đồ án cô đặc dung dịch NaNO3 xuôi chiều 2 nồi

Được sự hướng dẫn của thầy Trần Hoài Đức, nhóm em đã thực hiện đồ án môn họcvới đề tài:“Thiết kế hệ thông cô đặc 2 nồi xuôi chiều dung dịch với năng suất 2000kg/h”Tuy đã có nhiều cô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

1 LƯU HOÀNG LONG 11285821

LỚP: DHHD7LT HỌC KỲ: 1 NĂM HỌC: 2012 – 2013

Tháng 12 năm 2012

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Họ & Tên SV: Lưu Hoàng Lng MSSV: 11285821

Vũ Văn Minh MSSV: 11320151Lớp : DHHD7LT

Ngành : Công Nghệ Hoá Dầu

1 Đầu đề đồ án : Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc hai nồ xuôi chiều dung dịch NaNO3 vớicác thông sô

Nồng đôô đầu xđ = 15 % khôi lượng

Nhiêôt đôô đầu của nguyên liêôu là tđ = ts (oC)

Nồng đôô cuôi xc = 30 % khôi lượng

Năng suất Gc = 2000 (kg/h)

Gia nhiêôt bằng hơi nước bão hòa áp suất hơi đôt là 4,1 (at)

Áp suất ở thiết bị ngưng tụ P = 0,2 (at)

2 Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu và sô liệu ban đầu) :

Năng suất : 2000 (kg/h)

Nồng độ đầu : 15 % khôi lượng

Nồng độ cuôi : 30 % khôi lượng

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

Tổng quan

Thuyết minh quy trình công nghệ

Tính toán cân bằng vâôt chất và năng lượng

Tính toán và thiết kế thiết bị chính

Kết luận

4 Các bản vẽ:

Bản vẽ chi tiết thiết bị chính : 1 bản A1

Bản vẽ sở đồ qui trình công nghệ : 1 bản A1

5 Ngày hoàn thành đồ án : 04/12/ 2012

6 Ngày bảo vệ và chấm đồ án : /12/2012

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Bộ Giáo Dục & Đào Tạo

Trường Đại Công Nghiêôp Tp Hồ Chí Minh

Khoa Công Nghêô Hoá Học

Bộ Môn : Quá Trình & Thiết Bị

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt NamĐộc lập – Tự Do – Hạnh Phúc - -

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng ……năm 2012

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày… tháng ……năm 2012

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU

Theo chương trình đào tạo ngành công nghệ Hóa Dầu, sinh viên sẽ thực hiện làm đồ

án môn học Việc làm đồ án môn học nhằm giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế mộtthiết bị chế biến và lựa chọn vật liệu thích hợp Đồng thời, đồ án này còn giúp sinh viên tổnghợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở

Được sự hướng dẫn của thầy Trần Hoài Đức, nhóm em đã thực hiện đồ án môn họcvới đề tài:“Thiết kế hệ thông cô đặc 2 nồi xuôi chiều dung dịch với năng suất 2000kg/h”Tuy đã có nhiều cô gắng trong việc thực hiện đồ án, nhưng với kiến thức còn hạn chế,bài đồ án chúng em làm này vẫn có những thiếu sót không mong muôn, rất mong nhận được

sự đóng góp của quý Thầy, Cô cũng như các bạn trong ngành công nghệ hóa dầu để bảnthân rút ra kinh nghiệm và thành công hơn trong những đề tài tiếp theo

Cuôi cùng, xin chân thành cám ơn các Thầy cô trong bộ môn Công nghệ thực phẩm đãtạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này Em xin cám ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy TrầnHoài Đức trong suôt thời gian thực hiện đồ án môn học cùng các anh chị trong ngành cũngnhư các bạn cùng lớp

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Nhiệm vụ của đồ án:

Thiết kế hệ thông cô đặc dung dịch NaNO3 hai nồi xuôi chiều với yêu cầu công nghệnhư sau:

 Năng suất theo sản phẩm: 2000kg/h

 Nồng độ đầu: 15% khôi lượng

 Nồng độ cuôi: 30% khôi lượng

 Áp suất thiết bị ngưng tụ: 0,2at

2 Tính chất nguyên liệu:

2.1 Tính chất vật lý của NaNO3:

Là muôi của axit mạnh và bazơ mạnh.Các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kếtion Rất dễ tan trong nước và tăng nhanh theo nhiệt độ, cũng rất dễ bị kết tinh Nó khó tantrong các dung môi hữu cơ như ete

Khôi lượng riêng 2.265g/cm3; ở 30oC (nồng độ 15%) NaNO3 có độ nhớt là 0,94.10

-3N.s/m2; độ hoà tan (g chất khan/100g dd) là 49,0

Khi đun nóng NaNO3 nóng chảy:

2 NaNO3 = 2NaNO2 + O2

Ở trạng thái nóng chảy muôi NaNO3 là chất oxi hóa mạnh nó có thể oxi hóa Mn2+ →MnO42-, Cr3+ → CrO42- v.v.MnSO4 +

MnSO4 + 2KNO3 + 2NaCO3 = Na2MnO4+ 2KNO2 + Na2SO4 + 2CO2

2.2 Điều chế và ứng dụng của NaNO3:

Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa KNO3 và NaCl:

KNO3 + NaCl = NaNO3 + KCl

Hoà tan muôi loãng KNO3và NaCl theo tỉ lệ 1:1 đun nóng, sau đó cho kết tinh KCl ởnhiệt độ 30o Tách tinh thể KCl ra, làm nguội dung dịch đến nhiệt độ dưới 22osẽ kết tinhNaNO3 NaNO3được dùng để sản xuất axit nitric là một axit rất quan trọng trong côngnghiệp, sản xuất phân đạm trong công nghiệp Chế biến thủy tinh, làm thuôc nổ…

3 Quá trình cô đặc:

3.1 Định nghĩa:

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịchhai hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh

lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dểbay hơi hơn) Đó là các quá trình vật lý - hóa lý.

3.2 Các phương pháp cô đặc:

Phương pháp nhiệt: dung môi chuyển 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 thoáng chấtlỏng

Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách radạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tùytính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy raở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến thiết bị làm lạnh

3.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt:

Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tôc độ chuyểnđộng vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tôc độ giới hạn Phân tử khibay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó,

ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt vàchuyển động liên tục, do chênh lệch khôi lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáytạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc

3.4 Ứng dụng của cô đặc:

Ứng dụng trong sản xuất hóa chất, thực phẩm, dược phẩm Mục đích để đạt đượcnồng độ dung dịch theo yêu cầu, hoặc đưa dung dịch đến trạng thái quá bão hòa để kết tinh.Sản xuất thực phẩm: đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây

Sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muôi vô cơ …

4 Thiết bị cô đặc:

4.1 Phân loại và ứng dụng:

a Theo cấu tạo và tính chất của đôi tượng cô đặc:

Nhóm 1: dung dịch đôi lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch kháloãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: dung dịch đôi lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tôc dung dịch từ 1,5 3,5m/s tại bề mặt truyền nhiệt Có ưu điểm: tăng cường hệ sô truyền nhiệt, dùng cho dungdịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt

-Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làmbiến chất sản phẩm Thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quảép…

b Theo phương pháp thực hiện quá trình:

Cô đặc 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 cô định, đạt năng suất cực đại và thời gian

cô đặc là ngắn nhất Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được là không cao

Cô đặc áp suất chân không: Dung dịch có nhiệt độ sôi thấp hơn do có áp suất chânkhông Dung dịch tuần hoàn tôt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục.

Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đôt Sô nồi không nên lớn quá vì sẽlàm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi so với chi phí bỏ ra Có thể cô đặc chân không, cô đặc áplực hay phôi hợp cả hai phương pháp Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác

để nâng cao hiệu quả kinh tế

Cô đặc liên tục: Cho kết quả tôt hơn cô đặc gián đoạn, có thể tự động hóa

⇒ Tùy điều kiện kỹ thuật, tính chất dung dịch để lựa chọn thiết bị cô đặc phù hợp

4.2 Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc:

Thiết bị chính:

Ống tuần hoàn, ông truyền nhiệt

Buồng đôt, buồng bôc, đáy nắp…

Thiết bị phụ:

Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không

Thiết bị gia nhiệt

Thiết bị ngưng tụ Baromet

Thiết bị đo và điều chỉnh

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CÔ ĐẶC 2 NỒI XUÔI CHIỀU

DUNG DỊCH

Thuyết minh quy trình

Dung dịch nồng độ đầu 15% (theo khôi lượng) từ thùng chứa (16)được bơm lên thùngcao vị (1) Từ đây, dung dịch được đưa qua một lưu lượng kế (3), rồi qua thiết bị gia nhiệt (2)

để đạt được nhiệt độ ban đầu mong muôn, sau đó đưa vào nồi cô đặc để thực hiện quá trìnhbôc hơi

Hơi đôt được đưa vào nồi 1 là hơi nước bão hòa có áp suất 4,1 at (theo thang áp suấttuyệt đôi và đơn vị áp suất kỹ thuật) Dung dịch vào nồi 1, đi bên trong ông truyền nhiệt cònhơi đôt đi phía ngoài ông truyền nhiệt.Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra, dung dịch được nângnhiệt độ lên đến nhiệt độ sôi và bắt đầu bôc hơi Ở đây dung dịch được cô đặc tuần hoàn tựnhiên đến khi đạt nồng độ chất khô 20% rồi mới chuyển sang nồi 2 nhờ sự chênh lệch ápsuất giữa 2 nồi Hỗn hợp hơi – lỏng bôc lên với tôc độ rất lớn, va đập vào cạnh hình zigzagcủa bộ phận tách bọt (bộ phận phân ly lỏng – hơi) các giọt chất lỏng được rơi trở lại Hơi thứcủa nồi 1 được dùng làm hơi đôt cho nồi 2 Ở nồi 2 dung dịch cũng được cô đặc tuần hoàn

tự nhiên đến khi đạt nồng độ 30% thì mở van xả vào bồn chứa Dung dịch chuyển từ nồi 1sang nồi 2 rồi vào bồn chứa một cách tự nhiên và liên tục Hơi thứ của nồi 2 được đưa vàothiết bị ngưng tụ tạo chân không ở áp suất 0,2at

- Gia nhiệt bằng hơi nước bão hoà áp suất hơi đôt là 4.1at.

- Áp suất thiết bị ngưng tụ: Pck = 0,2at

W - lượng hơi thứ khi nồng độ thay đổi từ xđ đến xc, kg/h

Gđ , Gc - lượng dung dịch đầu, dung dịch cuôi, kg/h

xđ , xc - nồng độ đầu và nồng độ cuôi của dung dịch, % khôi lượng

Giả thiết lượng hơi thứ ở các nồi như sau (sau quá trình tính lặp và kiểm tra): W1=W2 ,

1

G

x G x

đ

đ đ

đ

đ đ

xđ - nồng độ đầu của dung dịch, 15%khôi lượng;

Gđ - lượng dung dịch đầu, kg/h;

% khối lượng;

% khối lượng

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

1 Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р)

Рhđ1: áp suất hơi đôt nồi 1, at

Рng : áp suất hơi nước ngưng, at

2 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt

Ta có: chọn tỉ sô phân phôi áp suất giữa các nồi :

,

2

9,3

2 1

,

1

)(68125

at p

: chênh lệch áp suất của nồi 2 và thiết bị ngưng

Hơi đôt nồi 1 được được cấp từ nồi hơi , hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang nồi 2 làmhơi đôt để tận dụng nhiệt Tra bảng (I.251/Tr 314/) ta có :

Bảng 4.1:Nhiệt độ và áp suất hơi đốt

3 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ :

Theo sơ đồ nồi cô dặc , nhiệt độ hơi thứ nồi 1(Tht1) bằng nhiệt độ hơi đôt nồi 2 (Thđ2)

Nhưng do quá trình truyền khôi cô sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ông (

'''

∆)

chọn:

''' 1

∆

= 1°C

''' 2

∆

= 1°C'''

∆

=2°C

Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1(Tht1)

Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2(Tht2)

16, 2 i i

T r

Ti: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ,

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước, J/kg

Giá trị

' 0

∆

được tra từ bảng ( VI.2 – Tr.63 – Sttt2 )

4 2

1

( ) ( / )2

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

h1i: chiều cao dung dịch trong ông truyền nhiệt ,

1 1074,9 1,603 112,7625 2,68725

16,15688

2 1197.3 0,3608 74,1696 13,4696

Tổng tổn thất nhiệt của cả hệ thông là :

5 Hiệu số nhiệt độ hữu ích(

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thông

D: lượng hơi đôt vào nồi 1 (kg/h)

I: hàm nhiệt của hơi đôt (j/kg)

t: nhiệt độ của dung dịch (

0

C)θ: nhiệt độ nước ngưng (

0

C)i: hàm nhiệt của hơi thứ (j/kg)

6.1 Tính nhiệt dung riêng

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đôt ( bảng I.249/Tr.311/)

=4,1at=4294,5(J/kg.độ)

=1,41875at=4231,7(J/kg.độ)

Nhiệt dung riêng của tính theo công thức ( I.41/Tr.152/)

=4186.(1x)

=4186.(10,15)=3558,1(J/kg.độ)Đôi với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức ;( I.44 - Tr.153 - Stttt1 )

: là nhiệt dung riêng của dung dịch ở nồng độ x

x: là nồng độ % phần khôi lượng của

: khôi lượng mol của

: nhiệt dung nguyên tử tra bảng (I.141/tr.152/)

= 3558,1(J/kg độ)

=3589,741(J/kg độ)

=3291,612(J/kg độ)

6.2 Tính và kiểm tra lượng hơi thứ thực tế

Thay sô vào ta được :

492.0604(kg/h)

(kg/h)

Lượng hơi đôt tính được :

Thay sô vào ta được : D = 559,0435(kg/h)

Kiểm tra giả thiết phân bô hơi thứ ở các nồi :

Bảng 4.5: Kiểm tra lượng hơi thứ thực tế

1 492,0604 1,587928633<5%

Giả thiết phân bô áp suất hơi thứ ban đầu chấp nhận được

(*) lấy nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đôt

2 2 1

Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ông truyền nhiệt tạo thành lớp màngmỏng , với những thiết bị thường gặp như loại phòng đôt trong tuần hoàn ngoài , phòng đôttrong tuần hoàn trung tâm , phòng đôt treo đều là trường hợp hơi đôt đi bên ngoài ông truyềnnhiệt ( hơi đôt là hơi bão hòa không chứa khí trơ) , màng nước ngưng chảy thành dòng thì

hệ sô cấp nhiệt phía hơi đôt được tính theo công thức : (V.101/ Tr.28/)

0.25 1

A: hệ sô phụ thuộc màng nước ngưng

ri : ẩn nhiệt ngưng tụ ( lấy bằng ẩn nhiệt hóa hơi )

T t

C t

T T

S T

T T T

0 21

0

9369,65296,1514665,122

4665,122

1 21

1 1 21

Hệ sô cấp nhiệt từ ông truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 1 là :

: áp suất làm việc (áp suất hơi thứ), at

Bảng 4.6: Các hằng số vật lý của dung dịch và nước nồi 1

T=115,5296 λ

(w/m.độ)

ρ(kg/m3) µ

(N.s/m2) C p(J/kg.độ)

λ

nước tra theo nhiệt độ sôi của dd tra tr310/

Độ nhớt của nước tra bảng( I.104/ Tr.96/)

Độ nhớt của dung dịch tra bảng( I.107/Tr.101/)

Hệ sô dẫn nhiệt của dung dịch tính theo công thức ( I.32/ Tr.123/)

=3,58 3589,741.1074,9.=0,5099(w/m.độ)

8

3,58.10

hệ sô phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết

M : khôi lượng phân tử mol của dung dịch

µ(N.s/m2) C(J/kg.độ)

Tính và so sánh hiệu sô nhiệt độ hữu ích thực tế với lý thuyết của từng nồi :

Bảng 4.8: Kiểm tra nhiệt độ hữu ích thực tế

Trong đó: hiệu sô nhiệt độ hữu ích thực tế

Kiểm tra hệ sô hữu ích lý thuyết và thực tế, nếu tỉ lệ kiểm tra sai sô nhỏ hơn 5% thìchấp nhận

Nếu sai sô > 5% thì phải giả thiết lại phân phôi hiệu sô áp suất giữa các nồi và tính lại

So sánh với (%)

Q,(w)

K,(w/m2.độ)

()

F,(m2)

Chọn theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt bằng nhau F=11,093 m2 (buồng đôt)

Tuy nhiên, theo bảng (VI.6/Tr.80/) thì Fchuẩn lấy bằng 16(m2)

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

1 Tính kích thước buồng đốt :

1.1 Số ống truyền nhiệt

Sô ông truyền nhiệt trong buồng đôt (n) của cả hai nồi bằng nhau và được tính theocông thức :

F: bề mặt trao đổi nhiệt của nồi (m2)

dtr: đường kính trong ông truyền nhiệt (m)

h2: chiều cao ông truyền nhiệt (m)

Từ bảng VI.6-tr.80-T2 chọn

Sô ông quy chuẩn sắp xếp theo hình sáu cạnh (bảng V.11/ Tr.48/) thì n= 187 (ông)

Bảng 5.1: Số ống truyền nhiệt của nồi cô đặc

Tổng sô ôngkhông kể cácông trongcác hình viênphân

Sô ông trong các hìnhviên phân

Tổng sôông trongtất cả cáchình viênphân

Tổng

sô ôngcủathiết bị

Ở dãythứnhất

Ở dãythứhai

Ở dãythứ ba

1.2 Tính ống tuần hoàn trung tâm:

1.2.1 Đường kính ống tuần hoàn:

tiết diện ngang ông tuần hoàn(khoảng 15-20% tổng tiết diện ngang các ông truyềnnhiệt) (m)

Chọn =20% tổng tiết diện ngang các ông truyền nhiệt

: dường kính ngoài ông truyền nhiệt, m

25mm=25

Chọn

1.2.2 Ống truyền nhiệt bị thay thế bởi ống tuần hoàn trung tâm:

b: là sô ông bị loại nằm trên đường kính ngoài của lục giác đều tính từ tâm, ông Chọn

b = 9 ông

Suy ra sô ông bị thay thế: