Đồ Án thiết kế kỹ thuật hóa học thiết kế thiết bị cô Đặc dung dịch naoh ba nồi có buồng Đốt treo

Khái niệm cô đặc Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trongdung dịch hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi thông qua dạng hơi.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tp Hồ Chí Minh – 2024

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

I 1 Giới thiệu chung

I.1.1 Tính chất của lưu chất

I.1.1.1 Tính chất của NaOH

Sodium hydroxide (NaOH) có khối lượng phân tử là 39.997 g/mol Ở nhiệt độ phòng, đây làchất rắn màu trắng, không mùi, có khả năng hấp thụ độ ẩm từ không khí NaOH là một chấttỏa nhiệt khi được hòa tan trong nước hoặc trung hòa bằng acid Tổn thất nhiệt do nồng độcủa NaOH khá cao nên dung dịch NaOH đặc thường có chênh lệch nhiệt độ nhiều so vớidung môi

I.1.1.2 Tính chất của nước

Nước (H2O) có khối lượng riêng là 0.997 g/ml ở 25oC, là một hợp chất vô cơ phân cực ởnhiệt độ phòng, một chất lỏng gần như không màu, không mùi và không vị

I.1.1.3 Tính chất của dung dịch NaOH

Dung dịch sodium hydroxide (NaOH) thường được gọi là xút hay xút ăn da Đây là hợp chất

vô cơ của sodium khi được trung hòa trong nước Dung dịch NaOH có tính nhờn, làm bụcvải, giấy và ăn mòn da và khả năng ăn mòn rất mạnh mẽ Khi ở trong dung dịch, phân tửNaOH thường phân ly ra thành 2 ion bao gồm cation Na+ và anion OH Đây là dung dịch cótính kiềm mạnh, pH của dung dịch thường rất thấp Ở nồng độ 20% và nhiệt độ 20oC, dungdịch NaOH có độ nhớt động lực là 7.42 cP và khối lượng riêng là 1219 kg/m3

I.1.1.4 Quy trình sản xuất NaOH

Hình 1: Quy trình sản xuất NaOH trong công nghiệp

I.1.2 Tổng quan về cô đặc

I.1.2.1 Khái niệm cô đặc

Cô đặc là phương pháp thường được dùng để làm tăng nồng độ một cấu tử nào đó trongdung dịch hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi thông qua dạng hơi.Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn (tách chất rắn hòa tan, có kèm theo quá trình kếttinh) hay dung dịch lỏng – lỏng mà có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiếnhành bằng cách tách một phần dung môi

Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) ta có thểtách một phần dung môi bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làmlạnh kết tinh

I.1.2.2 Các phương pháp cô đặc

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suấtthường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị

cô đặc Trong đó:

- Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt

- Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt

độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trìnhđun nóng khác

- Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài khôngkhí Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không mang tính kinh tế

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 một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng một thiết bị ngoài hệthống cô đặc thì ta gọi đó là hơi phụ

Trong phương pháp nhiệt, dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng), dung môi chuyển từ trạngthái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụnglên bề mặt thoáng dung dịch (tức khi dung dịch sôi) Để cô đặc được các dung dịch khôngchịu được áp suất cao (như dung dịch đường) đòi hỏi phải cô đặc ở nhiệt độ đủ thấp ứng với

áp suất cân bằng ở mặt thoáng thấp, hay thường là ở chân không Đó là phương pháp cô đặcchân không

Trong phương pháp lạnh, khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ đượctách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết - thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độchất tan (trước khi xảy ra sự kết tinh ơtecti) Tùy theo tính chất của các cấu tử nhất là kếttinh dung môi, và điều kiện áp suất bên ngoài tác động lên dung dịch mà quá trình kết tinh

đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh (như kết tinhnước để cô đặc nước quả ép giàu sinh tố )

I.2 Giới thiệu thiết bị cô đặc

I.2.1 Phân loại thiết bị cô đặc

Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng tổng quát lại cách phân loại theo đặc điểm cấu tạo

là dễ dàng và tiêu biểu nhất

Các thiết bị cô đặc được chia làm 06 loại thuộc 03 nhóm chủ yếu sau đây:

Bảng 1: Phân loại các thiết bị cô đặc

có thể có ốngtuần hoàn tronghay ống tuầnhoàn ngoài

Ưu:

+ Dòng đối lưu mạnh làm tăngtốc độ truyền nhiệt

+ Tổn thất nhiệt không lớn,gọn gàng, tốn ít kim loại

Nhược:

+ Dung dịch phải được giữ ởtrên cao.

+ Thiết bị phức tạp, chi phí lắpđặt cao

+ Áp suất trong nồi phải đượcgiữ ổn định

+ Duy trì và rửa khó khăn.+ Không phù hợp với các dungdịch dễ kết tinh

Loại II

Có buồng đốtngoài (khôngđồng trục vớibuồng bốc)

Ưu:

+ Diện tích truyền nhiệt lớn.+ Thời gian lưu ngắn, thíchhợp với các dung dịch nhạyvới nhiệt

+ Có thể điều chỉnh được tốc

độ của quá trình tuần hoàn, tốc

độ truyền nhiệt lớn nên hạnchế được tình trạng kết tinh.+ Dễ dàng sửa chữa buồng đốt.Nhược:

+ Tương đối phức tạp, chi phíchế tạo và lắp đặt cao

+ Yêu cầu không gian lớn.+ Tốn kim loại và tổn thấtnhiệt lớn

+ Tốn năng lượng để bơm.+ Thường ứng dụng khi cường

Loại IV Có buồng đốt

ngoài, ống tuầnhoàn ngoài

có thể có buồngđốt trong hayngoài.

Ưu:

+ Có hệ số truyền nhiệt lớnkkhi có mức chất lỏng thíchhợp (xác định bằng thựcnghiệm)

+ Áp suất thủy tĩnh nhỏ, do đótổn thất thủy tĩnh ít

Nhược:

+ Khó làm sạch vỉ ống dài.+ Khó điều chỉnh khi áp suấthơi đốt và mức chất lỏng thayđổi

+ Không thích hợp đối vớidung dịch nhớt và dung dịchkết tinh

Loại VI

Màng dung dịchchảy xuôi; có thể

có buồng đốttrong hay ngoài

1.2.2 Phạm vi ứng dụng của thiết bị cô đặc

Nhóm 1: Chủ yếu dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuầnhoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Tỉ số chiều dài ống H/d dưới

50 Đặc biệt loại ống ngắn H/d < 30

Nhóm 2: Dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch đạt vận tốc chuyển động từ 1.5÷3.5m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính của nhóm này là tăng cường hệ sốtruyền nhiệt k; dùng được cho các dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao, giảm được sựbám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt Có loại dùng cánh khuấy đặt ởtrung tâm buồng đốt để tuần hoàn dung dịch

Nhóm 3: Chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng (màng mỏng hay màng lỏng – hơi) qua

bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh sự tác động nhiệt độ lâu làm biến chấtmột số thành phần của dung dịch (chẳng hạn các dung dịch sinh tố, nước quả ép, dịchmen )

Nếu dung dịch khi sôi tạo nhiều bọt khó vỡ thì dùng thiết bị cô đặc loại V có màng chảyngược, còn đối với các dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ thì dùng loại thiết bị màng chảyxuôi.

1.2.3 Thiết bị cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó, có ý nghĩa về mặt sử dụngnhiệt

Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau:

- Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào đun nồi thứ hai.Hơi thứ của nồi thứ hai được đưa vào nồi thứ ba, v.v., hơi thứ của nồi cuối cùng được đưavào thiết bị ngưng tụ Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi dungmôi được bốc hơi một phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên

- 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 một cách khác là phải có chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứtrong nồi Nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước làmhơi đốt của nồi sau Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối cùng làmviệc ở áp suất chân không

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG III.1 Số liệu ban đầu

Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi, hoạt động liên tục, ngược chiều, để cô đặc dung dịch NaOHvới các thông số sau:

Năng suất nhập liệu: G đ=1500 kg/h

Nồng độ đầu: x đ=15 %=0.15

Nồng độ cuối: x đ=40 %=0.4

Áp suất ngưng tụ: P0=P| ¿ |=0.2 at¿

III.2 Cân bằng vật chất

III.2.1 Tổng lượng hơi thứ của quá trình cô đặc

Tổng lượng hơi thứ W bốc lên trong quá trình trên được tính theo công thức 5.17/trang 327[3]:

III.2.2 Lượng hơi thứ bốc lên ở từng nồi

Gọi W1 và W2 lần lượt là lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 và nồi 2 Theo trang 105 [11] chọn m

III.2.3 Nồng độ cuối của dung dịch trong các nồi

Áp dụng các công thức VI.2a và VI.2b/trang 57 [2] để tính nồng độ dung dịch trong từngnồi Với x1, x2, x3 lần lượt là nồng độ cuối của nồi 1, nồi 2 và nồi 3 Khi đó:

III.3 Cân bằng năng lượng

III.3.1 Áp suất và nhiệt độ các nồi cô đặc và thiết bị ngưng tụ

Ký hiệu:

T i¿, P i¿

là nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở nồi thứ i

T i , P i là nhiệt độ và áp suất hơi đốt ở nồi thứ i

Áp suất tuyệt đối trong thiết bị ngưng tụ: P nt =0.2at

Với áp suất trên, nhiệt độ hơi nước bão hòa đi vào thiết bị ngưng tụ theo bảng I.251/trang

314 [1] là T nt=59.7o C Xem như tổn thất nhiệt do đường ống từ nồi 3 đến thiết bị ngưng tụ

là 1o C, khi đó nhiệt độ hơi thứ trong nồi 3 là T3 ¿=60.7o

C Với nhiệt độ này, áp suất hơi thứtrong nồi thứ 3 là P2¿=0.21at

Chọn áp suất tuyệt đối của hơi đốt đi vào nồi 1 là 5 at

Hiệu số áp suất của hệ thống là:

∆ P =∆ P1+∆ P2+ Δ P3=P1−Pnt =5−0.2=4.8 at

Trong đó ∆ P1, ∆ P2, Δ P3 lần lượt là hiệu số áp suất giữa nồi 1 với nồi 2, giữa nồi 2 với nồi 3,

và giữa nồi 3 với thiết bị ngưng tụ

Hiệu số áp suất trung bình:

Trong đó: T: nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (K)

r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg) (I.251/trang 314 [1])

∆0': tổn thất nhiệt theo nồng độ ở áp suất thường (bảng 5.2/trang 306 [3])

III.3.2.2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ∆ ' '

Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là 1.5 m

Áp suất ở lớp chất lỏng trung bình tính theo công thức VI.12/ trang 60 [2]:

P tb=P0+(h1+h2

2)× ρ dds × g (at )

Với: p0 là áp suất ở mặt thoáng của dung dịch (at)

ρ dds là khối lượng riêng của dung dịch sôi ρ dds ≈ 0.5 ρ dd (kg/m3)

ρ dd là khối lượng riêng dung dịch (không kể lẫn bọt hơi) (bảng I.22/trang 34 [1])

h1 là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dungdịch, lấy h1=0.2m

h2 là chiều cao ống truyền nhiệt (m)

g là gia tốc trọng trường – 9.81 (m/s2)

Từ giá trị P tb, tra bảng I.251/trang 314 [1] để thu được giá trị t sdm ( Ptb), tính lại giá trị ∆ ' tại

P tb, từ đó tính được t sdd ( Ptb) =t sdm ( Ptb) +∆ Ptb

'

∆ ' ' =t sdd ( Ptb) −t sdd ( Po)

Bảng 2 Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh ở các nồi

Các thông số Nồi 1 (40%) Nồi 2 (24%) Nồi 3 (18%)

III.3.2.3 Tổn thất nhiệt do trở lực đường ống ∆ ' ' '

Chọn tổn thất nhiệt do đường ống gây ra đối với mỗi nồi là 1oC

III.3.2.4 Tổn thất nhiệt của toàn bộ hệ thống

Tổng tổn thất nhiệt của toàn bộ hệ thống:

III.3.3 Nhiệt độ hữu ích

III.3.3.1 Hiệu số nhiệt độ hữu ích

Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn hệ thống được tính theo công thức VI.17/ trang 67 [2] nhưsau:

Trong đó: ∆ t ch là hiệu số nhiệt độ chung, nghĩa là hiệu số giữa nhiệt độ hơi đốt nồi 1 và nhiệt

độ hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ

III.3.3.2 Nhiệt độ sôi thực tế của từng nồi

Nhiệt độ sôi của dung dịch trước khi vào nồi 3 là:

Nhiệt độ sôi hữu ích của từng nồi:

∆ t h ' (i)

=T i−tsdd ( P+P 0)

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích giữa các nồi được tính bằng cách:

Chênh lệch Δ t h '(i)

(%)=t h(i)max −t h(i)

t h(i)max ×100 Bảng 3 Nhiệt độ sôi của từng nồi

khoảng 5% nên kết quả này có thể chấp nhận được

III.3.4 Cân bằng năng lượng

III.3.4.1 Nhiệt dung riêng của dung dịch

Nhiệt dung riêng của NaOH có thể tính theo công thức I.41/trang 152 [1] như sau:

M NaOH ×C NaOH =n Na ×C Na +n O ×C O +n H ×C H

Với: M: khối lượng phân tử của hợp chất hóa học

Ci: nhiệt dung riêng ứng với hợp chất hoặc nguyên tố hóa học tương ứng

ni: số lượng nguyên tử i có trong hợp chất hóa học

Theo bảng I.141/trang 152, ta tra được các nhiệt dung riêng sau:

Bảng 4 Nhiệt dung riêng của các dòng dung dịch

Nhập liệu Sản phẩm nồi 3 Sản phẩm nồi 2 Sản phẩm nồi 1

Nhiệt dung riêng C

(J/kg.oC) 3035.90 3492.89 3427.94 3558.10

III.3.4.2 Phương trình cân bằng năng lượng

Xem như thất thoát nhiệt là 5% tức ε=0.05 và nhiệt cô đặc của quá trình Q cd được tính từnhiệt hòa tan NaOH Hình 1.67 trang 263 [1]

Phương trình cân bằng nhiệt của từng nồi:

+ W i là lượng hơi thứ thoát ra từ nồi thứ i (kg/h)

+ D là lượng hơi đốt dùng cho hệ thống (kg/h)

+ i D ,i1,i2,i3 lần lượt là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, hơi thứ nồi 1 (hơi đốt nồi 2), hơi thứ nồi

2 (hơi đốt nồi 3) và hơi thứ nồi 3 (J/kg) (bảng I.250/trang 312 [1])

+ t đ ,t1,t2,t3 lần lượt là nhiệt độ sôi của dung dịch ban đầu và ra khỏi các nồi (°C)

+ C đ ,C1,C2,C3 lần lượt là nhiệt dung riêng ban đầu và nhiệt dung riêng của sản phẩm nồi 1,nồi 2 và nồi 3 (J/kg.oC)

+ C ng 1 ,C ng 2 ,C ng 3 lần lượt là nhiệt dung riêng của nước ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (J/kg.oC)(bảng I.148/trang 166 [1]).

+ θ1,θ2,θ3 lần lượt là nhiệt độ nước ngưng tại buồng đốt của các nồi (°C) Xem như không

có quá trình quá lạnh sau ngưng, do đó θ1=151,1℃ và θ2=108 ,05℃ và θ3=82,56 ℃

+ Q tt 1 ,Q tt 2 ,Q tt 3 lần lượt là nhiệt tổn thất ở nồi 1 và nồi 2 (J) Ta có Q tt 1=D(i D – C ng 1 θ1) ,

Q tt 2=W1(i1−Cng 2 θ2) và Q tt 3=W2(i2−Cng 3 θ3)

Tổng lượng hơi thứ trong cả 3 nồi: W1+W2+W3=W =937.5 kg/h

Bảng 5 Các thông số tính toán cân bằng năng lượng

Nhập liệu Sản phẩm nồi 1 Sản phẩm nồi 2 Sản phẩm nồi 3Nhiệt cô đặc

Hơi thứ theo giả

thuyết ban đầu (kg/h

)

Trong đó, chênh lệch giữa lượng hơi thứ lý thuyết và hơi thứ tính theo cân bằng năng lượngđược tính bằng cách:

Chênh lệch(%)=|W CBNL−W giả thiết|

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT IV.1 Nhiệt lượng có ích truyền qua bề mặt truyền nhiệt

Nồi 1: Q1=D ×rđ × (1−ε)=274519.700W

Nồi 2: Q2=W1× r1× (1−ε)=222418.812W

Nồi 3: Q3=W2× r2× (1−ε)=182216.372W

IV.2 Hệ số truyền nhiệt K

IV.2.1 Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng q1

Theo công thức V.101/trang 28 [2] thì hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng được tính:

α1(i)=2.04 × A ×√4 r (i)

∆ t (i) × H (W /m2

× ℃ )

Với: r là ẩn nhiệt ngưng tụ (J/kg) (bảng I.250/trang 312 [1]) theo nhiệt độ hơi đốt

H là chiều cao ống truyền nhiệt với H = 1.5 m

A là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng t m theo số liệu trang 29 [2]

t m=0.5(t v 1 (i) +T i)

t v 1 (i)là nhiệt độ mặt vách ngoài ống tiếp xúc với hơi ngưng

∆ t 1i =T i−t v 1 (i) là hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ phía mặt vách tiếp xúc với hơingưng (oC)

Khi đó nhiệt tải riêng phía hơi ngưng được tính: q1(i)=α1(i)× ∆ t1(i)

Bảng 6 Các thông số tính toán nhiệt tải phía hơi ngưng tụ (q 1 )

Nhiệt độ hơi đốt T i (℃ ) 151.1 107.58 81.89

Chọn chênh lệch nhiệt độ ∆ t1(i)(℃ ) 0.395 0.365 0.369

Nhiệt độ vách ngoài ống t v 1 (i) (℃ ) 150.705 107.22 81.52

Nhiệt độ màng nước ngưng t m (i) (℃ ) 150.903 107.402 81.709

δ là bề dày ống truyền nhiệt chọn 2 mm

λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống

Chọn vật liệu làm ống là thép X18H10T theo bảng X11.7/trang 313 [2] có

Nhiệt độ sôi t (i) 139.703 96.719 71.140Chênh lệch nhiệt độ giữa vách và dòng chất lỏng sôi

IV.2.3 Nhiệt tải riêng phía dung dịch q2

Công thức tính hệ số cấp nhiệt VI.27/trang 71 [2]:

α2(i) =α n (i) ×(λ dd (i)

Nhiệt tải riêng phía dung dịch: q2(i)=α2(i)× ∆ t2(i)

Với: α n (i) =0.145× ∆ t2(i)2.33

× p i0.5(W /m2

× ℃ ) hệ số cấp nhiệt của nước theo công thức

V.91/trang 26 [2]

p là áp suất tuyệt đối trên bề mặt thoáng (N/m2)

λ dd , ρ dd ,C dd , μ dd là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của dungdịch Độ nhớt của dung dịch tra theo bảng I.101 trang 92 [2]

λ n , ρ n ,C n , μ n là hệ số truyền nhiệt, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và độ nhớt của nướctheo I.102, I.104 và I.129 [1]

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức I.32/trang 123 [1]:

λ dd= A ×C p × ρ ×√3 ρ

M W /m×℃

Với: A là hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng Với nước là chất lỏng liên kết

Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kgoC) và Cp = Cdd

M là khối lượng mol hỗn hợp (NaOH và H2O)

Với a là phần mol NaOH theo bảng 1.2/trang 8 [12]: