Đề tài

" THIẾT KẾ THIẾT BỊ
CÔ ĐẶC MỘT NỒI
GIÁN ĐOẠN DUNG
DỊCH NaCl "
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 1
THIẾT KẾ THIẾT BỊ CƠ ĐẶC
MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN DUNG DỊCH NaCl
MỤC LỤC
Lời nói đầu 2
Chương I: Giới thiệu tổng quan
I.Nhiệm vụ của đồ án 3
II.Tính chất ngun liệu và sản phẩm 3
III.Cơ đặc 4
IV.Quy trình cơng nghệ 5
Chương II : Thiết kế thiết bị chính
A.Cân bằng vật chất và năng lượng 8
I. Cân bằng vật chất 8
II. Cân bằng năng lượng 9
B. Tính thiết kế thiết bị chính
I.Hệ số truyền nhiệt 14
II.Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cơ đặc 21

NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chùm.
Đồ án gồm 4 chương :
 Chương I:Giới thiệu tổng quan
 Chương II :Thiết kế thiết bị chính
 Chương III :Thiết kế các chi tiết phụ
 Chương IV: Tính tốn giá thành thiết bị
Có thể nói thực hiện Đồ án mơn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ơn lại tồn bộ các
kiến thức đã học về các q trình và cơng nghệ hóa học. Ngồi ra đây còn là dịp mà sinh
viên có thể tiếp cận với thực tế thơng qua việc lựa chọn, tính tốn và thiết kế các chi tiết
của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn
Nghệ , và các thầy cơ bộ mơn Máy và Thiết Bị khoa Cơng nghệ Hóa học và Dầu khí
trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần
Văn Nghệ và các thầy cơ khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong q trình thực
hiện đồ án. Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 3 Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ


dung dịch khoảng 27,5% .Nhưng độ hòa tan cuả dung dịch ở nhiệt độ thường chừng
26,3%.Vì vậy ,q trình cơ đặc NaCl này là để tạo dung dịch bão hòa ,và khi làm nguội thì
sẽ có NaCl tinh thể kết tinh .Trong khi các muối tạp chất khác như MgCl
2
hay CaCl
2
lại tan
ở nhiệt độ thường ,vì vậy q trình này có thể được sử dụng vừa thu dung dịch muối bão
hòa vừa tách tạp chất để sản xuất muối tinh khiết khi hạ nhiệt độ. Muối tinh khiết thường
được sử dụng trong thực phẩm và y tế.
3.Những biến đổi của ngun liệu và sản phẩm trong q trình cơ đặc:
Trong q trình cơ đặc, tính chất cơ bản của ngun liệu và sản phẩm biến đổi khơng
ngừng. Thời gian cơ đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch
thay đổi:
Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt.
Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ,
nhiệt độ sơi.

u cầu chất lượng sản phẩm :
Đạt nồng độ và độ tinh khiết u cầu.
Thành phần hố học chủ yếu khơng thay đổi. III. CƠ ĐẶC:
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 5
1. Định nghĩa
Cơ đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung
dịch hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay khơng bay hơi

khó vỡ.
- Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: dung dịch sơi ít tạo bọt và
bọt dễ vỡ.
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 6
b. Theo phương pháp thực hiện q trình
Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất khơng đổi. Thường dùng cơ
đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian
cơ đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là khơng cao.
Cơ đặc áp suất chân khơng: Dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100
o
C, áp suất chân khơng.
Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cơ đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên lớn q vì sẽ
làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cơ chân khơng, cơ áp lực hay phối hợp cả hai
phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
Cơ đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cơ đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
4. Ưu điểm và nhược điểm của cơ đặc chân khơng gián đoạn
 Ưu điểm
- Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.
- Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, khơng cần ổn định lưu lượng.
- Thao tác dễ dàng.
- Có thể cơ đặc đến các nồng độ khác nhau.
- Khơng cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
 Nhược điểm
- Q trình khơng ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo

+ Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng.
Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaCl từ bể chứa ngun liệu vào nồi cơ
đặc.
+ Bơm chân khơng được dùng để tạo độ chân khơng khi hệ thống bắt đầu làm việc.
b Thiết bị cơ đặc
Đây là thiết bị chính trong quy trình cơng nghệ. Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và
buồng đốt. Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hồn
trung tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng
hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống tuần hồn
được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hồn trong thiết bị.
c Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình cơng nghệ là loại thiết bị ngưng tụ
trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet). Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng
thiết bị. Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân khơng nên nó phải được đặt ở một độ cao
cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngồi khí quyển mà khơng cần máy bơm.
d Thiết bị tách lỏng
Thiết bị tách lỏng được đặt sau thiết bị ngưng tụ baromet nhằm để tách các cấu tử
bay hơi còn sót lại, chưa kịp ngưng tụ, khơng cho chúng đi vào bơm chân khơng.
e Các thiết bị phụ trợ khác
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 8
- Bẫy hơi
- Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.


o
C, nồng độ đầu 10%.
- Nồng độ cuối 27%.
 Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
 Ap suất ngưng tụ: P
ck
= 0,7 at.
Cơ đặc gián đoạn với năng suất 1200 kg/mẻ
1. Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ
Nồng độ, %
10 15 20 27
Khối lượng riêng, kg/m
3

1073 1110 1150 1205
2. Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
G
đ
= G
c
+ W
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
Trong đó

đ
= 3240 (kg)
x
đ
= 0,1 ; x
c
= 0,15
 Lượng sản phẩm ( là dung dịch NaCl 15% ):
G
c
= G
đ
. 2160
15,0
1,0
*3240 
c
đ
x
x
(kg)
 Lượng hơi thứ:
W = G
đ
- G
c
= 3240 – 2160 = 1080 (kg)
b Giai đoạn 15% đến 20%

G


G
đ
= 1620 (kg) ; x
đ
= 0,2 ; x
c
= 0,27
1200
27,0
2,0
*1620. 
c
đ
đc
x
x
GG
(kg)
W = 1620 – 1200 = 420 (kg)
 Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W
t
= 1080+540+420 = 2040 (kg)
 Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất
Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
Thể tích dung dịch trong nồi, m
3


'''


.

Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ : t
0
= 68,7 - 1 = 67,7
o
C.
1. Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sơi dung dịch
a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sơi dung dịch NaCl theo nồng độ ở
áp suất P
1
= 0,3 at (
'

) :
Theo tài liệu [3] trang 149:

'

= o
'
 *f
Với f tra ở tài liệu [3] trang 147 :
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 11
Với

Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]

)P(sdm)P(sdm)P(sdd)P(sdd
''
1tb1tb
tttt 

Với: P
tb
= P
1
+ 0,5
hh

.g.H
op
= P
1
+

P


P = 0,5
hh

.g.H
op



o :
Chiều cao ống truyền nhiệt

dm

: Khối lượng riêng dung mơi ở t
sdm

* Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H
o
= 1,5m
 Tính cho trường hợp dung dịch NaCl 10 %
Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số
dmdd


thay đổi khơng đáng kể nên :
)/(999
3
mkg
dm



)/(1073
3
%)25(
mkg
dd


o
C ( Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
Độ tăng nhiệt độ sơi do cột thủy tĩnh

17,687,69
)()(
''
1

PsdmPsdm
tt
tb
o
C

nhiệt độ sơi dung dịch NaCl 10 % ở áp suất P
1
+
P
2,7112,70
)(
1

 PPsdd
t
o
C

D : lượng hơi đốt sử dụng (kg)

%
5


: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo


: nhiệt độ nước ngưng (
o
C)
C : nhiệt dung riêng nước ngưng ở C
o

(J/kg độ)
c
đ
, c
c
: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (J/kg độ)
t
đ
, t
c
: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn (
o
C)

''

t
c
- c
đ
t
đ
) +W (iw
’’
- c
c
t
c
)

Q
cd
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 13
r =

.ci
''
D

: nhiệt hóa hơi của nước ở áp P
Đ

* Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính theo cơng thức 2.11 trang 106 Tài liệu [4]

t
D
=132,9
o
C
* Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3 at
r = 2171*10
3
J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1] )
* Entanpi của hơi thứ ở 73,05
o
C
''
w
i =2620*10
3
J/kg ( Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1] )
* Tổn thất nhiệt Q
t
= 0,05*Q
D

* Xem nhiệt cơ đặc là khơng đáng kể
a Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 25
o
C đến 72,2
o
C
G
đ

95,0

Q
(J)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 14
Lượng hơi đốt sử dụng:
D
1
=
3,294
10*2171*)05,01(
10*07,6
3
8


(kg)
b Giai đoạn đưa dung dịch từ 10% đến 15%:
G
đ
= 3240 (kg) ; c
đ
=3771 (J/kg độ ); t
đ
=72,2 (
o
C)
G

95,0

Q
(J)
Lượng hơi đốt sử dụng
D
2
= 1283
10*2171*)05,01(
10*46,26
3
8


(kg)
c Giai đoạn đưa dung dịch từ 15% đến 20%:
G
đ
= 2160 (kg) ; c
đ
= 3562 (J/kg độ) ; t
đ
= 72,2(
o
C)
G
c
= 1620 (kg) ; c
c
= 3370 (J/kg độ ); t

10*2171*)05,01(
10*26,13
3
8


(kg)
d Giai đoạn đưa dung dịch từ 20% đến 27%:
G
đ
= 1620 (kg) ; c
đ
= 3370 (J/kg độ ); t
đ
= 75,3(
o
C)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 15
G
c
= 1200 (kg) ; c
c
= 3082,7 (J/kg độ ); t
c
= 78,6 (
o
C)
W = 420 (kg)


(kg)
* Tổng nhiệt lượng:
Q
D
= 6,07*10
8
+ 26,46*10
8
+ 13,26*10
8
+ 9,8*10
8
=56,11*10
8
(J)
* Tổng lượng hơi đốt:
D = 294,3 + 1283 + 643 + 500 =2720,3 (kg)
* Lượng hơi đốt riêng:
D
riêng
= 33,1
2040
3,2720

W
D
(kg/kg hơi thứ)
* Tóm tắt cân bằng năng lượng:
Nồng độ dung dịch. % 10(25

trang 16
q
1
: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (W/m
2
)
q
2
: nhiệt tải riêng phía dung dịch sơi(W/m
2
)
q
v
: nhệt tải riêng phía vách ống truyền nhiệt (W/m
2
)
1
v
t
: nhiệt độ trung bình vách ngồi ống (
o
C)
2
v
t
: nhiệt độ trung bình vách trong ống (
o
C)
t
D




1
vDm
tt
2
1
t  : nhiệt độ màng nước ngưng (
o
C)
1.1.1 Phía hơi ngưng:
111
t
.
q


(1)
Theo cơng thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
4
1
1
H*t
r
*A*04.2



(2)

)


: hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ t
m
(W/mK)


:độ nhớt của nước ở nhiệt độ t
m
(Pas)
r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ t
D

r = 2171*10
3
(J/kg)
H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
1.1.2 Phía dung dịch
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 17
q
2
=
22
t
.





dd
n
n
dd
n
dd
n
dd
n
c
c







(4)
Trong đó
nnnn
,
c
,
,

: hệ số dẫn nhiệt (W/mK), khối lượng riêng (kg/m
3

2
)
* Các thơng số của nước ( Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [2] ):
t
sdm
= 68,7 (
o
C)

n

978,5 (kg/m
3
)
c
n
= 4186 (J/kg độ)
n

= 0,4*10
-3
(Ns/m
2
)
n

= 66,7*10
-2
(W/mK)
* Các thơng số của dung dịch:



Với x : nồng độ dung dịch
 c
dd
và
dd

xác định theo nồng đo
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 18 Nồng độ dung dịch, %
10 15 20 27
t
sdd
,
o
C
72,2 73,6 75,3 78,6
dd

, kg/m
3

1073 1110 1150 1205
c
dd

v
r
t
q (6)

v
t

=

vv
rq *

Trong đó:


2v
v
1
v
r
1
rr
1
r


Lấy
3
1

3
3
10*389,0
5
.
17
10*2
10*464,0





v
r =9,653*10
-4
, (W/mK)
-1

1.1.4 Hệ số truyền nhiệt K



2
v
1
1
r
1
1

t
 theo cơng thức (6) với q
v
= q
1
2v
t
,
t
2


5 Tính
n

theo cơng thức (5) với q = q
1

6 Tính
2

theo cơng thức (4)
7 Tính q
2
theo cơng thức (3)
8 Tính q
tb
=
 
21


:
 
19145,1301289,132*
2
1
 ACt
o
m

57,9083
5,1*9,4
10*2171
*191*204
*
**04,2
4
3
4
1
1



Ht
r
A

(W/m
2

 525,470316*29430*5,44509*56,0**56,0
15,07,015,07,0
1
 pq
n

(W/m
2
K)
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 20
435,0
3
3
2565,0
2
10*71,0
10*4,0
*
4186
3771
*
5,978
1073
667,0
55,0
*525,4703



76,435528,12*56,3402*
222
 tq

(W/m
2
)

   
)/(4403176,435525,44509
2
1
2
1
2
21
mWqqq
tb




1
tb1
q
qq
ss %101,0
5,44509
13,440315,44509


K = )/(718
75,3141
1
10*653,9
18,9228
1
1
2
4
KmW



c. Tính ở nồng độ 20%:
Tímh tương tự 5,128
1

v
t (
o
C)
K = )/(42,704
75,2880
1
10*653,9
3,9331
1
1
2
4

,
o
C 72,2 73,6 75,3 78,6
Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 21
q
1
, W/m
2
44509,5 42449,63 41057,72 37506,29
q
2
,W/m
2
43552,76 43115,41 39083,09 34434,39
q
tb
, W/m
2
44031,13 42782,52 40070,4 35970,34
1

,W/m
2
K
9083,57 9228,18 9331,3 9616,99
2

, W/m

,
1
v
t
,
2
v
t
, t
D
, t
dd
,
v21
t
,
t
,
t
 , t
m
như mục 1.1
2.1.1 Phía hơi ngưng:
111
t
.
q








124
)/(10*653,9 KmWr
v

2.1.3 Phía dung dịch:
222
* tq 
l
Nul
Nu
dd
dd




**
2
2

Trong đó



* C và n phụ thuộc vào Pr và Gr như sau
 Gr*Pr
3
10


thì Nu = 0.5
 Gr*Pr
50010
3


thì


125,0
Pr.18,1 GrNu 


7
10*2500Pr* Gr
thì


25,0
Pr.54,0 GrNu 

 Gr*Pr
7
10*2

v
dd
_
m
tt
2
1
t
Với
)(6,48)252,72(
2
1
_
Ct
o
dd
)/(1073
3
mkg
dd



c
dd
= 3771 (J/kg độ)


10.



0,425 0,455 0,48 0,505 0,535 0,57 0,605
2.1.4 Hệ số truyền nhiệt :



2
v
1
1
r
1
1
K

, W/m
2
K
* Trình tự tính lặp
(1). Chọn
1v
t
t
1

Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ


qq2
1


(8). Tính ss =
q
qq
tb1

, tính cho đến sai số nhỏ (và phải nhỏ hơn 5% )
2.2 Thực hiện tính lặp
(1). Chọn
Ct
o
v
5,124
1


4,85,1249,132
1
 t
(
o
C)
t
m
=
 
C


(4).



23,6410*653,9*35,66543.
4
1 vv
rqt (
o
C)
)(27,6023,645,124
2
Ct
o
v


67,116,4827,60
2
 t
(
o
C)
(5). Tính
2

:
868,4
55,0

23
10*583,3
10*78,0
81,9*67,11*49,0*1073*5,1


Gr

ta thấy Gr*Pr > 2.10
7
14456)(Pr**135,0
33,0
 GrNu

Đồ án môn học Máy và Thiết bò GVHD : Trần Văn Nghệ

trang 24
5300
*
2

l
Nu
dd


(W/m
2
K)
(6).

Giả sử đến cuối q trình dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt
F

khơng đổi, T
khơng đổi

d
.
F

T=
 
tTK
dQ


Lấy tích phân ta được
F.T
2
=
 


Q
0
tTK
dQ
(1)
T
2

Vẽ đồ thị có : trục hồnh : Q*10
-8
(x)