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
= 24 tấn/h = 24000 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.(12000
=−=
W
kg/h.
3- Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi :
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
2
1
=
W
W

=
−
WG
xG
D
DD
%
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
X
C2
=
10
4200420012000
3.12000
.
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

8,1
2
1
=
∆
∆
P
P
Kết hợp với phương trình: ∆P
1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 2,9 at
Suy ra: ∆P
1
= 1,86 at
∆P
2
= 1,04 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 3,2 134,9 1,34 107,41
Hơi thứ 1,39 108,41 0,31 69,7
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
o

( )
1
2
1
,
,
1
273.2,16.
r
t
hto
+∆
=∆
=
( )
3
2
10.45,2238
27341,108.2,16.4234,0 +
= 0,446
o
C
Nồi 2:
( )
3
2
,
2
10.7,2333
2737,69.2,16.9,0 +

0
, N/m
2
;
Trong đó P
0
– áp suất hơi thứ trín mặt thoáng dung dịch, N/m
2
; ∆h -
chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m; h - chiều cao ống truyền nhiệt, m;
dds
ρ
- khối
lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3
; g – gia tốc trọng trường, m/s
2
.
Vậy ta có:
∆
’’
= t
tb
– t
0
, độ;
Ở đây t
tb
- nhiệt độ sôi dung dịch ứng với âp suất p

ρ
dds
P
tb
1 4,62 1,39 108,41 979.6 489.8 1,51
2 10 0,31 69,7 1038 519 0,44
Hơi đốt 3,2 134,9
Để tính P
th
:
Chọn ∆h = 0,5 m
h = 4 m
Áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi:
Nồi 1:
g
h
hPP
ddstb
⋅+∆+=
ρ
)
2
(
0
N/m
2








+
+
4
10.81,9
81,9.8,489)
2
4
5,0(
39,1
= 1,51 at
Nồi2:
g
h
hPP
ddstb
⋅+∆+=
ρ
)
2
(
0
(N/m
2
)









+
4
10.81,9
81,9.519)
2
4
5,0(
= 0,44 at
Để tính t
o
s
của dung dịch NaOH ứng vớiP
tb
ta dùng công thức BaBo:

)(
Ps
P
t
=K
Với : P áp suất hơi bão hoà của dung môi trên bề mặt dung dịch
P
s
áp suất hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất thường.
Tra STQTTB

C

- P =P
o
⇒ P
o
s1
=1,04.1,39 =1,44 at
⇒ t
o
s1
= 109,5
o
C⇒ ∆
’’
1
= t
o
tb1
- t
o
s1
= 112,1 -109,5 = 2,6

o
C
Tra STQTTB


- P =P
o
⇒ P
o
s2
= 1,06.0,31 = 0,33 at
⇒ t
o
s2
= 70,7
o
C
⇒ ∆
’’
2
= t
o
tb2
- t
o
s2
=

89,1 - 70,7 = 8,4
o
C
Tổng tổn thất do áp suất thuỷ tỉnh:
∆
’’

1
,,,
∆+∆=∆∑
= 1+1= 2
o
C
2.4- Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆=Σ∆’+Σ∆”+Σ∆”’= 1,18 + 11 + 2= 14,18
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
) = 134,9 – (107,41+ 0,446+ 2,6+ 1)= 23,44
o
C
Nồi 2:
∆t
i2
=T
2
– (t

S2
=T
2
- ∆t
i2
=107,41– 28,556= 78,854
o
C
Cho toàn hệ thống: ∆h
i
= 134,9 – 69,7 – 14,18 = 52
o
C
14
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
= 3% <20% nên ta áp dụng công thức:
C
D
= 4186 (1- X
D
) = 4186 (1- 0,03) = 4060,42 J/kg.độ
- Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Vì X
C1
= 4,74 % <20% nên ta có:
C

C) i.10
-3
(K/kg) C(J/kg.độ) t
s
(
o
C)
1 134,9 2732,86 4276,7108,41 2693,138 3992,8 111,46
2 107,41 2961,338 4219 69,7 2626 3767,4 78,854
15
d.
C
d.
td
Trong đó D : lượng hơi đốt (kg/h)
I, i : nhiệt hàm hơi đốt và hơi thứ (J/Kg)
t
đ
, tc : nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (
o
C)
t
1
, t
2
: nhiệt độ của nước ngưng nồi 1,2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
(
o
C)
Q

)
Nồi 2: + Nhiệt do lượng hơi thứ mang vào D
2
I
2
= W
1
i
1
+ Nhiệt do dung dịch nồi 1 mang vào (G
đ
-W
1
)C
1
ts
1
- Nhiệt ra bao gồm
Nồi 1: + do hơi thứ mang ra W
1
i
1
+ do dung dịch mang ra (G
đ
-W
1
)C
1
ts
1

+ do tổn thất chung Q
xq2
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1: D
1
I
1
+ G
đ
.t
đ
.C
đ
= W
1
.i
1
+ (G
đ
-W
1
) C
1
ts
1
+D
1
.C
1
.t

.t
2
+ Q
xq2
Với W1 = D
2
; W= W
1
+W
2
Q
xp1
= 0.05.D.(i – C
n1
. θ
1
)
Q
xp2
= 0.05.W
1
.(i
1
– C
n2
. θ
2
)
Từ các phương trình trên ta có: Lượng hơi thứ bốc ra khỏi nồi 1 là:
→

1
= 8400−4347,66 = 4052,34 (kg/h)
3.3- Kiể m tra lạ i giả thiế t phân bố hơi thứ ở các nồ i :
Sai số là:
η
1
=
66,4347
420066,4347 −
*100% = 3,4% < 5%s
η
2
=
34,4052
420034,4052 −
*100% = 3,6% < 5%
Vậy giả thiết phân phối hơi ban đầu(W
1
/W
2
=1) đã phù hợp.
Nên lượng hơi đốt tiêu tốn chung là: D=
).(95.0
).(.
11
11111
θ
n
đđđđ
CI

)WW(
21
+−
d
d
G
x
=12000
) 4052,344347,66(12000
3
+−
= 10 (%).
17
III- Tính bề mặt truyền nhiệt:
1- Các thông số cơ bản của dung dịch:
1.1- Độ nhớt:
Ta sử dụng công thức Pavolov:
constK
tt
==
−
−
21
21
θθ
Với t
1
, t
2
là nhiệt độ chất lỏng có độ nhớt μ

Chọn chất chuẩn là H
2
0
Tra bảng của nước phụ thuộc nhiệt độ.
I.102, STQTTB T1/ Trang 94
I.101, STQTTB T1/ Trang 91
)(87,48)/.(10.56,0)(50
1
23
11
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
)(68,39)/.(10.66,0)(40
2
23
22
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
088,1
68,3987,48
4050
=
−
−

Nồi 2: Nồng độ dung dịch x
2
= 10%
Chọn chất chuẩn là H
2
0
Tra bảng :
I.101, STQTTB T1/ Trang 91 và sử dụng phương pháp ngoại suy.
I.102, STQTTB T1/ Trang 94.
)(57)/.(10.49,0)(60
1
23
11
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
)(87,48)/.(10.56,0)(50
2
23
22
CmsNCt
oo
=→=→=→
−
θµ
18
23,1
87,4857

2
)
1.2- Hệ số truyền nhiệt của dung dịch:
Áp dụng công thức I.32 ST QTTB T1/ Trang 123
3

M
CpA
dd
ρ
ρλ
=
W/m.độ
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
Chọn A=3,58.10
-8
OHiddi
MmMmM
2
).1(.
−+=
Mà
OH

C,có ρ
1
= 977,3 kg/m
3

0085,0
18
0457,01
101
0457,0
101
0457,0
1
=
−
+
=m
7,1818).0085,01(101.0085,0
1
=−+=→ M
5223,0
7,18
3,977
.3,977.8,3992.10.58,3
3
8
1
==→
−
λ

2
=−+=→ M
5219,0
61,19
4,1032
4,1032.3767.10.58,3
3
8
2
==→
−
λ
(W/m.độ)
1.3- Hệ số cấp nhiệt: α
1.3.1- Về phía hơi ngưng tụ: α
1
Áp dụng công thức V.101, STQTTB, T2/ Trang 28
4
1
1
.
04,2
tH
r
A
∆
=
α
W/m
2

- ∆t
1
= 134,9 – 2,6 = 132,3
o
C
t
m1
= 0,5.(t
T1
+ t
hd
)=
C
o
6,133
2
9,1343,132
=
+
→A
1
=192,08
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r
1,n1
= 2165,28.10
3
J/kg
→
14,8370

- ∆t
1
= 107,41 – 3,4= 104,01
o
C
t
m2
=
71,105
2
41,10701,104
=
+

o
C
→ A
2
= 181,57
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r
1,n2
= 2241,8.10
3
J/kg

→
43,7463
4,3.4
2241,8.10

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






















C
µ
µ
ρ
ρ
λ
λ
ϕ
Theo CT V.91, STQTTB, T2/Trang 26
5,033,2
2
145,0 pt
n
∆=
α
W/m
2
.độ
Trong đó : P là áp suất hơi thứ
Ta có: ∑ r = r
1
+ r
2
+ r
3
Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang 4.

31
rrr
++=

50
2
10.232,0
−−−−
=++
m
2
độ/W
Nồi 1: Tại t
s1
= t
2
= 111,46
o
C.
Ta có : ∆t = q
1.
∑ r
1
= 21762,35.0,659.10
-3
= 14,34
o
C
→ t
T2
= t
T1
- ∆t = 132,3 – 14,34 = 117,96
o

độ
Tra bảng I.249, STQTTB, T1/Trang 311
C
n1
= 4240.6 J/kg.độ
µ
n1
= 2,49.10
-4
N.s/m
2
λ
n1
= 0,685 W/m
2
.độ
ρ
n1
= 947,5 kg/m
3
435,0
3
3
2565,0
1
10.2957,0
10.249,0
.
6.4240
8,3992










=
−
−
n
ϕ
= 0,797
==
1,11,2
.
nnn
αϕα
0,797.4199,92 = 3347,56 W/m
2
độ
→ q
2,n1
= α
2,n1
.∆t
2,n1
= 6,5 .3347,56 = 21768,65 W/m

s2
= t
2
= 78,854
o
C.
Ta có : ∆t = q
1,n2.
∑ r
1
= 25375,68 .0,659.10
-3
= 16,72
o
C
→ t
T2
= t
T1
- ∆t = 104,01- 16,72 = 87,29
o
C
Hệ số cấp nhiệt của nước :
∆t
2
= t
T2
- t
2
= 87,29 – 78,854 = 8,43

N.s/m
2
λ
n2
= 0,674 W/m
2
.độ
ρ
n2
= 972,49 kg/m
3
435,0
3
3
2565,0
2
10.3935,0
10.36,0
.
1,4194
3767
49,972
4,1032
.
685,0
5219,0





=
−
−
n
ϕ
= 0,837
==
2,22,2
.
nnnn
αϕα
0,837.3640,27= 3046,95 W/m
2
độ
→ q
2,n2
= α
2,n2
.∆t
2
= 8,43 . 3046,95 = 25697,07 W/m
2
Nên ta có:
%3,1%100.
68,25375
68,2537507,25697
1
=
−
=

Q
kt
∆∑
∑
=∆
=
=
.)(
2
1
Trong đó:
23
hi
t∆
là nhiệt độ hữu ích trong các nồi (
o
C )
Q
i
: lượng nhiệt cung cấp (J/s )
K
i
: hệ số truyền nhiệt
Ta có:
3600
.
ii
i
rD
Q

33,928
56,3347
1
10.659,0
14,8370
1
1
3
1
=
++
=
−
K
13,2997
33,928
2782342
1
1
==
K
Q
Nồi 2:
Ta có: ẩn nhiệt ngưng tụ ứng với nhiệt độ 107,41 là r=2241800
5,2707348
3600
10.8,2241.66,4347
3600
.
3

2
1
1
2
1
=+=+=∑
=
=
K
Q
K
Q
K
Q
i
i
n
i
Vậy:
24
)(84,25
6,6032
13,2797
.52
1
Ct
o
hi
==∆
)(17,26

m
tK
Q
F
ihii
i
∆
=
Nồi 1:
)(116
84,25.33,928
7,2782342
2
1
mF ==
Nồi 2:
)(116
17,26.91,891
5,2707384
2
2
mF ==
Theo quy chuẩn bảng VI.6, STQTTB, T2/ Trang 80
Chọn bề mặt truyền nhiệt F= 125 m
2
25