Đề tài Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều dung dịch NaOH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY − THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601 TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301 Lớp : DHHD7LT Khoá : 2011 − 2013 TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012 ii TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU DUNG DỊCH NaOH GVHD : Th.S TRẦN HOÀI ĐỨC SVTH : NGUYỄN CÔNG NAM 11288601 TRẦN TRỌNG NGUYỄN 11265301 Lớp : DHHD7LT Khoá : 2011 − 2013 i BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc __________________ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN CÔNG NAM MSSV: 11288601 LỚP: DHHD7LT TRẦN TRỌNG NGUYỄN MSSV: 11265301 LỚP: DHHD7LT 1. Tên đồ án: Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều dùng để cô đặc dung dịch NaOH 2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu) Số liệu ban đầu: GD = 2500 kg/h; XD = 15%, Xc = 30% (theo khối lƣợng) Nội dung: – Giới thiệu tổng quan (tổng quan về nguyên liệu và quá trình cô đặc) – Qui trình công nghệ (đƣa ra sơ đồ và thuyết minh qui trình công nghệ) – Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lƣợng – Tính toán thiết kế thiết bị chính (tính toán về các thông số về đƣờng kính, chiều cao, bề dày và các chi tiết khác ) – Bản vẽ: 2 bản vẽ khổ A1 gồm: bản vẽ quy trình công nghệ, bản vẽ cấu tạo chi tiết thiết bị chính 3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ngày 15 tháng 10 năm 2012 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: tháng 12 năm 2012 5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: Th.s TRẦN HOÀI ĐỨC Tp. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2012 TỔ TRƢỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Ngƣời duyệt: ............................................................... Đơn vị: ........................................................................ Ngày bảo vệ ................................................................ Điểm tổng kết: ............................................................. Nơi lƣu trữ: ................................................................. ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012 Ngƣời nhận xét Th.S Trần Hoài Đức iii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Tp. Hồ Chí Minh , Ngày … Tháng … Năm 2012 Ngƣời nhận xét iv MỤC LỤC CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................... 1 1.1. Tổng quan về nguyên liệu ............................................................................. 1 1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc ...................................................................... 1 1.3. Cô đặc nhiều nồi ............................................................................................ 1 CHƢƠNG 2 : MÔ TẢ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ................................... 3 2.1. Lựa chọn quy trình công nghệ ....................................................................... 3 2.2. Mô tả dây chuyền công nghệ ......................................................................... 4 CHƢƠNG 3 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT ............................................................. 6 3.1. Tính toán năng suất nhập liệu và tháo liệu .................................................... 6 3.2. Cân bằng nhiệt lƣợng .................................................................................... 6 3.2.1. Xác định áp suất và nhiệt độ mỗi nồi ....................................................... 6 3.2.2. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ..................................................................... 7 3.2.3. Xác định nhiệt độ tổn thất ........................................................................ 7 3.2.4. Hệ số hữu ích và nhiệt độ sôi của từng nồi ............................................. 9 3.2.5. Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ở mỗi nồi ........................................... 9 3.2.6. Tính nhiệt dung riêng của dung dịch ở mỗi nồi ...................................... 10 CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN KÍCH THƢỚC THIẾT BỊ CHÍNH .................................. 13 4.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt của buồng đốt .............................................. 13 4.1.1. Tính hệ số cấp nhiệt α 1 khi ngƣng tụ hơi .............................................. 13 4.1.2. Tính hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................ 13 4.1.3. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi để kiểm tra đối chiếu ................... 16 4.2. Tính toán buồng đốt ..................................................................................... 18 4.2.1. Đƣờng kính buồng đốt ........................................................................... 20 4.2.2. Bề dày của thân buồng đốt .................................................................... 21 4.2.3. Bề dày đáy buồng đốt ............................................................................ 23 4.3. Tính toán buồng bốc .................................................................................... 25 4.3.1. Đƣờng kính buồng bốc .......................................................................... 25 4.3.2. Chiều cao buồng bốc ............................................................................. 25 4.3.3. Bề dày buồng bốc .................................................................................. 26 4.3.4. Bề dày nắp buồng bốc ........................................................................... 27 4.4. Đƣờng kính các ống dẫn ............................................................................. 28 4.4.1. Đƣờng kính ống dẫn hơi đốt .................................................................. 29 4.4.2. Đƣờng kính ống dẫn hơi thứ ................................................................. 29 4.4.3. Đƣờng kính ống dẫn dung dịch ............................................................. 30 4.5. Chiều dày vĩ ống .......................................................................................... 32 4.6. Chiều dày lớp cách nhiệt ............................................................................. 32 v 4.6.1. Tính bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn ................................................ 32 4.6.2. Tính bề dày lớp cách nhiệt của thân thiết bị .......................................... 34 4.7. Chọn mặt bích ............................................................................................. 35 4.7.1. Buồng đốt .............................................................................................. 35 4.7.2. Buồng bốc .............................................................................................. 35 4.8. Chọn tai treo ................................................................................................ 36 4.8.1. Khối lƣợng đáy buồng đốt ..................................................................... 37 4.8.2. Khối lƣợng thân buồng đốt .................................................................... 37 4.8.3. Khối lƣợng nắp buồng bốc .................................................................... 37 4.8.4. Khối lƣợng thân buồng bốc ................................................................... 37 4.8.5. Khối lƣợng lớp cách nhiệt ...................................................................... 37 4.8.6. Khối lƣợng cột chất lỏng ........................................................................ 38 4.8.7. Khối lƣợng cột hơi ................................................................................. 38 4.8.8. Khối lƣợng bích ..................................................................................... 38 4.8.9. Khối lƣợng ống truyền nhiệt .................................................................. 39 4.8.10. Khối lƣợng vỉ ống .................................................................................. 39 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .......................................................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 42 vi LỜI MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thƣờng phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật ngƣời ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phƣơng pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn. Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc dạng ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cƣỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn trung tâm đƣợc dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, dùng cô đặc dung dịch có độ nhớt tƣơng đối và cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng sử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Để bƣớc đầu làm quen với công việc của một kỹ sƣ công nghệ là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chúng em đƣợc phân công đồ án học phần. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bƣớc tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lƣợng kiến thức của các môn “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lƣợng kiến thức đó và kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan mỗi sinh viên có thể tự tính toán thiết kế một thiết bị công nghệ theo yêu cầu. 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 bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Trong đồ án môn học này, chúng em cần thực hiện là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch NaOH với công suất 2500 kg/h từ nồng độ đầu 15% lên tới 30% theo khối lƣợng. vii DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU Bảng 3. 1. Nhiệt độ và áp suất hơi thứ ....................................................................... 7 Bảng 3. 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ’ ................................................................. 8 Bảng 3. 3. Tổn thất nhiệt do áp suất thủy tĩnh (’’ ) .................................................... 8 Bảng 4. 1. Đường kính các loại ống dẫn ................................................................... 32 Bảng 4. 2. Ống dẫn hơi đốt ....................................................................................... 33 Bảng 4. 3. Ống dẫn hơi thứ....................................................................................... 34 Bảng 4. 4. Ống dẫn dung dịch .................................................................................. 34 Bảng 4. 5. Kích thước bích nối buồng đốt, buồng bốc. ............................................. 36 Bảng 4. 6. Kích thước bích nối các ống dẫn ............................................................ 36 Bảng 4. 7. Khối lượng bích ....................................................................................... 39 Bảng 4. 8. Các thông số của tai treo ......................................................................... 40 1 CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu Natri hiđroxit hay (công thức hóa học là NaOH) hay thƣờng đƣợc gọi là xút hoặc xút ăn da, ở dạng nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lƣợng riêng 2,1 g/cm³, nóng chảy ở 318 oC (519K) và sôi ở 1390 °C (1663K) dƣới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong nƣớc (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi hữu cơ nhƣ metanol, etanol… NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần đƣợc chứa trong các thùng kín. Dung dịch NaOH là một bazơ mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần lƣu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH. Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và lâu năm. Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác nhƣ dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa,… Natri hydroxit cũng đƣợc sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm. Trƣớc đây trong công nghiệp, NaOH đƣợc sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, ngƣời ta dùng phƣơng pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu đƣợc thƣờng có nồng độ rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử dụng, ngƣời ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu. 1.2. Tổng quan về quá trình cô đặc Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử bằng cách tách bớt một phần dung môi bằng phƣơng pháp sử dụng nhiệt độ hoặc phƣơng pháp làm lạnh kết tinh. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thƣờng đƣợc tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn). Trong cô đặc cần hiểu rõ các khái niệm: - Hơi đốt: hơi dùng để đun sôi dung dịch - Hơi thứ: hơi bốc lên từ nồi cô đặc - Hơi phụ: hơi lấy ra làm hơi đốt cho thiết bị ngoài hệ thống cô đặc. Quá trình cô đặc thƣờng dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng, hoặc tách bớt chất rắn hòa tan. Quá trình cô đặc thƣờng đƣợc tiến hành ở các điều kiện áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thƣờng (áp suất khí quyển) ngƣời ta dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất khác áp suất khí quyển (áp suất chân không) ngƣời ta dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc nhiều nồi, có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn. 1.3. Cô đặc nhiều nồi Khi cô đặc 1 nồi thì tiêu hao hơi đốt quá lớn, không kinh tế. Mặt khác hơi thứ vẫn còn mang một nhiệt lƣợng lớn, tốn nƣớc để ngƣng tụ. Quá trình cô đặc nhiều nồi tận dụng hơi thứ làm hơi đốt , do đó hạ thấp chỉ tiêu tiêu hao hơi đốt, năng suất lớn, dễ khống chế các thông số kỹ thuật. Trong công nghiệp hệ thống cô đặc nhiều nồi đƣợc chia thành 3 loại: - Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều - Hệ thống cô đặc nhiều nồi ngƣợc chiều 2 - Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song Ƣu điểm và nhƣợc điểm của thiết bị cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Ƣu điểm: Để hệ thống làm việc đƣợc thì nhiệt độ và áp suất nồi trƣớc phải lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch tự chảy từ nồi đầu qua nồi sau mà không cần bơm, đỡ tốn năng lƣợng. Thƣờng nồi đầu áp suất dƣơng, nồi sau áp suất âm. - Nhiệt độ sản phầm thấp nên chất lƣợng sản phẩm tốt - Hệ thống đơn giản, chi phí đầu tƣ thấp Nhƣợc điểm: các nồi sau do nồng độ tăng, nhiệt độ giảm làm cho độ nhớt tăng, do đó hệ số K giảm, không khai thác đƣợc hết công suất thiết kế của thiết bị. Trong khuôn khổ đồ án này ta sẽ tiến hành cô đặc dung dịch Na