Cô đặc NaNo3 - Cô đặc chân không một nồi

Cô đặc NaNo3 - Cô đặc chân không một nồi.

GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 1 Mục lụcMục lụcMục lụcMục lục LỜI NÓI ĐẦU 3 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I. Nhiệm vụ của đồ án II. Giới thiệu về nguyên liệu III. Khái quát về cô đặc 1.Đònh nghóa 2.Các phương pháp cô đặc 3.Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 4.Ứng dụng của sự cô đặc IV.Thiết bò cô đặc nhiệt 1.Phân loại và ứng dụng 2.Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc V. Lựa chọn thiết bò cô đặc dung dòch NaNO3 PHẦN II THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ PHẦN III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH I.Cân bằng vật chất và năng lượng 1.Dữ kiện ban đầu 2.Cân bằng vật chất 3.Tổn thất nhiệt độ 4.Cân bằng năng lượng GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 2 II.Thiết kế thiết bò chính A. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bò chính 1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch 3.Nhiệt tải riêng phía vách 4.Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 5.Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc B. Tính kích thước thiết bò cô đặc 1.Tính cho buông bốc 2.Tính cho buồng đốt 3.Tính kích thước ống dẫn,ống nhập liệu , tháo liệu C. Tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bò 1. Tính cho buồng đốt 2.Tính cho buồng bốc 3.Tính cho đáy thiết bò 4.Tính cho nắp 5.Tính mặt bích 6.Tính vỉ ống 7.Tính khối lượng và tai treo PHẦN IV THIẾT BỊ PHỤ I.Thiết bò gia nhiệt 1.Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 2.Hệ số cấp nhiệt phía dung dòch 3.Nhiệt tải riêng phía tường 4.Diện tích bề mặt truyền nhiệt II.Thiết bò ngưng tụ 1.Chọn thiết bò ngưng tụ 2.Tính toán thiết bò ngưng tụ III.Tính bơm 1.Bơm chân không 2.Bơm nước vào thiết bò ngưng tụ 3.Bơm đưa dung dòch nhập liệu vào bơm cao vò 4.Bơm tháo liệu IV.Tính cho bồn cao vò V. Bề dày cách nhiệt VI.Cửa sửa chữa VII.Kính quan sát PHẦN V TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ LỜI KẾT TÀI LIỆU THAM KHẢO GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 3 Lời nói đầu Có thể nói thực hiện Đồ án chuyên ngành là một cơ hội tốt cho sinh viên ôn lại toàn bộ các kiến thức đã học về các quá trình và công nghệ hóa học. Ngoài ra đây còn là dòp mà sinh viên có thể tiếp cận với thực tế thông qua việc lựa chọn, tính toán và thiết kế các chi tiết của một thiết bò với các số liệu rất cụ thể và rất thực tế. Tuy nhiên vì còn là sinh viên nên kiến thức thực tế còn hạn hẹp do đó trong quá trình thực hiện đồ án khó có thể tránh được 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 này được thực hiện dưới sự giúp đỡ và hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn Ngũ, và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết Bò khoa Công nghệ Hóa học và Dầu khí trường Đại học Bách khoa Thành phố Hố Chí Minh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Ngũ và các thầy cô trong bộ môn Máy và Thiết Bò, cũng như các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án. GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 4 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 5 I.NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: Thiết kế dây chuyền cô đặc chân không 1 nồi hoạt động liên tục. Có hệ thống tự động hoá hoàn chỉnh. Yêu cầu: ° Chọn cô đặc dung dòch NaNO3 • Năng suất theo sản phẩm: 1500 kg/h (cho) • Nồng độ đầu: 15% khối lượng (chọn) • Nồng độ cuối: 45% khối lượng (chọn) • Áp suất ngưng tụ: 0,6 kg/cm2 (cho) II.GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU NaNO3 là chất rắn, trắng hoặc tinh thể không màu có khả năng tan tốt trong nước(đến 86.4% ở nhiệt độ thường).Dung dòch NaNO3 có độ nhớt khá bé Sức căng bề mặt khá lớn do đó dung dòch sôi sủi bọt nhiều 10(oC) 20(oC) 30(oC) 40(oC) 50(oC) 60(oC) 20% 1.59 1.18 1.03 0.86 0.72 0.62 25% 1.78 1.25 1.14 0.95 0.8 0.69 30% 2.05 1.33 1.3 1.07 0.91 0.79 GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 6 Đồng thời muối nitrat có tính ăn mòn hóa học ;đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất khá cao do đó chú ý trong vấn đề chọn vật liệu thiết bò. * NaNO3 được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như: ▪ Sản xuất phân bón,phân đạm nitrat ▪ Sản xuất thuốc nổ và hỗn hợp tạo khói trong tên lửa ▪ Trong công nghiệp sản xuất hóa chất như sản xuất axit nitric khi cho phản ứng với axit sunfuric… ▪ Là thuốc thử được sử dụng thông dụng trong phòng thí nghiệm. ▪ Trong công nghiệp thực phẩm đây là một loại phụ gia, được ướp trong các loại thực phẩm giúp giữ lại độ tươi, cứng, dai thay thế cho KNO3 *Tính chất nguyên liệu: • Khối lượng nguyên liệu: 84.9947 • Điểm tan chảy: 307oC • Điểm sôi: 380oC • Khối lượng riêng: 2.3 ×103 kg/m3 • Độ tan : 92g/100mL III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC: 1. Đònh nghóa: Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dòch hai hay nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dòch lỏng - rắn hay lỏng- lỏng có chênh lệch nhiệt sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dể bay hơi hơn). Đó là các quá trình vật lý - hóa lý. Tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn) bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hay bằng phương pháp làm lạnh kết tinh 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 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 tăngnồng độ chất tan.Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 7 thoáng mà quá trình kết tinh đó xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 3 . Bản chất của sự cô đặc do nhiệt: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì 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 phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó sự bay hơi 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 (protit) sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc 4.Úng dụng của sự cô đặc: Trong sản xuất thực phẩm,cô đặc các dung dòch đường ,mì chính,các dung dòch nước trái cây… Trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ … Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bò cô đặc như một thiết bò hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bò cô đặc là một tất yếu. Nó đòi hỏi phải có những thiết bò hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bò cô đặc. IV. CÁC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC NHIỆT: 1. Phân loại và ứng dụng: 1.1. Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dòch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dòch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dể 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 dòch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dòch từ 1,5 - 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dòch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm: • Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài. GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 8 • Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài. Nhóm 3: dung dòch chảy thành màng mỏng,chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm. Đặc biệt thích hợp cho các dung dòch thực phẩm như dung dòch nước trái cây,hoa quả ép…Gồm: • Màng dung dòch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dòch sôi tạo bọt khó vỡ. • Màng dung dòch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dòch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. 1.2. Theo phương pháp thực hiện quá trình: -Cô đặc áp suất thường (thiết bò hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dòch liên tục để giữ mức dung dòch cố đònh để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dòch đạt được là không cao. -Cô đặc áp suất chân không: Dung dòch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dòch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. -Cô đặc nhiều nồi: Mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Có thể cô chân không, cô áp lực hay phối 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 áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. ⇒ Đối với mỗi nhóm thiết bò đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn hay không. Tùy theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dòch mà ta có thể sử dụng chế độ cô đặc ở điều kiện chân không, áp suất thường hay áp suất dư. 2. Các thiết bò và chi tiết trong cô đặc: -Thiết bò chính:  Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt.  Buồng đốt , buồng bốc, đáy, nắp…  Ống: hơi đốt, tháo nước ngưng, khí không ngưng… -Thiết bò phụ:  Bồn cao vò, lưu lượng kế  Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu.  Các loại bơm: bơm dung dòch, bơm nước, bơm chân không.  Thiết bò gia nhiệt.  Thiết bò ngưng tụ Baromet.  Các loại van.  Thiết bò đo GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 9 V. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC: Theo tính chất nguyên liệu, ta chọn thiết bò cô đặc 1 nồi, làm việc liên tục, áp suất chân không, có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Thiết bò cô đặc dạng này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa,làm sạch và sửa chữa. Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dòch, giảm được chi phí năng lượng, hạn chế không cho chất tan bò lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bò, làm hư thiết bò. Tuy nhiên tốc độ tuần hoàn nhỏ, hệ số truyền nhiệt còn thấp.vận tốc tuần hoàn bò giảm vì ống tuần hoàn cũng bò đun nóng GVHD: TS. Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học SVTH: Phan Thi Kim Nên Trang 10 PHẦN III THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ [...]... lượng: Nhiệt vào: - Do dung dòch đầu: Gđcđtđ - Do hơi đốt: Di”D - Nhiệt do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt: ϕDcTD Nhiệt ra: - Hơi thứ mang ra: Wi”W - Nước ngưng tụ: Dcθ - Sản phẩm mang ra: Gccctc - Nhiệt cô đặc: Qcđ - Nhiệt tổn thất: Qtt -Tại thiết bò gia nhiệt chọn đun nóng đến nhiệt độ sôi 94.169oC Dòng nhập liệu: Dòng vào tv = 30oC Dòng ra tr = 94.169oC Dòng hơi đốt : TD = 142.9oC -Vậy nhiệt độ... áp suất chân không trong hệ hệ thống p suất làm việc của thiết bò Baromet là áp suất chân không, do đó nó phải được lắp đặt ở một độ cao cần thiết để nước ngưng có thể tự chảy ra ngoài khí quyển mà không cần dùng máy bơm Bình tách là một vách ngăn, có nhiệm vụ là tách những giọt lỏng bò lôi cuốn theo dòng khí không ngưng để đưa trở về bồn chứa nước ngưng, còn khí không ngưng sẽ được bơm chân không hút... ϕDcTD =0 -nhiệt cô đặc Qcd =0 Trong hơi nước bão hòa bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bò cuốn theo khoảng ϕ =0.05(độ ẩm của hơi) ⇒ Nhiệt lượng do hơi bão hòa cung cấp QD= D( 1- ϕ )(i”D- cθ) Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ= nhiệt độ hơi đốt vào (không có quá lạnh sau khi ngưng) thì (i”D- cθ)=rD=2135.5kJ/kg (ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt) (14) (13) ⇒ D( 1- ϕ )(i”D- cθ) + Gđcđtđ = Gccctc + W(.i”W- cθ)... = tv1 − tv 2 ∑ rv Trong đó: Σrv - tổng trở vách Σrv = r1 + δ/λ + r2 ⇒ ∑ rv = ( 0,417 + 2/16.3 + 0 )*1 0-3 = 0,5397.1 0-3 W/m2K (24) V i: r1 - nhiệt trở phía dung dòch, r1 = 0,417.1 0-3 m2K / W r2 - nhiệt trở phía hơi nước, r2 = 0 m2K / W Tra bảng V1,[2],tr4 - bề dày ống, δ = 2 mm Tra ở bảng XII.7, tr313, [2] λ - hệ số dẫn nhiệt của ống, λ = 16.3 m2K / W (với ống là thép không gỉ OX18H10T) ∆tv: chênh lệch... (61557.75) 0.5 × (9,686) 2.33 = 7140,73032W / m 2 Cdd - nhiệt dung riêng của dung dòch ,J/kg.C Cn - nhiệt dung riêng của nước (ở 88.5153oC),J/kg.C µdd - độ nhớt dung dòch , Ns/m2 µn - độ nhớt nước(ở 88.5153oC), Ns/m2 ρ dd - khối lượng riêng dung dòch , kg/m3 ρn - khối lượng riêng nước (ở 88.5153oC), kg/m3 λdd - độ dẫn nhiệt dung dòch, w/m2K λn - độ dẫn nhiệt nước (ở 88.5153oC),W/m2K Nồng độ ρn ρ dd... cd=Cvào = 4186( 1-a) = 4186( 1- 0,15) = 3558,1 J/kgOC a= 45% (a>0.2) cc=Cra = 4186 – ( 4186 – Cct)a = 4186 – (4186 – 1205)0,45 = 2844.55 J/kgOC v i: Cct là nhi t dung riêng c a NaNO3 khan và = 1205 J/kgOC Thành lập phương trình cân bằng nhiệt: Gđcđtđ + D.i”D + ϕDcTD = W.i”W+ D.c.θ + Gccctc ± Qcđ + Qtt (13) (+Qcđ )khi cô đặc thu nhiệt (-Qcd) khi cô đặc tỏa nhiệt Bỏ qua:-phần nhiệt lượng do hơi đã ngưng... nón có gờ liên kết buồng bốc và buồng đốt Có một lổ cửa người và một lổ kính quan sát Vật liệu là thép không gỉ OX18H10T Có bọc cách nhiệt Tính toán: Tính bề dày tối thiểu ( S' ): Buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không nên chòu áp lực từ bên ngoài p suất chân không tuyệt đối bên trong thấp nhất là 0,6275 at Như vậy thiết bò chòu áp suất ngoài là Pn = 1+ ( 1-0 ,6275) =1.3725at=0.13464N/mm2 (51) Nhiệt... (14) ⇒ QD=D( 1- ε )( 1- ϕ ) (i”D- cθ)= Gccctc - Gđcđtđ + W(.i”W- cθ) (15) ⇒ Lượng hơi đốt phải dùng biểu kiến: Gc c c t c − G d c d t d + W (iW "−cc t c ) (1 − ε )(1 − ϕ )rD 3000 4500 1500 * (2655.7 * 10 3 − 2844.55 * 98.1996) * 3558.1 * 94.169 + * 2844.55 * 98.1996 − 3600 3600 3600 D= (1 − 0.05)(1 − 0.05)(2135.5 *10 3 ) = 0.871kg / s D= Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: QD=0.871*( 1-0 .05)( 1-0 .05)(2135.5*103)=1.6787.106... bò cô đặc là tđ = 94.169oC - Nhiệt độ đầu ra lấy tại đáy thiết bò tc = tsdd(Po) + 2 ∆ ′′ (CT2.15,[3],tr107) (12) o ⇒ tc = 94.169 + 2*2.0153 = 98.1996 C -Nhiệt dung riêng của dung dòch NaNO3 nhi t dung riêng c a dung d ch NaNO3 các n ng khác nhau ư c tính như sau Theo [1] trang 152 ta có thể tính: Trang 17 SVTH: Phan Thi Kim Nên GVHD: TS Trần Văn Ngũ Đồ Án Mon Học : a=15% (a . trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo (protit) sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khi cô đặc 4.Úng dụng của sự cô đặc: Trong sản xuất thực phẩm ,cô đặc. gian cô đặc là ngắn nhất.Tuy nhiên, nồng độ dung dòch đạt được là không cao. -Cô đặc áp suất chân không: Dung dòch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân