THIẾT kế THIẾT bị cô đặc NAOH

Nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn,… - Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuấ bằng c

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

MÔN: THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

MỤC LỤC

1 Giới thiệu tổng quan về NaOH 5

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu 5

1.2 Tính chất vật lý 5

1.3 Tính chất hóa học 5

1.4 Phương pháp sản xuất 6

Cơ sở phương pháp 6

Các kiểu buồng điện phân 7

1.5 Ứng dụng của NaOH 7

Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới 7

Triển vọng tương lai 9

Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam: 9

2 Giới thiệu tổng quan về cô đặc 11

2.1 Khái niệm 11

2.2 Các phương pháp cô đặc 11

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 11

2.4 Ứng dụng 11

2.5 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt 12

Phân loại và ứng dụng 12

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 13

3 Quy trình công nghệ 13

3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ 13

3.2 Sơ đồ công nghệ 14

3.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 15

4 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng 15

4.1 Dữ kiện ban đầu 15

4.2 Cân bằng vật chất 15

Suất lượng tháo liệu (Gc) 15

Tổng lượng hơi thứ (W) 16

Tổn thất nhiệt độ 16

4.3 Cân bằng năng lượng 19

Cân bằng nhiệt lượng 19

Phương trình cân bằng nhiệt 20

5 Thiết kế thiết bị chính 21

5.1 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc 21

Hệ số cấp nhiệt 21

Nhiệt tải riêng trung bình 24

Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc 24

Diện tích bề mặt truyền nhiệt 24

Số ống truyền nhiệt 24

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm 25

5.2 Tính cơ khí của thiết bị cô đặc 26

Buồng đốt nồi cô đặc 26

Buồng bốc nồi cô đặc 30

6 Tính toán thiết bị phụ trợ 33

6.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 33

Lựa chọn thiết bị và các thông số đầu vào 33

Tính toán thiết bị 34

6.2 Thiết bị ngưng tụ bazomet 38

Các thông sô đầu vào 39

Tính toán 40

6.3 Bồn cao vị 44

6.4 Bơm 46

7 Các chi tiết phụ trợ 47

7.1 Ống dẫn 47

Tính kích thước ống dẫn 47

Ống nhập liệu 47

Ống tháo liệu 48

Ống dẫn hơi đốt 48

Ống dẫn hơi thứ 48

Ống dẫn nước ngưng 48

7.2 Tính toán và chọn tai treo 49

Tai treo thiết bị 50

Khối lượng của ống truyền nhiệt 50

Khối lượng của buồng đốt 50

Khối lượng của buồng bốc 51

Khối lượng thép làm đáy buồng đốt 51

Khối lượng thép làm nắp buồng đốt 51

Khối lượng thép làm nón cụt nối giữa buồng bốc và buồng đốt 51

Khối lượng thép làm bích và vỉ ống 52

Khối lượng dung dịch trong thiết bị 53

7.3 Cửa quan sát 54

7.4 Lớp cách nhiệt 54

8 Kết luận 55

9 Tài liệu tham khảo 55

1 Giới thiệu tổng quan về NaOH

1.1 Giới thiệu về nguyên liệu

- NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13g/ml, nóng chảy ở 318oC và sôi ở 1388oC dưới áp suất khí quyển NaOH tan tốt trong nước và sự hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ như methanol, etanol,…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,

ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH

- Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản

và lâu năm Nó đóng vai trò lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn,…

- Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuấ bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung 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 NaOH đến nồng độ nhất định theo yêu cầu

1.2 Tính chất vật lý

 Entanpi hòa tan ΔHo = -44,5kJ/mol

 Ở trong dung dịch nó tạo thành dạng monohydrat ở 12,3-61,8 °C với nhiệt độ nóng chảy 65,1 °C và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3

 Một số tính chất vật lý quan trọng của NaOH

 Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:

Hình 1.1 Phản ứng xà phòng hoá

 Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:

2 NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓

2 Na+ + 2 H2O + 2 e- → H2 + NaOH Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:

2NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

Hình 1.2 Sơ đồ điện phân có màng ngăn

Các kiểu buồng điện phân

Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăn cản không cho natri hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết

 Buồng điện phân kiểu thuỷ ngân

Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sử dụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách Xem thêm Công nghệ Castner-Kellner

 Buồng điện phân kiểu màng chắn

Trong buồng điện phân kiểu màng chắn, nước muối từ khoang anôt chảy qua màng chia tách

để đến khoang catôt; vật liệu làm màng chia tách là amian phủ trên catôt có nhiều lỗ

 Buồng điện phân kiểu màng ngăn

Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổi ion

1.5 Ứng dụng của NaOH

NaOH ứng dụng trong sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, bột giặt, tơ nhân tạo, sản xuất giấy, sản xuất nhôm (làm sạch quặng nhôm trước khi sản xuất), trong chế biến dầu mỏ và nhiều

ngành công nghiệp hóa chất khác

Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới

1.5.1.1 Tình hình sản xuất và xu hướng công nghệ hiện nay

Toàn thế giới hiện có khoảng 500 công ty sản xuất xút - clo lớn với công suất danh định

45 triệu tấn xút năm Một phần ba tổng sản lượng xút toàn cầu được sản xuất tại Mỹ với giá cả rất cạnh tranh

Hơn 95% sản lượng xút - clo của thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch muối ăn với ba công nghệ chính: điện cực thủy ngân, điện phân màng ngăn và màng trao đổi ion ở châu Âu, hiện nay khoảng 54% tổng công suất xút - clo là theo công nghệ điện cực thủy ngân, 22% theo công nghệ điện phân màng ngăn và 22% theo công nghệ điện phân màng trao đổi ion Nhưng trước áp lực của các quy định nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường, Hiệp hội các nhà sản xuất xút - clo châu Âu đã cam kết đến năm 2025 sẽ đóng cửa hoặc chuyển đổi toàn bộ các nhà máy xút-clo theo công nghệ điện cực thủy ngân sang công nghệ màng trao đổi ion Hiện nay, hầu như tất cả những nhà máy xút - clo mới xây dựng trên thế

giới đều áp dụng công nghệ màng trao đổi ion, vì đây là công nghệ có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất, giá thành sản phẩm thấp và không ảnh hưởng đến môi trường

Để đánh giá tổng chi phí sản xuất xút-clo, người ta tính toán chi phí sản xuất theo đơn vị ECU (1 ECU = 1,0 tấn clo + 1,1 tấn xút)

1.5.1.2 Tình hình kinh doanh xút trên thế giới

Trong số 45 - 50 triệu tấn xút được sản xuất hàng năm, có khoảng 16% (7 - 8 triệu tấn) được buôn bán trên thị trường, chủ yếu là xút sản xuất ở Mỹ và châu Âu (chiếm 80% thị trường) Khoảng 94% xút được buôn bán ở dạng lỏng (thướng là 50% NaOH), trong đó gần 2 triệu tấn được vận chuyển bằng đường biển và trên 5 triệu tấn được vận chuyển bằng đường bộ Giá xút rắn thường cao hơn giá xút lỏng (tính theo dạng khô) 100 - 200 USD/tấn Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là các nước đang phát triển do cơ sở hạ tầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng Nhưng với cơ sở hạ tầng đang ngày càng được phát triển, những thị trường lớn như Trung Quốc và các nước SNG đang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút lỏng Ngày nay, Cuba, Angiêri và châu Phi là những thị trường tiêu thụ chính đối với xút rắn Ở châu Á, Inđônêxia là nước duy nhất còn nhập khẩu xút rắn với khối lượng lớn Do giá xút rắn cao nên khối lượng buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000 tấn/năm và đang giảm với tốc độ 8%/năm

Xút lỏng được buôn bán trên thế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước như Ôxtrâylia, Braxin, Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và Ghinê, trong

đó đáng kể nhất là Ôxtrâylia Các nước nhập khẩu lớn khác, phản ánh sự bất cân bằng xút-clo trong các khu vực là Hàn Quốc và Côlômbia

1.5.1.3 Sản xuất và kinh doanh xút - clo tại châu Á

Nhìn tổng thể, nếu sản xuất đủ clo để có thể đảm bảo nhu cầu đối với sản phẩm này thì châu Á lại không thể tiêu thụ hết sản phẩm đồng hành là xút châu Á đang phải nhập các hóa chất chứa clo (chủ yếu là PVC) với lượng ngày càng tăng Trên thực tế, nhiều nước châu Á đang xuất khẩu sản phẩm xút giá cao (do chi phí điện năng cao) để cân bằng nhu cầu lớn của mình về các sản phẩm chứa clo Nhưng giá điện cao khiến cho xuất khẩu xút chỉ hạn chế ở mức khiêm tốn và khó có thể cạnh tranh được với các nhà sản xuất giá thành thấp ở Mỹ và Ảrập Xêút Thị trường nhập khẩu xút lớn nhất thế giới là Ôxtrâylia với nhu cầu mỗi năm 1

triệu tấn xút cho ngành sản xuất các sản phẩm nhôm Hiện nay Ôxtrâylia nhập khẩu xút chủ yếu từ Nhật Bản, Ảrập Xêút, châu Âu và Mỹ, nhưng cũng sẽ là thị trường đích cho các nhà sản xuất mới ở châu Á Tuy nhiên, Ôxtrâylia đang có kế hoạch xây dựng nhà máy xút - clo công suất lớn, nhà máy này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đối với thị trường xút - clo trên thế giới và khu vực

Triển vọng tương lai

Triển vọng của sản xuất xút clo thế giới chịu ảnh hưởng của nhiều tác động như: nhu cầu clo cho sản xuất PVC, tình hình cung ứng chất thay thế là sô đa, chi phí điện, và việc xây dựng những nhà máy xút clo mới, như nhà máy xút - clo sắp xây dựng của Ôxtrâylia Ngoài ra còn

có những yếu tố chu kỳ và xu hướng phát triển trong khu vực, thuế nhập khẩu và tỷ giá giữa các đồng tiền Những yếu tố then chốt cho khả năng cạnh tranh của các sản phẩm xút - clo là giá điện, quy mô công suất nhà máy, sự kết hợp một cách hiệu quả dây chuyền xút - clo vào các tổ hợp hóa dầu, và triển vọng của sản xuất nhựa P VC trước những lo ngại về môi trường

Về trung hạn, các nhà máy mới xây dựng với giá thành sản xuất thấp sẽ gây áp lực mạnh đối với các nhà sản xuất quy mô nhỏ, giá thành cao Các nước châu Á như Trung Quốc trước đây thường nhập khẩu xút thì nay đang bắt đầu xuất khẩu sản phẩm này Đặc biệt, Trung Quốc đang cơ cấu lại ngành công nghiệp hóa dầu của mình, các cơ sở sản xuất hóa dầu nội địa với công suất thấp sẽ được thay thế bằng các nhà máy lớn ở vùng duyên hải với khả năng xuất khẩu sản phẩm, do đó nhu cầu clo sẽ tăng đáng kể

Nhưng vấn đề then chốt là giá năng lượng đang làm thay đổi cơ cấu công nghiệp xút - clo thế giới Các nước và khu vực có giá năng lượng thấp, ví dụ Ôxtrâylia, sẽ xuất khẩu clo dư thừa ở dạng EDC sang các thị trường đang tăng trưởng ở châu Á Đối với nhiều nước, kể cả Ôxtrâylia, việc xuất khẩu clo nhiều khi nhằm mục đích cân bằng cơ cấu xút - clo

Có thể nói, tương lai của sản xuất xút liên quan chặt chẽ với nhu cầu clo, mà cơ bản vẫn

là với ngành công nghiệp PVC thế giới

Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam:

Hiện nay cả nước ta có 5 cơ sở sản xuất xút lớn và một số cơ sở sản xuất nhỏ khác với tổng năng lực sản xuất khoảng 100.000 tấn/năm Cụ thể như sau:

- Nhà máy Hóa chất Việt Trì (hiện là Công ty Hóa chất Việt Trì) do Trung Quốc giúp đỡ xây dựng từ đầu những năm 60, với công suất ban đầu 1990 tấn xút lỏng 31%/năm (tính theo 100% NaOH), 1020 tấn HCl 31%/ năm và 145 tấn clo lỏng/năm để cung cấp cho nhà máy giấy tại khu công nghiệp Việt Trì Trong những năm chiến tranh, nhà máy bị bom Mỹ tàn phá, hư hại nhiều, đến năm 1975 được tiến hành khôi phục mở rộng Từ giữa năm 1975 đến đầu năm

1976 các công trình phục hồi được đưa vào sản xuất với quy mô mới Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 6500 tấn NaOH/năm Sản lượng thực tế đạt khoảng 6000 tấn/năm Công ty đã có

dự án mở rộng công suất lên 10.000 tấn NaOH/năm, dự kiến sẽ hoàn thành trong năm 2003

- Nhà máy Hóa chất Biên Hoà (hiện trực thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền Nam) được xây dựng với mục đích ban đầu là cung cấp xút và clo cho khu công nghiệp Biên Hoà Sau khi thống nhất đất nước năm 1975, Nhà máy đã hư hỏng nhiều, đã được cải tạo, mở rộng và lắp đặt trang thiết bị mới Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 15.000 tấn xút /năm, sản lượng thực tế đạt 11000-12000 tấn/năm

- Xưởng sản xuất xút của Công ty Giấy Đồng Nai: Xút được sản xuất chủ yếu để dùng cho sản xuất giấy Công suất của xưởng đạt 5.000 tấn/năm

- Xưởng xút-clo của Công ty Bột ngọt Vedan: Xưởng xút - clo của Nhà máy Bột ngọt Vedan được xây dựng vào thời kỳ 1991-1995 có công suất 20.000 tấn/năm với nhiệm vụ cung cấp axit HCl cho dây chuyền sản xuất bột ngọt của nhà máy Xưởng xút đã được mở rộng lên công suất 60.000 tấn/năm cân đối theo lượng axit HCl tiêu thụ tại nhà máy

- Nhà máy xút-clo của Công ty Giấy Bãi Bằng có công suất 7.000 tấn xút/năm chủ yếu phục

vụ cho việc nấu bột giấy và dùng clo để tẩy trắng bột giấy

Nhìn chung, tổng công suất sản xuất xút của nước ta còn nhỏ, lại phân tán ở nhiều cơ sở

Do chưa có phương án cân bằng clo về dài hạn nên các cơ sở thường phải sản xuất dưới mức công suất thiết kế, tỷ lệ sử dụng công suất nhiều khi chỉ đạt 55 - 65%, sản phẩm kém tính cạnh tranh và không đáp ứng nhu cầu trong nước Trong 10 - 15 năm tới, vấn đề cân bằng clo vẫn sẽ

là một thách thức rất lớn cho sản xuất xút ở nước ta Chỉ khi công nghiệp hóa dầu ở nước ta được xây dựng và phát triển thì mới có thể giải quyết về căn bản vấn đề cân bằng clo và nâng công suất sản xuất xút trong nước Mặt khác, trong tương lai xa, khi công nghiệp hóa dầu phát

triển thì nhu cầu về clo sẽ tăng vọt, đòi hỏi các nhà máy xút clo cũng phải nâng công suất xút một cách tương xứng

2 Giới thiệu tổng quan về cô đặc

2.1 Khái niệm

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm

2 hay nhiều cấu tử Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng-lỏng hay lỏng-rắn có chênh lệch nhiệt

độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn); đó là quá trình vật lí-hoá học Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi, ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh

2.2 Các phương pháp cô đặc

- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi

dưới tác dụng nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng

- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiẹt độ đến một mức nào đó, một cấu tử sẽ tách ra dưới

dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy

ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi ta phải dùng máy lạnh

2.3 Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Để tạo thành hơi, 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 thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài Do đó, ta cần cung 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 trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần 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 sẽ ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc

2.4 Ứng dụng

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, bột ngọt, nước trái cây,…Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ,… Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn Mặc dù cô đặc chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy Cùng với sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu Nó đòi hỏi

phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao Do đó, yêu cầu được ra là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám quá các nguyên lí mới của thiết bị cô đặc

2.5 Thiết bị cô đặc dùng trong phương pháp nhiệt

Phân loại và ứng dụng

2.5.1.1 Theo cấu tạo

Loại 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) Thiết bị cô đặc loại này có thể

cô đặc dung dịch khá loãng, có độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

- Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài

- Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

Loại 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức) Thiết bị cô đặc loại này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khác đặc, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt Bao gồm:

- Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài

- Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn trong

Loại 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép dung dịch chảy qua bề mặt truyền nhiệt một lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một

số thành phần của dung dịch Đặc biệt thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây Bao gồm:

- Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khó

vỡ

- Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt ngoài: dung dịch sôi ít tại bọt và bọt dễ vỡ

2.5.1.2 Theo phương thức thực hiện

- Cô đặc áp suất thường ( thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp 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 đặc chân không, cô đặc áp lực hay kết 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

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có hoặc không có ống tuần hoàn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta có thể

áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư

Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc

Thiết bị chính:

- Ống nhập liệu, ống tháo liệu

- Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt

- Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp

- Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

- Thiết bị gia nhiệt

- Thiết bị ngưng tụ baromet

- Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị

- Bơm tháo liệu

- Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ

- Bơm chân không

- Các van

- Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất

3 Quy trình công nghệ

3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ

Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được

bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt

độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng)

Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề,

em lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm

Nguyên tắc của quá trình cô đặc có thể tóm tắt như sau: hơi nước bão hòa được cấp vào thiết bị để làm bay hơi dung môi của dung dịch Hơi đốt sau cấp nhiệt ngưng tụ lại được tháo qua cột tháo nước ngưng Dung môi bay hơi qua cơ cấu tách bọt, hơi thứ ra khỏi thiết bị đi vào thiết bị ngưng tụ bazomet thành lỏng Dung dịch sau cô đặc đạt được nồng độ cần thiết sẽ được tháo qua cửa tháo liệu ra ngoài

Ưu nhược điểm của hệ thống

- Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ vận hành Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt

độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị)

- Nhược điểm: loại thiêt bị và phương pháp này cho tốc độ tuần hoàn dung dịch nhỏ và hệ

số truyền nhiệt thấp

3.2 Sơ đồ công nghệ

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ

3.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Dung dịch NaOH 10%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau

đó được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu Tại đây, dung dịch NaOH đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống

- Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc tuần hoàn ống tâm, ở đây dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 30%

- Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có cốc tháo nước ngưng để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra bên ngoài qua ống xả

- Hơi thứ của thiết bị cô đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không

4 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

4.1 Dữ kiện ban đầu

- Nồng độ đầu: 10% (khối lượng)

- Nồng độ cuối: 30% (khối lượng)

- Năng suất nhập liệu: 3600 (𝑘𝑔/ℎ)

- Nhiệt độ của nguyên liệu đầu vào: 𝑡𝑜 = 300𝐶

- Gia nhiệt bằng hơi nước bảo hoà, áp suất ở thiết bị ngưng tụ 150 mmHg = 0,2 at

4.2 Cân bằng vật chất

Suất lượng tháo liệu (G c )

Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% ở 30oC: 𝜌 = 1104,5 𝑘𝑔/𝑚3

𝑘𝑔

ℎ )

o t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 60,7 oC)

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

Tra bảng I.25[1-314]: r = 2293,25 kJ/kg

𝑓 = 16,2.(60,7 + 273)

2

2293,5.1000 = 0,7866

⇒ Δ’ = 17.0,7866 = 13,3722 oC

⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 60,7 + 13,3722 = 74,0722 oC

 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’)

Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2),

Ta có:

1

Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 76 oC

ptb = po + Δp = 0,2031 + 0,0648 = 0,2679 at

Tra bảng I.251[1-314], ptb = 0,2679 at => tsdm(ptb) = 63,35 oC

Ta có: Δ’’ = tsdm(po + Δp) – tsdm(po) = tsdd(po + Δp) – tsdd(po) = 63,35 – 60,7 = 2,65 oC

⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 74,0722 +2,65 = 76,7222 oC

Sai số 0,94% được chấp nhận Vậy tsdd(ptb) = 76 oC

Sản phẩm được lấy ra tại đáy ⇒ tsdd(po + 2Δp) = 74,0722 + 2.2,65 = 79,3722oC

 Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’

⇒ ΣΔ = 13,3722 + 2,65 + 1 = 17,0222 oC Gia nhiệt bằng hơi nước bảo hoà, áp suất hơi đốt là 4at, tD = 142,9oC (tra bảng I.251[1-315])

Chênh lệch nhiệt độ hữu ích:

Δthi = tD – (tc + ΣΔ) = 142,9 – (59,7 + 17,0222) = 66,1778 oC

Bảng 4.1 Bảng giá trị các thông số của hơi thứ, hơi đốt và tổn thất nhiệt độ

Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) oC 76

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

4.3 Cân bằng năng lượng

Cân bằng nhiệt lượng

Nhiệt độ của dung dịch NaOH 30 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là:

tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 74,0722+ 2 2,65= 79,3722 oC

 Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH:

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

Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141 152]:

1310, 7540

⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( i D" - cθ); W

- Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau

khi ngưng) thì ( i D" - cθ) = rD = 2171 kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt)

Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng:

𝑑 = 𝐷

0,824003600

= 1,2 (𝑘𝑔 ℎơ𝑖 đố𝑡

𝑘𝑔 ℎơ𝑖 𝑡ℎứ)

Bảng 4.2 Bảng giá trị thông số cân bằng nhiệt

Nhiệt dung riêng dung dịch 10% cđ J/(kg.K) 3767,4 Nhiệt dung riêng dung dịch 30% cc J/(kg.K) 3323,453

- α 1: Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng; W/m2.K

- r: Ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở áp suất 4at

Tra bảng I.251 [1-314] có r =2141 kJ/kg

- H: chiều cao của ống truyền nhiệt H = 1,5 (m)

- A: Hệ số phụ thuộc vào màng nước ngưng

12

t  t t

Trong đó

tt1: Nhiệt độ của mặt tường 1

tD: Nhiệt độ của hơi đốt; tD = 142,9oC

t t1 = t D – Δt 1 = 142,9 – 7,45 = 135,45 ( o C)

 𝑡𝑚 =1

2(𝑡𝑡1+ 𝑡𝐷) =1

2(135,45 + 142,9) = 139,175𝑜𝐶 Với tm = 141,15 tra bảng [2-29] ta được A = 193,7525

- αn: Hệ số cấp nhiệt của nước khi cô đặc theo nồng độ dung dịch Do nước sôi sủi bọt nên αn được tính theo công thức V.91[2-26]

 Δt2: Hiệu số nhiệt độ giữa thành ống và dung dịch sôi

 Δt1: Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống

 Δtt: hiệu số truyền nhiệt giữa 2 mặt ống truyền nhiệt

Δt = Q1 Σr Σr: Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt

 A: Hệ số phụ thuộc vào mức độ lien kết của chất lỏng Đối với chất lỏng liên kết

𝐴 = 3,58 10−8

 M: Khối lượng mol của hỗn hợp (ở đây là NaOH và H2O)

M = a.MNaOH + (1- a).MH2O) = a.40 + (1- a).18 a: là phần mol của NaOH

−4+ 14620,69)

2)

Số ống truyền nhiệt

𝜋 𝐻 𝐷𝑛Trong đó:

- Dn: Đường kính ngoài của ống truyền nhiệt; Chọn 𝐷𝑛 = 32 (𝑚𝑚)

- H: chiều cao của ống truyền nhiệt; H = 1,5 (m)

- F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; F = 25,21 (m2)

𝜋 𝐻 𝐷𝑛 =

25,21

𝜋 1,5.0,032 = 167 (ố𝑛𝑔) Quy chuẩn theo bảng V.11[2-48] chọn số ống truyền nhiệt n = 187 ống, bố trí theo hình lục giác đều

- Tổng số ống không kể các ống trên hình viên phân: 169 ống

Đường kính ống tuần hoàn trung tâm

Theo công thức III.50 [3-134]

 n là số ống truyền nhiệt 187 ống

 dtr : đường kính ống truyền nhiệt 32x2mm; dtr = 28 mm

 Dth : đường kính ống tuần hoàn

Bảng 5.1 Bảng giá trị tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị

5.2 Tính cơ khí của thiết bị cô đặc

Buồng đốt nồi cô đặc

5.2.1.1 Đường kính trong nồi cô đặc

Đối với thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, ống truyền nhiệt được bố trí theo hình lục giác đều Đường kính trong buồng đốt được tính theo công thức III-52[3-135]

𝐷𝑡 = √0,4 𝛽

2 𝑑𝑛 𝑠𝑖𝑛𝛼 𝐹

𝜓 𝑙 + (𝐷𝑛𝑡ℎ+ 2𝛽 𝑑𝑛)2Trong đó:

- l : Chiều dài ống truyền nhiệt

- Dnth : Đường kính ngoài ống tuần hoàn trung tâm Dnth = 273 +2.2 = 277 mm

- α= 600 : Góc ở đỉnh tam giác

= 0,7687 (𝑚) Quy chuẩn theo bảng XIII.6 [2-359] Dt = 0,8 m

5.2.1.2 Tính bề dày buồng đốt

Chọn vật liệu làm thân buồng đốt là thép OX18H10T

Bề dày buồng đốt tính theo công thức XIII.8 [2-360];

- Dt : Đường kính trong của thiết bị (m) Dt = 800 mm =0,8 m

- φ: Hệ số bền của thân trụ theo phương dọc, φ = 0,95 tra bảng VIII.8[2-262]

- P: Áp suất trong của thiết bị (N/m2)

- [σ]: Ứng suất cho phép

- C: Hệ số ăn mòn và dung sai về chiều dày (m)

Với C C1C2 C3 (Công thức XIII.7 [2-360])

- C1: Bổ sung ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị Chọn C1 = 1 mm

- C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn C2 chỉ tính đến trong trường hợp nguyên liệu chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị Chọn C2 = 0

- C3: Đại lượng bổ sung do dung sai chiều dày C3 phụ thuộc vào chiều dày của tấm vật liệu Tra bảng XIII.9 [2-364] có C3 = 0,40 mm

→ C = 1,40 mm

 Ứng suất cho phép khi kéo:

[ ] k k b

n



σk giới hạn bền khi kéo( Tra bảng XII.4 [2-310] với thép dày từ 4 – 20 mm

→ σk = 550 106 (N/m2)

 Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy:

[ ] c c c

n



Trong đó:

- σc = 220.106 N/m2 (Tra bảng XII.4 [2-304] với thép dày từ 4 – 20 mm)

- η: Hệ số hiệu chỉnh η = 0,9 (tra bảng XII.2[2-356] chọn thiết bị loại I)

- nb, nc: hệ số an toàn theo giới hạn bền và giới hạn chảy

2, 6

k k b

N m n

 Kiểm tra ứng xuất