do an co dac 3 noi nguoc chieu dung dich KOH

.....................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HOÀ XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ môn: Công nghệ sau thu hoạch --------o0o------- ------------------- NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đăng Việt Lớp: CNTP43 Ngành: Công nghệ Thực Phẩm 1/ Tên đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi ngược chiều. Thiết bị cô đặc phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài. Cô đặc dung dịch KOH 2/ Các số liệu ban đầu: - Năng suất tính theo dung dịch đầu (Tấn/giờ): 10 - Nồng độ đầu của dung dịch (% khối lượng): 12 - Nồng độ cuối của dung dịch (% khối lượng) 30 - Ap suất hơi đốt nồi 1 (at): 3.5 - Ap suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng (at): 0,3 3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: - Đặt vấn đề - Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế. - Chương II:Tính toán công nghệ thiết bị chính. - Chương III:Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết bị Baromet, bơm chân không, bơm dung dịch, thiết bị gia nhiệt. - Chương IV: Kết luận. - Tài liệu tham khảo 4/ Các bản vẽ và đồ thị (ghi rõ các loại bản và kích thước các loại bản vẽ): - 1 bản vẽ hệ thống thiết bị chính, khổ A1 và A3 đính kèm trong bản thuyết minh. - 1 bản vẽ thiết bị chính, khổ A1. 5/ Giáo viên hướng dẫn: Phần: toàn bộ Họ và tên giáo viên: Tống Thị Quỳnh Anh. 6/ Ngày giao nhiệm vụ: 03/03/2012 7/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 03/05/2012 Thông qua bộ môn GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2010 (Ký, ghi rõ họ tên) TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) 1 MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM – PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ - CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .7 I. Tổng quan về sản phẩm .7 II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc .8 1. Định nghĩa .8 2. Các phương pháp cô đặc .10 3. Ứng dụng của sự cô đặc 10 4. Cấu tạo thiết bị cô đặc .10 III. Lựa chọn phương án thiết kế - thuyết minh quy trình công nghệ .12 1. Lựa chọn phương án thiết kế .12 2. Thuyết minh quy trình công nghệ .12 CHƯƠNG II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14 1. Tính cân bằng vật chất .14 1.1. Xác định lượng dung môi bốc hơi 14 1.2 Xác định nồng độ dung dịch cuối mỗi nồi 15 2. Cân bằng nhiệt lượng 16 2.1 Xác định áp suất ban đầu .16 2.2 Xác định nhiệt độ trong các nồi .17 2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt độ trong các nồi .18 2.3.1. Tổn thất do nồng độ gây ra ( ')∆ .18 2.3.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( '')∆ 19 2.3.3. Tổn thất do trở lực của đường ống ( ''')∆ 21 2.3.4. Tổn thất cho toàn bộ hệ thống .21 2.3.5. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho toàn bộ hệ thống và cho từng nồi .21 2 2.4. Cân bằng nhiệt lượng .22 2.4.1. Tính nhiệt dung riêng 22 2.4.2. Tính nhiệt lượng riêng .23 3. Tính bề mặt truyền nhiệt .27 3.1. Độ nhớt .27 3.2. Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch .30 3.3. Hệ số cấp nhiệt .31 3.3.1. Về phía hơi ngưng tụ .31 3.3.2. Về phía dung dịch sôi 33 3.4. Tính hệ số phân bố nhiệt độ hữu ích cho các nồi .35 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHÍNH .41 3.1. Buồng bốc 41 3.1.1. Tính số ống truyền nhiệt 41 3.1.2. Đường kính thiết bị buồng đốt 41 3.1.3. Chiều dày buồng đốt .42 3.1.4. Chiều dày đáy buồng đốt .44 3.2. Buồng bốc 46 3.2.1. Đường kính buồng bốc 46 3.2.2. Chiều cao buồng bốc .46 3.2.3. Chiều dày buồng bốc .48 3.2.4.Chiều dày nắp buồng bốc .49 3.3. Đường kính các ống dẫn .50 3.3.1. Đường kính ống dẫn hơi đốt 50 3.3.2. Đường kính ống dẫn hơi thứ .51 3.3.3. Đường kính ống dẫn dung dịch .52 3.3.4. Đường kính ống tháo nước ngưng .54 3 3.3.5. Đường kính ống tuần hoàn ngoài 56 3.4. Chiều dày vĩ ống 56 3.5. Chiều dày lớp cách nhiệt 57 3.5.1. Chiều dày lớp cách nhiệt của ống dẫn .57 3.5.2. Tính chiều dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị .60 3.6. Chọn mặt bích 62 3.6.1. Mặt bích nối thân thiết bị với đáy và nắp 62 3.6.2. Bích liền kim loại đen để nối các bộ phận thiết bị và ống dẫn 63 3.7. Chọn tai treo .63 3.7.1. trọng lượng thân thiết bị 63 3.7.2. Tải trọng ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn ngoài .64 3.7.3. trọng lượng của dung dịch trong thiết bị .65 3.7.4. trọng lượng hơi 65 3.7.5. Trọng lượng vĩ ống 65 3.7.6. Trọng lượng đáy buồng đốt .66 3.7.7. Trọng lượng nắp buồng bốc 66 3.7.8. Trọng lượng bích .66 3.7.9. Trọng lượng lớp cách nhiệt .67 3.7.10. Tổng trọng lượng thiết bị và tải trọng tai treo .67 CHƯƠNG IV: THIẾT BỊ PHỤ 69 4.1. Cân bằng vật liệu 69 4.1.1. lượng nước lạnh cần thiết để tưới vào thiết bị ngưng tụ .69 4.1.2. Thể tích khí không ngưng và không khí được hút ra khỏi thiết bị 69 4.2. kích thước thiết bị ngưng tụ .71 4.2.1. Đường kính thiết bị ngưng tụ 71 4.2.2. Kích thước tấm ngăn .71 4 4.2.3. Chiều cao thiết bị ngưng tụ .73 4.2.4. Kích thước ống baromet 74 4.3. Chọn bơm .76 4.3.1. Bơm chân không .76 4.3.2. Bơm nước lạnh vào thiết bị ngưng tụ 78 4.3.3. Bơm dung dịch lên thùng cao vị 82 4.3.4. Bơm dung dịch từ nồi 3 vào nồi 2 .84 4.3.5. Bơm dung dịch từ nồi 2 vào nồi 1 .86 4.3.6. Bơm dung dịch từ nồi 1 sang bể chứa sản phẩm .89 4.4. Thiết bị gia nhiệt 92 CHƯƠNG V. KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 5 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày công nghiệp sản xuất hóa chất là một ngành công nghiệp quan trọng ảnh hưởng đến nhiều ngành khác. Một trong những sản phẩm được quan tâm sản xuất khá nhiều là Kali hydroxyt (KOH) do khả năng sử dụng rộng rãi của nó. Trong quá trình sản xuất KOH, quá trình cô đặc thường được sử dụng để thu được dung dịch KOH có nồng độ cao, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đa dạng và tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ. Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi ngược chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài, cô đặc dung dịch KOH 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 sâu sắc 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 các thông số kỹ thuật cụ thể. Tuy nhiên, quá trình thiết bị là các môn học rất khó và kiến thức thực tế của sinh viên thì hạn chế nên việc thực hiện đồ án thiết bị còn nhiều thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của thầy cô và bạn bè để có thêm nhiều kiến thức chuyên môn. Đồ án được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn của GV Tống Thị Quỳnh Anh và các thầy cô bộ môn khoa cơ khí – công nghệ, trường Đại học Nông lâm Huế. Em xin chân thành cảm ơn cô Tống Thị Quỳnh Anh cùng các thầy cô giáo và các bạn đã giúp em thực hiện đồ án này. 6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1. Tổng quan về sản phẩm: Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sử dụng từ ngành công nghiệp hóa chất có một vai trò không thể thiếu và được ứng dụng rộng rãi. Kalihydroxyt với công thức hóa học KOH, là một trong những hóa chất thông dụng với nhiều ứng dụng tực tiễn, hiện nay KOH đang được sản xuất ngày càng lớn.  Các tính chất vật lý cơ bản của KOH: − KOH là một khối tinh thể trong suốt, không màu, ăn da mạnh. − Nhiệt độ nóng chảy là 360,4 0 C (khan). − Nhiệt độ sôi là 1325 0 C (khan) − Độ nhớt là 1,63 Cp ở 20 0 C (dung dịch 20%) − Nó hấp thu mạnh hơi ẩm và CO 2 của không khí, dễ chảy rữa thành K 2 CO 3 . KOH dễ dàng tan trong nước, 100g nước hòa tan được 112g KOH, tỏa nhiều nhiệt tạo dung dịch KOH. Áp suất hơi của nước ở trên KOH ở nhiệt độ phòng là 0,002 mmHg.  Các ứng dụng của KOH: − Sản xuất dầu diesel sinh học − Sản xuất xà phòng mềm, làm chất tẩy rữa − Tiền thân của các hợp chất kali khác − Làm pin điện phân  Các phương pháp sản xuất: − Điện phân (có màng ngăn) dung dịch KCl: 7 KCl + H 2 O → KOH + 2 2 1 2 H Cl↑ + ↑ − Điều chế KOH từ kali: 2 2 1 2 K H O KOH H+ → + − Điều chế từ dung dịch K 2 CO 3 : K 2 CO 3 + Ca(OH) 2 → 2KOH + CaCO 3 ↓ 1.2. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp cô đặc 1.2.1. Định nghĩa 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. - Thu dung môi ở dạng nguyên chất. Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Trong đó: Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt. Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế. 8 Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm đậm đặc dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc, đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba .hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng lên. Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì 9 hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. 1.2.2. Các phương pháp cô đặc − Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung dịch chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng. − Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh 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 quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 1.2.3. Ứng dụng của cô đặc − Dùng trong sản xuất thực phẩm: đường, mỳ chính, nước trái cây . − Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl 2 , các muối vô cơ . 1.2.4.Cấu tạo thiết bị cô đặc 1.2.4.1. Phân loại theo cấu tạo Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. Có buồng đốt ngoài ( không đồng trục buồng bốc). Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm: 10 . 14,821 7,1 69,7 233 3,7.10 3 5,7 Tổng 3 nồi ∑∆ ’ = ∆ 1 ’ + ∆ 2 ’ +∆ 3 ’ = 26 ,30 3 2 .3. 2 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (∆’’) Áp suất của dung dịch thay. ngăn) dung dịch KCl: 7 KCl + H 2 O → KOH + 2 2 1 2 H Cl↑ + ↑ − Điều chế KOH từ kali: 2 2 1 2 K H O KOH H+ → + − Điều chế từ dung dịch K 2 CO 3 : K 2 CO 3