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. Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế thiết bị, hệ thống thiết bị phục vụ một nhiệm vụ kỹ thuật trong sản xuất, sinh viên được làm đồ án Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học. Việc làm đồ án là một công việc tốt cho sinh viên trong bước tiếp cận tốt với thực tiễn sau khi hoàn thành môn học Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học. Trong đồ án này, nhiệm vụ cần hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều loại buồng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 10800 kg/h từ nồng độ đầu 7% đến nồng độ cuối 22%.
Quá trình 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 của chất tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. [[1]-134] 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. [[1]-134] 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 thứ bốc lên ở nồi này được 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. [[1]-147] 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. [[1]-148] 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. Giới thiệu về chất cần cô đặc NaCl: Tính chất hóa lý: Natri clorua (NaCl), là hợp chất hóa học của Natri và Clo.
Hợp chất này tan nhiều trong nước. Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn. Chất này còn được gọi là muối ăn, 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 trong sản phẩm muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị hoặc chất bảo quản thực phẩm.
Natri clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc lập phương. Khối lượng mol: 58,4417 g/mol Điểm nóng chảy là 801 oC Nhiệt độ sôi: Khoảng 1465 oC Tỷ trọng: 2,16 g/cm3. Độ hòa tan trong nước khoảng 35,9 g/100 ml ở 25 oC. Tính chất hóa học: NaCl là 1 hợp chất có tính điện ly mạnh.
Trong môi trường nước, NaCl tồn tại ở dạng Na+ và Cl- và nhờ vậy có thể trao đổi ion với môi trường hoặc với các chất khác, ví dụ như ion Na+ bị hấp phụ lên trên bề mặt hạt sét,… Một vài ứng dụng của NaCl trong thực tế hiện nay: - Sử dụng trong sinh học: Nhiều loại vi sinh vật không thể sống trong môi trường có độ mặn cao vì nước sẽ bị thẩm thấu ra khỏi các tế bào của chúng, vì vậy muối có thể dùng để bảo quản một số thực phẩm, và cũng có thể dùng để khử trùng các vết thương. - Làm tan băng, tuyết: Do muối và nước tạo thành một hỗn hợp eutecti có điểm đóng băng thấp hơn khoảng 10oC so với nước nguyên chất nên khi rải muối vào khu vực có tuyết sẽ giúp làm tan băng tuyết. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có tác dụng khi nhiệt độ môi trường không nhỏ hơn âm 10oC, và nó cũng làm ảnh hưởng tới môi trường. - Phụ gia thực phẩm: Muối ăn có thể được sử dụng làm gia vị, tuy nhiên trong các sản phẩm muối ăn hiện nay, NaCl không chiếm 100% vì nó có thể gấy vón cục muối, hoặc gây bệnh bướu cổ nếu người sử dụng dùng quá nhiều.
SƠ ĐỒ VÀ MÔ TẢ DÂY CHUYỀN 2. Sơ đồ công nghệ Hình 0. Sơ đồ công nghệ Bảng 0.Các thiết bị trong sơ đồ công nghệ Ký hiệu Thiết bị 1 Thùng chứa dung dịch đầu 2, 6 Bơm 3, 4 Thùng chứa nước ngưng 5 Thùng chứa sản phẩm 7 Bơm chân không 8 Thiết bị trao đổi nhiệt 9, 10 Cốc tháo nước ngưng 11 Van một chiều 12 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 13 Thùng cao vị 14, 16 Buồng đốt 15, 17 Buồng bốc 18 Thiết bị ngưng tụ baromet 19 Xyclon tách bọt 2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc trên làm việc liên tục.
Dung dịch đầu (NaCl) ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (13), sau đó chảy vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (12). Ở thiết bị này dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào buồng đốt (14). Vì khi dung dịch đi vào buồng đốt đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch do đó cần tiêu tốn một lượng hơi đốt để đun nóng sơ bộ dung dịch. Ở buồng đốt, dung dịch tiếp tục được đun nóng bằng thiết bị đun nóng kiểu ống chùm, dung dịch chảy trong các ống truyền nhiệt, hơi đốt được đưa vào buồng đốt để đun nóng dung dịch.
Nước ngưng được đưa ra khỏi buồng đốt bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên và đi sang buồng bốc (14) gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi buồng bốc được đưa qua bộ phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bị cuốn theo hơi thứ qua ống dẫn bọt. Hơi thứ ra khỏi nồi đầu tiên sẽ được làm hơi đốt cho buồng đốt thứ 2 (15). Dung dịch từ nồi đầu tiên tự di chuyển sang nồi thứ 2 do có sự chênh lệch áp suất làm việc giữa các nồi, áp suất nồi sau nhỏ hơn áp suất nồi trước.
Nhiệt độ của nồi trước lớn hơn nhiệt độ của nồi sau, do đó dung dịch đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, kết quả là dung dịch được làm lạnh, lương nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng dung môi gọi là quá trình tự bốc hơi. Dung dịch sản phẩm ở nồi 2 được đưa ra khỏi nồi và cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (8) để làm mát sau đó được bơm về thùng chứa sản phẩm. Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt (8) để giảm thiểu việc hư hỏng và giảm tuổi thọ của bơm. Hơi thứ bốc ra khỏi buồng bốc thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (18).
Trong thiết bị ngưng tụ nước làm lạnh từ trên đi xuống hơi cần ngưng tụ từ dưới đi lên, ở đây hơi được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống baromet ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (19) rồi vào bơm hút chân không (7). TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH Các số liệu đầu o Năng suất tính theo dung dịch đầu Gđ = 10800 [kg/h] o Nồng độ đầu của dung dịch NaCl xđ = 7% o Nồng độ cuối của dung dịch NaCl xc = 22% o Áp suất hơi đốt p1 = 5 [at] o Áp suất hơi ngưng tụ p2 = 0,25 [at] o Chiều cao ống truyền nhiệt H=5m 3. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: W [kg/h] 𝑥đ Ta có: W = Gđ (1 − ) [4-55] 𝑥𝑐 7 => 𝑊 = 10800 × (1 − ) = 7363,636 [kg/h] 22 3. Lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi o Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: W1, [kg/h] o Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: W2, [kg/h] Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở 2 nồi là W1:W2 = 1:1,03 Ta có hệ : 1,03𝑊1 − 𝑊2 = 0 { 𝑊1 + 𝑊2 = 𝑊 1,03𝑊1 − 𝑊2 = 0 { 𝑊1 + 𝑊2 = 7363,636 𝑊1 = 3627,407(𝑘𝑔/ℎ) { 𝑊2 = 3736,229(𝑘𝑔/ℎ) 3.
Nồng độ dung dịch trong mỗi nồi 𝑥𝑑 Theo công thức 𝑥𝑖 = 𝐺𝑑 × , % [4-57] 𝐺𝑑 −∑𝑖𝑗=1 𝑊𝑗 Ta có: 𝑥𝑑 7 • Với nồi 1: 𝑥1 = 𝐺𝑑 × = 10800 × = 10,54% 𝐺𝑑 −𝑊1 10800−3627,407 𝑥𝑑 7 • Với nồi 2: 𝑥2 = 𝐺𝑑 × = 10800 × = 22% 𝐺𝑑 −𝑊1 −𝑊2 10800−3627,407−3736,229 Được x2 = xc phù hợp với số liệu ban đầu 3. Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ΔP Theo công thức: ΔP = 𝑝1 − 𝑝𝑛𝑔 = 5 − 0,25 = 4,75 [𝑎𝑡] Trong đó: ΔP là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ png, at. Xác định áp suất, nhiệt độ hơi đốt mỗi nồi Gọi Δpi : chênh lệch áp suất trong nồi thứ i [at] Giả thiết phân bố áp suất hơi đốt giữa 2 nồi là: Δp1 : Δp2 = 2,2 : 1 𝛥𝑝1 − 2,2𝛥𝑝2 = 0 Ta có { 𝛥𝑝1 + 𝛥𝑝2 = 𝛥𝑝 = 4,75 𝛥𝑝1 = 3,27(𝑎𝑡) { 𝛥𝑝2 = 1,48(𝑎𝑡) 3. Tính áp suất hơi đốt từng nồi suy ra nhiệt độ hơi đốt Áp suất hơi từng nồi: pi = pi-1 – Δpi-1 [at] Ta có: • Nồi 1: p1 = 5 at • Nồi 2: p2 = p1 – Δp1 = 5 − 3.