Đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cô đặc dung dịch KNO3 với năng suất 12000 kg h

Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ Họ tên : Đỗ Thị Thu Hiền Lớp : Đ.H.C.N Hóa1 - K2 Khoa : Cơng Nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Xuân Huy NỘI DUNG ĐỀ BÀI: Thiết kế hệ thống nồi cô đặc xuôi chiều tuần hồn cưỡng đặc dung dịch KNO3 với suất 12000 kg/h Chiều cao ống gia nhiệt: m Nồng độ đầu vào dung dịch: 10% Nồng độ cuối dung dịch: 28% Áp suất đốt nồi 1: at Áp suất ngưng tụ: 0,35 at NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ∗∗∗∗∗ ………………………………………… Hà Nội, Ngày … Tháng …Năm 2010 Người nhận xét GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG Phân loại thiết bị cô đặc: Cô đặc nhiều nồi: 3.Giới thiệu dung dịch KNO3: .9 Sơ đồ dây chuyền sản xuất : 4.1 Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc nồi xi chiều tuần hồn cưỡng .9 4.2 Ngun lý làm việc hệ thống 10 PHẦN II 12 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 12 Số liệu ban đầu : 12 2.Tính cân vật liệu : 12 2.1 Xác định lượng nước bốc ( lượng thứ ) toàn hệ thống nồi: 12 2.1.1 Xác định lượng hới thứ bốc toàn hệ thống: 12 2.1.2.Xác định lượng thứ bốc từ nồi : 12 2.2 Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi 13 3.Tính cân nhiệt lượng : 13 3.1.Xác định áp suất nhiệt độ nồi: 13 3.1.1 Xác định áp suất nhiệt độ đốt nồi 13 3.1.2 Xác định nhiệt độ áp suất thứ nồi .14 3.2.Xác định tổn thất nhiệt độ: 15 3.2.1 Tổn thất nhiệt độ nồng độ : 15 3.2.2 Tổn thất áp suất thuỷ tĩnh: 16 3.2.3 Tổn thất đường ống .17 3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ hệ thống nồi 17 3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích hệ thống xác định : 17 3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi nồi 18 3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích nồi; .18 3.4.Lập phương trình cân nhiệt lượng: 18 3.4.1 Nhiệt lượng vào gồm có: 19 3.4.2 Nhiệt lượng mang ra: .19 3.4.3 Hệ phương trình cân nhiệt: 19 4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình nồi: 23 4.1.Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ .23 4.2 Xác định nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: .24 4.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi W/m2 độ: .25 4.3.1 Khối lượng riêng : 27 4.3.2 Nhiệt dung riêng : .27 4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: 27 4.3.4 Độ nhớt : 29 4.4.Nhiệt tải riêng phía dung dịch : 30 4.5.So sánh q2i q1i : 30 Xác định hệ số truyền nhiệt cho nồi 31 Hiệu số nhiệt độ hữu ích .32 6.1 Xác định tỷ số sau : 32 6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích nồi : .32 GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 33 PHẦN III .33 TÍNH TỐN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 33 Buồng đốt 34 1.1 Xác định số ống buồng đốt: 34 1.2 Đường kính buồng đốt : 35 1.3 Chiều dày buồng đốt : .35 1.4.Chiều dày lưới đỡ ống : 38 1.5 Chiều dày đáy buồng đốt : .40 1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân buồng đốt : 43 2.Buồng bốc 43 2.1 Thể tích buồng bốc : 43 2.2 Chiều cao buồng bốc : 44 2.3 Chiều dày buồng bốc: .45 2.4 Chọn chiều dày nắp buồng bốc ( đáy buồng đốt ): 46 2.5 Tra bích để lắp thân buồng bốc : 48 Chiều dày ống có gờ thép CT3 .49 Tính toán số chi tiết khác .50 4.1 Tính đường kính ống nối dẫn , dung dịch vào, thiết bị : .50 4.1.1 Ống dẫn đốt vào : .50 4.1.2 Ống dẫn dung dịch vào : 51 4.1.3 Ống dẫn thứ : 51 4.1.4 Ống dẫn dung dịch ra: .52 4.1.5 Ống tháo nước ngưng : 52 4.1.6 Ống tuần hoàn: 52 4.2 Tính chọn tai treo giá đỡ : 56 4.2.1 Tính Gnk : .56 4.2.2.Tính Gnd : .60 4.3 Chọn kính quan sát : .62 4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt : 62 PHẦN IV .63 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ .63 1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu : 64 1.1.Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 64 1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 64 1.3.Bề mặt truyền nhiệt: 69 1.4.Số ống truyền nhiệt : .69 1.5.Đường kính thiết bị đun nóng : .70 1.6.Tính vận tốc chia ngăn : .71 2.Chiều cao thùng cao vị: 71 3.Bơm 80 3.1.Xác định áp suất toàn phần bơm tạo ra: .80 3.2.Năng suất trục bơm: 83 3.3.Công suất động điện: 84 4.Thiết bị ngưng tụ baromet: .84 4.1.Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: 86 4.2.Đường kính thiết bị 87 4.3.Kính thước ngăn: 87 4.4 Chiều cao thiết bị ngưng tụ: 88 4.5.Các kích thước ống baroomet: 89 GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học 4.6.Lượng khơng khí cần hút khỏi thiết bị: .90 4.7.Tính tốn bơm chân khơng: 91 PHẦN V 93 KẾT LUẬN 93 Tài liệu tham khảo: 94 Chuyển đổi đơn vị thường gặp: .95 LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc kỹ sư hóa chất thiết kế thiết bị hay hệ thống thực nhiệm vụ sản xuất, em nhận đồ án môn học: “Q trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học” với đề là: “thiết kế hệ thống thiết bị đặc hai nồi tuần hồn cưỡng ”.Việc thực đồ án điều có ích cho sinh viên việc bước tiếp cận với việc thực tiễn sau hoàn thành khối lượng kiến thức giáo trình “Cơ sở trình thiết bị Cơng nghệ Hóa học” 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 bầy thiết kế theo văn khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Đồ án em trình bày thiết bị đặc tuần hồn cưỡng Thiết bị đặc tuần hồn cưỡng có ưu điểm như: - Hệ số cấp nhiệt lớn tuần hoàn tự nhiên tới đến lần làm việc điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ (3-5ºC) cường độ tuần hồn khơng phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ hữu ích mà phụ thuộc vào suất bơm - Cơ đặc tuần hồn cưỡng trách tượng bám cặn bề mặt truyền nhiệt đặc dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hồn tự nhiên khó thực Tuy nhiên khuyết điểm thiết bị tốn lượng để bơm, thường ứng dụng cường độ bay lớn Trong đồ án môn học em chia thành nội dung chính: GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học Phần 1: Giới thiệu chung Phần 2: Tính tốn thiết bị Phần 3: Tính tốn khí Phần 4: Tính tốn thiết bị phụ Phần 5: Kết luận 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 cô giáo bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Huy hướng dẫn em hoàn thành đồ án GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG Trong cơng nghiệp sản xuất hóa chất thực phẩm ngành cơng nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ chất tan người ta thường làm bay phần dung môi dựa nguyên lý truyền nhiệt, nhiệt độ sôi, phương pháp gọi phương pháp cô đặc Cô đặc phương pháp quan trọng cơng nghiệp sản xuất hóa chất, làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan dạng tinh thể, thu dung môi dạng nguyên chất dung dịch chuyển không nhiều công sức mà đảm bảo yêu cầu thiết bị dung để cô đặc gồm nhiều loại như: thiết bị đặc có ống tuần hồn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị đặc phịng đốt ngồi, thiết bị đặc tuần hồn cưỡng bức, thiết bị đặc ống tuần hoàn trung tâm… Tùy sản phẩm suất khác mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho suất cao, tạo sản phẩm mong muốn,giảm tổn thất q trình sản xuất Q trình đặc dung dịch mà cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sơi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi Tuy nhiên, tùy theo tính chất cấu tử khó bay ( hay khơng bay q trình đó) mà ta tách phần dung mơi (hay cấu tử khó bay hơi) phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh - Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng nhiệt (do đun nóng) dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái dung dịch sôi Để cô đặc dung dịch không chịu nhiệt độ ( dung dịch đường) địi hỏi đặc nhiệt độ thấp, thường chân khơng Đó phương pháp cô đặc chân không - Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến mức độ yêu cầu cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường kết tinh GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học dung mơi để tăng nồng độ chất tan Tùy theo tính chất cấu tử - kết tinh dung môi, điều kiện bên tác dụng lên dung dịch mà trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp có phải dùng đến máy lạnh Phân loại thiết bị cô đặc: Các thiết bị cô đặc phong phú đa dạng Tuy nhiên ta phân loại theo số đặc điểm sau: - Theo nguyên lý làm việc: Có loại thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ làm việc liên tục - Theo áp suất làm việc bên thiết bị: Chia loại: Thiết bị làm việc Pdư, Pck… - Theo nguồn cấp nhiệt:  Nguồn phản ứng cháy nhiên liệu  Nguồn điện  Nguồn nước: Nay nguồn cấp nhiệt thường gặp  Nguồn nước nóng, dầu nóng hỗn hợp điphenyl cho thiết bị chu kỳ có cơng suất nhỏ Cấu trúc thiết bị đặc thường có phận sau: - Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng nước, phận nhận nhiệt dàn ống gồm nhiều ống nhỏ nước ngưng tụ bên ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên ống - Không gian để phân ly: Hơi dung mơi tạo cịn chứa dung dịch nên phải có khơng gian lớn để tách dung dịch rơi trở lại phận nhiệt - Bộ phận phân ly: Để tác giọt dung dịch lại Cấu tạo thiết bị cô đặc cần đạt yêu cầu sau: - Thích ứng tính chất đặc biệt dung dịch cần cô đặc như: Độ nhớt cao, khả tạo bọt lớn, tính ăn mịn kim loại - Có hệ số truyền nhiệt lớn GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học - Tách ly thứ tốt - Bào đảm tách khí khơng ngưng cịn lại sau ngưng tụ đốt Cơ đặc nhiều nồi: Cơ đặc nhiều nồi q trình sử dụng thứ thay đốt, có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Ngưn tắc đặc nhiều nồi tóm tắt sau: Nồi thứ dung dịch đun đốt, thứ nồi đưa vào đun nồi thứ hai, thứ nồi thứ hai đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch vào từ nồi sang nồi kia, qua nồi bốc phần, nồng độ tăng dần lên 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 Thơng thường nồi đầu làm việc áp suất dư nồi cuối làm việc áp suất thấp áp suất khí (chân khơng) Cơ đặc nhiều nồi có hiệu kinh tế cao sử dụng đốt so với nồi Lượng đốt dùng để bốc kg thứ hệ thống cô đặc nhiều nồi tăng Dưới số liệu lượng tiêu hao đốt theo kg thứ: Trong hệ thống cô đặc nồi: 1,1 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc nồi: 0,57 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc nồi: 0,40 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc nồi: 0,30 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc nồi: 0,27 kg/ kg Qua số liệu cho thấy, lượng đốt giảm theo số nồi tăng không giảm theo tỉ lệ bậc mà từ nồi lên nồi giảm 50%, từ nồi lên nồi giảm 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm không 1% nghĩa xét mặt đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi 10 nồi Mặt khác số nồi tăng hiệu số nhiệt độ có ích giảm nhanh bề mặt đun nóng nồi tăng GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học Vì vây, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi 3.Giới thiệu dung dịch KNO3: Kali nitrat hay gọi diêm tiêu kali chất lỏng dạng tinh thể lập phương, nóng chảy 334 C Khơng hút ẩm, tan nước độ tan tăng nhanh theo nhiệt độ nên dễ kết tinh lại Nó khó tan rượu ete 400 C, KNO3 phân huỷ thành kali nitrit oxi: KNO3 = KNO2+ ½O2 Do nhiệt độ nóng chảy KNO3 chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá Mn, Cr lên số oxi hoá cao Hỗn hợp KNO3 hợp chất hữu cháy dễ dàng mãnh liệt Hỗn hợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than thuốc súng đen Diêm tiêu kali cịn dược dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt dùng công nghiệp thuỷ tinh Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từ phân dơi hay từ đất hang có dơi Phân dơi hang lâu ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH3 Dưới tác dụng số vi khuẩn, khí NH3 bị oxi hoá thành nitrơ axit nitric Axit tác dụng lên đá vôi tạo thành Ca(NO3)2, muối phần bám vào thành hang, phần tan chảy ngấm vào đất hang Người ta lấy đất hang trộn kĩ với tro củi dùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp để tách KNO3 Ca(NO3)2 + K2CO3 → 2KNO3 + CaCO3 Phương pháp cho phép sản xuất lượng diêm tiêu ỏi thỗ mãn kịp thời u cầu quốc phòng kháng chiến chống Pháp trước Sơ đồ dây chuyền sản xuất : 4.1 Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc nồi xi chiều tuần hồn cưỡng Trong sơ đồ gồm thiết bị sau (như hình vẽ) nồi cô đặc thuộc loại thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu Thiết bị ngưng tụ Bơm hút chân không GVHD :Nguyễn Xuân Huy SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Môn Học QTTB CN Hóa Học 4.2 Nguyên lý làm việc hệ thống Dung dich đầu Na2SO4 chứa thùng (1) bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa thùng cao vị thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng thùng, sau chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm) Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich đun nóng sơ đến nhiệt độ sơi nước bảo hịa cung cấp từ ngồi vào, vào nồi (6) Ở nồi dung dich tiếp tục dung 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 tháo khí khơng ngưng.Nước nưng đưa khỏi phịng đốt tháo nước ngưng Dung dịch sôi , dung mơi bốc lên phịng bốc gọi thứ Dưới tác dụng đốt buồng đốt thứ bốc lên dẫn sang buong đốt thiết bị (7) Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ (7) 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 (7) 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 (9) qua thiết bị bơm (2) Hơi thứ bốc khỏi nồi (7) đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10) Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ xuống, hời thứ ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa cịn khí không ngưng qua thiết bị tách bọt (11) bơm chân khơng (12) hút ngồi cịn thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng Hệ thống cô đặc xuôi chiều ( đốt dung dịch chiều với từ nồi sang nồi ) 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 sơi nồi trước sang nồi sau , , dung dịch vào nồi ( trừ nồi ) có nhiệt độ cao nhiệt độ sôi , kết GVHD :Nguyễn Xuân Huy 10 SVTH : Đỗ Thị Thu Hiền Trường: ĐHCN Hà Nội Đồ Án Mơn Học QTTB CN Hóa Học Ta có: Regh= 6. d td  = 0,4.104  ε  Ren= 2203  d td  = ,955.105  ε  Nhận thấy Regh