TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MÔN HỌC THI T K H TH NG THI T B CÔ C HAI N I XUÔI CHI U LÀM VI CẾ Ế Ệ Ố Ế Ị ĐẶ Ồ Ề Ệ LI[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH - THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA VÀ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN MƠN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIỆN TỤC VỚI DUNG DỊCH NACL Người thiết kế : Lê Nguyễn Anh Tuấn Lớp, khóa : KTHH.05– K64 Người hướng dẫn : TS Cao Thị Mai Duyên HÀ NỘI 2022 VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH –THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HỐ VÀ THỰC PHẨM _ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên: Lê Nguyễn Anh Tuấn MSSV: 20191161 Lớp: KTHH-05 Khóa: 64 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 NaCl – H2O , suất F= 3kg/s , chiều cao ống truyền nhiệt: H = 5m II Các số liệu ban đầu: Nồng độ đầu dung dịch: % khối lượng; Nồng độ cuối dung dịch: 20 % khối lượng; Áp suất đốt nồi 1: at; Áp suất ngưng tụ: 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: khổ A4; - Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1 V Cán hướng dẫn: TS Cao Thị Mai Duyên VI Ngày giao nhiệm vụ: ngày tháng năm 2022 VII Ngày phải hoàn thành: Phê duyệt Bộ môn Ngày tháng năm 2022 Người hướng dẫn I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Tổng quan q trình đặc 1.1, Giới thiệu - Cơ đặc q trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay nhiệt độ sơi, với mục đích: + Làm tăng nồng độ chất tan + Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể + Thu dung môi dạng ngun chất - Đặc điểm q trình đặc dung môi tách khỏi dung dịch dạng cịn chất tan khơng bay giữ lại dung dịch, q trình chưng cất dung mơi lẫn chất tan bay - Cô đặc tiến hành trạng thái sôi, nghĩa áp suất riêng phần dung môi bề mặt dung dịch áp suất làm việc thiết bị Q tình tiến hành hệ thống thiết bị cô đặc, hay hệ thống nhiều thiết bị cô đặc thực gián đoạn liên tục Hơi bay q trình đặc gọi “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa lớn nên sử dụng làm đốt cho nồi đặc Nếu “hơi thứ” sử dụng ngồi dây chuyền cô đặc gọi “hơi phụ” - Quá trình đặc tiến hành áp suất khác (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư) Khi làm việc áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; làm việc áp suất khác ta dùng thiết bị kín 1.2, Phân loại thiết bị đặc * Dựa vào chế độ tuần doàn dung dịch: Loại 1: Dung dịch tuần hoàn tự nhiên: dựa vào chênh lệch khối lượng riêng dung dịch, dùng để đặc dung dịch lỏng có độ nhớt thấp VD: + Thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm + Thiết bị đặc phịng đốt treo + Thiết bị đặc phịng đốt ngồi Để tăng hiệu cô đặc rút ngắn thời gian người ta dùng thêm bơm, ta có loại sau: Loại 2: Dung dịch tuần hoàn cưỡng bức: dùng thêm bơm để tăng vận tốc dung dịch lên 1,5 – 3,5 m/s nhằm tăng hệ số cấp nhiệt, dùng cho dung dịch đặc, có độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Loại 3: Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt thành màng mỏng từ lên trên, thời gian bay nhanh giúp giảm khả biến chất sản phẩm, thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép….VD: Thiết bị cô đặc loại màng * Dựa vào áp suất thiết bị cô đặc: - Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngồi cịn làm tăng hiệu số nhiệt độ đốt nhiệt độ sôi trung bình dung dịch dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Cơ đặc chân khơng nhiệt độ sơi dung dịch thấp nên tận dụng nhiệt thừa trình sản xuất khác (hoặc sử dụng thứ) cho q trình đặc - Cơ đặc áp suất cao áp suất khí thường dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao thứ sử dụng cho q trình đặc q trình đun nóng khác - Cơ đặc áp suất khí thứ khơng sử dụng mà thải ngồi khơng khí Phương pháp đơn giản không kinh tế Trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi nồi thường làm việc áp suất lớn áp suất khí quyển, nồi sau làm việc áp suất chân không * Dựa vào bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng * Dựa vào chất tải nhiệt: đun nóng (hơi nước bão hịa, q nhiệt), khói lị, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước áp suất cao,…), dòng điện 1.3 Chọn thiết bị cô đặc: Trong đồ án này, chiều cao ống truyền nhiệt H=5m, ta nên chọn thiết bị đặc phịng đốt ngồi ống tuần hồn phịng đốt khơng gian làm gian làm việc khác nên ống tuần hồn khơng bị gia nhiệt, vận tốc tuần hồn lớn, dẫn đến làm ống truyền nhiệt lên tới 7m để tăng tốc độ cô đặc 2, Tổng quan dung dịch NaCl 2.1, Giới thiệu chung - NNaCl hợp chất hóa học có tên gọi Natrichorua hay cịn gọi muối ăn ,muối mỏ - NaCl chất điện ly mạnh phân ly hoàn toàn nước sản phẩm ion âm dương, muối axit mạnh bazo mạnh nên mang tính trung tính - Ứng dụng nhiều ngành khác công nghiệp giấy, thuốc nhuộm, chăn nuôi, y tế đời sống - Tính chất vật lý: + NaCl Chất rắn màu trắng không màu + Khối lượng mol: 58,5 g/mol + Khối lượng riêng: 2,16 g/cm3 (16 °C) + Điểm nóng chảy: 801°C + Tan nhiều nước (13,3 g/100 mL (0 °C), 36 g/100 mL (25 °C), 247 g/100 mL (100 °C)) - Tính chất hóa học: +NaCl có tính Oxy hóa cao, phân li hoàn toàn nước, tạo ion âm dương + Tác dụng với muối Ag+ (phản ứng trao đổi): NaCl + AgNO3 -> AgCl + NaNO3 + Tác dụng với nước: Ứng dụng để sản xuất HCl 2.2, Điều chế Axit tác dụng với bazo HCl + NaOH → NaCl + H20 Na2Cr2O7 + 14HCl→ 2NaCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + 7H20 Sục khí clo vào dung dịch kiềm 2NaOH (nguội, lỗng) + Cl2 → NaCl + NaClO + H20 5NaOH (nóng) + 3Cl2 → NaClO3 + 3H20 + 5NaCl Clo đẩy brom iot khỏi muối bromua iotua 2NaBr + Cl2→ 2NaCl + Br2 2NaI + Cl2 → 2NaCl + I2 Thủy phân hợp chất chứa oxy bền với nhiệt NaClO3 2NaClO3 ( xúc tác MnO2, đun nóng) → 2NaCl + 3O2 Đun nhẹ hỗn hợp bão hòa NH4Cl NaNO2 2.3, Ứng dụng Trong công nghiệp, muối tinh khiết tiêu thụ hàng năm toàn giới khoảng 200 triệu tấn: Đối với sản xuất da, giày: người ta dùng muối để bảo vệ da Trong sản xuất cao su: muối dùng để làm trắng loại cao su Trong dầu khí: muối thành phần quan trọng dung dịch khoan giếng khoan Từ muối chế loại hóa chất dùng cho ngành khác sản xuất nhôm, đồng, thép, điều chế nước Javel, cách điện phân nóng chảy điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn Trong nơng nghiệp, trồng trọt Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm: muối dùng để cân trình sinh lý thể giúp gia súc, gia cầm tăng trưởng nhanh, giảm bệnh tật Phân loại hạt giống theo trọng lượng Làm yếu tố vi lượng trộn với loại phân hữu để tăng hiệu phân bón Natri Clorua thực phẩm Là thành phần muối ăn sử dụng phổ biến đồ gia vị chất bảo quản thực phẩm Dùng muối để ướp thực phẩm sống tôm, cá, để không bị ươn, ôi trước thực phẩm nấu Khử mùi thực phẩm, giữ cho trái không bị thâm Tăng hương vị, kiểm sốt q trình lên men thực phẩm Natri Clorua y tế Muối tinh khiết dùng để sát trùng vết thương, trị cảm lạnh dùng để pha huyết thanh, thuốc tiêu độc số loại thuốc khác để chữa bệnh cho người Là yếu tố thiết yếu sống người thành phần chủ yếu muối natri clo hai ngun tố đóng vai trị quan trọng việc cân thể dịch thể, đảm bảo cho tế bào hoạt động bình thường Cung cấp muối khoáng cho thể thiếu nước Muối có tác dụng khử độc, lọc thể, làm đẹp da, chữa viêm họng, làm trắng răng, chữa hôi miệng, Muối tinh khiết đời sống gia đình Muối tinh khiết dùng để giữ hoa tươi lâu hơn, làm thớt, làm đồ thủy tinh Giúp lau chùi tủ lạnh, chảo dính dầu mỡ, bàn ủi, tẩy vết rượu vang quần áo Khử mùi hôi giày, đuổi kiến Ứng dụng Natri Clorua giao thông Tại nước hàn đới, người ta sử dụng lượng lớn muối để làm tan băng, tuyết đường Với nồng độ 23.3% nhiệt độ thấp -21.2 độ C, muối làm tan băng Nhiệt độ tốt để muối làm tan băng độ C.Ở Mỹ, gần 40% sản lượng muối sử dụng cho công việc Chọn vật liệu chế tạo thiết bị Dung dịch cần cô đặc NaCl dung dịch chất điện ly mạnh, kim loại tiếp xúc với dung dịch chất điện ly xảy ăn mịn điện hóa, tạo nên dịng điện Vì vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc ta chọn thép không gỉ, bền nhiệt chịu nhiệt Chọn thép 40XFA : λ =52,4 [W/m2 độ] (Tra từ bảng (XII.7)[4-313]) II SƠ ĐỒ VÀ MÔ TẢ DÂY CHUYỀN Sơ đồ công nghệ Nguyên lý hoạt động hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc làm việc liên tục Dung dịch đầu (NaCl) thùng chứa (1) bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (13), sau chảy vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (12) Ở thiết bị dung dịch đun nóng sơ đến nhiệt độ sơi vào buồng đốt (14) Vì dung dịch vào buồng đốt đầu có nhiệt độ thấp nhiệt độ sơi dung dịch cần tiêu tốn lượng đốt để đun nóng sơ dung dịch Ở buồng đốt, dung dịch tiếp tục đun nóng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy ống truyền nhiệt, đốt đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Nước ngưng đưa khỏi buồng đốt cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi, dung môi bốc lên sang buồng bốc (14) gọi thứ, thứ trước khỏi buồng bốc đưa qua phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bị theo thứ qua ống dẫn bọt Hơi thứ khỏi nồi làm đốt cho buồng đốt thứ (15) Dung dịch từ nồi tự di chuyển sang nồi thứ có chênh lệch áp suất làm việc nồi, áp suất nồi sau nhỏ áp suất nồi trước Nhiệt độ nồi trước lớn nhiệt độ nồi sau, dung dịch vào nồi có nhiệt độ cao nhiệt độ sơi, kết dung dịch làm lạnh, lương nhiệt làm bốc thêm lượng dung môi gọi trình tự bốc Dung dịch sản phẩm nồi đưa khỏi nồi cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (8) để làm mát sau bơm thùng chứa sản phẩm Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt (8) để giảm thiểu việc hư hỏng giảm tuổi thọ bơm Hơi thứ bốc khỏi buồng bốc thứ đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (18) Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ xuống cần ngưng tụ từ lên, ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet ngồi, cịn khí khơng ngưng qua thiết bị thu hồi bọt (19) vào bơm hút chân khơng (7) III TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH Các số liệu đầu Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = kg/s= 10800 [kg/h] Nồng độ đầu dung dịch NaCl xđ = 9% Nồng độ cuối dung dịch NaCl xc = 20% Áp suất đốt p1 = [at] Áp suất ngưng tụ p2 = 0,2 [at] Chiều cao ống truyền nhiệt H = m 1.Tổng lượng thứ bốc khỏi hệ thống: Ta có : W =Gđ (1− xđ ) xc ( → W =10800 1− ) =5940 [ kg /h ] 20 Lượng thứ bốc nồi Lượng thứ bốc nồi 1: W ,[kg /h] Lượng thứ bốc nồi 2: W 2, [kg /h] W1 = => W2 = 1,1.W1 W 1,1 W Khi W = W1 + W2 (2) => W = W1 + 1,1.W1 = 2,1W1 => W 1= 2,1 5940 =2828,57 [ kg /h ] Thay số vào: W 1= 2,1 W = 1,1.W = 2828,57.1,1 = 3111,43[ kg / h ] Giả sử lượng thứ bốc nồi theo tỉ lệ: 3, Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi Theo công thức (VI 2) [4-57] x i=Gđ xđ n G đ −∑ W i i=1 (%) (3) Thay số liệu vào (3) + Nồi 1: x 1=10800 + Nồi 2: x 2=10800 =12,19(%) 10800−2828,57 =20 (%) 10800−2828,57−3111,43 => Ta thấy x2 = xc = 20% theo điều kiện đề 4, Tính chênh lệch áp suất chung hệ thống P - Ta có P = P1 - Png (4) - Trong đó: + P: Hiệu số áp suất đốt sơ cấp P1 áp suất thứ thiết bị ngưng tụ Png + P1: Áp suất nồi thứ (at) + Png: Áp suất thiết bị ngưng tụ (at) - Thay số liệu vào (4): P = P1 - Png = – 0,2 = 4,8 (at) 5, Xác định áp suất, nhiệt độ đốt cho nồi - Gọi P1, P2: chênh lệch áp suất nồi 1, - Giả thiết: Phân bố áp suất đốt nồi P1:P2 = 2,4:1 => P1 = 2,4 P2 mà P = P1 + P2 => P = 2,4 P2 + P2 = 3,4 P2 => ∆ P2= ∆ P 4,8 = =1,412(at) 3,4 3,4 => P1 = 2,4.P2 = 2,4.1,412 = 3,388 (at) - Áp suất đốt cho nồi: + Nồi 1: Phđ1 = P1 = (at) + Nồi 2: Phđ2 = P1 - P1 = – 3,388 = 1,612 (at) + Png = Phđ2 - P2 = 1,612 – 1,412 = 0,2 (at) => Png phù hợp với điều kiện đề Tra bảng I.251 Tính chất lý hóa nước bão hòa phụ thuộc vào áp suất - Sổ tay hóa cơng Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập [3-314], [3-315] kết hợp nội suy ta có: * Nồi 1: + Áp suất P1 = (at) + Nhiệt độ T1 = 151 (oC) + Nhiệt lượng riêng đốt i1 = 2754202 (J/kg) + Nhiệt hóa r1 = 2116895,72 (J/kg) * Nồi 2: + Áp suất P2 = 1,612 (at) + Nhiệt độ T2 = 112,87(oC) + Nhiệt lượng riêng đốt i2 = 2700586 (kJ/kg) + Nhiệt hóa r2 = 2226547,75 (kJ/kg) * Nước ngưng: + Áp suất Png = 0,2 (at) + Nhiệt độ Tng = 59,8 (oC) 6, Xác định áp suất, nhiệt độ thứ khỏi nồi: - Gọi t '1 , t '2 nhiệt độ thứ khỏi nồi ∆ 'i' ' tổn thất nhiệt độ trở lực đường ống Chọn ∆ ''1 ' = ∆ '2' ' = 1,2 (oC) - Cơng thức tính nhiệt độ thứ ' '' ' t i = Ti+1 + ∆ i (6) + Nồi 1: t '1 = T2 + ∆ ''1 ' = 112,87+ 1,2 = 114,07(oC) + Nồi 2: t '2 = Tng + ∆ ''2 ' = 59,8 + 1,2 = 61 (oC) Tương ứng với nhiệt độ tính xác định thứ nồi Tra bảng I.250 Tính chất hóa lí nước bão hịa phụ thuộc vào nhiệt độ - Sổ tay hóa cơng Q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập [3-312], [3-313] kết hợp nội suy ta có: + Nồi 1: với t '1 = 114,07 °C ta được: - Áp suất thứ : p'1 = 1,675 (at) - Nhiệt lượng riêng: i '1 = 2702506 (J/kg) - Nhiệt hóa hơi: r '1 = 2223428 (kJ/kg) + Nồi 2: với t '2 = 61 °C ta được: - Áp suất thứ: p'2 = 0,2135 (at) - Nhiệt lượng riêng: i '2 = 2610140 (kJ/kg) - Nhiệt hóa hơi: r '2 = 2354560 (kJ/kg) Tổng hợp lại ta có bảng số liệu: Nồi Hơi đốt Hơi thứ x, % P, T, i, r, i', r’, P', [at] t', [oC] o [at] [ C] [J/Kg] [J/Kg] [J/Kg] [J/Kg] 2754 2116 114,0 151 1,675 2702506 2223428 12,19 202 895,72 1,61 112,8 2700 2226 0,213 61 2610140 2354560 20 586 547,75 7, Xác định tổn thất nhiệt độ nồi 7.1, Tính tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh tăng cao: ∆ ''i - Áp suất thủy tĩnh lớp khối chất lỏng cần cô đặc theo công thức Ptbi = Pi’ + ¿ (at) Trong đó: (7) - Pi’: Áp suất thứ mặt thoáng dung dịch (at) - h1: Chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống gia nhiệt đến mặt thoáng dung dịch (m) Dung dịch không tạo bọt chọn h1 = 0,5 (m) - H: Chiều cao ống gia nhiệt H = (m) - g: Gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2) - ρdd : Khối lượng riêng dung dịch 20oC (kg/m3) + Nồi 1: P1’=1,675 (at) Tra bảng I.57 [3-45] Khối lượng riêng dung dịch NaCl – nước nội suy với t = 20 °C x1 = 12,19% có ρdd1 =1087,07 (kg/m3) + Nồi 2: P2’=0,2135 (at) Tra bảng I.57 [3-45] Khối lượng riêng dung dịch NaCl – nước nội suy với t = 20 °C x2 = 20% có ρdd2 = 1147,73 (kg/m3) - Thay số vào (7): + Nồi 1: [ 1087,07.9,81 Ptb1 = 1,675+ (0,5+ ) 9,81 10 [ ] = 1,838(at) ] = 0,386 (at) 1147,73.9,81 Ptb2 = 0,2135 + (0,5+ ) 9,81 10