ĐẶT VẤN ĐỀ
Đối với một sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, việc nắm vững các kiến thức về
môn học quá trình thiết bị trong công nghệ hóa học là rất cần thiết. Việc nắm vững các kiến
thức này sẽ giúp cho các kỹ sư trong tương lai có thể thiết kế, vận hành tốt một quá trình
sản xuất chế biến, có ý tưởng thiết kê, nâng cao năng suất…Do vậy, môn học đồ án thiết bị
này đã giúp sinh viên có cơ hội hình dung lại các kiến thức đã học, đồng thời liên hệ thực
tiễn sản xuất. Để thực hiện đồ án này, sinh viên phải nắm vững các kiến thức về các quá
trình thủy lực, truyền nhiệt, truyền chất…
Trong công nghiệp hóa chất, để nâng cao nồng độ của một hóa chất nhằm thỏa mãn
nhu cầu sử dụng, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ… phương pháp được sử dụng hữu
hiệu là cô đặc.
Nhiệm vụ cụ thể của đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, thiết bị cô
đặc tuần hoàn cưỡng bức buồng đốt ngoài, cô đặc dung dịch KNO
3
từ 7% lên 32%.
Trong quá trình thực hiện đồ án, do hạn chế về thời gian và kiến thức nên trong đồ án
còn tồn tại nhiều sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp từ quý thầy cô và các
bạn để tích lũy được nhiều kinh nghiệm và kiến thức cho bản thân.
MỤC LỤC
!"# !"$"
%&'()*+,-./
0+1)2&'3456789:7;
<=>(7?-34@A4BAC'DA4/@&'D45678EF
0G
HIJKLMN=OG
HIJKLG
PQ@E'R(9S'TG
0U379VQW@4X4Y345(BZ@E4PG
<U379V[9\7'P@/]@[@
<J/7aB8;<
<0J/e7Q`)2Y4@A4RV4x;
<<J/h'hV7Q|4}7(Y)V;r
lT;o
$"=L;o
M!=!^$~rG
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM, PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CHỌN,
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1 Tổng quan về sản phẩm
Trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện nay, các hóa chất được sản xuất từ ngành
công nghiệp hóa chất đóng vai trò rất quan trọng và có nhiều ứng dụng rộng rãi. Kali
nitrat (hay còn gọi là diêm tiêu kali) với công thức hóa học KNO
3
, là một trong những
hóa chất thông dụng đó. Với nhiều ứng dụng trong thực tiễn, hiện nay KNO
3
đang được
sản xuất với lượng ngày càng lớn.
Các tính chất cơ bản của KNO
3
:
- Kali nitrat là chất ở dạng những tinh thể tà phương, là muối của axit mạnh và bazơ
mạnh, các phân tử liên kết với nhau bằng lực liên kết ion.
- Kali nitrat ở thể trong suốt, không màu, bền ngoài không khí, tạo ra một ngọn lửa màu
hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali, ít độc, không mùi.
- Kali nitrat không hút ẩm, tan nhiều trong nước và độ tan tăng lên nhanh theo nhiệt độ
nên rất dễ kết tinh lại.
- Khối lượng riêng 2,106 g/cm
3
đến
2
4
MnO
−
, Cr
3+
đến
2
4
CrO
−
.
Phương pháp điều chế KNO
3
:
- Điều chế bằng phản ứng trao đổi giữa NaNO
3
và KCl:
NaNO
3
+ KCl = KNO
3
+ NaCl
Người ta hòa tan những lượng NaNO
3
và KCl theo tỉ lệ phân tử như nhau vào nước nóng rồi
cho kết tinh NaCl ở nhiệt độ trên 30
0
C. Tách tinh thể NaCl ra và làm nguội dung dịch đến
KOH + HNO
3
→ KNO
3
+ H
2
O
Các ứng dụng của KNO
3
:
- Trong phòng thí nghiệm KNO
3
được dùng để sản xuất axit nitrit là một axit quan trọng
trong công nghiệp.
KNO
3
+ H
2
SO
4
→ KHSO
4
+ HNO
3
.
- Chế tạo thuốc nổ đen với công thức: 75% KNO
3
, 10% S và 5% C. Khi nổ, nó tạo ra muối
kali sunfua, khí nitơ và khí CO
2
nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc. Hơi thứ
được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc gọi là “hơi phụ”.
1.2.3 Các phương pháp cô đặc
- Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt
thoáng chất lỏng.
- Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách
ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan.
Tùy tính chất cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh đó
xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh.
1.2.4. Bản chất sự cô đặc do nhiệt
Dựa vào thuyết động học phân tử:
- Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử
chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc
phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các
phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này.
- Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp
nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và
dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo khi
đun sơ bộ sẽ ngăn chặn được sự tạo bọt khí khi cô đặc.
1.2.5. Ứng dụng của quá trình cô đặc
- Làm tăng nồng độ chất tan (làm đậm đặc).
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
- Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
Trong sản xuất thực phẩm thường dùng để sản xuất đường, mì chính, nước trái cây…
Trong sản xuất hóa chất thường dùng cô đặc KNO
3
, NaOH, KOH, NaCl, các muối vô cơ…
1.2.6. Các thiết bị cô đặc nhiệt
Phân loại và ứng dụng:
phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả
kinh tế.
- Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự
động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy.
1.3. Lựa chọn phương án thiết kế - Thuyết minh quy trình công nghệ
1.3.1. Lựa chọn phương án thiết kế
Theo tính chất của nguyên liệu cũng như ưu nhược điểm của các dạng thiết bị nói
trên ta chọn phương án thiết kế hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều, thiết bị cô đặc tuần hoàn
cưỡng bức buồng đốt ngoài.
1.3.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ
Dung dịch ban đầu được chứa ở thùng (1), được bơm ly tâm (2) đưa lên thùng cao vị
(3). Từ thùng cao vị, dung dịch được đưa điều chỉnh lưu lượng ở lưu lượng kế (4) trước khi
vào hệ thống cô đặc. Sau đó dung dịch được bơm qua thiết bị gia nhiệt (5) để đưa dung dịch
đến nhiệt độ sôi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cô đặc. Tiếp theo, dung dịch đi vào hệ
thống ba nồi cô đặc (6), dung dịch đi qua mỗi nồi có nồng độ tăng dần. Hệ thống sử dụng
hơi nước bão hòa để cấp nhiệt. Dung dịch đi trong ống truyền nhiệt, hơi đi bên ngoài ống.
Hơi thứ của nồi thứ nhất làm hơi đốt cho nồi thứ hai, hơi thứ của nồi thứ hai làm hơi đốt cho
nồi thứ ba. Hơi thứ ra khỏi nổi thứ ba được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet (7) – có tác
dụng tạo độ chân không cho hệ thống cô đặc. Dung dịch di chuyển từ nồi đầu đến nồi cuối
nhờ chênh lệch áp suất. Dung dịch sau khi cô đặc được đưa vào bể chứa dung dịch (8).
Sơ đồ công nghệ được cho bên dưới:
1- Bể chứa dung dịch trước khi cô đặc
2- Bơm
3- Thùng cao vị
4- Lưu lượng kế
5- Thiết bị gia nhiệt
6- Nồi cô đặc
7- Baromet tạo chân không
8- Bể chứa dung dịch đã cô đặc
Chương 2
+ W.x
w
Trong đó :
x
đ
, x
c
là nồng độ của dung dịch vào ở nồi đầu và ra khỏi nồi cuối (% khối lượng).
Xem lượng hơi thứ không mất mát ta có:
G
đ
.x
đ
= G
c
.x
c
(2)
Vậy lượng hơi thứ thoát ra của toàn bộ hệ thống:
)−(1=
c
đ
X
X
đ
G W
Theo giả thiết ta có: G
đ
= 13 (tấn/h) = 13000 (kg/h)
W
W
= 1,01;
3
2
W
W
= 2,465.
Ta tính được :
1
W
= 4246,347 (kg/h)
2
W
= 4204,304 (kg/h)
3
W
= 1705,600 (kg/h)
- Nồng độ cuối mỗi nồi:
Nồi 1: x
1
= G
đ
1
W
d
d
x
=
÷
− +
Nồi 3: x
3
= G
đ
W
d
d
x
G
−
= 13000.
7
32%
13000 10156,25
=
÷
−
B. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
2.1.Xác định áp suất trong mỗi nồi
Gọi P
1
, P
2
∆
P =
∆
P
1
+
∆
P
2
+
∆
P
3
= 3,8 at.
Giả sử chọn:
2
1
P
P
∆
∆
=
3
2
P
P
∆
∆
= 1,35
Suy ra:
P
2
= P
2
– P
3
⇒
P
3
= P
2
-
∆
P
2
= 2,341 – 1,229 = 1,112 at.
2.2. Xác định nhiệt độ trong các nồi
Gọi: t
hđ1
, t
hđ2
, t
hđ3
,t
nt
: là nhiệt độ đi vào nồi 1,2,3 và thiết bị ngưng tụ.
t
ht1
, t
ht2
1,11
2
101,95
6
0.2 59,7
Hơi thứ 2,377 125,135 1,151 102,956 0,21 60,7
2.3. Xác định các loại tổn thất nhiệt trong các nồi
1.3.1 Tổn thất nhiệt do nồng độ gây ra (
'
∆
)
Ở cùng một áp suất, nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất. Hiệu số của nhiệt độ sôi của dung dịch và dung môi nguyên chất gọi là tổn
thất nhiệt độ do nồng độ gây ra.
12
Ta có:
'∆
= t
o
sdd
- t
o
sdmnc
(ở cùng áp suất).
Áp dụng công thức Tiasenco:
r
T
s
o
2
2
1
1 1
1
16,2. 273
' ' .
ht
o
t
r
+
∆ = ∆
( )
2
1
3
16,2. 125,135 273
' 0,94.
2194,033.10
+
∆ =
=∆
1
'
1,1
o
C.
* Với nồi 2:
( )
2
' ' .
ht
o
t
r
+
∆ = ∆
( )
2
3
3
16,2. 60,7 273
' 3,45.
2355,719.10
+
∆ =
=∆
3
'
2,642
o
C.
Vậy: Tổng tổn thất do nồng độ trên toàn hệ thống là:
'∆
=
1
'
∆
+
2
dds
.g (N/m
2
).
Trong đó:
P
0
là áp suất hơi thứ trên mặt thoáng dung dịch.
ρ
dds
là khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m
3
.
ρ
dds
= 0,5 ρ
dd.
ρ
dd
là khối lượng riêng của dung dịch ở nhiệt độ sôi (kg/m
3
).
∆h là chiều cao của lớp dung dịch sôi, ∆h = 0.5 m.
h là chiều cao ống truyền nhiệt, chọn h = 4 m cho cả 3 nồi.
Để tính nhiệt độ sôi của dd KNO
3
ứng với áp suất trung bình ta dùng công thức Babo:
P
P
2
dd ddsoi
kg m kg m
ρ ρ
= → = =
Ta có: P
01
= 2,377 at.
Suy ra:
P
tb1
= 2,377+(0,5+
4
2
)
4
509,975.9,81
9,81.10
=
2,505 at.
K =
s
P
P
=
1
1,062
Mà P = P
tb1
= 2,504 at → P
⇒
1
''
∆
= 128,388 – 126,235 = 2,153
0
C.
Nồi 2: Ứng với x
2
= 20,003%
⇒
t
sôi
= 101,651
0
C.
(Tra bảng I.204, ST QTTB, T1/Trang 236).
P
ht
= 1,151 at và áp suất hơi bão hòa của nước nguyên chất P
s
= 1,099 at
(Nội suy từ bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312).
Tra bảng I.46, ST QTTB, T1/Trang 42:
15
⇒
3 3
2 2
1081,881
1081,881 / 540,941 / .
s
= 1,286.1,099 = 1,413 at.
⇒
t
s2
= 108,956
0
C. (Tra bảng I.251, ST QTTB, T1/Trang 314).
Mà
2
''
∆
= t
tb2
– t
mt2
Với t
mt2
: nhiệt độ mặt thoáng của dung dịch.
t
mt2
=
2
'
∆
+ t
ht2
= 2,033 + 102,956 = 104,989
0
C.
dd ddsoi
kg m kg m
ρ ρ
= → = =
Ta có: P
03
= 0,21 at.
Suy ra:
P
tb3
= 0,21 + (0,5 +
4
2
).
4
582,27.9,81
9,81.10
=
0,356 at.
K =
s
P
P
=
1
1,151
Mà P = P
tb3
= 0,356 at → P
s
⇒
3
''
∆
= 75,939 – 63,342 = 12,597
0
C.
Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh trên toàn hệ thống:
''
∆
=
1
''
∆
+
2
''
∆
+
3
''
∆
= 2,153 + 3,967 + 12,597 = 18,717
0
C.
2.3.3. Tổn thất do trở lực trên đường ống
)'''(∆
- Nồi 1:
1
∑
=∆
1i
t
t
hd1
– t
s1
⇒
t
s1
= t
hd1
-
=∆
1i
t
142,9 – 14,512 = 128,388
0
C.
+ Nồi 2:
2 2 3
2
124,135 101,956 (2,033 3,967 1) 15,179
o
thi hd hd
t t C∆ = − − ∆ = − − + + =
∑
.
=∆
hd3
– t
s3
⇒
t
s3
= t
hd3
-
3i
t
∆ =
101,956 – 25,017 = 76,939
0
C.
Cho toàn hệ thống:
∑∑
∆−−=∆−=∆
nthdchunghi
ttt
1
142,9 59,7 28,492 54,709 .
o
hi
C∆ = − − =
17
2.4.Cân bằng nhiệt lượng
2.4.1.Tính nhiệt dung riêng C (J/kg.độ)
Tính nhiệt dung riêng của KNO
3
khan.
N
K
, n
N
, P: số nguyên tử K, N và oxy trong hợp chất KNO
3.
C
K,
C
N
, C
Cl
: nhiệt dung riêng của các nguyên tố K, N, O.
Theo bảng I141/152 – [1] ta có: C
K
= C
N
= 26000 J/kg.độ.
C
O
= 16800 J/kg.độ.
=> (39 + 14 + 16.3) .C
ht
= 1. 26000 + 1.26000 + 23.16800
→ C
ht
=
1.26000 1.26000 3.16800
1013,861
2
+ 4186.(1-x
2
) → C
2
= 1031,861.20,003% + 4186.(1 – 20,003%)
= 4551,482 J/kg.độ.
- Nồi 3: x
3
= 32% > 20% nên áp dụng CT I.44/152-[1]:
C
3
= C
ht
.x
3
+ 4186.(1-x
3
) → C
3
= 1013,861.32% + 4186.(1 – 32%)
= 3170,916 J/kg.độ.
2.4.2.Tính nhiệt lượng riêng
18
I: nhiệt lượng riêng của hơi đốt (J/kg).
i: nhiệt lượng riêng của hơi thứ (J/kg).
(Tra bảng I.249 ST QTTB, T1/Trang 310, bảng I.250, ST QTTB, T1/Trang 312)
Bảng 2.4
Hơi đốt Hơi thứ Dung dịch
+ G
đ
, G
c
: là lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h).
+ W
1
,W
2
, W
3
: là
lượng hơi thứ bốc ra từ nồi 1, nồi 2 và nồi 3 (kg/h).
+ C
đ
, C
c
: là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối (J/kg độ).
+ t
đ
, t
c
: là nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch (
0
C).
+ I
1
, I
2
tt2
, Q
tt3
: là nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh từ nồi 1, nồi 2 và
nồi 3(W).
19
Ta có bảng tổng kết về cân bằng nhiệt lượng cho mỗi nồi:
Bảng 2.5
Nồi 1
Vào
Hơi đốt mang vào D
1.
I
1
Dung dịch đầu mang vào G
đ
.C
đ
.t
đ
Ra
Hơi thứ mang ra W
1.
i
1
Dung dịch mang ra (G
đ
– W
1
2
= W
1
.i
1
Dung dịch ở nồi 1 mang vào (G
đ
- W
1
).C
1
.t
s1
Ra
Hơi thứ mang ra W
2
.i
2
Dung dịch mang ra (G
đ
- W
1
– W
2
).C
2
.ts2
Hơi nước ngưng tụ mang ra
D
2
3
= W
2
.i
2
Dung dịch ở nồi 2 mang vào (G
đ
- W
1
– W
2
).C
2
.t
s2
Ra
Hơi thứ mang ra W
3
.i
3
Dung dịch mang ra (G
đ
- W).C
3
t
s3
Hơi nước ngưng tụ mang ra
D
3
.C
Q
ra
20
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Nồi 1:
D
1
I
1
+ G
đ
.C
đ
.t
đ
= W
1
i
1
+ ( G
đ
– W
1
)C
1
t
s1
+ D
1
C
đ
(C
1
t
s1
– C
đ
t
đ
) (1)
Nồi 2:
W
1
I
1
+ (G
đ
–W
1
).C
2
.t
s2
= W
2
i
2
+ (G
đ
-W
s1
+ C
2
t
s2
– 0,95C
n2
θ
2
) + W
2
(C
2
t
s2
– i
2
) = G
đ
(C
2
t
s2
– C
1
t
s1
) (2)
Nồi 3:
W
3
(I
3
- C
n3
3
θ
)
⇔
W
1
C
2
t
s2
+ W
2
(0,95i
2
- C
2
t
s2
- 0,95C
n3
θ
3
) - W
3
i
2
θ
= t
hđ2
,
3
θ
= t
hđ3
W = W
1
+W
2
+W
3
(4)
Với các số liệu đã tính được ở trên ta tính được:
⇒
W
1
= 4201,850 kg/h.
⇒
W
2
= 4169,971 kg/h.
⇒
W
3
= 1784,429 kg/h.
Thay W
1784,429 1705,600
1784,429
−
.100%
≈
4,418% < 5%
⇒
x
1
= G
đ
1
W
d
d
x
G
−
= 13000.
7
13000 4201,85
÷
−
= 10,343%.
⇒
x
G W W
− + +
= 13000.
7
13000 (4201,85 4169,971 1784,429)
÷
− + +
= 32%.
C. TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
Xác định các thông số cơ bản của dung dịch
3.1. Độ nhớt (
µ
)
Sử dụng công thức Paplov I.17, ST QTTB, T1/Trang 85:
k
tt
=
−
−
21
21
θθ
=const
Trong đó : t
1
, t
2
1
θ
= 46,743
0
C.
t
2
= 60
o
C, ta có
2
µ
= 0,501. 10
-3
N.s/m
2
⇒
2
θ
= 55,71
0
C.
Tra
1
µ
,
2
µ
t t
C
k
θ θ
−
= + = + =
⇒
3
1
0,032.10
s
µ
−
=
N.s/m
2
.
+ Nồi 2:
Lấy nước làm chất lỏng tiêu chuẩn, dung dịch có nồng độ x
2
= 20,003%
Chọn t
1
= 40
o
C, ta có
µ
1
k =
1 2
1 2
40 50
1,373
44,889 52,173
t t
θ θ
− −
= =
− −
Từ đó ta có:
2 2
2
108,956-50
52,173 95,115
1,373
o
s
s
t t
C
k
θ θ
−
= + = + =
⇒
3
2
t
2
=40
o
C, ta có
µ
2
= 0,724.10
-3
N.s/m
2
⇒
θ
2
= 34,897
o
C.
⇒
k =
1 2
1 2
30 40
0,953
24,4 34,897
t t
θ θ
− −
= =
− −
M
CA
pdd
ρ
ρλ
=
(W/m.độ) (Công thức I.32, ST QTTB, T1/Trang 123)
23
Với :
A:hệ số phụ thuộc vào mức độ liên kết của chất lỏng đối với nước.
C
p
: nhiệt dung riêng đẳng áp của chất lỏng (J/kg.độ)
ρ
: khối lượng riêng (kg/m
3
)
M: khối lượng mol của chất lỏng.
Chọn A = 3,58.10
-8
Tính nhiệt dung riêng theo nồng độ mới:
-Nồi 1: Ta có x = 10,343% < 20% nên áp dụng CT I.43/152 –[1]:
C
1
= 4186.(1-x) → C
1
= 4186.(1 – 10,343%) = 3753,042 J/kg.độ.
-Nồi 2: x
2
i
dd
i
i
MM
M
m
2
x1x
x
−
+
=
Vậy
* Nồi 1: m
1
=
10,343%
101
10,343% 1 10,343%
101 18
=
−
+
0,020
⇒
M
1
= 0,020.101 + (1 - 0,02).18 = 19,681
2
= 3,58.10
-8
. 3574,48.1081,881.
3
1081,881
21,541
=
0,511 W/m.độ.
* Nồi 3: m
3
=
32%
101
32% 1 32%
101 18
=
−
+
0,077
⇒
M
3
= 0,077.101 + (1 - 0,077). 18 = 24,422
⇒
λ
3
= 3,58.10
-8
. 3170,916.1164,54.
.
µ
λρ
=A
: là hệ số phụ thuộc nhiệt độ màng t
m
.
t
m
= 0,5(t
T1
+ t
hđ
)
∆
t
1(i)
= t
hđ
- t
T1(i)
Nồi 1: Chọn
∆
t
11
= 1,82
o
C.
⇒
25
Copyright: Tài liệu đại học ©