Đồ Án Môn Học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc CaCl2 Phòng Đốt Ngoài

Đồ án cô đặc có phòng đốt ngoài: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động & ứng dụng thực tế. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên & kỹ sư.

• Người hướng dẫn: Cô Phan Thị Quyên
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Đồ án môn học: Cô đặc dung dịch CaCl2, thiết bị đốt ngoài
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: Không có thông tin
• Địa điểm: Không có thông tin

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• I. PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1. QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC
• 2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT CẦN CÔ ĐẶC (CaCl2)
• 2.1. Tính chất vật lí của CaCl2.
• 2.2. Tính chất hóa học của canxi clorua
• 2.3. Công dụng của canxi clorua:
• 3. THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT HỆ THỐNG CÔ ĐẶC HAI NỒI XUÔI CHIỀU LÀM VIỆC LIÊN TỤC.
• II. PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
• 1. Các số liệu ban đầu:
• 2. XÁC ĐỊNH LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA KHỎI HỆ THỐNG, W:
• 3. TÍNH SƠ BỘ LƯỢNG HƠI THỨ BỐC RA Ở MỖI NỒI:
• 4. TÍNH NỒNG ĐỘ CUỐI CỦA DUNG DỊCH TRONG MỖI NỒI:
• 5. TÍNH CHÊNH LỆCH ÁP SUẤT CHUNG CỦA HỆ THỐNG, ∆P:
• 6. XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ HƠI ĐỐT CHO MỖI NỒI:
• 7. TÍNH NHIỆT ĐỘ (ti’) VÀ ÁP SUẤT HƠI THỨ (p i’) RA KHỎI TỪNG NỒI:
• 8. TÍNH TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ CHO TỪNG NỒI:
• 9. TÍNH HIỆU SỐ NHIỆT ĐỘ HỮU ÍCH CỦA HỆ THỐNG.
• 10. THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG ĐỂ TÍNH LƯỢNG HƠI ĐỐT Di, LƯỢNG HƠI THỨ Wi Ở TỪNG NỒI.

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án cô đặc dung dịch CaCl2 bằng thiết bị đốt ngoài

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một bước quan trọng giúp sinh viên kỹ thuật hóa học áp dụng lý thuyết vào thực tiễn thiết kế. Nhiệm vụ trọng tâm của đồ án này là thiết kế một hệ thống cô đặc hai nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục với thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài. Mục tiêu chính là nâng nồng độ dung dịch CaCl2 từ 5% lên 24% khối lượng, với năng suất đầu vào đạt 5400 kg/h. Quá trình cô đặc dung dịch CaCl2 là một kỹ thuật cơ bản trong công nghiệp hóa chất, nhằm loại bỏ dung môi (nước) để thu được sản phẩm có nồng độ chất tan cao hơn. Việc lựa chọn thiết bị đốt ngoài mang lại nhiều ưu điểm, đặc biệt là khả năng dễ dàng vệ sinh, sửa chữa và phù hợp với các dung dịch có khả năng đóng cặn hoặc có độ nhớt cao. Hệ thống hai nồi xuôi chiều tận dụng hơi thứ từ nồi một để làm hơi đốt cho nồi hai, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các thông số vận hành ban đầu được xác định rõ: áp suất hơi đốt cho nồi 1 là 4 at và áp suất tại thiết bị ngưng tụ là 0,2 at. Việc hoàn thành đồ án này đòi hỏi sinh viên phải vận dụng tổng hợp kiến thức về truyền nhiệt, cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và các nguyên lý thiết kế máy hóa chất. Toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, hiệu quả và an toàn. Đây là cơ hội để hệ thống hóa kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề kỹ thuật phức tạp, chuẩn bị cho công việc của một kỹ sư trong tương lai.

1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc CaCl2

Nhiệm vụ cốt lõi của đồ án là thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh để cô đặc dung dịch Canxi Clorua (CaCl2). Các thông số kỹ thuật đầu vào là nền tảng cho mọi tính toán: năng suất dung dịch đầu vào là 5400 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu là 5% khối lượng và nồng độ sản phẩm cuối cùng cần đạt là 24% khối lượng. Hệ thống được thiết kế là loại hai nồi, làm việc xuôi chiều và liên tục, sử dụng thiết bị gia nhiệt là phòng đốt ngoài. Các điều kiện vận hành quan trọng bao gồm áp suất hơi đốt bão hòa cung cấp cho nồi đầu tiên là 4 at, trong khi áp suất ở thiết bị ngưng tụ Baromet ở cuối hệ thống được duy trì ở 0,2 at. Mục tiêu không chỉ dừng lại ở việc đạt được nồng độ yêu cầu mà còn phải tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt cao và tính toán chính xác các kích thước cơ bản của thiết bị chính và thiết bị phụ.

1.2. Giới thiệu Canxi Clorua CaCl2 và các ứng dụng thực tiễn

Canxi Clorua (CaCl2) là một hợp chất ion của canxi và clo, có đặc tính hút ẩm mạnh và tan nhiều trong nước. Trong công nghiệp, nó được sản xuất với sản lượng lớn, thường là sản phẩm phụ của công nghệ Solvay. Nhờ đặc tính hút ẩm, CaCl2 được dùng làm chất làm khô cho không khí và các loại khí, chất chống đóng băng trên đường vào mùa đông vì khả năng tỏa nhiệt lớn khi hòa tan và có hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn muối ăn (NaCl). Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong phối trộn bê tông để tăng tốc độ ổn định, làm phụ gia trong xử lý nước thải, và chất pha loãng trong thuốc làm mềm vải. Trong thực phẩm, CaCl2 (E509) được dùng làm chất làm chắc cho rau quả đóng hộp và là chất điện giải trong đồ uống thể thao. Trong y học, nó được tiêm tĩnh mạch để điều trị hạ canxi máu và có vai trò trong việc ổn định cơ tim.

II. Phân tích thách thức trong kỹ thuật cô đặc dung dịch CaCl2

Quá trình cô đặc dung dịch CaCl2 trong thực tế phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chi phí vận hành. Thách thức lớn nhất là sự xuất hiện của các tổn thất nhiệt độ, làm giảm hiệu số nhiệt độ hữu ích và ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt của toàn hệ thống. Các tổn thất này bao gồm: tổn thất do nồng độ dung dịch tăng cao (làm tăng nhiệt độ sôi), tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong ống truyền nhiệt, và tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi. Khi nồng độ dung dịch CaCl2 tăng lên, đặc biệt ở nồi cuối, độ nhớt của dung dịch cũng tăng theo. Độ nhớt cao làm giảm hệ số đối lưu, cản trở sự chuyển động của các phân tử lỏng và làm giảm mạnh hệ số truyền nhiệt. Đây là một nhược điểm cố hữu của hệ thống cô đặc xuôi chiều. Ngoài ra, dung dịch CaCl2 có khả năng gây ăn mòn và đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt, làm tăng nhiệt trở và giảm hiệu quả trao đổi nhiệt theo thời gian. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị (như thép hợp kim Crom-niken-titan) và chế độ vận hành, bảo dưỡng hợp lý là rất quan trọng để giải quyết vấn đề này. Việc tính toán và phân bố áp suất giữa các nồi một cách chính xác là bài toán tối ưu hóa phức tạp, đòi hỏi phải cân bằng giữa việc đảm bảo chênh lệch áp suất đủ lớn để dung dịch tự chảy và duy trì hiệu số nhiệt độ hữu ích hợp lý ở mỗi nồi.

2.1. Các tổn thất nhiệt độ chính trong hệ thống cô đặc hai nồi

Trong một hệ thống cô đặc, tổn thất nhiệt độ là yếu tố không thể tránh khỏi và cần được tính toán chính xác. Có ba loại tổn thất chính. Thứ nhất, tổn thất do nồng độ (∆’), xảy ra vì nhiệt độ sôi của dung dịch luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Giá trị này tăng lên đáng kể khi nồng độ CaCl2 tăng. Thứ hai, tổn thất do áp suất thủy tĩnh (∆’’), xuất hiện do áp suất ở đáy thiết bị cao hơn trên bề mặt thoáng, làm tăng nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch trong ống truyền nhiệt. Chiều cao ống truyền nhiệt càng lớn thì tổn thất này càng cao. Thứ ba, tổn thất do trở lực đường ống (∆’’’), phát sinh khi hơi thứ di chuyển từ nồi này sang nồi khác và vào thiết bị ngưng tụ. Tổng các tổn thất này (∑∆) làm giảm hiệu số nhiệt độ tổng thể, ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết.

2.2. Ảnh hưởng của nồng độ và độ nhớt đến quá trình truyền nhiệt

Nồng độ và độ nhớt của dung dịch CaCl2 là hai thông số có ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu quả truyền nhiệt. Khi nồng độ tăng từ 5% lên 24%, các tính chất vật lý của dung dịch thay đổi rõ rệt. Cụ thể, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng và đặc biệt là độ nhớt đều tăng. Độ nhớt tăng làm giảm tính linh động của dung dịch, gây khó khăn cho sự tuần hoàn tự nhiên trong các ống của thiết bị đốt ngoài. Điều này dẫn đến việc giảm hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi (α2), một thành phần quan trọng của hệ số truyền nhiệt tổng thể (K). Trong hệ thống cô đặc xuôi chiều, nồi sau có nồng độ cao hơn và nhiệt độ thấp hơn, làm cho độ nhớt tăng mạnh nhất, dẫn đến hệ số truyền nhiệt ở nồi sau thường thấp hơn nồi trước. Đây là một thách thức lớn cần được xem xét kỹ lưỡng khi thiết kế và phân bố bề mặt truyền nhiệt.

III. Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và năng lượng tối ưu

Nền tảng của việc thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch CaCl2 là việc thiết lập chính xác các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Đây là bước quyết định các thông số vận hành quan trọng như lượng hơi đốt cần cung cấp và lượng hơi thứ sinh ra ở mỗi nồi. Đầu tiên, từ cân bằng vật chất, tổng lượng hơi thứ cần bốc hơi (W) được xác định dựa trên năng suất đầu vào (Gd) và nồng độ đầu (xd), cuối (xc) của dung dịch. Theo công thức W = Gd * (1 - xd/xc), ta tính được tổng lượng nước cần loại bỏ. Tiếp theo, lượng hơi thứ này được phân bố sơ bộ cho hai nồi (W1 và W2). Trong hệ thống xuôi chiều, do có hiện tượng tự bốc hơi ở nồi sau, lượng hơi thứ ở nồi hai thường lớn hơn một chút. Một giả thiết phân bố hợp lý, ví dụ W1 : W2 = 1 : 1.03, được sử dụng để bắt đầu vòng lặp tính toán. Sau đó, phương trình cân bằng nhiệt lượng được thiết lập cho từng nồi. Nguyên tắc cơ bản là tổng nhiệt lượng đi vào (từ hơi đốt và dung dịch) phải bằng tổng nhiệt lượng đi ra (theo hơi thứ, dung dịch sản phẩm, nước ngưng và nhiệt mất mát). Việc giải hệ phương trình này cho phép tính toán lại chính xác giá trị của W1, W2 và lượng hơi đốt sơ cấp (D). Nếu kết quả tính toán có sai số nhỏ so với giả thiết ban đầu (thường <5%), giả thiết được chấp nhận. Quá trình này đảm bảo thiết kế vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật vừa tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.

3.1. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi từng nồi cô đặc

Việc xác định lượng hơi thứ (W) là bước đầu tiên trong cân bằng vật chất. Với năng suất dung dịch đầu vào Gd = 5400 kg/h, nồng độ đầu xd = 5% và nồng độ cuối xc = 24%, tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn hệ thống được tính toán. Sau đó, tổng lượng hơi thứ này cần được phân bổ cho nồi 1 (W1) và nồi 2 (W2). Một giả thiết ban đầu về tỉ lệ phân phối được đưa ra, thường là W2 lớn hơn W1 một chút do hiện tượng tự bốc hơi khi dung dịch nóng từ nồi 1 chảy sang nồi 2 có áp suất thấp hơn. Dựa trên lượng hơi thứ giả thiết bốc ra ở nồi 1, nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 (x1) cũng được xác định. Các giá trị W1 và W2 này sẽ được kiểm chứng và tính toán lại sau khi thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng.

3.2. Thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng chi tiết

Phương trình cân bằng nhiệt lượng là công cụ cốt lõi để xác định lượng hơi đốt và kiểm tra lại sự phân bố hơi thứ. Đối với Nồi 1, nhiệt lượng vào bao gồm nhiệt từ hơi đốt sơ cấp (D) và nhiệt từ dung dịch đầu. Nhiệt lượng ra bao gồm nhiệt trong hơi thứ (W1), nhiệt trong dung dịch đi sang nồi 2, nhiệt trong nước ngưng và nhiệt mất mát. Tương tự, đối với Nồi 2, nhiệt lượng vào bao gồm nhiệt từ hơi thứ của nồi 1 (đóng vai trò hơi đốt) và nhiệt từ dung dịch nồi 1 chuyển sang. Nhiệt ra bao gồm nhiệt trong hơi thứ (W2), nhiệt trong sản phẩm cuối, nhiệt trong nước ngưng và nhiệt mất mát. Việc giải hệ hai phương trình này, kết hợp với phương trình W = W1 + W2, cho phép tìm ra các ẩn số quan trọng là D, W1 và W2, hoàn thiện bài toán cân bằng năng lượng.

IV. Hướng dẫn tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc đốt ngoài

Sau khi xác định các dòng vật chất và năng lượng, bước tiếp theo là tính toán các thông số thiết kế cho thiết bị cô đặc đốt ngoài. Trọng tâm của bước này là xác định hệ số truyền nhiệt (K) và từ đó tính ra bề mặt truyền nhiệt (F) cần thiết cho mỗi nồi. Hệ số truyền nhiệt là một đại lượng tổng hợp, phụ thuộc vào ba yếu tố chính: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ (α1), nhiệt trở của thành ống và cặn bẩn, và hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi (α2). Hệ số cấp nhiệt α1 được tính toán dựa trên lý thuyết ngưng tụ màng, phụ thuộc vào chiều cao ống truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và thành ống. Hệ số cấp nhiệt α2 phức tạp hơn, phụ thuộc vào các tính chất vật lý của dung dịch CaCl2 (độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt), áp suất làm việc và mật độ dòng nhiệt. Quá trình tính toán thường bắt đầu bằng việc giả thiết phân bố chênh lệch áp suất giữa các nồi, từ đó xác định nhiệt độ và áp suất làm việc trong từng nồi. Sau đó, các tổn thất nhiệt độ được tính toán để tìm ra hiệu số nhiệt độ hữu ích (ΔT). Cuối cùng, bề mặt truyền nhiệt được tính theo công thức cơ bản F = Q / (K * ΔT), với Q là lượng nhiệt trao đổi trong mỗi nồi. Quá trình tính toán mang tính lặp, cần kiểm tra lại các giả thiết ban đầu để đảm bảo sai số nằm trong giới hạn cho phép (<5%).

4.1. Cách tính hệ số truyền nhiệt và bề mặt truyền nhiệt cần thiết

Việc tính toán hệ số truyền nhiệt (K) là một bước phức tạp, đòi hỏi xác định các hệ số thành phần. Công thức tổng quát là 1/K = 1/α1 + δ/λ + r + 1/α2, trong đó δ là bề dày thành ống, λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, và r là nhiệt trở do cặn bẩn. Giá trị α1 (phía hơi ngưng) và α2 (phía dung dịch sôi) được xác định bằng các công thức thực nghiệm và lý thuyết chuyên ngành, có tính đến các thông số như nhiệt độ, áp suất, và tính chất vật lý của lưu chất. Sau khi có được K cho mỗi nồi, bề mặt truyền nhiệt (F) được tính. Một phương pháp phổ biến là tính F cho mỗi nồi và sau đó lấy giá trị trung bình hoặc chọn F bằng nhau cho cả hai nồi để tiện cho chế tạo. Trong đồ án này, F được tính sao cho F1 = F2, đảm bảo tính đồng bộ của hệ thống.

4.2. Phân bố áp suất và hiệu số nhiệt độ hữu ích tối ưu

Hiệu quả của hệ thống cô đặc nhiều nồi phụ thuộc rất lớn vào việc phân bố hợp lý chênh lệch áp suất tổng (ΔP = p_đốt - p_ngưng tụ) cho từng nồi. Một giả thiết phân bố ban đầu (ví dụ: Δp1 : Δp2 = 2 : 1) được đưa ra để xác định áp suất làm việc ở mỗi nồi. Từ áp suất, ta suy ra nhiệt độ hơi đốt và nhiệt độ sôi tương ứng. Sau khi trừ đi các tổn thất nhiệt độ (∆’, ∆’’, ∆’’’), ta thu được hiệu số nhiệt độ hữu ích (ΔT) cho từng nồi. Quá trình tính toán sau đó sẽ kiểm tra lại sự hợp lý của giả thiết này. Nếu tỉ số (Q/K) của các nồi xấp xỉ nhau, điều đó chứng tỏ việc phân bố nhiệt độ hữu ích là hợp lý. Nếu sai lệch lớn, cần lặp lại quá trình tính toán với một giả thiết phân bố áp suất mới cho đến khi đạt được sự cân bằng tối ưu, đảm bảo mỗi nồi hoạt động hiệu quả.

V. Thiết kế thiết bị phụ Hệ thống ngưng tụ Baromet hiệu quả

Bên cạnh thiết bị chính là hai nồi cô đặc, hệ thống không thể hoạt động nếu thiếu các thiết bị phụ, trong đó quan trọng nhất là thiết bị ngưng tụ Baromet. Thiết bị này có nhiệm vụ ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ (W2) thoát ra từ nồi cuối cùng và duy trì độ chân không cần thiết cho toàn bộ hệ thống. Việc duy trì áp suất thấp (0,2 at) ở nồi cuối là yếu tố then chốt để tạo ra chênh lệch áp suất, giúp dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau và giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, cho phép tận dụng nhiệt từ hơi thứ của nồi trước. Thiết kế thiết bị ngưng tụ Baromet loại khô, ngược chiều, chân cao bao gồm việc tính toán các thông số chính: lượng nước làm lạnh cần thiết, đường kính và chiều cao của thân thiết bị, và kích thước của ống Baromet. Lượng nước lạnh được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt lượng, đảm bảo ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ. Đường kính thiết bị được tính dựa trên lưu lượng và vận tốc cho phép của dòng hơi để tránh lôi cuốn lỏng. Chiều cao ống Baromet phải lớn hơn 10,5 mét để đảm bảo nước ngưng tự chảy ra ngoài ngay cả khi độ chân không trong hệ thống là tuyệt đối, ngăn ngừa hiện tượng nước bị hút ngược vào thiết bị. Thiết kế đúng chuẩn của hệ thống ngưng tụ đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của toàn bộ dây chuyền cô đặc dung dịch CaCl2.

5.1. Nguyên lý làm việc và vai trò của thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ Baromet là thiết bị ngưng tụ trực tiếp, trong đó hơi và nước làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hơi thứ từ nồi cuối đi từ dưới lên, trong khi nước lạnh được phun từ trên xuống qua các tấm ngăn có đục lỗ. Hơi tiếp xúc với nước lạnh, nhả ẩn nhiệt hóa hơi và ngưng tụ thành lỏng. Hỗn hợp nước ngưng và nước làm lạnh chảy xuống đáy và được tháo ra ngoài qua ống Baromet. Khí không ngưng nhẹ hơn sẽ tập trung ở phía trên và được hút ra ngoài bằng bơm chân không. Vai trò của nó là kép: vừa hóa lỏng hơi thứ, vừa tạo và duy trì áp suất chân không cho nồi cuối, từ đó ảnh hưởng đến áp suất của cả hệ thống.

5.2. Các thông số thiết kế quan trọng của ống Baromet và bơm

Thiết kế hệ thống ngưng tụ đòi hỏi tính toán cẩn thận nhiều thông số. Lượng nước lạnh (Gn) cần thiết được tính toán để đảm bảo nhiệt độ nước ra không quá cao (ví dụ, 50°C) nhằm duy trì hiệu quả ngưng tụ. Đường kính trong của thiết bị (Dtr) phải đủ lớn để vận tốc hơi nằm trong giới hạn cho phép (khoảng 35 m/s) nhằm tránh lôi cuốn giọt lỏng. Đường kính ống Baromet (d) được tính để đảm bảo tốc độ dòng chảy hợp lý (khoảng 0,5 m/s). Chiều cao ống (H) phải lớn hơn 10,5m để thắng được áp suất khí quyển. Cuối cùng, bơm chân không được lựa chọn dựa trên tổng lượng khí không ngưng cần hút ra khỏi hệ thống, đảm bảo duy trì độ chân không ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa chất là thiết kế thiết bị, một hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản suất, một sinh viên khoa Công nghệ Hóa học được nhận đồ án môn học “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”. Việc làm đồ án là một công việc tốt giúp cho mỗi sinh viên từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Các quá trình, thiết bị trong Công nghệ hóa chất và thực phẩm”. Trên cơ sở lượng kiến thức đó và lượng kiến thức của môn học có liên quan, mỗi sinh viên sẽ thiết kế một thiết bị, một hệ thống thiết bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ. Qua việc làm đồ án, mỗi sinh viên biết dùng tài liệu tham khảo trong tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong thiết kế, tự nâng cao kỹ năng vận dụng, tính toán, trình bày nội dung bản thiết kế theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.

Đồng thời, đồ án này còn giúp sinh viên tổng hợp được kiến thức đã học ở các môn cơ sở. Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi, xuôi chiều, làm việc liên tục, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài, dùng để cô đặc dung dịch CaCl2, năng suất 5400kg/h, nồng độ đầu của dung dịch 5% khối lượng, nồng độ cuối của dung dịch 24% khối lượng, áp suất hơi đốt nồi 1 là 4at, áp suất hơi ngưng tụ là 0,2at. Xin chân thành cảm ơn cô Phan Thị Quyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn Công nghệ Hóa chất và thực phẩm đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án này.

Trong quá trình làm đồ án, do hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế nên em không thể tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót…Vì vậy em kính mong sự đóng góp nhiệt tình của quý thầy, cô và các bạn sinh viên để đồ án này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! 2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG 1. QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC. Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi.

Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng lên. 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 hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ.

Cô đặc nhiều nồi: Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt cho nồi thứ ba,…hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất.

Ưu điểm nổi bật của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồng độ nồi trước nên độ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT CẦN CÔ ĐẶC (CaCl2): 1. Tính chất vật lí của CaCl2.

 Danh pháp IUPAC: calcium choride. Ngoài ra còn có tên gọi khác như: canxi clorua, canxi (II) clorua, canxi điclorua, F509.  Thuộc tính: - Dạng CaCl2: + Phân tử gam: 119,99 g/mol. + Bề ngoài: rắn trắng không màu.

3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ + Tỷ trọng: 2,15 g/cm3. + Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C) + Điểm nóng chảy: 772 0C - Dạng CaCl2. + Phân tử gam: 147,02 g/mol. + Bề ngoài: rắn trắng không màu.

+ Tỷ trọng: 0,835 g/cm3. + Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C) - Dạng CaCl2. + Phân tử gam: 219,08 g/mol. + Bề ngoài: rắn trắng không màu.

+ Tỷ trọng: 1,71 g/cm3. + Độ hòa tan trong nước: 74,5 g/100ml (200C) Canxi clorua (CaCl2) là hợp chất ion của canxi và clo. Chất này tan nhiều trong nước. Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn, chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay.

Do nó có tính hút ẩm cao, người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín. Tính chất hóa học của canxi clorua Canxi clorua có thể phục vụ như là nguồn cung cấp ion canxi trong dung dịch, chẳng hạn để kết tủa do nhiều hợp chất của canxi là không hòa tan trong nước: 3 CaCl2 (lỏng) + 2 K3PO4 (lỏng) → Ca3(PO4)2 (rắn) + 6 KCl (lỏng) CaCl2 nóng chảy có thể điện phân để tạo ra canxi kim loại: CaCl2 (lỏng) → Ca (rắn) + Cl2 (khí) 1. Công dụng của canxi clorua: 4 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ  Trong công nghiệp: Hàng triệu tấn canxi clorua được sản xuất mỗi năm, chẳng hạn tại Bắc Mỹ, lượng tiêu thụ năm 2002 là 1. Các cơ sở sản xuất của công ty hóa chất Dow tại Michigan chiếm khoảng 35% tổng sản lượng tại Hoa Kì về canxi clorua, và nó có nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau: Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó nên không khí hay các loại khí khác có thể cho đi qua các ống chứa canxi clorua để loại bỏ hơi ẩm.

Cụ thể, canxi clorua thông thường được sử dụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí đi qua. Nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng. Quá trình hấp thụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 60 0C (1400F). Vì khả năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm.

Do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó, canxi clorua cũng được sử dụng như là hợp chất làm tan băng. Không giống như natri clorua (muối đá hay halit) phổ biến hơn, nó là tương đối vô hại cho các loại cây trồng và đất, tuy nhiên, các quan sát gần đây tại bang Washington lại cho rằng nó có thể gây hại cho các cây thường xanh ở hai bên đường. Nó cũng có hiệu lực hơn natri clorua ở các nhiệt độ thấp. Khi được phân phối cho mục đích này, nó thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng, đường kính vài milimet.

Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp chất lỏng trên mặt đường nhằm thu hút hết bụi. Nó cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăng nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông, tuy nhiên ion clorua lại dẫn tới sự ăn mòn của các thanh gia cố bằng thép, vì thế không nên sử dụng nó trong bê tông chịu lực. Canxi clorua lỏng (trong dung dịch với nước) có điểm đóng băng thấp tới -520C ( -620F), làm cho nó là lí tưởng để nhồi đầy các lốp không săm bổ sung như là các đồ dằn lỏng, hỗ trợ cho sức kéo trong điều kiện khí hậu lạnh. Các ứng dụng công nghiệp khác bao gồm sử dụng như là phụ gia trong hóa dẻo, hỗ trợ tiêu nước trong xử lí nước thải, chất bổ sung trong các thiết bị dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia trong kiểm soát tạo xỉ trong các lò cao, cũng như làm chất pha loãng trong các loại thuốc làm mềm vải.

5 ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ  Trong phòng thí nghiệm. Như là một thành phần, nó được liệt kê như là phụ gia thực phẩm được phép sử dụng tại Liên minh châu Âu để làm phụ gia cô lập và chất làm chắc với số E la E509. Dạng khan đã được FDA phê chuẩn như là phụ gia hỗ trợ đóng gói để đảm bảo độ khô (CPG 7112. Canxi clorua được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực mặn, được tìm thấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể thao và các dạng đồ uống khác, như Smartwater và nước đóng chai của Nestle.

Nó cũng có thể sử dụng như là phụ gia bảo quản để duy trì độ chắc trong rau quả đóng hộp hoặc ở hàm lượng cao hơn trong các loại rau dưa muối để tạo ra vị mặn trong khi không làm tăng hàm lượng canxi của thực phẩm. Nó cũng có thể dùng để chế biến các đồ thay thế cho trứng cá muối từ nước hoa quả hay bổ sung vào sữa đã chế biến để phục hồi sự cân bằng tự nhiên giữa canxi và protein trong các mục đích sản xuất pho mát, như các dạng brie và stilton. Tính chất tỏa nhiệt của canxi clorua được khai thác trong nhiều loại thực phẩm ‘tự tỏa nhiệt’ trong đó nó được hoạt hóa (trộn lẫn) với nước để bắt đầu quá trình sinh nhiệt, cung cấp một loại nhiên liệu khô, không nổ, dễ dàng kích hoạt. Trong ủ bia (đặc biệt là ale và bia trắng), canxi clorua đôi khi được sử dụng để điều chỉnh sự thiếu hụt chất khoáng trong nước ủ bia (canxi là đặc biệt quan trọng cho chức năng của enzim trong quá trình ngâm, cho quá trình đông kết lại của protein trong hầm ủ và trao đổi chất của men bia) và bổ sung độ cứng vĩnh cửu nhất định cho nước.

Các ion clorua gia tăng hương vị và tạo cảm giác ngọt và hương vị đầy đủ hơn, trong khi các ion sulphat trong thạch cao cũng được sử dụng để bổ sung ion canxi vào nước ủ bia, có xu hướng tạo ra hương vị khô và mát hơn, với độ đắng cao hơn.