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.
51 trang |
Chia sẻ: lvbuiluyen | Lượt xem: 7222 | Lượt tải: 5
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều dung dịch NaOH, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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