ĐỒ án môn học đề tài thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều không lấy hơi phụ có phòng đốt ngoài thẳng đứng, cô đặc dung dịch NaNO3 với năng suất 3,4 kgs

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN QT - TB CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM - - ĐỒ ÁN MƠN HỌC Đề tài: Thiết kế hệ thống đặc nồi xi chiều khơng lấy phụ có phịng đốt ngồi thẳng đứng, đặc dung dịch NaNO3 với suất 3,4 kg/s GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên SVTH: Nguyễn Thắng MSSV: 20175158 HÀ NỘI - 2021 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT VIỆN KỸ THUẬT HỐ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH –THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên: Nguyễn Thắng Lớp: KTHH 03 MSSV: 20175158 Khóa: 62 I Đầu đề thiết kế: Tính tốn, thiết kế hệ thống đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục, dùng để cô đặc dung dịch NaN𝑂3, suất F= 3,4 kg/s, chiều cao ống truyền nhiệt: H = m II Các số liệu ban đầu: Nồng độ đầu dung dịch: Nồng độ cuối dung dịch: Áp suất đốt nồi 1: Áp suất ngưng tụ: 10 % khối lượng; 25 % khối lượng; at; 0,2 at III Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Phần mở đầu Vẽ thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) Tính tốn kỹ thuật thiết bị Tính chọn thiết bị phụ Kết luận Tài liệu tham khảo IV Các vẽ - Bản vẽ dây chuyền công nghệ: - Bản vẽ lắp thiết bị chính: V Cán hướng dẫn: VI Ngày giao nhiệm vụ: VII Ngày phải hoàn thành: Phê duyệt Bộ môn khổ A4; khổ A1 TS Cao Thị Mai Duyên ngày 10 tháng 10 năm 2021 Ngày 10 tháng 10 năm 2021 Người hướng dẫn Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sản phẩm NaNO3 1.2 Sơ lược q trình đặc 1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất 1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất 1.3.2 Nguyên lý làm việc hệ thống PHẦN 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Tính toán lượng thứ bốc khỏi hệ thống (W) 2.2 Tính tốn lượng thứ bốc nồi 2.3 Tính nồng độ cuối dung dịch nồi 2.4 Tính chênh lệch áp suất chung hệ thống (∆P) 2.5 Xác định áp suất, nhiệt độ đốt cho nồi 2.6 Tính nhiệt độ ti’ (oC), áp suất thứ p’i (at) khỏi nồi 2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho nồi 10 2.7.1 Tính tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh tăng cao ∆i’’ 10 2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ nồng độ ∆i’ 11 2.7.3 Tổn thất nhiệt độ trở lực đường ống ∆i’’’ 12 2.7.4 Tính tổng tổn thất nhiệt độ hệ thống 12 2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ thống 12 2.9 Thiết lập phương trình cân nhiệt để tính lượng đốt D lượng thứ Wi nồi 14 2.9.1 Sơ đồ cân nhiệt lượng 14 2.9.2 Tính nhiệt dung riêng dung dịch NaNO3 14 2.9.3 Các thông số nước ngưng 15 2.9.4 Lập phương trình cân nhiệt lượng 15 2.10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình nồi 17 2.10.1 Tính hệ số cấp nhiệt α1 ngưng tụ 17 2.10.2 Tính nhiệt tải riêng phía ngưng tụ 19 2.10.3 Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi 19 2.10.4 Tính nhiệt tải riêng phía dung dịch 24 2.10.5 So sánh q1i q2i 24 2.11 Xác định hệ số truyền nhiệt nồi 25 2.12 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích nồi 25 2.13 So sánh ∆Ti* ∆Ti 26 2.14 Tính bề mặt truyền nhiệt F 26 PHẦN 3: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 27 3.1 Buồng đốt nồi cô đặc 27 3.1.1 Xác định số ống buồng đốt 27 3.1.2 Xác định đường kính buồng đốt 28 3.1.3 Xác định chiều dày phòng đốt 28 3.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 30 3.1.5 Tính chiều dày đáy phịng đốt 32 3.1.6 Tra bích lắp đáy thân, số bulông cần thiết để lắp ghép 34 3.2 Buồng bốc 34 3.2.1 Thể tích phòng bốc 34 3.2.2 Chiều cao phòng bốc hơi: 35 3.2.3 Chiều dày phòng bốc 35 3.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc 36 3.2.5 Tra bích để lắp nắp vào thân buồng bốc 37 3.3 Tính số chi tiết khác 37 3.3.1 Tính đường kính ống nối dẫn hơi, dung dịch vào 37 3.3.2 Tính tai treo chân đỡ 43 3.3.3 Chọn kính quan sát 49 3.3.4 Tính bề dày lớp cách nhiệt 49 PHẦN 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 53 4.1 Tính thiết bị ngưng tụ Baromet 53 4.1.1 Tính lượng nước lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ 53 4.1.2 Tính đường kính Dtr thiết bị ngưng tụ 54 4.1.3 Tính kích thước ngăn 54 4.1.4 Tính chiều cao thiết bị ngưng tụ 55 4.1.5 Tính kích thước ống Baromet 56 4.1.6 Tính lượng khí khơng ngưng 58 4.2 Tính tốn bơm chân khơng 58 4.3 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 60 4.3.1 Nhiệt lượng trao đổi (Q) 60 4.3.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 61 4.3.3 Bề mặt truyền nhiệt 65 4.3.4 Số ống truyền nhiệt 65 4.3.5 Đường kính thiết bị đun nóng 66 4.3.6 Tính vận tốc chia ngăn 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Đồ án QT & TB CN Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUYÊN LỜI MỞ ĐẦU Để trở thành kỹ sư kỹ thuật hóa học, học phần “Đồ án Quá trình thiết bị Công nghiệp hóa học – thực phẩm” đã giúp em bước đầu làm quen với công việc kỹ sư kỹ thuật hóa học thiết kế, sản xuất thiết bị phục vụ nhiệm vụ sản xuất Bộ môn “Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học” cung cấp kiến thức cần thiết cho sinh viên đặc biệt kỹ sư máy hóa chất, giúp sinh viên hiểu có khả vận hành thiết bị máy móc cơng nghiệp sản xuất có liên quan Đây tảng bản, sở để kỹ sư hiểu sâu nghiên cứu sản xuất máy móc đại giới thời đại mà máy móc phát triển vũ bão Trong phạm vi “Đồ án môn học – Nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xơi chiều thiết bị có phịng đốt ngồi thẳng dùng để đặc dung dịch NaNO3” đề cập đến việc tính tốn thiết kế thiết bị chính, phụ tính khí hệ thống Để hoàn thành đồ án em đã nhận sự giúp đỡ lớn từ phía thầy cơ, gia đình bạn bè Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn TS Cao Thị Mai Duyên đã giúp đỡ em tận tình để hồn thành đồ án Do thời gian kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến sự góp ý thầy để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: NGUYỄN THẮNG Đồ án QT & TB CN Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUYÊN PHẦN 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sản phẩm NaNO3 a, Tính chất vật lý - Natri Nitrat thường dạng tinh thể không màu, khối lượng riêng 2,265 g/𝑐𝑚3 , có nhiệt độ nóng chảy 𝑡𝑛𝑐 = 312℃ - Natri Nitrat tan nước, chất điện li mạnh - Để ngồi khơng khí chúng bị chảy hấp thụ nước không khí - NaN𝑂3 kha bền với nhiệt (chúng thăng hoa chân không 380-500 ℃ ) b, Tính chất hóa học - Ở nhiệt độ cao NaN𝑂3 chất oxi hóa mạnh - Khi bị đun nóng NaN𝑂3 bị phân hủy tạo thành muối Nitrit oxi 𝑡° 2NaN𝑂3 → 2NaN𝑂2 + 𝑂2 - Phản ứng với Cu môi trương Axit: 2N𝑂3 − + 3𝐶𝑢 + 8𝐻 + → 3𝐶𝑢2+ + 2NO + 4𝐻2 𝑂 c, Ứng dụng - Trong thiên nhiên, chủ yếu khai thác ChiLe nên gọi sanpet Chi Lê - Dùng để điều chế axit nitric, phân đạm, dùng công nghiệp thủy tinh, luyện kim, độ tinh khiết 99,3 %, dùng thí nghiệm cơng nghiệp, dân dụng - Dùng làm thuốc nổ đen 1.2 Sơ lược q trình đặc a, Q trình đặc Q trình đặc q trình làm đậm đặc dung dịch việc đun sơi Đặc điểm q trình dung môi tách khỏi dung dịch dạng hơi, chất hoà tan giữ lại dung dịch, đó, nồng độ dung dịch tăng lên Khi bay hơi, nhiệt độ dung dịch thấp nhiệt độ sôi, áp suất dung môi mặt dung dịch lớn áp suất riêng phần khoảng trống mặt thống dung dịch nhỏ áp suất chung.Trạng thái bay có thể xảy nhiệt độ khác nhiệt độ tăng tốc độ bay lớn, sự bốc (ở trạng thái sơi) diễn lịng dung dịch( tạo thành bọt) áp suất dung môi SVTH: NGUYỄN THẮNG Đồ án QT & TB CN Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUYÊN áp suất chung mặt thoáng , trạng thái sơi có nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung nồng độ dung dịch đã cho Trong q trình đặc, nồng độ dung dịch tăng lên, đó mà số tính chất dung dịch thay đổi Điều có ảnh hưởng đến q trình tính tốn, cấu tạo vá vận hành thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt 𝜆, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt 𝛼 dung dịch giảm Ngược lại, khối lượng riêng 𝜌, độ nhớt 𝜈, tổn thất nồng độ Δ’ tăng Đồng thời tăng nồng độ tăng điều kiện tạo thành cặn bám bề mặt truyền nhiệt, tính chất đó làm giảm bề mặt truyền nhiệt thiết bị Hơi dung mơi tách q trình cô đặc gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác, dùng thứ để đun nóng cho thiết bị ngồi hệ thống ta gọi đó phụ Q trình đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Quá trình đặc thực áp suất khác tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở, làm việc áp suất thấp dùng thiết bị kín đặc chân khơng có ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm nhiệt độ sôi dung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch tăng) b, Cô đặc nhiều nồi Cơ đặc nhiều nồi q trình sử dụng thứ thay cho đốt, đó nó có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Ngun tắc q trình đặc nhiều nồi tóm tắt sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch đun nóng đốt, thứ nồi đưa vào đun nồi thứ hai, thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch vào từ nồi sang nồi kia, qua nồi bốc môt phần, nồng độ dần tăng lên Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chênh lệch nhiệt độ đốt dung dịch sơi, hay nói cách khác chênh lệch áp suất đốt thứ nồi, nghĩa áp suất làm việc nồi phải giảm dần thứ nồi trước đốt nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc áp suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí Trong loại hệ thống đặc nhiều nồi hệ thống đặc nhiều nồi xi chiều sử dụng nhiều SVTH: NGUYỄN THẮNG Đồ án QT & TB CN Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUYÊN Ưu điểm loại dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất nồi, nhiệt độ sôi nồi trước lớn nồi sau, đó dung dịch vào nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, kết dung dịch làm lạnh đi, lượng nhiệt làm bốc thêm phần nước làm trình tự bốc Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch nồi sau thấp dần nồng độ dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa, dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm lượng đốt để đun nóng dung dịch Trong cơng nghệ hố chất thực phẩm, Cơ đặc q trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay nhiệt độ sôi; với mục đích: + Làm tăng nồng độ chất hồ tan dung dịch + Tách chất hoà tan dạng rắn (kết tinh) + Tách dung môi dạng nguyên chất.v.v 1.3 Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất 1.3.1 Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất (Bản vẽ tay A4 đính kèm) Chú thích: Thùng chứa dung dịch đầu 2, 2’ Bơm Thùng cao vị Lưu lượng kế Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6, 6’ Buồng đốt nồi cô đặc 7, 7’ Buồng bốc nồi cô đặc Thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị thu hồi bọt 10 Thùng chứa nước 11 Thùng chứa sản phẩm 12 Bơm chân không SVTH: NGUYỄN THẮNG Đồ án QT & TB CN Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUYÊN 1.3.2 Nguyên lý làm việc hệ thống - Dung dịch chứa thùng chứa bơm (2) đưa lên thùng cao vị có chảy tràn để ổn định lưu lượng Lưu lượng kế (4) điều chỉnh lưu lượng cần thiết dung dịch vào thiết bị gia nhiệt (5), đun nóng tới nhiệt độ sôi dung dịch, sau đó đưa vào nồi cô đặc (6) Dung dịch sau nồi đạt nồng độ 𝑥1 sang nồi nhờ chênh lệch áp suất Sau nồi dung dịch đạt nồng độ cuối làm lạnh thiết bị làm lạnh (16) sau đó đẩy vào thùng chứa sản phẩm (15) - Hơi thứ nồi (6) làm đốt cho nồi (7) nhiệt độ lớn nhiệt độ sôi dung dịch nồi (7) Hơi thứ nồi (7) vào thiết bị ngưng tụ Baromet Hơi ngưng tụ thành lỏng tự chảy xuống thùng chứa khí khơng ngưng có lẫn bọt qua cấu tách bọt, bọt xuống thùng chứa, khí khơng ngưng ngồi nhờ bơm (11) Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt dung dịch chiều với từ nồi sang nồi kia) dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất Nhiệt độ sôi nồi trước lớn nồi sau, đó, dung dịch vào nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, kết dung dịch làm lạnh lượng nhiệt làm bốc thêm lượng nước gọi trình tự bốc Nhưng dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp nhiệt độ sơi dung dịch, cần phải đun nóng dung dịch đó tiêu tốn thêm lượng đốt Vì vậy, đặc xi chiều, dung dịch trước vào nồi nấu đầu cần đun nóng sơ phụ nước ngưng tụ Nhược điểm cô đặc xuôi chiều nhiệt độ dung dịch nồi sau thấp dần, nồng độ dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối SVTH: NGUYỄN THẮNG ... phạm vi ? ?Đồ án môn học – Nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xơi chiều thiết bị có phịng đốt ngồi thẳng dùng để đặc dung dịch NaNO3? ?? đề cập đến việc tính tốn thiết kế thiết bị chính, phụ tính... Hóa học Thực phẩm GVHD: TS CAO THỊ MAI DUN PHẦN 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH u cầu: Thiết kế hệ thống đặc nồi xi chiều khơng lấy phụ có phịng đốt ngồi thẳng đứng, đặc dung dịch NaNO3 với suất 122 40... 1, 72 oC  ∆1’ = 16 ,2 391,1 52 2117.103 [oC] 1, 72 = 1,97 + Nồi 2: Ta có: ts2’ = ttb2 + 27 3= 77, 42 + 27 3 = 350, 42 [oK] Tra bảng VI .2 [2- 64] nội suy với nồng độ dung dịch NaNO3 x2 = 25 % ta ∆ 02? ?? = 3,45