GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 1

Mục lục
Mục lụcMục lục
Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................3

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC
I. Nhiệm vụ của đồ án
II. Giới thiệu về nguyên liệu
III. Khái quát về cô đặc
1.Đònh nghóa
2.Các phương pháp cô đặc
3.Bản chất của sự cô đặc do nhiệt
4.Ứng dụng của sự cô đặc
IV.Thiết bò cô đặc nhiệt
1.Phân loại và ứng dụng
2.Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc
V. Lựa chọn thiết bò cô đặc dung dòch NaNO
3PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

PHẦN IV THIẾT BỊ PHỤ
I.Thiết bò gia nhiệt
1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi
2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch
3.Nhiệt tải riêng phía tường
4.Diện tích bề mặt truyền nhiệt
II.Thiết bò ngưng tụ
1.Chọn thiết bò ngưng tụ
2.Tính toán thiết bò ngưng tụ
III.Tính bơm
1.Bơm chân không
2.Bơm nước vào thiết bò ngưng tụ
3.Bơm đưa dung dòch nhập liệu vào bơm cao vò
4.Bơm tháo liệu
IV.Tính cho bồn cao vò
V. Bề dày cách nhiệt
VI.Cửa sửa chữa
VII.Kính quan sát
PHẦN V TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

LỜI KẾT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 3
PHẦN ITỔNG QUAN
VỀ
CÔ ĐẶC
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 5 I.NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
:
Thiết kế dây chuyền cô đặc chân không 1 nồi hoạt động liên tục. Có hệ
thống tự động hoá hoàn chỉnh.

o
C) 60(
o
C)
20% 1.59 1.18 1.03 0.86 0.72 0.62
25% 1.78 1.25 1.14 0.95 0.8 0.69
30% 2.05 1.33 1.3 1.07 0.91 0.79
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 6
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 chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bò.
* NaNO
3
được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như:
▪ 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 sunfuric…
▪ 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

*Tính chất nguyên liệu:

• Khối lượng nguyên liệu: 84.9947
• Điểm tan chảy: 307
o
C

SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 7
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 phần 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.Tách không khí và lắng keo
(protit) sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc
4.Úng dụng của sự cô đặc:
Trong sản xuất thực phẩm,cô đặc các dung dòch đường ,mì chính,các dung dòch
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 hoá chất, thực phẩm đều sử
dụng thiết bò cô đặc như một thiết bò 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 máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu
quả của thiết bò cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bò hiện đại,
đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức
chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bò
cô đặc.

IV. CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT:

1.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình:

-Cô đặc áp suất thường (thiết bò hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi.
Thường dùng cô đặc dung dòch liên tục để giữ mức dung dòch cố đònh để đạt năng
suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dòch đạt
được là không cao.
-Cô đặc áp suất chân không: Dung dòch có nhiệt độ sôi dưới 100
o
C, áp suất
chân không. Dung dòch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.
-Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên
lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực
hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích
khác để nâng cao hiệu 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.

⇒
Đối với mỗi nhóm thiết bò đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt
ngoài, có ống tuần hoàn hay không. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của
dung dòch mà ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất
thường hay áp suất dư.
2. Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc:

-Thiết bò chính
:
 Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.
 Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…
 Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng…
-Thiết bò phụ:

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 10
PHẦN III

THUYẾT
MINH QUY
TRÌNH
CÔNG NGHỆ

gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dòch đi trong
ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảng không gian phía ngoài ống. Hơi đốt sẽ ngưng tụ
bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dòch chuyển động bên trong
ống. Dung dòch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng
tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hóa hơi một phần dung môi. Hơi ngưng tụ theo ống dẩn
nước ngưng qua bẩy hơi chảy ra ngoài.
Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là : Khi làm việc dung
dòch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi –lỏng có khối lượng riêng
giảm đi và bò đẩy từ dưới lên trên miệng ống,còn trong ống tuần hoàn thể tích
dung dòch theo một đơn vò bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt ,do
đó lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn;Ví vậy khối lượng riêng của
khối hỗn hợp hơi-lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền nhiệt,sẽ bò đẩy xuống dưới.
Kết quả là tạo một dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bò:từ dưới lên
trên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn.
Phần phía trên thiết bò là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng hơi thành 2 dòng,
dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận tách giọt để tách những giọt
lỏng ra khỏi hơi thứ. Giọt lỏng chảy xuống dưới, hơi thứ tiếp tục đi lên, dung dòch
còn lại được hoàn lưu trở lại.
Dung dòch sau khi cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ
bơm ly tâm, vào bể chứa sản phẩm. Hơi thứ và khí không ngưng đi ra phía trên của
thiết bò cô đặc vào thiết bò ngưng tụ baromet. Thiết bò ngưng tụ Baromet là thiết bò
ngưng tụ kiểu trực tiếp. Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của
thiết bò, dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn cuối của thiết bò. Dòng hơi thứ đi lên gặp
nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa , khí không
ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí không
ngưng được bơm chân không hút ra ngoài. Khi ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 12
thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bò áp suất sẽ

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 13
PHẦN III

TÍNH TOÁN
VÀ
THIẾT KẾ
THIẾT BỊ
CHÍNH GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 14
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNG:

1. Dữ kiện ban đầu:

Nồng độ đầu x
đ

G x
G kg h
x
× = ×
× ×
⇒ = = =
(1)
2. Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W):

Theo công thức 5.17, [5], tr277:

4500 1500 3000 /
d c
d c
G W G
W G G kg h
= +
⇒ = − = − =
(2)
Trong đó: G
c
– suất lượng tháo liệu (năng suất).
3. Tổn thất nhiệt độ:

• Ta có áp suất tại thiết bò ngưng tụ
P
c
=0.6at nhiệt độ của hơi thứ trong
TBNT
T

0
=ø 0,6275 at.

3.1.Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng (∆
∆∆
∆’):

Theo Tisenco CTVI10,[2], tr 59:
∆’ = ∆’
o
. f
(3)
Ở đây :
 ∆
o
’ - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dòch lớn hơn nhiệt độ
sôi của dung môi ở áp suất khí quyển.

Do cô đặc có tuần hoàn dung dòch lấy a=x
c
=45%
Tra từ đồ thò(HVI.2,[2],tr60) được ∆’
0
=8.4
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 15

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính:
f

∆∆
∆’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dòch đến giữa ống là ∆P (N/m
2
), ta có:
∆P =
2
1
ρ
S
.g.H
op
N/m
2
(6)
Trong đó:
 ρ
s
: khối lượng riêng trung bình của dung dòch khi sôi bọt, kg/m
3

ρ
s
=0.5 ρ
dd
(7)
.ρ
dd
: Khối lượng riêng thực của dung dòch đặc không có bọt hơi,

.Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là h
o
= 2 m (theo B VI6,[2],tr80)
.
dm
ρ
: khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dòch 96
0
C ,
Tra bảng I.249 [1],tr310 :
r
dm
=961.12 kg/m
3
H
op
= [0.26+0.0014(ρ
dd
-ρ
dm
)].h
o
=[0.26+0.0014(1331.64-961.12)]*2=1.557456 m

atP 05185.0
1081.9
557456.1
81.982.6655.0
4
=

SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 16
*Tacó

( ) ( )
00
PtPPt
sdmsdm
−∆+=∆
′′
([3],tr108) (8)

( ) ( )
00
PtPPt
sddsdd
−∆+=∆
′′
(9)
Suy ra :
∆” = 88.5153 – 86.5 = 2.0153
0
C
T
sdd(Ptb)
=t
sdd(Po)
+∆” =94.169+2.0153=96.1843
o
C

– (T
c
+Σ∆) (11)
Ct
O
hi
7157.466843.105.859.142 =−−=∆⇒
Thông số Ký
hiệu
Đơn vò Giá trò
Nồng độ nhập liệu x
đ
%kl 15
Nồng độ sản phẩm x
C
%kl 45
Năng suất nhập liệu G
đ
kg/h 4500
Năng suất sản phẩm G
c
kg/h 1500
HƠI THỨ
Lương hơi thứ thoát ra W kg/h 3000

sdd
(p
0
)
0
C 94.169
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ
∆'
0
C 7.669
p suất ở lớp trung bình p
tb
at 0.67935
Nhiệt độ sôi trung bình dm
( )
tbsdm
Pt

0
C 88.5153
Tổn thất t
0
do cột thủy tónh
∆"
0
C

2.0153
Nhiệt độ sôi dd ở áp suất
TB


46.7157

4. Cân bằng năng lượng:

Cân bằng nhiệt lượng:
Nhiệt vào:

- Do dung dòch đầu: G
đ
c
đ
t
đ

- Do hơi đốt: Di”
D

- Nhiệt do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt:
D
DcT
ϕ

Nhiệt ra:

- Hơi thứ mang ra: Wi”
W

- Nước ngưng tụ: Dcθ
- Sản phẩm mang ra: G



Dòng hơi đốt : T
D
= 142.9
o
C
-Vậy nhiệt độ đầu vào thiết bò cô đặc là t
đ
= 94.169
o
C
- Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bò
t
c
= t
sdd
(P
o
) + 2
∆
′′
(CT2.15,[3],tr107) (12)

⇒
t
c
= 94.169 + 2*2.0153 = 98.1996
o
C

G
đ
c
đ
t
đ
+ D.i”
D
+
D
DcT
ϕ
= W.i”
W
+ D.c.θ + G
c
c
c
t
c
± Q
cđ
+ Q
tt

(13)
(+Q
cđ
)khi cô đặc thu nhiệt
(-Q


(13)
⇒
D(1-
ϕ
)(i”D- cθ) + G
đ
c
đ
t
đ
= G
c
c
c
t
c
+ W(.i”W- cθ) + Q
tt
(14)

Thay Q
tt
=
ε
Q
D
=0.05Q
D



D
ccWdddccc
r
tciWtcGtcG
D
)1)(1(
)."(....
ϕε
−−
−+−
=
skg
D
/871.0
)10*5.2135)(05.01)(05.01(
)1996.98*55.284410*7.2655(*
3600
3000
169.94*1.3558*
3600
4500
1996.98*55.2844*
3600
1500
3
3
=
−−
−+−

Nhiệt độ vào BB t
đ

0
C 94.169
Nhiệt độ ra lấy tại đáy BD t
C

0
C 98.1996
Nhiệt dung riêng dd 15% C
đ
kJ/kgđộ 3.5581
Nhiệt dung riêng dd 45% C
C
kJ/kgđộ 2.84455
Nhiệt tổn thất Q
tt
W 83935
Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Q
D
W 1.6787*10
6

Lượng hơi đốt phải dùng D kg/s 0.871
Lượng tiêu hao riêng d kg/kg 1.0452


1
1






∆×
××=
tH
r
A
α

Trong đó:
r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước ở áp suất hơi đốt là 4 at.
Tra [1],tr314: r = 2135.5*10
3
J/kg
H - chiều cao ống truyền nhiệt, H = h
o
= 2 m.
A - phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng t
m

t
m
= (t
D

K.

11 vD
ttt −=∆ (19) 61,729,1359.142
1
=−=∆t
KmW
225.0
3
1
/7485,7653)
61,72
105.2135
(7285.19304.2 =
×
×
××=⇒
α

Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng111
. tq ∆=
α















×








×






0,5
. ∆t
2,33
(CTV.91,[2],tr26) (22)
Với P = P
o
= 0.6275at = 61557.75N/m
2
,
Sau khi tính lặp t
v2
= 99.497
o
C Cttt
o
Posdmv
686,95.86497.99)
(2
=−=−=∆⇒

233.25.0
/73032,7140)686,9()75.61557(145.0 mW
n
=××=⇒
α

C
dd
- nhiệt dung riêng của dung dòch ,J/kg.C
C

- độ dẫn nhiệt dung dòch, w/m
2
K
λ
n
- độ dẫn nhiệt nước (ở 88.5153
o
C),W/m
2
K
Nồng độ
ρ
n
ρ
dd
µ
dd
µ
n
C
dd
C
n
λ
dd
λ
n

45% 967.61 1331.64 0.4
3

-8
+ M : khối lượng mol của hỗn hợp lỏng. Ở đây là hỗn hợp của NaNO
3
và H
2
O:

3 3
.85 (1 ).18
NaNO NaNO
M a a= + −

34
NONH
a

: nồng độ phần trăm mol của NaNO
3

→
85 (1 ).18M a a= + −
Giả sử nồng độ NaNO
3
trong dung dịch x = 30 % khối lượng ( lấy khoảng trung
bình)
GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 22
[ ]
mola %0832.0

/167,6041=⇒
α

3. Nhiệt tải riêng phía tường (q
v
):
Ta có
q
v
=
v
vv
r
tt
∑
− 21

Trong đó:
Σr
v
- tổng trở vách.
Σr
v
= r
1
+ δ/λ + r
2
(24)

v

OX18H10T)
∆t
v
: chênh lệch nhiệt độ của tường, ∆t
v
= t
v1
- t
v2, ,
K
4348406,31105397.0026,58245
3
=××=∑×=∆
−
vvv
rqt (25)
Quá trình cô đặc ổn đònh thì
v
qqq ==
21

Nhiệt tải riêng phía dung dòchCttt
o
Posddv
686,32819.5169.948555159,103
)(22
=−=−=∆ (26)

v1

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học
SVTH: Phan Thi Kim Nên
Trang 23
• Tính ∆ t
2

• Tính được q
2

• So sánh sai số giữa q
1
và q
2
.
Nếu sai số lớn thì quay về bước 1 và có sự hiệu chỉnh nhiệt độ ∆t
1
. Quá
trình này dừng lại khi sai số bé hơn 5%.
So sánh q
1
và q
2
ta thấy

%5%4626,0%100*
71,58515
026,5824571,58515
%100

K
(29)
r
v
= 0,5397*10
-3

α
2
= 6041,167 W/m
2
.độ
α
1
= 7653,74849 W/m
2
.độ
K=1196,335579W/m
2
K

6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt:F =
hi
tK
Q
∆.
=1.6787*10

h
h
/2264.2
3743.03600
3000
3
=
×
==
ρ

Trong đó:
 W– lượng hơi thứ bốc hơi ( Kg/h )

ρ
h
– khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc P
O
=
0,6275
ρ
h
=0,3743

, tr314,[1]
Vận tốc hơi:
Vận tốc hơi thứ trong buồng bốc:

222
83474.2

bb
DD
dg
w =
×××
×−××
=
××
×−××
=
ρξ
ρρ

(31)
Trong đó:

 ρ' - khối lượng riêng của giọt lỏng, tr 310,[1]:ρ' = 967.61kg/m
3

 ρ'' - khối lượng riêng của hơi, tr 314,[1]: ρ'' = 0,3743 kg/m
3

 d - đường kính giọt lỏng, từ diều kiện ta chọn d =0,0003 m.
 g = 9,81 m/s
2
.
 ξ- hệ số trở lực, tính theo Re:
232
5261.26
10012.0

Trang 25
⇒ ξ = 2,588*D
b
1,2
(34)
• Theo [5], điều kiện: W
hoi
< 70% - 80% W
o
.
Chọn:
w
hoi
< 70% w
o
(35)

6,02
979423.1
7.0
83474.2
bb
DD
<<⇒
⇒
2.013<D
b
<5.65
Chọn D
b


• f = 1,1 (theo đồ thò H VI.3, tr72,[2]
⇒
U
tt
= 1650*1.1 = 1815 m
3
/m
3
.h
Trong đó:

 f - hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyển.
 U
tt
(1 at ) - cường độ bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian
họi(thể tích hơi nước bốc hơi trên một đôn vò thể tích của không gian
hơi trong một đơn vò thời gian),m
3
/m
3
.h
*Thể tích buồng bốc
:
tth
b
U
W
V
×

×
=
ππ
(38)
Để an toàn ta chọn H
b
= 2 m (theo điều kiện cho quá trình sôi sủi bọt).
2. Kích thước buồng đốt:

 Xác đònh số ống truyền nhiệt :

Số ống truyền nhiệt được tính theo công thức : n=
ld
F
..
π
(39)(CT III.49,tr134,[4])
 F= 40 m
2
: diện tích bề mặt truyền nhiệt