + (1 − m3 ).M H 2O

= 0,1064.85+ (1-0,1064).18 = 25,1288 (g/mol)

λ3 = A.C p 3 .ρ 3 .3

ρ3
M3

=3,58.10-8.3112,736.1219,1. 3

1219,1
=0,4955(W/m.độ)
25,1288

2.3.3 Hệ số cấp nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ hơi đốt đến dung dịch trong ống dẫn gồm 3 giai đoạn:
 Truyền nhiệt từ hơi đốt đến bề mặt ngoài của ống truyền nhiệt với hệ
số cấp nhiệt là α 1 với nhiệt tải riêng là q1 (W/m2).
 Dẫn nhiệt qua ống truyền nhiệt có bề dày δ (m).
 Truyền nhiệt từ ống truyền nhiệt vào dung dịch với hệ số cấp nhiệt là
α 2 và nhiệt lượng tải riêng là q 2 (W/m2).
a) Giai đoạn cấp nhiệt từ hơi đốt đến thành thiết bị
Theo định luật Niuton ta có: q1 = α 1 .∆t1
Trong đó: ∆t1 - hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ (nhiệt độ bão hòa)
và nhiệt độ thành ∆t1 = t bh − tT .
Ở đây ta chọn:
Nồi 1: ∆t1 = 2,10 C
Nồi 2: ∆t1 = 2,15 0 C
Nồi 3: ∆t1 = 2,5 0 C
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 17

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Đây là trường hợp nước ngưng chảy thành dòng, khi đó hệ số cấp nhiệt tính theo
cơng thức Nuxen:
α 1 = 2,04. A.4

r
, [W/m2.độ] theo CT V101/28-[2].
∆t1 .H

Với H – chiều cao ống truyền nhiệt, = 3m.
0 , 25

 ρ 2 .λ3 
 , đối với nước giá trị A phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m ,
Trong đó: A = 
µ


cịn r là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt.
Tra bảng I.250/312- 313- [1], ta có:
Bảng 1.10
Nhiệt độ hơi đốt t, 0C

Nhiệt hóa hơi, r hh .10-3 J/kg
Nồi 1
147
2123
Nồi 2
121,342
2203,511
Nồi 3
92,149
2279,842
Mà ta có: t m = 0,5.(tT + t bh ), mà tT = t bh − ∆t1
t m = t hđ −

∆t1
, ( tbh = thđ ), từ đó tra hệ số A trang 29-[2] ta lập bảng sau:
2

Bảng 1.11
0

t hđ , C
∆t1 , 0 C
tm ,0 C

A

Nồi 1
147
2,1
145,95

194,8925

Nồi 2
121,342
2,15
120,267
188,0534

Nồi 3
92,149
2,5
90,899
174,4495

Vậy:
0 , 25

Nồi 1: α 1,1

0 , 25
 r 
2123000


 =2,04.194,8925. 
= 2,04. A.
 = 9579,2(W/m2.độ).

H
.

∆
t
3
.
2
,
1


1,1 

q1,1 = α 1,1 .∆t1,1 =9579,2. 2,1 = 20116,25(W/m2).
0 , 25

Nồi 2: α 1, 2

Nồi 3: α 1,3

0 , 25
 r 
2203511


 =2,04.188,0534. 
= 2,04. A.
 = 9274,71(W/m2.độ).

 3.2,15 
 H .∆t1, 2 
q1, 2 = α 1, 2 .∆t1, 2 = 9274,71.2,15 = 19940,63 (W/m2).

 r 

= 2,04. A.

H
.
∆
t
1, 3 


0, 25

 2279842 

=2,04.174,4495. 
 3.2,5 

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 18

0 , 25

=8356,24(W/m2.độ).
SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

q1,3 = α 1,3 .∆t1,3 =8356,24.2,5= 20890,6(W/m2).

b) Giai đoạn cấp nhiệt từ thành thiết bị đến dung dịch
q 2 = α 2 .∆t 2
Ta có:
Trong đó: ∆t 2 - hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi,
∆t 2 = t T 2 − t 0
t T 2 - nhiệt độ phía trong thành ống phía dung dịch
t o - nhiệt độ của chất lỏng sôi,
t T 2 = t hđ − ∆t1 − ∆t
∆t - hiệu số nhiệt độ ở 2 bên thành
Cịn α 2 tính theo cơng thức sau: α 2 = ψ .α n
Trong đó: α n - hệ số cấp nhiệt đối với nước.

α n = 3,14. p 0,15 .q 0, 7 (W/m2.độ).

p- áp suất trung bình giữa ống truyền nhiệt Ptb, at;

ψ - hệ số điều chỉnh và được xác định theo công thức sau:

λ
ψ =  d
 λn





0 , 565

 ρ
. d
 ρ n





2

C
. d
 Cn

  µn
.
  µd





0 , 435

Trong đó:

λ d , ρ d , C d , µ d - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt

tương ứng với độ sôi của dung dịch.
λ n , ρ n , C n , µ n - độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, độ nhớt tương
ứng của nước.
Bảng 1.12 Các thông số của dung dịch
λ d , w/m.độ
ρ d , kg/m3
C d , J/kg.độ
10 3.µ d , Ns/m2

Nồi 1
0,506
1042,02
3634,662
0,2755

Nồi 2
0,487
1085,106
3377,935
0,42257

Nồi 3
0,4955
1219,1
3112,736
0,84244

Với nhiệt độ sôi của dung dịch là t s1 = 126,4810 C , t s 2 = 100,14 0 C , t s 3 = 68,07 0 C
Tra bảng I.129/133-[1] tìm được λn

Tra bảng I.5/11-[1] tìm được ρ n
Tra bảng I.148/166-[1] tìm được C n
Tra bảng I.249/310-[1] tìm được µ n
Ta có số liệu các thông số trên như sau:
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 19

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Bảng 1.13
λ n , w/m.độ
ρ n , kg/m3

C n , J/kg.độ
10 3.µ n , Ns/m2

Nồi 1:

Nồi 2:

Nồi 1
0,6862
938,086
4257,274

0,2247

λ 
ψ 1 =  d 1 
 λ n1 

0 , 565

 0,506 

=
 0,6862 

0 , 565

λ 
ψ 2 =  d 2 
 λn 2 
 0,487 

=
 0,6827 

Nồi 3:

λ 
ψ 3 =  d 3 
 λn 3 
 0,4955 


=
 0,666 

 ρ  2  C   µ 
. d 1  . d 1 . n1 
 ρ n1   C n1   µ d 1 

0 , 435

 ρ
. d 2
 ρ n 2





2

 C   µ 
. d 2 . n 2 
 C n 2   µ d 2 

0 , 435

 ρ  2  C   µ 
. d 3  . d 3 . n 3 
 ρ n3   C n 3   µ d 3 

= 0,788.

0 , 435

 1085,106  2  3377,935   0,2817 
.
 .
.

 958,277   4229,525   0,42257 

0 , 565

0 , 565

Nồi 3
0,666
978,88
4191,231
0,41251

 1042,02  2  3634,662   0,2247 
.
 .
.

 938,086   4257,274   0,2755 

0 ,565

0 , 565

Nồi 2
0,6827
958,277
4229,525
0,2817

0 , 435

=0,7.

0 , 435

 1219,1  2  3112,736   0,41251 
.
 .
.

 978,88   4191,231   0,84244 

0, 435

=0,693.

t T 2 = t hđ − ∆t1 − ∆t n1
Ta có:
Mà: ∆t = q1 . ∑ r với ∑ r là tổng trở nhiệt
∑ r = r1 + r2 + r3

Theo bảng V.1/4-[2] ta chọn:

Với lớp nước cất: r 1 = 0,116.10-3 ( m2.độ/W)
Với lớp cặn bã: r2 = 0,387.10 =3 ( m2.độ/W).
Nhiệt trở của thành ống: r3 =

δ
( m2.độ/W).
λ

Với ống truyền nhiệt người ta thường dùng thép CT3 có bề dày δ = 2mm .
Chọn vật liệu thép không rỉ tra bảng I.125/127-[1] có λCT 3 = 50 (W/m.độ)
⇒ r3 =

δ 2 x10 −3
=
=4.10-5 ( m2.độ/W)
λ
50

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 20

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

⇒ ∑ r = r1 + r2 + r3 =0,116.10-3 + 0,387.10-3 + 4.10-5 = 5,43.10-4 ( m2.độ/W).

Hiệu số nhiệt độ mất mát khi truyền qua lớp nước ngưng, thành thiết bị và cặn:
∆t n1 = q1,1 . ∑ r = 20116,25.5,43.10-4 = 10,920C.
∆t n 2 = q1, 2 . ∑ r = 19940,63 .5,43.10-4= 10,830C
∆t n 3 = q1,3 . ∑ r = 20890,6.5,43.10-4 = 11,3440C.
0 ,15
0, 7
Tính hệ số cấp nhiệt của nước theo công thức: α n = 3,14. p .q (W/m2.độ).
Tính hệ số cấp nhiệt của dung dịch theo công thức: α 2 = ψ .α n (W/m2.độ).
Nhiệt độ phía trong thành ống: tT 2 = t hđ − ∆t1 − ∆t n1 , 0C.
Lần lượt tính cho mỗi nồi như sau:
∆t n1 = 10,92 0 C
Nồi 1:
t T 2 = t hđ − ∆t1 − ∆t n1 = 147 – 2,1- 10,92 = 133,980C
∆t 2 = t T 2 − t s = 133,98– 126,481 = 7,4990C.
α n = 3,14. p 0,15 .q 0, 7 = 3,14.(2,2892)0,15.(20116,25)0,7 = 3659,023 (W/m2.độ).
α 2 = ψ .α n = 0,788. 3659,023 = 2883,31 (W/m2.độ).
q 2 = α 2 .∆t 2 = 2883,31 .7,499= 21621,94 (W/m2).
∆t n 2 = 10,83 0 C
Nồi 2:
t T 2 = t hđ − ∆t 2 − ∆t n 2 = 121,342 – 2,15 -10,83 = 108,362.0C
∆t 2 = tT 2 − t s = 108,362-100,14 = 8,222.0C.
α n = 3,14. p 0,15 .q 0, 7 = 3,14.(0,9161)0,15.(19940,63 )0,7 = 3169,85(W/m2.độ).
α 2 = ψ .α n = 0,7.3169,85= 2218,9 (W/m2.độ).

q 2 = α 2 .∆t 2 =2218,9 .8,222=18243,8 (W/m2).
∆t n 3 = 11,344 0 C

Nồi 3:

t T 2 = t hđ 3 − ∆t 3 − ∆t n 3 = 92,149 -2,5 -11,344= 78,305
∆t 2 = tT 2 − t s = 78,305– 68,07 = 10,2350C.

α n = 3,14. p 0,15 .q 0, 7 = 3,14.(0,23)0,15.(20890,6)0,7 = 2661,67 (W/m2.độ).
α 2 = ψ .α n = 2661,67 . 0,693 = 1844,538(W/m2.độ).
q 2 = α 2 .∆t 3 = 1844,538. 11,344= 20924,44(W/m2).

Bảng 1.6
∆t n
tT 2
t dd = t s
∆t 2 = t T 2 − t s

Nồi 1
10,92
133,98
126,481
7,499
3659,023
0,788

αn
ψ
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Nồi 2
10,83
108,362
100,14
8,222

3169,85
0,70
Page 21

Nồi 3
11,344
78,305
68,07
10,235
2661,67
0,693
SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

α2
q1
q2

2883,31
20116,25
21621,94

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

2218,9
19940,63
18243,8

1844,538
20890,6
20924,44

Tính sai số giữa q1 và q 2 theo cơng thức sau:
η1 =

η2 =

η3 =

q 2 − q1
q2

.100% =

q 2 − q1
q2
q 2 − q1
q2

.100% =

.100% =

21621,94 − 20116,25
21621,94
18243,8 − 19940,63
18243,8

.100% = 9,30086% < 10%

20924,44 − 20890,6
20924,44

.100% = 6,96371% < 10%

.100% = 0,161725 < 10%

 Nhiệt tải trung bình của mỗi nồi
Nồi 1.
qtb1 =

20116,25 + 21621,94
q1 + q 2
= 20869,095 (W/m2).
=
2
2

qtb 2 =

19940,63 + 18243,8
q1 + q 2
= 19092,215(W/m2).
=
2
2

qtb 3 =

q1 + q 2 20890,6 + 20924,44
2
= 20907,52(W/m ).
=
2
2

Nồi 2.
Nồi 3.

 Hệ số truyền nhiệt của mỗi nồi:
Nồi 1.
Nồi 2.
Nồi 3.

qtb1 20869,095
=
= 1017,06 (W/m2.độ).
∆t i1
20,519
q
19092,215
K 2 = tb 2 =
= 900,491 (W/m2.độ).
∆t i 2
21,202
q
20907,52
K 3 = tb 3 =

= 868,289 (W/m2.độ).
∆t i 3
24,079
K1 =

2.3.4 Hệ số phân bố nhiệt hữu ích thực cho các nồi.
Ở đây phân bố theo điều kiện bề mặt truyền nhiệt các nồi bằng nhau:
F1 = F2 = F3 = CONST

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 22

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

Trong trường hợp này hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi tỉ lệ bậc nhất
với tỉ số Q/K của các nồi tương ứng:

Qi
K
∆thi = n = 3 i .∑ ∆thi
Qi
∑
i =1 K i

CT VI.20/68-[1]

Trong đó:

∑ ∆t hi -tổng hiệu số nhiệt độ có ích của các nồi;
Qi - nhiệt lượng cung cấp, W
K i - hệ số truyền nhiệt , W/m2.độ.

Ta có:

Qi =

Di .ri
3600

Di - lượng hơi đốt của mỗi nồi, kg/h;
ri - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi, J/kg.

Trong đó:

Ki =

1
1
1
+∑r +
α1
α2

Bảng 1.15

D i (kg/h)
ri (J/kg)
α 1 (W/m2.độ).
α 2 (W/m2.độ).

Nồi 1
3577,77
2123000
9579,2
2883,31

Nồi 2
3241
2203511
9274,71
2218,9

Nồi 3
3464,78
2279842
8356,24
1844,538

Ở nồi 1.
Q1 =

3577,77.2123000
D1 .r1
= 2109890,475 (W).
=

3600
3600

SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 23

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị
K1 =

⇒

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

1
=
1
1
−4
1005,82 (W/m2.độ).
+
+ 5,43.10
9579,2 2883,31

Q1 2109890,475
=
= 2097,68.

K1
1005,82

Ở nồi 2.
3241.2203511
D2 .r2
= 1983771,986 ( W)
=
3600
3600
1
K2 =
=
1
1
−4
907,86 (W/m2.độ).
+
+ 5,43.10
9274,71 2218,9

Q2 =

⇒

Q2 1983771,986
=
= 2185,108.
K2
907,86

Ở nồi 3.
3464,78.2279842
D3 .r3
= 2194208,601 (W)
=
3600
3600
1
K3 =
=
1
1
−4
830.
+
+ 5,43.10
8356,24 1844,538

Q3 =

⇒

Q3 2194208,601
=
= 2643,625.
K3
830
3

⇒∑
i =1

Qi
Q
Q
Q
= 1 + 2 + 3 = 2097,68+ 2185,108+ 2643,625= 6926,413.
Ki
K1 K 2 K 3

Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: ∆t hi = 65,8 0 C .
Vậy hiệu số nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi là:
2097,68

Nồi 1. ∆t hi1 = 65,8. 6926,413 = 19,93 0C.
2185,108

Nồi 2. ∆t hi 2 = 65,8. 6926,413 = 20,76 0C.
2643,625

Nồi 3. ∆t hi1 = 65,8. 6926,413 = 25,114 0C.
Tính tốn sai số nhiệt độ hữu ích theo bảng sau:
ηi =

∆t hi ( gt ) − ∆t hi (tính)
∆t hi (tính)

.100% < 10%

Bảng 1.16
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 24

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh


Đồ án mơn học :Q Trình Thiết Bị

Nồi 1
Nồi 2
Nồi 3

GVHD: Ths.Lê Ngọc Trung

∆t hi (giả thiết )

∆t hi (tính tốn)

20,519
21,202
24,079

19,93
20,76
25,114

Sai số %
2,96

2,13
4,12

2.3.5 Tính bề mặt truyền nhiệt Fi .

Fi =

Qi
K i .∆t hii

Bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi là:
Nồi 1.

F1 =

Q1
2109890,475
=
= 105,252
K 1 .∆t hi1 1005,82.19,93

(m2).

Nồi 2.

F2 =

Q2
1983771,986
=

= 105,256
K 2 .∆t hi 2 907,86.20,76

(m2).

Q3
2194208,601
2
=
= 105,265
(m
).
K 3 .∆ t hi 3
830.25,114
1
F + F + F 105,252 + 105,256 + 105,265
= 105,258 m2
Vậy Ftb = ∑ 1 2 3 =
3
3
i =3

Nồi 3.

F3 =

Lấy bề mặt truyền nhiệt cho cả 3 nồi là F = 1,1*Ftb = 1,1*105,258 = 115,78 m2 .
2.4. Phần tính cơ khí
2.4.1 Buồng đốt.
2.4.1.1 Tính số ống truyền nhiệt.

Bề mặt truyền nhiệt F = 115,78 m2.
Chọn ống truyền nhiệt theo bảng VI.6/80-[2], ta có:
1. Đường kính ngồi:
dn= 57mm = 0,057m.
2. Bề dày:
2mm = 0,002m.
3. Chiều cao ống truyền nhiệt:
h= 3m.
Thiết bị sử dụng là thiết bị ống tuần hồn ngồi nên số ống được tính theo cơng
thức:
F
115,78
n=
=
= 215,63
d n .h.π 0,057.3.3,14
(ống).
Theo bảng quy chuẩn số ống truyền nhiệt V.11/48-[2], ta có : ntn = 241 ống.
Với số ống được quy chuẩn trên, mạng ống được sắp xếp theo hình lục giác
đều, với số hình sáu cạnh là 8, số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là
17. Tổng số ống không kể các ống trong các hình viên phân là 217 ống.
Suy ra, bề mặt truyền nhiệt thực:
SVTH1: Nguyễn Thị Minh Thảo

Page 25

SVTH2: Hà Thị Ngọc Oánh