thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH4NO3

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

LỜI NÓI ĐẦU
Ngành 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 Amoni Nitrat (NH
4
NO
3
) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó trong nông nghiệp
cũng như quốc phòng. Trong quá trình sản xuất NH
4
NO
3
, quá trình cô đặc thường được
sử dụng để thu được dung dịch NH
4
NO
3
có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa
dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ.
Với mục tiêu đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH
4
NO
3

Cấu trúc của tập đồ án này, gồm có các phần:
 Mục lục.
 Lời nói đầu
 Chương 1: Tổng quan về NH
4
NO
3

 Chương 2: Tổng quan về cô đặc
 Chương 3: Tính toán công nghệ
 Chương 4: Tính toán cơ khí
 Kết luận.
 Tài liệu tham khảo
Đối với sinh viên ngành Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Dầu khí, việc
thực hiện đồ án tính toán thiết kế 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 máy và các quá trình thiết bị
vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán chi tiết một hệ
thống thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Đình Tiến đã hướng dẫn tận tình trong quá
trình em thực hiện đồ án chuyên ngành này. Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến
các thầy cô khác trong bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất Dầu khí cũng
như các bạn đã giúp đỡ, cho em những ý kiến tư vấn bổ ích trong quá trình hoàn thành đồ
án. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót trong quá
trình thực hiện đồ án, em mong nhận được những góp ý từ thầy và các bạn để hoàn thiện
đồ án này.

Hà Nội, Ngày 9/2/2015

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:







Chương 1: Tổng quan về NH
4
NO
3

1.1. Giới thiệu chung
Tên khoa học: Ammonium nitrate
Tên thường gọi: Amôn nitrat
Công thức hóa học: NH
4
NO
3


Hợp chất này lần đầu tiên được tìm thấy là hợp chất tự nhiên ở sa mạc
Atacama ở Chile, nhưng hiện nay việc sử dụng chủ yếu thông qua quá trình
tổng hợp hữu cơ. Chất này thường được dùng trong nông nghiệp làm phân
bón và cũng được sử dụng làm chất ôxi hóa trong thuốc nổ, đặc biệt là các

thiết bị nổ tự tạo.
1.2. Tính chất vật lý cơ bản
 Dạng tồn tại: Tồn tại ở dạng tinh thể rắn hay bột màu trắng, trắng
xám.
 Phân từ lượng: 80,052 g / mol
 Tỷ trọng: 1,725 g / cm
3
(20 ° C)
 Điểm nóng chảy: 169,6 ° C (337,3 ° F; 442,8 ° K)

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Điểm sôi: khoảng 210 ° C ( phân hủy)
 Độ hòa tan:
Tan nhanh trong nước ở nhiệt độ cao:
 118 g / 100 ml (0 ° C)
 150 g / 100 ml (20 ° C)
 410 g / 100 ml (60 ° C)
 1024 g / 100 ml (100 ° C)
Tan ít trong etanol
Khi tan hấp thụ nhiều nhiệt
 Độ hút ẩm cao:
Khả năng hút ẩm cao nên dễ vón cục, Để giảm vón cục, người ta
trộn NH
4
NO

3
với một lượng nhỏ một số thuốc nhuộm hay muối sắt
của một axit béo hoặc rắc bột của một số muối vô cơ lên hạt
NH
4
NO
3.

 Dễ phân hủy ở nhiệt độ khác nhau:
- Ở 110 °C
NH
4
NO
3
→ NH
3
+ HNO
3
─ 174.6Kj
- Tại 185 ~ 200 °C:
NH
4
NO
3
→ N
2
O
2
+ 2H
2

O 36,8 kJ
- Trên 230 °C xuất hiện ánh sáng yếu:
2NH
4
NO
3
→ 2N
2
+ O
2
+ 4H
2
O 119,3 kJ,

- Trên 400 °C xảy ra vụ nổ:
4 NH
4
NO
3
→ 3N
2
+ 2NO
2
+ 8H
2
O 123,5 kJ


1.3. Tính chất độc hại
 Nguyên nhân: Tiếp xúc, hít hoặc nuốt nhầm.

 Tác hại lâu dài:
 Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của
hồng cầu hiện tượng tím tái và hôn mê.
 Có thể gây hại cho sức khỏe sinh sản.

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Có thể là nguyên nhân gây ung thư.
 Tác hại khác:
 Tiếp xúc da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tấy đỏ, ngứa, đau
nhức.
 Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt.
 Hít nhầm: gây hại cho hệ hô hấp khi hít phải: ho, thở gấp.
 Nuốt nhầm: có thể gây ngộ độc nghiêm trọng.
 Sơ cứu cơ bản:
 Tiếp xúc với da: Cởi bỏ quần áo bị ô nhiễm, rửa sạch với
nhiều nước.
 Tiếp xúc mắt: Trương mí mắt, rửa nước thường hoặc nước
muối, đưa đến cơ sở y tế gần nhất.
 Hít phải: nhanh chóng rời hiện trường đến khu vực không khí
trong lành. Nếu thở khó khăn, cung cấp oxygen. Nếu không
thể thở tiến hành hô hấp nhân tạo, đưa đến cơ sở y tế gần
nhất.


1.4. Triệu chứng khi ngộ độc NH

4
NO
3

Viêm dạ dày, đau bụng, buồn nôn và nôn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng
mặt, mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, mất tập trung, tăng nhịp tim, tụt
huyết áp, khó thở, và thậm chí có thể gây viêm thận…
1.5. Tính chất cháy nổ
 Cháy:
 Dễ cháy, dễ bắt lửa khi tiếp xúc các chất hữu cơ.
 Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa.

 Nổ:
 Là hợp chất phổ biến nhất để gây nổ
 Dễ gây nổ với các bột kim loại mịn và các hydrocacbon
 Đặc biệt tang tính nổ khi kết hợp với bột nhôm hoặc oxit
nhôm.
1.6. Ứng dụng

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 NH
4
NO
3
là một trong những hợp chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi

và phổ biến nhất trong nhiều lĩnh vực trên toàn thế giới đặc biệt là
trong nông nghiệp và trong nghành công nghiệp quốc phòng.
 Một số ứng dụng:
 Sản xuất phân bón:
- Với hàm lượng N chiếm khoảng 34%, và giá thành
sản xuất công nghiệp rẻ, đây là một trong những
hợp chất hữu cơ được sử dụng nhiều nhất để sản
xuất phân bón.
- Phân amoni nitrat có tính chua, tuy nhiên đây là
loại phân bón quý vì chứa cả 2 gốc NH
4
+
và NO
3
-
,
có thể sử dụng để bón cho nhiều loại đất với nhiều
loại cây trồng khác nhau, đặc biệt là các loại cây
trồng cạn như : bắp, bông, ngô, mía,…
- Lưu ý: đây là loại phân dể tan trong nước, dễ vón
cục, khó bảo quản và khó sử dụng.

 Công nghiệp thuốc nổ:
 Được sử dụng rộng rải trong quân sự để tạo các
hợp chất nổ khi kết hợp với hydro.
 Ngoài ra còn sử dụng NH
4
NO
3
để chế tạo các

bom nổ tức thì.

 Ứng dụng sản xuất hợp chất ANFO:
ANFO là hợp chất nổ chứa 94% amoni nitrat ("AN")
và 6% dầu nhiên liệu ("FO") được sử dụng rộng rãi
với số lượng lớn công nghiệp khai khoáng, được sử
dụng trong các nghành công nghiệp khai thác than, đá,
các mỏ quặng, và xây dựng dân dụng.
 Nitrat amoni được ứng dụng trong việc xử lý các
quặng titanium.
 Nitrat amoni được sử dụng trong việc việc điều chế
chất ôxít nitơ (N2O):
NH4NO3(aq) -> N2O(g) + 2H2O(l)

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Nitrat amoni có thể được sử dụng để điều chế amoniac
khan, một hóa chất thường được sử dụng trong việc
sản xuất methamphetamine.
 Ngoài ra còn một số ứng dụng khác trong đời sống như
được sử dụng trong các túi làm lạnh nhanh,….
1.7. Sản xuất
 Đi từ phản ứng trung hòa HNO
3
và NH
3

:
HNO3(aq) + NH3(g) → NH4NO3(aq)
- Phản ứng này được thực hiện bằng cách sử dụng khí amoniac khan
và axit nitric đậm đặc. Phản ứng này xảy ra mãnh liệt và tỏa nhhiệt.
- Sau khi dung dịch muối được tạo ra, thường thì có nồng độ khoảng
83%, lượng nước dư được làm khô đến mức nitrat amoni có nồng độ
95 - 99,9% (nitrat amoni chảy)
 Đi từ phản ứng trao đổi:
(NH
4
)
2
SO
4
+ 2 NaNO
3
→ 2 NH
4
NO
3
+ Na
2
SO
4
(NH
4
)
2
SO
4

+ Ca (NO
3
)
2
→ 2 NH
4
NO
3
+ CaSO
4

- Sodium sulfate được loại bỏ bằng cách hạ thấp nhiệt độ của hỗn
hợp.Vì sodium sulfate ít tan trong nước hơn ammonium nitrate nên
sẽ kết tủa, và có thể tiến hành lọc ra.
- Đối với các phản ứng với canxi nitrat , các sulfat canxi tạo ra
không hòa tan trong nước ngay cả ở nhiệt độ phòng. Nên dễ dàng
thu được amoni nitrat

1.8. Quy mô và nhu cầu NH
4
NO
3

 Amoni nitrat lần đầu tiên được dùng làm phân bón ở châu Âu sau
Chiến tranh Thế giới Lần thứ Nhất do một lượng lớn tồn dư không
được dùng làm thuốc nổ. Vì dễ nổ nên ở Đức amôni nitrat thường
được trộn với bột đá vôi, thạch cao hoặc amôni sunfat. Ở Mỹ, amôni
nitrat được dùng lần đầu vào năm 1926 với nguồn nhập từ Đức. Sau
đó được sản xuất ở trong nước dưới dạng rắn và dung dịch, sản
lượng tăng mạnh từ 383.000 tấn năm 1943 lên 7,3 triệu tấn năm

1980. Năm 1994 lượng amôni nitrat chiếm 5,3% trong số 12,6 triệu
tấn đạm tiêu thụ ở Mỹ.

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Hiện nay mỗi năm sản lượng phân amoni nitrat chiếm 11% lượng
phân đạm sản xuất trên thế giới.
 Hiện nay nhu cầu sử dụng nguyên liệu amoni nitrat ( chiếm 80 – 90
%) để sản xuất các hợp chất nổ an toàn là rất lớn trên thế giới, đặc
biệt là hợp chất nổ ANFO.
 Ở Việt Nam nhu cầu sử dụng amoni nitrat là rất lớn khoảng 100.000
tấn/ năm, và dự báo tăng nhanh lên 150.000 tấn/ năm, nhưng tính
đến đầu năm 2015 thì Việt Nam chủ yếu là nhập khẩu từ nước ngoài,
đặc biệt là Trung Quốc.
 Hiện nay Việt Nam đã có nhà máy sản xuất amoni nitrat đầu tiên tại
Thái Bình với công suất 200.000 tấn/ năm, bắt đầu sản xuất từ tháng
1/ 2015. Đảm bảo nhu cầu trong nước và tiến tới thâm nhập thị
trường xuất khẩu ASEAN.
1.9. Những văn bản pháp luật quan trọng liên quan đến
Amoni Nitrat (NH
4
NO
3
)
 Hiện nay theo luật pháp Việt Nam, Amoni Nitrat đang được quản lý
theo 2 lĩnh vực: Vật liệu nổ công nghiệp và Hóa chất.

 Trong lĩnh vực Vật liệu nổ công nghiệp thì Amoni Nitrat đang chịu
sự điều chỉnh của Pháp lệnh số 16/2011/UBTVQH12 của ngày 30
tháng 6 năm 2011. Theo quy định tại Nghị định số 39/2009/NĐ-CP
về vật liệu nổ công nghiệp thì Amoni Nitrat là một trong 07 tiền chất
thuốc nổ. Do đó, việc sản xuất, kinh doanh và nhập khẩu Amoni
Nitrat phải tuân thủ những điều kiện nhất định của pháp luật như: Tổ
chức kinh doanh tiền chất thuốc nổ là doanh nghiệp được Thủ tướng
Chính phủ chấp thuận theo đề nghị của Bộ Công Thương, Bộ Công
an, Bộ Quốc phòng; phải được cấp Giấy chứng nhận đủ điều kiện
sản xuất, kinh doanh, xuất khẩu, nhập khẩu vật liệu nổ công nghiệp,
tiền chất thuốc nổ; các điều kiện đối với người quản lý, người lao
động cũng rất chặt chẽ…
 Trong lĩnh vực Hóa chất, Amoni Nitrat chịu sự điều chỉnh của Luật
Hóa chất năm 2007; Nghị định số 108/2008/NĐ-CP ngày 07 tháng
10 năm 2008 của Chính phủ . Theo quy định tại Nghị định số
108/2008/NĐ-CP thì Amoni Nitrat (hàm lượng > 99,5%) nằm trong
Danh mục hàng hóa hạn chế kinh doanh. Tuy nhiên, sau khi gia nhập

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

WTO, thực hiện Cam kết quốc tế, Việt Nam đã đưa Amoni Nitrat ra
khỏi Danh mục hàng hóa hạn chế kinh doanh tại Nghị định số
26/2011/NĐ-CP. Như vậy, Amoni Nitrat không nằm trong diện bị
cấm nhấp khẩu hay bị áp dụng biện pháp hạn chế số lượng nhập
khẩu.
 Đồng thời, theo Thông tư số 48/2011/TT-BCT và Thông tư số

08/2012/TT-BCT thì các tổ chức, cá nhân sản xuất, kinh doanh
Amoni Nitrat phải thực hiện việc công bố sản phẩm, hàng hóa phù
hợp quy chuẩn kỹ thuật; Khi công bố hợp quy, tổ chức, cá nhân sản
xuất, kinh doanh, nhập khẩu phải đăng ký bản công bố hợp quy tại
Sở Công Thương tại địa phương nơi tổ chức, cá nhân đó đăng ký
hoạt động, sản xuất, kinh doanh.




Chương 2: Tổng quan về cô đặc



2.1. Khái niệm chung và mục đích quá trình cô đặc
 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 chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh)
 Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước)
 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 nhiều
thiết bị cô đặc (nồi). Qúa trình có thể gián đoạn hay lien tục. Hơi bay ra
trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ thường có nhiệt độ
cao và ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô
đặc. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là hơi phụ.

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc

GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Quá trình cô đặc khác quá trình chưng cất ở chỗ: trong qúa trình chưng cất
cả 2 cấu tử đều bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Còn cô
đặc chỉ cho dung môi bay hơi, còn chất tan không bay hơi.
2.2. Cơ sở lý thuyết quá trình cô đặc
2.2.1. Chế độ làm việc
 Cô đặc chân không : Dùng cho các dung dich có nhiệt độ sôi cao, và dung
dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi
đốt và nhiệt đọ sôi của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt
khác , cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên ta có thể
tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ)
cho quá trình cô đặc.
 Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển: Thường dung cho các 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 hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở
áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân
không.
2.2.2. Các phương pháp cô đặc
 Phương pháp nhiệt: Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái hơi 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 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 thiết bị làm lạnh.
2.2.3. Các hệ thống cô đặc:
 Cô đặc một nồi: Thường được ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng
không có giá trị kinh tế.
 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. Hệ thống này đang được sử dụng phổ
biến trong công nghiệp hóa chất.

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Hệ thống cô đặc nhiều nồi có 3 loại:
 Hệ thống cô đặc xuôi chiều: Hơi và dung dịch đi cùng chiều
- Ưu điểm:
+ Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh
lệch áp suất giữa các nồi, tiết kiệm năng lượng.
+ Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, dung dịch đi vào
mỗi nồi (trừ nồi 1) có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi, dung dịch
nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi them một lượng
nước.
- Nhược điểm: Nhiệt độ của dung dịch các nồi sau thấp dần, nhưng
nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm độ nhớt tăng dẩn đến hệ số
truyền nhiệt giảm.
 Hệ thống cô đặc ngược chiều: Hơi và dung dịch đi ngược chiều
-Ưu điểm:
+ Nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu, nên ở đây độ nhớt tăng

không đáng kể dẩn đến hệ số truyền nhiệt giảm không đáng kể
+ Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối sẽ nhỏ hơn so với cô đặc xuôi
chiều, do đó lượng nước dung làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng
tụ sẽ nhỏ hơn.
-Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng cho bơm.
 Hệ thống cô đặc song song: Dung dịch đi vào mỗi nồi và sản phẩm
lấy ra đồng thời
-Nhận xét:
+ Chỉ áp dụng cho trường hợp yêu cầu về nồng độ của dung dịch
không cao lắm
+ Dung dịch cô đặc có kết tinh, vì dễ làm tắc ống khi đi từ nồi này
sang nồi kia
2.3. 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:
 Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để
đun sôi dung dịch.
 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

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

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.

 Khi cấu tạo thiết bị cần chú ý những yêu cầu sau:
 Đơn giản, gọn, chắc, dễ chế tạo, sửa chữa và lắp ghép, các chi tiết phải quy
chuẩn hóa, giá thành rẻ.
 Đáp ứng yêu cầu kĩ thuật: chế độ làm việc ổn định ít bám cặn, dễ làm sạch,
dễ điều chỉnh và kiểm tra.
 Cường độ truyền nhiệt lớn.
 Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 4 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,
2.4. Ưu nhược điểm một số thiết bị cô đặc phổ biến trong công
nghiệp
2.4.1. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm
 Cấu tạo:
 Phần dưới của thiết bị là phòng đốt, có các ống
truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn
 Dung dịch ở trong ống còn hơi đốt đi vào
khoảng trống phía ngoài ống.
 Nguyên tắc làm việc:
 Dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành
hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng giảm đi và
bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống. Trong ống tuần
hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt
truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó
lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn,vì vậy khối lượng
riêng của hỗn hợp hơi - lỏng ở đây lớn hơn trong

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là
trong thiết bị có chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ
dưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống
trong ống tuần hoàn. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì
hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá
trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt cũng giảm.
 Tốc độ tuần hoàn thường không quá 1,5 m/s.
 Khi năng suất thiết bị lớn có thể thay ống tuần
hoàn bằng vài ống có đường kính nhỏ hơn
 Phía trên phòng đốt là phòng bốc trong đó có bộ
phận tách bọt dung để tách các giọt lỏng do hơi thứ
mang theo

 Ưu điểm:
 Cấu tạo đơn giản
 Dễ làm vệ sinh trong ống
 Dễ sửa chữa
 Nhược điểm:
 Vận tốc tương đối nhỏ, dẫn đến dễ bám cặn làm giảm hệ số truyền
nhiệt K
 Tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng
2.4.2. Thiết bị cô đặc có phòng đốt treo
 Nguyên tắc làm việc:

 Dung dịch đi trong ống truyền
nhiệt và phía trong hình vành
khan. Hơi được dẫn trong ống hơi
rồi qua các lỗ phun, đi vào
khoảng không gian phía ngoài
ống trong buồng đốt, cấp nhiệt
đun sôi dung dịch trong ống.
Nguyên tắc tương tự, hơi sẽ bốc
lên buồng bốc đi lên tới bộ phận

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

phân ly , hạt lỏng kéo theo được
giữ lại chảy về qua ống dẫn lỏng
hồi lưu, hơi thứ đi lên.
 Khoảng không gian giữa vỏ và
buồng đốt đóng vai trò tuần hoàn,
tại đó không gian lớn , vỏ không
bị đốt nóng nên vận tốc tuần hoàn
lớn (v > 1 m/s).

 Ưu điểm:
 Tốc độ tuần hoàn lớn (vỏ không bị đốt nóng).
 Buồng đốt được treo ở trong có thể nhấc cả ra làm vệ sinh dễ dàng.
 Nhược điểm:
 Kết cấu phức tạp (bộ phận treo, đỡ)

 Kích thước lớn
 Phạm vi:
 Cô đặc có kết tinh
2.4.3. Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài
 Cấu tạo - Nguyên tắc hoạt động:
 Dung dịch được đi từ dưới lên, hơi đốt đi từ
trên xuống, đun sôi dung dịch tạo thành hỗn
hợp lỏng hơi, khối lượng riêng giảm đi lên
trên qua ống nối vào buồng bốc, hơi sẽ được
tách ra đi lên trên qua bộ phận phân ly hơi
thứ, hạt lỏng bị kéo theo sẽ được giữ lại và
chảy xuống dưới. Dung dịch sẽ đi xuống dưới
qua ống tuần hoàn về buồng đốt, khi đạt nồng
độ yêu cầu, sản phẩm sẻ được tháo ra theo
cửa tháo sản phẩm
 Vận tốc tuần hoàn khoảng 1,2 – 1,5 m/s
 Ông tuần hoan không bị đôt nóng, chênh lệch
khối lượng riêng lớn

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Một buồng bốc có thể nối với 2 hoặc 3 buồng
đốt, khi tiến hành sữa chữa do hỏng hóc, thay
thế hoặc vệ sinh thì quá trình vẫn diễn ra liên
tục
 Các ống truyền nhiệt có thể làm dài đến 7m

nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó cường độ
bốc hơi lớn.
 Ưu điểm:
 Giamr chiều cao của buồng đốt và buồng bốc
 Buồng bốc tách khỏi buồng đốt, việc tách hơi thứ được triệt để
 Vận tốc tuần hoàn lớn, ống tuần hoàn không bị đốt nóng
 Có thể kết nối một buồng bốc với hai hoặc ba buồng đốt, quá trình làm
việc liên tục
2.4.4. Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
 Cấu tạo – Nguyên tắc hoạt động:
 Dung dịch đưa vào phòng đốt bằng bơm
tuần hoàn
 Dung dịch đặc đi ra ở phần dưới của
buồng bốc , còn phần chính chảy về
ống 3 do bơm tuần hoàn hút và trộn
lẫn với dung dịch đầu đi vào phòng
đốt. Hơi thứ bốc lên tương tự
 Ưu điểm:
 Hệ số cấp nhiệt lớn (3-4 lần đối lưu tự
nhiên)
 Tốc độ tuần hoàn lớn (1,5 – 3,5 m/s)
 Làm việc được khi chênh lệch nhiệt độ
giữa hơi đốt và dung dịch sôi từ 3 – 5°C
 Tránh hiện tượng bám cặn
 Nhược điểm:
 Tốn kém năng lượng cho bơm
 Ứng dụng:

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc

GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

 Trường hợp cường độ bay hơi lớn và dung dịch có độ nhớt cao
2.4.5. Thiết bị cô đặc loại màng
 Cấu tạo – Nguyên tắc hoạt động:
 Qúa trình làm việc liên tục
 Dung dịch chỉ qua thiết bị một lần, đi từ dưới
lên trên theo lớp màng mỏng dọc bề mặt ống
trao đổi nhiệt
 Phòng đốt là một thiết bị truyên nhiệt ống
chum dài 6 – 9m, hơi đốt đi vào phía ngoài
ống, dung dịch vào ở đấy thiết bị chiếm
khoảng 1/4 – 1/5 chiều cao ống truyền nhiệt.
Khi sôi, hơi thứ chiếm hầu hết tiết diện ống
từ dưới lên trên với vận tốc lớn ( v = 20 m/s),
kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng
đi lên, khi màng chất lỏng đi từ dưới lên trên
tiếp tục bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên dần
đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết.
 Hơi thứ có bọt, đi lên thiết bị phá bọt, bọt được tách
ra, nhờ các tấm kim loại cong, bẻ quặt lại theo hình
xoắn ốc làm cho hơi quay, tạo lực ly tâm, lỏng đc
tách ra khỏi hơi và đưa ra sản phẩm
 Hơi thứ đi lên
 Ưu điểm:
 Chiều cao mức chất lỏng không cao lắm, áp suất thủy tĩnh nhỏ, dẫn
đến tổn thất áp suất thủy tĩnh nhỏ.
 Thiết vị loại màng có hệ số truyền nhiệt lớn với mức chất lỏng thích

hợp (xác định bằng thực nghiệm), nếu mức chất lỏng cao thì vận tốc
giảm dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm, nếu mức chất lỏng thấp thì bề
mặt truyền nhiệt phía trên của ống sẻ bị khô vị bị bốc hơi hết
 Nhược điểm:
 Khó làm sạch vì ống dài
 Khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực dung dịch thay đổi
 Không thích hợp với dung dịch nhớt và dung dịch kết tinh

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

2.5. Nhiệm vụ thiết kế
 Yêu cầu đặt ra là thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NH
4
NO
3
hai nồi ngược
chiều với yêu cầu công nghệ:
 Dung dịch cô đặc: NH
4
NO
3

 Năng suất tính theo dung dịch đầu: 4.5 kg/s.
 Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng.
 Nồng độ cuối của dung dịch: 30% khối lượng.
 Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at.

2.6. Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công
nghệ
2.6.1. Lựa chon phương án thiết kế
Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói trên
ta chọn thiết bị cô đặc 2 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
nồiđầu, ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy. Kết quả là
hệ số truyềnnhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy. Ngoài ra
lượng bốc hơi ở cuốinồi sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ngược chiều, do đó
lượng hơi nước dùng làm ngưng tụhơi 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
khôngtự di chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung
dịch, làm tăng chi phí.
2.6.2. 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

Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang:

sôi rồi được dẩn vào nồi 2.Tại nồi 2 dung dịch NH
4
NO
3
10% 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 1 để tiếp tục
quá trình cô đặc cho 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, còn hơi thứ của nồi 2 đi vào thiết
bị ngưng tụ.
( sơ đồ công nghệ)


Chương 3 : Tính toán công nghệ


Thông số và số liệu ban đầu:

 Dung dịch cô đặc: NH
4
NO
3

 Năng suất tính theo dung dịch đầu: 4.5 kg/s.
 Nồng độ đầu của dung dịch: 10% khối lượng.
 Nồng độ cuối của dung dịch: 30% khối lượng.
 Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at.

3.1. Cân bằng vật liệu
3.1.1. Lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống







Đồ án Chuyên Nghành Thiết kế hệ thống cô đặc


GVHD: TS. Vũ Đình Tiến SVTH: Nguyễn Ngọc Chung – Lớp: KTHH4 – K56
Trang: