Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn trung tâm, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46% 3

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG...............................................................................................vi
ĐẶT VẤN ĐỀ..........................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.........................................................................2
1.1 Tổng quan về sản phẩm................................................................................................2
1.1.1 Nhận dạng hóa học...............................................................................................2
1.1.2 Tính chất vật lí cơ bản...........................................................................................2
1.1.3 Tính chất độc hại...................................................................................................3
1.1.4 Triệu chứng lâm sàng khi ngộ độc nitrat:..............................................................3
1.1.5 Đặc tính cháy nổ:..................................................................................................3
1.1.6 Điều chế và ứng dụng............................................................................................4
1.2 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc................................................................4
1.2.1 Định nghĩa.............................................................................................................4
1.2.2 Các phương pháp cô đặc.......................................................................................6
1.2.3 Ứng dụng của cô đặc.............................................................................................6
1.2.4 Cấu tạo thiết bị cô đặc...........................................................................................6
1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo...................................................................................6
1.2.4.2 Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình..........................................7
1.3 Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình cơng nghệ...............................7

CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG...........11

2.1 Cân bằng vật chất.......................................................................................................11
2.1.1 Xác định hơi thứ ra khỏi hệ thống.......................................................................11
2.1.2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:.......................................................................12
2.1.3 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi....................................................................12

2.2 Cân bằng nhiệt lượng.................................................................................................13
2.2.1 Xác định áp suất ban đầu....................................................................................13
2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi..........................................................................14
2.2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi.....................................................14
2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):........................................................14
2.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’).................................................16
2.2.3.3 Tổn thất do trở lực đường ống (∆’’’)............................................................18
SVTH: Đặng Thái Ân
1


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

2.2.3.4 Tổng tổn thất nhiệt cho toàn bộ hệ thống....................................................18
2.2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn bộ hệ thống và từng nồi......................18
2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng..........................................................................................20
2.2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng C (J/kg.độ)...............................................................20
2.2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng của dung dịch..........................................................21
2.3 Tính các thơng số kĩ thuật chính................................................................................25
2.3.1 Độ nhớt................................................................................................................25
2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch (  )....................................................................26
2.4 Hệ số cấp nhiệt (  )...................................................................................................27
2.4.1 Về phía hơi ngưng tụ...........................................................................................27
2.4.2 Về phía dung dịch sơi..........................................................................................30
2.4.3 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi................................................34

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH.....................................................................38
3.1 Buồng đốt...................................................................................................................38
3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt......................................................................................38
3.1.2 Đường kính ống tuần hồn trung tâm.................................................................38

3.1.3 Đường kính trong buồng đốt...............................................................................39
3.1.4 Bề dày buồng đốt................................................................................................40
3.1.5 Chiều dày đáy buồng đốt:...................................................................................45
3.2 Buồng bốc..................................................................................................................48
3.2.1 Đường kính buồng bốc........................................................................................48
3.2.2 Thể tích khơng gian hơi.......................................................................................49
3.2.3 Bề dày buồng bốc................................................................................................51
3.2.4 Bề dày nắp buồng bốc.........................................................................................53
3.3 Xác định đường kính các ống dẫn..............................................................................56
3.3.1 Đường kính ống dẫn hơi đốt...............................................................................56
3.3.2 Đường kính ống dẫn hơi thứ...............................................................................57
3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch:.........................................................................58
3.3.3.1. Đường kính ống dẫn dung dịch vào thiết bị gia nhiệt.................................58
3.3.3.2 Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 3......................................................................58
3.3.3.3 Từ nồi 3 vào nồi 2........................................................................................59
3.3.3.4 Từ nồi 2 vào nồi 1........................................................................................59
3.3.3.5 Ra khỏi nồi 1 đến thùng chứa sản phẩm......................................................59
SVTH: Đặng Thái Ân
2


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

3.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng......................................................................60
3.3.5 Tổng hợp đường kính các loại ống dẫn...............................................................61
3.4 Bề dày vĩ ống.............................................................................................................61
3.5 Bề dày lớp cách nhiệt của thiết bị..............................................................................62
3.5.1 Bề dày lớp cách nhiệt cho các ống dẫn...............................................................62
3.5.1.1 Ống dẫn hơi đốt............................................................................................62
3.5.1.2 Ống dẫn hơi thứ...........................................................................................63

3.5.1.3 Ống dẫn dung dịch.......................................................................................64
3.5.2 Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị...............................................................65
3.6 Mặt bích.....................................................................................................................66
3.6.1 Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp............................................................67
3.6.2. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn...........................68
3.7 Chọn tai treo...............................................................................................................70
3.7.1 Trọng lượng thân thiết bị Gth..............................................................................70
3.7.2 Tải trọng của ống truyền nhiệt............................................................................71
3.7.3 Trọng lượng của dung dịch trong thiết bị............................................................71
3.7.4 Trong lượng vĩ ống..............................................................................................71
3.7.5 Trọng lượng của đáy buồng đốt..........................................................................72
3.7.6 Trọng lượng của nắp buồng bốc..........................................................................72
3.7.7 Trọng lượng của bích..........................................................................................73
3.7.8 Trọng lượng của hơi............................................................................................74
3.7.9 Trọng lượng của lớp cách nhiệt...........................................................................74
3.7.10. Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo..................................................74

CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ..................................76
4.1. Cân bằng vật liệu.......................................................................................................76
4.1.1 Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ....................................76
4.1.2 Lượng khơng khí và khí khơng ngưng cần rút ra khỏi thiết bị...........................76
4.2. Kích thước thiết bị ngưng tụ.....................................................................................78
4.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ..............................................................................78
4.2.2 Kích thước tấm ngăn...........................................................................................78
4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ.................................................................................80
4.2.4 Thiết bị ngưng tụ Baromet..................................................................................80
4.2.4.1 Kích thước ống Baromet..............................................................................80
SVTH: Đặng Thái Ân
3

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

4.2.4.2 Chiều cao ống Baromet................................................................................81
4.3 Tính tốn và chọn bơm...............................................................................................83
4.3.1 Bơm chân khơng.................................................................................................83
4.3.2 Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị ngưng tụ.................................................84
4.3.3. Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2......................................................................87
4.3.4 Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1.......................................................................89
4.3.5 Bơm dung dịch từ nồi thiết bị gia vào bể chứa sản phẩm...................................92
4.4. Thiết bị gia nhiệt.......................................................................................................94
4.4.1 Mục đích:............................................................................................................94
4.4.2 Cân bằng nhiệt lượng:.........................................................................................94

CHƯƠNG V: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.....................................................96
KẾT LUẬN............................................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................100

DANH MỤC HÌ
Hình 1- 1 Quy trình cơng nghệ cơ đặc NaNO3 ba nồi ngược chiều................................8Y
Hình 3- 1 Cấu tạo của mặt bích...........................................................................................67

DANH MỤC BẢ
Bảng 2 - 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi................................5
Bảng 2 - 2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ....................................................................7
Bảng 2 - 3 Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng của hơi thứ, hơi đốt và nhiệt độ
sôi của dung dịch trong các nồi.................................................................................14
Bảng 2 - 4 Bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng của 3 nồi..................................16
Bảng 2 - 5 Bảng so sánh khác biệt giữa tính tốn theo cân bằng vật chất và tính
tốn theo cân bằng năng lượng.................................................................................18

Bảng 2 - 6 Bảng tra nhiệt hóa hơi ở từng nồi...........................................................23
Bảng 2 - 7 Bảng tra hệ số A theo nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng.......24
Bảng 2 - 8 Bảng cơ sở các đại lượng để tính hệ số cấp nhiệt về phía hơi ngưng
tụ............................................................................................................................... 24Y
Bảng 3 - 1 Độ nhớt động học của hơi thứ.................................................................46
SVTH: Đặng Thái Ân
4


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Bảng 3 - 2 Đường kính các loại ống dẫn...................................................................59
Bảng 3 - 3 Lớp cách nhiệt hơi đốt.............................................................................61
Bảng 3 4 Tính lớp cách nhiệt cho ống dẫn dung dịch.............................................63
Bảng 3 - 5 Mặt bích nối thiết bị.................................................................................67
Bảng 3 - 6 Bích nối ống dẫn.......................................................................................68
Bảng 3 - 7 Trọng lượng bích......................................................................................72
Bảng 3 - 8 Tai treo bằng thép SUS304 đối với thiết bị thẳng đứng........................75
Bảng 4 - 1 Tính giá thành thiết bị..........................................................………...96

SVTH: Đặng Thái Ân
5


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành cơng nghiệp quan trọng ảnh
hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất
khá nhiều là Natri nitrat (NaNO3) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó. Trong q

trình sản xuất NaNO3, q trình cơ đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch
NaNO3 có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận
chuyển, tồn trữ.
Để sản xuất NaNO3 dạng rắn hay dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao
nhiều năng lượng cho q trình cơ đặc (bốc hơi nước, tăng nồng độ dung dịch).
Việc tiết kiệm năng lượng cho quá trình này được quan tâm hàng đầu. Với mục tiêu
đó, đồ án này thực hiện thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO 3 ba nồi ngược
chiều.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều,
phịng đốt trong ống tuần hồn trung tâm, cơ đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46%
Đối với sinh viên ngành cơng nghệ hóa học, 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 tốn các chi tiết của một thiết bị với các thông
số kỹ thuật cụ thể.
Tuy nhiên, q trình thiết bị là các mơn học rất khó và kiến thức thực tế của
sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị cịn nhiều thiếu sót. Em rất
mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức
chun mơn. Đồ án được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của GV Thiều
Quang Quốc Việt và các thầy cô bộ môn khoa cơng nghệ Hóa học, trường Đại học
Cần Thơ. Em xin chân thành cảm ơn thầy Thiều Quang Quốc Việt cùng các thầy cô
giáo và các bạn đã giúp em thực hiện đồ án này.

SVTH: Đặng Thái Ân
1


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1 Tổng quan về sản phẩm
Vấn đề hóa chất trong thực phẩm là mối quan tâm của rất nhiều người trong
chúng ta. Dù là ở nhà hay ở tiệm chúng ta cũng khơng tránh được tác động của hóa
chất,…
Trên thị trường có 4 dạng muối nitrit, nitrat thường dùng trong bảo quản thực
phẩm như sau: KNO2, KNO3, NaNO2, NaNO3
1.1.1 Nhận dạng hóa học
Tên khoa học: Sodium nitrat
Tên thường gọi: Muối Natri nitrat, Sơ-đa nitơ. Muối này cịn được biết đến
như diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru (Do hai nước này có lượng trầm tích lớn
nhất).
Cơng thức hóa học: NaNO3
1.1.2 Tính chất vật lí cơ bản.
Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt hoặc bột màu trắng.
Mùi: không mùi.
Vị: ngọt.
Phân tử lượng: 84,9947 g/mol.
Tỉ trọng: 2,257g/cm3 rắn.
Điểm nóng chảy: 308 oC
Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO 3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa
2+

Mn

Điểm sơi: 380 oC ( Nóng chảy)
Độ nhớt ở 30 oC (nồng độ 15%) NaNO3: 0.94.10-3 N.s/m2
Độ hòa tan tăng dần trong nước nóng.
73.0 g/100 ml ở 0 oC.
92.1 g/100ml ở 25 oC.

SVTH: Đặng Thái Ân
2


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

180 g/100ml ở 100 oC.
Ít tan trong Metanol (CH3OH): 1g/300 ml.
Rất ít tan trong acetone và glycerol.
Tan tốt trong Amoniac.
Độ ổn định:
Phản ứng mạnh với những chất dễ chấy, hữu cơ.
Có phản ứng với các loại chất khử , acid.
1.1.3 Tính chất độc hại.
Nguyên nhân: Hít hoặc nuốt nhầm.
Tác hại lâu dài: (theo các kết quả thử nghiệm trên động vật).
Gây nhiễm độc máu, làm mất khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu gây ra
hiện tượng tím tái và hơn mê.
Có thể gây đột biến gen (ảnh hưởng đến các tế bào gốc).
Có thể gây nguy hại đến sức khỏe cho sinh sản.
Có thể là nguyên nhân gây ung thư.
Tác hại khác:
Da: gây kích ứng khi tiếp xúc: tẩy đỏ, ngứa, đau nhứt.
Mắt: gây ảnh hưởng tương tự khi rơi vào mắt.
Hít nhầm: gây hại cho hệ hơ hấp khi hít phải: ho, thở gấp.
Nuốt nhầm: Có thể gây ngộ độc nghiêm trọng.
1.1.4 Triệu chứng lâm sàng khi ngộ độc nitrat:
Viêm dạ dày, đau bụng, buồn nôn và nôn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng mặt,
mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, mất tập trung, tăng nhịp tim, giảm huyết áp,
khó thở,…

1.1.5 Đặc tính cháy nổ:
Cháy :
Có thể làm tăng tốc độ cháy của lửa.
Tăng khả năng bắt cháy của các vật liệu dễ cháy (gỗ, giấy,…)

SVTH: Đặng Thái Ân
3


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Cháy bừng thành ngọn lửa khi nung nóng đến 540 oC.
Dễ bắt cháy khi nung nóng nếu trộn lẫn với than củi.
Dễ bắt lửa khi tiếp xúc với các hóa chất hữu cơ, dễ cháy.
Nổ
Gây phản ứng nổ với các hợp chất hidrocacbon
Tương tác với amidosulfate (sulfamate) khi nung nóng có thể gây nổ mạnh do
tạo ra N2O và hơi nước.
Khi trộn lẫn với nhôm hoặc oxit nhôm.
1.1.6 Điều chế và ứng dụng
Điều chế
Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa AgNO3 và NaCl:
Hòa tan muối loãng AgNO3 và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tủa
AgCl ở nhiệt độ 30 oC. Tách tinh thể AgCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ
dưới 22 oC sẽ kết tinh NaNO3.
 Ứng dụng
Natri nitrat được sản xuất công nghiệp bằng phản ứng trung hòa HNO 3 với
Na2CO3.

1.2 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc

1.2.1 Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung mơi 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 mơi ở dạng ngun chất.
Q trình cơ 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 cơ đặc. Trong đó:
Cơ đặc chân khơng dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ bị phân hủy
vì nhiệt.
SVTH: Đặng Thái Ân
4


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

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 cơ đặc và
cho các q trình đun nóng khác.
Cơ đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ khơng được sử dụng mà được thải ra
ngồi khơng khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ
đun sơi gọi là q trình cơ đặc, đặc điểm của q trình cơ đặc là dung mơi được tách
khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch khơng 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 q trình cơ 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 ngồi hệ thống cơ đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.
Q trình cơ đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm
việc gián đoạn hoặc liên tục. Q trình cơ 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 cơ
đặc trong chân khơng (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ
sơi 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.
Cơ đặc nhiều nồi là q 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 cơ 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
sơi, 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.

SVTH: Đặng Thái Ân
5


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

1.2.2 Các phương pháp cô đặc
Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng
thái rắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng
lên mặt thoáng chất lỏng.

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ
tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng
độ chất tan. Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống
mà q trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến
máy lạnh.
1.2.3 Ứng dụng của cô đặc
Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây...
Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ...
1.2.4 Cấu tạo thiết bị cơ đặc
1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo
Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) dùng cơ đặc dung
dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng
qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hồn trong hoặc
ngồi.
Có buồng đốt ngồi ( khơng đồng trục buồng bốc).
Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ
1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt,
dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền
nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.
Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi.
Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt
lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như
dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:
- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngồi: sử dụng cho
dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ.

SVTH: Đặng Thái Ân
6

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

- Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt trong hay ngồi: sử dụng cho dung
dịch sơi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ.
1.2.4.2 Phân loại theo phương pháp thực hiện q trình
- Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sơi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng
suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt
được là không cao.
- Cơ đặc áp suất chân khơng: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100 oC, áp suất
chân không. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc
chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt.
- Cơ đặc ở áp suất dư: 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 cơ đặc và cho các q trình
đun nóng khác.
- Cơ đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi khơng nên lớn
q vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cơ chân không, cô áp lực hay phối
hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để
nâng cao hiệu quả kinh tế.
- Cơ đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều
khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.

1.3 Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình cơng nghệ
1.3.1 Lựa chọn phương án thiết kế
Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nói trên
ta chọn thiết bị cơ đặc 3 nồi, ngược chiều, phịng đốt trong, ống tuần hồn ngồi.


Ưu điểm:

- Khi cơ đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu,
ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng nhiều. Kết quả là hệ số truyền nhiệt
trong các nồi hầu như không giảm đi đáng kể. Ngoài ra lượng bốc hơi ở cuối nồi sẽ
nhỏ hơn khi cơ đặc ngược chiều, do đó lượng hơi nước dùng làm ngưng tụ hơi trong
thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
- Hệ thống này thường dùng cho dung dịch có độ nhớt cao, ăn mịn.

SVTH: Đặng Thái Ân
7


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt



Nhược điểm:

Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không tự di
chuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch, làm tăng chi phí.

SVTH: Đặng Thái Ân
8


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

SVTH: Đặng Thái Ân
9


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Hình 1- 1 Quy trình công nghệ cô đặc NaNO3 ba nồi ngược chiều

SVTH: Đặng Thái Ân
10


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Dung dịch ban đầu trong thùng chứa được bơm ly tâm số 1 bơm qua van tiết
lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau đó vào thiết bị gia nhiệt. Tại thiết bị
gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 3.Tại nồi 3 dung dịch
NaNO3 bốc hơi một phần tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ,
được ngưng tụ cịn lượng khí khơng ngưng cịn lại được bơm chân khơng số 6 hút ra
ngồi sau khi qua thiết bị thu hồi bọt. Còn sản phẩm được bơm số 2 vận chuyển vào
nồi 2 để tiếp tục q trình cơ đặc, và sản phẩm của nồi 2 được bơm số 3 bơm đi làm
nguyên liệu cô đặc của nồi 1, tiếp tục cô đặc đến khi đạt được nồng độ yêu cầu thì
được đưa ra ngoài vào bể chứa sản phẩm bằng bơm số 4. Ở nồi 1 hơi đốt được cung
cấp từ ngoài vào, cịn ở nồi 2 thì hơi đốt chính là hơi thứ của nồi 1, hơi đốt của nồi 3
là hơi thứ của nồi 2, còn hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị ngưng tụ. Nước được bơm
từ bể chứa nước ngưng vào thiết bị ngưng tụ bằng bơm số 5, lượng nước sau khi
ngưng tụ sẽ tuần hoàn trở về bể chứa nước ngưng.

SVTH: Đặng Thái Ân
10

GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ
NĂNG LƯỢNG
2.1 Cân bằng vật chất
Mục đích: Tính được lượng hơi đốt và hơi thứ
Các số liệu ban đầu như sau:
Năng suất tính theo dung dịch đầu: 7 tấn/h = 7000 kg/h
Nồng độ đầu của dung dịch: 14 % khối lượng.
Nồng độ cuối của dung dịch: 46% khối lượng.
Áp suất hơi đốt nồi 1: 5 at.
Áp suất hơi còn trong thiết bị ngưng tụ: 0,1 at.
2.1.1 Xác định hơi thứ ra khỏi hệ thống
Phương trình cân bằng vật liệu cho tồn hệ thống:
Gđ= Gc+ W (1)
Trong đó:
Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
W: lượng hơi thứ thốt ra của tồn bộ hệ thống (kg/h)
Viết cho cấu tử phân bố:
Gđ.xđ= Gc.xc+ W.xw
Trong đó:
xđ, xc là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra ở nồi cuối (% khối lượng)
xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:
Gđ.xđ= Gcxc (2)
Vậy lượng hơi thứ thốt ra của toàn bộ hệ thống:
W=Gđ.(1 - ) = 7000.(1 - ) = 4869,565 (kg/h)
Trong đó:
Gđ , Gc: lượng dung dịch ban đầu, dung dịch cuối, kg/h

SVTH: Đặng Thái Ân

11


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

2.1.2 Sự phân bố hơi thứ trong các nồi:
Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, 2, 3 kg/h

Chọn phân bố hơi thứ theo tỉ lệ:
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính ra được lượng hơi thứ bốc ra các nồi theo công
thức: W = W1 + W2 +W3 = 7000 kg/h
Nồi 1:

W1 = 1995,724 kg/h

Nồi 2:

W2 = 1596,579 kg/h

Nồi 3:

W3 = 1277,263 kg/h

2.1.3 Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi
Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường
người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp.
Gd.xd

x1 = Gd  W % khối lượng

= 46 % khối lượng

Gd.xd
x2 = Gd  (W2  W3) % khối lượng
= 23,751 % khối lượng
Gd.xd
x3 = Gd  W3 % khối lượng

= 17,125 % khối lượng
Trong đó:
x1, x2 , x3 - nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi, % khối lượng;
W1, W2, W3 - lượng hơi thứ bốc lên từ các nồi, kg/h;
xđ - nồng độ đầu của dung dịch, % khối lượng;
Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

SVTH: Đặng Thái Ân

12


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

2.2 Cân bằng nhiệt lượng
Mục đích: tính được lượng nhiệt cần tiêu tốn, hệ số , nhiệt độ hữu ích. Tính
được hệ số truyền nhiệt K để từ đó tính được bề mặc truyền nhiệt.
2.2.1 Xác định áp suất ban đầu
Gọi P1, P2 , P3, Pnt: là áp suất ở nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ

P1 :hiệu số áp suất hơi đốt của nồi 1 so với nồi 2
P2 :hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 2 so với nồi 3
∆P3: hiệu số áp suất của hơi đốt nồi 3 so với thiết bị ngưng tụ

P :hiệu số áp suất của toàn hệ thống
Giả sử rằng sử dụng hơi đốt để dùng bốc hơi và đun nóng là hơi nước bão hịa
Ta có:
∆P = P1  Pnt = 5  0,1 = 4,9 at
Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và theo tỉ lệ
sau:

Pi
Pi 1 = 2,34 (*)

Mà:
∆P1 + ∆P2+∆P3 = ∆P = 4,9 at (**)
Suy ra:

∆P1 = 3,044 at
∆P2 = 1,301 at
∆P3 = 0,556 at

Ta có:

∆P1 = P1  P2
∆P2 = P2  P3

∆P3 = P3 – Pnt
Suy ra: P2 = P1 - ∆P1 = 5  3,044 = 1,956 at
P3 = P2 - ∆P2 = 1,956  1.301 = 0,655 at

2.2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: thd1 , thd2 , thd3, tnt : nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, 2, 3 và thiết bị ngưng tụ
tht1, tht2 , tht3

:nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2, 3

SVTH: Đặng Thái Ân

13


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Nhiệt độ hơi đốt nồi sau bằng nhiệt độ hơi thứ nồi trước trừ đi 1 oC (1oC
chính là tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy học trên đường ống dẫn), còn nhiệt độ hơi
thứ của nồi cuối cùng thì bằng nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ cộng thêm 1oC.
Tra bảng I.250, trang 312, [1] và bảng I.251, trang 314, [2]
Bảng 2 - 1: Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt và hơi thứ ở mỗi nồi

Nồi 1

Hơi đốt

Hơi thứ

Nồi 2

Nồi 3

P (at)

T (oc)

P (at)

T (oc)

P (at)

T (oc)

5

151,1

1,956

119,015

0,655

87,59
0

2,026

120,015

0,680

88,590

0,106

TBNT
P (at)

T (oc)

0,1

45,400

46,40
0

2.2.3 Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi
Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất
do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống.
2.2.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi 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 dung môi nguyên chất gọi
là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ:

Theo Tisencô:

∆’ = ∆o’f

Mà :

f = 16,2.

Suy ra:

∆’ = ∆o’.16,2.

Trong đó:
∆o’

: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

f : hệ số hiệu chỉnh.
Tm: nhiệt độ của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, về giá trị bằng
nhiệt độ hơi thứ, oC
r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi ở áp suất làm việc, J/kg.
SVTH: Đặng Thái Ân

14


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

t’ : nhiệt độ hơi thứ, oC
Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hồn tự nhiên hay cưỡng bức) thì nồng
độ dung dịch sơi gần với nồng độ cuối (x c) do đó ∆’ lấy theo nồng độ cuối dung
dịch.

SVTH: Đặng Thái Ân

15


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Tra đồ thị, trang 60, [2] và trang 312 [1].
Bảng 2 - 2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ

xc (%kl)

∆o’ (oC)

Nồi I

46,000

8,700

Nồi II

23,751

Nồi III

17,125

r (J/kg)

∆’ (oC)

120,015

2206,961.103

9,864

3,213

88,590

2288,384.103

2,974

2,169

46,400

2388,136.103

1,501

t’ (oC)

∑∆’ = ∆1’+ ∆2’ +∆3’ = 14,339

Tổng 3 nồi

2.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy 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):
∆’’ = tsdd(Ptb) - tsdd(Po) = tsdm( Ptb) - tsdm(Po)
Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do
áp lực của cột chất lỏng. Hiệu số của dung dịch giữa ống truyền nhiệt và mặt thoáng
gọi là tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh.
Áp suất của dung dịch thay đổi theo chiều sâu lớp dung dịch : Ở trên bề mặt
thì bằng áp suất hơi trong phịng bốc hơi, cịn ở đáy ống thì bằng áp suất trên mặt
cộng với áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch kể từ đáy ống. Trong tính tốn, ta
thường tính theo áp suất trung bình của dung dịch :

h2
 .g
Ptb = Po + (h1 + 2 ) dds

(at) (Công thức VI.12, trang 60, [2]) (1)

Với Po: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch
h1:chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng của dung dịch, chọn h1 = 0,5m cho cả 2 nồi.
h2: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 2 m cho cả 3 nồi.

dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3.
dds =

(Công thứcV.04 trang 108, [3]) (2)

g: gia tốc trọng trường, lấy g = 9,81 m/s2

SVTH: Đặng Thái Ân

16


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Để tính ttb của dung dịch NaNO3 ứng với Ptb ta dùng công thức Babo:
P
( Ps )t = conts

Trong đó:
P: áp suất hơi bão hịa trên bề mặt thoáng của dung dịch
Ps: áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ với P, nội suy từ
bảng I.250/312-[1].
Nồi 1: Ứng với x1= 46% � ts1 = 108,765 oC (Tra bảng I.204, trang 236 , [1])
Pht = 2,026 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P s = 1,404 at
Ta có: ρdd = 1238 (kg/m3) → ρdds = 619 (kg/m3)
Suy ra: Ptb = 1,102 + (0,5 + ).619.9,81.10-5 = 2,117 at
K = = = 0,712
Mà P = Ptb1 � Po = = 2,973 at

� ttb = 132,630 oC
Nhiệt độ sơi của dung dịch trên mặt thống:
ttm = tth +  ' = 120,015 + 9,864 = 129,879 oC
= ttb  tm = 132,630  129,879 = 2,751 oC
Nồi 2: Ứng với x2= 23,751 % � ts2= 103,332 oC
Pht = 0,680 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P s = 1,166 at
ρdd = 1116 (kg/m3) � ρdds = 558 (kg/m3)
Suy ra: Ptb = 0,680 + (0,5 + ).558.9,81.10-5 = 0,762 at
K= =
Mà P = Ptb2  at

 ttb = 96,804 oC
Nhiệt độ sôi của dung dịch trên mặt thoáng:
ttm = tth +  ' = 88,590 + 2,974 = 91,564 oC
Vậy

2 ''= 96,804

 91,564 = 5,240 oC

Nồi 3: Ứng với x3 = 17,125 % � ts3 = 102,242 oC

SVTH: Đặng Thái Ân

17


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

Pht = 0,106 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P s = 1,122 at
ρdd = 1069 kg/m3 � ρdds = 534,5 kg/m3
Suy ra: Ptb = 0,106 + (0,5 + ).534,5.9,81.10-5 = 0,185 at
K = = = 0,891
Mà P = Ptb3 � Po = = 0,208 at

� ttb = 60,420 oC
Nhiệt độ sơi của dung dịch trên mặt thống:
ttm = tth +  ' = 46,400 + 1,501 = 47,901 oC
Vậy

3 ''= 60,420

 47,901 = 12,519 oC

Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:

 ''  1 ''  2 ''  3 ''= 2,751+5,240+12,519 = 20,510 oC
2.2.3.3 Tổn thất do trở lực đường ống (∆’’’)
Chọn tổn thất nhiệt độ ở mỗi nồi là 1 oC
Tổn thất nhiệt độ do trở lực gây ra trên cả hệ thống ∆’’’= 3 oC
2.2.3.4 Tổng tổn thất nhiệt cho toàn bộ hệ thống
= 14,339 +20,510 + 3 = 37,849 oC
2.2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong tồn bộ hệ thống và từng nồi
Cho từng nồi:
Nồi 1:

 thi1= = 151.100  119,015  (9,864+2,751+1) = 18,470oC
 thi1= = 151,100  18,470 = 132,630 oC
Nồi 2:

 thi 2 == 119,015  87,590  (2,974+5,240+1) = 22,211 oC
 thi 2 = = 119,015  22,211 = 96,804 oC
Nồi 3:

 thi3 == 87,590  45,400  (1,501+12,519+1) = 27,170 oC
SVTH: Đặng Thái Ân

18


GVHD: ThS. Thiều Quang Quốc Việt

 thi3 = = 87,590  24,560 = 60,420 oC
Trong đó:

 thi1,  thi 2 ,  thi3 : Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC
: Nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

thd1, thd2, thd3

: Nhiệt độ hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

t’ht1, t’ht2, t’ht3
ts1, ts2, ts3

: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, nồi 2, nồi 3, oC

,,: Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ở nồi 1, nồi 2,
nồi 3, oC
Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống:
= 151,100  45,400  37,849
= 67,851 oC
2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng
2.2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng C (J/kg.độ)
C = 4186.(1  x), J/kg.độ CTI.43/52
x : nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng (%)
Nhiệt dung riêng dung dịch đầu :
Cđ = 4186.(1  0,14) = 3599,960 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 3 :
C3 = 4186.(1  0,17125) = 3469,148 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2 :

C2 = 4186.(1  0,23751)= 3191,783 (J/kg.độ)
Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x>20%
C = Cht.x + 4186.(1  x) J/kg.độ

(Công thức I.44, trang 152, [3])

Theo công thức :
.Cht = �CiNi

(Công thức I.41, trang 152, [3]

M : Khối lượng mol của hợp chất

SVTH: Đặng Thái Ân

19