ĐỒ án TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ đặc MỘT NỒI DUNG DỊCH nacl

NaCl là khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân ly thành ionLà thành phần của muối ăn hằng ngày Khối lượng riêng của dung dịch 12% là kg/m3 Độ nhớt là Ns/m2 ở 200C du

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI DUNG DỊCH NaCl

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Văn Hưng

Sinh viên thực hiện:Phạm Hoài Duy Thanh

MSSV: 17021631

Lớp: DHHD13A

Khoá: 2017 - 2021

Tp Hồ Chí Minh,ngày 15 tháng 7 năm 2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

PHẦN ĐÁNH GIÁ  Nội dưng thực hiện:………

 Hình thức trình bày………

 Ý thức thực hiện:………

 Điểm bằng số:

 Điểm bằng chữ :

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 11 năm 2019

Giáo viên phản biện

I GIỚI THIỆU MỞ ĐẦU

Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cầndùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt

để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theoyêu cầu mong muốn

Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất là thiết bị

cô đặc Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khácnhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết

bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến Vì thiết bị này có nguyên

lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thểdùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu Trong thực tếngười ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụnghơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm là một môn học giúp cho sinh viên làmquen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, cónhững kỹ năng tính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế Làm đồ án giúp cho sinhviên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sửdụng trong việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được họctrong tính toán một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về sau,nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống

NaCl là khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân ly thành ion

Là thành phần của muối ăn hằng ngày

Khối lượng riêng của dung dịch 12% là (kg/m3)

Độ nhớt là (Ns/m2) ở 200C ( dung dịch 20%)

Nguyên liệu đem đi cô đặc là dung dịch NaCl 12% với dung môi là nước

 Ta thấy độ hòa tan ở nhiệt độ thường của NaCl là khoảng 26,3%, trong khi đó dungdịch cô đặc yêu cầu là 20%, cho nên sau khi làm nguội nguyên liệu vẫn còn ở dạngdung dịch Vì thế mục đích của quá trình cô đặc này chủ yếu để chuẩn bị cho quá trìnhsản xuất khác NaOH, các hợp chất chứa Cl và sử dụng làm muối dạng dịch truyền sửdụng trong y tế Ngoài ra NaCL còn được dùng làm chất tải lạnh

 Những biến đổi xẩy ra trong quá trình cô đặc:Trong quá trình cô đặc thì tính chất cuảnguyên liệu luôn luôn thay đổi, thơi gian cô đặc càng lâu làm cho nồng độ dung dịchtăng lên dẫn đến tính chất cũng có sự biến đổi theo khi nồng độ tăng lên làm cho hệ sốdẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm đi Đồng thời cácđại lượng như khối lượng riêng, độ nhớt, độ sôi, tổn thất nhiệt lại tăng lên

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

 Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách radạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh

đó xảy ra ở nhiệt đọ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

2.4 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt.

 Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chấtlỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắcphục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt đểcác phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

 Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấpnhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt

và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí và lắngkeo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là mộttất yếu Nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao

Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đadạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc

 Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bêntrong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống đượcgiữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà

có áp suất 3 at đi bên ngoài ống truyền nhiệt Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống.Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm đểthực hiện quá trình bốc hơi

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc:

 Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàntrung tâm Dung dịch đi trong ống tuần hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt Hơi bãohào sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung dịch cô đặc đến nồng độ 28%, khi đó nước ngưng

Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm baromet:

ngưng tụ Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợplỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống Đối vớiống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so vớitrong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Dòngchuyển động tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị: từ dưới lên trong ống truyền nhiệt và từtrên xuống trong ống tuần hoàn

 Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ

đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng.Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoànlưu

 Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sảnphẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc

đi vào thiết bị ngưng tụ baromet Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụthành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục

đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài

 Thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định, duy trì áp suất trong hệ thống Thiết bịlàm việc ở áp suất khí quyển nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng

có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm Bình tách giọt có một vách ngănvới nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa vềbồn chứa nước ngưng

PHẦN 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

1.1 Cân bằng vật chất và năng lượng

1.1.1 Dữ kiện ban đầu

Nồng độ đầu: xđ = 6 % Nồng độ

cuối: xc = 21 %

Năng suất nhập liệu: Gđ = 1600 kg/h

Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà, áp suất 3 at

1.1.2.2 Lượng hơi thức bay ra (công thức 3.6, tr 142,[6] )

1.1.3 Tổn thất nhiệt độ

Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là pc = 0,5 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết

bị ngưng tụ là tw = 80,9 oC (bảng I.251, trang 314, [1]).

Δ’’’ là tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bịngưng tụ Chọn Δ’’’ = 1 oC (trang 147, [6]).

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

T- nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(Po) = 81,9oC)

r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (Tra bảng

h2 – chiều cao ống truyền nhiệt; m Chọn h2 = 1,5 (m)

h1 – chiều cao thích hợp của dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đếnmặt thoáng (m) Chọn h1 = 0,3 (m)

⇒Ptb= 0,579 (at) ⇒ tsdm(Ptb) = 84,613 oC (bảng I.251, tr 314, [1])

Ta có:Δ} = {t} rsub {sdm} left ({P} rsub {tb} right ) - {t} rsub {sdm} left ({P} rsub {0} right ) =84,613 - 81,9=2,713 ℃# ¿

⇒t sdd(P tb)=t sdd(P0)+Δ} =84,356+2,713=87,069 ¿

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở P tb t sdd (P tb ) o C 87

1.1.4 Cân bằng năng lượng

1.1.4.1 Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt cô đặc Qcđ có thể bỏ qua vì giá trị tính toán nhỏ

Nhiệt độ của dung dịch NaCl 6% trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:

tvào = 30 oC; tra = tsdd(po) = 84,356 oC

⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaCl 6 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 84,356 oC

⇒ Nhiệt độ của dung dịch NaCl 21 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(Po) + 2Δ’’ = 84,356 + 2.2,713 = 89,782 (oC) (công thức 4.15, trang 183, [3]).

 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaCl:

công thức (I.43) và (I.44), trang 152, [1]:

bảng I.141, trang 152, [1]:

C h t=n Na C Na+n Cl C Cl

M NaCl

Trong đó:

Cht – nhiệt dung riêng của hợp chất hóa học (J/kg.K)

 n – số nguyên tử của các nguyên tố trong hợp chất

 C – nhiệt dung nguyên tủ của nguyên tố tương ứng (J/(kg nguyên tử K))

 Với CNa= 26000 (J/(kg nguyên tử độ))

 Nhiệt dung riêng của nước ngưng:

Tra bảng I.148, tr.166,[1]: P = 3 at →Cn= 1,0183 (kcal/kg.K)= 4262,56 (J/kg.K)

1.1.4.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo

khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi).

⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là : D(1 - φ)( iD - Cθ) (W)

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau

khi ngưng) thì: ( i D - Cθ) = r D = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt).

(*) ⇒ D(1 - φ)( iD - Cθ) = W( iW – Cnts) + Qtt (**)

Thay Qtt = ε.QD = 0,05.Q D (= 0,05 tỉ lệ tổn thất nhiệt);

1.2 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1.2.1 Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Hệ số cấp nhiệt 1 với ống truyền nhiệt đặt thẳng đứng thì hệ số 1 đối với hơi

bão hòa ngưng tụ được tính theo công thức (V.101, tr 28, [2])

1 = 2.04.A.√4 H Δt r 1 ,( w/ m2.độ )

Trong đó:

H là chiều cao ống truyền nhiệt, m

Δt1= tD – tT1 : hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ hơi bão hòa) và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc, oC

A : hệ số phụ thuộc vào nhiệt đồ màng t m=t D+t T 1

αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi

bọt nên αn được tính theo (công thức V.91,[2], trang 26)

𝛼𝑛 = 0,145Δt22,33 𝑝0,5

W/(m2.độ)Với p: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng P= Po= 0,52366 (at)= 51371,05 (N/m2)

Δt2: hiệu số nhiệt độ của bề mặt truyền nhiệt và của nước sôi,

Dung dịch cần cô đặc là NaCl theo(V.1,tr.4,[2]):

⇒ r2=0,193 10-3 (m2.độ/W): nhiệt trở của cặn mặt trong.

Chọn bề dày của ống truyền nhiệt = 2 (mm), vật liệu thép OX18H10T có

λ =16,3 (W/m.độ) (XII.7, tr 313, [2]):⇒r3=δ

λ=

0,00216,3 =1,227.10

𝜃𝜇1 ; 𝜃𝜇2 : nhiệt độ của chất lỏng chuẩn có 1 và 2

Tra bảng (I.107, tr.100, [1]), dung dịch NaCl 6% có

độ nhớt:

tμ1 = 10 (𝑜𝐶) ⇒ μ1 = 1,414.10-3 (Ns/m2)tμ2 = 20 (𝑜

𝜇𝑛ướ𝑐 = 1,414 10−3(𝑁𝑠/𝑚2)⇒ 𝜃𝜇 = 7,3 (0C𝐶)

Dung dịch NaCl 13,5% có tsdd(Ptb)= 87oC ⇒ μNaCl tại nhiệt độ này

87−20

θ μ 1−16,607=1,074⇒θ μ 1=78,99 °C

⇒μnướ𝑐(78,99 oC) = 0,361 10−3(𝑁𝑠/𝑚2)Vậy 𝜇𝑛ướ𝑐(78,99oC) bằng độ nhớt của dung dịch NaCltại tsdd(Ptb)= 87oC:

2

)

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng α1 W/ (m 2 độ) 11382,82

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi α2 W/ (m 2 độ) 42132,018

1.3 Buồng đốt của nồi cô đặc

Trong đó: F - diện tích bề mặt truyền nhiệt, đã được tính từ phần công nghệ, m2

dtb - đường trung bình của ống truyền nhiệt, m

L - chiều cao của một ống truyền nhiệt, m L=1,5 (m)Chọn ống truyền nhiệt có kích thước: 25 x 2 (mm)

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo

hình lục giác đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (VI.40,

Dth : đường kính ngoài của ống đối lưu n : là số ống truyền nhiệt

: là hệ thống sử dụng lưới nâng dỡ dao động từ 0,7 – 0,9 Chọn 0,8

Sin  = sin 60o do sắp xếp theo hình lục giác đều, ba ống cạnh nhau ở hai dãy sát

D t=√4.169.0,03 52 sin6 0

π 0.8 +¿ ¿

Dt – đường kính trong của thiết bị, m

φ – hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

C – hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

P – áp suất bên trong của thiết bị, N/m2 [σ] - ứng suất cho phép, N/m2

Hệ số bổ sung do ăn mòn được xác định theo công thức sau: (XIII.17,tr 363, [2])

C = C1 + C2 + C3 , m

C1 - bổ sung do ăn mòn, xem vật liệu chế tạo thiết bị tương đối bền chọn C1 = 1(mm/năm)

có chứa các hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn trong thiết bị vậy trong trường hợpđang xét là dung dịch NaCl có C2 = 0

C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày tấmvật liệu theo (XIII.9, STQTTB T2, 364) ta có: C3 = 0,4 (mm) đối với thép cán loại dày

Với: Giới hạn bền khi kéo σ = 520.106 (N/m2) (XII.4, tr 309,[2])

Hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo nb = 2,6 (XIII.3, tr 356, [T2])

Hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, tr.356,[2])

⇒ [σ ] = 180.106 (N/m2)

Giới hạn bền khi kéo σc = 220.106 (N/m2) (XII.4, tr 309,[T2])

Hệ số an toàn theo giới hạn bền kéo nb = 1,5 (XIII.3, tr 356,[T2])

Hệ số điều chỉnh η = 0,9 (XIII.2, tr.356,[2])

⇒ [σc] = 132.106 (N/m2)

Chọn giá trị bé hơn [σc] = 132.106 (N/m2) để tính bề dày thân hình trụ

o Áp suất bên trong thiết bị: P = Pmt + P1

Với: P1 - áp suất thủy tĩnh trong phần dưới của thân thiết bị P1 = ρgH

tại Pmt = Phđ = 3 (at) → ρ = 1,618 (Kg/m3) (I.251,tr 315, [1])

⇒ Có thể bỏ qua P ở mẫu số của (1)

Vậy chiều dày là:

S= D t P

2.[σ].φ+C=

0,8.294,32 1032.132 106.0,95+1,4 10

Với: Áp suất thử tính toán P0 được xác định theo công thức P0 = Pth + P1 (N/m2)

Pth – áp suất thủy tỉnh theo (XIII.5, tr.358, [2]).

Chọn đáy trong thiết bị cô đặc một nồi có dạng hình nón, đáy nón có gờ, làm bằng

thép không gỉ Mã hiệu (OX18H10T) góc đáy bằng 60o (XIII.21, tr 394,[2]).

Rδ (mm)

H(mm) chiềucao gờ

Xác định chiều dày đáy theo các công thức (XIII.52 và XIII.53, STQTTB T2, 399) và

lấy kết quả tính toán của công thức nào cho giá trị lớn hơn:

D’: đường kính đối với đáy có gờ, mm (theo hình XIII.16, ST 400)

Các đại lượng P,  ,φh, φ, C tính toán như với thân hình trụ chịu áp suất trong

C= 1,4 (mm); h= 0,95; [σc] = 132.106 (N/m2)

Tính D’ Xét biểu thứ [T2], tr 399:

𝐷′

= 0,8 − 2[0,12(1 − cos 60) + 10.0,005 sin 60] = 0,679 (m)Xét biểu thức:

⇒ Có thể bỏ qua đại lượng P trong công thức (2)

Chọn S=5 (mm) theo tiêu chuẩn (XIII.21,tr.394, [2]).

Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử bằng hơi nước

1.4.1 Kích thước không gian hơi

Kích thước của không gian bốc hơi phải đủ lớn để vận tốc hơi thứ trong đó không

lớn hơn vận tốc lắng của các hạt lỏng bị cuốn theo.

1.4.2 Thể tích không gian hơi

gian hơi được tính theo công thức (VI.32, 71, [2])

Utt – cường độ, bốc hơi thể tích cho phép của khoảng không gian hơi (thểtích hơi nước bốc hơi trên một đơn vị thể tích của không gian hơitrong một đơn vị thời gian), m3/m3.h

ρh – khối lượng riêng của hơi thứ, kg/m3

Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Utt chưa được xác lập, do đó khi tính toán một cách gần đúng đối với các dung dịch đậm đặc ta có thể sử dụng Utt =1600÷1700 m3/m3.h.Chọn Utt = 1600 (m3/m3.h), với áp suất trong buồng bốc 0,5237 (at)

Hơi thứ là hơi dung môi nguyên chất (hơi nước) → khối lượng riêng hơi thứ

ρh = 0,315 (Kg/m3) ở áp suất 0,5237 (at) theo (I.251, 315, [1]).

Vậy chọn chiều cao buồng bốc Hb = 1,6 (m) theo ( bảng VI.34, tr.72, [2]).

1.4.3 Chiều cao của không gian hơi

Được tính theo công thức (VI.34, tr.72, [2]).

1.4.4 Bề dày than buồng bốc

Chọn vật liệu làm thân buồng bốc là thép OX18H10T và phương pháp chế tạo làdạng thân hình trụ hàn Bề dày buồng bốc hình trụ được tính theo công thức như đối

với công thức tính toán buồng đốt: (XIII.8, 360, [2])