Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn trung tâm cô đặc dung dịch NaOH với năng suất 3,6 kg

Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Họ tên : Vũ Thế Dương Lớp : LT CĐĐH Khoa : Cơng Nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : Th.s Phan Thị Quyên NỘI DUNG ĐỀ BÀI: Thiết kế hệ thống nồi cô đặc xuôi chiều tuần hồn Trung Tâm đặc dung dịch NaOH với suất 3,6 kg/s Chiều cao ống gia nhiệt: 2,0 m Nồng độ đầu vào dung dịch: 5% Nồng độ cuối dung dịch: 30% Áp suất đốt nồi 1: at Áp suất ngưng tụ: 0,3 at NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN  ………………………………………… Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2012 Người nhận xét GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với cơng việc kĩ sư hố chất thiết kế thiết bị hay hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ sản xuất, sinh viên khoa Cơng nghệ Hố học trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội nhận đồ án môn học: “Quá trình thiết bị Cơng nghệ Hố học” 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” Trên sở lượng kiến thức kiến thức số mơn khoa học khác có liên quan, sinh viên tự thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị thực nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn q trình cơng nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu việc tra cứu, vận dụng kiến thức, quy định tính tốn thiết kế, tự nâng cao kĩ trình bày thiết kế theo văn phong khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Trong đồ án mơn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaOH, suất kg/s, nồng độ dung dịch ban đầu 5%, nồng độ sản phẩm 30% Do hạn chế thời gian, chiều sâu kiến thức, hạn chế tài liệu, kinh nghiêm thực tế nhiều mặt khác nên khơng tránh khỏi thiếu sót trình thiết kế Em mong nhận đóng góp ý kiến, xem xét dẫn thêm thầy giáo để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Th.S Phan Thị Quyên hướng dẫn em hoàn thành đồ án GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học Phần I Giới Thiệu Chung Để bước đầu làm quen với công việc kĩ sư hoá chất thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị phục vụ nhiệm vụ kỹ thuật sản xuất, sinh viên khoa cơng Nghệ Hố học nhận đồ án mơn học“ Qúa trình & Thiết bị cơng Nghệ Hố học“ Việc làm đồ án cơng việc tốt giúp cho sinh viên bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức giáo trình“ Cơ sở q trinh & thiết bị Cơng Nghệ Hố học” Trên sở lượng kiến thức lượng kiến thức môn học khác, sinh viên biết dùng tài liệu tham khảo tra cứu, vận dụng kiến thức, quy định thiết kế, tự nâng cao kỹ vận dụng, tính tốn, trình bày nội dung thiết kế theo văn phong khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành thiết kế hệ thống đặc nồi xi chiều ống tuần hồn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaOH, suất 12960kg/h, nồng độ đầu 5%, nồng độ sản phẩm 30% Tổng quan dung dịch NaOH 1.1 tính chất hóa lý Natri hydroxit tinh khiết chất rắn có màu trắng dạng viên, vảy hạt dạng dung dịch bão hòa 50% Natri hydroxit dễ hấp thụ CO2 khơng khí thường bảo quản bình có nắp kín Nó phản ứng mãnh liệt với nước giải phóng lượng nhiệt lớn, hịa tan etannol metannol Nó hịa tan ete dung môi không phân cực, để lại màu vàng giấy sợi GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội 1.2 Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học Điều chế, sản xuất Toàn dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) dựa phản ứng điện phân nước muối (nước cái) Trong trình dung dịch muối (NaCl) điện phân thành clo nguyên tố (trong buồng anốt), dung dịch natri hyđroxit, hidro nguyên tố (trong buồng catôt) Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút clo thường gọi nhà máy xút-clo Phản ứng tổng thể để sản xuất xút clo điện phân là: Na+ + H2O + e- → H2 + NaOH Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn bình điện phân có màng ngăn: NaCl + H2O → NaOH + H2 + Cl2 Các kiểu buồng điện phân Điểm phân biệt công nghệ phương pháp ngăn cản khơng cho natri hyđroxit khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo sản phẩm tinh khiết  Buồng điện phân kiểu thủy ngân Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân khơng sử dụng màng chắn mà sử dụng thuỷ ngân phương tiện chia tách  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 amian phủ catơt có nhiều lỗ  Buồng điện phân kiểu màng ngăn Còn buồng điện phân kiểu màng ngăn màng chia tách màng trao đổi iơn 1.3 Ứng dụng Natri hiđroxit hay hyđroxit natri (công thức hóa học NaOH)[1] hay thường gọi xút xút ăn da Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh hịa tan dung mơi nước Nó sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp giấy, dệt nhuộm, xà phòng chất tẩy rửa Sản lượng GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học giới năm 1998 vào khoảng 45 triệu Natri hydroxit sử dụng chủ yếu phịng thí nghiệm 2.Tổng quan q trình đặc 2.1 Khái niệm Q trình đặc trình làm tăng nồng độ chất hồ tan( khơng khó bay hơi) dung mơi bay Đặc điểm q trình đặc dung môi tách khỏi dung dịch dạng hơi, cịn dung chất hồ tan dung dịch khơng bay hơi, nồng độ dung chất tăng dần lên, khác với trình chưng cất, cấu tử hỗn hợp cùng bay hơi, khác nồng độ nhiệt độ Hơi dung mơi tách q trình đặc gọi thứ, thứ nhiệt độ cao dùng để đun nóng thiết bị khác Cơ đặc nhiều nồi Cơ đặc nhiều nồi q trình sử dụng thứ thay cho đốt, có ý nghĩa sử dụng nhiệt Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch đun nóng đốt, bốc lên nồi đưa vào nồi thứ để làm đốt, thứ nồi thứ lại làm đốt cho nồi thứ 3… Hơi thứ nồi cuối đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch vào từ nồi đầu đến nồi cuối, qua nồi nồng độ dung dịch tăng dần lên phần dung môi bốc Hệ thống cô đặc xuôi chiều sử dụng phổ biến Ưu điểm loại dung dịch tự di chuyển từ nồi trước nồi sau nhờ chênh lệch áp suất nồi Nhược điểm nhiệt độ GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học nồi sau thấp nồng độ lại cao nồi trước nên độ nhớt dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối 2.2 Cô đặc nhiều nồi xuôi chiều Hệ thống cô đặc xuôi chiều làm việc liên tục :  Sơ đồ dây chuyền sản xuất: (sơ đồ kèm) GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học 10 Dung­dÞch­mi 6­ Dungưdịchưdầu hoi nuoc bao hoa Nư í c­ng­ ng N­ í c­ng­ ng N­ cưngư ng Nư cưlàmưlạ nh 12 11 Bơmưchânưkhông Trng: HCN H Ni Trong dõy chuyn gm có thiết bị sau: GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học - Bể chứa dung dịch đầu – Bơm – Thùng cao vị – Lưu lượng kế - Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6,7 - Nồi cô đặc 1, – Baromet – Hút chân không 10 –Thùng chứa sản phẩm 11 – Bơm chân không 12- Thùng chứa nước ngưng Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt dung dịch cùng chiều với từ nồi sang nồi kia) dùng phổ biến cơng nghiệp hóa chất Loại có ưu điểm dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất nồi Nhiệt độ sôi nồi trước lớn nồi sau, đó, dung dịch vào nồi (trừ nồi 1) có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, kết dung dịch làm lạnh lượng nhiệt làm bốc thêm lượng nước gọi trình tự bốc Nhưng dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp nhiệt độ sơi dung dịch, cần phải đun nóng dung dịch tiêu tốn thêm lượng đốt Vì vậy, đặc xuôi chiều, dung dịch trước vào nồi nấu đầu cần đun nóng sơ phụ nước ngưng tụ Nhược điểm cô đặc xuôi chiều nhiệt độ dung dịch nồi sau thấp dần, nồng độ dung dịch tăng dần làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học PHẦN II TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH Số liệu ban đầu : Thiết kế hệ thống nồi đặc xi chiều tuần hồn trung tâm cô đặc dung dịch NaOH với suất 3,6 kg/s = 12960 kg/h Chiều cao ống gia nhiệt: 2m Nồng độ đầu vào dung dịch: 5% Nồng độ cuối dung dịch:30% Áp suất đốt nồi 1: at Áp suất ngưng tụ: 0,3 at Xác định lượng thứ bốc toàn hệ thống: Áp dụng công thức (VI.1/[ – 55]) W = Gd – Gc = Gd (1 - ) W = 12960 x (1 -) =10800 (kg/h) 2.Xác định lượng thứ bốc từ nồi : W1 : Lượng thứ bốc từ nồi W2 : Lượng thứ bốc từ nồi Chọn tỉ lệ phân phối thứ hai nồi sau: W1 : W2= 1:1 Mà ta có: W1 + W2 = 10800 W1=W2=5400(kg/h) Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi x1:nồng độ cuối dung dich nồi x2:nồng độ cuối dung dich nồi Áp dụng công thức : W1 = Gd ( 1- ) x = GVHD :Phan Thị Quyên SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học x1 = x2 = 30% Tính chênh lệch áp xuất chung hệ thống - Độ chênh lệch áp suất đốt nồi thiết bị ngưng tụ là: Trong P1 áp xuất đốt Png áp xuất ngưng Chênh lệnh áp suất , nhiệt độ đốt cho nồi - Chọn tỉ lệ chênh lệch áp suất đốt nồi là: mà: * Vậy áp suất đốt nồi là: * Xác định nhiệt độ đốt nồi: Tra bảng (I.251[1-316]: Nồi 1: với P1  5 at ta : t1=151.1˚C Nhiệt lượng riêng: i1=2754.103[J/kg] Nhiệt hoá hơi: �Nồi r1=2117.103[J/kg] 2: với P2=1,792 ta : T2=116,156 ˚C GVHD :Phan Thị Quyên 10 SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học D Db D1 db Do Dt Buồng bốc 2.1 Thể tích khơng gian Thể tích khơng gian tính theo cơng thức: Vkgh = (m3) (CT-VI.32-[2-71]) Trong :+ Vkgh: thể tích khơng gian m3 + W: lương thứ bốc lên thiết bị kg/h W = 10800 kg/h +: khối luợng riêng thứ kg/m3 = 1,0302 kg/m3 (Tra bảng I.251-[1-314] + Utt: cường độ bốc thể tích cho phép khơng gian ( thể tích bốc đơn vị thể tích khoảng khơng gian đơn vị thời gian) m3/m3.h Cường độ bốc phụ thuộc vào nồng độ dung dịch áp suất thứ điều kiện áp suất P = at Utt(1at) = 1600, chọn Utt (1at) = 1600 m3/m3.h Khi P 1at Utt = f.Utt(1at) m3/m3.h với Utt (1at) cường độ bốc P = 1at f: hệ số hiệu chỉnh tra đồ thị VI.3-[2-72] Pht = 1,9822 at f = 0,87 Utt = 0,87 1600 = 1392 m3/m3.h V = = 7,531 m3 2.2.Chiều cao phòng bốc hơi: Chiều cao không gian H = (CT-VI.34-[2-72]) GVHD :Phan Thị Quyên 60 SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học Chọn đường kính buồng bốc Dt =2100 m H = = 2,175 m Chọn H = 2m 2.3 Bề dày thân 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 , 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/[2- 360] với P=Pht=1.982at= 19,437.104(N/m2) S=+C,m Vì  = 0,95 = 642,91 > 50nên bỏ qua P mẫu số cơng thức (*) S= + C =+1,8.10-3=3,43.10-3m=3,43 mm Quy chuẩn S = mm +Kiểm ta điều kiện ứng suất theo công thức  = (CT-XIII.26-[2-365]) P0 = 1,5 Pht = 1,5.19,437.104 = 29,1555.104 N/m2 =  73,22. Vậy chon S = 6mm 2.4 Bề dày nắp buồng bốc Chọn nắp elip có gờ , vật liệu chế tạo thép CT3 Theo Công thức XIII.47/[2 – 385] , chiều dày nắp buồng bốc xác định sau: S= ,m Trong đó: +: hệ số bền hàn hướng tâm , = 0,95 GVHD :Phan Thị Quyên 61 SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học +K: hệ số khơng thứ ngun, xác định theo công thức sau: K=1- (CT-XIII.48-[2-385] d: đường kính lớn ( hay kích thước lớn lỗ khơng phải hình trịn ), (CT-VII.42-ST2-T74) Với :V lưu lượng khỏi nồi :m3/s h= 1,0302 kg/m3 vận tốc thích hợp thiết bị;với bão hào ta chọn = 2040(m/s), ta chọn= 30m/s Thay vào ta có : K=1-=0,876 +Dựa vào Dt = 2,1 m tra hb theo bảng XIII.10-[2-382] hb =400 mm +p áp suất khỏi phòng đốt p=1,982at= 19,437.104(N/m2) xét  50 ta bỏ p mẫu số biểu thức (*) viết dạng là: S=+C S = + C= 1,49.10-3+C ,m Đại lượng bổ xung C S – C < 10 phải tăng giá trị C thêm 2mm nên ta có : C = 1,8 + = 3,8 mm S = 1,49.10-3+3,8.10-3= 5,2910-3m=5,2 mm ,chọn S = mm Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực công thức XIII.49-[2-386] = (N/m2) P0=1,5.p=1,5.19,437.104=29,1555.104(N/m2)  = = 134,19.106 < 240.106 Độ bền đảm bảo an toàn.Vậy chọn S = 6mm GVHD :Phan Thị Quyên 62 SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học 2.5.Tra bích để lắp đáy nắp thân buồng bốc -Tra bích buồng bốc (bảng XIII.27-2[2-420])-loai bích1 Kiểu bích H Kích thước nối Pb.10-6 N/m2 Dtr (mm) 0,6 2100 Bu lông D (mm) Db (mm) D1 (mm) D0 (mm) db Z(cái) 2240 2200 2160 2113 M24 32 (mm) 30 D Db D1 db Do Dt III Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3, góc đáy 60o Đáy nón có gờ dùng để nối buồng đốt buồng bốc thiết bị đặc tuần hồn cưỡng thiết bị sử dụng để cô đặc dung dịch nhớt dung dịch kết tủa nên ta chọn loại góc đáy 60 o loại có gờ làm việc áp suất lớn 7.104(N/m2) Chiều đày nón có gờ với góc đáy 60 o tính theo cơng thức XIII.52/ [2 – 399] Trong đó: + Dt đường kính thiết bị Dt = 2100[mm] GVHD :Phan Thị Quyên 63 SVTH : Vũ Thế Dương Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học + P áp suất P = 1,982[at]=19,437.104 [N/m2] + hệ số có trị số 0,95 + + y yếu tố hình dạng đáy xác định theo đồ thị XIII.15/[2 – 400] Xét tỷ lệ: Trong đó: = 300( Tra bảng XIII.21[2_394] Khi đó: Vì S – C