Đồ án Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm

Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA CHẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔ ĐẶC MỘT NỒI CÓ ỐNG TUẦN HOÀN TRUNG TÂM SVTH : Vũ Quảng Trường. 0605213 LỚP : DHHO2A. Thành phố Hồ Chí Minh – 4/2009 Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 2 Mục Lục Lời Mở Đầu................................................................................................................. Trang 5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN....................................................... Trang 7. PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................. Trang 8. 1.1. Định nghĩa............................................................................................................ Trang 8. 1.2. Các phương pháp cô đặc...................................................................................... Trang 8. 1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm........................................................ Trang 9. 2. Thuyết minh về sơ đồ công nghệ........................................................................... Trang 11. 3. Dung dịch cô đặc CaCl2......................................................................................... Trang 12. 3.1. Giới thiệu về dung dịch CaCl2 ............................................................................. Trang 12. 3.2. Ứng dụng của dung dịch CaCl2 ........................................................................... Trang 12. PHẦN 2: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................ Trang 14. PHẦN 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ...................................................................... Trang 15. 1. Cân bằng vật chất.................................................................................................... Trang 15. 1.1. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình cô đặc..................................... Trang 15. 1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ .................................................................................... Trang 16. 1.2.1. Tổn thất do nồng độ .......................................................................................... Trang 16. 1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh............................................................... Trang 16. 1.2.3. Tổn thất do trở lực đường ống .......................................................................... Trang 18. 1.2.4. Tổn thất nhiệt độ cho cả hệ thống..................................................................... Trang 19. 1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống ........................................... Trang 19. 1.4. Cân bằn nhiệt lượng....................................................................................... Trang 19. 1.4.1. Nhiệt dung riêng ......................................................................................... Trang 19. 1.4.2. Nhiệt lượng riêng .............................................................................................. Trang 20. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 3 1.4.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng................................................................... Trang 20. 1.5. Hệ số cấp nhiệt .............................................................................................. Trang 21. 1.5.1. Hệ số cấp nhiệt α1, phía hơi ngưng tụ ......................................................... Trang 22. 1.5.2. Hệ số cấp nhiệt α2 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi ........................................... Trang 22. 1.6. Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp ......................................................................... Trang 27. 1.7. Bề mặt truyền nhiệt .............................................................................................. Trang 27. 2. Thiết kế chính.......................................................................................................... Trang 27. 2.1. Buồng đốt của nồi cô đặc..................................................................................... Trang 27. 2.1.1. Tính số ống truyền nhiệt ................................................................................... Trang 27. 2.1.2. Đường kính buồng đốt ...................................................................................... Trang 28. 2.1.3. Tính bề dày buồng đốt ...................................................................................... Trang 29. 2.1.4. Tính đáy buồng đốt ........................................................................................... Trang 31. 2.2. Buồng bốc hơi...................................................................................................... Trang 33. 2.2.1. Kích thước của không gian bốc hơi .................................................................. Trang 34. 2.2.2. Thể tích không gian hơi .................................................................................... Trang 35. 2.2.3. Bề dày thân buồng bốc...................................................................................... Trang 36. 2.2.4. Bề dày nắp buồng bốc....................................................................................... Trang 38. 2.3. Đường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị............................................. Trang 40. 2.4. Đường kính ống dẫn hơi đốt ................................................................................ Trang 40. 2.5. Đường kính ống dẫn dung dịch ........................................................................... Trang 40. 2.6. Đường kính ống dẫn hơi thứ................................................................................ Trang 41. 2.7. Đường kính ống tháo nước ngưng....................................................................... Trang 41. 3. Tính toán thiết kế bình ngưng tụ kiểu ống đứng..................................................... Trang 42. 3.1. Các thông số chính trong thiết bị ngưng tụ.......................................................... Trang 42. 3.2. Tính bề dày của thiết bị ngưng tụ ........................................................................ Trang 46. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 4 3.3. Đường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ................................................. Trang 48. 3.4. Đường kính ống tháo nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ .......................................... Trang 48. 3.5. Đường kính ống dẫn hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ ............................................. Trang 48. 4. Bề dày lớp cách nhiệt.............................................................................................. Trang 49. 4.1. Bề dày lớp cách nhiệt ống.................................................................................... Trang 49. 4.2. Bề dày lớp cách nhiệt của ống dẫn hơi đốt .......................................................... Trang 49. 4.3. Cách nhiệt cho buồng đốt .................................................................................... Trang 50. 4.4. Cách nhiệt cho buồng bốc.................................................................................... Trang 51. 5. Tính vỉ ống.............................................................................................................. Trang 51. 6. Chọn mặt bích ......................................................................................................... Trang 52. 7. Chọn tai treo............................................................................................................ Trang 54. 7.1. Tai treo cho thiết bị .............................................................................................. Trang 54. 7.2. Thể tích các bộ phận thiết bị ................................................................................ Trang 54. 7.2.1. Thể tích thép làm ống truyền nhiệt ................................................................... Trang 54. 7.2.2. Thể tích thép làm buồng đốt ............................................................................. Trang 54. 7.2.3. Thể tích thép làm buồng bốc............................................................................. Trang 54. 7.2.4. Khối lượng thép làm đáy nón ........................................................................... Trang 55. 7.2.5. Khối lượng thép làm nắp buồng bốc ................................................................ Trang 55. 7.2.6. Thể tích thép làm vỉ ống ................................................................................... Trang 55. 7.3. Khối lượng các bộ phận thiết bị........................................................................... Trang 55. 7.4. Tổng khối lượng của thiết bị................................................................................ Trang 56. 8. Vị trí đặt bồn cao vị................................................................................................. Trang 56. 9. Chọn bơm................................................................................................................ Trang 58. 9.1. Bơm dung dịch..................................................................................................... Trang 58. 9.2. Bơm cung cấp nước cho thiết bị ngưng tụ gián tiếp............................................ Trang 61. Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 5 10. Tính giá thành của thiết bị..................................................................................... Trang 63. Kết Luận............................................................................................................... Trang 64. Tài Liệu Tham Khảo ............................................................................................ Trang 65. Lời Mở Đầu #  Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 6 Trong công nghiệp hóa chất và dầu khí vấn đề thiết kế và chế tạo các thiết bị phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp hóa học là yêu cầu cần thiết đối với các sinh viên được đào tạo chuyên về khối kỹ thuật hóa học. Từ cách chọn lựa vật liệu, đến các quan hệ phụ thuộc giữa các kích thước của các chi tiết thiết bị với tính chất của vật liệu; các phép tính toán công nghệ để kiểm tra độ bền các chi tiết và các phương pháp thiết kế… Tất cả đều nhằm mục đích tìm được điều kiện tối ưu và thích hợp nhất để tạo ra được sản phẩm có chất lượng cao, có hiệu quả kinh tế trong các quá trình chế biến sản xuất. Ngày nay sự phát triển của công nghiệp hóa chất và thực phẩm ngày càng mạnh. Vì thế nhu cầu sử dụng các loại hợp chất tinh khiết và có nồng độ theo ý muốn là không thể thiếu. Như quá trình làm sạch muối ăn trong công nghiệp, quá trình cô đặc đường để tạo độ ngọt thích hợp cũng như các quy trình sản xuất xút NaOH, KOH… Ứng dụng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, tổng hợp các hợp chất hữu cơ và vô cơ… Để tạo ra được các sản phẩm mong muốn này vấn đề công nghệ là yếu tố then chốt quyết định đến chất lượng sản phẩm. Từ khâu nhập nguyên liệu đến hàng loạt các khâu trung gian: cô đặc, kết tinh, sấy, tẩy màu… Tất cả đều phải được tính toán một cách chi tiết để hạn chế rủi ro xảy ra trong quá trình vận hành. Nắm bắt được những nhu cầu cần thiết trong quá trình chế biến hóa học, cũng như để tiếp cận với quá trình tính toán công nghệ đã được học từ các môn như: thủy cơ, truyền nhiệt, truyền khối. Đề tài tính toán thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, sẽ đóng góp một phần nhỏ để giúp các sinh viên khối kỹ thuật hóa học hình dung một cách rõ ràng và chi tiết hơn về các thiết bị sử dụng trong lĩnh vực hóa chất, thực phẩm và dầu khí. Từ công đoạn chọn vật liệu chế tạo đến các phần tính toán các thiết bị chính và phụ như: buồng đốt, buồng bốc, hệ thống ngưng tụ… Cụ thể phần tính toán chi tiết sẽ được trình bày ở phần nội dung công nghệ. Nhóm Thực Hiện Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 7 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 8 ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 9 CÔ ĐẶC 1.1. Định nghĩa. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng việc đun sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hòa tan được giữ lại trong dung dịch. Do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên. Khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đun nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể trực tiếp hoặc gián tiếp, khi truyền nhiệt trực tiếp thường dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi nước bão hòa để đốt nóng. Trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, cô đặc đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó được ứng dụng với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể ( kết tinh ) - Thu dung môi ở dạng nguyên chất Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất ( áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư ) trong thiết bị cô đặc một nồi hay nhiều nồi và quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. 1.2. Các phương pháp cô đặc. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 10 yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. Khi cô đặc liên tục trong hệ thống một nồi hoặc nhiều nồi dung dịch và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc chân không có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các quá trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sôi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ không cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh sẽ nhỏ hơn khi cô đặc ở áp suất thường. Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. Cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Phương pháp đơn giản nhưng không kinh tế. 1.3. Cô đặc một nồi có ống tuần hoàn trung tâm. Nguyên lý hoặt động của hệ thống cô đặc một nồi có thể tóm tắt như sau: Phần dưới của thiết bị là phòng đốt gồm có các ống truyền nhiệt và ở tâm có ống tuần hoàn trung tâm có độ lớn tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch cần cô đặc. Dung dịch đi bên Đồ Án Môn Học Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc Một Nồi Quá Trình Và Thiết Bị Có Ống Tuần Hoàn Trung Tâm Trang 11 trong ống, hơi đốt ( hơi nước bão hòa ) đi vào khoảng trống phía ngoài ống. Phía trên phòng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi - lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách bọt dùng để tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc hơi, chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào phòng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên miệng ống. Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn