rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học

Họ và tên :
Lớp :
Khoa : Công Nghệ Hóa
GVHD :

Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức, cô đặc dung
dịch KOH với năng suất 6570 kg/h.
Chiều cao ống gia nhiệt: 3 m
Nồng độ đầu vào của dung dịch: 12,4%
Nồng độ cuối của dung dịch: 35,3%
Áp suất hơi đốt nồi 1: 4atm = 4,133at
Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2atm = 0,207at
GVHD:?????????????? 1 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
 !
∗∗∗∗∗
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ
dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy 000000000000 đã hướng dẫn em hoàn
thành đồ án này.
GVHD:?????????????? 3 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
1/
23
Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công
nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa
chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm
bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi,
phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc.
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 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

nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài
các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống.
- Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên
phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt.
- Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau:
- Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ
nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại.
- Có hệ số truyền nhiệt lớn.
- Tách ly hơi thứ tốt.
- Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
GVHD:?????????????? 5 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
A5>?@=&'%BC&D%
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:

2
+ ½O
2
Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá
của Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn.
Hỗn hợp của KNO3 và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh
liệt. Hỗn hợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than là thuốc súng đen.
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

bằng của tháo nước ngưng. Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc
gọi là hơi thứ. Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và
được dẫn sang buong đốt của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua
nồi thứ (7) do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau <
áp suất nồi trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó 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 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.

1/
YY
GVHD:?????????????? 9 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học

2
= 4262,1246 kg/h
⟹ W
1
= 2131,0623 kg/h
W
2
= 2131,0623 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
:nồng độ cuối của dung dich tại nồi 2
GVHD:?????????????? 10 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
Áp dụng công thức :
= 18,353 %
+ X
2
= 35,3%
E5[&'=6&;\&"&'%G+7#]&"
E545^=?<&'^_OCQ+HT&'%G+?`+a8&"Ub%&D%
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:

)(926,3207,0133,4 atPPP
nthd
=−=−=∆

= 1,397 at ⟹ t
2
= 108,633
o
C
P
nt
= 0,207 at ⟹ t
nt
= 60,33
o
C
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:
GVHD:?????????????? 11 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
+ Chọn
C°=∆ 1
,,
Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:
,
2
,
1

• Kết quả tính được cho ta bảng dưới đây:
Loại
Nồi 1 Nồi 2 Hơi ngưng tụ
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Áp suất Nhiệt độ
(
0
C)
Hơi
đốt
P
1
= 4,133 t
1
=143,9906 P
2
=1,397 t
2
=108,633
P
ng
=0,207 t
ng

.
=
∆=∆
(CT.VI.10/ST2 – T59)
∆’
o
: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của
dung môi ở áp suất thường
T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,
K°
r: ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg
* Tra bảng (VI.2/ST2 – T62)
Cx
Cx
o
o
°=∆⇒=
°=∆⇒=
33,17%3,35
57,8%353,18
,
22
,
11
* Xác định nhiệt độ T
i
KT
KT
°=+=
°=+=

10.234,2237
)633,382(
.57,8.2,16
3
2
,
2
3
2
,
1
⟹
o
C
3.2.2. Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh:
,,
∆
- Áp dụng công thức VI.13
4
2
1
,,
10.81,9
.
).
2
(
g
h
hPP

g
: gia tốc tọng trường m/s
2
• Khối lượng riêng của dung dịch KOH ở 20ºC ứng với mỗi nồng độ được
xác định theo bảng (I.46/ST1 – T42)
)/(3,1347%3,35
)/(53,1172%353,18
3
22
3
11
mkgx
mkgx
dd
dd
=⇒=
=⇒=
ρ
ρ
GVHD:?????????????? 14 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
Vậy khối lượng riêng của dung dịch sôi là
)/(65,673
2
3,1347
)/(265,586
2
53,1172
3
2

2
4
1
atP
atP
tb
tb
=++=
=++=
Tra bảng (I.251/ST1- T314)
Ct
Ct
tb
tb
°=
°=
184,72
92,111
2
1
Vậy:
Ctt
Ctt
tb
tb
°=−=−=∆
°=−=−=∆
854,1033,61184,72
287,2633,10992,111
022

”’
= 22,418 + 13,141 + 2 = 37,559
o
C
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
GVHD:?????????????? 15 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
∑
∆−∆=∆
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
°=−=−=∆
6606,8333,609906,143
(CT VI.16/ST2 – T67)
Vậy :
Ct
hi
°=−=∆ 1016,46559,376606,83
3.3.2. Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi
,,
2
,

3.3.3. Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi
CttT
CttT
s
s
°=−=−=∆
°=−=−=∆
117,23516,85633,108
9846,22006,1219906,143
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
2
i

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
C
d
, C
1
,Cn
1
,Cn
2,
C
2
: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu ,cuối và nước
ngưng.
Qm
1
,Qm

1
- Nước ngưng :D.
1
θ
.Cn
1
- Dung dịch mang ra : (G
d
– W
1
)C
1
t
s1
- Nhiệt mất mát : Qm
1
=0,05D(i - C
1
1
θ
)
GVHD:?????????????? 17 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
- Nồi 2 :
- Hơi thứ : W
2
i
3
- Nước ngưng : W
1

)(05,0 )(
)(
11111111101
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
=+

=
(5)
- Nhiệt độ nước ngưng lấy bằng nhiệt độ hơi đốt
GVHD:?????????????? 18 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
C
C
°=
°=
633,108
9906,143
2
1
θ
θ
-Nhiệt độ sôi của dung dịch:
Tra bảng I204/ Tr 236/ ST1 x
0
= 12,4% ↔: t
s0
=103,151ºC
Đã tính được : t
s1
= 121,006
o
C
t
s2
= 85,516
o

1
= 4186 (1- x) = 4186 (1- 0,18353) = 3417,743 (J/kg độ)
- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ x
c
= 35,3 %
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 KOH 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

1
= 26000 J/kg.nguyên tử. độ
c
2
= 16800 J/kg.nguyên tử. độ
c
3
= 9630 J/kg.nguyên tử. độ
Vậy :
25,936
56
96301680026000
=
++
=
ht
C
(J/kg độ)
Vậy: C
2
= 936,25.0,353 + 4186.(1- 0,353) = 3038,838 (J/kg độ)
- Xác định hàm nhiệt hới đốt và hơi thứ;
Tra bảng ( I.250/ST1 – 312 )
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
kgJiCt
/2,261074733,61
/4,2695339633,109
/4,2693539633,108

+ Tỷ lệ phân phối hơi thứ là
W
1
: W
2
= 1:1
GVHD:?????????????? 20 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
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 3417,743 4296,9765 143,9906 2131,0623 2085,936 2,15
2 3038,838 4231,2229 108,633 2131,0623 2176,1886 2,1

Tỷ lệ phân phối hơi thứ 2 nồi được thể hiên như sau W
1
: W
2
= 1: 1
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.

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
. độ
i1
∆
: hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi
ngưng của nồi I (
o
C ).
Giả thiết:
C
C
°=∆
°=∆
87,1
97,1
12
11
GVHD:?????????????? 22 SVTH:?????????????

Ti
+t
i
)
o
C ( * )
t
i
: nhiệt độ hơi đốt
t
Ti
: nhiệt độ bề mặt tường
mà ta lại có:
iiTi
Tiii
ttt
ttt
1
1
∆−=⇒
−=∆
( * * )
thay (**) vào (*) ta được :
iimi
ttt
1
5,0
∆−=
Với: t
1

C ⟹ A
2
= 182,4641
Vậy:
)/(527,10352
2.87,1
10.8276,2237
.4641,182.04,2
)/(0084,10748
2.97,1
10.047,2130
.3008,194.04,2
2
25,0
3
12
2
25,0
3
11
đômW
đômW
=








q
12
= 10352,527.1,87 = 19359,2255 (W/m
2
)
Bảng 4:
Nồi
Ct
i
°∆ ,
1
Ct
mi
°∆
,
A
domW
i
2
1
/,
α
2
1
/, mWq
i
1 1,97 143,0056 194,3008 10748,0084 21173,577
2 1,87 107,698 182,4641 10352,527 19359,2255
4.3. Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi
i2


i
t
2
∆
: hiệu số nhiệt độ giữa thành ống với dung dịch sôi.
TiiiddiiTi
ttTttt
∆−∆−∆=−=∆
122
GVHD:?????????????? 24 SVTH:?????????????
rường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn QTTB CN Hóa Học
- Hiệu số nhiệt độ giữa 2 mặt thành ống truyền nhiệt
∑
=∆ rqt
iTi
.
1
,
o
C
- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt
∑
++=
λ
δ
21
rrr
m
2

-3
[m
2
độ/ W]

⇒
Ct
Ct
T
T
°==∆
°==∆
−
−
816,1210.662,0.2255,19359
017,1410.662,0.24,21431
3
2
3
1
Vậy :
Ct
Ct
°=−−=∆
°=−−=∆
643,8816,1287,1329,23
998,6017,1497,1985,22
22
21
*