Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo sinh viên năm thứ tư khoa kỹ thuật hóa học trường đại học Bách Khoa- Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí minh sinh viên khóa K2016, mơn học Đồ án Q trình Thiết bị hội tốt cho việc hệ thống kiến thức trình thiết bị cơng nghệ hố học Bên cạnh đó, mơn dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thơng qua việc tính tốn, thiết kế lựa chọn chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể, thông dụng Cô đặc dung dịch NaOH ba nồi đồ án thực hướng dẫn trực tiếp TS Nguyễn Đình Thọ PGS Trịnh Văn Dũng, trưởng mơn Q trình Thiết bị khoa Kỹ thuật Hoá học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Sinh viên thực xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Thọ thầy Trịnh Văn Dũng thầy cô mơn Q trình Thiết bị người bạn nhiệt tình giúp đỡ trình thực Vì Đồ án Quá trình Thiết bị đề tài lớn mà sinh viên đảm nhận nên thiếu sót hạn chế trình thực khơng tránh khỏi Do đó, người viết mong nhận thêm góp ý, dẫn từ thầy cô giáo bạn bè để củng cố mở rộng kiến thức chuyên môn Phần I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁNH Thiết kế hệ thống cô đặc chân không ba nồi liên tục dung dịch NaOH • • • • • II Sử dụng loại thiết bị cô đặc buồng đốt treo Năng suất nhập liệu: tấn/giờ Nồng độ đầu: 10% khối lượng Nồng độ cuối: 40% khối lượng Các thông số khác tự chọn Giới thiệu nguyên liệu Natri hydroxid NaOH nguyên chất chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy 318 oC sơi 1388 oC áp suất khí NaOH tan tốt nước (1110 g/l 20 oC) hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH tan dung mơi hữu methanol, ethanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO2 từ khơng khí nên chúng cần chứa thùng kín Dung dịch NaOH base mạnh, có tính ăn da có khả ăn mịn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị đảm bảo an tồn lao động q trình sản xuất NaOH Ngành công nghiệp sản xuất NaOH ngành sản xuất hoá chất lâu năm Nó đóng vai trị to lớn phát triển ngành công nghiệp khác dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn Trước công nghiệp, NaOH sản xuất cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 lỗng nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu thường có nồng độ lỗng, gây khó khăn việc vận chuyển xa Để huận tiện cho chuyên chở sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ định theo yêu cầu III KHÁI QT VỀ CƠ ĐẶC Định nghĩa Cơ đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn); q trình vật lý – hố lý Tuỳ theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó), ta tách phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh Các phương pháp đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thống chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức đó, cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh Bản chất cô đặc nhiệt Để tạo thành (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động nhiệt phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn tốc độ giới hạn Phân tử bay thu nhiệt để khắc phục lực liên kết trạng thái lỏng trở lực bên Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để phân tử đủ lượng thực trình Bên cạnh đó, bay xảy chủ yếu bọt khí hình thành q trình cấp nhiệt chuyển động liên tục, chênh lệch khối lượng riêng phần tử bề mặt đáy tạo nên tuần hoàn tự nhiên nồi đặc Tách khơng khí lắng keo (protit) ngăn chặn tạo bọt cô đặc Ứng dụng cô đặc Trong sản xuất thực phẩm, ta cần đặc dung dịch đường, mì chính, nước trái cây… Trong sản xuất hố chất, ta cần đặc dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, muối vô cơ… Hiện nay, phần lớn nhà máy sản xuất hố chất, thực phẩm sử dụng thiết bị đặc thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc hoạt động gián tiếp cần thiết gắn liền với tồn nhà máy Cùng với phát triển nhà máy, việc cải thiện hiệu thiết bị cô đặc tất yếu Nó địi hỏi phải có thiết bị đại, đảm bảo an toàn hiệu suất cao Do đó, yêu cầu đặt cho người kỹ sư phải có kiến thức chắn đa dạng hơn, chủ động khám phá nguyên lý thiết bị cô đặc IV THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT Phân loại ứng dụng 1.1 Theo cấu tạo Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • • Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn ( buồng đốt treo) Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt K, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • • Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm: • • Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ 1.2 Theo phương pháp thực q trình Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục Cơ đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có khơng có ống tuần hồn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư Các thiết bị hệ thống cô đặc Thiết bị chính: • • • • Ống nhập liệu, ống tháo liệu Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng Thiết bị phụ: • • • • • • Bể chứa nguyên liệu Bể chứa sản phẩm Lưu lượng kế Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ baromet Bơm nguyên liệu • • • • • V Bơm tháo liệu Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ Bơm chân không Các van Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất… LỰA CHỌN THIẾT BỊ CƠ ĐẶC DUNG DỊCH NAOH Theo tính chất nguyên liệu sản phẩm, điều kiện kỹ thuật đầu đề, người viết lựa chọn thiết bị đặc chân khơng nồi liên tục có buồng đốt treo Thiết bị đặc loại có cấu tạo đơn giản, dễ tháo lắp, vệ sinh sửa chữa Với đề đặc dung dịch NaOH người viết lựu chọn hệ cô đặc nồi ngược chiều nhằm đơn giải quy trình cơng nghệ mà phù hợp với tính chất nguyên liệu sản phẩm Chọn chế độ làm việc áp suất chân không ( cụ thể chọn áp suất tuyệt đối 0,2 at) làm giảm nhiệt độ sôi dung dịch, giảm chi phí lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi theo bám lại thành thiết bị (làm hư thiết bị) Tuy nhiên, loại thiết bị phương pháp cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống tuần hồn đun nóng) hệ số truyền nhiệt thấp Phần THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Hình II.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ hệ thống đặc ba nồi, buồng đốt treo Nguyên liệu ban đầu dung dịch NaOH 10% có nhiệt độ 30oC bơm (2) từ thùng chứa nguyên liệu (1) qua lưu lượng kế (3) trực tiếp vào thiết bị đun sôi dung dịch nhập liệu (4) đến nhiệt độ 104,04 oC Sau dung dịch NaOH chảy vào nồi cô đặc thứ nhất(6) dung dịch cô đặc đến nồng độ 12,59% Nhờ có hút chân khơng từ nồi mà dung dịch từ nồi chảy sang nồi thứ hai, dung dịch tiếp tục đặc đến nồng độ 19,59% Dịng dung dịch NaOH tiếp tục chảy sang nồi cô đặc thứ cô đặc đến nồng độ yêu cầu 40% Sản phẩm từ nồi thứ bơm bánh (11) bơm bồn chứa sản phẩm (12) Đồng thời với dòng dung dịch dòng đốt cấp xi chiều với chiều dịng dung dịch, Ban đầu đốt cấp vào buồng đốt nồi thứ nhất, thứ nồi thứ cấp vào buồng đốt nồi thứ hai, thứ nồi thứ cấp vào buồng đốt nồi thứ 3, thứ nồi hút khỏi nồi bơm chân không (9) ngưng tụ thiết bị ngưng tụ baromet (7) Nước ngưng tụ từ đốt từ nồi tháo qua cóc tháo nước ngưng (5) Nguyên lý làm việc nồi cô đặc buồng đốt treo: Buồng đốt treo cải tiến thiết bị cô đặc buồng đốt thay phần buồng đốt gắn cố định vào thân thiết bị thiết bị đặc buồng đốt treo có phần buồng đốt đặt vào bên thân thiết bị Buồng đốt loại thiết bị khơng có phần ống tuần hồn trung tâm mà thay vào dung dịch q trình đặc tuần hồn thơng qua phần hở hình vành khuyên buồng đốt thân thiết bị PHẦN TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Dữ kiện ban đầu • Nồng độ đầu: 10% • Nồng độ cuối: 40% • Năng suất nhập liệu: tấn/giờ • Nhiệt độ nguyên liệu nhập liệu: chọn 30oC • Gia nhiệt đốt bão hòa chọn at tuyệt đối • Áp suất ngưng tụ chọn 0,2 at tuyệt đối Cân vật chất 2.1 Phân bổ thứ nồi Theo công thức 5.16, trang 327 [5] ta tính suất lượng sản phẩm: Theo cơng thức 5.16, trang 327 [5] ta tính tổng lượng thứ: Lượng thứ tổng lượng thứ bốc lên từ ba nồi nên ta có: Theo cơng thức 5.24 trang 331 [5]: Để đảm bảo thứ từ nồi trước ngưng tụ hết buồng đốt nồi thứ hai sau nhiều lần tính lặp ta lựa chọn tỷ lệ phân bổ nồi sau: 2.2 Lưu lượng dung dịch qua nồi 2.3 Nồng độ nồi Theo công thức 5.27 trang 331 [5]: Tổn thất nhiệt độ Gọi Pđ, P1, P2, P3 P0 áp suất đốt cấp cho nồi buồng đốt nồi thứ nhất, áp suất thứ nồi thứ nhất, áp suất thứ nồi thứ 2, áp suất thứ nồi thứ áp suất thiết bị ngưng tụ baromet Vì dung dịch cần đặc dung dịch NaOH có tổn thất nhiệt độ nồng độ lớn nên ta chọn chênh lệch áp suất hệ lớn nhằm tạo hiệu nhiệt độ có ích lớn, cụ thể là: • • Áp suất đốt: Pđ=5 at tuyệt đối Áp suất thứ nồi thứ 3: P3=0,2 at tuyệt đối Tra bảng 41 trang 39 [8]: tđ=151,1 oC • t3=59,7 oC Hiệu nhiệt độ hệ : ∆t= 151,1-59,7=92,4 oC Để thuận tiện cho việc gia công, chế tạo sửa chữa, thay thiết bị ta ưu tiên việc thiết kế nồi giống Để thực ta chọn áp suất thứ nồi cho diện tích truyền nhiệt Sau nhiều lần tính lặp ta chọn áp suất nồi sau: • • Áp suất thứ nồi thứ nhất: P1=2,94 at tuyệt đối Áp suất thứ nồi thứ hai: P2=1,18 at tuyệt đối 3.1 Tổn thất nhiệt độ nồng độ ( ∆’) Theo cơng thức 5.3 trang 316 [5] ta có: Với f hệ số hiệu chỉnh : Với : • • • ∆1o’=4,94 : Tổn thất áp suất thường tra bảng VI.2 trang 67 [2] T =403,55 oC nhiệt độ dung dịch r=2176510 J/kg.h Tỉnh tương tự cho nồi ta bảng sau : Nồi xc (%kl) ∆0’ (oC) 12,59 4,94 t’ (oC) 403,55 Nồi 19,59 9,19 378,37 Nồi 40 29,28 332,7 • 3.2 r (j/kg) 21765 10 22460 75 23580 00 f 1,21 ∆’ (oC) 5,99 1,03 9,49 0,76 22,27 Tổng chênh lệch nhiệt độ nồng độ : Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh ( ∆’’) Đây tổn thất nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ sôi lớp chất lỏng miệng ống so với lớp chất lỏng có nhiệt độ sơi trung bình nên thường lấy nhiệu độ sôi cung dịch lớp chất lỏng ống làm nhiệt độ sôi Trong : • • ρs =0,5.ρdd : Khối lượng riêng dung dịch sôi bọt (kg/m3 ) ρdd : Khối lượng riêng dung dịch đặc (kg/m3 ) Tại nồng độ x=12,59%, nhiệt độ 136 oC => ρdd=1091,73 oC ( tra bảng 4, trang 11, [8] => ρs=0,5.1091,73=545,86 (kg/m3) Hop – chiều cao thích hợp dung dịch sơi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m Chọn chiều cao ống truyền nhiệt ho = m (bảng VI.6, trang 80, [2]) ρdm – khối lượng riêng dung môi nhiệt độ sôi dung dịch 136 oC Tra bảng I.249, trang 311, [1], ρ = 925,8 kg/m dm • Tsơi=130,86 oC ( trang 108, [3]) Với Thơi thứ=130,55 oC 2,94 at Tính tương tự với nồi khác ta thu kết bảng sau: Nồi Nồi Nồi • ρdd(kg/m3) 1091,73 ρdm(kg/m3) 925,8 Hop(m) 0,98 Ptb(at) 2,97 tsdd(oC) 130,86 Po(at) 2,94 tsdm(oC) 130,55 ∆’’ 0,31 1165,68 942,7 1,14 1,21 105,88 1,18 105,37 0,51 1375 968,1 1,66 0,26 65,82 0,2 59,7 6,12 Tổng tổn thất áp suất thủy tĩnh: 3.3 Tổn thất nhiệt độ đường ống (∆’’’): Là tổn thất nhiệt độ tổn thất áp suất dọc đường ống dẫn thứ nồi nồi thiết bị baromet Ở đường ống dẫn thứ từ nồi sang nồi từ nồi sang nồi ngắn nên ta bỏ qua tổn thất nhiệt nhiệt độ đường ống Còn đường ống dẫn thứ từ nồi đến baromet dài nên ta chọn: ∆1’’’=0 oC, ∆2’’’=0 oC, ∆3’’’=1 oC Nhiệt độ baromet: t0=t3-∆3’’’=59,7-1=58,7 oC 10