LỜI MỞ ĐẦU Để trở thành một kỹ sư kỹ thuật hóa học, học phần “Đồ án Quá trình và thiết bị Công nghiệp hóa học – thực phẩm” đã giúp em bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư kỹ thuật hóa học là thiết kế, sản xuất thiết bị phục vụ nhiệm vụ sản xuất. Bộ môn “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học” cung cấp những kiến thức cần thiết cho sinh viên đặc biệt là kỹ sư máy hóa chất, giúp sinh viên hiểu và có khả năng vận hành các thiết bị máy móc trong công nghiệp sản xuất có liên quan. Đây là nền tảng căn bản, là cơ sở để các kỹ sư hiểu sâu hơn và nghiên cứu sản xuất các máy móc hiện đại hơn trên thế giới nhất là trong thời đại mà máy móc phát triển như vũ bão hiện nay. Trong phạm vi “Đồ án môn học – Nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xôi chiều thiết bị có phòng đốt ngoài thẳng dùng để cô đặc dung dịch NaNO3” đề cập đến việc tính toán và thiết kế những thiết bị chính, phụ và tính cơ khí của hệ thống.
Để hoàn thành đồ án này em đã nhận được sự giúp đỡ rất lớn từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè. Đặc biệt em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn TS. Cao Thị Mai Duyên đã giúp đỡ em tận tình để hoàn thành đồ án này. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến và sự góp ý của các thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: NGUYỄN THẮNG 1 download by : skknchat@gmail.com Đồ án QT & TB CN Hóa học và Thực phẩm GVHD: TS. CAO THỊ MAI DUYÊN PHẦN 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về sản phẩm NaNO3 a, Tính chất vật lý - Natri Nitrat thường ở dạng tinh thể không màu, khối lượng riêng 2,265 g/𝑐𝑚3 , có nhiệt độ nóng chảy là 𝑡𝑛𝑐 = 312℃. - Natri Nitrat tan trong nước, là chất điện li mạnh - Để ngoài không khí chúng bị chảy do hấp thụ hơi nước trong không khí - NaN𝑂3 kha bền với nhiệt (chúng có thể thăng hoa trong chân không ở 380-500 ℃ ).
b, Tính chất hóa học - Ở nhiệt độ cao NaN𝑂3 là chất oxi hóa mạnh - Khi bị đun nóng NaN𝑂3 bị phân hủy tạo thành muối Nitrit và oxi 𝑡° 2NaN𝑂3 → 2NaN𝑂2 + 𝑂2 - Phản ứng với Cu trong môi trương Axit: 2N𝑂3 − + 3𝐶𝑢 + 8𝐻 + → 3𝐶𝑢2+ + 2NO + 4𝐻2 𝑂 c, Ứng dụng - Trong thiên nhiên, chủ yếu được khai thác ở ChiLe nên được gọi là sanpet Chi Lê - Dùng để điều chế axit nitric, phân đạm, dùng trong công nghiệp thủy tinh, luyện kim, độ tinh khiết 99,3 %, dùng trong thí nghiệm công nghiệp, dân dụng - Dùng làm thuốc nổ đen 1. Sơ lược về quá trình cô đặc a, Quá trình cô đặc Quá trình cô đặc là quá trình làm đậm đặc dung dịch bằng việc đun sôi. Đặc điểm của quá trình này là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, chất hoà tan được giữ lại trong dung dịch, do đó, nồng độ của dung dịch sẽ tăng lên. Khi bay hơi, nhiệt độ của dung dịch sẽ thấp hơn nhiệt độ 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 trong lòng dung dịch( tạo thành bọt) khi áp suất hơi của dung môi SVTH: NGUYỄN THẮNG 2 download by : skknchat@gmail.com Đồ án QT & TB CN Hóa học và Thực phẩm GVHD: TS.
CAO THỊ MAI DUYÊN bằng áp suất chung trên mặt thoáng , trạng thái sôi chỉ có ở 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, do đó mà một số tính chất của dung dịch cũng sẽ thay đổi. Điều này có ảnh hưởng đến quá trình tính toán, cấu tạo vá vận hành của thiết bị cô đặc. Khi nồng độ tăng, hệ số dẫn nhiệt 𝜆, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt 𝛼 của dung dịch sẽ giảm.
Ngược lại, khối lượng riêng 𝜌, độ nhớt 𝜈, tổn thất do nồng độ Δ’ sẽ tăng. Đồng thời khi tăng nồng độ sẽ tăng điều kiện tạo thành cặn bám trên bề mặt truyền nhiệt, những tính chất đó sẽ làm giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị. 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 để đun nóng cho một thiết bị ngoài hệ thống thì ta gọi đó là hơi phụ. Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn.
Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở các áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kĩ thuật, khi làm việc ở áp suất thường thì có thể dùng thiết bị hở, khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc trong chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẩn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng). b, 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 đun nồi thứ hai, hơi thứ nồi hai đưa vào đun nồi ba.hơi thứ nồi cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. 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. Trong các loại hệ thống cô đặc nhiều nồi thì hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều được sử dụng nhiều hơn cả. SVTH: NGUYỄN THẮNG 3 download by : skknchat@gmail.com Đồ án QT & TB CN Hóa học và Thực phẩm GVHD: TS. CAO THỊ MAI DUYÊN Ưu điểm của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ sự chênh lệch áp suất giữa các nồi, nhiệt độ sôi của 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 làm quá trình tự bốc hơi.
Nhược điểm: nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm đi từ nồi đầu đến nồi cuối. Hơn nữa, dung dịch đi vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên cần phải tốn thêm một lượng hơi đốt để đun nóng dung dịch. Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, 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 của chất hoà tan trong dung dịch + Tách các chất hoà tan ở dạng rắn (kết tinh) + Tách dung môi ở dạng nguyên chất.
Sơ đồ - Mô tả dây chuyền sản xuất 1. Bản vẽ sơ đồ dây chuyền sản xuất (Bản vẽ tay A4 đính kèm) Chú thích: 1. Thùng chứa dung dịch đầu 2, 2’. Thùng cao vị 4.
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 6, 6’. Buồng đốt của nồi cô đặc 7, 7’. Buồng bốc hơi của nồi cô đặc 8. Thiết bị ngưng tụ baromet 9.
Thiết bị thu hồi bọt 10. Thùng chứa nước 11. Thùng chứa sản phẩm 12. Bơm chân không SVTH: NGUYỄN THẮNG 4 download by : skknchat@gmail.com Đồ án QT & TB CN Hóa học và Thực phẩm GVHD: TS.
CAO THỊ MAI DUYÊN 1. Nguyên lý làm việc của hệ thống - Dung dịch chứa trong thùng chứa được bơm (2) đưa lên thùng cao vị có chảy tràn để ổn định lưu lượng. Dung dịch sau nồi 1 đạt nồng độ 𝑥1 sẽ sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất. Sau nồi 2 dung dịch đạt nồng độ cuối và sẽ làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh (16) sau đó đẩy vào thùng chứa sản phẩm (15) - Hơi thứ ở nồi 1 (6) được làm hơi đốt cho nồi 2 (7) vì nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi dung dịch nồi 2 (7).
Hơi thứ nồi 2 (7) đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet. Hơi được ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống thùng chứa khí không ngưng có lẫn bọt qua cơ cấu tách bọt, bọt sẽ được đi xuống thùng chứa, khí không ngưng đi ra ngoài nhờ bơm (11). Hệ thống cô đặc xuôi chiều (hơi đốt và dung dịch đi cùng chiều với nhau từ nồi nọ sang nồi kia) được dùng khá phổ biến trong công nghiệp hóa chất. Nhiệt độ sôi của 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 sẽ được làm lạnh đi và lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một lượng nước gọi là quá trình tự bốc hơi.
Nhưng khi dung dịch vào nồi đầu có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch, thì cần phải đun nóng dung dịch do đó tiêu tốn thêm một lượng hơi đốt. Vì vậy, khi cô đặc xuôi chiều, dung dịch trước khi vào nồi nấu đầu cần được đun nóng sơ bộ bằng hơi phụ hoặc nước ngưng tụ. Nhược điểm của cô đặc xuôi chiều là nhiệt độ của dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ của dung dịch 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.