MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.....................................................7
I. Tổng quan về sản phẩm.................................................................................7
II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc.................................................8
1. Định nghĩa.....................................................................................................8
2. Các phương pháp cô đặc...............................................................................10
3. Ứng dụng của sự cô đặc................................................................................10
4. Cấu tạo thiết bị cô đặc...................................................................................10
III. Lựa chọn phương án thiết kế - thuyết minh quy trình công nghệ...............12
1. Lựa chọn phương án thiết kế.........................................................................12
2. Thuyết minh quy trình công nghệ.................................................................12
CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG........14
1. Tính cân bằng vật chất...................................................................................14
1.1. Xác định lượng dung môi bốc hơi..............................................................14
1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối mỗi nồi..................................................15
2. Cân bằng nhiệt lượng....................................................................................16
2.1 Xác định áp suất ban đầu.............................................................................16
2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi..................................................................17
2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt độ trong các nồi.......................................18
2.3.1. Tổn thất do nồng độ gây ra

(∆ ') ......................................................18

2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất

( ∆ '') thủy tĩnh ......................................19

2.3.3. Tổn thất do trở lực của đường ( ∆ ''') ống ..............................................21
2.3.4. Tổn thất cho toàn bộ hệ thống.................................................................21

2.3.5. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi.............21

1


2.4. Cân bằng nhiệt lượng.................................................................................22
2.4.1. Tính nhiệt dung riêng..............................................................................22
2.4.2. Tính nhiệt lượng riêng.............................................................................23
3. Tính bề mặt truyền nhiệt...............................................................................27
3.1. Độ nhớt.......................................................................................................27
3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch...................................................................30
3.3. Hệ số cấp nhiệt...........................................................................................31
3.3.1. Về phía hơi ngưng tụ...............................................................................31
3.3.2. Về phía dung dịch sôi..............................................................................33
3.4. Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi.......................................35
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH...............................................................41
3.1. Buồng bốc..................................................................................................41
3.1.1. Tính số ống truyền nhiệt..........................................................................41
3.1.2. Đường kính thiết bị buồng đốt................................................................41
3.1.3. Chiều dày buồng đốt...............................................................................42
3.1.4. Chiều dày đáy buồng đốt.........................................................................44
3.2. Buồng bốc..................................................................................................46
3.2.1. Đường kính buồng bốc............................................................................46
3.2.2. Chiều cao buồng bốc...............................................................................46
3.2.3. Chiều dày buồng bốc...............................................................................48
3.2.4.Chiều dày nắp buồng bốc.........................................................................49
3.3. Đường kính các ống dẫn.............................................................................50
3.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt....................................................................50
3.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ...................................................................51
3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch...............................................................52

3.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng...........................................................54

2


3.3.5. Đường kính ống tuần hoàn ngoài............................................................56
3.4. Chiều dày vĩ ống........................................................................................56
3.5. Chiều dày lớp cách nhiệt............................................................................57
3.5.1. Chiều dày lớp cách nhiệt của ống dẫn.....................................................57
3.5.2. Tính chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị.......................................60
3.6. Chọn mặt bích............................................................................................62
3.6.1. Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp................................................62
3.6.2. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn................63
3.7. Chọn tai treo...............................................................................................63
3.7.1. trọng lượng thân thiết bị..........................................................................63
3.7.2. Tải trọng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài.................................64
3.7.3. trọng lượng của dung dịch trong thiết bị.................................................65
3.7.4. trọng lượng hơi........................................................................................65
3.7.5. Trọng lượng vĩ ống..................................................................................65
3.7.6. Trọng lượng đáy buồng đốt.....................................................................66
3.7.7. Trọng lượng nắp buồng bốc....................................................................66
3.7.8. Trọng lượng bích.....................................................................................66
3.7.9. Trọng lượng lớp cách nhiệt.....................................................................67
3.7.10. Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo.......................................67
CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHỤ......................................................................69
4.1. Cân bằng vật liệu........................................................................................69
4.1.1. lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ.........................69
4.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị..........69
4.2. kích thước thiết bị ngưng tụ.......................................................................71
4.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ..................................................................71

4.2.2. Kích thước tấm ngăn...............................................................................71

3


4.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ.....................................................................73
4.2.4. Kích thước ống baromet..........................................................................74
4.3. Chọn bơm...................................................................................................76
4.3.1. Bơm chân không.....................................................................................76
4.3.2. Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ......................................................78
4.3.3. Bơm dung dịch lên thùng cao vị.............................................................82
4.3.4. Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2...........................................................84
4.3.5. Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1...........................................................86
4.3.6. Bơm dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm.....................................89
4.4. Thiết bị gia nhiệt........................................................................................92
CHƯƠNG V. KẾT LUẬN..............................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................95

4


ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng
ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản
xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.
Trong quá trình sản xuất KOH, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu
được dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết
kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược
chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài, cô đặc dung dịch KOH từ 12% lên

30%
Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết
bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách
sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp
xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị
với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế
của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu xót.
Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều
kiến thức chuyên môn. Đồ án được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của
GV Tống Thị Quỳnh Anh và các thầy cô bộ môn khoa cơ khí – công nghệ,
trường Đại học Nông lâm Huế. Em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Quỳnh
Anh cùng các thầy cô giáo và các bạn đã giúp em thực hiện đồ án này.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM,
5


PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1. Tổng quan về sản phẩm:
Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sử dụng
từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng
rộng rãi. Kalihydroxyt với công thức hóa học KOH, là một trong những hóa chất
thông dụng với nhiều ứng dụng tực tiễn, hiện nay KOH đang được sản xuất ngày
càng lớn.
 Các tính chất vật lý cơ bản của KOH:
− KOH là một khối tinh thể trong suốt, không màu, ăn da mạnh.
− Nhiệt độ nóng chảy là 360,40C (khan).
− Nhiệt độ sôi là 13250C (khan)
− Độ nhớt là 1,63 Cp ở 200C (dung dịch 20%)

− Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO 2 của không khí, dễ chảy rữa thành K 2CO3.
KOH dễ dàng tan trong nước, 100g nước hòa tan được 112g KOH, tỏa nhiều
nhiệt tạo dung dịch KOH. Áp suất hơi của nước ở trên KOH ở nhiệt độ phòng là
0,002 mmHg.
 Các ứng dụng của KOH:
− Sản xuất dầu diesel sinh học
− Sản xuất xà phòng mềm, làm chất tẩy rữa
− Tiền thân của các hợp chất kali khác
− Làm pin điện phân
 Các phương pháp sản xuất:
− Điện phân (có màng ngăn) dung dịch KCl:
→
1
H2 ↑ + Cl2 ↑
2

6

KCl + H2O KOH +


− Điều chế KOH từ kali:
K + H2O → KOH +

1
H2
2

− Điều chế từ dung dịch K2CO3:
K2CO3 + Ca(OH)2 2KOH +


→
↓ CaCO3

1.2. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc
1.2.1. Định nghĩa
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 với mục đích:
- Làm tăng nồng độ chất tan.
- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân
không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay
trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho 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 cho các quá trình đun nóng khác.
Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải
ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch
nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi
được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không

7


bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng
cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác

nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ
ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín
cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì
nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và
dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý
nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có
thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi
thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba...hơi
thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi
nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều
kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa
hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và
hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì
hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp
suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.
1.2.2. Các phương pháp cô đặc
− Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang

8


trạng thái rắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất
tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng.

− Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu
tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để
tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng
lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi
phải dùng đến máy lạnh.
1.2.3. Ứng dụng của cô đặc
− Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây...
− Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ...
1.2.4.Cấu tạo thiết bị cô đặc
1.2.4.1. Phân loại theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc
dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch
dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong
hoặc ngoài.
Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch
từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền
nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề
mặt truyền nhiệt. Gồm:
− Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.
− Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc
nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực

9


phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:
− Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho

dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ.
− Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụng cho
dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.4.2. Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình:
− Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt
năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch
đạt được là không cao.
− Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suất
chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc
chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.
Cô đặc ở áp suất dư: dùng cho 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 cho các quá trình
đun nóng khác.
− Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên
lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực
hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích
khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.
− Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều

khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.3. Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ
1.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế

10


Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói
trên ta chọn thiết bị cô đặc 3 nồi, ngược chiều, phòng đốt trong, ống tuần hoàn
ngoài.

 Ưu điểm:
− Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi
đầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy. Kết quả là hệ số truyền
nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy. Ngoài ra lượng bốc hơi ở cuối
nồi sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ngược chiều, do đó lượng hơi nước dùng làm ngưng tụ
hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
− Hệ thống này thường dùng cho dung dịch có độ nhớt cao, ăn mòn.
 Nhược điểm:
− Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không
tự di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch,, làm tăng chi
phí.
1.3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm bơm lên thùng cao vị qua van
tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt. Tại thiết bị gia
nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 3.Tại nồi 3 dung dịch KOH bốc hơi
một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ còn lượng khí
không ngưng còn lại được bơm chân không hút ra ngoài sau khi qua thiết bị thu hồi bọt. Còn
sản phẩm được bơm vào nồi 2 để tiếp tục quá trình cô đặc, và sản phẩm của nồi 2 được bơm đi
làm nguyên liệu cô đặc của nồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt được nồng độ yêu cầu thì được
đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm. Ở nồi 1 hơi đốt được cung cấp từ ngoài vào, còn ở nồi 2
thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1, hơi đốt của nồi 3 là hơi thứ của nồi 2, còn hơi thứ của
nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ.

11


CHƯƠNG 2 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG
1.Tính cân bằng vật liệu :
Thông số và số liệu ban đầu

Dung dịch cô đặc : KOH
Nồng độ đầu của dung dịch : 12%
Nồng độ cuối của dung dịch : 30%
Năng suất tính theo dung dịch đầu : 10000kg/h
1.1 Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung
dịch thay đổi từ xđ đến xc :
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
Gđ= Gc+ W (1)
Trong đó:
Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
W: lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h)
Viết cho cấu tử phân bố:
Gđ.xđ= Gc.xc+ W.xw
Trong đó:
xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối
lượng)
xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:
Gđ.xđ= Gcxc (2)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:
W=Gđ(1- ) = 10000(1-) = 12
xd 6000 (kg/h)
30
xc
12


Trong đó:
Gđ , Gc : lượng dung dịch ban đầu, dung dịch cuối, kg/h
1.1.1 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:
Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, 2,3 kg/h

Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ Wi lệ: = 1,1
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính Wi + 1 ra được lượng hơi thứ bốc ra các nồi
theo công thức: W = W1 + W2 +W3 = 6000 kg/h
Nồi 1:

W1 = 2193,353kg/h

Nồi 2:

W2 = 1993,958 kg/h

Nồi 3:

W3 = 1812,689 kg/h

1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối ở từng nồi:
Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường
người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích
hợp.
x1 =
lượng

% khối lượng

Gd . x d
Gd − W
= = 30 % khối 10000.12
10000 − 6000

x2 =


% khối

lượng
=
19,376 % khối lượng
x3 =

=

10000.12
10000 − (1993,958 + 1812,689)

% khối lượng

= = 14,657 %
khối lượng

Gd . x d
Gd − (W2 + W3 )

Gd . x d
Gd − W3
10000.12

10000 − 1812,689

13



x1, x2 , x3 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối
lượng;
W1, W2, W3 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;
xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;
Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

2. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG :
2.1 Xác định áp suất mỗi nồi :
Gọi P1, P2 , P3, Pnt: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ
:hiệu số áp suất hơi đốt của nồi ∆P1 1 so với nồi 2
:hiệu số áp suất của hơi đốt nồi ∆P2 2 so với nồi 3
∆P3: hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ
:hiệu số áp suất của toàn hệ ∆P thống
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão
hòa
Ta có:
∆P = P1 Pnt = 3,5 0,3 = 3,2 at

−

Giả sử sự giảm áp suất xảy ra ∆Pi giữa các nồi là không bằng nhau và
∆Pi +1
theo tỉ lệ sau:
= 2,5
Mà: ∆P1 + ∆P2 +∆P3 = ∆P = 3,2 at
Suy ra:

∆P1 = 2,051 at
∆P2 = 0,821 at


14


∆P3 = 0,328 at
−

∆P1 = P1P2

Ta có:

−

∆P2 = P2P3

∆P3 = P3 – Pnt
−

P2 = P1 - ∆P1 = 3,52,051 = 1,449 at

Suy ra:

−

P3 = P2 - ∆P2 = 1,449 0,821 = 0,628 at
2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: thd1 , thd2 , thd3, tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị
ngưng tụ

tht1, tht2 , tht3 :nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3
Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 0C (10C

chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống dẫn), còn nhiệt độ
hơi thứ của nồi cuối cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 10C.
Tra bảng I.250, ST QTTB T1 / 312 và I.251, [2] / 314

Bảng 2.1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi
Nồi 1

Nồi 2

Nồi 3

P (at)

T(oc)

P (at)

T (oc)

P (at)

T(oc)

Hơi đốt

3,5

137,9

1,449


109,68

0,628

86,564

Hơi thứ

1,497

110,68

0,654

87,564

0,314

69,7

15

TBNT
P T(oc
(at)

)



2.3 Xác định tổn thất nhiệt trong các nồi:
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn
thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:
Theo Tisencô:

∆’ = ∆o’f

Mà :

f = 16,2.

Suy ra:

∆’

Trong đó:

Ts2
= Trs2 ∆o’.16,2.
r

∆o’

: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường


f

: hệ số hiệu chỉnh.

Tm

: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị

bằng nhiệt độ hơi thứ, oC
r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg.
t’ : nhiệt độ hơi thứ, oC
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức) thì
nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (x c) do đó ∆’ lấy theo nồng độ cuối
dung dịch.
Tra đồ thị, Hình VI.2, STQTTB,T2/Trang 60,T1/Trang 312.

16


Bảng 2.2: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
xc (%kl)

r (J/kg)

ooo

CCC
∆ ’ ()

∆ o’ ()


17


t’ ()
Nồi I
Nồi II
Nồi III
Tổng 3 nồi

30
19,678
14,821

110,68
2232,2.103
12,2
87,564
2290,6.103
8,4
69,7
2333,7.103
7,1
∑∆ ’ = ∆ 1’+ ∆ 2’ +∆ 3’ = 26,303

12,88
7,723
5,7

2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’)

Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch : Ở trên bề
mặt thì bằng áp suất hơi trong phòng bốc hơi, còn ở đáy ống thì bằng áp suất trên
mặt cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính toán,
ta thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch :
Ptb = Po + (h1 + ) (at)

ρddh2s .g

Với Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt 2 dung dịch
h1:chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, chọn h1 = 0,5m cho cả 2 nồi.
h2: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 3m cho cả 3 nồi.
: khối lượng riêng của dung ρdds dịch khi sôi, kg/m3.
=
g: gia tốc trọng trường, m/s2

ρdds
dd
2

Để tính ttb của dung dịch KOH ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:
()t = conts
Trong đó:

P
Ps

P: áp suất hơi bão hòa trên bề mặt thoáng của dung dịch
Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội
suy từ bảng I.250/312-[1].


18


ts1 = → 113,44oC (theo bảng I.204/236 –[1])

Nồi 1: Ứng với x1= 30%

Pht = 1,497 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,642 at
Ta có: ρdd = 962,14 (kg/m3) → ρdds = 481,07 (kg/m3)
Suy ra: Ptb = 1,497 + (0,5 + 1,5).481,07.9,81.10-5 = 1,59 at
K = = = 0,69
Mà P = Ptb1 Po = = 2,3 at

P
1
1,642
Ps
→
1,59

ttb = 124,92oC

0,69
→

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
ttm = tth + = 110,68 + 12,88 = ∆ ' 123,48oC
= ttb tm = 124,92


−

123,48 = ∆1 '' 1,36oC

Nồi 2: Ứng với x2= 19,376%

ts2 → 104,76oC

Pht = 0,654 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,25 at
ρdd

= 901,45 (kg/m3)

ρdds = → 450,725 (kg/m3)

Suy ra: Ptb = 0,654 + (0,5 + 1,5).450,725.9,81.10-5 = 0,74 at
K= =
Mà P = Ptb2 Po = at
ttb = 96,9oC

1 P
= 0,8
P
1,25
→
0,74 s
= 0,928
0,8 →

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:

ttm = tth + = 87,56 + 7,723 = ∆ ' 95,283oC
−
Vậy = 96,9 95,283 = 1,617oC ∆ 2 ''

Nồi 3: Ứng với x3 = 14,657% ts3 = → 103,16oC
Pht = 0,314 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất Ps = 1,18 at
ρdd = 870,23 kg/m3 ρdds = 435,11 → kg/m3
Suy ra: Ptb = 0,314 + (0,5 + 1,5).435,11.9,81.10-5 = 0,399 at
K = = = 0,85
Mà P = Ptb3 Po = = 0,469 at

P
1
Ps
1,18
→
0,399
0,85
19


→

ttb = 76,14oC

Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
ttm = tth + = 69,7 + 5,7 = 75,4 oC ∆ '
Vậy = 76,14 75,4 = 0,74oC

∆−3 ''


Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:
= 1,36+1,617+0,74 = ∆ '' = ∆1 ''+ ∆ 2 ''+ ∆ 3 ''
3,717 oC
2.3.3 Tổn thất do trở lực đường ống ∆ ''' ()
Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1oC
Tổn thất nhiệt độ do trở lực gây ra trên ∆ ''' cả hệ thống = 3oC
2.3.4 Tổn thất cho toàn hệ thống :
= 26,303 +3,717 + 3 = ∆ = ∆ '+ ∆ ''+ ∆ '''
33,297oC
2.3.5 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi:
Cho từng nồi:
− Nồi 1:
=

−
= thd1 − t∆hdthi2 1− ∑ ∆1

137,9109,68(12,88+1,36+1) = 12,98oC
=

−=t −∆
= 137,912,98 = thd1 − ts1 ⇒∆tsthi
1 1 hd1
thi1

124,92oC
− Nồi 2:

thd 2 − t∆hd−

thi
3 2− ∑ ∆ 2

==

109,6886,564(7,723+1+1,617) = 12,78oC
thd 2 − ts 2 ⇒∆tsthi
2 2= thd 2 − ∆ thi 2
− Nồi 3:
==

thd 3 −∆tnt−
thi−
3 ∑ ∆3

20

= = 96,9oC


86,56468,7(5,7+1+0,74) = 10,424oC

−=t −∆
= = 86,56410,424 = thd 3 − ts 3 ⇒ ∆tsthi
3 3 hd 3
thi 3

76,14
Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống:
−

= ∆ hi = tchung − ∑ ∆ = thd1 − tnt − ∑ ∆
137,968,733,297 = 35,903 oC
2.4 Cân bằng nhệt lượng
2.4.1 Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x<20%
−

C = 4186.(1 x), J/kg.độ

CTI.43/52

x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng(%)
Nhiệt dung riêng dung dịch đầu :
Cđ = 4186.(1

−

0,12) = 3683,68

J/kg.độ

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 :
−

C3 = 4186.(1 0,14657) = 3572,458 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
−
C2 = 4186.(10,19376)= 3374,921 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x>20%
−


C = Cht.x + 4186.(1x) J/kg.độ

I.44/152

Theo công thức :
MKOH.Cht = CiNi

∑

M : Khối lượng mol của hợp chất
Ci : nhiệt dung riêng của đơn chất
Ni : số nguyên tử trong phân tử
Ta có

21

I.41/152


CK = 26000 (J/kg.độ) ; CO = 16800 (J/kg.độ) ; CH = 9630 (J/kg.độ)
→
1
( nK .cK + nO .cO + nH .c H )
M
ct
=(26000.1 +
1
16800.1 + 9630.1) = 903,97 (J/kg.độ) 58


Cht =

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1 :
−

C1 = 903,97.0,3 + 4186. (10,3) = 3201,39 (J/kg.độ)
I : nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg)
i : nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg)
Tra bảng I.249 STQTTB,T1/trang 310, bảng I.250 STQTTB,T1/trang 312)
Bảng 2.4 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt
độ sôi của dung dịch trong các nồi.
Nồi
1
2
3

T(oC)
137,9
109,68
86,56

Hơi đốt
I.103

Hơi thứ
Dung dịch
3
Cn
i.10
C

t(oC)
ts(oC)
(J/kg) (J/kg.độ)
(J/kg) (J/kg.độ)
2737,1 4282,6 110,68 2697,1 3201,39 124,92
2695,4 4232,6
87,56 2657,6 3374,92
96,9
2655,8 4223,3
69,7
2625,8 3572,45
76,14

2.4.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
– D1, D2, D3 là lượng hơi đốt vào nồi 1, 2, 3 (kg/h)
– Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối hệ thống (kg/h).
– W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2, 3. (kg/h).
– C1, C2, C3 là nhiệt dung riêng của dung dịch trong nồi 1,2,3 (J/kg.độ).
– Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch dịch vào và ra (J/kg.độ).

22


– Cn1, Cn2, Cn3 là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, 2, 3 (J/kg.độ).
– I1, I2, I3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, 2, 3, (J/kg).
– i1, i2, i3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, 2, 3, (J/kg).
– tđ, tc là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch, (oC).
– t1, t2, t3 là nhiệt độ sôi của dung dịch nồi 1, 2, 3 ở Ptb (oC)
– là nhiệt độ nước ngưng nồi 1, 2, 3, θ1,θ 2 ,θ3
(oC).

– Qtt1, Qtt2, Qtt3 là nhiệt tổn thất ra môi trường nồi 1, 2, 3, (J)
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑∑QQra vào =
Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:
Bảng 2.5 Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi
Nồi 1

Vào
Ra

Nồi 2

Vào
Ra

Nồi 3

Vào
ra

Hơi đốt mang vào
D1.I1
−
Dung dịch mang vào
(Gđ(W2+W3
)).C2.ts2
Hơi thứ ra
W1.i1
−
Dung dịch mang ra
(GđW).C1.ts

1
Nước ngưng mang ra
D1.Cn1.1 θ
Tổn thất nhiệt chung 1
0,05D1(I1- θ
Cn1.1)
Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 1)
D2.I2=W1.i1
Dung dịch ở nồi 1 mang vào
(Gđ-W3).C3.ts3
Hơi thứ ra
W2.i2
Dung dịch mang ra
(Gđ-(W2+W3)C2.ts2
Nước ngưng mang ra
D2Cn22 θ
Tổn thất nhiệt chung 2
0,05D2(I2- θ
Cn2.2)
Hơi đốt mang vào (hơi thứ nồi 2)
D3I3=W2i2
Dung dịch nồi 2 mang vào
GđCđtđ
Hơi thứ ra
W3i3
Dung dịch mang ra
(Gđ-W3)C3ts3
Nước ngưng mang ra
D3Ccn33 θ
Tổn thất nhiệt chung 3

0,05D3(I3- θ
Cn33)

23


Xem hơi đốt và hơi thứ ở trạng thái hơi bão hoà, các thông số tra được:
Hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ nồi 1 và nồi 2, (tra Bảng I.250/312 )
I = 2737,1.103 kJ/kg
i1 = 2697,1.103 kJ/kg
i2 = 2657,6.103 kJ/kg
i3 = 2625,8.103 kJ/kg
Nhiệt độ sôi của dung dịch:
o

tđ = 76,14

C

ts1 = 124,92 oC
ts2 = 96,9

o

ts3 = 76,14

o

C
C


Nhiệt dung riêng của dung dịch:
Cđ = 3683,68 J/kg.độ
C1 = 3201,39 J/kg.độ
C2 = 3374,92 J/kg.độ
C3 = 3572,45 J/kg.độ
Nhiệt độ nước ngưng tụ (xem như bằng nhiệt độ hơi đốt):
C

θ1

= 109,68 oC

θ2

= 86,564 oC

θ3

= 137,9

o

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1 :

−
D1I1+(GđW2 W3)C2ts2 = W1i1+D1Ccn1 + θ1 (Gđ – W)C1ts1+0,05D1(I1 Ccn1 )
D1(0,95I10,95Ccn1)+ W2(i1C2ts2) +


⇒
θ−
1

=Gđ(C1ts1C2ts2)+W(i1C1ts1)

W3(i1C2ts2)
(1)

24


Nồi 2:
−

W1i1+( Gđ–W3)C3ts3 = W2i2+( Gđ– W2 – θ2 W3)C2ts2 + W1Cn2 + 0,05W1(i1Cn2)
W1(0,95i10,95Cn22) +W2(C2ts2i2)

⇒
θ− +W3(C2ts2C3ts3) = Gđ(C2ts2C3ts3) (2)

Nồi 3:
0,05W2 (θi22 − Cn3θ3 )

W2i2+GđCđtđ = W3i3 + (GđW3)C3ts3 + W2Cn2+

W2(0,95i20,95Cn33) +W3(C3ts3i3) =
Mà:

⇒

θ− Gđ(C3ts3Cđtđ)

W = W1 + W2 + W3 = 6000

(3)
(4)

Giải hệ 3 phương trình 3 ẩn ,(2),(3), (4) ta có:
W1 = 2302,536 kg/h
W2 = 1902,005 kg/h
W3 = 1795,459 kg/h
Tính sai số theo
công thức:

η=

Wi ( ptcbnl ) − Wi ( ptcbvl )
.100%
Wi ( ptcbnl )

Bảng 2.6
Nồi 1 (W1)
Nồi 2 (W2)
Nồi 3 (W3)

Theo CBVL, kg/h
2193,353
1993,958
1812,689


Theo CBNL,kg/h
2302,536
1902,005
1795,459

Sai số, %
4,742
4,835
0,96

Lượng hơi đốt vào nồi 1 tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 1:
D1 = 2819,102 kg/h

x1 = Gd

⇒
x

= 30%
Gd − (Wx1 + W2 + W3 )
d
x 2 = Gd
= 20,706%
Gd − (W1 + W2 )
d

25