Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐẶC HAI NỒI XI CHIỀU ỐNG TUẦN HỒN TRUNG TÂM SVTH: Nguyễn Thị Nhài_0641120241 Lớp hóa 4-k6 GVHD: Phan Thị Quyên Hà Nội 2014 GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG .5 1.1.Tổng quan cô đặc 1.1.1.Tính chất chung CaCl2 1.1.2.Ứng dụng dung dịch CaCl2 1.2.Tổng quan cô đặc 1.2.3 Cấu tạo thiết bị cô đặc 11 PHẦN II: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 17 2.1 Xác định lượng thứ bốc toàn hệ thống: 17 2.2 Xác định lượng thứ bốc từ nồi: 17 2.3 Xác định nồng độ cuối dung dịch nồi 17 2.4 Tính chênh lệch áp xuất chung hệ thống 18 2.5 Xác định áp suất nhiệt độ đốt cho nồi 18 2.6 Tính nhiệt độ áp suất thứ khỏi nồi: 19 2.7 Tính tổn thất nhiệt độ cho nồi: 20 2.7.1 Tổn thất nhiệt độ áp suất thuỷ tĩnh tăng cao ∆i” 20 2.7.2 Tính tổn thất nhiệt độ nông độ ι: 21 2.7.3 Tổn thất đường ống ∆’’’ .23 2.8 Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích hệ thống: 23 2.9 Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt để tính lượng đốt Di lượng thứ Wi ở nồi: 24 2.9.1 Hệ phương trình cân nhiệt: 25 2.9.2 Tính tốn thơng số: 26 2.10.Tính hệ số cấp nhiệt , nhiệt lượng trung bình nồi: 28 2.10.1.Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ 28 2.10.2.Xác định nhiệt tải riêng phía ngưng tụ: 30 2.10.3.Tính hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sơi 30 2.10.4.Nhiệt tải riêng phía dung dịch : 37 2.10.5.So sánh q2i q1i : 37 2.11 Xác định hệ số truyền nhiệt cho nồi 37 2.12.Hiệu số nhiệt độ hữu ích 38 Xác định tỷ số: 38 Xác định nhiệt độ hữu ích nôi : .39 2.13.So sánh Ti', Ti tính theo giả thiết phân phối áp suất .39 2.14.Tính bề mặt truyền nhiệt (F) 40 Quy chuẩn F=125 (m2) (Theo bảng VI.6-[2-80]) 40 PHẦN III TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ .41 3.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41 3.1.1 Nhiệt lượng trao đổi :( Q) 41 3.1.2 Hiệu số nhiệt độ hữu ích: 42 3.1.3 Bề mặt truyền nhiệt: 47 3.1.4 Số ống truyền nhiệt: 47 3.1.5 Đường kính thiết bị đun nóng : 48 3.1.6 Tính vận tốc chia ngăn 49 3.2 Thiết bị ngưng tụ baromet .51 3.2.1 Hệ thống thiết bị ngưng tụ baromet: .51 GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án mơn học QTTB CNHH 3.2.2 Tính tốn hệ thiết bị ngưng tụ baromet: 51 3.3.Bơm 59 3.1.Xác định áp suất toàn phần bơm tạo ra: .59 Áp suất toàn phần bơm tạo theo công thức II.185-[1-438]: 59 3.2.Năng suất trục bơm: .63 3.3.Công suất động điện: .64 3.4.Chiều cao thùng cao vị: 64 3.4.1.Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu đến nôi cô đặc: 64 3.4.2.Trở lực ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 68 3.4.3.Trở lực thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 71 3.4.4 Chiều cao thùng cao vị: 74 PHẦN IV: TÍNH TỐN CƠ KHÍ 76 4.1.Buồng đốt nồi cô đặc 76 4.1.6.Tra bích để lắp đáy vào thân : 84 85 4.2.Buồng bốc 85 89 4.3.Chiều dày ống có gờ bằng thép CT3, góc đáy 60o 90 91 PHẦN V: TÍNH TỐN MỘT SỐ CHI TIẾT KHÁC 92 5.1 Tính đường kính ống nối dẫn hơi, dung dịch vào thiết bị: 92 5.1.1 Ống dẫn đốt nôi : .92 5.2.Tra bích ống dẫn bên ngồi : 94 5.3.Tính chọn tai treo giá đỡ : 95 5.3.1 Khối lượng đáy buông đốt (m1) : 95 5.3.2.Khối lượng thân buông đốt (m2) : 96 5.3.3.Khối lượng lưới đỡ ống (m3) : .96 5.3.4.Khối lượng ống truyền nhiệt ống tuần hoàn (m4): 97 5.3.5.Khối lượng thân buông bốc (m5) : 97 5.3.6.Khối lượng nắp buông bốc (m6) : .98 5.3.7.Khối lượng phần nón cụt nối thân (m7 ) : 98 5.3.8.Khối lượng bích nối đáy với thân bng đốt thân phần nón cụt (m8) : 99 5.3.9.Khối lượng bích ghép lắp thân bng bốc ( m9 ) : 99 5.3.10.Tổng khối lượng nôi không: 100 PHẦN VI: KẾT LUẬN .102 PHẦN PHỤ LỤC 103 GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: Th.s Phan Thị Quyên Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Nhài Mã sinh viên: 0641120241 Lớp: ĐH CN Hóa – K6 Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn (Ký, họ tên) LỜI MỞ ĐẦU Để trở thành kỹ sư cơng nghệ hóa học, việc nắm vững kiến thức môn học Quá Trình - Thiết Bị công nghệ hóa học thực cần thiết Khơng vậy, việc giải tốn cơng nghệ, hay việc thiết kế máy móc, thiết bị dây chuyền cơng nghệ từ cách chọn nguyên liệu đến quan hệ phụ thuộc giữa kích thước chi tiết thiết bị với tính chất vật liệu, phép GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Cơng Nghiệp HN Đồ án mơn học QTTB CNHH tính tốn cơng nghệ để kiểm tra độ bền chi tiết phương pháp thiết kế… cần kĩ sư tương lai Ngày phát triển cơng nghiệp hóa chất thực phẩm ngày mạnh Nhu cầu sử dụng loại hợp chất tinh khiết có nồng độ theo ý muốn không thể thiếu Vì vậy truyền nhiệt ngày chứng tỏ lĩnh vực đóng vai trị quan trọng, không thể thiếu hầu hết trình hóa học, thực phẩm, sinh học, mơi trường… Trong trình cô đặc làm lạnh hai trình có vai trị đặc biệt quan trọng Ví dụ trình làm muối ăn công nghiệp hay đặc đường để tạo độ thích hợp Với tốc độ phát triển khoa học công nghệ nhanh chóng nay, đặc tỏ trình không thể thiếu nhiều ngành công nghiệp cơng nghiệp thực phẩm, cơng nghiệp hóa chất, cơng nghiệp dược phẩm… những ngành sản xuất chiếm vị trí chủ đạo kinh tế Nắm bắt những nhu cầu cần thiết trình chế biến hóa học, kiến thức số mơn học khác có liên quan: Cơ lý thút, truyền nhiệt, truyền khối Đề tài tính tốn thiết kế hệ thống đặc nồi xi chiều ống tuần hồn trung tâm góp phần nhỏ để giúp sinh viên khối cơng nghệ hóa học hình dung rõ ràng chi tiết thiết bị sử dụng lĩnh vực cơng nghệ hóa chất, thực phẩm dầu khí Trong đồ án mơn học nhiệm vụ cần phải hoàn thành thiết kế hệ thống cô đặc nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm với dung dịch CaCl 2, suất đầu 10800 (k/h), nồng độ đầu vào 7%, nồng độ sản phẩm 24% Áp suất đốt nồi (at), áp suất ngưng tụ 0,2 (at) Đây những bước để thực công việc hết sức mẻ nên có thể có nhiều sai sót Nhưng xem xét đánh giá khách quan thầy nguồn động viên khích lệ chúng em, để những lần thiết kế sau thực tốt đẹp hơn, hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Th.s Phan Thị Qun thầy khoa cơng nghệ hóa học trường đại học công nghiệp Hà Nội tận tình giúp đỡ hướng dẫn em suốt trình thiết kế PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan đặc 1.1.1 Tính chất chung CaCl2 Canxi clorua hợp chất ion canxi clo có cơng thức hóa học CaCl khối lượng phân tử 110,99, chất có tinh thể mầu trắng, có tính hút ẩm mạnh GVHD:Phan Thị Qun SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án mơn học QTTB CNHH Nhiệt độ nóng chảy 772 – 782°C, nhiệt độ sôi > 1600°C , tỷ trọng 2152-2512 kg/m3 Canxiclorua tan nhiều nước, dung dịch bão hòa sơi ở ở 180°C Trong dung dịch có nồng độ khác thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi Canxi clorua có thể sản xuất từ đá vôi việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo sản phẩm phụ cơng nghệ Solvay Do có tính hút ẩm cao,người ta phải chứa muối dụng cụ đậy nắp kín., 1.1.2 Ứng dụng dung dịch CaCl2 a) Trong cơng nghiệp Với đặc tính hút ẩm lớn canxiclorua cho phép làm tác nhân sấy khí chất lỏng Cụ thể, clorua canxi thường cho vào ống làm khô để loại bỏ ẩm khơng khí cho khí qua Nó có thể cho vào dung dịch lỏng để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng Quá trình hấp thụ nước sinh nhiệt nhanh chóng tạo nhiệt độ tới khoảng 60°C Nhờ khả này, biết đến tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm Canxi clorua sử dụng phối trộn bê tông nhằm tăng nhanh trình ổn định ban đầu bê tông, nhiên ion clorua lại dẫn tới ăn mòn gia cố bằng thép, vì thế khơng nên sử dụng bê tơng chịu lực Trong ngành cơng nghiệp dệt những nguyên liệu thô phụ gia hỗ trơn dùng làm chất hút ẩm, chống sương mù, chống bụi, chống cháy cơng nghiệp dệt làm chất pha lỗng loại thuốc làm mềm vải Do lượng nhiệt tỏa lớn q trình hịa tan nó, clorua canxi sử dụng hợp chất làm tan băng Khi phân phối cho GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án mơn học QTTB CNHH mục đích này, thường sản xuất dạng viên nhỏ màu trắng, đường kính vài milimét Clorua canxi lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới -52°C cho phép chúng làm chất tải lạnh hệ thống lạnh Trong tái chế giấy dùng nhằm tách thành phần mực in Được dùng bể bơi nhằm tránh ô nhiễm Trong phụ gia thực phẩm: Nó dùng sản xuất kem, phụ gia đông cứng, dùng sản phẩm đậu, bia, nước giải khát… Là chất phụ gia cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng pooc-lăng làm tăng giá trị sản phẩm công nghiệp Canxiclorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại điều chế hợp kim canxi Do áp suất thấp hydrat dung dịch nước Canxiclorua nên dùng để hạn chế bụi đường xá Canxiclorua dùng để diệt cỏ đường sắt, chất keo tụ hóa dược, dược phẩm phụ gia hóa dẻo, dùng nhiều cơng việc khoan dầu khí, hỗ trợ tiêu nước xử lý nước thải, chất bổ sung thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia kiểm soát trình tạo xỉ lò cao… b) Trong thực phẩm Clorua canxi sử dụng phổ biến chất điện giải có vị cực mặn, tìm thấy loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể thao dạng đồ uống khác, Smartwater nước đóng chai GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH Nestle Nó có thể sử dụng phụ gia bảo quản để trì độ rau đóng hộp ở hàm lượng cao loại rau, dưa muối để tạo vị mặn không làm tăng hàm lượng natri thực phẩm Nó có thể dùng để chế biến đồ thay thế cho trứng cá muối từ nước hoa hay bổ sung vào sữa chế biến để phục hồi cân bằng tự nhiên giữa canxi protein mục đích sản xuất phó mát, dạng brie stilton Tính chất tỏa nhiệt clorua canxi khai thác nhiều loại thực phẩm 'tự tỏa nhiệt' hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để bắt đầu trình sinh nhiệt, cung cấp loại nhiên liệu khô, khơng nổ, dễ dàng kích hoạt Trong ủ bia (đặc biệt ale bia đắng), clorua canxi sử dụng để điều chỉnh thiếu hụt chất khoáng nước ủ bia (canxi đặc biệt quan trọng cho chức enzym trình ngâm, cho trình đông kết lại protein hầm ủ trao đổi chất men bia) bổ sung độ cứng vĩnh cửu định cho nước Các ion clorua gia tăng hương vị, tạo cảm giác hương vị đầy đủ hơn, ion sulfat thạch cao, sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo hương vị khô mát hơn, với độ đắng cao c) Trong sinh học y tế Canxi clorua có thể sử dụng cho: vết đốt hay châm côn trùng; phản ứng mẫn cảm, cụ thể có đặc trưng mày đay (phát ban); ngộ độc magiê dùng liều magie sunfat; chất bổ trợ kiểm soát triệu chứng cấp tính ngộ độc chì; hồi tim mạch, cụ thể sau phẫu thuật tim Tiêm canxi clorua có thể trung hịa độc tính tim mạch tăng kali máu đo bằng điện tâm đồ (ECG/EKG) Nó có thể hỗ trợ tim mức cao-nguy hiểm kali đường huyết máu cao GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH Dạng lỏng dung dịch canxi clorua sử dụng biến đổi gen tế bào bằng gia tăng độ thẩm thấu màng tế bào, sinh lực cho việc lấy vào ADN (cho phép mảnh ADN vào tế bào dễ hơn) Nó có thể dùng bể cá cảnh để bổ sung mặt sinh học dung dịch cho sinh vật cần dùng nhiều canxi tảo, ốc, san hô v.v việc sử dụng canxi hydroxit hay lò phản ứng canxi phương pháp ưa chuộng việc bổ sung canxi Tuy nhiên, clorua canxi phương pháp nhanh để tăng nồng độ canxi hịa tan nước 1.2 Tổng quan cô đặc 1.2.1 Khái niệm Quá trình cô đặc trình làm bay phần dung môi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sơi với mục đích: - Làm tăng nồng độ chất tan, - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, - Thu dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất) Đặc điểm trình cô đặc dung môi tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, cịn chất hồ tan dung dịch khơng bay hơi, nồng độ dung chất tăng dần lên, khác với trình chưng cất, cấu tử hỗn hợp bay hơi, khác nồng độ ở nhiệt độ Cô đặc tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở áp suất (áp suất chân không, áp suất thường, áp suất dư), hệ thống thiết bị cô đặc (1 nồi), hay hệ thống nhiều thiết bị đặc (nhiều nồi) Q trình có thể gián đoạn hay liên tục Hơi bay trình cô đặc thường nước, gọi thứ, thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa lớn nên thường làm đốt cho nồi cô đặc Nếu thứ sử dụng dây chuyền công nghệ cô đặc gọi phụ GVHD:Phan Thị Quyên SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH Cô đặc chân khơng dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi cao dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngồi cịn làm tăng hiệu số nhiệt độ đốt nhiệt độ trung bình dung dịch (gọi hiệu số nhiệt độ hữu ích), dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch thấp có thể tận dụng nhiệt thừa trình sản xuất khác (hoặc sử dụng thứ) cho trình cô đặc Cô đặc ở áp suất cao áp suất khí quyển thường dùng cho dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho đặc q trình đun nóng khác 1.2.2 Các phương pháp cô đặc Quá trình cô đặc có thể tiến hành liên tục hay gián đoạn thiết bị cô đặc nồi nhiều nồi Với cô đặc nồi thường ứng dụng suất nhỏ thứ không dùng làm chất tải nhiệt để đun nóng nên khơng có giá trị kinh tế Cịn đặc nhiều nồi q trình sử dụng thứ thay đốt, có ý nghĩa kinh tế cao sử dụng nhiệt Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi là: Trong nồi đầu, dung dịch đun nóng bằng đốt, bốc lên ở nồi đưa vào nồi thứ để làm đốt, thứ nồi thứ lại làm đốt cho nồi thứ 3… Hơi thứ ở nồi cuối đưa vào thiết bị ngưng tụ Dung dịch vào từ nồi đầu đến nồi cuối, qua nồi nồng độ dung dịch tăng dần lên phần dung môi bốc Hệ thống cô đặc xuôi chiều sử dụng phổ biến Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt nồi phải có chênh lệch nhiệt độ giữa đốt dung dịch sơi hay nói cách khác phải có chênh lệch áp suất giữa đốt thứ nồi Nghĩa là, áp suất làm việc nồi phải giảm dần vì thứ nồi trước làm đốt nồi sau Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư, nồi cuối làm việc ở áp suất chân không GVHD:Phan Thị Quyên 10 SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN Đồ án môn học QTTB CNHH Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công thức XIII.49-[2-386] [D σ= ] + 2hb ( S − C ) PO σ c ≤ 1,2 7,6 Kϕ h hb ( S − C ) t (N/m2) P0=1,5.p=1,5.15,9118.104=23,8677.104(N/m2)  2, 02 + 2.0,55 ( − 3,8 ) 10 −3  23,8677.104 240.106  ≤ ⇒σ =  1, 7, 6.0,885.0,95.0,55 ( − 3,8 ) 10 −3 σ = 123,557.106 < 200.106 Độ bền đảm bảo an toàn.Vậy chọn S = mm 4.2.5 Tra bích để lắp đáy nắp thân bng bốc -Tra bích buồng bốc (bảng XIII.27-2[2-420])-loại bích1 Kích thước nối Pb.10-6 N/m2 Dtr (mm) 0,3 2000 D (mm) Db (mm) D1 (mm) D0 (mm) 2160 2100 2060 2015 Bu lông db Z(cái) M27 48 Kiểu bích H (mm) 40 D Db D1 db Do Dt GVHD:Phan Thị Quyên 89 SVTH: Nguyễn Thị Nhài Trường ĐH Công Nghiệp HN 4.3 Đồ án môn học QTTB CNHH Chiều dày ống có gờ thép CT3, góc đáy 60o Đáy nón có gờ dùng để nối buồng đốt buồng bốc thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng vì thiết bị sử dụng để cô đặc những dung dịch nhớt dung dịch kết tủa nên ta chọn loại góc đáy 60 o loại có gờ vì làm việc ở áp suất lớn 7.104(N/m2) Chiều đày nón có gờ với góc đáy 60o tính theo cơng thức XIII.52[2-399] S= Dt P y + C[ m ] 2.[σ u ].ϕh Trong đó: + Dt đường kính thiết bị Dt = 2000(mm) + P áp suất P = 1,622(at) = 15,9118.104 (N/m2) + ϕ h hệ số có trị số bằng 0,95 + [σ u ] = [σ k ] = 131,54 + y yếu tố hình dạng đáy xác định theo đồ thị XIII.15-[2-400] Xét tỷ lệ: Rσ Dt Trong đó: Rσ = 300 (Tra bảng XIII.21-[2-394]) ⇒ Rσ 300 = = 0,15 ⇒ y = 1,35 Dt 2000 Khi đó: S= 2, 0.15,9118.104.1,35 + C = 1, 719.10−3 + C ( m ) 2.131,54.106.0,95 Vì S – C