cô đặc NaNO3 hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm

Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập -Tự do-Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên SV : Nguyễn Thị Mến
Lớp : ĐH Công Nghệ Hóa- K2
Khoa : Công Nghệ Hóa
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Minh Việt
NỘI DUNG
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm
,thẳng đứng .Cô đặc dung dịch NaNO3 năng suất 8,5 Tấn/h ,chiều cao ống gia
nhiệt h =2m .
Các số liệu ban đầu :
-Nồng độ đầu của dung dịch là 15% .
-Nồng độ cuối là 45 % .
-Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4 at
-Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

TT
Tên bản vẽ
1
Vẽ dây chuyền sản xuất
2

Vẽ nồi cô đặc

Khổ giấy
A4
A0

Số lượng
01
01

PHẦN THUYẾT MINH
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Mở đầu
Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất.
Tính toán cân bằng vật liệu và nhiệt lượng
Tính toán cơ khí
Tính toán và chọn các thiết bị phụ
Kết luận

TRƯỞNG KHOA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

1

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Lời mở đầu...........................................................................................................6
Phần I. Giới thiệu về thiết bị cô đặc...................................................................7
1. Khái niệm:....................................................................................................7
2. Phân loại các thiết bị cô đặc........................................................................7
3. Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc.. .8
4. giới thiệu dung dịch NaNO3...................................................................10
4.1.Tính chất vật lí:.....................................................................................10
4.2.Tính chất hóa học:................................................................................10
4.3.Ứng dụng :.............................................................................................11
5. Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh.............................................13
PHẦN II. CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG..............................14
1. tính toán thiết bị gia nhiệt.........................................................................14
1.1 tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống...........................................14
1.2 Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi............................................................14
1.3 Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi.........................................14
1.4 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)................................15
1.5 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi.................................................15
1.6 Áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi........................................16

1.7 tổn thất nhiệt nhiệt độ cho từng nồi....................................................16
1.7.1 Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi( ). .16
1.7.2 Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh...............................................17
1.7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống.......................................18
1.7.4 Tổng tổn thất nhiệt của cả hệ thống là:........................................18
1.8 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống...............................................18
1.8.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi..........................................18
1.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích( thi ) .......................................................18
1.9 Tính nhiệt lượng hơi đốt D, hơi thứ Wi ( kg/h)..................................19
1.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng...........................................................19
1.9.2 phương trình cân bằng nhiệt lượng..............................................19
2.1 Sai số so với giả thuyết ban đầu:.........................................................21
2.2 Tỷ lệ phân phối hơi thứ trong các nồi:...............................................21
2.3 Bảng tổng hợp số liệu 3.......................................................................22
3 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi....................................22
3.1 Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi....................................................................22
3.2 Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt........................................24
3.3.Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1.................................25
a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước :............................................25
b.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:.................................................26
c.Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi:...............................26
d.nhiệt tải riêng về phía dung dịch........................................................26
i

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

2

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2

Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

e.So sánh sai số ta thấy............................................................................27
4.Hệ số cấp nhiệt trung bình của nồi 2:.......................................................27
a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước..................................................27
b.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ......................................................27
c.Hệ số cấp nhiệt  22 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi..............................27
d.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch...........................................................27
e.So sánh q12 và q22......................................................................................27
5. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi.......................................................28
5.1. Hệ số truyền nhiệt Ki...........................................................................28
a.Nhiệt tải riêng trung bình:..................................................................28
b.Hệ số truyền nhiệt................................................................................28
5.2.Lượng nhiệt tiêu tốn.............................................................................28
6. Nhiệt độ hữu ích từng nồi..........................................................................29
6.1. Lập tỷ số: Li = Qi/ Ki............................................................................29
6.2. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi.......................................29
7. So sánh Thi và Thi*.................................................................................30
8. Tính bề mặt truyền nhiệt F.......................................................................30
PHẦN III : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN..................................31
1.tính buồng đốt.............................................................................................31
1.1.Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt (n)............................................31
1.2.Đường kính trong của buồng đốt (Dtr)................................................31
1.3. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm...............................................32
1.4.Chiều dày của buồng đốt (S)................................................................32
1.5.Kiểm tra độ bền theo áp suất thử........................................................34

1.6.Chiều dày đáy buồng đốt.....................................................................34
1.7.Tính toán lưới đỡ..................................................................................35
2. Tính buồng bốc...........................................................................................36
2.1.Thể tích của không gian hơi (Vb).........................................................36
2.2.Chiều cao buồng bốc............................................................................36
2.3.Chiều dày buồng bốc............................................................................37
2.4.Tính nắp buồng bốc..............................................................................37
3.mặt bích........................................................................................................38
4. Một số chi tiết khác....................................................................................40
4.1. đường kính và các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị
......................................................................................................................40
4.1.1. ống dẫn hơi đốt vào:......................................................................40
4.1.2.ống dẫn dung dịch vào...................................................................40
4.1.3 Đối với ống dẫn hơi thứ ra............................................................41
4.1.4 Đối với ống dẫn dung dịch ra........................................................41
4.1.5 Đối với ống tháo nước ngưng........................................................42
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

3

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

5.Tính và chọn tai treo...................................................................................42
5.1.Tính Gnk................................................................................................42

a. Khối lượng đáy lồi và nắp buồng đốt................................................42
b.tính khối lượng than buồng đốt..........................................................42
c. khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng đốt.................................43
d. tính khối lượng thân buồng bốc.........................................................43
e. Khối lượng nắp và đáy buồng bốc.....................................................43
f. khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng bốc.................................44
g.Khối lượng 2 lưới đỡ ống.....................................................................44
h. khối lượng các ống truyền nhiệt........................................................44
i. khối lượng hai phần trụ nối nắp, thân, đáy, buồng đốt với các ống
dẫn............................................................................................................44
j. tổng khối lượng nồi không..................................................................45
5.2.tính Gnd...................................................................................................45
a. thể tích không gian buồng đốt và buồng bốc....................................45
b. khối lượng nước chứa đầy nồi là:......................................................45
5.3.khối lượng nồi khi thử thủy lực...........................................................46
5.4. Chọn tai treo và chân đỡ.....................................................................46
6 . chọn kính quan sát....................................................................................48
7. Tính bề dày lớp cách nhiệt :......................................................................48
PHẦN IV. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ........................................................50
1.gia nhiệt hỗn hợp đầu.................................................................................50
1.1. Nhiệt lượng trao đổi :( Q)...................................................................50
1.2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích:....................................................................50
1.3. Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể:..............................................51
1.4. Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:.................................................52
1.5. Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy:..........................................52
1.6. Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :.....................................................55
1.7. Bề mặt truyền nhiệt :...........................................................................55
1.8. Số ống truyền nhiệt :...........................................................................55
1.9. Đường kính trong của thiết bị đun nóng...........................................56
1.10. Tính lại vận tốc và chia ngăn :..........................................................56

a. Xác định vận tốc thực.........................................................................56
b. Xác định vận tốc giả thuyết:..............................................................57
c. số ngăn:.................................................................................................57
2. Chiều cao thùng cao vị...............................................................................57
2.1. Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến cô đặc :
......................................................................................................................58
2.2.Áp suất để khắc phục trở lực ma sát:.................................................58
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

4

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

2.3. Trở lực trong ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp
đầu :.............................................................................................................60
2.4. Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào thiết bị cô đặc:.......61
3. chiều cao thùng cao vị :.............................................................................62
4 . Bơm............................................................................................................64
4.1. Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra:......................................64
4.2.Năng suất yêu cầu trên trục bơm........................................................68
4.3.Công suất động cơ điện........................................................................68
5. thiết bị ngưng tụ Baromet.........................................................................69
5.1. hệ thống thiết bị...................................................................................69
5.2 Lượng nước lạnh (Gn) cần thiết cung cấp cho thiết bị ngưng tụ......72

5.3 Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ (Dtr)....................................73
5.4. kích thước tấm ngăn............................................................................73
5.5.chiều cao thiết bị ngưng tụ...................................................................73
5.6. kích thước ống Baromet......................................................................74
a. đường kính trong của ống Baromet...................................................74
b. xác định chiều cao ống baromet........................................................75
5.7. Lượng hơi và khí không ngưng..........................................................76
a. lượng không khí cần hút.....................................................................76
5.8.Tính toán bơm chân không..................................................................77
6. Thống kê số liệu thiết bị phụ....................................................................78
6.1. thống kê các thông số cơ bản của thiết bị ngưng tụ.........................78
6.2. thống kê số liệu bơm............................................................................79
6.3. thống kê số liệu thùng cao vị............................................................................79
Phần V. Kết luận................................................................................................85
Tài liệu tham khảo ............................................................................................83

Lời mở đầu
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

5

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường

phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Để
năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần
dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là
dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung
dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn
cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung
tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễ
vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1
nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. trong thực tế
người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng
hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế
một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất ,em được nhận
đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ án
là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực
tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá
trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức
của một số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một
thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá
trình công nghệ .Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách
sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định
trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn
bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống
cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

6

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

dịch CaCl2 ,năng suất 8500kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 8%, nồng độ sản
phẩm 35%.

Phần I. Giới thiệu về thiết bị cô đặc
1. Khái niệm:
Cô đặc là phương pháp thường dùng để tăng nồng độ của một cấu tử nào
đó trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử. Tùy theo tính chất của cấu tử khó
bay hơi hay dễ bay hơi ta có thể tách một phần dung môi ( cấu tử dễ bay hơi
hơn) bằng phương pháp nhiệt độ ( đun nóng ) hay bằng phương pháp làm lạnh
kết tinh.
Trong đồ án này ta dùng phương pháp nhiệt. Trong phương pháp nhiệt
dưới tác dụng của nhiệt ( đun nóng ), dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang
trạng thái hơi khi áp suất rieng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên
mặt thoáng của dung dịch ( tức là khi dung dịch sôi ). Để cô đặc các dung dịch
không chịu được nhiệt độ cao ( như dung dịch đường ) đòi hỏi phải cô đặc ở
nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp.
2. Phân loại các thiết bị cô đặc
Thiết bị cô đặc được chia thành 3 nhóm:
 Nhóm 1 : Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên.
Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng độ nhớt
thấp, đảm bảo sự tuàn hoàn tự nhiên của dung dich dễ dàng qua bề
mặt truyền nhiệt.

 Nhóm 2 : Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức.
Thiết bị trong nhóm này được dùng cho các dung dịch khá sệt, độ
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

7

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

nhớt cao giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt
truyền nhiệt.
 Nhóm 3 : Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy
ngược lên hoặc suôi xuống . Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung
dịch chảy thành màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần tránh sự tác
dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch.
Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong hoặc buồng
đốt ngoài. Tùy theo điều kiên của dung dich mà ta có thể sử dụng cô đặc ở
điều kiện chân không, áp suất thường, áp suất dư.
3. Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc.
-Nhiệt hòa tan:
Khi hòa tan một chất rắn vào trong dung môi có hai quá trình xảy ra: Quá
trình thu nhiệt và quá trình tỏa nhiệt.
Quá trình thu nhiệt của dung môi làm nhiệt độ của dung môi lạnh đi do
sự tương tác giữa các phân tử của dung môi và các phân tử chất tqan mà mạng
lưới tinh thể của chất tanbị phá hủy

Quá trình tỏa nhiệt được tạo thành từ mối liên kết giữa cácphân tử của
chất tan với các phân tử của dung môi gọi là quá trình solvat hóa, nếu dung môi
là nước thì gọi là hydrat hóa.
Vậy nhiệt hòa tan chính là tổng của hai lượng nhiệt này. Bởi vậy nhiệt hòa
tan có thể là âm hay dương, tùy theo tính chất của của chất hòa tan và dung môi.
Đới với những chất dễ tạo thành quá trình solvat hóa thì nhiệt hòa tan dương,còn
những câhts không tạo thành solvat hóa(hydrat hóa) thì nhiệt hòa tan âm.
Do đó khi tính toán t cần biết nhiệt hòa than của một chất để thêm hay bớt
nhiệt đi, nhiệt hòa tan được tra trong sổ tay quá trình và thiết bị.
-Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

8

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Nhiệt độ sôi của dung dịch có tính chất quan trọng khi tính toán và thiết kế
thiết bị cô đặc vì từ nhiệt độ sôi của dung dịch ta sẽ chọn chất tải nhiệt để đốt
nóng cũng như các chế độ làm việc của thiết bị. Hiệu số nhiệt độ giữa chất tải
nhiệt và dung dịch là một trong những yếu tố xác định bề mặt truyền nhiệt của
thiết bị.
Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất
hòa tan, khi nồng độ tăng thì nhiệt độ sôi tăng. Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn
lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng áp suất, điều này có thể giải thích theo

định luật Raun:
Ps  P n

Ps
N

Ở đây Ps – áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất
P – áp suất hơi bão hòa của dung môi trên mặt dung dịch
n – số mol của chất hòa tan;
N – số mol của dung môi.
Từ biểu thức trên ta thấy Ps > P nghĩa là áp suất hơi bão hòa của
dung môi trên mặt dung môi nguyên chất luôn luôn lớn hơn áp suất hơi bão hòa
của dung môi trên mặt dung dịch khi có nhiệt độ như nhau, cũng từ biểu thức
này ta thấy khi tăn gn (tăng nồng độ của dung dịch) thì P sẽ giảm. Hiệu số P s – P
=  P gọi là độ giảm áp suất của dung môi trên dung dịch. Nếu ở nhiệt độ như
nhau áp suất của dung môi trên dung dịch luôn nhỏ hơn áp suất của dùng môi
trên dung môi nguyên chất thì ngược lại khi có cùng áp suất bên ngoài như
nhau nhiệt độ sôi cả dung dịch sẽ luôn luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất
t – ts =  ’

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

9

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

 ’ là độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất,  ’

cũng phụ thuộc nồng độ, nồng độ tăng thì  ’ cũng tăng. Đại lượng này gọi là tổn
thất nhiệt độ do nồng độ. Trị số của  ’ phụ thuộc vào chất hòa tan.
Khi tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ở áp suất khác ta ứng dụng quy tắc
Babô, theo quy tắc này: độ giảm tương đối của áp suất hơi bão hòa của dung
môi trên dung dịch ở nồng độ đã cho là một đại lượng không đổi không phụ
thuộc vào nhiệt độ sôi. Nghĩa là:
Ps  P
= hằng số
Ps


P
= hằng số
Ps

Từ biểu thức này ta biết nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồng độ đã cho ứng
với áp suất nào đó thì ta có thể xác định được nhiệt độ sôi ở các áp suất khác
nhau.
Như vậy đối với các dung dịch khác nhau, tính chất vật lý, hóa học khác
nhau thì ta cần lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp.
4. giới thiệu dung dịch NaNO3
4.1.Tính chất vật lí:
- Natri nitrat thường ở dạng tinh thể không màu, khối lượng riêng 2,265
g/cm3; có nhiệt độ nóng chảy là tnc = 312oC.
- Natri nitrat tan trong nước,là chất điện li mạnh

- Để ngoài không khí chúng bị chảy do hấp thụ hơi nước trong không khí.
- NaNO3 khan khá bền với nhiệt ( chúng có thể thăng hoa trong chân không ở
380- 500độC ).
4.2.Tính chất hóa học:
* Ở nhiêt độ cao NaNO3 là chất oxi hóa mạnh.
- Khi bị đun nóng NaNO3 bị nhiệt phân hủy tạo thành muối Nitrit và Oxi:
NaNO3  NaNO2 + O2
- Phản ứng với Cu trong môi trường axit:
2NO3- + 8H+ + 3Cu  3Cu2+ + 2NO + 4H2O
4.3.Ứng dụng :
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

10

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

- Trong thiên nhiên, chủ yếu được khai thác ở Chilê nên được gọi là sanpet
Chilê.
- Dùng để điều chế axit nitric, phân đạm, dùng trong công nghiệp thuỷ tinh,
luyện kim, độ tinh khiết 99.3% , dùng trong thí nghiệm công nghiệp, dân dụng.
- Dùng làm thuốc nổ đen

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

11

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

5. Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

12

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục
Dung dịch đầu NaNO3 được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa
(1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) . Ở thiết bị
trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (6).
Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống
chùm , dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng
đốt để đun nóng dung dịch . Một phần khí không ngưng được đưa qua của tháo

khí không ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước
ngưng .Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ .Hơi
thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần
dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 7 do đó sự chênh lệch áp suất
làm việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước .Nhiệt độ của nồi
trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi 7 có nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ sôi , kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ
làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi .
Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm .Hơi thứ
bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).Trong thiết bị
ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ được ngưng tụ lại
thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị
thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không

PHẦN II. CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

13

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Các số liệu ban đầu:
Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 8,5tấn/h

Nồng độ đầu : xđ = 15%
xc = 45%
P hơi đốt nồi 1= 4 at.
P hơi ngưng tụ= 0,2at.

1. tính toán thiết bị gia nhiệt
1.1 tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống


từ công thức: W Gd 1 


xd
xc





theo công thức VI.1-[55- 2]

W = 8500×( 1- ) = 5666,67 ( kg/h )
1.2 Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Chọn tỷ lệ hơi thứ : =
W2 W  W1

W2 = 2791,463 ( kg/h )
W1 = 2875,207 ( kg/h )
1.3 Nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi
- nồi 1

xc1 

Gd xd
Gd  W1

theo công thức VI.2a- [57- 2]

Xc1= 8500 = 22,67 %Khối lượng
W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống
W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

14

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Nồi

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Phdi

Thdi

ρhdi

ihdi

rhdi

C

kg/m3

J/kg

J/kg

142,9
105,775
59,7

2,12
0,7133
0,1283

2744000
2688450
2607000

2141000
2244800
2358000

o

at
1
2
ngưng

4
1,27
0,2

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2
xc1 : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

- nồi 2 xc2= 45 % khối lượng
1.4 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)
 hd 1  ng

P = 4-0,2 = 3,8 at
Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1
Рng: áp suất hơi nước ngưng
1.5 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi
(*)Tra bảng I.251-[314-1]
Hơi đốt nồi 1 được được cấp từ nồi hơi, hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang nồi
2 làm hơi đốt để tận dụng nhiệt.

Chọn = 2,55 giá trị lấy từ 1,6 - 2,9 ở đây ta chọn giá trị 2,55 cho thích hợp
P1 =2,73 at ,

P2 = 1,07 at

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

15

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

1.6 Áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi từng nồi
(*)Tra bảng I.251-[314-1]
Nồi

Phti

1
2

at
1,3278
0,214

Thti
o

C
107,075

61

ρhti

ihti

rhti

kg/m3
0,7354
0,137

J/kg
2690472
2608878

J/kg
2241333
2354822

Theo sơ đồ nồi cô dặc, nhiệt độ hơi thứ nồi 1(Tht1) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi 2
(Thd2). Nhưng do quá trình truyền khối cố sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
(  )
Chọn ’’’ = 1,3
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1(Tht1)
Tht1 = Thd2 = 105,775+1,3 =107,075 oC
Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2(Tht2)
Tht2 =Tng + 1,3 =59,7+1,3 = 61 oC
1.7 tổn thất nhiệt nhiệt độ cho từng nồi
1.7.1 Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi(  )

(* ) khối lượng riêng của dung dịch NaNO3 tra trong bảng I.31-[38-1]
đến 100oC nên chọn khối lượng riêng tại 100oC coi sai số không đáng kể. khi
xác định nhiệt độ sôi của dung dịch ta lấy ở áp suất thường, nhưng thực tế áp
suất là khác. Tuy nhiên đây là ảnh hưởng rất nhỏ nên có thể bỏ qua.
i 0  f
T2
f 16.2  i
r

tra theo công thức VI.10- [59- 2]
tra theo công thức VII.10- [59- 2]

Ti 2
  i 16.2  

0
r

T1 = 107,075 + 275 = 380,075 K
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

16

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2

chỉ


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

T2 = 61 + 273 = 334 K
Ti: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ
r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước
1’= 16,2 × =3,1816 (oc)
2’ = 16,2× = 6,4082 (oc)
’= 1’+ 2’ =3,1816+ 6,4082 =9,59 (oc)
Nồi
1
2

Xc (% )
22,67
45

0’
3,0472
8,35

t’ (oc)
107,075
61

ri
2241333
2354822

i’

3,1816
6,4082

1.7.2 Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh
tb hti  (h1 
hti  (h1 

h2
)  dds g (  / m 2 )
2

h2
)  dds 10 4 (at )
2

tra theo công thức VI.12- [60- 2]

Phti: áp suất hơi thứ nồi i
h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt
h2: chiều cao ống truyền nhiệt
 dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi ( tra bảng I.31- [38- 1]

Độ cao của mức dung dịch trong ống truyền nhiệt được xác định theo công thức
thực nghiệm:
Chọn h1= 0,4 m
Chọn  nc 1000(kg / m3 )
Ptb1= 1,3278 + ( 0,4 +1) × 582,23× 104 =1,4093 at
 Ttb1 =108,866 (oc)
Ptb2= 0,214 +( 0,4 + )× 684,15 × 10-4 = 0,3098 at
 Ttb2 = 69,357 (oc)

Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

17

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Tính 1’’ =Ttb1- Tht1 = 108,886 - 107,075 = 1,811 (oc)
2’’ = Ttb2 -Tht2 = 69,357 - 61 = 8,357 (oc)
 ’’= 1,811+ 8,357 = 10,168 (oc)
1.7.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống
 ’’’ = 1,3 + 1,3 = 2,6 0C
1.7.4 Tổng tổn thất nhiệt của cả hệ thống là:
  = ’ + ’’+ ’’’ = 9,59 + 10,168 + 1,3×2 = 22,358 (0C )
1.8 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống
1.8.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi
tính theo công thức: Ts Tht  i  i i
i

i

Nồi 1: Ts1= 107,075 + 3,1816+ 1,811+1,3 = 112,0676 (0C)
Nồi 2: Ts2= 61 + 6,4082+ 8,357 +1,3 = 75,7652 (0C)
1.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích( thi )
i

Thi= Thd - Tsi
Thi1= Thd1-Ts1= 142,9 - 112,0676= 30,8324 (0C)
Thi2= Thd2 - Ts2 = 105,775 - 75,7652 = 30,0098 (0C)
=

100%= 2,668%

1.9 Tính nhiệt lượng hơi đốt D, hơi thứ Wi ( kg/h)
1.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng
W1;i1

D; I 1

W1;i2

W2 ;i2’

‘

Qm1

1
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

Qm 2

2
18

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

GđC0ts0

(Gđ- W1)C1ts1

(Gđ -W1-W2)C2t2

DCnc1

W1Cnc 2

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống
D: lượng hơi đốt vào nồi 1
I: hàm nhiệt của hơi đốt
t: nhiệt độ của dung dịch
θ: nhiệt độ nước ngưng
i: hàm nhiệt của hơi thứ
1.9.2 phương trình cân bằng nhiệt lượng
Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1
D.i1+ GđC0Tso= W1i1’ + (Gđ - W1) C1Ts1 + D Cnc 1 + Qm1
phương trình cân bằng vật liệu nồi 2
W1i2 + (Gđ - W1) C1 Ts1 = W2 i2’ + ( Gđ - W1 -W2) C2Ts2 + W1 Cnc 2 + Qm2
W1 + W2 = W

Trong đó: Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh 2 nồi thường lấy bằng 5%
lượng nhiệt tiêu tốn để bốc hơi ở tường nồi.
Qm1 = 0,05 D. ( i1 - Cnc. 1)
Qm2 = 0,05 W1. ( i2 - Cnc2. 2)
D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)
Gđ: lượng dung dịch đầu (kg/h)
C0, C1, C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1, nồi 2,
và ra khỏi nồi 2. Áp dụng công thức I.43 - [152-1]
Nhiệt dung riêng của CaCl2 tính theo công thức I.41-[152-1]
CNaNO3 khan = =
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

19

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

=671,059 (J/kg.độ)
Đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20%
tính theo công thức I.43-[152-1]
xo= 15%  Co = 4186(1-0,15) =3558,1
đối với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20%
tính theo công thức I.44- [152 - 1]
x1= 22,67  C1= CNaNO3 khan.x+ 4186(1-x)
 C1= 71,059. 0,2267+ 4186( 1- 0,2267) = 3389,163 (J/kg.độ)

X2= 45  C2= 671,059. 0,45 + 4186(1-0,45) = 2604,277
Trong đó n: là số nguyên tử của nguyên tố Na, N,Otrong NaNO3
CNaNO3: là nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3
C Na, CN , CO : nhiệt dung nguyên tử tra bảng I.141-[152- 1]
Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
 1= 142,9 0C
2 = 105,775 0C
Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt
Tra bảng I.148-[166- 1
 1= 142,90C  Cnc1 = 4285,653 (J/kg.độ)
2 = 105,7750C  Cnc2 = 4234,121 (J/kg.độ)
* i1, i2 : Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2, J/kg
* i1’ i2’: Nhiệt dung riêng của hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg
* tso, ts1, ts2 : Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu, ra nồi 1 và ra nồi 2.
Với ts0 tra bảng (I-204) - [236 - 1]
ta có tso = 101,917 0C
Từ (*) ta có
W1= [W(i2’-C2ts2)+Gđ(C2ts2-C1ts1)] / [ 0,95( i2- Cnc22)+ (i2’-C1ts1)]
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

20

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

= [5666,67(2608878-2604,277.75,7652)+8500( 2604,277.75,76523389,163.112,0676)] / [ 0,95(2688450- 4234,121.105,775)+(26088783389,163.112,0676)]
W1 = 2780,021 (kg/h)
Tính D
D=
= [2875,207(2690472-3389,163.112,0676)+8500(3389,163.112,06763358,1. 101,917)] / [0,95 (2744000-4285,653.142,9)]
D = 3352,929 (kg/h)
Ta có W2= W - W1 = 2886,649
2. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi
2.1 Sai số so với giả thuyết ban đầu:
1=

= 3,3106%

2=

= 3,2975 %

Vì sai số nhở hơn 5% nên giả thuyết phân phối hơi thứ trong các nồi ban đầu
có thể chấp nhận được
2.2 Tỷ lệ phân phối hơi thứ trong các nồi:
= =
2.3 Bảng tổng hợp số liệu 3
Chọn
W1=2875,207 (kg/h)
W2=2791,463 (kg/h)

Cân bằng vật liệu
W1=2780,021 (kg/h)
W2=2886,649 (kg/h)

Sai số
3,3106%
3,2975%

3 Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi.
3.1 Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi
Tra bảng I. 46 - [42- 1] ta có :
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

21

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị


 
  nc

0 , 565






 
. dd

  nc

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội





2

 C dd   nc  


 
 C nc   dd  

0 , 435

C = 22,67%  dd1 = 1,1645.103 (kg/m3)
C = 45%

 dd2 = 1,3683.103 (kg/m3)

Tra bảng (I-5 ) khối lượng riêng và thể tích của nước ta có:
Ts1 = 112,0676  nc1 = 949,429 (kg/m3)
Ts2 = 75,7652  nc2 = 974,422 (kg/m3)
Cnc1= 4285,653 (J/kg.độ)
Cnc2 =4234,121 (J/kg.độ)
Cdd1= 3389,163 (J/kg.độ)
Cdd2 = 2604,277 (J/kg.độ)

Tra bảng hệ số dẫn nhiệt của nước và hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp
suất tra bảng [I-129] - [133- 1]
nc1 = 60,391.10-2 ( W/m.độ )
nc2 = 64,0813.10-2 ( W/m.độ )
Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo
công thức I.32 - [123 - 1]
 = A.Cp.

(W/m.độ )

Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi mỗi nồi là:
Cp1= 3389,163 (J/kg.độ)
Cp2= 2604,277 (J/kg.độ)
Khối lượng riêng của chất lỏng:
dd1= 1,1645.103 (kg/m3)
dd2 = 1,3683.103 (kg/m3)
A: Hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng A= 3,58.10-8
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

22

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

M: Khối lượng mol từng nồi.

*) Nồi 1
NNaNO3 =

/

+

= 0,0584

 M1= NNaNO3.MNaNO3 + NH20.MH2O = 0,0584.85 + 0,9416. 18 = 21,9128
Nồi 2:
NNaNO3 =

/ +

= 0,1477

 M2 = NNaNO3. MNaNO3 + NH2O. MH2O
= 0,1477.85 + 0,8523. 18 = 27,8959
Thay vào công thức (1) ta có:
1 = 3,58.10-8. 3389,163. 1,1645.103 = 0,5312 ( W/m.độ )
2 = 3,58.10-8. 2604,277. 1,3683.103 = 0,467 ( W/m.độ )
Tra bảng (I.104) và (I.102)- [ 96 - 1] tra độ nhớt của nước
nc1 = 0,2512 ( Cp )
nc2 = 0,37615 ( Cp )
Độ nhớt của dung dịch tại nhiệt độ sôi là
dd1 = 0,6574 ( Cp )
dd2 = 0,89 ( Cp )
Ta có bảng tổng hợp số liệu:
Nồi

dd.10-3 nc.10-3

M

dd

nc

dd.103

dd.103

W/m.độ
0,60391

N.s/m2
0,6574

N.s/m2
0,2512

0,640813

0,89

0,37615

Kg/m3
1,1645

Kg/m3
0,949429

21,9128

(W/m.độ)
0,5312

2 1,3683

0,974422

27,8959

0,467

1

Thay vào công thức (*) ta có:
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

23

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Ψ1 = 0,66
Ψ2 = 0,62533
3.2 Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt.
 r = r1 + r2 +
Trong đó: r1, r2 nhiệt trở cặn bẩn 2 bên thành ống
tra bảng( V-1) - trang 4 - sổ tay tập 2 ta có
r1= 0,378.10-3 ( m2.độ/W)
r2 = 0,232.10-3 (m2.độ/W)
Ống dẫn nhiệt làm bằng thép CT3 có chiều dày 2 mm nên
 = 46,4 ( W/m.độ)
Vậy  r = 0,387. 10-3 + 0,232.10-3 + = 6,531.10-4 ( m2.độ/W )

3.3.Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1
hệ số truyền nhiệt

1i ; 1i
TT2 i

t1i
t2i
TT1i

;

Giả sử chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt ở nồi 1 là:
T11= 3,2oC

và T12 = 2,850C

a.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước :
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

24

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2


Đồ án môn học
Quá trình thiết bị

Trường: ĐH Công Nghiệp Hà Nội

Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớp
màng mỏng, với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn
ngoài, phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm, phòng đôt treo đều là trường hợp
hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt( hơi đốt là hơi bão hòa không chứa khí
trơ), màng nước ngưng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được
tính theo công thức: V.101-[ 28-2]
1i = 2,04Ai

0,25

( W/m2.độ )

H: là chiều cao ống truyền nhiệt, H= 2m
r:là ẩn nhiệt ngưng tra theo nhiệt độ hơi đốt
r1 = 2141000 (J/kg)
r2 = 2244800 (J/kg)

nhiệt màng nước ngưng
tmi = Ti - ,

0

C

Do đó: tm1= 142,9 tm2 = 105,775 -

= 141,3 (0C )

= 104,35 (0C )

Hệ số A tra nhiệt độ màng nước ngưng tra bảng trang [28 - 2]
tm1 = 141,3  A1 = 194,195
tm2 = 104,35  A2 = 108,9575
Nồi 1: 11 = 2,04.194,195 ( )0,25 = 9527,465 ( W/m.độ )
b.Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
q1i = 1i . T1i (W/m2)
thay số ta được:
q11 = 11 . T11 = 9527,465. 3,2 = 30487,89 (W/m2)
c.Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi:
Áp dụng công thức:
2i = 45,3. .T2i2,33. ψi
Sinh Viên: Nguyễn Thị Mến

(W/m2.độ)
25

Lớp: ĐH Công Nghệ Hóa- K2