Đồ án cô đặc KOH 2 nồi xuôi chiều

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN XUÂN HUY Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Xuân Lớp : ĐH Công Nghệ Hóa 1 – K3 Khoa : Công Nghệ Hóa Học NỘI DUNG Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều th

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập -Tự do-Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Số…………

Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN XUÂN HUY

Sinh viên thực hiện : Phạm Thị Xuân

Lớp : ĐH Công Nghệ Hóa 1 – K3

Khoa : Công Nghệ Hóa Học

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn

ngoài dùng cho cô đặc dung dịch KOH với năng suất 11000 kg/h , chiều cao

ống gia nhiệt h =2m

Các số liệu ban đầu :

- Nồng độ đầu của dung dịch là 8%

- Nồng độ cuối là : 30 %

- Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,1 at

- Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,2 at

1 Giới thiệu chung

 Lời mở đầu và giới thiệu dung dịch KOH

- Lời mở đầu

Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng , hoặc lỏng trong lỏng Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi , khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn

Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm , tuần hoàn cưỡng bức , phòng đốt ngoài , …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản , dễ vận hành và sửa chữa , hiệu suất sử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi , 2 nồi , 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất , giảm tổn thất trong quá trình sản xuất

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế

một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất , em được nhận

đồ án môn học : “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ

án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học “ trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan , mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị , hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này , mỗi sinh viên phải biết

định trong tính toán và thiết kế , tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống

Trong đồ án môn học này, em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch KOH , năng suất 11000kg/h , nồng độ dung dịch ban đầu 8% , nồng độ sản phẩm 30%

- Giới thiệu về dung dịch KOH

KOH có dạng tinh thể không màu , tnc = 404oC , ts = 1324oC Dễ tan trong nước

và phát nhiệt mạnh : ở 20oC, 100 g nước hoà tan được 112 g KOH Thuộc loại kiềm mạnh ; hấp thụ nước và khí cacbonic (CO2) trong không khí , tạo thành kali cacbonat (K2CO3) Dung dịch nước KOH ăn mòn thủy tinh ; KOH nóng chảy ăn mòn sứ (trong môi trường có không khí) , platin Điều chế bằng cách điện phân dung dịch kali clorua (KCl) có màng ngăn Dùng trong phòng thí nghiệm , sản xuất xà phòng mềm, các muối kali ; KOH ăn da và rất nguy hiểm khi bắn vào mắt

 Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục :

Dung dịch đầu KOH 8% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (6)

Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm , dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch Một phần khí không ngưng được đưa qua của tháo khí không ngưng Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt

Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi , áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (2) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi , kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này

sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi

Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (10) Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8) Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống , ở đây hời thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết

bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11)

SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

10

nu?c ngung

s?n ph?m

Nu?c l?nh

11

Hoi d?t Hoi d?t

nu?c ngung

Nu?c ngung

2 Tính toán thiết bị chính Các số liệu ban đầu:

Năng suất tính theo dung dịch đầu : Gđ = 11000 kg/h

=

− (VI.2a - Tr57 - Stttt2)

% 6316 , 12 3333 , 4033 11000

8

W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

1

x : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

x 2: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi

Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Рng áp suất hơi nước ngưng

 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt

Ta có: chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi :

,

2

9 , 3

2 1

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

Hơi đốt nồi 1 được được cấp từ nồi hơi , hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang nồi 2 làm hơi đốt để tận dụng nhiệt Tra bảng (I.251 - Tr 314 – stttt1) ta có :

) ( 21875

,

1

) ( 68125

at p

=

∆

=

∆

 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ :

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

2 (Thd2) Nhưng do quá trình truyền khối cố sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ống (∆ ''')

Thti

oC

ihtiJ/kg

rhtiJ/kg

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

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

2

0

2 '

1

339 , 9 2356000

7 , 333 2 , 12

383 4 , 3

1

4 2

1

2 ( ) .10 ( )

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt , h1=0,5 (m)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt , h2= 2 (m)

:

dds

ρ khối lượng riêng của dung dịch khi sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối

lượng riêng của dung dịch ở 150C

Tra bảng I.21 - Tr33 - Sttt1 ta có :

ρ dd1= 1116,844( kg/m³)

ρdd2= 1291 (kg/m³)

4 1

4 2

2

1, 461 0,5 1116,6844.10 1,6285( )

2 2

C at

C at

hd tb

hd

tb

tb tb

tb tb

0 ''

2

''

2

0 1

1

''

1

0 2

2

0 1

1

913 , 17 7 , 14 213 , 3

7 , 14 7 , 60 4 , 75

213 , 3 110 213 , 113

4 , 75 )

⇒

=

Ρ

= Τ

D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)

I: hàm nhiệt của hơi đốt (j/kg)

t: nhiệt độ của dung dịch (0C)

θ: nhiệt độ nước ngưng (0C)

i: hàm nhiệt của hơi thứ (j/kg)

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt

H H KOH

K K

KOH

M

C n M

C n M

C n

C

khan

.

.

+ +

=

=26000

56 +963056 +16800

56 = 936,25 (J/kg.độ)

Đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức

Trong đó n : là số nguyên tử của nguyên tố K, H, O trong KOH

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

x: là nồng độ % phần khối lượng của KOH

M KOH : khối lượng mol của KOH

c K;c c O; H: nhiệt dung nguyên tử tra bảng (I.141-tr.152-Stttt1)

Nhiệt độ đầu vào, ra khỏi nồi1, ra khỏi nồi 2 của dung dịch :

Thay số vào ta được : D = 4345,3013 (kg/h)

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

(*) lấy nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt θ 1 =t hd1 ; θ 2 =t hd2

Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch ∆t i(hd−dd)

Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớp màng mỏng , với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn ngoài , phòng đốt trong tuần hoàn trung tâm , phòng đốt treo đều là trường hợp hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt ( hơi đốt là hơi bão hòa không chứa khí trơ) , màng nước ngưng chảy thành dòng thì hệ số cấp nhiệt phía hơi đốt được tính theo công thức : (V.101 - Tr.28 - Stttt2 )

0.25 1

h t

∆

  ( V.101 - Tr28 - Stttt2 )

Trong đó α1i:là hệ cấp nhiệt từ hơi đốt

∆t 1i:chênh lệch nhiệt độ nước ngưng và mặt ngoài ống

A: hệ số phụ thuộc màng nước ngưng

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

h2=chiều cao ống truyền nhiệt , h = 2 m

, 2 677 , 10138

) /

( 677 , 10138 5

, 2 2

8 , 2140995

2625 , 194

04

,

2

2 11

11

11

2 25

, 0 11

m w t

q

đô m w

T

t

C t

T

T

C r

q

t

S T

T T

T

T

0 21

0

0 4

11

87822 , 6 8296 , 116 70782 , 123

70782 , 123 79218 , 16 5 , 140

79218 , 16 10 625 , 6 6925 , 25346

1 21

1 1

ψ : Hệ số hiệu chỉnh , tính theo công thức (VI.27 - Tr.71 - Stttt2 )

0.435 0.565 2

A= − hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết

M : khối lượng phân tử mol của dung dịch KOH

x M n

o T

22

21103,5535.6,625.10 13,9811

106,903 13,9811 92,9219 92,9219 84,739 8,183

o T

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch KOH tính theo công thức ( I 32 –Tr.123 - Stttt1)

A= − hệ số phụ thuộc mức độ liên kết của chất lỏng liên kết

M: khối lượng phân tử mol của dung dịch KOH

2

12 22

2 2

8 , 2140995

3013 , 4345 3600

. 1

Nồi Bề mặt truyền nhiệt bằng

nhau, m2

Tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất, m2

 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :

Chọn thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào là thiết bị đun nóng loại ống chùm

ngược chiều dùng hơi nước bão hoà ở 4,1at , hơi nước đi bên ngoài ống từ trên xuống dưới Hỗn hợp nguyên liệu đi trong ống từ dưới lên Hỗn hợp đầu vào thiết bị gia nhiệt ở nhiệt độ phòng (250C) khi ra ở nhệt độ sôi 116,82960C

*) Nhiệt lượng trao đổi : ( Q)

Q = F.Cp.(tF – tf) [W]

Trong đó :

F: lưu lượng hỗn hợp đầu F = 11000(kg/h)

t F: Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tF = 116,8296 (oC)

Cp: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp Cp= 3657,24122 (J/kg ) tF: Nhiệt độ môi trường

Thay số :

Nên nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể là :

∆ttb = 2,3lg( )

tc tđ

tc tđ

*) Tính hệ số cấp nhiệt cho từng lưu thể :

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :

Công thức tính : α1 = 2,04.A.(

H t

r

1

Giả sử: Δt1 = 3,2 (0C)

H: Chiều cao ống truyền nhiệt ; H = 2(m)

A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

Ta có :

tm = 143 - 3, 2

2 = 141,4 (0 C)Tra bảng (Tr.29 – Stttt2 ) => A = 194,21

Thay số : α1= 2,04.194,21.(

3 0,25

Prt: Chuẩn số Prand tính theo nhiệt độ trung bình của tường

εk : Hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài L và đường kính d của ống

p: khối lượng riêng của hỗn hợp ở ttb ρ =1073 kg/m3

Theo công thức (I.32 – Tr.123 – Stttt1 ) ta có :

Cp : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp

α2 = 0,021.0,538680,034 (10500)0,8 (2,41249)0,43.(2, 412491,3137 )0,25= 830,769

*) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :

q2 = α 2.∆t2 = 830,769.37,8764=31466,85333 ( W/m2)

Trong đó :

Nhiệt lượng trao đổi Q = 1026186,939 (W)

q tb:Nhiệt tải riêng trung bình về phía dung dịch

d : đường kính trong của ống truyền nhiệt d = 0,038 (m)

H: Chiều cao ống truyền nhiệt , H = 2 (m)

Thay số :

n=π.330,,038137.2

= 138,787

Tổng ống trong tất cả các hình viên phân

Tổng ống trong thiết bị

Dãy 1

Dãy 2

Dãy 3

) / ( 02353 , 0 018 , 1018 169 031

,

3

.

056 , 3 4

0 018 , 1018 031 , 0

10 35534 , 0 10000

.

s m d

W

tr

ρ µ

112597 ,

0

02353 , 0 112597 ,

W

W W

Do đó cần chia ngăn để quá trình cấp nhịêt ở chế độ xoáy

02353 , 0

112597 ,

Quy chuẩn : 5 ngăn

Tính lại chuẩn số Reynols :

Đường kính trong của thiết bị : D= 800 (mm )

Chiều cao ống truyền nhiệt : H=2 (m )

 Chiều cao thùng cao vị :

∆ : áp suất bổ sung ở cuối đường ống , ∆P k=0

*)Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến cô đặc :

11000 4 3600

.

ρ λ

Chọn chiều dài ống dẫn là l =3m , dtd= 0,08m Chỉ số Reynold :

Ta có: Regh=

8 7

td

L P

4 3

Số van trên đường ống dẫn 1

Chọn van tiêu chuẩn tra bảng ( II.16 - Tr 399 - Stttt1 ) có ξ=0,5

hai khuỷu tạo góc 90 độ ξ = 1,1 tra bảng ( pl3 - Sbttt1 )

td

L P

464,9157 265,727 172,191

3600 3600.3,14.0,034 1073.

5

F

m s n

d m

2 1

 

Khi chất lỏng chảy ra khỏi thiết bị (đột thu) ta có :

2

0,00524

0,093 0,05652

, 9 1073

26 , 21052 2582

, 17 26 , 46 626 , 4

= +

+ +

=

∆Ρ +

∆Ρ +

∆Ρ +

∆Ρ

= Η

ρ

Tổng tổn thất do ma sát và áp lực cục bộ là :

) ( 188 , 2 0956 , 0 08577 , 0 00647 , 2

3 2

Coi chất lỏng chảy hết thùng cao vị thì chất lỏng chảy xuống từ mặt cắt 1-1

Áp dụng pt Becnuli cho mặt cắt 1-1 và 2-2 Chọn mặt cắt 0-0 làm chuẩn :

3 1

2 1

2 2

H2

2 2

1 1

 Tính thiết bị ngưng tụ

Chọn thiết bị ngưng tụ Baromet - thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược

chiều chân cao

Nguyên lý làm việc chủ yếu trong các thiết bị ngưng tụ trực tiếp là phun nước lạnh vào trong hơi , hơi tỏa ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại Do đó thiết bị ngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không có giá trị hoặc không tan trong nước vì chất lỏng sẽ trộn lẫn với nước làm nguội

Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều loại khô

được mô tả như hình vẽ Thiết bị gồm thân hình trụ (1) có gắn những tấm ngăn hình bán nguyệt (4) có lỗ nhỏ và ống Baromet (3) để tháo nước và chất lỏng đã ngưng tụ ra ngoài

Hơi vào thiết bị đi từ dưới lên , nước chảy từ trên xuống , chảy trần qua cạnh tấm ngăn , đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làm nguội

cà chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống Baromet , khí không ngưng đi lên qua ống (5) sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống Baromet Khí không ngưng được hút ra qua phía trên bằng bơm chân không

Ống Baromet thường cao H>10,5m để khi độ chân không trong thiết bị có tăng thì nước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là : nước tự chảy ra được không cần bơm nên tốn ít năng lượng , năng suất lớn

Trong công nghiệp hóa chất , thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao ngược chiều

loại khô thường được sử dụng trong hệ thống cô đặc nhiều nồi , đặt ở vị trí cuối

hệ thống vì nồi cuối thường làm việc ở áp suất chân không

Sơ đồ thiết bị Baromet :

Các thông số vật lý của hơi nước khi ra khỏi nồi 2 được liệt kê ở bảng dưới :

Kg/h

Pat

.

2

2 2

G

n d c

n

n

c i

(kg/h)Trong đó : i là nhiệt lượng riêng của hơi ngưng

t2d; t2c là nhiệt độ của nước lạnh vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

chọn t2d=25oC , t2c=50oC

Cn nhiệt dung riêng của nước:

( ) o

d c

0 413 , 4081

000025 ,

0

000025

,

h kg

W G

W

= + +

+

=

+ +

=

Thể tích không khí cần hút ra khỏi thiết bị ngưng tụ :

Thiết bị ngưng tụ trực trực tiếp loại ướt lấy :

tkk=t2d +4+0,1.( t2c- t2d) = 25 + 4 + 0,1 (50 – 25) = 31,5°C

Ph=0.0475 áp suất riêng phần của hơi nước bão hòa tra bảng ( I.250 - Tr.314 - Sttt1 )

Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ (Dtr) tính theo công thức (VI.52 - Tr.84- Stttt2 )

ρh là khối lượng riêng hơi thứ ở 59,7oC

wh =35(m/s) là vận hơi trong thiết bị ngưng tụ

- Kích thước tấm ngăn :

Chiều rộng tấm ngăn hình viên phân tính theo công thức ( VI.53 - Tr.85 - Stttt2 )

) ( 400 50 2

700 50

Chọn chiều dày tấm ngăn δ =4 mm( )

Tổng diện tích bề mặt của các lỗ trong toàn bộ bề mặt cắt ngang của thiết bị ngưng tụ tính theo công thức ( VI.54 - Tr.85 -Stttt2 )

) ( 04175 , 0 62 , 0 1000 3600

77247 , 93202

Gn lưu lượng nước

ρn = 1000 (kg/m3 )khối lượng riêng hơi thứ

Các lỗ được xếp theo hình lục giác đều , bước ống tính theo công thức :

( )0 1 5 6 3693 ( )

5 866 , 0

mm d

f

f d