Thiết kế cô đặc 1 nồi

Đây là bài báo cáo Thiết kế Cô Đặc 1 nồi cho sinh viên học Công nghệ cần thiết để báo cáo. Tài liệu tham khảo cho các bạn cần. Được các giảng viên đại học và giảng viên bộ môn chỉnh sửa và hoàn thiện để cho sinh viên có thể báo cáo hội đồng.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC



ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT

NỒI DUNG DỊCH NACL

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện:

Lớp:

Mã số sinh viên:

TP.HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2022

TRƯỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN:

1 Tên nhiệm vụ:

Tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi liên tục dùng để cô đặc dung dịch NaClvới năng suất theo nhập liệu 1800 kg/h

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

a Số liệu ban đầu:

- Nồng độ 10% khối lượng

- Nồng độ cuối 42% khối lượng

- Các thống số khác tự chọn

b Yêu cầu:

- Tổng quan và quy trình công nghệ PFD

- Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống công nghệ PFD

- Tính toán chi tiết cho thiết bị chính trong quy trình công nghệ PFD

c Bản vẽ:

- Bản vẽ qui trình công nghệ PFD (1 bản A1)

- Bản vẽ chi tiết thiết bị chính (1 bản A1)

3 Ngày giao nhiệm vụ bài tập lớn:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

5 Họ và tên người hướng dẫn: ThS Nguyễn Minh Tiến

Tp Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2021.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Minh Tiến

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em chân thành cảm ơn đến Thầy ThS Nguyễn Minh Tiến, đã tận tình hướng dẫn cácbạn sinh viên và có cả bản thân em trong suốt quá trình giảng dạy online vì dịch bệnh Covid-19đang diễn biến phức tạp Mặc dù có một chút thiệt hòi cho sinh viên tụi em, một chút khó khăntrong việc giảng dạy của thầy nhưng hầu như các bạn sinh viên và bản thân em cũng đã hoànthành được đồ án học phần “Các quá trình và thiết bị hóa hoc” với đề tài Tính toán và thiết kế hệthống cô đặc một nồi liên tục dùng để cô đặc dung dịch NaCl

Vì đồ án “Quá trình và thiết bị” là đề tài lớn đầu tiên mà bản thân em đảm nhận trong mùa dịchCovid-19 hiện tại như bây giờ, nên vẫn còn thiếu xót và hạn chế trong quá trình thực hiện làkhông thể tránh khỏi Do đó, em mong nhận được thêm sự góp ý, chỉ dẫn từ thầy để củng cố và

mở rộng kiến thức chuyên môn

Em chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh đã tạo điềukiện học tập online thuận lợi, học tập tốt và toàn diện để chúng em học tập

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý,đạt được nhiều thành tích tốt đẹp trong công việc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:

Nội dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bảng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày tháng năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá: Ý thức thực hiện:

Nội dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bảng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày tháng năm 2021

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

Phần I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I Nhiệm vụ đồ án

Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc một nồi liên tục để cô đặc NaCl Năngsuất nhập liệu tính theo nguyên liệu đầu vào 1800 kg/h và nồng độ 18% đến 42% khối lượng

II Giới thiệu chung về nguyên liệu NaCl

2.1 Nguồn gốc và trạng thái tự nhiên

- NaCl hay còn gọi là muối ăn có khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân

ly thành ion

- Sư dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm

- Phổ biến trong tự nhiên (nước biển, muối mỏ, )

2.2 Tính chất vật lý của muối NaCl

- Các đặc điểm vật lý của muối Natri Clorua:

+ Công thức hoá học: NaCl

+ Điểm nóng chảy: 801oC (1074oK)

+ Mật độ tỷ trọng: 2,16 g/cm3

+ Điểm sôi: 1465oC (1738oK)

+ Độ hoà tan trong nước: 35,9g/100mL (25oC)

+ Khối lượng mol: 58,4 g/mol

- NaCl tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương

- Các ion Cluarua lớn hơn được sắp xếp trong khối kép kín lập phương

- Các ion Natri nhỏ hơn điền vào các lỗ hổng bát diện

2.3 Tính chất hoá học của muối Natri Clorua

- Là chất điện ly mạnh phân li hoàn toàn trong nước sản phẩm là các ion dương

- Là muối bazơ khá mạnh và axit mạnh nên nó mang tính trung tính do đó tương đối trơ vềmặt hoá học

2.4 Ứng dụng:

Muối NaCl có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất, nó được dùng để:

+ Làm gia vị và bảo quản thực phẩm Muối iot là muối ăn NaCl có trộn them một ít KIO3 + KI

+ Làm nguyên liệu để sản xuất: Na, NaOH, H2, Cl2, Na2CO3, nước gia – ven NaClO, …

+ Muối Natri Clorua dùng để sát trùng vết thương rất tốt

+ Muối giúp cân bằng sinh lý trong cơ thể giúp gia súc, gia cầm phát triển khỏe mạnh, giảmbệnh tật

2.5 Các phương pháp sản xuất muối Natri Clorua:

- Sản xuất muối biển bằng phương pháp bay hơi mặt bằng:

+ Phương pháp phơi cát

+ Phương pháp phơi nước

- Sản xuất muối biển bằng phương pháp bay hơi cưỡng bức:

+ Phương pháp cô đặc nồi hở

+ Phương pháp bay hơi chân không

- Các phương pháp sản xuất muối khác:

+ Phương pháp điện thẩm tích

+ Phương pháp ngâm chiết trong lòng đất

III Khát quát về cô đặc

3.1 Định nghĩa

- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hoà tan trong dung dịch bằng cách táchmột phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tác ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ

- Mục đích của quá trình cô đặc:

+ Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong dung dịch

+ Tách chất rắn hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)

+ Tác dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

- Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còndung chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên,khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơichỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc

gọi có nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng mộtthiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ.

- Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền trực tiếpthường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nướcbão hoà để đốt nóng

3.2 Các phương pháo cô đặc

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới

tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chât lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp 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 nồng độ chất tan Tùy tính chấtcấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt đọcao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

3.3 Phân loại

- Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng

- Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chấttải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…) bằn dòng điện

Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm

3.4 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

- Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏnggần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liênkết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ nănglượng thực hiện quá trình này

- Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệtvà chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáytạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặnsự tạo bọt khi cô đặc

3.5 Ứng dụng cô đặc

- Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây…

- Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ…

- Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặcnhư một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạtđộng gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự pháttriển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi phải cónhững thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người

kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mớicủa thiết bị cô đặc

IV Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

4.1 Phân loại và ứng dụng

4.1.1 Theo cấu tạo

Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:

- 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 Baogồm:

• Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), 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/stại 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 bao gồm:

• Có buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài

• Có buồng đốt ngoài ống tuần hoàn ngoài

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làm biến chấtsản phẩm Đặt biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, nước éphoa quả… Bao gồm:

• Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

• Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọtdễ vỡ

4.1.2 Theo phương thức thực hiện quá trình

- Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng côđặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cựcđại và thời gian cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt được là không cao

- Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không.Dung dịch 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 quá lớn và sẽ làm giảmhiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặcbiệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả sản phẩm tốt hơn và quá trình cô đặc ổn định hơn cô đặc giánđoạn và có thể áp dụng điều khiển tự động nhưng chưa có cảm biến tin cậy Đối với mỗi nhómthiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có tuần hoàn Tuytheo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chânkhông, áp suất thường hoặc áp suất dư

4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

- Thiết bị chính:

• Ống nhập liệu, ống tháo liệu

• Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

• Buồng đốt, buồng bóc, đáy, nắp

• Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

- Thiết bị phụ:

• Bể chứa nguyên liệu

• Bể chứa sản phẩm

• Thiết bị gia nhiệt

• Thiết bị ngưng tụ Baromet

• Bơm tháo liệu

• Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

• Bơm chân không

• Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất,

• Các van

• Các tín hiệu tự động

V Các cấu tạo của thiết bị cô đặc

5.1 Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

Cấu tạo

Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dưới của thiết

bị là phòng đốt 2 có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn

từ 7-10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chấtlỏng do hơi thứ cuốn theo

Nguyên lý làm việc

Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm,còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch được đunsôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lượng riêng của dung dịch sẽgiảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theomột đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn

so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng của hỗn hợphơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dướirồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo lên dòng hơi thứ tách ra khỏidung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ Baromet Bộ phận tách giọt có tácdụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dungdịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm,đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị Còn với quá trình làmviệc gián đoạn thì dung dịch được đưa vào thiết bị gián đoạn và sản phẩm cũng được lấy ra giánđoạn Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóngcặn trên bề mặt cũng giảm Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1.5m/s

Ưu điểm

Cấu tạo đơn giản đễ sửa chữa và làm sạch

Nhược điểm

Năng suất thấp, tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

5.2 Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài

5.2.1 Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài kiểu đứng

Cấu tạo

Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài kiểu đứng gồm phòng đốt 1 và phòng bốc 2, phòng đốt làthiết bị trao đổi nhiệt ống chum, nhưng các ống truyền nhiệt có thể dài tới 7m, còn trong phòngbốc có bộ phận tách giọt 4 và nối giữa hai phòng đốt và phòng đốt có ống dẫn 3 và ống tuầnhoàn 5

Nguyên tắc làm việc

Dung dịch được đưa vào phòng đốt 1 liên tục và đi trong các ống truyền nhiệt, còn hơi đốtđược đi vào trong phòng đốt và đi ở khoảng giữa ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị để đun sôi dungdịch Dung dịch tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi qua ống 3 vào phòng bốc hơi 2, ở đây hơi thứ tách

ra đi lên phía trên, còn dung dịch đi theo ống tuần hoàn 5 trộn lẫn với dung dịch mới đi vàophòng đốt Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phần ra ở đáy phòng bốc làm sảnphẩm, đồng thời liên tục bổ sung dung dịch mới vào thiết bị Do chiều dài ống truyền nhiệt lớnnên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc hơi lớn

Ưu điểm

Năng suất cao

Nhược điểm

Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo

5.2.2 Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài nằm ngang

Phòng bốc có thể tách ra khỏi phòng đốt dễ dàng để làm sạch và sửa chữa.

Nhược điểm

Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp

5.3 Thiết bị cô đặc loại màng

Ưu điểm

Áp suất thủy tĩnh nhỏ do đó tổn thất thủy tĩnh ít

Nhược điểm

Khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực chất lỏng thay đổi, không

cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn và dung dịch kết tinh

VI Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaCl

- Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục, áp suất chânkhông, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

- Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa, làm sạch và sửa chữa

- Cô đặc ở áp suất không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng,hạn chế không cho chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị, làm hư thiết bị

- Tuy nhiên tốc độ hoàn toàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn bị giảm vìống tuần hoàn cũng bị đun nóng

PHẦN II SƠ ĐỒ PDF

I Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc một nồi liên tục của dung dịch NaCl

II Thuyết mình quy trình

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaCl có nồng độ đầu 10% Dung dịch từ bể chứa nguyênliệu qua van vận hành bằng tay, được bơm vào thiết bị gia nhiệt qua van kiểm tra, từ đó dungdịch qua tín hiệu điều khiển và nhận tín hiệu lưu lượng để điều chỉnh độ mở của van cho dòngnhập liệu đi qua Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi Trên thiết bị gianhiệt được gắn tín hiệu điều khiển nhiệt độ điều chỉnh độ mở van hơi đốt vào thiết bị gia nhiệt Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt ngang, bêntrong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặttrên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 3 at đibên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụtrên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt

độ sôi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy rangoài Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc

hơi cô đặc chân không Hơi thứ bốc lên theo thành ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng

tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa nước ngưng, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt đểchỉ còn khí theo chân không ra ngoài Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, sản phẩm sẽ đi quavan điều khiển hơi đốt vào nồi cô đặc được gắn hệ thống cảm biến nhiệt độ điều chỉnh lưu lượnghơi đốt vào nồi, sau đó sẽ đi qua bơm thiết bị làm nguội và đi qua cảm biến nhiệt qua van điềuchỉnh lưu lượng rồi sản phẩm sẽ được đưa đến bồn chứa sản phẩm

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trungtâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoàiống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống.Van điều khiển hơi đốt vào nồi cô đặc được gắn hệ thống cảm biến nhiệt độ điều chỉnh lượng hơiđốt vào nồi Lượng dung dịch trong nồi được giữ ở mức nhất định nhờ hệ thống cảm biến lưulượng Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cungcấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm:

Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi cókhối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tíchdung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượnghơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Vì lý do trên, khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng – hơi

ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đẩy xuống dưới Kết quảlà có dòng chuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và

từ trên xuống trong ống tuần hoàn

Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ đi lênphía trên buồng bốc, qua thiết bị cảm biến áp suất điều chỉnh độ mở van cho hơi thứ đi qua đến

bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứtiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theoống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra

từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp).Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dướicùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy

xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phậntách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích củahơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổnđịnh, duy trì áp suất trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải được lắpđặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm.Bìnhtách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí khôngngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng.

PHẦN III TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1.1 Dữ liệu ban đầu:

Năng suất nhập liệu của dung dịch NaCl lúc đầu: Gđ = 1800 kg/h

Nồng độ nhập liệu đầu: xđ = 10 % khối lượng

Nồng độ cuối: xc = 42 % khối lượng

Các thông số khác tự chọn:

+ Nhiệt độ đầu của nguyên liệu (tự chọn): tđ = 30 oC

+ Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà có độ ẩm bằng 5%; nên áp suất hơi đốt, hơi nước bãohòa (tự chọn): PD = 3 at (tD = 132,70C) (sổ tay tập 1, tr.312) và ẩn nhiệt hoá hơi rD = 2171,44(kJ/kg)

+ Áp suất ngưng tụ tuyệt đối Pw = 0,5 at (áp suất tuyệt đối), Pck = Pc

1.2 Cân bằng vật chất:

1.2.1 Sản lượng tháo liệu (G c ) tạo ra từ thiết bị cô đặc

Theo công thức 3.8, tr.142, [6]:

Gđ.xđ = Gc.xc  (kg/h)

1.2.2 Lượng hơi thứ bốc lên

Theo công thức 3.6, trang 142, [6]:

Gđ = W + Gc  W = Gđ - Gc = 1800 – 428,57 = 1371,43 (kg/h)

1.3 Tổn thất nhiệt độ

- Áp suất tại thiết bị ngưng tụ Pw = 0,5 at  Nhiệt dộ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tc = tw =80,8 oC (I.251/tr.314, [1])

Gọi là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ do trở lực thuỷ lực gây nên trên đường ống dẫn: oC chọn oC

- Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

= tsdm (po) - tW  tsdm (Po) = tW + = 80,8 + 1 = 81,8 oC

- Áp suất buồng bốc: (I.250/tr.314, [1]) tại tsdm (Po) = 81,8 oC

Nội suy: X = 0,52  Po = 0,52 (at)

⇒ Vậy Po = 0,52 (at) tại tsdm(Po)= 81,8 0C

1.3.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng dộ tăng ()

Theo công thức Tisencô (VI.10/tr.59, [2]):

∆' = ∆'oNaCl fTrong đó:

+ ∆'o – tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ởáp suất khí quyển

Dung dịch được cô đặc tuần hoàn nên tra theo nồng độ xtb = 26%

Tra bảng VI.2, tr.66, [2]: ∆'o = 7,50 oC (a)

+ f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, công thức VI.11/tr59, [2]:

f = 16,2

Trong đó: + t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho, oK (tsdm(Po) = 81,8 0C)

+ r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/kg

(I.251/tr 314, [1]): nội suy ta được r = 2305,32 (kJ/kg) của tsdm(Po) = 81,8 0C

 f = 16,2 = 0,885

Từ (a)  ∆' = ∆'oNaCl f = 7,5.0,885 = 6,64 oC

⇒ tsdd(Po) = tsdm(Po) + ∆' = 81,8 + 6,64 = 88,44 oC

1.3.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh (Δ’’)

- Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ∆’’ (tổn thất nhiệt độ doáp suất thủy tĩnh tăng cao)

- Gọi Ptb – áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa dung dịch NaCl cần cô đặc, N/m2 (V.12/tr 60,[2])

(N/m2) (1) (Công thức VI.12, tr.60 [2])Trong đó:

+ ρdds – khối lượng riêng thực của dung dịch ở nhiệt độ khi sôi, kg/m3 Chọn tsdd(Po + ΔP) =

91oC; C% = xtb = 26%; ρdd = 1155,23 (kg/m3) (Tra bảng I.59/tr46,[1])

+ h2 – chiều cao ống truyền nhiệt; m Chọn h2 = 1,5 m (bảng VI.6, trang 80,[2])

+ h1 – chiều cao thích hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặtthoáng (m)

Chọn h1 = 0,20,4  chọn h1 = 0,3 m

+ g – gia tốc trọng trường

+ Po – áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch, N/m2

Po = 0,52 at (dữ liệu ở trên)

Từ (1) ⇒

= 0,52 + (0,3+ 56961,72331 (N/m2)

= 0,58 (at)Tra bảng I.251, tr.314,[1], = 0,58 at ⇒ tsdm(Po+) = 84,58 oC

Ta có: ⇒ = 84,58 – 81,8 = 2,78 oC

⇒ tsdd(Po+) = + = 88,44 + 2,78 = 91,22 oC

Sai số 0,22 chấp nhận được, vậy ta chọn tsdd(Po+) = 91 oC

1.4 Tổng tổn thất nhiệt độ:

10,42 oC

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, P = 3 at  Nhiệt độ hơi đốt của nồi, oC ⇒ tD = 132,7 0C(trabảng I.251, tr.312, [1])

1.5 Hiệu số nhiệt hữu ích

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích, công thức (VI.17, tr.67,[2]):

Δthi = tD – tstb (2)Trong đó: + tstb – là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch

tstb = ΣΔ + tw = 10,42 + 80,8 = 91,22 0C

+ tw – nhiệt độ hơi thứ của thiết bị ngưng tụ 0C

+ ΣΔ – tổng tổn thất nhiệt, 0C

Từ (2) ⇒ Δthi = 132,7 – 91,22 = 41,48 0C

Ta có bảng số liệu sau quá trình tính toán:

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Tổn thất nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P o t sdd (P o ) o C 88,44

Nhiệt độ sôi của dung môi ở P tb t sdm (P tb ) o C 84,58

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P tb t sdd (P tb ) o C 91,22

II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

2.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl:

- Nhiệt cô đặc Qcđ có thể bỏ qua vì giá trị tính toán nhỏ

- Nhiệt độ của dung dịch NaCl 10% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

+ Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: chọn tvào = 30 oC

+ Nhiệt độ đầu ra của nguyên liệu: tra = tsdd(Po) = 88,44 oC

⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaCl 10% đi vào thiết bị cô đặc: tđ = 88,44 oC

⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaCl 42% đi ra ở đáy thiết bị cô đặc:

tc = tsdd(Po) + 2Δ” = 88,44 + 2.2,78 = 94 oC (công thức 4.15, trang 183, [3])

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức(I.43) và (I.44), tr.152, [1]:

Cct = Trong đó: + Cct – nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.độ)

+ n – số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất

+ C – nhiệt dung nguyên tủ của nguyên tố tương ứng (J/(kg nguyên tử độ)) Với CNa= 26000(J/(kg nguyên tử độ)) CCl= 26000 (J/(kg nguyên tử độ))  tra bảng I.141, tr.152, [1]

⇒ Cct = = 888,8 (J/kg.K)

⇒ Cc = Cn – (Cn – Cct).a = 4186 – (4186 – 888,8).0,42 = 2801,176 (J/kg.K)

2.2 Nhiệt độ và nhiệt lượng riêng

Tra bảng I.250, tr.312, [1]

t (oC) i.10-3 (J/kg)

Nhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng I.148, tr.166,[1]: Cn= 1,0183 (kcal/kg.độ) = 4263,42 (J/kg.độ)

2.3 Cân bằng năng lượng

Dòng nhiệt vào (W):

+ Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt: D.iD

Dòng nhiệt ra:

2.3.1 Cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt E-101

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dịch NaCl trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

+ Nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: chọn tvào = 30 oC

+ Nhiệt độ đầu ra của nguyên liệu: tra = tsdd(Po) = 88,44 oC

Nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi đốt cung cấp

Trên đường ống dẫn hơi đốt di chuyển bị ngưng tụ một phần, do đó chọn độ ẩm hơi đốt là 5%

Lượng hơi nước sử dụng cho thiết bị gia nhiệt:

2.4 Phương trình cân bằng nhiệt

⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D (1 - φ).( iD - cθ) (W)

- Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khingưng) thì: (iD - θ) = rD

+ Tại tD = 132,7 oC ⇒ rD = 2171,44 (kJ/kg) (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt) (tra

ở trang 312, [1])

+ Tại P = 0,5 at ⇒ i = 2647,11 (kJ/kg) (tra ở trang 312, [1])

2.4.4 Lượng nhiệt đốt tiêu tốn riêng

d = = = 1,1 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)

2.5 Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ E-102

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Dựa vào bảng I.251, trang 314 [1], tra được hàm nhiệt hóa hơi thứ của nước tại 0,52 at là2305,32.103 J/kg

Chọn

Chọn ,

Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng hơi thứ tỏa ra

Lượng nước làm mát đi vào thiết bị ngưng tụ hơi thứ:

2.6 Cân bằng năng lượng tại thiết bị làm nguội sản phẩm E-103

Phương trình cân bằng năng lượng

Chọn

Chọn nhiệt độ đầu ra của sản phẩm

Chọn nhiệt lượng tổn thất bằng 5% nhiệt lượng sản phẩm ra

Lượng nước sử dụng cho quá trình làm nguội

116,5 (kg/h)

Bảng số liệu ta tính được

Nhiệt độ nhập liệu vào buồng bốc tđ oC

Nhiệt độ sản phẩm ra ở đáy buồng bốc tc oC 94Nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3 9% Cđ J/(kg.K) 3767,4 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaNO3 40% Cc J/(kg.K) 2801,176

Thiết bị gia nhiệt

Lượng hơi đốt cung cấp ở thiết bị gia nhiệt D1 Kg/h 22,5Nhiệt dung riêng của nước ngưng Cn KJ/kg.độ 4263,42

Thiết bị ngưng tụ

Lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ Gn Kg/h 44534,72

Thiết bị làm nguội sản phẩm

PHẦN IV THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC

1.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi đốt

Hệ số cấp nhiệt α1 với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số α1 đối với hơi bão hòa ngưng tụđược tính theo công thức (V.101, tr 28, [2])

, W/m2.độ ;(1)Trong đó: + α1 – Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.độ)

+ H - chiều cao ống truyền nhiệt, m (H = ho = 1,5 m)+ r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà P= 3 at (rD = 2171,44 kJ/kg)+ Δt1 = tD – tT1 : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độphía mặt tường tiếp xúc, oC

+ A : hệ số phụ thuộc vào nhiệt đồ màng ( = )Sau nhiều lần tính lặp, ta chọn nhiệt độ vách ngoài 1 = 127,1  (Quá trình này dừng lại khisai số bé hơn 5%)