TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC & VẬT LIỆU o0o BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG MỘT NỒI LIÊN TỤC ĐỂ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH GVHD: Tiền Tiến Nam SVTH: Vũ Thị Mỹ Thi MSSV: 2004140463 Lớp: 05DHHH3 Khóa học : 2014 – 2018 Thành Phố Hồ Chí Minh 5/2017 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH MỤC LỤC GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH LỜI CẢM ƠN Một môn học lại qua, chúng em với mơn học “ĐỒ ÁN Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” cung cấp cho em nhiều kiến thức vận hành, thiết kế hệ thống hệ thống cô đặc đề tài em làm đặc NaOH Sau 12 tuần làm việc môn đồ án hướng dẫn nhiệt tình thầy Tiền Tiến Nam thuộc mơn Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM, chúng em đến ngày hơm hồn thành mơn đồ án mơn học “Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” với qua em xin chân thành cảm ơn thầy Tiền Tiến Nam, thầy cô môn “QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ” bạn chung khóa giúp em hồn thành mơn đồ án Vì đồ án đề tài lớn em, điều thiếu xót hạn chế khơng thể tránh khỏi Mong đóng góp ý kiến , dẫn từ thầy bạn bè để củng cố thêm kiến thức chuyên môn Em xin chân thành cảm ơn GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC I - Nhiệm Vụ Của Đồ Án Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Nồng độ dịch ban đầu 10% Nồng độ sản phẩm 20% Áp suất chân không cô đặc 0,65at Nhiệt độ đầu nguyên liệu: 300C (chọn) II Giới Thiệu Về Nguyên Liệu Natri hydroxid NaOH nguyên chất chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng 2,13 g/ml, nóng chảy 318oC sơi 1388oC áp suất khí NaOH tan tốt nước (1110 g/l 20oC) hoà tan toả nhiệt mạnh NaOH tan dung môi hữu methanol, ethanol… NaOH rắn dung dịch NaOH dễ hấp thụ CO2 từ khơng khí nên chúng cần chứa thùng kín Dung dịch NaOH base mạnh, có tính ăn da có khả ăn mịn cao Vì vậy, ta cần lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị đảm bảo an tồn lao động q trình sản xuất NaOH Ngành công nghiệp sản xuất NaOH ngành sản xuất hoá chất lâu năm Nó đóng vai trị to lớn phát triển ngành công nghiệp khác dệt, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn… Trước công nghiệp, NaOH sản xuất cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO2 lỗng nóng Ngày nay, người ta dùng phương pháp đại điện phân dung dịch NaCl bão hoà Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu thường có nồng độ lỗng, gây khó khăn việc vận chuyển xa Để thuận tiện cho chuyên chở sử dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến nồng độ định theo yêu cầu III Khái Quát Về Cô Đặc Định Nghĩa Cô đặc phương pháp dùng để nâng cao nồng độ chất hoà tan dung dịch gồm hai nhiều cấu tử Q trình đặc dung dịch lỏng – rắn hay lỏng – lỏng có chênh lệch nhiệt độ sôi cao thường tiến hành cách tách phần dung môi (cấu tử dễ bay hơn); q trình vật lý – hố lý Tuỳ theo tính chất cấu tử khó bay (hay khơng bay q trình đó), ta tách phần dung mơi (cấu tử dễ bay hơn) phương pháp nhiệt độ (đun nóng) phương pháp làm lạnh kết tinh GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Các Phương Pháp Cơ Đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung mơi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái tác dụng nhiệt áp suất riêng phần áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng Phương pháp lạnh: hạ thấp nhiệt độ đến mức đó, cấu tử tách dạng tinh thể đơn chất tinh khiết; thường kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan Tuỳ tính chất cấu tử áp suất bên ngồi tác dụng lên mặt thống mà q trình kết tinh xảy nhiệt độ cao hay thấp ta phải dùng máy lạnh Ứng Dụng - Dùng sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chín, dung dịch nước trái Dùng sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, muối vơ cô IV Thiết Bị Cô Đặc Phân Loại • Theo Cấu Tạo Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hồn tự nhiên) Thiết bị đặc nhóm đặc dung dịch lỗng, độ nhớt thấp, đảm bảo tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • • Có buồng đốt (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn ngồi Có buồng đốt ngồi (khơng đồng trục buồng bốc) Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng (tuần hồn cưỡng bức) Thiết bị đặc nhóm dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s bề mặt truyền nhiệt Ưu điểm tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh bề mặt truyền nhiệt Bao gồm: • • Có buồng đốt trong, ống tuần hồn ngồi Có buồng đốt ngồi, ống tuần hồn ngồi Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng Thiết bị đặc nhóm cho phép dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt lần (xuôi hay ngược) để tránh tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất số thành phần dung dịch Đặc biệt thích hợp cho dung dịch thực phẩm nước trái cây, hoa ép Bao gồm: GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt khó vỡ • Màng dung dịch chảy xi, có buồng đốt hay ngồi: dung dịch sơi tạo bọt bọt dễ vỡ • Theo phương thức thực q trình Cơ đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi áp suất không đổi; thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt suất cực đại thời gian cô đặc ngắn Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sơi thấp áp suất chân khơng Dung dịch tuần hồn tốt, tạo cặn bay dung môi diễn liên tục Cơ đặc nhiều nồi: mục đích tiết kiệm đốt Số nồi khơng nên q lớn làm giảm hiệu tiết kiệm Người ta cô chân không, cô áp lực hay phối hợp hai phương pháp; đặc biệt sử dụng thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu kinh tế Cô đặc liên tục: cho kết tốt đặc gián đoạn Có thể điều khiển tự động chưa có cảm biến đủ tin cậy Đối với nhóm thiết bị, ta thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngồi, có khơng có ống tuần hồn Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật tính chất dung dịch, ta áp dụng chế độ đặc áp suất chân không, áp suất thường áp suất dư • - - - Hệ Thống Cô Đặc Chân Không Liên Tục Các Thiết Bị Và Chi Tiết Trong Cơ Đặc Thiết bị chính: - Ống nhập liệu, ống tháo liệu - Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt - Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp - Các ống dẫn: đốt, thứ, nước ngưng, khí khơng ngưng Thiết bị phụ: - Bể chứa nguyên liệu - Bể chứa sản phẩm - Bồn cao vị - Lưu lượng kế GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH - Thiết bị gia nhiệt - Thiết bị ngưng tụ baromet - Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị - Bơm tháo liệu - Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ - Bơm chân không - Các van - Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất… GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để đặc dung dịch NaOH PHẦN 2: THUYẾT TRÌNH QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Ngun liệu ban đầu dung dịch NaOH có nồng độ 10% Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu bơm lên bồn cao vị Từ bồn cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt đun nóng đến nhiệt độ sôi Thiết bị gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt đứng, bên gồm nhiều ống nhỏ bố trí theo đỉnh hình tam giác Các đầu ống giữ chặt vỉ ống vỉ ống hàn dính vào thân Nguồn nhiệt nước bão hồ có áp suất at bên ngồi ống (phía vỏ) Dung dịch từ lên bên ống Hơi nước bão hoà ngưng tụ bề mặt ống cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ dung dịch lên nhiệt độ sôi Dung dịch sau gia nhiệt chảy vào thiết bị đặc để thực q trình bốc Hơi nước ngưng tụ thành nước lỏng theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy chảy ngồi Ngun lý làm việc nồi đặc: Phần thiết bị buồng đốt, gồm có ống truyền nhiệt ống tuần hoàn trung tâm Dung dịch ống đốt (hơi nước bão hồ) khoảng khơng gian ngồi ống Hơi đốt ngưng tụ bên ống truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động ống Dung dịch ống theo chiều từ xuống nhận nhiệt đốt ngưng tụ cung cấp để sôi, làm hố phần dung mơi Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy để chảy Nguyên tắc hoạt động ống tuần hoàn trung tâm: Khi thiết bị làm việc, dung dịch ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp lỏng – có khối lượng riêng giảm bị đẩy từ lên miệng ống Đối với ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn so với ống truyền nhiệt nên lượng tạo ống truyền nhiệt lớn Vì lý trên, khối lượng riêng hỗn hợp lỏng – ống tuần hoàn lớn so với ống truyền nhiệt hỗn hợp đẩy xuống Kết có dịng chuyển động tuần hoàn tự nhiên thiết bị: từ lên ống truyền nhiệt từ xuống ống tuần hồn Phần phía thiết bị buồng bốc để tách hỗn hợp lỏng – thành dịng Hơi thứ lên phía buồng bốc, đến phận tách giọt để tách giọt lỏng khỏi dòng Giọt lỏng chảy xuống thứ tiếp tục lên Dung dịch cịn lại hồn lưu Dung dịch sau đặc bơm ngồi theo ống tháo sản phẩm vào bể chứa sản phẩm nhờ bơm ly tâm Hơi thứ khí khơng ngưng từ phía buồng bốc vào thiết bị ngưng tụ baromet (thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp) Chất làm lạnh nước bơm vào ngăn dòng thứ dẫn vào ngăn thiết bị Dòng thứ lên gặp nước giải nhiệt để ngưng tụ thành lỏng chảy xuống bồn chứa qua ống baromet Khí không ngưng tiếp tục lên trên, dẫn qua phận tách giọt bơm GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH chân không hút ngồi Khi thứ ngưng tụ thành lỏng thể tích giảm làm áp suất thiết bị ngưng tụ giảm Vì vậy, thiết bị ngưng tụ baromet thiết bị ổn định chân khơng, trì áp suất chân không hệ thống Thiết bị làm việc áp suất chân khơng nên phải lắp đặt độ cao cần thiết để nước ngưng tự chảy ngồi khí mà khơng cần bơm Bình tách giọt có vách ngăn với nhiệm vụ tách giọt lỏng bị lơi theo dịng khí khơng ngưng để đưa bồn chứa nước ngưng Bơm chân khơng có nhiệm vụ hút khí khơng ngưng ngồi để tránh trường hợp khí khơng ngưng tích tụ thiết bị ngưng tụ nhiều, làm tăng áp suất thiết bị nước chảy ngược vào nồi cô đặc GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH PHẦN 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH I Cân Bằng Vật Chất Và Năng Lượng Dữ Kiện Ban Đầu Nồng độ nhập liệu: xđ=10% Nồng độ sản phẩm: xc=20% Áp suất chân không Pck=0,65at ⇒Pc=0,35 Nhiệt độ đầu nguyên liệu: chọn t0 =300C Gia nhiệt nước bão hòa P=3at Cân Bằng Vật Chất Suất Lượng Nhập Liệu (Gđ) ⇒ Tổng Lượng Hơi Thứ Bốc Lên (W) ⇒ Tổn Thất Nhiệt Độ • Ta có áp suất thiết bị ngưng tụ là: (at) Nhiệt độ thứ thiết bị ngưng tụ tc = 72,050 C • tổn thất nhiệt độ thứ đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ Chọn ∆’’’=10C • Nhiệt độ sơi dung mơi áp suất buồng bốc: tsdm(P0) – tc= ∆’’’ ⇒ tsdm(P0)= ∆’’’+ tc = +72,05 =73,050 C • Áp suất buồng bốc tra [1], trang 312 nhiệt độ 73,050 C ⇒ P0=0,364 (at) GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 10 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH  ∆t   W  ⇒ qv = α n  v ÷;  ÷  ∑r ÷  m  v   Trong đó: Σrv – tổng trở vách; m2.K/W (m2/KW) Với: + - nhiệt trở phía nước vách ngồi ống có màng mỏng nước ngưng (bảng 31, trang 29, [8]) + r2 = 0,387.10-3 m2.K/W – nhiệt trở phía dung dịch vách ống có lớp cặn bẩn dày 0,5 mm (bảng V.1, trang 4, [2]) + δ = mm = 0,002 m – bề dày ống truyền nhiệt + λ = 16,3 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt ống (tra bảng XII.7, trang 313, [2] với ống làm thép không gỉ OX18H10T) • Δtv = tv1 - tv2 ; K – chênh lệch nhiệt độ vách tường Với q trình đặc chân khơng liên tục, truyền nhiệt ổn định nên qv = q1 = q2 ∆tv = qv∑rv= 43860,9.0,8545.10-3=37,48 oC ⇒ tv2= 90,62oC ⇒ Các thông số hóa lý dung dịch NaOH 10% tw Thông số tw = 109,36 54,9450C λ; W/(m.K) 0,585 0,56 ρ; kg/m ) 1056,98 1097,22 c; J/(kg.K) 3874,68 3838,68 -3 μ; N.s/m 0,7.10 0,9446.10-3 Trong đó: λ – hệ số dẫn nhiệt; W/(m.K): tra bảng I.130, trang 135, [1] ρ – khối lượng riêng; kg/m3: tra bảng 4, trang 11, [8] c – nhiệt dung riêng; J/(kg.K): tra bảng I.154, trang 172, [1] μ – độ nhớt động lực học; Ns/m2: tra bảng I.107, trang 100, [1] Chuẩn số Prandtl: Chọn tốc độ dung dịch NaOH 10 % ống truyền nhiệt v = m/s Đường kính ống truyền nhiệt d = 25 mm Chuẩn số Reynolds: ⇒ Áp dụng cơng thức tính hệ số cấp nhiệt dịng chảy rối ống (Re > 10000): GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 48 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH 0,25  Pr  Nu = 0,021.ε Re0,8 Pr 0,43  ÷  Prw  Chọn l=1m l 1000 ⇒ = = 40 ⇒ ε = 1,02 d 25 tv2 = 90,62 oC ⇒ ∆t = ∆t2 = tv2 – tc = 90,62 – 79,89 = 10,73 ⇒ q2 = α2 t2 = 4421,27 10,73 = 47440,227 (W/m2) Sai số tương đối q2 so với q1: nên sai số chấp nhận (các thông số chọn phù hợp) Nhiệt tải riêng trung bình: Hệ Số Truyền Nhiệt Tổng Quát K Cho Q Trình Cơ Đặc K tính thơng qua hệ số cấp nhiệt: Diện Tích Bề Mặt Truyền Nhiệt Dòng nhiệt vào ( W):  Do dung dịch đầu :  Do đốt  Do ngưng đường ống dẫn đốt: ϕDctD Dòng nhiệt ( W):  Do sản phẩm mang ra: Do nước ngưng: Dcθ  Nhiệt tổn thất: Qtt Phương trình cân nhiệt GđCđ + D + ϕDctD = GcCc + Dcθ + Qtt Trong nước bão hoà, có lượng nước ngưng bị theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm hơi) ⇒Nhiệt lượng nước bão hòa cung cấp là: QD = D(1-ϕ)(I-Cnθ) (W) Nước ngưng chảy có nhiệt độ nhiệt độ đốt vào (khơng có q lạnh sau ngưng) I-Cnθ = rD= 2171000(J/kg) (ẩn nhiệt ngưng tụ đốt) GđCđtđ + D(1-ϕ)( I-Cnθ) = GcCctc + Qtt Thay Qtt = εQD = 0,05QD , QD = D(1-ϕ)(I-Cnθ), Gd = Gc = G = 1200 kg/h  GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 49 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH ⇒ D(1-ε)(1-ϕ)(I-Cnθ) = G(cđ – cc) ⇒ Nhiệt lượng đốt cung cấp: QD = D(1-ϕ)rD =0,033(1-0,05)2171.103 = 68060,85 (W) Diện tích bề mặt truyền nhiệt Số ống truyền nhiệt tính theo cơng thức (III-49), trang 134, [4]: Trong đó:  F = 1,491 m2 – diện tích bề mặt truyền nhiệt  l = 1,5 m – chiều dài ống truyền nhiệt  d – đường kính ống truyền nhiệt  Vì α1 > α2 nên ta chọn d = dt = 25 mm Số ống truyền nhiệt là: Theo bảng V.11, trang 48, [2], chọn số ống n = 19 bố trí ống theo hình lục giác Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt tính theo cơng thức V.140, trang 49, [2]: D = t.(b-1) + 4.dn Trong đó: dn = dt + 2S = 25 + 2.2 = 27 mm đường kính ngồi ống truyền nhiệt t = β.dn = 1,4.0,027 = 0,0378 m – bước ống số ống đường xuyên tâm lục giác ⇒ D = 0,0378.(5-1) + 4.0,027 = 0,2592 m Thể tích bình gia nhiệt Dung dịch chảy chậm ống nên thời gian truyền nhiệt lớn, chọn số pass phía vỏ m = Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị DUNG DỊCH NaOH Suất lượng Gđ kg/h 1200 Nồng độ xđ % wt 10 Nhiệt độ đầu vào t' C 30 Nhiệt độ đầu t’’ C 79,89 Nhiệt dung riêng đầu vào cđ J/(kg.K) 3859,92 Nhiệt dung riêng đầu cc J/(kg.K) 3795 HƠI ĐỐT GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 50 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Áp suất Nhiệt độ Ẩn nhiệt ngưng tụ Chiều cao thiết bị gia nhiệt Đường kính ống truyền nhiệt Đường kính ngồi ống truyền nhiệt Nhiệt lượng đốt cung cấp Lượng đốt biểu kiến II PD tD rD H dt dn QD D at C kJ/kg m m m W kg/s 132,9 2171 0,025 0,027 68060,85 0,033 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ Chọn Thiết Bị Ngưng Tụ Lượng khí bổ sung sinh thiết bị cô đặc bao gồm: + Hơi nước (chủ yếu) + Dung mơi dễ bay + Khí khơng ngưng Khí bổ sung cần giải phóng để tạo chân không Thiết bị ngưng tụ kết hợp với bơm chân không để hệ thống chân không hoạt động hiệu Thiết bị ngưng tụ làm ngưng tụ hầu hết nước, giải phóng lượng nước lớn cho bơm chân khơng, giảm tiêu hao lượng học tránh hỏng hóc cho bơm (chỉ hút khí khơng ngưng) Chọn thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều, chân cao (baromet) Trong đó, nước làm lạnh nước ngưng tụ chảy xuống cịn khí khơng ngưng bơm chân khơng hút từ phần thiết bị qua phận tách lỏng Chiều cao ống baromet chọn cho tổng áp suất thiết bị cột áp thuỷ tĩnh với áp suất khí Tính thiết bị ngưng tụ Theo bảng VII.1, trang 97, [2]: nhiệt độ khơng khí trung bình TPHCM t = 27,2 0C, độ ẩm tương đối φ = 77 % Theo giản đồ h – x không khí ẩm, h = 72,5 kJ/kg khơng khí ẩm Nhiệt độ bầu ướt chọn tứ = 23 0C Nhiệt độ đầu nước lạnh chọn t2d = 23 + = 26 0C Với Pc = 0,35 at tc = 72,05 0C: Nhiệt độ cuối nước lạnh chọn t 2c = tc – 10 = 72,05 – 10 = 62,05 0C Đối với thiết bị ngưng tụ trực tiếp, lượng khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.47, trang 84, [2]: Gkk = 0,000025.W + 0,000025.Gn + 0,01.W; kg/s GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 51 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để đặc dung dịch NaOH Trong Gn – lượng nước tưới vào thiết bị ngưng tụ; kg/s, tính theo cơng thức VI.51, trang 84, [2]: Với: W = 600 kg/h – lượng thứ vào thiết bị ngưng tụ i = 2650 kJ/kg – nhiệt lượng riêng nước (bảng I.251, trang 314, [1]) cn = 4180 J/(kg.K) – nhiệt dung riêng trung bình nước Đối với thiệt bị ngưng tụ trực tiếp loại khơ, nhiệt độ khơng khí tính theo công thức VI.50, trang 84, [2]: tkk = t2d + + 0,1.(t2c – t2d) = 26 + + 0,1.(62,05 – 26) = 33,605 0C.⇒ Ph = 0,056 at (tra giản đồ h – x khơng khí ẩm) - Thể tích khơng khí cần hút tính theo cơng thức VI.49, trang 84, [2]: Kích thước chủ yếu thiết bị ngưng tụ Thông thường, suất tính tốn chọn lớn 1,5 lần so với suất thực tế Khi đó, đường kính thiết bị tính theo cơng thức VI.52, trang 84, [2]: ρh = 0,2166 kg/m3 – khối lượng riêng thứ 0,35 at (tra bảng I.251, trang 314, [1]) ωh = 20 m/s – tốc độ thứ thiết bị ngưng tụ (chọn) GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 52 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Chọn Dtr= 0,5 m =500mm Kích thước thiết bị ngưng tụ baromet chọn theo bảng VI.8, trang 88, [2]: Kích thước Ký hiệu Giá trị; mm Đường kính thiết bị Dtr 500 Chiều dày thành thiết bị S Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị a0 1300 Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị an 1200 Bề rộng ngăn b Khoảng cách tâm thiết bị ngưng tụ thiết bị thu hồi K1 675 K2 Chiều rộng hệ thống thiết bị T 1300 Đường kính thiết bị thu hồi D1 400 Chiều cao thiết bị thu hồi h1(h) 1440 Đường kính thiết bị thu hồi D2 Đường kính cửa vào: Hơi vào d1 300 Nước vào d2 100 Hỗn hợp khí d3 80 Nối với ống baromet d4 125 Hỗn hợp khí vào thiệt bị thu hồi d5 80 Hỗn hợp khí khỏi thiết bị thu hồi d6 50 Nối từ thiết bị thu hồi đến ống baromet d7 50 Ống thơng khí d8 - Kích thước ngăn: Tấm ngăn có dạng hình viên phân để bảo đảm làm việc tốt Chiều rộng ngăn xác định theo cơng thức VI.53, trang 85, [2]: Có nhiều lỗ nhỏ đục ngăn, nước làm nguội nước nên đường kính lỗ chọn d = mm - Lưu lượng thể tích nước lạnh dùng để ngưng tụ thứ: Nhiệt độ trung bình nước: GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 53 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH ρn = 988,49 (kg/m3) (bảng I.249, trang 310, [1]) Chọn chiều cao gờ ngăn h = 40 mm, chiều dày ngăn δ = mm, tốc độ tia nước ωc = 0,62 m/s Tổng diện tích bề mặt lỗ tồn mặt cắt ngang thiết bị ngưng tụ, nghĩa cặp ngăn là: Chọn tỷ số tổng số diện tích tiết diện lỗ với diện tích tiết diện thiết bị ngưng tụ Các lỗ xếp theo hình lục giác Bước lỗ xác định công thức VI.55, trang 85, [2]: Mức độ đun nóng nước: Tra bảng VI.7, trang 86, [2] với d = mm P = 0,774: - Số ngăn n = - Số bậc n = - Khoảng cách ngăn h = 400 mm - Thời gian rơi qua bậc τ = 0,41 s Trong thực tế, thiết bị ngưng tụ từ lên thể tích giảm dần Do đó, khoảng cách hợp lý ngăn nên giảm dần theo hướng từ lên khoảng 50 mm cho ngăn - Chọn khoảng cách ngăn 400 mm - Khoảng cách từ ngăn đến nắp thiết bị 1300 mm - Khoảng cách từ ngăn đến đáy thiết bị 1200 mm - Chiều cao phần gờ nắp 50 mm - Chiều cao phần nắp ellipse 250 mm - Chiều cao phần đáy nón 544 mm ⇒ Chiều cao thiết bị ngưng tụ: H = 250 + 50 + 1300 + 400.7 + 1200 + 544= 6144 mm GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 54 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Kích thước ống baromet: Đường kính ống baromet d = 125 mm = 0,125 m Tốc độ nước lạnh nước ngưng tụ chảy ống baromet tính theo cơng thức VI.57, trang 86, [2]: Chiều cao ống baromet tính theo cơng thức II-15, trang 102, [4]: H = h1 + h2 + 0,5; m Trong đó: h1 : chiều cao cột nước tĩnh độ chân không h2: chiều cao để khắc phục trở lực nước chạy ống h1 tính theo cơng thức VI.59, trang 86, [2]: Trong đó: b – độ chân không thiết bị ngưng tụ; mmHg b = 760 – 0,35.735 = 502,75mmHg h2 tính theo công thức VI.60, trang 87, [2]: Chọn hệ số trở lực vào ống ξ1 = 0,5 khỏi ống ξ2 = ⇒ Σξ = 1,5 Nước lạnh nước ngưng tụ có: ttb = 62,05oC ρn = 981,607 (kg/m3) µn = 0,000455 (Ns/m2) ⇒ (Chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1])⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 55 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: ⇒Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: ⇒ ⇒ ⇒ H = 7,38 m Chọn H = 8m III BỒN CAO VỊ • Bồn cao vị dùng để ổn định lưu lượng dung dịch nhập liệu Bồn đặt độ cao phù hợp nhằm thắng trở lực đường ống cao so với mặt thoáng dung dịch nồi đặc • Áp dụng phương trình Bernoulli với mặt cắt – (mặt thoáng bồn cao vị) – (mặt thoáng nồi đặc): Trong đó: v1 = v2 = m/s P1 = at P2 = P0 = 0,364at ρ = 1077,066 kg/m3 – khối lượng riêng dung dịch NaOH 10 % ttb = 79,890C (bảng 4, trang 11, [8]) μ = 7,01155.10-4 Ns/m2 – độ nhớt động lực dung dịch NaOH 10 % t tb (bảng I.107,trang 100, [1]) z2 - khoảng cách từ mặt thống dung dịch nồi đặc đến mặt đất; m z2 = z’ + Hđ + Hbđ + Hgc + Hc = + 0,584 + 1,5 + 0,04 + 0,185 = 3,309 m Với: z’ = m – khoảng cách từ phần nối ống tháo liệu đáy nón đến mặt đất Hđ = 0,544 + 0,04 = 0,584 m – chiều cao đáy nón Hbđ = 1,5 m – chiều cao buồng đốt Hgc = 0,04 m – chiều cao gờ nón cụt Hc = 0,185 m – chiều cao phần hình nón cụt Đường kính ống nhập liệu d = 20 mm = 0,02 m Chọn chiều dài đường ống từ bồn cao vị đến buồng bốc l = 20 m GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 56 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Tốc độ dung dịch ống: Chuẩn số Reynolds: (chế độ chảy rối) Chọn ống thép CT3 ống hàn điều kiện ăn mịn (bảng II.15, trang 381, [1]) ⇒ độ nhám tuyệt đối ε = 0,2 mm Regh tính theo cơng thức II.60, trang 378, [1]: Ren tính theo cơng thức II.62, trang 379, [1]: ⇒Regh < Re < Ren (khu vực độ) ⇒ Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức II.64, trang 380, [1]: Các hệ số trở lực cục bộ: Yếu tố gây trở lực Ký hiệu Hệ số trở lực cục Đầu vào 0,5 ξ vào Đầu ξ 0 Khuỷu 90 ξ khuỷu 90 Van cửa 1,5 ξ van ⇒ Σξ = 0,5 + + 6.1 + 2.1,5 = 10,5 Tổng tổn thất đường ống: Số lượng 1 ⇒ Khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất: ⇒ Dung dịch NaOH 10 % tự chảy từ bồn cao vị vào buồng bốc nồi đặc bồn có độ cao từ 3,115 m trở lên - Chọn khoảng cách từ mặt thoáng bồn cao vị đến mặt đất 3,5 m IV BƠM CHÂN KHƠNG Cơng suất bơm chân khơng: GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 57 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để đặc dung dịch NaOH Trong đó: - m – số đa biến, có giá trị từ 1,2 đến 1,62 Chọn m = 1,62 - P1 – áp suất khơng khí thiết bị ngưng tụ P = Pc – Ph = 0,35 – 0,056 = 0,294 at, với: Ph – áp suất nước hỗn hợp - P2 = Pa = at = 9,81.104 N/m2 – áp suất khí - Vkk – lưu lượng thể tích khơng khí cần hút - ηck = 0,8 – hệ số hiệu chỉnh Tốc độ hút 00C 760 mmHg S = 0,002267.60 = 0,13602 m3/phút Ta chọn bơm có ký hiệu BH-025-2 với thông số: Các thông số Bơm BH-025-2 Số cấp Tốc độ bơm vùng áp suất 760 – mmHg; L/s 0,25 Lượng dầu; L 0,86 Cơng suất động cơ; kW 0,3 Kích thước tổng thể dài x rộng x cao; mm 330 x 243,5 x 229 Khối lượng; kg 16,5 V CÁC CHI TIẾT PHỤ IV.5.1 Lớp Cách Nhiệt Vật liệu chế tạo amiante carton - Bề dày lớp cách nhiệt buồng đốt tính theo cơng thức VI.66, trang 92, [2]: Trong đó: tT1 – nhiệt độ lớp cách nhiệt tiếp giáp với bề mặt thiết bị; oC Vì nhiệt trở thành thiết bị nhỏ so với nhiệt trở lớp cách nhiệt nên chọn t T1 = tD = 142,9 0C tT2 – nhiệt độ bề mặt lớp cách nhiệt phía khơng khí, vào khoảng từ 40 0C đến 50 oC Chọn tT2 = 45 0C GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 58 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH tKK – nhiệt độ khơng khí; 0C Chọn tKK = 27,4 0C (bảng VII.1, trang 97, [2]) αn – hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngồi lớp cách nhiệt đến khơng khí; W/(m2.K), tính theo cơng thức VI.67, trang 92, [2]: αn = 9,3 + 0,058.tT2 = 9,3 + 0,058.(45 + 273) = 27,744 W/(m2.K) λc = 0,144 W/(m.K) – hệ số dẫn nhiệt amiante carton 1000C Để thuận tiện chế tạo, chiều dày lớp cách nhiệt cho buồng bốc buồng đốt chọn 30 mm Kính Quan Sát - Vật liệu chế tạo thép CT3 thuỷ tinh - Đường kính kính quan sát D =200 mm - Kính bố trí cho mực chất lỏng nhìn thấy Do đó, có kính giống bên buồng bốc, tạo thành góc 1800 GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 59 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH Tài Liệu Tham Khảo [1] Nhiều tác giả, Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hoá chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [2] Nhiều tác giả, Sổ tay Quá trình Thiết bị Cơng nghệ Hố chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] Phạm Văn Bôn, Q trình Thiết bị Cơng nghệ Hố học & Thực phẩm, tập 10, Ví dụ tập, NXB ĐHQG TPHCM, 2010 [4] Nguyễn Văn May, Thiết bị truyền nhiệt chuyển khối, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [5] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, Q trình thiết bị Cơng nghệ Hố học & Thực phẩm, tập 5, Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, NXB ĐHQG TPHCM, 2006 [6] Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế Thiết bị hoá chất chế biến thực phẩm đa dụng, Bộ Giáo dục Đào tạo, Viện Đào tạo Mở rộng [7] Hồ Lê Viên, Tính tốn, thiết kế chi tiết thiết bị hố chất dầu khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 [8] Bộ môn Máy Thiết bị, Bảng tra cứu Quá trình học – Truyền nhiệt – Truyền khối, NXB ĐHQG TPHCM, 2009 [9] Phạm Xn Toản, Các q trình, thiết bị Cơng nghệ Hố chất Thực phẩm, tập3: Các q trình thiết bị truyền nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page 60 .. .Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH MỤC LỤC GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để cô đặc dung. .. suất thiết bị nước chảy ngược vào nồi cô đặc GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VŨ THỊ MỸ THI Page Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để đặc dung dịch NaOH PHẦN 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THIẾT... kg 1,23 Thiết kế thiết bị cô đặc chân không nồi liên tục để đặc dung dịch NaOH PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ I THIẾT BỊ GIA NHIỆT Hệ Số Truyền Nhiệt Chọn thiết bị ống chùm thẳng đứng, dung dịch ống,