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 kgh , chiều cao ống gia nhiệt h =2m

Antifreeze for recreation vehicles, curling & skating ● 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 đ

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

4 Tính toán thiết bị phụ

5 Tính toán cơ khí

6 Tỏng kết

Ngày giao đề :………ngày hoàn thành:………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

*********

Hà Nội , Ngày … Tháng … Năm 2011 Người nhận xét

Mục lục

1 Giới thiệu chung

2 Tính toán thiết bị chính

*Cân bằng vật liệu

*Tính nhiệt độ, áp suất

3.Tính toán thiết bị phụ

*) Nhiệt lượng trao đổi : ( Q)

*) Hiệu số nhiệt độ hữu ích :

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

*)

Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ :

*)

Hệ số cấp nhiệt phía hỗn hợp chảy xoáy :

*) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch :

*) Bề mặt truyền nhiệt :

*) Số ống truyền nhiệt :

*) Đường kính trong của thiết bị đun nóng

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

*)Trở lực dẫn từ thùng cao vị đén thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :

*)Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu :

2 - Năng suất yêu cầu trên trục bơm :

3- công suất động cơ điện :

4 Tính toán cơ khí và lựa chọn

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 cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu , vận dụng đúng những kiến thức , quy 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 nồixuôi 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

As proven experts, Ward Chemical can produce various concentrations of liquid

calcium chloride Uses of Calcium Chlor

The innate properties of liquid calcium chloride CaCl2 lend this substance to a

variety of applications.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

Antifreeze for recreation vehicles, curling & skating

● 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

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

Nồng độ đầu : xđ = 8 %

xc = 30%

P hơi đốt nồi 1 = 4,1 at

P hơi ngưng tụ = 0,2 at

● tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

từ công thức: ( VI.1 - Tr.55 - Stttt2 )

● Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống

W1: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1

W2: lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2

: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1

: nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi

*Tính nhiệt độ, áp suất

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

(at ) (1)

Р)hd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Р)ng áp suất hơi nước ngưng

● Nhiệt độ, áp suất hơi đốt

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

: chênh lệch áp suất của nồi 1 và nồi 2

: 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

● 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

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

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

Giá trị được tra từ bảng ( VI.2 – Tr.63 – Stttt2 )

Nồi 1:

x=12,6316% =3,4C

Nồi 2 :

x=30% = 12,2C

- Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh ()

(VI.12 - Tr.60 -Stttt2)

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

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

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

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

lượng riêng của dung dịch ở 15C

Hiệu số nhiệt độ hữu ích(:

-Cân bằng nhiệt lượng

W2 ;i2

D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h)

I: hàm nhiệt của hơi đốt (j/kg)

t: nhiệt độ của dung dịch (C)

θ: nhiệt độ nước ngưng (C)

i: hàm nhiệt của hơi thứ (j/kg)

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

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

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

x: là nồng độ % phần khối lượng của

: khối lượng mol của

: nhiệt dung nguyên tử tra bảng (I.141-tr.152-Stttt1)

C=26000 ; C=16800 ; C=9630

Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1:

Phương trình cân bằng vật liệu nồi 2:

Ta có :

Thay số vào ta được :

=3985,2537 (kg/h)

=8066,6667 -=4081,413 (kg/h)

Lượng hơi đốt tính được :

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

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

Chọn Cân bằng vật liệu Sai số W1=4033,3333 (kg/h) W1=3985,2537 (kg/h) W2=4033,3334 (kg/h) W2=4081,413 (kg/h) Giả thiết phân bố áp suất hơi thứ ban đầu chấp nhận được (*) lấy nhiệt độ của nước ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt ● hệ số truyền nhiệt

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở từng nồi tính theo công thức :

Nồi 1: = - =143 - 26,1704 = 116,8296C

Nồi 2: = - = 109 - 24,261 = 84,739C

Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch

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 )

( V.101 - Tr28 - Stttt2 )

Trong đó là hệ cấp nhiệt từ hơi đốt

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 )

=chiều cao ống truyền nhiệt , h = 2 m

bảng (XII.7- Tr.362 - Stttt2 ) có (W/m.độ) và khối lượng riêng (kg/m3)

Khi đó có trở lực là : (m2.độ/W)

Tổn thất nhiệt qua tường ống đó là :

Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 1 là :

(

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

: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi

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

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

M : khối lượng phân tử mol của dung dịch

phần trăm theo mol

( phần mol ) (1)

(g/mol)

Tổn thất nhiệt qua tường ống đó là :

Hệ số cấp nhiệt từ ống truyền nhiệt đến dung dịch trong nồi 2 là

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

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

M: khối lượng phân tử mol của dung dịch

Áp dụng công thức (1)

Vậy giá trị có thể chấp nhận

Hệ số truyền nhiệt giữa hai lưu thể :

(w/m2.độ)

hiệu số nhiệt độ hữu ích nồi i

nhiệt tải riêng trung bình nồi i

Cân bằng nhiệt trong từng nồi của hệ thống :

Phân bố nhệt độ hữu ích trong từng nồi :

Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau

● 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 (25C) khi ra ở nhệt độ sôi 116,8296C

*) Nhiệt lượng trao đổi : ( Q)

Q = F.Cp.(tF – tf) [W]

Trong đó :

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

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

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

tF: Nhiệt độ môi trường

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

Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng tụ :

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

A: Hằng số tra theo nhiệt độ màng nước ngưng

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 t tb ρ =1073 kg/m3

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

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 :

= 138,787

tâm 6

cạnh

Tổng sốốngkhông kểcác ốngtrong cáchình viênphân

Tổng ốngtrong tất

cả cáchình viênphân

Tổng ốngtrongthiết bị

Tính lại vận tốc và chia ngăn :

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

Số ngăn cần thiết : (ngăn)

Quy chuẩn : 5 ngăn

Tính lại chuẩn số Reynols :

Vậy các kích thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu :

Bề mặt truyền nhiệt : F=33

Số ống truyền nhiệt : n=169 (ống )

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

Chiều cao ống truyền nhiệt : H=2 (m )

● Chiều cao thùng cao vị :

Áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống khi dòng

: áp suất cần thiết khắc phục trở lực trong thiết bị =0

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

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

Vậy :

-Trở lực cục bộ :

Công thức tính :

Số van trên đường ống dẫn 1

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

hai khuỷu tạo góc 90 độ tra bảng ( pl3 - Sbttt1 )

Tiết diện ống hơi truyền nhiệt trong mỗi ngăn :

Khi chất lỏng chảy vào thiết bị (đột mở) :

Khi chất lỏng chảy từ khoảng trống vào :

Tra bảng (N13.II.16 -Tr.388 - Stttt1) ,

Khi chất lỏng chảy từ ngăn ra khoảng trống vào đột mở :

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

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 :

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 nướclạnh vào trong hơi , hơi tỏa ẩn nhiệt đun nóng nước và ngưng tụ lại Do đó thiết bịngưng tụ trực tiếp chỉ để ngưng tụ hơi nước hoặc hơi của các chất lỏng không cógiá 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 ngănhình 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 tấmngăn , đồng thời một phần chui qua các lỗ của tấm ngăn Hỗn hợp nước làmnguội cà chất lỏng đã ngưng tụ chảy xuống ống Baromet , khí không ngưng đi lênqua ống (5) sang thiết bị thu hồi bọt (2) và tập trung chảy xuống ống Baromet Khíkhông 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 thìnước cũng không dâng lên ngập thiết bị

Loại này có ưu điểm là : nước tự chảy ra được không cần bơm nên tốn ít nănglượng , 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 :