Đang tải... (xem toàn văn)
Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường 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 người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch . Phương 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 ống tuần hoàn trung tâm , tuần hoàn cưỡng bức , phòng đốt ngoài , …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản , dễ vận hành và sửa chữa , hiệu suất sử dụng 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 người ta thường xử 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 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”. 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 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, 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 KOH , năng suất 11000kgh , nồng độ dung dịch ban đầu 8% , nồng độ sản phẩm 30%
Lê Viết Dũng 1. Giới thiệu chung Lời mở đầu và giới thiệu dung dịch KOH - Lời mở đầu Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường 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 người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch . Phương 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 ống tuần hoàn trung tâm , tuần hoàn cưỡng bức , phòng đốt ngoài , …trong đó thiết bị cô đặc có tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản , dễ vận hành và sửa chữa , hiệu suất sử dụng 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 người ta thường xử 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 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”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng 1 Lê Viết Dũng 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 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, 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 KOH , năng suất 11000kg/h , nồng độ dung dịch ban đầu 8% , nồng độ sản phẩm 30% - Giới thiệu về dung dịch KOH KOH có dạng tinh thể không màu , t nc = 404 o C , t s = 1324 o C. Dễ tan trong nước và phát nhiệt mạnh : ở 20 o C, 100 g nước hoà tan được 112 g KOH . Thuộc loại kiềm mạnh ; hấp thụ nước và khí cacbonic (CO 2 ) trong không khí , tạo thành kali cacbonat (K 2 CO 3 ) . Dung dịch nước KOH ăn mòn thủy tinh ; KOH nóng chảy ăn mòn sứ (trong môi trường có không khí) , platin . Điều chế bằng cách điện phân dung dịch kali clorua (KCl) có 2 Lê Viết Dũng màng ngăn . Dùng trong phòng thí nghiệm , sản xuất xà phòng mềm, các muối kali ; KOH ăn da và rất nguy hiểm khi bắn vào mắt . Sơ đồ dây chuyền sản xuất và thuyết minh Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục : Dung dịch đầu KOH 8% được bơm (2) đưa vào thùng cao vị (3) từ thùng chứa (1) , sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) . Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dich được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi 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 ngưng 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 . Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt . Dung dịch từ nồi (6) tự di chuyển qua nồi thứ 2 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 (2) 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 . 3 Lê Viết Dũng Dung dịch sản phẩm của nồi (7) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (10) . Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (7) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (8) . 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 ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi đi vào bơm hút chân không (11) 4 Lê Viết Dũng SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 1 2 3 4 5 2 12 9 8 10 n u? c ng u ng s?n ph?m N u? c l ? nh 11 H o i d? t H o i d? t n u? c ng u ng N u? c ng u ng 6 7 13 Chú thích 1. Thùng chứa dung dịch đầu 2. Bơm 3. Thùng cao vị 4. Lưu lượng kế 5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6,7. Thiết bị cô đặc 5 Lê Viết Dũng 8. Thùng chứa nước 9. Thùng chứa sản phẩm 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet 11. Thiết bị tách bọt 12. Bơm chân không 13. Ống tuần hoàn 2. Tính toán thiết bị chính Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo dung dịch đầu : G đ = 11000 kg/h Nồng độ đầu : x đ = 8 % x c = 30% P hơi đốt nồi 1 = 4,1 at . 6 Lê Viết Dũng P hơi ngưng tụ = 0,2 at . *Cân bằng vật liệu tính toán lượng hơi thứ ra khỏi hệ thống từ công thức: . 1 d d c x W G x = − ÷ ( VI.1 - Tr.55 - Stttt2 ) 8 11000. 1 8066,6667( / ) 30 W kg h ⇒ = − = ÷ Lượng hơi thứ ra khỏi mỗi nồi Chọn tỷ lệ hơi thứ: 1 2 1 1 W W = 1 8066,6667.1 4033,3333( / ) 2 W kg h= = 12 WWW −= 2 8066,6667 4033,3333 4033,3334( / )W kg h⇒ = − = Nồng độ cuối của dung dịch Nồi 1: 1 1 . d d c d G x x G W = − (VI.2a - Tr57 - Stttt2) %6316,12 3333,403311000 8.11000 = − = (khối lượng ) Nồi 2: 2c x = 11000.8 11000 8066,6667− = 30% ( khối lượng) W: tổng lượng hơi thứ của hệ thống W 1 : lượng hơi thứ ra khỏi nồi 1 7 Lê Viết Dũng W 2 : lượng hơi thứ ra khỏi nồi 2 1c x : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi 1 2c x : nồng độ cuối của dung dịch ra khỏi nồi *Tính nhiệt độ, áp suất Chênh lệch áp suất chung của cả hệ thống (∆Р) nghd Ρ−Ρ=∆Ρ 1 4,1 0,2 3,9= − = (at ) (1) Р hd1 : áp suất hơi đốt nồi 1 Р ng áp suất hơi nước ngưng Nhiệt độ, áp suất hơi đốt Ta có: chọn tỉ số phân phối áp suất giữa các nồi : 1 2 p p ∆ ∆ = 2,2 1 (at) (2) từ (1) và(2) ta có hệ phương trình : 02,2 9,3 21 21 =∆−∆ =∆+∆ pp pp Giải ra ta được : → Áp suất hơi đốt nồi 2 : 1hd p - 1 p∆ = 4,1- 2,68125 = 1,41875 (at) Trong đó: 8 )(21875,1 )(68125,2 2 1 atp atp =∆ =∆ Lê Viết Dũng 1 p∆ : chênh lệch áp suất của nồi 1 và nồi 2 2 p∆ : chênh lệch áp suất của nồi 2 và thiết bị ngưng Hơi đốt nồi 1 được được cấp từ nồi hơi , hơi thứ ra khỏi nồi 1 được đưa sang nồi 2 làm hơi đốt để tận dụng nhiệt . Tra bảng (I.251 - Tr 314 – stttt1) ta có : Nồi P hdi at T hdi o C i hdi J/kg r hdi J/kg 1 4,1 143 2744010 2140995,8 2 1,4187 5 109 2691285,5 2235326,4 ngưng 0,2 59,7 2596000 2358000 Nhiệt độ và áp suất hơi thứ : Theo sơ đồ nồi cô dặc , nhiệt độ hơi thứ nồi 1(T ht1 ) bằng nhiệt độ hơi đốt nồi 2 (T hd2 ) . Nhưng do quá trình truyền khối cố sự tổn thất nhiệt do trở lực đường ống ( ''' ∆ ) chọn ''' 1 ∆ = 1°C ''' 2 ∆ = 1°C Nhiệt độ hơi thứ của nồi 1(T ht1 ) 1 21 += hdht TT = 109 1 110 + = o C Nhiệt độ hơi thứ của nồi 2(T ht2 ) 1 2 += nght TT = 59,7 1 60,7+ = o C 9 Lê Viết Dũng (*)Tra bảng I.251-Tr314-Stttt1. Nồi P hti at T hti o C i hti J/kg r hti J/kg 1 1,461 110 2696000 2234000 2 0,21036 6 60,7 2609588 2356000 - Tổn thất nhiệt : Tổn thất do nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi ( ∆ ′ ) Ta có : 0 . i f ′ ′ ∆ = ∆ (VI.10 - Tr.59 - Stttt2) 2 16,2. i T f r = (VI.11 - Tr59 - Stttt2) 2 0 16,2. . i i T r ′ ′ ⇒∆ = ∆ 1 273 110 383T K = + = 2 273 60,7 333,7T K = + = T i: nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất hơi thứ r: ẩn nhiệt hóa hơi của nước Giá trị ' 0 ∆ được tra từ bảng ( VI.2 – Tr.63 – Stttt2 ) Nồi 1: x 1 =12,6316% → ' 01 ∆ =3,4 0 C Nồi 2 : x 2 =30% → ' 02 ∆ = 12,2 0 C 10 [...]... 3,58.10−8.3657, 24122.1116, 6844 3 1116, 6844 = 0,56176 (w/m.độ) 19, 6872 A = 3,58.10−8 hệ số phụ thuộc mức độ liên k t của chất lỏng liên k t M : khối lượng phân tử mol của dung dịch KOH ( ) M = nKOH M KOH + 1 − nKOH M H 2O nKOH : phần trăm KOH theo mol xKOH nKOH = xKOH M KOH 12, 6316 M KOH 56 = = 0, 0444 ( phần mol ) 100 − xKOH 12, 6316 100 − 12, 6316 + + 56 18 M H 2O (1) ⇒ M = 0, 0444.56 + ( 1 − 0, 0444... Đối với dung dịch có nồng độ lớn hơn 20% tính theo công thức ; ( I.44 - Tr.152 - Stttt1 ) CKOH 30% = CKOH khan x + 4186 ( 1 − x ) = 936, 25.0,3 + 4186 ( 1 − 0,3) = 3211, 075( J / kgđô ) Trong đó n : là số nguyên tử của nguyên tố K, H, O trong KOH CKOH : là nhiệt dung riêng của dung dịch KOH ở nồng độ x x: là nồng độ % phần khối lượng của KOH M KOH : khối lượng mol của KOH cK ; cO ; cH : nhiệt dung. .. c2 + n3 c3 C KOH khan = n K C K n H C H nO.C O + + M KOH M KOH M KOH = 26000 9630 16800 + 56 + 56 56 = 936,25 (J/kg.độ) Đối với dung dịch loãng có nồng độ nhỏ hơn 20% tính theo công thức ( I.43 - Tr.152 - Stttt1) CKOH 8% = 4186 ( 1 − x ) = 4186 ( 1 − 0, 08 ) = 3851,12( J / kgđô ) CKOH 12,6316% = CKOH khan x + 4186 ( 1 − x ) = 4186.0,126316 + 4186 ( 1 − 0,126316 ) = 3657, 24122( J / kgđô ) 13 Lê... đó : ∆Pd : áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống dẫn ∆Pd = ρ w 2 2 Với: ρ : khối lượng riêng của chất lỏng w : vận tốc của lưu thể ∆Pm : áp suất khắc phục trở lực khi dòng chảy ổn định trong ống thẳng L ρ w 2 ∆Pm = λ dtd 2 Với: dtd điều kiện của ống L: chiều dài ống dẫn λ : hệ số ma sát ∆Pcb : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: ∆Pcb = ξ ρ w 2 với ξ : hệ số trở lực... của dung dịch ở từng nồi tính theo công thức : Nồi 1: t1 = Thd 1 - ∆thi1 =143 - 26,1704 = 116,8296 0 C Nồi 2: t2 = Thd 2 - ∆thi 2 = 109 - 24,261 = 84,739 0 C Chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch ∆ti ( hd − dd ) Hơi nước sau khi ngưng tụ sẽ bám lên thành ống truyền nhiệt tạo thành lớp màng mỏng , với những thiết bị thường gặp như loại phòng đốt trong tuần hoàn ngoài , phòng đốt trong tuần hoàn. .. hệ thống D: lượng hơi đốt vào nồi 1 (kg/h) 12 Lê Viết Dũng I: hàm nhiệt của hơi đốt (j/kg) t: nhiệt độ của dung dịch ( 0 C) θ: nhiệt độ nước ngưng ( 0 C) i: hàm nhiệt của hơi thứ (j/kg) Nhiệt dung riêng của nước ngưng tính theo áp suất của hơi đốt ( bảng I.249 - Tr.311- Stttt1) Ρ hd 1 = 4,1at ⇒ C p1 = 4294,5 (J/kg.độ) Ρ hd 2 = 1, 41875at ⇒ C p 2 = 4233 (J/kg.độ) Nhiệt dung riêng của KOH tính theo công... (J/kg) i1' =2691285,5 (J/kg) Hàm nhiệt hơi thứ : 14 Lê Viết Dũng i1 =2696000 (J/ kg) i2 =2609588 (J/ kg) Nhiệt độ nước ngưng nồi 1 và nồi 2 lấy bằng nhiệt độ hơi đốt : θ1 =143 0 C θ 2 =109 0 C Nhiệt dung riêng của nước ngưng : c p1 =4294,5 ( J/ kg) c p 2 =4233 ( J/ kg) Nhiệt độ đầu vào, ra khỏi nồi1 , ra khỏi nồi 2 của dung dịch : t1 =116,8296 0 C t2 =84,739 0 C t3 =116,8296 0 C Nhiệt dung riêng của dung. .. 034.169.0,35534.10−3 Vậy các k ch thước thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu : Bề mặt truyền nhiệt : F=33 (m 2 ) Số ống truyền nhiệt : n=169 (ống ) Đường k nh trong của thiết bị : D= 800 (mm ) Chiều cao ống truyền nhiệt : H=2 (m ) Chiều cao thùng cao vị : Áp suất toàn phần cần để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống khi dòng chảy đẳng nhiệt : 35 Lê Viết Dũng P = ∆Pd + ∆Pm + ∆PH + ∆Pt + ∆Pk + ∆Pcb ( II.56 - Tr376... Tổn thất do tăng áp suất thủy tĩnh ( ∆ '' ) Ρtb = Ρ hti + (h1 + h2 ).ρ dds g ( Ν / m 2 ) 2 h = Ρ hti + (h1 + 2 ).ρ dds 10−4 (at ) 2 (VI.12 - Tr.60 -Stttt2) Phti: áp suất hơi thứ nồi i h1i: chiều cao dung dịch trong ống truyền nhiệt , h1 =0,5 (m) h2: chiều cao ống truyền nhiệt , h2 = 2 (m) ρ dds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 15 0 C Tra bảng... ống Tổng ống xuyên 3 hình viên tâm 6 2 ống trong phân ống trong các 1 trong tất cả các hình viên không k các Dãy Dãy Dãy Tổng thiết bị - 169 phân cạnh 7 15 169 3 - - *) Đường k nh trong của thiết bị đun nóng D = t.(b – 1) + 4.dn Trong đó : dn : Đường k nh ngoài của ống truyền nhiệt , dn = d + 2.S = 0,038 (m) 33 Lê Viết Dũng t : Bước ống , lấy t = 1,2 dn ; t = 1,2 0,038 = 0,0456 b : số ống trên đường . em cần thực hiện là thiết k hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều , thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch KOH , năng suất 11000kg/h , nồng độ dung dịch ban đầu 8% , nồng. = (w/m.độ) 8 3,58.10A − = hệ số phụ thuộc mức độ liên k t của chất lỏng liên k t M : khối lượng phân tử mol của dung dịch KOH ( ) 2 . 1 . KOH KOH KOH H O M n M n M= + − : KOH n phần trăm KOH theo mol . . ) KOH KOH khan C C x x J kgđô = + − = + − = Trong đó n : là số nguyên tử của nguyên tố K, H, O trong KOH KOH C : là nhiệt dung riêng của dung dịch KOH ở nồng độ x x: là nồng độ % phần khối