cô đặc KNO3 hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức

Cô đặc dung dịch KNO3 tuần hoàn cưỡng bức

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ Họ và tên : ……………………… Lớp : Đ.H. Hóa 1 Khoa : Công Nghệ Hóa Giáo viên hướng dẫn : Ths: Nguyễn Xuân Huy NỘI DUNG ĐỀ BÀI: Thiết kế hệ thống 2 nồi cô đặc xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cô đặc dung dịch KNO 3 với năng suất 12000 kg/h. Chiều cao ống gia nhiệt: 2 m Nồng độ đầu vào của dung dịch: 10% Nồng độ cuối của dung dịch: 28% Áp suất hơi đốt nồi 1: 4 at Áp suất hơi ngưng tụ: 0,35 at NHÂ ̣ N XE ́ T CU ̉ A GIA ́ O VIÊN ∗∗∗∗∗ ………………………………………… . . . . . Ha ̀ Nô ̣ i, Nga ̀ y … Tháng …Năm 2010 Ngươ ̀ i nhâ ̣ n xe ́ t 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4 PHẦN I 6 GIỚI THIỆU CHUNG .6 1. Phân loại thiết bị cô đặc: 7 2. Cô đặc nhiều nồi: .8 3.Giới thiệu về dung dịch KNO3: 9 4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất : .9 4.1. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức 9 4.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống 10 PHẦN II .12 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 12 1. Số liệu ban đầu : .12 2.Tính cân bằng vật liệu : .12 2.1. Xác định lượng nước bốc hơi ( lượng hơi thứ ) toàn bộ hệ thống và trong từng nồi:12 2.1.1. Xác định lượng hới thứ bốc ra trong toàn bộ hệ thống: .12 2.1.2.Xác định lượng hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi : .12 2.2. Xác định nồng độ cuối của dung dịch tại từng nồi 12 3.Tính cân bằng nhiệt lượng : .13 3.1.Xác định áp suất và nhiệt độ trong mỗi nồi: 13 3.1.1 Xác định áp suất và nhiệt độ hơi đốt trong mỗi nồi. 13 3.1.2 Xác định nhiệt độ và áp suất hơi thứ ở mỗi nồi 14 3.2.Xác định tổn thất nhiệt độ: .14 3.2.1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ : 14 3.2.2 Tổn thất do áp suất thuỷ tĩnh: 16 3.2.3 Tổn thất do đường ống 17 3.3.Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ hệ thống và từng nồi .17 3.3.1 Hệ số nhiệt độ hữư ích trong hệ thống được xác định : 17 3.3.2 Xác định nhiệt độ sôi của từng nồi 18 3.3.3 Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi; 18 3.4.Lập phương trình cân bằng 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 bằng nhiệt: 19 4.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình từng nồi: 23 4.1.Tính hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi .23 4.2. Xác định nhiệt tải riêng về phía hơi 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 : 26 4.3.2 Nhiệt dung riêng : .27 4.3.3 Hệ số dẫn nhiệt: .27 4.3.4 Độ nhớt : 28 4.4.Nhiệt tải riêng về phía dung dịch : .29 4.5.So sánh q2i và q1i : .29 5. Xác định hệ số truyền nhiệt cho từng nồi .30 6 Hiệu số nhiệt độ hữu ích 31 6.1. Xác định tỷ số sau : .31 6.2.Xác định nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi : .31 8. Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 32 2 PHẦN III 32 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN 32 1. Buồng đốt 33 1.1 .Xác định số ống trong buồng đốt: .33 1.2. Đường kính của buồng đốt : 34 1.3 Chiều dày buồng đốt : 34 1.4.Chiều dày lưới đỡ ống : .37 1.5 .Chiều dày đáy buồng đốt : 38 1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân buồng đốt : .41 2.Buồng bốc .42 2.1 Thể tích buồng bốc hơi : .42 2.2. Chiều cao buồng bốc : .43 2.3. Chiều dày buồng bốc: .43 2.4 .Chọn chiều dày nắp buồng bốc ( như đáy buồng đốt ): .44 2.5. Tra bích để lắp thân buồng bốc : .46 3. Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3 47 4. Tính toán một số chi tiết khác 48 4.1. Tính đường kính các ống nối dẫn hơi , dung dịch vào, ra thiết bị : .48 4.1.1 Ống dẫn hơi đốt vào : 48 4.1.2 Ống dẫn dung dịch vào : 49 4.1.3. Ống dẫn hơi thứ ra : .49 4.1.4. Ống dẫn dung dịch ra: .50 4.1.5. Ống tháo nước ngưng : .50 4.1.6 Ống tuần hoàn: .50 4.2. Tính và chọn tai treo giá đỡ : 54 4.2.1. Tính Gnk : .54 4.2.2.Tính Gnd. : .58 4.3. Chọn kính quan sát : 60 4.4.Tính bề dày lớp cách nhiệt : .60 PHẦN IV 61 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ .61 1.Gia nhiệt hỗn hợp đầu : 61 1.1.Nhiệt lượng trao đổi :( Q) .62 1.2.Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 62 1.3.Bề mặt truyền nhiệt: 66 1.4.Số ống truyền nhiệt : .67 1.5.Đường kính trong của thiết bị đun nóng : .68 1.6.Tính vận tốc và chia ngăn : 68 2.Chiều cao thùng cao vị: .69 3.Bơm .77 3.1.Xác định áp suất toàn phần do bơm tạo ra: .77 3.2.Năng suất trên trục bơm: .80 3.3.Công suất động cơ điện: .80 4.Thiết bị ngưng tụ baromet: .81 4.1.Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ: .82 4.2.Đường kính thiết bị 83 4.3.Kính thước tấm ngăn: 83 4.4. Chiều cao thiết bị ngưng tụ: .84 4.5.Các kích thước của ống baroomet: 85 4.6.Lượng không khí cần hút ra khỏi thiết bị: 86 3 4.7.Tính toán bơm chân không: .87 PHẦN V .89 KẾT LUẬN 89 Tài liệu tham khảo: 90 Chuyển đổi đơn vị thường gặp: .91 LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” với đề bài là: “thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi tuần hoàn cưỡng bức ”.Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong quá trình công nghệ .Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu ,vận dụng đúng những kiến thức,quy định trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bầy bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Đồ án của em trình bày về thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức . Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức có những ưu điểm như: - Hệ số cấp nhiệt lớn hơn trong tuần hoàn tự nhiên tới 3 đến 4 lần và có thể làm việc được ở điều kiện hiệu số nhiệt độ hữu ích nhỏ (3-5ºC) vì cường độ tuần hoàn không phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ hữu ích mà phụ thuộc vào năng suất của bơm. - Cô đặc tuần hoàn cưỡng bức cũng trách được hiện tượng bám cặn trên bề mặt truyền nhiệt và có thể cô đặc những dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện. Tuy nhiên khuyết điểm của thiết bị này là tốn năng lượng để bơm, thường ứng dụng khi cường độ bay hơi lớn. Trong đồ án môn học này của em được chia thành 5 nội dung chính: Phần 1: Giới thiệu chung 4 Phần 2: Tính toán thiết bị chính Phần 3: Tính toán cơ khí Phần 4: Tính toán thiết bị phụ Phần 5: Kết luận Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Xuân Huy đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này. 5 PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc. Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất. dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu. thiết bị dung để cô đặc gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm… Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn,giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi ( hay không bay hơi trong quá trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. - Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi. Để cô đặc các dung dịch không chịu được nhiệt độ ( như dung dịch đường) đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc chân không. - Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh 6 dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh. 1. Phân loại thiết bị cô đặc: Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên ta có thể phân loại theo 1 số đặc điểm sau: - Theo nguyên lý làm việc: Có 2 loại thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ và làm việc liên tục. - Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: Chia ra 3 loại: Thiết bị làm việc ở P dư , P ck … - Theo nguồn cấp nhiệt:  Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu.  Nguồn điện.  Nguồn hơi nước: Nay là nguồn cấp nhiệt thường gặp nhất.  Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp điphenyl cho thiết bị chu kỳ có công suất nhỏ. Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau: - Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống. - Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt. - Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi. Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau: - Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại. - Có hệ số truyền nhiệt lớn. 7 - Tách ly hơi thứ tốt. - Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt. 2. Cô đặc nhiều nồi: 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. Ngưyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần 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 hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không). Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1 kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều nồi sẽ tăng. Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1 kg hơi thứ: Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng nhưng không giảm theo tỉ lệ bậc 1 mà từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, còn từ nồi 4 lên nồi 5 giảm đi 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm đi không quá 1% nghĩa là xét về mặt hơi đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể quá 10 nồi. Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng. 8 Vì vây, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi. 3.Giới thiệu về dung dịch KNO 3 : Kali nitrat hay còn gọi là diêm tiêu kali là chất lỏng ở dạng những tinh thể lập phương, nóng chảy ở 334 0 C. Không hút ẩm, tan trong nước và độ tan tăng nhanh theo nhiệt độ nên rất dễ kết tinh lại. Nó khó tan trong rượu và ete ở 400 0 C, KNO 3 phân huỷ thành kali nitrit và oxi: KNO 3 = KNO 2 + ½O 2 Do đó ở nhiệt độ nóng chảy KNO3 là chất oxi hoá mạnh, nâng số oxi hoá của Mn, Cr lên số oxi hoá cao hơn. Hỗn hợp của KNO3 và các hợp chất hữu cơ sẽ cháy dễ dàng và mãnh liệt. Hỗn hợp gồm 75% KNO3, 10% S, 15% than là thuốc súng đen. Diêm tiêu kali còn dược dùng làm phân bón, chất bảo quản thịt và dùng trong công nghiệp thuỷ tinh. Ở nước ta nhân dân thường khai thác diêm tiêu từ phân dơi hay đúng hơn từ đất ở trong các hang có dơi ở. Phân dơi trong các hang đó lâu ngày bị phân huỷ giải phóng khí NH3. Dưới tác dụng của một số vi khuẩn, khí NH3 bị oxi hoá thành nitrơ và axit nitric. Axit này tác dụng lên đá vôi tạo thành Ca(NO 3 ) 2 , muối này một phần bám vào thành hang, một phần tan chảy ngấm vào đất trong hang. Người ta lấy đất hang này trộn kĩ với tro củi rồi dùng nước sôi dội nhiều lần qua hỗn hợp đó để tách ra KNO 3 Ca(NO 3 ) 2 + K 2 CO 3 → 2KNO 3 + CaCO 3 Phương pháp này cho phép chúng ta sản xuất được một lượng diêm tiêu tuy ít ỏi nhưng đã thoã mãn kịp thời yêu cầu của quốc phòng trong cuộc kháng chiến chống Pháp trước đây. 4. Sơ đồ dây chuyền sản xuất : 4.1. Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức. Trong sơ đồ gồm những thiết bị chính sau (như hình vẽ) 1. 2 nồi cô đặc thuộc loại thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức 2. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 3. Thiết bị ngưng tụ 4. Bơm hút chân không 9 4.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống Dung dich đầu Na 2 SO 4 chứa trong thùng (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa thùng cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó 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 được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bảo hòa cung cấp từ ngoài vào, rồi đi vào nồi (6). Ở nồi này dung dich tiếp tục được dung nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua của tháo khí không ngưng.Nước nưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng của tháo nước ngưng. Dung dịch sôi , dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ. Dưới tác dụng của hơi đốt ở buồng đốt hơi thứ sẽ bốc lên và được dẫn sang buong đốt của thiết bị (7). Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ (7) do đó sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau < áp suất nồi trước. Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn của nồi sau do đó dung dịch đi vào nồi thứ (7) có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (9) qua thiết bị bơm (2). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (10). Trong thiết bị ngưng tụ , nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hời thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet vào thùng chứa còn khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt (11) hơi sẽ được bơm chân không (12) hút ra ngoài còn hơi thứ ngưng tụ chảy vào thùng chứa nước ngưng. Hệ thống cô đặc xuôi chiều ( hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi nọ sang nồi kia ) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất.Loại này có ưu điểm là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ sôi của nồi trước sang nồi sau , do đó , dung dịch đi vào mỗi nồi ( trừ nồi 1 ) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi , kết quả là 10 . thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức. Trong sơ đồ gồm những thiết bị chính sau (như hình vẽ) 1. 2 nồi cô đặc thuộc loại thiết bị cô đặc tuần hoàn. bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần