là thiết kê hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc NH4NO3 từ nồng độ 33% đến nồng độ 50%, năng suất 3 m3mẻ.

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
(Quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực Phẩm)
1. Họ và tên nhóm sinh viên

:Vũ Thị Thảo
:Lê văn Thịnh
:Phan Tiến Thịnh

Lớp

:DH10H1

Khoa

:Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm

Ngành

:Công nghệ kỹ thuật hóa học

Chuyên ngành

:Hóa dầu

2. Đầu đề ( nhiệm vụ thiết kế ):
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc
NH4NO3 với các số liệu sau:

-

Năng suất : 3 m/mẻ

-

Nồng độ đầu xđ = 33%

-

Nồng độ cuối xc = 50%

3. Nội dung tính toán:
3.1. Thiết bị chính
3.2. Thiết bị phụ
3.3. Tính toán cơ khí thiết bị chính
4. Nội dung thuyết minh
4.1. Lời nói đầu
4.2. Giới thiệu tổng quan
4.3. Quy trình công nghệ
4.4. Nội dung tính toán
4.5. Kết luận chung
4.6. Tài liệu tham khảo
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

4.7. Mục lục
5. Bản vẻ phải hoàn chỉnh
5.1. Dây chuyền công nghệ quá trình sản xuất
5.2. Thiết bị chính và chi tiết cơ khí
6. Ngày giao nhiệm vụ:.........................................................................
Ngày hoàn thành nhiệm vụ..............................................................
7. Gỉang viên hướng dẫn:
Xác nhận của trưởng khoa cho phép

Xác nhận của giảng viên hướng

bảo vệ

dẫn sinh viên đã hoàn thành
nhiệm vụ được giao đầy đủ.

Thành phần hội đồng bảo vệ:

Điểm: Số........; Chữ............

1.
2.
3.
4.
5.

Vũng Tàu, ngày……tháng….năm….

DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

DH10H1

Trang 7

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN..............................................................
1.1 NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN.........................................................................
1.2 TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU........................................................
1.3 CÔ ĐẶC.....................................................................................................
1.3.1 Định nghĩa........................................................................................
1.3.2 Các phương pháp cô đặc..................................................................
1.3.3 Phân loại và ứng dụng......................................................................
1.3.4 Ưu và nhược điểm của cô đặc gián đoạn.........................................
1.3.5 Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều liên tục.................................
1.3.6 Các thiết bị và chi tiết.......................................................................
1.3.7 Yêu cầu thiết bị về vấn đề năng lượng.............................................
1.4 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.....................................................................
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH...........................................................
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.......................................
2.1.1 Cân bằng vật chất.............................................................................
2.1.2 Cân bằng năng lượng........................................................................
2.2 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH – NỒI CÔ ĐẶC...............................................
2.2.1 Hệ số truyền nhiệt.............................................................................
2.2.2 Bề mặt truyền nhiệt và thời gian cô đặc..........................................
2.2.3 Buồng đốt.........................................................................................
2.2.4 Buồng bốc.........................................................................................
2.3 TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH............................................................
2.3.1 Buồng đốt.........................................................................................
2.3.2 Buồng bốc.........................................................................................
2.3.3 Đáy....................................................................................................
2.3.4 Nắp elip.............................................................................................
2.3.5 Tính cách nhiệt cho thân..................................................................
2.3.6 Mối ghép bích...................................................................................

2.3.7 Vỉ ống...............................................................................................
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

2.3.8 Khối lượng và tai treo.......................................................................
2.3.9 Các đường ống dẫn, cửa...................................................................
CHƯƠNG 3: CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ PHỤ........................................................
3.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET........................................................
3.1.1 Chi phí nước để ngưng tụ.................................................................
3.1.2 Lượng không khí do bơm hút từ thiết bị ngưng tụ..........................
3.1.3 Đường kính thiết bị ngưng tụ...........................................................
3.1.4 Kích thước tấm ngăn........................................................................
3.1.5 Chiều cao thiết bị ngưng tụ..............................................................
3.1.6 Đường kính ống baromet.................................................................
3.1.7 Chiều cao ống baromet.....................................................................
3.1.8 Các kích thước khác.........................................................................
3.2 BƠM...........................................................................................................
3.2.1 Bơm chân không...............................................................................
3.2.2 Bơm nhập liệu..................................................................................
3.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ................................................................
KẾT LUẬN...............................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................

LỜI NÓI ĐẦU

DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Ngày nay 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 đến khá nhiều là
NH4NO3 (amoni nitrat) với khả năng sử dụng rộng rãi của nó. Trong quy trình sản xuất
NH4NO3, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch NH 4NO3 có nồng
độc cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ.
Nhiệm vụ của đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn ống
tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc NH4NO3 từ nồng độ 33% đến nồng độ 50%, năng
suất 3m3/mẻ.
Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ
kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh
viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết
của một thiết bị với các số liệu cụ thể và thực tế.
Tuy nhiên , vì còn là sinh viên nên kiến thức thục tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình
thực hiện đồ án khó có thể tránh được thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn
của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn.
Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy mmm bộ
môn Khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu.

DH10H1

Trang 7

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kê hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn
ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc NH4NO3 từ nồng độ 33% đến nồng độ 50%,
năng suất 3 m3/mẻ.
1.2 TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU

-

NH4NO3 là một

-

Nhiệt độ nóng chảy là……..(khan)

-

Nhiệt độ sôi là……….(khan)

-

Độ nhớt là ….

-

Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO2 của không khí, dễ chảy rữa thành K2CO3 .

NH4NO3 dễ dàng tan trong nước, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH (dạng dung dịch
được sử dụng nhiều). Áp suất hơi của nước trên KOH ở nhiệt độ phòng là 0.002 mmHg.
1.3

CÔ ĐẶC
1.3.1 Định nghĩa
Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong

dung dịch hai hay nhiều cấu tử. Thùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không
bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn)
bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp làm lạnh kết tinh.
Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách
tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi.

1.3.2 Các phương pháp cô đặc
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Phương pháp nhiệt (đun nóng): 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 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 nông 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 máy lạnh.
1.3.3 Phân loại và ứng dụng
1.3.3.1

Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá
loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt
truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng đốt), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc
ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt).
•

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 –
3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho
dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

1

2 Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
•

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch

nước trái cây, hoa quả ép…Gồm:

3

Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo

bọt khó vỡ.
4

Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo

bọt và bọt dễ vỡ.
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

b. Theo phương pháp thực hiện quá trình
Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường
dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại
và thời gian cô đặc ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao.
Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân
không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì
sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô 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.
Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
5
•

Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn
Uư điểm:

6

Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.

7

Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.

8

Thao tác dễ dàng.

9

Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.

10

Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.

11

Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.
•

12

Nhược điểm:
Quá trình không ổn định, tính chất hóa lý của dung dịch thay đổi liên tục theo nồng
độ, thời gian.

13

Nhiệt độ hơi thứ cấp, không dùng được cho mục đích khác.

14

Khó giữ được độ chân không trong thiết bị.

IV. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1. Thuyết minh quy trình công nghệ
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

- Khởi động bơm chân không đến áp suất Pck = 0.60 at.

- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 33% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô
đặc bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ
3m3 thì ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 3m3 thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at)
vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống
chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong
ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn
qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên
dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng
riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống
truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền
nhiệt). Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua
buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và
được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa.
Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được
bơm chân không hút ra ngoài. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước
ngưng, qua bẩy hơi rồi được xả ra ngoài.
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 40% (sau thời gian cô đặc đã tính: 45
phút) thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng mở van tháo
liệu.
2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
a. Bơm
Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không.
+ 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 NH4NO3 từ bể chứa nguyên liệu vào nồi
cô đặc.
DH10H1

Trang 7

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

+ Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc.
b. Thiết bị cô đặc

Đây là thiết bị chính trong quy trình công 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
hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn.
Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hổn hợp
lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ. Ống
tuần hoàn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hoàn trong thiết bị.
c. Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công 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 không nên nó phải được đặt ở
một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không 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 con sót lại, chưa kịp ngưng tụ, không cho chúng đi vào bơm chân không.
e. Các thiết bị phụ trợ khác
15
16

DH10H1

Bẩy hơi
Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Chương 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1.1 CÂN BĂNG VẬT CHẤT
Các số liệu ban đầu:
•Dung dịch NH4NO3:
-Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 33%
-Nồng độ cuối 50%
•Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
•Áp suất ngưng tụ: Pck=0,6 at.
Cô đặc gián đoạn với năng suất 3m3/mẻ.
2.1.1.1

Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ

Nồng độ,%
Khối lượng riêng,
kg/m3
2.1.1.2

33%
1031,40

40%
1031,42

45%
1031,45

Cân bằng vật chất cho các giai đoạn
Gđ= Gc+W
Gđ.xđ = Gc.xc

Trong đó
Gđ , Gc : lượng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, kg.
W

: lượng hơi thứ bốc lên trong mỗi giai đoạn, kg.

xđ, xc :nồng độ đầu và cuối mỗi giai đoạn
Gđ.xđ, Gc.xc :khối lượng NH4NO3 trong dung dịch, kg.
a. Giai đoạn 33% đến 40%

Gđ = 3m3=3*1031.40 = 3094,2 kg
xđ = 0,33 ; xc = 0,4
DH10H1

Trang 7

50%
1031,47


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

• Lượng sản phẩm ( là dung dịch NH4NO3 40%)
Gc = Gđ . = 3094,2. = 2552,7 kg
• Lượng hơi thứ
W = Gđ – Gc = 3094,2 – 2552,7 = 541,5 kg
b. Giai đoạn 40% đến 45%
Gđ = 2552,7 kg ; xđ = 0,4 ; xc = 0,45
 Gc = Gd .= 2552,7 . = 2269 kg
W = Gđ – Gc = 2552,7 – 2269 = 283,7 kg
c. Giai đoạn 45% đến 50%
Gđ = 2269 kg ; xđ= 0,45 ; xc=0,5

 Gc= Gđ. = 2269 .= 2042,1 kg
W = 2269 – 2042,1 = 226,9 kg
• Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W= 541,5 + 283,7 + 226,9 = 1052,1 kg
• Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất

Nồng độ dung dịch, %

33%

40%

45%

50%

Thể tích dung dịch trong
nồi, m3
Khối lượng dung dịch,
kg
Lượng hơi thứ đã bốc
hơi, kg
Khối lượng riêng dung
dịch, kg/m3

3,0

2,5

2,2

2,0

3094,2

2552,7

2269

2042,1

0

541,5

825,2

1052,1

1031,40

1031,42

1031,45

1031,47

2.1.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Áp suất thiết bị ngưng tụ Po=0,35at
=>

Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t0=72,050C( bảng I.251 trang 314 tài liệu [1]).
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ= 1K

=>

Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1=72,05+1=73,050C

DH10H1

Trang 7

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Đây cũng là nhiệt độ sôi của dung môi (là nước) trên mặt thoáng dung dịch
tsdm(P1)=73,05oC
=>
Áp suất trên mặt thoáng dung dịch trong buồng bốc P1=0,3636at 0,36at (bảng
I.250 trang 312 tài liệu[1]).
2.1.2.1

Các tổn thất nhiệt độ- nhiệt độ sôi dung dịch.

Ta có tồn thất niệt độ sôi theo nồng độ dung dịch NH4NO3 ở áp suất khí quyển
(bảng VI.2 trang 61 tài liệu liệu[2]).Từ đó suy ra nhiệt độ sôi dung dịch NH4NO3 ở áp
suất khí quyển theo nồng độ là :

Nồng độ dung
dịch,%
ở Pa,0C

33

40

45

50

4,7

6,25

7,5

9,1

Nhiệt độ sôi dung
dịch ở Pa,0C

104,7

106,25

107,5

109,1

a. Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch

NH4NO3 theo nồng độ ở áp suất P1=0,3636 at
Theo phương pháp Babo (công thức 5.9 trang 150 tài liệu[3])

(=(
 Xét dung dịch NH4NO3 33%
Nhiệt độ dung dịch NH4NO3 33% ở Pa = 1,0333 at là 104,7oC
Ở 104,7oC áp suất hơi nước bão hòa là 1,2201at ( bảng I.205 trang 312 tài liệu [1]).
Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch ở t1 = 0,3636at

()t1 =()t2
=
=> PH2O = 0,43at
Vậy nhiệt độ sôi của nước ở 0.43at là t=77,77oC ( bảng I.251 trang 314 tài liệu [1]).
=> Nhiệt độ sôi của dung dịch NH4NO3 33% ở P1 =0,3636 at la 77,77oC
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Tổn thất nhiệt độ sôi
= 77,77-73,05 = 4,72oC
Tính tương tự ở các nồng độ 40% , 45%, 50% ta được kết qua sau:
Nồng độ dung dịch, %
Nhiệt độ sôi dung dịch, oC

ô

Tổn thất , oC

33

40

45

50

77,77

77,9

78

80,9

4,72

4,85

4,95

7,85

a. Tổn thất nhiệt độ do hiệu ứng thủy tĩnh . Nhiệt độ sôi dung dịch

ở áp suất trung bình:
Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]
- =Với:

+ 0,5 = P1 +
 .g.Hop
 =

Trong đó: - Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ
-

Hop: Chiều cao lớp lỏng sôi

Trong thiết bị tuần hoàn tự nhiên
Hop = [ 0,26 + 0,0014()].Ho
Với Ho : Khối lượng riêng dung môi ở tsdm
 Chọn chiều cao ống truyền nhiệt Ho = 1,5m

 Tính cho trường hợp dung dịch NH4NO3 33%
Do trong khoảng nhiệt độ nhỏ, hiệu số thay đổi không đáng kể nên ta chọn tra ở 15 oC

DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị
3

= 1031,40kg/m3
=> Hop = [0,26 + 0,0014.(1031,40 – 999)].1,5 = 0,45804m
=> = 0,5..g.Hop = 0,5..1031,40.9,81.0,45804 = 1158,616 N/m2 = 0,012at
=>

tb

= P1 + = 0,3636 + 0,012 = 0,3756at

Nhiệt độ sôi của H2O ở 0,3756 at là 73,76oC (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh
’’

= - = 73,76 – 73,05 = 0,71oC

=> Nhiệt độ sôi dung dịch NH4NO3 33% ở áp suất P1 +
= 77,77 + 0,71 = 78,48oC
 Tính tương tự ta được:
Nồng độ dung dịch, %
’’ o

, C

2.1.2.2

33

40

45

50

0,71

0,71

0,71

0,72

78,48

78,61

78,71

81,61

Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn

Tính theo công thức 4.4 trang 181 Tài liệu [4]
 Phương trình cân bằng nhiệt
Gđ.cđ.tđ = Gđ.cctc + W.tQđc
Với
D

: lượng hơi đốt sử dụng, kg

: tỉ lệ nước ngưng bị cuốn theo
: nhiệt độ nước ngưng, oC
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

C

: nhiệt dung riêng nước ngưng ở , J/kg độ

cđ, cc

: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ

tđ, tc

: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, oC
: entanpi của hơi đốt, J/kg
: entanpi của hơi thứ, J/kg

Qt

: nhiệt lượng tổn thất, J

Qcđ

: nhiệt lượng cô đặc, J

 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)
QD = D.(1 r = nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ
 Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính theo công thức 4.11 trang 182 Tài liệu [4]
cdd = 4190.(1-x) + c1.x
Trong đó
x: nồng độ dung dịch

c1: nhiệt dung riêng NH4NO3 khan, J/kg độ
Theo công thức 4.12 trang 183 Tài liệu [4]
c1 = = 1760 J/kg độ
Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ
Nồng độ dung dịch, %

33

40

Nhiệt dung riêng dung
3388,1
3218
dịch, J/kg độ
 Chọn hơi đốt có áp suất PD = 3at => tD = 132,9oC
DH10H1

Trang 7

45

50

3096,5

2975


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

 Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3at
r =2171.103 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 tài liệu [1])
Entanpi của hơi thứ ở 73,05oC
.103 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])
 Tổn thất nhiệt Qt = 0,05.QD
 Xem nhiệt độ cô đặc là không đáng kể
a. Giai đoạn đưa dung dịch 33% từ 25oC đến 78,48oC
GD = GC = 3094,2 kg
cđ = cc = 3388,1 J/kg độ
tđ = 25oC ; tc = 78,48oC ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q1 =3094,2.3388,1.(78,48 – 25) = 5,6.108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Q1 = = 5,9.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D1 = = 286,07 kg
b. Giai đoạn đưa dung dịch từ 33% đến 40%
GD = 3094,2 kg ; cđ = 3388,1 J/kg độ ; tđ = 78,48oC
GC = 2552,7 kg ; cc = 3218 J/kg độ ; tc = 78,61oC
W = 451,5 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q2 = 2552,7.3218.78,61 + 541,5.2632,2.103 – 3094,2.3388,1.78,48
Q2 = 12,48.108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
DH10H1

Trang 7

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

QD2 = = = 13,14.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D2 = = 637,13 kg
c. Giai đoạn đưa dung dịch từ 40% đến 45%
Gđ = 2552,7 kg ; cđ = 3218J/kg độ ; tđ = 78,61oC
GC = 2269 kg ; cc = 3096,5J/kg độ ; tc = 78,71oC
W = 283,7 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q3 = 2269.3096,5.78,71 – 2552,7.3218.78,61 + 283,7.2632.2.103
Q3 = 6,54.108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất nhiệt)
QD3 = = = 6,88.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D3 = = 333,8 kg
d. Giai đoạn đưa dung dịch từ 45% đến 50%
Gđ = 2269 kg ; cđ = 3096,5J/kg độ ; tđ = 78,71oC
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

GC = 2042,1 kg ; cc = 2975J/kg độ ; tc = 81,61oC
W = 226,9 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q4 = 2042,1.2975.81,61 – 2269.3096,5.78,71 + 226,9.2632.2.103
Q4 = 5,40.108J
Nhiệt lương cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt)
QD4 = = 5,68.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D4 = = 275,6 kg
Tổng lượng nhiệt
QD = 5,9.108 + 13,14.108 + 6,88.108 + 5,68.108 = 31,60.108J
Tổng lượng hơi đốt
D = 286,07 + 637,13 + 333,8 + 257,6 = 1532,6 kg
Lượng hơi đốt riêng
Driêng = = = 1,46 kg/kg hơi thứ
Tóm tắt cân bằng năng lượng

Nồng độ dung dịch, %

33

33

40

45

50

Nhiệt độ sôi dung dịch, oC

25

78,48

78,61

78,71

81,61

Nhiệt lượng hữu ích, J*108

0

5,6

18,08

24,62

30,02

5,9

19,04

25,92

31,6

Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*108
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Lượng hơi đốt sử dụng, kg

286,07

923,2

2.2 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH – NỒI CÔ ĐẶC
2.2.1 Hệ số truyền nhiệt
2.2.1.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
a. Các kí hiệu và công thức
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m2K
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2K
q1

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2

q2

: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2

qv

: nhiệt tải riêng phia vách ống truyền nhiệt, W/m2

tv1

: nhiệt độ trung bình vách ngoài ống, oC

tv2

: nhiệt độ trung bình vách trong ống, oC

tD

: nhiệt độ hơi ngưng, tD = 132,9oC

tdd

: nhiệt độ dung dịch sôi, oC

= tD – tv1
DH10H1

Trang 7

1257

1532,6

GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

= tv2 – tdd
= tv1 – tv2
tm = (tD + tv1) : nhiệt độ màng nước ngưng, OC
Phía hơi ngưng
q1 = .

(1)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
= 2,04.A.

(2)

Với A = ( phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

tm, oC

40

60

80

100

120

140

160

180

200

A

139

155

169

179

188

194

197

199

199

:

khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m3

λ :

hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK

:
r :

độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas
ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD
r = 2171.103 J/kg

H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Phía dung dịch
Q2 = . (3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
=.

.[(. . ]0,435 (4)

Trong đó
,, cn, : hệ số dẫn nhiệt ( W/mK), khối lượng riêng (kg/m3), nhiệt dung riêng (J/kg
độ), độ nhớt (Pas) của nước
, cdd, : các thông số của dung dịch theo nồng độ
: hệ số cấp nhiệt tương ứng của nước, W/m2K
= 0,56.q0,7 . p0,15 (5), (công thức V.90 trang 26 Tài liệu [2])
Với

q : nhiệt tải riêng, W/m2
p : áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng, N/m2
p = p1 = 0,3636 at = 35669,16 N/m2

 Các thông số của nước (Bảng I.249 trang 311 Tài liệu [1])
tsdm = 73,05oC
= 975,97 kg/m3
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

cn = 4189,44 J/kg độ
= 0,38619.10-3 Ns/m2
= 66,938.10-2 W/mK
•

Các thông số của dung dịch
 tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] (ở 40OC)
 tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
λ= 3,58.10-8.cdd.. ,W/mK
Mdd =
Với x : nồng độ dung dịch
 cdd và xác định theo nồng độ
Chọn A = 3,58.10-8

Nồng độ dung dịch, %

33

40

45

50

78,48

78,61

78,71

81,61

, kg/m3

1031,40

1031,42

1031,45

1031,47

cdd, J/kg độ

3388,1

3281

3096,5

2975

0,754.10-3

0,81.10-3

0,9.10-3

0,99.10-3

Mdd

24,2

26,1

27,6

29,4

, W/mK

0,44

0,40

0,38

0,36

tdd, oC

, Ns/m2

Phía vách ống truyền nhiệt
DH10H1

Trang 7