cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn trung tâm

NỘI DUNGThiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm ,thẳng đứng .Cô đặc dung dịch NaOH với năng suất 5000 kgh ,chiều cao ống gia nhiệt h =2m .Các số liệu ban đầu : Nồng độ đầu của dung dịch là 8% .Nồng độ cuối là 24 % .Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,4 atÁp suất hơi ngưng tụ là : 0,4 at

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Số…………

Họ và tên SV : Lớp :

Khoa : Giáo viên hướng dẫn :

NỘI DUNG

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm ,thẳng đứng Cô đặc dung dịch NaOH với năng suất 5000 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 24 %

-Áp suất hơi đốt nồi 1 là : 4,4 at

-Áp suất hơi ngưng tụ là : 0,4 at

Ngày giao đề :………ngày hoàn thành:………

Mục lục1.Giới thiệu chung

 Lời mở đầu và giới hiệu về dung dịch NaOH

 Hình vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất dung dịch

2.Tính toán thiết bị chính

*Cân bằng vật liệu

 Lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

 Lượng hơi thứ ra khỏi từng nồi cô đặc

 Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi thiết bị

*Tính nhiệt cân bằng

 Áp suất chung của hệ thống

 Áp suất, nhiệt độ của hơi đốt vào mỗi nồi

 Áp suất, nhiệt độ của hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

 Hệ số truyền nhiệt của từng nồi

 Bề mặt truyền niệt của từng nồi

3.Tính toán cơ khí và lựa chọn thiết bị

 Tính thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu(ống chùm)

 Thiết bị ngưng tụ baromet

1 Giới thiệu chung

 Lời mở đầu và giới thiệu dung dịch NaOH

- 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 năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cầndùng 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 tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễvận hành và sửa chữa, hiệu suất xử 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 xử dụnghơi 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 bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.

Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống

cô đặc hai nồi xuôi chiều , ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaOH ,năng suất 5000 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 8%, nồng độ sản phẩm 24%

-Giới thiệu về dung dịch NaOH

Canxi clorua (CaCl2) là một hợp chất ion canxi gồm các yếu tố (một kim

loại kiềm thổ) và clo Nó là một, không màu không mùi, nontoxic giải pháp, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau và cácứng dụng trên thế giới

Canxi clorua (CaCl2), ở dạng lỏng, là một giải pháp hút ẩm cao hòa

tan được cũng tỏa nhiệt Khả năng của nó để vẽ ở độ ẩm từ môi trường xung quanh mình, chống lại sự bốc hơi, và nhiệt phát hành trong một phản ứng hóa học làm cho nó chất hoàn hảo cho việc xây dựng và bảo trì đường

bộ, bao gồm cả băng và kiểm soát bụi và ổn định cơ bản

Ứng dụng của Calcium Chloride

 Cơ sở ổn định cho xây dựng đường

 Freeze-hiệu đinh cát để áp dụng đường mùa đông

 Nước thải tinh chế viện trợ, flocculent, bãi bỏ các phốt phát và fluorides

 Bơm vữa đại lý cho các mỏ và giếng dầu

 Môi trường phụ gia cho xi măng lò nung

 Nitơ ức chế cho các nhà máy phân bón

 Muối thay thế trong thức ăn động vật (như là một bổ sung cho thiếu hụt canxi)

 Phân bón hữu cơ canxi

 Khoan muds

 Lạnh chất lỏng

 Lỏng kiểm soát mùi

 Điều chỉnh độ pH đất

 Chất chống đông cho xe vui chơi giải trí, quăn & rinks trượt băng và nhiều hơn nữa

 : Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh

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

(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 sp (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)

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

Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 5000 kg/h Nồng độ đầu : xđ = 8%

xc = 24%

P hơi đốt nồi 1= 4,4 at.

P hơi ngưng tụ= 0,4 at.

*Cân bằng vật liệu

tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống

từ công thức: ( VI.1-tr.55-T2)

Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi

Chọn tỷ lệ hơi thứ:

Nồng độ cuối của dung dịch

- nồi 1

(VI.2a-tr57-T2)

khối lượng 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

- nồi 2 xc2=24% khối lượng

*tính nhiệt độ, áp suất

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

at

Рhd1: áp suất hơi đốt nồi 1

Рng: áp suất hơi nước ngưng

 Nhiệt độ, áp suất hơi đốt

Nồng độ

%

Nhiệt độ sôioC Khối lượng

riêng (*)kg/m3

(VI.10-tr.59-T2)

(VI.11-tr.59-T2)

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

r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước

Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh

(VI.12-tr.60-T2)

Phti: áp suất hơi thứ nồi i

h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt

h2: chiều cao ống truyền nhiệt

khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (bảng I.31-tr38-T1)

Độ cao của mức dung dịch trong ống truyền nhiệt được xác định theo côngthức thực nghiệm:

-cân bằng nhiệt độ

D1; I1 W2 ;i2

Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của hệ thốngD: lượng hơi đốt vào nồi 1

I: hàm nhiệt của hơi đốt

t: nhiệt độ của dung dịch

θ: nhiệt độ nước ngưng

i: hàm nhiệt của hơi thứ

Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt (bảng I.148-tr.166-T1)

(J/kg.độ)

(J/kg.độ)Nhiệt dung riêng của CaCl2 tính theo công thức I.41-tr.152-T1

đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo I.43-tr.152-T1

đối với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo I.44-tr.152-T1

Trong đó n: là số nguyên tử của nguyên tố Ca, Cl trong CaCl2

: là nhiệt dung riêng của dung dịch CaCl2 ở nồng độ x x: là nồng độ %phần khối lượng của CaCl2

: khối lượng mol của BaCl2

: nhiệt dung nguyên tử tra bảng I.141-tr.152-T1

Phương trình cân bằng vật liệu nồi 1

phương trình cân bằng vật liệu nồi 2

Chọn Cân bằng vật liệu Sai số

W1=2722 (kg/h) W1=2600 (kg/h)

W2=2378 (kg/h) W2=2700 (kg/h)

(*) 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:

Nồi 2:

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 đôt 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-T2

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)

Nồi 1:

Giả thiết

Từ bảng tr.29-T2 suy ra A1=194.31

Thiết bị sau một thời gian sử dụng sẽ có cặn bẩn bám ở phía trong vàphía ngoài ống truyền nhiệt gây tổn thất nhiệt Giá trị này được tra ở bảng V.1-tr.4-T2 (bề dày các chất này là 0.0005m)

Hơi nước có

Cặn bẩn có rcặn

Chọn vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt là thép CT3 dày 0.002m, từ bảngXII.7-tr.313-T2 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

: hệ số hiệu chỉnh, tính theo công thức VI.27-tr.71-T2

là các hằng số vật lý của nước theo nhiệt độ sôi dung dịch

là các hằng số vật lý của dung dịchT=115.227oC (w/m.độ) (kg/m3) (N.s/m2) (J/kg.độ)

Dung dịch 0.595 1209 3558

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch CaCl2 tính theo công thức I.32-tr.123-T1

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-T2

T=80.745oC (w/m.độ) (kg/m3) (N.s/m2) (J/kg.độ)Nước 0.68 971.323 4196.192Dung dịch 0.468 1114.35 3233.25

Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch CaCl2 tính theo công thức I.32-tr.123-T1

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 chung bình nồi i

Cân bằng nhiệt trong từng nồi của hệ thống:

Ở nồi 2 có hiện tượng quá nhiệt của dung dịch, lượng nhiệt cần thiết ở nồi

2 là:

Nồi

2

Bề mặt truyền nhiệt bằng nhau

Tổng bề mặt truyền nhiệt bé nhất

1

2

Hệ số truyền nhiệt còn được tính theo công thức:

Nồi 1: (w/m2.độ)

So sánh giá trị của hệ số truyền nhiệt trong hai cách tính ta được:

Chọn theo phương pháp bề mặt truyền nhiệt bằng nhau F=58.56 m2 (buồngđốt)

Tuy nhiên, theo bảng (VI.6-tr.80-T2) thì Fchuẩn lấy bằng 63(m2)

3 Tính toán cơ khí và lựa chọn

 tính buồng đốt

-Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt (n) của cả hai nồi bằng nhau và được tính theo công thức:

F: bề mặt trao đổi nhiệt của nồi (m2)

dtr: đường kính ống truyền nhiệt (m)

h2: chiều cao ống truyền nhiệt

Chọn Dtr theo tiêu chuẩn là: 1.2 (m)

-Chiều dày của buồng đốt (S)

: hệ số bền, ứng suất chịu kéo nén

Tra bảng XII.4-tr.309-T2 đối với thép CT3 có

ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác định theo công thức (XIII.1) và bảng XIII.3

ứng suất cho phép giới hạn chảy tính theo công thức XIII.2 và bảng XIII.3

thiết bị thuộc nhóm 2 loại II (bảng XIII.2)

giá trị hệ số an toàn bền (bảng XIII.3)Chọn (giá trị nhỏ)

: hệ số bền của thành hình trụ

; P: áp suất làm việc của thiết bị (lấy bằng áp suất hơi đốt)

Theo bảng XIII.9 lấy

-Kiểm tra độ bền theo áp suất thử

độ bền an toàn

hệ số bền hàn tra bảng XIII.8-tr.362-T2

-Chiều dày đáy buồng đốt tính theo công thức (XIII.47-tr385-T2)(đáy dạng elip có gờ)

Trong đó: hb=0.3(m) chiều cao phần lồi của đáy bảng XIII.10

hệ số bền của mối hàn hướng tâm bảng XIII.8 k=1 hệ số đối với đáy có lỗ được tăng cứng hoàn toàn

Chiều cao gờ h=25(mm) tra theo bảng XIII.12-tr.385-T2

-Tính toán lưới đỡ

Lưới đỡ ống phải đảm bảo giữ chặt ống sau trong quá trình thiết bị làmviệc

Chiều dày tối thiểu của mạng ống là:

-bền với môi trường hóa chất cũng như hơi nước

-bền dưới tác dụng của các loại ứng suất

Kiểm tra mạng ống theo giới hạn bền uốn với điều kiện:

: áp suất làm việc

dn=38(mm): đường kính ngoài ống truyền nhiệt

Vậy thỏa mãn điều kiện nên chọn bề dày lưới đỡ là:13(mm)

 Tính buồng bốc

Thể tích của không gian hơi (Vb) xác định theo công thức:

(VI.32-tr.71-T2)

Trong đó: W là lượng hơi thứ ra khỏi thiết bị (kg/h)

: khối lượng riêng của hơi thứ (kg/m3)

Utt: cường độ hơi bốc cho phép trong khoảng không gian hơi (m3/m3.h)

Chọn Db=1.4(m) theo tiêu chuẩn Hb=1.6 (m)

Vì dung dịch khi sôi tạo bọt mạnh nên chọn Hb=2.5m (tr.73-T2)

Khi đó thể tích buồng bốc là:

Chiều dày buồng bốc

Xét

Bỏ qua giá trị Pht1 ở mẫu, khi đó:

Vì (S-C)<10 (mm) nên thêm 2mm vào C

Tính nắp buồng bốc

-Chiều dày nắp buồng bốc tính theo công thức (XIII.47-tr385-T2)

(nắp dạng elip có gờ)

Trong đó: hb=0.35(m) chiều cao phần lồi của nắp bảng XIII.10

hệ số bền của mối hàn hướng tâm bảng XIII.8

k=1 hệ số đối với đáy có lỗ được tăng cứng hoàn toàn

Có (S-C)<10mm nên thêm 2mm vào Sd

Quy chuẩn để dễ chế tạo cũng như ghép nối

Kiểm tra độ bền của đáy thiết bị:

Bích nối liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫnTên thiết

D(mm)

Bích liền bằng thép để nối thiết bị

Dtr

D Kích thước nối

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) db Z(cái) (mm)Cửa sửa

chữa

400500

515630

475580

450550

411511

M16M20

2016

4320

lưu lượng dung dịch ra tính theo công thức:

Khi đó đường kính trong của ống dẫn dung dịch ra là:

Quy chuẩn dtr=0.05(m)

Trong đó w=1(m/s)

-ống tháo nước ngưng và xả khí không ngưng

ống tháo nước ngưng

Trong quá trình thiết bị hoạt động, khi hơi nước truyền nhiệt sẽ ngưng tụ

và di chuyển xuống dưới Việc tháo nước ngưng tránh được tổn thất nhiệt của hơi, giảm áp suất tổng của thiết bị,… nên cần tháo triệt để Chọn kiểu ống tháo nước ngưng ở đáy(lưới đỡ ống) chọn đường kính trong của ống dẫn là 10mm và cửa ra là 20mm

-cửa xả khí không ngưng

Trong hơi nước đưa vào thiết bị có chứa một phần khí, khi hơi nước ngưng

tụ thì khí này tách ra và ở trong thiết bị sẽ làm tăng áp suất tổng, giảm áp suất riêng phần của hơi thứ nên cần định kỳ xả khí không ngưng Chọn đường kính trong bằng 50mm

-ống dẫn hơi thứ ra

Quy chuẩn dtr=0.20mm

 Tính tai treo

Tính khối lượng nồi khi thử thủy lực

Gnk là khối lượng nồi không

Gnd là khối lượng nước đổ đầy nồi

 tính Gnk

-khối lượng đấy nồi và nắp buồng đốt

Tra bảng XIII.11-tr.384-T2 chiều dày và khối lượng đáy và nắp elip có

gờ

Với Dtr=1200 mm, S=6 mm thì ta có m=79

Vậy

-khối lượng thân buồng đốt

là khối lượng riêng của thép C

là thể tích thân buồng đốt

h2=2(m) là chiều cao của buồng đốt

-khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng đốt

-tính khối lượng thân buồng đốt

là thể tích thành thân buồng bốc

hb=2.5(m) chiều cao buồng bốc

Dnbb; Dtrbb là đường kính ngoài và trong của buồng bốc

-Khối lượng nắp và đáy buồng đốt

M=106(kg) tra bảng XIII.11-tr.384-T2 tại Dtrbb=1400(mm)-khối lượng 4 bích ghép thân và đáy buồng bốc