Tiểu luận TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NaOH

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi hoặc dạng kết tinh.. Quá trình cô đặc thường được tiến hành ở trạng thái s

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

QUÁ TRÌNH THIÊT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT

Đề tài

TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NaOH

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: GIỚI THIỆU 2

1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc 2

1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc 2

1.3 Phân loại và ứng dụng của thiết bị cô đặc 4

1.4 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 4

PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6

2.1 Mục đích hệ thống 6

2.2 Các thông số công nghệ 6

2.3 Thuyết minh qui trình cô đặc 6

2.4 Khống chế quá trình cô đặc 9

PHẦN 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 11

3.1 Yêu cầu 11

3.2 Cân bằng vật chất 11

3.3 Cân bằng năng lượng 12

3.4 Cân bằng nhiệt lượng 17

PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 20

4.1 Tính bề mặt truyền nhiệt buồng đốt 20

4.2 Tính kích thước buồng đốt 27

4.3 Tính kích thước buồng bốc 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

LỜI MỞ ĐẦU

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

NaOH là một bazo mạnh, có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao Vì vậy cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an tòan lao động trong quá trình sản xuất.

Trước đây trong công nghiệp NaOH thường được sản xuất bằng cách cho Ca(OH) 2 tác dụng với dung dịch Na 2 CO 3 loãng và nóng Ngay nay người ta dùng phương pháp hiện đại là diện phân dung dịch NaCl bão hòa Tuy nhiên dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng, khó khăn trong việc vận chuyển đi xa

Để thuận tiện cho việc chuyên chở và sử dụng người ta phải cô đặc dung dịch đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.

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

Trong khuôn khổ để tài này ta sẽ tiến hành cô đặc theo cách tách dung môi dưới dạng hơi Quá trình cô đặc thường được 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.

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( ví dụ áp suất chân không) 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 thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn.

Đề tài tính toán thiêt kế hệ thống cô đặc hai nồi làm việc liên tục xuôi chiều cô đặc dung dịch xút NaOH có nồng độ đầu 15% đến nồng độ cuối 45%.

PHẦN I: GIỚI THIỆU

1.1 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc NaOH

1.1.1 Đặc điểm nguyên liệu

Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm:

Dung môi: nước

Các chất hòa tan: gồm NaOH là chủ yếu

1.1.2 Đặc điểm sản phẩm:

Sản phẩm là dung dịch NaOH có nồng độ 45% độ tinh thiết cao

1.1.3 Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc

Biến đổi vật lý:

Các đại lượng giảm: nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt

Các đại lượng tăng: khối lượng riêng, độ nhớt

1.1.4 Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa

Đảm bảo đạt nồng độ yêu cầu

Thành phẩn hóa học chủ yếu không thay đổi, giữ nguyên tính chất đặc trưng củasản phẩm

1.2 Cô đặc và quá trình cô đặc

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khách nhau Khi làm việc ở áp suấtthường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùngthiết bị kín

Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc một nồi hoặc hệ thống cô đặcnhiều nồi

1.2.2 Các phương pháp cô đặc

 Phương pháp nhiệt (đun nóng) :

Dưới tác dụng nhiệt do đun nóng, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạngthái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thóangdung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độcao ( như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ cao ( như dung dịch đường)đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, haythường là ở chân không Đó là phương pháp cô đặc chân không

 Phương pháp lạnh

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ được tách radưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết - thường la kết tinh dung môi để tăng nồng độchất tan Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện ápsuất bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độcao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh

1.2.3 Nguyên tắc chọn phương án cô đặc

Việc lựa chọn bất kỳ một phưong án cô đặc nào cũing phải thỏa mãn các yêu cầu

cơ bản sau:

 Sử dụng hợp lý lượng hơi nước

Việc lựa chọn phương án nào cũng phải đáp ứng được yêu cầu kinh tế sau cho chiphí thấp nhất mà đạt hiệu quả cao nhất Lượng hơi nước phải được sử dụng tối đa màlại giảm được tiêu hao nhiều nhất

 Đáp ứng yêu cầu công nghệ

Đáp ứng yêu cầu dùng hơi của các bộ phận khác như: gia nhiệt NaOH, đun nóngdung dịch NaOH,…nồng độ NaOH sau khi cô đặc phải đạt yêu cầu kỹ thuật

Vốn đầu tư thiết bị ít nhất

khống chế tương đối đồng đều để tránh sự đóng cặn cục bộ ở bất cứ nồi nào, do đó duytrì được tình trạng làm việc lâu dài của thiết bị.

1.3 Phân loại và ứng dụng thiết bị cô đặc

Phân loại theo cấu tạo: TBCĐ được chia thành 6 loại thuộc 3 nhóm chủ yếu nhưsau:

 Nhóm 1: dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên)

- Loại I: có buồng đốt ngoài (đồng trục với buồng bốc); có thể có ống tuần hoàntrong hay ngoài

- Loại II: có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc)

Ứng dụng : cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tựnhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

 Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức)

- Loại III: có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài;

- Loại IV: có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

Ứng dụng: cô đặc các dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sựbám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt

 Nhóm 3: dung dịch thành màng mỏng

- Loại V: màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay ngoài;

- Loại VI: màng dung dịch chảy xuôi; có thể có buồng đốt trong hay ngoài

Ứng dụng: TBCĐ nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy màng (màng mỏng haymàng lỏng- hơi) qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tácdụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần (xuôi hay ngược) để tranh sự tácdụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch

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

1.4.1 Thiết bị chính

Buồng đốt - bề mặt truyền nhiệt

Buồng phân ly hơi (buồng bốc hơi) – khoảng trống để tách hơi thứ ra khỏi dungdịch

Bộ phận tách bọt- dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo

1.4.2 Thiết bị phụ

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ baromet

Thiết bị đo áp suất, nhiệt độ

Các bộ phận khác: bồn cao vị, bồn chứa sản phẩm, nguyên liệu.

Cô đặc dung dịch NaOH từ 15% đến 45% với năng suất sản phẩm 144000kg/ngàyđêm.

Chọn lưu lượng vào tháp G = 6000kg/h

Coi như quá trình sản xuất là 100%

Vậy công suất của nhà máy là: 52560 tấn

2.3 Thuyết minh quy trình cô đặc NaOH

Dung dịch NaOH từ bồn chứa nguyên liệu, nồng độ 15% được bơm lên bồn cao vị.Trên bồn cao vị có thiết kế đường ống chảy tràn để duy trì ổn định mực chất lỏng vàmột đường ống phía dưới bồn để rửa bồn Từ bồn cao vị, dung dịch được chảy quathiết bị gia nhiệt thông qua lưu lượng kế để đảm bảo năng xuất nhập liệu ban đầu Tạithiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi ứng với áp suất làm việccủa nồi cô đặc 1

Sau đó dung dịch tự chảy qua buồng đốt của nồi 1 dung dịch Trong buồng đốt củanồi cô đặc 1dung dich đi bên trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm.Hơi đốt là hơi nước nước bão hòa đi phía khoảng trống bên ngoài ống Trong ốngtruyền nhiệt khi dung dịch sôi khối lượng riêng nhỏ sẽ tạo áp lực đẩy dung dich đi phíatrên ống Trong ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn rất nhiều so với cácống truyền nhiệt do đó hệ số truyền nhiệt nhỏ dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịchtrong ống truyền nhiệt, khi dung dịch sôi khối lượng riêng lớn hơn so với dung dịch

trong ống truyển nhiệt sẽ tạo áp lực đẩy dung dịch đi từ trên xuống, kết quả là tạothành 1 dòng chuyển động tuần hoàn trong thiết bị Tại đây quá trình cô đặc sơ bộđược diễn ra.

Phía trên buồng đốt là buồng bốc để tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng, trongbuồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo

Do chênh lệch áp suất ở nồi cô đặc 1 đủ lớn nên dung dịch tự chảy vào buồng đốtnồi cô đặc 2, lượng hơi thứ nồi cô đặc 1 sinh ra được dẫn vào làm hơi đốt cho nồi côđặc 2 Tại nồi cô đặc 2 quá trình diễn ra tương tự, dung dịch được cô đặc đến nồng độ45%.Do áp suất của sản phẩm nhỏ hơn áp suất của khí quyển nên phải dùng bơm đểbơm sản phẩm ra bồn chứa sản phẩm Trước khi ra sản phẩm ra bồn chứa nó sẽ choqua thiết bị làm lạnh Vì nhiệt độ của dung dịch cao hơn ở nhiệt độ sôi khi qua thiết bịnày nên sẽ làm bốc hơi thêm 1 lượng nước và được gọi là quá trình tự bốc hơi

Lượng hơi thứ do nồi cô đặc 2 sinh ra được dẫn vào thiết bị ngưng tụ baromet.Trong thiết bị baromet hơi vào thiết bị đi từ dưới lên, còn nước lạnh chảy từ trênxuống, chảy tràng qua cạnh tấm ngăn và 1 phần qua lổ của tấm ngăn Hỗn hợp nướclàm nguội và chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống baromet, khí không ngưng đi lênqua thiết bị thu hồi bọt Tác dụng thiết bị thu hồi bọt giữ lại những hạt nước bị khíkhông ngưng cuốn theo Những hạt nước chảy vào ống baromet Khí không ngưnghoặc không khí được hút ra ngoài ớ phía trên qua bơm chân không

1 Bơm nhập liệu 4 Lưu lượng kế 7 Bồn chứa nước

ngưng 10 Thiết bị ngưng tụ Baromet 13 Bơm chân không T: Nhiệt kế

2 Bồn chứa nguyên

liệu 5 Thiết bị gia nhiệt 8 Thiết bị làm lạnh 11 Bơm tách bọt 14 Cửa tháo khí ngưng

Hình Hệ thống thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều

2.4 Khống chế quá trình cô đặc:

Quá trình cô đặc có liên qua trực tiếp đến chất lượng của dung dịch NaOH, muốnđảm bảo chất lượng của dung dịch cần thực hiện tốt các vấn đề chính sau:

 Khống chế độ chân không và áp suất hơi

Nhiệt độ sôi trong các nồi có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ và áp suất trong cácnồi tương ứng Độ chân không càng cao thì nhiệt độ sôi càng thấp Áp suất hơi cànglớn dung dịch sôi càng mạnh

Thường ta khống chế độ chân không của nồi cô đặc dưới 600mmHg Nếu độ chânkhông cao hơn sẽ ảnh hưởng đến sự đối lưu dung dịch NaOH do độ nhớt tăng làmgiảm hiệu quả truyền nhiệt

Trong quá trình khống chế thường xảy ra hiện tượng áp suất hơi của nồi 1 thôngcác nồi sẽ tăng cao, sự bốc hơi của các nồi sẽ giảm xuống Trường hợp này cần mở tovan hơi nồi I, điều chỉnh van ở các nồi sau, hạn chế lượng vào đến khi ổn định trở lại

 Khống chế chiều cao dung dịch

Chiều cao dung dịch có ảnh hưởng lớn tới hệ số truyền nhiệt và tốc độ tuần hoàncủa dung dịch NaOH Cô đặc ở mức dung dịch thấp có thể khắc phục được hiện tượngnày

 Khống chế lượng hút hơi thứ:

Trong quá trình cô đặc, phải khống chế lượng hơi thứ sao cho ổn định để giữ cho

áp suất chân không của các nồi ổn định, duy trì được hiệu quả bay hơi và giảm đượchiện tượng thất thoát NaOH

 Kiểm soát tốt việc thoát khí không ngưng.

Việc thoát khí không ngưng không tốt sẽ giảm hệ số cấp nhiệt của hơi, dẫn tớigiảm năng suất bốc hơi Mặt khác, khí không ngưng cũng làm giảm hoặc tăng áp suất

ở một nồi nào đó Cần phải mở van xả khí không ngưng lớn hơn đến khi quá trình trởlại bình thường

 Thao tác năm ổn định:

Gồm: ổn định áp suất hơi, ổn định áp suất chân không, ổn định mức dung dịch, ổnđịnh hệ thống van và ổn định hơi thứ

Trong cả hệ thống chỉ cần ổn định áp suất hơi của nồi 1 là có thể duy trì được tổngchênh lệch nhiệt độ cần thiết cho cả hệ thống bốc hơi Phải căn cứ vào các điều kiệnnhư lượng hơi, nồng độ NaOH, mức độ sinh cáu cặn để ổn định và duy trì quá trình.

- Ổn định áp suất chân không

Áp suất chân không của các nồi ổn định sẽ không sinh ra sự biến động về độchênh lệch nhiệt độ và thể tích khối dung dịch gây hiện tượng mất NaOH, giảm thấp

sự biến động cường độ bốc hơi đảm bảo nồng độ NaOH

Muốn đảm bảo ổn định áp suất chân không cần ổn định các yếu tố như: ổn địnhlượng hút hơi thứ, kiểm soát chặc chẽ và thông suốt việc tháo nước ngưng và thoátkhí không ngưng

- Ổn định mức dung dịch

Nếu mức tăng giảm thất thường sẽ gây ra hiện tượng mất NaOH, giảm hiệu quảbốc hơi Phải điều chỉnh nồng độ NaOH đi qua các nồi điều đặn và căn cứ vào nguyêntắc khống chế mức dung dịch mà tiến hành

- Ổn định các van

Trong quá trình thao tác đóng mở các van tuyệt đối tránh hiện tượng đột ngột (quá

to hoặc quá nhỏ) khi đóng mở van Do các van trong quá trình làm việc thường đãđược điều chỉnh thích hợp, nếu gặp hiện tượng bất thường phải điều chỉnh các vandung dịch vào và độ chân không ở nồi đầu và nồi cuối, tránh biến động đột ngột tạicác nồi giữa

- Ổn định hút hơi thứ

Việc ổn định này giúp cho độ chân không ở các hiệu được ổn định, làm tăng hiệuquả bay hơi, giảm được hiện tượng mất NaOH

PHẦN 3 TÍNH CẤN BẰNG VẬT CHẤT - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG3.1 Yêu cầu:

Nồng độ nguyên liệu đầu : xđ =15 % (khối lượng)

Nồng độ sản phẩm cuối : xc = 45% (khối lượng)

Áp suất TBNT (áp suất Baromet) : 0,3at

Gđ : Suất lượng dung dịch đầu, kg/h

Gc : Suất lượng dung dịch cuối, kg/h

x đ: Nồng độ dung dịch đầu, % khối lượng

xc : Nồng độ dung dịch cuối, % khối lượng

Gđ=

d x

x c

= 18000 (kg/h)

3.2.2 Lượng hơi thứ tạo thành ở mỗi nồi:

Lượng hơi thứ bốc lên trong toàn hệ thống:

W: lượng hơi thứ của toàn hệ thống (kg/h)

Tỷ lệ hơi thứ tạo thành ở mỗi nồi:

45

15 1 (

II I

15

= 45(% khối lượng)

3.3 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:

3.3.1 Áp suất và nhiệt độ mỗi nồi:

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

Kết hợp với phương : P1  2 , 733 at

P2  1 , 822 at

p2 = p1 – png = 4,855 – 2,733 = 2,122 at

Tra bảng I.251,T 314 [1] ta có bảng sau:

Bảng 1: áp suất và nhiệt độ tại hai nồi và thiết bị ngưng tụ:

Áp suất (at)

Nhiệt độ ( o C)

Áp suất (at)

Nhiệt độ ( o C) Hơi đốt p1= 4,855 t1 = 150 p1= 2,122 t2= 121,418 p

2 ' ) 273 ( 2 ,

Trong đó

r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc

Tra bảng( I.23, T35, [2]) khối lượng riêng của NaOH

Tra bảng (I.251,T 314, [2]) tìn ẩn nhiệt hóa hơi của nước

16 , 2200

) 418 , 122 273 ( 2 , 16 345

) 7 , 69 273 ( 2 , 16 805 ,

3.3.2.2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: '

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt H=3 m

'

Hop=[0,26+0,0014.(dd  dm)] (CT 4.20,T 185,[3])

với :

:

p

 độ tăng áp suất chất lỏng sôi ở độ sâu từ mặt thoáng

Hop: chiều cao thích hợp tính theo quan sát mực chất lỏng

 : khối lượng riêng của dung dich tại nhiệt độ sôi tsdm

Ho: chiều cao của ống truyền nhiệt

Coi dd trong mỗi nồi không đáng kể trong khoảng nhiệt độ từ bền mặt đến độsâu trung bình của chất lỏng

'' 1 ''

3.3.2.3 Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực trên đường ống ('')

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

Tổng chênh lệch nhiệt độ biểu kiến của hệ thống:

3.4.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch của dung dịch NaOH ở từng nồi,C

Đối với dung dịch gồm hai cấu tử ta tính nhiệt dung riêng theo công thức sau:x< 0,2 thì C= 4186 (1-x) (j/kg độ)

x> 0,2 thì C = 4186 (1-x) + Chtx (j/kg độ)

Trong đó :

x : nồng độ chất hòa tan (phần khối lượng)

Cht : nhiệt dung riêng chất hòa tan khan, J/kg độ

Cht =

n

C n C n C

3.4.2 Phương trình cần bằng nhiệt lượng :

Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng