GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
(Quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực Phẩm)
1. Họ và tên nhóm sinh viên

:Vũ Thị Thảo
:Lê văn Thịnh
:Phan Tiến Thịnh

Lớp

:DH10H1

Khoa

:Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm

Ngành

:Công nghệ kỹ thuật hóa học

Chuyên ngành

:Hóa dầu

2. Đầu đề ( nhiệm vụ thiết kế ):
Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc
NH4NO3 với các số liệu sau:

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

4.7. Mục lục
5. Bản vẻ phải hoàn chỉnh
5.1. Dây chuyền công nghệ quá trình sản xuất
5.2. Thiết bị chính và chi tiết cơ khí
6. Ngày giao nhiệm vụ:.........................................................................
Ngày hoàn thành nhiệm vụ..............................................................
7. Gỉang viên hướng dẫn:
Xác nhận của trưởng khoa cho phép

Xác nhận của giảng viên hướng

bảo vệ

dẫn sinh viên đã hoàn thành
nhiệm vụ được giao đầy đủ.

Thành phần hội đồng bảo vệ:

Điểm: Số........; Chữ............

1.
2.
3.
4.
5.

Vũng Tàu, ngày……tháng….năm….


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn


2.3.7 Vỉ ống...............................................................................................
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

2.3.8 Khối lượng và tai treo.......................................................................
2.3.9 Các đường ống dẫn, cửa...................................................................
CHƯƠNG 3: CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ PHỤ........................................................
3.1 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET........................................................
3.1.1 Chi phí nước để ngưng tụ.................................................................
3.1.2 Lượng không khí do bơm hút từ thiết bị ngưng tụ..........................
3.1.3 Đường kính thiết bị ngưng tụ...........................................................
3.1.4 Kích thước tấm ngăn........................................................................
3.1.5 Chiều cao thiết bị ngưng tụ..............................................................
3.1.6 Đường kính ống baromet.................................................................
3.1.7 Chiều cao ống baromet.....................................................................
3.1.8 Các kích thước khác.........................................................................
3.2 BƠM...........................................................................................................
3.2.1 Bơm chân không...............................................................................
3.2.2 Bơm nhập liệu..................................................................................
3.2.3 Bơm vào thiết bị ngưng tụ................................................................
KẾT LUẬN...............................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................

LỜI NÓI ĐẦU



GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kê hệ thống cô đặc một nồi gián đoạn
ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc NH4NO3 từ nồng độ 33% đến nồng độ 50%,
năng suất 3 m3/mẻ.
1.2 TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU

-

NH4NO3 là một

-

Nhiệt độ nóng chảy là……..(khan)

-

Nhiệt độ sôi là……….(khan)

-

Độ nhớt là ….


thoáng chất lỏng.
Phương pháp lạnh: khi hạ 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 nông 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.
1.3.3 Phân loại và ứng dụng
1.3.3.1

Theo cấu tạo

 Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá
loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt
truyền nhiệt. Gồm:
- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng đốt), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc
ngoài.
- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt).
•

Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 –
3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho
dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:
Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

1

2 Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.
•

Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm
biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch

quả kinh tế.
Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
5
•

Ưu điểm và nhược điểm của cô đặc chân không gián đoạn
Uư điểm:

6

Giữ được chất lượng, tính chất sản phẩm, hay các cấu tử dễ bay hơi.

7

Nhập liệu và tháo sản phẩm đơn giản, không cần ổn định lưu lượng.

8

Thao tác dễ dàng.

9

Có thể cô đặc đến các nồng độ khác nhau.

10

Không cần phải gia nhiệt ban đầu cho dung dịch.

11

- Sau đó bơm dung dịch ban đầu có nồng độ 33% từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô
đặc bằng bơm ly tâm. Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 15 phút đến khi nhập đủ
3m3 thì ngừng.
- Khi đã nhập liệu đủ 3m3 thì bắt đầu cấp hơi đốt (là hơi nước bão hòa ở áp suất 3 at)
vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch. Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống
chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn. Dung dịch chảy trong
ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống. Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn
qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên
dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng
riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống
truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền
nhiệt). Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua
buồng bốc và thiết bị tách giọt. Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và
được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa.
Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được
bơm chân không hút ra ngoài. Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước
ngưng, qua bẩy hơi rồi được xả ra ngoài.
- Quá trình cứ tiếp tục đến khi đạt nồng độ 40% (sau thời gian cô đặc đã tính: 45
phút) thì ngưng cấp hơi. Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng mở van tháo
liệu.
2. Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ
a. Bơm
Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không.
+ Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng
dòng. Bánh guồng được gắn trên trục truyền động. Ống hút và ống đẩy.
Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NH4NO3 từ bể chứa nguyên liệu vào nồi
cô đặc.
DH10H1

Trang 7

DH10H1

Bẩy hơi
Các thiết bị đo áp suất, đo nhiệt độ, các loại van.

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Chương 2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1.1 CÂN BĂNG VẬT CHẤT
Các số liệu ban đầu:
•Dung dịch NH4NO3:
-Nhiệt độ đầu 25oC, nồng độ đầu 33%
-Nồng độ cuối 50%
•Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất 3at.
•Áp suất ngưng tụ: Pck=0,6 at.
Cô đặc gián đoạn với năng suất 3m3/mẻ.
2.1.1.1

Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ

Nồng độ,%
Khối lượng riêng,
kg/m3
2.1.1.2

50%
1031,47


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

• Lượng sản phẩm ( là dung dịch NH4NO3 40%)
Gc = Gđ . = 3094,2. = 2552,7 kg
• Lượng hơi thứ
W = Gđ – Gc = 3094,2 – 2552,7 = 541,5 kg
b. Giai đoạn 40% đến 45%
Gđ = 2552,7 kg ; xđ = 0,4 ; xc = 0,45
 Gc = Gd .= 2552,7 . = 2269 kg
W = Gđ – Gc = 2552,7 – 2269 = 283,7 kg
c. Giai đoạn 45% đến 50%
Gđ = 2269 kg ; xđ= 0,45 ; xc=0,5

 Gc= Gđ. = 2269 .= 2042,1 kg
W = 2269 – 2042,1 = 226,9 kg
• Tổng lượng hơi thứ bốc hơi
W= 541,5 + 283,7 + 226,9 = 1052,1 kg
• Ta có bảng tóm tắt kết quả cân bằng vật chất

Nồng độ dung dịch, %

33%

40%

0

541,5

825,2

1052,1

1031,40

1031,42

1031,45

1031,47

2.1.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Áp suất thiết bị ngưng tụ Po=0,35at
=>

Nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ t0=72,050C( bảng I.251 trang 314 tài liệu [1]).
Chọn tổn thất nhiệt độ từ nồi cô đặc về thiết bị ngưng tụ= 1K

=>

Nhiệt độ hơi thứ ở buồng đốt t1=72,05+1=73,050C

DH10H1

Trang 7


4,7

6,25

7,5

9,1

Nhiệt độ sôi dung
dịch ở Pa,0C

104,7

106,25

107,5

109,1

a. Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch

NH4NO3 theo nồng độ ở áp suất P1=0,3636 at
Theo phương pháp Babo (công thức 5.9 trang 150 tài liệu[3])

(=(
 Xét dung dịch NH4NO3 33%
Nhiệt độ dung dịch NH4NO3 33% ở Pa = 1,0333 at là 104,7oC
Ở 104,7oC áp suất hơi nước bão hòa là 1,2201at ( bảng I.205 trang 312 tài liệu [1]).
Ta cần xác định nhiệt độ sôi dung dịch ở t1 = 0,3636at

50

77,77

77,9

78

80,9

4,72

4,85

4,95

7,85

a. Tổn thất nhiệt độ do hiệu ứng thủy tĩnh . Nhiệt độ sôi dung dịch

ở áp suất trung bình:
Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]
- =Với:

+ 0,5 = P1 +
 .g.Hop
 =

Trong đó: - Khối lượng riêng dung dịch tính theo nồng độ cuối ở nhiệt độ
-

Nhiệt độ sôi của H2O ở 0,3756 at là 73,76oC (Bảng I.251 trang 314 Tài liệu [1])
Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh
’’

= - = 73,76 – 73,05 = 0,71oC

=> Nhiệt độ sôi dung dịch NH4NO3 33% ở áp suất P1 +
= 77,77 + 0,71 = 78,48oC
 Tính tương tự ta được:
Nồng độ dung dịch, %
’’ o

, C

2.1.2.2

33

40

45

50

0,71

0,71

0,71



C

: nhiệt dung riêng nước ngưng ở , J/kg độ

cđ, cc

: nhiệt dung riêng dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, J/kg độ

tđ, tc

: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối mỗi giai đoạn, oC
: entanpi của hơi đốt, J/kg
: entanpi của hơi thứ, J/kg

Qt

: nhiệt lượng tổn thất, J

Qcđ

: nhiệt lượng cô đặc, J

 Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ( do có 5% hơi nước ngưng cuốn theo)
QD = D.(1 r = nhiệt hóa hơi của nước ở áp PĐ
 Nhiệt dung riêng của dung dịch
Tính theo công thức 4.11 trang 182 Tài liệu [4]
cdd = 4190.(1-x) + c1.x
Trong đó
x: nồng độ dung dịch

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

 Nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất 3at
r =2171.103 J/kg độ (Bảng I.251 trang 314 tài liệu [1])
Entanpi của hơi thứ ở 73,05oC
.103 J/kg (Bảng I.250 trang 312 Tài liệu [1])
 Tổn thất nhiệt Qt = 0,05.QD
 Xem nhiệt độ cô đặc là không đáng kể
a. Giai đoạn đưa dung dịch 33% từ 25oC đến 78,48oC
GD = GC = 3094,2 kg
cđ = cc = 3388,1 J/kg độ
tđ = 25oC ; tc = 78,48oC ; W = 0 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q1 =3094,2.3388,1.(78,48 – 25) = 5,6.108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
Q1 = = 5,9.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D1 = = 286,07 kg
b. Giai đoạn đưa dung dịch từ 33% đến 40%
GD = 3094,2 kg ; cđ = 3388,1 J/kg độ ; tđ = 78,48oC
GC = 2552,7 kg ; cc = 3218 J/kg độ ; tc = 78,61oC
W = 451,5 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q2 = 2552,7.3218.78,61 + 541,5.2632,2.103 – 3094,2.3388,1.78,48
Q2 = 12,48.108J
Nhiệt lượng cần cung cấp (kể cả tổn thất)
DH10H1

Trang 7


GC = 2042,1 kg ; cc = 2975J/kg độ ; tc = 81,61oC
W = 226,9 kg
Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình
Q4 = 2042,1.2975.81,61 – 2269.3096,5.78,71 + 226,9.2632.2.103
Q4 = 5,40.108J
Nhiệt lương cần cung cấp ( kể cả tổn thất nhiệt)
QD4 = = 5,68.108J
Lượng hơi đốt sử dụng
D4 = = 275,6 kg
Tổng lượng nhiệt
QD = 5,9.108 + 13,14.108 + 6,88.108 + 5,68.108 = 31,60.108J
Tổng lượng hơi đốt
D = 286,07 + 637,13 + 333,8 + 257,6 = 1532,6 kg
Lượng hơi đốt riêng
Driêng = = = 1,46 kg/kg hơi thứ
Tóm tắt cân bằng năng lượng

Nồng độ dung dịch, %

33

33

40

45

50

Nhiệt độ sôi dung dịch, oC


Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*108
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Lượng hơi đốt sử dụng, kg

286,07

923,2

2.2 TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH – NỒI CÔ ĐẶC
2.2.1 Hệ số truyền nhiệt
2.2.1.1 Hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi
a. Các kí hiệu và công thức
: hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi, W/m2K
: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi, W/m2K
q1

: nhiệt tải riêng phía hơi ngưng, W/m2

q2

: nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi, W/m2


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

= tv2 – tdd
= tv1 – tv2
tm = (tD + tv1) : nhiệt độ màng nước ngưng, OC
Phía hơi ngưng
q1 = .

(1)

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]
= 2,04.A.

(2)

Với A = ( phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm

tm, oC

40

60

80

100


:

khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ tm, kg/m3

λ :

hệ số cấp nhiệt của nước ở nhiệt độ tm, W/mK

:
r :

độ nhớt của nước ở nhiệt độ tm, Pas
ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở nhiệt độ tD
r = 2171.103 J/kg

H = 1,5 m: chiều cao ống truyền nhiệt
DH10H1

Trang 7


GVHD : TS. Nguyễn Văn Toàn

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Phía dung dịch
Q2 = . (3)
Theo công thức VI.27 trang 71 Tài liệu [2]
=.



Các thông số của dung dịch
 tra ở bảng I.107 trang 101 Tài liệu [1] (ở 40OC)
 tính theo công thức I.32 trang 123 Tài liệu [1]
λ= 3,58.10-8.cdd.. ,W/mK
Mdd =
Với x : nồng độ dung dịch
 cdd và xác định theo nồng độ
Chọn A = 3,58.10-8

Nồng độ dung dịch, %

33

40

45

50

78,48

78,61

78,71

81,61

, kg/m3


26,1

27,6

29,4

, W/mK

0,44

0,40

0,38

0,36

tdd, oC

, Ns/m2

Phía vách ống truyền nhiệt
DH10H1

Trang 7