Đồ án quá trình và thiết bị thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại có ống tuần hoàn tâm để cô đặc dung dịch nacl

Đồ án nghiên cứu quá trình và thiết bị thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại có ống tuần hoàn tâm để cô đặc, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh

• Tác giả: Phạm Duy Anh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Ngô Xuân Đại
• Trường học: Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại có ống tuần hoàn tâm để cô đặc dung dịch NaCl
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều NaCl

Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều là một trong những công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, đặc biệt là trong cô đặc dung dịch NaCl. Hệ thống này được thiết kế để nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm chi phí sản xuất thông qua việc tái sử dụng hơi thứ từ nồi thứ nhất để đốt nồi thứ hai. Với năng suất đầu vào 5 kg/s và nồng độ từ 5% lên 25% khối lượng, hệ thống đáp ứng các yêu cầu công nghiệp hiện đại. Thiết kế ống tuần hoàn tâm giúp tối ưu hóa truyền nhiệt và đảm bảo hiệu suất cao. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và thiết kế kỹ thuật của hệ thống này là nền tảng cho các kỹ sư công nghệ hóa học.

1.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống xuôi chiều

Nguyên lý xuôi chiều trong hệ thống cô đặc 2 nồi dựa trên việc hơi đốt từ nồi thứ nhất được tái sử dụng để đốt nồi thứ hai. Dung dịch NaCl chảy từ nồi thứ nhất sang nồi thứ hai, nồng độ tăng dần. Chênh lệch áp suất giữa các nồi được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo quá trình sôi ổn định. Hơi thứ bốc ra từ mỗi nồi được thu gom và sử dụng hiệu quả.

1.2. Ưu điểm của ống tuần hoàn tâm

Ống tuần hoàn tâm là một đặc tính quan trọng trong thiết kế này. Loại ống này cho phép tối ưu hóa truyền nhiệt thông qua sự lưu thông tự nhiên của dung dịch. Hiệu suất truyền nhiệt được cải thiện đáng kể, giảm điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, ống tuần hoàn tâm giúp ngăn chặn cục bộ hóa và đốt cháy chất, tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì.

II. Tính toán kỹ thuật thiết bị cô đặc 2 nồi

Tính toán kỹ thuật là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống cô đặc NaCl. Dựa trên các số liệu ban đầu như áp suất hơi đốt 6 at và áp suất ngưng tụ 0,2 at, chúng ta xác định chênh lệch áp suất chung ΔP của hệ thống. Cân bằng nhiệt lượng được thiết lập để tính toán lượng hơi đốt D và lượng hơi thứ Wi ở từng nồi. Nồng độ dung dịch từ 5% đến 25% khối lượng yêu cầu tính toán chi tiết về tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh và nồng độ. Các thông số của dung dịch và nước ngưng phải được tra cứu chính xác từ bảng dữ liệu nhiệt học.

2.1. Xác định lượng hơi thứ và cân bằng khối lượng

Cân bằng khối lượng cho toàn hệ thống và từng nồi là bước đầu tiên. Với năng suất đầu vào 5 kg/s, lượng nước được cô đặc tính từ chênh lệch nồng độ. Lượng hơi thứ Wi từ nồi thứ i được phân phối sao cho tổng bằng lượng nước bốc hữu ích. Quá trình này yêu cầu giải hệ phương trình đồng thời, xem xét tỷ lệ phân phối hơi giữa các nồi.

2.2. Tính toán hệ số truyền nhiệt và bề mặt trao đổi

Hệ số truyền nhiệt K được xác định thông qua hệ số cấp nhiệt từ hơi ngưng tụ α₁ và từ bề mặt đốt đến dung dịch α₂. Hiệu số nhiệt độ hữu ích ΔTᵢ* cho từng nồi được tính toán cẩn thận. Bề mặt truyền nhiệt F được xác định từ phương trình truyền nhiệt Q = K×F×ΔT. Ống truyền nhiệt dài 5m được sử dụng với đường kính ống được chọn dựa trên vận tốc dòng chảy tối ưu.

III. Thiết kế cơ khí và chọn vật liệu

Thiết kế cơ khí của hệ thống cô đặc 2 nồi bao gồm tính toán buồng đốt và buồng bốc hơi. Chiều dày thành nồi được xác định dựa trên áp suất làm việc và vật liệu chọn lựa. Đối với dung dịch NaCl, vật liệu thép không gỉ hoặc thép ausi được khuyên dùng để chống ăn mòn. Số ống truyền nhiệt trong buồng đốt được tính từ bề mặt truyền nhiệt F và chiều dài ống 5m. Nắp buồng bốc và đáy lồi phòng đốt phải chịu áp lực khác nhau. Lưới đỡ ống được thiết kế để đảm bảo sự phân bố ống đều và độ bền cơ học.

3.1. Tính toán buồng đốt và buồng bốc

Buồng đốt chứa các ống truyền nhiệt nơi hơi đốt ngưng tụ. Đường kính trong của buồng được tính dựa trên số ống và bước ống. Chiều dày buồng đốt phụ thuộc vào áp suất hơi đốt 6 at và tính chất vật liệu. Buồng bốc hơi có thể tích không gian hơi được xác định để đảm bảo tách hơi hiệu quả. Chiều cao phòng bốc và chiều dày nắp được tính theo chuẩn thiết kế áp lực.

3.2. Lựa chọn vật liệu và các chi tiết phụ

Vật liệu xây dựng chủ yếu là thép carbon hoặc thép không gỉ 304/316 để chống ăn mòn từ dung dịch NaCl. Bích lắp vào thân và đáy được tra từ chuẩn GOST hoặc DIN. Ống dẫn vào/ra cho hơi đốt, dung dịch và hơi thứ được tính toán đường kính để giữ vận tốc dòng tối ưu. Tai treo được chọn phù hợp với trọng lượng thiết bị. Kính quan sát được lắp để giám sát quá trình.

IV. Thiết bị phụ trợ và tối ưu hóa hệ thống

Thiết bị phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của hệ thống cô đặc 2 nồi NaCl. Thiết bị ngưng tụ baromet được sử dụng để ngưng tụ hơi thứ từ nồi cuối cùng, tạo chân không cần thiết cho quá trình. Hệ thống bơm chân không được thiết kế để duy trì áp suất 0,2 at trong thiết bị ngưng tụ. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu vào được sử dụng để tái ưu hóa năng lượng. Bề dày lớp cách nhiệt được tính toán để giảm tổn thất nhiệt trong quá trình truyền tải. Các thiết bị này phải được chọn và tính toán phù hợp để tối đa hóa hiệu suất năng lượng.

4.1. Thiết bị ngưng tụ baromet và hệ thống chân không

Thiết bị ngưng tụ baromet được thiết kế để ngưng tụ hơi thứ và không khí từ buồng bốc hơi. Đường kính trong của thiết bị được tính dựa trên lượng hơi cần ngưng tụ. Ống baromet có chiều cao xác định để tạo cột nước chân không. Bơm chân không được chọn để duy trì áp suất 0,2 at và chế độ vận hành ổn định. Cấu trúc tấm ngăn giúp tối ưu hóa tiếp xúc giữa hơi và nước lạnh.

4.2. Cách nhiệt và tối ưu hóa năng lượng

Lớp cách nhiệt được bao phủ trên ống dẫn và thân thiết bị để giảm tổn thất nhiệt. Bề dày cách nhiệt được tính dựa trên độ dẫn nhiệt của vật liệu và yêu cầu kinh tế. Thiết bị gia nhiệt sử dụng hơi ngưng từ thiết bị ngưng tụ để gia nóng dung dịch đầu vào, tiết kiệm năng lượng hơi đốt. Việc tối ưu hóa toàn bộ hệ thống giúp giảm chi phí vận hành và tăng khả năng cạnh tranh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu Đồ án môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học nhằm giúp sinh viên biết vận dụng các kiến thức của môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học và các môn học khác có liên quan vào việc thiết kế một thiết bị chính và một số thiết bị phụ trong hệ thống thiết bị để thực hiện một nhiệm vụ kỹ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ. Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 11520 kg/h từ nồng độ đầu 5% đến nồng độ cuối 22%. 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 ở dạng hơi, còn chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, cấu tử trong hỗn hợp này cũng bay hơi, chỉ khác nhau về nồng độ ở mỗi nhiệt độ.

Hơi của dung môi tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hới thứ ở nhiệt độ cao có thể đun nóng 1 thiết bị khác Cô đặc nhiều nồi: Cô đặc nhiêu nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa về sử dụng nhiệt hiệu quả. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi là: nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi bốc lên ở nồi này được bốc lên để làm hơi đốt cho nồi thứ 2, hơi thứ của nồi thứ 2 được làm hơi đốt cho nồi thứ 3,…Hơi thứ ở nồi cuối được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi đầu đến nồi cuối, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do một phần dung môi bốc hơi. Hệ thống này được sử dụng khá phổ biến.

Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Phương pháp cô đặc hai nồi xuôi chiều là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi. Nhiệt độ hơi thứ nồi 1 lớn hơn nhiệt độ sôi nồi 2 nên hơi thứ nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 do đó có thể 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 của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.

6 ĐA QTBB Giới thiệu về NaCl: Natri clorua hay còn gọi là muối ăn, muối mỏ, là hợp chất hóa học với công thức hóa học là NaCl. Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào. Là thành phần chính rong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm. Natri clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương.

Có điểm nóng chảy là 801oC. Tỷ trọng là 2,16 g/cm3. Độ hòa tan trong nước khoảng 35,9 g / 100 ml ở 25oC. Ngày nay, muối NaCl được sản xuất bằng cách cho bay hơi nước biển hay nước muối từ các nguồn khác, chẳng hạn các giếng nước muối và hồ muối và bằng khai thác muối mỏ.

NaCl có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Trong gia đình được sử dụng như một gia vị không thể thiếu. Trong y dược còn dùng để sát trùng vết thương, cầm máu các vết thương ngoài da. Trong công nghiệp hóa chất lượng muối tiêu thụ hàng năm chiếm 80 % sản lượng muối trên thế giới.

7 ĐA QTBB Phần 2: Sơ đồ và mô tả dây chuyền sản xuất 2. Sơ đồ công nghệ Các thiết bị trong sơ đồ công nghệ 1 Thùng chứa dầu dung dịch 2 Bơm đầy dung dịch đầu lên thùng cao vị 3 Thùng cao vị chứa dung dịch đầu 4 Lưu lượng kế 5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6 Nồi cô đặc 1 7 Nồi cô đặc 2 8 Hệ thiết bị ngưng tụ chân cao baromet 9,10,11 Cốc tháo nước ngưng 12 Thùng chứa nước ngưng 13 Bơm đầy dung dịch cuối vào thùng chứa sản phẩm 14 Thùng chứa sản phẩm 15 Bơm chân không 16 Thiết bị trao đổi nhiệt 17 Bộ phân tách bọt 8 ĐA QTBB 9 ĐA QTBB 2. Nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị Dung dịch được chứa trong thùng chứa (1) được bơm (2a) đứa lên thùng cao vị có chảy tràn để ổn định lưu lượng. Lưu lượng kế (4) điều chỉnh lưu lượng cần thiết của dung dịch vào thiết bị gia nhiệt đầu.

Thiết bị gia nhiệt đầu (5) gia nhiệt dung dịch tới nhiệt độ sôi của dung dịch. Sau đó được đưa vào nồi cô đặc 1 (6). Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ x1 sẽ sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất. Sau nồi 2 dung dịch đạt nồng độ cuối và sẽ được làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh (12) sau đó được bơm (2b) đẩy vào thùng chứa sản phẩm cuối (13).

Hơi thứ ở nồi 1 được làm hơi đốt cho nồi 2 vì nó có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 2. Hơi thứ nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet nhờ chênh lệch áp suất. Hơi được ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống thùng chứa nước ngưng (9). Khí không ngưng có lẫn bọt qua cơ cấu tách bọt, bọt sẽ đi xuống thùng chứa, còn khí không ngưng đi ra ngoài nhờ bơm hút chân không (10).

10 ĐA QTBB Phần 3: Tính toán thiết bị chính Các số liệu ban đầu: - Dung dịch cần cô đặc: NaCl - Loại TB cô đặc: Hệ thống nồi 2 chiều có ống tuần hoàn tâm - Năng suất của hệ thống: Gđ = 5 (Kg/s) = 18000 (Kg/h) - Nồng độ đầu của dd: xđ = 5% khối lượng - Nồng độ cuối của dd: xc = 25% khối lượng - Hơi đốt: Hơi nước bão hòa - Áp suất hơi đốt nồi 1: P1 = 6 (at) - Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,2 (at) - Chiều dài ống truyền nhiệt: H = 5 (m) 3. Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W: 𝑥đ 𝑘𝑔 𝑊 = 𝐺đ (1 − ) , [ ] [4 − 55] 𝑥𝑐 ℎ Thay số vào, ta có: 5 𝑘𝑔 𝑊 = 18000 (1 − ) = 14400 [ ] 25 ℎ 3. Tính lượng sơ bộ lượng hơi nước thứ bốc ra khỏi mỗi nồi: Lượng hơi nước thứ bốc ra ở nồi 1: W1, kg/h Lượng hơi nước thứ bốc ra ở nồi 2: W2, kg/h 𝑊 Giả thiết mức phân phối lượng hơi nước bốc ra ở các nồi 2 = 1,05 𝑊1 Ta có: 𝑘𝑔 𝑊1 = 7024,39 ( ) 𝑊2 ÷ 𝑊1 = 1,05 ℎ { => { 𝑊2 + 𝑊1 = 14400 𝑘𝑔 𝑊2 = 7375,609 ( ) ℎ 3. Tính nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi: 𝑥đ 𝑥𝑖 = 𝐺đ , [% 𝑘ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔] 𝐺đ − ∑𝑖𝑗=1 𝑊𝑗 11 ĐA QTBB + Với nồi 1: 𝑥đ 5 𝑥1 = 𝐺đ = 18000 = 8,2[%𝑘ℎ.

Tính chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆P: ∆𝑃 = 𝑃1 − 𝑃𝑛𝑔 , [𝑎𝑡 ] Thay số vào ta có: ∆𝑃 = 6 − 0,2 = 5,8 [𝑎𝑡 ] 3. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi: 3. Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi: ∆𝑃1 ÷ ∆𝑃2 = 2,7 ÷ 1 Trong đó: ∆P1 : chênh lệch áp suất trong nồi 1, at ∆P2 : chênh lệch áp suất trong nồi 2, at Ta có hệ phương trình: ∆𝑃1 ÷ ∆𝑃2 = 2,7 ÷ 1 ∆𝑃 = 4,23(𝑎𝑡 ) { => { 1 ∆𝑃1 +∆𝑃2 = 5,8 ∆𝑃2 = 1,57(𝑎𝑡 ) 3. Tính áp suất hơi đốt từng nồi: 𝑃𝑖 = 𝑃𝑖−1 − ∆𝑃𝑖−1 , [𝑎𝑡 ] + Nồi 1 : 𝑃1 = 6 [𝑎𝑡 ] + Nồi 2 : 𝑃2 = 𝑃1 − ∆𝑃1 = 6 − 4,23 = 1,77 [𝑎𝑡 ] Công thức nội suy tuyến tính : Biết (x1, y1) và (x2, y2).

Tìm y khi biết x, (x1 < x < x2) : 𝑦2 (𝑥 − 𝑥1 ) + 𝑦1 (𝑥2 − 𝑥) 𝑦= 𝑥2 − 𝑥1 12 ĐA QTBB 3. Tra nhiệt độ hơi đốt Ti, nhiệt lượng riêng ii và nhiệt hóa hơi riêng ri của từng nồi: Tra bảng I. Tính nhiệt độ và áp suất hơi thứ ra khỏi từng nồi: Theo công thức : 𝑡 ′ 𝑖 = 𝑇𝑖+1 + ∆′′′ 𝑖 , (℃) Trong đó: T’I : nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi thứ i, ℃ ∆′′′ 𝑖 : tổn thât nhiệt độ do trở lực đường ống, ℃ Chọn ∆′′′ 1 = ∆′′′ 2 = 1,0 ℃ Ta có: Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 1 là: 𝑡 ′ 1 = 𝑇2 + ∆′′′ 1 = 115,76 + 1,0 = 116,76℃ Nhiệt độ hơi thứ ra khỏi nồi 2 là: 𝑡 ′ 2 = 𝑇𝑛𝑔 + ∆′′′ 2 , ℃ Trong đó, Tng là nhiệt độ nước ngưng ở thiết bị ngưng tụ. Với Png = 0,2 (at) ta được Tng = 59,7 ℃ → 𝑡 ′ 2 = 59,7 + 1,0 = 60,7℃ 13 ĐA QTBB Tra bảng I-250 [1-314] và nội suy ta có: Nồi 1: 𝑡 ′ 1 = 116,76℃ ta được Áp suất hơi thứ: 𝑃′ 1 = 1,83 (𝑎𝑡 ) 𝐽 Nhiệt lượng riêng: 𝑖 ′ 1 = 2709000 ( ) 𝑘𝑔 𝐽 Nhiệt hóa hơi: 𝑟 ′ 1 = 2215700 ( ) 𝑘𝑔 Nồi 2: 𝑡 ′ 2 = 60,7℃ ta được: Áp suất hơi thứ: 𝑃′ 2 = 0,21 (at) 𝐽 Nhiệt lượng riêng: : 𝑖 ′ 2 = 2699500 ( ) 𝑘𝑔 𝐽 Nhiệt hóa hơi: 𝑟 ′ 2 = 2230500 ( ) 𝑘𝑔 Bảng tổng hợp số liệu 1: Nồ Hơi đốt Hơi thứ x i P, T, ℃ i, J/kg r, J/kg P’, t’, ℃ i’,J/kg r’,J/kg % at at 1 6 158,1 276800 209500 1,83 116,76 2709000 2215700 8,2 0 0 2 1,7 115,7 270810 221850 0,21 60,7 2699500 2230500 25 7 6 0 0 3.

Tính tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 3.1 Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao Công thức tính: ∆′′ 𝑖 = 𝑡𝑡𝑏 − 𝑡 ′ 𝑖 , ℃ Trong đó: -𝑡𝑡𝑏 : nhiệt độ sôi ứng với Ptb, ℃ -𝑡 ′ 𝑖 : nhiệt độ sôi ứng với P’i , ℃ Ptb là áp suất thủy tĩnh ở giữa ống truyền nhiệt, tính theo công thức: 14 ĐA QTBB 𝐻 𝜌𝑑𝑑𝑠 .