Đồ án môn học
ĐẶT VẤN ĐỀ
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 NaNO
3
, vì khả năng ứng dụng
rộng rãi của nó.
Trong quy trình sản xuất NaNO
3
, quá trình cô đặc là một khâu hết
sức quan trọng. Nó đưa dung dịch NaNO
3
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 hệ thống cô đặc hai nồi có
buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục ở áp suất
chân không, cô đặc dung dịch NaNO
3
từ 15% lên 45%.
Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực
phẩm, 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 kỹ
thuật cụ thể.
Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực
tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều
thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của
quý thầy cô giáo và các anh chị năm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án

là chất rắn trắng hoặc tinh thể không màu, có khả năng tan tốt
trong nước (đến 86,4% ở nhiệt độ thường). Dung dịch NaNO
3
có độ nhớt
khá bé, sức căng bề mặt khá lớn nên dung dịch sôi sủi bọt nhiều. Đồng thời
muối nitrat có tính ăn mòn hóa học, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và
áp suất khá cao do đó cần chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bị và điều
kiện cô đặc.
1. Ứng dụng của NaNO
3
:
- Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat.
- Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa.
- Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như: sản xuất axit nitric khi
cho phản ứng với axit sunfuaric…
2
Đồ án môn học
- Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm.
- Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp
trong các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay thế cho KNO
3
.
- Dùng trong công nghiệp thủy tinh, luyện kim.
2. Tính chất nguyên liệu:
2.1 Tính chất hóa lý:
- Dạng tồn tại: tinh thể rắn hoặc bột màu trắng, không mùi, vị mặn, đắng.
- Phân tử lượng: 84,9947 (g/mol), khối lượng riêng là 2,3 ×10
3
(kg/m
3

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng
của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt
thoáng chất lỏng.
2.2 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 tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt
thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi
phải dùng đến máy lạnh.
3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:
Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của
các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi
bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực
bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực
hiện quá trình này. Bên cạnh đó sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình
thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối
lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự
nhiên trong nồi cô đặc.
4. Ứng dụng của sự cô đặc:
Quá trình cô đặc được ứng dụng: trong sản xuất thực phẩm: cô đặc các
dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây…; trong sản xuất
hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl
2
, các muối vô cơ…Hiện nay, phần lớn các
nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một
thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù chỉ là một
hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà
4
Đồ án môn học
máy nên việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Đòi hỏi

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.
V – LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC:
Dựa theo tính chất nêu trên của nguyên liệu và yêu cầu đã cho của
đồ án, ta chọn hệ hống cô đặc hai nồi, làm việc liên tục, áp suất chân
không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
- Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, cô đặc ở áp
suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch nên giảm được chi
phí năng lượng, hạn chế chất tan bị cuốn theo và bị bám vào thành thiết bị
làm hư thiết bị.
- Nhược điểm: tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.
VI - CẤU TẠO THIẾT BỊ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:
1. Cấu tạo và hoạt động của nồi cô đặc:
Nồi cô đặc ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng đốt, buồng
bốc và bộ phận thu hồi cấu tử .Trong đó:
- Buồng đốt ở dưới bao gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần
hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt ngoài ống. Nguyên tắc
hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính
lớn hơn đường kính ống truyền nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch
sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ
có khối lượng riêng giảm do đó tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ trong ống
tuần hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả, tạo nên dòng chuyển động tuần
hoàn đối lưu tự nhiên giữa ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn.
6
Đồ án môn học

đ
= 8000 (kg/h).
Nồng độ của dung dịch trước khi cô đặc: x
đ
= 15 %.
Nồng độ của dung dịch sau khi cô đặc: x
c
= 45 %.
Nhiệt độ ban đầu của dung dịch: t
đ
= 76 (
0
C).
Áp suất hơi đốt: 4 (at).
Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ: 0,5 (at).II – CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
1. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W):
Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống :
G
đ
= G
c
+ W
W : là lượng hơi thứ đi ra khỏi hệ thống (kg/h).
Đối với chất tan :
G
đ
.x

15
) = 5333,33 (kg/h)
2. Xác định nồng độ cuối của mỗi nồi:
Ta có: W = W
1
+ W
2
Với W
1
, W
2
là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 (kg/h).
8
Đồ án môn học
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.
3,11,1
2
1
÷≥
W
W
Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : 1,1
Khi đó ta có hệ phương trình:

1,1
2
1
=

23,05 %
Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 :
X
c2
=
=
−−
=
−−
65,279368,25398000
15.8000
.
21
WWG
xG
đ
đđ
45 %
9
Đồ án môn học
PHẦN III: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
I – XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA MỖI NỒI:
1. Xác định áp suất của mỗi nồi:
Gọi P
1
, P
2
, P
nt
là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ.

P
P
1,6
Kết hợp với phương trình: ∆P
1
+ ∆P
2
= ∆P
t
= 3,5 (at)
Suy ra: ∆P
1
= 2,15 (at)
∆P
2
= 1,35 (at)
Vậy: P
2
= P
1
– ∆P
1
= 4 – 2,15 = 1,85 (at)
2. Xác định nhiệt độ trong các nồi:
Gọi: t
hđ1
, t
hđ2
, t
nt

(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Áp suất
(at)
Nhiệt độ
(
o
C)
Hơi đốt 4 142,9 1,85 117,1
0.5 80.9
Hơi thứ 1,91 118,1 0.52 81.9
II – XÁC ĐỊNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ:
1. Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (∆’):
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.
Ta có: ∆’= t
0
sđ
– t
0
sdmnc
(ở cùng áp suất).

Bảng 4.3: Nhiệt hóa hơi của hơi thứ các nồi.
Nồi 1 Nồi 2
Áp suất hơi thứ (at) 1,91 0.52
Nhiệt hóa hơi r (J/kg) 2212,05.10
3
2304,8.10
3
Nồi 1: ∆’
1

( )
1
2
1
,
1
273.2,16.
r
t
hto
+∆
=
=
( )
3
2
10.05,2212
2731,118.2,16.11,3
+
= 3,48 (







+∆
2
h
h
ρ
dds
.g (N/m
2
)
Trong đó:
P
0
: áp suất hơi thứ trên bề mặt dung dịch.
ρ
dds
: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
).
ρ
dds
= 0,5 ρ
dd
ρ
dd

ρ
dm
kg/m
3
Nồi 1 23,05
103,2
1
1061,66
956,
02
Nồi 2 45
108,4
5
1276,1
952,
15
Coi ρ
dd
trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ
từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng.
Nồi 1:
H
op1
= [0,26 + 0,0014(ρ
dd
- ρ
dm
)]H
o
H

= [0,26 + 0,0014(ρ
dd
- ρ
dm
)].H
o

H
op2
= [0,26 + 0,0014(1276,1 - 952,15)].2 = 1,43 (m)
Áp suất trung bình:
P
tb2
= P
0
+






+∆
2
h
h
ρ
dds
.g
= 0,52+(1,43+1)

P
P
S
=
16,1
1
P
s
= 1,16P
Mà: P = P
tp
P
s1
= 1,16.2 = 2,32 (at)
Vậy: t
s1
= t
stb
= 124,3 (
0
C), tra bảng I.251, STQTTB, TI/trang 312.
Ứng với P
01
= 1,91
t
01
= t
ht1
+ ∆’
I

P
s
= 1,37P
Mà: P = P
tp
P
s1
= 1,37.0,672 = 0,92 (at)
Vậy: t
s2
= t
stb
= 96,78
0
C, tra bảng I.251, STQTTB, TI/trang 312.
Ứng với P
02
= 0,52
 t
02
= t
ht2
+ ∆’
II
= 81,9 + 7,39 = 89,29 (
0
C)
Vậy: ∆”
1
= t

o
C)
,,,
2
,,,
1
,,,
∆+∆=∆∑
= 1 + 1 = 2 (
o
C)
4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc:
Σ∆ = Σ ∆’+Σ∆”+Σ∆”’ = 10,88+ 10,21+ 2 = 23,09 (
o
C)
5. Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi:
Nồi 1: ∆t
thi1
= t
hd1
– t
hd2
– Σ∆
1
= 142,9 – 117,1 – (3,48 + 2,72 + 1) = 18,6 (
o
C)
Nồi 2: ∆t
thi2

C
đ
= 4186.(1- x
đ
) = 4186(1 – 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ)
Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 1:
Vì x
c1
= 23,05 % > 20 %
Nên ta tính theo công thức CT I.44, STQTTB TI/trang 152:
C
c1
= C
ht
.x
c1
+ 4186.(1- x
c1
)
Trong đó:
15
Đồ án môn học
C
ht
: là nhiệt dung riêng của chất hoà tan, (J/kg.độ).
Tính C
ht
theo công thức CT I.41, STQTTB, TI/trang 152:
M.C
ht

C
ht
=
85
1
.(1.26000 + 1.26000 + 3.16800) = 1204,7 (J/kg.độ)
Suy ra:
C
c1
= C
ht
.x
c1
+ 4186.(1 – x
c1
)
= 1204,7. 0,2305 + 4186.(1 – 0,2305)
= 3498,81 (J/kg.độ)
Nhiệt dung của dung dịch ra khỏi nồi 2:
Vì x
c2
= 45 % > 20 % nên ta áp dụng công thức:
C
c2
= C
ht
.x
c2
+ 4186.(1 – x
c2

xq1
Nồi 2:
W
1
.i
1
+ (G
đ
–W
1
)C
1
.t
1
= W
2
.i
2
+ (G
đ
– W)C
2
.t
2
+ W
1
.C
ng2
.θ
2

2
: nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi 1 và nồi 2, (
o
C).
C
ng1
, C
ng2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2, (J/kg.độ).
Q
xq1
,Q
xq2
:nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh của nồi 1 và nồi 2, (J).
17
Đồ án mơn học
G
đ
: lượng dung dịch lúc ban đầu, (kg/h).

Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hồ, nước ngưng là lỏng sơi ở cùng nhiệt
độ, khi đó ta có:
i- C
ng1
. θ
1
= r (θ
1
) và i
1

s
(
0
C)
1 142,9 2744,06 4294,25 118,1 2708,34 3498,81 124,3
2 117,1 2706,94 4245,07 81,9 2647,42 2844,42 96,78
Cho: Q
xp1
= 0,05.D.(i – C
ng1
. θ
1
)
Q
xp2
= 0,05.W.(i
1
– C
ng2
. θ
2
)
Vậy lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là :
11222
11222
1
.) (95,0
).(.
tCiCi
tCGtCWGiW

ng
đđđđ
Ci
tCGtCWGiW
)9,142.25,42942744060(95,0
76.1,3558.80003,124.81,3498).12,26378000(2708340.12,2637
−
−−+
=

18
Đồ án môn học
= 3612,5 (kg/h)
3. Kiểm tra lại giả thiết phân bố hơi thứ ở các nồi:
C%(1) =
%5%53,4%100
65,2793
65,279312,2637
<=
−

C%(2) =
%5%74,4%100
21,2697
68,253921,2697
<=
−

Vậy :
Lượng hơi thứ nồi 1là : W

21
,
θθ
là nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt tương ứng.
Nên:
2
2
2
2
θθ
θθ
+
−
=→=
−
−
K
tt
K
tt
s
s
s
s
Nồi 1: Nồng độ dung dịch x
1
= 23,05 %.
Chọn chất chuẩn là H
2
0.

36,1
33,1
103,124
2
21
+
−
=+
−
=
θθ
k
tt
s
s
= 87,3 (
0
C)

⇒
µ
s1
= 0,373.10
-3
(N.s/m
2
)
Nồi 2: Nồng độ dung dịch x
2
= 45%.

=→
K
= 1,31
Từ đó ta có:
5
31,1
46,3778,96
2
22
+
−
=+
−
=
θθ
k
tt
s
s
= 50,28 (
0
C)

⇒
µ
s2
= 1,246.10
-3
(N.s/m
2

d
i
d
i
i
M
x
M
x
M
x
m
2
2
2
1
−
+
=
21
Đồ án môn học
Nồi 1:
06,0
18
2305,01
85
2305,0
85
2305,0
1

−
+
=
m
92,2718).148,01(85.148,0
2
=−+=→
M
3
8
2
92,27
1,1276
1,1276.42,2844.10.58,3
−
=→
λ
= 0,465 (W/m.độ)
1.3. Hệ số cấp nhiệt: α

t
hđ
t
T1
t
s
1
t
∆
t

2
.độ)
Với:
r: ẩn nhiệt ngưng, (J/kg).
H: chiều cao ống truyền nhiệt, (chọn H = 2m ).
4
32
.
µ
λρ
=
A
: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ nước ngưng tụ.
t
m
= 0,5(t
T1
+t
hd
)
11 Thd
ttt
−=∆
Nồi 1: Chọn ∆t
1
= 1,95 (
o
C).
t
T1

Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
→ r
1,n1
= 2135,5.10
3
(J/kg)
→
==
4
3
1,1
95,1.2
2135,5.10
.05,136.04,2
n
α
7549,83 (W/m
2
.độ)
→ q
1,n1
= α
1,n1
.∆t
1
= 8061,64.1,5 = 14722,18 (W/m
2
)
Nồi 2: Chọn ∆t
2

−
= 107,07
Tra bảng I.250 STQTTB, T1 / Trang 312.
23
Đồ án môn học
→ r
2,n2
= 2215,12.10
3
(J/kg)
→
==
4
3
2,1
32,2.2
2215,12.10
.07,107.04,2
n
α
5741,4 (W/m
2
.độ)
→ q
2,n2
= α
1,n2
.∆t
1
= 5741,4 . 2,32 = 13320,05 (W/m
































2
.độ)
Trong đó : P là áp suất hơi thứ
Ta có: ∑ r = r
1
+ r
2
+ r
3
Chọn theo bảng V.I, STQTTB, T2/ Trang 4.

31
rrr
++=
∑
λ
δ
Trong đó r
1
: nhiệt trở của lớp hơi nước

γ
δ
=
2
r
: nhiệt trở của tường
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhệt

δ

C).
Ta có : ∆t = q
1.
∑ r
1
= 14722,18 . 0,659.10
-3
= 9,7 (
o
C)
→ t
T2
= t
T1
– ∆t = 140,95 – 9,7 = 131,25 (
o
C)
Hệ số cấp nhiệt của nước :
∆t
2,n1
= t
T2
– t
2
= 131,25 – 124,3 = 6,95 (
o
C)
Áp suất hơi thứ tại nồi 1 :
P
ht1

ρ
n1
= 939,53 (kg/m
3
)
435,0
3
3
2565,0
1
10.373,0
10.229,0
.
88,4256
81,3498
53,939
83,530
.
686,0
484,0











==
1,11,2
.
nnn
αϕα
0,37 .5744,67 = 2125,53 (W/m
2
độ)
→ q
2,n1
= α
2,n1
.∆t
2,n1
= 2125,53.6,95 = 14768,34 (W/m
2
)
Nên ta có:
=
−
=
%100.
34,14768
18,1472234,14768
1
η
0,313% < 5% nên đạt
Vậy nhiệt tải trung bình:

=