Đang tải... (xem toàn văn)
mình đăng lên cho các bạn tham khảo , về thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch NaCl có phòng đốt ngoài
Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU 3 PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 6 PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 7 I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống 7 II. Lượng hơi thứ mỗi nồi 7 III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi 8 IV. Chênh lệch áp suất chung 8 V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi 8 VI. Nhiệt độ t’i (oC), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi 9 VII. Tổn thất nhiệt độ cho từng nồi 11 1. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thuỷ tĩnh dâng cao ∆i” : 11 2. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆i’ 13 3. Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống 14 VIII. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống 15 1. Hiệu số nhiệt độ hữu ích trong mỗi nồi 15 2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích cho cả hệ thống 15 3. Bảng tổng hợp số liệu 2 15 IX. Tính nhiệt lượng hơi đốt D [kg/h], hơi thứ Wi [kg/h] 16 1. Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng 16 2. Phương trình cân bằng nhiệt lượng 16 3. Xác định lại tỷ lệ phân phối hơi thứ giữa các nồi 18 4. Bảng tổng hợp số liệu 3: 18 X. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình từng nồi 19 1. Hệ số hiệu chỉnh ở các nồi 19 2. Tổng nhiệt trở của thành ống truyền nhiệt 21 3. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình ở nồi 1 22 4. Hệ số cấp nhiệt, nhiệt lượng trung bình của nồi 2 24 5) Bảng tổng hợp số liệu 6 25 XI. Xác định hệ số truyền nhiệt từng nồi 26 1. Hệ số truyền nhiệt Ki 26 2. Lượng nhiệt tiêu tốn 26 XII. Nhiệt độ hữu ích từng nồi 26 1. Lập tỉ số: Li = 27 2. Tính hiệu số nhiệt độ hữu ích cho từng nồi 27 XIII. So sánh ∆Ti* và ∆Ti 27 1. Nồi 1 27 2. Nồi 2 27 3. Bảng số liệu 7 27 XIV. Tính bề mặt truyền nhiệt F 28 PHẦN 4. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 29 I.Hệ thống thiết bị 29 II. Tính toán 29 1. Tính lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ 30 1 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - 2. Đường kính trong của thiết bị 30 3. Kích thước tấm ngăn 31 4. Chiều cao thiết bị ngưng tụ 32 5. Kích thước ống Baromet 33 6. Lượng hơi và khí không ngưng 35 7. Tính toán bơm chân không 36 PHẦN 5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 38 A.Buồng đốt 38 I. Xác định số ống trong buồng đốt 38 II. Xác định đường kính trong buồng đốt 38 III. Chiều dày phòng đốt 39 1. Kiểu buồng đốt 39 2. Tính chất cơ học của vật liệu 39 3. Các số liệu 40 4. Chiều dày phòng đốt 41 5. Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử 41 IV. Tính chiều dày lưới đỡ ống 41 1. Để đáp ứng yêu cầu 1 42 2.Để đáp ứng yêu cầu 4 42 3. Để đáp ứng yêu cầu 2 42 4. Để đáp ứng yêu cầu 3 42 V. Chiều dày đáy lồi phòng đốt 43 VI.Tra bích để lắp đáy và thân, số bulông cần thiết để lắp ghép bích đáy 45 B. Buồng bốc hơi 45 I.Thể tích buồng bốc hơi 45 II.Tính chiều cao phòng bay hơi 46 III.Chiều dày phòng bốc 46 IV. Chiều dày nắp buồng bốc 47 IV.Tra bích để lắp đáy, nắp và thân buồng bốc 49 C. Một số chi tiết khác 49 I. Đường kính các ống nối dẫn hơi và dung dịch vào và ra thiết bị 49 1. Ống d ẫn hơi đốt vào 49 2. Đối với ống dẫn dung dịch vào : 50 3. Đối với ống dẫn hơi thứ ra 51 4. Đối với ống dẫn dung dịch ra 52 5. Đối với ống tháo nước ngưng 52 II. Tính và chọn tai treo 53 1 Tính Gnk 53 2. Tính Gnd 56 3. Khối lượng nồi khi thử thuỷ lực 57 4. Chọn tai treo 57 III. Chọn kính quan sát 58 IV.Tính bề dày lớp cách nhiệt 58 PHẦN 6. KẾT LUẬN 59 PHẦN PHỤ LỤC 62 2 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - PHẦN 1. MỞ ĐẦU * * * Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hoá chất là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên khoa Công nghệ Hoá học trường Đại học Bách Khoa Hà nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hoá học” Trên cơ sở lượng 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 các 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 phong 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, phòng đốt ngoài làm việc liên tục với dung dịch NaCl, năng suất 16000 kg/h, nồng độ dung dịch ban đầu 10%, nồng độ sản phẩm 25%. Quá trình cô đặc Quá trình cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất hoà tan (không hoặc khó bay hơi) trong dung môi bay hơi. Đặc điểm của quá 3 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - trình cô đặ là dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn chất hoà tan trong dung dịch không bay hơi do đó nồng độ của dung chất sẽ tăng dần lên. 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 hơi thứ dùng để đun nóng một thiết bị khác ngoài hệ thống cô đặc thì gọi đó là hơi phụ. Cô đặc nhiều nồi Cô đặc nhiều nồi là quá trình sử dụng hơi thứ thay cho hơi đốt, do đó có ý nghĩa cao về mặt sử dụng nhiệt. Nguyên tắc của cô đặc nhiều nồi : Nồi đầu dung dịch được đun nóng bằng hơi đốt, hơi thứ bốc lên ở nồi nay được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai sẽ được đưa vào làm hơi đốt của nồi thứ ba, hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống được đưa vào thiết bị ngưng tụ. Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi trước đến nồi sau, qua mỗi nồi nồng độ của dung dịch tăng dần lên do dung môi bốc hơi một phần. Hệ thống cô đặc nhiều nồi được sử dụng khá phổ biến trong thực tế sản xuất. Ưu điểm nổi bật của loại này là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước ra nồi sau nhờ chênh lệch áp suất giữa các nồi. Nhược điểm của nó là nhiệt độ của nồi sau thấp hơn nhưng nồng độ lại cao hơn so với nồi trước nên đọ nhớt của dung dịch tăng dần dẫn đến hệ số truyền nhiệt của hệ thống giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. Dung dịch NaCl NaCl (Natri clorua) là muối của axit HCl (axit clohidric) và bazơ NaOH (Natri hidroxit) còn có tên gọi quen thuộc khác là muối ăn. NaCl là muối kết tinh rắn, không màu, dễ tan trong nước, nóng chảy ở 4 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - 800 o C. Dung dịch NaCl có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của nước. NaCl là chất rất cần thiết cho cuộc sống của người và động vật. Là nguyên liệu để điều chế ra NaOH, Cl 2, axit HCl và nước Javen, , được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp lạnh. 5 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - PHẦN 2. SƠ ĐỒ - MÔ TẢ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT * * * • Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều làm việc liên tục. Dung dịch đầu (NaCl10%) được bơm (4) đưa vào thùng cao vị (5) từ thùng chứa (3), sau đó chảy qua lưu lượng kế (6) vào thiết bị trao đổi nhiệt (7). Ở thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi rồi đi vào nồi (1). Ở nồi (1), 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. Một phần khí không ngưng được đưa qua cửa tháo khí không ngưng. Nước ngưng được đưa ra khỏi phòng đốt bằng cửa tháo nước ngưng. Dung dịch sôi, dung môi bốc hơi lên trong phòng bốc gọi là hơi thứ. Hơi thứ trước khi ra khỏi nồi cô đặc được qua bộ phận tách bọt nhằm hồi lưu phần dung dịch bốc hơi theo hơi thứ qua ống dẫn bọt. Dung dịch từ nồi (1) tự di chuyển sang nồi thứ hai do đó 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 của nồi sau, do đó dung dịch di vào nồi (2) 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. Dung dịch sản phẩm ở nồi (2) được đưa vào thùng chứa sản phẩm (11). Hơi thứ bốc ra khỏi nồi (2) được đưa vào thiết bị ngưng tụ Baromet (thiết bị ngung tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao). 6 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - Trong thiết bị ngưng tụ, nước làm lạnh từ trên đi xuống, ở đây hơi thứ được ngưng tụ lại thành lỏng chảy qua ống Baromet (10) ra ngoài còn khí không ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (9) rồi vào bơm hút chân không (12) *Chú thích: 1, 2 : nồi cô đặc 3 : thùng chứa dung dịch đầu 4, 10 : bơm 5 : thùng cao vị 6 : lưu lượng kế 7 : thiết bị trao đổi nhiệt 8 : thiết bị ngưng tụ baromet 9 : bộ phận thu hồi bọt 11 : ống baromet 12 : bơm chân không PHẦN 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH * * * Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo dung dịch đầu G đ = 8700kg/h Nồng độ đầu : 10% khối lượng. Nồng độ cuối 28 % khối lượng. Áp suất của hơi đốt P 1 = 6 at. Áp suất của hơi ngưng tụ P ng = 0,19 at. I. Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống. W=G(1-x đ /x c )=8700[1-0.1/0.28]=5592.86[kg/h] II. Lượng hơi thứ mỗi nồi. 7 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - Giả thiết mức phân phối lượng hơi thứ bốc ra ở hai nồi là như nhau. Vậy W 1 = W 2 = W/2 = 5592.86/2 = 4800 (kg/h). III. Nồng độ cưối của dung dịch trong mỗi nồi. Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 là x c1 . Gọi nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 là x c2 . Từ (1) ta có x c1 = G đ . 1 W− d d G x VI2[2-57] Thay số ta có x c1 = 14,74% Tương tự x c2 = G đ . 21 WW −− d d G x Thay số ta có x c2 = 28 %. IV. Chênh lệch áp suất chung Chênh lệch áp suất chung của hệ thống ∆p là hiệu số giữa áp suất hơi đốt sơ cấp p 1 ở nồi 1 và áp suất hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ p ng ∆p = p 1 – p ng , at thay số ta có : ∆p = 4 – 0.19 = 3.81at V. Áp suất và nhiệt độ hơi đốt cho mỗi nồi a)Áp suất Giả thiết phân bố hiệu số áp suất hơi đốt giữa các nồi: ∆p 1 : ∆p 2 = a 1 :a 2 = 2,6:1. ∆p i = ∑ = − ∆ 2 1 1 . j j i a ap ,[at]4[5-9] (2) 8 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - Thay số vào (2) ta có: ∆p 1 = ∆p. a 1 /(a 1 +a 2 ) = 3,81. 2,6 /(2,6+1) = 2,752 at ∆p 2 = ∆p. a 2 /(a 1 +a 2 ) = 3,8.1 /(2,6+1) = 1,058 at Áp suất hơi đốt từng nồi được tính: P i = p i-1 - ∆p i-1 at 4[5-9] (3) Thay số vào (3) ta có p 2 = p 1 - ∆p 1 = 4 – 2,752 = 1,248 at p 1 = 4 at b) Nhiệt độ hơi đốt T ( 0 C), nhiệt lượng riêng i (J/kg), nhiệt hoá hơi r(J/kg) : Tra bảng (I-251) trong [1 - 314] theo áp suất, ta có tại p 1 = 4 at ta có: T 1 = 142,9 0 C. i 1 = 2744.10 3 J/kg r 1 = 2141.10 3 J/kg tại p 2 = 1,248 at ta có T 2 = 105,28 0 C i 2 = 2687,68.10 3 J/kg r 2 = 2246,12.10 3 J/kg tại p ng = 0,19 at ta có T ng = 58,48 0 C VI. Nhiệt độ t ’ i ( o C), áp suất hơi thứ (at) ra khỏi từng nồi. a) Nhiệt độ Theo công thức: t i ’ = T i+1 + ∆ i ”’ , 0 C (4) ∆ i ”’ : Là tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống. 9 Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang - Thường chọn ∆ i ”’ = 1 0 C Thay số vào công thức (4) ta có t 1 ’ = T 2 + 1,4 = 105,28 + 1 = 106,28 o C t 2 ’ = T ng + 1,4 = 58,48 + 1 = 59,48 o C Áp suất, nhiệt lượng riêng, nhiệt hoá hơi của hơi thứ trong mỗi nồi Tra bảng (I-250) trong [1 –312] theo nhiệt độ Tại t 1 ’ = 106,28 0 C Ta có p 1 ’ = 1,29 at i 1 ’ = 2689,3.10 3 J/kg r 1 ’ = 2244,42.10 3 J/kg. Tại t 2 ’ = 59,48 0 C Ta có p 2 ’ = 0,1987 at i 2 ’ = 2607,3.10 3 J/kg r 2 ’ = 2358,075.10 3 J/kg c) Ta có bảng tổng hợp số liệu 1: Nồi Hơi đốt Hơi thứ x % P At T o C i.10 -3 J/kg r.10 -3 J/kg P ’ at t ’ o C i ’ .10 -3 J/kg r ’ .10 -3 J/kg x 1 4 142,9 2744 2141 1,29 106,2 8 2689, 3 2244,4 2 14,74 2 1,24 8 105,2 8 2687,6 8 2246,1 2 0,198 7 59,48 2607, 3 2358,0 75 28 10 [...]... cả hệ thống 2 ∑ ∆ = ∆1” + ∆ 2” = 4.36 + 0,904 = 5,264 0C " i 1 2 Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ∆i’ Do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất [2- 59] ' ∆ i=16,2 ∆ 0i ’ Ti 2 ri ' 0 C [VI.10](2-59) (7) a) Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất khí quyển Tra bảng (VI- 2) , [2-66] ta có : Với dung dịch NaCl. .. trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang Hệ số dẫn nhiệt của dung dịch được tính theo công thức(I32) [1123] λ = A.C dd ρ 3 ρ M W/m độ (11) Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng Cp1 = 3852,3 J/kg độ Cp2 = 3567 J/kg độ ρ: Khối lượng riêng chất lỏng (dung dịch NaCl từng nồi) ρdd 1 = 1.0475.103 kg/m3 ρdd 2 = 1.1573.103 kg/m3 A: Hệ số phụ... quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang PHẦN 4 TÍNH THIẾT BỊ PHỤ (Thiết bị ngưng tụ Baromet) * * * I .Hệ thống thiết bị Chọn thiết bị ngưng tụ Barômet (thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao) Chú thích: 1- Thân 2- Thiết bị thu hồi bọt 3- Ống baromet 4- Tấm ngăn hình bán nguyệt 5- Ống dẫn khí không ngưng Thiết bị ngưng... thoáng dung dịch , N/m2 *) Nồi 1 p01 = p’1 = 1,29at = 194238 N/m2 *) Nồi 2 p02 = p’2 = 0.1987 at = 20797 N/m2 h1 :Chiều cao lớp dung dịch từ miệng ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch và thường chọn h 1 = 0,5 m H: Chiều cao ống truyền nhiệt H = 2 m g : gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 ρdd : khối lượng riêng của dung dịch tại nhiệt độ sôi Lấy gần đúng bằng ½ khối lượng riêng của dung dịch ở 25... Nồi 2 ∆ 2’ = 1 7 = 7 0C *) Cho cả hệ thống 2 ∑ ∆ =∆1’+ ∆ 2’ = 3,9 + 7 = 10,9 0C ' i 1 3 Tổn thất nhiệt độ do trở lực đưòng ống Ở trên ta đã giả thiết ∆ ”’ trong mỗi nồi bằng nhau và bằng 1 do đó cả hệ thống thì : ∑ ∆ ’’’ = 1 + 1 = 2 oC 4 Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là 14 - Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang ... toán Các số liệu cần biết : • Hơi thứ ở nồi cuối trong hệ thống cô đặc W = W2 = 4910 kg/h • Áp suất ở thiết bị ngưng tụ 29 - Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang Png = 0,2 at • Các thông số vật lí của hơi thứ ra khỏi hệ thống p’2 = 0,212 at t2’ = 60,9 oC x2 = 25% i2’ = 2610,14.103... θ ) *) D:Lượng hơi đốt ở nồi 1, kg/h *) Gđ : Lượng dung dịch đầu bằng 16000 kg/h *) C0,C1,C2: Nhiệt dung riêng của dung dịch vào nồi 1 nồi 2 và ra khỏi nồi 2 Tra bảng (I-163) , [1-207] ta có : Với x = 10% và t = 158,1oC thì C0 = 3986 J/kg.độ Với x = 14,74% và t = 124,3 oC thì C1 = 3852,3 J/kg.độ Với x = 25% và t = 78,7 oC thì C2 = 3567 J/kg.độ *) i1, i2: Nhiệt dung riêng của hơi đốt nồi 1 và nồi 2... hoá học Mai Kiện Khang c) Hệ số cấp nhiệt α22 từ bề mặt đốt đến chất lỏng sôi Theo công thức (16) ta có: ∆t22 = 39,3 – 7,15 – 42607.0,5033.10-3 = 10,95 oC Theo công thức (15) ta có: α22 = 45,3 0,202 10,952,33 0,741 = 3990,7 W/m2 độ d) Nhiệt tải riêng về phía dung dịch Theo công thức (14) q22 = 3990,7.10,95 = 43698 W/m2 e) So sánh q12 và q22 ∂q1 = |... nhiệt lượng trung bình của nồi 2 a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi Theo công thức (13) ta có: α12 = 2,04 2212,5.10 3 185,2 7,15.5 0 , 25 = 5959 W/ m2 độ b) Nhiệt tải riêng về phía hơi ngưng tụ Theo công thức (14) ta có : q12 = α12.∆t12 = 5959.7,15 = 42607 W/m2 24 - Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang ... nồi 1 T1 ∆T1 tT1 ∆t0 tT2 ∆T2 T2 Giả thiết rằng chênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt và thành ống truyền nhiệt ở nồi1là ∆t11= 3,8oC và ∆t12 = 4,5oC a) Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi được tính theo công thức : [2-28] α1i = 2,04 r Ai ∆t i.H 1i 0, 25 W/m2 độ (13) 22 - Đồ án quá trình và thiết bị Công nghệ hoá học Mai Kiện Khang