Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi tuần hoàn cưỡng bức, dung dịch (NH4)2SO4

Đồ Án Mơn Học QT&TB BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠNG NGHỆ HĨA CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -Tự do-Hạnh phúc *** ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Họ tên SV: Trần Mạnh Dương Lớp : ĐH Hóa Dầu – K10 MSV: 10415400 Khoa : Cơng Nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : NỘI DUNG Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xi chiều tuần hồn cưỡng Cơ đặc dung dịch (NH4)2SO4 với suất 4,78 tấn/h Các số liệu ban đầu : -Chiếu cao ống gia nhiệt H = 3m -Nồng độ đầu dung dịch 13,5% -Nồng độ cuối 39,8 % -Áp suất đốt nồi : 4,0 at -Áp suất ngưng tụ : 0,29 at TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Vẽ dây chuyền sản xuất A4 01 Vẽ nồi cô đặc A0 01 PHẦN THUYẾT MINH Mở đầu Vẽ thuyết minh dây truyền sản xuất Tính tốn thiết bị Tính tốn khí Tính tốn thiết bị phụ Tổng kết LỜI NĨI ĐẦU SVTH: Trần Mạnh Dương ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB Là sinh viên ngành công nghiệp hóa chất kĩ sư hóa chất tương lai Ngoài kiến thức học lớp, học qua sách vở, cần trau dồi kiến thức chuyên môn thực tế Sau học xong mơn q trình thiết bị, em nhận đề tài đồ án “Thiết kế hệ thống cô dặc hai nồi xuôi chiều thiết bị đặc tuần hồn cưỡng ” Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức giáo trình “Cơ sở trình thiết bị Cơng nghệ Hố học” Việc làm đồ án môn học giúp em làm quen với thực tiễn mà tạo điều kiện để em phát huy lực việc hồn thiện kĩ tính tốn, tư duy, thu thập thông tin thực tế tự nâng cao kĩ trình bày thiết kế theo văn phong khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Để đồ án hoàn thiện tốt em mong nhận bảo, giúp đỡ tận tình thầy giáo T.S trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày…tháng…năm 2018 Sinh viên thực Trần Mạnh Dương SVTH: Trần Mạnh Dương ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB MỤC LỤC PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lược q trình đặc 1.2 Cô đặc nhiều nồi .2 1.3 Giới thiệu chung sản phẩm (NH4)2SO4 1.4.Vẽ thuyết minh dây truyền sản xuất .3 1.4.2 Thuyết minh dây truyền công nghệ PHẦN II: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Tính cân vật liệu 2.1.1 Xác định lượng hới thứ bốc toàn hệ thống 2.2 Xác định lượng thứ bốc từ nồi 2.2.1 Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi 2.3 Tính cân nhiệt lượng 2.3.1 Xác định áp suất nhiệt độ đốt nồi 2.3.2 Xác định nhiệt độ áp suất thứ nồi 2.4 Xắc định tổn thất nhiệt độ 2.4.1 Tổn thất nhiệt độ nồng độ : 2.4.2 Tổn thất áp suất thuỷ tĩnh: .9 2.4.3 Tổn thất đường ống 10 2.5 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ hệ thống nồi 10 2.5.1 Hệ số nhiệt độ hữu ích hệ thống xác định .10 2.5.2 Xác định nhiệt độ sôi nồi 10 2.5.3 Xác định nhiệt độ hữu ích nồi 11 2.6 Lập phương trình cân nhiệt lượng 11 2.7 Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình nồi: 14 2.7.1 Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ .14 2.7.2 Xác định nhiệt tải riêng phía ngưng tụ 16 2.7.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi .16 2.7.4 Độ nhớt 19 2.7.5 Nhiệt tải riêng phía dung dịch .21 2.7.6 So sánh q2i q1i .21 2.8 Hệ số truyền nhiệt nồi 22 SVTH: Trần Mạnh Dương ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Mơn Học QT&TB 2.8.1 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích 22 2.9.Tính bề mặt truyền nhiệt 23 PHẦN III TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 26 3.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet 26 3.1.1 Tính tốn thiết bị ngưng tụ .27 3.2 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 33 3.2.1 Nhiệt lượng trao đổi ( Q) 34 3.2.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 34 3.2.3 Bề mặt truyền nhiệt 38 3.2.4 Số ống truyền nhiệt 38 3.2.5 Đường kính thiết bị đun nóng 39 3.2.6 Tính vận tốc chia ngăn 39 3.3 Bơm 40 3.3.1 Xác định áp suất toàn phần bơm tạo .40 3.3.2 Năng suất trục bơm 43 3.3.3 Công suất động điện 43 3.4 Thùng cao vị 44 3.4.1 Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt đầu đến nồi cô đặc 45 3.4.2 Trở lực dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp 47 3.4.3 Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 48 3.4.4 Trở lực cục 50 3.4.5 Trở lực thủy tĩnh 51 3.4.6 Chiều cao thùng cao vị .51 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CƠ KHÍ .53 4.1 Buồng đốt .53 4.1.1 Xác định số ống buồng đốt .53 4.1.2 Đường kính buồng đốt .54 4.1.3 Chiều dày thân buồng đốt 54 4.1.4 Chiều dày lưới đỡ ống 56 4.1.5 Chiều dày đáy buồng đốt 57 4.1.6 Đường kính ống tuần hồn trung tâm 59 4.1.7 Tra bích để lắp đáy vào thân 60 4.2 Buồng bốc .61 4.2.1 Thể tích buồng bốc 61 SVTH: Trần Mạnh Dương ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB 4.2.2 Đường kính buồng bốc 61 4.2.3 Chiều cao buồng bốc 61 4.2.4 Chiều dày buồng bốc .62 4.2.5 Tính chiều dày nắp buồng bốc 63 4.2.6 Tra bích để lắp nắp vào thân 64 4.3 Chiều dày ống có gờ thép CT3 , góc đáy 60 o 65 4.4 Tính tốn số chi tiết khác 66 4.4.1.Tính đường kính ống nối dẫn ,dung dịch vào thiết bị 66 4.4.2 Tính chọn tai treo giá đỡ .69 PHẦN V: KẾT LUẬN .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 SVTH: Trần Mạnh Dương ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Mơn Học QT&TB PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lược q trình đặc Q trình đặc q trình làm tăng nồng độ chất hồ tan (khơng khó bay hơi) dung mơi bay Đặc điểm q trình đặc dung mơi tách khỏi dung dịch dạng hơi, chất hồ tan dung dịch khơng bay nồng độ dung chất tăng dần lên Khi bay nhiệt độ dung dịch thấp nhiệt độ sôi, áp suất dung môi mặt dung dịch lớn áp suất riêng phần khoảng trống bề mặt thống dung dịch nhỏ áp suất chung Trạng thái bay xảy nhiệt độ khác nhiệt độ tăng tốc độ bay lớn, bốc diễn (ở trạng thái sơi) lòng dung dịch (tạo thành bọt) áp suất dung môi áp suất chung mặt thống, trạng thái sơi có nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung nồng độ dung dịch cho Trong q trình đặc nồng độ dung dịch tăng lên, mà số tính chất dung dịch thay đổi Điều có ảnh hưởng tới q trình tính tốn, cấu tạo vận hành thiết bị cô đặc Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt , nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt  dung dịch giảm Ngược lại khối lượng riêng  , độ nhớt ν, tổn thất nồng độ ∆ ’ tăng Đồng thời tăng nồng độ tăng điều kiện tạo thành cặn bám bề mặt truyền nhiệt, tính chất làm giảm khả truyền nhiệt thiết bị Hơi dung mơi tách q trình đặc gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác, dùng thứ để đun nóng cho thiết bị ngồi hệ thống ta gọi phụ Q trình đặc tiến hành thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi, làm việc liên tục gián đoạn Q trình đặc tiến hành áp suất SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB khác tùy theo yêu cầu kĩ thuật, làm việc áp suất thường dùng thiết bị hở, làm việc áp suất thấp dùng thiết bị kín đặc chân khơng có ưu điểm giảm bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm nhiệt độ sơi dung dịch giảm dần đến hiệu số nhiệt độ đốt dung dịch) 1.2 Cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi trình sử dụng thứ thay cho đốt, có ý nghĩa cao mặt sử dụng nhiệt Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi : Nồi đầu dung dịch đun nóng đốt, thứ bốc lên nồi đưa vào làm đốt nồi thứ hai, thứ nồi thứ hai đưa vào làm đốt nồi thứ ba, thứ nồi cuối hệ thống đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch vào từ nồi trước đến nồi sau, qua nồi nồng độ dung dịch tăng dần lên dung môi bốc phần Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chênh lệch nhiệt độ đốt dung dịch sơi, hay nói cách khác chênh lệch áp suất đốt thứ nồi, nghĩa áp suất làm việc nồi phải giảm dần thứ nồi trước đốt nồi sau Thông thường nồi đầu làm việc áp suất dư, nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí Hệ thống cô đặc nhiều nồi sử dụng phổ biến thực tế sản xuất Ưu điểm bật loại dung dịch tự di chuyển từ nồi trước nồi sau nhờ chênh lệch áp suất nồi, nhiệt độ sôi nồi trước lớn nhiệt độ sơi nồi sau, dung dịch vào nồi (trừ nồi đầu) có nhiệt độ cao nhiệt độ sơi, kết dung dịch làm lạnh đi, lượng nhiệt bốc thêm phần nước trình tự bốc Nhược điểm nhiệt độ nồi sau thấp nồng độ lại cao so với nồi trước nên độ nhớt dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối Hơn dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp nhiệt độ sôi nên cần tốn thêm lượng đốt để đun nóng dung dịch SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Mơn Học QT&TB Trong cơng nghệ hóa chất thực phẩm, đặc q trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay nhiệt độ sôi với mục đích: + Làm tăng nồng độ chất hòa tan dung dịch + Tách chất hòa tan dạng rắn (kết tinh) + Tách dung môi dạng nguyên chất vv… 1.3 Giới thiệu chung sản phẩm (NH4)2SO4 Amoni sunfat ((NH4)2SO4) hợp chất vô quan trọng sử dụng phổ biến cơng nghiệp hóa chất phân bón Phân bón chứa amoni sunfat có tác dụng làm giảm pH cho đất Ngồi sử dung thành phần thuốc diệt cỏ,thuốc sát trùng, thuốc trừ sâu…Trong hóa sinh kết tủa amoni sunfat phương pháp chung để làm protein Amoni sunfat tạo thành từ phản ứng amoniac axit sunfuric Có thể tồn dạng bột khô dung dịch dạng khơ hình thành từ việc phun axit sunfuric vào phòng kín chứa đầy khí amoniac Amoni sunfat sản xuất từ thạch cao ( CaSO4 H2O) Ở nhiệt độ 2500C amoni sunfat bị phân hủy 1.4.Vẽ thuyết minh dây truyền sản xuất SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB 1.4.1 Sơ đồ dây truyền sản xuất Chú thích: Thùng chứa dung dịch đầu Nồi cô đặc Bơm Thiết bị ngưng tụ Baromet Thùng cao vị Bộ phận thu hồi bọt Lưu lượng kế 10 Thùng chứa sản phẩm Thiết bị trao đổi nhiệt 11 Bơm chân khơng SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB Nồi cô đặc 1.4.2 Thuyết minh dây truyền công nghệ Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục Dung dịch đầu (NH4S -13,5%) bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1), sau chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch đun nóng sơ đến nhiệt độ sôi vào nồi (6) Ở nồi dung dich tiếp tục đun nóng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy ống truyền nhiệt đốt đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch.Một phần khí khơng ngưng đưa qua cửa tháo khí khơng ngưng.Nước ngưng đưa khỏi phòng đốt tháo nước ngưng Dung dịch sơi, dung mơi bốc lên phòng bốc gọi thứ Hơi thứ trước khỏi nồi cô đặc qua phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc theo thứ qua ống dẫn bọt Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ chênh lệch áp suất làm việc nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước Nhiệt độ nồi trước lớn nồi sau dung dịch vào nồi thứ (2) có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, kết dung dịch làm lạnh lượng nhiệt làm bốc lượng nước gọi trình tự bốc Dung dịch sản phẩm nồi (7) đưa vào thùng chứa sản phẩm (10).Hơi thứ bốc khỏi nồi (7) đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8).Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ xuống, hời thứ ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet ngồi khí không ngưng qua thiết bị thu hồi bọt (9) vào bơm hút chân không (11) SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB : khối lượng riêng thứ tra theo bảng I.250/STT1-Tr312 suy h =0,8115 kg/m3 U1t(1at) : cường độ bốc thể tích cho phép (at) Chọn Utt = 1600 (m3/m3.h) f : hệ số hiệu chỉnh xác định theo đồ thị hình VI.3/STT2-Tr72 Ph = P1’= 1,351 (at)  f = 9,15 Từ : Utt = 0,915.1600 = 1464(m3/m3.h) Vậy thể tích phòng bốc : ⇒ 4.2.2 Đường kính buồng bốc Đường kính buồng bốc, đại lượng chọn (1,2-1,5).D trbd, thường lấy Dtrbb = 1,3.0,65= 0,845 (m) Quy chuẩn lên 1(m) Dtrbb : đường kính buồng bốc 4.2.3 Chiều cao buồng bốc Áp dụng cơng thức VI.34/STT2-Tr72 ta có: Dtrbb : đường kính buồng bốc , đại lượng chọn , thường lấy Dtrbb = 1,3.Dtrbd = 1,3 0,65 = 0,845 (m) quy chuẩn lên m Dtrbb : đường kính buồng bốc Dtrbd : đường kính buồng đốt Vậy chiều cao buồng bốc là: (m) Để đảm bảo không gian bốc dao động áp suất làm việc dung dịch tạo bọt mạnh, ta qui chuẩn H =2 (m) 4.2.4 Chiều dày buồng bốc Chọn nhiệt độ thành thiết bị nhiệt độ môi trường, thiết bị đốt nóng có cách nhiệt biên ngồi Chọn thân hình trụ hàn, làm việc chịu áp suất trong, kiểu hàn giáp mối hai bên, hàn tay hồ quang điện, vật liệu chế tạo thép CT3 Đối với buồng bốc áp suất 1÷ (at) ta thiết kế vỏ mỏng Chiều dày thiết bị xác định theo công thức XIII.8/STT2 – Tr360 : 59 SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB S Db Pb  C ( m) 2.     P b Trong đó: Db: Đường kính Dtr = (m) : Ứng xuất cho phép: = 146.106 (N/m2) : Hệ số bền hàn thân trụ theo phương dọc ta chọn hàn tay, Dtr =1(m) Thép CT3 nên C: Hằng số bổ sung: Chọn C = 1+ C3 Pb: Áp suất thứ: Pb = Ph + P1 =(at) Vì: = 985,27 >50 Có thể bỏ qua mẫu Tính: S = +1,8 10-3 =2,307.10-3 (m).Từ S =2,307.10-3 (m), tra bảng( XIII.9/STT2-Tr364) ta được: C3 = 1,8 (mm)  C = 1,8.10-3 (m) Vậy S = 2,307.10-3 (m) Qui chuẩn theo bảng (XIII.9/STT2-Tr364), ta có: S = 3.10-3 (m) = (mm) Kiểm tra ứng suất thủy lực: Theo CT XIII.26/STT2-Tr365: Trong áp suất thử Po lấy theo bảng VIII.5/ST2-Tr348 với thiết bị làm việc kiểu hàn làm việc điều kiện: P = 0,07 - 0,5.106 (N/m2) Ta có:  =92,699 106 (N/m2) Vậy chiều dày buồng bốc S = (mm) hoàn toàn thỏa mãn 4.2.5 Tính chiều dày nắp buồng bốc Cũng đáy buồng đốt ta chọn nắp elip có gờ, vật liệu thép CT3 Theo CT XIII.47/STT2-T385 60 SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB S = +C (m) Điều kiện: 2,5 Trong đó: chiều cao phầ lồi đáy, từ 2,5 C Hằng số bổ xung C= 1,8 mm Đường kính buồng bốc = m P Áp suất khỏi buồng bốc P= 9,81 = 0,141 106 (N/m2) Chọn hb =0,25 1,2 =0,3 (m) d Đường kính ống thứ d= Trong đó: : Vận tốc mước bão hòa = 40 m/s ( STT2- Tr 74) V: Lưu lượng thể tích V= = =1910,85 (m3/h) Thay số vào d ta : d= = 0,13 Suy ra: K= - = 1- = 0,87 Ta có: = =1,45 < 2,5 (Thảo mãn điều kiện ) Ta có: = = 985,271 > 30 Với : Hệ số bền hàn mối hàn hướng tâm :  Vậy bỏ qua đại lượng P mẫu số cơng thức tính S Vậy chiều dày nắp buồng bốc là: S= + C S= + 3.10-3 =3,05 10-3 (m) Quy chuẩn S= 6mm (Bảng XIII.9/STT2-Tr 364) phải thêm 2mm so với giá trị C Kiểm tra ứng suất thủy lực theo công thức XIII.49/STT2-Tr 386 = = = 200 106 (N/m2 ) Trong đó: = 1,5 P = 1,5 1,435 9,81.104 = 0,2112 106 (N/m2) 61 SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Mơn Học QT&TB Vậy: = = 200.106(N/m2 ) = Vậy chiều dài nắp buồng bồng bốc là: S= mm 4.2.6 Tra bích để lắp nắp vào thân P = 1,435(at) = 1,435.9,81.104 = 0,1407.106 (N/m2) Qui chuẩn thành 0,3.106 (N/m2) Cũng chọn kiểu bích dùng để lắp đáy vào thân buồng đốt Với thông số tra theo bảng XIII.27/ST2 – T421: Kích thước nối Pb.106 Dtr [N/m2] [mm] 0,3 1000 D Db D1 Do [mm] [mm] [mm] [mm] 1140 1060 1013 1090 Kiểu bích Bu-lơng db h z [mm] [mm] M20 24 22 4.3 Chiều dày ống có gờ thép CT3 , góc đáy 60 o Đáy nón có gờ dùng để nối buồng đốt buồng bốc thiết bị đặc tuần hồn cưỡng thiết bị sử dụng để đặc dung dịch nhớt dung dịch kết tủa dễ hòa tan nên ta chọn loại góc đáy 60o loại có gờ làm việc áp suất lớn 7.104 (N/m2) Chiều đáy nón có gờ với góc đáy 60 o tính theo cơng thức XIII.52/STT2 – Tr399 : S Dt P y  C, m 2.  u  h - y: yếu tố hình dạng đáy, xác định theo đồ thị XIII.15/STT2-Tr400 Mà theo bảng XIII.22/STT2-Tr396 : ⇒ = 0,15 ⇒ y=0,14 62 SVTH: Trần Mạnh Dương Lớp ĐH Hóa Dầu –K10 Đồ Án Môn Học QT&TB - P = P’1 = 0,1407.106 (N/m2)  Vì S – C