Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm dùng cho cô đặc dung dịch (NH4)2SO4

Bộ Công Thương
Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
*~ ○*○~*

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Số…………..
Họ và tên SV :
Nguyễn Thị Onh
Lớp :
ĐHCN Hoá2 _K10
Khoa :
Công Nghệ Hóa Học
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Xuân Huy
NỘI DUNG
Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc có ống tuần
hoàn trung tâm dùng cho cô đặc dung dịch (NH4)2SO4 với năng suất 22000
kg/giờ. Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m.
Các số liệu ban đầu :
- Nồng độ đầu của dung dịch là: 10% .
- Nồng độ cuối là: 35 % .
- Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,1 at
- Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at.
T
Tên bản vẽ
Khổ giấy
Số lượng
T
1
Vẽ dây chuyền sản

A4
01
xuất
2
Vẽ nồi cô đặc
A0
01
PHẦN THUYẾT MINH
1. Mở đầu
2. Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất
3. Tính toán thiết bị chính
4. Tính toán và chọn các thiết bị phụ
5. Tính toán cơ khí
6. Kết luận.
Ngày giao đề :…………………Ngày hoàn thành:…………………..
TRƯỞNG KHOA

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


Lời mở đầu................................................................................................................... 5
Phần I. Giới thiệu về thiết bị cô đặc...........................................................................6
Khái niệm:.................................................................................................................... 6
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 (NH4)2SO4..........................................................................10
PHẦN 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT..............................11
PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH.............................................................14
3.1:Cân bằng vật liệu.................................................................................................14
3.1.1: Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ

dungdịch thay đổi từ xđ đến xc :................................................................................14
3.1.2: Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :...................................................14
3.1.3: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi:....................................................14
3.2: Tính cân bằng nhiệt lượng.................................................................................15
3.2.1 Xác định nhiệt độ và áp suất của mỗi nồi:......................................................15
3.3:Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:.........................................16
3.4: Tổn thất nhiệt độ:...............................................................................................17
3.4.1:Tổn thất nhiệt độ do nồng độ:(’)......................................................................17
3.4.2: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh:..........................................................18
3.4.3:Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:.........................................................19
3.5:Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi...........................................19
3.5.1 Hệ số nhiệt hữu ích trong hệ thống được xác định:........................................19
3.5.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi...................................................................20
3.6:Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W1 [kg/h].....................................20
3.6.1:Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:............................................................................21
3.6.2: Phương trình cân bằng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau:..............................22
3.7: Bề mặt truyền nhiệt:...........................................................................................23
3.7.1:Các thông số vật lý:..........................................................................................24
3.7.2:Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch :.......................................................................25
3.7.3:Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi.................................27
3.7.4:Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:..............................................................28
3.7.5:Tính hệ số cấp nhiệt  2i từ bề mặt đốt đến chất lóng sôi..............................29
3.7.6: Tính hệ số cấp nhiệt  2i :.................................................................................29


3.7.7: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch:..................................................................31
3.8:Xác định hệ số truyền nhiệt, lượng nhiệt tiêu tốn từng nồi:.............................31
3.8.1:Hệ số truyền nhiệt Ki........................................................................................31
3.8.2:Lượng nhiệt tiêu tốn:........................................................................................32
3.8.3:Hiệu số nhiệt độ hữư ích tỉ lệ với tỷ số............................................................32

3.8.4:Hiệu số nhiệt độ hữư ích:.................................................................................32
3.9:Tính bề mặt truyền nhiệt F:................................................................................33
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ.................................................................34
4.1 Thiết bị ra nhiệt hỗn hợp đầu:( Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm):........34
4.1.1: Nhiệt lượng trao đổi :( Q)................................................................................34
4.1.2: Hiệu số nhiệt độ hữu ích:................................................................................34
4.1.2: Hiệu số nhiệt độ hữu ích:................................................................................34
4.1.3: Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể:...........................................................34
4.1.3.1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ:....................................................34
4.1.3.2: Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:..........................................................35
4.1.3.3: Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy:....................................................35
4.1.3.4: Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :..............................................................37
4.1.3.5: Bề mặt truyền nhiệt :....................................................................................37
4.1.3.6: Số ống truyền nhiệt :....................................................................................38
4.1.3.7: Đường kính trong của thiết bị đun nóng.....................................................38
4.1.3.8: Tính vận tốc và chia ngăn............................................................................39
4.2 Hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet :................................................................41
4.2.1. Tính toán thiết bị ngưng tụ:............................................................................42
4.2.2 - Tính toán bơm chân không:...........................................................................46
4.3 Bơm....................................................................................................................... 47
4.3.1- Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra:..................................................48
4.3.2- Năng suất trên trục bơm:................................................................................50
4.3.3- Công suất động cơ điện ..................................................................................50
4.4: Xác định chiều cao thùng cao vị:.......................................................................50
4.4.1 :Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc:.....51
4.4.2 Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp:............53
4.4.3- Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:...................................................55
4.4.4 Chiều cao thùng cao vị:....................................................................................56

4.4.5. Các chi tiết phụ :..............................................................................................58
PHẦN 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ...............................................................................59
5.1. Buồng đốt :..........................................................................................................59
5.1.2- Xác định số ống trong buồng đốt :..................................................................59
5.1.3. Đường kính của buồng đốt :...........................................................................60
5.1.4. Chiều dày thân buồng đốt :.............................................................................60
5.1.5. Chiều dày lưới đỡ ống :...................................................................................62
5.1.6. Chiều dày đáy buồng đốt.................................................................................64
5.1.7. Đường kính ống tuần hoàn trung tâm :.........................................................66
5.1.8. Tra bích để lắp đáy vào thân :.........................................................................66
5.2. Buồng bốc............................................................................................................68
5.2.1. Thể tích buồng bốc hơi :..................................................................................68
5.2.2. Đường kính buồng bốc :..................................................................................68
5.2.3. Chiều cao buồng bốc :......................................................................................68
5.2.4. Chiều dày buồng bốc:......................................................................................69
5.2.5. Tính chiều dày nắp buồng bốc :......................................................................70
5.2.6. Tra bích để lắp nắp vào thân :........................................................................71
5.3. Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3 , góc đáy 60 o...........................................72
5.4. Tính toán một số chi tiết khác...........................................................................73
5.4.1. Tính đường kính các ống nối dẫn hơi , dung dịch vào ra thiết bị :..............73
5.4.2. Tra bích đối với ống dẫn bên ngoài :..............................................................75
5.4.3. Tính và chọn tai treo giá đỡ :..........................................................................78
5.4.4. Tính Mdn :.........................................................................................................82
PHẦN 6: KẾT LUẬN................................................................................................84
PHẦN 7: PHỤ LỤC...................................................................................................85
*) Tài liệu tham khảo :...............................................................................................85


Lời mở đầu
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 dịch (NH4)2SO4 ,năng suất 22000kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%,
nồng độ sản phẩm 35%.

Trong đồ án môn học này của em được chia thành 5 nội dung chính:
Phần 1: Giới thiệu chung
Phần 2: Tính toán thiết bị chính
Phần 3: Tính toán thiết bị phụ
Phần 4: Tính toán cơ khí
Phần 5: Kết luận
Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh
nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong
quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Huy đã hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.

Phần I. Giới thiệu về thiết bị 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.
1.

Sơ lược về quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan
(không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá trình cô
đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan
trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng lên. 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 hơi thứ dùng để
đun nóng một thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ.

Cô đặc nhiều nồi:
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý
nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: nồi đầu dung


dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được đưa vào làm
hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt cho
nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ.
Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của
dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều
nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật của loại
này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa
các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại
cao hơn so với nồng độ nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ
số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

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 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.
Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau:
- Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận
nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các
ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.


- Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên
phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt.
- Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:
- Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ
nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn.
- Tách ly hơi thứ tốt.
- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
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:
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:
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 = ’
’

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:
= hằng số
= hằng số


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 (NH4)2SO4
AMONI SUNFAT khối lượng phân tử là 132,15 ở dạng tinh thể thì không
màu hình thoi, hoặc bột màu trắng, khối lượng riêng là 1,77g/c , =140 , =280.
Dễ tan trong nước ở 20, 100g nước hòa tan được 76g , không tan trong etanol, là

chất kết tủa protein. Ở điều kiện thường dễ hút ẩm, chảy nước và có mùi khai
của amoniac, do muối này bị phân hủy 1 phần thành amoniac và axit sunfuric:
(NH4)2SO4 +

Khi hòa tan trong nước ta được dung dịch là dung dịch không màu, có tính
chất của muối, của axit mạnh với một bazo yếu và ngoài ra dung dịch này còn
có tính axit yếu
Ở điều kiện thích hợp amoni sunfat sẽ tham gia phản ứng để oxi hóa N lên
mức cao hơn.
Quá trình tổng hợp nhờ phản ứng của amoni với axit sunfuric
+ (NH4)2SO4
Sau đó dung dịch amino sunfat được tiếp tục tuần hoàn thông qua thiết bị
bay hơi để cô đặc dung dịch và tạo ra tinh thể. Các tinh thể này được tách ra từ
dung dịch nhờ thiết bị ly tâm. Tinh thể được làm khô bằng phương pháp quay ly
tâm và tạo hình trước khi đóng bao.
* Ứng dụng của muối amoni sunfat:
- Làm phân đạm 1 lá nhưng có khả năng làm đất bị chua do bị phân hủy tạo
môi trường axit


- Dùng trong lĩnh vực phân tích. Đặc biệt là dung dịch muối Mo, hay sắt
amonisunfat (NH4)2Fe.6O được sử dụng rất phổ biến trong phân tích.

PHẦN 2: VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT
2. Sơ đồ dây chuyền sản xuất:
2.1. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục
Chú thích sơ đồ:

1.

Thùng chứa dung dịch đầu

2.

Bơm

3.

Thùng cao vị

4.

Lưu lượng kế

5.

Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

6.

Thiết bị cô đặc

7.

Thiết bị cô đặc

8.

Thùng chứa nước

9.

Thùng chứa sản phẩm

10.

Thiết bị ngưng tụ Baromet

11.

Thiết bị tách bọt

12.

Bơm chân không

13.

Khóa

14.

Buồng bốc 1

15.

Buồng bốc

GVHD: Nguyễn Xuân Huy

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

Khoa Công Nghệ Hoá

13

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

2.2. Nguyên tắc hoạt động:

Dung dịch đầu (NH4)2SO4 ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao
vị (3), 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 cô
đặc (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 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.
Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu
phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt .
Dung dịch từ nồi cô đặc (6) tự di chuyển qua nồi cô đặc (7) do có sự

chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi
trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi cô
đặc (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).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).
Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh đi từ trên xuống, ở đây hơi thứ được
ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi
qua thiết bị thu hồi bọt rồi đi vào bơm chân không (11) ra ngoài.

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

14

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Các thông số ban đầu:
Dung dịch cô đặc: (NH4)2SO4
Năng suất ban đầu : 22000 kg/h
Nồng độ đầu: 10%
Nồng độ cuối: 35%
Áp suất vào nồi một: 4.1at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2at

Chiều cao ống gia nhiệt: 2m
3.1:Cân bằng vật liệu
3.1.1: Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ
dungdịch thay đổi từ xđ đến xc :

Áp dụng công thức (VI.1/ST 2 – T 55)
W=Gd – Gc =Gd (1-) (kg/h)
=22000.(1-)=15714,29 (kg/h)
Trong đó:
- Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/s;
- xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng.
3.1.2: Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :

W1 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W2 : Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Chọn tỉ lệ phân bố hơi thứ cho các nồi như sau:W1:W2=1:1
Ta có: W1 + W2 =15714,29
W1=W2== 7857,14 (kg/h)
3.1.3: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi:

Được tính theo công thức VI.2,[2-57]:

xi  Gd
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

xd
Gd  �j 1 Wi
i

(%)
15

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

(CT3.22 QTTBT3-T151)
* Ta có nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi:

W1 = Gd ( 1- ) (% khối lượng)
Nồi 1: x 1 == 15,56 (% khối lượng)
Nồi 2 :
( % khối lượng) (CT3.23 QTTBT3-T151)
= 35 ( % khối lượng)
x1, x2 - nồng độ cuối của dung dịch trong các % khối lượng; W 1, W2 - lượng hơi
thứ bốc lên từ các nồi kg/h; x đ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng; G đ lượng dung dịch đầu, kg/h;
3.2: Tính cân bằng nhiệt lượng
3.2.1 Xác định nhiệt độ và áp suất của mỗi nồi:

- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:
(at)

(1)

- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
(2)

Từ (1) và (2) ta có hệ phương trình:
=>
Ta có:

* Vậy áp suất hới đốt ở từng nồi là:

* Xác định nhiệt độ hơi đốt, nhiệt lượng riêng và nhiệt hóa hơi ở 2 nồi:
- Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên. Bằng cách
tra bảng I.251, [1-316]
- Nhiệt lượng riêng (i1) và nhiệt hóa hơi (r1) của hơi đốt theo áp suất pi. Tra
bảng I.251, [1-316].
 Nồi 1: với = 4,1 (at) ta được:
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

16

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy
Nhiệt độ hơi đốt:
Nhiệt lượng riêng :
Nhiệt hoá hơi :

Khoa Công Nghệ Hoá
T1=143,69 ºC
i1=2744,998.10 (J/kg)
r1=2138,587.10 (J/kg)

 Nồi 2: với =1,28(at), ta được :

Nhiệt độ hơi đốt:
T2=105,97 ºC
Nhiệt lượng riêng :
i2=2688,797.10 (J/kg)
Nhiệt hoá hơi :
r2=2244,192.10 (J/kg)
 Thiết bị ngưng tụ: với Png =0,2 (at), ta được:
tng =59,7ºC
i3=2607.10 (J/kg)
r3=2358.10 (J/kg)
3.3:Xác định áp suất, nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:
Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:
Công thức tính: ´ =Ti+1 +
Trong đó: Ti+1 nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ (i+1)

T1 = 143,69 0C
T2 = 105,97 0C
:Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống trong nồi thứ i
Giả sử tổn thất 2 nồi bằng nhau: thông thường ta thưòng lấy =
Thay số vào ta có: t1’= T2 +=105,97+1=106,97ºC
t2’ =tng + =59,7+1 =60,7ºC
Áp suất hơi thứ ra khỏi mỗi nồi:
Tra bảng I.250_STQTTBT1 _T312,313.
 Với ’=106,97ºC, ta có:
’ =1,5594 (at)
’ = 2690,542.10 (J/kg)
’ = 2242,472.10 (J/kg)
 Với’ = 60,7ºC, ta có:

’ = 0,2096 (at)
’
= 2609,586..10 (J/kg)
’ = 2355,258.10 (J/kg)
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

17

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

Bảng tổng hợp số liệu 1:

Hơi đốt

Hơi thứ

Áp
suất
P
(at)

Nhiệt
độ
T

(ºC)

Nhiệt
lượng
riêng
i.10
(J/kg)

1

4,1

143,69

2

1,28

105,97

Nồi i

Nhiệt
hóa
hơi
r.10
(J/kg)

Áp
suất

P’
(at)

Nhiệt
Nhiệt
lượng
độ
riêng
T’
i’.10
(ºC)
(J/kg)

Nhiệt
hóa hơi x%
r’.10
(J/kg)

2744, 2138,5
998
87

1,55
94

106,9 2690,5
7
42

2242,47

2

15,56

2688, 2244,1
797
92

0,20
96

60,7

2609,5
86

2355,25
8

35

3.4: Tổn thất nhiệt độ:
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất nồng độ, tổn thất do áp
suất thuỷ tĩnh và tổn thất do trở lực của đường ống.
3.4.1:Tổn thất nhiệt độ do nồng độ:(’)
Ở cùng một áp suất nhiệt độ của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi nguyên chất
Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất gọi là tổn thất nồng độ :

Áp dụng công thức:
(CT.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
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

18

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc J/kg
*Tra STQTTB T2/T59,T61 ta có :

Bảng 1.2:
Nồi 1
Nồng độ %
o’
Nhiệt độ ºC
F
’ = o’ . f

I
15,56
1,16
106,96
1,042
1,208

II
35
3,7
60,7
0,7659
2,833

’ = 1’+ 2’ = 1,208 + 2,833 = 4,041ºC
3.4.2: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh:
Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ’’ (tổn thất
nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao):
Áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa của khối chất lỏng cần cô đặc:
, N/m2;
Trong đó :
P0 – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2;
h1 - chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, m;
h2 - chiều cao ống truyền nhiệt, m;
- khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3;
g – gia tốc trọng trường, m/s2.
’’
Vậy ta có:
= ttb – t0 , độ;

ở đây: ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C;
t0 - nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p0, 0C.
t0 nhiệt độ sôi của dung môi ứng với áp suất p0, 0C tra được ở bảng
I.32,STQTTB1/38
Bảng 1.3:
Nồi i
1

x%
15,56

P0(at)
1,559
4

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

T0(ºC)
106,97

dd
1090

dds
544,905

Ptb
1,8057

19

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy
2

35

Hơi đốt
Để tính Ptb:

0,209
6
5,2

Khoa Công Nghệ Hoá
60,7

1200

600

0,353

152,5

Chọn :

h = 0,5 (m)

H = 2 (m)
Áp suất thuỷ tĩnh của từng nồi:
Nồi 1 : (N/m2)
=== 1,711(at)
Nồi 2:
(N/m2)
==0,382(at)
Từ Ptb1 =1,711 at 

ttb1 =114,68 ºC

Ptb2 =0,382 at  ttb2 = 74,14 ºC
P01 = 1,5594 at  t01= 106,97ºC
P02 = 0,2096 at  t02= 60,7ºC
Ta có:
= ttb1 -t01 = 114,68 – 106,97= 7,71ºC
= ttb2 -t02 = 74,14 – 60,7 = 13,44ºC
Ta có : Tổng tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh gây ra:
’’ =’’1 + ’’2 = 7,71 + 13,44 = 21,15ºC
3.4.3:Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra:

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị. Đó là đoạn nối
giữa nồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ. Trong giả thiết mục 2.6 khi
tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi
Ta chọn tổn thất nhiệt độ mỗi nồi: 1,1ºC
Tổn thất nhiệt độ do đường ống gây ra cả hệ thống 
Tổn thất nhiệt độ cả hệ thống:
’ + ’’ + ’’’ = 4,041 + 21,15 + 2,2 = 27,3910C

3.5:Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống và từng nồi
3.5.1 Hệ số nhiệt hữu ích trong hệ thống được xác định:

(CT VI.16/ST2 –T67)

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

20

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
(CT VI.16/ST2 – T67)
Vậy :

3.5.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi
Nhiệt độ sôi của dung dịch trong mỗi nồi:
tsi = t + + , 0C công thức [3-283]
Thay số ta có:
ts1 = 106,97 + 1,208+ 7,71 = 115,8880C
ts2 = 60,7 + 2,833 + 13,44 = 76,9730C
Hiệu số nhiệt độ hữư ích trong từng nồi :
= Ti - tsi , 0C công thức [3-282]

Thay số vào ta có :
 Nồi 1:
= 143,69 - 115,888 =27,802 0C
 Nồi 2:
= 105,97- 76,973= 28,997 C
Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống:
tht = 27,802 + 28,997 = 56,7990C
Bảng tổng hợp số liệu 2:
Nồi

’ ,0C

’’ , 0C

’’’ , 0C

1
2

1,208
1,833

7,71
13,44

1,1
1,1

,0C

tsi ,0C

27,802
28,997

115,888
76,973

Kiểm tra:
= == 2,1 %< 5%

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

21

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

3.6:Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ W1 [kg/h]
3.6.1:Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng:

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thống
'
W1 . i1

D.i1

'

W2 . i2

W1 . i2

Qm1

Qm2

(Gd -W1 -W2 )C2 .ts2
Gd .ts0 .Cd

(Gd - W1 )C1 .ts1
D.Cp1 . 1

W1 .Cp2 .  2

Trong đó:
D - Lượng hơi đốt tiêu tốn ,(kg/h) ;
Gđ - Lượng dung dịch đầu vào, (kg/h);
W, W1, W2 - Lượng hơi thứ bốc lên trong cả hệ thống ,nồi 1 và nồi 2; Kg/h
tso, ts1,ts2 -Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu ra khỏi nồi 1, nồi2;0C
i1,i2 - Nhiệt lượng riêng của hơi đốt nồi1, nồi2; J/kg
i1’,i2’ - Nhiệt lượng riêng của hơi thứ nồi1, nồi2; J/kg
Ө1, Ө2 - Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2; 0C

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

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

22

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10 %. Áp dụng công thức I.43, [1-152].
Đối với dung dịch loãng (x<0,2):
C= 4186 (1- x)

(J/kg.độ)

Ta có: Co = 4186 (1 - 0,1) = 3767,4 (J/kg độ)
- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x1 = 15,56 %.
Áp dụng công thức I.43, [1-152]. Đối với dung dịch loãng (x<0,2):
C1 = 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,1556) =3534,658(J/kg.độ)
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x2 = 35 %.
Áp dụng công thức I.44, [1-152]. Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2):
C2 = Cht.x + 4186 (1- x) (J/kg.độ)
Với Cht là nhiệt dung riêng của được xác định theo công thức
I.41, [1-152]:
M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 + n4.c4
Trong đó:

M: Khối lượng phân tử của (NH4)2SO4 ; M = 132
n1: Số nguyên tử N, n1 = 2
n2: Số nguyên tử H, n2= 8
n3 :Số nguyên tử O, n3 = 4
n4 :Số nguyên tử S, n4= 1

c1, c2, c3,: Nhiệt dung riêng của nguyên tử 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.
c3 = 16800 J/kg.nguyên tử.độ.
c4 = 22600 J/kg.nguyên tử.độ
Vậy :
Cht =
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

23

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy
==

Khoa Công Nghệ Hoá

1657,87 (J/kg.độ)

C2 =1657,87.0,35 + 4186 (1 -0,35) =3301,15 (J/kg.độ)

* Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt:
=143,690C tra bảng I.249-QTTBT1- T311.Ta có:
= 4296,208(J/kg.độ)
= 105,970C bảng I.249-QTTBT1- T311.Ta có:
= 4227,756 (J/kg.độ)
*Nhiệt độ sôi từng nồi:
ts1 =
ts2 =

115,8880C
76,9730C

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.
Do đó có thể chọn: . ts0 = ts1= 115,8880C
3.6.2: Phương trình cân bằng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau:

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
*Nhiệt lượng vào gồm có:
 Nồi 1:
-Nhiệt do hơi đốt mang vào: D.ih
- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: GđCđtđ
 Nồi2 :
-

Nhiệt do hơi thứ mang vào : W1i1
Nhiệt do dung dịch sau nồi 2 mang vào: (Gđ - W1)Cđts1

*Nhiệt mang ra gồm:

 Nồi 1 :
-

Hơi thứ mang ra: W1i1
Do dung dịch mang ra : (Gđ –W1)C1ts1
Do hơi nước ngưng tụ : D1Cn1Ө1
Do tổn thất chung:
Qm1 = 0,05.D.(i1 - Cn1Ө1)

 Nồi 2:
-

Hơi thứ mang ra : W2i2

-

Do dung dịch mang ra: (Gđ-W)C2ts2

SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

24

Đồ án môn học


GVHD: Nguyễn Xuân Huy

Khoa Công Nghệ Hoá

-

Do hơi nước ngưng tụ: D2Cn2Ө2

-

Do tổn thất chung : Qm2 = 0,05. W1(i2 – Cn2Ө2)

Trong đó:
D - Lượng hơi đốt tiêu tốn ,(kg/h) ;
Gđ - Lượng dung dịch đầu vào, (kg/h);
W, W1, W2 - Lượng hơi thứ bốc lên trong cả hệ thống ,nồi 1 và nồi 2; Kg/h
tso, ts1,ts2 -Nhiệt độ sôi của dung dịch đầu ra khỏi nồi 1, nồi2;0C
i1,i2 - Nhiệt lượng riêng của hơi đốt nồi1, nồi2; J/kg
i1’,i2’ - Nhiệt lượng riêng của hơi thứ nồi1, nồi2; J/kg
Ө1, Ө2 - Nhiệt độ nước ngưng nồi 1, nồi 2; 0C
*Phương trình cân bàng nhiệt lượng ở mỗi nồi như sau;
 Nồi 1:
Di1 + GđC0ts0 = W1.i1’ + (Gđ -W1)C1ts1 + DCn1Ө1 + Qm1 (1)
 Nồi 2:
W1i2+(Gđ –W1)C1ts1= W2i2’+(Gđ – W1-W2)C2ts2 +W1Cn2Ө2+Qm2 (2)
Mà ta lại có: W =W1 + W2
 W2i2 + (Gđ-W1)C1(ts1-1) = Wi2 + (Gđ-W)c2ts2 - W1cn2W1(i2-Cn22)


W1 =

Thay số vào ta có:
W1=

W1

= 7757,6 (kg/h)

 W2 = W -W1

= 15714,28 – 7757,6

= 7779,9 (kg/h)

Từ (1) và (2) ta có:
D =
Thay số vào ta có:
D = 8054,783 (kg/h)
Tính sai số so với giả thiết ban đầu:
SV: Nguyễn Thị Onh
Lớp ĐH Hóa 2- K10

25

Đồ án môn học