PHẦN MỞ ĐẦU: PHẦN I, CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Tổng quan về cô đặc 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 CaCl2, năng suất 3,5 kg/s từ nồng độ đầu 7% đến nồng độ cuối 30%. 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 Nguyễn Mạnh Cường 20160562 KTHH – K61 Trang 7 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD:TS.
Nguyễn Thị Thu Huyền 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. 2, Giới thiệu về CaCl2: • Tính chất hóa lý: Calci chloride (CaCl2), là hợp chất ion của Canxi và Clo. Chất này tan nhiều trong nước. Tại nhiệt độ phòng, nó là chất rắn.
Chất này có thể sản xuất từ đá vôi nhưng đối với việc sản xuất sản lượng lớn thì người ta tạo nó như là một sản phẩm phụ của công nghệ Solvay. Do nó có tính hút ẩm cao, người ta phải chứa muối này trong các dụng cụ đậy nắp kín. - Khối lượng mol: 110,99 g/mol - Điểm nóng chảy là 772oC - Nhiệt độ sôi: Lớn hơn 1600 oC - Tỷ trọng: 2,15 g/cm3. - Độ hòa tan trong nước khoảng 74,5g/100ml ở 20oC.
• Tính chất hóa học: Clorua canxi có thể phục vụ như là nguồn cung cấp ion canxi trong dung dịch, chẳng hạn để kết tủa do nhều hợp chất của canxi không hòa tan trong nước: 3CaCl2 (lỏng) + 2 K3PO4 → Ca3(PO4)2(rắn) + 6 KCl (lỏng) CaCl2 nóng chảy có thể điện phân để tạo ra canxi kim loại: CaCl2(lỏng) → Ca(rắn) + Cl2(khí) • Một vài ứng dụng của CaCl2 trong thực tế hiện nay: Sử dụng tính chất hút ẩm của nó, người ta có thể dùng nó để giữ một lớp chất lỏng trên mặt đường nhằm thu hút hết bụi. Nó cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăng nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông Do đặc tính hút ẩm mạnh của nó, nên không khí hay các loại khí khác có thể cho đi qua các ống chứa calci chloride để loại bỏ hơi ẩm. Cụ thể, calci chloride thông thường được sử dụng để cho vào các ống làm khô để loại bỏ hơi ẩm trong không khí trong khi vẫn cho khí đi qua. Nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng.
Quá trình hấp thụ nước là sinh nhiệt và nhanh chóng tạo ra nhiệt độ tới khoảng 60 °C (140 °F). Vì khả năng này, nó được biết đến như là tác nhân sấy khô hay chất hút ẩm. Calci chloride được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực mặn, được tìm thấy trong các loại đồ uống dành cho những người tập luyện thể thao và các dạng đồ uống khác, như smartwater và nước đóng chai của Nestle. Nó cũng có thể được sử dụng như là phụ gia bảo quản để duy trì độ chắc trong rau quả đóng hộp hoặc ở hàm Nguyễn Mạnh Cường 20160562 KTHH – K61 Trang 8 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD:TS.
Nguyễn Thị Thu Huyền lượng cao hơn trong các loại rau dưa muối để tạo ra vị mặn trong khi không làm tăng hàm lượng natri của thực phẩm. Calci chloride phẩm cấp y tế có thể tiêm vào đường ven để điều trị giảm canxi máu (thấp canxi huyết). Nó cũng có thể sử dụng cho: các vết đốt hay châm của côn trùng; các phản ứng mẫn cảm, cụ thể là khi có các đặc trưng như mày đay (phát ban); ngộ độc magie do dùng quá liều sullfat magie; như là chất bổ trợ trong kiểm soát các triệu chứng cấp tính trong ngộ độc chì; hồi tim mạch, cụ thể là sau phẫu thuật tim. Calci chloride dùng ngoài đường ruột có thể được sử dụng khi epinephrin thất bại trong việc cải thiện sự co cơ tim quá yếu hoặc không hiệu quả.
Tiêm calci chloride có thể trung hòa độc tính tim mạch trong tăng kali máu khi đo bằng điện tâm đồ.1, Sơ đồ công nghệ Ký hiệu Thiết bị 1 Thùng chứa dung dịch đầu 2 Bơm 3 Thùng cao vị 4 Van 1 chiều 5 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6, 7, 8 Cốc tháo nước ngưng Nguyễn Mạnh Cường 20160562 KTHH – K61 Trang 9 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD:TS. Nguyễn Thị Thu Huyền 9 Thùng chứa nước ngưng 10 Nồi cô đặc 1 11 Nồi cô đặc 2 12 Thùng chứa nước ngưng 13 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm 14 Bơm 15 Thùng chứa sản phẩm 16 Thiết bị ngưng tụ baromet 3.2, Nguyên lý làm việc của hệ thống thiết bị Hệ thống thiết bị cô đặc trên làm việc liên tục. Dung dịch đầu (CaCl2) ở thùng chứa (1) được bơm (2) đưa vào thùng cao vị số (3), sau đó chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt (5). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi cô dặc (10).
Vì khi dung dịch đi vào nồi cô đặc 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 thiết bị cô dặc 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 phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ, hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được đưa qua bộ phận thu hồi bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt.
Hơi thứ ra khỏi nồi cô đặc 1 được làm hơi đốt cho nồi cô đặc thứ 2 (11). Dung dịch từ nồi 1 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 (13) để làm mát sau đó được bơm về thùng chứa sản phẩm.
Việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt (13) để giảm thiểu việc hư hỏng và giảm tuổi thọ của bơm. Hơi thứ bốc ra khỏi nồi thứ 2 được đưa vào thiết bị ngưng tự Baromet. 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 (10) ra ngoài, còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt rồi vào bơm hút chân không. Nguyễn Mạnh Cường 20160562 KTHH – K61 Trang 10 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD:TS.
Nguyễn Thị Thu Huyền PHẦN II, TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ Các số liệu đầu: Dung dịch cần cô đặc: CaCl2 Năng suất tính theo dung dịch đầu: Gđ = 3,5 kg/s = 12600 kg/h Nồng độ đầu của dung dịch: Xđ = 7 % Nồng độ cuối của dung dịch: Xc = 30 % Áp suất hơi đốt: P1 = 4 at Áp suất hơi ngưng tụ: Png = 0,2 at Chiều cao ống truyền nhiệt: H=2m 1, Xác định lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống W. 1 − 𝑥đ 𝑥 𝑐 ) ( ) 𝑘𝑔 ℎ (1) Thay số liệu vào (1), ta có: ( 𝑊 = 12600 1 − 20 = 9660 7 ) ( ) 𝑘𝑔 ℎ 2, Xác định lượng lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi. Gọi : lượng hơi thứ bốc ra ở nồi thứ 1 là W1 (kg/h) lượng hơi thứ bốc ra ở nồi thứ 2 là W2 (kg/h) Giả sử lượng hơi thứ bốc ra ở mỗi nồi theo tỉ lệ: Nguyễn Mạnh Cường 20160562 KTHH – K61 Trang 11 Đồ án môn học Quá trình thiết bị CNHH&TP GVHD:TS. Nguyễn Thị Thu Huyền 𝑊1 1 𝑊2 = 1,04 ⇒ W2 = 1,04.
W1 = 2,04 W1 𝑊 ⇒ 𝑊1 = 2,04 Thay số vào: 𝑊1 = 9660 2,04 = 4735, 29( )𝑘𝑔 ℎ 𝑊2 = 1,04. 1,04 = 4924,71 ( ) 𝑘𝑔 ℎ 3, Xác định nồng độ cuối của dung dịch trong mỗi nồi.