Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là NaOH, vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó.Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng. Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần.Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc NaOH hai nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm cô đặc dung dịch NaOH từ 5% lên 35%.Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể. Tuy nhiên, đồ án thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các bạn để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao
ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác. Một trong những hóa chất được sản xuất và sử dụng nhiều là KNO 3 , vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Trong quy trình sản xuất KNO 3 , quá trình cô đặc là một khâu hết sức quan trọng. Nó đưa dung dịch KNO 3 đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trình kết tinh nếu cần. Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc KNO 3 hai nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm cô đặc dung dịch KNO 3 từ 3% lên 10%. Đối với sinh viên khối ngành công nghệ hóa chất và công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị là hết sức quan trọng. Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâu sắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc, quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với các thông số kỹ thuật cụ thể. Tuy nhiên, đồ án thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các bạn để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao. 1 Phần 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC I- Giới thiệu về nguyên liệu 1-Tên gọi và công thức hóa học Tên khoa học: Potassium Nitrate. Tên thường gọi: Muối Natri nitrat. Công thức hóa học: KNO 3 . KNO 3 là chất rắn trắng hoặc tinh thể không màu, có khả năng tan tốt trong nước. Dung dịch KNO 3 có độ nhớt khá bé, sức căng bề mặt khá lớn nên dung dịch sôi sủi bọt nhiều. Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất khá cao do đó cần chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bị và điều kiện cô đặc. Ứng dụng của KNO 3 : - Sản xuất phân bón, phân đạm nitrat. - Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa. - Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như: sản xuất axit nitric khi cho phản ứng với axit sunfuaric… - Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm. - Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp trong các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai. - Dùng trong công nghiệp thủy tinh, luyện kim. 2 2- Tính chất hóa lý của kali nitrat - Dạng tồn tại: tinh thể rắn hoặc bột màu trắng, không mùi, vị mặn, đắng. - Phân tử lượng: 101 (g/mol), khối lượng riêng là 2,3 ×10 3 (kg/m 3 ). - Tan chảy ở 302 ( 0 C) và sôi ở 356 ( 0 C). - Độ hòa tan: + Có khả năng tan trong nước, độ hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng. Ở nhiệt độ thường, độ hòa tan là 92g/100 ml. + Dễ tan trong amoni lỏng, ít tan trong methanol (CH 3 OH), rất ít tan trong acetone và glycerol. - Phản ứng mạnh với các chất cháy, hữu cơ. - Có phản ứng với các loại chất khử, axit. II- Tổng quan về quá trình cô đặc: 1- Sơ lượt về lý thuyết cô đặc. 1.1- Định nghĩa: Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan. - Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể. - Thu dung môi ở dạng nguyên chất. Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường 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 trình đun nóng khác. 3 Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế. 1.2- Cấu tạo thiết bị cô đặc: Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm các loại thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi được dùng phổ biến, loại này gồm 2 phần chính: a) Bộ phận đun sôi dung dịch (phòng đốt) trong đó bố trí bề mặt truyền nhiệt để đun sôi dung dịch. b) Bộ phận bốc hơi (phòng bốc hơi) là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách khỏi hỗn hợp lỏng – hơi của dung dịch sôi (khác với các thiết bị chỉ có phòng đốt). Tùy theo mức độ cần thiết người ta có thể cấu tạo thêm bộ phận phân ly hơi – lỏng ở trong phòng bốc hơi hoặc trên ống dẫn hơi thứ, để thu hồi các hạt dung dịch bị hơi thứ mang theo. Về phân loại có thể phân loại thiết bị theo 2 cách: - Theo sự phân bố bề mặt truyền nhiệt có loại nằm ngang, thẳng đứng, loại nghiêng. - Theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt có loại vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm. - Theo chất tải nhiệt có loại đun nóng bằng dòng điện, bằng khói lò, bằng hơi nước, bằng chất tải nhiệt đặc biệt. - Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, 1.3- Lựa chọn thiết bị: Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục, có ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên. Thiết bị cô đặc dạng có cấu tạo đơn giản, dễ sửa chửa, làm sạch. Đồng thời, có thể tận dụng triệt để nguồn hơi. 4 Quá trình cô đặc được tiến hành ở áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế những biến đổi của chất tan. Tuy nhiên, tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp, vận tốc tuần hoàn bị giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng. 2- Thuyết minh quy trình công nghệ. * Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của nồi cô đặc. Nồi cô đặc xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng bốc, buồng đốt và bộ phận thu hồi cấu tử .Trong đó: - Buồng đốt ở dưới bao gồm các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt ngoài ống. Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm là: do ống tuần hoàn có đường kính lớn hơn đường kính ống truyền nhiệt nên hệ số truyền nhiệt nhỏ, dung dịch sẽ sôi ít hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt. Khi sôi dung dịch sẽ có khối lượng riêng giảm do đó tạo ra áp lực đẩy dung dịch từ trong ống tuần hoàn sang ống truyền nhiệt. Kết quả, tạo nên dòng chuyển động tuần hoàn đối lưu tự nhiên giữa ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn. - Phía trên thiết bị là buồng bốc. Đây là một phòng trống, ở đây hơi thứ được tách ra khỏi hỗn hợp lỏng - hơi của dung dịch sôi. Bên trong buồng bốc còn có bộ phận thu hồi cấu tử để tách những giọt chất lỏng còn lại do hơi thứ mang theo. * Thuyết minh quy trình: 5 Hình 1 : Sơ đồ cô đặc 2 nồi xuôi chiều: 1- thiết bị gia nhiệt nguyên liệu đầu; 2,3- nồi cô đặc; 4- thiết bị ngưng tụ; 5- thiết bị tách bọt. Nguyên liệu đầu tiên là dung dịch kali nitrat có nồng độ đầu 3% được bơm lên thiết bị gia nhiệt 1 và được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Thiết bị gia nhiệt 1 là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ; các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân. Dung dịch được bơm vào thiết bị, đi bên trong ống từ dưới lên còn hơi đốt đi bên ngoài ống. Hơi đốt sau khi cấp nhiệt cho dung dịch nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi sẽ ngưng tụ lại. Dung dịch sau khi gia nhiệt sơ bộ được đưa vào thiết bị cô đặc thực hiện quá trình bốc hơi. Dung dịch được cô đặc ở nồi 2 tiếp tục chuyển sang nồi 3. Hơi đốt được đưa vào phòng đốt của nồi 2 để đốt nóng dung dịch trong nồi 2. Sau khi cô đặc lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 sẽ dùng làm hơi đốt cho nồi 3, hơi thứ của nồi 3 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ 4. Dung dịch sau khi cô đặc đến nồng độ yêu cầu 10% sẽ tháo ra ngoài theo ống tháo sản phẩm nhờ bơm ly tâm. 6 Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra phía trên của thiết bị cô đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet và được bơm chân không hút ra ngoài. Khí không ngưng còn lại tiếp tục đi qua thiết bị tách bọt 5. Trong quá trình cô đặc lượng hơi đốt sẽ cấp nhiệt cho dung dịch nên ngưng tụ lại và được thu hồi ở cửa nước ngưng tụ. 7 PHẦN 2- TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I- Tính cân bằng vật liệu. 1- Chuyển đơn vị năng suất từ (tấn/h) sang (kg/h): Năng suất: G D = 12 tấn/h = 12000 kg/h Nồng độ nguyên liệu ban đầu: X D = 3 % Nồng độ cuối của sản phẩm : X C = 10 % Áp dụng phương trình cân bằng vật chất : G D . X D = G C . X C Suy ra: G C = C DD x xG . = 3600 10 3.12000 = kg/h 2- Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống (W): Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống: G D = G C +W (1) Trong đó: G D , G C : lưu lượng đi vào, đi ra khỏi thiết bị kg/h W: lượng hơi thứ của toàn hệ thống kg/h Viết cho cấu tử phân bố: G D .X D = G C .X C + W.X W Trong đó: X D , X C : nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% khối lượng). Xem lượng hơi thứ không mất mát, ta có: G D .X D = G C .X C (2) Vậy lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống được xác định: )1( C D D x x GW −= Theo giả thiết ta có: G D = 12 tấn/h = 12000 kg/h X D = 3 % X C = 10 % 8 Thay vào ta có: 8400) 10 3 1.(12000 =−= W kg/h. 3- Xác định nồng độ cuối của dung dịch ở từng nồi : Ta có: W= W 1 + W 2 Với W 1 , W 2 là lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1, 2 kg/h . Để đảm bảo việc dùng toàn bộ hơi thứ của nồi trước cho nồi sau, thường người ta phải dùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp. Giả sử chọn tỉ số giữa hơi thứ bốc lên từ nồi 1 và 2 là : 1 2 1 = W W Khi đó ta có hệ phương trình: 1 2 1 = W W W 1 + W 2 = W Giải hệ trên có kết quả : W 1 = 4200 kg/h W 2 = 4200 kg/h Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1: X C1 = 62,4 420012000 3.12000 . 1 = − = − WG xG D DD % Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 2 : X C2 = 10 4200420012000 3.12000 . 21 = −− = −− WWG xG D DD % II- Cân bằng nhiệt lượng: 1- Xác định áp suất và nhiệt độ của mỗi nồi: Gọi P 1 , P 2 , P nt là áp suất ở nồi 1, 2, và thiết bị ngưng tụ. ∆P 1 : hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2. ∆P 2 : hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ. ∆P t : hiệu số áp suất của cả hệ thống. 9 Giả sử chọn: Áp suất của hơi đốt vào nồi 1 là P 1 =3,2 at. Áp suất hơi của thiết bị ngưng tụ là P nt = 0,3 at. Khi đó hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc là : ∆P t =P 1 – P nt = 3,2 – 0,3 = 2,9 at Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: 8,1 2 1 = ∆ ∆ P P Kết hợp với phương trình: ∆P 1 + ∆P 2 = ∆P t = 2,9 at Suy ra: ∆P 1 = 1,86 at ∆P 2 = 1,04 at Gọi: t ht1 , t hd2 , t nt là nhiệt độ đi vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ. t ht1 , t ht2 là nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1, 2. t ht1 = t hd2 + 1 t ht2 = t nt + 1 Tra bảng : I. 250, STQTTB, T1/ Trang 312. I. 251, STQTTB, T1/ Trang 314. Bảng 1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) của các dòng hơi. Loại Nồi 1 Nồi 2 Tháp ngưng tụ Áp suất (at) Nhiệt độ ( o C) Áp suất (at) Nhiệt độ ( o C) Áp suất (at) Nhiệt độ ( o C) Hơi đốt 3,2 134,9 1,34 107,41 0,3 68,7 Hơi thứ 1,39 108,41 0,31 69,7 2- Xác định tổn thất nhiệt độ: 2.1- Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra ( ∆ ’): Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất. Hiệu số nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra. 10 [...]... tất cả các viên phân là 36 2- Đường ống tuần hoàn trung tâm: Dth = 4 f t π Chọn ft = 0,3.FD =0,3 Vậy : Dth = 4 f t = π π d 2 n 3,14.0.034 2.367 =0,3 = 0,1 m2 4 4 4.0,1 = 0,357 m 3,14 Chọn Dth= 400 mm 3- Đường kính thiết bị buồng đốt: Đối với thiết bị cô đặc tuần hoàn trung tâm và bố trí ống đốt theo hình lục giác đều thì đường kính trong của buồng đốt có thể tính theo công thức : 0,4.β 2 sin 60 0.F d... Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi: Nồi 1: ∆ti1= T1– tS1 suy ra tS1=T1 - ∆ti1=134,9 – 23,44 = 111,46 oC Nồi 2 : ∆ti2=T2 –tS2 suy ra tS2=T2 - ∆ti2=107,41– 28,556= 78,854 oC Cho toàn hệ thống: ∆hi = 134,9 – 69,7 – 14,18 = 52 oC 14 3- Cân bằng nhiệt lượng: 3.1- Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi: - Nhiệt dung của dung dịch ban đầu: Vì XD= 3% . kết tinh nếu cần. Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc KNO 3 hai nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm buồng đốt trong đối lưu tự nhiên nhằm cô đặc dung dịch KNO 3 từ 3%. nhiệt đặc biệt. - Theo tính tuần hoàn dung dịch: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, 1.3- Lựa chọn thiết bị: Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 2 nồi, làm việc liên tục, . vì ống tuần hoàn cũng bị đun nóng. 2- Thuyết minh quy trình công nghệ. * Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của nồi cô đặc. Nồi cô đặc xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm cấu tạo gồm buồng bốc, buồng