Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

Chia sẻ: Nguyen Cong Nam | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

462
lượt xem 136
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM Lớp : DHHD7LT 11288601 TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301 Khoá : 2011 − 2013 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về nguyên liệu 1 1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc 1 1.3. Cô đặc nhiều nồi 1 CHƯƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 3 2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ 3 2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ 4 CHƯƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 6 3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu 6 3.2. Cân bằng nhiệt lượng 6 3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi 6 3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ 7 3.2.3. Xác định...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY − THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601 TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301 Lớp : DHHD7LT Khoá : 2011 − 2013 TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601 TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301 Lớp : DHHD7LT Khoá : 2011 − 2013 ii
BỘ CÔNG THƢƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc __________________ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN CÔNG NAM MSSV: 11288601 LỚP: DHHD7LT TRẦN TRỌNG NGUYỄN MSSV: 11265301 LỚP: DHHD7LT 1. Tên đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều dùng để cô đặc dung dịch NaOH 2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) Số liệu ban đầu: GD = 2500 kg/h; XD = 15%, Xc = 30% (theo khối lƣợng) Nội dung: – Giới thiệu tổng quan (tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc) – Qui trình công nghệ (đƣa ra sơ đồ và thuyết minh qui trình công nghệ) – Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lƣợng – Tính toán thiết kế thiết bị chính (tính toán về các thông số về đƣờng kính, chiều cao, bề dày và các chi tiết khác ) – Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A1 gồm: bản vẽ quy trình công nghệ, bản vẽ cấu tạo chi tiết thiết bị chính 3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ngày 15 tháng 10 năm 2012 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: tháng 12 năm 2012 5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.s TRẦN HOÀI ĐỨC Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2012 TỔ TRƢỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Ngƣời duyệt: ............................................................... Đơn vị: ........................................................................ Ngày bảo vệ................................................................ Điểm tổng kết: ............................................................. Nơi lƣu trữ: ................................................................. i
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012 Ngƣời nhận xét Th.S Trần Hoài Đức ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012 Ngƣời nhận xét iii
MỤC LỤC CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................... 1 1.1. Tổng quan về nguyên liệu ............................................................................. 1 1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc ...................................................................... 1 1.3. Cô đặc nhiều nồi ............................................................................................ 1 CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT................................... 3 2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ ....................................................................... 3 2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ ......................................................................... 4 CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT ............................................................. 6 3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu .................................................... 6 3.2. Cân bằng nhiệt lƣợng .................................................................................... 6 3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi ....................................................... 6 3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ..................................................................... 7 3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất ........................................................................ 7 3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi ............................................. 9 3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi ........................................... 9 3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi ...................................... 10 CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN KÍCH THƢỚC THIẾT BỊ CHÍNH .................................. 13 4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt .............................................. 13 4.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngƣng tụ hơi .............................................. 13 4.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................ 13 4.1.3. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu ................... 16 4.2. Tính toán buồng đốt..................................................................................... 18 4.2.1. Đƣờng kính buồng đốt ........................................................................... 20 4.2.2. Bề dày của thân buồng đốt .................................................................... 21 4.2.3. Bề dày đáy buồng đốt ............................................................................ 23 4.3. Tính toán buồng bốc .................................................................................... 25 4.3.1. Đƣờng kính buồng bốc .......................................................................... 25 4.3.2. Chiều cao buồng bốc ............................................................................. 25 4.3.3. Bề dày buồng bốc .................................................................................. 26 4.3.4. Bề dày nắp buồng bốc ........................................................................... 27 4.4. Đƣờng kính các ống dẫn ............................................................................. 28 4.4.1. Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt .................................................................. 29 4.4.2. Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ ................................................................. 29 4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch ............................................................. 30 4.5. Chiều dày vĩ ống .......................................................................................... 32 4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt ............................................................................. 32 iv
4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn ................................................ 32 4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị .......................................... 34 4.7. Chọn mặt bích ............................................................................................. 35 4.7.1. Buồng đốt .............................................................................................. 35 4.7.2. Buồng bốc.............................................................................................. 35 4.8. Chọn tai treo ................................................................................................ 36 4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt ..................................................................... 37 4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt .................................................................... 37 4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc .................................................................... 37 4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc ................................................................... 37 4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt ...................................................................... 37 4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng ........................................................................ 38 4.8.7. Khối lƣợng cột hơi ................................................................................. 38 4.8.8. Khối lƣợng bích ..................................................................................... 38 4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt .................................................................. 39 4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống .................................................................................. 39 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .......................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 42 v
LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thƣờng phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật ngƣời ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phƣơng 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 dạng ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cƣỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn trung tâm đƣợc dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, dùng cô đặc dung dịch có độ nhớt tƣơng đối và 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 ngƣời ta thƣờng sử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Để bƣớc đầu làm quen với công việc của một kỹ sƣ công nghệ là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chúng em đƣợc phân công đồ án học phần. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bƣớc tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lƣợng kiến thức của các môn “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lƣợng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan mỗi sinh viên có thể tự tính toán thiết kế một thiết bị công nghệ theo yêu cầu. 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 tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Trong đồ án môn học này, chúng em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch NaOH với công suất 2500 kg/h từ nồng độ đầu 15% lên tới 30% theo khối lƣợng. vi
DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ....................................................................... 7 Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ ................................................................. 8 Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ) .................................................... 8 Bảng 4. 1. Đường kính các loại ống dẫn ................................................................... 32 Bảng 4. 2. Ống dẫn hơi đốt ....................................................................................... 33 Bảng 4. 3. Ống dẫn hơi thứ....................................................................................... 34 Bảng 4. 4. Ống dẫn dung dịch .................................................................................. 34 Bảng 4. 5. Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc. ............................................. 36 Bảng 4. 6. Kích thước bích nối các ống dẫn ............................................................ 36 Bảng 4. 7. Khối lượng bích ....................................................................................... 39 Bảng 4. 8. Các thông số của tai treo ......................................................................... 40 vii
CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu Natri hiđroxit hay (công thức hóa học là NaOH) hay thƣờng đƣợc gọi là xút hoặc xút ăn da, ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lƣợng riêng 2,1 g/cm³, nóng chảy ở 318 oC (519K) và sôi ở 1390 °C (1663K) dƣới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nƣớc (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ nhƣ metanol, etanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần đƣợc chứa trong các thùng kín. Dung dịch NaOH là một bazơ mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần lƣu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH. Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác nhƣ dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa,… Natri hydroxit cũng đƣợc sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm. Trƣớc đây trong công nghiệp, NaOH đƣợc sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, ngƣời ta dùng phƣơng pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu đƣợc thƣờng có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, ngƣời ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu. 1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi bằng phƣơng pháp sử dụng nhiệt độ hoặc phƣơng pháp làm lạnh kết tinh. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thƣờng đƣợc tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn). Trong cô đặc cần hiểu rõ các khái niệm: - Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch - Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc - Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc. Quá trình cô đặc thƣờng dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc tách bớt chất rắn hòa tan. Quá trình cô đặc thƣờng đƣợc tiến hành ở các điều kiện áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thƣờng (áp suất khí quyển) ngƣời ta dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác áp suất khí quyển (áp suất chân không) ngƣời ta dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn. 1.3. Cô đặc nhiều nồi Khi cô đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế. Mặt khác hơi thứ vẫn còn mang một nhiệt lƣợng lớn, tốn nƣớc để ngƣng tụ. Quá trình cô đặc nhiều nồi tận dụng hơi thứ làm hơi đốt , do đó hạ thấp chỉ tiêu tiêu hao hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kỹ thuật. Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi đƣợc chia thành 3 loại: - Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều - Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều 1
- Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song Ƣu điểm và nhƣợc điểm của thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Ƣu điểm: Để hệ thống làm việc đƣợc thì nhiệt độ và áp suất nồi trƣớc phải lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn năng lƣợng. Thƣờng nồi đầu áp suất dƣơng, nồi sau áp suất âm. - Nhiệt độ sản phầm thấp nên chất lƣợng sản phẩm tốt - Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp Nhƣợc điểm: các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do đó hệ số K giảm, không khai thác đƣợc hết công suất thiết kế của thiết bị. Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc dung dịch NaOH theo cách tách dung môi dƣới dạng hơi bằng hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục. Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên mặt thoáng dung dịch bằng với áp suất làm việc của thiết bị. 2
CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ Năng suất của quy trình theo đồ án yêu cầu là 2500 kg/h, do đó ta chọn sơ đồ công nghệ nhƣ sau: Hình 2.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc chân không dung dịch NaOH 2 nồi xuôi chiều Chú thích thiết bị: 1. Bồn cao vị 2. Thiết bị gia nhiệt 3. Lƣu lƣợng kế 4. Nồi cô đặc số 1 7. Nồi cô đặc số 2 8. Thiết bị ngƣng tụ Baromet 9. Thiết bị phân ly 10. Bơm hút chân không 11. Bồn chứa nƣớc ngƣng 12. Bơm sản phẩm 13. Bồn chứa sản phẩm 14. Thiết bị tách lỏng 16. Bồn chứa nguyên liệu (NaOH 15%) 17. Bơm nhập liệu 3
2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% đƣợc chứa trong bồn chứa nguyên liệu số 16. Sau đó đƣợc bơm lên bồn cao vị số 1 nhờ bơm nguyên liệu số 17. Từ bồn cao vị, dung dịch NaOH chảy qua lƣu lƣợng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt số 2 và đƣợc đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi cô đặc số 1 rồi đƣa vào nồi cô đặc số 1 để cô đặc một phần dung dịch. Nồi số 1 sử dụng hơi đốt là hơi chính trong nhà máy. Dung dịch từ nồi số 1 tự chuyển sang nồi số 2 do chênh lệch áp suất làm việc giữa hai nồi (áp suất nồi sau < áp suất nồi trƣớc). Nhiệt độ của nồi trƣớc lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi. Nồi số 2 sử dụng hơi thứ của nồi số 1 để làm hơi đốt, tiếp tục cô đặc dung dịch NaOH đạt tới nồng độ yêu cầu (30% theo khối lƣợng). Hơi thứ của nồi 2 đƣợc đƣa qua thiết bị ngƣng tụ Baromet số 8 để tạo độ chân không cho hệ thống nhờ bơm hút chân không số 10. Sản phẩm ở nồi cô đặc số 2 đƣợc bơm sản phẩm (bơm ly tâm) số 12 liên tục hút ra ngoài. 2.2.2. Nguyên lý làm việc của hê thống thiết bị cô đặc Thiết bị gia nhiệt số 2 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ đƣợc bố trí theo đỉnh hình tam giác đều. Các đầu ống đƣợc giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống đƣợc hàn dính vào thân. Nguồn nhiệt là hơi nƣớc bão hoà có áp suất 4 at đi bên ngoài ống (phía vỏ). Dung dịch đi từ dƣới lên ở bên trong ống. Hơi nƣớc bão hoà ngƣng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi đƣợc gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi nƣớc ngƣng tụ thành nƣớc lỏng và theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi chảy ra ngoài. 2.2.3. Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc Phần dƣới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nƣớc bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Hơi đốt ngƣng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngƣng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi. Hơi ngƣng tụ theo ống dẫn nƣớc ngƣng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài. Một phần khí không ngƣng đƣợc đƣa qua của tháo khí không ngƣng. Nƣớc ngƣng đƣợc đƣa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nƣớc ngƣng. Phần phía trên của thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ. Hơi thứ trƣớc khi ra khỏi nồi cô đặc đƣợc qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lƣu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt. 2.2.4. Nguyên lý làm việc của ống tuần hoàn trung tâm Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lƣợng riêng giảm đi và bị đẩy từ dƣới lên trên miệng ống. Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lƣợng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn. Vì lý do trên, khối lƣợng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này đƣợc đẩy xuống dƣới. Kết quả là có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dƣới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. 2.2.5. Thiết bị ngƣng tụ Baromet và thiết bị phụ khác Hơi thứ và khí không ngƣng thoát ra từ phía trên của buồng bốc nồi cô đặc số 2 đi vào thiết bị ngƣng tụ Baromet (thiết bị ngƣng tụ kiểu trực tiếp). Trong thiết bị ngƣng tụ,chất làm lạnh là nƣớc đƣợc bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ đƣợc dẫn vào ngăn dƣới 4
cùng của thiết bị. Dòng hơi thứ đi lên gặp nƣớc giải nhiệt để ngƣng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa nƣớc ngƣng số 11 qua ống Baromet, còn khí không ngƣng tiếp tục đi lên trên, đƣợc dẫn qua bộ phận tách giọt rồi đƣợc bơm chân không hút ra ngoài. Khi hơi thứ ngƣng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngƣng tụ giảm. Vì vậy, thiết bị ngƣng tụ Baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống. Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải đƣợc lắp đặt ở độ cao cần thiết để nƣớc ngƣng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm. Bơm chân không số 10 có nhiệm vụ hút khí không ngƣng ra ngoài để tránh trƣờng hợp khí không ngƣng tích tụ trong thiết bị ngƣng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nƣớc có thể chảy ngƣợc vào nồi cô đặc. Trƣớc khi khí không ngƣng đƣợc hút ra ngoài thì nó đƣợc đƣa qua thiết bị phân ly số 9 (hay còn đƣợc gọi là bình tách giọt). Thiết bị phân ly có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngƣng để đƣa về bồn chứa nƣớc ngƣng. 5
CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu – Năng suất nhập liệu : GD = 2500 kg/h – Nồng độ nhập liệu : xD = 15 % – Nồng độ cuối của sản phẩm : xC = 30 % – Áp dụng phƣơng trình cân bằng vật chất : GD . xD = GC . xC G D .x D 2500.15 Suy ra : GC = = = 1250 (kg/h) xC 30 – Lƣợng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống xD Áp dụng công thức : W  GD .(1  ) , kg/h xC 15  W  2500.(1  )  1250 (kg/h) 30 – Giả thuyết phân bố hơi thứ trong các nồi W1 Chọn tỷ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : 1 W2 Khi đó ta có hệ phƣơng trình : W1 1 W2 W1 + W2 = W = 1250 (kg/h) Giải hệ trên ta có kết quả : W1 = 625 kg/h W2 = 625 kg/h Xác định nồng độ dung dịch từng nồi. Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1 : GD .xD 2500.15 x’C =   20 % GD  W1 2500  625 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 : GD .xD 2500.15 x”C =   30 % GD  W1  W2 2500  625  625 3.2. Cân bằng nhiệt lƣợng 3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc Chọn áp suất ngƣng tụ : 0,2 at Tra bảng I.251/314[1] ta có nhiệt độ tại thiết bị ngƣng tụ : Tng = 59,7 0C 6
Chọn áp suất hơi đốt cho nồi 1 là : 4,0 at Khi đó hiệu áp suất cả hệ thống cô đặc là : Pt = P1 – Png = 4,0 – 0,2 = 3,8 (at) P1 Chọn tỉ số phân bố áp suất giữa các nồi là :  2, 2 P2 Kết hợp với phƣơng trình : P1 + P2 = Pt = 3,8 at Suy ra : P1 = 2,612 at P2 = 1,188 at Áp suất hơi đốt nồi 2: P2 = P1 − ∆P1 = 4,0 – 2,612 = 1,388 (at) 3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ Theo sơ đồ cô đặc, nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ( t’1 ) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi 2 (T2). Nhƣng do quá trình truyền khối có sự tổn thất nhiệt do trở lực đƣờng ống (∆’’’) Chọn ∆1’’’ = 1 oC ∆2’’’ = 1 oC Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1: t’1 = T2 + 1 = 109,419 0C Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2: t’2 = tng + 1 = 60,7 0C Dựa vào các dữ kiện trên và tra Bảng I.251/314[1] ta có bảng sau đây : Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngƣng tụ Loại Áp suất Nhiệt độ Áp suất (at) Nhiệt độ Áp suất Nhiệt độ (at) (0C) (0C) (at) (0C) Hơi P1 = 4,0 T1 = 142,9 P2 = 1,436 T2 = 108,42 đốt Png = 0,2 tng = 59,7 Hơi P’1 =1,434 t’1 =109,419 P’2 = 0,211 t’2 = 60,7 thứ 3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất Tổn thất nhiệt độ trong hệ cô đặc bao gồm: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đƣờng ống. 3.2.3.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ Ở cùng một áp suất nhiệt độ sôi của dung dịch bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ: Theo Tiaxenko: ’ = o’f VI.10/59[2] (273  t 'i ) 2 mà f  16,2. (0C) VI.11/59[2] ri Trong đó : o’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất thƣờng, (tra Bảng VI.2/67[2] ) f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thƣờng 7
ri : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi ở nhiệt độ t’i, J/kg t’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ i, 0C Trong các thiết bị cô đặc liên tục (tuần hoàn tự nhiên hay cƣỡng bức) thì nồng độ dung dịch sôi gần với nồng độ cuối (xc) do đó ’lấy theo nồng độ cuối dung dịch Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ o’( C ) ri .10-3(J/kg) i’ (oC) o xc (% kl) ti’(oC) Nồi 1 20,0 8,2 109,419 2235,203 8,691 Nồi 2 30,0 17,0 60,7 2357,756 13,007 Tổng 2 nồi ∑’ = 1’+ 2’ = 21,698 0C 3.2.3.2. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ) h2 tb   hti  (h1  ). dds .g (  / m 2 ) 2 VI.12/60[2] h   hti  (h1  2 ). dds .104 (at ) 2 Trong đó: Phti : áp suất hơi thứ nồi i h1i : chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt , h1 =0,5 (m) h2 : chiều cao ống truyền nhiệt , h2 = 1,8 (m) dds : khối lƣợng riêng của dung dịch khi sôi: s =0,5 dd Từ nhiệt độ hơi thứ nồi 1 và nồi 2, tra Bảng 4/11[3] ta đƣợc: dd1 = 1162,935 (kg/m³) dd 2 = 1303,5 (kg/m³) Tra và nội suy từ Bảng 4/11[3] và Bảng I.2/9[1] Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ) xC (%) t’i 0C dd, kg/m3 dm ,kg/m3 Nồi I 20,0 109,419 1162,935 941,77 Nồi II 30,0 60,7 1303,5 966,115 Coi dd trong mỗi nồi thay đổi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bề mặt đến độ sâu trung bình của chất lỏng  1,8  4  tb1  1, 436   0,5   .1162,395.10  1,5987( at )  2   1,8  4  tb 2  0, 211   0,5   .1303,5.10  0,3936( at )  2  8
Tra bảng I.251/314[1] : tb1  1,5987(at )  tb1  112,6750 C tb 2  0,3936(at )  tb 2  75,04810 C 1''  tb1  t '1  112,675  109, 419  3, 2560 C 2''  tb 2  t '2  75,048  60,7  14,3480 C  ''  ''1  ''2  3, 256  14,348  17,6040 C 3.2.3.3. Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực trên đƣờng ống (”’) Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn dây thứ từ nồi này sang nồi kia và từ nồi cuối đến thiết bị ngƣng tụ là 10C. Do đó : ”’1 = 1,0 0C ”’2 = 1,0 0C 3.2.3.4. Tổn thất chung trong toàn hệ thống cô đặc  = ’ + ” + ”’ = 21,698 + 17,604 + 2,0 = 41,302 0C 3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi  thi  T1  Tng   142,9  59,7  41,302  41,898 0C − − − − − − − − − − − − 3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi Nồi 1 : thi = T1 – tS1 suy ra tS1 = T1 − thi1 = 121,366 0C Nồi 2 : thi2 = T2 – tS2 suy ra tS2 = T2 − thi2 = 88,055 0C Cân bằng nhiệt lƣợng : Sơ đồ cân bằng nhiệt lƣợng của hệ thống Trong đó: D: lƣợng hơi đốt vào nồi 1, kg/h i: hàm nhiệt của hơi đốt , J/kg t: nhiệt độ của dung dịch, 0 C θ: nhiệt độ nƣớc ngƣng, 0 C i’: hàm nhiệt của hơi thứ, J/kg 9
Nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng tính theo áp suất của hơi đốt. (tra theo Bảng I.249/311[1]) 1  4, 0at  C p1  4294, 25 (J/kg.độ) 2  1,388at  C p 2  4230,946 (J/kg.độ) 3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x < 20% C = 4186.(1− x) ( J/kg.độ) I.43/152[1] X : nồng độ chất hòa tan, phần khối lƣợng Nhiệt dung riêng dung dịch đầu: Cđ = 4186.(1 − 0,15) = 3558,1 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch có nồng độ x > 20% C = Cht.x + 4186.(1 − x), J/kg.độ; I.44/152[1] Cht : nhiệt dung riêng của chất hoà tan, J/kg.độ Nhiệt dung riêng của NaOH tính theo công thức: M.Cht = n1.c1 + n2.c2 + n3.c3 (*) I.41/152[1] Tra bảng I.41/152[1] ta đƣợc: MNaOH = 40 n1 = n2 = n3 = 1 c1 = cNa = 26 (J/kg ng.tử.độ) c2 = cO = 16,8 (J/kg ng.tử.độ) c3 = cH = 9,6 (J/kg ng.tử.độ) thay vào (*) ta đƣợc 26  16.8  9.6 3 Cht  .10  1310 (J/kg.độ) 40 Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 1: C1 = 1310. 0,2 + 4186.(1 − 0,20) = 3601,8 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của dung dịch ra khỏi nồi 2: C2 = 1310.0,3 + 4186.(1 − 0,3) = 3323,2 (J/kg.độ) 3.2.6.1. Lập phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng Nồi 1: D.i + GD.CD.tD = W1.i1 + (GD – W1).C1.t1 + D.Cng1. 1 + Qxq1 Nồi 2: W1.i1 + (GD – W1).C1.t1 = W2.i2 + (GD – W).C2.t2 + W1.Cng2.2 + Qxq2 W = W1 + W2 Mà : Qxq1 = 0,05 D.(i – Cng1q1) Qxq2= 0,05 W1(i1 – Cng2q2) Trong đó: D : lƣợng hơi đốt dùng cho hệ thống, kg/h i,i1,i2 : hàm nhiệt của hơi đốt, hơi thứ nồi 1 và nồi 2, J/kg tD, t1, t2 : nhiệt độ sôi ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch,0C CD, C1, C2 : nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi 1 và nồi 2 của dung dịch, J/kg.độ 1, 2 : nhiệt độ nƣớc ngƣng tụ của nồi 1 và nồi 2,0C 10
– Cng1, Cng2 : nhiệt dung riêng của nƣớc ngƣng ở nồi 1 và nồi 2, J/kg.độ (tra Bảng I.249/310[1]) – Qxq1,Qxq2 : nhiệt mất mát ra môi trƣờng xung quanh, J – GD : lƣợng dung dịch lúc ban đầu, kg/h – W1,W2 : lƣợng hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2, kg/h Chọn hơi đốt, hơi thứ là hơi bão hoà, nƣớc ngƣng là lỏng sôi ở cùng nhiệt độ, khi đó ta có: i – Cng1 . 1 = r(1) và i1 – Cng2 . 2 = r(2) Tra sổ tay ta có bảng các thông số sau đây: (tra Bảng I.250/312[1]), và (tra Bảng I.249/310[1]) ta đƣợc bảng tổng hợp sau: Đầu vào Đầu ra nồi 1 Đầu ra nồi 2 Dung dịch NaOH : Dung dịch NaOH : Dung dịch NaOH: + tD= 121,366 0C + t1 = 121,366 0C + t2 = 88,055 0C + Cđ= 3558,1 J/kg.độ + C1= 3610,8 J/kg.độ + C2 = 3323,2 J/kg.độ + GD = 2500 kg/h Hơi thứ : + Gc= 1250 kg/h Hơi đốt: + 2 = 108,420C Hơi thứ : + 1 = 142,90C + i1 = 2694796,875 J/kg + t’2= 60,70C + i = 2744000 J/kg +Cng2 = 4230,946J/kg.độ + i2 = 2608444,444 J/kg + Cng1= 4294,25 + W1 = 625 kg/h + W2 = 625 kg/h J/kg.độ + W = 1250 kg/h Vậy lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 : W .i2  (GD  W ).C2 .t 2  GD .C1 .t1 W1   614,742 (kg/h) 0.95.r (1 )  i2  C1 .t1 Lƣợng hơi thứ bốc lên ở nồi 2 : W2 = W – W1 = 1250 – 614,742 = 635,258 (kg/h) Lƣợng hơi đốt tiêu tốn chung là : W1 .i1  (G D  W1 ).C1 .t1  GD .C D .t D D=  693,336 (kg/h) 0.95(i1  C ng1 . 1 ) 3.2.6.2. Kiểm tra lại giả thuyết phân bố hơi thứ ở các nồi W1  Wn .100%  5% W1 W1: lƣợng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị lớn Wn : lƣợng hơi thứ theo giả thuyết hay tính toán có giá trị nhỏ 11