Đồ án cô đặc NaOH

Đồ án Môn học Quá Trình Và Thiết Bị Hóa học. Sinh viên trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Giáo viên hướng dẫn: Phó GS - TS Trịnh Văn Dũng. Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc NaOH 2 nồi liên tục ngược chiều có buồng đốt ngoài thẳng đứng

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC Bộ môn: Quá trình Thiết bị CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC Môn học: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ - MSMH: 605040 Họ tên sinh viên: Ngành: Trần Trọng Thiện Kỹ thuật Hóa vô MSSV: 61203593 Lớp: HC12VS Đầu đề đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc xút hai nôi ngược chiều buồng đốt thẳng đứng Nhiệm vụ (nội dung yêu cầu số liệu ban đầu): • Năng suất: 4000 kg/h • Nồng độ NaOH ban đầu: 13% • Nồng độ NaOH sau cô đặc: 40% Nội dung phần thuyết minh tính toán: • Tổng quan • Quy trình Công nghệ • Tính toán Công nghệ • Tính toán khí • Tính toán thiết bị phụ • Kết luận • Tài liệu tham khảo Các vẽ đồ thị (loại kích thước vẽ): vẽ thiết bị (A1) vẽ qui trình công nghệ (A1) Ngày giao đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Ngày bảo vệ hay chấm: Chủ nhiệm môn (kí ghi rõ họ tên) Ngày 25 tháng 12 năm 2015 Người hướng dẫn (kí ghi rõ họ tên) Trịnh Văn Dũng Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Trịnh Văn Dũng MỤC LỤC Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị LỜI NÓI ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình Thiết bị hội tốt cho việc hệ thống kiến thức trình thiết bị công nghệ hóa học Bên cạnh đó, môn học dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế, lựa chọn chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể, thông dụng Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc xút hai nồi ngược chiều buồng đốt thẳng đứng đồ án thực hướng dẫn trực tiếp Thầy Trịnh Văn Dũng, môn Quá trình Thiết bị - khoa Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Em xin chân thành cảm ơn Thầy Trịnh Văn Dũng thầy cô môn Quá trình Thiết bị nhiệt tình giúp đỡ em trình thực đồ án Vì Đồ án Quá trình Thiết bị đề tài lớn mà sinh viên đảm nhận nên nhiều thiếu sót hạn chế trình thực Vì lý đó, em mong nhận thêm nhiều góp ý, dẫn từ thầy cô để củng cố mở rộng kiến thức chuyên môn Em xin chân thành cảm ơn Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung natri hydroxit (NaOH) 1.1.1 Tính chất vật lí hóa học NaOH Natri hydroxyt khối tinh thể không suốt có màu trắng, không mùi Dễ tan nước, tan nhiều rượu không tan ete NaOH có trọng lượng riêng 2,02 Độ pH 13,5 Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ± 0,9 oC Nhiệt độ sôi 1388oC Hấp thụ nhanh CO2 nước không khí, chảy rữa biến thành Na2CO3 NaOH bazơ mạnh; có tính ăn da, khả ăn mòn thiết bị cao; trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động Ngoài ra, NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt hòa tan vào nước nên hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh 1.1.2 Điều chế ứng dụng Trong phòng thí nghiệm: 2Na +2H2O > 2NaOH + H2 2NaO + H2O > 2NaOH Trong công nghiệp: Trước kia, người ta điều chế NaOH cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch natri cacbonat loãng nóng: Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3 Ngày người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hòa: 2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH NaOH dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm dược phẩm, làm khô khí thuốc thử thông dụng phòng thí nghiệm hóa học 1.2 Sơ lược trình cô đặc Cô đặc trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhiệt độ sôi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể - Thu dung môi dạng nguyên chất Quá trình cô đặc tiến hành nhiệt độ sôi, áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), hệ thống thiết bị cô đặc hay hệ thống nhiều thiết bị cô đặc 1.2.1 Lựa chọn thiết bị Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc nồi, làm việc liên tục, có buồng đốt đối lưu tự nhiên Thiết bị cô đặc có cấu tạo phức tạp, khó vệ sinh sửa chữa Tuy nhiên, có ưu điểm giảm bớt khoảng cách theo chiều cao buồng đốt không gian bốc hơi, điều chỉnh tuần hoàn Một không gian nối với hai nhiều buồng đốt luân phiên sửa chữa buồng đốt mà ngừng sản xuất Ngoài hoàn toàn tách hết bọt buồng đốt cách xa không gian Quá trình cô đặc tiến hành áp suất chân không nhằm làm giảm nhiệt độ sôi dung dịch, giảm chi phí lượng, hạn chế biến đổi chất tan 1.2.2 Sơ đồ thiết minh quy trình công nghệ Dung dịch ban đầu thùng chứa (13) bơm ly tâm (14) bơm lên thùng cao vị (1) qua van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng qua lưu lượng kế sau vào thiết bị gia nhiệt (2) Tại thiết bị gia nhiệt (2) dung dịch gia nhiệt đến nhiệt độ sôi nồi Dung dịch sau đưa vào buồng đốt (5) nồi Tại nồi dung dịch NaOH bốc phần buồng bốc (4), thứ thoát lên qua thiết bị ngưng tụ (6), ngưng tụ lượng khí không ngưng lại bơm chân không hút sau qua thiết bị thu hồi bọt (7) Còn sản phẩm bơm vào nồi để tiếp tục trình cô đặc, đến nồng độ yêu cầu đưa vào bể chứa sản phẩm (11) Ở nồi đốt cung cấp từ vào, nồi đốt thứ nồi CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 2.1 Tính cân vật chất Thông số số liệu ban đầu: - Nồng độ dung dịch đầu: 13% - Nồng độ dung dịch cuối: 40% - Năng suất ban đầu dung dịch: 4000 kg/h Phương trình cân vật chất cho toàn hệ thống: Gđ = Gc+ W Trong đó: Gđ, Gc lượng dung dịch đầu cuối (kg/h) W: lượng thứ thoát toàn hệ thống (kg/h) Vậy lượng thứ thoát toàn hệ thống (công thức VI.1; STQTTB T2/ 55) xd 13 4000.(1 − ) xc 40 W = Gđ - Gc = Gd(1)= = 2700 (kg/h) Trong đó: xđ, xc nồng độ dung dịch vào nồi đầu nồi cuối (% khối lượng) Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi Ta có: W= W1+ W2 = 2700 (kg/h) Giả sử chọn tỉ số thứ bốc lên từ nồi : Khi ta có hệ phương trình: Giải hệ ta có kết quả: W1 = 1,1 W2 W1 = 1414,3 kg/h W2 = 1285,7 kg/h Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi 1: X1= Gd X d Gd − (W1 + W2 ) = 40% Nồng độ cuối dung dịch khỏi nồi 2: Gd X d Gd − W1 X2= = 20,11% Trong đó: X1, X2: nồng độ cuối dung dịch nồi (% khối lượng) W1, W2 : lượng thứ bốc lên từ nồi (kg/h) Gd : lượng dung dịch đầu (kg/h) Xd: nồng độ đầu dung dịch (% khối lượng) 2.2 Cân lượng 2.2.1 Xác định áp suất nhiệt độ nồi Gọi P1, P2, Pnt áp suất nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ ∆P1: hiệu số áp suất nồi so với nồi ∆P2: hiệu số áp suất nồi so với thiết bị ngưng tụ ∆Pt: hiệu số áp suất hệ thống Giả sử chọn: Áp suất đốt vào nồi 1: P1=4 at Áp suất thiết bị ngưng tụ Baromet: Pnt= 0,2 at Khi hệ số áp suất cho hệ thống cô đặc là: ∆Pt = P1-Pnt= 4- 0,2 = 3,8 at ∆P1 ∆P2 Chọn tỉ số phân phối áp suất nồi là: =5 Kết hợp với phương trình ∆P1+∆P2= ∆Pt= 3,8 at Suy ra: ∆P1= 3,167 at ∆P2= 0.633 at => P2= P1- ∆P1= 4- 3.167= 0.833 at Xác định nhiệt độ nồi Gọi: thd1, thd2, tnt nhiệt độ vào nồi 1, 2, thiết bị ngưng tụ tht1, tht2 nhiệt độ thứ khỏi nồi 1, Giả sử tổn thất nhiệt độ đường ống từ nồi sang nồi 10C tht1= thd2+ tht2= tnt+ Tra bảng : I 250, STQTTB, T1/ 312 vàI.251, STQTTB, T1/ 314 Bảng 2.1: Tóm tắt nhiệt độ, áp suất (giả thiết) dòng Nồi Áp suất Nhiệt độ Loại Hơi đốt Hơi thứ (at) 0,864 (oC) 142,9 95,056 Nồi Áp suất Nhiệt độ (at) 0,833 0,211 (oC) 94,506 60,7 Thiết bị ngưng tụ Áp suất Nhiệt độ (at) (oC) 0,2 59,7 2.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ Tổn thất nhiệt độ hệ thống cô đặc bao gồm: tổn thất đường ống, tổn thất áp suất thủy tĩnh tổn thất trở lực đường ống 2.2.2.1 Tổn thất nhiệt nồng độ gây (∆’): Ở áp suất, nhiệt độ sôi dung dịch lớn nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất Hiệu số nhiệt độ sôi dung dịch dung môi nguyên chất gọi tổn thất nhiệt nồng độ gây Ta có: ∆'= t0sdd- t0sdmnc (ở áp suất) Áp dụng công thức Tisenco: ∆'= ∆'o F Với f =16,2 × Trong ∆'o : tổn thất nhiệt độ tsdd > tsdm áp suất thường f: hệ số hiệu chỉnh Ts : nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất (oK) r: ẩn nhiệt hóa nước áp suất làm việc (J/kg) Bảng 2.2: Tra bảng VI.2, STQTTB, T2/ 67 I.251, STQTTB, T1/ 314 Nồi 1: Nồng độ dung dịch (% khối lượng) Nồi 40 Nồi 20,11 ∆'o (oC) Áp suất thứ (at) 28 0,864 8,52 0,211 Nhiệt hóa r (J/kg) 2272,86.103 2355,57.103 × ∆'1= ∆'0 16,2 (Ts + 273)2 r1 × = (95, 056 + 273) 28 ×16, × 2272,86.103 (73,72 + 273)2 r2 × 8,52 ×16, × = 27,040C (60,7 + 273) 2355, 57.103 × Nồi 2: ∆'2= ∆'0 16,2 = Vậy tổng tổn thất nhiệt độ nồng độ toàn hệ thống: = 6,520C ∆'= ∆'1+∆'2= 27,04+ 6,52 = 30,560C 2.2.2.2 Tổn thất nhiệt áp suất thủy tĩnh (∆’’ ): ∆ Nhiệt độ sôi dung dịch cô đặc tăng cao hiệu ứng thủy tĩnh "(tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh tăng cao): Áp suất thủy tĩnh lớp khối chất lỏng cần cô đặc: h Ptb = P0 + (h1 + ) ρdds g (N/m2) h2    ( h1 + ) ρdds g  Ptb = P0 +    9,81.10    Hay (at) Trong đó: P0 : áp suất thứ mặt thoáng dung dịch (N/m2) h1 : chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch (m) h2 : chiều cao ống truyền nhiệt (m) ρ dds : khối lượng riêng dung dịch sôi (kg/m3) g :gia tốc trọng trường (m/s2), g=9,81 m/s2 ∆" Vậy ta có: = ttb – t0 , độ; Ở đây: ttb - nhiệt độ sôi dung dịch ứng với áp suất ptb, 0C; t0 - nhiệt độ sôi dung môi ứng với áp suất p0, 0C Bảng 2.4: Tra bảng I.22 STQTTB T1/34 Nồi i Hơi đốt x% 40 20,11 to(0C) 95,056 60,7 142,9 p0(at) 0,864 0,211 ρdd 1378,5 1195,5 ρdds 689,25 597,75 Chọn h1= m (cho nồi), h2= m (cho nồi) Áp suất thủy tĩnh nồi: Nồi 1: h2    (h1 + ) ρdds1 g  Ptb1 = P0 +    9,81.10    ⇒ = 0.864 +    (1 + ) × 689, 25 × 9,81g    9,81.104     t0tb1= 100,19 0C (Tra STQTTB T1/311.) ⇒ = 1,036 at ∆"1= t0tb1- t0s= 100,19 - 95,056 = 5,134 0C Nồi 2: h2    (h1 + ) ρ dds g  Ptb = P0 +    9,81.10    ⇒ = 0,36 at t0tb2=72,95 0C (Tra STQTTB T1/311.) ⇒ ∆"2= t0tb2- t0s2= 72,95- 60,7= 12,250C Vậy tổng tổn thất áp suất thủy tĩnh: ∆"= ∆"1+∆"2= 5,134 + 12,25= 17,3840C 2.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ đường ống gây ra: Chọn tổn thất nhiệt độ nồi 10C Tổn thất nhiệt độ đường ống gây cho hệ thống: ∆"' = 20C 2.2.2.4 Tổn thất nhiệt độ hệ thống: ∑∆= ∆'+∆"+∆"' = 30,56 + 17,384 + = 52,9440C 2.2.2.5 Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi hệ thống: Chênh lệch nhiệt độ hữu ích nồi: Nồi 1: ∆ti1= thd1- thd2 - ∑∆1 = 142,9- 94,056-(27,04+ 5,134 + 1)= 15,6750C Nồi 2: ∆ti2= thd2- tnt- ∑∆2 = 95,056- 60,7- (6,52+ 12,25+ 1)= 12,5810C Nhiệt độ sôi thực tế: Nồi 1: ⇒ ∆ti1= thd1- ts1 ts1= thd1 - ∆ti1= 142,9- 15,675= 127,2250C Nồi 2: ⇒ ∆ti2=thd2- ts2 ts2= thd2- ∆ti2= 94,056- 12,581= 79,4750C Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho hệ thống: ∆hi= thd1- tnt- ∑∆= 142,9-60,7- 52,944= 30,256 0C 2.2.3 Nhiệt dung riêng C(J/kg.độ) Nhiệt dung riêng dung dịch có nồng độ nhỏ 20% tính theo công thức I.43; STQTTB T1/ 152 : C= 4186.(1-x) ( J/kg.độ) x nồng độ chất tan (% khối lượng) Nhiệt dung riêng đầu có nồng độ xđ= 13% Cd= 4186.(1-0,13)= 3641.82 J/kg.độ Nồi 1: x1= 40% => C1= 4186(1-0,4)= 3035.9 J/kg.độ Nồi 2: x2= 20,11% => C2= 4186(1-0,2011)= 3599.45 J/kg.độ * Nhiệt lượng riêng Gọi: D1, D2: lượng đốt vào nồi nồi (kg/h) Gđ, Gc lượng dung dịch đầu, cuối (kg/h) W, W1, W2: lượng thứ bốc lên hệ thống nồi (kg/h) I1, I2: hàm nhiệt đốt nồi nồi i1, i2: hàm nhiệt thứ nồi nồi (J/kg) Cđ, Cc: nhiệt dung riêng dung dịch đầu cuối (J/kg.độ) tđ, tc: nhiệt độ đầu cuối dung dịch 0C θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng nồi nồi 0C Cng1,Cng2: nhiệt dung riêng nước ngưng nồi nồi 0C Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất môi trường xung quanh từ nồi nồi 2(W) * Nhiệt lượng vào gồm có - Nồi 1: - Nhiệt đốt mang vào: D1I1 Nhiệt dung dịch đầu mang vào: (Gđ-W2).C2ts2 Nồi 2: - Nhiệt lượng đốt mang vào (hơi thứ nồi 1): W1i1=D2I2 Nhiệt dung dịch sau nồi mang vào: GđCđtđ * Nhiệt mang gồm Nồi 1: - Hơi thứ mang ra: W1i1 - Do dung dịch mang ra: (Gd-W)C1.ts1 - Do nước ngưng tụ: D1Cng1θ1 - Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1) - Nồi 2: - Hơi thứ mang ra: W2i2 Do dung dịch mang ra: (Gd-W2)C2ts2 Do nước ngưng tụ: D2Cng2θ2 Do tổn thất chung: Qtt2=0,05D2(I2-Cng2θ2) Phương trình cân nhiệt lượng 10 ⇒ Chọn đường kính lỗ d= (mm) 500 b= + 50 = 300 Ta có: (mm) Chiều cao gờ cạnh ngăn 40 mm Tổng diện tích bề mặt lỗ toàn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ nghĩa f = Gn = (m ) ωc cặp ngăn: Với: Gn lưu lượng nước m3/s; Gn phụ thuộc vào nước ngưng tụ thường thay đổi theo giới hạn 15-60 (W) ωc ωc tốc độ tia nước (m/s); chọn =0,62 (m/s) ρn : khối lượng riêng nước kg/m3 ρn = 992, 25 Theo bảng I.5 STQTTB T1/ 11 chọn (kg/m3) 10, 47 ⇒ f = = 0, 017 0, 62 × 992, 25 (m2) Các lỗ ngăn xếp theo hình lục giác nên ta xác định bước lỗ công thức: t = 0,866.d fc f tb (công thức VI.55 STQTTB T2/ 85) Với: d: đường kính lỗ mm fc f tb : tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ, thường lấy 0,025 – 0,1 fc f tb Vậy chọn =0,1 ⇒ t = 0,866 0,1 =0,55(mm) 4.2.3 Chiều cao thiết bị ngưng tụ Để chọn khoảng cách trung bình ngăn tổng chiều cao hữu ích thiết bị ngưng tụ, ta dựa vào mức độ đun nóng nước thời gian lưu nước thiết bị ngưng tụ Mức độ đun nóng nước xác định công thức: t −t P = 2c 2d t bh −t2 d (Công thức VI.56 STQTTB T2/ 85) Với t2c, t2d nhiệt độ cuối, đầu nước tưới vào thiết bị (oC) 43 tbh nhiệt độ nước bão hoà ngưng tụ (oC) 45 − 25 ⇒P= = 0,5477 59, − 25 Tra bảng VI.7 STQTTB T2/ 86 ta có: Số ngăn n= 4; số bậc = 2; khoảng cách trung bình ngăn htb= 400 mm Tra bảng VI.8,STQTTB,T2/ 88, ta có: + Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a= 1300 mm + Khoảng cách tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi: K1= 675 mm + Chiều cao hệ thống thiết bị: H= 4300 mm + Đường kính thiết bị thu hồi: D1= 400 mm 4.2.4 Kích thước ống Baromet Áp suất thiết bị ngưng tụ 0,2 at; để tháo nước ngưng ngưng tụ cách tự nhiên thiết bị phải có ống Baromet Đường kính ống Baromet xác định theo công thức: dB = 0,004.(Gn + W2 ) π ω m (công thức VI.57 STQTTB T2/ 86) Với: Gn : lượng nước làm nguội (kg/s) W: lượng ngưng tụ vào thiết bị (kg/s) ω: tốc độ hỗn hợp nước, chất lỏng ngưng chảy ống baromet thường lấy (0,5- 0,6) m/s; chọn ω= 0,5 m/s ⇒ dB = 0, 004 ( 10, 47 + 0,362 ) = 0,166 3,14 × 0,5 (m) Chiều cao ống baromet xác định theo công thức H= h1+ h2+ 0,5 (m) (công thức VI.58 STQTTB T2/ 86) Với: h1 chiều cao cột nước ống cân với hiệu số áp suất khí áp suất thiết bị ngưng tụ (m) h2 chiều cao cột nước ống baromet cần để khắc phục toàn trở lực nước chảy ống (m) b ( m) 760 Ta có: h1= 10,33 (công thức VI.59 STQTTB T2/ 86) Ở b độ chân không thiết bị ngưng tụ (mmHg): b= (1-0,2).760 = 608 (mmHg) 608 ⇒ h1 = 10,33 = 8, 264 760 (m) h2 = Và ω2  H   + λ + ∑ ξ ÷(m ) 2g  d  (công thức VI.60 STQTTB T2/ 87) 44 Hệ số trở lực vào đường ống lấy h2 = ξ =0,5; khỏi ống lấy ξ =1 công thức có ω2  H  2,5 + λ ( m) 2g  d  dạng sau: Với: H: toàn chiều cao ống Baromet (m) d: đường kính ống Baromet (m) λ : hệ số ma sát nước chảy ống λ Để tính ta tính hệ số chuẩn Re chất lỏng chảy ống Baromet: d ρ ω Re = B n µ ( công thức II.4 STQTTB T1/ 359) Với: dB đường kính ống dẫn ρn o khối lượng riêng nước t 1v= 35 C, ρn =994,06 kg/m3 (Tra bảng VI.8 STQTTB T2/ 88) (Bảng I.5 STQTTB T1/ 11) µ µ độ nhớt nước 35 oC ; =0,7225.10-3 N.s/m2 (Bảng I.102 STQTTB T1/94) 0, 41× 992, 25 × 0,5 ⇒ Re = = 2,82.105 0, 7225.10−3 > 104 Vậy ống baromet có chế độ chảy xoáy, chế độ chảy xoáy ta xác định hệ số ma sát theo công thức sau:  6,81  0,9 ∆  = −2 lg  +  3,7  λ  Re  (Công thức II.65,STQTTB,T1/380) ∆ Với: : độ nhám tương đối xác định theo công thức sau: ε ∆= d td (Công thức II.65 STQTTB T1/380) ε Trong đó: độ nhám tuyệt đối h2 = 0,52  H  2,5 + 0,014  × 9,81  0, 41 ÷  =0,031855+0,0012.H Và H= h1+ h2+ 0,5= 8,264+ h2+ 0,5 Giải hệ phương trình ta được: H=8,74 (m) h2= 0,0105 (m) Ngoài lấy thêm chiều cao dự trữ để tránh tượng nước dâng lên ngập thiết bị 0,5(m) Suy chiều cao Baromet 9,74 (m) thực tế người ta chọn chiều cao Baromet H= 12(m) 45 4.3 Chọn bơm 4.3.1 Bơm chân không Ngoài tác dụng hút khí không ngưng không khí, bơm chân tác dụng tạo độ chân không cho thiết bị ngưng tụ thiết bị cô đặc Trong thực tế trình hút khí trình đa biến nên: k −1   k   P k  N= P1 v kk   − 1  P   µ ck ( k − 1)   (Công thức 3.3; trình thiết bị công nghệ hoá chất thực phẩm T1/Trang 119) Với P1: áp suất khí lúc hút (N/m2) ; P1= Pkk P2: áp suất khí lúc đẩy (N/m2) k: số đa biến có giá trị từ 1,2 đến 1,62; Chọn k= 1,62 µ ck µ ck : hiệu số khí bơm chân không kiểu pittông; = 0,9 N: công suất tiêu hao (W) Vkk: thể tích khí không ngưng không khí hút khỏi hệ thống (m3/s) P1=Pkk= (0,2- 0,0461).98100= 15097,59 (N/m2) Chọn P2= Pkq= 1,033 (at)= 101337,3 (N/m2) 1,62−1   1,62 1, 62 101337,3    = 1062, 22 ⇒N= ×15097,59 × 0, 0226  −  15097,59 ÷  0,9 ( 1, 62 − 1)    (W) Vậy công suất tiêu hao bơm chân không N= 1062,22 (W) N N dc = β η tr η dc Công suất động cơ: (công thức II.250 STQTTB T1/Trang 466) β β β Với: :là hệ số dự trữ công suất,thường lấy =1,1-1,15, chọn =1,12 η tr η tr η tr :hiệu suất truyền động (thường chọn =0,96 ÷ 0,99), chọn =0,96 η dc η dc :hiệu suất động cơ,lấy =0,95 1062, 22 ⇒ N dc = 1,12 = 1304, 48 0,96 × 0,95 (W) Vậy công suất động bơm chân không Ndc= 1304,48(W) 4.3.2 Bơm dung dịch 4.3.2.1 Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ Chọn bơm ly tâm guồng để bơm nước lạnh lên thiết bị ngưng tụ, ta chọn chiều cao ống hút ống đẩy bơm là: Ho= 18 m Chiều dài toàn đường ống là: 22 m Đường kính ống dẫn nước: 46 d= Gn 10, 47 = = 0, 08 0, 785.ω.ρ 0, 785 × × 997, 08 (m) Công suất động tính theo công thức sau: N= Q.H ρ g ( KW) 1000η ρ (CT II.189,STQTTB,T1/Trang 439) : khối lượng riêng nước 25 oC N: công suất cần thiết bơm (KW) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất toàn phần (áp suất cần thiết để chất lỏng chảy ống) η η : hiệu suất bơm, chọn =0,85 (Bảng II.32 STQTTB T1/ Trang 439, chọn η = 0,8 − 0,94) Với: Q= Gn (m / s) ρ Tính Q: Với: Gn lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ (kg/s) 10, 47 ⇒Q = = 0, 0105 997, 08 (m3/s) Tính H: H = Hm + Ho+ Hc (m) (công thức II.185 STQTTB T1/Trang 438) Với : Hm trở lực thủy lực mạng ống Hc chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút H o tổng chiều dài hình học mà chất lỏng đưa lên (gồm chiều cao hút chiều cao đẩy) Tính Hm:  l ω H m =  λ + ∑ξ  ( m)  d  2.g Với: l: chiều dài toàn ống, l =22 m d: đường kính ống, d = 0,08 m ω : tốc độ nước ống (m/s) λ : hệ số ma sát ∑ξ : trở lực chung Re = ω.d.ρ n µ Hệ số ma sát xác định qua chế độ chảy Re: µ µ Với: độ nhớt nước 25 oC, =0,8937.10-3 N.s/m2 47 × 0, 08 × 997, 08 = 1, 785.105 0,8937.10 −3 104 > Nên ống có chế độ chảy xoáy Tính hệ số ma sát: ⇒ Re =  6,81  0,9 ∆  = −2 lg  +  3,7  λ  Re  Với: ∆ (CT II.65 STQTTB T1/Trang 380) độ nhám tương đối xác định theo công thức sau : ∆= Trong đó: ε 0,1.10−3 = = 0,5.10 −3 dtd 0, ε độ nhám tuyệt đối; ε= 0,1(mm) dtd đường kính tương đương ống (m)    ÷  ÷ ⇒λ = ÷ = 0, 0191 0,9 −3   6,81 0,5.10    −2 lg ÷ +  ÷ ÷  1, 785.10 3,      (W/m.độ) Tổng trở lực: (theo bảng II.26 STQTTB T1/ trang 382) ∑ξ o Ta có: cửa vào = 0,5 (Bảng N 10) ∑ξ o cửa ra= (Bảng N 10) ξ o khuỷu ống= 0,38 (6 khuỷu) (Bảng N 29) ξ o van tiêu chuẩn= (Bảng N 37) ξ o van chắn= 0,5 (Bảng N 43) ⇒ ∑ ξ = 0,5 + + × 0,38 + + 0,5 = 8, 28 Vậy 22   22 H m =  0, 0191 + 8, 28 ÷ = 2, 77 0, 08   × 9,81 (m) Hc = P2 − P1 ( m) ρ g Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: Với: P1, P2: áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy ( 0, − 1) × 98100 = −8, 023 Hc = 997, 08 × 9,81 (m) Áp suất toàn phần bơm: 48 H= 2,77 +18+ (-8,023)= 12,747 (m) Công suất bơm: 0, 0105 ×12, 747 × 997, 08 × 9,81 N= = 1,54 1000 × 0,85 (kW) Công suất động điện: N 1,54 N dc = = = 1, 689 ηtr ηdc 0, 96 × 0,95 (kW) Người ta thường lấy động có công suất lớn công suất tính toán để tránh tượng tải Vì Ndc nằm khoảng 1-5 KW nên tra bảng II.33 STQTTB T1/Trang 440 chọn hệ số β dự trữ =1,4 × Suy ra: N= β.Ndc= 1,4 1,689 = 2,36 (KW) 4.3.2.2 Bơm dung dịch lên thùng cao vị: Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút chiều cao đẩy 18 m Công suất bơm tính theo công thức: H Q.ρ g N= 1000.η (CT II.189 STQTTB T1/Trang 439) η η Với: : hiệu suất bơm, chọn = 0,85 (Bảng II.32 STQTTB T1/ Trang 439) ρ: khối lượng riêng NaOH, Cd= 13 % ; t= 250C => ρ = 1142 (kg/m2) (tra bảng I.2 STQTTB T1/ trang 9) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động ống H = H m + Hc + Ho Với: Hm: trở lực mạng ống Hc : chênh lệch áp suất cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút đẩy, chọn: Ho = 18 (m) Q= Gđ ρ Tính Q: (m3/s) Với: Gđ lượng dung dịch đầu (kg/s) 4000 Q= = 9, 73.10−4 1142 × 3600 (m3/s) Tính H: *Tính Hm: 49  ω H m =  λ + ∑ξ   d  2.g d= (m) Q 7,93.10 −4 = = 0, 022 ( m ) ω.0, 785 × 0, 785 Chọn d = 0,04(m) µdd = 2,1 (N.s/m2) (tra bảng I.107 STQTTB T1/ trang 100) hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re : ω.d ρ dd × 0, 04 ×1142 Re = = = 4,352.10 > 104 µ dd 2,1.10−3 Nên ống có chế độ chảy xoáy Tính hệ số ma sát:  6,81  0,9 ∆  = −2 lg  +  3,7  λ  Re  (công thức II.65 STQTTB T1/Trang 380) ∆ độ nhám tương đối xác định theo công thức sau : ε ∆= d td Trong : dtd đường kính tương đương ống (m) ε độ nhám tuyệt đối ; ε= 0,1 (mm) 0,1.10−3 ⇒∆= = 2,5.10−3 0, 04 Suy ra:    ÷  ÷ λ = ÷ = 0, 0282 0,9 −3  −2 lg  6,81  + 2,5.10  ÷   ÷  3,  ÷  4,352.10    (W/m.độ) Tổng trở lực: (theo bảng II.16 STQTTB T1/ trang 382) ∑ξ o cửa vào=0,5 (Bảng N 10) ∑ξ o cửa ra= (Bảng N 10) ξ o khuỷu ống= 0,38 (3 khuỷu) (Bảng N 29) 50 ξ van tiêu chuẩn = 4,9 (Bảng No37) ξ = 8,61 (Bảng No47) ⇒ ∑ ξ = 0,5 + + × 0,38 + 4,9 + 8, 61 = 16,15 van chắn 22   22 H m =  0, 0282 + 16,15 ÷ = 6, 45 0, 04   × 9,81 (m) Hc = P2 − P1 ( m) ρ g Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: Với: P1, P2: áp suất tương ứng đầu ống hút, cuối ống đẩy ( 2,5 − 1) 98100 = 13,13 Hc = 1142 × 9,81 (m) Áp suất toàn phần bơm: H= 6,45+18+13,13= 37,58 (m) Công suất bơm: N= 9, 73.10 −4 ×1142 × 9,81 × 37,58 = 0, 482 1000 × 0,85 (KW) Công suất động điện: N 0, 482 N dc = = = 0,5285 ηdc ηtr 0,96 × 0,95 (KW) Người ta thường lấy động có công suất lớn công suất tính toán để tránh tượng tải Vì Ndc nằm khoảng 1-5 KW nên tra bảng II.33 STQTTB T1/Trang 440 chọn hệ β số dự trữ = 1,8 N = β N dc = 1,8 × 0,5285 = 0,9213 Suy ra: (KW) 4.3.2.3 Bơm dung dịch từ nồi vào nồi 1: Chọn bơm ly tâm với chiều cao hút chiều cao đẩy (m) Công suất bơm tính theo công thức II.189 STQTTB T2/trang 439 H Q.ρ g N= 1000.η (KW) η η Với: : hiệu suất bơm, chọn = 0,85 (Bảng II.32 STQTTB T1/ Trang 439) Dung dịch khỏi nồi có nồng độ x2= 20,11% nhiệt độ 79,4750C Ta có : ρ = 1195,5 (kg/m2) (tra bảng I.2 STQTTB T1/ trang 9) Q: suất bơm (m3/s) H: áp suất cần thiết để dung dịch chuyển động ống H = H m + Hc + Ho 51 Với: Hm: trở lực mạng ống Hc : chênh lệch áp suất cuối ống đẩy, đầu ống hút Ho: chiều cao ống hút đẩy, chọn: Ho = (m) Tính Q : Q= Gd − W2 ρ (m3/s) Với Gd lượng dung dịch đầu (kg/s) ⇒Q = 4000 − 1302, 64 = 6, 267.10−4 1195,5 × 3600 (m3/s) Tính H : Tính Hm :  ω H m =  λ + ∑ξ   d  g d= (m) Q 6, 267.10 −4 = = 0, 02 ω.0, 785 × 0, 785 Ta có: (m) (chọn ω = 2m/s) -3 Và µ= 1,34.10 (N.s/m ) Hệ số ma sát tính qua chế độ chảy Re: ω.d ρ dd × 0, 02 × 1195,5 Re = = = 3,57.104 > 104 −3 µ 1,34.10 Nên ống có chế độ chảy xoáy Tính hệ số ma sát:  6,81  0,9 ∆  = −2 lg  +  3,7  λ  Re  (công thức II.65 STQTTB T1/Trang 380) ∆ độ nhám tương đối xác định theo công thức sau : ε ∆= d td Trong : dtd đường kính tương đương ống.(m) ε độ nhám tuyệt đối ; ε= 0,1 (mm) ⇒∆= 0,1.10−3 = 5.10−3 0, 02 52    ÷  ÷ ⇒λ = ÷ = 0, 033 0,9 −3   6,81 5.10    −2 lg ÷ +  ÷ ÷  3,57.10 3,      (W/m.độ) Tổng trở lực: (theo bảng II.16 STQTTB T1/ trang 382) ∑ξ o cửa vào=0,5 (Bảng N 10) ∑ξ o cửa ra= (Bảng N 10) ξ o khuỷu ống= 0,38 (3 khuỷu) (Bảng N 29) ξ o van tiêu chuẩn= (2 cái) (Bảng N 37) ξ o van chắn= 0,5 (Bảng N 45) ∑ξ × × = 0,5 + + 0,38 + + 0,5= 19,14 22   22 H m =  0, 033 + 19,14 ÷ = 11,3 0, 02   × 9,81 Vậy: (m) Chênh lệch áp suất cuối ống đẩy đầu ống hút: P −P Hc = ρ g (m) Với P1, P2 áp suất tương ứng đầu ống hút cuối ống đẩy ( 2,5 − 0,864 ) 98100 = 13, 68 Hc = 1195,5 × 9,81 (m) Áp suất toàn phần bơm : H= 11,3+ + 13,68= 32,98 (m) Công suất bơm: 32,98 × 6, 267.10−4 ×1195,5 × 9,81 N= = 0, 285 1000 × 0,85 (KW) Công suất động điện: N 0, 285 N dc = = = 0,3125 ηdc ηtr 0,96 × 0,95 (KW) Người ta thường lấy động có công suất lớn công suất tính toán để tránh tượng tải Vì Ndc nằm khoảng 1-5 KW nên tra bảng II.33 STQTTB T1/Trang 440 chọn hệ số β dự trữ = 1,8 53 Suy ra: N = β N dc = 1,8 × 0,3125 = 0,5625 (KW) 4.4 Xác định chiều cao thùng cao vị Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhậu liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thoáng dung dịch nồi cô đặc Áp dụng phương trình Bernoulli với măt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) 2-2 ( mặt thoáng dung dịch nồi cô đặc): Trong đó: v1 = v2 = m/s p1 = at p2 = 0,211 at ρ = 1056 kg/m3 (Dung dịch NaOH 13% 79,4750C) µ = 0,871.10-3Ns/m2 (Dung dịch NaOH 13% 79,4750C) z2 khoảng cách từ mặt thoáng dd nồi cô đặc đến mặt đất z2 = z’ + H = + 5,46 = 6,46 (m) • z’: Khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đến mặt đất • H: Chiều cao mực lỏng nồi cô đặc Đường kính ống nhậu liệu d = 32mm = 0,032 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 15 m Tốc độ dung dịch ống 4000 Gd 3600 v= = d 3,14.0.032 2.1056 3,14 .ρ = 1,3 m/s v.d ρ 1,3.0, 032.1056 = µ 0,871.10−3 Chuẩn số Reynolds: Re = = 50435 > 4000 (Chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mòn ( bảng II.15/381, STQT&TB T1), độ ε nhám tuyệt đối = 0,2 mm = 0,0002 m Re gh tính theo công thức II.60/378 STQT&TB T1 8  0,032   d 7 Re gh =  ÷ =  ÷ ε   0, 0002  Re n = 1982 tính theo công thức II.62/379 STQT&TB T1 54 9  0,032   d 8 Re n = 220  ÷ = 220  ÷ ε   0, 0002   Re gh < Re < Ren  Hệ số ma sát λ = 66383 ( Khu vực độ) tính theo công thức II.64/380 STQT&TB T1 0,25 ε 100   λ = 0,1 1, 46 + ÷ d Re   0,25 0, 0002 100   = 0,1 1, 46 + 0, 032 50435 ÷   = 0,0325 Hệ số trở lực cục bộ: Σξ => = 0,5.1 + + 6.1 + 2.1,5 = 10,5 Tổng tổn thất đường ống: h= v2  l 15   1,3  λ + Σ ξ =  0, 0325 + 10,5 ÷  ÷ 2g  d 0, 032  2.9,81   = 2,217 m  Khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt thoáng: ( 0, 211 − 1) 9,81.10 + 2, 217 p2 − p1 + h = 6, 46 + γ 1056.9,81 z1 = z2 + =1,205 m Vậy chọn khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất m 4.5 Kính quan sát - Vật liệu chế tạo thép CT3 thủy tinh - Đường kính kính quan sát là: Dk = 120mm - Kính dược bố trí ch mực chất lỏng buồng bốc nhìn thấy Do bố trí kính giống bên buồng bốc tạo thành góc 180 Vì thiết bị mực chất lỏng trản sang buồng bốc cách miệng ống truyền nhiệt 1m nên ta đặc kính quan sát cách đáy thân buồng bốc 305mm 55 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Trong thời gian giao nhiệm vụ thiết kế đồ án môn học, với giúp đỡ tận tình thầy Trịnh Văn Dũng thầy cô giáo môn “Quá trình & Thiết bị” em thực nghiêm túc cố gắng hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao Qua trình em rút số nhận xét sau: - Việc thiết kế tính toán hệ thống cô đặc việc làm phức tạp, tỉ mỉ lâu dài Nó yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức chuyên sâu trình cô đặc mà phải biết số lĩnh vực khác như: Cấu tạo thiết bị phụ, Vẽ kỹ thuật, - Các công thức tính toán không gò bó môn học khác mà mở rộng dựa giả thiết điều kiện, chế độ làm việc thiết bị - Việc thiết thiết kế đồ án môn học “ Quá trình thiết bị” giúp em củng cố kiến thức trình cô đặc nói riêng trình khác nói chung; Nâng cao khả tra cứu, tính toán, xử lí số liệu, Mặc dù cố gắng hoàn thành tốt nhiệm vụ hạn chế tài liệu, hạn chế khả nhận thức kinh nghiệm thực tiễn nên không tránh khỏi thiếu sót trình thiết kế Em mong thầy cô xem xét, dẫn thêm 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] – Nhiều tác giả, “Sồ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 [2] – Nhiều tác giả, “Sồ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 2”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 [3] – Nhiều tác giả, “Các trình, thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm, Tập – Công nghệ lạnh”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.HCM, 2007 [4] – Phạm Văn Bôn (chủ biên) – Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm, Tập – Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Quyển – Truyền nhiệt ổn định”, Nhà xuất Đại học quốc gia Tp.HCM, 2011 [5] – Hồ Lê Viên, “Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 [6] – Phạm Văn Bôn, “Giáo trình trình thiết bị công nghệ hóa học thực phẩm, Tập 11 – Hướng dần Đồ án môn học” 57 ... thd 1- thd2 - ∑∆1 = 142, 9- 94,05 6-( 27,04+ 5,134 + 1)= 15,6750C Nồi 2: ∆ti2= thd 2- tnt- ∑∆2 = 95,05 6- 60, 7- (6,52+ 12,25+ 1)= 12,5810C Nhiệt độ sôi thực tế: Nồi 1: ⇒ ∆ti1= thd 1- ts1 ts1= thd1 - ∆ti1=... thd1 - ∆ti1= 142, 9- 15,675= 127,2250C Nồi 2: ⇒ ∆ti2=thd 2- ts2 ts2= thd 2- ∆ti2= 94,05 6- 12,581= 79,4750C Chênh lệch nhiệt độ hữu ích cho hệ thống: ∆hi= thd 1- tnt- ∑∆= 142, 9-6 0, 7- 52,944= 30,256... * Nhiệt mang gồm Nồi 1: - Hơi thứ mang ra: W1i1 - Do dung dịch mang ra: (Gd-W)C1.ts1 - Do nước ngưng tụ: D1Cng1θ1 - Do tổn thất chung: Qtt1= 0,05D(I1-Cng1θ1) - Nồi 2: - Hơi thứ mang ra: W2i2