Cô-đặc-NaOH-tuần-hoàn-tâm

- Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn tâm - Cân bằng chất, cân bằng năng lượng cho quá trình. - Bản vẽ lắp thiết bị. - Bản vẽ dây chuyền hệ thống cô đặc thiết bị - Tính toán thiết bị phụ trợ: thiết bị ba rô mét

TR ƯỜ NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ạ Ọ Ộ

B MÔN QUÁ TRÌNH – THI T B CÔNG NGH HÓA VÀ TH C PH M Ộ Ế Ị Ệ Ự Ẩ

TÍNH TOÁN THI T K H TH NG CÔ Đ C HAI N I XUÔI CHI U LO I CÓ Ế Ế Ệ Ố Ặ Ồ Ề Ạ

NG TU N HOÀN TÂM Đ CÔ Đ C DUNG D CH NaOH V I NĂNG SU T

- Tách ch t r n hòa tan d ng tinh th (k t tinh)ấ ắ ở ạ ể ế

- Thu dung môi d ng nguyên ch t (c t nở ạ ấ ấ ước)

…

Cô đ c đặ ược ti n hành nhi t đ sôi, m i áp su t (áp su t chân không, áp su t ế ở ệ ộ ở ọ ấ ấ ấ

thường hay áp su t d ), trong h th ng m t thi t b cô đ c (n i), hay trong h th ng ấ ư ệ ố ộ ế ị ặ ồ ệ ốnhi u thi t b cô đ c Quá trình có th ti n hành gián đo n hay liên t c H i bay ra ề ế ị ặ ể ế ạ ụ ơtrong quá trình cô đ c thặ ường là h i nơ ước, g i là “h i th ”, thọ ơ ứ ường có nhi t đ cao, n ệ ộ ẩnhi t hóa h i l n nên đệ ơ ớ ượ ử ục s d ng làm h i đ t cho các n i cô đ c sau N u “h i th ” ơ ố ồ ặ ế ơ ứ

đượ ử ục s d ng ngoài dây chuy n cô đ c g i là “h i ph ”.ề ặ ọ ơ ụ

Cô đ c chân không dùng cho các dung d ch có nhi t đ sôi cao và dung d ch d phân ặ ị ệ ộ ị ễ

h y vì nhi t, ngoài ra còn làm tăng hi u s nhi t đ c a h i đ t và nhi t đ sôi trung ủ ệ ệ ố ệ ộ ủ ơ ố ệ ộbình c a dung d ch (hi u s nhi t đ h u ích), d n đ n gi m b m t truy n nhi t M tủ ị ệ ố ệ ộ ữ ẫ ế ả ề ặ ề ệ ặkhác cô đ c chân không thì nhi t đ sôi c a dung d ch th p nên có th t n d ng nhi t ặ ệ ộ ủ ị ấ ể ậ ụ ệ

th a c a các quá trình s n xu t khác (ho c s d ng h i th ) cho quá trình cô đ c.ừ ủ ả ấ ặ ử ụ ơ ứ ặ

Cô đ c áp su t cao h n áp su t khí quy n thặ ở ấ ơ ấ ể ường dùng cho các dung d ch không b ị ịphân h y nhi t đ cao nh các dung d ch mu i vô c , đ s d ng h i th cho các quáủ ở ệ ộ ư ị ố ơ ể ử ụ ơ ứtrình cô đ c và các quá trình đun nóng khác.ặ

Còn cô đ c áp su t khí quy n thì h i th không đặ ở ấ ể ơ ứ ượ ử ục s d ng mà được th i ra ảngoài không khí Đây là phương pháp tuy đ n gi n nh ng không kinh t ơ ả ư ế

Trong thi t b cô đ c nhi u n i thì n i đ u tiên thế ị ặ ề ồ ồ ầ ường làm vi c áp su t l n h n ápệ ở ấ ớ ơ

su t khí quy n, các n i sau làm vi c áp su t chân không.ấ ể ồ ệ ở ấ

1.2NGUYÊN LÝ CÔ Đ C :Ặ

C 2 phả ương pháp cô đ c dùng phòng đ t ngoài và dùng ng tu n hoàn tâm đ u ặ ố ố ầ ở ề

d a trên nguyên lý : h i đ t đi ngoài ng truy n nhi t, dung d ch đi trong ng truy n ự ơ ố ố ề ệ ị ố ềnhi t; dung d ch b đung nóng đ n nhi t đ sôi và t o thành h n h p l ng h i; sau đó ệ ị ị ế ệ ộ ạ ỗ ợ ỏ ơ

ph n h i (h i th ) đầ ơ ơ ứ ược tách ra phía trên còn dung d ch ti p t c đở ị ế ụ ược tu n hoàn đ ầ ể

ti p t c đế ụ ược cô đ c lên n ng đ cao h n.ặ ồ ộ ơ

1.3PHƯƠNG PHÁP CÔ Đ C 2 N I XUÔI CHI U :Ặ Ồ Ề

Cô đ c 2 n i ( hay nhi u n i) là quá trình s d ng h i th thay h i đ t, do đó có ý ặ ồ ề ồ ử ụ ơ ứ ơ ốnghĩa v m t s d ng nhi t Nguyên t c c a cô đ c nhi u n i có th có th tóm t t nhề ặ ử ụ ệ ắ ủ ặ ề ồ ể ể ắ ưsau :

N i th nh t, dung d ch đồ ứ ấ ị ược đun nóng b ng h i đ t, h i th c a n i 1 dùng làm h i ằ ơ ố ơ ứ ủ ồ ơ

đ t cho n i 2… H i th c a n i cu i cùng đố ồ ơ ứ ủ ồ ố ược đ a vào thi t b ng ng t Dung d ch đi ư ế ị ư ụ ị

l n lầ ượ ừ ồ ọt t n i n sang n i kia, qua m i n i đ u b c h i m t ph n, n ng đ tăng d n ồ ỗ ồ ề ố ơ ộ ầ ồ ộ ầlên

 H th ng cô đ c xuôi chi u đệ ố ặ ề ượ ử ục s d ng khá ph bi n do có u đi m : ổ ế ư ể

 Dung d ch t di chuy n t n i trị ự ể ừ ồ ước ra n i sau nh chênh l ch áp su t ồ ờ ệ ấ

1.4C U T O, NGUYÊN LÝ LÀM VI C C A THI T B CÔ Đ C : Ấ Ạ Ệ Ủ Ế Ị Ặ

1.4.1 Thi t b cô đ c lo i có ng tu n hoàn tâm:ế ị ặ ạ ố ầ ở

C u t o :ấ ạ

1 Thùng ch a hh đ uứ ầ 8,9.Bu ng đ t n i cô đ c ồ ố ồ ặ

2 Thùng cao vị 10 Thi t b ng ng t Bazometế ị ư ụ

3 12 B m ly tâmơ 11 Thi t b thu h i b tế ị ồ ọ

4 Tbi gia nhi t hh đ uệ ầ 13 B ch a nể ứ ước ng ngư

5 6,7.Thi t b tháo nế ị ước ng ngư 14 Thùng ch a s n ph mứ ả ẩ

Nguyên lý ho t đ ng :ạ ộ

Dung d ch đ u t thùng ch a 1 đị ầ ừ ứ ược b m vào thùng 3, sau đó ch y qua l u lơ ả ư ượng k ế

4 vào thi t b đun nóng 5 đây dung d ch đế ị Ở ị ược đun nóng đ n nhi t đ sôi r i đi vào ế ệ ộ ồthi t b cô đ c 6 th c hi n quá trình b c h i H i th và khí không ng ng đi qua ph n ế ị ặ ự ệ ố ơ ơ ứ ư ầtrên c a thi t b cô đ c vào thi t b ng ng t ủ ế ị ặ ế ị ư ụ

Trong thi t b ng ng t nế ị ư ụ ước làm l nh đi t trên xu ng, đây h i th sẽ đạ ừ ố ở ơ ứ ược ng ng ư

t l i thành l ng ch y qua ng 11 ra ngoài, còn khí không ng ng đi qua thi t b thu h i ụ ạ ỏ ả ố ư ế ị ồ

b t 10 r i vào b m hút chân không Dung d ch sau khi cô đ c đọ ồ ơ ị ặ ược b m ra dơ ở ưới đáy

c a thi t b cô đ c đi vào thùng ch a 8.ủ ế ị ặ ứ

1.4.2 THI T B CÔ Đ C LO I PHÒNG Đ T NGOÀI :Ế Ị Ặ Ạ Ố

tu n hoàn 3 Các ng truy n nhi t có th làm dài (đ n 7m) nên cầ ố ề ệ ể ế ường đ tu n hoàn l nộ ầ ớ

do đó cường đ b c h i l n Đôi khi ngộ ố ơ ớ ười ta ghép m t vài phòng đ t vào m t bu ng ộ ố ộ ồ

b c h i đ làm vi c thay th khi c n làm s ch và s a ch a đ đ m b o quá trình làm ố ơ ể ệ ế ầ ạ ữ ử ể ả ả

4 Thi t b gia nhi t h n h p đ uế ị ệ ỗ ợ ầ 14 Thùng ch a s n ph mứ ả ẩ

5; 6; 7 Thi t b tháo nế ị ước ng ngư

8; 9 Bu ng đ t c a n i cô đ c ồ ố ủ ồ ặ

- Nguyên lý làm vi c : H th ng cô đ c 2 n i xuôi chi uệ ệ ố ặ ồ ề

- Trình t làm vi c :ự ệ

Dung d ch đ u (NaOH) đị ầ ược đ a vào thùng (1) Sau đó đư ược b m (3) đ a vào thùng ơ ưcao v (2) thi t b trao đ i nhi t (4) dung d ch đị Ở ế ị ổ ệ ị ược đun nóng s b đ n nhi t đ sôiơ ộ ế ệ ộ

r i đi vào bu ng đ t (8) c a n i m t, đây dung d ch ti p t c đồ ồ ố ủ ồ ộ ở ị ế ụ ược đun nóng b ng ằthi t b đun nóng ki u ng chùm, dung d ch ch y trong các ng truy n nhi t, h i đ t ế ị ể ố ị ả ố ề ệ ơ ố

được đ a vào đi trong không gian ngoài ng đ đun nóng dung d ch Nư ố ể ị ước ng ng đư ược

đ a ra kh i phòng đ t b ng c a tháo nư ỏ ố ằ ử ước ng ng (6) Dung môi b c h i lên trên bu ng ư ố ơ ồ

b c c a n i 1 đố ủ ồ ượ ọc g i là h i th H i th c a n i 1 đơ ứ ơ ứ ủ ồ ược dùng làm h i đ t cho n i 2 ơ ố ồDung d ch t n i 1 t ch y sang n i 2 do s chênh l ch áp su t làm vi c gi a các n i, ápị ừ ồ ự ả ồ ự ệ ấ ệ ữ ồ

su t n i sau nh h n áp su t n i trấ ồ ỏ ơ ấ ồ ước Nhi t đ c a n i trệ ộ ủ ồ ướ ớc l n h n nhi t đ c a ơ ệ ộ ủ

n i sau, do đó dung d ch đi vào n i 2 có nhi t đ cao h n nhi t đ sôi, k t qu là dung ồ ị ồ ệ ộ ơ ệ ộ ế ả

d ch đị ược làm l nh, lạ ượng nhi t này sẽ làm b c h i thêm m t lệ ố ơ ộ ượng dung môi, g i là ọquá trình t b c h i Nh ng khi dung d ch đi vào n i 1 có nhi t đ sôi nh h n nhi t đự ố ơ ư ị ồ ệ ộ ỏ ơ ệ ộsôi c a dung d ch nên ph i đun nóng s b dung d ch đ u trủ ị ả ơ ộ ị ầ ước khi đi vào bu ng đ t ồ ố

c a n i 1 Dung d ch s n ph m n i 2 đủ ồ ị ả ẩ ở ồ ược b m (12) đ a vào thùng ch a s n ph m ơ ư ứ ả ẩ(14) H i th b c ra kh i n i 2 đơ ứ ố ỏ ồ ược đ a vào thi t b ng ng t Baromet (10) Trong ư ế ị ư ụthi t b ng ng t này nế ị ư ụ ướ ạc l nh đi t trên xu ng, h i c n ng ng đi t dừ ố ơ ầ ư ừ ưới lên, h i ơ

được ng ng t ch y qua ng Baromet ra ngoài, còn khí không ng ng đi qua thi t b thu ư ụ ả ố ư ế ị

h i b t (11) r i vào b m hút chân không.ồ ọ ồ ơ

- Chi u cao ng truy n nhi t (H) : 2 mề ố ề ệ

- Năng su t tính theo dung d ch đ u Gấ ị ầ đ = 4,7 kg/s = 16920 kg/h

4 Chênh l ch áp su t chung c a h th ngệ ấ ủ ệ ố ∆P : chênh l ch áp su t P là hi u s ệ ấ Δ ệ ố

Tra b ng I.251 trang 314, 315 sách “S tay quá trình thi t b công ngh hóa ch t t p ả ổ ế ị ệ ấ ậ1” ,ta có :

p, at T, °C i 10-3,

J/kg r 10

-3,J/kg p

', at t’, °C i’ 10-3,

J/kg r’.10

-3, J/kg

1 5 151,1 2754 2117 1,668 113,91

6

2705,03

2223,62

13,846

pi’ : Áp su t h i th trên m t thoáng c a dung d chấ ơ ứ ặ ủ ị , N/m2

h1 : chi u cao c a l p dung d ch sôi k t mi ng trên ng truy n nhi t đ n m t thoáng ề ủ ớ ị ể ừ ệ ố ề ệ ế ặ

c a dung d ch, ch n hủ ị ọ 1 = 0,5 m

H : chi u cao ng truy n nhi t, H = 2mề ố ề ệ

ρs : kh i lố ượng riêng c a dung d ch khi sôi, kg/mủ ị 3

Δo’ : t n th t nhi t đ do nhi t đ sôi c a dung d ch l n h n nhi t đ sôi c a dung môi ổ ấ ệ ộ ệ ộ ủ ị ớ ơ ệ ộ ủnguyên ch t áp su t thấ ở ấ ường

Tsi : nhi t đ sôi c a dung môi nguyên ch t nhi t đ đã cho, °Kệ ộ ủ ấ ở ệ ộ

ri’ : n nhi t hóa h i c a dung môi nguyên ch t, J/kgẩ ệ ơ ủ ấ

- Nhi t đ sôi c a dung d ch các n iệ ộ ủ ị ở ồ :

+ tso : Nhi t đ sôi c a dung d ch đi vào n i 1, °Cệ ộ ủ ị ồ

+ ts1 : Nhi t đ sôi c a dung d ch n i 1, °Cệ ộ ủ ị ở ồ

+ ts2 : Nhi t đ sôi c a dung d ch n i 2, °Cệ ộ ủ ị ở ồ

ts0 = ts1 = 118,732 °C

ts2 = 77,83 °C

- Nhi t dung riêng c a dung d ch các n iệ ủ ị ở ồ :

Co, C1, C2 l n lầ ượt là nhi t dung riêng c a dung d ch đi vào n i 1, n i 2 và đi ra n i 2,ệ ủ ị ồ ồ ồJ/kg.độ

+ Dung d ch đi vào n i 1ị ồ : xo = 10% kh i lố ượng

Theo công th c I.43 – T152 “S tay hóa công t p I” ta có nhi t dung riêng c a dung d chứ ổ ậ ệ ủ ị

đi vào n i làồ : Co = 4186 (1 – x) = 4186 (1 – 0,1) = 3767,4 J/kg.độ

+ Dung d ch đi vào n i 2ị ồ : x1 = 13,846% kh i lố ượng

Theo công th c I.43, ta cóứ : C1 = 4186 (1 – 0,13846) = 3606,41 J/kg.độ

+ Dung d ch ra kh i n i 2ị ỏ ồ : x2 = 24% kh i lố ượng

Theo công th c I.44 – T152 “S tay hóa công t p I”, ta có :ứ ổ ậ

C2 = Cht 0,24 + 4186 (1 – 0,24) v i Cớ ht là nhi t dung riêng c a NaOH khan, J/kg.đệ ủ ộTheo công th c I.41 ta có nhi t dung riêng c a h p ch t hóa h cứ ệ ủ ợ ấ ọ :

Mc = n1c1 + n2c2 + …

Trong đó :

M : Kh i lố ượng mol c a h p ch tủ ợ ấ

C : Nhi t dung riêng c a h p ch t, J/kg.đệ ủ ợ ấ ộ

n1, n2, … : s nguyên t c a các nguyên t trong h p ch tố ử ủ ố ợ ấ

c1, c2, … : Nhi t dung nguyên t c a các nguyên t tệ ử ủ ố ương ng, J/kg nguyên t đứ ử ộ

Tra b ng I.141 – Nhi t dung nguyên t c a các nguyên t , ta đả ệ ử ủ ố ược :

- Nhi t dung riêng c a nệ ủ ước ng ng t :ư ụ

Cnc1, Cnc2 – Nhi t dung riêng c a nệ ủ ước ng ng t n i 1, 2 [J/kg.đ ]ư ụ ở ồ ộ

Tra b ng I.148 – T166 “S tay hóa công t p I”, ta có :ả ổ ậ

D : lượng h i đ t đi vào n i 1, kg/hơ ố ồ

Qm1, Qm2 : lượng nhi t t n th t ra môi trệ ổ ấ ường xung quanh, tính b ng 5% lằ ượng nhi tệcung c p cho các n i, J/hấ ồ

- Ch n ng truy n nhi t có kích thọ ố ề ệ ước : 32 x 2 (mm)

dtrong = 32 mm, đ dày thành ng truy n nhi t S = 2 mmộ ố ề ệ

- Gi thi t chênh l ch nhi t đ gi a h i đ t và thành ng truy n nhi t là ả ế ệ ệ ộ ữ ơ ố ố ề ệ

+ N i 1 : tồ Δ 11 = 3,00 °C

+ N i 2 : tồ Δ 12 = 3,20 °C

- Thi t b phòng đ t trung tâm (H=2m), h i ng ng t bên ngoài ng, màng nế ị ố ơ ư ụ ố ước ng ng ư

ch y dòng do đó h s c p nhi t đả ệ ố ấ ệ ược tính theo công th c V.101 – S tay hóa công t p 2ứ ổ ậ:

10.3.1 Tính hi u s nhi t đ gi a thành ng truy n nhi t và dung d ch :ệ ố ệ ộ ữ ố ề ệ ị

 Hi u s nhi t đ 2 b m t thành ng truy n nhi t tệ ố ệ ộ ở ề ặ ố ề ệ Δ Ti :

+ Tham kh o [2-4] :ả

Nhi t tr c n b n phía dung d ch : rệ ở ặ ẩ ị 1 = 0,387 10-3 [m2.đ /W]ộ

Nhi t tr c n b n phía h i bão hòa : rệ ở ặ ẩ ơ 2 = 0,240 10-3 [m2.đ /W]ộ

- A : h s ph thu c m c đ liên k t c a ch t l ng Ch t l ng liên k t → A = ệ ố ụ ộ ứ ộ ế ủ ấ ỏ ấ ỏ ế3,58.10-8

IV – TÍNH THI T B PH : Ế Ị Ụ

Tính thi t b ng ng t Bazomet :ế ị ư ụ

1 H th ng thi t b :ệ ố ế ị

Cn – nhi t dung riêng trung bình c a nệ ủ ước, J/kg.độ

Quy chu n theo b ng VI.8 [4-88] : Dẩ ả trong = 800 mm

2.3 Tính kích thướ ấc t m ngăn : tính theo [2-85] :

- Chi u r ng t m ngăn có d ng hình viên phân b : ề ộ ấ ạ

b = = + 50 = 450 mm

- Trên t m ngăn có đ c nhi u l nh , ch n :ấ ụ ề ỗ ỏ ọ

+ Đường kính l : dỗ lỗ = 5 mm (nước làm ngu i là nộ ước b n)ẩ

+ Chi u dày t m ngăn : = 4 mmề ấ δ

+ Chi u cao g c nh t m ngăn : 40 mmề ờ ạ ấ

+ T c đ c a tia nố ộ ủ ướ ωc : c = 0,62 m/s

- T ng di n tích b m t các l trong toàn b m t c t ngang c a thi t b ng ng t :ổ ệ ề ặ ỗ ộ ặ ắ ủ ế ị ư ụ

f = = = 0,0658 m

- Tính bướ ỗc l t : theo [2-85]

L x p theo hình l c giác đ u :ỗ ế ụ ề

t = 0,866 dlỗ ()0,5 + dlỗ ,mm

Trong đó ch n = 0,1 (nọ ước b n)ẩ

Thay s : 0,866 5 ố 0 ,5 + 5 = 6,37 mm

2.4 Tính chi u cao thi t b ng ng t : theo [2-85]ề ế ị ư ụ

- Chi u cao thi t b ng ng t đề ế ị ư ụ ược xác đ nh theo m c đ đun nóng.ị ứ ộ

- M c đ đun nóng nứ ộ ước được xác đ nh theo [2-85] :ị

- Xác đ nh chi u cao h u ích c a thi t b ng n t : ị ề ữ ủ ế ị ư ụ

Th c t , khi h i đi trong thi t b ng ng t t dự ế ơ ế ị ư ụ ừ ưới lên thì th tích c a nó sẽ gi m ể ủ ả

d n, do đó kho ng cách h p lý gi a các ngăn cũng nên gi m d n t dầ ả ợ ữ ả ầ ừ ưới lên trên kho ng 50 mm cho m i ngăn ả ỗ

→ chi u cao th c t c a thi t b là : ề ự ế ủ ế ị

H = 450 + 400 + 350 + 300 + 250 + 200 + 150 + 100 = 2200 mm = 2,2 m

Kho ng cách trung bình c a 2 ngăn cu i : 450 mmả ủ ố

2.5 Kích thướ ốc ng Bazomet : theo [2-86]

- Đường kính trong c a ng Bazomet :ủ ố

d =( )0,5 ,m

– t c đ c a h n h p n c và ch t l ng đã ng ng ch y trong ng Bazomet, m/s;

ch n = 0,5 m/s.ọ ω