Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
Họ và tên : Nguyễn Sĩ Nam
Lớp : ĐHHÓA K4
Khoa : Công Nghệ Hóa
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thế Hữu
NỘI DUNG ĐỀ BÀI:
Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cô đặc dung
dịch (NH
4
)
2
SO
4

với năng suất 12587 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 3 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 13,3%
Nồng độ cuối của dung dịch: 41,8%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 atm
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,19 atm
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
∗∗∗∗∗
…………………………………………

Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2012
Người nhận xét
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam

4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi W/m2 độ: 25
4.3.1 Khối lượng riêng : 27
4.3.2 Nhiệt dung riêng : 27
4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: 27
4.3.4 Độ nhớt : 28
4.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : 30
4.5.So sánh q2i và q1i : 30
5. Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi 30
6 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 32
6.1. Xác định tỷ số sau : 32
6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi : 32
8. Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 33
PHẦN III 33
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 34
1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu : 34
1.1.Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 34
1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 34
1.3.Bề mặt truyền nhiệt: 39
1.4.Số ống truyền nhiệt : 39
1.5.Đường kính trong của thiết bị đun nóng : 40
1.6.Tính vận tốc và chia ngăn : 41
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
2
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
2.Chiều cao thùng cao vị: 41
3.Bơm 50
3.1.Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: 50
3.2.Năng suất trên trục bơm: 53
3.3.Công suất động cơ điện: 54
4.Thiết bị ngưng tụ baromet: 54

4.1.6 Ống tuần hoàn: 82
4.2. Tính và chọn tai treo giá đỡ : 86
4.2.1. Tính Gnk : 86
4.2.2.Tính Gnd. : 90
4.3. Chọn kính quan sát : 92
4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt : 92
PHẦN V 93
KẾT LUẬN 93
Tài liệu tham khảo: 94
Chuyển đổi đơn vị thường gặp: 95
QUY ƯỚC KÝ HIỆU
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
3
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
Để đơn giản trong việc chú thích tài liệu, quy ước ký hiệu như sau:
- [ST
1
] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 1. Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật
- [ST
2
] – Sổ tay quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất, tập 2. Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật
-CT: công thức
-T
x
: trang thứ x
-BTQTTB: sách bài tập quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và
thực phẩm
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam

sinh viên để đồ án này được hoàn thiện thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
5
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
Phần 1: Giới thiệu chung
1.1 Giới thiệu chung về (NH
4
)
2
SO
4
a)Lời mở đầu
Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng
công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta đang
phát triển mạnh kéo theo sự phát triển của ngành sản xuất các hợp chất hóa
học,bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùng quan trọng để các ngành
khác phát triển.
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

) khối lượng phân tử là 132,15. Ở
dạng tinh thể thì (NH
4
)
2
SO
4
không màu hình thoi, hoặc bột màu trắng, khối
lượng riêng là 1,77g/cm
3
,t
nc
= 140
o
C, t
phanhuy
= 280
o
C. Dễ tan trong nước : ở
20
o
C, 100 g nước hoà tan được 76 g (NH
4
)
2
SO
4
,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 một phần thành amoniac và axit sunfuric:

→ (NH
4
)
2
SO
4
Sau đó dung dịch amoni 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 đi đóng bao.
Ứng dụng của muối amonisunfat là :
→làm phân đạm 1 lá nhưng có khả năng làm đất bị chua do bị thủy phân
tạo ra môi trường axit.
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
7
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
→dùng trong lĩnh vực phân tích.Đặc biệt là dung dịch muối Mo, hay sắt
amonisunfat (NH
4
)
2
Fe(SO
4
)
2
.6H
2
O được sử dụng rất phổ biến trong phân tích.
1.2 Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.
1.2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình cô đặc.

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà đượcthải
ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.
Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở aps
suất cao hơn áp suất khí quyển, các nồi khác làm ở áp suất chân không.
Cô đặc được úng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực
phẩm, ví dụ cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm
Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết
bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh
tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,do vậy người ta
phải cô đặc nhiều nồi
Sau đây em xin giới thiệu về cô đặc hai nồi xuôi chiều
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
9
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
1.2.2.Dây chuyền sản xuất:
Sơ đồ dây chuyền sản xuất thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức.
1 2
3
4
5 2
12
9
8
10
11
6 7
Hinh1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất của thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức
Chú thích:
1. Thùng chứa dung dịch đầu 7. Thiết bị cô đặc
2. Bơm 8. Thùng chứa nước

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 (9)
qua thiết bị bơm (2).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ
Baromet (10).Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây
hời thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa
còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt (11) hơi sẽ được bơm chân không
(12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
11
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
PHẦN II
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Số liệu ban đầu :
Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cô đặc dung
dịch (NH
4
)
2
SO
4

với năng suất 12587 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 3 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 13,3%
Nồng độ cuối của dung dịch: 41,8%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 atm
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,19 atm
2.Tính cân bằng vật liệu :
2.1. Xác định lượng nước bốc hơi ( lượng hơi thứ ) toàn bộ hệ thống và trong từng
nồi:

2
1
=
W
W
Mà ta có: W
1
+ W
2
= 8582,0455
023,4291
21
==⇒
WW
(kg/h)
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
12
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi
x
1
:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 1
x
2
:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
Áp dụng công thức :
W
1
= Gd ( 1-
x

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

)(8,319,04 atmPPP
nthd
=−=−=∆
- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

21
2
1
45,2
1
45,2
PP
P
P
∆=∆⇒=
∆
∆
mà:
)(8,3
21
atmPP
=∆+∆)(69855,2
)(10145,1
45.3
8,3

22
11
3.1.2 Xác định nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi.
NX: khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2 ,và hơi thứ từ nồi 2 đi sang thiết bị
ngưng tụ thì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là
5,11
,,
÷=∆
,và khi đó nó sẽ trở thành
hơi đốt cho nồi 2: chọn
C°=∆ 1
,,
Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:
,
2
,
1
,
2
,
1
,,, PPtt
Ta có:
Ctt
Ctt
nt
°=+=+=
°=+=+=
252,601252,591
76,108176,1071

(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 4,1327 t
1
=143,988 P
2
=1,3581 t
2
=107,76
P
ng
=0.19 t
ng
=59,252
Hơi
thứ
P’
1
=1,4042 t’
1
=108,76 P’
2
=0,2057 t’
2
=60,252

Cx
o
o
°=∆⇒=
°=∆⇒=
14,5%8,41
58964,1%724,19
,
22
,
11
* Xác định nhiệt độ T
i
KT
KT
°=+=
°=+=
252,333273252,60
76,38127376,108
2
1
* Xác định r
i
:
Tra bảng (I.250/ST1 – T312)
kgJr
kgJr
/10.31,2356
/10.472,2237
3

2
2
,
1
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
15
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
3.2.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:
,,
∆
- Áp dụng công thức VI.13
at
g
h
hPP
tt
dds
otb
otb
4
2
1
,,
10.81,9
.
).
2
(
ρ
++=

)/(64,12375%8,41
)/(13,1138%724,19
3
2
3
1
mkgx
mkgx
dd
dd
=⇒=
=⇒=
ρ
ρ
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là
)/(782,618
2
64,12375
)/(9065,556
2
13,1138
3
2
3
1
mkg
mkg
dds
dds
==

=++=
=++=
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
16
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
Ct
Ct
tb
tb
°=
°=
6765,70
1373,112
2
1
Vậy:
Ctt
Ctt
tb
tb
°=−=−=∆
°=−=−=∆
4245,10252,606765,70
3773,376,1081375,112
022
,,
2
011
,,

∑ ∑ ∑ ∑
4038,2128018,13602,5
,,,,,,
3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ hệ thống và từng nồi
3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định :
∑
∆−∆=∆
chhi
tt
(CT VI.16/ST2 –T67)
=∆
ch
t
Hiệu số nhiệt độ chung giữa hiệu số nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt độ
ngưng ở thiết bị ngưng tụ.
Cttt
nthdch
°=−=−=∆
736,84252,59988,143
(CT VI.16/ST2 –
T67)
Vậy :
Ct
hi
°=−=∆
3322,634038,21736,84
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
17
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi

2
1
3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi;
CttT
CttT
s
s
°=−=−=∆
°=−=−=∆
78164,2997836,7776,107
17733,308147,113988,143
222
111
3.4.Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng:

G
d
C
d
t
so
W
1
i
1
W
1
.i
2
W

d
-W
1
-W
2
)C
2.
t
s2
D:Lượng hơi đốt vào kg/h
21
,, iii
:hàm nhiệt của hơi đốt và hơi thứ J/kg
21
,
θθ
: Nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1, nồi 2
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
18
%5%7,4
2
3322,63
2
3322,63
17733,30
2
2
1
<=
−

: lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị
W
1
, W
2
: lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2
3.4.1 Nhiệt lượng vào gồm có:
- Nồi 1: Nhiệt do hơi đốt mang vào : D.i
Nhiệt do dung dịch mang vào : G
- Nồi 2: Nhiệt do hơi thứ mang vào : W
1
.i
2
Nhiệt do dung dịch từ nồi 1 chuyển sang : (G
d
– W
1
)C
1
t
s1
3.4.2 Nhiệt lượng mang ra:
- Nồi 1:
- Hơi thứ mang ra : W
1
i
1
- Nước ngưng :D.
1
θ

d
– W
1
– W
2
)C
2
.t
s2
- Nhiệt mất mát: Qm
2
= 0,05W
1
(i
2
– Cn
2
)
2
θ
3.4.3 Hệ phương trình cân bằng nhiệt:
Được thành lập dựa trên nguyên tắc :
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
19
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra
- Nồi 1 :
)(05,0 )(
)(
11111111101

Kết hợp pt (1),(2),(3) ta được
113222
1122223
1
)(95,0
)()(
s
ssds
tCiCni
tCtCGtCiW
W
−+−
−+−
=
θ
(4)
)(95,0
)()(
11
0111111
θ
Cni
tCtCGtCiW
D
sdsds
−
−+−
=
(5)
- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt

= 143,988
o
C ⇒ Cn
1
= 4296,97 (J/kg độ)
θ
2
= 107,76
o
C ⇒ Cn
2
= 4230,086 (J/kg độ)
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
20
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
- Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1 ,nồi 2, ra khỏi nồi 2 :
- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ x
d
= 13,3%
Áp dụng công thức I.41 /ST1 – T152 ta có:
C
d
= 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,133) = 3629,262 (J/kg độ)
- Dung dịch trong nồi 1 có nồng độ x
1
= 19,724 %
Cũng áp dụng công thức trên ta được:
C
1
= 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,19724) =3360,3534 (J/kg độ)

3
.c
3
trong đó : M : KLPT của (NH
4
)
2
SO
4
: M
1
= 132,15
n
1
: Số nguyên tử N: n
1
= 2
n
2
: Số nguyên tử S : n
2
= 1
n
3
: Số nguyên tử H : n
3
= 8
n
4
: Số nguyên tử O : n

C
4
= 16800 J/kg.nguyên tử. độ
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
21
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
Vậy: C
ht
=
( )
đkgJ ./1656
15,132
1680049630822600260002
=
×+×++×
Từ đó ta sẽ tính được nhiệt dung riêng của hơi đốt ra khỏi nồi 2 :
C
2
=16560,418+4186(1-0,418)=3128,46(J/kg.độ)
- Xác định hàm nhiệt hơi đốt và hơi thứ
Tra bảng ( I.250/ST1 – 312 )
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
/7,2608763252,60
/269376876,108
/269196876,107
/2,2745853988,143
'

−+−
−+−
=
Ta có bảng số liệu như sau
Bảng 3
Nồi
C
J/kg độ
Cn
J/kg độ
θ, °C
W , kg/h Sai số
ε
CBVC CBNL
1 3360,3534 4296,97 143,988 4291,023 4264,15 0,63%
2 3128,46 4230,086 107,76 4291,023 4317,8955 0,63%

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W
1
: W
2
= 1: 1,05
Sai số giữa W được tình từ phần cần bằng nhiệt lượng và sự giả thiết trong cân
bằng vật chất < 5% ,vậy thoả mãn.
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
22
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi:
4.1.Tính hệ số cấp nhiệt
α

Τ
- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt nồi 1 và
nồi 2 là :
1211
,
∆∆
- Với điều kiện làm việc của phòng phòng đốt thẳng đứng H = 2m ,hơi ngưng
bên ngoài ống ,máng nước ngưng chảy dòng như vậy hệ số cấp nhiệt được tính
theo công thức ( V.101/ST2 – T28 ).
25,0
1
)
.
.(.04,2
Ht
r
A
i
i
∆
=
α
W/m
2
. độ
Trong đó:
i1
α
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng hơi ở nồi thứ i W/m
2

t
2
= 107,76
o
C r
2
= 2240,272.10
3
J/kg
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
23
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
A: hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng
Với t
m
được tính:
t
mi
= 0,5(t
Ti
+t
i
)
o
C ( * )
t
i
: nhiệt độ hơi đốt
t
Ti

C t
m2
= 107,76 – 0,5.3,15 = 106,185
o
C
Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào t
m
: (ST2 – T 29 )
với: t
1
= 142,238
o
C A
1
= 194,3357
t
2
= 106,185
o
C A
2
= 181,7832
Vậy:
)/(7851,8182
3.15,3
10.272,2240
.185,106.04,2
)/(6296,8413
3.5,3
10.06,2130

=
α
α
4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ:
( CT 4.14/QTTB1 – T1 )
iii
tq
111
.
∆=
α
W/m
2
GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam
24
Trường ĐHCNHN Công nghệ hóa k4 Đồ án môn học quá trình thiết bị
q
11
= 8413,6296.3,5 = 29447,7 (W/m
2
)
q
12
= 8182,7851 = 25775,7731 (W/m
2
)
Bảng 4:
Nồi
Ct
i

ψα
8,45
33,2
2
5.0
2
∆=
(W/m
2
độ )
P
i
: áp suất hơi thứ at
Xem bảng 1:
atP 4042,1
,
1
=
atP 2057,0
,
2
=

i
t
2
∆
: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.
TiiiddiiTi
ttTttt