Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút NaOH

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút NaOH

I MỞ ĐẦU:

Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành công nghiệp sản xuất hốchất cơ bản Nó đóng vai trò rất lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt ,tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hố dầu, sản xuất phèn

NaOH là một baz mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao Vì vậy cần lưu ý đếnviệc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an tồn lao động trong quá trình sản xuất

Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tácdụng với dung dịch Na2CO3 lỗng và nóng . Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điệnphân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rấtlỗng , khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng người taphải cô đặc dung dịch đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hồ tan trong dung dịch bằng cách tách bớtmột phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh

Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc theo cách tách dung môi dưới dạng hơi.Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môitrên mặt thống dung dịch bừng với áp suất làm việc của thiết bị

Quá trình cô đặc thường được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăngnồng độ các dung dịch lỗng, hoặc để tách các chất rắn hồ tan

Quá trình cô đặc thường tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất thường( áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở , còn khi làm việc ở áp suất khác ( vd áp suất chânkhông ) người ta dùng thiết bị kín

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, có thểlàm việc liên tục hoặc gián đoạn

Thiết kế đồ án môn học máy và thiết bị hố chất giúp sinh viên làm quen với phương pháptính tốn máy thiết bị hố chất

Tập đồ án này thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dungdịch xút NaOH có nồng độ đầu 15% đến nồng độ cuối 30% Năng suất đầu vào là 1m3/hour

II.CHỌN QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ :

1 Qui trình công nghệ :

Năng suất của qui trình cô đặc là 1m3/h Đây là năng suất nhỏ do đó ta chọn qui trình côngnghệ như sau

2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống cô đặc:

Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, từ bồn cao vị dung dịch chảyxuống qua thiết bị gia nhiệt và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việc của nồi I.Dung dịch sau đó được đưa vào nồi I Do có sự chênh lệch áp suất giữa nồi I và nồi II nên dungdịch tiếp tục chảy qua nồi II rồi được bơm hút ra rồi chuyển vào bể chứa sản phẩm Hơi thứ trongnồi I dùng làm hơi đốt nồi II để tận dụng nhiệt Hơi thứ nồi II sẽ được đưa qua thiết bị ngưng tụbaromet và được chân không hút ra ngồi

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc : phần dưới của thiết bị là buồng đốt gồm có các ốngtruyền nhiệt và một ống tuần hồn trung tâm Dung dịch đi trong ống, hơi đốt sẽ đi trong khoảngkhông gian phía ngồi ống Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hồn trung tâm là : do ống tuần hồn

có đường kính lớn hơn rất nhiều so với các ống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ, dungdịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt Khi sôi dung dịch sẽ có ds = 0.5 dd do

đó sẽ tạo áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hồn sang ống truyền nhiệt Kết quả là tạo mộtdòng chuyển động tuần hồn trong thiết bị Để ống tuần hồn trung tâm hoạt động có hiệu quả dungdịch chỉ nên cho vào khoảng 0,4 – 0,7 chiều cao ống truyền nhiệt Phần phía trên thiết bị là buồngbốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ phận tách bọt để tách những giọtlỏng ra khỏi hơi thứ

A.TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH III.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

1 Chuyển đơn vị năng suất từ (m 3 /h) sang (kg/h) :

Khối lượng riêng : NaOH= 1159 kg/m3 GD = G’D  NaOH= 1159 kg/h

Nồng độ cuối của sản phẩm : xC = 30%

GD : Lượng dung dịch ban đầu kg/h

xD,xC : Nồng độ đầu,cuối của dung dịch % khối lượng

Thay số vào ta có:

kg/h

3 Giả thiết phân phối hơi thứ trong các nồi :

Chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi I và II là :

Khi đó ta có hệ phương trình:

WI + WII = WGiải hệ trên có kết quả :

IV.CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

1 Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc:

Theo đầu bài áp suất ngưng tụ là: Png = 0.5 at

Chọn áp suất của hơi đốt vào nồi I là : P1= 3.5 at

Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là :

Pt =P1 – Png = 3.5 – 0.5 = 3 atChọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là :

Kết hợp với phương trình : P1 + P2 = Pt = 3 at

P2 = 1.2 at

Dựa vào các dữ kiện trên và tra sổ tay qúa trình thiết bị tập I ta có bảng sau đây :

(at) Nhiệt độ(0C) Áp suất(at) Nhiệt độ(0C) Áp suất (at) Nhiệt độ(0C)Hơi

a Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao (’):

Áp dụng công thức của Tiaxenko:

’ = ’o f

Ở đây :

’o : Tổn thất nhiệt độ ở áp suất thường

f : hệ số hiệu chỉnh vì thiết bị cô đặc làm việc ở áp suất khác với áp suất thường

ft’i : nhiệt độ hơi thứ của nồi thứ I

ri : ẩn nhiệt hố hơi của hơi ở nhiệt độ t’i

Từ các dữ kiện trên ta lập được bảng sau:

b Tổn thất nhiệt do áp suất thuỷ tĩnh (’’ ):

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là P (N/m2), ta có:

P = S.g.Hop N/m2

Trong đó:

s : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi , kg/m3

s =0.5 dd

dd : Khối lượng riêng của dung dịch ,kg/m3

Hop: Chiều cao thích hợp tính theo kính quann sát mực chất lỏng ,m

Suy ra : ”2=(t”2+’2)– (t’2+’2)= 83.37 – 81.9 =1.47 0C

Vật tổn thất nhiệt của hai nồi là:

” =”1+”2 =0.53+1.47 = 2.00 0C

c Tổn thất nhiệt do trở lực thuỷ lực trên đường ống (”’)

Chấp nhận tổn thất nhiệt độ trên các đoạn ống dẫn hơi thứ từ nồi này sang nồi nọ và từ nồi cuối đến thiết bị ngưng tụ là 10C Do đó:

”’1=1.50C

”’2 =1.0 0C

d Tổn thất chung trong tồn hệ thống cô đặc:

3 Hiệu số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi:

Hiệu số nhiệt độ hữu ích ở ở mỗi nồi:

4 Cân bằng nhiệt lượng:

a Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi:

Nồng độ đầu dung dịch xD=15%<20% nên ta áp dụng công thức:

CD=4186 (1-xD) =4186 (1- 0.15) =3558.1 ,j/kg.độNồi II:

Coi C1 C2 Do xC=30%>20% nên áp dụng công thức: C1=C2=4186 – ( 4186 – Cht)xC1

Cht : Nhiệt dung riêng của chất hồ tan ,j/kg.độ

M.Cht =n1.c1+ n2.c2+ n3.c3+ nn.cn (*)Tra sổ tay tập I ta có:

tD, t1, t2: nhiệt độ sôi ban đầu, rakhỏi nồi I và nồi II của dung dịch , 0C

CD, C1, C2:nhiệt dung riêng ban đầu, ra khỏi nồi I và nồi II của dung dịch , j/kg.độ

1, 2:nhiệt độ nước ngưng tụ của nồi I và nồi II ,0C

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi I và nồi II ,j/kg.độ

Qxq1,Qxq2 :nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh , J

GD : lượng dung dịch lúc ban đầu ,kg/h Chọn hơi đốt , hơi thứ là hơi bão hồ, nước ngưng 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:

+2 =114.5 0C+ i1 =2706000 j/kg

Dung dịch NaOH:

+ t2=98.42 0C+ C2= 3323.2 j/kg.độ+ G2=579.5 kg/hHơi thứ :

+ t’2=81.9 0C

Lượng hơi thứ nồi I là : WI = 289.9 kg/h

Lượng hơi thứ nồi II là : WII = 289.6 kg/h

Lượng hơi đốt nồi I là : D = 314.6kg/h

V TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT CỦA BUỒNG ĐỐT

1 Tính nhiệt lượng do hơt đốt cung cấp:

r =rcáu1 + + rcáu2

Chọn : rcáu1 =rcáu2 =1/5000 m2.h.độ / Kcal=1/4300 m2 độ /W

 = 2 mmỐng làm bằng thép không rỉ mã hiệu 40XH:  = 44 W/m.độ

 r = 5.106*10-04 m2.độ /WNhiệt tải riêng trung bình:

Khi đó : t1= T – tT1 = 137.9 – 137.54 = 0.36 0C

TW = 0.5(T+tT1) =137.72 0C

r = r(1)=2156 kj/kg =514.95 Kcal/kg ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

A = 2362.02 trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước.Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:

T = q1.r= 6199.85*5.106.10-4=3.16 0C

 = 0.76 thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH

p = 1.76 at áp suất hơi trên bề mặt thống của dung dịch sôi

Thay vào (**) ta có :

2= 1.6*0.76*(1.76)0.4.(5339.58) 0.7=620 Kcal/m2.h.độ= 719.89 W/m2.độ

Thay vào (2)ta có :

q2 = 719.89*(137.54 –3.16 – 125.86) =6133.46 W/m2

+ kiểm tra lại giả thiết t1:

vậy nhiệt tải trung bình nồi I là:

Khi đó : t1= T - tT1= 114.5 – 114.18 = 0.32 0C

TW = 0.5(T+tT1) =114.34 0C

r = r(1)=2221.5j/kg=530.6 kcal/kg ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt

A = 2268.87 trị số phụ thuộc nhiệt độ ngưng tụ của nước.Thay các giá trị vào công thức (*) ta có:

T = q1.r=5492.79*5.106.10-4=2.8 0C

 = 0.76 thừa số kể đến tính chất lý học của NaOH

p = 0.52 at áp suất hơi trên bề mặt thống của dung dịch sôi

Thay vào (**) ta có :

2= 1.6*0.76*(0.52)0.4.(4730.64) 0.7=349.77 Kcal/m2.h.độ= 406.12 W/m2.độ

Thay vào (4)ta có :

q2 = 406.12.(114.2 – 2.8 – 98.42) =5271.44 W/m2

+ kiểm tra lại giả thiết t1:

vậy nhiệt tải trung bình nồi I là:

a Hệ số truyền nhiệt mỗi nồi:

Do vậy ta chỉ cần tính đại diện nồi II

Vận tốc hơi (hmax) của hơi thứ trong buồng bốc không quá 70 – 80% vận tốc lắng(0)

thấy : h = 0.09 m/s < 0=0.96 m/s ( thoả điều kiện )

chọn U’t= 1600m3/m3.h : cường độ bốc hơi thể tích Do dung dịch sôi tạo bọt nên cường độbốc hơi thể tích giảm còn : Ut=U’t/1.5 = 1066.7 m3/m3

.hThay vào công thức tính Vb có:

Vậy chiều cao buồng bốc là:

Do trong thiết bị có hiện tượng dung dịch sôi tràn cả lên phần buồng bốc do đó đòi hỏi thiết

bị phải cao hơn so với tính tốn

l = 1.5m : chiều dài của ống truyền nhiệt

d : đường kính ống truyền nhiệt

l =1.5 m : Chiều dài của ống truyền nhiệt m

dth = 0.325 : Đường kính ngồi của ống tuần hồn trung tâm

F = 40 m2 : Diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2

Bề mặt truyền nhiệt F = 3.14*1.5*(210*0.034+0.325)=35.2 m2 > 32.05 m2 ( thoả mãn )

VII.TÍNH KÍCH THƯỚC CÁC ỐNG DẪN LIỆU, THÁO LIỆU:

Đường kính các ống được tính theo công thức tổng quat sau đây:

ta có các thông số của nồi I như sau :

Dt : đường kính trong của thiết bị Dt=1200 mm

p : áp suất trong thiết bị ,N/m2 p =3.5 at =343350 N/m2

Thay vào công thức có :

Vậy chiều dày buồng đốt là : S= 6 mm.

Do trong buồng đốt nồi II, áp suất hơi thứ nhỏ hơn nồi I nên chắc chắn điều kiện sẽ thoả

b tính thân buồng bốc:

* Nồi I :

Chọn bề dày thân buồng bốc nồi I là S = 6 mm

Ta có áp suất bên trong buồng bốc nồi I là:

Áp suất làm việc trong buồng bốc : po = 0.52 at=0.051*106 N/m2

Tính chiều cao dung dịch trong buồng bốc :

Thể tích của các ống truyền nhiệt và cả ống tuần hồn trung tâm là :

V1=0.25..H0 (dn.n+Dth2) =0.25*3.14*1.5*(210*0.0342+0.3252)=0.41 m3.Thể tích của phần đáy :

Chọn đáy nón có gờ ( Dt=1200 mm, h=40mm, 2 =900)

V2 =0.348 m3 ( STQTTB T2 trang 386 )Thể tích dung dịch trong nồi :

Vận tốc dung dịch cung cấp vào nồi : v = 0.4 m/s

Vận tốc dung dịch trong ống tuần hồn trung tâm :

V = 2.v  =2* *1700.8=0.945 m3 ( do dung dịch trong thiết bị sôi bọt nên

s=0.5dd  thể tích dung dịch phải tăng hai lần )Thể tích phần buồng bốc bị chiếm chỗ :

V3 = V – V1 – V2 = 0.945 – 0.41 – 0.348 =0.187 m3.Chiều cao dung dịch trong buồng bốc :

Chọn H= 0.2 m

Khối lượng riêng của dung dịch :  =1276 kg/m3

Áp suất tính tốn trong buồng bốc:

p=po+ .g.H = 0.051*106+ 1276*9.81*0.2 =0.0535*106 N/m2

Áp suất ngồi: pn=pkt – p =0.1*106 – 0.0535*106=0.0465*106 N/m2

Môđun đàn hồi của vật liệu :0.2*1012 N/m2

Chiều dài tính tốn của thân: l=1,5 m

Áp suất ngồi cho phép :

[pn]=0.649.Et

Thiết bị làm việc ở áp suất ngồi, áp suất trong buồng bốc là p=0.52 at

Aùp suất ngồi pn=0.1*106-0.051*106 =0.049*106 N/m2

H1 : chiều cao cột chất lỏng trong buồng đốt, H1= 1,5 m

H2 : chiều cao cột chất lỏng trong buồng bốc, H2 = 0.2 m

 H= 675+40+1500+200=2415 mm =2.415 mNồi I :

Áp suất trong buồng đốt: p0= 3.5 at = 0.343*106 N/m2

e tính bulông và bích:

+ bích nối nắp với buồng bốc : ( chọn bích theo STQTTB T2 trang 405 - 412)

Chọn bích liền bằng thép kiểu I, các thông số cho trong bảng sau:

+ bích nối buồng đốt với đáy :

Chọn bích liền bằng thép kiểu I, các thông số cho trong bảng sau:

+ bích nối buồng bốc và buồng đốt tương tự bích nối đáy và buồng đốt

+ tính bulông nối nắp và buồng bốc:

Chọn khoảng cách tương đối giữa tâm các bulông là x =195 mm

+ tính bulông nối đáy và buồng đốt:

Lực nén trục sinh ra do xiết bulông: Q1=0.25..Dt2.p+Dtb.b0.m.p (*)

Thể tích dung dịch trong thiết bị ( tính ở phần trên ) : V=0.945 m3

Khối lượng dung dịch trong thiết bị là : Mdd = V.s=0.945*0.5*1276=602.91 kg

Vậy khối lượng tổng cộng :

1 Tính thiết bị ngưng tụ baromet :

a Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ :

W2 : lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ , W2=289.6 kg/h =0.0804 kg/s

i : hàm nhiệt của hơi ngưng , i =2643.74 kj/kg

t2C,t2D : nhiệt độ đầu ,cuối của nước làm nguội, lấy t2D=300C

t2C=tng – 10 =80.9 – 10 =70.9 0C

tng : nhiệt độ hơi bão hồ ngưng tụ

Cn : nhiệt dung riêng trung bình của nước, tra theo nhiệt độ trung bình.

 Cn = 4,18 kj/kg.độ

b Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị :

Lượng khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ baromet :

png=0.5 at =49050 N/m2 : áp suất làm việc của thiết bị ngưng tụ

ph =0.0576 at =5652 N/m2 : áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp ở nhiệt độ tkk

c Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet :

+ đường kính trong :

Dt=1.383

h : khối lượng riêng của hơi, h=0.3158 kg/m3

h: tốc độ hơi trong thiết bị ngưng tụ, h= m/s

tấm ngăn có đục nhiều lỗ , lấy đường kính của lỗ là dl=2mm

chiều dày tấm ngăn , chọn =4 mm

chiều cao gờ cạnh tấm ngăn , chọn h0=40 mm

các lỗ xếp theo hình lục giác đều, ta có bước lỗ :

khoảng cách trung bình giữa các ngăn : htb=400 mm

chiều cao của thiết bị ngưng tụ :

Hng=n.htb+800 = 8*400+800=4000 mm = 4 m

+ kích thước ống Baromet:

đường kính trong của ống baromet : dba=

 : vận tốc của hỗn hợp nước lạnh và nước ngưng chảy trong ống baromet,chọn =0.7m/s

lấy đường kính ống baromet là dba= 50 mm

chiều cao ống baromet : hba=h1+h2+h3 (m)

h1: chiều cao cột nước trong ống baromet cân bằng với hiệu số áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ baromet

h3=0.5m chiều cao dự trữ đề phòng trường hợp nước dâng lên chảy tràn vào nồi.

chiều cao ống baromet là :

hba=h1+h2+0.5 = 5.33+0.15+0.5 = 5.98 (m)  6 (m)

vậy chọn chiều cao ống Baromet là : hba=6 m

2 tính thiết bị gia nhiệt nhập liệu :

Chọn loại thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch đi trong ống, hơi đốt đi ngồi ống

T = q1.r= 11697.37*6.32.10-4=7.4 0C

 t2= tt1 - T – ttb= 137.09 – 7.4 – 77.67 =52.02 0C

ta có bảng số liệu sau đây :

(W/m.độ ) (kg/m 3) ( j/kg.độ )C .10

Chọn vận tốc dung dịch trong ống truyền nhiệt : v =0.01 m/s

Đường kính ống truyền nhiệt : d = 34/38 mm

Chiều cao từ mặt thống nồi xuống đất là : Z=4 m

Đường kính ống nhập liệu vào nồi là : d = 80 mm

hệ số tổn thất cục bộ tại miệng ống vào : vào =0,5

hệ số tổn thất cục bộ tại miệng ống ra : ra =1

hệ số tổn thất cục bộ tại khuỷu 90 : khuỷu 90 =1,19

3 Tính bơm chân không :

Công suất bơm chân không :

N=

CK : hệ số hiệu chỉnh , CK=0.8

m : chỉ số đa biến , m=1.3

p2 : áp suất khí quyển , p2=1.033 at

áp suất không khí trong TBNT : pkk= p1=png - ph=0.5 – 0.0576 =0.4424at

thể tích không khí cần hút khỏi thiết bị: Vkk= 0.0017m3/s

công suất bơm :

4 Tính bơm nước vào thiết bị ngưng tụ :

Công suất của bơm :

H : cột áp của bơm ( m)

 : hiệu suất của bơm , chọn =0.75

 : khối lượng riêng của nước ở300C ,  = 997kg/m3

Q : lưu lượng nước lạnh tưới vào Baromet : Gn= 1.1 kg/s