hiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn trung tâm, cô đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46%

GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG vi ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1 Tổng quan sản phẩm 1.1.1 Nhận dạng hóa học 1.1.2 Tính chất vật lí 1.1.3 Tính chất độc hại 1.1.4 Triệu chứng lâm sàng ngộ độc nitrat: 1.1.5 Đặc tính cháy nổ: 1.1.6 Điều chế ứng dụng 1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp cô đặc 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Các phương pháp cô đặc 1.2.3 Ứng dụng cô đặc 1.2.4 Cấu tạo thiết bị cô đặc 1.2.4.1 Phân loại theo cấu tạo 1.2.4.2 Phân loại theo phương pháp thực trình 1.3 Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình cơng nghệ CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11 2.1 Cân vật chất 11 2.1.1 Xác định thứ khỏi hệ thống 11 2.1.2 Sự phân bố thứ nồi: 12 2.1.3 Xác định nồng độ cuối nồi 12 2.2 Cân nhiệt lượng 13 2.2.1 Xác định áp suất ban đầu 13 2.2.2 Xác định nhiệt độ nồi 14 2.2.3 Xác định loại tổn thất nhiệt nồi 14 2.2.3.1 Tổn thất nhiệt nồng độ gây (∆’): 14 2.2.3.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh (∆’’) 16 2.2.3.3 Tổn thất trở lực đường ống (∆’’’) 18 SVTH: Đặng Thái Ân i GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt 2.2.3.4 Tổng tổn thất nhiệt cho toàn hệ thống 18 2.2.3.5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích tồn hệ thống nồi 18 2.2.4 Cân nhiệt lượng 20 2.2.4.1 Tính nhiệt lượng riêng C (J/kg.độ) 20 2.2.4.2 Tính nhiệt lượng riêng dung dịch 21 2.3 Tính thơng số kĩ thuật 25 2.3.1 Độ nhớt 25 2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt dung dịch (  ) 26 2.4 Hệ số cấp nhiệt (  ) 27 2.4.1 Về phía ngưng tụ 27 2.4.2 Về phía dung dịch sơi 30 2.4.3 Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho nồi 34 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH 38 3.1 Buồng đốt 38 3.1.1 Tính số ống truyền nhiệt 38 3.1.2 Đường kính ống tuần hồn trung tâm 38 3.1.3 Đường kính buồng đốt 39 3.1.4 Bề dày buồng đốt 40 3.1.5 Chiều dày đáy buồng đốt: 45 3.2 Buồng bốc 48 3.2.1 Đường kính buồng bốc 48 3.2.2 Thể tích khơng gian 49 3.2.3 Bề dày buồng bốc 51 3.2.4 Bề dày nắp buồng bốc 53 3.3 Xác định đường kính ống dẫn 55 3.3.1 Đường kính ống dẫn đốt 56 3.3.2 Đường kính ống dẫn thứ 57 3.3.3 Đường kính ống dẫn dung dịch: 57 3.3.3.1 Đường kính ống dẫn dung dịch vào thiết bị gia nhiệt 57 3.3.3.2 Từ thiết bị gia nhiệt vào nồi 58 3.3.3.3 Từ nồi vào nồi 58 3.3.3.4 Từ nồi vào nồi 59 3.3.3.5 Ra khỏi nồi đến thùng chứa sản phẩm 59 SVTH: Đặng Thái Ân ii GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt 3.3.4 Đường kính ống tháo nước ngưng 59 3.3.5 Tổng hợp đường kính loại ống dẫn 60 3.4 Bề dày vĩ ống 61 3.5 Bề dày lớp cách nhiệt thiết bị 61 3.5.1 Bề dày lớp cách nhiệt cho ống dẫn 61 3.5.1.1 Ống dẫn đốt 62 3.5.1.2 Ống dẫn thứ 63 3.5.1.3 Ống dẫn dung dịch 64 3.5.2 Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị 65 3.6 Mặt bích 66 3.6.1 Mặt bích nối thân thiết bị với đáy nắp 67 3.6.2 Bích liền kim loại đen để nối phận thiết bị ống dẫn 68 3.7 Chọn tai treo 70 3.7.1 Trọng lượng thân thiết bị Gth 70 3.7.2 Tải trọng ống truyền nhiệt 70 3.7.3 Trọng lượng dung dịch thiết bị 71 3.7.4 Trong lượng vĩ ống 71 3.7.5 Trọng lượng đáy buồng đốt 72 3.7.6 Trọng lượng nắp buồng bốc 72 3.7.7 Trọng lượng bích 73 3.7.8 Trọng lượng 74 3.7.9 Trọng lượng lớp cách nhiệt 74 3.7.10 Tổng trọng lượng thiết bị tải trọng tai treo 74 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 76 4.1 Cân vật liệu 76 4.1.1 Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 76 4.1.2 Lượng khơng khí khí khơng ngưng cần rút khỏi thiết bị 76 4.2 Kích thước thiết bị ngưng tụ 77 4.2.1 Đường kính thiết bị ngưng tụ 77 4.2.2 Kích thước ngăn 78 4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ 80 4.2.4 Thiết bị ngưng tụ Baromet 80 4.2.4.1 Kích thước ống Baromet 80 4.2.4.2 Chiều cao ống Baromet 81 SVTH: Đặng Thái Ân iii GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt 4.3 Tính tốn chọn bơm 83 4.3.1 Bơm chân không 83 4.3.2 Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị ngưng tụ 84 4.3.3 Bơm dung dịch từ nồi vào nồi 87 4.3.4 Bơm dung dịch từ nồi vào nồi 89 4.3.5 Bơm dung dịch từ nồi thiết bị gia vào bể chứa sản phẩm 92 4.4 Thiết bị gia nhiệt 94 4.4.1 Mục đích: 94 4.4.2 Cân nhiệt lượng: 94 CHƯƠNG V: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 96 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 SVTH: Đặng Thái Ân iv GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt DANH MỤC HÌNH Hình 1- Quy trình công nghệ cô đặc NaNO3 ba nồi ngược chiều 10 Hình 3- Cấu tạo mặt bích 67 SVTH: Đặng Thái Ân v GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt DANH MỤC BẢNG Bảng - 1: Áp suất, nhiệt độ đốt thứ nồi 14 Bảng - Tổn thất nhiệt độ nồng độ 16 Bảng - Nhiệt lượng riêng, nhiệt dung riêng thứ, đốt nhiệt độ sôi dung dịch nồi 21 Bảng - Bảng tổng kết cân nhiệt lượng nồi 22 Bảng - Bảng so sánh khác biệt tính tốn theo cân vật chất tính tốn theo cân lượng 24 Bảng - Bảng tra nhiệt hóa nồi 28 Bảng - Bảng tra hệ số A theo nhiệt độ trung bình màng nước ngưng 29 Bảng - Bảng sở đại lượng để tính hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ 29 Bảng - Độ nhớt động học thứ 49 Bảng - Đường kính loại ống dẫn 60 Bảng - Lớp cách nhiệt đốt 62 Bảng Tính lớp cách nhiệt cho ống dẫn dung dịch 64 Bảng - Mặt bích nối thiết bị 68 Bảng - Bích nối ống dẫn 68 Bảng - Trọng lượng bích 73 Bảng - Tai treo thép SUS304 thiết bị thẳng đứng 75 Bảng - Tính giá thành thiết bị ……… 96 SVTH: Đặng Thái Ân vi GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày cơng nghiệp sản xuất hóa chất ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác Một sản phẩm quan tâm sản xuất nhiều Natri nitrat (NaNO3) khả sử dụng rộng rãi Trong q trình sản xuất NaNO3, q trình đặc thường sử dụng để thu dung dịch NaNO3 có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ Để sản xuất NaNO3 dạng rắn hay dạng dung dịch có nồng độ cao cần tiêu hao nhiều lượng cho trình đặc (bốc nước, tăng nồng độ dung dịch) Việc tiết kiệm lượng cho trình quan tâm hàng đầu Với mục tiêu đó, đồ án thực thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaNO ba nồi ngược chiều Nhiệm vụ cụ thể đồ án thiết kế hệ thống đặc nồi ngược chiều, phịng đốt ống tuần hồn trung tâm, đặc dung dịch NaNO3 từ 14% lên 46% Đối với sinh viên ngành công nghệ hóa học, việc thực đồ án thiết bị quan trọng Nó vừa tạo hội cho sinh viên ôn tập hiểu cách sâu sắc kiến thức học trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính tốn chi tiết thiết bị với thông số kỹ thuật cụ thể Tuy nhiên, trình thiết bị mơn học khó kiến thức thực tế sinh viên hạn chế nên việc thực đồ án thiết bị cịn nhiều thiếu sót Em mong góp ý dẫn thầy bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn Đồ án thực giúp đỡ hướng dẫn GV Thiều Quang Quốc Việt thầy mơn khoa cơng nghệ Hóa học, trường Đại học Cần Thơ Em xin chân thành cảm ơn thầy Thiều Quang Quốc Việt thầy cô giáo bạn giúp em thực đồ án SVTH: Đặng Thái Ân GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1 Tổng quan sản phẩm Vấn đề hóa chất thực phẩm mối quan tâm nhiều người Dù nhà hay tiệm không tránh tác động hóa chất,… Trên thị trường có dạng muối nitrit, nitrat thường dùng bảo quản thực phẩm sau: KNO2, KNO3, NaNO2, NaNO3 1.1.1 Nhận dạng hóa học Tên khoa học: Sodium nitrat Tên thường gọi: Muối Natri nitrat, Sơ-đa nitơ Muối cịn biết đến diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru (Do hai nước có lượng trầm tích lớn nhất) Cơng thức hóa học: NaNO3 1.1.2 Tính chất vật lí Dạng tồn tại: tinh thể trắng dạng hạt bột màu trắng Mùi: không mùi Vị: Phân tử lượng: 84,9947 g/mol Tỉ trọng: 2,257g/cm3 rắn Điểm nóng chảy: 308 oC Ở trạng thái nóng chảy muối NaNO3 chất oxi hóa mạnh oxi hóa Mn2+ Điểm sơi: 380 oC ( Nóng chảy) Độ nhớt 30 oC (nồng độ 15%) NaNO3: 0.94.10-3 N.s/m2 Độ hòa tan tăng dần nước nóng 73.0 g/100 ml oC 92.1 g/100ml 25 oC SVTH: Đặng Thái Ân GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt 180 g/100ml 100 oC Ít tan Metanol (CH3OH): 1g/300 ml Rất tan acetone glycerol Tan tốt Amoniac Độ ổn định: Phản ứng mạnh với chất dễ chấy, hữu Có phản ứng với loại chất khử , acid 1.1.3 Tính chất độc hại Nguyên nhân: Hít nuốt nhầm Tác hại lâu dài: (theo kết thử nghiệm động vật) Gây nhiễm độc máu, làm khả vận chuyển oxy hồng cầu gây tượng tím tái mê Có thể gây đột biến gen (ảnh hưởng đến tế bào gốc) Có thể gây nguy hại đến sức khỏe cho sinh sản Có thể nguyên nhân gây ung thư Tác hại khác: Da: gây kích ứng tiếp xúc: tẩy đỏ, ngứa, đau nhứt Mắt: gây ảnh hưởng tương tự rơi vào mắt Hít nhầm: gây hại cho hệ hơ hấp hít phải: ho, thở gấp Nuốt nhầm: Có thể gây ngộ độc nghiêm trọng 1.1.4 Triệu chứng lâm sàng ngộ độc nitrat: Viêm dày, đau bụng, buồn nôn nôn mửa, tiêu chảy, yếu cơ, chóng mặt, mệt mỏi, đau đầu, rối loạn tinh thần, tập trung, tăng nhịp tim, giảm huyết áp, khó thở,… 1.1.5 Đặc tính cháy nổ: Cháy : Có thể làm tăng tốc độ cháy lửa Tăng khả bắt cháy vật liệu dễ cháy (gỗ, giấy,…) SVTH: Đặng Thái Ân GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt Cháy bừng thành lửa nung nóng đến 540 oC Dễ bắt cháy nung nóng trộn lẫn với than củi Dễ bắt lửa tiếp xúc với hóa chất hữu cơ, dễ cháy Nổ Gây phản ứng nổ với hợp chất hidrocacbon Tương tác với amidosulfate (sulfamate) nung nóng gây nổ mạnh tạo N2O nước Khi trộn lẫn với nhôm oxit nhôm 1.1.6 Điều chế ứng dụng Điều chế Điều chế phản ứng trao đổi AgNO3 NaCl: Hòa tan muối loãng AgNO3 NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau cho kết tủa AgCl nhiệt độ 30 oC Tách tinh thể AgCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ 22 oC kết tinh NaNO3  Ứng dụng Natri nitrat sản xuất công nghiệp phản ứng trung hòa HNO3 với Na2CO3 1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp cô đặc 1.2.1 Định nghĩa Cơ đặc q trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể - Thu dung mơi dạng ngun chất Q trình đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), hệ thống thiết bị cô đặc hay hệ thống nhiều thiết bị cô đặc Trong đó: Cơ đặc chân khơng dùng cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao, dễ bị phân hủy nhiệt SVTH: Đặng Thái Ân GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt  Re  2.0,12.997,08  2,68.10  10 3 0,890.10 Nên ống có chế độ chảy xốy, nên ta dùng cơng thức sau để tính hệ số ma sát: Hệ số ma sát xác định:  6,81  0,9    2 log     3,7    Re  (Công thức II.65, trang 380, [1]) Với:  độ nhám tương đối xác định theo công thức sau:   dtd Trong đó: d tđ : đường kính tương đối ống(m)  : độ nhám tuyệt đối,  = 0,1(mm) 0,1.103   0,830.103 0,12          0,0201 (W/m.độ)     6,81  0,9 0,830.10 3     log       , , 68 10        Tổng trở lực xác định theo bảng II.16,STQTTB, trang 382, sổ tay trình thiết bị tập 1:  cửa vào= 0,5 (Bảng N010)  cửa ra= (Bảng N010)  Co 900 = 0,38 (6 khuỷu) (Bảng N029)  van tiêu chuẩn= 4,4(Bảng N037)  van chiều= 6,84 (Bảng N047)    0,5   6.0,38  4,4  6,84  15,02 SVTH: Đặng Thái Ân 86 GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt 20   22 H m   0,02   15,02    3,745m 0,12   2.9,81 Vậy: Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: Hc  Với: P2  P1 (m) .g P1, P2: áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy Hc  0,1  1.9,81.10 997,08.9,81  9,026m Áp suất toàn phần bơm là: H = 3,745 + 15,02 + (- 9,026) = 9,739(m) Công suất bơm: N 0,0144.9,739.997,08.9,81  1,603KW  10 3.0,85 Công suất động điện: N dc  N 1,614   1,758KW   tr  dc 0,96.0,95 Người ta thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng q tải Vì Ndc nằm khoảng  (KW) nên tra bảng II.33, trang 440, sổ tay trình thiết bi tập 1, chọn hệ số dự trữ  =1,3 Nên : N dc  N êc  1,3.1,77  2,2854KW  4.3.3 Bơm dung dịch từ nồi vào nồi Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút chiều cao đẩy (m) Công suất bơm tính theo cơng thức: n Với: H Q. g 1000. (Công thức II.189, trang 439, [1])  : hiệu suất bơm, chọn  = 0,85  : khối lượng riêng dung dịch có C = 19,725%; t = 63,03(oC)  = 870,23(kg/m3) (Tra bảng I.21, trang 58, [1])  = 0,242.10-3 (N.s/m2) Q : suất bơm (m3/s) SVTH: Đặng Thái Ân 87 GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt G: lưu lượng bơm (Kg/s) H : áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động ống H= Hm+ Hc+Ho Với: Hm: trở lực mạng ống Hc: chênh lệch áp suất cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút đẩy, chọn: Ho=15(m)  Với: Q Q Tính Q: Gd  W3  (m3 / s) Gd lượng dung dịch đầu (kg/s) 10000  1308,637  1,82.10 3 m / s) 870,23.3600    Đường kính ống hút ống đẩy: Q 1,82.10 3 d   0,048m (chọn  = 1m/s) .0,785 1.0,785 Chọn đường kính ống hút đẩy dung dịch lên thùng cao vị d = 50(mm) Vậy vận tốc thực 0,915 m/s  Tính Hm:  l   m H m          d  2.g Hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re:  Re  .d  dd 0,915.0,05.870,23   6,57.10  10 3  dd 0,606.10 Có chế độ chảy xốy, suy ra:          0,026 (W/m.độ)    6,81 0,9 1,67.10        log    3,7    19,74.10    Với: SVTH: Đặng Thái Ân 88 GVHD: ThS Thiều Quang Quốc Việt   d  0,1.103  0,002 0,06 Tổng trở lực: tra theo bảng II.16, trang 382, sổ tay q trình thiết bị tập 1; ta có:   cửa vào= cửa ra= 0,5 (Bảng N010) (Bảng N010)  Co 900= 0,38 (3 khuỷu) (Bảng N034)  van tiêu chuẩn= 4,45 (Bảng N037)  chắn= 0,5 (Bảng N047)    0,5   3.0,38  4,45  0,5  12,04   0,9152 H m   0,024   12,04    0,501m 0,06   2.9,81 Vậy: Hc  p2  p1 m  2,5  1,497  15m  g 870,23.9,81 Áp suất toàn phần bơm: H= 0,65 + 11,53 +8 = 23,091(m) Công suất bơm: N 21,18.2,58.103.870,23.9,81  0,008KW  1000.0,85 Công suất động điện: N dc  N 0,523   0,009 (KW)  dc  tr 0,96.0,95 Người ta thường lấy động có cơng suất lớn cơng suất tính tốn để tránh tượng tải Vì Ndc