Cô đặc NaOH 3 nồi liên tục ống tuần hoàn trung tâm

Đồ án này làm về cô đặc dung dịch NaOH ba nồi liên tục xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm, dưới sự hướng dẫn của thầy Trịnh Văn Dũng, bộ môn quá trình và thiết bị, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Trong ngành công nghệ hóa học, thực phẩm, việc tách dung môi ra khỏi dung dịch để tăngnồng độ dung dịch là một vấn đề quan trọng và cần thiết Cô đặc là một trong những phươngpháp dùng nhiệt để làm bốc hơi dung môi ra khỏi dung dịch, tăng nồng độ cấu tử trong dungdịch

Bên cạnh đó, có một số dung dịch bị biến tính khi ở nhiệt độ cao, làm dung dịch đó giảmchất lượng hoặc hư hỏng, nên người ta đã nghĩ ra phương pháp cô đặc ở điều kiện nhiệt độthấp đối với các dung dịch này Đó chính là phương pháp cô đặc chân không

Cô đặc chân không là phương pháp cô đặc ở điều kiện áp suất chân không, dựa vào nguyên

lý áp suất ở điểm sôi của dung môi Đồ án này làm về cô đặc dung dịch NaOH ba nồi liên tụcxuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm, dưới sự hướng dẫn của thầy Trịnh Văn Dũng, bộ mônquá trình và thiết bị Đồ án này là cơ hội để em làm quen và tìm hiểu sâu hơn với quá trìnhtính toán, thiết kế các thiết bị trong thực tế

I/ TỔNG QUAN

-Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng

trong nước (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dungmôi hữu cơ như methanol, ethanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từkhông 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 Vìvậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sảnxuất NaOH

phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độrất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa Để thuận tiện cho chuyên chở và sửdụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu Nhưngkhông nên cao quá để tránh hiện tượng kết tinh

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 nàychọn thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuàn hoàn trung tâm, sở dĩ chọn thiết bị này vìthiết bị này có cấu tạo đơn giản, dễ lắp ráp chế tạo, dễ vệ sinh và sửa chửa tuy nhiên thiết bịnày cho tuần hoàn nhỏ nên hệ số truyền nhiệt thấp , năng suất sẽ không cao so hơn với thiết bị

có buồng đốt ngoài

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi với mục đích: Làm tăng nồng độ chất tan, tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể

- Cô đặc áp suất thường: nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được dùng trong côđặc 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 quảkinh tế

Hình 1: Sơ đồ quy trình cô đặc NaOH liên tục ba nồi xuôi chiều

Nguyên liệu ban đầu là dung dịch NaOH có nồng độ 10% Dung dịch từ bể chứa nguyênliệu 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 dạngống chùm: thân hình trụ, đặt đứng Nguồn nhiệt là hơi nước bão hoà có áp suất 3.5 at đi bênngoài ống (phía vỏ) Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống Hơi nước bão hoà ngưng tụtrên 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 bốchơi Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng và theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi chảy rangoài

Nguyên lý làm việc của nồi cô đặc: Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ốngtruyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nướcbão hoà) đi trong khoảng không gian ngoài ống Hơi đốt ngưng tụ bên ngoài ống và truyềnnhiệt cho dung dịch đang chuyển động trong ống Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trênxuống 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 dịchtrong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy

từ dưới lên trên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặttruyền nhiệt lớn hơn so với trong ống truyền nhiệt nên lượng hơi tạo ra trong ống truyền nhiệtlớn hơn Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – hơi thành hai dòng Hơithứ 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.Hơithứ đi ra từ buồng bốc nồi 1 sẽ tiếp tục được dùng để đun nóng cho nồi 2 Sản phẩm của nồi 1

sẽ được đưa sang buồng bốc của nồi 2.Ở nồi 2 cũng xảy ra quá trình như nồi 1, truyền nhiệt vàbốc hơi Hơi thứ lại đi ra từ buồng bốc nồi 2 sẽ tiếp tục được dùng để đun nóng cho nồi 3 Sở

dĩ có sự di chuyển của các dòng trong hệ thống là do sự chênh lệch áp suất giữa các nồi

P1>P2>P3 Dung dịch sau cô đặc được bơm ra ngoài theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sảnphẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ và khí không ngưng thoát ra từ phía trên của buồng bốc nồithứ 3 sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh lànước 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 bồnchứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục đi lên trên, được dẫn qua bộ phận tách giọtrồi được bơm chân không hút ra ngoài Khi hơi thứ ngưng tụ thành lỏng thì thể tích của hơigiảm làm áp suất trong thiết bị ngưng tụ giảm

III/ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

Nồng độ đầu: xđ = 10 %

Nồng độ cuối: xc = 40 %

Năng suất đầu: Gđ= 5000 kg/h

Theo công thức 5.16, [3]: Áp dụng phương trình cân bằng vật chất

⇒ W = Gđ – Gc = 5000 – 1250 = 3750, kg/h

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

2 3

W1W

d

G x x

d

G x x

Theo đề bài ta có Pnt =0.2 at , áp suất hơi đốt vào nồi 1 là P1=3.5 at

 Hiệu số áp suất của hệ thống cô đặc :∆Pt =P1 – Png = 3.5 – 0.2= 3.3 at

Chọn tỷ số phân phối giữa các nồi là :

43

∆ =∆ =

Dựa vào các dữ kiện ta tra bảng 41, [4] ; ta được:

Bảng 1: Thông số nhiệt độ, áp suất hơi của các nồi trên

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(oC)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(oC)

Ápsuất(at)

Nhiệtđộ(oC)

Thiết bị ngưng tụ: Áp suất: 0.2 at

Nhiệt độ: 59.7oC

b Xác định nhiệt độ tổn thất

Theo công thức của Tisencô, [2]:

∆’=∆’o .f ( III.2.1 )Trong đó: ∆’o - tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dungmôi ở áp suất khí quyển

f: hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11, [2]:

r

+

=

( III.2.2 )Trong đó:

P = +P h + × ρ ×

× ( III.2.3 )Với Po: Áp suất hơi thứ, kg/cm2

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

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

c Hiệu số hữu ích giữa các nồi

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

và I.44, [1]:

xd = 10 % (a < 0.2): cđ = 4190(1 - a) = 4190(1 – 0.1) =3771 J/(kg.K)

xc= 41 % (a > 0.2): cc = 4190 - (4190 - cct)xc = 4190 – (4190 – 1310)0.4 = 3038 J/(kg.K) Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức I.41 và bảng I.141, [1]:

CNa= 26000 J/kg.K

Mct=40

Nồi 1:D.i+GD.CD.tD=W1.i1’+(GD – W1)C1.t1+D.Cng1 θ1+0.05D(i1- Cng1 θ1)

Nồi 2:W1.i1+(GD-W1)C1.t1=W2.i2’+(GD – W1–W2)C2.t2+W1.Cng2.θ2+0.05W1(i2- Cng2.θ2)

Nồi 3: W2.i1+(GD-W1-W2)C2.t2=W3.i3’+(GD-W1-W2-W3)C3.t3+W2.Cng3.θ3+0.05W2(i3- Cng3.θ3)Với D2=W1, D3=W2

Trong đó:

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

i: Hàm nhiệt tương ứng của hơi đốt, tra bảng 41, [4]:

θ:nhiệt độ nước ngưng (lấy bằng nhiệt độ hơi đốt), oC

T:nhiệt độ của dung dịch thực, oC

Giải phương trình cân bằng nhiệt lượng nồi 2 và 3, ta được :

( III.3.1 )

H t

∆ ( III.3.2 )Trong đó:

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

Bảng 2: Gía trị A theo nhiệt độ tm :

t q r

λv=16.3 , W/(m.K): hệ số dẫn nhiệt của ống truyền nhiệt, làm bằng thép không gỉ( tra bảng XII.7, trang 313, [2])

r1= 0.000232 , m2.(k/W): nhiệt trở phía hơi nước do vách ngoài của ống có màngmỏng nước ngưng, tra bảng V.I, trang 4, [2]

r2 = 0.000387 , (m2.k)/W: nhiệt trở phía dung dịch do vách trong của ống có cặnbẩn dày 0,5 mm, tra bảng V.I, trang 4, [2]

q1= qv= 7555.17 , W/m2

∆tv= tv1 – tv2 = qv v

r

∑

= 5.6 oC ( III.3.6)

= > nhiệt độ vách trong ống truyền nhiệt: tv2 = tv1 - ∆tv = 137.5 – 5.6 = 131.9 oC

P = P1 = 2.11 at= 211000 , N/m2: áp suất tuyệt đối trên mặt thoáng của dung dịch

Bảng 3: Thông số truyền nhiệt của các nồi

c Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực mỗi nồi

i i

hi

i i

i

t Q

t

Q K

i i

t Q

t

Q K

i

i

t Q

t

Q K

i

i

t Q

t

Q K

=

× ∆ ( III.3.8 )

Nồi 1:

2 1

1

1

792930

117.5,1001.25 6.74

2

2

812790

117.5,862.17 8.02

3

3

832650

117.25,568.95 12.45

F= 120, m2: diện tích bề mặt truyền nhiệt

dtr: đường kính trong của ống truyền nhiệt Chọn loại ống dt= 34 mm, dn= 38 mm

h= 2 m: chiều cao ống truyền nhiệt

Chọn cách sắp xếp số ống theo hình sáu cạnh, theo bảng V.11, Trang 48, [2] chọn số ống tiêu

Số ống trong các hình viên

số ốngtrong hìnhviên phân

Tổng sốống của thiếtbị

Ở dãy thứnhất

Ở dãythứ 2

Ởdãy thứ3

b Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Áp dụng công thức III.26, trang 121, [6]:

th

f D

π

×

=

( III.4.9 )

Vậy số ống truyền nhiệt còn lại là n= 552 ống

Diện tích bề mặt truyền nhiệt lúc này là:

ψ

( III.4.11 )

= 0.5 m – đường kính ngoài của ống tuần hoàn trung tâm

α = 60o – góc ở đỉnh của tam giác đều

F = 120 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt

W V

W – suất lượng hơi thứ; kg/h

314, [1])

Diện tích buồng bốc:

21.8

2.54,

b D

F =π =π× = m

( III.4.2)

Vận tốc hơi:

2.571.012, /2.54

b h

V

m s F

= 1.315x10-5 – độ nhớt động lực học của hơi thứ (tra bản 42, [4])

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

1.7, /

l h o

h

d

m s

ρ ρω

l

ρ

= 930 kg/m3 – khối lượng riêng của giọt lỏng ở t(po) (tra bảng I.249, trang 311, [1])

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

5.1,0.13423 1650 1.1

Vậy chiều cao buồng bốc:

2.005, m1.8

5 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

v

π ρ

=

( III.5 )Trong đó : G – lưu lượng khối lượng của lưu chất; kg/s

G = 1240 kg/h =0.3444 kg/s

v

= 30 m/s

Ống dẫn ngưng nồi 1, nồi 2 và nồi 3 lấy bằng ống nhập liệu d= 0.04m

IV/ TÍNH CƠ KHÍ

Để thuận tiện trong quá trình tính toán và chế tạo, ta chọn bề dày ba nồi là như nhau và chọnchép X18H10T để chế tạo vỏ, đáy và nắp thiết bị

Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của vật liệu X18H10T ở nhiệt độ ttt là ơ* = 137 , N/mm2

Sơ lược về cấu tạo:

Tính toán

Hơi đốt là hơi nước bão hòa có áp suất PD= 3.5 at nên buồng đốt chịu áp suất trong là

Pm= PD -1= 3.5 – 1= 2.5 at

Áp suất tính toán là

Pt= Pm+ ρ.g.H = (2.5x9.81x104+1109 x9.81x2)/106= 0.267 , N/mm2 ( IV.1.1 )

Trong đó: ρ: khối lượng riêng dung dịch

- Nhiệt độ của hơi đốt vào là tD= 138 oC, vậy nhiệt độ tính toán là ttt= 138+20= 158 oC( do có bọc lớp cách nhiệt)

t

P

( IV.1.3 )Theo công thức 5-3, trang 96,[5]:

Sơ lược về cấu tạo

Do nồi ba làm việc ở áp suất chân không nên chịu áp suất ngoài

Tính toán:

Pm=1-0.21= 0.79 at

= > Ptt = 0.79 at= 0.0775 , N/mm2

Nhiệt độ của hơi thứ t= 60,7 oC = > ttt= 60.7+20 = 80.7 oC( do có bọc lớp cách nhiệt)

H P

= > Thỏa mãn điều kiện bền

Áp suất cho phép: ( IV.2.4)

Thỏa điều kiện

Để tiện cho việc thiết kế, ta chọn bề dày các nồi bằng nhau S= 8 mm

2 1

2143

c

σ σ< = =

=> thỏa yêu cầu, vậy chọn bề dày là 6 mm

Quy chuẩn bề dày cả thiết bị cô đặc là 8mm

D0Dtdb

Hình 2: Cấu tạo của bích và bu lông

Bu lông và bích được làm từ bằng thép CT3 Mặt bích ở đây được dùng để nối nắp của thiết bịvới buồng bốc, buồng bốc với buồng đốt và buồng đốt với đáy của thiết bị Chọn bích liềnbằng thép, kiểu 1 (bảng XIII.27, trang 417, [2])

Các thông số cơ bản của mặt bích:

+Mặt bích nối buồng đốt và đáy, nắp và buồng bốc

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

Bảng 5: Kích thước bích nối

BUỒNG BỐC-ĐỐT VÀ BUỒNG ĐỐT-ĐÁY

1660

1615

M30

1890

1860

1815

M20

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

Vật liệu chế tạo là thép không gỉ CT3

P= P1-P1’=3.5-2.11= 1.39 at = 0.136 N/mm2

Thay số vào công thức IV.6.1, ta được:

20.136

Hình 3: Cấu tạo tay treo thẳng đứng

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

mtb = mđ + mn + mbb + mbđ + mc + mvỉ + mống TN + mống TH + mbích + mcn

Trong đó:

mđ – khối lượng thép làm đáy; kg

– khối lượng thép làm 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

mcn – khối lượng lớp cách nhiệt; kg

Tính theo công thức VI.51, [2] :

W i C t G

−

=

− ( V.1.1 ) Trong đó :

Gn – lượng nước được tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s

W = 1273 kg/h = 0.354 kg/s – lượng hơi thứ đi vào thiết bị ngưng tụ

i = 2610 kJ/kg – nhiệt lượng riêng của hơi nước (bảng I.251, trang 314, [1])

b.Thể tích khí không ngưng và không khí cần hút ra khỏi thiết bị

Lượng khí cần rút ra khỏi thiết bị theo công thức VI.43, [2]:

tkk= t2d+ 4 + 0,1.( t2c-t2d) = 25+ 4+ 0.1x ( 49.7 – 25 ) =31.5 oC ⟹ ph= 0,049 at ( trang 312, [1])

3

3 4

t

h h

W D

ρ ϖ

=

( V.1.3 ) Trong đó:

ρh = 0,13423 kg/m3 – khối lượng riêng của hơi thứ (tra bảng I.251, [1])

ωh = 20 m/s – tốc độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ (chọn)

Chọn chiều cao gờ tấm ngăn là h = 40 mm, chiều dày tấm ngăn là δ = 4 mm

Các lỗ xếp hình lục giác đều với bước lỗ là 0.5mm

Mức độ đun nóng nước:

2 2 2

49.7 25

0.71259.7 25

c d

ng d

t t p

Khoảng cách giữa các ngăn h = 400 mm

Thời gian rơi qua một bậc τ = 0,41 s

Trong thực tế, khi hơi đi trong thiết bị ngưng tụ từ dưới lên thì thể tích của nó giảm dần Do

đó, khoảng cách hợp lý nhất giữa các ngăn cũng nên giảm dần theo hướng từ dưới lên khoảng

50 mm cho mỗi ngăn Chọn khoảng cách giữa các ngăn là 400 mm

Tra bảng VI.8, [2], ta được:

Khoảng cách từ ngăn trên cùng đến nắp thiết bị là a= 1300 mm

Khoảng cách từ ngăn dưới cùng đến đáy thiết bị là P= 1200 mm

Tra bảng XIII.15, [2], ta được:

Chiều cao phần gờ của nắp là 25 mm

Chiều cao phần nắp ellipse là 125 mm

Chiều cao phần đáy nón là 175 mm

=>Chiều cao thiết bị baromet h=125+25+1300+400x5+1200+175= 4825 mm

trong ống h2 được tính theo công thức VI.60, trang 87, [2]:

2

2

ba ba

h h

( V.1.5 )Chọn hệ số trở lực khi vào ống ξ1 = 0,5 và khi ra khỏi ống ξ2 = 1 ⇒ Σξ = 1,5

Nước lạnh và nước ngưng tụ có:

ttb = 37.5 oC

ρn = 993 kg/m3

μn = 0,000543 Ns/m2