Đồ án: Tính toán thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều K2CO3

Đồ án hệ thống cô đặc K2CO3 hai nồi xuôi chiều: Tính toán, thiết kế chi tiết quá trình & thiết bị. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên kỹ thuật.

• Tác giả: Võ Thị Hồng Trúc
• Người hướng dẫn: Ts. Phan Thanh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Quá Trình Và Thiết Bị
• Đề tài: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống Thiết Bị Cô Đặc Hai Nồi Xuôi Chiều Cô Đặc Dung Dịch K2CO3
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC, THIẾT BỊ
• 1.1. Tổng quan về cô đặc:
• 1.1.1. Khái niệm
• 1.2. Các phương pháp cô đặc
• 1.3. Hệ thống nhiều nồi cô đặc xuôi chiều
• 1.4. Tổng quan về dung dịch cô đặc (K2CO3)
• 1.4.1. Khái niệm
• 1.4.2. Phương pháp sản xuất
• 1.4.3. Ứng dụng
• 1.5. Lựa chọn phương án thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC
• 2.1. Cân bằng vật liệu
• 2.1.1. Tính lượng hơi thứ bốc trong quá trình cô đặc
• 2.1.2. Tỉ lệ hơi thứ thoát ra ở các nồi
• 2.1.3. Nồng độ dung dịch sau khi ra khỏi mỗi nồi
• 2.2. Cân bằng nhiệt lượng
• 2.2.1. Xác định áp suất làm việc ở mỗi nồi
• 2.2.2. Sự phân bố nhiệt ở mỗi nồi
• 2.2.3. Tổn thất nhiệt độ
• 2.2.4. Cân bằng nhiệt lượng
• 2.3. Tính toán thiết bị chính
• 2.3.1. Tính toán độ nhớt
• 2.3.2. Tính toán hệ số dẫn nhiệt
• 2.3.3. Tính toán hệ số cấp nhiệt
• 2.3.4. Hệ số phân bố nhiệt hữu ích cho các nồi
• 2.3.5. Tính toán bề mặt truyền nhiệt
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC THIẾT BỊ
• 3.1. Số ống truyền nhiệt
• 3.2. Đường kính trong buồng đốt
• 3.3. Chiều dày buồng đốt
• 3.4. Đường kính trong của buồng bốc
• 3.5. Chiều cao buồng bốc
• 3.6. Bề dày thân buồng bốc
• 3.7. Bề dày nắp buồng bốc
• 3.8. Đường kính các đường ống (Ống dẫn hơi thứ)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án Thiết kế hệ thống cô đặc K2CO3 là gì

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc K2CO3 là một nhiệm vụ học thuật và kỹ thuật cốt lõi trong ngành công nghệ hóa học. Mục tiêu chính của đồ án là áp dụng các kiến thức lý thuyết về quá trình và thiết bị để tính toán, thiết kế một hệ thống bay hơi hoàn chỉnh, có khả năng làm tăng nồng độ dung dịch Kali Cacbonat (K2CO3) từ mức ban đầu lên mức yêu cầu. Đây không chỉ là một bài tập củng cố kiến thức mà còn là bước đệm quan trọng giúp sinh viên tiếp cận với thực tế sản xuất. Quá trình cô đặc, đặc biệt là cô đặc chân không, đóng vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp, từ hóa chất, thực phẩm đến dược phẩm. Việc thực hiện một đồ án quá trình thiết bị như thế này đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa việc hiểu rõ tính chất vật lý, hóa học của nguyên liệu và khả năng áp dụng các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng để lựa chọn và định cỡ thiết bị. Trong khuôn khổ đồ án, sinh viên sẽ phải thực hiện các bước từ lựa chọn quy trình công nghệ phù hợp, tính toán các thông số vận hành, đến thiết kế chi tiết các thiết bị cô đặc chính và phụ. Quá trình này giúp rèn luyện kỹ năng tư duy kỹ thuật, giải quyết vấn đề và là nền tảng vững chắc cho các luận văn tốt nghiệp sau này. Kết quả cuối cùng của đồ án thường là một bản thuyết minh đồ án chi tiết kèm theo các bản vẽ kỹ thuật như sơ đồ P&ID, thể hiện toàn bộ dây chuyền công nghệ đã được thiết kế.

1.1. Giới thiệu về Kali Cacbonat K2CO3 và ứng dụng

Kali Cacbonat, hay K2CO3, là một hợp chất muối rắn màu trắng, dễ hút ẩm và tan tốt trong nước tạo thành dung dịch có tính kiềm. Với khối lượng mol 138.205 g/mol và nhiệt độ nóng chảy 891°C, K2CO3 đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nó được sử dụng để sản xuất kính đặc biệt, xà phòng, phân bón cung cấp Kali cho cây trồng, và làm chất làm khô trong phòng thí nghiệm. Trong đồ án quá trình thiết bị, việc hiểu rõ tính chất của K2CO3 là cực kỳ quan trọng, vì các đặc tính như độ nhớt, nhiệt dung riêng, và khối lượng riêng của dung dịch sẽ thay đổi theo nồng độ dung dịch và nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tính toán thiết bị truyền nhiệt.

1.2. Tầm quan trọng của quá trình cô đặc trong công nghệ hóa học

Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi khỏi dung dịch chứa chất tan không bay hơi, nhằm mục đích tăng nồng độ chất tan. Trong ngành công nghệ hóa học, đây là một trong những quá trình cơ bản và phổ biến nhất. Mục đích của quá trình không chỉ dừng lại ở việc làm đặc sản phẩm mà còn có thể dùng để tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh) hoặc thu hồi dung môi nguyên chất. Các phương pháp như cô đặc chân không cho phép vận hành ở nhiệt độ thấp, phù hợp với các dung dịch nhạy cảm với nhiệt và giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tăng hiệu số truyền nhiệt. Việc nắm vững nguyên lý và thiết kế hệ thống bay hơi là kỹ năng không thể thiếu của một kỹ sư hóa học.

1.3. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều

Dựa trên yêu cầu kỹ thuật và tính chất của dung dịch K2CO3, phương án cô đặc nhiều nồi theo kiểu xuôi chiều được lựa chọn. Trong hệ thống này, dung dịch và hơi đốt đi cùng chiều từ nồi đầu đến nồi cuối. Ưu điểm chính là dung dịch có thể tự di chuyển giữa các nồi nhờ chênh lệch áp suất, không cần bơm trung gian. Hơi thứ từ nồi trước được tận dụng làm hơi đốt cho nồi sau, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, một nhược điểm cần lưu ý là ở các nồi sau, nồng độ và độ nhớt dung dịch tăng lên trong khi nhiệt độ lại giảm, dẫn đến hệ số truyền nhiệt có xu hướng giảm dần. Việc lựa chọn phương án này đòi hỏi phải tính toán thiết bị cẩn thận để cân bằng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.

II. Phương pháp tính toán cốt lõi cho hệ thống cô đặc K2CO3

Để thiết kế hệ thống cô đặc K2CO3 một cách chính xác, việc thực hiện các phép tính toán kỹ thuật là bước nền tảng không thể bỏ qua. Trọng tâm của quá trình này là việc thiết lập và giải quyết các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống cũng như cho từng thiết bị cô đặc riêng lẻ. Từ các số liệu ban đầu như năng suất, nồng độ đầu và cuối, áp suất hơi đốt, người thiết kế phải tính toán được lượng hơi thứ cần bốc hơi, nồng độ dung dịch sau mỗi nồi, và lượng hơi đốt tiêu thụ. Một thách thức quan trọng là xác định và phân bố hợp lý hiệu số nhiệt độ hữu ích, có tính đến các tổn thất nhiệt do chênh lệch nồng độ, áp suất thủy tĩnh và trở lực đường ống. Các tính toán này không chỉ quyết định kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt mà còn ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của toàn bộ quy trình công nghệ. Việc áp dụng các công thức thực nghiệm và tra cứu các bảng thông số vật lý một cách chính xác là yếu tố then chốt để đảm bảo kết quả thiết kế có độ tin cậy cao, phản ánh đúng các điều kiện vận hành thực tế của hệ thống bay hơi.

2.1. Thiết lập phương trình cân bằng vật chất và năng lượng

Phương trình cân bằng vật chất được thiết lập dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, với giả định chất tan không bay hơi theo hơi thứ. Phương trình tổng quát là: Lượng dung dịch vào = Lượng sản phẩm ra + Lượng hơi thứ bay hơi. Từ đó, ta tính được tổng lượng hơi thứ (W) và nồng độ dung dịch sau từng nồi. Tiếp theo, phương trình cân bằng năng lượng được xây dựng cho mỗi nồi, dựa trên nguyên tắc: Tổng nhiệt lượng vào = Tổng nhiệt lượng ra. Nhiệt lượng vào bao gồm nhiệt do hơi đốt và dung dịch mang vào, trong khi nhiệt lượng ra gồm nhiệt do hơi thứ, dung dịch, nước ngưng mang ra và nhiệt tổn thất ra môi trường. Việc giải hệ phương trình này cho phép xác định chính xác lượng hơi đốt cần thiết.

2.2. Xác định các tổn thất nhiệt độ trong quy trình công nghệ

Trong một hệ thống cô đặc, hiệu số nhiệt độ thực tế dùng cho quá trình truyền nhiệt luôn nhỏ hơn hiệu số nhiệt độ lý thuyết do các tổn thất. Có ba loại tổn thất chính cần được tính toán trong quy trình công nghệ: tổn thất do nồng độ (nhiệt độ sôi của dung dịch cao hơn dung môi), tổn thất do áp suất thủy tĩnh (áp suất ở đáy thiết bị cao hơn trên bề mặt), và tổn thất do trở lực đường ống. Việc tính toán chính xác các tổn thất này là rất quan trọng để xác định hiệu số nhiệt độ hữu ích (Δthi), là cơ sở để tính toán thiết bị và diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết.

2.3. Phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi cô đặc

Sau khi xác định tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích của toàn hệ thống (ΣΔthi), cần phải phân bố giá trị này cho từng nồi riêng lẻ. Một phương pháp phổ biến là phân bố dựa trên điều kiện bề mặt truyền nhiệt của các nồi bằng nhau (F1 = F2). Trong trường hợp này, hiệu số nhiệt độ hữu ích ở mỗi nồi sẽ tỉ lệ với nhiệt tải (Qi) và tỉ lệ nghịch với hệ số truyền nhiệt (Ki) của nồi đó. Quá trình này thường là một vòng lặp tính toán: giả sử một tỉ lệ phân bố ban đầu, tính toán các thông số, sau đó kiểm tra lại và hiệu chỉnh cho đến khi sai số chấp nhận được. Kết quả phân bố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của từng thiết bị cô đặc.

III. Hướng dẫn tính toán thiết bị cô đặc chính cho K2CO3

Việc tính toán thiết bị chính là trái tim của đồ án thiết kế hệ thống cô đặc K2CO3. Giai đoạn này chuyển đổi các thông số lý thuyết từ phần cân bằng vật chất và năng lượng thành các kích thước vật lý cụ thể cho thiết bị cô đặc. Nhiệm vụ quan trọng nhất là xác định bề mặt truyền nhiệt cần thiết (F) cho mỗi nồi. Để làm được điều này, cần tính toán hệ số truyền nhiệt tổng thể (K), một đại lượng phụ thuộc vào hệ số cấp nhiệt từ hơi ngưng tụ (α1) và hệ số cấp nhiệt đến dung dịch sôi (α2). Các yếu tố như độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của dung dịch Kali Cacbonat ở các nồng độ và nhiệt độ khác nhau phải được xác định chính xác. Từ bề mặt truyền nhiệt tính được, người thiết kế sẽ lựa chọn loại ống truyền nhiệt tiêu chuẩn, xác định số lượng ống, cách bố trí, và từ đó suy ra đường kính và chiều cao của buồng đốt và buồng bốc. Các tính toán về độ bền cơ khí, như xác định chiều dày thân và nắp thiết bị để chịu được áp suất làm việc, cũng là một phần không thể thiếu trong thuyết minh đồ án.

3.1. Tính toán bề mặt truyền nhiệt tối ưu cho hệ thống bay hơi

Bề mặt truyền nhiệt (F) là thông số thiết kế quan trọng nhất của một hệ thống bay hơi. Nó được tính bằng công thức F = Q / (K * Δthi), trong đó Q là nhiệt lượng truyền qua, K là hệ số truyền nhiệt, và Δthi là hiệu số nhiệt độ hữu ích. Việc tính toán hệ số K rất phức tạp, đòi hỏi phải xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng và phía dung dịch sôi. Các công thức thực nghiệm và các chuẩn số như Nusselt, Prandtl được sử dụng để ước tính các hệ số này. Mục tiêu là đảm bảo bề mặt truyền nhiệt đủ lớn để đạt được năng suất yêu cầu nhưng không quá dư thừa để tối ưu chi phí chế tạo.

3.2. Lựa chọn số ống truyền nhiệt và đường kính buồng đốt

Sau khi có diện tích bề mặt truyền nhiệt tổng (Ft), bước tiếp theo là lựa chọn kích thước ống truyền nhiệt tiêu chuẩn (đường kính, chiều dài). Từ đó, số lượng ống truyền nhiệt (n) được xác định. Cách bố trí các ống trên vỉ ống (thường theo hình lục giác đều) sẽ quyết định đường kính trong của buồng đốt. Việc lựa chọn bước ống (khoảng cách giữa tâm hai ống) phải đảm bảo sự lưu thông dễ dàng của dung dịch và hơi, đồng thời tối ưu hóa mật độ ống trên một đơn vị diện tích. Đây là một bước tính toán thiết bị mang tính thực tiễn cao, thường tham khảo các tiêu chuẩn công nghiệp.

3.3. Xác định chiều dày buồng đốt và buồng bốc an toàn

Tính toán độ bền cơ khí là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn vận hành. Chiều dày của thân và nắp thiết bị cô đặc (buồng đốt và buồng bốc) được xác định dựa trên áp suất làm việc, đường kính thiết bị, vật liệu chế tạo (ví dụ thép CT3), và ứng suất cho phép của vật liệu. Các công thức tính toán độ bền cho thiết bị hình trụ chịu áp suất trong được áp dụng. Ngoài ra, cần cộng thêm hệ số bổ sung cho ăn mòn và dung sai chế tạo. Các tính toán này đảm bảo thiết bị có thể hoạt động ổn định và an toàn trong suốt vòng đời thiết kế.

IV. Bí quyết lựa chọn thiết bị phụ cho hệ thống cô đặc K2CO3

Một hệ thống cô đặc K2CO3 hoàn chỉnh không chỉ có các nồi cô đặc mà còn bao gồm nhiều thiết bị phụ quan trọng, đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả và ổn định. Việc lựa chọn và tính toán các thiết bị này là một phần không thể thiếu trong một đồ án quá trình thiết bị chất lượng. Bình ngưng tụ (thường là loại baromet) có nhiệm vụ ngưng tụ hơi thứ từ nồi cuối cùng, tạo ra và duy trì độ chân không cho hệ thống. Kích thước của bình ngưng tụ phụ thuộc vào lượng hơi thứ và nhiệt độ nước làm mát. Bơm chân không được sử dụng để hút khí không ngưng ra khỏi hệ thống, giúp duy trì áp suất làm việc ổn định. Bên cạnh đó, hệ thống đường ống, bơm dung dịch, và các thiết bị đo lường, điều khiển cũng cần được lựa chọn phù hợp. Việc thể hiện tất cả các thiết bị này và mối liên kết giữa chúng trên một sơ đồ P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) là yêu cầu bắt buộc, giúp người đọc hình dung rõ ràng về toàn bộ quy trình công nghệ.

4.1. Thiết kế đường ống dẫn hơi thứ và thiết bị ngưng tụ

Đường kính của ống dẫn hơi thứ được tính toán dựa trên lưu lượng hơi và vận tốc cho phép (thường từ 20-25 m/s đối với hơi bão hòa) để tránh tổn thất áp suất quá lớn. Bình ngưng tụ được thiết kế để đảm bảo sự tiếp xúc hiệu quả giữa hơi thứ và nước làm mát, ngưng tụ hoàn toàn hơi và làm mát khí không ngưng trước khi đi vào bơm chân không. Việc tính toán lượng nước làm mát cần thiết dựa trên cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ là một bước quan trọng.

4.2. Vai trò của bơm chân không trong cô đặc áp suất thấp

Quá trình cô đặc chân không yêu cầu duy trì một áp suất thấp hơn áp suất khí quyển trong hệ thống. Bơm chân không đóng vai trò thiết yếu trong việc tạo và duy trì độ chân không này. Nhiệm vụ của nó là liên tục hút hỗn hợp khí không ngưng (không khí rò rỉ, khí hòa tan trong dung dịch) ra khỏi bình ngưng tụ. Năng suất của bơm phải được tính toán cẩn thận để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định ở áp suất thiết kế, từ đó duy trì được nhiệt độ sôi thấp của dung dịch, đặc biệt quan trọng ở nồi cuối.

4.3. Xây dựng sơ đồ công nghệ P ID hoàn chỉnh cho đồ án

Một sơ đồ P&ID là bản vẽ kỹ thuật chi tiết, mô tả mối liên kết giữa các thiết bị công nghệ (nồi cô đặc, bơm, thiết bị trao đổi nhiệt) thông qua hệ thống đường ống. Nó không chỉ thể hiện dòng chảy của vật chất mà còn bao gồm các thiết bị đo lường (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng) và các van điều khiển. Việc xây dựng một sơ đồ P&ID rõ ràng, đúng tiêu chuẩn là cực kỳ quan trọng trong thuyết minh đồ án, giúp minh họa một cách trực quan toàn bộ quy trình công nghệ được thiết kế, thể hiện sự hiểu biết sâu sắc của người thực hiện về vận hành hệ thống.

V. Kinh nghiệm hoàn thành đồ án quá trình và thiết bị K2CO3

Hoàn thành một đồ án quá trình và thiết bị về thiết kế hệ thống cô đặc K2CO3 là một quá trình tổng hợp kiến thức và kỹ năng quan trọng. Kinh nghiệm rút ra cho thấy, việc nắm vững lý thuyết cơ bản về truyền nhiệt, truyền khối và cơ học lưu chất là điều kiện tiên quyết. Bên cạnh đó, khả năng tra cứu, áp dụng các số liệu và công thức từ sổ tay, tài liệu kỹ thuật một cách chính xác đóng vai trò quyết định đến độ tin cậy của kết quả. Một trong những thách thức lớn là quá trình tính toán lặp đi lặp lại để tối ưu hóa các thông số, đòi hỏi sự kiên nhẫn và cẩn thận. Giai đoạn thuyết minh đồ án và bảo vệ trước hội đồng là cơ hội để sinh viên hệ thống hóa lại toàn bộ quá trình làm việc, trình bày một cách logic các lựa chọn thiết kế và chứng minh tính đúng đắn của các kết quả tính toán. Đây không chỉ là một bài kiểm tra kiến thức chuyên môn mà còn là một bài rèn luyện kỹ năng trình bày và phản biện, những kỹ năng cần thiết cho một kỹ sư trong tương lai. Những kiến thức tích lũy từ đồ án này sẽ là nền tảng vững chắc cho các đề tài luận văn tốt nghiệp phức tạp hơn.

5.1. Tổng kết kết quả tính toán và ưu nhược điểm của hệ thống

Phần kết luận của đồ án cần trình bày ngắn gọn các kết quả tính toán chính: bề mặt truyền nhiệt, số ống, kích thước các thiết bị chính và phụ. Đồng thời, cần phân tích lại các ưu điểm của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều đã chọn như tiết kiệm hơi đốt, vận hành đơn giản. Bên cạnh đó, cũng cần thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm như hệ số truyền nhiệt giảm ở nồi cuối do độ nhớt tăng và nhiệt độ giảm, từ đó có thể đề xuất các giải pháp cải tiến. Việc tổng kết này thể hiện cái nhìn toàn diện và tư duy phản biện của người thực hiện.

5.2. Các lưu ý quan trọng khi thuyết minh đồ án tốt nghiệp

Khi chuẩn bị thuyết minh đồ án, cần cấu trúc bài báo cáo một cách logic, từ tổng quan, cơ sở lý thuyết, đến các bước tính toán chi tiết và bản vẽ kỹ thuật. Mỗi bước tính toán cần được giải thích rõ ràng về công thức sử dụng và nguồn gốc số liệu. Các bản vẽ, đặc biệt là sơ đồ P&ID và bản vẽ chi tiết thiết bị cô đặc, phải rõ ràng, đúng tỉ lệ và tiêu chuẩn. Trong buổi bảo vệ, sự tự tin, trình bày mạch lạc và khả năng trả lời các câu hỏi về lựa chọn thiết kế và phương pháp tính toán sẽ là yếu tố quyết định thành công của đồ án, tạo tiền đề tốt cho luận văn tốt nghiệp.

5.3. Hướng phát triển và tối ưu hóa hệ thống trong tương lai

Một đồ án xuất sắc không chỉ dừng lại ở việc hoàn thành yêu cầu thiết kế mà còn mở ra các hướng phát triển trong tương lai. Các đề xuất có thể bao gồm việc nghiên cứu sử dụng hệ thống cô đặc ngược chiều hoặc song song để khắc phục nhược điểm về độ nhớt. Ngoài ra, có thể đề xuất tích hợp hệ thống điều khiển tự động để tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng, hoặc sử dụng các phần mềm mô phỏng như Aspen Plus để kiểm chứng và tối ưu hóa quy trình công nghệ. Những kiến nghị này thể hiện tầm nhìn và khả năng nghiên cứu sâu hơn của sinh viên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC, THIẾT BỊ 1.1 Tổng quan về cô đặc: 1.1 Khái niệm 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 làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch.2 Mục đích - Làm tăng nồng độ chất tan. - Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh). - Thu dung môi ở dạng nguyên chất.3 Đặc điểm - Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất (áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô đặc nhiều nồi.

Quá trình có thể gián đoạn hoặc liên tục. - Hơi bay ra trong quá trình cô đặc là hơi nước, gọi là hơi thứ. Hơi này 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 thì được gọi là hơi phụ.

- Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở mọi áp suất: • Cô đặc chân không dùng cho các 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. Mặt khác, 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. • Cô đặc ở áp suất khí quyển (áp suất thường) thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế.

• Cô đặc ở áp suất dư thường dùng cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ cho cô đặc và cho các quá trình đun nóng khác. SVTH: Võ Thị Hồng Trúc 6 GVHD: TS. Phan Thanh Sơn Nguyễn Nho Tuấn Đồ án Quá trình và thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều K2CO3 1.4 Các phương pháp cô đặc Có 2 phương pháp: - Phương pháp nhiệt: dưới tác dụng nhiệt, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng dung dịch. - Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến mức độ yêu cầu nào đó thì một cấu tử được tách ra dưới dạng tinh thể đơn chiết tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.

So sánh 2 phương pháp: Bảng 1: So sánh phương pháp Phương pháp nhiệt Phương pháp lạnh - Dễ bị quá nhiệt cục bộ làm hỏng sản - Sản phẩm không bị hỏng do phẩm. - Sản phẩm dễ bị thay đổi màu sắc, đôi - Sản phẩm không bị đổi màu và khi có mùi. - Hiệu suất cô đặc cao. - Hiệu suất cô đặc thấp.

- Thiết bị đơn giản. - Thiết bị phức tạp.5 Hệ thống nhiều nồi cô đặc xuôi chiều Hệ thống này được sử dụng phổ biến hơi cả. Nhiệt độ sôi của nồi trước lớn hơn nồi sau nên dung dịch đi vào mỗi nồi trừ nồi 1 đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi. Nhưng khi dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, do đó cần phải tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch.

Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều thì dung dịch trước khi đưa vào nồi đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ. - Ưu điểm: Dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất. - Nhược điểm: Nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, hệ quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. SVTH: Võ Thị Hồng Trúc 7 GVHD: TS.

Phan Thanh Sơn Nguyễn Nho Tuấn Đồ án Quá trình và thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều K2CO3 Hình 1: Sơ đồ cô đặc 2 nồi xuôi chiều 1.2 Tổng quan về dung dịch cô đặc (K2CO3) 1.1 Khái niệm K2CO3 là công thức hóa học của muối kali cacbonat, một hợp chất muối của kali và axit cacbonic. Có một số tính chất như: - Tồn tại ở trạng thái rắn khi ở nhiệt độ phòng. Nó có thể là bột màu trắng hoặc có thể có màu nhẹ. - Hòa tan tốt trong nước, tạo thành dung dịch kiềm.

- Là một muối bazo, khi hòa tan trong nước tạo ra dung dịch có tính kiềm. - K2CO3 có thể tham gia vào nhiều phảm ứng hóa học như phản ứng trung hòa axit tạo muối,… a. Tính chất vật lý - Khối lượng mol là: 138. - Khối lượng riêng là: 2.

- Đặc điểm bề ngoài: Là chất rắn, màu trắng, dễ hút ẩm. - Điểm nóng chảy: Kali cacbonat có điểm nóng chảy ở ngưỡng 891ºC (tức là 1. - Mức độ hòa tan trong nước: ở 20ºC tỷ lệ hòa tan giữa K2CO3 và nước là 112g/100ml, ở 100º C thì tỷ lệ này đó là 156g/100ml. - Đặc biệt: K2CO3 không hòa tan trong cồn và axeton.

SVTH: Võ Thị Hồng Trúc 8 GVHD: TS. Phan Thanh Sơn Nguyễn Nho Tuấn Đồ án Quá trình và thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều K2CO3 b. Tính chất hóa học - Là một muối của axit cacbonic và một muối yếu nên K2CO3 có tính chất sau: • Tác dụng với axit mạnh hơn để tạo thành muối mới như axit axetic, axit sunfuric, axit nitric, axit selenic: K2CO3 + 2CH3COOH → 2CH3COOK + CO2↑ + H2O K2CO3 + H2SO4 → K2SO4 + CO2↑ + H2O • K2CO3 phản ứng với dung dịch kiềm để tạo muối: K2CO3 + NaOH → Na2CO3 + KOH • K2CO3 tác dụng với dung dịch muối để tạo muối mới bền vững hơn: K2CO3 + NaCl → KCl + Na2CO3 - Do là một muối axit yếu nên K2CO3 dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao để giải phóng ra khí cacbonic: K2CO3 → K2O + CO2 1.2 Phương pháp sản xuất - Phương pháp điều chế từ KCl: Hiện nay phương pháp điều chế K2CO3 chủ yếu là từ KCl, trải qua các công đoạn sau • Điện phân (có màng ngăn) dung dịch KCl tạo ra KOH: KCl + H2O ⟶ KOH + ½ H2 + Cl2 • Sục khí CO2 đi chậm qua dung dịch dư KOH: 2KOH + CO2 ⟶ H2O + K2CO3  Phương pháp này có nhược điểm là tạo dung dịch K2CO3 có nồng đồ thấp. - Phương pháp solvay (tương tự sản xuất Na2CO3): Quá trình này trải qua 2 giai đoạn • Tạo ra KHCO3 từ phản ứng: KCl + NH3 + CO2 + H2O ⟶ KHCO3 + NH4Cl • Nhiệt phân KHCO3: 2KHCO3 ⟶ H2O + K2CO3 + CO2 - Cũng có thể điều chế K2CO3 bằng cách cho kali hidroxit đậm đặc phản ứng với kali hidrocacbonat: KOH + KHCO3 ⟶ H2O + K2CO3 SVTH: Võ Thị Hồng Trúc 9 GVHD: TS.

Phan Thanh Sơn Nguyễn Nho Tuấn Đồ án Quá trình và thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều K2CO3 1.3 Ứng dụng - Trong phòng thí nghiệm: • Có thể được sử dụng như một tác nhân làm khô các tác nhân khác làm khô như clorua canxi và magnesium sulfate, có thể không tương thích. • Tuy nhiên, nó không phải là phù hợp với hợp chất có tính axit, nhưng có thể hữu ích cho việc làm khô một pha hữu cơ nếu ta có một lượng nhỏ tạp chất có tính axit. - Trong công nghiệp: • Sản xuất kính: dùng trong sản xuất một số loại kính đặc biệt như ống kính quang học, màn hình tivi. - Trong thực phẩm: • Là một nguyên liệu dùng trong sản xuất thạch, bột làm bánh (cùng với amoniac), dùng trong sản xuất bột cacao (cân bằng độ pH của hạt ca cao) - Trong nguyên liệu phân bón: • Nguồn cung cấp Kali và có tác dụng làm cho đất thêm CO2, lợi cho quang hợp làm tăng hàm lượng tinh bột trong cây lấy củ.

Thích hợp cho cây trồng ở đất chua và không ưa clo. • Kali cacbonat được sử dụng như là một phân bón có hiệu quả để ổn định độ pH của đất và làm giảm độ chua của đất. - Ứng dụng khác: • Dùng để làm mềm nước cứng. • Có tác dụng dập cháy hiệu quả, là thành phần trong bột khô của bình chữa cháy.

• Sử dụng trong sản xuất xà phòng… 1.4 Lựa chọn phương án thiết kế - Dựa theo tính chất nêu trên của nguyên liệu và yêu cầu đã cho của đồ án, ta chọn hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, làm việc liên tục, áp suất chân không, dạng buồng đốt treo. - Thiết bị cô đặc buồng đốt treo là loại thiết bị có phòng đốt đặt ở giữa thiết bị, khoảng trống vành khăn ở giữa phòng đốt và vỏ đóng vai trò tuần hoàn. SVTH: Võ Thị Hồng Trúc 10 GVHD: TS. Phan Thanh Sơn Nguyễn Nho Tuấn Đồ án Quá trình và thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều K2CO3 - Ưu điểm: • Phòng đốt có thể lấy ra khi cần sửa chữa hoặc làm sạch.

• Vận tốc tuần hoàn tốt hơn vì vỏ ngoài không bị đốt nóng. - Nhược điểm: cấu tạo phức tạp và kích thước lớn do có khoảng trống hình vành khăn. - Ứng dụng: dùng để cô đặc dung dịch kết tinh. - Thuyết minh quy trình: • Nguyên liệu ban đầu là dung dịch K2CO3, dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm đưa lên thùng cao vị.

Từ thùng cao vị dung dịch chảy qua lưu lượng kế rồi đi vào thiết bị gia nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sôi. • Thiết bị gia nhiệt là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Các đầu ống được giữ chặt trên vỉ ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Tại thiết bị gia nhiệt dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi của nồi 1, rồi đưa vào buồng đốt của nồi 1 tạo điều kiện cho quá trình bốc hơi xảy ra nhanh hơn.

• Tại nồi 1 thực hiện quá trình bốc hơi một phần, đến nồng độ nhất định thì dung dịch được tháo ra và đưa vào nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi. Khi nồng độ đạt yêu cầu thì dung dịch được tháo ra ở cửa nồi 2 và được đưa đến thùng chứa sản phẩm.