Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục với năng suất 1150 kgh .nồng độ đầu 10%, nồng độ cuối 30%

Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

1/ Tên đề tài:
Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaOH một nồi liên tục với năng suất 1150 kg.h-1.
nồng độ đầu 10%, nồng độ cuối 30%.
2/ Các số liệu ban đầu:
Nguyên liệu: dung dịch NaOH
Năng suất sản phẩm: Gc = 1150 kg.h-1
Nồng độ nhập liệu: Xđ = 10%
Nồng độ sản phẩm: Xc = 30%

Trang i


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ.............................................i
MỤC LỤC..................................................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG....................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.........................................................................................1
1.1

Ngun liệu......................................................................................................1

1.2

Cơ đặc..............................................................................................................1

1.2.1

Khái niệm..................................................................................................1

1.2.2

Tính chất của q trình cơ đặc...................................................................2

1.2.3

Phân loại....................................................................................................2

1.2.4

Các phương pháp cô đặc............................................................................2

1.2.5

Ứng dụng của cô đặc.................................................................................3

1.2.6

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc.............................................3

1.2.7

Cơ sở lựa chọn thiết bị...............................................................................4

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ.......................................5
2.1

Sơ đồ quy trình cơng nghệ................................................................................5

2.2

Thuyết minh sơ đồ quy trình cơng nghệ...........................................................6

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẲNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG................6
3.1

Cân bằng vật chất.............................................................................................7

3.2

Cân bằng năng lượng........................................................................................7

3.2.1

Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc..........................................................7

3.2.2

Xác định lượng nhiệt tổn thất....................................................................7

3.2.3

Cân bằng nhiệt lượng.................................................................................9

3.2.4

Lượng hơi đốt dùng cho toàn bộ hệ thống...............................................10

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH...........................................................12
4.1

Tính tốn bề mặt truyền nhiệt.........................................................................12

4.1.1

Thơng số cần tính tốn và lựa chọn.........................................................12

4.1.2

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1.......................................................12

4.1.3

Hệ số cấp nhiệt phía hơi lỏng sơi.............................................................12
Trang 2


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

4.1.4

Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sơi....................................................14

4.1.5

Diện tích bề mặt truyền nhiệt:..................................................................15

4.2

Buồng đốt và buồng bốc.................................................................................15

4.2.1

Kích thước buồng đốt..............................................................................15

4.2.2

Kích thước buồng bốc..............................................................................18

4.2.3

Kích thước các ống dẫn...........................................................................19

4.3

Tính bền cơ khí cho buồng đốt.......................................................................21

4.3.1

Sơ lược cấu tạo........................................................................................21

4.3.2

Bề dày buồng đốt tối thiểu.......................................................................21

4.3.3

Bề dày thực buồng đốt.............................................................................22

4.3.4

Tính bền cho các lỗ..................................................................................22

4.4

Tính bền cơ khí cho buồng bốc......................................................................23

4.4.1

Sơ lược về cấu tạo....................................................................................23

4.4.2

Bề dày tối thiểu S’...................................................................................23

4.4.3

Bề dày thực S...........................................................................................24

4.4.4

Kiểm tra các điều kiện.............................................................................25

4.4.5

Tính bền cho các lỗ..................................................................................27

4.5

Tính đáy và nắp cho thiết bị...........................................................................27

4.5.1

Tính đáy buồng đốt..................................................................................27

4.5.2

Tính nắp buồng bốc.................................................................................31

4.6

Lựa chọn mặt bích..........................................................................................34

4.6.1

Mặt bích nối giữa buồng bốc với buồng đốt............................................34

4.6.2

Mặt bích nối giữa buồng đốt với đáy.......................................................35

4.6.3

Mặt bích nối giữa buồng bốc với nắp......................................................35

4.6.4

Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống...................................36

4.7.

Tính vỉ ống.....................................................................................................37

4.7.1

Sơ lược về cấu tạo....................................................................................37

4.7.2

Tính vỉ ống phía trên của buồng đốt........................................................37

4.7.3

Tính vỉ ống phía dưới của buồng đốt.......................................................38

4.8

Tính khối lượng và tai treo.............................................................................39

4.8.1

Khối lượng buồng bốc.............................................................................40

4.8.2

Khối lượng buồng đốt..............................................................................40

Trang 3


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

4.8.3

Khối lượng phần nón cụt giữa buồng bốc và buồng đốt..........................41

4.8.4

Khối lượng đáy nón.................................................................................41

4.8.5

Khối lượng nắp elip.................................................................................41

4.8.6

Khối lượng ống đốt và ống tuần hồn trung tâm......................................42

4.8.7

Tính khối lượng mặt bích.........................................................................42

4.8.8

Tính khối lượng vỉ ống............................................................................43

4.8.9

Tính khối lượng bulơng, đai ốc................................................................43

4.8.10 Khối lượng dung dịch khi chứa đầy trong thiết bị....................................44
4.8.11 Tai treo.....................................................................................................45
4.9

Kính quan sát và cửa vệ sinh..........................................................................47

CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ................................................................48
5.1

Thiết bị ngưng tụ baromet..............................................................................48

5.1.1

Sơ lược về thiết bị ngưng tụ baromet.......................................................48

5.1.2

Lượng nước tưới vào thiết bị...................................................................48

5.1.3

Lưu lượng không khí và khí ngưng cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ.......49

5.1.4

Thể tích khơng khí cần rút ra khỏi thiết bị ngưng tụ................................49

5.1.5

Các kích thước của thiết bị ngưng tụ baromet..........................................49

5.2

Tính bơm........................................................................................................53

5.2.1

Bơm chân khơng......................................................................................53

5.2.2

Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ........................................................53

5.2.3

Bơm đưa dung dịch ban đầu lên bồn cao vị.............................................56

5.2.4

Bơm tháo liệu..........................................................................................58

5.3

Bồn cao vị......................................................................................................61

5.4

Bề dày lớp cách nhiệt.....................................................................................63

5.4.1

Bề dày lớp cách nhiệt ống........................................................................63

5.4.2

Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt..............................................63

5.4.3

Cách nhiệt cho buồng đốt........................................................................64

5.4.4

Cách nhiệt cho buồng bốc và nắp buồng bốc...........................................64

5.4.5

Cách nhiệt cho đáy thiết bị.......................................................................65

CHƯƠNG 6: TÍNH KINH TẾ.....................................................................................66
KẾT LUẬN.................................................................................................................67
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................. 68

Trang 4


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................69
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN...............................................................70
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN..................................................................71

Trang 5


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3-1: Bảng tỷ số D/W ở các nhiệt độ đầu.............................................................10
Bảng 3-2: Tổng hợp các thơng số đã tính toán 1.........................................................11
Bảng 4-1: Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm [2, tr29].................12
Bảng 4-2: Bảng thông số của dung dịch NaOH (30%) và nước..................................13
Bảng 4-3: Tổng hợp các thơng số đã tính tốn 2.........................................................15
Bảng 4-4: Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều............................................17

Bảng 4-5: Quan hệ giữa chiều cao và đường kính trong Dt........................................18
Bảng 4-6: Mặt bích giữa buồng bốc và buồng đốt......................................................35
Bảng 4-7: Mặt bích giữa buồng đốt và đáy.................................................................35
Bảng 4-8: Mặt bích giữa buồng bốc và nắp................................................................36
Bảng 4-9: Mặt bích nối giữa các bộ phận của thiết bị và ống dẫn..............................36
Bảng 4-10: Tai treo thiết bị thẳng đứng.......................................................................45
Bảng 4-11: Tai treo thiết bị thẳng đứng.......................................................................46
Bảng 6-1: Tính tốn giá thành thiết bị........................................................................66

Trang 6


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ.............................................................................5
Hình 4-1: Mặt bích kiểu 1...........................................................................................34
Hình 4-2: Tai treo và tấm lót tai treo...........................................................................47

Trang 7


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay thì ngành cơng

nghiệp hóa chất đóng một vai trò rất lớn và liên quan mật thiết đến nhiều ngành công
nghiệp sản xuất khác. Một trong số những hóa chất phổ biến và có nhiều cơng dụng
trong các ngành công nghiệp như chế biến dầu mỏ, dệt, nhuộm, sản xuất giấy, sản xuất
bột giặt, xà phịng… chính là natri hydroxit (NaOH).
Ngày nay, phương pháp hiện đại để sản xuất NaOH là điện phân dung dịch NaCl
bão hòa. Tuy nhiên, sản phẩm NaOH được sản xuất ra thường rất lỗng khơng đáp ứng
được nhu cầu sử dụng cho các ngành cơng nghiệp, khó tồn trữ. Vì vậy, nhu cầu hiện
nay là đưa NaOH loãng từ điện phân thành NaOH có nồng độ cao hơn để dễ dàng
trong việc chọn lựa sử dụng. Từ những lý do đó mà nhu cầu thiết kế, xây dựng, lắp đặt
các nhà máy, thiết bị cô đặc NaOH ra đời.
Cùng với lý do đó thì mơn học Đồ án các q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học
ra đời. Nhiệm vụ của đồ án này là “Tính tốn, thiết kế hệ thống cơ đặc một nồi, có ống
tuần hồn trung tâm, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch NaOH từ nồng độ 10% lên
30%, năng suất sản phẩm 1150 kg/h-1 ”.
Thực hiện Đồ án các q trình thiết bị Cơng nghệ hóa học, đây là một cơ hội tốt
để sinh viên có thể tiếp cận với việc tính tốn, thiết kế và chon lựa các chi tiết của một
thiết bị theo các thơng số cụ thể. Đồng thời tích lũy được những kiến thức và kĩ năng
cần thiết. Tuy nhiên đề tài lớn dầu tiên mà sinh viên đảm nhận và những kiến thức hạn
chế của bản thân nên không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Do đó em rất mong
được sự chỉ dẫn, góp ý từ các Thầy Cơ để em có thể hồn thành tốt đồ án này.

Trang 8


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Nguyên liệu

Natri hydroxit (NaOH) nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối
lượng riêng là 2,13 g.ml-1, nóng chảy ở 318 oC và sơi ở 1388 oC dưới áp suất khí quyển.
NaOH tan tốt trong nước (1110 g.l -1 ở 20 oC) và khi hòa tan tỏa nhiệt mạnh. NaOH ít
tan trong các dung mơi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch
NaOH dễ hấp thụ CO2 trong khơng khí nên chúng được chứa trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và ăn mịn cao. Do đó, ta cần
lưu ý đến việc ăn mịn thiết bị và đảm bảo an tồn lao động trong q trình sản xuất
NaOH.
Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hóa chất
cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trị to lớn trong sự phát triển của các ngành công
nghiệp khác như tổng hợp tơ nhân tạo, dệt, lọc hóa dầu…
Trước đây trong cơng nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH) 2 tác
dụng với dung dịch Na2CO3 lỗng và nóng. Ngày nay, người ta dung phương pháp
hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hịa. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thường
có nồng độ rất lỗng, gây khó khăn cho việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho
chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất
định theo yêu cầu.
1.2

Cô đặc

1.2.1

Khái niệm

Cô đặc là q trình làm bay hơi một phần dung mơi của dung dịch chứa chất tan,
ở nhiệt độ sôi với mục đích:

 Làm tăng nồng độ chất tan.
 Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
 Giảm được khối lượng vận chuyển.
Q trình cơ đặc thường được tiến hành ở trạng thái sôi (áp suất hơi riêng phần
của dung môi trên mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị); ở mọi áp suất (áp
suất thường, áp suất chân không và áp suất dư), trong hệ thống cơ đặc một nồi hay
nhiều nồi. Q trình có thể liên tục hay gián đoạn.

Trang 1


Đồ án q trình thiết bị CNHH

1.2.2

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Tính chất của q trình cơ đặc

Tốc độ cơ đặc tùy thuộc các đại lượng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt,
nhiệt dung riêng, tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ sôi dung dịch, áp suất
làm việc của thiết bị.
Các thông số của tác nhân cấp nhiệt cũng ảnh hưởng đến q trình cơ đặc: hệ số
dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.
Nhiệt độ sôi của dung dịch tỉ lệ thuận với áp suất làm việc của thiết bị cô đặc.
1.2.3

Phân loại
a. Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (hay tuần hồn tự nhiên).
 Loại I: có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc); có tuần hồn trong
hay ngồi.
 Loại II: có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục với buồng bốc).
Ứng dụng: chủ yếu dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm
bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt.
 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hồn cưỡng bức).
 Loại III: có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
 Loại IV: có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
Ứng dụng: có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch đạt vận tốc chuyển
động từ 1,5 – 3,5 m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt. Ưu điểm chính của nhóm này là
tăng cường hệ số truyền nhiệt k ; dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt
khá cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt.
 Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng.
 Loại V: màng dung dịch chảy ngược lên, buồng đốt trong hay ngồi. Dung
dịch sơi tạo bọt khó vỡ.
 Loại VI: màng dung dịch chảy xi, buồng đốt trong hay ngồi. Dung
dịch sơi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
b. Theo phương thức thực hiện quá trình


Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi;
thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch
cố định, nhằm đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.

Trang 2


Đồ án q trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách



Cơ đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp ở áp suất chân
khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung mơi diễn ra
liên tục.



Cơ đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên
q lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cơ chân
khơng, cơ 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 cơ đặc gián đoạn. Có thể được điều
khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt
ngồi, có hoặc khơng có ống tuần hồn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của
dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc
áp suất dư.
1.2.4

Các phương pháp cơ đặc

Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ta có thể tách một phần dung mơi bằng
phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh.

Phương pháp nhiệt (đun nóng): 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 bên ngồi
tác dụng lên mặt thoáng dung dịch (tức là khi dung dịch sôi). Để cô đặc các dung dịch
không chịu được nhiệt độ cao địi hỏi phải cơ đặc ở nhiệt độ thấp ứng với áp suất cân
bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức yêu cầu nào đó thì một cấu
tử sẽ được tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung
mơi để tăng nồng độ chất tan. Tùy tính chất cấu tử và điều kiện áp suất bên ngoài tác
dụng lên dung dịch mà q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi
ta phải dùng máy làm lạnh.
1.2.5

Ứng dụng của cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, các nhà máy, xí nghiệp thường cơ đặc các dung dịch
đường, mì chính, nước trái cây…
Trong sản xuất hóa chất, các nhà máy, xí nghiệp thường cơ đặc các dung dịch
NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…
1.2.6


Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Thiết bị chính:

Trang 3


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

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

Thiết bị phụ:

 Bể chứa nguyên liệu
 Bể chứa sản phẩm
 Bồn cao vị
 Lưu lượng kế
 Thiết bị gia nhiệt
 Thiết bị ngưng tụ baromet
 Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị
 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
 Bơm chân không
 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất...
1.2.7

Cơ sở lựa chọn thiết bị

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện đầu đề, ta lựa
chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hồn
trung tâm.
Thiết bị này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, có thể tận dụng triệt
để nguồn hơi.
Q trình cơ đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ

sôi của dung dịch cô đặc, giúp cho dung dịch giữ được chất lượng, không bị biến chất
do nhiệt độ cao, làm giảm chi phí năng lượng.
Tuy nhiên phương pháp và loại thiết bị này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ
và hệ số truyền nhiệt thấp, làm tăng độ nhớt do nồng độ tăng mà nhiệt độ giảm dần.

Trang 4


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
2.1

Sơ đồ quy trình cơng nghệ

Hình 2-1: Sơ đồ qui trình cơng nghệ

Trong đó:
1. Bơm chân không

8. Bồn chứa sản phẩm

2. Bồn chứa nước ngưng

9. Bơm nguyên liệu lên bồn cao vị

3. Bơm đưa nước lên thiết bị ngưng tụ

10. Bồn cao vị

4. Bồn chứa nước làm mát

11. Nồi hơi

5. Bồn chứa nước ngưng

12. Thiết bi cô đặc

6. Bồn chứa sản phẩm tạm thời

13. Thiết bị ngưng tụ baromet

7. Bơm tháo liệu

14. Thiết bị tách lỏng

Trang 5


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

2.2

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Thuyết minh sơ đồ quy trình cơng nghệ

Ngun liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10%. Dung dịch từ bể

chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị nhờ bơm ly tâm. Từ bồn cao vị, dung dịch
sẽ tự chảy vào thiết bị cô đặc được điều chỉnh lưu lượng bởi lưu lượng kế.
Phần dưới của thiết bị cô đặc là buồng đốt, gồm các ống truyền nhiệt và một
ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống, cịn hơi đốt (hơi nước bão hồ) đi
trong khoảng khơng gian ngồi ống. Dung dịch trong nồi cơ đặc được làm sôi bởi hệ
thống các ống truyền nhiệt (ống chùm) được gia nhiệt bởi hơi nước ở áp suất 4 at.
Dung dịch được tuần hoàn tự nhiên nhờ hệ thống các ống chùm và ống tuần hoàn
trung tâm dựa trên nguyên tắc: dung dịch sẽ dịch chuyển từ dưới lên trên trong ống
truyền nhiệt và từ trên xuống dưới trong ống tuần hoàn trung tâm.
Hơi nước gia nhiệt ngưng tụ trong buồng đốt theo ống dẫn nước ngưng được
dẫn ra ngồi thơng qua bẫy hơi. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc của nồi cô đặc, tại
đây sẽ xảy ra q trình sơi sủi bọt dưới áp suất chân không được tạo ra từ bơm chân
không. Hơi thứ bốc lên mang theo nhưng giọt nước đi qua thiết bị tách bọt, tại đây giọt
nước sẽ bị vỡ ra nhờ các lỗ được bố trí ở thiết bị tách bọt tuần hồn xuống phía dưới
và hơi thứ theo đường ống vào thiết bị ngưng tụ, hơi thứ sẽ đi từ dưới lên trên, nước
làm mát đi từ trên xuống dưới, ở đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ngược dòng
giữa nước làm mát và hơi thứ, nước ngưng hịa vào dịng nước chảy xuống phía dưới
ống baromet vào bồn chứa nước ngưng, khí khơng ngưng sẽ được đi qua thiết bị tách
lỏng để tách một lần nữa trước khi đi qua bơm chân không. Dung dịch sau cơ đặc được
đưa ra ngồi theo ống tháo sản phẩm vào bồn tháo liệu và được đưa qua bồn chứa sản
phẩm nhờ bơm tháo liệu .
Sản phẩm cô đặc được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo tính chất và nồng độ
đạt yêu cầu là 30%.

Trang 6


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẲNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1

Cân bằng vật chất

Lựa chọn các thông số ban đầu như sau:
Nồng độ đầu của dung dịch: Xđ = 10%
Nồng độ cuối của dung dịch: Xc = 30%
Năng suất thiết bị (lượng dung dịch cuối): Gc = 1150 kg.h-1
Lượng dung dịch đầu:
kg.h-1
Lượng hơi nước bốc (hơi thứ) trong toàn bộ hệ thống:
kg.h-1

[2, CT VI.1,tr55]

3.2

Cân bằng năng lượng

3.2.1

Nhiệt độ và áp suất trong nồi cô đặc

a.

Các thông số được lựa chọn

Áp suất hơi đốt: Phđ = 4 at

→ Nhiệt độ hơi đốt: thđ = 142,9 oC
tr314]

[1, bảng I.251,

Áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ:
Pht = 0,4 at → nhiệt độ hơi thứ: t ht = 75,4 oC
tr314]

[1, bảng I.251,

Tổn thất nhiệt độ do cản trở thủy lực trên đường ống ∆”’ = 1 oC (chọn)

[2,

tr67]
Nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất buồng bốc:
to(Po) = tsdm = tht + ∆”’ = 76,4 oC
→ Áp suất buồng bốc (áp suất làm việc): P o = 0,418 at
tr312]
3.2.2

Xác định lượng nhiệt tổn thất

a.

Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao

[1, bảng I.250,

Ta có cơng thức Tisenco:
, oC

[2, CT VI.10, tr59]
Trang 7


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Trong đó:
∆0’: là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sơi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển). Do dung dịch cơ đặc tuần hồn nên:
a = Xc = 30% → ∆0’ = 17 oC

[2, bảng VI.2,

tr67]
f: là hệ số hiệu chỉnh được tính theo cơng thức:
[2,CT VI.11, tr59]

Po = 0,418 at → r = 2317,66 kJ.kg-1
tr314]

[1, bảng I.251,

Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất buồng bốc (áp suất làm việc)
Tm = 7
→

→ 17.0,853 = 14,5
b.

Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
[2, CTVI.12, tr60]

Trong đó:
Po: áp suất hơi nước trên mặt thoáng của dung dịch (áp suất làm việc trong buồng
bốc)
Po = 0,418 at.
h1: chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền đến mặt thoáng
của dung dịch: h1 = 0,6 m
h2: chiều cao ống truyền nhiệt: h2 = 1,5 m
ρdds: khối lượng riêng của dung dịch sôi: ρdds = 0,5.ρdd ,với khối lượng riêng của
dung dịch tra ở nồng độ Xđ = 10%, tại nhiệt độ 20 là 1109 kg.m-3
[1,bảng I.2,tr10]
ρdds = 0,5.1109 = 554.5 kg.m-3
g: là gia tốc trọng trường: g = 9,81 m.s-2
Vậy Ptb = 0,418 + (0,6 +).554,5.9,81.10,197.10-6 = 0,5 at
Với Ptb = 0,5 at → ttb = 80,9

[1, bảng I.251, tr314]

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:
Trang 8


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

∆’’ = ttb – to = 80,9 – 76,4 = 4,5
c.

Tổn thất nhiệt độ do cản trở thủy lực trên đường ống (∆’’’)

Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi cô đặc đến
thiết bị ngưng tụ là 1: ∆’’’ = 1
d.

Tổn thất chung trong tồn bộ hệ thống cơ đặc (∑∆)

∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 14,5 + 4,5+ 1 = 20
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
tsdd = to + ∆’ + ∆’’ = 76,4 + 14,5 + 4,5 = 95,4
Hiệu số nhiệt hứu ích:
∆thi = thđ – tsdd = 142,90 – 95,4 = 47,5
3.2.3

Cân bằng nhiệt lượng

 Nhiệt lượng tiêu thụ:
Q = Qđn + Qbh + Qtt
= Gđ.cđ.(tsdd – tđ) + Wr + Qtt

[2, CT VI.3, tr57]

Trong đó:
Qdn: Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sơi
Qbh: Nhiệt lượng làm bốc hơi nước

Qtt: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh
W: Lượng hơi thứ
C: Nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ
tsdd: Nhiệt độ sôi của dung dịch
r : Ẩn nhiệt hóa hơi của dung mơi, J/kg


Nhiệt lượng dùng đun nóng dung dịch:

Gđ = 3450 kg.h-1 = 0,958 kg.s-1
cd: là nhiệt dung riêng của dung dịch do dung dịch loãng a < 20 % nên
cd = 4186.(1 – x) = 4186.(1 – 0,1) = 3767,4 J.kg-1.độ-1

[1,CT I.43, tr152]

tsdd = 95,4
tđ = 25 (tự chọn)
→ Qđn = 0,958.3767,4.(95,4 – 25) = 254085,51 W
Trang 9


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

 Nhiệt lượng dùng để bốc hơi nước:
Qbh = W.r
Với: W là lượng hơi thứ: W = 2300 kg.h-1 = 0,639 kg.s-1
Nội suy từ nhiệt độ sôi của dung môi Tm= 76,4 ℃ bảng I. 251, trang 314:
r = 2317660 J.kg-1

→ Qbh = 0,639.2317660 = 1348098,74 W
Qtt là nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh Qtt = 5%.Q
Q = 254085,51 + 1348098,74 + 0,05.Q → Q = 1686509,74 W
3.2.4

Lượng hơi đốt dùng cho toàn bộ hệ thống
[2, CT VI.6a, tr57]

Trong đó:
D: lượng hơi đốt, kg.s-1
Q: nhiệt tiêu thụ, W
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt, J.kg-1
Ở Phđ = 4 at, 142,9 → r = 2141000 J.kg-1
tr315]

[1, I.251,

Kiểm tra lại điều kiện:
Bảng 3-1: Bảng tỷ số D/W ở các nhiệt độ đầu

td(oC)

20

21

22

23

24

25

26

27

D/W

1.24
7

1,24
4

1,24
1

1,23
8

1,23
6

1,23
3

1,23
0

1,22
7

Dựa vào bảng ta chọn lại td thích hợp => tđ = 25

Trang 10


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Bảng 3-2: Tổng hợp các thơng số đã tính tốn 1

Thơng số

Giá trị

Đơn vị

Nồng độ đầu (Xđ)

10

%wt

Nồng độ cuối (Xc)

30

%wt

Năng suất nhập liệu (Gđ)

3450

kg.h-1

Năng suất tháo liệu (Gc)

1150

kg.h-1

Lượng hơi thứ trong toàn hệ thống (W)

2300

kg.h-1

Nhiệt độ hơi đốt (thđ)

142,9

Áp suất hơi đốt (Phđ)

4

Nhiệt độ hơi thứ tại buồng bốc (to)

76,4

Áp suất hơi thứ tại buồng bốc (Po)

0,418

o

C

at
o

C

at

Nhiệt độ đầu dung dịch (tđ)

25

o

Áp suất hơi tại bình ngưng

0,4

at

Tổn thất nhiệt (∑∆)

20

o

Nhiệt độ sơi của dung dịch (tsdd)

95,4

o

C

Hiệu số nhiệt hữu ích (∆thi)

47,5

o

C

Nhiệt tiêu thụ (Q)
Lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (D)

C

C

1686509,74

W

0,788

kg.s-1

Trang 11


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1

Tính tốn bề mặt truyền nhiệt

4.1.1

Thơng số cần tính tốn và lựa chọn

T1 là nhiệt độ sôi hơi đốt T1 = Thđ = 142,9
T2 là nhiệt độ sôi của dung dịch: T2 = Tdds = 95,4
Tv1, Tv2 lần lượt là nhiệt độ vách ngoài và vách trong của ống truyền nhiệt
∆t1 là hiệu số nhiệt độ giữa hơi nước ngưng tụ và vách ngoài ống truyền nhiệt:
giả thuyết chọn ∆t1 = 4,35.
Tv1 = T1 - ∆t1 = 142,9 – 4,35 = 138,55
Tm là nhiệt độ màng nước ngưng tụ trên vách ngoài ống truyền nhiệt:

Bảng 4-3: Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm [2, tr29]

Tm

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

A

104

120

139

155

169

179

188

194

197

199

199

Với Tm = 140,725 nội suy từ bảng trên được giá trị A = 194,108
4.1.2

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ α1

R là ẩn nhiệt hóa hơi ngưng tụ của hơi đốt: r = 2141000 J.kg-1.
H là chiều cao ống truyền nhiệt: H = 1,5 m.
.= 9477,3 W.m-2.độ-1
Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị:
q1 = α1.∆t1 = 9477,3.4,35 = 41226,3 W.m-2

4.1.3

Hệ số cấp nhiệt phía hơi lỏng sơi

α2 = αn.ψ

[2, CT VI.27,

tr71]
αn: là hệ số cấp nhiệt khi nước sủi bọt, αn được tính theo cơng thức:
αn = 0,145.

[2, CT V.91, tr26]

Thiết bị sau một thời gian sử dụng sẽ có cặn bẩn bám ở phía trong và phía ngồi
ống truyền nhiệt gây tổn thất nhiệt.
Trang 12


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Bề dày các chất này là 0,0005 m

[2, bảng V.1, tr4]

Hơi nước có rhn = 2,32.10-4 m2.độ.W-1
Cặn bẩn có rcặn = 3,87.10-4 m2.độ.W-1
Chọn vật liệu ống truyền nhiệt thép không gỉ X18H10T dày 0,003 m, λ = 16,3

W.m .độ-1 và có khối lượng riêng ρ = 7900 kg.m-3
-1

Khi đó trở lực:
m2.độ.W-1
Tổn thất nhiệt qua đường ống:
Tv2 = Tv1 - ∆Ttt = 138,55 – = 105,7
 ∆t2 = Tv2– T2 = 105,7 – 94,8 = 10,9
Với ∆t = ∆T2 = 10,9
P là áp suất tuyệt đối tại mặt thoáng dung dịch:
P = Po = 0,418 at = 40992,45 N.m-2
 αn = 0,145.10,92,33. 40992,450,5 = 7672 W.m-2.độ-1
Ψ là hệ số hiệu chỉnh của dung dịch được tính theo cơng thức:
[2, CT VI.27, tr71]
Với λ, ρ, C, μ tương ứng là hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và
độ nhớt của dung dịch và dung môi (nước) [1]
Bảng 4-4: Bảng thông số của dung dịch NaOH (30%) và nước

Tên chất

λ(W.m-1.độ-1)

ρ(kg.m-3)

C(J.kg-1.độ-1)

µ(Pa.s)

Nước

0,672

973,96

4192,12

0,372.10-3

NaOH 30%

0,53

1279

3640

0,00218

Lưu ý: nước tra theo nhiệt độ sôi của dung môi ở 76,4

[1, bảng I.249, tr311]

Dung dịch tra theo tsdd = 95.4
Các thông số của dung dịch:

Trang 13


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Cdd
tr172]

[1, bảng I.154,

µdd: tra bảng

[1, bảng I.101,

tr91]
ρdd : tra bảng

[1, bảng I.2, tr9]

λdd: công thức
tr123]

[1, CT I.32,

= 0,49 kJ.m-2.độ-1.h-1
→ α2 = 7672.0,49 = 3759 W.m-2.độ-1
4.1.4

Nhiệt tải riêng phía dung dịch lỏng sôi

q2 = α2.∆t2 = 3759.10,9 = 40973 W.m-2
Kiểm tra lại điều kiện cho phép:
(thỏa mãn điều kiện)

Hệ số truyền nhiệt:

s
Trong đó:
r1: nhiệt trở lớp cáu cặn trên thành thiết bị phía hơi ngưng tụ: với lớp cáu cặn là
màng nước ngưng tụ (nước sạch) ở nhiệt độ cao
r1 = 0,000232 m2.K-1.W-1

[2, bảng V.1,

tr4]
r2: nhiệt trở lớp cáu cặn trên thành thiết bị phía chất lỏng sơi (cặn bẩn dày 0,5
mm):
r2 = 0,000387 m2.K-1.W-1.

[2, bảng V.1,

tr4]
λ: hệ số dẫn nhiệt của ống truyền nhiệt: chọn vật liệu làm ống là thép không gỉ
X18H10T = 7900 kg.m-3 với λ = 16,3 W.m-1.K-1.
[2, bảng XII.7, tr313]
δ: chiều dày thành ống truyền nhiệt: chọn δ = 3 mm = 0,003 m.
→ 851,4 W.m-2

Trang 14


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

4.1.5

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

W.m2
Bảng 4-5: Tổng hợp các thơng số đã tính tốn 2

Thơng số

Đơn vị

Giá trị

Nhiệt độ vách ngoài ống truyền nhiệt (tv1)

o

138,55

Nhiệt độ vách trong ống truyền nhiệt (tv2)

o

C

105,7

Nhiệt trở lớp cáu cặn phía hơi ngưng tụ (r1)

m2.độ.W-1

0,000262

Nhiệt trở lớp cáu cặn phía chất lỏng sơi (r2)

m2.độ.W-1

0,000387

Hệ số dẫn nhiệt của ống truyền nhiệt (λ)

W.m-1.độ-1

16,3

Chiều dày thành ống truyền nhiệt (δ)

M

0,003

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (α1)

W.m-2.độ

9477,3

Hệ số cấp nhiệt phía chất lỏng sơi (α2)

W.m-2.độ

3759

Nhiệt tải riêng phía hơi đốt cấp cho thành thiết bị (q1)

W.m-2

41226,3

Nhiệt tải riêng phía chất lỏng sơi (q2)

W.m-2

40973

W.m-2.độ

851,4

m2

41,7

Hệ số truyền nhiệt (K)
Diện tích bề mặt truyền nhiệt (F)
4.2

Buồng đốt và buồng bốc

4.2.1

Kích thước buồng đốt

C

Số ống truyền nhiệt:

Với d = 0,025 m (chọn), l = 1,5 m là chiều dài ống truyền nhiệt.
Chọn số ống thực tế n = 367 ống

[2, bảng V.11, tr48]

Đường kính trong ống tuần hồn trung tâm:

Tổng tiết diện cắt ngang của các ống gia nhiệt:
m2

Trang 15


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Tiết diện ngang của ống tuần hoàn trung tâm chọn bằng 25% tổng tiết diện cắt
ngang của các ống gia nhiệt:
[3,
tr274]

Chọn đường kính ống tuần hồn trung tâm Dth = 0,25 m.
Kiểm tra lại điều kiện:(thỏa)

[3, CT 5.12, tr275]

Chọn thiết bị cơ đặc tuần hồn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều.
[2, CT VI.40, tr74]
Các thơng số cần thiết:
Hệ số , thường β = 1,3 ÷ 1,5 (chọn β = 1,47 ).
t: Bước ống, m: thường t = 1,3 ÷ 1,5dn (chọn t = 1,47dn).
dn: Đường kính ngồi của ống truyền nhiệt, m (dn = d + chiều dày (chọn)).
Ψ: hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường Ψ = 0,7 ÷ 0,9 (chọn Ψ = 0,7).
h2 = 1,5 m: Chiều dài ống truyền nhiệt.
dth: Đường kính ngồi của ống tuần hồn trung tâm thiết bị, m (d th = Dth + chiều
dày (chọn))
Sin 60o: Do xếp ống theo hình lục giác đều, nên 3 ống cạnh nhau ở hai dãy sát
nhau tạo thành một tam giác đều có góc α = 60o
F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt 41,7 m2
Ta có:
dn = d + chiều dày = 0,025 + 0,003.2 = 0,031 m
dth = Dth + chiều dày = 0,25 + 0,003.2 = 0,256 m
Vậy đường kính trong của buồng đốt được tính bởi cơng thức:

Vậy chọn Dt = 1,2 m

[2, bảng XIII.6, tr359]

Phân bố 367 ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều như bảng sau:
Bảng 4-6: Bố trí ống truyền nhiệt theo hình lục giác đều

Trang 16


Đồ án quá trình thiết bị CNHH

CBHD: Nguyễn Việt Bách

Số hình lục giác

10

Số ống trên đường xuyên tâm

21

Tổng số ống khơng kể các ống trong hình viên phân

331

Số ống trong các hình viên phân
Dãy 1

6

Dãy 2

0

Tổng số ống trong tất cả các hình viên phân

36

Tổng số ống của thiết bị

367

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần
hoàn trung tâm. Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức
[2, CT V.140,
tr49]

t: bước ống, m.
Thường chọn bước ống t = 1,2 – 1,5d → Chọn t = 1,47dn = 0,05 m

Chọn b = 5 ống theo bảng

[2, bảng V.11, tr48]

Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 5 ống trên đường xuyên
tâm.
Số ống truyền nhiệt được thay thế là:
ống (chọn 19 ống)
Số ống truyền nhiệt còn lại là n’ = 367 – 19 = 348 ống.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:
Ftt = (n’.d+Dth).π.H = (348 .0,025+0,25)..1,5 = 42,2 m2
Kiểm tra điều kiện:
(thỏa)
4.2.2

Kích thước buồng bốc

[2, CT VI.35, tr72]
Trang 17