TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC & CNTP
BỘ MÔN CN HÓA HỌC VÀ HÓA DẦU
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC
1. Họ và tên: 1. Ngô Tiến Việt Anh
2. Nguyễn Hoàng Anh
3. Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh
Nhóm 1 - Lớp DH10H1
Môn học: Các quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực phẩm
2. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO
3
bằng thiết bị cô đặc loại
ống tuần hoàn trung tâm.
3. Dữ kiện ban đầu
- Năng suất theo dung dịch đầu: G
đ
= 30000kg/h
- Nồng độ đầu: x
đ
= 8% khối lượng
- Nồng độ cuối: x
c
= 48% khối lượng
- Áp suất hơi đốt: P
1
= 12 at
- Áp suất hơi ngưng tụ baromet: P
ng

là một trong những hóa chất thông dụng. Với nhiều ứng dụng thực tiễn, hiện nay
KNO
3
được sản xuất với số lượng ngày càng lớn. KNO
3
được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp như phân bón, thực phẩm, thuốc súng … Vậy làm thế nào để thu
được KNO
3
có nồng độ cao và tinh khiết. Một trong những phương pháp được sử dụng
hiệu quả để tăng nồng độ KNO
3
là phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm
chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch
KNO
3
bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm.
Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau:
− Chương I: Tổng quan
− Chương II: Tính toán công nghệ,
− Chương III: Tính và chọn thiết bị chính.
− Chương IV: Tính và chọn thiết bị phụ.
− Tài liệu tham khảo.

Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 2
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
I.1.Các tính chất vật lí của KNO

với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat.
− Bảo quản thực phẩm
− Ngoài ra, KNO
3
còn có một số ứng dụng khác như: là thành phần hạt
chính vững chắc của aerosol ức chế đặc cháy hệ thống, là thành phần
chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩm loại bỏ gốc cây. Nó
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 3
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
làm tăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc cây bằng cách cung cấp nitơ
cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kim loại như một dung
môi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC
II.1. Định nghĩa
Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không
bay hơi với mục đích:
− Làm tăng nồng độ chất tan.
− Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh).
− Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi:
− Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi
(cô đặc ở trạng thái hơi).
− Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên
mặt thoáng của dung dịch để làm tăng quá trình bốc hơi.
Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cần
bằng với áp suát chung trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng
luyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi. Đáng lưu ý là trong quá trình cô
đặc, nồng độ chất tan tăng, ảnh hưởng đến quá trình tính toán của thiết bị. Khi đó hệ số
dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ, độ
nhớt µ, tổn thất nhiệt ∆’ tăng.

hơi nước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt
này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi.
− Cô đặc ống tuần hoàn trung tâm có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn
trong nồi dễ dàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt
nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng.
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 5
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở
các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung dịch tăng
nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
II.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Hệ thống cô đặc 3 nồi, làm việc xuôi chiều liên tục. Dung dịch đầu KNO
3
8% khối lượng
được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị
(4). Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế (7) chả vão thiết bị gia nhiệt (8). Ở đây, dung
dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, sau đó đi vào nồi cô đặc (1), (2), (3). Tại nồi
cô đặc, dung dịch được đun sôi bằng thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, buồng
đốt trong, trong đó các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn. Dung dịch đi ở
trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch
trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị
đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn trung tâm thể tích theo một đơn
vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít
hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền
nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hoàn tự
nhiên từ dưới lên trên ở ống truyền nhiệt và từ trên xuống dưới ở ống tuần hoán trung
tâm.
Hơi đốt được lấy ra ở nồi hơi (1) cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (3) và nòi cô đặc
(1). Tại nồi 1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệt làm sôi dung dịch, bốc hơi một lượng hơi thứ.

pt
= 101 kg/kmol
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 7
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
II. TÍNH TOÁN
II.1. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống
Gọi: G
đ
, G
c
là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h
x
đ,
x
c
là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng
W là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống:
G
đ
= G
c
+ W
Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố:
G
đ.
x
đ
= G
c

3
là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h.
Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W
1
: W
2
:W
3
= 1 : 1,1 : 1,2
Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi:
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 8
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
Nồi 1:
hkg
W
W /76,7575
3,3
25000
3,3
1
===
∑
Nồi 2:
)/(33,8333
3,3
25000
.1,1
3,3
.1,1
2

∑
=
−
3
1
, % khối lượng
Với x
i
là nồng độ dung dịch tại nồi I
Vậy:
Nồng độ của nồi 1:
x
1
=
1
WG
x
G
đ
đ
đ
−
=30000
= 10,70 (% khối lượng)
Nồng độ của nồi 2:
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 9
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
x
2
=


∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at)
II.5. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi
Giả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt các nồi là: ∆P
1
: ∆P
2
: ∆P
3
= 4,183 : 2,043 : 1
Và ta có:
∆
P =
∆
P
1
+
∆
P
2
+
∆
P
3
= 11,8 at
⇒
∆
P
3
= = 1,633 at

1
= 12 – 6,831 =5,169 at
∆
P
2
= P
hđ2
- P
hđ3
=> P
hđ3
= P
hđ2
-
∆
P
2
= 5,169 – 3,336 = 1,833 at
Gọi: T
hđi
là nhiệt độ của hơi đốt nồi thứ i

i
hđi
là nhiệt lượng riêng hơi đốt nồi thứ i
r
hđi
là nhiệt hóa hơi
tương ứng với áp suất hơi đốt P
hđi

= ∆
2
= ∆
3
= 1
0
C
Gọi t
hti
là nhiệt độ hơi thứ nồi thứ i,
0
C
Áp dụng công thức: t
hti
= T
hđi
+
Nhiệt độ hơi thứ nồi sau = nhiệt độ hơi đốt nồi trước – 1
0
C
Nhiệt độ hơi thứ nồi cuối = nhiệt độ thiết bị baromet + 1
0
C
Vậy từ những dữ kiện trên, ta có:
t
ht1
= T
hđ2
+ 1 = 152,213 + 1 = 153,213
0

T
ht
(
0
C) 153,213 117,845 60,7
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 12
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
P
ht
(at) 5,302 1,894 0,206
i
ht
(kJ/kg) 2758,226 2709,468 2608,444
r
ht
(kJ/kg) 2110,359 2212,786 2355,556
II.7. Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi
Tổn thất nhiệt cho từng nồi gồm:
 Tổn thất nhiệt do nồng độ
 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh
 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống
II.7.1 Tổn thất nhiệt do nhiệt độ ()
Ta sử dụng công thức Tisencô:
Δ’ = Δ
0
’.f (VI.10/59 –[II])
Trong đó Δ’
0
– tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi
của dung môi ở áp suất thường.

C
Tương tự ta có
Δ’
2
= 1,849
0
C
Δ’
3
= 4,404
0
C
II.7.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’):
Theo CT VI.12/60 – [II] ta có:
g
h
hPP
ddsotb
.
2
2
1
ρ






++=

là áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
– h
1
là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt
thoáng dung dịch, chọn
∆
h=0,5 cho cả 3 nồi.
– h
2
là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4m cho cả 3 nồi.
– g là gia tốc trọng trường, =9,81 m/s
2
.
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 14
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
–
dds
ρ
là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m
3

dds
ρ
=
2
dd
ρ
Do chưa xác định được nhiệt độ sôi của dung dịch nên giả thiết lấy khối lượng riêng ở
nhiệt độ 20
0




++=
dd
httb
h
hPP
ρ
40
1
10.
2
03,1059
2
4
5,0302,5
−








++= CP
tb
P
tb1

= 74,998
0
C
Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh tăng cao: = t
tbi
- t
hti
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 15
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
= t
tb1
- t
ht1
= 154,138 – 153,213 = 0,925
0
C
= t
tb2
- t
ht2
= 120,0359 – 117,845 = 2,1939
0
C
= t
tb3
- t
ht3
= 71,998 – 60,7 = 14,298
0
C

2
'"
1
=∆+∆+∆
II.7.4. Tổn thất do toàn bộ hệ thống:
II.8. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích trong toàn hệ thống
Hiệu số nhiệt độ hữu ích là hiệu số hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình dung dịch:
∆T
i
= T
hđi
– t
si
,
0
C
Với t
si
là nhiệt độ sôi của dung dịch tại nổi thứ i
t
si
= t
hti
+ +
Vậy ta có:
t
s1
= t
ht1
+ + = 153,213 + 1,353 + 0,925 = 155,491

Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 16
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
∆T
3
= T
hđ3
– t
s3
= 116,845 – 79,402 = 37,443
0
C
Bảng 5: Hiệu số nhiệt hữu ích
Nồi ∆
’
,
0
C ∆
’’
,
0
C ∆
’’’
,
0
C ∆T,
0
C t
s
,
0

c
là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J/kg.độ.
t
đ,
t
c
nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch,
0
C.
t
s1,
t
s1,
t
s1
nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3,
0
C.
i
hđ1,
i
hđ2
, i
hđ3
là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h.
i
ht1
, i
ht2,
i

tt3
nhiệt tổn thất ra môi trường sung quanh, J
Theo phương trình cân bằng nhiệt, lượng nhiệt vào bằng lượng nhiệt ra:
Nhiệt lượng vào:
Nồi 1:
- Do dung dịch đầu: G
đ.
C
đ.
t
đ
- Do hơi đốt: D
1.
i
hđ1
Nồi 2:
- Do hơi đốt mang vào: D
2
.i
hđ2
- Do dung dịch ở nồi 1 mang vào: (G
đ
– W
1
).C
1.
t
s1
Nồi 3:
- Do hơi đốt mang vào : D

1.
C
n1
.θ
1
- Do tổn thất nhiệt chung: Q
tt1
= 0,05.D
1.
(i
hđ1
- C
n1
θ
1
)
Nồi 2:
- Do hơi thứ mang ra: W
2.
i
ht2
- Do dung dịch mang ra: (G
đ
–W
1
–W
2
).C
2.
t

3
).C
3.
t
s3
- Do nước ngưng mang ra: D
3.
C
n3
.θ
3
- Do tổn thất nhiệt chung: Q
tt3
= 0,05.D
3.
(i
hđ3
– C
n3
θ
3
)
Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
ΣQ
vào
= ΣQ
ra
Nồi 1:
G

hđ1
- C
n1
θ
1
) (1)
Nồi 2:
D
2
.i
hđ2
+ (G
đ
– W
1
).C
1.
t
s1
= W
2.
i
ht2
+ (G
đ
–W
1
–W
2
).C

–W
2
).C
2.
t
s2
= W
3.
i
ht3
+ (G
đ
–W
1
–W
2
–W
3
).C
3.
t
s3
+ D
3
C
n3
θ
3
+ 0,05.D
3.

100
.
xx
CC
hto
−+=→
J/kg.độ
Với C
ht
được tính theo công thức I.41/152- [I]
OONNKKhtct
CnCnCnCM
++=
Trong đó: Chất hòa tan KNO
3
có:
M = 101 kg/kmol
n
K
, n
N
, n
O
: là số nguyên tử K, N, O trong hợp chất.
C
K
, C
N
, C
O

129,3851)
100
8
1.(4186
=−=→
đ
C
J/kg.độ
Với dung dịch 1, có x
dd1
= 10,7 % < 20%

098,3738)
100
7,10
1.(4186
1
=−=→
C
J/kg.độ
Với dung dịch 2, có x
dd2
= 17,03% < 20%
124,3473)
100
03,17
1.(4186
2
=−=→
C

+W
2
+W
3
D
1.
C
n1
.θ
1
= D
1
.i
l1
D
2
C
n2
θ
2
= D
2
.i
l2
= W
1
.i
l2
D
3

= 486,7 kJ/kg
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 21
Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông
 Q
tt1
= 0,05.D
1.
(i
hđ1
- C
n1
θ
1
) = 0,05.D
1
( i
hđ1
– i
l1
), J
 Q
tt2
= 0,05.D
2.
(i
hđ2
– C
n2
.θ
2

, D
1
ta có
kết quả như bảng sau:
Bảng 6: Kết quả tính toán của phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nồi C
(J/kg.độ)
i
l
(kJ/kg)
θ
(
0
C)
W ( kg/h) Sai số
%
Giả thiết Tính toán
1 3738,098 795,3 187,1 7575,76 7634,362 0,771
2 3473,124 642,8 152,213 8333,33 8573,708 2,885
3 2663,373 486,7 116,845 9090,91 8791,930 3,289
Sai số:
%W
i
= . 100%
Nhận thấy sai số < 5% => giả thiết đưa ra là phù hợp.
Và có D
1
= 11161,399 kg/h.
II.10. Các thông số kĩ thuật chính
II.10.1. Sức căng bề mặt

−
21
21
µµ
µµ
θθ
=const (I.17/85 - [I])
Trong đó: t
µ1
, t
µ2
nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt tương ứng
21
,
µµ
.

21
,
µµ
θθ
là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nồi 1: x
1
= 10,7 %, chọn chất chuẩn là nước
t
µ1
= 20
0
C ta có

µ
θ
= 30
0
C (I.102/94 – [I])
Nên ta có
⇒
k =
302228,21
3020
21
21
−
−
=
−
−
µµ
µµ
θθ
tt
= 1,139
Từ đó ta có :
2
21
µ
µ
µ
θθ
+

(Ns/m
2
)
Nồi 2: x
2
= 17,03%, chọn chất chuẩn là nước
t
µ1
= 20
0
C ta có
1
µ
= 0,9922. 10
-3
(N.s/m
2
) (I.107/101 – [I])
⇒

1
µ
θ
= 21,6665
0
C (I.102/94 – [I])
t
µ2
= 30
0

tt
= 1,1,229
Và t
s2
= 121,8879
0
C
C
0
57,10430
229,1
308879,121
=+
−
=
µ
θ
Vậy
2dd
µ
= 0,292.10
-3
(Ns/m
2
)
Nồi 3: x
3
= 48%, chọn chất chuẩn là nước
t
µ1

2
) (I.107/101 – [I])
⇒

2
µ
θ
= 20
0
C (I.102/94 – [I])
Nên ta có
⇒
20613,14
3020
21
21
−
−
=
−
−
µµ
µµ
θθ
tt
= 1,856
Và t
s3
=79,402
0

Trong đó: C
p
là nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng, J/kg.độ;
ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m
3
;
M là khối lượng mol của chất lỏng;
A là hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng;
Ở đây A = 3,58.10
-8
;
Trong đó: M = m
i
.M
ct
+ (1- m
i
). M
H2O
Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 25