LỜI MỞ ĐẦU Đồ án Quá trình thiết bị trong công nghệ hóa học nhằm giúp sinh viên bi ết cách vận dụng các kiến thức của môn học vào việc thiết kế một thiết bị chính và thiết bị phụ trong hệ thống thiết bị phục vụ trong sản xuất. Đó là nền tảng cẳn bản, và là cơ sở để các kỹ sư có thể hiểu sâu hơn nhằm nghiên cứu sản xuất các thiết bị máy móc hiện đại, đáp ứng nhu cầu phát triển của kinh tế và xã hội,….Qua việc làm đồ án môn học, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu phục vụ việc tra cứu, vận dụng những kiến thức, quy trình trong tính toán thiết kế một cách khoa học và có cái nhìn vấn đề một cách hệ thống. Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục với dung dịch CaCl2 , năng suất 12600 kg/h, nồng độ dung dich ban đầu 7%, nồng đ ộ s ản ph ẩm 23%. Do hạn chế về chiều sâu kiến thức, kinh nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế.
Em mong sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến và chỉ dẫn thêm của thầy cô để đồ án thiết kế của em có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn cô Cao Thị Mai Duyên đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! 6 SVTH: Phạm Sỹ Nguyên - 20191006 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: TS. Cao Thị Mai Duyên PHẦN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1, Tổng quan 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 chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể. + Thu dung môi ở dạng nguyên chất. - Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi còn chất tan không bay hơi được giữ lại trong dung dịch, do đó nồng độ dung d ịch sẽ tăng lên, Khi bay hơi, nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhi ệt đ ộ sôi, áp suất hơi của dung môi trên mặt dung dịch lớn hơn áp suất riêng phần của nó ở khoảng trống trên mặt thoáng dung dịch nhưng nhỏ hơn áp suất chung.
Trạng thái bay hơi có thể xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau và nhiệt độ càng tăng thì tốc độ bay hơi càng lớn còn sự bốc hơi(ở trạng thái sôi) diễn ra ngay cả ở trong lòng dung dịch(tạo thành bọt), khi có áp suất hơi của dung môi bằng áp suất trên mặt thoáng , trạng thái sôi có nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ của dung dịch đã cho. - Trong quá trình cô đặc, nồng độ của dung dịch tăng lên dẫn đ ến m ột s ố tính chất của dung dịch sẽ thay đổi. Điều này có thể ảnh hưởng đến việc tính toán và vận hành của thiết bị cô đặc. - Hơi dung môi được tách ra từ quá trình cô đặc được gọi là hơi thứ, hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng đung nóng thiết bị khác.
- Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, liên tục hoặc gián đoạn. Quá trình cô đặc cũng có thể thực hiện ở các áp suất khác nhau tùy vào yêu cầu kĩ thuật. Khi làm việc ở áp suất thường thì có thể sử dụng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là giảm áp suất dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt(khi áp suất giảm thì 7 SVTH: Phạm Sỹ Nguyên - 20191006 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: TS. Cao Thị Mai Duyên nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng).2, Cô đặc nhiều nồi.
- Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nó mang ý nghĩa kinh tế cao về sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể được tóm tắt: Ở nồi 1, dung dịch được đun nóng bằng hơi đ ốt, h ơi th ứ c ủa n ồi này đưa vào đun cho nồi thứ 2, hơi thứ nồi 2 lại đem đun cho nồi 3,… H ơi th ứ cu ối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ, dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng lên. Đi ều ki ện c ần thi ết đ ể truyền nhiệt trong các nồi cô đặc 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 nồi trước là hơi đốt 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.
- Trong các hệ thống cô đặc thì cô đặc nhiều nồi xuôi chiều được sử dụng nhi ều hơn cả. - Ưu điểm loại này là dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch đi vào mỗi nồi(trừ nồi đầu) đều có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi kết quả là dung dịch được làm lạnh đi, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước trong quá trình tự bốc hơi. - Nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần tốn thêm một l ượng h ơi đ ốt đ ể đun nóng dung dịch.3, Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm.
- Là thiết bị cô đặc có 1 ống tuần hoàn đặt ở tâm thiết bị 8 SVTH: Phạm Sỹ Nguyên - 20191006 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: TS. Cao Thị Mai Duyên - Muốn cho dung dịch tuần hoàn tốt thì nên cho dung dịch vào phòng đốt chiếm từ 0,4 – 0,7 chiều cao ống. Tốc độ đi trong ống tuần hoàn chọn khoảng 0,4 – 0,5 m/s. Diện tích thiết diện của ống tuần hoàn lấy khoảng 20-35% tiết diện của ống truyền nhiệt.
- Ưu điểm: + Cấu tạo đơn giản. + Dễ dàng cọ rửa, sửa chữa. - Nhược điểm: + Tốc độ tuần hoàn bé. + Hệ số truyền nhiệt thấp.
- Phạm vi ứng dụng: Cô đặc các dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch nhiều váng cặn. 2, Tổng quan về dung dịch CaCl2 2.1, Giới thiệu chung. - CaCl2 là một hợp chất hóa học có tên gọi là Canxi Clorua. Là hợp chất ion của Canxi và Clo.
- CaCl2 có tính đóng cặn, tính ăn mòn hóa học và không tạo bọt, do đó chú ý đến vấn đề chọn vật liệu - Tính chất vật lý: + CaCl2 có dạng bột màu trắng, không mùi và được sản xuất từ đá vôi + Khối lượng mol: 110,99 g/mol + Khối lượng riêng: 2,15 g/cm3 + Điểm nóng chảy: 772-782 °C + Độ tan trong nước (74,5 g/L (20 °C)) + Điểm sôi : >1600°C - Tính chất hóa học: 9 SVTH: Phạm Sỹ Nguyên - 20191006 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: TS. Cao Thị Mai Duyên + CaCl2 có thể phục vụ như nguồn cung canxi trong dd, chẳng hạn để kết tủa do nhiều hợp chất của canxi không tan trong nước 3 CaCl2(lỏng) + 2 K3PO4(lỏng) → Ca3(PO4)2(rắn) + 6 KCl(lỏng) + CaCl2 nóng chảy có thể điện phân tạo ra canxi kim loại: CaCl2(lỏng) → Ca(rắn) + Cl2(khí) 2. Canxi clorua có thể được sản xuất từ đá vôi còn trong công nghiệp, canxi clorua được sản xuất bằng cách thu nó dưới dạng một sản phẩm phụ của quy trình Solvay. - Trong công nghiệp Canxi clorua có đặc tính là hút ẩm mạnh nên không khí hay các loại khí khác có thể được cho đi qua các ống chứa clorua canxi để loại bỏ hơi ẩm trong đó.
Canxi clorua 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. Bên cạnh đó nó cũng có thể cho vào dung dịch lỏng nào đó để loại bỏ nước trộn lẫn hay lơ lửng. Nhờ vào khả năng này mà canxi clorua được biết đến như là tác nhân sấy khô hay là chất hút ẩm. Canxi clorua cũng được sử dụng như là hợp chất làm tan băng do lượng nhiệt tỏa ra lớn trong quá trình hòa tan của nó.
Khi được phân phối cho mục đích này, canxi clorua thường được sản xuất dưới dạng các viên nhỏ màu trắng, đường kính vài milimet. Ngoài ra, Canxi clorua còn được dùng để giữ một lớp chất lỏng trên mặt đường để hút hết bụi do canxi clorua có tính chất hút ẩm. Bên cạnh đó, canxi clorua cũng được sử dụng trong phối trộn bê tông nhằm tăng nhanh quá trình ổn định ban đầu của bê tông nhưng ion clorua lại dẫn tới sự ăn mòn của các thanh gia cố bằng thép, vì thế không nên sử dụng nó trong bê tông chịu lực. Canxi clorua ở dạng lỏng (trong dung dịch với nước) được dùng để nhồi đầy các lốp không săm bổ sung như là các đồ dằn lỏng và hỗ trợ cho sức kéo trong điều kiện khí hậu lạnh.
Bên cạnh đó, canxi clorua còn được sử dụng để làm phụ gia trong hóa dẻo, hỗ trợ tiêu nước trong xử lý nước thải, làm chất bổ sung trong các thiết bị 10 SVTH: Phạm Sỹ Nguyên - 20191006 Đồ án quá trình thiết bị GVHD: TS. Cao Thị Mai Duyên dập lửa bình cứu hỏa, phụ gia trong kiểm soát tạo xỉ trong các lò cao và cũng dùng làm chất pha loãng trong các loại thuốc làm mềm vải. - Trong thực phẩm Canxi clorua là một phụ gia thực phẩm được phép sử dụng tại Liên minh châu Âu để làm phụ gia cô lập và chất làm chắc. Còn canxi clorua ở dạng khan được FDA phê để làm phụ gia hỗ trợ đóng gói để bảo đảm độ khô.
Đặc biệt, canxi clorua còn được sử dụng phổ biến như là chất điện giải và có vị cực mặn dùng để sản xuất các loại đồ uống cho những người chuyên tập luyện thể thao và một số đồ uống khác.