Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc phòng đốt ngoài dung dịch CaCl2 3,5 kg/s

Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc phòng đốt ngoài dung dịch CaCl2 năng suất 3.5 kg/s. Bản vẽ chi tiết và tính toán công nghệ thiết bị truyền nhiệt hoàn chỉnh.

• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài dùng cho cô đặc dung dịch CaCl2 với năng suất 3,5 kg/s
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài dung dịch CaCl₂

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài là hệ thống sử dụng nhiệt từ hơi nước để cô đặc dung dịch. Nó phù hợp cho dung dịch CaCl₂ với năng suất 3,5 kg/s. Quá trình này loại bỏ nước dư thừa bằng cách tăng nhiệt độ và áp suất. Hệ thống này gồm buồng đốt, nồi cô đặc và thiết bị ngưng tụ. Nó đáp ứng yêu cầu công nghiệp về hiệu suất và độ chính xác. Thiết kế này tối ưu hóa nhiệt lượng và giảm thiểu tổn thất. Nó được áp dụng rộng rãi trong sản xuất hóa chất và công nghiệp thực phẩm.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Hệ thống hoạt động bằng cách dẫn hơi nước vào buồng đốt, tạo nhiệt cho nồi cô đặc. Dung dịch CaCl₂ chảy qua ống truyền nhiệt, nước bay hơi ra ngoài. Hơi nước ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ, tái sử dụng hoặc thải ra. Áp suất và nhiệt độ được kiểm soát để duy trì hiệu suất. Quá trình này liên tục, đảm bảo năng suất ổn định. Thiết kế phòng đốt ngoài ngăn chặn rò rỉ nhiệt và tối ưu hóa hiệu quả nhiệt.

1.2. Ứng dụng và lợi thế kỹ thuật

Thiết bị này được sử dụng để sản xuất CaCl₂ tinh khiết, dùng trong công nghiệp lạnh và xử lý nước. Nó giảm chi phí năng lượng so với phương pháp truyền thống. Thiết kế phòng đốt ngoài tăng tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu rủi ro hư hỏng. Hệ thống có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và áp suất linh hoạt. Nó phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và trung bình. Lợi thế chính là tiết kiệm chi phí và hiệu suất cao.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật trong cô đặc dung dịch CaCl₂

Cô đặc dung dịch CaCl₂ gặp khó khăn về nhiệt độ cao và độ nhớt tăng. Dung dịch có nhiệt độ sôi cao, yêu cầu áp suất và nhiệt độ điều chỉnh. Tổn thất nhiệt trong quá trình truyền nhiệt là vấn đề thường gặp. Hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào thiết kế ống truyền nhiệt và hệ thống ngưng tụ. Nhiệt trở của cặn bẩn cũng làm giảm hiệu quả. Phân tích này xác định các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm.

2.1. Thách thức về nhiệt độ và áp suất

Dung dịch CaCl₂ có nhiệt độ sôi cao, yêu cầu áp suất làm việc cao. Điều này làm tăng nguy cơ rò rỉ và hao hụt nhiệt. Hệ thống cần thiết kế để chịu được áp suất và nhiệt độ cao. Thiết kế phòng đốt ngoài giúp kiểm soát áp suất hiệu quả. Nhiệt độ cao cũng làm tăng độ nhớt của dung dịch, ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt. Điều này yêu cầu tính toán kỹ lưỡng về hệ số truyền nhiệt.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt trở và cặn bẩn

Nhiệt trở của cặn bẩn trên bề mặt truyền nhiệt làm giảm hiệu suất. Nó làm tăng hiệu số nhiệt độ cần thiết, tăng tiêu thụ năng lượng. Hệ số truyền nhiệt giảm khi lớp cặn dày lên. Điều này làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm. Thiết kế hệ thống cần bao gồm phương pháp làm sạch định kỳ. Sử dụng vật liệu chịu nhiệt và chống ăn mòn cũng quan trọng. Nó giúp duy trì hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

III. Giải pháp thiết kế và phương pháp tính toán thiết bị

Giải pháp thiết kế bao gồm tính toán chi tiết về buồng đốt, nồi cô đặc và hệ thống ngưng tụ. Áp dụng phương pháp cân bằng nhiệt lượng và tính toán hiệu số nhiệt độ hữu ích. Thiết kế ống truyền nhiệt tối ưu hóa diện tích bề mặt. Hệ số truyền nhiệt được tính toán dựa trên nhiệt độ và áp suất làm việc. Kết quả là thiết bị có hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Các tính toán cơ khí đảm bảo độ bền và an toàn.

3.1. Tính toán hệ số truyền nhiệt và hiệu số nhiệt độ

Hệ số truyền nhiệt được tính bằng công thức liên quan đến nhiệt độ, áp suất và tính chất dung dịch. Hiệu số nhiệt độ hữu ích được xác định bằng cách trừ hiệu số nhiệt độ thực tế. Điều này đảm bảo nhiệt lượng được sử dụng hiệu quả. Tính toán này dựa trên nhiệt dung riêng và độ nhớt của dung dịch. Kết quả là thiết bị có hiệu suất tối ưu. Thiết kế ống truyền nhiệt phải đảm bảo diện tích bề mặt đủ lớn.

3.2. Thiết kế và tính toán cơ khí của buồng đốt

Buồng đốt được thiết kế với đường kính và chiều cao phù hợp với áp suất làm việc. Chiều dày của buồng đốt được tính toán dựa trên áp suất thủy tĩnh và áp suất làm việc. Thiết kế này đảm bảo độ bền và an toàn. Các mối hàn và vật liệu cũng được chọn kỹ lưỡng. Điều này giúp ngăn chặn rò rỉ và tăng tuổi thọ thiết bị. Thiết kế phòng đốt ngoài giảm thiểu tổn thất nhiệt và tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của thiết bị

Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài dung dịch CaCl₂ đạt năng suất 3,5 kg/s với hiệu suất cao. Nó phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp như sản xuất hóa chất và xử lý nước. Thiết kế tối ưu hóa nhiệt lượng và giảm thiểu chi phí năng lượng. Hệ thống có khả năng điều chỉnh linh hoạt, phù hợp với quy mô sản xuất khác nhau. Kết quả là thiết bị có độ bền cao và hiệu suất ổn định. Nó là giải pháp hiệu quả cho công nghiệp hiện đại.

4.1. Ưu điểm và ứng dụng công nghiệp

Thiết bị này có ưu điểm là tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao. Nó phù hợp cho sản xuất CaCl₂ tinh khiết, dùng trong công nghiệp lạnh và xử lý nước. Thiết kế phòng đốt ngoài tăng tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu rủi ro hư hỏng. Hệ thống có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và áp suất linh hoạt. Nó phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ và trung bình. Ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau.

4.2. Khuyến nghị cho cải tiến và bảo trì

Để duy trì hiệu suất, thiết bị cần bảo trì định kỳ và làm sạch các bề mặt truyền nhiệt. Sử dụng vật liệu chịu nhiệt và chống ăn mòn giúp tăng tuổi thọ. Tính toán và điều chỉnh nhiệt độ và áp suất là quan trọng. Điều này đảm bảo hiệu suất ổn định và chất lượng sản phẩm. Khuyến nghị sử dụng hệ thống tự động hóa để theo dõi và điều chỉnh quá trình. Nó giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Giới thiệu chung 1.1 Tính chất hóa học - Công thức hóa học: CaCl2. - Canxi Clorua CaCl2, là tinh thế lớn, màu trắng hoặc không màu, có vị mặn đắng. Tan nhiều trong nước. Thường tồn tại ở dạng kết tinh với 6 phân tử nước có CTHH là CaCl2.

Ngoài ra còn có canxi clorua ngậm hai nước là CaCl 2.2H2O và canxi clorua khan CaCl2 - Khi đung nóng CaCl2, CaCl2.6H2O mất bốn phân tử nước chuyển thành đihidrat là CaCl2.2H2O có dạng hình khối xốp trắng - Khi nung chảy CaCl2.2H2O và làm mất nước, nó trở thành CaCl 2 khan : là một khối tinh thế trắng, rất háo nước. Do bị phân hủy một phần nên CaCl 2 nóng chảy luôn luôn chứa một lượng CaO canxi oxit.2 Tính chất vật lý - Khối lượng phân tử 110,99. - Nhiệt độ nóng chảy 772 – 782°C - Nhiệt độ sôi > 160°C - Tỷ trọng 2152 – 2512 kg/m3 - Canxiclorua tan nhiều trong nước, dung dịch bão hòa sôi ở 180 oC. Trong các dung dịch có nồng độ khác nhau thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ đông đặc thay đổi.

Bột Canxiclorua khan thu được khi phun sấy ở nhiệt độ cao hơn 260°C. Khi hòa tan trong nước tan rất tốt kèm theo toả nhiều nhiệt dung dịch có vị mặn đắng. Tất cả các hóa chất Canxi Clorua CaCl2; đều dễ tan trong nước và ethanol, ít tan trong aceton - Clorua canxi có thể gây dị ứng, cụ thể là trên da ẩm. Đeo găng tay và kính hay mặt nạ để bảo vệ tay và mắt; tránh hít thở phải hơi hay bụi chứa clorua canxi.

- Clorua canxi khan phản ứng tỏa nhiệt khi tiếp xúc với nước. Các vết bỏng có thể sinh ra tại miệng hay thực quản nếu vô tình nuốt phải các viên clorua canxi khan - Bảo quản: Calcium Chloride khan phải được giữ trong nắp đậy kín chứa không khí chặt chẽ.3 Ứng dụng Trong công nghiệp, hóa chất CaCl2 được ứng dụng rộng rãi. Có hàng triệu tấn Clorua canxi (hóa chất CaCl2) được sản xuất mỗi năm, như 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 Kỳ về clorua canxi.

Trong công nghiệp CaCl, là chất có ứng dụng rất nhiều như: trong ngành công nghiệp dệt nó là một trong những nguyên liệu thô phụ gia hỗ trợ được dùng làm chất hút ẩm, chống sương mù, chống bụi, và chống cháy trong công nghiệp dệt. Nó cũng được dùng trong tái chế giấy nhằ̀m tách thành phần mực in, được dùng trong các bể bơi nhằ̀m tránh ô nhiễm. Phụ gia: ngành thực phẩm: được dùng trong sản xuất kem, là phụ gia đông cứng, dùng trong sản phẩm đậu, bia, nước giải khát. ngoài ra CaCl 2 còn là chất phụ gia cho ngành công nghiệp sản xuất xi măng pooclăng giúp làm tăng giá trị sản phẩm công nghiệp.

Canxi clorua khan dùng cho điện phân sản xuất canxi kim loại và điều chế các hợp kim của canxi. Với tính hút ẩm lớn của canxiclorua cho phép dùng nó làm tác nhân sấy khí và các chất lỏng. Nhiệt độ đông đặc thấp của các dung dịch CaCl 2 cho phép chúng làm chất tải lạnh trong các hệ thống lạnh. Do áp suất hơi thấp của các hydrat và các dung dịch Canxiclorua nên được dùng để hạn chế bụi đường xá.

Canxiclorua còn dùng để diệt cỏ trên đường sắt, chất keo tụ trong hóa dược và dược phẩm và được dùng rất nhiều trong công nghiệp khoan dầu khí. Giới thiệu về quá trình cô đặc - Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất 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 dưới dạng hơi còn chất hòa tan không bay hơi nên nồng độ của dụng dịch sẽ tăng lên. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc được gọi à hơi thứ.

Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác *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 tận dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi: Dung dịch tại nồi đầu được đun 7 nóng bằ̀ng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi này sẽ được đưa sang làm hơi đốt ở nồi tiếp theo, hơi thứ ở nồi cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ, dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước tới nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ dung dịch tăng dần do một phần dung môi bay hơi. - Phương pháp cô đặc hai nồi xuôi chiều là phương pháp sử dụng khá phổ biến do có ưu điểm là dung dịch tự chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chêch lệch áp suất giữa các nồi. Nhiệt độ hơi thứ nồi một lớn hơn nhiệt độ nồi hai nên hơi thứ nồi một làm hơi đốt cho nồi hai để tiết kiệm năng lượng.

Nhược điểm của nó là nhiệt độ nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn nồi trước nên độ nhớt dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số dẫn truyền nhiệt của hệ thống giảm dần từ nồi đầu cho đến nồi cuối. Thiết bị cô đặc phòng đốt ngoài kiểu đứng - Nguyên lý hoạt động: dung dịch đi vào buồng đốt được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi đi qua ống dẫn vào phòng bốc hơi, ở đây hơi thứ được tách ra đi lên phía trên, dung dịch còn lại đi về phòng đốt đầu theo ống tuần hoàn. Các ống truyền nhiệt có thể làm dài đến 7m nên cường độ tuần hoàn lớn, do đó có cường độ bốc hơi lớn. Đôi khi người ta ghép một vài phòng đốt vào một buồng bốc hơi để làm việc thay thế khi cần làm sạch và sửa chữa để đảm bảo quá trình làm việc liên tục.

8 PHẦN 2: SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 2. Sơ đồ công nghệ *Chú thích 1. Thùng cao vị 4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6.

Thiết bị ngưng tụ 11. Bơm vòng chất lỏng 13. Thiết bị làm lạnh 14&15&16. Cốc tháo nước ngưng 17.

Thùng chứa nước ngưng 18. Thùng chứa sản phẩm 19. Bể chứa nước ngưng 9 2. Nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị *Thuyết minh sơ đồ: Hỗn hợp đầu (dung dịch CaCl2 5%) được đưa vào thùng chứa (1) rồi được bơm (2) hút lên thùng cao vị (3).

Ở thùng cao vị có ống chảy tràn, hỗn hợp trong thùng luôn phải ở chế độ chảy tràn trong suốt quá trình cô đặc và nó sẽ quay trở lại thùng chứa (1) Tiếp theo, hỗn hợp đầu sẽ từ thùng cao vị chảy qua lưu lượng kế (4) rồi đi vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5). Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) dung dịch được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằ̀ng tác nhân hơi nước bão hoà và sau đó đi vào buồng đốt (6) của nồi cô đặc 1. Tại hỗn hợp sẽ được tuần hoàn theo 1 vành tuần hoàn giữa buồng đốt rồi đi đến buồng bốc. Hơi đốt được đưa vào trong buồng đốt để tiếp tục đun sôi hỗn hợp.

Nước ngưng trong buồng đốt được tháo ra ngoài ở hệ thống tháo nước ngưng (15). Hơi bốc lên ở nồi cô đặc (6) sẽ là hơi đốt của nồi cô đặc 2, đồng thời dung dịch sau cô đặc ở nồi 1 sẽ tiếp tục được đưa sang nồi 2 do sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn nồi trước. Nước ngưng ở nồi cô đặc 2 được tháo ở hệ thống (16), dung dịch cô đặc đạt đến nồng độ yêu cầu sẽ được làm lạnh và đưa qua bơm để đưa vào bể chứa sản phẩm (18). Hơi thứ của nồi cô đặc 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (10).

Ở đây hơi thứ sẽ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy vào bể chứa (19) ở ngoài, còn khí không ngưng sẽ đi sang thiết bị thu hồi bọt (11) rồi được bơm hút chân không (12) hút ra ngoài. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH * Các số liệu đầu - Dung dịch cần cô đặc: CaCl2 - Năng suất ban đầu: F = 3,5 (kg/s) - Nồng độ đầu: xđ = 5% khối lượng - Nồng độ cuối: xc = 30% khối lượng - Áp suất hơi đốt: p1 = 4 at - Áp suất hơi ngưng tụ: png = 0,2 at - Chiều cao ống truyền nhiệt: H = 5m 3. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W Áp dụng công thức [4-55]: W=Gđ(1- x đ xc ), [kg/h] [4-55] 5 W = 12600. Tính sơ bộ lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi Lượng hơi thứ ở nồi sau sẽ lớn hơn nồi trước, giả sử tỉ lệ phân bố hơi thứ giữa nồi 1 và nồi 2 là W1:W2 = 1:1,06 Mặt khác : W1 + W2 = 10500 (kg/h) Giải hệ hai phương trình ta được: W1 = 5097,09 (kg/h) W2 = 5402,91 (kg/h) 3.

Tính nồng độ cuối của dung dịch trọng mỗi nồi Áp dụng công thức [4-57]: Nồng độ dung dịch ra khỏi mỗi nồi là: Gđ .5 % Nồi 1: x1 = = 12600−5097,09 =8,4 % khối lượng Gđ−W 1 Gđ .5 % Nồi 2: x2 = = =30 %khối lượng Gđ−(W 1+W 2) 12600 −10500 11 3. Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt của nồi 1 với áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ ΔP = p1 – png , [at] ΔP = 4 – 0,2 = 3,8 (at) 3. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi Gọi ΔPi là chênh lệch áp suất trong nồi thứ i (at) Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa hai nồi là ΔP1 : ΔP2 = 1,8 : 1 Có : ΔP1 + ΔP2 = 3,8 Do đó: ΔP1 = 2,44 at, ΔP2 = 1,36 at Áp suất hơi đốt tại mỗi nồi: pi = pi-1 – Δpi-1 p1 = 4 (at) p2 = 4 – 2,44 = 1,56 (at) png = p2 – Δp2 = 1,56 – 1,36 = 0,2 (at) Tra bảng [3-315], từ áp suất, ta có nhiệt độ hơi đốt, nhiệt lượng riêng, nhiệt hóa hơi ở mỗi nồi là: + Nồi 1: P1 = 4 at ; 1 = 142,9oC ; i1 = 2744 kJ/kg ; r1 = 2141 kJ/kg = 59,7oC ; ing = 2607 kJ/kg ; r ng = 2358 kJ/kg + Nồi 2: P2 = 1,56 at ; 2 = 111,84oC ; i2 = 2700,86 kJ/kg ; r2 = 2229,14 kJ/kg + Ngưng tụ: Png = 0,2 at ; ng 3.