LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học Công nghiệp Hà Nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá 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 các 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 phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài thẳng đứng dùng cho cô đặc dung dịch KOH với năng suất 3,25 tấn/ giờ, chiều cao ống gia nhiệt 4m , nồng độ dung dịch ban đầu là 14,2% , nồng độ cuối dung dịch 33%, áp suất hơi đốt nồi 4at, áp suất hơi ngưng tụ 0,35% Đồ án môn học trình bày gồm các phần sau: Phần 1: Giới thiệu chung Phần 2: Tính toán thiết bị chính Phần 3: Tính toán thiết bị phụ Phần 4: Tính toán cơ khí Phần 5: Kết luận 1 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiêm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn 2 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa PHẦN 1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong công nghiệp sản xuất hóa chất và thực phẩm và các ngành công nghiệp khác nói chung thường phải làm việc với các hệ dung dịch lỏng chứa chất tan không bay hơi, để làm tăng nồng độ của chất tan người ta thường làm bay hơi một phần dung môi dựa trên nguyên lý truyền nhiệt, ở nhiệt độ sôi, phương pháp này gọi là phương pháp cô đặc. Cô đặc là một phương pháp quan trọng trong công nghiệp sản xuất hóa chất, nó làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể, thu dung môi ở dạng nguyên chất. dung dịch được chuyển đi không mất nhiều công sức mà vẫn đảm bảo được yêu cầu.
thiết bị dung để cô đặc gồm nhiều loại như: thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, thiết bị cô đặc buồng đốt treo, thiết bị cô đặc loại màng, thiết bị cô đặc có vành dẫn chất lỏng, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức, thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm… Tùy từng sản phẩm năng suất khác nhau mà người ta thiết kế thiết bị cô đặc phù hợp với điều kiện cho năng suất được cao, và tạo ra được sản phẩm như mong muốn, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Quá trình cô đặc của dung dịch mà giữa các cấu tử có chênh lệch nhiệt độ sôi rất cao thì thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay không bay hơi trong quá trình đó) mà ta có thể tách một phần dung môi (hay cấu tử khó bay hơi) bằng phương pháp nhiệt hay phương pháp lạnh. - Phương pháp nhiệt: Dưới tác dụng của nhiệt (do đun nóng) dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi dung dịch sôi.
Để cô đặc các 3 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa dung dịch không chịu được nhiệt độ (như dung dịch đường) đòi hỏi cô đặc ở nhiệt độ thấp, thường là chân không. Đó là phương pháp cô đặc chân không. - Phương pháp lạnh: Khi hạ nhiệt độ đến một mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dưới dạng tinh thể đơn chất tinh khiết – thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy theo tính chất của các cấu tử - nhất là kết tinh dung môi, và điều kiện bên ngoài tác dụng lên dung dịch mà quá trình kết tinh đó có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và có khi phải dùng đến máy lạnh.
Phân loại thiết bị cô đặc: Các thiết bị cô đặc rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên ta có thể phân loại theo 1 số đặc điểm sau: - Theo nguyên lý làm việc: Có 2 loại thiết bị cô đặc làm việc theo chu kỳ và làm việc liên tục. - Theo áp suất làm việc bên trong thiết bị: Chia ra 3 loại: Thiết bị làm việc ở Pdư, Pck… - Theo nguồn cấp nhiệt: + Nguồn của phản ứng cháy nhiên liệu. + Nguồn hơi nước: Nay là nguồn cấp nhiệt thường gặp nhất.
+ Nguồn nước nóng, dầu nóng hoặc hỗn hợp điphenyl cho thiết bị chu kỳ có công suất nhỏ. Cấu trúc của một thiết bị cô đặc thường có 3 bộ phận chính sau: - Bộ phận nhận nhiệt: Ở thiết bị đốt nóng bằng hơi nước, bộ phận nhận nhiệt là dàn ống gồm nhiều ống nhỏ trong đó hơi nước ngưng tụ ở bên ngoài các ống, truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong các ống. - Không gian để phân ly: Hơi dung môi tạo ra còn chứa cả dung dịch nên phải có không gian lớn để tách các dung dịch rơi trở lại bộ phận nhiệt. 4 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa - Bộ phận phân ly: Để tác các giọt dung dịch còn lại trong hơi.
Cấu tạo của một thiết bị cô đặc cần đạt các yêu cầu sau: - Thích ứng được các tính chất đặc biệt của dung dịch cần cô đặc như: Độ nhớt cao, khả năng tạo bọt lớn, tính ăn mòn kim loại. - Có hệ số truyền nhiệt lớn. - Tách ly hơi thứ tốt. - Bào đảm tách các khí không ngưng còn lại sau khi ngưng tụ hơi đốt.
Cô đặc nhiều nồi: - Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. - Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: + Nồi thứ nhất dung dịch được đun bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai được đưa vào đun nồi thứ ba,… hơi thứ ở nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên. + Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi nghĩa là áp suất làm việc trong các nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau.
Thông thường thì nồi đầu làm việc ở áp suất dư còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (chân không). + Cô đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về sử dụng hơi đốt so với một nồi. Lượng hơi đốt dùng để bốc hơi 1 kg hơi thứ trong hệ thống cô đặc nhiều nồi sẽ tăng. Dưới đây là số liệu về lượng tiêu hao hơi đốt theo 1 kg hơi thứ: Trong hệ thống cô đặc 1 nồi: 1,1 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 2 nồi: 0,57 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 3 nồi: 0,40 kg/ kg 5 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa Trong hệ thống cô đặc 4 nồi: 0,30 kg/ kg Trong hệ thống cô đặc 5 nồi: 0,27 kg/ kg - Qua số liệu này cho thấy, lượng hơi đốt giảm đi theo số nồi tăng nhưng không giảm theo tỉ lệ bậc 1 mà từ nồi 1 lên nồi 2 giảm 50%, còn từ nồi 4 lên nồi 5 giảm đi 10%, thực tế từ nồi 10 lên nồi 11 giảm đi không quá 1% nghĩa là xét về mặt hơi đốt hệ thống cô đặc nhiều nồi không thể quá 10 nồi.
- Mặt khác số nồi tăng thì hiệu số nhiệt độ có ích giảm đi rất nhanh do đó bề mặt đun nóng của các nồi sẽ tăng. - Vì vậy, cần lựa chọn số nồi thích hợp cho hệ thống cô đặc nhiều nồi. Giới thiệu chung về KOH - Kali Hidroxit (KOH). Ở dạng tinh thể thì KOH không màu, tnc = 404oC, ts = 1.
Dễ tan trong nước kèm theo sự tỏa nhiệt rất mạnh: ở 20 oC, 100 g nước hoà tan được 112g KOH. Thuộc loại kiềm mạnh; hấp thụ nước và khí cacbonic (CO2) trong không khí, tạo thành kali cacbonat (K 2CO3). - Khi hòa tan trong nước ta được dung dịch KOH là dung dịch không màu, có đầy đủ tính chất của Bazơ mạnh và ngoài ra dung dịch này còn có tính ăn mòn thủy tinh. - Khi KOH nóng chảy có khả năng ăn mòn sứ (trong môi trường có không khí), platin.
- Điều chế bằng cách điện phân dung dịch kali clorua (KCl) có 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: 1.
Sơ đồ dây chuyền hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức. Chú thích sơ đồ: 6 SVTH: Vũ Hải Linh GVHD: Nguyễn Văn Mạnh Trường Đại học Công nghiệp Hà Nôi Khoa Công nghệ Hóa 1. Thùng chứa dung dịch đầu 2. Thùng cao vị 4.
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6. Thiết bị cô đặc 7. Thiết bị cô đặc 8. Thùng chứa nước 9.
Thùng chứa sản phẩm 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet 11.Thiết bị tách bọt 12.