CHƯƠNG I TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM I. Các tính chất vật lí của KNO3 Bảng 1: Các tính chất vật lí của KNO3 Công thức phân tử KNO3 Phân tử gam 101,1032 g/mol Bề ngoài Tinh thể trong suốt, không màu Mùi Chua hay mặn Tỷ trọng 2,106 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 3360C (609 K) Nhiệt độ sôi 4000C ( 673 K) Độ hòa tan trong nước 32 mg/ 100ml ( 200C) pH ca. Các ứng dụng của KNO3 Phân bón: Nitrat kali được sử dụng chủ yếu trong phân bón , như là một nguồn nitơ và kali - hai trong số những chất dinh dưỡng cho cây trồng.
Chất oxi hóa: Nitrat kali là một chất oxy hóa hiệu quả, sản xuất ra một ngọn lửa màu hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali. Đây là một trong ba thành phần của bột màu đen, cùng với than bột (đáng kể carbon) và lưu huỳnh. Như vậy nó được sử dụng trong bột màu đen Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 6 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục động cơ tên lửa. Nó cũng được sử dụng trong pháo hoa như bom khói , với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat.
Bảo quản thực phẩm Ngoài ra, KNO3 còn có một số ứng dụng khác như: là thành phần hạt chính vững chắc của aerosol ức chế đặc cháy hệ thống, là thành phần chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩm loại bỏ gốc cây. Nó làm tăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc cây bằng cách cung cấp nitơ cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kim loại như một dung môi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC II. Định nghĩa Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi với mục đích: Làm tăng nồng độ chất tan.
Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh). Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước). Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi: Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để cung cấp năng lượng cho hơi dung môi (cô đặc ở trạng thái hơi). Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên mặt thoáng của dung dịch để làm tăng quá trình bốc hơi.
Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cần bằng với áp suát chung trên bề mặt thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng luyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi. Đáng lưu ý là trong quá trình cô đặc, nồng độ chất tan tăng, ảnh hưởng đến quá trình tính toán của thiết bị. Khi đó hệ số dẫn Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 7 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục nhiệt , nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt giảm, đồng thời khối lượng riêng , độ nhớt , tổn thất nhiệt ’ tăng.
Lựa chọn phương án thiết kế Có thể sử dụng cô đặc dung dịch bằng một nồi hay nhiều nồi, ở đề tài này, chúng ta chỉ xét hệ thống cô đặc nhiều nồi. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó có ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: Ở nồi thứ nhất, dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ của nồi này đưa vào nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai đưa vào nồi thứ ba… hơi thứ cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên.
Điều kiện cần thiết để truyền nhiệt trong các nồi là phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch sôi, hay nói cách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suất làm việc trong mỗi nồi phải giảm dần vì hơi thứ của nồi trước là hơi đốt của nồi sau. Thông thường nồi đầu làm việc ở áp suất dư, còn nồi cuối làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển. Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau: Theo sự bố trí bề mặt đun: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng. Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện, các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocarbon).
Theo chế độ tuần hoàn: xuôi chiều, chéo chiều, ngược chiều. Cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn. Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch KNO 3 này, ta sử dụng hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều ( tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm vì những ưu điểm sau: Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 8 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau, tức là áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau.
Dung dịch vào nồi đầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng hơi nước, ngoại trừ nồi đầu tiên, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi. Cô đặc ống tuần hoàn trung tâm có ưu điểm là dung dịch tuần hoàn trong nồi dễ dàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt nóng dẫn đến đối lưu dễ dàng. Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Thuyết minh sơ đồ công nghệ Hệ thống cô đặc 3 nồi, làm việc xuôi chiều liên tục.
Dung dịch đầu KNO 3 8% khối lượng được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị (4). Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế (7) chả vão thiết bị gia nhiệt (8). Ở đây, dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, sau đó đi vào nồi cô đặc (1), (2), (3). Tại nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi bằng thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm, buồng đốt trong, trong đó các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn.
Dung dịch đi ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng không gian phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn trung tâm thể tích theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây lớn hơn so với ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hoàn tự Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 9 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục nhiên từ dưới lên trên ở ống truyền nhiệt và từ trên xuống dưới ở ống tuần hoán trung tâm. Hơi đốt được lấy ra ở nồi hơi (1) cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (3) và nòi cô đặc (1).
Tại nồi 1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệt làm sôi dung dịch, bốc hơi một lượng hơi thứ. Hơi thứ từ nồi thứ (1) được dung làm hơi đốt cho nồi thứ (2) và tương tự thì hơi thứ nồi (2) sẽ là hơi đốt cho nồi (3). Hơi thứ từ nồi (3) được ngưng tụ nhờ thiết bị baromet (13) và được hút chân không nhờ bơm chân không (15). Nước ngưng từ phòng đốt của các nồi cô đặc đi qua của xả nước ngưng, qua bẫy hơi (5) để chả xuống thùng chứ nước ngưng (2).
Dung dịch từ nồi cô đặc (3) được bơm ly tâm (6) lấy ra cho vào thùng chứa sản phẩm (18). Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 10 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I. ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦU Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm. Năng suất đầu vào: Gđ = 30000 kg/h Nồng độ đầu: xđ = 8% ( khối lượng) Nồng độ cuối: xc = 48% ( khối lượng) Áp suất hơi đốt nồi 1: Phđ1 = 12at Áp suất thiết bị ngưng tụ: Png = 0,2at Dung dịch: KNO3 Phân tử mol: Mpt = 101 kg/kmol II.
TÍNH TOÁN II. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống Gọi: Gđ, Gc là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h xđ, xc là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng W là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống: Gđ = G c + W Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố: Gđ.xđ = Gcxc + W xw Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 11 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Ở đây ta coi quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo lượng hơi bốc ra nên ta có: Gđ xđ = Gc xc Từ (1) và (2) ta có : W = Gđ (1 – xđ/xc) (VI. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi : Gọi W1, W2, W3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h. Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W1 : W2 :W3 = 1 : 1,1 : 1,2 Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi: Nồi 1: Nồi 2: Nồi 3: II.
Nồng độ dung dịch ở từng nồi: Áp dụng công thức VI.2/ 57- [II], ta có xi = , % khối lượng Với xi là nồng độ dung dịch tại nồi I Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 12 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục Vậy: Nồng độ của nồi 1: x1 = =30000 = 10,70 (% khối lượng) Nồng độ của nồi 2: x2 = =30000 = 17,03 (% khối lượng) Nồng độ của nồi 3: x3 = = 30000 = 48 (%khối lượng) II. Tính chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống Ta có: ∆P = Phđ1 – Png (at) ∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at) II. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi Nhó m 1- Lớp DH10H1 Page 13 Ket-noi.
