TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY − THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
Đề tài:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC
SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601
TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301
Lớp : DHHD7LT
Khoá : 2011 − 2013

TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
ii
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ
2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
Số liệu ban đầu: G
D
= 2500 kg/h; X
D
= 15%, Xc = 30% (theo khối lƣợng)
Nội dung:
– Giới thiệu tổng quan (tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc)
– Qui trình công nghệ (đƣa ra sơ đồ và thuyết minh qui trình công nghệ)
– Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lƣợng
– Tính toán thiết kế thiết bị chính (tính toán về các thông số về đƣờng kính, chiều
cao, bề dày và các chi tiết khác )
– Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A1 gồm: bản vẽ quy trình công nghệ, bản vẽ cấu tạo chi
tiết thiết bị chính
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ngày 15 tháng 10 năm 2012
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: tháng 12 năm 2012
5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.s TRẦN HOÀI ĐỨC
Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2012
TỔ TRƢỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Ngƣời duyệt:
Đơn vị:
Ngày bảo vệ
Điểm tổng kết:
Nơi lƣu trữ:
ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN


Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012
Ngƣời nhận xét iv
MỤC LỤC

CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1
1.1. Tổng quan về nguyên liệu 1
1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc 1
1.3. Cô đặc nhiều nồi 1
CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 3
2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ 3
2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ 4

4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch 30
4.5. Chiều dày vĩ ống 32
4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt 32
v
4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn 32
4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị 34
4.7. Chọn mặt bích 35
4.7.1. Buồng đốt 35
4.7.2. Buồng bốc 35
4.8. Chọn tai treo 36
4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt 37
4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt 37
4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc 37
4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc 37
4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt 37
4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng 38
4.8.7. Khối lƣợng cột hơi 38
4.8.8. Khối lƣợng bích 38
4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt 39
4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống 39
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 42
công suất 2500 kg/h từ nồng độ đầu 15% lên tới 30% theo khối lƣợng. vii
DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU

Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ 7
Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

’
8
Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (

’’ ) 8
Bảng 4. 1. Đường kính các loại ống dẫn 32
Bảng 4. 2. Ống dẫn hơi đốt 33
Bảng 4. 3. Ống dẫn hơi thứ 34
Bảng 4. 4. Ống dẫn dung dịch 34
Bảng 4. 5. Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc. 36
Bảng 4. 6. Kích thước bích nối các ống dẫn 36
Bảng 4. 7. Khối lượng bích 39
Bảng 4. 8. Các thông số của tai treo 40
1
CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về nguyên liệu
Natri hiđroxit hay (công thức hóa học là NaOH) hay thƣờng đƣợc gọi là xút hoặc xút
ăn da, ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lƣợng riêng 2,1
g/cm³, nóng chảy ở 318
o

lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thƣờng đƣợc tiến hành bằng cách tách một phần
dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn).
Trong cô đặc cần hiểu rõ các khái niệm:
- Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch
- Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc
- Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc.
Quá trình cô đặc thƣờng dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng
nồng độ các dung dịch loãng, hoặc tách bớt chất rắn hòa tan.
Quá trình cô đặc thƣờng đƣợc tiến hành ở các điều kiện áp suất khác nhau. Khi làm
việc ở áp suất thƣờng (áp suất khí quyển) ngƣời ta dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất
khác áp suất khí quyển (áp suất chân không) ngƣời ta dùng thiết bị kín.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi, có thể
làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
1.3. Cô đặc nhiều nồi
Khi cô đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế. Mặt khác hơi thứ vẫn còn
mang một nhiệt lƣợng lớn, tốn nƣớc để ngƣng tụ. Quá trình cô đặc nhiều nồi tận dụng hơi
thứ làm hơi đốt , do đó hạ thấp chỉ tiêu tiêu hao hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các
thông số kỹ thuật.
Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi đƣợc chia thành 3 loại:
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều
2
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song
Ƣu điểm và nhƣợc điểm của thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:
Ƣu điểm: Để hệ thống làm việc đƣợc thì nhiệt độ và áp suất nồi trƣớc phải lớn hơn
nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn năng
lƣợng. Thƣờng nồi đầu áp suất dƣơng, nồi sau áp suất âm.
- Nhiệt độ sản phầm thấp nên chất lƣợng sản phẩm tốt
- Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp
Nhƣợc điểm: các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do

2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ
2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều
Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% đƣợc chứa trong bồn chứa
nguyên liệu số 16. Sau đó đƣợc bơm lên bồn cao vị số 1 nhờ bơm nguyên liệu số 17. Từ
bồn cao vị, dung dịch NaOH chảy qua lƣu lƣợng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt số 2 và đƣợc
đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc số 1 rồi đƣa vào nồi cô đặc số 1 để cô đặc một
phần dung dịch. Nồi số 1 sử dụng hơi đốt là hơi chính trong nhà máy. Dung dịch từ nồi số 1
tự chuyển sang nồi số 2 do chênh lệch áp suất làm việc giữa hai nồi (áp suất nồi sau < áp
suất nồi trƣớc). Nhiệt độ của nồi trƣớc lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. Nồi số 2 sử dụng hơi thứ của nồi số 1 để làm hơi đốt, tiếp
tục cô đặc dung dịch NaOH đạt tới nồng độ yêu cầu (30% theo khối lƣợng). Hơi thứ của nồi
2 đƣợc đƣa qua thiết bị ngƣng tụ Baromet số 8 để tạo độ chân không cho hệ thống nhờ bơm
hút chân không số 10. Sản phẩm ở nồi cô đặc số 2 đƣợc bơm sản phẩm (bơm ly tâm) số 12
liên tục hút ra ngoài.
2.2.2. Nguyên lý làm việc của hê thống thiết bị cô đặc
Thiết bị gia nhiệt số 2 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt
đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ đƣợc bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống
đƣợc giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống đƣợc hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nƣớc bão
hoà có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dƣới lên ở bên trong ống. Hơi
nƣớc bão hoà ngƣng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt
độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi đƣợc gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô
đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nƣớc ngƣng tụ thành nƣớc lỏng và theo ống dẫn
nƣớc ngƣng qua bẫy hơi chảy ra ngoài.
2.2.3. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc
Phần dƣới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần
hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nƣớc bão hoà) đi trong khoảng
không gian ngoài ống. Hơi đốt ngƣng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang
chuyển động trong ống.
Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngƣng tụ
cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi. Hơi ngƣng tụ theo ống dẫn nƣớc ngƣng

nó đƣợc đƣa qua thiết bị phân ly số 9 (hay còn đƣợc gọi là bình tách giọt). Thiết bị phân ly
có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngƣng
để đƣa về bồn chứa nƣớc ngƣng.

6
CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu
– Năng suất nhập liệu : G
D
= 2500 kg/h
– Nồng độ nhập liệu :
D
x
= 15 %
– Nồng độ cuối của sản phẩm :
C
x
= 30 %
– Áp dụng phƣơng trình cân bằng vật chất : G
D
.
D
x

= G
C
.
C
x


2
1
W
W


Khi đó ta có hệ phƣơng trình :
1
2
1
W
W


W
1
+ W
2
= W = 1250 (kg/h)
Giải hệ trên ta có kết quả :
W
1
= 625 kg/h
W
2
= 625 kg/h
Xác định nồng độ dung dịch từng nồi.
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1 :
x’
C

3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi
Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc
Chọn áp suất ngƣng tụ : 0,2 at
Tra bảng I.251/314[1] ta có nhiệt độ tại thiết bị ngƣng tụ : T
ng
= 59,7
0
C
7
Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là : 4,0 at
Khi đó hiệu áp suất cả hệ thống cô đặc là :
P
t
= P
1
– P
ng
= 4,0 – 0,2 = 3,8 (at)
Chọn tỉ số phân bố áp suất giữa các nồi là :
1
2
2,2
P
P




Kết hợp với phƣơng trình : P
1

∆
2
’’’ = 1
o
C
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1: t’
1
= T
2
+ 1 = 109,419
0
C
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2: t’
2
= t
ng
+ 1 = 60,7
0
C
Dựa vào các dữ kiện trên và tra Bảng I.251/314[1] ta có bảng sau đây :

Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ
3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất
Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất
thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đƣờng ống.
3.2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ 
’

Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi nguyên chất

Tháp ngƣng tụ
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất (at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 4,0
T
1
= 142,9
P
2
= 1,436
T

: nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i,
0
C
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cƣỡng bức) thì nồng độ
dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (x
c
) do đó 
’
lấy theo nồng độ cuối dung dịch
Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

’x
c
(% kl)

o
’
( )
t
i
’(
o
C)
r
i .
10
-3

C
3.2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ )
2
2
1
4
2
1
( ). . ( / )
2
( ). .10 ( )
2
tb hti dds
hti dds
h
h g m
h
h at



     
   
VI.12/60[2]
Trong đó:
P
hti
: áp suất hơi thứ nồi i
h
1i

Coi 
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến
độ sâu trung bình của chất lỏng
4
1
4
2
1,8
1,436 0,5 .1162,395.10 1,5987( )
2
1,8
0,211 0,5 .1303,5.10 0,3936( )
2
tb
tb
at
at



     



     



C

Tra bảng I.251/314[1] :
0
11
1,5987( ) 112,675
tb tb
at C    

0
22
0,3936( ) 75,0481
tb tb
at C    

'' 0
1 1 1
' 112,675 109,419 3,256
tb
tC      

'' 0
2 2 2
' 75,048 60,7 14,348
tb
tC      

'' '' '' 0
12
3,256 14,348 17,604 C      



 


 


 


    




 


 


 


      
3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi
Nồi 1 : t
hi
= T
1
– t

i: hàm nhiệt của hơi đốt , J/kg
t: nhiệt độ của dung dịch,
0
C
θ: nhiệt độ nƣớc ngƣng,
0
C
i’: hàm nhiệt của hơi thứ, J/kg
10
Nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng tính theo áp suất của hơi đốt.
(tra theo Bảng I.249/311[1])

11
4294,24,0 5
p
at C   
(J/kg.độ)

22
4230,94,3 8 618
p
at C   
(J/kg.độ)
3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20%
C = 4186.(1− x) ( J/kg.độ) I.43/152[1]
X : nồng độ chất hòa tan, phần khối lƣợng
Nhiệt dung riêng dung dịch đầu: C
đ
= 4186.(1 − 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ)

= n
2
= n
3
= 1
c
1
= c
Na
= 26 (J/kg ng.tử.độ)
c
2
= c
O
= 16,8 (J/kg ng.tử.độ)
c
3
= c
H
= 9,6 (J/kg ng.tử.độ)
thay vào (*) ta đƣợc
3
ht
26 16.8 9.6
C .1 0 1 310
40


(J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1:

1
+ Q
xq1
Nồi 2:
W
1
.i
1
+ (G
D
– W
1
).C
1
.t
1
= W
2
.i
2
+ (G
D
– W).C
2
.t
2
+ W
1
.C
ng2

)
Trong đó:
D : lƣợng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h
i,i
1
,i
2
: hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg
t
D
, t
1
, t
2
: nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch,
0
C
C
D
, C
1
, C
2
: nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch, J/kg.độ

1,

2
: nhiệt độ nƣớc ngƣng tụ của nồi 1 và nồi 2,
0

1
– C
ng2
. 
2
= r(
2
)
Tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây: (tra Bảng I.250/312[1]), và (tra Bảng
I.249/310[1]) ta đƣợc bảng tổng hợp sau:
Vậy lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 :




1121
11222
1
.)(.95.0
).(.
tCir
tCGtCWGiW
W
DD

614,742 (kg/h)
Lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 :

1
1


W
WW
n
Đầu vào
Đầu ra nồi 1
Đầu ra nồi 2
Dung dịch NaOH :
+ t
D
= 121,366
0
C
+ C
đ
= 3558,1 J/kg.độ
+ G
D
= 2500 kg/h
Hơi đốt:
+ 
1
= 142,9
0
C
+ i = 2744000 J/kg
+ C

2
= 88,055
0
C
+ C
2
= 3323,2 J/kg.độ
+ Gc= 1250 kg/h
Hơi thứ :
+ t’
2
= 60,7
0
C
+ i
2
= 2608444,444 J/kg
+ W
2
= 625 kg/h
12
C%(nồi 1) =
625 614,724
.100% 1,64% 5%
625



C%(nồi 2) =
635,258 625










Trong đó :
– α
1i
: hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt
– ∆t
1i
: chênh lệch nhiệt độ nƣớc ngƣng và mặt ngoài ống
– r
i
: ẩn nhiệt ngƣng tụ (lấy bằng ẩn nhiệt hoá hơi)
– h : chiều cao ống truyền nhiệt ; h = 1,8m
– A : hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m
(tra bảng trang 29[2])
Nồi 1 :
Giả thuyết ∆t
11
= 1,71
0
C




(W/m
2
.độ)
q
11
= α
11
.∆t
11
= 11447,353 . 1,71 = 19574,973 (W/m
2
.độ)
Tính toán tƣơng tự ta có bảng số liệu sau :
Nồi
∆t
1i
, (
0
C)
t
m
, (
0
C)
A
α
1i
, (W/m











P
i
: áp suất làm việc (áp suất hơi thứ), at
∆t
2i
: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống truyền nhiệt và dung dịch
∆t
2i
= t
T2i
– t
ddi
= ∆T
i
– ∆t
1i
– ∆t
Ti
;
0

nc nc nc dd
λ ρ C μ
Ψ . . . 1
λ ρ C μ

       


       

       

VI.27/71[2]
(λ; ρ ; C ; µ): lấy theo nhiệt độ sôi của dung dịch (Bảng I.249/310[1])
(λ; ρ ; C ; µ)
nc
: các hằng số vật lý của nƣớc theo nhiệt độ sôi dung dịch
(λ; ρ ; C ; µ)
dd
: các hằng số vật lý của dung dịch
Thiết bị sau một thời gian sử dụng sẽ có cặn bẩn bám ở phía trong và phía ngoài
ống truyền nhiệt gây tổn thất nhiệt.

Giá trị này đƣợc tra ở Bảng V.1/4[2] (bề dày các chất này là 0,5 mm)
- Hơi nƣớc có: 














 

  




 


Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 1:
Từ nhiệt độ sôi thực của dung dịch nồi 1, tra hằng số vật lý của nƣớc tại bảng I.249-
ST QTTB T1/310 ta đƣợc bảng số liệu:
t
s1
=
121,366
0
C
λ (W/m.độ)
ρ (kg/m
3

15
Trong đó :
A : hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng; A = 3,58.

đối với chất lỏng
liên kết (nƣớc)


: là nhiệt dung riêng đẳng áp của dung dịch NaOH, (J/kg.độ)
 : là khối lƣợng riêng của chất lỏng (tra Bảng I.2/9[1])
M : khối lƣợng phân tử mol của dung dịch NaOH
 
2
NaOH NaOH NaOH H O
n .M 1 n .MM   



là phần trăm NaOH theo mol
2
NaOH
NaOH
NaOH
NaOH NaOH
NaOH H O
x
M
n
x 100 x
MM

 0,5851 = 2817,244 (W/m
2
.độ)









So sánh giá trị 

và 

:
11 21
11
q q 19574,973 19312,776
.100 .100 1,36% 5%
q 19574,973

  

Chấp nhận giả thiết ∆t
11
và ∆t
21
ban đầu.
















Tổn thất nhiệt qua tƣờng ống đó là :











 

  

3
)
μ (N.s/m
2
)
C
p
(J/kg.độ)
Ψ
2

Nƣớc
0,6795
966,115
0,0003189
4220,97
0,74582
Dung dịch
0,7788
1303,5
0,001370
4251,929
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch NaOH tính toán tƣơng tự nhƣ trên :
2
3
2 p2 2
2
ρ
λ A.C .ρ .
M

0,74582 = 2069,786 (W/m
2
.độ)









So sánh giá trị 

và 

:
12 22
12
16253,64 16901,13
.100 .100 3,83% 5%
16253,64
qq
q

  

Chấp nhận giả thiết ∆t
12
và ∆t






 












