Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên: Trần Quang Vinh
MSSV : 0741120351
Lớp : ĐH HÓA 3 – K7
Khóa : VII
I. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế và tính toán hệ thống cô đặc hai nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục, dùng để
cô đặc dung dịch Na2SO 4.
Thiết bị cô đặc kiểu: phòng đốt ngoài.
II. Các số liệu ban đầu:
Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài thẳng đứng cô đặc
Na2SO4
Với năng suât 9000 kg/h
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10%
Chiều cao ống gia nhiệt: 2m
Nồng độ cuối của dung dịch : 30%
áp suất hơi đốt nồi 1: 6 at
áp suất hơi ngưng tụ: 0,24at
III. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
1.
Phần mở đầu
2.

Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ ( bản vẽ A4 )
3.
Tính toán kỹ thuật thiết bị chính:
Tính cân bằng vật liệu toàn tháp
Tính đường kính và chiều cao thiết bị
Tính trở lực tháp
Tính toán cơ khí
4.
Tính và chọn thiết bị phụ
5.
Kết luận
6.
Tài liệu tham khảo
IV. Các bản vẽ
Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4
Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A0

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
V. Cán bộ hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
VI. Ngày giao nhiệm vụ: ngày 15 tháng 03 năm 2015
VII. Ngày hoàn thành: ngày 18 tháng 07 năm 2015
Phê duyệt của bộ môn
Ngày 18 tháng 07 năm 2015
Người hướng dẫn
ThS. Nguyễn Tuấn Anh


GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
*********
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
.......................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm 2015
Người nhận xét


GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

Contents

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một
thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên
khoa công nghệ Hóa học trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội được nhận đồ án
môn học: “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học”. Việc thực hiện đồ án là
điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau
khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “ Cở sở các quá trình và
thiết bị công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một
số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ thiết kế một thiết bị, hệ
thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong quá trình công
nghệ. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài
liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán
và thiết kế, tự nâng cao kỹ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học.
Trong đồ án môn học này nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ
thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều,ông tuần hoàn trung tâm với dung dịch Na 2SO 4 ,
năng suất đầu 9000 (k/h), nồng độ đầu vào là 10%, nồng độ sản phẩm là 30%.
Áp suất hơi đốt nồi 1 là 6 (at), áp suất ngưng tụ là 0.24 (at).

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá
trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm
của các thầy cô giáo để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Tuấn Anh đã hướng dẫn em hoàn
thành đồ án này.

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 5


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
I. QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan
không bay hơi, ở nhiệt độ sôi.
Mục đích của quá trình cô đặc là:
- Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
- Thu được dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất).
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất
thường, áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống
nhiều thiết bị cô đặc. Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong
quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn
nhiệt hóa hơi lớn nên thường làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu hơi thứ được
sử dụng ngoài dây chuyền công nghệ cô đặc gọi là hơi phụ.
Cô đặc chân không được dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung
dịch dễ bị phân hủy về nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt
và nhiệt độ trung bình của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến
giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung

dịch thấp hơn có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất khác (hoặc sử
dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch
không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi
thứ cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc nhiều nồi:
Khi cô đặc một nồi sẽ gây lãng phí nhiên liệu, làm cho quá trình sản xuất không
đạt được hiệu quả cao. Do đó để tận dụng hơi thứ thay cho hơi đốt , chúng ta sử
dụng hệ thống cô đặc nhiều nồi.
Nguyên tắc của hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:
Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào nồi thứ
hai. Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ 3,….hơi thứ của nồi cuối cùng
được đưa vào nồi ngưng tụ. Dung dịch được đưa từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi
nồi dung dịch được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt cho mỗi nồi là phải có sự chênh lệch nhiêt độ
giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói một cách khác là phải có sự chênh lệch
áp suất giữa hơi thứ và hơi đốt trong các nồi. Nghĩa là áp suất làm việc trong các
nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau. Thông
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 6


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suất
chân không.
Hệ thống cô đặc nhiều nồi được dùng khá phổ biến trong sản xuất.
II. DUNG DỊCH Natrisunfat- Na2SO4
Natri sunfat là muốinatri của acid sulfuric. Khi ở dạng khan, nó là một
tinh thể rắn màu trắng có công thức Na2SO4 được biết đến dưới tên khoáng
vật thenardite; Na2SO4·10H2O được tìm thấy ngoài tự nhiên dưới dạng khoáng

vật mirabilite, và trong sản xuất nó còn được gọi là muối Glauber hay mang tính
lich sử hơn là sal mirabilis từ thế kỉ 17. Một dạng khác là tinh thể heptahiđrat
được tách ra từ mirabilite khi làm lạnh. Với sản lượng sản xuất hàng năm lên
đến 6 triệu tấn, nó là một sản phẩm toàn cầu quan trọng về hóa chất.
a. Tính axit- bazơ:

Natri sunfat là muối trung hòa, khi tan trong nước tạo thành dung dịch có
pH = 7. Tính trung hòa chứng tỏ gốc sunfat bắt nguồn từ một axit mạnh acid
sulfuric. Hơn nữa, ion Na+, với chỉ một điện tích dương, có khả năng phân cực
các phối tử nước của nó rất yếu miễn là có ion kim loại trong dung dịch. Natri
sunfat phản ứng với axit sunfuric tạo muối axit natri bisunfat:
Na2SO4 + H2SO4 ⇌ 2 NaHSO4
Hằng số cân bằng của quá trình trên phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ.
Độ tan và trao đổi ion:
Natri sunfat có tính tan rất bất thường trong nước. Độ tan của nó trong nước
tăng gấp hơn mười lần trong khoảng 0 °C đến 32.384 °C, điểm mà độ tan đạt giá
trị cực đại 497 g/L. Tại điểm này đường biểu diễn độ tan uốn cong hướng
xuống, và độ tan trở nên không phụ thuộc vào nhệt độ. Nhiệt độ 32.384 °C,
tương ứng với nhiệt độ làm giải phóng nước ra khỏi tinh thể và tan chảy muối
ngậm nước, cung cấp giá trị nhiệt độ tham khảo chính xác cho việc định
chuẩn nhiệt kế.
Natri sunfat là muối ion điển hình, chứa các ion Na+ và SO42−. Sự có mặt
của sunfat trong dung dịch được nhận biết dễ dàng bằng cách tạo ra các sunfat
không tan khi xử lý các dung dịch này với muối Ba2+ hay Pb2+:
Na2SO4 + BaCl2 → 2 NaCl + BaSO4
Natri sunfat còn biểu hiện xu hướng tạo muối kép ở mức vừa phải. Các loại
phèn duy nhất được tạo ra với các kim loại hóa trị ba thông thường là
NaAl(SO4)2 (không bền ở trên 39 °C) và NaCr(SO4)2, đối nghịch với kali
sulfat và amoni sunfat tạo được nhiều loại phèn bền. Những muối kép với một
vài kim loại kiềm khác được biết gồm Na 2SO4·3K2SO4, muối này có trong tự

nhiên dưới dạng khoáng vậtglaserit. Sự hình thành glaserit bằng phản ứng giữa
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 7


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
natri sunfat và kali clorua được dùng làm cơ sở của một phương pháp sản
xuất kali sulfat, một loại phân bón. Các muối kép khác bao gồm
3Na2SO4·CaSO4, 3Na2SO4·MgSO4 (vanthoffite) và NaF.Na2SO4.
b. Cấu trúc tinh thể:

Các tinh thể chứa ion [Na(OH2)6]+ dạng bát diện, được tìm thấy trong nhiều
muối sunfat kim loại. Những cation này được liên kết với gốc sunfat thông
qua liên kết hiđrô. Độ dài liên kết Na-O là 240 pm. Hai phân tử nước của mỗi
đơn vị công thức phân tử không tạo phối trí với Na +. Tinh thể natri sunfat
đecahiđrat còn bất thường so với các loại muối ngậm nước khác khi có giá
trị entropy dư thừa (entropy ở nhiệt độ không tuyệt đối) là 6.32 J·K−1·mol−1.
Điều này được cho là do khả năng phân bố nước nhanh hơn rất nhiều so với hầu
hết các muối khác.

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 8


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
PHẦN 2 : SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
I.

Nguyên lý làm việc của hệ thống.
Dung dịch đầu chứa trong thùng (1) qua bơm (2) được bơm lên thùng cao


vị (3). Từ đây nó được điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu qua lưu lượng kế (4)
trước khi vào thiết bị gia nhiệt (5). Tại thiết bị (5), dung dịch được đun nóng đến
nhiệt độ sôi bằng tác nhân hơi nước bão hòa và được cấp vào nồi cô đặc thứ nhất
(6), thực hiện quá trình bốc hơi. Dung dịch ra khỏi nồi 1 được đưa vào nồi thứ
hai (7). Tại đây cũng xảy ra quá trình bốc hơi tương tự như ở nồi 1 với tác nhân
đun nóng chính là hơi thứ của nồi thứ nhất (đây chính là ý nghĩa về mặt sử dụng
nhiệt trong cô đặc nhiều nồi ). Hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (8).
Ở đây, hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy vào thùng chứa ở ngoài;
còn khí không ngưng đi vào thiết bị thu hồi bọt ( 9 ) rồi vào bơm hút chân không
. Dung dịch sau khi ra khỏi nồi 2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào
thùng chứa sản phẩm . Nước ngưng tạo ra trong hệ thống được chứa trong các
cốc và theo đường nước thải đi xử lý trước khi thải ra môi trường.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau
từ nồi này sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất.
Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó,
dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết
quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm
một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch
do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt. Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch
trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước
ngưng tụ.
Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau
thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch
tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
Ghi chú:
1- Thùng chứa dung dịch đầu
2- Bơm chân không
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh

SVTH : Trần Quang Vinh 9


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
3- Thùng cao vị
4- Lưu lượng kế
5- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6- Thiết bị cô đặc 1
7- Thiết bị cô đặc 2
8- Thiết bị ngưng tụ (bazomet)
9- Thiết bị tách bọt
II.
Sơ đồ dây truyền hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 10


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
PHẦN 3: TÍNH CÔNG NGHỆ
3.1. Cân bằng vật liệu
3.1.1. Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ
dung dịch thay đổi từ xđ đến xc :
W=Gđ(1-

xd
xc

) (kg/h)


(VI.1 STQTTB T2)

10
30

=9000.(1- )=6000 (kg/h)
Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/s;
xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng.
Chọn tỉ lệ phân bố hơi thứ cho các nồi như sau:
W1:W2=1:1,09
Ta có:

W1=

6000
2

= 2870,8134 (kg/h)

W2=3129,1866
3.1.2. Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi:
Được tính theo công thức VI.2.[2-57]:
xi = G d ×

xd
i

Gd − ∑ w j

%


j =1

Ta có nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi:
Nồi 1:= 14,68 ( % khối lượng)
Nồi 2: 30 (% khối lượng)
3.2. TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG,
∆P:
Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P là hiệu số giữa áp suất
hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ png.
Do đó ta có:
∆P = p1 – png = 6 – 0,24 = 5,76 (at)
3.3. XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 11


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là:
∆p1 : ∆p2 = a1 : a2 = 2,2 : 1
Áp suất hơi đốt trong từng nồi (p i) được xác định theo công

thức:

pi = pi-1 - ∆pi-1 (at)
Với (at)
Ta có: ∆p1 = = = 4,11 (at)
∆p2 = = = 1,64 (at)
Do đó: p1 = 6 at
p2 = p1 - ∆p1= 6 – 4,11 = 1,89 at

png= p2 - ∆p2= 1,89 – 1,64 = 0,25 at
Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên.
Bằng cách tra bảng I.251, [1-314] ta có được các nhiệt độ hơi đốt tương
ứng như sau:
p1 = 6 at
p2 = 1,89 at
png = 0,25 at

T1 = 158,1 0C

→
→

T2 = 117,785 0C
→

Tng= 64,2 0C

Nhiệt lượng riêng (i1) và nhiệt hóa hơi (r1) của hơi đốt theo áp suất
pi. Tra bảng I.251, [1-314].
p1 = 6 at

p2 = 1,89 at

png= 0,25 at

T1 = 158,1 0C

T2 = 117,785 0C


Tng= 64,20C

i1 = 2768.103 J/kg

i2 = 2209,450 J/kg

ing=2613,5.103J/kg

r1 = 2095.103 J/kg

r2 = 2212,950.103J/kg

rng=2347.103 J/kg

TÍNH NHIỆT ĐỘ (ti’) VÀ ÁP SUẤT HƠI THỨ (p i’) RA
KHỎI TỪNG NỒI:
- Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi (t i’) được xác định theo công
thức:
= Ti+1 + (0C)

1.4.

Trong đó:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 12


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
Ti+1: nhiệt độ hơi đốt trong nồi thứ i+1, 0C
T1 = 158,1 0C

T2 = 117,785 0C
: Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống: thường chọn 1÷1,5 0C.
Để đơn giản ta chọn = 1,2 0C
Vậy:

= T2 + = 117,785 + 1,2 = 118,985 (0C)
= Tng + = 64,2+ 1,2 = 65,4(0C)

- Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ( từ đó suy ra nhiệt lượng
riêng ( và nhiệt hóa hơi () của hơi thứ theo phương pháp nội suy đồ thị.
Tra bảng I.250, [1-312]:
= 118,985 0C

= 65,4 0C

= 1,963 at

= 0.26 at

= 2709,815.103 J/kg

= 2618,204.103 J/kg

= 2209,665.103 J/kg

= 2344,224.103 J/kg

Bảng tổng hợp số liệu 1
Hơi đốt


Hơi thứ

Nồi p, at

T, 0C

i.103,
J/kg

1

6

158,1

2768

1,89

117,78 2709,45 2212,95
5
0
0
0.26

2

1.5.

r.103,

J/kg

p', at

t', 0C

i'.103, J/kg r'.103, J/kg

2095

1,958

118,985

2709,815 2209,665

65,4

2618,204 2344,224

TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất
nhiệt độ này là do nồng đọ tăng cao (∆’), do áp suất thủy tĩnh tăng cao
(∆’’), do trở lực đường ống (∆’’’).
1.5.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (∆’):

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 13



Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào
nồng độ và áp suất của chúng. ∆’ ở áp suất bất kì được xác định theo
phương pháp Tysenco:
Ta có:

∆i’ = . f

Với:

f = 16,2.

(VI.10, [2-59])
(VI.11, [2-59])

Trong đó:
f: hệ số hiệu chỉnh
Ti’:nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã
cho, K.
: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc,
J/kg.
:tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi ở nhiệt độ nhất định và áp suất khí quyển (tsdd > tsdm ).
Giá trị được tra ở bảng VI.2, [2-66]:
Ta có: T1’ = 118,985+ 273 = 391,985 K
T2’ = 65,4 + 273 = 338,4 K
Nồi 1: x1 = 14,68 % → =1,288 0C
Nồi 2: x2 = 30 %


→ = 2,84 0C

Từ bảng tổng hợp số liệu 1: r1’ = 2209,665.103 J/kg
r2’ = 2346,267.103 J/kg
Từ đó ta tính được:
∆1’= 16,2. . 1,288 = 1,46 (0C)
∆2’= 16,2. . 2,84 = 2,33 (0C)
Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao là:
∑∆’= ∆1’ + ∆2’= 1,46 + 2,33 = 3,79 (0C)
1.5.2. Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’):

Tổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn
nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng. Thường tính toán ở
khoảng giữa của ống truyền nhiệt. Áp dụng công thức VI.12, [2-60]:
Ptbi= Pi’+, N/m2
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 14


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
Để thuận tiện cho tính toán ta chuyển sang đơn vị at. Lúc đó công
thức trên trở thành:
Ptbi= Pi’+ ,at
Trong đó:
Pi’: Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng, at.
h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền
nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m.
Chọn h1= 0,5 m
H: Chiều cao của ống truyền nhiệt, m.
H=2m

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m 3. Lấy gần
1

đúng bằng

2

khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC:

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3
g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2
Tra bảng I.32, [1-38] ta có khối lượng riêng của dung dịch Na 2SO4
ở 20ºC:
Nồi 1: x1= 14,48% → = 1137,499 (kg/m3)
Nồi 2: x2= 30%

→ = 1294,25 (kg/m3)

= = 568,7495 (kg/m3)
= = 647,125 (kg/m3)
Vậy ta có: Ptb1= 1,958+. 568,7495. = 2,04 (at)
Ptb2= 0,26 +. 647,125. = 0,36 (at)
-

Nhiệt độ sôi ứng với áp suất P tb1 vừa tính được xác định bằng cách tra
bảng I.251, [1-314]:
Ptb1 = 2,04 at

→ ttb1 = 120,132 (0C)


Ptb2 = 0,36 at

→ ttb2 = 72,72(0C)

Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 15


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
∆i’’= ttbi – ti’
Trong đó:
ttbi, ti’: là nhiệt độ sôi ứng với các áp suất Ptbi, pi’
Ta có:
Ptb1 = 2,04 at
= 1,958 at

→ ttb1 = 120,132 (0C)
→ = 118,985 0C

→ ∆1’’= 120,132 – 118,985 = 1,147 (0C)
Ptb2 = 0,36 at
= 0,26 at

→ ttb2 = 72,72 (0C)
→ = 65,4 (0C)

→ ∆2’’ = 72,72 – 65,4 = 7,32 (0C)
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:
∑∆”= ∆1” + ∆2” = 1,147 + 7,32 = 8,467 (0C)

1.5.3.

Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆’’’):

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là
đoạn nối giữa nồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ. Trong giả
thiết mục 2.6 khi tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã
chọn = 1,2 0C
Vậy tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống bằng:
∑∆”’= ∆1”’ + ∆2”’ = 1,2 + 1,2 = 2,4 (0C)
Tổng nhiệt độ tổn thất:
∑∆ = ∑∆’ + ∑∆” + ∑∆”’
= 3,79 + 8,467 + 2,4 = 14,67 (0C)
1.6.
TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG.
1.6.1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc:
= Ti – Tng - ,0C
(VI.17 và VI.18, [2-67])
1.5.4.

Trong đó:
Ti: nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1, 0C.
Tng: nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, 0C.
: tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi, 0C.
Ta có: T1 = 158,1 0C
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 16


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

Tng= 64,2 0C
= 28,2029 0C
Vậy = 158,1 – 64,2 – 14,67 = 79,23 (0C)
Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:
Là hệ số nhiệt độ hơi đốt Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung
dịch cô đặc.
∆Ti= Ti - tsi = Ti – ti’- ∆i’ - ∆i” , 0C
1.6.2.

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:
∆T1= T1– t1’- ∆1’ - ∆1”
= 158,1 – 118,985 – 1,46 – 1,147 = 36,51 (0C)
∆T2= T2– t2’- ∆2’ - ∆2”
= 117,785 – 65,4 – 2,35 – 7,32 = 42,72 (0C)
Nhiệt độ sôi của từng nồi:
tsi = ti’+ ∆i’ + ∆i”
Ta có: ts1 = t1’+ ∆1’ + ∆1” = 118,985+1,46+1,147 = 121,59 (0C)
ts2 = t2’+ ∆2’ + ∆2” = 65,4+2,35+7,32 = 75,07 (0C)
Bảng tổng hợp số liệu 2
Nồi

∆’, 0C

∆”, 0C

∆”’, 0C

∆T, 0C

ts, 0C


1

1,46

1,147

1,2

36,51

121,59

2

4,9855

15,908

1,2

42,72

75,07

THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT
LƯỢNG ĐỂ TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT D i, LƯỢNG HƠI
THỨ Wi Ở TỪNG NỒI.
1.7.1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng.
1.7.


D.i1

W1i1’
Qm1

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 17

W1i2t2

W2i2’
Qm2


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
θ1

GdCotso

D Cnc1

(Gd-W1)C1ts1

W1Cnc2

θ2

(Gd-W1-W2 )C2.ts2


Trong đó:
Gd: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị, kg/h.
D: Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất, kg/h.
i1, i2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2,
J/kg.độ.
i1’,i2’: Nhiệt lượng riêng của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.

θ1 , θ 2

: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2, 0C.

C o, C1, C2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1, nồi 2 và ra khỏi
nồi 2, J/kg.độ.
Cnc1, Cnc2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ.
Qm1,Qm2: Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2.
W1 , W2: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h.
tso, ts1, ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2,
0

C.
1.7.2. Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng.

Được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
-

Nồi 1:

D.i1 + Gd C0 t so = W1 .i1 '+ (Gd − W1 )C1 .t s1 + D.Cnc1 .θ1 + Qm1
(1)

-

Nồi 2 :
W1i2 + (G d − W1 )C1 .t s1 = W2 i2 '+(G d − W1 − W2 )C 2 t s 2 + W1C nc 2θ 2 + Qm2

(2)

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 18


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
Mà ta lại có:
•

W1 + W2 = W

(3)

Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
θ1

θ2

= T1 = 158,1 (0C)
= T2 = 117,785 (0C)

Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu
đến nhiệt độ càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt
lượng thừa của các quá trình sản xuất khác.

Do đó có thể chọn: tso = ts1 = 121,59 (0C).
•

Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng I.249,
[1–310]
θ1 = 158,1 oC

→

Cnc1 = 2353,054 (J/kg độ)

θ2 = 117,785 oC

→

Cnc2 = 2111,411 (J/kg độ)

Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2:
Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10 %. Áp dụng công thức I.43,
•

-

[1-152].
Đối với dung dịch loãng (x<0,2):
C = 4186 (1- x)
Ta có:
-

(J/kg.độ)


Co = 4186 (1 - 0,05) = 3976,7 (J/kg độ)

Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 14,68 %
Cũng áp dụng công thức trên ta có:
C1 = 4186 (1- 0,014,68) = 3571,33443 (J/kg độ).

-

Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x c = 30%. Áp dụng công thức I.44,
[1-152]. Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2):

C2 = Cht.x + 4186 (1- x)

(J/kg.độ)

Với Cht là nhiệt dung

riêng của Na2SO4 khan được xác định theo công thức I.41, [1-152]:
M.Cht = n1.c1 + n2.c2
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 19


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
Trong đó:

M: KLPT của Na2SO4, M = 142
n1: Số nguyên tử Na, n1 = 2
n2: Số nguyên tử S, n2 = 1


n2 : Số nguyên tử O, n2 =4

c1, c2, c3: Nhiệt dung riêng của nguyên tử Na, S, O.
Tra từ bảng I.141, [1–152]:
c1 = 26000 J/kg.nguyên tử.độ.
c2 = 22600 J/kg.nguyên tử.độ.
c3= 16800 J/kg.nguyên tử.độ.

Cht =
Vậy:

2.26000 + 22600 + 4.16800
= 998,5915
142

(J/kg độ)

→ C2 = 998,5915.0,3+ 4186.(1- 0,3) = 3229,77745 (J/kg độ)
• Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh 2 nồi:

Nhiệt mất mát này thường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc
hơi ở từng nồi. Nghĩa là:
Qm1 = 0,05D(i1 - Cnc1.θ1 )
Qm2 = 0,05W1(i2 - Cnc2.θ2 )
Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng, qua một số phép
biến đổi đơn giản ta sẽ có biểu thức:
W1 =

W (i2 '−C 2t s 2 ) + Gd (C 2t s 2 − C1t s1 )

0,95(i2 − Cnc 2θ 2 ) + i2 '−C1t s1

D=

W1 (i1 '−C1t s1 ) + Gd (C1t s1 − C0t so )
0,95(i1 − Cnc1θ1 )

Thay các số liệu vào ta được:

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 20


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
W1 =

6000(2618,204.10 3 − 3229,77745.75,07) + 9000(3229,77745.75,07 − 3571,33443.121,59 )
0,95(2696,335.10 3 − 4233,0578.110,034) + (2609,956.10 3 − 3842,8945.116,1434)

=2770,73 (kg/h)
2114,4955( 2697,9744.10 3 − 3842,8945.116,1434) + 5400(3842,8945.116,1434 − 3976,7.116,1434
D=
0,95(2744.10 3 − 4294,25.142,9)

= 2675,73 (kg/h)
W2= W – W1 = 4275 – 2114,4955 = 3229,27 (kg/h)

Bảng tổng hợp số liệu 3
Cnc, J/kg.độ


,0C

Nồ
i

C, J/kg.độ

1

3571,33443

2353,054

158,1

2

3229,78

2111,411

W, kg/h
Giả thiết

Tính

Sai số
%

2870,8134


2770,73

3,49

117,785 3129,1866

3229,27

3,20

Tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa 2 nồi:
W1 : W2 = 1 : 1,17
Sai số giữa Wi tính toán và giả thiết nằm trong sai số kĩ thật cho
phép (<5%)
1.8.

TÍNH HỆ SỐ CẤP NHIỆT, NHIỆT LƯỢNG TRUNG
BÌNH TỪNG NỒI.

1.8.1. Tính hệ số cấp nhiệt α1i khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt
nồi 1 là ∆t1i
- Với điều kiện làm việc ở phòng đốt ngoài thẳng đứng H = 6m, hơi
ngưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp nhiệt
được tính theo công thức:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 21



Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

α1i = 2,04. A.(

ri
) 0, 25
∆t1i .H

W/m2.độ

(V.101, [2–28])

Trong đó:
H: Chiều cao ống truyền nhiệt, H = 6m.

α 1i

: Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi ở nồi thứ i, W/m2.độ.

∆t1i

: Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt

tường tiếp xúc với hơi ngưng của nồi i, 0C.
Giả thiết:
∆t11 = 4,21 0C
∆t12 = 5,36 0C
ri: Ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt, J/kg:
Từ bảng tổng hợp số liệu 1 ta có:


r1 = 2768.103 J/kg
r2 = 2709,45.103 J/kg

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng (tm): [2-29]
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +Ti )

[2-29]

= Ti - 0,5.∆t1i ,0C
Ti: nhiệt độ hơi đốt.
tTi: nhiệt độ bề mặt tường.
Theo bảng tổng hợp số liệu 1: T1 = 158,1 0C
T2 = 117,785 0C
Từ đó ta tính được:
tm1 = T1 + 0,5.∆t11 = 158,1 - 0,5. 4,21 = 155,995 (0C)
tm2 = T2 + 0,5.∆t12 = 117,785 - 0,5. 5,36 = 115,055 (0C)
Tra giá trị A theo bảng [2-29] ta được giá trị tm tương ứng:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 22


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
tm1 = 155,995 0C

→

tm2= 115,11 oC


A1 = 196,4

→

A2 = 185,7795

Vậy ta có:

 2768.103 
α11 = 2,04.196,4.

4,21 


0 , 25

= 8948,28(W / m 2 .đô )

 2709,45.103 
α12 = 2,04.185,7795.

5
,
36



0 , 25

= 8079 ,21(W / m 2 .đô)


1.8.2. Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:

q1i = α1i .∆t1i

Ta có:

W/m2

[3-333]

Trong đó: q1i: nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ nồi thứ i.
q11 =
q12 =

α11
α12

.∆t11 = 8948,28. 4,21 = 37672,26 (W/m2)
.∆t12 = 8079,21. 5,36 = 43304,57 (W/m2)
Bảng tổng hợp số liệu 4

Nồi

∆t1i, 0C

tmi, 0C

Ai


1i

,W/m2.độ

q1i, W/m2

1

4,21

155,995

196,4

8948,28

37672,26

2

5,36

115,11

185,7795

8079,21

43304,57


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

- Tùy thuộc cấu tạo thiết bị, giá trị nhiệt tải riêng q, áp suất làm việc,
chế độ sôi cũng như điều kiện tối ưu của chất lỏng mà chọn công thức
tính cho thích hợp:
- Thông thường có thể tính theo theo công thức:

α 2i = 45,3.Pi .∆t2i
0 .5

2 , 33

Trong đó:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 23

.ψ i

,(W/m2 độ )

[3-332]


Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
ψi

:Hệ số hiệu chỉnh.

Pi : áp suất hơi thứ, at.
Theo bảng tổng hợp số liệu 1 ta có:

P’1=1,958 (at)
P’2=0.26 (at)

∆t 2i

: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung

dịch sôi.

∆t 2i = t T2 − t ddi = ∆Ti − ∆t1i − ∆tTi
-

Hiệu số nhiệt độ ở 2 bề mặt thành ống truyền nhiệt:

∆t Ti = q1i .∑ r
-

, oC

Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt:

∑r = r + r
1

2

+

δ
 m 2 .do / W 

λ

Trong đó:
r1, r2: nhiệt trở của cặn bẩn 2 phía tường, m2.độ/W
Tra bảng V.1, [2–4] lấy:
r1
r2

δ
λ

= 0,387.10-3 (m2.độ/W) là nhiệt trở của nước.
= 0,232.10-3 (m2.độ/W) là nhiệt trở của cặn bẩn.

: bề dày ống truyền nhiệt,ta chọn

δ

= 2mm = 0,002 m

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (chọn thép

hợp kim Crom-niken-titan)
Thay vào ta có:
GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 24

→λ

=46,4 (W/m.độ)



Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học

∑r =

= q11.
= q12.

∑r =

0,387.10-3 +0,232.10-3 + = 0,0006621 (m2.độ/W)

37672,26. 0,0006621 = 24,94 (0C)

∑r =

43304,57 . 0,0006621 = 28,67 (0C)

Vậy: ∆t21 = ∆T1 - ∆t11 - = 36,51 – 4,21 – 24,94= 7,36 (0C)
∆t22 = ∆T2 - ∆t12 - = 43,40 – 5,36 – 28,67 = 8,69 (0C)

ψ

: hệ số hiệu chỉnh, được xác định theo công thức:

λ 
ψ =  dd 
 λnc 


0, 565

 ρ  2  C  µ 
. dd   dd  nc 
 ρ nc   Cnc  µ dd 

0, 435

(VI.27, [2–71])

(dd: dung dịch, nc: nước )
Trong đó:

λ

ρ

: hệ số dẫn nhiệt, W/m. độ.
: khối lượng riêng, kg/m3.

C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ.

µ

: độ nhớt, cP.

λ, ρ , C, µ

: lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch.


ts1 = 121,59 0C
ts2 = 75,07 0C
•
-

Khối lượng riêng:

Với nước: tra bảng I.249, [1–310]:

GVHD: ThS. Nguyễn Tuấn Anh
SVTH : Trần Quang Vinh 25