Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục cô đặc dung dịch kali hydroxit koh)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN QT- TB CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XI CHIỀU ỐNG TUẦN HỒN TRUNG TÂM LÀM VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC DUNG DỊCH KALI HYDROXIT KOH) Sinh viên thực Mã số sinh viên : Nguyễn Thị Thu Thảo 20201742 Lớp : KTHH 02- K65 Giáo viên hướng dẫn : TS Phùng Lan Hương Hà Nội, 21/07/2023 LỜI MỞ ĐẦU Nhiệm vụ kĩ sư hóa học phải biết thiết kế thiết bị hay hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ sản xuất, nên sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nhận đồ án mơn học: “ Q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học” Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với thực tiễn sau hồn thành khối lượng kiến thức mơn học Trên sở kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan, sinh viên tự thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn q trình cơng nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu, vận dụng kiến thức,quy trình tính tốn thiết kế, tự nâng cao kĩ trình bày thiết kế theo văn phịng khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Trong đồ án mơn học này, nhiệm vụ phải hồn thành thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch KOH , suất 5760 kg/h, nồng độ dung dich ban đầu 6%, nồng độ sản phẩm 25% Do hạn chế thời gian, chiều sâu kiến thức, hạn chế tài liệu, kinh nghiệm thực tế nhiều mặt khác nên khơng tránh khỏi thiếu sót trình thiết kế Em mong nhận đóng góp ý kiến, xem xét dẫn thêm thầy để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn TS Phùng Lan Hương hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! PHẦN I :CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Tổng quan q trình đặc 1.1, Giới thiệu - Cơ đặc 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 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 đặc gọi “hơi phụ” - Q 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; cịn 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: SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 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 Nhóm 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 khơng dùng cho dung dịch có nhiệt độ sơi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngồi làm tăng hiệu số nhiệt độ đốt nhiệt độ sơi trung bình dung dịch dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Cô đặc chân khơng nhiệt độ sơi dung dịch thấp nên tận dụng nhiệt thừa q trình sản xuất khác (hoặc sử dụng thứ) cho 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 đặc nhiều nồi nồi thường làm việc áp suất lớn áp suất khí quyển, nồi sau làm việc áp suất chân khơng * 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 * Dựa vào cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngồi, ống xoắn, ống chùm… 1.3, Thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm - Là thiết bị đặc có ống tuần hoàn đặt tâm thiết bị - Muốn cho dung dịch tuần hồn tốt nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 – 0,7 chiều cao ống Tốc độ ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s Diện tích thiết diện ống tuần hoàn lấy khoảng 20-35% tiết diện ống truyền nhiệt - Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 + Dễ dàng cọ rửa, sửa chữa - Nhược điểm: + Tốc độ tuần hoàn bé + Hệ số truyền nhiệt thấp - Phạm vi ứng dụng: Cơ đặc dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch nhiều váng cặn 2, Tổng quan dung dịch KOH 2.1, Tính chất vật lý KOH - Khối lượng mol: 56 g/mol - Khối lượng riêng: 2.044g/cm3 - Điểm nóng chảy: 406℃ - Điểm sơi: 1327 ℃ - Khả hịa tan: hịa tan alcohol, glyxerol không tan ete, amoniac lỏng - Ăn mòn: dễ dàng ăn mòn thủy tinh, dạng nóng chảy ăn mịn sứ (với điều kiện mơi trường khơng khí), platin 2.2, Tính chất hóa học KOH - Kali hydroxit làm đổi màu chất thị (quỳ tím ẩm hóa xanh, phenolphalein từ khơng màu sang hồng) - Ở nhiệt độ phòng, KOH tác dụng với oxit axit SO2, CO2 KOH + SO2 → K2SO3 + SO2 KOH + SO2 → KHSO3 - Tác dụng với axit tạo thành muối nước KOH(dd) + HCl(dd) → KCl(dd) + H2O - Tác dụng với axit hữu RCOOR1 + KOH → RCOOK + R1OH - Tác dụng với muối tạo muối bazo 2KOH + CuCl2 → 2KCl + Cu(OH)2 SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 - Phản ứng với số kim loại mà oxit, hidroxit chúng lưỡng tính KOH + Al(OH)3 → KAlO2 + 2H2O 2KOH + Al2O3 → 2KAlO2 + H2O 2.3, Ứng dụng thực tế a Trong công nghiệp - Dùng để sản xuất chất tẩy rửa gia dụng: xà phòng mềm, dầu gội, chất tẩy trắng, giả,… chất tẩy rửa công nghiệp, vệ sinh chuồng trại - Sản xuất hợp chất có chứa Kalo K2CO3, KMnO4,… - Trong sản xuất dầu diesel sinh học, cách chuyển hóa triglyxerit dầu thực vật Dùng KOH xử lý dầu diesel tạo Glyxerin – loại thức ăn gia súc giá thành thấp (sau loại bỏ metanol) - Đối với công nghệ dệt nhuộm dung dịch để sản xuất thuốc vải, len, sợi Ngồi cịn dùng để xử lý da loại động vật để chuẩn bị công nghệ thuộc da - Trong cơng nghiệp luyện kim, hóa chất KOH dùng để tẩy rỉ sét xử lý bề mặt kim loại hợp kim không ăn mịn KOH Một só ứng dụng phổ biến dùng nhà máy lọc hóa dầu để loại bỏ hợp chất lưu huỳnh chất không cần thiết b Trong nông nghiệp - Kali hydroxit dùng để sản xuất phân bón - Điều chỉnh nồng độ pH chứa phân bón hóa học có tính axit KH2PO4 trước mang sử dụng cho nhuwgx giống trồng nhạt cảm với dao động pH c Trong y tế - Hóa chất KOH dùng để chuẩn đoán bệnh nấm điều trị mụn cóc - Xác định số loại nấm gilled, boletes, polypores, địa y cách nhỏ vài giọt dung dịch KOH nồng độ – 5% quan sât thay đổi màu sắc thịt nấm SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 PHẦN 2: DÂY CHUYỂN CÔNG NGHỆ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU 1.Thuyết minh sơ đồ: Hỗn hợp đầu (Dung dịch NaCl 9%) đưa vào thùng chứa (1) bơm (2) hút lên thùng cao vị (3) Ở thùng cao vị có ống chảy tràn, hỗn hợp thùng phải chế độ chảy tràn suốt q trình đặc quay trở lại thùng chứa (1) Tiếp theo, hỗn hợp đầu từ thùng cao vị chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) Nước ngưng trình gia nhiệt hệ thống cốc tháo nước ngưng (11) đưa vào bể chứa (14) Hỗn hợp sau gia nhiệt đưa đến thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm (6) Tại hỗn hợp tuần hoàn theo vành tuần hồn khơng gian ống trung tâm phần giới hạn vỏ thiết bị với buồng đốt Hơi đốt đưa vào buồng đốt để tiếp tục đun sôi hỗn hợp Nước ngưng buồng đốt tháo hệ thống tháo nước ngưng (12) Hơi bốc lên nồi cô đặc (6) đốt nồi đặc phía sau (7), đồng thời dung dịch sau cô đặc nồi (6) tiếp tục đưa sang nồi (7) Nước ngưng nồi cô đặc (7) tháo hệ thống (13), dung dịch cô đặc đạt đến nồng độ yêu cầu đưa qua bơm (16) để đưa vào bể chứa sản phẩm (15) Hơi thứ nồi cô đặc (7) đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (8), sau tiếp tục đưa vào xyclon tách bụi (9) hút theo bơm (17) SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 PHẦN 3: TÍ NH TOÁN THIẾT BI ̣ CHÍ NH Số liê ̣u ban đầ u: - Năng suấ t tiń h theo dung dich ̣ đầ u: Gđ = 1,6 kg/s =5760 kg/h Nồ ng đô ̣ đầ u của dung dich: ̣ xđ = 6% khố i lươṇ g Nồ ng đô ̣ cuố i của dung dich: ̣ xc = 25% khố i lươṇ g Hơi đố t: nước bão hòa Áp suấ t đố t nồ i 1: P1 = at Áp suấ t ngưng tu ̣: Png = 0,2 at Chiề u dài ố ng truyề n nhiê ̣t: m Xác đinh ̣ lươṇ g thứ bố c khỏi ̣ thố ng W Áp dụng công thức VI.1 [2 – 55]: W = Gđ (1 − xđ kg ) = 10000 (1 − ) = 4377,6 ( ) xc 25 h Tính sơ bô ̣ lươṇ g thứ bố c ở mỗi nồ i - Lươṇ g thứ bố c ở nồ i 1: W1, kg/h - Lươṇ g thứ bố c ở nồ i 2: W2, kg/h Giả thiế t mức phân phố i lươṇ g thứ bố c ở các nồ i W1 : W2 = : 1,1 Ta có ̣: kg ) W1 + W2 = W = 5377,6 h { →{ 1,1W1 − W2 = kg W2 = 2293,03 ( ) h W1 = 2084,57 ( Tính nồ ng đô ̣ cuố i của dung dich ̣ mỗi nồ i Theo công thức VI.2 [2 – 57]: xi = Gđ xđ ,% Gđ − ∑ij Wj SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 Ta có:  Với nồ i 1: x1 = Gđ  Với nồ i 2: x2 = Gđ xđ = 5760 = 9,4 (%klg) Gđ − W1 5760 − 2084,57 xđ = 5760 = 25 (%klg) Gđ − W1 − W2 5760 − 2084,57 − 2293,03 Tính chênh lêch ̣ áp suấ t chung của ̣ thố ng ∆𝐏 Chênh lệch áp suất chung hệ thống ∆P hiệu số áp suất đốt sơ cấp P1 nồi áp suất hoi thứ thiết bị ngưng tụ Png Ta có cơng thức: ∆P = P1 − Png → ∆P = − 0,2 = 4,8 at Xác đinh ̣ áp suấ t, nhiêṭ đô ̣ đố t cho mỗi nồ i -Giả thiế t phân bố áp suấ t đố t giữa nồ i là ∆𝐏𝟏 ∶ ∆𝐏𝟐 = 𝟐, 𝟓 ∶ 𝟏 Trong đó: ∆P1 − Chênh lê ̣ch áp suấ t nồ i thứ 1, at ∆P2 − Chênh lê ̣ch áp suấ t nồ i thứ 2, at Ta có ̣: { 5.1 ∆P = 3,43 (at) ∆P1 − 2,5∆P2 = →{ ∆P1 + ∆P2 = ∆P = 4,8 ∆P2 = 1,37 (at) Tính áp suấ t đố t từng nồ i Theo công thức: Pi = Pi−1 − ∆Pi−1 SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65 Ta có:  Nồ i 1: P1 = (at)  Nồ i 2: P2 = P1 − ∆P1 = − 3,43 = 1,57 (at) 5.2 Xác đinh ̣ nhiêṭ đô ̣ đố t 𝐓𝐢 , nhiê ̣t lươṇ g riêng 𝐢𝐢 và nhiêṭ hóa 𝐫𝐢 của từng nồ i Tra bảng I.251 [1 – 314] và nô ̣i suy ta có:   - Nồ i 1: P1 = (at) ta đươ ̣c: Nhiê ̣t đô ̣ đố t: T1 = 151,1 (oC) Nhiê ̣t lươṇ g riêng: i1 = 2754000 (J/kg) Nhiê ̣t hóa hơi: r1 = 2117000 (J/kg) Nồ i 2: P2 = 1,57 (at) ta đươ ̣c: Nhiê ̣t đô ̣ đố t: T2 = 112,1 (oC) Nhiê ̣t lươṇ g riêng: i2 = 2701500 (J/kg) Nhiê ̣t hóa hơi: r2 = 2228500 (J/kg) Tính nhiêṭ đô ̣ và áp suấ t thứ khỏi từng nồ i Nhiệt độ thứ khỏi nồi xác định theo công thức: t ′i = Ti+1 + ∆′′′ i ,℃ Trong đó: Ti′ − Nhiê ̣t đô ̣ thứ khỏi nồ i thứ i, oC o ∆′′′ i − Tổ n thấ t nhiê ̣t đô ̣ trở lực đườ ng ố ng, C o Cho ̣n ∆1′′′ = (oC) và ∆′′′ = 1,1 ( C), ta có:  Nhiê ̣t đô ̣ thứ khỏi nồ i là: t1′ = T2 + ∆1′′′ = 112,1 + = 113,1 (℃)  Nhiê ̣t đô ̣ thứ khỏi nồ i là: t ′2 = Tng + ∆′′′ SVTH: Nguyễn Thị Thu Thảo-20201742-KTHH02-K65