ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp
quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những
hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaOH, vì khả năng ứng dụng
rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức
quan trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn
nhu cầu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và
tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc NaOH hai
nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm
cô đặc dung dịch NaOH từ 5% lên 35%.
Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và 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, đồ án 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
sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý
thầy cô giáo và các bạn để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao.
1
Phần 1:
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
I- Giới thiệu về natri hydroxit.
1- Tình hình sử dụng natri hydroxit .
Trên thế giới, hằng năm có khoảng 45 - 50 triệu tấn natri hydroxit
được sản xuất. Trong đó, 16% (7 - 8 triệu tấn) được buôn bán trên thị
trường, chủ yếu là xút sản xuất ở Mỹ và châu Âu (chiếm 80% thị trường).
Khoảng 94% xút được buôn bán ở dạng lỏng (thường là 50% natri hydroxit

và nước
của không khí, chảy rữa và biến thành Na
2
CO
3
.
Natri hydroxit là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn
thiết bị cao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị,
đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, natri hydroxit có tính hút ẩm mạnh,
sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan natri hydroxit cần phải
dùng nước lạnh.
Các phương pháp điều chế natri hydroxit:
- Trong phòng thí nghiệm:
+ Natri tác dụng với nước
2Na + 2H
2
O > 2NaOH + H
2
+ Natri oxit với nước
2NaO + H
2
O > 2NaOH
- Trong công nghiệp: để sản xuất natri hydroxit; trước đây người ta
cho Ca(OH)
2
tác dụng với dung dịch Na
2
CO
3
loãng và nóng nhưng ngày

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.
1.2- Cấu tạo thiết bị cô đặc:
Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun
nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính:
a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt
truyền nhiệt để đun sôi dung dịch.
b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi
thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết
bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo
thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn
hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo.
4
Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách:
- Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng
đứng, loại nghiêng.
- Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn,
ống chùm.
- Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò,
bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt.
- Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn
cưỡng bức,
1.3- Lựa chọn thiết bị:

Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch natri hydroxit có nồng độ đầu 5%
được bơm lên thiết bị gia nhiệt 1 và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Thiết
bị gia nhiệt 1 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thân hình trụ, đặt
đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ; các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống
và vĩ ống được hàn dính vào thân. Dung dịch được bơm vào thiết bị, đi bên
trong ống từ dưới lên còn hơi đốt đi bên ngoài ống. Hơi đốt sau khi cấp
nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi sẽ
ngưng tụ lại. Dung dịch sau khi gia nhiệt sơ bộ được đưa vào thiết bị cô đặc
thực hiện quá trình bốc hơi.
6
Dung dịch được cô đặc ở nồi 2 tiếp tục chuyển sang nồi 3. Hơi đốt
được đưa vào phòng đốt của nồi 2 để đốt nóng dung dịch trong nồi 2. Sau
khi cô đặc lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 sẽ dùng làm hơi đốt cho nồi 3,
hơi thứ của nồi 3 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ 4. Dung dịch sau khi cô đặc
đến nồng độ yêu cầu 35% sẽ tháo ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ
bơm ly tâm.
Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra phía trên của thiết bị cô đặc
được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet và được bơm chân không hút ra
ngoài. Khí không ngưng còn lại tiếp tục đi qua thiết bị tách bọt 5.
Trong quá trình cô đặc lượng hơi đốt sẽ cấp nhiệt cho dung dịch nên
ngưng tụ lại và được thu hồi ở cửa nước ngưng tụ.
7
Phần 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
I- Tính cân bằng vật liệu.
1- Chuyển đơn vị năng suất từ (tấn/h) sang (kg/h):
Năng suất: G
D
=10 tấn/h = 10000 kg/h
Nồng độ nguyên liệu ban đầu: X
D

= G
C
+W (1)
Trong đó:
G
D
, G
C
: lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị kg/h
W: lượng hơi thứ của toàn hệ thống kg/h
Viết cho cấu tử phân bố:
G
D
.X
D
= G
C
.X
C
+ W.X
W
Trong đó: X
D
, X
C
: nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng).
Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có:
G
D
.X

1.(10000
=−=
W
kg/h.
3- Xác đị nh nồ ng độ cuối của dung dịch ở từ ng nồ i :
Ta có: W= W
1
+ W
2
Với W
1
, W
2
là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 kg/h .
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.
3,11,1
2
1
÷≥
W
W
Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là :
1,1
2
1
=
W
W

=
−
WG
xG
D
DD
%
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
X
C2
=
35
63,40818,448910000
5.10000
.
21
=
−−
=
−−
WWG
xG
D
DD
%
II- Cân bằng nhiệt lượng:
1- Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi:
Gọi P
1
, P

6,1
2
1
=
∆
∆
P
P
Kết hợp với phương trình: ∆P
1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 3,2 at
Suy ra: ∆P
1
= 1,97 at
∆P
2
= 1,23 at
Gọi: t
ht1
, t
hd2
, t
nt
là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ.
t
ht1

Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Hơi đốt 3,7 139,90 1,69 114,41
0,5 80,9
Hơi thứ 1,75 115,41 0,52 81,9
2- Xác định tổn thất nhiệt độ:
2.1- Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (
∆
’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là
tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra.
10
Ta có: ∆’=
o
sdmnc
o
sđ
tt
−
(ở cùng áp suất).
Áp dụng công thức của Tiaxenko:
r
T
s

Nồi 1:
( )
1
2
1
,
,
1
273.2,16.
r
t
hto
+∆
=∆
=
( )
3
2
10.26,2297
27341,115.2,16.47,2 +
= 2,63
o
C
Nồi 2:
( )
3
2
,
2
10.8,2304

: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi kg/m
3
ρ
s
=0,5 ρ
dd
ρ
dd
: khối lượng riêng của dung dịch kg/m
3
H
op
: chiều cao thích hợp tính theo kính quan sát mực chất lỏng m
H
op
= [0,26+0,0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].H
o
Từ ∆P ta sẽ tính được áp suất trung bình của dung dịch ở từng nồi thông
qua công thức:
P
tbi
= P’
i
+∆P
i
( i ): nồi thứ i

dm
)]H
o
H
op1
=[0,26+ 0,0014.(1049- 946,72)].4= 1,613 m
Áp suất trung bình:
P
tb1
= P’
1
+∆P
1
= 1,75+ 0,5.0,5.1049.10
-4
.1,613 = 1,79 at
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
Tại P
tb1
= 1,79 at ta có t”
1
= 116,16
o
C
Suy ra : ∆”
1
=(t”
1
+∆’
1

= 0,52+ 0,5.0,5.1310,5.10
-4
.2,94 = 0,61 at
Tra bảng I.251, STQTTB, T1/Trang 314.
Tại P
tb2
=0.61 at ta có t”
2
= 86,06
o
C
Suy ra : ∆”
2
= (t”
2
+∆’
2
)

– (t’
2
+∆’
2
) = 86,06 – 81,9 =4,16
o
C
Vậy tổn thất nhiệt của hai nồi là:
Σ∆” =∆”
1
+∆”

C
2.4- Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’= 22,11+ 4,91+ 2= 29,02
o
C.
2.5- Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1:
∆t
i1
= T
1
– (T
2
+Σ∆
1
) = 139,9 – (114,41+ 2,63+ 0,75+ 1)= 21,11
o
C
Nồi 2:
∆t
i2
=T
2
– (t
ng
+Σ∆
2
) = 114,41– (80,9+ 19,48+ 4,16+ 1)= 8,88
o

o
C
Cho toàn hệ thống: ∆h
i
= 139,9 – 80,9 – 29,02 = 29,98
o
C
13
3- Cân bằng nhiệt lượng:
3.1- Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi :
- Nhiệt dung của dung dịch ban đầu:
Vì X
D
= 5% <20% nên ta áp dụng công thức:
C
D
= 4186 (1- X
D
) = 4186 (1- 0,05) = 3976,7 J/kg.độ
- Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Vì X
C1
= 9,07% <20% nên ta có:
C
C1
= 4186.(1- X
C1
) = 4186.(1- 0,0907) = 3806,16 J/kg.độ
- Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2:
Vì X

=n
O
=n
H
=1
c
Na
= 26000 J/kg nguyên tử.độ
c
O
= 16800 J/kg nguyên tử.độ
c
H
= 9630 J/kg nguyên tử.độ
Thay vào (*) ta có: C
ht
=
40
96301680026000
++
= 1310,75 J/kg.độ
Suy ra: C
C2
= C
ht
.X
C2
+ 4186.(1- X
C2
)

+ (G
D
–W
1
)C
1
.t
1
= W
2
.i
2
+(G
D
– W)C
2
.t
2
+ W
1
.C
ng2
.θ
2
+ Q
xq2
Trong
đó: D: lượng hơi đốt dùng cho toàn hệ thống kg/h
i, i
1

, C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2
J/kg.độ
Q
xq1
,Q
xq2
:nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh J
G
D
: lượng dung dịch lúc ban đầu kg/h

Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hoà, nước ngưng là lỏng sôi ở cùng nhiệt
độ, khi đó ta có:
i- C
ng1
. θ
1
=r (θ
1
) và i
1
- C
ng2
. θ
2
=r(θ
2
)

Hơi đốt
θ
2
= 114,41
Hơi thứ
θ
1
= 139,9
o
C
i
1
=2703062 J/kg t’
2
= 81,9
o
C
i= 2739860 J/kg C
ng2
= 4247,94
J/kg.độ
i
2
= 2647420 J/kg
C
ng1
= 4286,79 J/kg.độ W
1
= 4489,80 kg/h W
2

=
θ
=
79,118.16,38062647420)9,139.79,42862739860.(95,0
79,118.16,3806.1000053,105.66,3179).43,857110000(2647420.43,8571
−+−
−−+
=
15
= 4410,69 kg/h
Lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 là:
W
2
= W - W
1
= 8571,43 – 4410,69 = 4160,74 kg/h
Lượng hơi đốt tiêu đốt chung là:
D=
=
−
−−+
).(95,0
).(.
111
11111
θ
ng
DDDD
Ci
tCGtCWGiW

1- Các thơng số cơ bản của dung dịch:
1.1- Độ nhớt:
Ta sử dụng cơng thức Pavolov:
constK
tt
==
−
−
21
21
θθ
Với t
1
, t
2
là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt μ
1
, μ
2.
21
,
θθ
là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nên:
2
2
2
2
θθ
θθ

=→=→=→
−
θµ
)(26,8)/.(10.3756,1)(30
2
23
22
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
242,1
26,831,16
3040
=
−
−
=→
K
Từ đó ta có:
)(63,7726,8
242,1
3016,116
2
21
C
k
tt
o

11
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
)(63,1)/.(10.695,1)(150
2
23
22
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
72,4
63,175,3
150160
=
−
−
=→ K
Từ đó ta có:
)(2075,3
72,4
45,83160
2
22
C
k

Với:
A:là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước
Cp:nhiêt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg. độ)
ρ
:khối lượng riêng (kg/m
3
)
M:là khối lượng mol của chất lỏng
17
Chọn A=3,58.10
-8
OHiddi
MmMmM
2
).1(.
−+=
Mà
OH
i
d
i
d
i
i
M
x
M
x
M
x

1
==→
−
λ
(W/m.độ)
Nồi 2:
195,0
18
35,01
40
35,0
40
35,0
2
=
−
+
=m
29,2218).195,01(40.195,0
2
=−+=→ M
58,0
29,22
5,1310
5,1310.66,3179.10.58,3
3
8
2
==→
−

t
m
= 0,5(t
T1
+t
hd
)
11 Thd
ttt
−=∆
Nồi 1: Chọn ∆t
1
= 3,95
o
C
18
t
T1
= t
hđ1
- ∆t
1
= 139,9 – 3,95 = 135,95
o
C
t
m1
= 0,5.(t
T1
+ t

2
.độ
→ q
1,n1
= α
1,n1
.∆t
1
= 5078,91.3,95= 200061,71 W/m
2
Nồi 2: Chọn ∆t
1
= 7,15
o
C
t
T1
= t
hđ2
- ∆t
1
= 114,41 – 7,15= 107,26
o
C
t
m2
=
84,110
2
41,11426,107

1,n2
= α
1,n2
.∆t
1
= 2030,26.7,15= 14516,35 W/m
2
1.3.2- Về phía dung dịch sôi: α
2

Ta có:
n
αϕα
.
2
=
Với:
ϕ
là hệ số hiệu chỉnh.
n
α
là hệ số cấp nhiệt của nước.
Mà theo CT VI.27, STQTTB, T2/Trang 71
Ta có:
435,0
2565,0
2
222












=
d
n
n
d
n
d
n
d
C
C
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
ϕ
Theo CT V.91, STQTTB, T2/Trang 26
5,033,2
2

2
r
: nhiệt trở của tường
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt

δ
: bề dày ống truyền nhiệt (
δ
=2mm)
r
3
: nhiệt trở của lớp cặn bẩn
Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt là CT3 λ = 50 W/m độ (Tra bảng
XII.7,STQTTB, T2/ Trang 313)
→ ∑ r
1
=
3333
10.659,010.387,010.
50
2
10.232,0
−−−−
=++
m
2
độ/W
Nồi 1: Tại t
s1
= t

Áp suất hơi thứ tại nồi 1 :
P
ht1
= 1,75.98100= 1,72.10
5
N/m
2
Vậy
=
1,nn
α
0,145.6,57
2,33
.(1,72.10
5
)
0,5
= 4831,31 W/m
2
độ
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
C
n1
= 4242,68 J/kg.độ
µ
n1
= 2,46.10
-4
N.s/m
2





























=
−

< 5% nên đạt
Vậy nhiệt tải trung bình:
1,19710
2
48,1933871,200061
2
1,21,1
1
=
+
=
+
=
nn
qq
Q
W/m
2
Nồi 2: Tại t
s2
= t
2
= 86,06
o
C.
Ta có : ∆t = q
1,n2.
∑ r
1
= 14516,35 .0,659.10

2,nn
α
0,145.11,64
2,33
.(0,51.10
5
)
0,5
= 9973,92 W/m
2
độ
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
C
n2
= 3494,67 J/kg.độ
µ
n2
= 3,38.10
-4
N.s/m
2
λ
n2
= 0,677 W/m
2
.độ
ρ
n2
= 969,59 kg/m
3




















=
−
−
n
ϕ
= 0,13
==
2,22,2
.
nnnn
αϕα

=
+
=
nn
qq
Q
W/m
2
21
1.3.3- Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi:
Xem bề mặt truyền nhiệt trong các nồi như nhau: F1= F2 nên nhiệt
độ hữu ích phân bố trong các nồi là:
hi
n
i
i
i
hi
t
K
Q
kt
∆∑
∑
=∆
=
=
.)(
2
1

αα
+∑+
=
r
K
i
Nồi 1:
06,3670339
3600
10.3,2150.204,4867
3600
.
3
11
1
===
rD
Q
J
67,616
87,3192
1
10.659,0
91,5078
1
1
3
1
=
++

3
2
=
++
=
−
K
22
91,2859
08,710
01,2030758
2
2
==
K
Q
Nên:
74,881191,285983,5951
2
2
1
1
2
1
=+=+=∑
=
=
K
Q
K

1
=
−
=
η
%72,8%100.
73,9
73,988,8
2
=
−
=
η
Tính bề mặt truyền nhiệt F:
)(
.
2
,
m
tK
Q
F
ihii
i
∆
=
Nồi 1:
)(89,293
25,20.67,616
06,3670339

Q
i
(J/s) 3670339,67 2030758,01
K
i
616,67 710,08
Q
i
/K
i
5951,83 2859,91
∆
thi(i)
dự đoán
21,11 8,88
∆
thi(i)
tính toán
20,25 9,73
Sai số (%) 4,07 8,72
24
Phần 3: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
I- Buồng đốt:
1- Tính số ống truyền nhiệt:
Tra bảng VI.6, STQTTB T2/Trang 80 chọn đường kính ống truyền nhiệt là
d
n
= 0,057 m
Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là 4 m
99,439

2
nd
π
=0,3
4
469.057.0.14,3
2
= 0,359 m
2
.
Vậy :
π
t
th
f
D
.4
=
=
14.3
359,0.4
= 0,676 m
Chọn D
th
= 700 mm
3- Đường kính thiết bị buồng đốt:
Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục
giác đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức :
D
t

ψ
= 0,8 : Hệ số sử dụng lưới đỡ ống, thường ψ = 0,7 – 0,9
l =4 m : Chiều dài của ống truyền nhiệt m
25