đồ án môn học thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều cô đặc dung dịch nacl

Các số liệu ban đầu:Năng suất đầu vào: kg/h Áp suất hơi đốt nồi đầu: atNồng độ ban đầu: % kh.lg Áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ: atNồng độ cuối: %kh.lgIII.. Trong phạm vi “Đồ án m

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU

CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NACL

Hà Nội, ngày 19 tháng 06 năm 2020

I Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc xuôi chiều gồm 2 nồi

loại để cô đặc dung dịch

II Các số liệu ban đầu:

Nồng độ ban đầu: % kh.lg Áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ: at

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4)

3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày tháng năm

VII Ngày phải hoàn thành:

Người hướng dẫn

PHẦN 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu về dung dịch NaCl 2

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc 2

1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất 4

1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất 4

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống 4

PHẦN 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 6

2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W: 6

2.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi 6

2.3 Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi cô đặc 6

2.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P 6

2.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 6

2.6 Tính nhiệt độ ti’ và áp suất của hơi thứ ra khỏi từng thiết bị cô đặc: 7

2.7 Tính tổn thất nhiệt độ 8

2.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ i ': 8

2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh ∆ i 9

2.7.3 Tính tổn thất nhiệt của hệ thống ∆i : 9

2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 9

2.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 9

2.8.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi 9

2.9 Cân bằng nhiệt lượng 10

2.9.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl 11

2.9.2 Các thông số của nước ngưng 11

2.9.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 11

2.10 Tính hệ số cấp nhiệt và nhiệt lượng trung bình từng nồi 13

2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 khi ngưng tụ hơi 14

2.10.2 Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 15

2.10.3 Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt ống truyền nhiệt đến chất lỏng sôi:.15 2.10.4 Tính nhiệt tải riêng q2 về phía dung dịch: 19

2.10.5 So sánh q1i và q2i 20

2.11 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 20

2.12 So sánh Ti* và ∆Ti 21

2.13 Tính bề mặt truyền nhiệt F 21

PHẦN 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 22

3.1 Buồng đốt nồi cô đặc 22

3.1.1 Xác định số ống trong buồng đốt 22

3.1.2 Xác định số ống trong buồng đốt 22

3.1.3 Xác định chiều dày phòng đốt 23

3.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 25

3.1.5 Tính chiều dày đáy lồi phòng đốt 26

3.1.6 Tra bích lắp đáy và thân, số bulong cần thiết để lắp ghép 27

3.2 Buồng bốc hơi 28

3.2.1 Thể tích phòng bốc hơi 28

3.2.2 Chiều cao và đường kính trong phòng đốt hơi 29

3.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 29

3.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc 30

3.2.5 Tra bích để lắp nắp vào thân buồng bốc 31

3.3 Tính toán các chi tiết khác 31

3.3.1 Tính đường kính các ống nối dẫn hơi, dung dịch vào ra 31

3.3.2 Tính và chọn tai treo, chân đỡ 35

3.3.3 Chọn kính quan sát 39

3.3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt 40

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 43

4.1 Thiết bị ngưng tụ baromet 43

4.1.1 Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ 44

4.1.2 Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ 44

4.1.3 Tính kích thước tấm ngăn 45

4.1.5 Tính kích thước ống baromet 46

4.1.6 Tính lượng hơi và nước ngưng 47

4.2 Tính toán bơm chân không 48

4.3 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 50

4.3.1 Nhiệt lượng trao đổi (Q) 50

4.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 50

4.3.3 Bề mặt truyền nhiệt 53

4.3.4 Số ống truyền nhiệt 53

4.3.5 Đường kính trong của thiết bị đun nóng: 54

4.3.6 Tính vận tốc và chia ngăn 54

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

LỜI MỞ ĐẦU

Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa chất là thiết kế, sản xuấtmột thiết bị phục vụ nhiệm vụ nào đó trong sản xuất Bộ môn “Quá trình và thiết bịcông nghệ hóa học” cung cấp những kiến thức cần thiết cho sinh viên đặc biệt là kĩ sưmáy hóa chất, giúp sinh viên hiểu và có khả năng vận hành các thiết bị máy móc trongcông nghiệp sản xuất có liên quan Đây là nền tảng căn bản, là cơ sở để các kĩ sư hiểusâu hơn và nghiên cứu sản xuất các máy móc hiện đại hơn trên thế giới nhất là trongthời đại mà máy móc phát triển như vũ bão hiện nay Trong phạm vi “Đồ án môn học– Nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xôi chiều thiết bị có phòng đốt ngoàithẳng dùng để cô đặc dung dịch NaCl” đề cập đến việc tính toán và thiết kế nhữngthiết bị chính, phụ và tính cơ khí của hệ thống Để hoàn thành đồ án này em đã nhậnđược sự giúp đỡ rất lớn từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè Đặc biệt em xin được gửilời cảm ơn chân thành đến cô giáo hướng dẫn TS Vũ Thị Phương Anh đã giúp đỡ emtận tình để hoàn thành đồ án này Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đồ ánkhông tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến và sự góp ý của các thầy cô

để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về dung dịch NaCl

Natri hydroxit NaCl nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khốilượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển.NaCl tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20oC) và sự hòa tan tỏa nhiệt mạnh NaCl ít tanhơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol, NaCl rắn và dung dịch NaClđều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chưa trong các thùng kín

- Dung dịch NaCl là một bazơ mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao

Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quátrình sản xuất NaCl

- Ngành công nghiệp sản xuất NaCl là một trong những ngành sản xuất hóa chất

cơ bản và lâu năm Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành côngnghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, sản xuất phèn,

- Trước đây trong công nghiệp, NaCl được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tácdụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháphiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thuđược thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Đểthuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaCl đến mộtnồng độ nhất định theo yêu cầu

1.2 Sơ lược về quá trình cô đặc

a) Qúa trình cô đặcQuá trình cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng việc đun sôi Đặc điểmcủa quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hoà tanđược giữ lại trong dung dịch, do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên Khi bay hơi,nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất hơi của dung môi trên mặtdung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoáng dung dịchnhưng nhỏ hơn áp suất chung.Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khácnhau và nhiệt độ càng tăng thì tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi (ở trạng tháisôi) diễn ra ngay cả trong lòng dung dịch( tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môibằng áp suất chung trên mặt thoáng , trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với

áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho Trong quá trình cô đặc, nồng độ củadung dịch tăng lên, do đó mà một số tính chất của dung dịch cũng sẽ thay đổi Điềunày có ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấu tạo vá vận hành của thiết bị cô đặc Khinồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt của dung dịch sẽ

giảm Ngược lại, khối lượng riêng ρ, độ nhớt μ, tổn thất do nồng độ ∆’ sẽ tăng Đồngthời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt,những tính chất đó sẽ làm giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị.

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ởnhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ để đun nóngcho một thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi,làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suấtkhác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết

bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không vì có

ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt ( khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi củadung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

b) Cô đặc nhiều nồi:

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ýnghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thểtóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ củanồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba hơi thứ nồi cuốicùng đi vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, quamỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyềnnhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, haynói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là ápsuất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồisau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấphơn áp suất khí quyển Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặcnhiều nồi xuôi chiều được sử dụng nhiều hơn cả

Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sựchênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dungdịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dungdịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước làm quátrình tự bốc hơi

Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dungdịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt

sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấphơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch

Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, Cô đặc là quá trình làm bay hơi mộtphần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi; với mụcđích:

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

 Tách các chất hoà tan ở dạng rắn (kết tinh)

 Tách dung môi ở dạng nguyên chất…

1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất

1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất

(10) Thùng chứa nước(11) Thùng chứa sản phẩm(12) Bơm chân không

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Dung dịch ban đầu có nồng độ thấp chứa trong thùng (1) qua bơm (2) được bơmlên thùng cao vị (3) Từ đây nó được điều chỉnh lưu lượng theo yêu cầu qua lưu lượng

kế (4) trước khi vào thiết bị gia nhiệt (5) Tại thiết bị (5), dung dịch được đun nóng đếnnhiệt độ sôi bằng tác nhân hơi nước bão hòa và được cấp vào buồng đốt của nồi cô đặcthứ nhất (6) Ở nồi thứ nhất, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóngkiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vàobuồng đốt để đun nóng dung dịch, nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửatháo nước ngưng Dung môi bốc hơi lên trên buồng bốc hơi (7) của nồi 1 được gọi làhơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phận tách bọt nhằm hồilưu phần dung dịch bốc hơi theo Dung dịch từ nồi thứ nhất tự chảy sang nồi thứ 2 do

có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồitrước Tại nồi 2 cũng xảy ra quá trình bốc hơi tương tự như ở nồi 1 với tác nhân đunnóng chính là hơi thứ của nồi thứ nhất (đây chính là ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt độtrong cô đặc nhiều nồi) Hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (8) Ở đây hơithứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng, chảy vào thùng chứa ở ngoài, còn khí khôngngưng đi vào thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân không (12) Dung dịch saukhi ra khỏi nồi 2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc đi vào thùng chưa sản phẩm.Nước ngưng tạo ra trong hệ thống đi qua các ống tháo nước ngưng tập kết tại thùng(10) đưa đi xử lý

Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi

nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất Nhiệt độ sôi củanồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi đầu) đều có nhiệt

độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽlàm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịchvào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóngdung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dungdịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nướcngưng tụ

Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấpdần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăngnhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Yêu cầu:

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều không lấy hơi phụ có phòng đốt ngoàithẳng đứng, cô đặc dung dịch NaCl với năng suất 12000 kg/h Các số liệu ban đầu: Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10 % khối lượng

Nồng độ cuối của dung dịch: 23 % khối lượng

Áp suất hơi đốt nồi đầu: 5 at

Áp suất hơi ngưng tụ: 0,2 at

2.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W:

W =G đ(1−x đ

x c),(kg/h) [4-55]

W =16200×(1−10

23)=9156,52(kg/h)

2.2 Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi

Giả thiết lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi là W1:W2 = 1,005:1

W1= W

2,005=

10363,642,05 × 1,005=4589,68(kg /h)

2.4 Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P

∆P là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết

bị ngưng tụ png: ∆ P=P1−P ng ,[at]

Thay số ta được: ∆P = p1 – Png = 5 – 0,3 = 4,7 (at)

2.5 Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi

Giả thiết phân bố hiệu số áp suất giữa các nồi là ∆P1: ∆P2 = 2,25:1

T2 = T s−( T s -T t)

( P s - P t)×( P s - P2) = 116,3 -116,3−112,7

1,8−1,6 × (1,8−1,75)=115,33(oC)Tương tự ta có i2 = 2707,39.103 (J/kg), r2= 2219,69.103 (J/kg)

2.6 Tính nhiệt độ t i ’ và áp suất của hơi thứ ra khỏi từng thiết bị cô đặc:

t i '

Áp suất hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ là Png=0,3 at, tra bảng I.251 [3- 313],nội suy ta được Tng = 68,7 oC.

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H = 5m, mực chất lỏng trên ống truyền nhiệt

h1 = 0,5 m (Do NaCl ít tạo bọt)

 Nồi cô đặc 1:

Với x1 = 13,95%, t1’ = 116,83 oC tra bảng [3-45], nội suy ta có: 𝜌s1 = 1098,47 (kg/m3)

Áp suất thủy tĩnh của khối lỏng – hơi ở giữa ống tuần hoàn:

Ptbi = pi’+ (h1+H

2)×

ρ si

2 × gThay số : Ptb1 = p1’+ (h1+H

Với x2 = 23 %, t2’ = 70,2 oC tra bảng [3-35], nội suy ta có: 𝜌s1 = 1169,7(kg/m3)

Tương tự nồi 1, ta được Ptb2= 0,5 at, ttb2 = 80,68 oC

2.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆ i ' :

∆ i '

=∆ o '

× f (oC)

Trong đó:

∆ o '

: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi

của dung môi nguyên chất ở áp suất thường

f :Hệ số hiệu chỉnh tính theo nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất Tra bảng [4-59], nội suy ta có:

Với, t1’ = 116,83 oC, f1 = 1,116Với ttb2 = 75,4 oC, f2 = 0,820Tra bảng [4-67], nội suy với a1 = 13,95 %, ta có ∆ o

'

=1; với a2 = 23 %, ∆ o '

2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh ∆ i¿

∆ i} = {t} rsub {tb1} - {t} rsub {i} rsup {' ¿

(oC)Thay số ta được:

∆1 } = 119,6 - 116,83 =2,77 ¿ oC; ∆2

} =80,68- 70,2 =10,48 ¿ oC

2.7.3 Tính tổn thất nhiệt của hệ thống ∆ i :

∆ i=∆ i '

+∆ i

} + {∆} rsub {i} rsup {''' ¿

(oC)Thay số ta được:

∆1=3,22+2,77+1,5=7,49 oC;

∆2=4,96+ 10,48+1,5=16,94 oCVậy ∑∆ i=∆1+∆2=7,49+16,94=24,43oC

2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích

2.8.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống