Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm

Đồ án môn học quá trình và thiết bị. Bộ môn quá trình và thiết bị. Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài: Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm. Giáo viên hướng dẫn: Trịnh Văn Dũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp.HCM

Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

Bộ môn Quá trình & Thiết bị

ĐỒ ÁN MÔN HỌCQUÁ TRÌNH và THIẾT BỊ

Mục lục

Phần I: TỔNG QUAN 1

I.Tính chất NaOH 1

II.Phương pháp chế biến 1

III.Thiết bị cô đặc 1

IV.Phương pháp cô đặc 1

Phần II.THUYẾT MINH QUY TRÌNH 2

Phần III Tính toán và thiết kế thiết bị chính 3

I.TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3

1 Dữ kiện ban đầu 3

2.Năng suất nhập liệu 3

3 Lượng hơi thứ bốc lên toàn hệ thống 3

4 Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi 4

5 Xác định nồng độ dung dịch từng nồi 4

II CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG 4

1.Xác định áp suất và nhiệt lượng mỗi nồi 4

2.Xác định nhiệt độ tổn thất 5

3 Hiệu số hữu ích giữa các nồi 6

4.Cân bằng nhiệt lượng 6

III TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT 8

1.Tính nhiệt lượng hơi đốt cung cấp 8

2 Tính hệ số truyền nhiệt mỗi nồi 8

3.Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực mỗi nồi 10

IV.TÍNH KÍCH THƯỚC BUỒNG ĐỐT VÀ BỐC 11

1.Tính kích thước buồng bốc 11

2.Kích thuốc buồng đốt 12

V.Kích thước ống dẫn liệu tháo liệu 14

1.Ống nhập liệu nồi 1 14

2.Ống tháo nồi 1 và nhập nồi 2 14

3.Ống tháo nồi 2 14

4.Ống dẫn hơi đốt nồi 1 15

5.Ống dẫn hơi thứ nồi 1 15

6.Ống dẫn hơi thứ nồi 2 15

VI.TÍNH CƠ KHÍ 15

1.Tính thân buồng đốt 16

2.Tính thân buồng bốc 17

3.Tính nắp 19

4.Tính đáy 19

5.Tính bu lông và bích 20

6.Tính vỉ ống 21

7.Tính tai treo 21

Phần IV.TÍnh toán thiết bị phụ 23

1.Thiết bị ngưng tụ baromet 23

2.Bồn cao vị 26

3.Bơm 27

4.Thiết bị gia nhiệt 32

5 Cửa sửa chửa 35

6.Cửa quan sát 35

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Họ và tên : Lê Phúc Sang Lớp : HC12VS Khoa : Kĩ thuật hóa học

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Trịnh Văn Dũng

NỘI DUNG ĐỀ BÀI

Thiết kế thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch NaOH

-Năng suất sản phẩm: 3500 kg/h

-Nồng độ đầu: 15% khối lượng

-Nồng độ cuối: 41% khối lượng

-Áp suất ngưng tụ: Pnt = 0,2 at

Nhận xét của giáo viên

TP.HCM ,ngày tháng năm

Người nhận xét

Phần I: TỔNG QUAN

I.Tính chất NaOH

-Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388 oC dưới áp suất khí quyển NaOH tan tốt trong nước (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín

- Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao Vì vậy, tacần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH

II.Phương pháp chế biến

Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng vớidung dịch Na2CO3 loãng và nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ rất loãng,gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu

III.Thiết bị cô đặc

-Có nhiều loại thiết bị cô đặc, bao gồm : thiết bị cô đặc có

+ Buồng đốt ngoài thẳng đứng

+ Buồng đốt treo

+ Buồng đốt ngoài nằm ngang

+ Buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm

+ Buồng đốt trong có ống tuần hoàn ngoài

-Tùy vào trường hợp mà ta có thể sử dụng các thiết bị cô đặc khác nhau thì ở đồ án này chọn thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuàn hoàn trung tâm, sở dĩ chọn thiết bị này vì thiết bị này có cấu tạo đơn giản , dễ vệ sinh và sửa chửa tuy nhiên thiết bị này cho tuần hoàn nhỏ nên

hệ số truyền nhiệt thấp , năng suất sẽ không cao so hơn với thiết bị có buồng đốt ngoài

IV.Phương pháp cô đặc

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng suất cực đại

và thời gian cô đặc ngắn nhất

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên quá lớn vì nó làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp; đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế

- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn Có thể được điều khiển tự động nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy

Phần II.THUYẾT MINH QUY TRÌNH

-Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 15% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ được bố trí theo đỉnh hình tam giác đều Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 3.7 at đi bên ngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau khi được gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi Hơi nước ngưng

tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy ra ngoài Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyền nhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hoá hơi một phần dung môi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy ra ngoài

-Nguyên tắc hoạt động của ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từdưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệt lớn hơn Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành 2 dòng Hơi thứ

đi lên phía trên buồng bốc, đến bộ phận tách giọt để tách những giọt lỏng ra khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống dưới còn hơi thứ tiếp tục đi lên Dung dịch còn lại được hoàn lưu.Hơi thứ đi ra

từ nồi 1 sẽ tiếp tục được dùng để đun nóng cho nồi 2 Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoàitheo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh là nước được bơm vào ngăn trên cùng còn dòng hơi thứ được dẫn vào ngăn dưới cùng của thiết bị Dòng hơi thứ đi lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng và cùng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọt rồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơi giảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet là thiết bị ổn định chân không, duy trì áp suất chân không trong hệ thống Thiết bị làm việc ở áp suất chân không nên nó phải được lắp đặt ở độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tựchảy ra ngoài khí quyển mà không cần bơm Bình tách giọt có một vách ngăn với nhiệm vụ táchnhững giọt lỏng bị lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa về bồn chứa nước ngưng Bơm chân không có nhiệm vụ hút khí không ngưng ra ngoài để tránh trường hợp khí không ngưng tích tụ trong thiết bị ngưng tụ quá nhiều, làm tăng áp suất trong thiết bị và nước có thể chảy ngược vào nồi cô đặc

Phần III Tính toán và thiết kế thiết bị chính

2.Năng suất nhập liệu

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Áp dụng phương trình cân bằng vật chất

=> Gđ xđ = Gc.xc

=>

3500*0.41

9566.6670.15

d

c c d

G x G

Theo công thức 5.16, trang 293, [5]:

Gđ = W + Gc

⇒ W = Gđ – Gc = 9566.667 – 3500 = 6066.667 kg/h

4 Chọn tỉ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi

Giả sử tỷ lệ hơi bốc lên từ nồi 1 và nồi 2 là :

1 2

d d c

d

G x x

G W

Nồng độ cuối ra khỏi nồi 2: x”c =41%

II CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

1.Xác định áp suất và nhiệt lượng mỗi nồi

Theo đề bài ta có Pnt =0.2 at , chọn áp suất hơi đốt vào nồi 1 là P1=3.7 at

 HIệu số áp suất của hệ thống cô đặc : Pt =P1 – Png = 3.7 – 0.2= 3.5 at

Chọn tỷ số phân phối giữa các nồi là : P1/P2=4/3

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(oC)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(oC)Hơi đốt 3.7 139.9 1.7 114.5

0.2 59.7Hơi thứ 1.76 115 0.21 60.7

2.Xác định nhiệt độ tổn thất

a.Tổn thất do nồng độ tăng cao ’

Theo công thức của Tisencô (VI.10), trang 59, [2]:

i

t f

r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc

Tra bảng VI.2, trang 67, [2]:

2252 10 C



Tại nồng độ x’c= 41% ta có ’o =29.4oC ,r0=2221.103 J/kg



Với Po: Áp suất hơi thứ

h1: chiều cao lớp dung dịch sôi, chọn h1 =1m

h2: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h2 =2m

dds



: khối lượng riêng dung dịch sôi= nửa khối lượng riêng dd sôi ở 20 oC

Tra bảng I.23 trang 34 ST QTTB tập 1 :

Nhiệt độ sôi thức tế nồi 2 là ts2=T2- =115-18.53=95.97t2 oC

4.Cân bằng nhiệt lượng

a.Tính nhiệt lượng riêng mỗi nồi

Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức (I.43)

    

J/kg.KVới các giá trị Can,CO,CH tra ở bảng I.141 trang 152 ST QTTB tập 1

D: Lượng hơi thứ đốt toàn hệ thống kg/h

i: Hàm nhiệt tương ứng của hơi

C: Nhiệt dung riêng dung dịch ứng với mõi nồng độ

:nhiệt độ nước ngưng

T:nhiệt độ của dung dịch

III TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT

1.Tính nhiệt lượng hơi đốt cung cấp

 : Hiệu số nước ngưng và nhiệt phía mặt tường tiếp xúc hơi, chọn =0.7

α – hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng; W/(m2.K)

r - ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hoà

H - chiều cao ống truyền nhiệt (H = h0 = 2 m)

A - hệ số, đối với nước thì phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tm

 :thừa số lí tính của NaOH=0.76

9647.4

885.8910.89

2

9225.75

497.8818.53

i i

hi

i i

i

t Q

t

Q K

885.89 497.88

i hi

i i

t Q

t

Q K

885.89 497.88

i hi

i i

t Q

t

Q K

Thỏa mãn điều kiện

4.Diện tích bề mặt truyền nhiệt

CT tổng quát: hi

Q F

1

3502 2152000 / 3600

209.97885.89 11.2558

hi

Q F

2

3077.88 2152000 / 3600

210.02497.88 18.16

hi

Q F

W V



 m3/sTrong đó:

W – suất lượng hơi thứ; kg/h

ρh = 0,13423 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc (tra bảng I.251, trang

b h

V F

 = 0,012.10-3 Pa.s – độ nhớt động lực học của hơi thứ ở (tra hình VI, trang 57, [8])

Tốc độ lắng: Được tính theo công thức (5.14), trang 276, [5]

 = 1440 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng ở tsdm(po) (tra bảng I.249, trang 311, [1])

h

 = 0,13423 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ ở áp suất buồng bốc

d – đường kính giọt lỏng; m Chọn d = 0,0003 m (trang 292, [5])

b

W V

U : Cường độ bốc hơi U t=U t’.f, với f bằng 1.1 và U t’=1650 m3/m3.h

Vậy chiều cao buồng bốc:

4 4 12.63

2.792.4

l = 2 m – chiều dài của ống truyền nhiệt

d – đường kính của ống truyền nhiệt, chọn loại ống có đường kính d=38mm

Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 1045 và bố trí ống theo hình lục giác đều

b.Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Ap dụng công thức (III.26), trang 121, [6]:

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm và ống đốt được bố trí theo hình lục giác

đều, đường kính trong của buồng đốt được tính theo công thức (III-52), trang 135, [4]

2 0.4 .sin 60 ( 2 )

= 0.6 m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 215 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt

Ta cần thay thế những ống truyền nhiệt ở giữa hình lục giác đều bằng ống tuần hoàn trung tâm Điều kiện thay thế được suy ra từ công thức (V.140), trang 49, [2]:

Dth ≤ t.(b-1) + 4.dn  b 9.4 chọn b là 11 ống theo bảng V.11, trang 48, [2] Như vậy, vùng ống truyền nhiệt cần được thay thế có 11 ống trên đường xuyên tâm

Số ống truyền nhiệt được thay thế là

Số ống truyền nhiệt còn lại là n’ = 1045 – 91 = 954 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là

( ' t th) (954 0.038 0.6) 231

F  n d D   H      H 

231>215  thỏa

V.Kích thước ống dẫn liệu tháo liệu

Đường kính của các ống được tính một cách tổng quát theo công thức (VI.41), trang 74, [2]:

4

G d

G =6478.78 kg/h =1.8 kg/s

v = 1.2m/s

 = 1243kg/m3

4 4 1.8

0.04 1.2 1243

4 4 0.972

0.03 1 1440

Ống dẫn ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng ống nhập liệu =0.05m

 = 0,95 – hệ số bền mối hàn (tra bảng VIII.8 STQTTB tập 2 trang 362)

t

D = 2000 mm – đường kính trong của buồng đốt

p= 0,36297 N/mm2 – áp suất tính toán của buồng đốt

C= Ca + Cb + Cc + C0: Hệ số bổ sung bề dày

Chọn hệ số ăn mòn hoá học là Ca = 1 mm (thời gian làm việc 10 năm)

Vật liệu được xem là bền cơ học nên Cb = Cc = 0

Chọn hệ số bổ sung do dung sai của chiều dày C0 = 0,22 mm (theo bảng XIII.9, trang 364, [2])

⇒ Hệ số bổ sung bề dày là: C = Ca + Cb + Cc + C0 = 1 + 0 + 0 + 0,22 = 1,22 mm

Vậy bề dày sẽ là:

2000 0.36297

1.22 3.842.[ ] 2 146 0.95 0.36297

2 [ ] ( ) 2 146 0.95 (10 1)

1.24( ) 2000 (10 1)

t

S C p

L:chiều dài tính toán của thân buồng bốc

E:mô đun đàn hồi của vật liệu E=0.2 10 12N/m2

Thể tích các ống truyền nhiệt và cả ống tuàn hoàn trung tâm:

1.532

' 0.25 0.6

1480' 0.005

l l

s v

Áp suất tính toán trong buồng bốc

p=po+ .g.H=20601+11599.810.7=28559 N/m2

Áp suất ngoài = 98100-28559=69541 N/m2

Mô đun đàn hồi =2.1012 N/m2

 Bề dày thiết bị buồng bốc

0.4 12

S C E

a t

S C E

[ 2 ( )] [2.4 2 0.6 (0.01 0.001)] 0.0775 10

1.47 107.6 ( ) 7.6 0.79 0.95 0.6 (0.01 0.001)

c



N/m2  thỏaVậy bề dày thiết bị là 10mm

4.Tính đáy

Chọn đáy là hình nón gờ, góc đáy =45o

Đường kính đáy: Dt=2000mm Rt=300mm, H=1124mm

Chiều cao cột chất lỏng: H=H1+H2+H3+H4=1124+40+1000+600=2764m

Áp suất trong buồng đốt: p o

=3.7at=362970 N/m2

Áp suất tính toán:

p= p0 +.g.H’= 362970+11599.812.764= 394396 N/m2

Chọn bề dày = 6mm bằng với bề dày thực của buồng đốt

Kiểm tra : XIII.49 STQTTB tập 2 trang 386

6 1

[ 2 ( )] [2 2 0.5 (0.006 0.001)] 0.3944 10

89 107.6 ( ) 7.6 0.975 0.95 0.5 (0.006 0.001)

Các thông số cơ bản của mặt bích:

+Mặt bích nối buồng bốc và buồng đốt và mặt bích nối buồng đốt và đáy

Vì do 2 loại mặt bích này cùng có đường kính buồng đốt nên có thể chọn giống nhau

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 419, [2]:

BUỒNG BỐC-ĐỐT VÀ BUỒNG ĐỐT-ĐÁY

Mặt bích nối nắp và buồng bốc tra dựa trên đường kính của buồng bốc

Các thông số của bích được tra từ bảng XIII.27, trang 419, [2]:

Dạng của vỉ ống được giữ nguyên trước và sau khi nong

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ CT3

p= p1+(pkq –p2’) =1.7+(1-0.21) =0.91 at =0.09 N/mm2

0.09

0.091

38 303.6 (1 0.7 )3.6(1 0.7 )

Khối lượng tai treo cần chịu: m = mtb + mdd

- Tổng khối lượng thép làm thiết bị: mtb = mđ + mn + mbb + mbđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + mbích

– khối lượng thép làm buồng đốt; kg

mc – khối lượng thép làm phần hình nón cụt nối buồng bốc và buồng đốt; kg

mống TN – khối lượng thép làm ống truyền nhiệt; kg

mống TH – khối lượng thép làm ống tuần hoàn trung tâm; kg

Khối lượng riêng của thép CT3 là ρ = 7850 kg/m3