Thiết kế hệ thống cô Đặc một nồi liên tục Để cô Đặc dung dịch nacl

Cấu tạo của thiết bị cô đặc 2.1.Tổng quan về các thiết bị cô đặc s* Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm aCau tao Thiết bị cô đặc có ông tuần hoàn trung tâm gom phan trén la phong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BO MON MAY VA THIET BI

en

ui ® I

INDUSTRIAL

| Mu 0F HOCHIMINH CITY

Dé tai:

THIET KE HE THONG CO DAC MOT NOI LIEN TUC DE CO BAC DUNG DICH NaCl

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Phúc Thuận

Tp.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2022

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHCN TP.HỎ CHÍ MINH Déc lap — Tu do - Hạnh phúc

NHIEM VU TINH TOAN HE THONG VA THIET KE

THIET BI CONG NGHE HOA HOC

KHOA: CONG NGHE HOA HOC

BO MON: MAY & THIET BI

HO VA TEN: NGUYEN PHUC THUAN MSSV: 19524561 LỚP: DHHDIS

1 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc 1 nồi liên tục để cô đặc NaCl

2 Nhiệm vụ đề tài (Số liệu ban đầu và nội dung thực hiện)

> Số liệu ban đầu:

- Năng suất theo nhập liệu: 1200kg/h

- Phần trăm khối lượng của chất tan có trong dung dịch ban đầu: 7% khối lượng

- Phần trăm khối lượng của chất tan có trong dung dịch sau cô đặc: 25% khối lượng

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa với áp suất là: P;a = 3at (tuyệt đối)

- Áp suất ngưng tụ: P„= 0,4at

- Các thông số khác tự chọn

> Nội dung thực hiện:

- Tổng quan về nguyên liệu

- Thiết kế quy trình

- Thuyết minh quy trình

- Tính toán cân bằng vật chất, tính toán cân bằng năng lượng, tính toán thiết kế thiết bị

nôi cô đặc, tính toán thiệt bị phụ

- Bản vẽ A1 sơ đồ QTCN, Bản vẽ A1 chỉ tiết thiết bị chính, Bản vẽ AI bó trí thiết bị

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

5, Họ và tên người hướng dẫn: Th.S Phạm Văn Hưng

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2022

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

Muc luc

CHUONG L TONG QUAN VE CO ĐẶC

1 Cơ sở lý thuyết về cô đặc

2 1 Téng quan V6 Cac thiét Di CO AAC cc cccccccccccccsccscscececsvecececsesesessvevevssetstseveveseesesees 5 2.2.Các thiết bị và chỉ tiết trong hệ thống CO AAC 022 TT ng Hs nhe 8

3 Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm

4 Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaCl

5 Lua chon dia diém dat nha may

CHƯƠNG II THUYÉT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ, 10

3.1.T6n thất nhiệt độ do nồng độ tăng (A'): 52-5 S1 S1E211215112121 1e te 12 3.2.T6n thất nhiệt do áp suất thũy tĩnh (A””): - 5 Sc 2 1111212111112 121tr 13

CHƯƠNG V THIẾT KÉẺ THIẾT BỊ CHÍNH 18

1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 18

1.1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơïi 2 2 221112111221 12221 111211115211 11 cay 18 1.2.Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng SÔI - 52 c2 22c c2 18

IENI( Sa - 20

1.4 Hệ số truyền nhiệt tông quát K cho quá trình cô đặc - -:- - 21

1.5 Diện tích bề mặt truyền nhiệt - 5s 2S E1 121111511111111111111 1111111 tre 21 2.Tính toán kích thước thiết bị cô đặc 21 2.1.Tính kích thước buồng bốc - 2-52 S91 E71 1211211121112121111 111tr 21 2.2.Tính kích thước buồng đốt 52-5 S9 EE15111112121111121121111121 1e tt 22

2.3.Tính kích thước của các ống dẫn - + s21 2 E1211211711121121112 1c xe 25

3 Tính bền cơ khí cho các chỉ tiết của thiết bị cô đặc 27

kiW Hi c0 10 so¿aadddaiaadảÝỶÝỶÝỶÝỶ 27

3.2 Tính cho buồng đỐt - 5-5221 221 15111112112112112121111 1 10 111 11 rau 30 3.3.Tính cho đáy thiết bị 5c T11 11111 11111121111 1111117211111 111tr, 32 3.4.Tính cho nắp thiết bị s1 2S 111215 1211211211 1111111112120 1121 re 34

3.5.Tính mặt bích cc cceccccccccccceeecevesecesettsettttttttvausseccssecsseecssevansnenecs 36

3.7 Khối lượng chân đỡ và tai tf€O c1 2112212221121 1211 1111111111112 1811k 42 3.7.1 Khối lượng buồng đốt 52-2111 E11 2112111121 121111121212 a 42 3.7.2 Khối lượng buồng bốc S1 St 1E 1121111111211 0211211 ru 42

3.7.3 Khối lượng đáy nón - 5 ST 1211211121211 11 11121 121g ru 42

3.7.4 Khối lượng phần nón cụt giữa buồng đốt và buồng bốc 43

3.7.5 Khối lượng phần nắp elip 2-2 s22S+221221£EE£E1221221271271121 2122.226 43

3.7.6 Khối lượng vỉ Ống s 5s n1 T11 11211 1111121212111 1g 43

3.7.8 Khối lượng mặt bích - 2 22 22211211 121122115 2111221111111 11211111811 kg 44 3.7.9 Khối lượng bulông - 2-5 S1 EE1121121211111212112.2121 21010 21g 45 3.7.10 Khối lượng đai BC ccccccececsssesessvevececscstsesevevevevssstiesesssevsvevecstisevevevaveveceees 45

3.7.11 Khéi long cia thiét Bi cccccccccecesseseessesessessessesscsesessesseseseseee 46

CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 49

Muc luc hinh anh:

LỜI NÓI ĐẦU

Môn thực hành tính toán hệ thông và thiết kế thiết bị công nghệ hóa học là cơ hội

tốt cho việc hệ thông kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hóa học Bên

cạnh đó, còn giúp sinh viên tiếp cận thực tế thông qua tính toán, thiết kế và lựa chọn các chỉ tiết của một số thiết bị với các số liệu cụ thể và thông dụng

Cô đặc một nồi dung dich NaCl la đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Văn Hưng, bộ môn Máy và Thiết bị - Khoa công nghệ Hóa học, trường Đại học Công Nghiệp TPHCM Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Hưng cũng như các thầy cô bộ môn Máy - Thiết bị, và những người bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện

Vì đây là một đề tài lớn đầu tiên, không thế tránh khói những thiếu xót và hạn chế

Rất mong được sự đóng góp ý kiến, chi dẫn từ các thầy cô và bạn bẻ để củng cô kiến thức chuyên môn

Tôi xin chân thành cảm ơn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN

Phan danh gia:

năm

CHƯƠNG I TỎNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

1 Cơ sở lý thuyết về cô đặc

1.1 Định nghĩa:

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách

tách bớt một phân dung môi sang dạng hơi

Quá trình cô đặc thường tiền hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của

dung môi trên mat dung dich bang áp suât làm việc của thiết bị

Quá trình cô đặc được dùng phô biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng

độ các dung dịch loãng hoặc dé tách các chất rắn hòa tan (trường hợp này có kèm theo qua trinh két tinh), ví dụ: cô đặc dung dịch đường, cô đặc xút, cô đặc các dung dịch muôi

Quá trình cô đặc có thê tiến hành ở các áp suất khác nhau Khi làm việc ở áp suất

thường (áp suất khí quyền) ta dùng thiết bị hở; còn khi làm việc ở các áp suất khác ta dùng thiết bị kín

; Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc I nồi hoặc hệ thống cô đặc nhiều noi

1.2.Cac phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyên 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 thoảng chât lỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra

dang tinh thé don chat tính khiết, thường là kết tính dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùy tính chất cầu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh

đó xảy ra ở nhiệt đọ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

Phân loại

Người ta thường, tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau:

Theo cấu tạo:

+ Nhóm l: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoan tự nhiên) dùng, cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thâp, đảm bảo sự tuân hoàn tự nhiên của dung dịch đê dàng qua bê mặt truyén nhiệt Gôm:

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

Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt)

+ Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dich tir 1,5 — 3,5 m/s tai bé mat truyén nhiét Co uu diém: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, g14m bam can, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

Có buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài

Có buông đốt ngoài ông tuân hoàn ngoài

+ Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng móng, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làm biến chat sản phâm Đặt biệt thích hợp chho các dung dịch thực phâm như dung dịch nước trái cây, nước ép hoa quả Gôm:

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

vo

Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung địch sôi it tao bot va bọt dễ vỡ

s* Theo phương pháp thực hiện quá trình:

+ Cô đặc ở 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 để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngăn nhất Tuy nhiên nông độ dung dịch đạt được là không cao

+ Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100°C, áp suất chân không Dung dịch tuân hoàn tôt, ít tạo cặn sự bay hơi nước liên tục

+ Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không quá lớn và sẽ làm giảm hiệu quả tiệt kiệm hơi Có thê cô chân không, cô áp lực hay phôi hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thê sử dụng hơi thứ cho mục đích khác đề nâng cao hiệu quả kinh tê

+ Cô đặc liên tục: cho kết quả sản phẩm tốt hơn và quá trình cô đặc ồn định hơn cô đặc pián đoạn và có thê áp dụng điêu khiến tự động nhưng chưa có cảm biên tin cậy s* Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thắng đứng, nghiêng

s* Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao ) ban dong điện

s* Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ông xoắn, ông chùm

1.3.Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Đề tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyên động vỉ nhiệt của các phân tử chất

lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khác

phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh, sự bay hơi xảy ra chủ yêu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyến động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt

và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc Tách không khí va lắng keo

(protit) sé ngan chặn sự tạo bọt khi cô đặc

1.4.Ứng dụng của cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây, Trong sản xuat hóa chát, ta cân cô đặc các dung dịch NaNO:, CaC;, các muội vô cơ, Hiện nay, thiết bị cô đặc được các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phâm được sử dụng nhiều, rất cần thiết và gắn liền sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà

máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yêu Đòi hỏi phải có những thiết

bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được đặt ra cho người kỹ

sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiệt bị cô đặc

2 Cấu tạo của thiết bị cô đặc

2.1.Tổng quan về các thiết bị cô đặc

s* Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm

a)Cau tao

Thiết bị cô đặc có ông tuần hoàn trung tâm gom phan trén la phong bốc 1 phần dưới của thiết bị là phòng đốt 2 có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoản trung tâm 4 có

đường kính lớn hơn từ 7-10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5

có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo

b)Nguyên lý làm việc

Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ông và vỏ, do đó dung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ông truyền nhiệt và làm khối

lượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyên động từ dưới lên miệng ống, còn trong

ông, tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ông truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và

lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng của hỗn hợp hơi long ¢ ở đây lớn hơn trong ống

truyền nhiệt do đó, chất lỏng sẽ di chuyên từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại Ống tuân hoàn tạo lên dòng hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua

bộ phận tách giọt sang thiệt bị ngưng tụ baromet Bộ phận tách giot có tac dung grit lat những giọt chât lỏng do hơi thứ cuỗn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dich

có nông độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phâm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị Còn với quá trình làm việc p1án đoạn thi dung dich được đưa vào thiết bị gián đoạn và sản phâm cũng được lây ra gián đoạn Tôc độ tuân hoản cảng lớn thì hệ số cap nhiệt phía dung dịch cảng tăng và quá trình đóng cặn trên bê mặt cũng giảm Tôc độ tuân hoàn loại này thường

không quá 1.5m⁄s

c)Ưu điểm

Cầu tạo đơn giản dé stra chữa và làm sạch

d)Nhược điểm

Năng suất thấp, tốc độ tuần hoản giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng

s* Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn cưỡng bức

a)Cấu tạo

Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức gồm phòng béc 1 va trong phong bốc có bộ phận tách giọt, phía dưới phòng đốt 2, trong phòng đốt có các ống truyền nhiệt 3, bên ngoài thiết bị có ống tuần hoàn ngoài 5 và bơm tuần hoản 4

b)Nguyên lý làm việc

Dung dich duoc bom vào phòng đốt liên tục và đi trong các ống trao đôi nhiệt từ đưới lên phòng bốc, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị Dung dịch được đun sôi trong ống truyền nhiệt với cường độ sôi cao và lên phòng bốc Tại bề mặt thoáng dung địch ở phòng bốc, dung môi tách ra bay lên và đi

6

qua bệ phận tách giọt rồi sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch trở nên đậm đặc hơn trở về ông tuân hoàn ngoài trộn lân với dung dịch đâu tiệp tục được bơm đưa vào

phòng đôt Khi dung dịch đạt nông độ yêu cầu thì ta luôn lây một phân dung dịch ra ở

đáy phòng bốc ra làm sản pham Tốc độ dung dịch trong ống truyền nhiệt khoảng từ 1.5-

3.5m/s do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3-4 lần và có thê làm việc

trong điều kiện nhiệt độ hữu ích nhỏ từ 3-5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉ phụ thuộc vào nang suat cua bom

c)Ưu điểm

Năng suất cao cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện

d)Nhược điểm

Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm

od Thiét bị cô đặc có phòng đốt ngoài

e Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài kiểu dung

a)Cau tao

Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài kiểu đứng gom phong đốt 1 va phong bốc 2, phòng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt ống chum, nhưng các ông truyền nhiệt có thể dải tới 7m, còn trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 4 và nối giữa hai phòng đốt và phòng đốt có ống dẫn 3 và ống tuần hoàn 5

b)Nguyên tắc làm việc

_Dung dịch được đưa vào phòng đốt 1 liên tục và đi trong các ống truyền nhiệt, còn hơi đột được đi vào trong phòng đột và đi ở khoảng giữa ông truyền nhiệt với vỏ thiệt bị đê

đun sôi dung dịch Dung dịch tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi qua ông 3 vào phòng bốc hơi

2, ở đây hơi thứ tách ra đi lên phía trên, còn dung dịch đi theo ông tuần hoàn 5 trộn lẫn với dung dịch mới đi vào phòng đốt Khi nông độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phân ra ở đáy phòng bốc làm sản phâm, đồng thời liên tục bô sung dung dịch mới vào thiết bị Do chiêu dài ông truyền nhiệt lớn nên cường độ tuân hoàn lớn và cường độ bôc

hơi lớn

c)Ưu điểm

Năng suất cao

d)Nhược điểm

Cổng kênh, tốn nhiều vật liệu chế tạo

e©_ Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài nằm ngang

a)Cấu tạo

; Thiết bị cô đặc có buông đốt ngoài nam ngang gồm phong dot | 1a thiét bi truyền nhiệt ông chữ U và phòng bôc 2, trong phòng bốc có b6é phan tach giot

b)Nguyên lý làm việc

Dung dịch được đưa vào thiết bị và đi vào ống truyền nhiệt chữ U từ trái sang phải ở

nhánh dưới lên nhánh trên rồi lại chảy về phòng bốc ở trạng thái sôi, dung môi tách ra khói dun dịch bay lên qua bộ phận tách giọt và ra ngoài, tháo phan dung dich tang dần tới nông độ yêu câu, sau đó tháo phân dung dịch ra làm sản phâm và tiếp tục cho dung dich mới vào thực hiện một mẻ mới

c)Ưu điểm

Phòng bốc có thế tách ra khỏi phòng đốt đễ dàng để làm sạch và sửa chữa

d)Nhược điểm

Cổng kênh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp

s* Thiết bị cô đặc loại màng

ớ khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị, dung dịch được đun sôi với cường độ

lớn và hơi thứ tách ra ngay trên bề mặt thoáng của dung dịch ở trong ong truyén nhiệt va hơi chiếm hầu hết tiết diện của Ống và chuyên động từ dưới lên với vận tốc rất lớn khoảng 20m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên và màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi làm nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ông là đạt nồng

độ cần thiết, hơi thứ đi lên đỉnh tháp qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch chảy: xuống ống tuần hoàn ngoài và một phần được lấy ra làm sản phẩm, một phân về trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục đi vào phòng đốt Hoặc có thé thao hoan toan dung dich dam dac lam san pham khi chênh lệch giữa nông độ đầu và cuỗi yêu cầu không lớn Thiết bị này có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp, nếu mức chất lỏng quá cao thì hệ số truyền nhiệt giam vi tốc độ chất long eiảm, ngược lại

nếu mức chất lỏng quá thấp thì phía trên sẽ khô, khi đó quá trình cấp nhiệt ở phía trong

ống nghĩa là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải lỏng do đó hiệu quả

truyền nhiệt giam di nhanh chóng

Ong nhập liệu, ông tháo liệu

° Ong tuần hoản, ông, truyền nhiệt

- - Buông đốt, buồng bốc, đáy, nắp

- - Các ông dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

- Thiết bị phụ:

Bê chứa nguyên liệu

- - Bê chứa sản phẩm

- Thiết bị gia nhiét

+ Thiét bi ngung tu baromet

* Bom thao ligu

* Bom chan khéng

* Cac van

- - Thiết bị đo nhiệt độ, lưu lượng

3 Tính chất của nguyên liệu và sản phẩm

- Nguyên liệu:

NaCl 1a khéi tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân ly thành ion

Là thành phần của muối ăn hằng ngày

Khối lượng riêng của dung dịch 5% là 1035 (kg/m°)

D6 nhot 1a 1,07* 10° (Ns/m’) ở 20°C ( dung dịch 10%)

Ở 100°C dung dịch bão hòa ở 28.15%, ở 20°C dung dịc bão hòa ở 26.4%

Nguyên liệu đem đi cô đặc là dung dich NaCl 7% voi dung môi là nước

Sản phẩm:

Ta thấy độ hòa tan ở nhiệt độ thường của NaC] là khoảng 26,3%, trong khi đó dung dịch cô đặc yêu cầu là 25%, cho nên sau khi làm nguội nguyên liệu van con 6 dang dung dịch Vì thế mục đích của quá trình cô đặc này chủ yêu đê chuẩn bị cho quá trình sản xuất khác NaOH, các hợp chất chứa Cl và sử dụng làm muôi dạng dịch truyền sử dụng trong y

tê Ngoài ra NaC còn được dùng làm chât tải lạnh

Những biến đổi xây ra trong quá trình cô đặc:

Trong quá trình cô đặc thì tính chất cuả nguyên liệu luôn luôn thay đôi, thơi gian cô

đặc càng lâu làm cho nồng độ dung dịch tăng lên dẫn đến tính chất cũng có sự biến đổi theo khi nồng độ tăng lên làm cho hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ

số truyền nhiệt giảm đi Đồng thời các đại lượng như khối lượng riêng, độ nhớt, độ sôi, tôn thât nhiệt lại tăng lên

4 Lựa chọn thiết bị cô đặc dung dịch NaCl

Mục đích cô đặc dung dịch NaC] từ 7% đến 25%, với đặc điểm nguyên liệu NaCTÏ là

muối trung tính, tính chất hóa học, vật lý ít bị biến đổi khi cô đặc ở nhiệt độ cao, độ nhớt

dung dịch không cao có thé tuần hoàn tự nhiên qua bề mặt truyền nhiệt Vì vậy lựa chọn thiết bị cô đặc có buồng đốt trong, ông tuần hoản trung tâm, tuần hoản tự nhiên, làm việc xuôi chiều

Ưu điểm của thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm là cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, chiếm ít điện tích, có thê cô đặc dung dịch có nhiều

váng cặn

Do dung địch có nồng độ và độ nhớt dung dịch tương đối thấp, nếu sử dụng hệ thống

cô đặc gián đoạn không cần thiết trong trường hợp nảy vì cô đặc gián đoạn dùng khi cần

tăng nồng độ cao đến mức keo, sệt, paste [uy nhiên, loại thiết bị và phương pháp này cho

tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ (vì ống tuần hoàn cũng được đun nóng) và hệ số truyền nhiệt thấp

5 Lựa chọn địa điểm đặt nhà máy

Do nguồn nguyên liệu là dung dịch muối loãng 5%, trong khi đó nồng độ muối của nước bien khoảng 3,5 — 4%, do vậy đê thuận tiện cho việc sử dụng nguôn nguyên liệu thì nhà máy nên đặt ở gân biên

Do ở gần biến nên nhiệt độ trung bình khoảng 30°C, độ âm khoảng 77%

9

CHƯƠNG II THUYET MINH QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ

Nguyên liệu ban đầu la dung dich NaCl co nong độ 7% chứa trong bề chứa (V-101) được bơm (P-101) từ bê nguyên liệu (nhờ hệ thông điêu khiên lưu lượng) vào thiệt bị gia nhiệt (E-101) và được đun nóng đên nhiệt độ sôi theo đỏøgp I

Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đôi nhiệt, được đặt nằm đứng, dạng ống chùm bên trong gồm nhiều ống nhỏ được sắp xếp song song với nhau Hơi nước bão hòa có áp suất 3at đóng vai trò là nguồn nhiệt đi phía vỏ dòng 2 Dung dịch từ dưới lên ở bên trong ong, hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài cua Ong va cap nhiệt cho dung dịch dé nang

nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi (nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ đỏng 2 điều

chinh sao cho dong 4 đạt đến giá trị nhiệt độ sôi của dung dịch, t„„¿= 93,4) Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc (E-102) theo dong 4 để thực hiện quá trinh bốc hot Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn bấy hơi chảy ra ngoài theo dong 3

Thiét bị cô đặc (E-102): phần trên buồng bốc, buông đốt ở phía dưới có các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm Phía dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ông truyền nhiệt và một ông tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống, còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) là nguôn nhiệt đi phía vỏ cung câp cho dung dich trong buông đốt theo dong 5 (với ap suất 3 at , nhiệt độ 132,9 °C vả lưu lượng 1000,64 kạ/h) Hơi đốt ngưng tụ bên ngoải ông và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyên động trong ống (nhờ hệ thống điều khiển nhiệt độ) Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuông và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cap để sôi, làm hóa hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài theo đỏng 6

Ống tuần hoàn trung tâm: khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lóng-hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đây từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thê tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng tạo ra trong ống truyền nhiệt lon hon Vi vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp, lỏng- hơi ở ống tuần hoàn lớn hơn so với ở ống truyền nhiệt và hỗn hợp này được đây xuống dưới Kết quả là có dòng chuyên động tuân hoản tự nhiên trong thiết bị: từ đưới lên trong ống truyền nhiệt và từ trên xuống trone ống tuần hoản

Phần phía trên thiết bị (E-102) là buồng bốc đề tách hỗn hợp lỏng- hơi thành 2 dòng

riêng biệt Hơi thứ và khí không ngưng đi lên trên buồng bốc tách ra khỏi dung dịch đề đi

qua thiết bị ngưng tụ baromet (E-103) theo đỏøg 8 (với áp 0,64 at , nhiệt độ 87 °C và lưu luong 864 kg/h)

Dung dịch sau khi cô đặc có nồng độ 25% ở nhiệt độ 95”C, lưu lượng 336 kg/h nhờ hệ thống bộ điều khiển mực chất lỏng trong thiết bị cô đặc qua bơm (P-102) theo ống tháo sản phâm vào bề chứa sản phẩm (V-102) theo đỏng 7 Hơi thứ và khí ngưng thoát ra từ

phía trên của buồng bốc theo đỏøg 8 đi vào thiết bị ngưng tụ baromet Chất làm lạnh là

nước được bơm vảo ngăn trên cùng, còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thanh long và củng chảy xuông bể chứa (V-103) qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên theo đỏøg 9, được dẫn qua bộ phận tách giọt (F-101) rồi được bơm chân không (P-103) hút ra ngoài theo

dòng 10 Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết

11

bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet (E-103) là thiết bị ôn định chân không, duy trì áp suât chân không trong hệ thông

Bình tách giọt (F-101) có một vách ngăn với nhiệm vụ tách những giọt lỏng bị lôi cuồn theo dòng khí không ngưng đề đưa ve bon chứa nước ngưng (V-103)

Bơm chân không (P-103) có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài dé tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thê chảy ngược vào nồi cô đặc

CHUONG III CAN BANG VAT CHAT

1.Dữ liệu ban đầu:

- Năng suất nhập liệu: 1200 kg/h —› Ga= 1200kg/h

- % khối lượng có trong dd ban đầu: 7% khối lượng —> =7% khối lượng

- % khối lượng có trong dd sau cô đặc: 25% khối lượng —>

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa với áp suất là: Pua - 3at (tuyệt đối)

- Áp suất ngưng tự: P„= 0,4at

— P„ = l - Pa.= 1-0,4 =0,6at (tuyệt đối)

2.Cân băng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất: (đối với chất tan)

Ga = G + W Năng suất sản phẩm:

Phương trình bảo toàn khối lượng chất tan:

Áp suất tại thiết bị ngưng tụ P„ = 0,6 at

=> Nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ t„ = 85,5°C (tra [1], bảng L251 trang

314)

3.Tổn thất nhiệt độ:

A”” là Tôn thất nhiệt độ của hơi thứ trên ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ

A” =1+ 1,5 Chon A” = 1.5°C

Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc:

tsam — tw = A”

=> team = tw 1 A”= 85,5 + 1,5 — 87°C

=> P, = 0,64at (tra [1] trang 312 ở nhiệt độ 87°C)

3.1.Tén that nhiét dé do néng dé tang (A’):

A’= f (trang 59, [2])

Với A”,: Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dd lớn hơn nhiệt độ sôi của dm ở áp suất

khí quyên

Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên: a= x = 25% khối lượng

A’ =7°C (tra [2] trang 66)

£: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyền

ry: ân nhiệt hóa hơi của đung môi nguyên chất ở áp suất làm việc

— r= 2303,41.10° J/kg ( trang 314, [1])

f= 16,2 = 16,2 =0,914

> A’=7.0,914 =6,4°C

> tsaa(Po) = tsam 7 N=87+ 6,4 = 93,4°C

3.2.Tổn thất nhiệt do áp suất thũy tĩnh (A”):

Py, =P, + AP ống = P, + (hị + h:).pa-.ø (công thức VI.12, trang 60 [2])

Với hị là chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung

A” = teaa(Po + AP) — tyua(Po)

> twa(Po + AP) = A” + taa(Po) = 0,8 + 93,4 = 94,2°C

Sai s6 0,991% Vay twa(P) = 95,5°C

Nhiét d6 san pham dugc lay ra tai day => te = tua(P +2 A” = 93,4 + 2.0,8 = 95°C

Năng suất nhập liệu Ga kg/h 1200

Nhiệt độ sôi của dung môi ở Ptb tsdm(Pø) °C 87,8

Tổn thất nhiệt độ do cột thủy tĩnh A” °C 0,8

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở Ptb tsaa(Pø) °C 95,5 Tén thất nhiệt độ trên đường ống nN” °C 1,5

HO D.Ca.0 ee a

| G;.Cc.t Oh 1.Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dich NaCl 7% đi vào thiết bị cô đặc : ta= 93,4°C

Nhiệt độ sản phẩm NaCl 25% di ra ở đáy thiết bị cô đặc:

te = tsaa(P.) + 2A” = 93,4 + 2.0,8= 95°C

- Nhiét dung riéng cua dung dich NaCl 6 cac nồng độ khác nhau được tính theo công thức (1.43) va (1.44), trang 152, [1]

C; là khôi lượng riêng của nude: C, = 4186 J/ke.K

x: nồng độ chất hòa tan, phần khối lượng

* Déi voi dd loang (x<0,2):

Xa = 7% (x < 0,2)

> Ca=4186.(1 — x) = 4186.(1 — 0,07) = 3892,98 (J/kg.K) (céng thire 1.43, trang

152, [1])

16

- - Đối với dd đậm đặc (x>0.2):

x= 25% (x> 0,2)

=> C¿=C¡.x + 4186(1 — x) (công thức I,44, trang 152, [1 |)

Với Cụ là nhiệt dụng riêng cua NaCl khan ( không chứa nước )

Cụ = = = 888,9(1/kp.K) (công thức I.41 va bang 1.141, trang 152, [1])

Nhiệt lượng đo hơi nước bão hòa cung cấp:

Qp=D.I(1- 6ø) - D.C;.9 (1- 0)=D.(I— ø).(T— €n.8)= D.(I — @)rp

Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt dộ hơi đốt vào:

I—-C,.0 =1rp = 2171 kJ/kg Ga.Cata + Dil — (0).fp — W1 + G Cc.t + Q;

Với Q¿; =e.Qbp = £.D.(1 — @).ro, Chọn e = 0,05

œ => Gaz.C¿tu D.(I — @).rp = W.1¿ + (Ga — W).Cc.t Ð e.D(1 — @).m

> Ga(Ce.te — Ca.ta) + W.liw — Costs) =D — e)(1— @)p

Nhiệt dung riêng của dung dich NaCl 25% J/

Nhiệt lượng tôn thất Q W 27230,3

Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp Op W o0”

CHƯƠNG V THIẾT KÉ THIẾT BỊ CHÍNH

1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

1.1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi

Giảm tốc độ hơi đốt nhằm bảo vệ các ống truyền nhiệt tại khu vực hơi đốt vào bằng

cách chia làm nhiều miệng vào Chọn tốc độ hơi đốt nhỏ, nước ngưng chảy mảng (do ông

truyền nhiệt ngắn có họ= 1,5m), ngưng hơi nước bão hòa tinh khiết trên bề mặt đứng

ơi =2,04.A (công thức V.101 trang 28, [2])

Với: - ơi là hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/(m?.K)

- r: ân nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 3at (2171 kJ/Kg)

H là chiều cao ống truyền nhiệt H =h; = 1,5m

Hệ số A phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng t„:

Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ của dung dịch:

on = 0,145.P°° At’ (cong thire V.91, trang 26 [2])

Hệ số dân nhiệt của dụng dịch ở taa(Pø):

Aga = A.Cáa.paa (W/mK) (công thức 1.32 trang 123, [1])

Với A là hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lóng Đối với dung dịch

NaCIl là chất lỏng liên kêt: A = 3,58.10

19

Caa = Cc = 3361,7 (J/kg.K) — nhiệt dung riêng của dung dịch ở tz4a(P»)

paa = 1144,14 (kg/m°) — khối lượng riêng của dung dịch ở ta(Pø) (tra [1], bang 1.57 trang 45 ở nhiệt độ 95,5°C)

C2 À¿a = 3,58.10.3361,7.1144,14 = 0,51585 (W/m.K)

Hệ số cấp nhiệt của dung dịch:

đa = On.(c6ng thire VI.27 trang 71, [2])

Với Àa„ = 0,679 (W/m.K) - hệ số dẫn nhiệt của nước ở t.s(P») ( tra [1], bang 1129 tr133)

> Cam = 4213,34 (J/kg.K)— nhiét dung riéng cua nude 6 tam(P») (tra [1], bang

Độ nhớt của dung dich NaCl dugc tính theo công thirc Paplov (1.17, STQTTB T1, 85)

Trong đó: tụ, t2: nhiệt độ ma tai đó chất lỏng có độ nhớt tương ứng là ju va

Vậy: Meytic tại nhiệt độ 135 790C sẽ bằng độ nhớt của dung dịch NaC] tại nhiệt độ

95,59¢C:

r2 uua= 0,3095,102 N.s/mể - độ nhớt của dung dich 6 tsaa(Pe) (6 95,5°C, x = 25%)

> Wan = 0,32464.107 N.s/m?— d6 nhot cua nước ở t„(P¿) (tra [1], bảng IL.102 trang

Sai số chấp nhận được Vậy các thông số đã chọn phủ hợp

Nhiệt tải riêng trung bình:

F> qu= = =29276,705(W/m?)

1.3.Tổng trở vách:

r,=n+ +p,m?K/W Trong đó: r¡ là nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của Ống có mảng mỏng nước ngưng (tra [6], bang 31, trang 29)

> ri = =0,3448.10” (mˆ.K/W)

1 la nhiét trở phía dung dịch do vách trong của ông có lớp cặn dày 0,5mm

=> rạ =0,387.10” (m”.K/W) (tra [2], bảng V.1, trang 4)

5 la bề dày ông truyền nhiệt, ö =2 mm = 0,002 m

2 là hệ số dẫn nhiệt của ống (tra [2], bảng XII.7, trang 313, với ống được làm bằng

Thông số Ký hiệu | Don vi Giá trị

Nhiệt độ tường phía hơi ngưng tu °C 130,1 Nhiệt độ tường phía dung dịch sôi ty °C 100,5

Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi 02 W/m”.K 5846,25

Bè dày ống truyền nhiệt 5 m 0,002

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống % W/m.K 16,3

Nhiệt trở phía hơi nước 1 m’.K/W 0,3448.10? Nhiệt trở phía dung dịch Ta m’.K/W 0,387.107

Hệ số truyền nhiệt tông quát K W/mK | 892028

Cường độ bốc hơi thể tích cho phép:

ÚU¿ = ƒ.U¿(1at); (m/m.h) (công thức VI.33, trang 72, [2])

Trong đó ƒ là hệ số hiệu chỉnh do khác biệt áp suất khí quyên

U¿(1at) là cường độ bốc hơi thê tích cho phép ở P = l at, (1600 + 1700)

Chọn U(1at) = 1650 (mỶ/mỶ.h), ƒ = 1,1 (tra hình VI.3, trang 72 [2])

Du: Đường kính của buồng bốc, (m)

Vi„: Thể tích không gian hơi, (m°)

Du, = 0,9(m) = 900mm (theo tiêu chuân trang 194, [5])

Vậy đường kính buồng bốc là Du, = 0,9 m (m)

2.1.2.Chiều cao buồng bốc (H,)

22

Chiều cao không gian hơi:

Hen = = =2 (m) (c6ng thire V1L.34 trang 72, [2])

Qua trinh s6i sui b6t, nén ta c6: Hieh = His = 2 (mm)

Đề đảm bảo an toàn cho quá trinh sôi sủi bọt, ta chọn H; = 2,0 m (điều kiện trang 73,

F = 15,78 m - điện tích bề mặt truyền nhiệt

I= 1,5 m- chiều dài ống truyền nhiệt

d - đường kính của ống truyền nhiệt

ta co dtb = =0,0225m

> n= =149

Chọn số ống n = 187 ống và bố trí ống theo hình lục giác đều,(bảng V.II trang 48, [2]) Dựa vào bảng V.11 số tay tập 2 trang 48 [3] Ta sắp xếp như sau: Chọn cách sắp xếp theo hình 6 cạnh

Tổng số ống của thiết bị là 187 (ông)

Tổng số ống trong tất cả các viên phân là 18 (ống)

Số ống trong các hình viên phân ở dãy thứ nhất là 3, ở dãy thứ hai không có, dãy thứ

ba không có

Tông số ống không kế các ống trong các hình viên phân là 169 (ống)

Số ống trên đường xuyên tâm của hình sáu cạnh là 15 (ống)

Số hình 6 cạnh là 7 (hình)

2.2.2 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm (Da)

23

Bè mặt truyền nhiệt thực là:

F,=n x Hx a da= 187 x 1,5 x x x 0,025 = 22,03 (m”)

Tổng diện tích cắt ngang của ống gia nhiệt:

Theo số tay tập 2 trang 75 [2] Ta có: Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 15 — 20 % thiết diện của tât cả các ông truyền nhiệt

Diện tích thiết diện của ông tuần hoàn là:

Đường kính của ông tuần hoản là:

2.2.3 Đường kính trong của buồng đốt (Dọ:

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bồ trí theo hình lục giác đều, đường kính trong của buông đốt được tính theo công thức (VI.40-trang 74,

Chon D, = 0,8 m = 800mm (theo tiêu chuẩn trang 193, [5])

2.2.4 Chiéu cao buồng dot :

Chiều cao buồng đốt bằng chiều dài của ống truyền nhiệt

H=I=l5m

2.2.5 Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Phân bố 187 ống truyền nhiệt được bồ trí theo hình lục piác đều như sau:

Tổng số ống không kế các ống trên hình viên phân 169

Số ống trong các hình viên phân

D¿w < t(b — 1) + (3 + 4).d› (công thức I-36 trang 38, [6])

Như vậy vùng truyền nhiệt cần được thay thế 3 ống trên đường xuyên tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế:

= n=.(b—1)+1=.(3?- I)+1=7 ống (công thức I-35 trang 38, [6])

Số ống truyền nhiệt còn lại:

* G-—luu lugng khối lượng của lưu chất; kp/s

* v- tốc độ của lưu chât; m/s ;

* p—khoi long riéng cua luu chat; kg/m*

Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất P = 3 at Chọn v = 30 (m⁄s) theo tiêu chuẩn trang 74,

[2])

Khối lượng riéng p = 1,618 (kg/m*) (tra bang 1.251 trang 315, [1])

= = =0,085 m

Chon d; = 0,100 m, d = 0,108 mí( tra bảng XIH.26, trang 413 [2] )

2.3.4 Ông dẫn nước ngưng

Lưu lượng hơi thứ W = 8641 (kg/h)

Dẫn hơi nước bão hòa ở áp suất P = 0,64 at Chọn v = 30 (m/s) theo tiêu chuẩn trang

7A, [2])

Khối lượng riéng p = 0,38128 (kg/m*) (tra bang 1.251 trang 314, [1])

> d= = =0,16m

Chon d= 0,2 m, da = 0,219 m( tra bang XIII.26 , trang 415 [2] )

2.3.6.Ông dẫn khí không ngưng :

Chon d; = 0,020 m, d: = 0,025 m( tra bang XIII.26 , trang 410 [2] )

Thông số hệ Donvi | Giá trị

Buồng đốt

és Dune kính trong ống tuần hoản trung Dạ m 0,134