Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl, 1 nồi liên tục

Thieát keá heä thoáng coâ ñaëc dung dòch NaCl, 1 noài, lieân tuïc. Yeâu caàu thieát keá: Naêng suaát saûn phaåm: 3000 kgh. Noàng ñoä nhaäp lieäu: 10%kl Noàng ñoä saûn phaåm: 20%kl Aùp suaát hôi ñoát: 3 at Aùp suaát ngöng tuï: 0.3 at

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

I NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN:

Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl, 1 nồi, liên tục

Yêu cầu thiết kế:

- Năng suất sản phẩm: 3000 kg/h

- Nồng độ nhập liệu: 10%kl

- Nồng độ sản phẩm: 20%kl

- Aùp suất hơi đốt: 3 at

- Aùp suất ngưng tụ: 0.3 at

II CHỌN LỰA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ:

2.1 Sơ lược về nguyên liệu:

Dung dịch NaCl không màu, có vị mặn

Tinh thể NaCl dễ tan trong nước, độ tan ít thay đổi theo nhiệt độ

Ở 100 0C dung dịch bão hòa là 28.15%, ở 20 0C là 26.4%

Nhiệt độ sôi của dung dịch muối ăn là 109 0C

Dung dịch NaCl được dùng để sản xuất NaOH và các hợp chất có chứa Clo, ngoài ra NaCl còn được dùng làm chất tải lạnh

2.2 Phân loại thiết bị công nghệ:

Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên hay tuần hoàn tự nhiên Thiết bị dạng này dùng để cô đặc các dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức hay tuần hoàn cưỡng bức Thiết bị trong nhóm này dùng cho các dung dịch khá sệt, độ nhớt cao, giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng phần trên bề mặt truyền nhiệt

Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, màng có thể chảy ngược lên hay xuôi xuống Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt 1 lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch

Đối với mỗi nhóm thiết bị đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn hay không Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch mà ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất dư.

2.3 Lựa chọn thiết bị cô đặc:

Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bị cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục, áp suất chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

- Thiết bị cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa và sửa chữa

- Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế không cho NaCl bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị, làm hư thiết bị

- Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp

III THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

Nguyên liệu đầu tiên là NaCl có nồng độ 10%, nhiệt độ 250C được bơm từ bồn chứa vào thiết bị gia nhiệt với suất lượng 6000 kg/h để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi là 73.590C

* Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổ nhiệt dạng ống chùm Thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống và vĩ ống được hàn dính vào thân Hơi nước bão hòa có áp suất 3 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch được bơm vào thiết

bị, đi bên trong ống, từ dưới đi lên Hơi nước bão hòa sẽ ngưng tụ trên các bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dich nâng nhiệt độ của dung dịch lên đến nhiệt độ sôi

Dung dịch sau khi được gia nhiệt, sẽ được đưa vào thiết bị cô đặc, gồm có 3 phần chính

* Buồng đốt: Bộ phận nhận nhiệt là dàn ống, gồm nhiều ống nhỏ, được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều, các đầu ống được giữ chặt trên vĩ ống Trong đó, hơi đốt sẽ ngưng tụ bên ngoài ống và sẽ nhả nhiệt, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống Dung dịch đi bên trong ống từ trên xuống và sẽ nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp và sẽ sôi, làm hóa hơi một phần dung môi Điều kiện cần thiết để quá trình truyền nhiệt xảy ra là phải có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch

Hỗn hợp hơi lỏng đi qua khỏi dàn ống đến buồng bốc

* Buồng bốc: Là phần không gian rộng lớn để tách hỗn hợp lỏng hơi thành

2 dòng, dòng hơi thứ đi lên phía trên buồng bốc đến bộ phận phân ly, dung dịch

còn lại sẽ được hoàn lưu trở lại Nhờ lưc trọng trường, các hạt chất lỏng to sẽ rơi xuống, tách khỏi dòng hơi thứ và chảy xuống dưới, dòng hơi thứ tiếp tục đi lên.

* Bộ phận phân ly: Trong quá trình bốc hơi dung dịch, dòng hơi thứ được tạo thành khi tách khỏi bề mặt dung dịch luôn kéo theo 1 lượng nhất định các hạt lỏng, gây tổn thất dung dịch Do đó, nhiệm vụ của bộ phận phân ly là phải tách các hạt chất lỏng dung dịch còn lại ra khỏi hơi thứ

Dung dịch sau khi ra khỏi nồi cô đặc đạt đến nồng độ 20% được bơm vào bốn chứa Hơi thứ có áp suất 0.314 at được tách lỏng rồi đi đến thiết bị ngưng tụ

* Thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp Chất làm lạnh là nước được đưa vào ngăn trên cùng của thiết bị, dòng hơi thứ được dẫn vào mâm cuối của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành lỏng rơi xuống trở lại, khí không ngưng tiếp tục đi lên trên và được dẫn qua bình tách Khi ngưng tụ chuyển từ hơi thành lỏng thì thể tích của hơi sẽ giảm, làm áp suất giảm, do đó tự bản thân thiết bị áp suất sẽ giảm Vì vậy thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ổn định chân không, nó duy trì áp suất chân không trong hệ hệ thống

* Bình tách là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút ra ngoài

* Quá trình tách nước ra khỏi khí không ngưng để tránh trường hợp nước bị hút vào bơm chân không gây va đập thủy lực Aùp suất làm việc của thiết bị

Baromet là áp suất chân không, do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm

* Bơm chân không có nhiệm vụ là hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tồn tại trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm cho áp suất của thiết bị ngưng tụ tăng lên, có thể làm cho nước chảy ngược lại sang nồi cô đặc

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG:

Hop m Chiều cao chất lỏng theo kính QS

1.1 Cân bằng vật chất:

* Phương trình Cân bằng vật chất: (CT 4.1-[4])

1.2 Tổn thất nhiệt độ:

Ở áp suất khí quyển pk dung dịch xđ =10% có nhiệt độ sôi t =104.88dd 0C

Ở nhiệt độ đó áp suất hơi nước bão hoà là p2=1.2272 at

* Phương pháp Babo: (CT 5.9-[3])

p

p

ptb 0 5gρhh op

0 0

* Nhiệt độ sôi của dung dịch ở áp suất trung bình:

tsdd(ptb) = ∆" + tsdd(p0) = ∆" + (tsdm(p0) + ∆' ) (9)

* Tổn thất nhiệt độ trên đường dẫn hơi thứ: chọn ∆''' = 1 0C

* Tổng tổn thất nhiệt độ:

Hơi thứ

Hơi đốt

Tổn thất nhiệt độ

Nhiệt độ sôi dd áp suất p0 tsdd(p0) 0C 73.59 (3)

Nhiệt độ sôi trung bình dm ttbdm 0C 71.38 Bảng 57-[10]Tổn thất t0 do cột thủy tĩnh ∆" 0C 1.68 (8)Nhiệt độ sôi dd ở áp suất

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích ∆th.i 0C 57.629 (11)

1.3 Cân bằng năng lương:

* Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bị:(CT4.15-[4])

Thông số Ký

hiệu

Cân bằng năng lượng

Nhiệt dung riêng dd 10% xđ Kj/kgđo

Nhiệt dung riêng dd 20% xC Kj/kgđo

Nhiệt lượng do hơi đốt cung

II KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:

K w/m2 độ Hệ số truyền nhiệt tổng quát

2.1 Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

∆

=

2.1.3 Hệ số cấp nhiệt phía ống:

Tính các chuẩn số

µ

ρ β2 2

2 3

q2 = α2∆t2 (31)

* so sánh

%5

%100

Tính các giá trị q1 và q2 , so sánh theo (33)

Nếu không thỏa, ta chọn lại tv1 khác

* Hệ số truyền nhiệt:

α

11

1

+Σ

t

Q

i h

Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ

Chênh lệch nhiệt độ giữa

hơi đốt và vách ngoài ∆

Nhiệt độ trung bình giữa hơi

đốt và vách ngoài

Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ α1 w/m2độ 9151.47 (17)

Nhiệt trở tổng

Nhiệt trở lớp cặn phía trong r1 m2độ/w 0.193x10-3 Bảng 1-[2]

Hệ số cấp nhiệt phía bốc hơi

Chênh lệch nhiệt độ giữa

vách trong và dung dịch ∆t

Hệ số cấp nhiệt phía bốc hơi α2 w/m2độ 1121.933 (30)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt

2.2 Kích thước buồng đốt và buồng bốc:

2.2.1 Kích thước buồng đốt:

* Đường kính ống tuần hoàn: (CT 5.12-[3])

Lấy tròn theo chuẩn (Trang 155-[3])

2.2.2 Kích thước buồng bốc:

* Thể tích hơi trong buồng bốc:

Thể tích buồng bốc: (VI.32-[2])

Buồng bốc

Khối lượng riêng hơi thứ ρh Kg/m3 0.19572 Tra ở 0.314 at

Độ nhớt động học hơi thứ μh Ns/m2 0.012x10-3 Tra

III TÍNH BỀN CƠ KHÍ

* Chọn vật liệu làm buồng đốt và buồng bốc là X18H10T

3.1 Bề dày buồng đốt

Làm việc áp suất trong

Aùp suất làm việc: p = (pD – pa) + ptt = (pD – pa) (48)

<

−

D CBD

a S

(51)

* Aùp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị: ( CT5.11-[5])

[ ] [ ] ( )

( ) p S

S p

C D

C

a BD

a

h >

− +

−

= 2σ ϕ

(52)

3.2 Bề dày buồng bốc:

Làm việc với áp suất ngoài

Cho chiều cao mức chất lỏng trong buồng bốc h = 0.4HBB = 1.28 m

Nhiệt độ tính toán: t = tsdm(p0) + 20 0C (53)

Aùp suất làm việc: p = pa + pCK + ptt= pa + (1 – p0) + ρgh (54)

* Bề dày buồng bốc: (CT5.14-[5])

p D

BB t

chiều cao gờ h = 50 (mm)

* Kiểm tra độ ổn định của thân: (CT5.15-[5])

a

S l

a l

p

D C D

C S D

E

BB

a BB

.

* Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu lực nén chiều trục:

Lực nén chiều trục:

C a

P

C

CT a

S

Π

≥

* Kiểm tra độ ổn định của thân khi chịu tác dụng đồng thời Pn và PTC

Ứng suất nén chiều trục:

K

BB

a t

3.3 Tính bề dày cho đáy thiết bị:

Làm việc với áp suất trong giống Buồng đốt

Chọn đáy hình nón theo tiêu chuẩn, có gờ 2α = 90o

Chọn Sđ = SBD

Chiều cao gờ ht = 50 mm

Chiều cao nón H = 675 ( Bảng XIII.22-[2])

* Kiểm tra áp suất cho phép: (CT6.23-[5])

[ ] [ ] ( ) p

y

S p

3.4 Tính bề dày nắp thiết bị:

Làm viêc với áp suất ngoài giống Buồng bốc

Chọn nắp là elip tiêu chuẩn

Chiều cao gờ : 50 (mm)

Bề dày nắp: Sn = SBB

x S

R C

E

R C

E

t

t C a

t

t

t C a

.6

t

a n

t C

Ứng suất cho phép tiêu

chuẩn

]σ

Bề dày buồng đốt S mm 4 (50)

Aùp suất tính toán cho phép [p] N/mm2 p < 0.563 Thỏa

Buồng bốc

Ứng suất cho phép tiêu

chuẩn

]σ

Kiểm tra độ ổn định của

thân khi chịu tác dụng áp

suất ngoài

1.171 >

1.6917 >

8.77

1.692 <

0.389

(57)-Thỏa(58)-Thỏa

Aùp suất cho phép [p] N/mm2 p < 0.268 (59)-Thỏa

Kiểm tra độ ổn định của

thân khi chịu lực nén chiều

trục

1 <

Ứng suất cho phép chịu nén [σn] N/mm2 101.27 (64)

Kiểm tra độ ổn định khi chịu

đồng thời áp suất ngoài và

PCT

0.737 >

Đáy nón

Aùp suất cho phép [p] N/mm2 p < 0.551 (66)-Thỏa

Nắp elíp

Aùp suất cho phép [p] N/mm2 p < 0.532 (68)-Thỏa

IV ĐƯỜNG KÍNH ỐNG:

ta chọn vận tốc v (m/s)

Lưu lượng thể tích :

Đường kính cửa ra của hơi thứ

Khối lượng riêng hơi thứ ρh Kg/m3 0.19572 Tra ở 0.314 at

Đường kính ống nhập liệu

Khối lượng riêng dd nhập

liệu

Suất lượng nhập liệu Qd m3/s 1.559x10-3

Đường kính ống tháo liệu

Khối lượng riêng sản phẩm ρC Kg/m3 1121.53

Suất lượng tháo liệu Qc m3/s 0.743x10-3

Đường kính ống vào của hơi đốt

Vận tốc hơi đốt vD m/s 20

Đường kính ra của nước ngưng

Khối lượng riêng nước

ngưng

Lưu lượng nước ngưng Vn m3/s 1.062x10-3

Đường kính ra của khí không ngưng

V TÍNH BÍCH:

Chọn bích liền

Do NaCl ăn mòn nên sử dụng đệm amiăng

Vật liệu làm bích là thép CT3

Tra bảng XIII.27-[2] kiểu bích 1 ( ở áp suất 0.3 N/mm2)

hiệu

Bích nối buồng bốc và nắp

* Xét

( D C ) k K Et kU

t C U

U a

Kiểm tra lại ứng suất uốn σU N/mm2 4.696 < [σU] (76)-Thỏa

VII TAI TREO:

Khối lượng tai treo cần chịu:

* Khối lượng thiết bị:

Mtb = Mnắp + Mđáy + MBD + MBB + 2Mvĩ + MốngTN + MốngTH + Mbích + Mbulông

=

444

2 2 2

d d

2 H D

BB BB

Π

H D

H d

Khối lượng ống truyền nhiệt MốngTN Kg 968.52 (82)

Dung dịch

Tai treo (BảngXIII.36-[2])

VIII BẢNG LIỆT KÊ KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH:

hiệu

hiệu

Đường kính các ống

Đường kính ống ra nước

Oáng truyền nhiệt

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ PHỤ

I THIẾT BỊ GIA NHIỆT:

*Lưu lượng hơi đốt:

* Chi phí hơi đốt :

) 1

Hơi đốt

II.THIẾT BỊ NGƯNG TỤ BAROMET:

*Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: (CT VI.51-[2])

C n w

n

W

2 2

h C

C kk

* Kích thước tấm ngăn:

Tấm ngăn có hình viên phân để đảm bảo làm viêc tốt

Chiều rộng tấm ngăn: (CT VI.53-[2])

* Chiều cao thiết bị ngưng tụ:

Mức độ đun nóng nước được xác định:(CT VI.56-[2])

* Kích thước ống Baromet:

Đường kính trong của ống:

* Chiều cao ống Baromet:

Chiều cao cột nước trong ống Baromet cân bằng với hiệu số áp suất khí quyển và áp suất trong thiết bị ngưng tụ:

8 9

1

25 0

Nước làm nguội

Nhiệt dung riêng nước cn Kj/kgđo

Đường kính trong thiết bị

Kích thước tấm ngăn

Đường kính lỗ trên tấm

ngăn

Chiều cao thiết bị ngưng tụ

cùng đến nắp thiết bị

Khoảng cách giữa các ngăn

Tăng 50mm mỗi bậc từ trên xuống

Khoảng cách từ ngăn cuối

cùng đến đáy thiết bị

Kích thước ống Baromet

Tốc độ hh nước và lỏng đã

Chiều cao cột nước CB với

hiệu số pkq và p trong TBNT

Toàn bộ chiều cao ống

Hệ số trở lực vào và ra ε1

ε2

0.5

Chiều cao cột nước cần

khắc phục trở lực khi nước

chảy trong ống

III BƠM:

3.1 Bơm chân không:

Công suất của bơm chân không:

1

1

p

p V

p

kk m

m

N

m m

KK KK CK

3.2 Bơm thường:

H g

Σ = ξvào + ξra + ∑ξkhủy + ∑ξvan (114)

+ Công suất bơm: (Trang 113-{6})

Bơm chân không

Thể tích kk cần rút ra khỏi

TB

Công suất bơm chân không NCK Kw 3.3056 (111)

Bơm nhập liệu

Suất lượng nhập liệu Qd m3/s 1.559x10-3

ξra

ξvan

0.510.5x2

Bơm tháo liệu

Khối lượng riêng sản phẩm ρC Kg/m3 1121.53

Suất lượng tháo liệu Qc m3/s 0.743x10-3

ξra

ξvan

ξkhủy

0.510.5x21.1x2

Chiều cao đưa sản phẩm về

bồn

Aùp suất sau cửa tháo liệu p1 at 0.314

Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

Vận tốc nước chảy trong

ống

CHƯƠNG 4 THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA

Mục tiêu của kiểm soát và điều khiển quá trình là để thu được sản phẩm với nồng độ mong muốn, đảm bảo cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng ở các thiết bị trong suốt quá trình

I CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC:

Tác động nhiễu cho phép ổn định:

* Lưu lượng, nồng độ, nhiệt độ của dung dịch nhập liệu

* Aùp suất hơi đốt

Tác động nhiễu không thể ổn định:

* Nhiệt lượng tổn thất

* Hệ số truyền nhiệt

Các đại lượng cần điều chỉnh:

* Nồng độ sản phẩm

* Lưu lượng nhập liệu

* Aùp suất của hơi thứ

* Mức dung dịch trong nồi cô đặc

* Nhiệt độ dung dịch đầu ra thiết bị gia nhiệt

Tác động điều chỉnh:

* Lưu lượng sản phẩm

* Lưu lượng dung dịch trong nồi

* Lưu lượng hơi đốt

* Lưu lượng nước làm nguội thiết bị ngưng tụ

Các thông số cần kiểm tra

* Aùp suất trong nồi

* Lưu lượng và nhiệt độ dòng nhập liệu

* Mức chất lỏng trong bồn chứa

II HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN:

2 Mức dung dịch trong nồi Suất lượng tháo liệu

3 Aùp suất hơi thứ Lưu lượng nước làm nguội vào TBNT

4 Nhiệt độ nhập liệu Lưu lượng hơi đốt cho TB gia nhiệt

III DỤNG CỤ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN :

Cơ cấu thừa hành sử dụng nguyên tắc truyền động bằng khí nén để đảm bảo an toàn trong sản xuất

Dụng cụ đo được chọn:

* Đo lưu lượng bằng lưu lượng kế với giảm áp thay đổi bao gồm: Thiết bị tiết lưu, hiệu áp kế với tính hiệu điện, dụng cụ ghi và chỉ thị

* Đo áp suất bằng áp kế hộp xếp khí nén có tín hiệu ra dạng khí nén

* Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện có độ chính xác cao

* Đo mức bằng mức kế thũy tĩnh (có phao chìm)

CHƯƠNG 5 TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ CHÍNH

KẾT LUẬNSau khi hoàn thành tập đồ án này, ta có thể rút ra nhận xét:

* Về mặt công nghệ: tương đối đơn giản

* Về mặt thiết bị:

+ Thiết bị hoạt động trong điều kiện chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch thấp, hơi đốt cũng có nhiệt độ thấp, áp suất hơi đốt giảm, giảm chi phí hơi đốt.+ Thiết bị hoạt động liên tục, thích hợp để cô đặc NaCl có độ nhớt thấp

+ Thiết bị sử dụng là ống tuần hoàn, giúp cho quá trình vận chuyển dung dịch NaCl trong nồi dễ dàng, nhưng nhiệt tổn thất ra môi trường cũng nhiều

* Nguyên nhân gây sai số:

+ Các số liệu tra từ sách khác nhau

+ Sai số do qui tròn trong quá trình tính toán

+ Nhiệt tổn thất ra môi trường chỉ là số liệu lý thuyết

Trong đồ án này, em đã vận dụng những kiến thức đã học của bộ môn “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa Học” của Thầy Cô đã truyền đạt cho Nhưng khi áp dụng vào thực tế thì chưa kinh tế và kiến thức thực tế còn kém

Đây là bài tập thiết kế đầu tiên, nên khi bắt tay vào làm còn gặp nhiều lúng túng và không tránh khỏi sai sót Em mong được sự chỉ dẫn của các Thầy Cô

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Phan Hoàng Chiêu và các Thầy Cô đã tận tình dạy và giúp đỡ em hoàn thành Đồ án này