BT lớn TRUYỀN NHIỆT (1)

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaOH từ 12% lên 30% Đối

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quantrọng ảnh hưởng đến nhiều ngành sản xuất khác Một trong những hóa chất đượcsản xuất và sử dụng nhiều là NaOH vì khả năng ứng dụng rộng rãi của nó

Trong quy trình sản xuất NaOH, quá trình cô đặc là một khâu hết sức quantrọng Nó đưa dung dịch NaOH đến một nồng độ cao hơn, thỏa mãn nhu cầu sửdụng đa dạng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ, và tạo điều kiện cho quá trìnhkết tinh nếu cần

Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo thẳng đứng, làm việc liên tục ở áp suất chân không, cô đặc dung dịch NaOH từ 12% lên 30%

Đối với sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc thực hiện đồ án thiết bị

là hết sức quan trọng Nó vừa tạo cơ hội cho sinh viên ôn tập và hiểu một cách sâusắc những kiến thức đã học về các quá trình thiết bị vừa giúp sinh viên tiếp xúc,quen dần với việc lựa chọn, thiết kế, tính toán các chi tiết của một thiết bị với cácthông số kỹ thuật cụ thể

Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế củasinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu sót Vì vậy,

em rất mong nhận được sự đóng góp và hướng dẫn của quý thầy cô giáo và các anhchị năm trước để có thể hoàn thành tốt đồ án được giao

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

I Giới thiệu chung về natri hydroxit (NaOH)

1.1)Tính chất vật lí và hóa học của NaOH:

Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi

Dễ tan trong nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete

NaOH có trọng lượng riêng 2,02 Độ pH là 13,5 Nhiệt độ nóng chảy 327,6

± 0,9oC Nhiệt độ sôi 1388oC Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa

và biến thành Na2CO3

NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao; trongquá 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 khi hòa tan vào nước nên khi hòatan NaOH cần phải dùng nước lạnh

Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.H2O, NaOH.3H2O vàNaOH.2H2O Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy

Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng vớidung dịch natri cacbonat loãng và nóng:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3

Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bãohòa:

2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH

NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và

tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩmnhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng

thí nghiệm hóa học

1.3 Những biến đổi trong quá trình cô đặc

- Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biếnđổi không ngừng Thời gian cô đặc tăng làm cho nồng độ dung dịch tăng dẫn đếntính chất dung dịch thay đổi

- Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt độ,nhiệt độ sôi

- Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ sốtruyền nhiệt

 Yêu cầu chất lượng sản phẩm:

- Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu

- Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi

- Tách các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể;

- Thu dung môi ở dạng nguyên chất;

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ởdạng hơi, còn chất tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của chất tan

sẽ tăng dần lên Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơithứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác

1.4.2 Các phương pháp cô đặc

- Phương pháp nhiệt (đun nóng):

Dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng củanhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoángdung dịch Để cô đặc được dung dịch không chịu được nhiệt độ cao đòi hỏi phải côđặc ở nhiệt độ đủ thấp cùng với nhiệt độ ở mặt thoáng thấp Đó là phương pháp côđặc chân không

- Phương pháp lạnh:

Khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức độ nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạngtinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.Tùy theo tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quátrình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh

-So sánh 2 phương pháp:

Phương pháp nhiệt Phương pháp lạnh

Cô đặc dung dịch chịu được nhiệt Cô đặc dung dịch không chịu được

nhiệt

Sản phẩm dể bị hỏng do nhiệt Sản phẩm không bị hỏng do nhiệt

Sản phẩm dể bị thay đổi màu sắc,

đôi khi có mùi

Sản phẩm không bị thay đổi màusắc, không có mùi

Hiệu suất cô đặc cao Hiệu suất cô đặc thấp

Thiết bị đơn giản Thiết bị phức tạp

1.4.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân

tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn Phân tử khi bay hơi sẽ thunhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cầncung cấp nhiệt để các phân tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra chủ yếu là do các bọt khí hình thành trongquá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng cácphần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc.Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.

1.4.4 Phân loại và ứng dụng

a Phân loại theo cấu tạo

 Dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên):

Thiết bị dạng này dùng để cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo

sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dể dàng qua bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Thiết bị có buồng đốt trong (đồng trục bốc): có thể có ống tuần hoàn tronghoặc ngoài

- Thiết bị có buồng đốt ngoài (không đồng trục bốc)

 Dung dịch đối lưu cưỡng bức:

Thiết bị dạng này được dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bámcặn hay kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Gồm:

- Thiết bị cô đặc có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài

 Dung dịch chảy thành màng mỏng,

Thiết bị dạng này chỉ cho phép dung dịch chảy thành màng qua bề mặt truyềnnhiệt một lần tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần củadung dịch

- Màng dung dịch chảy ngược, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụngcho dung dịch sôi tạo bọt khó vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, thiết bị có buồng đốt trong hay ngoài: sử dụngcho dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dể vỡ

b Phân loại theo phương pháp thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ áp suất không đổi Thườngdùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để năng suất cực đại

và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dịch đạt được không cao

- Cô đặc áp suất chân không (thiết bị kín): dung dịch có nhiệt độ sôi dưới

1000C, áp suất chân không, dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nướcliên tục Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi thấp, dể bịphân hủy vì nhiệt

- Cô đặc ở áp suất dư dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ caonhư các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trìnhđun nóng khác

1.4.5 Hệ thống cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi: là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt Mục đích chính làtiết kiệm hơi đốt Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế.Trong thực tế khi cần cô đặc một dung dịch từ nồng độ khá loãng lên nồng độkhá đặc thì người ta thường dùng các hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều hayngược chiều

-Hệ thống cô đặc xuôi chiều thích hợp để cô đặc các dung dịch chất tan dểbiến tính vì nhiệt độ cao như: dung dịch nước đường hay dung dịch nước trái cây,thực phẩm,…

- Hệ thống cô đặc ngược chiều thích hợp cho cô đặc các dung dịch vô cơkhông bị biến tính vì nhiệt độ cao

1.5 Các thiết bị và chi tiết

 Thiết bị chính:

- Ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy và nắp

- Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng, dẫn dung dịch,

- Tai treo

 Thiết bị phụ:

- Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu

- Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước lạnh, bơm chân không,…

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ baromet.

- Các loại van

- Thiết bị đo

1.6 Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng

- Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm

- Cường độ truyền nhiệt cao

- Đơn giản dể sửa chữa, tháo lắp, dể làm sạch bề mặt truyền nhiệt

- Phân phối hơi đều

- Xả liên tục ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng

- Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo

- Tổn thất năng lương do thoát nhiệt nhỏ nhất

- Thao tác đơn giản, tự động hóa dể dàng

1.7 Lựa chọn phương án thiết kế

Theo tính chất nguyên liệu, cũng như những ưu điểm của dạng thiết bị nóitrên đối với đề tài thiết kế hê thống cô đặc NaCl hai nồi ngược chiều buồng đốttreo nên chúng tôi chọn thiết bị cô đặc hai nồi ngược chiều, buồng đốt treo

Ưu điểm:

- Khi cô đặc ngược chiều thì dung dịch có nhiệt độ cao nhất sẽ đi vào nồi đầu,

ở đây nhiệt độ lớn hơn nên độ nhớt không tăng mấy Kết quả là hệ số truyền nhiệttrong các nồi hầu như không giảm đi mấy

- Lượng nước bốc hơi ở nồi cuối nhỏ dẫn đến lượng nước làm ngưng tụ trongthiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn

- Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi cuối ít hơn so với cô đặc hai nồi xuôi chiều nênthiết bị ngưng tụ có kích thước nhỏ hơn so với xuôi chiều

Nhược điểm:

Do dung dịch đi từ nơi có áp suất thấp đến nơi có áp suất cao nên không tự dichuyển được mà phải sử dụng bơm để vận chuyển dung dịch, làm tăng chi phí

Chương 2 TÍNH TOÁN BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT

3.1 Dữ kiện đầu

- Dung dịch NaOH

- Năng suất nhập liệu : 10 tấn /h

- Nồng độ dung dịch đầu : 12% Khối lượng (kl)

- Nồng độ dung dịch cuối : 30% Khối lượng (kl)

- Áp suất hơi đốt nồi 1 : 7 (at)

- Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ : 0,2 (at)

W : lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống (kg/h);

Gđ : lượng dung dịch ban đầu (kg/h);

xđ, xc : nồng độ đầu, cuối của dung dịch (% kl);

3.2.2 Xác định lượng hơi thứ bốc ra ở từng nồi

Ta có: W= W1+ W2

Trong đó:

W1: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 (kg/h);

W2: lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 2 (kg/h);

Để đảm bảo việc dùng hơi thứ của nồi trước cho nồi sau thường người ta phảidùng cách lựa chọn áp suất và lưu lượng hơi thứ ở từng nồi thích hợp

3.2.3.Xác định nồng độ dung dịch trong từng nồi:

- Nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1:

xc1, xc2: nồng độ cuối của dung dịch ở nồi 1 và nồi 2 (%kl);

W1, W2: lượng hơi thứ thoát ra từ nồi 1 và nồi 2 (kg/h);

3.3 Cân bằng năng lượng

3.3.1 Xác định áp suất và nhiệt độ

a Hiệu số áp suất của cả hệ thống cô đặc

Gọi:

P1, P2, Pnt là áp suất ở nồi 1, nồi 2 và trong thiết bị ngưng tụ (at);

∆ P : hiệu số áp suất cho cả hệ thống cô đặc (at);

∆ P1: hiệu số áp suất của nồi 1 so với nồi 2 (at);

∆ P2: hiệu số áp suất của nồi 2 so với thiết bị ngưng tụ (at);

Ta có: ∆ P = P1 - Pnt = 7 – 0,2 = 6,8 (at)

Chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi là: ∆ P1

∆ P2 = 2,5

thd1, thd2, tnt: nhiệt độ hơi đốt đi vào nồi 1, nồi 2 và thiết bị ngưng tụ (0C)

tht1, tht2: nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 và nồi 2 (0C)

Khi hơi thứ đi từ nồi 1 sang nồi 2, và hơi thứ đi từ nồi 2 sang thiết bị ngưng tụthì sẽ chịu tổn thất về nhiệt độ là ∆”’ = 1 ÷ 1,5

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

Áp suất(at)

Nhiệt độ(0C)

0,2 59,64Hơi thứ 2,23 122,68 0,21 60,64

3.3.2 Các tổn thất nhiệt độ

a Tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra (∆ ')

- Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi củadung môi nguyên chất Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyênchất gọi là tổn thất nhiệt độ do nồng độ gây ra

Áp dụng công thức Tiasenco:

∆ ' = ∆ '0 f , 0C

Nhiệt hóa hơi r(J/kg) 2199,49.103 2355,8.103

b Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (∆ ' '¿

Ta có tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh:

∆ ' ' = ttb – t0;

Trong đó:

ttb : nhiệt độ sôi ứng với áp suất Ptb (0C);

t0 : nhiệt độ sôi ứng với áp suất P0 (0C);

Ptb: áp suất thủy tĩnh ở giữa khối chất lỏng cần cô đặc (N/m2);

P0: áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch (N/m2);

h2: chiều cao ống truyền nhiệt (chọn h2 = 1,8m cho cả hai nồi);

ρ dds: khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3);

Ps: áp suất hơi bão hòa của nước ở áp suất thường (at);

 Nồi 1: Nồng độ dung dịch ở nồi 1: 30%; nhiệt độ sôi ts1 =117,510C cũng tạinhiệt độ này áp suất hơi bão hòa của nướclà:1,87 (at)(STQTTB, T1/Tr.314)

3.4 Cân bằng nhiệt lượng

3.4.1 Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở các nồi

- Nhiệt dung riêng của dung dịch trước khi cô đặc:

Do nồng độ của dung dịch là xđ = 12% nhỏ hơn 20% nên nhiệt dung riêngđược tính theo công thức:

C = 4186.(1-x) = 4186.(1-0,12) = 3683,68 (J/kg.độ)

- Nhiệt dung riêng của dung dịch sau khi ra khỏi nồi 1:

Do nồng độ của dung dịch là xc1 = 30% lớn hơn 20% nên nhiệt dung riêngđược tính theo công thức:

C = Cht.x+4186.(1-x)

Cht là nhiệt dung riêng của chất hòa tan khan (không chứa nước)

Cht được tính theo công thức: (CT I.41- [1-152])

MNaOH Cht =∑Ci.Ni

Trong đó: M: khối lượng phân tử của chất tan

Ci: nhiệt dung riêng của các đơn chất ( tra bảng I.141-ST1-152)

Ni: số nguyên tử trong phân tửVới CH =9630 (J/kg.độ), C o=16800(J/kg.độ), CNa=26000(J/kg.độ)Vậy:

3.4.2 Nhiệt lượng riêng

Gọi:

D1, D2: lượng hơi đốt đi vào nồi 1 và nồi 2 (kg/h);

Gđ, Gc: lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h);

W, W1, W2: lượng hơi thứ bốc lên ở cả hệ thống và từng nồi (kg/h);

I1, I2: hàm nhiệt của hơi đốt ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);

i1, i2: hàm nhiệt của hơi thứ ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg);

Cđ, Cc: nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg.độ);

tđ, tc: nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (0C);

θ1, θ2: nhiệt độ nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (0C);

Cng1, Cng2: nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nồi 1 và nồi 2 (J/kg.độ);

Qtt1, Qtt2: nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1 và nồi 2 (W);

 Nhiệt lượng vào gồm có:

 Nồi 1:

- Nhiệt do hơi đốt mang vào: D1I1

- Nhiệt do dung dịch mang vào: (Gđ – W2).C2.ts2

 Nồi 2:

- Nhiệt do hơi thứ nồi 1 mang vào: D2I2 = W1i1

- Nhiệt do dung dịch đầu mang vào: Gđ.tđ.C1

 Nhiệt ra bao gồm:

 Nồi 1:

- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W1i1

- Nhiệt do dung dịch mang ra: (Gđ – W).C1.ts1

- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ: D1.Cng1.θ1

- Nhiệt do tổn thất chung: Qtt1 = 0,05D1(I1 – Cng1 θ1)

 Nồi 2:

- Nhiệt do hơi thứ mang ra: W2i2

- Nhiệt do dung dịch mang ra: (Gđ – W2).C2.ts2

- Nhiệt do hơi nước ngưng tụ mang ra: D2.Cng2.θ2

Lượng hơi thứ nồi 1 là: W1 =3146,59 (kg/h)

Lượng hơi thứ nồi 2 là: W2 =2853,41 (kg/h)

Lượng hơi đốt tiêu tốn chung là:

m = W D = 4208,86000 = 0,7015 (kg hơi đốt/kg hơi thứ)

Trong đó:

D: lượng hơi đốt dùng cô đặc (kg/mẻ)

W: lượng hơi thứ thoát ra khi cô đặc (kg/mẻ)

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT

4.1.Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

4.1.2 Độ nhớt:

Sử dụng công thức Paplov I.17 STQTTB T1/ trang 85:

t1−¿t2

θ1−θ2¿ = k = const

Trong đó: t1, t2: nhiệt độ của chất lỏng có độ nhớt là µ1, µ2

θ1, θ2 : nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn có độ nhớt là µ1, µ2

Nồi 1:

Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x1=30%

Chọn t1= 600C, ta có µ1= 5,7.10-3 (N.s/m2)  θ1= -9,3840C

Chọn t2= 400C, ta có µ2=6.10-3 (N.s/m2)  θ2= -32,9180C

Tra µ1, µ2 dựa vào bảng I.107 STQTTB,T1/ trang 100

Tra θ1, θ2 dựa vào bảng I.102 STQTTB,T1/ trang 94

Nồi 2: (tương tự như nồi 1)

Lấy nước làm chất tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x2= 16,5%