đồ án môn học thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài làm việc liên tục cô đặc dung dịch natri hydroxitnaoh

Đầu đề thiết kế: Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục, dùng để cô đặc dung dịch NaOH, năng suất F= 3,5 kg/s, chiều cao ống truyền nhiệt H= 6m.. Cao Th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM–

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU, BUỒNG ĐỐT NGOÀI LÀM VIỆC LIÊN TỤC CÔ ĐẶC

DUNG DỊCH NATRI HYDROXIT(NaOH)

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quỳnh Anh

VIỆN KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ –CÔNG NGHỆ HOÁ VÀ THỰC PHẨM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập Tự do – – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CH3440

I Đầu đề thiết kế:

Tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục, dùng để cô đặc dung dịch NaOH, năng suất F= 3,5 kg/s, chiều cao ống truyền nhiệt H= 6m

II Các số liệu ban đầu:

Nồng độ đầu của dung dịch : 9% khối lượng Nồng độ cuối của dung dịch: 24% khối lượng Áp suất hơi đốt nồi 1 : 5 at

Áp suất thiết bị ngưng tụ : 0,2 at

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

4 Tính toán cơ khí 5 Tính và chọn thiết bị phụ 6 Kết luận

7 Tài liệu tham khảo

Phê duyệt của Bộ môn Ngày 27 tháng 01 năm 2022

IV Các bản vẽ

- Bản vẽ dây chuyền công nghệ: Khổ A4 - Bản vẽ lắp thiết bị chính: Khổ A1

V Cán bộ hướng dẫn: T Cao Thị Mai Duyêns

VI Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 10 tháng 10 năm 2021

VII Ngày phải hoàn thành: Ngày 27 tháng 01 năm 2022

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

1.1.3 Cô đặc nhiều nồi xuôi chiều 2

1.2 Giới thiệu chung về chất cần cô đặc 3

1.2.1 Thông tin chung 3

1.2.2 Tính chất vật lý 3

1.2.3 Tính chất hoá học ……… 3

1.2.4 Sản xuất dung dịch NaOH trong thực tế 3

1.2.5 Ứng dụng 4

1.3 Giới thiệu nội dung chính của đồ án 4

PHẦN II: SƠ ĐỒ - MÔ TẢ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 6

2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ 6

2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị 6

PHẦN III TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THIẾT BỊ CHÍNH 7

3.1 Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống, W: 7

3.2.Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra khỏi mỗi nồi: 7

3.3.Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi: 7

3.4.Tính chênh l ch áp su t chung c a hệ ấ ủ ệ ố th ng, ∆𝑷𝑷: 8

3.5.Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi: 8

3.6.Tính nhiệt độ ('it) và áp suất hơi thứ ( 'iP) ra khỏi từng nồi 8

3.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi: 9

3.7.1.Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao (∆′′): 9

3.7.2.Tổn thất nhiệt do nồng độ tăng cao '( )∆ 10

3.7.3.Tổn thất nhiệt do đường ống ( )∆''' 10

3.7.4.Tổng tổn thất nhiệt 10

3.8.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 10

3.8.1.Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong hệ thống nồi cô đặc 10

3.8.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi n 11 ồi3.9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng để tính lượng hơi đốt D, lượng hơi thứ Wi ở từng nồi 11

3.9.1 Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 11

3.9.2 Lập phương trình cân bằng nhiệt lượng 12

3.10 Tính hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 14

3.10.1 Tính hệ số cấ p nhiệt 𝜶𝜶𝟏𝟏𝟏𝟏 khi ngưng tụ 14

3.10.2 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ: 15

3.10.3 Tính hệ số cấ p nhiệt 𝜶𝜶𝟐𝟐𝟏𝟏 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi: 15

3.11 Hệ số truyền nhiệt giữa hai lưu thể……… 19

3.12 Tính hiệu số hữu ích cho từng nồi: 20

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

4.1.2 Xác định đường kính trong buồng đốt 22

4.1.3 Xác định chiều dày buồng đốt 22

4.1.4 Tính chiều dày lưới đỡ ống 24

4.1.5 Chiều dày đáy lồi phòng đốt 25

4.1.6 Tra bích để lắp đáy và thân, số bulong cần thiết để lắp ghép bích đáy 27

4.2 Buồng bốc hơi 28

4.2.1 Thể tích phòng bốc hơi 28

4.2.2 Chiều cao phòng bốc hơi 28

4.2.3 Chiều dày phòng bốc hơi 29

4.2.4 Chiều dày nắp buồng bốc 30

4.2.5 Tra bích để lắp vào thân buồng bốc 31

5.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet 42

5.1.1 Tính toán hệ thiết bị ngưng tụ baromet 42

5.1.2 Tính toán lượng nước làm lạnh Gn cần thiết để ngưng tụ 42

5.1.3 Tính đường kính trong của thiết bị ngưng tụ 42

5.1.9 Xác định chiều cao ống baromet 44

5.1.10 Tính lượng hơi và khí không ngưng 45

5.2 Tính toán bơm chân không 45

5.3 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 46

5.3.1 Tính lượng nhiệt trao đổi Q 46

5.3.2 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 46

5.3.3 Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể……… 46

5.3.4 Tính nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ 47

5.3.5 Tính hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy 47

5.3.6 Tính nhiệt tải riêng về phía dung dịch: 49

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa học là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 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 thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của môn học Trên cơ sở kiến thức đó và 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 kỹ thuật có giới hạn trong các 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 trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kỹ năng trình bày bản thiết kế theo văn phòng khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài làmviệc liên tục với dung dịch NaOH, năng suất3,5 kg/ , nồng độ dung d ch ban đầu %, nồng độ sản phẩm 2 % s ị 9 4

Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn TS Cao Thị Mai Duyên đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này!

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quỳnh Anh

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hoá hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc Nếu hơi thứ sử dụng ngoài dây truyền cô đặc gọi là hơi phụ

Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hoà để đốt nóng

1.1.2 Các phương pháp cô đặc

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất, trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục Trong hệ thống nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đối đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc

Cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân huỷ bởi nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân huỷ ở nhiệt dộ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác

Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế

1.1.3 Cô đặc nhiều nồi xuôi chiều

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó, có ý nghĩa về mặt sử dụng nhiệt Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được đưa vào nồi thứ 2 để làm hơi đốt, hơi thứ của nồi thứ 2 lại làm hơi đốt cho nồi thứ 3, … Hơi thứ ở cuối nồi được đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc hơi Hệ thống cô đặc xuôi chiều được sử dụng khá phổ biến

Ưu điểm: dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó, dung dịch đi vào mỗi nồi (trừ nồi 1) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

3 lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi

Nhược điểm: nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng dộ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ g ảm t nồi đầu đến nồi cuối.i ừ

1.2 Giới thiệu chung về chất cần cô đặc

1.2.1 Thông tin chung

Natri h droxit hay còn gọi là xút hoặc xút ăn da, có dạng tinh thể màu trắng, hút yẩm mạnh Tan nhiều trong nước và tỏa nhiệt tạo thành dung dịch kiềm (bazơ) mạnh, không màu NaOH rắn mất ổn định khi tiếp xúc với các chất không tương thích, hơi ước, không khí ẩm

NaOH là chất rắn tinh thể, bề ngoài màu trắng dạng viên, vảy hoặc hạt ở dạng dung dịch bão hòa 50% (hút ẩm mạnh, dễ chảy rữa) NaOH dung dịch có mùi hăng, có vị đắng, không màu Dung dịch natri h droxit có tính nhờn và có thể ăn mòn da y NaOH có tính ăn mòn chất hữu cơ Khi tiếp xúc với da có thể gây ăn mòn da, gây kích thích bỏng, và thấm qua da Triệu chứng ngứa, mọc vảy, tấy đỏ, bỏng Cần có phương pháp, biện pháp sử dụng hợp lý

Natri hydroxit rất dễ hấp thụ CO2 trong không khí vì vậy nó thường được bảo quản ở trong bình có nắp kín Xút phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etanol và metanol Xút cũng hòa tan trong ete và các dung môi không phân cực, và để lại màu vàng trên giấy và sợi

Xút có khả năng phản ứng với một số kim loại như Al, Zn, Be, Sb, Pb, Cr hoặc oxit tương ứng của chúng và sinh ra khí dễ cháy kèm theo hiện tượng sủi bọt (H2), do đó nếu như các thiết bị sử dụng được làm từ các vật liệu kim loại trên thì có thể bị ăn mòn và không an toàn trong quá trình sản xuất

1.2.2 Tính chất vật lý

Khối lượng mol: 39,9971 g/mol Khối lượng riêng: 2,1 g/cm³, rắn Nhiệt độ nóng chảy: 318 °C Nhiệt độ sôi: 1.390 °C Độ pH: 13.5

NaOH dễ tan trong nước lạnh Độ hòa tan trong nước 111g/100 ml (20 °C)

1.2.3 Tính chất hoá học

- Làm đổi màu chất chỉ thị

Dung dịch NaOH làm quỳ tím chuyển thành màu xanh

Dung dịch NaOH làm phenolphthalein không màu chuyển sang màu đỏ, đổi màu methyl da cam thành màu vàng

- Natri h droxit tác dụng với oxit axity

Khi tác dụng với axit và oxit axit trung bình, yếu thì tùy theo tỉ lệ mol các chất tham gia mà muối thu được có thể là muối axit, muối trung hòa hay cả hai

- Natri h droxit tác dụng với axity

Là một bazơ mạnh nên tính chất đặc trưng của NaOH là tác dụng với axit tạo thành muối tan và nước Phản ứng này còn gọi là phản ứng trung hòa

- Natri h droxit tác dụng với muốiy

Natri h droxit tác dụng với dung dịch muối tạo thành muối mới và bazơ mới.y Điều kiện để có phản ứng xảy ra: Muối tạo thành phải là muối không tan hoặc bazơ tạo thành phải là bazơ không tan

1.2.4 Sản xuất dung dịch NaOH trong thực tế

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

4 NaOH hiện nay được sản xuất bằng một số phương pháp:

- Điện phân bằng điện cực thuỷ ngân: Phương pháp này cho phép sản xuất dung dịch NaOH với nồng độ 50-52% mà chưa thông qua cô đặc

- Điện phân màng ngăn: Phương pháp này chỉ cho phép sản xuất dung dịch NaOH rất loãng, nồng độ khoảng 12 14% khối lượng và thông qua nhiều lần cô- đặc để nâng nồng độ lên 49-52%

- Điện phân với màng trao đổi ion: Phương pháp này cho phép sản xuất dung dịch NaOH có nồng độ 33-35% khối lượng và tiếp tục được cô đặc lên 50% để thuận tiện cho vận chuyển

1.2.5 Ứng dụng

- Trong ngành hóa mỹ phẩm:

Xút được dùng làm phụ gia và chất độn trong ngành hóa mỹ phẩm nhờ khả

năng kết tủa và khả năng hút các phân tử nước từ môi trường xung quanh Nó được dùng như dung môi trung hòa các hoạt chất khác nhau đồng thời làm chất cân bằng độ

pH và hút nước cho mỹ phẩm

Xút cũng được dùng để chế tạo hoạt chất tẩy rửa và tạo bọt trong sữa tắm, dầu gội, kem tẩy lông Xút NaOH được dùng sản xuất các sản phẩm chăm sóc cá nhân với các nồng độ khác nhau như nồng độ 5% dùng tẩy da chết ở móng tay, nồng độ 2% dùng để duỗi tóc thông thường, nồng độ 4.5% dùng duỗi tóc chuyên nghiệp

- Sản xuất tơ sợi nhân tạo:

Sản xuất sợi Rayon vosco từ xơ tre: Ngâm xơ tre trong dung dịch xút NaOH 15-20% sẽ tạo thành cellulose kiềm, sau đó cho sulfur hóa tạo thành cellulose natri xanthate rồi cho vào bình chứa dung dịch NaOH loãng để tạo dung dịch visco Dung dịch visco được đưa vào hệt thống bình chứa có khí nén để ép phun ra khỏi vòi phun có nhiều lỗ nhỏ thành dạng sợi Dung dịch visco được phun vào bình chứa axit sulfuric loãng để thủy phân tạo thành sợi cellulose tái sinh Cuối cùng sấy khô ta thu được sợi visco

- Xút sản xuất hóa chất tẩy giặt:

Xà phòng được sản xuất từ phản ứng xà phòng hóa bằng cách đun sôi chất béo với dung dịch xút NaOH, các chất béo được xút thủy phân thành muối natri và glyxerol Dung dịch muối natri thu được chính là xà phòng Sau khi tách glyxerol khỏi xà phòng, người ta tiến hành tách xà phòng triệt để bằng cách pha dung dịch xà phòng với xút pha loãng, khi đó dung dịch sẽ tách ra hai lớp, lớp trên là xà phòng mịn, lớp dưới là hỗn hợp nước, muối và tạp chất Sử dụng xút dạng vảy với nồng độ 99% hoặc xút lỏng 45%, 35%

- Tẩy rửa công nghiệp:

NaOH 98.5% thường sẽ được sử dụng nhiều ở việc tẩy rửa các thiết bị, vật liệu, đặc biệt là tẩy bề mặt của thép không gỉ và các món đồ dùng bằng thủy tinh vì hóa chất Natri hydroxit có tính tẩy mạnh

Ngoài ra dung dịch NaOH còn được sử dụng trong công nghệ dược phẩm, thực phẩm, xử lý đường ống nước và chất lượng nước, điều chỉnh pH của dung dịch khoan trong công nghiệp dầu mỏ, …

1.3 Giới thiệu nội dung chính của đồ án

Đồ án tiến hành tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục, dùng để cô đặc dung dịch NaOH, năng suất F= 3,5 kg/s, chiều cao ống truyền nhiệt H= 6m với các số liệu ban đầu:

Nồng độ đầu của dung dịch : 9% khối lượng Nồng độ cuối của dung dịch: 24% khối lượng

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

5 Áp suất hơi đốt nồi 1 : 5 at

Áp suất thiết bị ngưng tụ : 0,2 atĐồ án bao gồm các nội dung chính sau: 1 Phần mở đầu

2 Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3 Tính toán kỹ thuật thiết bị chính

4 Tính toán cơ khí

5 Tính toán và chọn thiết bị phụ 6 Kết luận

7 Tài liệu tham khảo

Đồ án Quá trình Thiết bị GVHD: TS Cao Thị Mai Duyên

SVTH: Nguyễn Quỳnh Anh -20180618 KTHH- -05K63

6

2.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ

Bản vẽ sơ đồ dây chuyền công nghệ A4 đính kèm

2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị

Dung dịch đầu được chứa trong thùng chứa (1) được bơm (3) đưa lên thùng cao vị (2) có ống chảy tràn để ổn định lưu lượng Lưu lượng kế (4) điều chỉnh lưu lượng cần thiết của dung dịch vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5), gia nhiệt tới nhiệt độ sôi của dung dịch Sau đó dung dịch được đưa vào buồng đốt nồi cô đặc 1 (6) Hỗn hợp lỏng hơi trong buồng đốt đi sang buồng bốc (7) Trong buồng bốc hơi đi lên, dung dịch đi xuống dưới, qua ống tuần hoàn quay trở lại buồng đốt (6) Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ x1 sẽ đi sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất Hơi thứ nồi 1 được sử dụng làm hơi đốt nồi 2 Sau nồi 2 dung dịch đạt nồng độ cuối x2 được bơm (3’) đẩy vào thùng chứa sản phẩm cuối (12) Hơi thứ nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet nhờ chênh lệch áp suất Hơi được ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống thùng chứa nước ngưng (11) Khí không ngưng có lẫn bọt qua cơ cấu tách bọt (10), bọt sẽ đi xuống thùng chứa, còn khí không ngưng đi ra ngoài nhờ bơm hút chân không (13)