Dương Mạnh Toàn
NỘI DUNG ĐỀ BÀI:
Xây dựng hệ thống 2 nồi cô đặc dung dịch KNO
3
xuôi chiều tuần hoàn
cưỡng bức với năng suất 12000 kg trên 1 giờ
Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10%
Nồng độ cuối của dung dịch: 28%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,35 at
LỜI MỞ ĐẦU
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” với
đề bài là: “thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi tuần hoàn cưỡng bức
”.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
Dương Mạnh Toàn
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.
Đồ án của em trình bày về thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức . Thiết bị
cô đặc tuần hoàn cưỡng bức có những ưu điểm như:
- Hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần và
có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ (3-

Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất
hóa chất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh
thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất. dung dịch được chuyển đi không
mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu. thiết bị dung để cô
đặc gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết
bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành
dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn
cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm…
Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết
bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được
sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất.
Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt
độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung
môi. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không
Dương Mạnh Toàn
bay hơi trong quá trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu
tử khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh.
- Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi. Để cô đặc
các dung dịch không chịu được nhiệt độ ( như dung dịch đường) đòi hỏi
cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc
chân không.
- Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó
thì một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường
là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các
cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên
dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp
và có khi phải dùng đến máy lạnh.
1. Phân loại thiết bị cô đặc:
Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên ta có thể

- Tách ly hơi thứ tốt.
- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi
đốt.
Dương Mạnh Toàn
2. Cô đặc nhiều nồi:
Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó
có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt.
Ngưyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:
Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này
đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,
…hơi thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần
lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ
tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch
nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, 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 thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở
áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không).
Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với
một nồi. Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1 kg hơi thứ trong hệ thống cô
đặc nhiều nồi sẽ tăng. Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1
kg hơi thứ:
Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg
Dương Mạnh Toàn
Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg
Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg
Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng

đen.
Dương Mạnh Toàn
Diêm tiêu kali còn dược dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt và
dùng trong công nghiệp thuỷ tinh. Ở nước ta nhân dân thường khai thác
diêm tiêu từ phân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở.
Phân dơi trong các hang đó lâu ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH3.
Dưới tác dụng của một số vi khuẩn, khí NH3 bị oxi hoá thành nitrơ và
axit nitric. Axit này tác dụng lên đá vôi tạo thành Ca(NO
3
)
2
, muối này
một phần bám vào thành hang, một phần tan chảy ngấm vào đất trong
hang. Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồi dùng nước sôi dội
nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO
3
Ca(NO
3
)
2
+ K
2
CO
3
→ 2KNO
3
+ CaCO
3
Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm
tiêu tuy ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong

dung dịch đi vào nồi thứ (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 (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
Dương Mạnh Toàn
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.
Hệ thống cô đặc xuôi chiều ( hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với
nhau từ nồi nọ sang nồi kia ) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp
hóa chất.Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi
sau nhờ sự chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước
sang nồi sau , do đó , dung dịch đi vào mỗi nồi ( trừ nồi 1 ) đều có nhiệt
độ cao hơn nhiệt độ sôi , kết quả là dung dịch đi vào sẽ được làm lạnh đi
và lượng nhiệt sẽ bốc hơi thêm một lượng hơi nước gọi là quá trình tự
bốc hơi.Nhưng khi dung dịch vòa nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ
sôi của dung dịch , thì cần phải đun nongd dung dịch , do đó tiêu tốn
thêm một lượng hơi đốt .Vì vậy , khi cô đặc xuôi chiều , dung dịch trước
khi vào nồi nấu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng
tụ.

Dương Mạnh Toàn
Dương Mạnh Toàn
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 KNO

2.1.2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi :
W
1
: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1
W
2
: Lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 2
Dương Mạnh Toàn
Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ ở hai nồi như sau:

1
2
1
=
W
W
Mà ta có: W
1
+ W
2
= 7714,2857
1429,3857
21
==⇒
WW
(kg/h)
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
= 28%
3.Tính cân bằng nhiệt lượng :
3.1.Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi:
3.1.1 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt trong mỗi nồi.
- Độ chênh lệch áp suất giữa hơi đốt nồi 1 và thiết bị ngưng tụ là:

)(65,335,04 atPPP
nthd
=−=−=∆
- Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:
Dương Mạnh Toàn

21
2
1
45,2
1
45,2
PP
P
P
∆=∆⇒=
∆
∆
mà:
65,3
21

°=⇒=
°=⇒=
05,7235,0
844,108408,1
9,1424
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
Dương Mạnh Toàn
Ta có:
Ctt

C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 4 t
1
=142,9 P
2
=1,408 t
2
=108,844
P
ng
=0.35 t
ng
=72,05
Hơi
thứ
P’
1
=1,4539 t’

K°
r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc J/kg
* Tra bảng (VI.2/ST2 – T63)
Cx
Cx
o
o
°=∆⇒=
°=∆⇒=
92,2%28
374,1%74.14
,
22
,
11
* Xác định nhiệt độ T
i
KT
KT
°=+=
°=+=
05,34627305,73
844,382273844,109
2
1
* Xác định r
i
:
Tra bảng (I.250/ST1 – T312)
kgJr

1
,
2
,
2
2
,
1
Dương Mạnh Toàn
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
(

3
2
3
1
mkgx
mkgx
dd
dd
=⇒=
=⇒=
ρ
ρ
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là
Dương Mạnh Toàn
)/(025,596
2
05,1192
)/(5941,547
2
1882,1095
3
2
3
1
mkg
mkg
dds
dds
==
==

=++=
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
Ct
Ct
tb
tb
°=
°=
315,78
528,111
2
1
Vậy:
Ctt
Ctt
tb
tb
°=−=−=∆
°=−=−=∆
265,505,73315,78
684,1844,109528,111
022
,,
2
011
,,
1
∑
°=+=∆+∆=∆⇒
C949,6265,5684,1

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
°=−=−=∆
85,6705,729,142
(CT VI.16/ST2 –
T67)
Vậy :
Ct
hi
°=−=∆
9146,549354,1285,67
Dương Mạnh Toàn
3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi
,,
2
,
2
,

s
s
°=−=−=∆
°=−=−=∆
0933,297507,80844,109
8213,290787,1139,142
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
2
i
3
W


)C
2.
t
s2
Dương Mạnh Toàn
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
C
d
, C
1
,Cn
1
,Cn
2,
C
2
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và
nước ngưng.
Qm
1
,Qm
2
: nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2

1
θ
.Cn
1
- Dung dịch mang ra : (G
d
– W
1
)C
1
t
s1
Dương Mạnh Toàn
- Nhiệt mất mát : Qm
1
=0,05D(i - C
1
1
θ
)
- Nồi 2 :
- Hơi thứ : W
2
i
3
- Nước ngưng : W
1
.
2
θ

1111111101
θθ
θ
CniDCnDtCWGiWtCGiD
QmCnDtCWGiWtCGiD
sdsdd
sdsdd
−++−+=+
++−+=+
(1)
- Nồi 2 :
222122122213211121
222122213211121
)(05,0)()(
)(.)(W
θθ
θ
CniWCnWtCWWGiWtCWGiW
QmCnWtCWWGiWtCWGi
sdsd
sdsd
−++−−+=−+
++−−+=−+
(2)
mà ta lại có:
WW
=+
21
W
(3)

- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
C
C
°=
°=
844,108
9,142
2
1
θ
θ
-Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Tra bảng I204/ Tr 236/ ST1 x
0
= 10% ↔: t
s0
=100,6953ºC
Đã tính được : t
s1
= 113,0787
o
C
t
s2
= 80,7507
o
C
- Nhiệt dung riêng của nước ngưng ở từng nồi tra theo bảng
(I.249/ST1 – T310)
θ

c
= 28 %
Áp dụng công thức I.44/ST1 – T152 ta có:
C
2
= C
ht
.x + 4186 (1- x)
Với C
hr
là nhiệt dung riêng của KNO
3
được xác định theo công thức
I.41/ST1 – T152:
M.C
ht
= n
1
.c
1
+ n
2
.c
2
+ n
3
.c
3
trong đó : M : KLPT của KNO
3

2
= 26000 J/kg.nguyên tử. độ
c
3
= 16800 J/kg.nguyên tử. độ
Vậy :