LỜI MỞ ĐẦU Nhiệm vụ của bất kì một kĩ sư hóa học là phải biết thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, chính vì vậy nên sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 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 thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của môn học. Trên cơ sở kiến thức đó và 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 trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phòng khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.
Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài với dung dịch NaNO 3, năng suất 7500 kg/h, nồng độ dung dich ban đầu 4%, nồng độ sản phẩm 23%. Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm 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 để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn TS.
Vũ Thị Phương Anh đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! 7 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS. Vũ Thị Phương Anh PHẦN I. Tổng quan về quá trình cô đặc 1. Giới thiệu - 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. 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.
8 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS. Vũ Thị Phương Anh + 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. Nhóm 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.
9 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS. Vũ Thị Phương Anh - Dựa vào cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm… 1. Tổng quan về dung dịch NaNO3 1. Giới thiệu chung - NaNO3 là một hợp chất hóa học có tên gọi là Natri Nitrat hay còn gọi là Muối diêm tiêu Chile hay diêm tiêu Peru.
Đây là muối ion của ion natri Na + và ion nitrate NO3-. - Natri nitrat được dùng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như một chất nguyên liệu trong phân bón , nghề làm pháo hoa, bom khói, hóa chất thí nghiệm tinh khiết dùng làm chất bảo quản, thuốc đẩy tên lửa, thủy tinh hay men gốm. - Tính chất vật lý: + NaNO3 là chất rắn màu trắng, không màu có vị ngọt và tan trong nước + Khối lượng mol: 84,9947 g/mol + Khối lượng riêng: 2,257 g/cm3 (16°C) + Điểm nóng chảy: 308°C; Phân hủy ở 380°C + Tan nhiều trong nước (730 g/L (0°C)) + Độ hòa tan: tan rất tốt trong amoniac; tan tốt trong cồn. Hơi HNO3 thoát ra được dẫn vào bình làm lạnh và ngưng tụ.
H2SO4 + NaNO3 → HNO3 + NaHSO4 + NaNO3 với phương trình hóa học hữu cơ khi Cu tác dụng với H2SO4/NaNO3: 10 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS. Vũ Thị Phương Anh 3Cu + 4H2SO4 + 2NaNO3 → 4H2O + Na2SO4 + 2NO + 3CuSO4 1. Điều chế - Điều chế NaNO3 bằng cách trung hòa axit nitric với soda ash thông qua phương trình: 2HNO3 + Na2CO3 → 2NaNO3 + H2O + CO2 Hoặc bằng cách trộn một lượng cân bằng hóa học amoni nitrat và sodium hydroxide hoặc sodium bicarbonate: NH4NO3 + NaOH → NaNO3 + NH4OH NH4NO3 + NaHCO3 → NaNO3 + NH4HCO3 - Hòa tan NaNO3 và KCl với lượng như nhau vào nước. NaCl kết tinh ở 30 oC, tách được tinh thể ra khỏi dung dịch, sau đó làm nguội đến 22oC thì KNO3 kết tinh.
Ứng dụng - Trong công nghiệp: Bảo quản thịt : - Natri nitrat là một loại chất bảo quản có thể tìm thấy trong các loại thịt chế biến. Đó là các loại thực phẩm như xúc xích, sanami, giăm bông và các loại thịt nguội khác. Nitri nitrat ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn làm hỏng và duy trì màu đỏ cho thịt. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng Natri nitrat cũng như các chất bảo quả thực phẩm khác đều sẽ chưa những rủi ro ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Sản xuất kính: - Để tăng năng suất kính cường lực cao và không bị vỡ ngay cả khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc thấp ở một mức độ nhất định, nhiều người sử dụng natri nitrat để tăng cường bề mặt của kính. Và công dụng của nó được ứng dụng vào bước đầu tiên là ngâm kính trong dung dịch natri nitrat hòa tan. Kính trải qua giai đoạn ngâm natri nitrat có khả năng chống co giản và chống con uốn cũng tốt hơn. 11 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS.
Vũ Thị Phương Anh Phân bón: - Natri nitrat có khả năng giúp cây trồng phát triển nhanh hơn. Vì vậy phân bón sử dụng natri nitrat làm thành phần. Hợp chất này chứa vừa đủ lượng nitơ để xúc tác cho sự phát triển của cây. Dược phẩm : - Hóa chất nitri nitrat hạn chế sử dụng trong dược phẩm.
Nhưng có thể tìm được hợp chất này trong thuốc nhỏ mặt. Thông thường natri nitrat được sử dụng như một hỗn hợp giúp kiểm soát không phải thành phần chính. Điều này là do ni tơ là nguyên tố cần thiết trong thuốc nhỏ mặt. Thuốc nổ : - Natri nitrat là một thành phần cung cấp nhiên liệu cho tên lửa.
Hóa chât này được sử dụng để thay thế kali nitrat trong động cơ đẩy tên lửa. Bởi vì hóa chất này có giá thành khá rẻ không độc hại và ổn định hơn. Nhưng natri nitrat cũng có nhược điểm là tốc độ cháy chậm so với kali nitrat. Thuyết minh sơ đồ: Hỗn hợp đầu (Dung dịch NaNO3 4%) được đưa vào thùng chứa (1) rồi được bơm (2) hút lên thùng cao vị (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế 4 vào thiết bị trao đổi nhiệt (5).
Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiêt độ sôi rổi đi vào nồi cô đặc (6). Ở nồi này dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chum, dung dịch chảy vào các ống truyền nhiêt, hơi 12 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD: TS. Vũ Thị Phương Anh đốt được đưa vào buồng đốt đun nóng dung dịch. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng.
Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng.