luận văn: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI GIÁN ĐOẠN DUNG DỊCH NaCl pot

Natri Clorua NaCl do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.NaCl tinh khiết được sử dụng nhiều trong thực phẩm dưới dạng muối ăn ,hay sử dụng nhiều trong ngành y tế dưới dạng dịch truyền.đ Nhi

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Trường Đại học Bách Khoa Khoa Công nghệ Hoá học

BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

Lớp : HC03TP

3 III.Cô đặc

4 IV.Quy trình công nghệ

21 III.Buồng đốt và đáy

27

II.Buồng bốc

28

III.Đáy

30 IV.Nắp

32

32 VI.Mối ghép bích

33

VII.Vỉ ống

34 VIII.Khối lượng và tai treo

35 IX.Các ống dẫn ,cửa

37

Chương III :Tính chi tiết thiết bị phụ

I.Thiết bị ngưng tụ Baromet

39 II.Bơm

44

Chương IV : Tính giá thành thiết bị

49 Kết luận

51 Tài liệu tham khảo

52

Lời nói đầu

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là

Natri Clorua (NaCl) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó.NaCl tinh khiết được sử dụng nhiều trong thực phẩm dưới dạng muối ăn ,hay sử dụng nhiều trong ngành y tế dưới dạng dịch truyền.đ

Nhiệm vu cụ thể của đồ án môn học là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn NaCl từ 10% lên 27% ,năng suất 1200kg /mẻ ,sử dụng ống chùm

Đồ án gồm 4 chương :

Có thể nói thực hiện Đồ án môn học là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học Ngoài ra đây còn là dịp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bị với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế

Đồ án này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn Nghệ , và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bị khoa Công nghệ Hóa học và Dầu khí trường Đại học Bách khoa thành phố Hố Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Nghệ và các thầy cô khác cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án

I NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

Nhiệm vụ cụ thể của Đồ án môn học này là thiết kế hệ thống cô đặc chân không gián đoạn dung dịch NaCl từ nồng độ 10% đến nồng độ 27%, năng suất 1200kg/mẻ, sử dụng ống chùm

II TÍNH CHẤT NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM:

1 Nguyên liệu :

2 Sản Phẩm:

dung dịch khoảng 27,5% Nhưng độ hòa tan cuả dung dịch ở nhiệt độ thường chừng

26,3%.Vì vậy ,quá trình cô đặc NaCl này là để tạo dung dịch bão hòa ,và khi làm nguội thì

ở nhiệt độ thường ,vì vậy quá trình này có thể được sử dụng vừa thu dung dịch muối bão hòa vừa tách tạp chất để sản xuất muối tinh khiết khi hạ nhiệt độ Muối tinh khiết thường được sử dụng trong thực phẩm và y tế

3.Những biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc:

Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi:

Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt

Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng

độ, nhiệt độ sôi

Yêu cầu chất lượng sản phẩm :

Đạt nồng độ và độ tinh khiết yêu cầu

Thành phần hoá học chủ yếu không thay đổi

III CÔ ĐẶC:

Cô đặc là phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi

2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng 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 độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

3 Phân loại và ứng dụng

a Theo cấu tạo

khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

- Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc)

3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

làm biến chất sản phẩm Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và

bọt dễ vỡ

b Theo phương pháp thực hiện quá trình

Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian

cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy

 Ưu điểm

- Thao tác dễ dàng

theo nồng độ, thời gian

IV QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Thuyết minh quy trình công nghệ

đặc bằng bơm ly tâm Quá trình nhập liệu diễn ra trong vòng 20 phút đến khi nhập đủ 3240

kg thì ngừng

3 at) vào buồng đốt để gia nhiệt dung dịch Buồng đốt gồm nhiều ống nhỏ truyền nhiệt (ống chùm) và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn Dung dịch chảy trong ống được gia nhiệt bởi hơi đốt đi ngoài ống Dung dịch trong ống sẽ sôi và tuần hoàn qua ống tuần hoàn (do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn các ống truyền nhiệt nên dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ sôi ít hơn trong ống truyền nhiệt, khi đó khối lượng riêng dung dịch trong ống tuần hoàn sẽ lớn hơn khối lượng riêng dung dịch trong ống truyền nhiệt vì vậy tạo áp lực đẩy dung dịch từ ống tuần hoàn sang các ống truyền nhiệt) Dung môi là nước bốc hơi và thoát ra ngoài qua ống dẫn hơi thứ sau khi qua buồng bốc và thiết bị tách giọt Hơi thứ được dẫn qua thiết bị ngưng tụ baromet và được ngưng tụ bằng nước lạnh, sau khi ngưng tụ thành lỏng sẽ chảy ra ngoài bồn chứa Phần không ngưng sẽ được dẫn qua thiết bị tách giọt để chỉ còn khí không ngưng được bơm chân không hút ra ngoài Hơi đốt khi ngưng tụ chảy ra ngoài qua cửa tháo nước ngưng, qua bẫy hơi rồi được xả ra ngoài

phút) thì ngưng cấp hơi Mở van thông áp, sau đó tháo sản phẩm ra bằng cách mở van tháo liệu

2 Các thiết bị được lựa chọn trong quy trình công nghệ

Bơm được sử dụng trong quy trình công nghệ gồm: bơm ly tâm và bơm chân không + Bơm ly tâm được cấu tạo gồm vỏ bơm, bánh guồng trên đó có các cánh hướng dòng Bánh guồng được gắn trên trục truyền động Ống hút và ống đẩy

Bơm ly tâm được dùng để bơm dung dịch NaCl từ bể chứa nguyên liệu vào nồi cô đặc

+ Bơm chân không được dùng để tạo độ chân không khi hệ thống bắt đầu làm việc

b Thiết bị cô đặc

Đây là thiết bị chính trong quy trình công nghệ Thiết bị gồm đáy, nắp, buồng bốc và buồng đốt Bên trong buồng đốt gồm nhiều ống truyền nhiệt nhỏ và một ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn hơn

Tác dụng của buồng đốt là để gia nhiệt dung dịch, buồng bốc là để tách hỗn hợp lỏng hơi thành những giọt lỏng rơi trở lại, hơi được dẫn qua ống dẫn hơi thứ Ống tuần hoàn được sử dụng để tạo một dòng chảy tuần hoàn trong thiết bị

c Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ được sử dụng trong quy trình công nghệ là loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp (thiết bị ngưng tụ baromet) Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng thiết bị Thiết bị thường làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần máy bơm

CHƯƠNG II THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

A CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Cô đặc gián đoạn với năng suất 1200 kg/mẻ

1 Khối lượng riêng của dung dịch theo nồng độ

Khối lượng riêng, kg/m 3 1073 1110 1150 1205

2 Cân bằng vật chất cho các giai đoạn

Trong đó

1,0

15,0

*2160

c

ñ ñ x

x

c Giai đoạn 20% đến 27%

120027

,0

2,0

*1620

x

x G

Thể tích dung dịch trong nồi, m 3 3,02 1,946 1,4 1

Khối lượng dung dịch, kg 3240 2160 1620 1200

Lượng hơi thứ đã bốc hơi, kg 0 1080 1620 2040

Khối lượng riêng dung dịch, kg/m 3 1073 1110 1150 1205

II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Các tổn thất nhiệt độ – Nhiệt độ sôi dung dịch

a Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ và nhiệt độ sôi dung dịch NaCl theo nồng

Tính theo ví dụ 4.8 trang 207 Tài liệu [4]

) P ( sdm ) P ( sdm ) P ( sdd ) P ( sdd

''

1 tb

Trong thiết bị tuần hoàn tự nhiên

 Tính cho trường hợp dung dịch NaCl 10 %

)/(

dm =

ρ

)/(

1073 3

%) 25

P

P tb = 1+∆ =0,3+0,015=0,315

⇒

Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh

17,687,69

) ( ) ( ''

) (P1+ P∆ = + =

sdd

2 Cân bằng năng lượng cho các giai đoạn

Tính theo công thức 2.4 trang 104 Tài liệu [4]:

cñ t w

c c c ñ ñ ñ

D G c t G c t W i D c Q Q i

D c

ϕ .(1 ) ''

''

Với

Tính theo công thức 2.11 trang 106 Tài liệu [4]

Trong đó

x: nồng độ dung dịch

Theo công thức 2.12 trang 183 Tài liệu [4]

5,58

10

*2610

*

=+

(J/kg độ) Vậy nhiệt dung riêng dung dịch theo nồng độ

Nhiệt dung riêng dung dịch, J/kg độ 3771 3652 3370 3082,7

''

w

a Giai đoạn đưa dung dịch 10% từ 25 o C đến 72,2 o C

(J) Lượng hơi đốt sử dụng:

10

*2171

*)05,01

(

10

*07,6

10

*14,2595,

Q

(J) Lượng hơi đốt sử dụng

10

*2171

*)05,01

(

10

*46,26

10

*6,12

*)05,01(

10

*26,13

Nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình

10

*8,9

*)05,01(

10

*32,10

Nhiệt lượng hữu ích, J*10 -8 0 5,77 30,9 43,5 53,3

Tổng nhiệt lượng cung cấp, J*10 -8 6,07 32,53 45,79 56,11

1

v D

dd v

∆

1.1.1 Phía hơi ngưng:

1 1

Theo công thức V.101 trang 28 Tài liệu [2]

4 1

r

*A

*04.2

565 , 0

dd n

dd n

c

c

µ

µ ρ

ρ λ

λ α

Trong đó

n n

n

n,ρ ,c ,µ

độ), độ nhớt (Pas) của nước

dd dd

*56,

n =

n

3 dd

dd dd

*10

*58

1.1.3 Phía vách ống truyền nhiệt

Theo thí dụ 19 trang 148 Tài liệu [4]

v 1

1rr

10

*389

10

*210

*464

K

α α

9 Xác định sai số ss =

1

tb 1

m

57,90835

,19,4

10

*2171

*191

*204

r A

 * 9083,57*4,9 44509,5( / 2)

1 1

565 , 0 2

10

*71,0

10

*4,0

*4186

3771

*5,978

1073667

,0

55,0

*525

,

α

 q2 =α2*∆t2 =3402,56*12,8=43552,76(W/m2)

2

12

13,440315

,44509

110

*653,957

=+

110

*653,918

=+

110

*653,93

=+

110

*653,999

=+

2.1.1 Phía hơi ngưng:

1 1

q =α ∆

4 1 1

*

*

*04

,

2

H t

r A

q =α ∆

l

Nu l

dd

λ α

dd

dd dd c

Nu =

 Gr*Pr=500→2*107thì ( )0 , 25

Pr.54,

Nu =

số dẫn nhiệt ( W/mK ), độ nhớt ( Pa.s ), nhiệt dung riêng ( J/kg độ ) của dung dịch NaCl

dd =

ρ

10

*78,

1r1

1K

α α

10

*217113,190

*04,

,0

10

*78,0

*3771

λµ

3

2 3

10

*583,310

*78,0

81,9

*67,11

*49,0

*1073

*5

110

*653,983,79211

4

K m W

++

=

−

II BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT VÀ THỜI GIAN CÔ ĐẶC

Phương trình truyền nhiệt cho khoảng thời gian nhỏ dT

dQ= K*F(T-t)*dT

không đổi

d.F

⇒ Bề mặt trao đổi nhiệt là

K

T =

F.t

K : hệ số truyền nhiệt cho quá trình gia nhiệt, W/m2K t

∆ : chênh lệch nhiệt độ, K

48,839,132

259,132ln

48,839,132259,132

*781

10

*07,

≈

Thời gian tháo sản phẩm 15 phút

III BUỒNG ĐỐT VÀ ĐÁY:

an toàn )

⇒ Số ống cần :

H d n

F = π tr

2005,1034,0

Số ống truyền nhiệt bị chiếm chỗ

Gọi m : là số ống nằm trên đường chéo ống tuần hoàn

56

38

*4325

=+

−

Chọn m=7

⇒ có 5 ống trên đường chéo ống tuần hoàn

Như vậy ta có thể chọn số ống an toàn là 234 ống

Với b = 19 , số ống trên đuờng chéo lục giác

Tra bảng XIII.21 trang 394 Tài liệu [2]

*5,14

034,0

*

*234

2 2

=

⇒ dung dịch vẫn ngập hết bề mặt truyền nhiệt

IV BUỒNG BỐC VÀ NẮP

Ta tính lưu lượng hơi thứ trong giai đoạn đầu ( do lượng hơi thứ trong giai đoạn này là lớn nhất )

T 1 = 2438 s

361,22438

*1876,0

2 ) (

2 ) (

2 ) (

0065,3

361,2

*44

bb tr bb

tr bb

tr

h hôi

D D

d g

ξρ

ρ ρ ω

=Re

2 ) ( 3

4 2

) (

963,1510

*0106.0

1876,0

*10

*3

*

361,2

*4Re

bb tr bb

, 1 ) (

4

)(

415,21876

,0

*

*509,3

*3

10

*3

*)1876,05,978(

*81,9

*4

bb tr bb

tr o

2

) (

415,2

*8,0

, 0 2 ) (

6 ,

963,15

5,18Re

5,18

bb tr

bb tr

D D

2 Chiều cao

Tính theo trang 71,72 Tài liệu [2]

tt h

kgh

U

W V

*

ρ

⇒ f = 1,5 ( Đồ thị VI.3 trang 72 Tài liệu [2] )

295,32475

*1876,0

295,3

*44

2 2

) (

( ) (

2 ) (

2 ) (

2 1

2

)

(

*4

*12

*

*

D D

D D

D

h h

bÑ tr bb tr bÑ tr bb tr bÑ

2 2

*4

6,1)2,16,12,16,1(12

4,005,0

*4

2,1

*052,

Chọn chiều cao phần trụ buồng bốc 2,4 (m)

Chiều cao buồng bốc

Vật liệu được chọn là thép không gỉ X18H10T doNaCl có tính ăn mòn

Với η =0,95là hệ số hiệu chỉnh

2 Tính và chọn bề dày – tính bền cho buồng đốt

2,0

95,0

*25,109

BD

h BD P

ϕ σ

⇒ Bề dày tối thiểu thân buồng đốt tính theo công thức

[ ] 2*109,25*0,95 1,156

2,0

*1200

*.2

*

) (

h BD

BD BD tr BD

P D

S

ϕ

* Kiểm tra áp suất tính toán

1.00025,01200

14

) (

D

C S

Cho nên áp suất tính toán cho phép xác định theo công thức

141200

)14(

*95,0

*25,109

*2)(

*

*.2

) (

=

−+

−

=

−+

−

=

a BD BD tr

a BD h BD BD

C S D

C S

Chọn vật liệu làm buồng bốc là thép không gỉ X18H10T⁄ŽČ⁄⁄⁄·

=

BB

2 Tính bề dày – Tính ổn định cho buồng bốc

Bề dày tối thiểu được xác định theo công thức 5.14 trang 133 Tài liệu [7]

4 , 0

) (

' )

BB bB

tr BB

D

l E

P D

2850

*10

*2

17,0

*1600

*18

,

1

4 , 0 5

=+

bB ( tr

' BB )

bB ( tr

a

CS2

DD

lD

CS2

a )

BB ( c

BB t

'

BB

D

CS2E

3.0D

43.978,1159,0

(thỏa)

* Kiểm tra áp suất cho phép

[ ]

) (

2

) ( '

) (

*

*649,0

bB tr

a BB bB

tr

a BB BB

bB tr BB BB

D

C S D

C S l

D E

1102850

1600

*10

*2

*649,0

* Kiểm tra lực nén chiều trục

Lực nén chiều trục ( trang 149 Tài liệu [7] )

BB

2 BB ) bB ( tr

4

S2D

C S

D

087,0

=

087,0

*10

*2

95,202

*875

E

Điều kiện

BB c

NCT E K

*077,0

Vậy bề dày buồng bốc thỏa lực nén chiều trục

* Kiểm tra đồng thời áp suất ngoài và lực nén chiều trục

Ứng suất cho phép khi nén ( công thức 3.51 trang 140 Tài liệu [7] )

1600

110

*10

*2

*077,

) (

a BB c BB n

D

C S E K

Ứng suất khi nén ( công thức 5.48 trang 145 Tài liệu [7] )

698,7)110(

*)101600(

*

350404)

=

−+

=

ππ

σ

a B B bB tr

NCT BB

n

C S S D

≤+

BB BB BB n

BB n

III ĐÁY

Tính theo công thức trang 178-179 Tài liệu [7]

Đáy nón chịu cùng áp suất ngoài với buồng bốc

121630

cos

34

*1,01200

*9,0cos

1,09,0

C S E

*95,202

10

*2

*3,01216

tr BB bB

tr

a

C S

D D

l D

C S

) (

'

) (

⇔ 0,18 ≤ 0,89 ≤ 8,22 (thỏa)

Vậy áp suất cho phép tính theo công thức 5.19 trang 135 Tài liệu [7]

[ ]

5 , 2 ' '

'

*

*649,

D E

D D

1216

110

*1087

1216

*10

*2

5 , 2

* Kiểm tra điều kiện ổn định:

Lực nén chiều trục ( công thức 6.26 trang 178 Tài liệu [7] )

,0

*1220

*4

2

1200)

.(

2 D − a = − =

trD C S D

067,0

=

0595,0067,0

*10

*2

95,202

*875

203974

≤

=+

=+

D D NCT

NCT P

P P

P

(thoả ) Vậy bề dày đáy là 10 (mm)

1600S

R

N

17,21195.202

*7,0

10

*2

*15,0

*

*15

σ

Ta thấy

cN N N

166 Tài liệu [7]

[ ]

t

a N

N

R

C S P

*

)(

*.2][

β

3,025,01600

*

*7,6)(

*

*

*5)(

*

α σ

α

σ α β

N

t cN a

N

R C

S E

R C

S E

)7,01(

*1600

*95,202

*7,0

*7,69

*10

*2

1600

*95,202

*7,0

*59

*10

*2

9

*9,86

*2

V TÍNH CÁCH NHIỆT CHO THÂN

t t

α

λ

Trong đó

*058,03,

*058,03,

509,132

*144,0