Mở đầu Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta đang phát triển mạnh kéo theo sự phát triển của ngành sản xuất các hợp chất hóa học,bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùng quan trọng để các ngành khác phát triển. Trong kỹ thuật sản xuất công nghiệp hóa chất và các ngành khác, thường phải làm việc với các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng, hoặc lỏng trong lỏng. Để năng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị dùng chủ yếu là thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức, phòng đốt ngoài, …trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống trung tâm được dùng phổ biến vì thiết bị này có cấu tạo và nguyên lý đơn đơn giản, dễ vận hành và sửa chữa, hiệu suất xử dụng cao… dây truyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi…nối tiếp nhau để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. trong thực tế người ta thường xử dụng thiết hệ thống 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất xử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất. Được sự hướng dẫn của Thầy Nguyễn Văn Mạnh em đã thực hiện đồ án với đề tài: “Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức dùng cho cô đặc dung dịch NaOH”.
Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với việc thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” trên cơ sở lượng 1 kiến thức đó và kiến thức của 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 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 định trong tính toán và thiết kế,tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống. Trong đồ án môn học này , nhiệm vụ cần phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài dùng cho cô đặc dung dịch NaOH (Nồng độ đầu của dung dịch : 12,23% Nồng độ cuối của dung dịch : 29,21% Áp suất hơi đốt nồi 1 : 4 at Áp suất hơi ngưng tụ : 0.2 at ) 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 sai lầm, thiếu xót trong quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của Thầy, Cô để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn ! 2 1.2 Giới thiệu về dung dịch NaOH Natri hydroxyt là khối tinh thể không trong suốt có màu trắng, không mùi. Dễ tan trong nước, tan nhiều trong rượu và không tan trong ete. NaOH có trọng lượng riêng 2,02. Nhiệt độ nóng chảy 327,6 ± 0,9 oC.
Hấp thụ nhanh CO2 và nước của không khí, chảy rữa và biến thành Na2CO3. NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao; trong quá trình sản xuất cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị, đảm bảo an toàn lao động. Ngoài ra, NaOH có tính hút ẩm mạnh, sinh nhiệt khi hòa tan vào nước nên khi hòa tan NaOH cần phải dùng nước lạnh. Người ta biết được một số hiđrat của nó như NaOH.
Nước trong các hiđrat đó chỉ mất hoàn toàn khi chúng nóng chảy. Điều chế và ứng dụng: Trong phòng thí nghiệm: • Natri tác dụng với nước 2Na + 2H2O --> 2NaOH + H2 • Natri oxit với nước 2NaO + H2O --> 2NaOH Trong công nghiệp: • Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng với dung dịch natri cacbonat loãng và nóng: Ca(OH)2 + Na2CO3 --> 2NaOH + CaCO3 • Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão hòa: 2NaCl + 2H2O dòng điện Cl2 + H2 + 2NaOH NaOH được dùng để sản xuất xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, giấy và tơ nhân tạo, tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ, chế phẩm nhuộm và dược phẩm, làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm hóa học.3 Ứng dụng của NaOH NaOH được dùng để : • Sản xuất xenlulozơ từ gỗ. • Sản xuất xà phòng,chất tẩy rửa, bột giặt. • Sản xuất giấy.
• Sản xuất tơ nhân tạo. • Sản xuất nhôm ( làm sạch quặng trước khi SX ). 3 • Tinh chế dầu thực vật và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ. • Chế phẩm nhuộm và dược phẩm.
• Làm khô các khí và là thuốc thử rất thông dụng trong phòng thí nghiệm hóa học.2 Vẽ và thuyết minh dây chuyền sản xuất.1 Sơ lược về quá trình cô đặc 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 các chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể. • Thu dung môi ở dạng nguyên chất. Quá trình 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 một thiết bị cô đặc hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc.
Trong đó: • Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy vì nhiệt. • Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển dùng cho 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. • Cô đặc ở áp suất khí quyển 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.
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm thường làm tăng nồng độ dung dịch nhờ đun sôi gọi là quá trình cô đặc. Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dùng chất hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ của dung dịch sẽ tăng dần lên, khác với quá trình chưng cất, trong quá trình chưng cất các cấu tử trong hỗn hợp cùng bay hơi chỉ khác nhau về nồng độ trong hỗn hợp. Hơi của dung môi được tách ra trong quá trình cô đặc gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác, nếu dùng hơi thứ đung nóng một thiết bị ngoài hệ thống cô đặc thì ta gọi hơi đó là hơi phụ. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị một nồi hoặc nhiều nồi,làm việc gián đoạn hoặc liên tục.
Quá trình cô đặc có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) thì có thể dùng thiết bị hở; còn làm việc ở các áp suất khác thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không (áp suất thấp) vì có ưu điểm là: khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch cũng giảm, do đó hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng, nghĩa là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt. Cô đặc được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất hóa chất và thực phẩm, ví dụ: cô đặc các muối vô cơ,dung dịch kiềm. 4 Quá trình cô đặc có thể thực hiện trong thiết bị cô đặc một nồi hay thiết bị cô đặc nhiều nồi, nhưng cô đặc một nồi gây lãng phí nhiên liệu,hiệu quả kinh tế không cao chỉ thích hợp trong quá trình sản xuất đơn giản,nên người ta thường chọn cô đặc nhiều nồi. Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay 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 đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba.hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi môt phần, nồng độ dần tăng 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 các 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.2 Sơ đồ dây chuyền sản xuất Chú thích : • 1.Thùng chứa dung dịch đầu • 2.Thùng cao vị 5 • 4.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu • 6,7.Thiết bị cô đặc • 8.Thùng chứa nước • 9.Thùng chứa sản phẩm • 10.Thiết bị ngưng tụ Baromet • 11.Thiết bị tách bọt • 12.Ống tuần hoàn 1.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục: Dung dịch NaOH ban đầu được chứa trong thùng chứa dung dịch đầu (1), dùng bơm (2) để đưa nguyên liệu vào thùng cao vị (3), thùng cao vị được thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm).