Đồ án CÔ ĐẶC (NH4)2SO4 ống tuần hoàn TRUNG TÂM

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
Bộ Công Thương
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội

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

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Họ và tện: Nguyễn Ngọc Hiếu
Mã sinh viên: 1041540047
Lớp: Hóa Dầu 1 – K10
Khoa: Công nghệ Hóa
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Xuân Huy

NỘI DUNG
Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung
tâm cô đặc dung dịch (NH4)2SO4 với năng suất 15000 kg/giờ. Chiều cao ống gia
nhiệt: 2 m.
Các số liệu ban đầu:
- Nồng độ đầu của dung dịch: 10%
- Nồng độ cuối của dung dịch: 37%
- Áp suất hơi đốt nồi 1: 4,1 at.
- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,3 at

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 1

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan
trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được
sản xuất và sử dụng nhiều là (NH4)2SO4 vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất (NH4)2SO4, quá trình cô đặc là một khâu hết sức
quan trọng. Nó đưa dung dịch (NH4)2SO4 đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu
cầu sử dụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá
trình kết tinh nếu cần
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều
tuần hoàn trung tâm cho dung dịch (NH4)2SO4: năng suất 15000 kg/h, nồng độ đầu
vào 10% KL, nồng độ cuối 37% KL, áp suất hơi đốt 4,1 at, áp suất hơi ngưng tụ 0,3
at, chiều cao ống gia nhiệt 2m.
Đối với một sinh viên nghành hóa,việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức
quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những
kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc quen dần với
việc lựa chọn ,thiết kế ,tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là môn học rất khó mà kiến thức thực tế của sinh
viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót. Vì vậy kính
mong nhận được sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, Cô và các bạn sinh viên để đồ
án này được hoàn thiện hơn.
Và cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô khoa
Công Nghệ Hóa, đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Xuân Huy đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho em làm đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn!!!.

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 2

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1: Giới thiệu chung về Amoni sunfat (NH4)2SO4
1.1: Tính chất vật lý của (NH4)2SO4
- Amoni Sunfat có dạng tinh thể nhỏ không màu, tan nhiều trong nước, khi
tan điện phân hoàn toàn thành các ion. Amoni Sunfat không tan trong Etanol và là
chất kết tủa Protein
- Ở điều kiện thường, Amoni Sunfat dễ hút ẩm, chảy nước và có mùi khai
của Amoniac, do muối này phân hủy một phần thành Amoniac và Axit Sunfuric:
(NH4)2SO4 → NH3 ↑+ H2SO4
- Khối lượng riêng: 1,77 (g/ml)
- Tỉ trọng: 1,769 g/cm3 (20°C)
- Nhiệt độ nóng chảy: 235-280°C (455-536°F hoặc 508-533°K)
- Độ ẩm tương đối: 79,2% (30°C)
- Độ tan trong nước: 744g/l (20°C)
- Muối Amoni có khả năng làm cho đất chua thêm (có pH<7)
- Ít hút ẩm, ít kết khối nên dễ sử dụng.
1.2: Tính chất hóa học của (NH4)2SO4
-

Tác dụng với Bazơ

(NH4)2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2NH3 ↑ + 2H2O
-

Tác dụng với Axit Bazo

(NH4)2SO4 + Na2O → Na2SO4 + 2NH3 ↑ + 2H2O

-

Tác dụng với muối

(NH4)2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2NH4Cl

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 3


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
1.3: Điều chế (NH4)2SO4
1.3.1: Cơ sở chung của phương pháp
Amoni Sunfat được tạo ra bằng cách xử lý Amoniac, thường là một sản
phẩm từ lò than cốc với Axit Sunfuric.
Quá trình tổng hợp được thực hiện nhờ phản ứng của NH3 với H2SO4, sau đó
dung dịch (NH4)2SO4 được tiếp tục tuần hoàn qua hệ thống thiết bị bay hơi để cô
đặc dung dịch và tạo tinh thể. Các tinh thể (NH4)2SO4 được tách ra tinh thể nhờ thiết
bị quay ly tâm và nước cái được quay trở lại tháp bay hơi. Sau nhiều quá trình, tinh
thể được làm khô bằng phương pháp ly tâm và tạo hình trước khi đưa đi đóng bao.
1.3.2: Các phương pháp sản xuất (NH4)2SO4
1.3.2.1: Từ Amoniac và Axit Sunfuric
(*) Từ khí cốc
- Phương pháp bão hòa
Khí lò cốc được sục qua dung dịch ở thiết bị bão hòa 60-80°C, Sản phẩm
được lấy ra liên tục dưới dạng kết tinh.
-

Phương pháp không bão hòa

NH3 chứa trong lò khí cốc được đưa vào thiết bị rửa khí có vòng đệm và tưới
bằng dung dịch loãng có nồng độ từ 5-6% có chứa Amoni Sunfat ở 4755°C. Khi
dung dịch rửa đạt bão hòa về nồng độ người ta đem đi kết tinh sẽ thu được tinh thể
lẫn trong dung dịch, đem hỗn hợp đi lọc, tách phân chia sản phẩm ta được
(NH4)2SO4 tinh thể.
1.3.2.2: Sản xuất Amoni sunfat từ thạch cao
Từ dung dịch Amoni Cacbonat cho tác dụng với thạch cao ở nhiệt độ thấp
hơn nhiệt độ phân hủy của (NH4)2CO3 theo phản ứng:
(NH4)2CO3 + CaSO4 → (NH4)2SO4 + CaCO3↓

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 4


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
Kết quả thu được Amoni Sunfat và kết tủa Canxi Cacbonat, đem lọc tách bã
Canxi Cacbonat và đem đi cô đặc kết tinh thu được sản phẩm Amoni Sunfat.
1.4: Ứng dụng của (NH4)2SO4
1.4.1: Trong nông nghiệp
- Amoni Sunfat được dùng để cung cấp N và S – là hai dinh dưỡng thiết yếu
cho cây trồng. Vì nguyên tố Nitơ ở dạng Amoni, Amoni Sunfat thường được dùng
trên đất ngập nước để tăng năng suất cây lúa, trong khi các phân dạng Nitrat ít được
dùng do thất thoát trong quá trình khử Nitơ.
- Đạm phân Amoni Sunfat được dùng chuyên để bón các loại cây cần nhiều
Lưu huỳnh và ít Nitơ như: đậu, đỗ, lạc,… và các loại cây vừa cần nhiều Lưu huỳnh
và cần nhiều Nitơ như ngô,… Do đạm Sunfat là loại phân có phát huy tác dụng

nhanh đối với cây trồng nên thường được dùng để bón thúc và bón thành nhiều lần
để tránh mất đạm.
- Dung dịch hòa tan Amoni Sunfat còn được bổ sung vào thuốc diệt cỏ để
tăng hiệu quả thuốc diệt cỏ đặc biệt là trước khi cỏ mọc.
1.4.2: Ứng dụng trong phòng thí nghiệm
- Dùng muối Amoni Sunfat để kết tủa Protein, muối này làm trung hòa điện,
loại bỏ lớp vỏ hydrat của phân tử Protein và tách riêng Protein ra khỏi hỗn hợp của
chúng.
1.4.3: Ứng dụng khác
- Dùng để điều chế các muối Amoni khác, đặc biệt là điều chế Amoni
Pesunfat
- Sử dụng trong các chất chống cháy, làm giảm nhiệt độ cháy của vật liệu.
- Sử dụng làm chất bảo quản gỗ vì nó có tính hút ẩm tốt.
- Amoni Sunfat là thành phần của một số loại Vac-xin.

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 5


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
2: Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất
2.1. Giới thiệu chung về cô đặc.
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công
nghiệp khác nói chung, thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất
tan không bay hơi. Để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi
một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp
này gọi là phương pháp cô đặc.
Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất,

nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở
dạng nguyên chất. Dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn
đảm bảo được yêu cầu. Thiết bị dùng để cô đặc gồm nhiều loại như: Thiết bị cô đặc
có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng,
thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc
tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm…..
Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc
phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong
muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
2.2. Sơ lược về 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 các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể.
 Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Quá trình 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 trong
hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó:

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 6


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
 Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân
hủy vì nhiệt.
 Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị
phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ

cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác.
 Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra
ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ dung dịch
nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc.
Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng
hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung
dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu
tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp.
Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở
nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung
nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi,làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác
nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển)
thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô
đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ
sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng,
nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt.
Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví
dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô
đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 7

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta thường chọn cô đặc
nhiều nồi.
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.
Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ
nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi
thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba...hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị
ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc
hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các
nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác
là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc
trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông
thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp
suất khí quyển.
2.3. Dây chuyền sản xuất:
Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn trung tâm:

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 8


10

Dung­dÞch­muèi

6­

Dung­dÞch­dÇu

1

2

4

3

hoi nuoc
bao hoa

N­ í c­ng­ ng
5

7

N­ í c­ng­ ng

N­ í c­ng­ ng

8

N­ í c­lµm­l¹ nh

12

9

11

B¬m­ch©n­kh«ng

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Hình1: Sơ đồ thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn trung tâm
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 9


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
Chú thích:
1. Thùng chứa dung dịch đầu
2. Bơm

8. Thiết bị ngưng tụ Baromet

3. Thùng cao vị

9. Hút chân không

4. Lưu lượng kế

10. Thùng chứa sản phẩm

5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

11. Bơm chân không

6. Thiết bị cô đặc1

12. Thùng chứa nước ngưng

7. Thiết bị cô đặc 2
2.4. Thuyết minh dây chuyền công nghệ
Dung dịch NaOH ban đầu được chứa trong thùng chứa dung dịch đầu (1),
dùng bơm (2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được thiết kế
có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng
kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm). Ở thiết bị trao đổi nhiệt
dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ
ngoài vào, rồi đi vào nồi (6). Ở nồi này dung dịch tiếp tục được đun 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 cửa tháo khí không ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng
cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi
thứ. Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang
buồng đốt của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ 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 thứ (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 (10) qua thiết bị bơm (2).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 hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy
qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt hơi
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 10


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
sẽ được bơm chân không (11) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng
chứa nước ngưng.
 Ưu điểm:
- Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa
các nồi mà không cần dùng bơm.
- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi đều
có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó ( trừ nồi đầu), kết quả là dung dịch sẽ
nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi ( quá trình tự bốc
hơi ).

 Nhược điểm :
- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, do đó cần
phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi
chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ
hoặc nước ngưng tụ.
- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại
tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ
giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối.

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1: Các thông số ban đầu:
-

Dung dịch cần cô đặc : NaOH.

-

Năng suất tính theo dung dịch đầu

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 11

Gđ = 15000 (kg/h)


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
-

Nồng độ đầu

xđ = 10% khối lượng.

-

Nồng độ cuối

xc = 37% khối lượng.

-

Áp suất hơi đốt

P 1 = 4,1 at.

-

Áp suất hơi ngưng tụ

Png = 0,3 at

-

Chiều cao ống gia nhiệt

H = 2m

2: Cân bằng vật liệu.
2.1: Lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W (kg/h)
Từ công thức ( VI.1-ST2- T55), Ta có :
W = Gđ
Trong đó :
W: lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống ,(kg/h).
Gđ: lượng dung dịch đầu ,(kg/h).
xđ, xc: nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

2.2: Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 : W1 (kg/h)
- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2 : W2 (kg/h)
Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là : W1: W2 = 1:1

Ta có hệ:

W1 = W2

W1 = 5472,973 (kg/h)

W=W1+W2=10945,946

W2 = 5472,973 (kg/h)

2.3: Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi
Theo công thức (VI.2c-ST2-T54), Ta có :

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 12


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
 Nồi 1: = 15,744 %
 Nồi 2: == 37 %
Ta được x2 = xc ,phù hợp với số liệu ban đầu.
3: Cân bằng nhiệt
3.1. Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống ()
P = P1 - Png = 4,1 – 0,3 = 3,8 ( at )
Trong đó :
: là chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống
P1 : áp suất hơi đốt vào nồi 1
Pnt : áp suất hơi ngưng tụ
3.2. Chênh lệch áp suất, nhiệt độ của mỗi nồi
Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

Ta có

ΔP1 = 2,01ΔP2

ΔP1 = 2,538

ΔP=ΔP1 +ΔP2 = 3,8

ΔP2 = 1,262

3.3 . Tính nhiệt độ và áp suất hơi đốt ra khỏi mỗi nồi
Theo công thức :
Ta có :
 Nồi 1 : P1 = 4,1 (at)
 Nồi 2 : P2 = P1 - ΔP1 = 4,1 – 2,538 = 1,562 (at)

 Xác định nhiệt độ hơi đốt ở 2 nồi:
Dựa vào áp suất, tra bảng (I.251-ST1-T314), Ta được :
Ở nồi 1 : P1 = 4,1 at

 t1 = 143,720C

Ở nồi 2: P2 = 1,562 at  t2= 111,940C
Hơi ngưng tụ: Pnt = 0,3 at => tnt = 68,70C
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 13

ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
3.4. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi
Nhận xét: Hơi thứ của nồi 1 được dẫn sang nồi 2 và trở thành hơi đốt của nồi
2, hơi thứ của nồi 2 đi sang thiết bị ngưng tụ.Quá trình này sẽ chịu tổn thất về nhiệt
độ do trở lực học trên ống dẫn gây ra.
Do đó :
-

Nhiệt độ của hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ của hơi thứ nồi trước trừ đi 10 C.

-

Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối cùng bằng nhiệt độ hơi ngưng tụ của thiết bị
baromet cộng thêm 10C.

Gọi:
-

t1', t2' : Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1, nồi 2.

-

P1’ , P2’ : Áp suất hơi thứ của nồi 1, nồi 2.

-

: Tổn thất do trở lực đường ống .

 Nhiệt độ hơi thứ trong các nồi :
Theo công thức : ,Ta có :

 Nồi 1: t1' = t2 + = 111,94 + 1 = 112,94 ()
 Nồi 2: t2' = tng + = 68,7 + 1 = 69,7 ()
Dựa vào nhiệt hơi thứ, tra bảng (I.251 – ST1- T.314), ta được :
 t1' = 112,94 () => P1' = 1,613 (at)
 t2' = 69,7 () => P2' = 0,315 (at)
Các kết quả tính được ở trên cho ta bảng số liệu sau :
Bảng 1:
Nồi I
Loại

Áp suất

Nồi 2
Nhiệt độ

Áp suất

(0C)
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Hơi ngưng tụ
Nhiệt độ
(0C)

Page 14

Áp suất

Nhiệt độ

(0C)


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
Hơi đốt

P1= 4,1

t1=143,72

P2=1,562

t2=111,94
Png=0.3

Hơi thứ

P’1=1,613

t’1=112,94

P’2=0,315

tng=68.7

t’2 =69,7

3.5. Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi
 Nhận xét: Tổn thất nhiệt độ trong thiết bị cô đặc bằng tổng tổn thất
nhiệt độ do nồng độ dung dịch tăng cao, do áp suất thủy tĩnh và do trở

lực thuỷ lực trong ống dẫn của các nồi.
3.5.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ( )
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi nguyên chất.
Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất
nhiệt do nồng độ gây ra.
Gọi là tổn thất nhiệt độ của dung dịch so với dung môi nguyên chất. Trong
cô đặc thường gọi đó là tổn thất nồng độ. phụ thuộc vào nồng độ chất tan, áp suất,
bản chất của chất tan và dung môi.
Áp dụng công thức (VI.10 ─ ST2 – T59) :

Trong đó:
’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung
môi ở áp suất thường
T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,
r: Nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
Tra bảng (VI.2 ─ ST2 – T61) :
 Nồi 1: x1 = 15,744 % => ∆’01 = 1,187
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 15


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
 Nồi 2: x2 = 37%

=> ∆’02 = 4,05

 Xác định nhiệt độ Ti :

T1 = t’1 + 273 = 112,94 + 273 =385,94 °K
T2 = t’2 + 273 = 69,7 + 273 = 342,7 °K

 Xác định ri :
Tra bảng (I.250 ─ ST1 – T312)
t’1 = 112,94 °C

=> r1 = 2226,356 × 103 J/Kg

t’2 = 69,7 °C

=> r2 = 2333,732 × 103 J/Kg

 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi :
Δ’1 = 16,2 × 1,187 = 1,287 °C
Δ’2 = 16,2 × 4,05 = 3,302 °C

 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ của cả hệ thống là:
Δ’= Δ’1 + Δ’2 = 1,287 + 3,302 = 4,589 oC
3.5.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: )
Nhận xét: Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu. Trên mặt
thoáng nhiệt độ sôi thấp nhất, càng xuống sâu thì nhiệt độ càng tăng, nguyên nhân
là do cột áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng.
- Áp dụng công thức (VI.13 ─ST2─T60):

: áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng (at).
:chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt (m).
: chiều cao của ống truyền nhiệt (m).
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3 ).
dds = 0,5 dd(20˚C)

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 16


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
: gia tốc trọng trường (m/s2).
- Khối lượng riêng của dung dịch (NH4)2SO4 ở 20 ứng với mỗi nồng độ được xác
định theo bảng (I.30─ST1 – T37) và sử dụng nội suy Largrange
x1 = 15,744%

= 1090,909 (kg/m3)

x2 = 37%

= 1211,08 (kg/m3)

Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là:
= = 545,454 (kg / m3)
= = 605,54 (kg/m3)
- Chọn h1 = 0,5 m và h2 = 2,0 m (đề bài)

-Tra bảng (I.251─ST1- T314):
 Nồi 1 : Ptb1 = 1,695 (at)

⇨ ttb1 = 114,41

 Nồi 2 : Ptb2 = 0,405 (at)

⇨ ttb2 = 75,675

Áp dụng công thức VI.13 (STT2.T60) để tính áp suất thủy tĩnh của hệ thống :

 ,,  ttb  to
Trong đó:
0
ttb: Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb ( C )
0
to : Nhiệt độ sôi ứng với áp suất Po ( C )

Vậy tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi là :
∆”1 = ttb1 – t01 = 114,41 – 112,94 =1,47 oC
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 17


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
∆”2 = ttb2 – t02 = 75,675 – 69,7 = 5,975 oC
=> ∑∆” = ∆”1 + ∆”2 = 1,47 + 5,975 = 7,446 oC
3.5.3 Tổn thất do đường ống
Nhận xét: Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là đoạn
nối giữa nồi 1 và nồi 2, giữa nồi 2 và thiết bị ngưng tụ.Ta chọn tổn thất
nhiệt độ do đường ống là 1oC.
Vậy:
tổng tổn thất nhiệt độ là:
∑∆ = ∑∆’ +∑∆” + ∑∆”’= 4,589 + 7,446 + 2 = 14,035 oC

3.6 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của cả hệ thống và từng nồi
3.6.1. Xác định hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống
Áp dụng công thức ( VI.17─ST2 –T67) :
Trong đó :
= Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
Vậy hệ số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống là:
∆thi = 75,02 – 14,035 = 60,985 oC
3.6.2. Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi.

Trong đó:
nhiệt độ hơi thứ của từng nồi
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 18


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
ts1 = 112,94 + 1,287 + 1,47 = 115,697 °C
ts2 = 69,7 + 3,302 + 5,975 = 78,977 °C
3.6.3. Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi
t1 = t1 – ts1 = 143,72 – 115,697 = 28,023 °C
t2 = t2 – ts2 = 111,94 – 78,977 = 32,963 °C

Kết quả vừa tính cho ta bảng dưới đây:
Bảng 2:

ứ

Hiệu số nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của

hữu ích

dung dịch

I
1

1,287

1,47

1

28,023

115,697

2

3,302

5,975

1

32,963

78,977

Kiểm tra lại dữ kiện :

= ││ = ││= 0.081 %

< 5%

Vậy các dữ kiện được chọn đã thỏa mãn.
3.7. Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng
Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống:
D.i

W1 .i1
Qm 1

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 19

W 1 . i2

W2 .i3
Qm2


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
(G d-W1W2)Cn2 .ts2

Gd .tso .Cd

(Gd - W1 )C1 .ts1
D.Cn1 . 1

W1 .Cp2 .  2

Trong đó :
-

D:Lượng hơi đốt vào kg/h

-

:hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg

-

: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2

-

Cd, C1,Cn1,Cn2,C2: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và nước ngưng.

-

Qm1,Qm2 : nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2

-

Gd : lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị

-

W1 , W2 : lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2

3.7.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
 Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i
Nhiệt do dung dịch mang vào : Gd .tso .Cd
 Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1.i2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (Gd – W1)C1ts1
3.7.2 Nhiệt lượng mang ra:

 Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W1 .i1
- Nước ngưng :D..Cn1
- Dung dịch mang ra : (Gd – W1)C1ts1
- Nhiệt mất mát : Qm1=0,05D(i - C1)
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 20


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
 Nồi 2:
- Hơi thứ : W2. i3
- Nước ngưng : W1..Cn2
- Do dung dịch mang ra : (Gd – W1 – W2)C2.ts2
- Nhiệt mất mát: Qm2 = 0,05W1(i2– Cn2)

3.7.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Các phương trình được thành lập dựa trên nguyên tắc :
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

 Nồi 1 :
(1)

 Nồi 2 :
(2)
Ta lại có: (3)
Kết hợp pt (1),(2),(3) ta được:
(4)
(5)
-

Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
1

2

= 143,720C
= 111,940C

 Nhiệt độ sôi của dung dịch
Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nhiệt độ càng cao
càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt lượng thừa của các quá trình sản xuất khác.
Vì vậy ta có thể chọn : ts0 = ts1 = 115,697oC
ts2 = 78,977oC
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 21


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
 Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi
Tra theo bảng (I.249─ST1 – T310)
1 = 143.72 oC

 Cn1 = 4296.3 (J/kg độ)

2 = 111.94 oC

 Cn2 = 4236.298 (J/kg độ)

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2 :

 Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10%
Đối với dung dịch loãng ( x < 0,2 ) ta áp dụng công thức (I.43 ─ST1 – T152), ta có:
Cd = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,10) = 3767,4 (J/kg. độ)

 Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 15,56%
C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0.15744) = 3526,956 (J/kg. độ)
 Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 37 %
Đối với dung dịch đậm đặc (x > 0,2) ta áp dụng công thức (I.44 ─ ST1 ─ T152)
C2 = Cht.x + 4186 �(1- x)
Trong đó :
Cht: là nhiệt dung riêng của (NH4)2SO4 xác định theo công thức (I.41─ ST1 – T152) :
M1.Cht = n1.C1 + n2.C2 + n3C3 + n4C4
Trong đó :

M1 KLPT của (NH4)2SO4 : M1 = 132
n1 Số nguyên tử N: n1 = 2
n2 Số nguyên tử H: n2 = 8
n3 Số nguyên tử S: n3 = 1
n4 Số nguyên tử O: n4 = 4

C1, C2, C3,C4: Nhiệt dung riêng nguyên tử của N,H,S,O. Tra từ bảng I.141 [1-152]
C1 = 26000 j/kg.nguyên tử.độ
C2 = 9630 j/kg.nguyên tử.độ
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 22


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
C3 =22600 j/kg.nguyên tử.độ
C4 = 16800 j/kg.nguyên tử.độ
Vậy :

Từ đó ta sẽ tính được nhiệt dung riêng của (NH4)2SO4 trong nồi 2 :
C2 = 568,409 �0,37 + 4186.(1- 0.37) = 2247,49 (J/kg độ)

 Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ:
Tra bảng ( I.250 ─ ST1 –T 312 )
t1 = 143,72 oC

=> i = 2745,208 × 103(j/kg)

t2 = 111,94 oC

=> i2 = 2699,104 × 103(j/kg)

t’1 = 112,94 oC

=> i1 = 2700,704 × 103(j/kg)

t’2 = 69,7 oC

=> i3 = 2625,772 × 103(j/kg)

Thay các kết quả ta đã tính toán được vào pt (4) và pt (5) ta được kết quả sau :

W1 =

W1 = 5389,855 (kg/h)
Từ (3) � W2  W  W1  10945,946 – 5389,855 = 5556,091 (kg/h)

D=
D = 6095,347 (kg/h)

Ta có bảng số liệu như sau:
GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 23


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Bảng 3
C

Cn

J/kg độ

J/kg độ

1

3526,956

4296,3

2

2247,49

4236,298

Nồi

W , kg/h

, C

Sai số

CBVC

CBNL



143,72

5472,973

5389,855

0,081 %

111,94

5472,973

5556,091

0,081 %

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W1 : W2 = 1: 1.745
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân bằng
vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.
4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi:
4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và nồi 2
là :

- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m, hơi ngưng bên
ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng. Như vậy hệ số cấp nhiệt được tính theo
công thức ( V.101─ST2 – T28 ).
W/m2. độ
Trong đó:
-

: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m2. độ

-

: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi I, o C .

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 24


ĐỒ ÁN MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
-

Giả thiết:

-

ri: ẩn nhiệt nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt:
Tra bảng I.250 ─ ST1 – T312 Ta có:

-

t1 = 143,72 oC

⇒ r1 = 2131,4 .103 J/kg

t2 = 111,94 oC

⇒ r2 = 2228,956.103 J/kg

A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với tm được tính:
tmi = 0,5(tTi +ti )

o

C (*)

tI : nhiệt độ hơi đốt
tTi: nhiệt độ bề mặt tường
Mặt khác:
(**)
thay (**) vào (*) ta được :

Với:

t1 = 143,72 oC

⇒ tm1 = 143,72 – 0,5 × 2,6 = 142,42 oC

t2 = 111,94 oC

⇒ tm2 = 111,94 – 0,5 × 2,8 = 110,54 oC

Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm : (ST2 – T 29 )
với:

tm1 = 142,42 oC

A1 = 194,363

tm2 = 110,54 oC

A2 = 183,743

Vậy hệ số cấp nhiệt của mỗi nồi là :

 Nồi 1:
11

= 2,04 × 194,363.= 10032,5 (W/m2. độ)

 Nồi 2:

GVHD: Th.S Nguyễn Xuân Huy
SVTH: Nguyễn Ngọc Hiếu – Hóa Dầu 1-K10

Page 25