thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi dung dịch (nh4)2so4

Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Họ tên : Nguyễn Sĩ Nam Lớp : ĐHHĨA K4 Khoa : Cơng Nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thế Hữu NỘI DUNG ĐỀ BÀI: Thiết kế hệ thống nồi cô đặc xuôi chiều tuần hồn cưỡng đặc dung dịch (NH4)2SO4 với suất 12587 kg/h Chiều cao ống gia nhiệt: m Nồng độ đầu vào dung dịch: 13,3% Nồng độ cuối dung dịch: 41,8% Áp suất đốt nồi 1: atm Áp suất ngưng tụ: 0,19 atm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ∗∗∗∗∗ ………………………………………… Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2012 Người nhận xét GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị MỤC LỤC PHẦN II 12 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 12 Số liệu ban đầu : .12 2.Tính cân vật liệu : 12 2.1 Xác định lượng nước bốc ( lượng thứ ) toàn hệ thống nồi: 12 2.1.1 Xác định lượng hới thứ bốc toàn hệ thống: 12 2.1.2.Xác định lượng thứ bốc từ nồi : 12 2.2 Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi 13 3.Tính cân nhiệt lượng : 13 3.1.Xác định áp suất nhiệt độ nồi: 13 3.1.1 Xác định áp suất nhiệt độ đốt nồi .13 3.1.2 Xác định nhiệt độ áp suất thứ nồi .14 3.2.Xác định tổn thất nhiệt độ: .14 3.2.1 Tổn thất nhiệt độ nồng độ : 14 3.2.2 Tổn thất áp suất thuỷ tĩnh: 16 3.2.3 Tổn thất đường ống 17 3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ hệ thống nồi 17 3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích hệ thống xác định : 17 3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích nồi; .18 3.4.Lập phương trình cân nhiệt lượng: 18 3.4.1 Nhiệt lượng vào gồm có: 19 3.4.2 Nhiệt lượng mang ra: .19 3.4.3 Hệ phương trình cân nhiệt: 19 4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình nồi: 23 4.1.Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 23 4.2 Xác định nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: 24 4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi W/m2 độ: .25 4.3.1 Khối lượng riêng : 27 4.3.2 Nhiệt dung riêng : .27 4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: 27 4.3.4 Độ nhớt : 28 4.4.Nhiệt tải riêng phía dung dịch : 30 4.5.So sánh q2i q1i : 30 Xác định hệ số truyền nhiệt cho nồi 30 Hiệu số nhiệt độ hữu ích .32 6.1 Xác định tỷ số sau : 32 6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích nồi : 32 Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 33 PHẦN III .33 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ .34 1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu : 34 1.1.Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 34 1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 34 1.3.Bề mặt truyền nhiệt: 39 1.4.Số ống truyền nhiệt : .39 1.5.Đường kính thiết bị đun nóng : .40 1.6.Tính vận tốc chia ngăn : 41 GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị 2.Chiều cao thùng cao vị: 41 3.Bơm 50 3.1.Xác định áp suất toàn phần bơm tạo ra: .50 3.2.Năng suất trục bơm: 53 3.3.Công suất động điện: 54 4.Thiết bị ngưng tụ baromet: .54 4.1.Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 56 4.2.Đường kính thiết bị 57 4.3.Kính thước ngăn: 57 4.4 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 58 4.5.Các kích thước ống baroomet: 59 4.6.Lượng khơng khí cần hút khỏi thiết bị: .60 4.7.Tính tốn bơm chân khơng: 61 PHẦN IV .63 TÍNH TỐN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 63 Buồng đốt .64 1.1 Xác định số ống buồng đốt: 64 1.2 Đường kính buồng đốt : 65 1.3 Chiều dày buồng đốt : 65 1.4.Chiều dày lưới đỡ ống : 68 1.5 Chiều dày đáy buồng đốt : 70 1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân buồng đốt : 73 2.Buồng bốc 73 2.1 Thể tích buồng bốc : 73 2.2 Chiều cao buồng bốc : .74 2.3 Chiều dày buồng bốc: .75 2.4 Chọn chiều dày nắp buồng bốc ( đáy buồng đốt ): 76 2.5 Tra bích để lắp thân buồng bốc : .78 Chiều dày ống có gờ thép CT3 79 Tính tốn số chi tiết khác 80 4.1 Tính đường kính ống nối dẫn , dung dịch vào, thiết bị : 80 4.1.1 Ống dẫn đốt vào : 80 4.1.2 Ống dẫn dung dịch vào : 81 4.1.3 Ống dẫn thứ : 81 4.1.4 Ống dẫn dung dịch ra: .82 4.1.5 Ống tháo nước ngưng : .82 4.1.6 Ống tuần hoàn: 82 4.2 Tính chọn tai treo giá đỡ : 86 4.2.1 Tính Gnk : 86 4.2.2.Tính Gnd : 90 4.3 Chọn kính quan sát : 92 4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt : .92 PHẦN V 93 KẾT LUẬN 93 Tài liệu tham khảo: 94 Chuyển đổi đơn vị thường gặp: .95 QUY ƯỚC KÝ HIỆU GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị Để đơn giản việc thích tài liệu, quy ước ký hiệu sau: - [ST1] – Sổ tay trình thiết bị Cơng nghệ hóa chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - [ST2] – Sổ tay q trình thiết bị Cơng nghệ hóa chất, tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật -CT: công thức -Tx: trang thứ x -BTQTTB: sách tập q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị LỜI NĨI ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc kỹ sư hóa chất thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất Được hướng dẫn Thầy Nguyễn Thế Hữu em thực đồ án với đề tài:“Thiết kế hệ thống cô đặc nồi dung dịch (NH4)2SO4 “ Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với việc thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức giáo trình “Cơ sở q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học“ sở lượng kiến thức kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên tự thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn q trình cơng nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu ,vận dụng kiến thức,quy định tính tốn thiết kế,tự nâng cao kĩ trình bầy thiết kế theo văn khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Đồng thời, đồ án giúp sinh viên tổng hợp kiến thức học môn sở Xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Thế Hữu tận tình giúp đỡ, hướng dẫn truyền đạt kinh nhiệm quý báu để tơi em hồn thành đồ án Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô môn Công nghệ thực phẩm tạo điều kiện cho em thực đồ án Trong trình làm đồ án em khơng tránh khỏi sai lầm, thiếu sót Vì kính mong đóng góp nhiệt tình quý Thầy, Cô bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện thiện Xin chân thành cảm ơn! GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị Phần 1: Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu chung (NH4)2SO4 a)Lời mở đầu Trong thời kỳ đất nước trình phát triển theo hướng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước cơng nghiệp nước ta phát triển mạnh kéo theo phát triển ngành sản xuất hợp chất hóa học,bởi hợp chất hóa học có ứng dụng vơ quan trọng để ngành khác phát triển Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất ngành khác, thường phải làm việc với hệ dung dịch rắn tan lỏng, lỏng lỏng Để cao nồng độ dung dịch theo yêu cầu sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến dùng nhiệt để làm bay cịn chất rắn tan khơng bay hơi, nồng độ dung dịch tăng lên theo yêu cầu mong muốn Thiết bị dùng chủ yếu thiết bị đặc ống tuần hồn trung tâm, tuần hồn cưỡng bức, phịng đốt ngồi, …trong thiết bị đặc tuần hồn có ống trung tâm dùng phổ biến thiết bị có cấu tạo nguyên lý đơn đơn giản, dễ vận hành sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị dùng nồi, nồi, nồi…nối tiếp để tạo sản phẩm theo yêu cầu thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống nồi nồi để có hiệu suất xử dụng đốt cao nhất, giảm tổn thất trình sản xuất Để bước đầu làm quen với cơng việc kỹ sư hóa chất thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất ,em nhận đồ án mơn học : “Q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học”.Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với việc thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức giáo trình “Cơ sở q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học “ sở lượng kiến thức kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan,mỗi sinh viên GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị tự thiết kế thiết bị , hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn q trình cơng nghệ Qua việc làm đồ án mơn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu ,vận dụng kiến thức,quy định tính tốn thiết kế,tự nâng cao kĩ trình bầy thiết kế theo văn khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống b) Giới thiệu dung dịch (NH4)2SO4 AMONI SUNFAT ( (NH4)2SO4 ) khối lượng phân tử 132,15 Ở dạng tinh thể (NH4)2SO4 khơng màu hình thoi, bột màu trắng, khối lượng riêng 1,77g/cm3 ,tnc = 140oC, tphanhuy = 280oC Dễ tan nước : 20oC, 100 g nước hoà tan 76 g (NH4)2SO4,không tan etanol ,là chất kết tủa protein Ở điều kiện thường , dễ hút ẩm , chảy nước, có mùi khai amoniac , muối bị phân hủy phần thành amoniac axit sunfuric: (NH4)2SO4 → NH3↑ + H2SO4 Khi hòa tan nước ta dung dịch (NH4)2SO4 dung dịch không màu,có tính chất muối axit mạnh với bazo yếu ngồi dung dịch cịn có tính axit yếu Ở điều kiện thích hợp amoni sunfat tham gia phản ứng để số oxi hóa N lên mức cao Qúa trình tổng hợp nhờ phản ứng amoniac axit sunfuric NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4 Sau dung dịch amoni sunfat tiếp tục tuần hồn thơng qua thiết bị bay để cô đặc dung dịch tạo tinh thể Các tinh thể tách từ dung dịch nhờ thiết bị ly tâm.Tinh thể làm khô phương pháp quay ly tâm tạo hình trước đóng bao Ứng dụng muối amonisunfat : →làm phân đạm có khả làm đất bị chua bị thủy phân tạo môi trường axit GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị →dùng lĩnh vực phân tích.Đặc biệt dung dịch muối Mo, hay sắt amonisunfat (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O sử dụng phổ biến phân tích 1.2 Vẽ thuyết minh dây chuyền sản xuất 1.2.1 Cơ sở lý thuyết q trình đặc Trong cơng nghiệp sản xuất hóa chất thực phẩm ngành cơng nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ chất tan người ta thường làm bay phần dung môi dựa nguyên lý truyền nhiệt, nhiệt độ sôi, phương pháp gọi phương pháp đặc Mục đích q trình đặc làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể (kết tinh), thu dung môi dạng nguyên chất Cô đặc tiến hành hiệt độ sôi, áp suất (như áp suất chân khơng,áp suất khí quyển,áp suất dư), hệ thống cô đặc nồi hay nhiều nồi.Hơi dung môi tách gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác, dùng thứ đun nóng thiết bị ngồi hệ thống đặc ta gọi phụ.Truyền nhiệt q trình đặc trục tiếp hay gián tiếp,truyền nhiệt trực tiếp thường dùng kói lị cho tiếp xúc với dung dịch, cịn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng nước bão hòa để đốt nóng Q trình đặc tiến hành áp suất khác tùy theo yêu cầu kỹ thuật Đó đặc áp suất chân khơng, áp suất cao áp suất khí quyển, áp suất Khi cô đặc áp suất chân khơng dùng cho dun dịch có nhiệt đóơi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngồi cịn làm tăng hiệu sốnhiệt độ đốt nhiệt độ sơi trung bình trung bình dung dịch ( hiệu số nhiệt độ hữu ĩch), dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt.Mặt khác, cô dặc chân khơng nhiệt độ sơi dung dịch thấp nên tận dụng nhiệt thừa trình sản xuất khác (hay sử dụng thứ) cho q trình dặc GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị Cơ đặc áp suất cao áp suất khí thịng dùng cho dung dịch không bị phân hủy o nhiệt độ cao dung dịch muoi vô cơ, để sử dụng thứ cho cô đặc cho q trình đun nóng khác Cơ đặc áp suất khí thứ khơng sử dụng mà đượcthải ngồi khơng khí Đây phương pháp đơn giản không kinh tế Trong hệ thống đặc nhiều nồi nồi thường làm việc aps suất cao áp suất khí quyển, nồi khác làm áp suất chân không Cô đặc úng dụng nhà máy sản xuất hóa chất thực phẩm, ví dụ đặc muối vơ cơ,dung dịch kiềm Q trình đặc thực thiết bị cô đặc nồi hay thiết bị cô đặc nhiều nồi, cô đặc nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu kinh tế khơng cao thích hợp q trình sản xuất đơn giản,do người ta phải cô đặc nhiều nồi Sau em xin giới thiệu cô đặc hai nồi xuôi chiều GVHD :Nguyễn Thế Hữu SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị 1.2.2.Dây chuyền sản xuất: Sơ đồ dây chuyền sản xuất thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng 11 10 12 Hinh1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất thiết bị cô đặc tuần hồn cưỡng Chú thích: Thùng chứa dung dịch đầu Thiết bị cô đặc Bơm Thùng chứa nước Thùng cao vị Thùng chứa sản phẩm Lưu lượng kế 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 11.Thiết bị tách bọt Thiết bị cô đặc 12.Bơm chân khơng 13 Ống tuần hồn Ngun tắc hoạt động: Dung dịch đầu (NH4)2SO4 bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) thùng cao vị thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng thùng, sau chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt GVHD :Nguyễn Thế Hữu 10 SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị Vậy : S = 0,90467 + 3,8 = 4,2681 ( mm ) Quy chuẩn S = mm - Kiểm tra ứng suất thành thiết bị áp suất thủy lực , theo công thức XIII.49/ST2 – T386 ta có : σ= [ Dtrbb + 2hb ( S + C )].Po σ c ≤ 7,6.K ϕ h hb ( S − C ).ϕ h 1,2 Với Po = 1,5.P = 1,5.1,3775.105 = 20,663.104 (N/m2) Vậy: σ= [1,5 ] σ + 2.0,375(6 − 3,8).10 −3 2,0663.10 = 89.10 ( N / m ) < c = 200.10 ( N / m ) 1,2 7,6.0,857.0,95.0,375.(6 − 3,8).10 −3 Vậy S = mm hoàn tồn thỏa mãn 2.5 Tra bích để lắp thân buồng bốc : Cũng chọn kiểu bích dung để lắp đáy vào thân buồng đốt Với thông số tra theo bảng XIII.27/ST2 – T422: Bảng 9: Kiểu Kích thước nối Pb.10 N/m Dtr mm D Db D1 Do mm mm mm mm bích Bulong 1500 1640 GVHD :Nguyễn Thế Hữu 1600 1560 78 1515 z h mm 0,6 db mm M24 40 40 SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị D Db D1 db Do Dt Chiều dày ống có gờ thép CT3 Đáy nón có gờ dung để nối buồng đốt buồng bốc thiết bị cô đặc tuần hồn cưỡng thiết bị sử dụng để cô đặc dung dịch nhớt dung dịch kết tủa nên ta chọn loại góc đáy 60 o loại có gờ làm việc áp suất lớn 7.104(N/m2) Chiều đày nón có gờ với góc đáy 60 o tính theo cơng thức XIII.52/ST2 – T 399 S= Dt P y + C, m 2.[σ u ].ϕ h - y : yếu tố hình dạng đáy , xác định theo đồ thị XIII.15/ST2 – T400.Mà theo bảng XIII.22/ST2 – T396 ⇒ Rσ = 0,15 ⇒ y = 1,4 Dt - [σ u ] = [σ k ] = 146.10 ( N / m ) - P = P’1 = 0,1426.106 (N/m2) 1,5.1,37752.10 5.1,4 ⇒S = + C = 1,043.10 −3 + C (m) 2.146.10 0,95 GVHD :Nguyễn Thế Hữu 79 SVTH : Nguyễn Sĩ Nam Trường ĐHCNHN Cơng nghệ hóa k4 Đồ án mơn học q trình thiết bị Vì S – C