đồ án công nghệ cô đặc Na2CO3 năng suất 15000 kg trên giờ

Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng LỜI NÓI ĐẦU Đối với một sinh viên chuyên ngành công nghệ hóa học, việc nắm vững các kiến thức về môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất là thực sự cần thiết. Việc lĩnh hội các kiến thức này sẽ giúp cho các kỹ sư trong tương lai không những có thể thiết kế, vận hành tốt một quá trình sản xuất và chế biến, mà còn biết cách tối ưu hóa các quá trình và chi phí thiết kế, có ý tưởng cải tiến thiết bị, nâng cao năng suất. Do vậy, với yêu cầu trên, môn học đồ án quá trình thiết bị thật sự mang đến cho em và tất cả sinh viên khác cơ hội để hình dung lại kiến thức đã học và liên hệ thực tiễn sản xuất, chế biến. Để thiết kế được một đề tài, sinh viên cần phải nắm vững tổng quát các kiến thức về các quá trình thủy lực, truyền nhiệt và chuyển khối. Trong công nghệ hóa chất, để làm tăng nồng độ một hóa chất lên nồng độ dùng trong thương mại và công nghiệp, một phương pháp dùng khá phổ biến là cô đặc. Đây cũng chính là đề tài em thực hiện trong đồ án này, cụ thể là thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều. Cấu trúc của tập đồ án có thể chia thành các phần sau:  Chương 1: Tổng quát về sản phẩm, phương pháp cô đặc  Chương 2: Tính toán công nghệ - tính và chọn thiết bị chính  Chương 3: Tính và chọn thiết bị phụ  Tài liệu tham khảo Trong quá trình thực hiện đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy Dương Khắc Hồng và các thầy cô trong khoa. Tuy nhiên, vì hạn chế về thời gian và kiến thức, chắc chắn trong đồ án còn tồn tại nhiều sai sót. Em xin gởi lời cám ơn đến thầy Dương Khắc Hồng và tất cả thầy cô trong khoa đã giúp em hoàn thiện đồ án này, và em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để có được nhiều kinh nghiệm và kiến thức cho bản thân. • SVTT: Phan Văn Hà Trang 1 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 5 I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 5 II. CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 7 III. THIẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 8 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 10 1) Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống 10 2) Sự phân bố hơi thứ trong các nồi 10 3) Nồng độ dung dịch ở từng nồi 11 II. PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI 11 III. TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở MỖI NỒI 12 1) Tổn thất nhiệt độ đo nồng độ ( 12 2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( 13 3) Tổn thất do trở lực của đường ống ( 16 4) Tổn thất do toàn bộ hệ thống 16 5) Hiệu số hữu ích trong toàn hệ thống và trong từng nồi 16 IV. TÍNH NHIỆT LƯỢNG, NHIỆT DUNG RIÊNG,ẨN NHIỆT NGƯNG TỤ 17 1) Tính nhiệt lượng riêng 17 2) Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J/kg.độ 17 3) Lập bảng nhiệt lượng riêng hơi đốt, hơi thứ, nhiệt dung của nước ngưng và nhiệt độ sôi của các dung dịch trong các nồi 18 V. LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG VÀ TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT CẦN THIẾT 18 VI. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH 21 1) Độ nhớt 21 2) Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch 23 3) Hệ số cấp nhiệt 24 4) Hệ số phân bố nhiệt hữu ích 30 5) Tính toán bề mặt truyền nhiệt 32 VII.TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 32 1) Buồng đốt 32 2) Buồng bốc 38 3) Cửa làm vệ sinh 44 VIII.ĐƯỜNG KÍNH CÁC ỐNG DẪN 44 1) Đường kính ống dẫn hơi đốt 44 2) Đường kính ống dẫn hơi thứ 46 SVTT: Phan Văn Hà Trang 2 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng 3) Đường kính ống dẫn dung dịch 46 4) Đường kính ống tháo nước ngưng 48 IX.BỀ DÀY LỚP CÁCH NHIỆT CỦA THIẾT BỊ 50 1) Bề dày lớp cách nhiệt cho các ống dẫn 50 2) Bề dày lớp cách nhiệt cho thân thiết bị 52 X.MẶT BÍCH 54 XI.TAI TREO 56 1) Trọng lượng thân thiết bị 56 2) Tải trọng của ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài 57 3) Trọng lượng của dung dịch trong thiết bị 57 4) Trọng lượng vĩ ống 58 5) Trọng lượng đáy buồng đốt 58 6) Trọng lượng nắp buồng đốt 58 7) Trọng lượng của bích 58 8) Trọng lượng của hơi 60 9) Trọng lượng của lớp cách nhiệt 61 CHƯƠNG 3: TÍNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ I THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET 63 1) Lượng nước lạnh cần để cung cấp cho thiết bị ngưng tụ 63 2) Lượng không khí và không khí ngưng cần hút ra khỏi thiết bị 63 3) Đường kính thiết bị ngưng tụ 64 4) Kính thước tấm ngăn 64 5) Chiều cao thiết bị ngưng tụ 65 6) Kính thước ống Baromet 66 7) Chiều cao ống Baromet 66 II TÍNH TOÁN VÀ CHỌN BƠM 68 1) Bơm chân không 68 2) Bơm ly tâm để bơm nước vào thiết bị Baromet 69 3) Bơm ly tâm bơm dung dịch vào thùng cao vị 72 III THIẾT BỊ GIA NHIỆT DUNG DỊCH ĐẦU 73 1) Tính các dữ kiện ban đầu 73 2) Tính bề mặt truyền nhiệt 74 3) Chia ngăn cho thiết bị 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 SVTT: Phan Văn Hà Trang 3 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng SVTT: Phan Văn Hà Trang 4 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ I TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sản xuất từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi. Nali carbonate (tên thường gọi là sô đa) với công thức hóa học Na 2 CO 3 , là một trong những hóa chất thông dụng đó. Với nhiều ứng dụng trong thực tiễn, hiện nay Na 2 CO 3 đang được sản xuất ngày càng lớn.  Các tính chất vật lý của Na 2 CO 3 Công thức phân tử Na 2 CO 3 Phân tử gam 105.9884 g/mol Bề ngoài Tinh thể màu trắng Tỷ trọng 2.54 g/cm 3 , thể rắn Điểm nóng chảy 851 °C (1124 K) Điểm sôi 1600 °C (2451 K) Độ hòa tan trong nước 22 g/100 ml (20 °C) Độ bazơ (pK b ) 3,67  Các ứng dụng của N 2 CO 3 :  Natri cacbonat với tên thường gặp trong đời sống là sô đa hay bột nở có tác dụng tạo xốp, giòn cho thức ăn và ngoài ra còn có tác dụng làm đẹp cho bánh.  Trong công nghiệp, natri cacbonat được dùng để nấu thủy tinh, xà phòng.  Sản xuất keo dán gương, thủy tinh lỏng. SVTT: Phan Văn Hà Trang 5 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng II CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch bằng cách tách một phần dung môi sang dạng hơi. Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi:  Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi (cô đặc ở trạng thái sôi).  Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần của hơi trên mặt thoáng của dung dịch để tăng tốc quá trình bốc hơi. Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cân bằng với áp suất chung trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng luyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi. Đáng lưu ý là trong quá trình cô đặc nồng độ của chất tan tăng, ảnh hưởng đến quá trình tính toán của thiết bị. Khi đó hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ, độ nhớt μ, tổn thất nhiệt ’ tăng. Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau:  Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng.  Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện, các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocacbon).  Theo chế độ tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên hay cưỡng bức.  Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn. Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch K 2 CO 3 này, ta sử dụng hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều (tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài, vì những ưu điểm như sau:  Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau.  Dung dịch vào nồi đầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng hơi nước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi.  Cô đặc ống tuần hoàn ngoài có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn trong nồi dễ dàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng. Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. III THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SVTT: Phan Văn Hà Trang 6 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng Dung dịch được chứa ở thùng chứa (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị (3). Từ thùng cao vị dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (4) trước khi vào hệ thống cô đặc. Sau đó, dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để nâng đến nhiệt độ sôi. Tiếp theo dung dịch đi vào hệ thống 3 nồi cô đặc (6), dung dịch qua mỗi nồi có nồng độ tăng dần. Hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa để cấp nhiệt. Dung dịch đi trong ống, hơi nước đi ngoài ống. Hơi thứ nồi thứ nhất là hơi đốt nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai là hơi đốt nồi thứ ba. Hơi thứ ra khỏi nồi thứ ba được đưa vào baromet ngưng tụ (7), có tác dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc. Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối nhờ chênh áp. Dung dịch sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa (8). Sơ đồ công nghệ được cho ở sơ đồ dưới đây: CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH I CÂN BẰNG VẬT LIỆU Các số liệu ban đầu: Dung dịch cô đặc: Na 2 CO 3 Năng suất dung dịch đầu: 15000kg/h Nồng độ đầu:10% Nồng độ cuối:25% Áp suất hơi nồi 1:4at Áp suất còn lại trong thiết bị ngưng tụ:0,25at 1. Lượng hơi thứ bốc hơi ra khỏi hệ thống Gọi: G đ , G c là lượng dung dịch lúc đầu và cuối (kg/h) x đ , x c là nồng độ đầu và cuối (% khối lượng) W là lượng hơi thứ bốc hơi trong toàn hệ thống (kg/h) Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống: G đ = G c + W (1) Phương trình cân bằng vật liệu cho chất tan: G đ x đ = G c x c +W x w Ở đây ta coi quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo lượng hơi bốc ra nên ta có: G đ x đ = G c x c (2) Từ (1) và (2) ta có: SVTT: Phan Văn Hà Trang 7 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng W = G đ (1 – ) (3) Theo số liệu đề tài ta có lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống là: 2. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi Gọi W 1 , W 2 , W 3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 (kg/h) Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ: W 1 :W 2 :W 3 =1:1,1:1,2 Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi theo công thức: W = W 1 + W 2 + W 3 Nồi 1: W 1 = = =2727,27 (kg/h) Nồi 2: W 2 =1,1 =1,1 = 3000 (kg/h) Nồi 3:W 3 =1,2 =1,2 =3272,72 (kg/h) 3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi Theo đầu bài dung dịch có nồng độ đầu x đ = và nồng độ cuối, tức khi ra khỏi nồi 3 là x c = 25% Gọi: x 1 , x 2 , x 3 là nồng độ tương ứng trong nồi 1, nồi 2, nồi 3 Vậy: Nồng độ của dung dịch nồi 1: x 1 = G đ . = =12,22% =15000. Nồng độ của dung dịch nồi 2: x 2 = = =16,18% Nồng độ của dung dịch nồi 3: x 3 =25% II PHÂN BỐ ÁP SUẤT LÀM VIỆC TRONG CÁC NỒI Gọi P 1 , P 2 , P 3 , P nt là áp suất hơi đốt trong các nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị nghưng tụ. Giả sử sự giảm áp suất xảy ra giữa các nồi là không bằng nhau và giảm theo tỷ lệ sau: =1,02 Vậy áp suất làm việc ở từng nồi là: SVTT: Phan Văn Hà Trang 8 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng Ta có: ∆P = P 1 - P nt = 4-0,25=3,75 at ∆P = ∆P 1 + ∆P 2 + ∆P 3 =3,75 at =>∆P 1 =1,776 at =>∆P 2 =1,184 at =>∆P 3 =0,789 at Gọi t hđ1 , t hđ2 , t hđ3 , t nt là nhiệt độ của hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2, nồi 3 và thiết bị ngưng tụ. Gọi t ht1 , t ht2 , t ht3 là nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi nồi 1, nồi 2, nồi 3. Coi sự tổn thất nhiệt độ do mất mát khi vận chuyển hơi từ thiết bị này sang thiết bị khác là 1 o C. Do đó t hđ2 = t ht1 – 1 (7) t hđ3 = t ht2 – 1 (8) t nt = t ht3 – 1 (9) Từ áp suất của P ht1 , P ht2 , P ht3 đã biết, ta tra bảng I.251/314 - [1] ta được nhiệt độ hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3, từ đó biết được nhiệt độ hơi đốt của các nồi 1, 2, 3 qua công thức (8), (9). Biết nhiệt độ của hơi đốt ta biết được áp suất của hơi đốt bằng cách tra bảng I.250/312 - [1]: Bảng 1.1 Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 TB baromet P 1 (at) t o C P 2 (at) t o C P 3 (at) t o C P nt (at) t o C Hơi đốt 4 149,2 2,22 121,53 1,04 99,7 0,25 64,2 Hơi thứ 2.297 122.52 6 1.078 101.12 0.26 65.2 III TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Ở MỖI NỒI 1) Tổn thất nhiệt độ do nồng độ (∆’) Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở cùng một áp suất: ∆’ = t o sdd - t o sdm Ta sử dụng công thức Tisencô: Trong đó: ∆’ o là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường: T s là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho (K) r là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc (J/kg) Dựa vào bảng (VI.2/65 - [2]) ta biết được tổn thất nhiệt độ ∆’ o theo nồng độ a (% khối lượng). SVTT: Phan Văn Hà Trang 9 Lớp: DH09H1 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng Bảng 1.2 Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Nồng độ của dung dịch (%kl) 12,22 16,18 25 ∆’ o ( o C) 1,19 1,88 3,25 Dựa vào (I.251/314 - [1]) ta xác định được nhiệt hóa hơi r theo áp suất hơi thứ: Bảng 1.3 Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Áp suất làm việc (at) 2.297 1.078 0.26 Nhiệt hóa hơi r.10 -3 (J/kg) 2197.5 225839 2243.79 Vậy, ta tính được tổn thất nhiệt độ do nồng độ theo các công thức trên Bảng 1.4 Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Nhiệt độ hơi thứ K 396.526 374.12 338.2 Hệ số hiệu chỉnh f 1.38 1.37 1.86 Tổn thất nhiệt độ ∆’ 1.576 1.874 2.558 Suy ra tổng tổn thất nhiệt độ do nồng độ của hệ thống:∑ ∆’=6,008 2) Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) Trong lòng dung dịch, càng xuống sâu nhiệt độ sôi của dung dịch càng tăng do áp lực của cột chất lỏng. Hiệu số của dung dịch ở giữa ống truyền nhiệt và trên mặt thoáng gọi là tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh. ∆’’ = t (P + ∆P) - t P Với: t (P + ∆P) là nhiệt độ sôi ứng với P tb t P là nhiệt độ sôi tại mặt thoáng của dung dịch Tính áp suất thủy tĩnh ở độ sâu trung bình của chất lỏng Theo CT VI.12/55-[2], ta có: P tb = P o + (∆h + )ρ ddsoi .g Với: SVTT: Phan Văn Hà Trang 10 Lớp: DH09H1 [...]... Vkgh = 1,58(m3) Vậy ta tính được chiều cao không gian hơi Hkgh bằng công thức VI.34/72-[2]  Hkgh =  Nồi 2: W1 = 3093,29 kg/ h Nhiệt độ hơi thứ: to = 101,12oC,  ρht = 0,6 (kg/ m3) (nội suy bảng I.250/312-[1]) Với Pht = 1,078 at → f = 0,9 → Utt = 1440 (m3/m3.h) Vkgh = 3,58(m3) Vậy ta tính được chiều cao không gian hơi Hkgh bằng công thức VI.34/72-[2]  Hkgh = SVTT: Phan Văn Hà Lớp: DH09H1 Trang 31 Đồ. .. đốt (J /kg) - i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J /kg) Các giá trị trên được tra trong bảng (tra theo nhiệt độ): I.250/312 - [1] 2 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch C, J /kg. độ Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc: Vì xd = 10% . thống cô đặc. Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối nhờ chênh áp. Dung dịch sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa (8). Sơ đồ công nghệ được cho ở sơ đồ dưới đây: CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ. THIẾT KẾ 5 I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 5 II. CƠ SỞ VÀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC 7 III. THIẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 8 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH I. CÂN BẰNG VẬT LIỆU 10 1) Lượng hơi thứ bốc. Đồ án quá trình thiết bị GVHD: Dương Khắc Hồng LỜI NÓI ĐẦU Đối với một sinh viên chuyên ngành công nghệ hóa học, việc nắm vững các kiến thức về môn học quá trình và thiết bị trong công nghệ