Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều NaCl - ĐHBK Hà Nội

Đồ án tính toán thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều liên tục cho dung dịch NaCl H2O năng suất 3kg/s, chi tiết cân bằng vật chất và năng lượng.

• Tác giả: Lê Nguyễn Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Cao Thị Mai Duyên
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục với dung dịch NaCl
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cô đặc hai nồi NaCl H2O

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục là giải pháp tối ưu để nâng cao nồng độ dung dịch NaCl từ 9% lên 20% khối lượng với năng suất 3 kg/s. Quá trình cô đặc dựa trên nguyên lý tách dung môi (H2O) khỏi dung dịch bằng bay hơi, trong khi chất tan (NaCl) được giữ lại. Hệ thống này tận dụng nhiệt ẩn hóa hơi của hơi thứ từ nồi đầu để gia nhiệt cho nồi sau, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Thiết kế hai nồi nối tiếp giúp tăng hiệu suất nhiệt và giảm chi phí vận hành so với hệ thống một nồi. Các thông số vận hành như áp suất hơi đốt (5 at) và áp suất hơi ngưng tụ (0,2 at) được tối ưu hóa để đảm bảo quá trình diễn ra ổn định.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc hai nồi

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều hoạt động theo nguyên lý truyền nhiệt gián tiếp. Dung dịch NaCl-H2O ban đầu được bơm vào nồi đầu tiên với nồng độ 9%, nơi hơi đốt ở áp suất 5 at làm bay hơi dung môi. Hơi thứ sinh ra từ nồi 1 có nhiệt độ sôi 119,6°C được dẫn sang nồi 2 để làm hơi đốt, trong khi dung dịch sau khi cô đặc một phần được chuyển sang nồi 2. Tại nồi 2, dung dịch đạt nồng độ cuối 20% nhờ nhiệt độ sôi thấp hơn (78,54°C) do áp suất hơi ngưng tụ 0,2 at. Quá trình này lặp lại liên tục, đảm bảo hiệu suất tách dung môi cao và tiêu thụ năng lượng thấp.

1.2. Ứng dụng của dung dịch NaCl trong công nghiệp

Dung dịch NaCl-H2O sau cô đặc được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm và xử lý nước. Nồng độ NaCl tăng cao giúp sản xuất muối tinh khiết, sản xuất xút (NaOH) qua quá trình điện phân, hoặc sử dụng trong bảo quản thực phẩm. Ngoài ra, dung dịch NaCl cô đặc còn được dùng trong ngành dược phẩm để sản xuất nước muối sinh lý. Hệ thống cô đặc hai nồi đảm bảo cung cấp dung dịch NaCl ổn định với chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi NaCl-H2O đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật như cân bằng nhiệt, lựa chọn vật liệu chống ăn mòn và tối ưu hóa hiệu suất. Vấn đề chính là đảm bảo dung dịch không bị kết tinh quá sớm trong ống truyền nhiệt, gây tắc nghẽn. Ngoài ra, sự ăn mòn do dung dịch NaCl đậm đặc đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có khả năng chống ăn mòn cao, như thép không gỉ 12MX. Áp suất vận hành khác nhau giữa hai nồi (5 at và 0,2 at) cũng đòi hỏi hệ thống phải đảm bảo độ kín tuyệt đối để tránh thất thoát hơi. Cuối cùng, việc tính toán chính xác diện tích truyền nhiệt và lưu lượng dung dịch là yếu tố quyết định hiệu suất toàn hệ thống.

2.1. Khó khăn trong cân bằng nhiệt và lưu lượng

Cân bằng nhiệt giữa hai nồi là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất cô đặc. Dung dịch NaCl-H2O có tính chất nhiệt động phức tạp, với độ nhớt và hệ số dẫn nhiệt thay đổi theo nồng độ. Tại nồi 1, dung dịch có nhiệt độ sôi 119,6°C, trong khi nồi 2 chỉ 78,54°C. Sự chênh lệch nhiệt độ này đòi hỏi diện tích truyền nhiệt phải được tính toán chính xác để tránh quá tải nhiệt. Ngoài ra, lưu lượng dung dịch 3 kg/s phải được duy trì ổn định để tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ, gây biến chất dung dịch.

2.2. Vấn đề ăn mòn và lựa chọn vật liệu

Dung dịch NaCl nồng độ cao (20%) có tính ăn mòn mạnh, đặc biệt khi kết hợp với nhiệt độ cao. Vật liệu chế tạo thiết bị phải đáp ứng yêu cầu chống ăn mòn và chịu được áp suất lên đến 5 at. Thép không gỉ 12MX là lựa chọn phổ biến nhờ khả năng chống ăn mòn tốt và độ bền nhiệt. Tuy nhiên, lớp cặn bẩn hình thành trên bề mặt truyền nhiệt (nhiệt trở r2 = 0,000387 m².độ/W) cần được kiểm soát bằng cách vệ sinh định kỳ. Ngoài ra, lớp cách nhiệt bên ngoài thiết bị giúp giảm thất thoát nhiệt, duy trì hiệu suất vận hành.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi

Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi NaCl-H2O dựa trên phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng kết hợp với các nguyên lý truyền nhiệt. Bước đầu tiên là xác định lưu lượng dung dịch vào (3 kg/s) và nồng độ đầu/cuối (9% và 20%). Tiếp theo, tính toán lượng hơi thứ sinh ra từ mỗi nồi dựa trên cân bằng nhiệt, sử dụng phương trình truyền nhiệt Q = K·A·ΔT. Diện tích truyền nhiệt (A) được xác định từ lưu lượng dung dịch và nhiệt độ sôi. Sau đó, lựa chọn vật liệu chế tạo (thép không gỉ 12MX) và lớp cách nhiệt (bông thủy tinh) để đảm bảo độ bền và hiệu suất. Cuối cùng, thiết kế các thiết bị phụ như bơm, bể chứa, và hệ thống ống dẫn hoàn chỉnh.

3.1. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

Cân bằng vật chất xác định lưu lượng dung dịch vào nồi 1 (3 kg/s) và lượng dung môi bay hơi (1,35 kg/s) để đạt nồng độ cuối 20%. Cân bằng năng lượng tính toán lượng hơi đốt cần thiết (2,15 kg/s) dựa trên nhiệt ẩn hóa hơi của dung môi. Phương trình Q = G·r (trong đó G là lưu lượng hơi, r là nhiệt ẩn) được sử dụng để xác định công suất nhiệt. Tại nồi 2, hơi thứ từ nồi 1 (1,35 kg/s) cung cấp nhiệt lượng cho dung dịch, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng ngoài. Kết quả tính toán đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định với hiệu suất nhiệt trên 85%.

3.2. Lựa chọn thiết bị chính và phụ

Thiết bị chính là nồi cô đặc, được chế tạo từ thép không gỉ 12MX với bề dày ống truyền nhiệt 2 mm. Diện tích truyền nhiệt được tính toán dựa trên hệ số truyền nhiệt K (50,2 W/m².độ) và chênh lệch nhiệt độ ΔT (41,06°C). Thiết bị phụ bao gồm bơm dung dịch (lưu lượng 3 kg/s, cột áp 20 m), hệ thống ống dẫn (đường kính 50 mm), và bể chứa dung dịch cô đặc. Lớp cách nhiệt dày 50 mm bằng bông thủy tinh giúp duy trì nhiệt độ vận hành và giảm thất thoát nhiệt. Các thiết bị này được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn công nghiệp và đảm bảo vận hành an toàn.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống

Hệ thống cô đặc hai nồi NaCl-H2O với năng suất 3 kg/s và nồng độ cuối 20% là giải pháp hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật. Thiết kế này tận dụng tối đa nhiệt ẩn từ hơi thứ, giảm tiêu thụ năng lượng so với hệ thống một nồi. Các thông số vận hành như áp suất hơi đốt (5 at) và áp suất hơi ngưng tụ (0,2 at) được tối ưu hóa để đảm bảo quá trình diễn ra ổn định. Hệ thống có thể ứng dụng rộng rãi trong sản xuất muối tinh khiết, xút, hoặc nước muối sinh lý. Ngoài ra, thiết kế này có thể mở rộng cho các dung dịch khác bằng cách điều chỉnh nồng độ đầu/cuối và thông số vận hành phù hợp.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường

Hệ thống cô đặc hai nồi giúp tiết kiệm tới 40% năng lượng so với hệ thống một nồi nhờ tận dụng nhiệt ẩn từ hơi thứ. Chi phí vận hành thấp nhờ giảm lượng hơi đốt tiêu thụ (2,15 kg/s thay vì 3,5 kg/s). Ngoài ra, hệ thống giảm thiểu phát thải khí CO₂ nhờ tối ưu hóa quá trình đốt cháy. Vật liệu chế tạo thép không gỉ 12MX có tuổi thọ cao, giảm chi phí bảo trì. Nhờ đó, hệ thống có thời gian hoàn vốn nhanh, chỉ sau 2-3 năm vận hành.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến

Hệ thống có thể được cải tiến bằng cách tích hợp công nghệ thu hồi nhiệt từ hơi ngưng tụ để gia nhiệt dung dịch đầu vào. Ngoài ra, sử dụng bơm nhiệt (heat pump) thay thế hơi đốt có thể giảm tiêu thụ năng lượng tới 60%. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong giám sát và điều khiển quá trình cũng giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành. Hệ thống cũng có thể mở rộng quy mô bằng cách thêm nồi cô đặc thứ ba để tăng năng suất lên 5 kg/s, đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu 2. Vẽ và thuyết minh sơ đồ công nghệ (bản vẽ A4) 3. Tính toán kỹ thuật thiết bị chính 4. Tính và chọn thiết bị phụ 5.

Tài liệu tham khảo. Các bản vẽ - Bản vẽ dây chuyền công nghệ: khổ A4; - Bản vẽ lắp thiết bị chính: khổ A1. Cán bộ hướng dẫn: TS. Cao Thị Mai Duyên VI.

Ngày giao nhiệm vụ: ngày tháng 4 năm 2022 VII. Ngày phải hoàn thành: Phê duyệt của Bộ môn Ngày tháng 4 năm 2022 Người hướng dẫn I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Tổng quan về quá trình cô đặc. - Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi, 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. - Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi còn chất tan không bay hơi được giữ lại trong dung dịch, trong khi đó quá trình chưng cất thì cả dung môi lẫn chất tan đều bay hơi. - Cô đặc được tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị.

Quá tình có thể được tiến hành trong hệ thống một thiết bị cô đặc, hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc và có thể thực hiện gián đoạn hoặc liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc gọi là “hơi thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Nếu “hơi thứ” được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”. - Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư).

Khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; còn khi làm việc ở áp suất khác ta dùng thiết bị kín.2, Phân loại các thiết bị cô đặc. * Dựa vào chế độ tuần doàn dung dịch: Loại 1: Dung dịch tuần hoàn tự nhiên: dựa vào sự chênh lệch khối lượng riêng của dung dịch, dùng để cô đặc dung dịch lỏng có độ nhớt thấp. VD: + Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm. + Thiết bị cô đặc phòng đốt treo.

+ Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài.  Để tăng hiệu quả cô đặc và rút ngắn thời gian người ta sẽ dùng thêm bơm, ta có loại 2 như sau: Loại 2: Dung dịch tuần hoàn cưỡng bức: dùng thêm bơm để tăng vận tốc dung dịch lên 1,5 – 3,5 m/s nhằm tăng hệ số cấp nhiệt, dùng cho dung dịch đặc, có độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Loại 3: Dung dịch chuyển động dọc theo bề mặt truyền nhiệt thành màng mỏng từ dưới lên trên, thời gian bay hơi nhanh giúp giảm khả năng biến chất sản phẩm, thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép….VD: Thiết bị cô đặc loại màng. * Dựa vào áp suất trong thiết bị cô đặc: - Cô đặc chân không dùng cho dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt, ngoài ra còn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt.

Cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các quá trình sản xuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho quá trình cô đặc. - Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hơi thứ được sử dụng cho quá trình cô đặc và 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 này tuy đơn giản nhưng không kinh tế.

Trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không. * Dựa vào bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng. * Dựa vào chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, bằng chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao,…), bằng dòng điện. Chọn thiết bị cô đặc: Trong đồ án này, chiều cao ống truyền nhiệt H=5m, ta nên chọn thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài vì ống tuần hoàn và phòng đốt ở 2 không gian làm gian làm việc khác nhau nên ống tuần hoàn không bị gia nhiệt, vận tốc tuần hoàn lớn, dẫn đến có thể làm ống truyền nhiệt lên tới 7m để tăng tốc độ cô đặc 2, Tổng quan về dung dịch NaCl 2.1, Giới thiệu chung.

- NNaCl là một hợp chất hóa học có tên gọi là Natrichorua hay còn gọi là muối ăn ,muối mỏ - NaCl là chất điện ly mạnh phân ly hoàn toàn trong nước sản phẩm là các ion âm và dương, là muối của axit mạnh và bazo mạnh nên mang tính trung tính. - Ứng dụng nhiều trong các ngành khác nhau như trong công nghiệp giấy, thuốc nhuộm, trong chăn nuôi, trong y tế cũng như trong đời sống. - Tính chất vật lý: + NaCl là Chất rắn màu trắng hoặc không màu + Khối lượng mol: 58,5 g/mol + Khối lượng riêng: 2,16 g/cm3 (16 °C) + Điểm nóng chảy: 801°C + Tan nhiều trong nước (13,3 g/100 mL (0 °C), 36 g/100 mL (25 °C), 247 g/100 mL (100 °C)). - Tính chất hóa học: +NaCl có tính Oxy hóa rất cao, phân li hoàn toàn trong nước, tạo ra các ion âm và dương + Tác dụng với muối Ag+ (phản ứng trao đổi): NaCl + AgNO3 -> AgCl + NaNO3 + Tác dụng với nước: Ứng dụng để sản xuất HCl 2.

Axit tác dụng với bazo HCl + NaOH → NaCl + H20 Na2Cr2O7 + 14HCl→ 2NaCl + 2CrCl3 + 3Cl2 + 7H20 Sục khí clo vào dung dịch kiềm 2NaOH (nguội, loãng) + Cl2 → NaCl + NaClO + H20 5NaOH (nóng) + 3Cl2 → NaClO3 + 3H20 + 5NaCl Clo đẩy brom và iot khỏi muối bromua và iotua 2NaBr + Cl2→ 2NaCl + Br2 2NaI + Cl2 → 2NaCl + I2 Thủy phân hợp chất chứa oxy kém bền với nhiệt như NaClO3 2NaClO3 ( xúc tác MnO2, đun nóng) → 2NaCl + 3O2 Đun nhẹ hỗn hợp bão hòa NH4Cl và NaNO2 2. Trong công nghiệp, muối tinh khiết tiêu thụ hàng năm trên toàn thế giới khoảng 200 triệu tấn: Đối với sản xuất da, giày: người ta dùng muối để bảo vệ da. Trong sản xuất cao su: muối dùng để làm trắng các loại cao su. Trong dầu khí: muối là thành phần quan trọng trong dung dịch khoan giếng khoan.

Từ muối có thể chế ra các loại hóa chất dùng cho các ngành khác như sản xuất nhôm, đồng, thép, điều chế nước Javel,.bằng cách điện phân nóng chảy hoặc điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn. Trong nông nghiệp, trồng trọt Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm: muối dùng để cân bằng các quá trình sinh lý trong cơ thể giúp gia súc, gia cầm sẽ tăng trưởng nhanh, giảm bệnh tật. Phân loại hạt giống theo trọng lượng. Làm yếu tố vi lượng trộn với các loại phân hữu cơ để tăng hiệu quả phân bón.

Natri Clorua trong thực phẩm Là thành phần chính trong muối ăn và được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm. Dùng muối để ướp thực phẩm sống như tôm, cá,.để không bị ươn, ôi trước khi thực phẩm được nấu. Khử mùi thực phẩm, giữ cho trái cây không bị thâm. Tăng hương vị, kiểm soát quá trình lên men của thực phẩm.

Natri Clorua trong y tế Muối tinh khiết được dùng để sát trùng vết thương, trị cảm lạnh và dùng để pha huyết thanh, thuốc tiêu độc và một số loại thuốc khác để chữa bệnh cho con người. Là một yếu tố thiết yếu đối với cuộc sống con người do thành phần chủ yếu của muối là natri và clo hai nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng thể dịch trong cơ thể, đảm bảo cho các tế bào hoạt động bình thường. Cung cấp muối khoáng cho cơ thể thiếu nước. Muối có tác dụng khử độc, thanh lọc cơ thể, làm đẹp da, chữa viêm họng, làm trắng răng, chữa hôi miệng,.

Muối tinh khiết trong đời sống gia đình Muối tinh khiết dùng để giữ hoa tươi lâu hơn, làm sạch thớt, làm sạch đồ thủy tinh. Giúp lau chùi sạch tủ lạnh, chảo dính dầu mỡ, bàn ủi, tẩy vết rượu vang trên quần áo. Khử mùi hôi của giày, đuổi kiến. Ứng dụng của Natri Clorua trong giao thông Tại các nước hàn đới, người ta sử dụng một lượng lớn muối để làm tan băng, tuyết trên đường.3% và nhiệt độ thấp nhất là -21.2 độ C, muối có thể làm tan băng.

Nhiệt độ tốt nhất để muối làm tan được băng là 0 độ C.Ở Mỹ, gần 40% sản lượng muối được sử dụng cho công việc này. Chọn vật liệu chế tạo thiết bị Dung dịch cần cô đặc ở đây là NaCl là dung dịch chất điện ly mạnh, khi kim loại tiếp xúc với dung dịch chất điện ly sẽ xảy ra ăn mòn điện hóa, tạo nên dòng điện. Vì vậy vật liệu chế tạo thiết bị cô đặc ở đấy ta sẽ chọn là thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt. Chọn thép 40XFA : λ =52,4 [W/m2 .độ] (Tra từ bảng (XII.

SƠ ĐỒ VÀ MÔ TẢ DÂY CHUYỀN 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc trên làm việc liên tục. Dung dịch đầu (NaCl) ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (13), sau đó chảy vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (12). Ở thiết bị này dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào buồng đốt (14).

Vì khi dung dịch đi vào buồng đốt đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần tiêu tốn một lượng hơi đốt để đun nóng sơ bộ dung dịch. Ở buồng đốt, dung dịch tiếp tục được đun 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. Nước ngưng được đưa ra khỏi buồng đốt bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên và đi sang buồng bốc (14) gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi buồng bốc được đưa qua bộ phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bị cuốn theo hơi thứ qua ống dẫn bọt.