Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3

Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3 Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt ngoài dung dịch NaNO3

LỜI CẢM ƠN Trong kế hoạch đào tạo sinh viên năm tư, mơn Đồ án Q Trình Thiết bị hội tốt cho việc hệ thống kiến thức trình thiết bị cơng nghệ hóa học Bên cạnh đó, mơn dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính tốn, thiết kế lựa chọn chi tiết thiết bị với số liệu cụ thể, thông dụng Cô đặc chân không, thiết bị thẳng đứng buồng đốt dung dịch NaNO3 đồ án thực hướng dẫn trực tiếp thầy Nguyễn Văn Lục, mơn Q trình Thiết bị - Khoa Kĩ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Min Em xin chân thành cảm ơn thầy Lục thầy cô mơn Q trình Thiết bị người bạn nhiệt tình giúp đỡ trình thực Vì Đồ án Quá trình Thiết bị đề tài lớn mà sinh viên đảm nhận nên nhiều thiếu sót hạn chế q trình thực khơng tránh khỏi Do em mong nhận thêm góp ý, dẫn từ thầy cô bạn bè để củng cố mở rộng kiến thức chuyên môn PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 1.1.1 Tổng quan cô đặc Cô đặc phương pháp thường dùng để làm tăng nồng độ cấu tử dung dịch hai hay nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng - lỏng hay lỏng - rắn có chênh lệch nhiệt độ sơi cao thường tiến hành cách tách phần dung mơi Tùy theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay hơi), ta tách phần dung mơi (cáu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt hay làm lạnh kết tinh Trong phương pháp nhiệt, q trình đặc thường tiến hành trạng thái sôi, nghĩa áp suất riêng phần dung môi bề mặt dung dịch áp suất làm việc thiết bị Cơ đặc tiến hành áp suất khác nhau, làm việc áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở, làm việc áp suất khác ta dùng thiết bị kín Q trình đặc làm việc gián đoạn hay liên tục, tiến hành hệ thống cô đặc nồi nhiều nồi Thiết bị cô đặc phân loại theo cách sau:  Theo bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng  Theo chất tải nhiệt: đun nóng (hơi nước bão hồ, q nhiệt), khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước áp suất cao…), dòng điện …  Theo chế độ tuần hồn: tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng  Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngồi, ống xoắn, ống chùm… Cô đặc ứng dụng rộng rãi cơng nghệ hóa học thực phẩm với mục đích:  Làm tăng nồng độ chất hồ tan dung dịch (làm đậm đặc)  Tách chất hoà tan dạng rắn (kết tinh)  Tách dung môi dạng nguyên chất (nước cất)  Lấy nhiệt từ môi trường lạnh thay đổi trạng thái tác nhân làm lạnh 1.2 Nhiệm vụ đồ án Thiết kế hệ thống cô đặc để cô đặc dung dịch NaNO3 :  Năng suất nhập liệu: 4500 kg/h  Nồng độ đầu: 14%  Nồng độ cuối: 16%  Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,4 at  Phđ = 2,5 at  Loại thiết bị: Thẳng đứng buồng đốt TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU Natri nitrat hợp chất hố học có cơng thức NaNO3 Muối này, biết đến với tên, diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru(do hai nơi có lượng trầm tích lớn nhất) để phân biệt với kali nitrat, chất rắn màu trắng tan nước Dạng khoáng vật có tên nitratine, nitratite hay soda niter Natri nitrat dùng chất nguyên liệu; phân bón, nghề làm pháo hoa, nguyên liệu bom khói, chất bảo quản, tên lửa đẩy, thuỷ tinh men gốm Hợp chất khai thác cho mục đích Cơng thức: NaNO3 Điểm nóng chảy: 308 °C Khối lượng phân tử: 84,9947 g/mol Mật độ: 2,26 g/cm³ Điểm sôi: 380 °C Natri nitrat tổng hợp công nghiệp cách trung hòa nitric acid với soda: 2HNO3 + Na2CO3  2NaNO3 + H2O + CO2 PHẦN 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG CÂN BẰNG VẬT CHẤT Suất lượng nhập liệu: Gd = 4500 (kg/h) Suất lượng sản phẩm: Gc  Gd Xd 0,14  4500  3937,5 Xc 0,16 (kg/h) Suất lượng thứ: W = Gd - Gc = 4500 – 3937.5 = 562.5 (kg/h) Trong đó: Xd: Nồng độ đầu dung dịch (% khối lượng) => Xd = 0,14 Xc: Nồng độ cuối dung dịch (% khối lượng) => Xc = 0,16 Bảng Cân vật chất hệ Đại lượng Giá trị Suất lượng dung dịch (kg/h) Nồng độ dung dịch (% khối lượng) Vào Gd = 4500 Ra Gc = 3937.5 Vào Xd = 14 Ra Xc = 16 Lượng thứ (kg/h) W = 562.5 3.2.1 Các thông số cần xác định Nhiệt độ nước ngưng thiết bị ngưng tụ Baromet : t c = 75,40C (tra áp suất nước 0,4 at [a] Nhiệt độ thứ buồng bốc : t w = tc + ’’’ = 75,4 + = 76,40C (Nhiệt độ thứ buồng bốc nhiệt độ nước ngưng thiết bị Baromet cộng với 0C - 10C tổn thất nhiệt độ trở lực thủy học ống dẫn) Nhiệt độ đốt: tD = 126,60C (Tra 2,5 at) [b] Bảng Áp suất, nhiệt độ đốt thứ Thông số Nồi cô đặc Baromet Hơi đốt Hơi thứ Áp suất (at) 2,5 0,418 0,4 Nhiệt độ (0C) 126,6 76,4 75,4 3.2.2 Xác định tổn thất nhiệt độ 3.2.2.1 Xác định tổn thất nhiệt độ nồng độ Sử dụng phương pháp Tysenco để xác định tổn thất nhiệt độ nồng độ : ∆’ = f.∆0 [1] Với: ∆’: độ tăng nhiệt độ sôi áp suất cô đặc (0C) ∆0: độ tăng nhiệt độ sôi áp suất thường (0C) f: hệ số hiệu chỉnh tính theo cơng thức sau T2 m f = 16,14 r [2] Tm: nhiệt độ sôi dung môi nguyên chất (K) r: ẩn nhiệt hóa dung môi (J/kg) Thay: Tm = tw = 76,40C = 349,4K r = 2317,66 (J/kg) [a] Suy ra: f = 0,850 Tra: ∆0 = 20C [c] Tổn thất nhiệt độ nồng độ : ’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) = f.∆0 = 1,70C 3.2.2.2 Tổn thất nhiệt độ áp suất thủy tĩnh h2 Ptb = Po + ( h1 + ) ρdds.g , ( N/m2 ) Với: Ptb : Áp suất thủy tỉnh lớp khối chất lỏng cần cô đặc Po : Áp suất thứ mặt thoáng dung dịch, N/m2 h1 : Chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch, m h2 : Chiều cao ống truyền nhiệt, m ρdds : Khối lượng riêng dung dịch sôi, kg/m3 g : Gia tốc trọng trường, m/s2 Chọn: h2 = 7m Tra : ρdds = 1,0769 kg/m3 Vậy: Ptb = 0,418 at ’’ = ttb – to = 00C 3.2.2.3 Tổn thất nhiệt độ trở lực đường ống Thường chấp nhận tổn thất nhiệt độ đoạn ống dẫn thứ từ nồi cô đặc đến thiết bị ngưng tụ từ 0,5 - 1,50C Chọn ’’’ = 10C Tổn thất nhiệt độ tổng cho toàn hệ thống:  = ’+ ” + ”’ = 1,7 + + = 2,70C [3] 3.2.3 Hiệu số nhiệt độ hữu ích thi = t -  = tD – tc -  = 126,6 – 75,4 – 2,7 = 48,50C [4] 3.2.4 Cân nhiệt lượng 3.2.4.1 Phương trình cân nhiệt lượng Trong đó: D: suất lượng đốt cần dùng (kg/h) φ: độ ẩm đốt Chọn φ = 0,05 iD, iw: hàm nhiệt đốt, thứ (J/kg) t1, t2: nhiệt độ vào khỏi nồi dung dịch (0C) Cd, Cc: nhiệt dung riêng ban đầu, khỏi nồi dung dịch (J/kg.độ) : nhiệt độ nước ngưng tụ (0C) – lấy nhiệt độ đốt:  = 126,6 0C Cng : nhiệt dung riêng nước ngưng (J/kg.độ) Qtt : nhiệt mát môi trường xung quanh (J) Chọn Qtt = 0,03QD Gd: suất lượng dung dịch ban đầu (kg/h) Qcđ: nhiệt đặc (J/kg) Qcđ = Phương trình cân nhiệt lượng: (1-).D.iD + .D.Cng.tD + Gd.Cd.t1 = W.iw + GcCc.t2 + D.Cng  + Qtt ± Qc [5] 3.2.4.2 Tra tính tốn thơng số liên quan Bảng 3 Các thơng số tính tốn suất lượng đốt Thông số Giá trị Hàm nhiệt Hơi đốt (iD) 2720 (kJ/kg) Hơi thứ (iW) 2633,8 Ghi [d] Nhiệt độ dung Nhập liệu (t1) 78 Chọn t1 = 780C dịch (0C) Sản phẩm (t2) 78,1 t2 = tsdd(Po) = tw+∆’ Nhiệt dung Dung dịch nhập liệu (Cd) 3599,96 riêng Dung dịch sản phẩm (Cc) 3516,24 (J/kg.độ) Nước ngưng (Cng) 4260,44 C = 4186.(1 – x ) Tính tốn suất lượng đốt cần thiết: D Gc Cc t2  Gd Cd t1  W iw  646,56 (1   ).(1   ).(iD  Cng  ) ( kg/h ) PHẦN 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Dung dịch NaNO3 có nồng độ đầu 14% 250C từ bồn chứa nguyên liệu bơm định lượng bơm qua lưu lượng thiết bị gia nhiệt, lưu lượng đảm bảo 4112,03 m3/h Tại thiết bị gia nhiệt, dung dịch đun nóng đến 780C nước nhiệt 2,5 at (126,60C) lấy từ lò Thiết bị gia nhiệt thiết kế theo kiểu ống chùm thẳng đứng, dung dịch ống đốt ngồi ống Sau dung dịch tiếp tục chảy vào nồi cô đặc Tại dung dịch cô đặc đến nồng độ 16% nhờ đốt nhiệt 126,6 0C cấp từ lò thiết bị gia nhiệt Đây thiết bị cô đặc loại thẳng đứng buồng đốt ngồi Nhiệt độ sơi dung dịch nồi đặc 78,10C, áp suất thứ 0,418 at Dung dịch sau cô đặc đến nồng độ 16% bơm khỏi nồi cô đặc vào bồn chứa sản phẩm Ở đáy buồng bốc nồi cô đặc có lắp đầu dò để kiểm tra nồng độ dung dịch sau cô đặc Nếu dung dịch chưa đạt đến nồng độ cần thiết ống tuần hồn dung dịch trở lại nồi đặc để cô đặc tiếp Lượng thứ nồi dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, áp suất thiết bị ngưng tụ 0,418 at Phần không ngưng đưa qua thiết bị tách lỏng hút ngồi bơm chân khơng Nước cung cấp cho thiết bị ngưng tụ Baromet bơm trực tiếp từ bể nước sạch, nhiệt độ nước 250C Phần khí khơng ngưng thiết bị gia nhiệt, nồi đặc thải bỏ Còn nước ngưng dẫn qua bẫy đến bể chứa nước để đưa lò PHẦN 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 4.1 TÍNH TỐN HỆ SỐ CẤP NHIỆT, HỆ SỐ TRUYỀN NHIỆT VÀ DIỆN TÍCH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT 4.1.1 Tính tốn hệ số cấp nhiệt 4.1.1.1 Tính tốn nhiệt tải riêng trung bình Chọn vật liệu làm ống truyền nhiệt thép khơng r ỉ X18H10T có h ệ s ố d ẫn nhiệt λ = 16,3 W/m.độ [f] Chọn bề dày thành ống là: δ = mm Giả thiết trình liên tục ổn định Nhiệt tải riêng đốt cấp cho thành thiết bị: q1 = α1.(tD – tw1) = α1.∆t1 Nhiệt tải riêng thành thiết bị: ( t w1  t w 2) δ r  r q = �r (tw1 – tw2) = cau1 λ cau Nhiệt tải riêng phía dung dịch sơi: q2 = α2.(tw2 – tdd) = α2 ∆t2 Trong đó: tD: nhiệt độ đốt (0C) tdd: nhiệt độ dung dịch nồi (0C) tw1, tw2: nhiệt độ bên thành ống (0C) α1: hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ (W/m2.độ) α2: hệ số cấp nhiệt phía dung dịch (W/m2.độ) rcau1: nhiệt trở cặn bẩn phía đốt [g] => rcau1 = 0,345.10-3 (m2.độ/W) rcau2: nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch [g]=> rcau2 = 0,387.10-3 (m2.độ/W) δ λ : Nhiệt trở thành thiết bị (m2.độ/W) δ (rcau1 + +rcau2 ) λ ∑r = = 8,545.10-4 (m2.độ/W) 4.1.1.2 Tính hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ α1 Khi tốc độ nhỏ (ω  10 m/s , xác ρω2  30) màng nước ngưng chuyển động dòng (Rem α2 nên d đường kính ống truyền nhiệt ) l: chiều dài ống truyền nhiệt (m), l = m Vậy: n 16 3,14.0, 034.6 = 24,98 (ống) Chọn loại ống chùm bố trí ống theo hình cạnh nên s ố ống truy ền nhiệt chuẩn là: n = 37 ống [m] => Thỏa điều kiện số ống ban đầu chọn 4.2.1.2 Tính kích thước buồng đốt Đường kính buồng đốt tính theo cơng thức sau: Dt = t.(b – 1) + 4.d (m) [13] Trong đó: d: đường kính ngồi ống truyền nhiệt (m) d = 0,034 + 2.0,002 = 0,038 m t: bước ống (m) Chọn t = 1.5d =1.5.0,038 = 0,057 m [n] b: Số ống đường chéo hình lục giác đều, b tính theo cơng thức sau: b = 2.a – Mặt khác: n = 3.a.(a – 1) +1 => a = => b = Vậy: Dt = 0,057.(7 – 1) + 4.0,038 = 0,494 (m) Chọn Dt chuẩn cho buồng đốt 0,6m.[o] 4.2.2 Tính kích thước buồng bốc 4.2.2.1 Tính chiều cao khơng gian Cơng thức tính chiều cao khơng gian hơi: [14] Hh = 4Vb π Db (m) Trong đó: Vb: thể tích buồng bốc (m3) Db: đường kính buồng bốc (m), Db = 0,8m (chọn sơ bộ) Công thức tính thể tích buồng bốc: Vb = W ρ h U p (m3) [15] Trong đó: W: suất lượng thứ (kg/h) ρh: khối lượng riêng (kg/m3) Up: cường độ bốc (m3/m3h) (trang 72 tập 2) Bảng Các thơng số tính tốn buồng bốc W (kg/h) 562,5 Up ρh 3 (kg/m ) (m /m h) 0,2559 7985 Db (m) Vb (m3) Hh (m) 0,8 0,275 0,547 Chọn chiều cao không gian Hh = 1m 4.2.2.2 Tinh vận tốc hơi, vận tốc lắng kiểm tra điều kiện  Vận tốc lắng (ω0) tính sau: ω0 = 4.g.(ρ l -ρ h ).d 3.ξ.ρ h (m/s) [17] Với: ρl, ρh: khối lượng riêng giọt lỏng thứ (kg/m3) d: đường kính giọt lỏng => Chọn d = 0,0003 m ξ: hệ số trở lực phụ thuộc vào Re 18,5 0,2 < Re < 500 : ξ = Re0,6 500 < Re < 150000 : ξ = 0,44 với : ωh d ωh d.ρ h Re = ν h = μ h Trong đó: h: Độ nhớt thứ (N.s/m2) [p]  Vận tốc tính sau: Vh ωh = Fb (m/s) Suất lượng thể tích thứ: W 562,5   0, 61 Vh = ρh 3600.0, 2559 (m3/s) Thiết diện buồng bốc: π.D 2b π.0,82  = 0,5026 (m2) Fb = Bảng 4 Vận tốc lắng vận tốc ρl ρh μh Re (kg/m3) (kg/m3) (Ns/m2) 1076,98 0,2559 2,6.10-4 956,02 ξ 0,44 Vh Fb (m3/s) (m2) 0,61 0,5026 ωh ω0 (m/s) 1,21 (m/s) 6,13 Kiểm tra điều kiện: ωh 100  19, 73% ω0 Thỏa mãn điều kiện vận tốc ωh không 70-80% vận tốc lắng ω0 Vậy: kích thước nồi đặc:  Buồng đốt: H=6m Dt = 0,6 m n = 37 ống với dn = 0,038 m  Buồng bốc: Hh = m Db = 0,8 m  ... từ lò thiết bị gia nhiệt Đây thiết bị đặc loại thẳng đứng buồng đốt ngồi Nhiệt độ sôi dung dịch nồi cô đặc 78,10C, áp suất thứ 0,418 at Dung dịch sau cô đặc đến nồng độ 16% bơm khỏi nồi cô đặc. .. lấy từ lò Thiết bị gia nhiệt thiết kế theo kiểu ống chùm thẳng đứng, dung dịch ống đốt ngồi ống Sau dung dịch tiếp tục chảy vào nồi cô đặc Tại dung dịch cô đặc đến nồng độ 16% nhờ đốt nhiệt 126,6... sản phẩm Ở đáy buồng bốc nồi đặc có lắp đầu dò để kiểm tra nồng độ dung dịch sau cô đặc Nếu dung dịch chưa đạt đến nồng độ cần thiết ống tuần hồn dung dịch trở lại nồi đặc để cô đặc tiếp Lượng