Thiết kế và tính toán hệ thống cô đặc hai nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục, dùng để cô đặc dung dịch Na2SO 4

PHẦN 1: MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế mộtthiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viênkhoa công nghệ Hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

Thiết bị cô đặc kiểu: phòng đốt ngoài

II Các số liệu ban đầu:

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều phòng đốt ngoài thẳng đứng cô đặc

Na2SO4

Với năng suât 9000 kg/h

Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10%

Chiều cao ống gia nhiệt: 2m

Nồng độ cuối của dung dịch : 30%

áp suất hơi đốt nồi 1: 6 at

áp suất hơi ngưng tụ: 0,24at

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

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

3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính:

- Tính cân bằng vật liệu toàn tháp

- Tính đường kính và chiều cao thiết bị

VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày tháng năm 2012

VII Ngày hoàn thành: ngày tháng năm 2012

Người hướng dẫnThS Nguyễn Tuấn Anh

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

Hà Nội, Ngày … Tháng … Năm 2012

Người nhận xét

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 6

I QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 6

II DUNG DỊCH Natrisunfat- Na 2 SO 4 8

1 Đặc tính hóc học và vật lý: 8

2 Sản xuất: 10

a Nguồn tự nhiên: 10

b Công nghiệp hóa chất: 11

3 Ứng dụng: 12

a Công nghiệp hóa chất toàn cầu: 12

b Trữ nhiệt: 13

c Ứng dụng quy mô nhỏ 13

d An toàn 14

PHẦN 2 : SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 14 I Nguyên lý làm việc của hệ thống 14

II Sơ đồ dây truyền hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều 15

PHẦN 3: TÍNH CÔNG NGHỆ 16 3.1: Cân bằng vật liệu 16

3.1.1: Lượng dung môi nguyên chất bốc hơi (lượng hơi thứ) khi nồng độ dung dịch thay đổi từ x đ đến x c : 16

3.1.2: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi: 17

3.2 TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG, ∆P: 17

3.3 XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI: 17

3.4 TÍNH NHIỆT ĐỘ (t i ’) VÀ ÁP SUẤT HƠI THỨ (p i ’) RA KHỎI TỪNG NỒI: 18

3.5 TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI: 19

3.5.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (∆’): 19

3.5.2 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’): 20

3.5.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆’’’): 22

3.5.4 Tổng nhiệt độ tổn thất: 22

3.6 TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG 23

3.6.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc: 23

3.6.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi: 23

3.7 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ĐỂ TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT D i , LƯỢNG HƠI THỨ W i Ở TỪNG NỒI 24

3.7.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 24

3.7.2 Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng 25

3.8 TÍNH HỆ SỐ CẤP NHIỆT, NHIỆT LƯỢNG TRUNG BÌNH TỪNG NỒI 28

3.8.1 Tính hệ số cấp nhiệt α 1i khi ngưng tụ hơi 28

3.8.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 29

3.8.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi: 30

3.8.4 Nhiệt tải riêng về phía dung dịch 36

3.9. XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CHO TỪNG NỒI 37

3.10 TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CHO TỪNG NỒI 37

3.11 SO SÁNH ∆T i * VÀ TÍNH ĐƯỢC BAN ĐẦU THEO GIẢ THIẾT PHÂN BỐ ÁP SUẤT 38

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 39

4.1TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 39

4.1.1 Hệ thống thiết bị 39

4.1.2 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ 41

4.2 TÍNH TOÁN BƠM CHÂN KHÔNG 48

4.3 THIẾT BỊ GIA NHIỆT HỖN HỢP ĐẦU 51

4.3.1 Nhiệt lượng trao đổi (Q) 51

4.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 51

4.3.3 Bề mặt truyền nhiệt: 55

4.3.4 Số ống truyền nhiệt : 56

4.3.5 Đường kính trong của thiết bị đun nóng 56

4.3.6 Tính vận tốc và chia ngăn 57

4.4 THÙNG CAO VỊ 57

4.4.1 Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nồi cô đặc: 59

4.4.2 Trở lực dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp: 61

4.4.3 Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: 62

4.4.4 Chiều cao thùng cao vị: 65

PHẦN V: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 67 5.1 BUỒNG ĐỐT NỒI CÔ ĐẶC 67

5.1.1 Tính số ống trong buồng đốt 67

5.1.2 Đường kính trong buồng đốt 68

5.1.3 Tính bề dày buồng đốt 69

5.1.4 Chiều dày lưới đỡ ống: 72

5.1.5 Chiều dày đáy lồi phòng đốt: 73

5.1.6 Tra bích để lắp đáy và thân, số bulong cần thiết để lắp ghép bích đáy 76

5.2 BUỒNG BỐC HƠI 77

5.2.1 Thể tích không gian hơi 77

5.2.2 Chiều cao phòng bốc hơi: 78

5.2.3 Chiều dày phòng bốc 78

5.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc 78

5.2.5 Tra bích để lắp đáy, thân, số bulong cần thiết để ghép bích đáy 80

5.3 TÍNH MỘT SỐ CHI TIẾT KHÁC 81

5.3.1 Đường kính các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị 81

5.3.2 Tính tai treo và chân đỡ 84

5.3.3 Chọn tai treo và chân đỡ 89

5.3.4 Chọn kính quan sát: 91

5.3.5 Tính bề dày lớp cách nhiệt: 91

PHẦN VI: KẾT LUẬN 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ HAY GẶP 96

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế mộtthiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viênkhoa công nghệ Hóa học trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội được nhận đồ ánmôn học: “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” Việc thực hiện đồ án làđiều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn saukhi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “ Cở sở các quá trình vàthiết bị công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một

số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ thiết kế một thiết bị, hệthống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong quá trình côngnghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tàiliệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán

và thiết kế, tự nâng cao kỹ năng trình bày bản thiết kế theo văn phong khoa học Trong đồ án môn học này nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệthống cô đặc 2 nồi xuôi chiều,ông tuần hoàn trung tâm với dung dịch Na2SO 4 ,năng suất đầu 9000 (k/h), nồng độ đầu vào là 10%, nồng độ sản phẩm là 30%

Áp suất hơi đốt nồi 1 là 6 (at), áp suất ngưng tụ là 0.24 (at)

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinhnghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quátrình thiết kế Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêmcủa các thầy cô giáo để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Tuấn Anh đã hướng dẫn em hoàn

- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Thu được dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suấtthường, áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc (nồi), hay trong hệ thống

nhiều thiết bị cô đặc Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Hơi bay ra trongquá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩnnhiệt hóa hơi lớn nên thường làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu hơi thứ được

sử dụng ngoài dây chuyền công nghệ cô đặc gọi là hơi phụ

Cô đặc chân không được dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dungdịch dễ bị phân hủy về nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt

và nhiệt độ trung bình của dung dịch (gọi là hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đếngiảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dungdịch thấp hơn có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản xuất khác (hoặc sửdụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịchkhông bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơithứ cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác

Cô đặc nhiều nồi:

Khi cô đặc một nồi sẽ gây lãng phí nhiên liệu, làm cho quá trình sản xuất khôngđạt được hiệu quả cao Do đó để tận dụng hơi thứ thay cho hơi đốt , chúng ta sửdụng hệ thống cô đặc nhiều nồi

Nguyên tắc của hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:

Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào nồi thứhai Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ 3,….hơi thứ của nồi cuối cùngđược đưa vào nồi ngưng tụ Dung dịch được đưa từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗinồi dung dịch được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt cho mỗi nồi là phải có sự chênh lệch nhiêt độgiữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói một cách khác là phải có sự chênh lệch

áp suất giữa hơi thứ và hơi đốt trong các nồi Nghĩa là áp suất làm việc trong cácnồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt của nồi sau Thôngthường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làm việc ở áp suấtchân không

Hệ thống cô đặc nhiều nồi được dùng khá phổ biến trong sản xuất

II DUNG DỊCH Natrisunfat- Na 2 SO 4

Natri sunfat là muốinatri của acid sulfuric Khi ở dạng khan, nó là một tinh

thể rắn màu trắng có công thức Na2SO4 được biết đến dưới tên khoáng

vật thenardite; Na2SO4·10H2O được tìm thấy ngoài tự nhiên dưới dạngkhoáng vật mirabilite, và trong sản xuất nó còn được gọi là muốiGlauber hay mang tính lich sử hơn là sal mirabilis từ thế kỉ 17 Một dạngkhác là tinh thể heptahiđrat được tách ra từ mirabilite khi làm lạnh Với sảnlượng sản xuất hàng năm lên đến 6 triệu tấn, nó là một sản phẩm toàncầu quan trọng về hóa chất.

Natri sunfat được ứng dụng chủ yếu trong việc sản xuất thuốc tẩy vàtrong phương pháp Kraft để làm bột giấy Khoảng 2/3 lượng natri sunfatcủa thế giới là từ mirabilite, dạng khoáng vật tự nhiên của muốiđecahiđrat, và phần còn lại là từ phụ phẩm của cácngành công nghiệp hóachất khác như sản xuất axit clohydric

Muối natri sunfat ngậm nước được biết dưới tên muối Glauber sau khi nhàhóa học và bào chế người Đức/Hà Lan Johann Rudolf Glauber (1604–1670) tìm ra nó vào năm 1625 trong nước của một con suối tại Áo Ông đặt

tên nó là salmirabilis (muối kì lạ), vì những đặc tính y khoa của loại muối

này: những tinh thể muối đã được dùng để làm thuốc nhuận tràng cho đếnkhi có những chất thay thế phức tạp hơn ra đời vào những năm 1900

Vào thế kỉ 18, muối Glauber bắt đầu được dùng làm vật liệu thô cho quátrình sản xuất soda trong công nghiệp, khi phản ứng với kali cacbonat Nhucầu gia tăng nên nguồn cung natri sunfat cũng phải tăng lên tương ứng Do

đó, vào thế kỉ 19, quá trình Leblanc quy mô lớn, sản xuất natri sunfat tổnghợp như là một chất trung quan chủ yếu, trở thành phương pháp chính trongsản xuất soda

1 Đặc tính hóc học và vật lý:

Natri sunfat rất bền về mặt hóa học, không tương tác với hầu hết các chấtoxi hóa-khử ở điều kiện thường Ở nhiệt độ cao, nó có thể bị khửthành natri sunfit bởi cacbon

Na2SO4 + 2 C → Na2S + 2 CO2

a Tính axit- bazơ:

Natri sunfat là muối trung hòa, khi tan trong nước tạo thành dung dịch có

pH = 7 Tính trung hòa chứng tỏ gốc sunfat bắt nguồn từ một axitmạnh acid sulfuric Hơn nữa, ion Na+, với chỉ một điện tích dương, có khảnăng phân cực các phối tử nước của nó rất yếu miễn là có ion kim loạitrong dung dịch Natri sunfat phản ứng với axit sunfuric tạo muối axit natribisunfat:[5][6]

Na2SO4 + H2SO4 ⇌ 2 NaHSO4

Hằng số cân bằng của quá trình trên phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ

Độ tan và trao đổi ion:

Natri sunfat có tính tan rất bất thường trong nước Độ tan của nó trong nướctăng gấp hơn mười lần trong khoảng 0 °C đến 32.384 °C, điểm mà độ tanđạt giá trị cực đại 497 g/L Tại điểm này đường biểu diễn độ tan uốn conghướng xuống, và độ tan trở nên không phụ thuộc vào nhệt độ Nhiệt độ32.384 °C, tương ứng với nhiệt độ làm giải phóng nước ra khỏi tinh thể vàtan chảy muối ngậm nước, cung cấp giá trị nhiệt độ tham khảo chính xáccho việc định chuẩn nhiệt kế

Natri sunfat là muối ion điển hình, chứa các ion Na+ và SO42− Sự có mặtcủa sunfat trong dung dịch được nhận biết dễ dàng bằng cách tạo ra cácsunfat không tan khi xử lý các dung dịch này với muối Ba2+ hay Pb2+ :

Na2SO4 + BaCl2 → 2 NaCl + BaSO4

Natri sunfat còn biểu hiện xu hướng tạo muối kép ở mức vừa phải Các loạiphèn duy nhất được tạo ra với các kim loại hóa trị ba thông thường làNaAl(SO4)2 (không bền ở trên 39 °C) và NaCr(SO4)2, đối nghịch với kalisulfat và amoni sunfat tạo được nhiều loại phèn bền Những muối kép vớimột vài kim loại kiềm khác được biết gồm Na2SO4·3K2SO4, muối này cótrong tự nhiên dưới dạng khoáng vậtglaserit Sự hình thành glaserit bằngphản ứng giữa natri sunfat và kali clorua được dùng làm cơ sở của mộtphương pháp sản xuất kali sulfat, một loại phân bón Các muối kép khácbao gồm 3Na2SO4·CaSO4, 3Na2SO4·MgSO4 (vanthoffite) và NaF.Na2SO4

b Cấu trúc tinh thể:

Các tinh thể chứa ion [Na(OH2)6]+ dạng bát diện, được tìm thấy trong nhiềumuối sunfat kim loại Những cation này được liên kết với gốc sunfat thôngqua liên kết hiđrô Độ dài liên kết Na-O là 240 pm Hai phân tử nước củamỗi đơn vị công thức phân tử không tạo phối trí với Na+ Tinh thể natrisunfat đecahiđrat còn bất thường so với các loại muối ngậm nước khác khi

có giá trị entropy dư thừa (entropy ở nhiệt độ không tuyệt đối) là

6.32 J·K−1·mol−1 Điều này được cho là do khả năng phân bố nước nhanhhơn rất nhiều so với hầu hết các muối khác

2 Sản xuất:

Sản lượng natri sunfat của thế giới phần lớn là ở dạng đecahiđrat xấp xỉ đạt5.5 đến 6 triện tấn hàng năm Năm 1985, sản lượng là 4.5 triệu tấn/năm,một nửa trong đó là từ các nguồn tự nhiên và một nửa là từ công nghiệp xảnxuất hóa chất Sau năm 2000, ở mức độ bền vững cho đến năm 2006, sảnxuất từ nguồn tự nhiên tăng lên 4 triệu tấn/năm, và lượng sản xuất từ côngnghiệp hóa chất giảm xuống 1.5 đến 2 triệu tấn/năm, với tổng sản lượng là5.5 đến 6 triệu tấn/năm Với tất cả các ứng dụng, trên thực tế, natri sunfatsản xuất trong tự nhiên và trong công nghiệp hóa chất có thể thay thế chonhau

là Chengdu Sanlian Tianquan Chemical (Tứ Xuyên), Hongze YinzhuChemical Group (Giang Tô), Nafine Chemical Industry Group (Sơn Tây),and Sichuan Province Chuanmei Mirabilite (Tứ Xuyên), và KuchuksulphatJSC (Altai Krai, Siberia, Nga) Ở Saskatchewan, một trong những mỏ chính

là Saskatchewan Minerals

Muối natri sunfat khan có mặt ở nhũng nơi khô khan dưới dạng khoángvật thenardite Nó chuyển sang mirabilite dần dần trong không khí ẩm Nócòn được tìm thấy ở dạngglauberite, một khoáng vật canxi natri sunfat Cảhai khoáng vật kể trên đều ít phổ biến hơn so với mirabilite

b Công nghiệp hóa chất:

Khoảng 1/3 lượng natri sunfat còn lại được sản xuất là từ phụ phẩm của cácquá trình khác trong công nghiệp hóa học Phần lớn chúng về mặt hóa học

là vốn có của các quá trình ban đầu, và chỉ mang tính kinh tế bên lề Vì thế,

bằng kết quả đạt được của ngành công nghiệp, lượng natri sunfat sản xuất

từ phụ phẩm như này đang giảm dần

Phần lớn natri sunfat thu được là trong quá trình sản xuất acid clohydric,

từ natri clorua (muối ăn) và acid sulfuric, trong quá trình Mannheim, hay

từ lưu huỳnh điôxit trong quá trình Hargreaves Natri sunfat thu được từ 2

quá trình trên được gọi là bánh muối.

Mannheim: 2 NaCl + H2SO4 → 2 HCl + Na2SO4

Hargreaves: 4 NaCl + 2 SO2 + O2 + 2 H2O → 4 HCl + 2 Na2SO4

Nguồn natri sunfat sản xuất lớn thứ hai là từ quá trình mà axit sunfuricđược trung hòa bởi natri hiđroxit, được áp dụng quy mô lớn trong sảnxuất tơ nhân tạo Phương pháp này còn là phương pháp điều chế trongphòng thí nghiệm tiện lợi và áp dụng rộng rãi

2 NaOH(aq) + H2SO4(aq) → Na2SO4(aq) + 2 H2O(l)

Trong phòng thí nghiệm nó còn được tổng hợp từ phản ứng giữa natribicacbonat và magie sunfat

2NaHCO3 + MgSO4 → Na2SO4 + Mg(OH)2 + 2CO2

Trước đây, natri sunfat còn là phụ phẩm của quá trình sản xuất natriđicromat, khi đó axit sunfuric được cho vào natri cromat để tạo natriđicromat hay sau đó là axit cromic Ngoài ra natri sunfat còn được tạo ra từcác quá trình sản xuất sodium sulfate is or was formed in the production

of liti cacbonat, chất tạo phức, resorcinol, axit ascorbic, chất tạomàu silica,axit nitric, và phenol

Natri sunfat dạng khối thường được tinh chế thông qua dạng đecahiđrat, vìdạng khan có khuynh hướng thu hút các hợp chất hữu cơ và các hợp chấtchứa sắt Dạng khan được điều chế dễ dàng từ dạng ngậm nước bằng cáchlàm nóng nhẹ

Những nhà sản xuất natri sunfat dạng phụ phẩm chính vào khoảng 50–80triệu tấn/năm năm 2006 gồm Elementis Chromium (công nghiệp sản xuấtcrom, Castle Hayne, Nam Carolina, Mỹ), Lenzing AG (200 triệu tấn/năm,công nghiệp sản xuất tơ nhân tạo, Lenzing, Áo), Addiseo (Rhodia cũ, côngnghiệp sản xuất methionin, Les Roches-Roussillon, Pháp), Elementis (côngnghiệp sản xuất crom, Stockton-on-Tees, Mỹ), Shikoku Chemicals(Tokushima, Nhật Bản) và Visko-R (công nghiệp sản xuất tơ nhân tạo,Nga)

3 Ứng dụng:

nước trong chất lỏng hữu cơ

Xa hơn nữa, chất lỏng có thể được làm khô ráo khi hình thành dạng vóncục

a Công nghiệp hóa chất toàn cầu:

Với giá cả ở Mỹ là 30 USD/tấn năm 1970, 6 đến 90 USD/tấn cho chấtlượng bánh muối và 130 USD/tấn cho cấp cao hơn, natri sunfat là một vậtliệu rất rẻ tiền Ứng dụng rộng rãi nhất là làm chất độn trong các loại thuốctẩy quần áo tại nhà dạng bột, chiếm khoảng 50% lượng sản phẩm làm ra.Ứng dụng này đang giảm đi vì người tiêu dùng nội địa đang chuyển hướngnhanh chóng sang loại chất tẩy dạng lỏng hay dạng rắn không chứa natrisunfat

Một ứng dụng khác trước đây của natri sunfat, đặc biệt ở Mỹ và Canada,lad trong quá trình Kraft để sản xuất bột giấy Các chất hữu cơ có mặt trong

"nước đen" thải ra từ quá trình này được đốt để tạo nhiệt, cần chuyển hóanatri sunfat thành natri sunfit Tuy vậy, quá trình này đang được thay thếbằng các phương pháp mới hơn; việc sử dụng natri sunfat trong côngnghiệp sản xuất bột giấy tại Mỹ và Canada giảm xuống từ 1.4 triệu tấn/nămnăm 1970 còn chỉ vào khoảng 150,000 tấn năm 2006

Công nghiệp sản xuất thủy tinh cung cấp một ứng dụng đáng kể khác củanatri sunfat, là ứng dụng nhiều thứ hai ở châu Âu Natri sunfat được dùnglàm chất làm sạch giúp loại bỏ các bọt khí nhỏ ra khỏi thủy tinh nóng chảy,

và ngăn ngừa quá trình tạo bọt của thủy tinh nóng chảy trong khi tinh chế.Công nghiệp sản xuất thủy tinh ở châu Âu tiêu thụ khoảng 110,000 tấn mỗinăm trong giai đoạn 1970-2006

Natri sunfat có vai trò quan trọng trong sản xuất vải, nhất là ở Nhật Bản,nơi nó được ứng dụng nhiều nhất Natri sunfat giúp làm bằng phẳng, loại

bỏ các điện tích âm trên sợi vải để thuốc nhuộm có thể thấm sâu hơn Khácvới natri clorua, nó không ăn mòn các bình nhuộm bằng thép không gỉ.Ứng dụng này ở Mỹ và Nhật Bản tiêu thụ khoảng 100,000 tấn năm 2006

b Trữ nhiệt:

Dung lượng trữ nhiệt cao khi chuyển pha từ rắn sang lỏng, và nhiệt độchuyển pha thuận lợi 32 °C (90 °F) làm cho vật liệu này đặc biệt phù hợpcho việc tích trữ nhiệt mặt trời mức thấp để sau đó giải phóng ra trong ứngdụng nhiệt trong không gian Trong một vài ứng dụng vật liệu này cònđược sáp lại thành các tấm ngói nhiệt đặt trong vùng gác thượng trong khimột số khác thì sáp lại thành các tấm pin bao quanh bởi nước đun nóngbằng mặt trời Sự chuyển pha cho phép giảm khối lượng vật liệu thực tế đểtrữ nhiệt có hiệu quả (nhiệt nóng chảy của natri sunfat đecahiđrat là 25.53kJ/mol hay 252 kJ/kg), với sự thuận lợi hơn nữa từ tính đồng bộ của nhiệt

độ miễn là có đầy đủ vật liệu trong pha thích hợp

Với ứng dụng làm mát, một hỗn hợp tạo với muối ăn natri clorua thôngthường cũng làm giảm nhiệt độ nóng chảy xuống 18 °C (64 °F) Nhiệt nóngchảy của NaCl.Na2SO4·10H2O, tăng nhẹ lên thành 286 kJ/kg.

c. Ứng dụng quy mô nhỏ

Trong phòng thí nghiệm, natri sunfat khan được sử dụng rộng rãi nhưmột chất làm khô trơ, loại bỏ dấu vết của nước ra khỏi các chất lỏng hữu

cơ Nó hiệu qủa hơn nhưng hoạt động chậm hơn so với tác nhân tương

tự magie sunfat Nó chỉ có tác dụng ở nhiệt độ dưới 30 °C, nhưng nó có thểdùng với nhiều loại chất liệu vì tính trơ hóa học của nó Natri sunfat đượcthêm vào dung dịch cho đến khi các tinh thể không còn vón cục nữa; haivideo clip (xem trên) giải thích rõ cách các tinh thể vón cục khi bị ẩm,nhưng một vài tinh thể trôi tự do một khi mẫu chất được làm khô hoàn toàn.Muối Glauber, đecahiđrat, đã từng được dùng làm thuốc nhuận tràng Nó

có hiệu quả trong việc loại bỏ các loại thuốc ví dụ như acetaminophen rakhỏi cơ thể, sau khi dùng quá liều

Năm 1953, natri sunfat được đề xuất để trữ nhiệt trong các hệ thống nhiệtmặt trời thụ động Điều này dựa vào ưu điểm của đặc tính tan bất thườngcủa nó, và nhiệt kết tinh cao(78.2 kJ/mol)

Các ứng dụng khác bao gồm phá băng cửa kính, trong chất làm thơm thảm,sản xuất bột hồ, và chất phụ gia trong thức ăn gia súc

Gần đây, natri sunfat được tìm thấy có hiệu quả trong việc hòa tan vàngđược mạ trong các sản phẩm máy tính có chứa phần cứng mạ vàng như pin,

và các đầu nối và bộ chuyển mạch khác Nó an toàn hơn, rẻ hơn so với cácthuốc thử dùng trong tái tạo vàng, với rất ít lo lắng về phản ứng phụ hayảnh hưởng sức khỏe

Ít nhất có một công ty, ThermalTake, làm tấm tản nhiệt cho laptop (iXoftNotebook Cooler) sử dụng natri sunfat đecahiđrat nằm bên trong tấm nhựa

Vật liệu chuyển từ từ sang thể lỏng và xoay vòng, giúp cân bằng nhiệt độlaptop và hoạt động như vật cô lập.

d. An toàn

Mặc dù natri sunfat nói chung được xem là không độc nên sử dụng nó với

sự cẩn trọng Bụi có thể gây ra hen suyễn tam thời hay kích ứng mắt; nguy

cơ này có thể ngăn ngừa khi dùng bảo hộ mắt và mặt nạ giấy Vận chuyểnkhông hạn chế, và không có nhóm từ nguy hại hay nhóm từ an toàn nàođược dùng

PHẦN 2 : SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

I Nguyên lý làm việc của hệ thống.

Dung dịch đầu chứa trong thùng (1) qua bơm (2) được bơm lên 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 nồi cô đặc thứ nhất(6), thực hiện quá trình bốc hơi Dung dịch ra khỏi nồi 1 được đưa vào nồi thứhai (7) Tại đây cũng xảy ra quá trình bốc hơi tương tự như ở nồi 1 với tác nhânđun nóng chính là hơi thứ của nồi thứ nhất (đây chính là ý nghĩa về mặt sử dụngnhiệt trong cô đặc nhiều nồi ) Hơi thứ của nồi 2 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (8)

Ở đây, hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy vào thùng chứa ở ngoài;còn khi không ngưng đi vào thiết bị thu hồi bọt ( 9 ) rồi vào bơm hút chân không Dung dịch sau khi ra khi ra khỏi nồi 2 được bơm ra ở phía dưới thiết bị cô đặc

đi vào thùng chứa sản phẩm Nước ngưng tạo ra trong hệ thống được chứatrong các cốc và theo đường nước thải đi xử lý trước khi thải ra môi trường

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

từ nồi này sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất.Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó,dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kếtquả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêmmột lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có

nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch

do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịchtrước 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 sauthấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịchtăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối

Ghi chú:

1- Thùng chứa dung dịch đầu

2- Bơm chân không

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/s;

xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuối của dung dịch, % khối lượng

Chọn tỉ lệ phân bố hơi thứ cho các nồi như sau:

W1:W2=1:1,09

Ta có: W1=

2

6000= 2870,8134 (kg/h)

3.1.2: Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi:

Được tính theo công thức VI.2.[2-57]:



 1

Ta có nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi:

lượng)

3.2 TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG,

∆P:

Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆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

Do đó ta có:

∆P= p1 – png = 6 – 0,24 = 5,76 (at)

3.3 XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI:

- Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là:

Do đó: p1 = 6 at

p2 = p1 - ∆p1= 6 – 4,11 = 1,89 at

png= p2 - ∆p2= 1,89 – 1,64 = 0,25 at

Tra nhiệt độ hơi đốt Ti của từng nồi dựa vào pi đã tính được ở trên

Bằng cách tra bảng I.251, [1-314] ta có được các nhiệt độ hơi đốt tương

Vậy: = T2 + = 117,785 + 1,2 = 118,985 (0C)

= Tng + = 64,2+ 1,2 = 65,4(0C)

- Áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ( từ đó suy ra nhiệt lượng

riêng ( và nhiệt hóa hơi ( ) của hơi thứ theo phương pháp nội suy đồ

thị

Tra bảng I.250, [1-312]:

= 118,985 0C = 1,963 at = 2709,815.103 J/kg

= 2209,665.103 J/kg

= 65,4 0C = 0.26 at

r.103,J/kg p', at t', 0C i'.103, J/kg r'.103, J/kg

1 6 158,1 2768 2095 1,958 118,985 2709,815 2209,665

2 1,89 117,785 2709,450 2212,950 0.26 65,4 2618,204 2344,224

3.5 TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI:

Trong thiết bị cô đặc xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ Tổng tổn thất

nhiệt độ này là do nồng đọ tăng cao (∆’), do áp suất thủy tĩnh tăng cao

(∆’’), do trở lực đường ống (∆’’’)

3.5.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao (∆’):

Phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của chất hòa tan và dung môi vào

nồng độ và áp suất của chúng ∆’ ở áp suất bất kì được xác định theo

∆2’= 16,2 2,84 = 2,33 (0C)

Tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao là:

∑∆’= ∆1’ + ∆2’= 1,46 + 2,33 = 3,79 (0C)

3.5.2 Tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆’’):

Tổn thất này do nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn

nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên mặt thoáng Thường tính toán ở

khoảng giữa của ống truyền nhiệt Áp dụng công thức VI.12, [2-60]:

Pi’: Áp suất hơi thứ trên bề mặt thoáng, at

h1: Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyềnnhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m

Chọn h1= 0,5 mH: Chiều cao của ống truyền nhiệt, m

H = 2 m: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi, kg/m3 Lấygần đúng bằng 12 khối lượng riêng của dung dịch ở 20ºC:

: Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3

g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2

Tra bảng I.32, [1-38] ta có khối lượng riêng của dung dịch CaCl2

→ ∆2’’ = 72,72 – 65,4 = 7,32 (0C)

Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao:

∑∆”= ∆1” + ∆2” = 1,147 + 7,32 = 8,467 (0C)

3.5.3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống (∆’’’):

Trở lực ở đây chủ yếu là các đoạn ống nối giữa các thiết bị Đó là

đoạn nối giữa nồi 1 với nồi 2, nồi 2 với thiết bị ngưng tụ Trong giả

thiết mục 2.6 khi tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi ta đã

3.6 TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG.

3.6.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống cô đặc:

= Ti – Tng - ,0C (VI.17 và VI.18, [2-67])

Trong đó:

Ti: nhiệt độ hơi đốt ở nồi 1, 0C

Tng: nhiệt độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ, 0C

: tổng tổn thất nhiệt độ của 2 nồi, 0C

Ta có: T1 = 158,1 0C

Tng= 64,2 0C

= 28,2029 0C

Vậy = 158,1 – 64,2 – 14,67 = 79,23 (0C)

3.6.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi:

Là hệ số nhiệt độ hơi đốt Ti và nhiệt độ sôi trung bình của dung

dịch cô đặc

∆Ti= Ti - tsi = Ti – ti’- ∆i’ - ∆i” , 0C

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của mỗi nồi:

3.7 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

ĐỂ TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT D i , LƯỢNG HƠI THỨ W i Ở TỪNG

Gd: Lượng hỗn hợp đầu đi vào thiết bị, kg/h.

D: Lượng hơi đốt vào nồi thứ nhất, kg/h

i1, i2: Nhiệt lượng riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2,

Cnc1, Cnc2: Nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2, J/kg.độ

Qm1,Qm2: Nhiệt lượng mất mát ở nồi 1 và nồi 2

W1 , W2: Lượng hơi thứ bốc lên từ nồi 1, nồi 2, kg/h

tso, ts1, ts2: Nhiệt độ sôi của dung dịch ra khỏi nồi 1, nồi 2,

0C

3.7.2 Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng.

Được thành lập dựa trên nguyên tắc :

Tổng nhiệt đi vào = Tổng nhiệt đi ra

- Nồi 1:

D.i1 G d C0t so W1 i1 '  (G d  W1 )C1 t s1 D.C nc1  1 Qm1

(1)

Để giảm lượng hơi đốt tiêu tốn, người ta gia nhiệt hỗn hợp đầu

đến nhiệt độ càng cao càng tốt vì quá trình này có thể tận dụng nhiệt

lượng thừa của các quá trình sản xuất khác

 Nhiệt dung riêng của hơi đốt vào nồi 1, nồi 2 và ra khỏi nồi 2:

- Dung dịch vào nồi 1 có nồng độ xd = 10 % Áp dụng công thức I.43,

- Dung dịch trong nồi 2 có nồng độ xc = 30% Áp dụng công thức I.44,

[1-152] Đối với dung dịch đậm đặc (x>0,2):

C2 = Cht.x + 4186 (1- x) (J/kg.độ) Với Cht là nhiệt dung

riêng của Na2SO4 khan được xác định theo công thức I.41, [1-152]:

c1, c2, c3: Nhiệt dung riêng của nguyên tử Na, S, O.

2

 Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh 2 nồi:

Nhiệt mất mát này thường lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn để bốc

hơi ở từng nồi Nghĩa là:

Qm1 = 0,05D(i1 - Cnc1.1 )

Qm2 = 0,05W1(i2 - Cnc2.2 )

Thay vào phương trình cân bằng nhiệt lượng, qua một số phép

biến đổi đơn giản ta sẽ có biểu thức:

1 1 2 2 2 2

1 1 2 2 2

2 2

1

' ) (

95 ,

0

) (

) '

(

s nc

s s

d s

t C i C

i

t C t C G t

C i

95 , 0

) (

) '

(

1 1 1

0 1 1 1

1 1

1



nc

so s

d s

C i

t C t C G t

C i

956 , 2609 ( ) 034 , 110 0578 , 4233 10

335 , 2696 ( 95 , 0

) 121,59 3571,33443

07 , 75 77745 , 3229 ( 9000 )

07 , 75 77745 , 3229 10

204 , 2618 ( 6000

3 3

3 1

2744 ( 95 , 0

1434 , 116 7 , 3976 1434

, 116 8945 , 3842 ( 5400 )

1434 , 116 8945 , 3842 10

9744 , 2697 ( 4955

,

2114

3 3

Nồi C, J/kg.độ Cnc, J/kg.độ ,0C W, kg/h Sai số

% Giả thiết Tính

3.8.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1i khi ngưng tụ hơi.

- Giả thiết chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt

nồi 1 là ∆t1i

- Với điều kiện làm việc ở phòng đốt ngoài thẳng đứng H = 6m, hơi

ngưng bên ngoài ống, máng nước ngưng chảy dòng, hệ số cấp nhiệt

được tính theo công thức:

25 , 0 1

.(

04 , 2

H t

r A

i

i i

ri: Ẩn nhiệt ngưng tụ tra theo nhiệt độ hơi đốt, J/kg:

, 5

3 2709,45.10

185,7795

04 , 2

) / ( 28 , 8948 21

, 4

2768.103

196,4 04 , 2

2 25

, 0 12

2 25

, 0 11

đô m W

đô m W

- Tùy thuộc cấu tạo thiết bị, giá trị nhiệt tải riêng q, áp suất làm việc,

chế độ sôi cũng như điều kiện tối ưu của chất lỏng mà chọn công thức

tính cho thích hợp:

- Thông thường có thể tính theo theo công thức:

i i i

dịch sôi

Ti i i ddi T

- Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt:

 : bề dày ống truyền nhiệt,ta chọn  = 2mm = 0,002 m

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống truyền nhiệt (chọn thép

565 , 0

dd nc

: hệ số dẫn nhiệt, W/m độ.

 : khối lượng riêng, kg/m3

C: nhiệt dung riêng, J/kg.độ

 Khối lượng riêng:

- Với nước: tra bảng I.249, [1–310]:

(Khối lượng riêng của dung dịch Na2SO4 tra theo nồng độ và nhiệt độ)

 Nhiệt dung riêng:

- Của nước: tra bảng I.249, [1–311]:

nc

 W/m.độ

55 , 0



- Của dung dịch Na2SO4 tra theo bảng: I.130, [1–135]:

Theo I.32, [1-123] ta có công thức:

3

.

M C

dd dd dd

103 1,0771617.

103 1,0771617.

3571,3344

10 58 ,

2

39 , 24

103 1,2585271.

103 1,2585271.

3229,7775

10 58

 Độ nhớt:

- Của nước: Tra bảng I.104, [1–96] nếu nhiệt độ lớn hơn 1000C

Tra bảng I.102, [1–95] nếu nhiệt độ nhỏ hơn 1000C

t1, t2: Nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt tương ứng là 1 và 2

1, 2: nhiệt độ mà tại đó chất lỏng chuẩn có cùng độ nhớt là 1 và 2

Nồi 1: Tra bảng I.107, [1-101] ta có độ nhớt của dung dịch Na2SO4

14,68% khối lượng tương ứng với nhiệt độ:

→ = 1,0525

→ = 96,7747 0C

Vậy = 96,7747 0C → = 0,0002937cP

→ = 0,0002937cP

Nồi 2: tra bảng I.107, [1-101] ta có độ nhớt của dung dịch Na2SO4 30%

khối lượng tương ứng với nhiệt độ:

, 0

0002288 ,

0 4191,06

3229,7775

974,758

1258,5271

0,0002288

4252,54

3571,3344

941,7803

1077,1617

565 , 0 2

435 , 0 2

565 , 0 1

Vậy giả thiết ∆t11, ∆t12 ban đầu có thể chấp nhận được.

3.9 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT CHO TỪNG NỒI

3.11 SO SÁNH ∆T i * VÀ TÍNH ĐƯỢC BAN ĐẦU THEO GIẢ

THIẾT PHÂN BỐ ÁP SUẤT.

Sai số nhỏ hơn 5% nên ta chấp nhận giả thiết phân bố áp suất ban

Qui chuẩn F = 50 m2 (theo bảng VI.6,[2-80])

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ.

4.1TÍNH THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET.

4.1.1 Hệ thống thiết bị.

Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet (thiết bị ngưng trực tiếp loại khô

ngược chiều chân cao)

Sơ đồ thiết bị ngưng tụ Baromet: