Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi dung dịch naoh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
BỘ MƠN MÁY VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề Tài

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Nhất Thống
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Diễm Trâm
MSSV: 11149891
Lớp: CDHO13
Khóa : 2014 – 2015
Mã HP : 111703801

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2014

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

BỘ MƠN MÁY VÀ THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề Tài

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ

CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaOH

Giảng viên hướng dẫn:
MSSV:
Lớp: CDHO13
Khóa : 2014 – 2015
Mã HP :

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2014

2


BỘ CƠNG THƯƠNG

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
KHOA : CÔNG NGHỆ HĨA
BỘ MƠN : MÁY VÀ THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN :
1.Tên đồ án:
Tính tốn và thiết kế thiết bị cơ đặc một nồi dung dịch NaOH.
2.Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
Năng suất tính theo suất lượng nhập liệu 2000 kg/h.
Nồng độ ban đầu là 12 %

Nồng độ cuối là 48 %
Áp suất ngưng tụ là 1 at.
Áp suất hơi đốt (hơi bão hòa) là 3 at.
Yêu cầu : Cân bằng vật chất và nhiệt lượng. Tính thiết bị chính, thiết bị ngưng tụ và
chọn bơm.Vẽ bản vẽ quy trình cơng nghệ A1 và bản vẽ chi tiết thiết bị A1.
3. Ngày giao nhiệm vụ : 10/6/2013
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 20/7/2014
5. Họ và tên người hướng dẫn:
Tp.HCM, ngày 10 tháng 6 năm 2014
Tổ trưởng bộ môn

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Hoài Đức
PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt:……………………………………………
Đơn vị :………………………………………………….
Điểm tổng kết :………………………………………….
Nơi lưu trữ: ……………………………………………..
3


LỜI CẢM ƠN
Đối với sinh viên năm thứ ba cao đẳng, mơn học Đồ án Q trình và Thiết
bị là cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các q trình và thiết bị của cơng
nghệ hóa học. Bên cạnh đó, cịn giúp sinh viên tiếp cận thực tế thơng qua tính

tốn, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một số thiết bị với các số liệu cụ thể và
thông dụng.
Cô đặc một nồi dung dịch NaOH là đồ án được thực hiện dưới sự hướng
dẫn nhiệt tình của Th.S LÊ NHẤT THỐNG, bộ mơn Q trình và thiết bị - Khoa
Máy và Thiết Bị Hóa Học, trường ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM. Tơi xin
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và chu đáo của thầy Lê Nhất Thống cũng
như các thầy của bộ mơn Q Trình va Thiết Bị và những người bạn đã giúp đỡ
tơi thực hiện xong đồ án này.
Vì đồ án này là một đề tài lớn đầu tiên của tơi, điều thiếu xót và hạn chế là
khơng thể tránh khỏi. Mong được sự đóng góp ý kiến , chỉ dẫn từ các thầy và bạn
bè để củng cố thêm kiến thức chuyên môn.
Tôi xin chân thành cảm ơn mọi người.

4


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện:…………………………..…………………………………….............
Nội dung thực hiện:……………………....……………………………………………...
Hình thức trình bày:……………………………………………………………………...
Tổng hợp kết quả:………………………………………………………………………..
Điểm bằng số: …………………………………….Điểm bằng chữ:……………………
Tp HCM, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

năm

Giáo viên hướng dẫn

5


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

Phần đánh giá:
Ý thức thực hiện:…………………………..…………………………………….............
Nội dung thực hiện:……………………....……………………………………………...
Hình thức trình bày:……………………………………………………………………...
Tổng hợp kết quả:………………………………………………………………………..
Điểm bằng số: …………………………………….Điểm bằng chữ:……………………
Tp HCM, ngày
Chủ nhiệm bộ môn

tháng

năm

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC
6


PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC.................................................................................................9
I . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN.....................................................................................................................9
III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC.........................................................................................................9
1. Định nghĩa.............................................................................................................................9
2. Các phương pháp cô đặc..................................................................................................9
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.................................................................................10
4. Ứng dụng của sự cô đặc.................................................................................................10

IV .THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT.........................................10
1. Phân loại và ứng dụng.....................................................................................................10
2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc.........................................................11
V. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CƠ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH.......................................................11
PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ................................................................12
PHẦN III. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH.........................................................13
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.........................................................................13
1. Dữ kiện ban đầu......................................................................................................................13
2. Cân bằng vật chất...................................................................................................................13
3. Tổn thất nhiệt độ....................................................................................................................14
4. Cân bằng năng lượng.............................................................................................................16
II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH.................................................................................................18
A. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC...................................................18
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi...........................................................................................18
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi..........................................................18
3. Nhiệt tải riêng phía tường......................................................................................................20
4. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cơ đặc..........................................................20
5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt................................................................................................20
B. TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CƠ ĐẶC.............................................................................21
2. Tính kích thước buồng đốt.............................................................................................22
3. Tính kích thước các ống dẫn.........................................................................................23
C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CƠ ĐẶC.................................25
1. Tính cho buồng đốt..........................................................................................................25
2. Tính cho buồng bốc..........................................................................................................26
3. Tính cho đáy thiết bị........................................................................................................29
4. Tính cho nắp thiết bị........................................................................................................33
5. Tính mặt bích.....................................................................................................................35
6. Tính vỉ ống...........................................................................................................................36
7. Khối lượng và tai treo......................................................................................................38
7

PHẦN IV. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ..........................................................................................43
I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT................................................................................................................43
1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi................................................................................44
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sơi.......................................44
3. Nhiệt tải riêng phía tường......................................................................................................46
4. Cân bằng năng lượng.............................................................................................................46
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ.............................................................................................................48
1. Chọn thiết bị ngưng tụ....................................................................................................48
III. BỒN CAO VỊ............................................................................................................................54
IV. BƠM..........................................................................................................................................55
1.Bơm tháo liệu...........................................................................................................................55
2.Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị.........................................................................57
V. CÁC THIẾT BỊ PHỤ.................................................................................................................59
1. Cửa sửa chữa..............................................................................................................................59
2 . Kính quan sát.............................................................................................................................59
KẾT LUẬN.........................................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................................61

8


PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I . NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Thiết kế thiết bị cô đặc một nồi để cô đặc dung dịch NaOH.
Nồng độ đầu: xđ = 12 %
Nồng độ cuối: xc = 48 %
Năng suất nhập liệu: Vđ = 2m3/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 0C

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at
Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at

II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể,
khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sơi ở 1388 oC dưới áp suất khí
quyển.NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan tỏa nhiệt mạnh.
NaOH ít tan hơn trong các dung mơi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và
dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ khơng khí nên chúng cần được chứa trong các
thùng kín.
Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mịn cao.
Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mịn thiết bị và đảm bảo an tồn lao động trong q
trình sản xuất NaOH.
Ngành cơng nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá
chất cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trị to lớn trong sự phát triển của các ngành công
nghiệp khác như dệt,tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn...
Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác
dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp
hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu
được thường có nồng độ rất lỗng, gây khó khăn trong 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 u cầu.

III. KHÁI QT VỀ CƠ ĐẶC
1. Định nghĩa
Cơ đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong
dung dịch gồm 2 hai nhiều cấu tử. Q trình cơ đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng
– lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một
phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là các q trình vật lý – hố lý. Tuỳ theo
tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi trong q trình đó), ta có thể tách

một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng)
hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.
2. Các phương pháp cô đặc
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
tác dụng lên mặt thống chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó, một cấu tử
9


sẽ tách ra dưới dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để
tăng nồng độ chất tan. Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt
thống mà q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng
máy lạnh.
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 ngồi. Do đó, ta cần cung cấp
nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện q trình này.
Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình
cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên
bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cơ đặc. Tách khơng khí và
lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.
4. Ứng dụng của sự cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cơ đặc các dung dịch đường, mì chính, nước
trái cây…Trong sản xuất hố chất, ta cần cơ đặc các dung dịch 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 bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù
cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại

của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị
cơ đặc là một tất yếu. Nó địi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an tồn và
hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc
chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.

IV .THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1. Phân loại và ứng dụng
1.1.Theo cấu tạo
- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên). Thiết bị cơ đặc nhóm
này có thể cơ đặc dung dịch khá lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng
qua bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hồn trong hoặc ngồi.
Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc)
- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cơ đặc
nhóm này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền
nhiệt.Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch
khá đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:
Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
-Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cơ đặc nhóm này chỉ cho
phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để
tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt
thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép.
Bao gồm:
10


Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi tạo
bọt
khó vỡ.

Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo
bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.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.
- Cô 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 môi diễn ra liên tục.
- Cô 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 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.
- Cơ đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể được điều
khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy. Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta
đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt 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 cơ đặc
ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.
2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cơ đặc
- Thiết bị chính:
 Ống nhập liệu, ống tháo liệu
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt
 Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp
 Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí 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 tháo liệu
 Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ
 Bơm chân không
 Các van
 Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất…

V. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH
- Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của
đầu đề, người viết lựa chọn thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục có buồng đốt
trong và ống tuần hồn trung tâm. Thiết bị cơ đặc loại này có cấu tạo đơn giản, dễ vệ
sinh và sửa chữa.
- Cô đặc ở áp suất chân khí quyển làm giảm nhiệt độ sơi của dung dịch, giảm
11


chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị
(làm hư thiết bị).
- Tuy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hồn dung dịch
nhỏ (vì ống tuần hồn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp.

PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Ngun liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 12%. Dung dịch từ bể
chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu
lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sơi.
Thiết bị gia nhiệt là thiết bị 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 vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nước bão
hồ có áp suất 3 at đi bên ngồi ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong
ống. Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch

để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ
chảy vào thiết bị cơ đặc để thực hiện q trình bốc hơi. Hơi nước ngưng tụ thành nước
lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:
Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống
tuần hồn trung tâm. Dung dịch đi trong ống cịn hơi đốt (hơi nước bão hồ) đi trong
khoảng khơng gian ngồi ống. Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho
dung dịch đang chuyển động trong ống.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ
cung cấp để sơi, làm hố hơi một phần dung môi.
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:
Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp
lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Đối với
ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với
trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do
trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống
truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới. Kết quả là có dịng chuyển động
tuần hồn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống
trong ống tuần hồn.
Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dịng.
Hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra
khỏi dòng. Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên. Dung dịch còn lại
được hồn lưu.
Dung dịch sau cơ đặc được bơm ra ngồi theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa
sản phẩm nhờ bơm ly tâm. Hơi thứ và khí khơng ngưng thốt ra từ phía trên của buồng
bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp). Chất làm lạnh là
nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng
của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng
chảy xuống bồn chứa qua ống baromet. Khí khơng ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn
qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân khơng hút ra ngồi. Khi hơi thứ ngưng tụ

thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm. Vì vậy,
thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống. Thiết bị
làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước
12


ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà khơng cần bơm. Bình tách giọt có một
vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dịng khí khơng ngưng
để đưa về bồn chứa nước ngưng.

PHẦN III. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
1. Dữ kiện ban đầu
Nồng độ đầu: xđ = 12 %
Nồng độ cuối: xc = 48 %
Năng suất nhập liệu: Vđ = 2m3/h
Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 0C
Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at
Áp suất ngưng tụ: pck = pc = 1at
2. Cân bằng vật chất
2.1.Suất lượng tháo liệu (Gc)
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 12 % ở 30 0C: ρđ = 1126,3 kg/m
(tra bảng 4,trang 11, [8]).
Suất lượng nhập liệu: Gđ = ρđ.Vđ = 1126,3.2 = 2252,6 kg/h
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:
Gđ .xđ = Gc.xc
13


⇒Gc =

Gđ . xđ
2252,6.12
=
xc
48

= 563,15 (kg/h)

2.2.Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W)
Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:
Gđ = W + G c
⇒ W = Gđ – Gc = 2252,6 – 563,15 = 1689,45 (kg/h)

3. Tổn thất nhiệt độ
Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p c = 1 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị
ngưng tụ là tw = 99 0C (trang 314, [1]).
Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị
ngưng tụ. Chọn Δ’’’ = 1 0C (trang 296, [5]).
Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:
tsdm(po) – tw = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tw + Δ’’’ = 99 + 1 = 100 0C
Áp suất buồng bốc: tra [1], trang 312 ở nhiệt độ 100 0C ⇒ po = 1,033 at
3.1.Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’)
Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:
∆ ' = ∆ 'o . f
Trong đó:
∆ 'o - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sơi của dung
mơi ở áp suất khí quyển.
Dung dịch được cơ đặc có tuần hồn nên a = xtb = 30 %.
Tra bảng VI.2, trang 67, [2]: ∆ 'o = 17 0C

f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo cơng thức VI.11, trang
59, [2]:
t +273
¿
¿
f = 16,2.
¿2
¿
¿

Trong đó:
t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 100 0C)
r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc. Tra bảng I.251,trang
314, [1]: r = 2261,525 (kJ/kg).
273
100+¿
¿
⇒ ƒ= 16,2.
¿2
¿
¿

= 0,9918

⇒ Δ’ = 17.0,9918 = 16,86 0C

14


⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 100 + 16,86 = 116,86 0C

3.2.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)
- Gọi Ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch NaOH cần cô đặc, N/m2.
h2
).
2

Ptb = PO + ( h1 +

ρdd

.g

( N/m2 )

( Công thức V.12, trang 60,[2]
Trong đó:
ρdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc khơng có bọt hơi (kg/m3 )
Chọn tsdd(po+ Δp) = 120 oC, C% = xtb = 30 %, ta có ρdd = 1261 (kg/m3)
(tra bảng 4, trang 11, [8]).
h2 – chiều cao ống truyền nhiệt ; m. Chọn h2 = 1,5 m.
(bảng VI.6,trang 80,[2].
h1 – chiều cao thích hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng (m).
Chọn h1 = 0,3 m.
g – gia tốc trọng trường.
PO – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2.
⇒ Ptb = PO + ( h1 +
= 1,033+

[

h2
).
2
(0,3+

ρ dds

.g

1,5
).1261.9,81
2
9,81.10 4

]

= 1,16 at

Tra bảng I.251,trang 314,[1], ptb = 1,16 at tương ứng với tsdm(ptb) =103,18 0C
Ta có:
⇒ Δ’’ = tsdm(ptb) - tsdm(po) =103,18 – 100 = 3,18 0C.

⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 116,86 + 3,18 = 120,04 0C.
Sai số 0,33% được chấp nhận. Vậy tsdd(ptb) = 120 0C.
Tổng tổn thất nhiệt độ:
ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’
⇒ ΣΔ = 16,86 + 3,18 + 1 = 21,04 0C.

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất hơi đốt là 3 at, t D = 132,9 oC
(bảng I.251, trang 315, [1]).
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức VI.17, trang 67,[2].
Δthi = tD – tstb
15


Trong đó:
tstb – là nhiệt độ sơi trung bình của dung dịch.
tstb = ΣΔ + tw = 21,04 + 99 = 120,04 0C.
tD - nhiệt độ hơi đốt của nồi 0C.
tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ 0C.
ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, 0C.
⇒ Δthi = 132,9 – 120,04 = 12,86 0C.
Thông số
Nồng độ đầu
Nồng độ cuối
Năng suất nhập liệu
Năng suất tháo liệu
Hơi thứ
Suất lượng
Áp suất
Nhiệt độ
Enthalpy
Ẩn nhiệt hóa hơi
Hơi đốt
Áp suất
Ẩn nhiệt ngưng tụ
Nhiệt độ
Tổn thất nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
Áp suất trung bình
Nhiệt độ sôi ở dung môi ở po
Tổn thất nhiệt do cột thủy tĩnh
Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb
Tổn thất nhiệt độ trên đường ống
Tổng tổn thất nhiệt độ
Chênh lệch nhiệt độ hữu ích

Ký hiệu
Xđ
Xc
Gđ
Gc

Đơn vị
%
%
Kg/h
Kg/h

Giá trị
12
48
2252,7
563,15

W
P0

tw
iw
rw

Kg/h
At
0
C
kJ/kg
kJ/kg

1689,45
1,033
99
2677,4
2261,525

pD
rD
tD

at
kJ/kg
0
C

3
2171
132,9

tsdd (po)
Δ’
(ptb)
tsdm (ptb)
Δ’’
tsdd (ptb)
Δ’’’
ΣΔ
Δthi

0

116,86
16,86
1,26
103,18
3,18
120,04
1
21,04
12,86

4. Cân bằng năng lượng
4.1.Cân bằng nhiệt lượng
Dòng nhiệt vào (W):
Do dung dịch đầu
Do hơi đốt
Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt
Dòng nhiệt ra (W):
Do sản phẩm mang ra

Do hơi thứ mang ra

C
C
at
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0
C
0

G đcđtđ
φDct D
D.iD
G ccctc
W.i W
16


Do nước ngưng
D.c ntD
Nhiệt tổn thất

Q tt
Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:
tvào = 30 oC
tra = tsdd(po) = 116,86 oC
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 12 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 116,86 oC
⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaOH 48 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:
tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 116,86 + 2.3,18 =123,22 0C
(công thức 2.15, trang 107, [3]).
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:
Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo cơng
thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]:
a = 12 % (a < 0,2):
cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,12) = 3683,68 J/(kg.K)
a = 48% (a > 0,2):
cc = 4186 - (4186 - cct).a = 4186 – (4186 – 1310,75).0,48 = 2805.88 J/(kg.K)
Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo cơng thức (I.41) và
bảng I.141, trang 152, [1]:
cct =

C Na .1 +C o .1+C H .1
M ct

=

26000+ 16800+ 9630
40

= 1310,75 J/(kg.K)

4.2. Phương trình cân bằng nhiệt.

Gđcđtđ + D.iD + φDctD = Gccctc + W.iW + D.cθ + Qtt

(*)

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

φDctD = 0.

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo
khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).
⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( i D - cθ) (W)

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

sau khi ngưng) thì ( iD - cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).
(*) ⇒ D(1 - φ)( iD - cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W iW + Qtt

(**)

Thay Qtt = εQD = 0,05QD :

(**) ⇒ QD = D(1 - ε)(1 - φ)( iD - cθ) = Gđ(cctc - cđtđ) + W( iW - cctc)

⇒ Lượng hơi đốt biểu kiến:
i

W (¿ ¿ D−cc t c )
(1−ε ) ( 1−φ ) r D
¿

D = Gđ ( c c t c −c đ t đ )+

=

2252,6
1689,45
(2805,88.123,22−3683,68.116,86 ) +
( 2677400−2805,88.123,22)
3600
3600
¿
( 1−0,05 )( 1−0.05 ) .2171000
17


= 0,52 (kg/s).
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp:
QD = D(1 - ε)(1 – φ).rD =0,52.(1–0,05).(1-0,05).2171000 = 1018850,3 (W)
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:
d=

D
W

=

0,52
1689,45
3600

= 1,108 (Kg hơi đốt/ Kg hơi thứ).

Thông số
Nhiệt độ vào buồng bốc
Nhiệt độ ra ở đáy buồng bốc
Nhiệt dung riêng dung dịch 12%
Nhiệt dung riêng dung dịch 48%
Nhiệt tổn thất
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp
Lượng hơi đốt dự kiến
Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng

Ký hiệu
tđ
tc
cđ
cc
Qtt
QD
D
d

Đơn vị
O
C
O
C
J/(kg.K)
J/(kg.K)

W
W
Kg/s
Kg/kg

Giá trị
116,86
127,96
3683,68
2805,88
50942,515
1018850,3
0,52
1,108

II. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
A. TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT 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. Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ (ω = 10 m/s), nước
ngưng chảy màng (do ốngtruyền nhiệt ngắn có h 0 = 1,5 m), ngưng hơi bão hồ tinh
khiết trên bề mặt đứng. Cơng thức (V.101), trang 28, [2] được áp dụng:

(

α1 = 2,04.A.

r
H . ∆t

0,25

)

Trong đó:
α1 – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K).
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at (2171 kJ/kg).
H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 1,5 m).
A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm.
∆ t 1 = t D −t v : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng ( nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía
mắt tường tiếp xúc với hơi ngưng, oC
tm =

t D +t v
2

Ta chọn nhiệt độ vách ngoài là t v = 129,8 0C.
tm =

132,9+129,8
2

= 131,35 0C.

Tra A ở [2], trang 28:
tm (oC)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180
18


A
104
⇒ A = 191,405

120

139

155

169

179

188

194

197

199

∆ t 1 = 132,9 – 129,8 =3,1 0C.

⇒α1=2,04.191,45

(

2171000
1,5.3,1

0,25

)

= 10209,09 W/(m2.K)

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng:

q1=α1. ∆ t 1 = 10209,09.3.1 = 31648,18 W/m2.
2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dịng chất lỏng sơi

Áp dụng công thức (VI.27), trang 71, [2]:
α2= αn.

λdd
λdm

0,565

( )

.

[( ) ( ) ( ) ]
ρdd
ρdm

0,25

.

cdd
μ
. dm
c dm
μdd

0,25

; W/(m2.K)

Trong đó:
αn - hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch. Do nước sôi sủi bọt
nên αn được tính theo cơng thức (V.91), trang 26, [2]:
αn = 0,145.p0,5.Δt2,33 với p=po=1,033at = 101337,3 N/m2
Ta chọn, tv2 = 129,5 oC
⇒ Δt = Δt2 = tv2 – tsdd(ptb) = 129,5 - 120 = 9,5 oC.

⇒ αn = 0,145. 101337,30,5.9,52,33 = 8229,3,13 W/(m2.K)

cdd = 2805,88 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của dung dịch ở tsdd(ptb).
cdm = 4224,134 J/(kg.K) - nhiệt dung riêng của nước ở tsdm(ptb)
= 0,00171 Pa.s - độ nhớt của dung dịch ở tsdd(ptb)
dm = 0,000287 Pa.s - độ nhớt của nước ở tsdm(ptb)
ρdd = 1261 kg/m3 - khối lượng riêng của dung dịch ở tsdd(ptb)
ρdm = 947,56 kg/m3 - khối lượng riêng của nước ở tsdm(ptb)
λdd = 0,59 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của dung dịch ở tsdd(ptb)
λdm = 0,682 W/(m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở tsdm(ptb)
GHI CHÚ:
cdm, μ dm, ρdm, λdm: tra bảng I.249, trang 311, [1]
μ dd : tra bảng 9, trang 16, [8]
ρdd : tra bảng 4, trang 11, [8]
λdd được tính theo cơng thức (I.32), trang 123, [1]:
μ
μ

dd

λdd = A.cdd. ρdd.

√

3

ρdd
M

A - hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng. Đối với chất lỏng liên kết.A =
3,58. 10−8 .
M – khối lượng mol của hỗn hợp lỏng, ở đây là hỗn hợp NaOH và H2O.
M = a.MNaOH + (1 – a).MH2O = a.40 + (1 – a).18; kg/kmol.
19


Giả sử nồng độ cuối của NaOH trong dung dịch là 48% thì:

a=

xC
M NaOH
xC
1−x C
+
M NaOH M H 2O

0,48
40
0,48 1−O , 48
+
40
18

=

= 0,2934

⇒ M = 0,2934.40 + (1-0,2934).18 = 24,45 kg/mol.

⇒ λdd = 3,58. 10−8 .2805,88. 1261.
⇒ α2= 8229,3.

(

0,59
0,682

0,565

)

.

[(

√
3

1261
24,45
0,25

1261

947,56

) (

qv =

∆Tv
∑ rv

.

= 0,472 W/(m.K).

2805,88 0,000287
.
4220
0,00171

)(

0,25

)

]

= 3465,86 W/(m2.K).

3. Nhiệt tải riêng phía tường
Cơng thức tính:

Trong đó:
Σrv – tổng trở vách ( m2.K/W).
Σrv = r1 +

δ
λ

+ r2 = 0,3448.10-3 +

0,002
16,3

(W/m2).

+ 0,387.10-3 = 0,8545.10-3( m2.K/W).

Với:
 r1= 0.3448.10-3 (m2.K/W)– nhiệt trở phía hơi nước do vách ngồi của ống
có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]).
 r2 = 0,387.10-3 (m2.K/W) – nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của
ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]).
 δ = 2 mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt.
 λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt của ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2]
với ống được làm bằng thép không gỉ OX18H10T).
 Δtv = tv1 - tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ giữa 2 vách tường.Với q trình cơ
đặc liên tục, sự truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2.
⇒ Δtv = qv.Σrv = 31648,18.0,8545.10-3 = 27,04 oC.
Nhiệt tải riêng phía dung dịch:
q2 = α2.Δt2 = 3628,36.9,5 = 32095,22 W/m2.
Nhiệt tải riêng trung bình:

qtb =

q1 +q 2
=
2

31648,18+32095,22
= 31871,7 W/m2.
2

4. Hệ số truyền nhiệt tổng qt K cho q trình cơ đặc
20


K được tính thơng qua các hệ số cấp nhiệt:
1

K=

1
1
1
+ 0,8545.10−3+
10209,09
3628,36

=

1
1

+ Σr v+
α1
α2

= 814,3 W/ (m2.K).

5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt
F=

QD
K . ∆ t hi

1018850,3

= 814,3.12,86 = 97,3 m2.

Thông số
Nhiệt độ tường phía hơi ngưng
Nhiệt độ tường phía dung dịch sơi
Hê số cấp nhiệt phía hơi ngưng
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sơi
Bề dày ống truyền nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống
Nhiệt trở phía hơi nước
Nhiệt trở phía dung dịch
Hệ số truyền nhiệt tổng quát
Nhiệt tải riêng trung bình
Diện tích bề mặt truyền nhiệt

Ký hiệu

tv1
tv2
α1
α2
δ
λ

r1
r2
K
qtb
F

Đơn vị
o
C
o
C
W/ (m2.K)
W/ (m2.K)
m
W/(m.K)
m2.K/W
m2.K/W
W/ (m2.K)
W/m2
m2

Giá trị
129,8

128,4337
10209,09
3628,36
0,002
16,3
0,3448.10-3
0,387.10-3
814,3
31871,7
97,3

B. TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CƠ ĐẶC
1. Tính kích thước buồng bốc
1.1.Đường kính buồng bốc (Db)
Lưu lượng hơi thứ trong buồng bốc:
Vh =

W
ρh

=

1689,5
3600.0,5967

= 0,785 m3/s.

Trong đó:
 W – suất lượng hơi thứ (kg/h).
ρh - 0,5967 kg/m3 là khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc


p0 = 1,033 at ( tra bảng I.251,trang 314 , [1]).
Tốc độ hơi thứ trong buồng bốc:
Vh

ω

h

=

π . D b2
4

=

4.0,785
π . D b2

=

1
D b2

(m/s).

Trong đó:
Db là đường kính buồng bốc (m).
Tốc độ lắng: được tính theo cơng thức 5.14, trang 276, [5].
ω0 =

√

4. g . ( ρ' −ρ' ' ) .d
''

3. ρ . ε

=

√

4.9,81. ( 945,92−0,5967 ) .0,0003
3.0,5967 .3,67 . D b1,2

=

1,3
D b0,6
21


Trong đó:
'

ρ = 945,92 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(po)
(tra bảng I.249,trang 311,[1]).
ρ h = 0,5967 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc ở

po = 1,033at.

 d – đường kính giọt lỏng; m. Chọn d = 0,0003 m (trang 292, [5]).
ε – hệ số trở lực, tính theo Re:

ωh . d . ρ ' '
μh

Re =

=

0,9936.0,0003.0,5967
0,000012. D b2

=

14,822
Db2

(1)
Với:


μh = 0,012.10-3 Pa.s là độ nhớt động lực học của hơi thứ ở áp suất 1,033 at

(tra hình VI, trang 57, [8]).
Nếu 0,2 < Re < 500 thì ε =

18,5
ℜ0,6

(2)

(1), (2) ⇒ ε = 3,67. D b1,2
Áp dụng điều kiện wh < (0,7 ÷ 0,8)wo theo [5]:
Chọn wh < 0,7wo
⇒

0,9936
D b2

<0,7.

1,3
D b0,6

⇒ Db > 1,587
⇒ chọn Db = 1,6 m = 1600 mm theo tiêu chuẩn trang 293, [5]
Kiểm tra lại Re:
Re =

14,822
= 5,8 (thỏa 0,2< Re < 500). Vậy Db = 1600mm.
2
1,6

1.2.Chiều cao buồng bốc (Hb)
Áp dụng công thức VI.33, trang 72, [2]:
Utt = f.Utt(1 at); m3/(m3.h)
Trong đó:
f – hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển.

Utt(1 at) – cường độ bốc hơi thể tích cho phép khi p = 1 at.
Chọn Utt(1 at) = 1650 m3/(m3.h), f = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72, [2]).
⇒ Utt = 1,1.1650 = 1815 m3/(m3.h)
Thể tích buồng bốc:
Vb =

W
ρh +U tt

=

1689,45
0,5967+1815

⇒ Chiều cao buồng bốc :

= 0,93 m3
Vb

Hb =

π . D b2
4

=

4.0,93
3,14. 0,92

= 1,46

Nhằm mục đích an tồn, ta chọn Hb = 1,4 m (theo điều kiện cho q trình sơi sủi bọt).
22


2. Tính kích thước buồng đốt
2.1.Số ống truyền nhiệt
Số ống truyền nhiệt được tính theo cơng thức (III-49), trang 134, [4]:
n=

F
π .d.l

Trong đó :
F = 97,3 – diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2).
l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt.
d – đường kính của ống truyền nhiệt.
Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm.
Số ống truyền nhiệt là:
n=

97,3
3,14.0,025 .1,5

= 826

Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 817 và bố trí ống theo hình lục giác
đều.
2.2.Đường kính ống tuần hồn trung tâm (Dth)
Áp dụng cơng thức (III.26), trang 121, [6]:

Dth =
2

Chọn f1 = 0,3 FD. với FD =

π . dn . n
4

√

4. f 1
π

(m).
2

3,14. 0,029 .817
= 0,539 m.
4

=

⇒ f1 = 0,3.0,539 = 0,1617 m2.
⇒ Dth =

√

4.0,1617
3,14

= 0,45

⇒ chọn Dth = 0,4m = 400 mm theo tiêu chuẩn trang 290,[5].
Kiểm tra : Dth =

400
25

= 16 > 10 (thỏa).

2.3.Đường kính buồng đốt (Dt)

Đối với thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục
giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo cơng thức (III-52), trang 135,
[4]:
Dth +2. β . d n
¿
¿
0,4, β 2 . d n . sinα . F
+¿
φ.l
√¿

Dt =

(m)

(3)

Trong đó:

t

 d - hệ số, thường có giá trị từ 1,3 đến 1,5. Chọn β = 1,4.
n
dn = 0,029 m – đường kính ngồi của ống truyền nhiệt.
φ – hệ số sử dụng vỉ ống, thường có giá trị từ 0,7 đến 0,9. Chọn φ = 0,8.
23


l = 1,5 m – chiều dài của ống truyền nhiệt.
Dnth = 0,45 + 2.0,002 = 0,454 m – đường kính ngồi của ống tuần hồn trung tâm.
α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đều.
F = 103,78 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt.

(3) ⇒ Dt =

0,454 +2.1,4 .0,029
¿
¿
0,4,1.4 2 .0,029 . sin60.97,3
+¿
0,8.1,5
√¿

=1,37 m.

⇒ chọn Dt = 1,4 m = 1400 mm theo tiêu chuẩn trang 291,[5].

3. Tính kích thước các ống dẫn
Đường kính của các ống được tính một cách tổng qt theo cơng thức (VI.41), trang

74, [2]:
⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

Trong đó:
G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s
v – tốc độ của lưu chất; m/s
ρ – khối lượng riêng của lưu chất; kg/m3
3.1.Ống nhập liệu
Gđ = 2252,6 kg/h.
Nhập liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 12% ở 116,86 oC).
Chọn v = 1,5 m/s (trang 74, [2]).
ρ = 1072,555 kg/m3
⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

=

√

4.2252,6

3,14.1072,555 .1,5.3600

Chọn dt = 120 mm. dn = 125 mm.

= 0,12 m.

3.2.Ống tháo liệu
Gc = 563,15 kg/h
Tháo liệu chất lỏng ít nhớt (dung dịch NaOH 48% ở 123,22 oC). Chọn v = 1 m/s
(trang74, [2]). ρ = 1437,51 kg/m3
⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

=

√

4.563,15
3,14.1437,51.3600 .1

= 0,038 m.

Chọn dt = 40 mm dn = 45 mm.
3.3.Ống dẫn hơi đốt
Lượng hơi đốt biểu kiến D = 0,52 kg/s.
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 3 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]).

ρ = 0,618 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
24


⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

=

√

4.0,52
3,14.0,618 .20

= 0,23m.

Chọn dt = 250mm , dn = 259mm.
3.4. Ống dẫn nước ngưng
Chọn GD =

1
3

D=

1

3

. 0,52 = 0,173 kg/s.

Dẫn nước lỏng cân bằng với hơi nước bão hoà ở 3 at.
Chọn v = 0,75 m/s (trang 74, [2]).
ρ = 1618 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 315, [1]).
⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

Chọn dt = 20mm

=

√

4.0,173
3,14.0,75 .1618

dn = 25mm.

= 0,013 m.

3.5.Ống dẫn hơi thứ
W = 1689,45 kg/h
Dẫn hơi nước bão hoà ở áp suất 1,033 at. Chọn v = 20 m/s (trang 74, [2]).

ρ = 0,5790 kg/m3 (tra bảng I.251, trang 314, [1]).

⇒ d=

√

4.G
π . ρ. v

=

√

4.1689,45
3,14.0,5790 .20 .3600

= 0,2272m.

Chọn dt = 250mm.
dn = 259mm.
3.6.Ống dẫn khí không ngưng :
Chọn dt = 20 mm; dn = 25 mm.
C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CƠ ĐẶC
1. Tính cho buồng đốt
1.1.Sơ lược về cấu tạo
Buồng đốt có đường kính trong Dt = 1400 mm, chiều cao Ht = 2000 mm.
Thân có 3 lỗ, ứng với 3 ống: dẫn hơi đốt, xả nước ngưng, xả khí khơng ngưng.
Vật liệu chế tạo là thép khơng gỉ OX18H10T, có bọc lớp cách nhiệt.
1.2.Tính tốn
Bề dày tối thiểu S’:

Hơi đốt là hơi nước bão hồ có áp suất 3 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là:
pm = pD – pa = 3 – 1 = 2 at = 0,1962 N/mm2
Áp suất tính tốn là:
Pt = pm + ρgH = 0,1962 + 1261.9,81.10-6.2 = 0,214 N/mm2
Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD = 132,9 oC, vậy nhiệt độ tính tốn của buồng đốt là:
ttt = tD + 20 = 132,9 + 20 = 152,9 oC
(trường hợp thân có bọc lớp cách nhiệt)
Theo hình 1.2, trang 16, [7], ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu ở ttt là:
[σ]* = 115 N/mm2
Chọn hệ số hiệu chỉnh η = 0,95 (có bọc lớp cách nhiệt) (trang 17, [7]).
⇒ Ứng suất cho phép của vật liệu là:
[σ] = η.[σ]* = 0,95.115 = 109,25 N/mm2
Tra bảng 2.12, trang 34, [7]: module đàn hồi của vật liệu ở ttt là
25