Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng để cô đặc dung dịch kno3 với năng suất 6550kg giờ và chiều cao ống gia nhiệt là h=2m

Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hồn thành là thiết kếhệ thống cơ đặc hai nồi xi chiều , ống tuần hồn trung tâm làm việc liêntục với dung dịch KNO3 ,năng suất 11378kg/h, nồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

======o0o======

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần

hoàn trung tâm dùng để cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 6550kg/giờ và chiều cao ống gia nhiệt là h=2m

Hà Nội, năm 2023

NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm dùng để

cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 6550 kg/giờ

Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m

Các số liệu ban đầu:

- Nồng độ đầu của dung dịch: 10%

- Nồng độ cuối của dung dịch: 33%

- Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at

- Áp suất hơi ngưng tụ: 0,18 at

Vẽ dây truyền sản xuất

PHẦN THUYẾT MINH

1 Mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh dây truyền sản xuất

3 Tính toán thiết bị chính

4 Tính toán và chọn các thiết bị phụ

5 Tính toán cơ khí

6 Kết luận

Ngày tháng năm

(Ký và ghi rõ họ tên ) (Ký và ghi rõ họ tên)

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp đã mang lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất

và tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân, để hòa nhập chung với sự phát triển chung của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến nền công nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành Công nghệ Hóa học Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác,

thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng Để năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị

có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi

để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất ,em được nhận đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”.Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình

“Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ

thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận

dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao

kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế

hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch KNO3 ,năng suất 11378kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 11,3%, nồng độ sản phẩm 27,5%

Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Công Nghệ Hóa học đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Hoàn đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em làm đồ án Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh những sai sót, em rất mong quý thầy cô góp ý chỉ dẫn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên Khi bay hơi nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhiệt độ sôi, áp suất hơi của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên

bề mặt thoáng dung dịch nhưng nhỏ hơn áp suất chung Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng thì tốc độ bay hơi càng lớn, còn sự bốc hơi diễn ra ( ở trạng thái sôi) ngay cả trong lòng dung dịch( tạo thành bọt ) khi áp suất hơi của dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng, trạng thái sôi chỉ có ở nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho

Trong quá trình cô đặc nồng độ của dung dịch tăng lên, do đó mà một số tính chất của dung dịch sẽ thay đổi Điều này có ảnh hưởng tới quá trình tính toán, cấu tạo và vận hành của thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α của dung dịch sẽ giảm Ngược lại khối lượng riêng ρ , độ nhớt ν, tổn thất do nồng độ ∆ ’ sẽ tăng Đồng thời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt, những tính chất đó sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt của thiết bị

Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng 1 thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ

để đun nóng cho 1 thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Qúa trình cô đặc có thể tiến hành ở các

áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì

có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi

áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dần đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch)

Cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba, hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết

bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần.Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi,hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc ở

áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển Hệ thống cô đặc nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất

Ưu điểm nổi bật của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn

nhiệt độ sôi của nồi sau, do đó dung dịch đi vào mỗi nồi ( trừ nồi đầu ) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ là bốc hơi thêm 1 phần nước là quá trình tự bốc hơi

Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn nữa khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần tốn thêm 1lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch

Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc là quá trình làm bay hơi 1 phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi với mục đích:

+ Làm tăng nồng độ của các chất hòa tan trong dung dịch

+ Tách các chất hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất vv…

2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KNO 3

Kali nitrat hay còn gọi là diêm tiêu kali là chất lỏng ở dạng những tinh thể lập phương, nóng chảy ở 334 0 C Không hút ẩm, tan trong nước và độ tan tăng nhanh theo nhiệt độ nên rất dễ kết tinh lại Nó khó tan trong rượu và ete

ở 400oC, KNO3 phân huỷ thành kali nitrit và oxi:

KNO3 → KNO2 + ½O2

Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá của Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn

Hỗn hợp của KNO3 và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh liệt Hỗn hợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than là thuốc súng đen

Diêm tiêu kali còn dược dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt và dùng trong công nghiệp thuỷ tinh Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu

từ phân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở Phân dơi trong các hang đó lâu ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH3 Dưới tác dụng của một số vi khuẩn, khí NH3 bị oxi hoá thành nitrơ và axit nitric Axit này tác dụng lên đá vôi tạo thành Ca(NO3)2 , muối này một phần bám vào thành

hang, một phần tan chảy ngấm vào đất trong hang Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồi dùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO3

Ca(NO3)2 + K2CO3 → 2KNO3 + CaCO3

Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêu tuy ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc kháng chiến chống Pháp trước đây

3 SƠ ĐỒ SẢN XUẤT VÀ THUYẾT MINH

3.1 Sơ đồ sản xuất

3.2 Thuyết minh sơ đồ sản xuất

Nguyên tắc hoạt động: Dung dịch NaCl ban đầu được chứa trong thùng

chứa dung dịch đầu (1), dùng bơm (2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt

độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào, rồi đi vào nồi (6) Ở nồi này dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng.Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buồng đốt của thiết bị (7) Dung dịch từ nồi (6) di chuyển qua nồi thứ (7) nhờ sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (7)

có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi Kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (9) qua thiết bị bơm (2).Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10) Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt (11) hơi sẽ được bơm chân

không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng

Ưu điểm:

- Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi mà không cần dùng bơm

- Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau do đó dung dịch đi vào mỗi nồi đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi đó ( trừ nồi đầu), kết quả là dung dịch sẽ nguội đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi đi một lượng dung môi ( quá trình tự bốc hơi )

Nhược điểm :

- Dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, do

đó cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch, vì vậy khi cô đặc xuôi chiều dung dịch trước khi vào nồi đầu thường được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ

- Nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần, làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

Các số liệu ban đầu

- Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ= 6550 kg/giờ

- chiều cao ống gia nhiệt H= 2 m

- Nồng độ đầu của dung dịch Xđ= 10%

- Nồng độ cuối của dung dịch Xc= 33%

- Áp suất hơi đốt nồi 1 Phđ1= 4 atm

- Áp suất hơi ngưng tụ Png= 0.18 atm

1 TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1.1 Tính toán hơi thứ ra khỏi hệ thống

Từ công thức

Ta có tổng lượng hơi thứ của hệ thống là:

1.2 Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

Chọn tỷ lệ phân bổ hơi thứ của hai nồi như sau:

W1 : W2 = 1:1 Trong đó:

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

Từ cách chọn tỷ lệ đó ta tính được lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi là:

1.3 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi mỗi nồi

Lượng dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là:

Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 1 vào nồi 2 là:

Lượng dung dịch ra khỏi nồi 2 là:

Nồng độ của dung dịch ra khỏi nồi 2 là:

Đúng như bài ra ban đầu đã cho nồng độ cuối của nồi 2 là 33%

2 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

2.1 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (ΔP)

ΔP = Phd1 – Png

= 4 – 0,18 = 3,82 at

Trong đó:

Phd1 : áp suất hơi đốt nồi 1

Png : áp suất hơi nước ngưng

2.2 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt của mỗi nồi

Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất hơi đốt ở 2 nồi là:

Mà:

⇨

 Vậy áp suất hơi đốt của từng nồi là:

Ở nồi 1: P1 = 4 at

Ở nồi 2: P2 = 4 – 2,7589 = 1,2411 at

 Xác định nhiệt độ hơi đốt ở mỗi nồi:

Tra bảng (I.251/ST1-T315)

Ở nồi 1: P1 = 4 at ⇨ t1 = 142,9oC

Ở nồi 2: P2 = 1,2411 at ⇨ t2 = 105,125oC

Hơi ngưng tụ: Pnt = 0,18 at ⇨ tnt = 57,273oC

2.3 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi

Nhận xét: khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2 và hơi thứ từ nồi 2 đi sang

thiết bị ngưng tụ thì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là: Δ = 1:1,5oC, và khi đó nó

sẽ trở thành hơi đốt cho nồi 2: chọn Δ = 1oC

Gọi nhiệt độ và áp suất của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 lần lượt là:

t1’ , t2’, P1’, P2’

ta có:

t1’ = t2 + 1 = 105,125 + 1 = 106,125oC

t2’ = tnt + 1 = 57,273 + 1 = 58,273oC Tra bảng (I.250/ST1-T313), ứng với mỗi nhiệt độ hơi thứ của mỗi nồi sẽ cho hơi thứ tương ứng:

Áp suất hơi thứ nồi 1:

t1’ = 106,125oC ⇨ P1’ = 1,2778 at

Áp suất hơi thứ nồi 2:

t1’ = 58,273oC ⇨ P1’ = 0,1884 at Kết quả tính được cho ta bảng dưới đây:

Bảng 1:

Lượng

hơi thứ

Kg/h

Nồng

độ cuối

%

Áp suất, nhiệt

độ hơi đốt

Δ

Áp suất, nhiệt

độ hơi thứ

Pi(at) tioC Pi’(at) ti’ oC

2.4 Tính tổn thất nhiệt lượng cho từng nồi

2.4.1 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: Δ’( o C)

Áp dụng công thức: ( CT.VI.10/ST2 – T59)

Trong đó:

Δ’o : tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường

T : nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho ( oK)

r : ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc ( J/kg)

 Tra bảng (VI.2/ST2 – T62)

x1 = 15,349% ⇨ Δ’01 = 1,4357oC

x2 = 33% ⇨ Δ’02 = 3,57oC

 Xác định nhiệt độ Ti:

T1 = T1’ + 273 = 133,094 + 273 = 406,095oK

T2 = T2’ + 273 = 58,273 + 273 = 331,273oK

 Xác định r:

Tra bảng ( I.250/ST1 – T312)

t1’ = 133,094 ⇨ r1 = 2170,337.103 J/kg

t2’ = 58,273 ⇨ r2 = 2360,803.103 J/kg Nên ta có tổn thất nhiệt độ do nồng độ của mỗi nồi là: