thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch kno3 bằng thiết bị cô đặc loại

Ngày đăng: 16/06/2014, 14:17

THIẾT KẾ MÔN HỌC 1. Họ và tên: 1. Ngô Tiến Việt Anh 2. Nguyễn Hoàng Anh 3. Nguyễn Huỳnh Tuấn Anh Nhóm 1 – Lớp DH10H1 Môn học: Các quá trình và thiết bị trong CNHH và Thực phẩm 2. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. 3. Dữ kiện ban đầu – Năng suất theo dung dịch đầu: G đ = 30000kg/h – Nồng độ đầu: x đ = 8% khối lượng – Nồng độ cuối: x c = 48% khối lượng – Áp suất hơi đốt: P 1 = 12 at – Áp suất hơi ngưng tụ baromet: P ng = 0,2 at 4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán – Sơ đồ dây truyền công nghệ cô đặc và cấu trúc thiết bị chính (kèm bản vẽ mô tả ) – Tính toán mặt phẳng truyền nhiệt mặt phẳng truyền nhiệt thiết bị cô đặc – Tính toán bề dày lớp cách nhiệt – Tính toán thiệt bị ngưng tụ baromet và bơm chân không – Tính cơ khí 5. Bản vẽ – Sơ đồ dây truyền công nghệ hệ thống cô đặc: khổ A 1 ( 1 bản) – Nồi cô đặc và các cụ thể: khổ A 1 (1 bản ) Ngày giao nhiệm vụ: 21/1/2013 Ngày hoàn thành: 29/4/2013 Vũng Tàu, ngày 22 tháng 12 năm 2013 Xác nhận của trưởng khoa Xác nhận của giáo viên hướng dẫn: Sinh viên đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ MỤC LỤC Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông LỜI MỞ ĐẦU Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do đó nghề công nghiệp hóa chất cơ bản củng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càng phong phú. Trên cơ sở đó, quy trình công nghệ luôn được nâng cấp và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn. Vấn đề đặt ra là việc sử dụng hiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất. Kali nitrat (potassium nitrate) còn có tên gọi khác là diêm sinh với công thức hóa học KNO 3 là một trong những hóa chất thông dụng. Với nhiều ứng dụng thực tiễn, hiện tại KNO 3 được sản xuất với số lượng ngày càng lớn. KNO 3 được ứng dụng rộng rãi trong các nghề công nghiệp như phân bón, thực phẩm, thuốc súng … Vậy làm thế nào để thu được KNO 3 có nồng độ cao và tinh khiết. Một trong những phương pháp được sử dụng hiệu quả để tăng nồng độ KNO 3 là phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. Cấu trúc của đồ án có thể chia thành các phần như sau: − Chương I: Tổng quan − Chương II: Tính toán công nghệ, − Chương III: Tính và chọn thiết bị chính. − Chương IV: Tính và chọn thiết bị phụ. − Tài liệu tham khảo. Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 2 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông CHƯƠNG I TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM I.1.Các tính chất vật lí của KNO 3 Bảng 1: Các tính chất vật lí của KNO 3 Công thức phân tử KNO 3 Phân tử gam 101,1032 g/mol Ngoại hình Tinh thể trong suốt, không màu Mùi Chua hay mặn Tỷ trọng 2,106 g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy 336 0 C (609 K) Nhiệt độ sôi 400 0 C ( 673 K) Độ hòa tan trong nước 32 mg/ 100ml ( 20 0 C) pH ca. 7 I.2. Các ứng dụng của KNO 3 − Phân bón: Nitrat kali được sử dụng đa phần trong phân bón , như là một nguồn nitơ và kali – hai trong số những dưỡng chất cho thực vật. − Chất oxi hóa: Nitrat kali là một chất oxy hóa hiệu quả, sản xuất ra một ngọn lửa màu hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali. Đây là một trong ba thành phần của bột màu đen, cùng với than bột (đáng kể carbon) và lưu huỳnh. Như vậy nó được sử dụng trong bột màu đen động cơ tên lửa. Nó cũng được sử dụng trong pháo hoa như bom khói , với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat. − Giữ gìn thực phẩm − Ngoài ra, KNO 3 còn có một số ứng dụng khác như: là thành phần hạt chính vững chắc của aerosol ức chế đặc cháy hệ thống, là thành phần chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩm loại bỏ gốc cây. Nó Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 3 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông làm tăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc cây bằng cách phân phối nitơ cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kim loại như một dung môi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP CÔ ĐẶC II.1. Khái niệm Cô đặc là quá trình làm cất cánh hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không cất cánh hơi với mục đích: − Làm tăng nồng độ chất tan. − Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh). − Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước). Thông thường có 2 loại cô đặc để làm bốc hơi dung môi: − Cô đặc dùng tác nhân là nhiệt để phân phối năng lượng cho hơi dung môi (cô đặc ở trạng thái hơi). − Cô đặc kết tinh, bằng cách làm lạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên mặt thoáng của dung dịch để làm tăng quá trình bốc hơi. Quá trình cô đặc tiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần của dung môi cần bằng với áp suát chung trên mặt phẳng thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng luyện, trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi cất cánh hơi. Đáng lưu ý là trong quá trình cô đặc, nồng độ chất tan tăng, tác động đến quá trình tính toán của thiết bị. Khi đó hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ, độ nhớt µ, tổn thất nhiệt ∆’ tăng. II.2. Lựa chọn phương án thiết kế Có thể sử dụng cô đặc dung dịch bằng một nồi hay nhiều nồi, ở đề tài này, tất cả chúng ta chỉ xét hệ thống 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. Phép 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 mang vào nồi thứ hai, hơi thứ nồi thứ hai mang vào nồi thứ ba… hơi thứ Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 4 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông cuối cùng đi vào thiết bị ngưng tụ. Còn dung dịch đi vào lần lượt từ nồi này sang nồi kia, qua mỗi nồi đều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần 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 mỗi 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. Có thể phân loại hệ thống cô đặc nhiều nồi theo các cách khác nhau: − Theo sự sắp xếp mặt phẳng đun: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng. − Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện, các chất tải nhiệt đặc biệt (dầu, hydrocarbon). − Theo chính sách tuần hoàn: xuôi chiều, chéo chiều, ngược chiều. − Kết cấu mặt phẳng đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống chùm, ống xoắn. Trong đồ án thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch KNO 3 này, ta sử dụng hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều ( tuần hoàn tự nhiên), buồng đốt trong, Dung dịch tự di chuyển từ nồi này sang nồi khác nhờ sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độ nồi trước to hơn nồi sau, tức là áp suất nồi trước to hơn nồi sau. − Dung dịch vào nồi trước nhất ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trước bằng hơi nước, ngoại trừ nồi trước nhất, dung dịch đi vào nồi thứ 2, 3 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đó dung dịch được làm lạnh, lượng nhiệt này sẽ làm bốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi. − Cô đặc dung dịch tuần hoàn trong nồi dễ dàng, vận tốc tuần hoàn lớn vì ống tuần hoàn không bị đốt nóng kéo theo đối lưu dễ dàng. Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 5 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông Tuy nhiên, phương pháp cô đặc xuôi chiều cũng có nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở các nồi sau thấp dần, nhưng nồng độ dung dịch tăng dần, làm cho độ nhớt dung dịch tăng nhanh, kết quả là hệ số truyền nhiệt giảm từ nồi đầu đến nồi cuối. II.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệ Hệ thống cô đặc 3 nồi, làm việc xuôi chiều liên tục. Dung dịch đầu KNO 3 8% khối lượng được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị (4). Dung dịch sau đó đi qua lưu lượng kế (7) chả vão thiết bị gia nhiệt (8). Ở đây, dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, sau đó đi vào nồi cô đặc (1), (2), (3). Tại nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi bằng thiết bị cô đặc có ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn tương đối lớn. Dung dịch đi ở trong ống còn hơi đốt đi vào khoảng trống gian phía ngoài ống. Khi làm việc, dung dịch trong ống truyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn trung tâm thể tích theo một nhà cung cấp mặt phẳng truyền nhiệt to hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trong ống ít hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây to hơn so với ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là trong thiết bị có sự chuyển động tuần hoàn tự nhiên từ dưới lên trên ở ống truyền nhiệt và từ trên xuống dưới ở ống tuần hoán trung tâm. Hơi đốt được lấy ra ở nồi hơi (1) phân phối nhiệt cho thiết bị gia nhiệt (3) và nòi cô đặc (1). Tại nồi 1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệt làm sôi dung dịch, bốc hơi một lượng hơi thứ. Hơi thứ từ nồi thứ (1) được dung làm hơi đốt cho nồi thứ (2) và tương tự thì hơi thứ nồi (2) sẽ là hơi đốt cho nồi (3). Hơi thứ từ nồi (3) được ngưng tụ nhờ thiết bị baromet (13) và được hút chân không nhờ bơm chân không (15). Nước ngưng từ phòng đốt của các nồi cô đặc đi qua của xả nước ngưng, qua bẫy hơi (5) để chả xuống thùng chứ nước ngưng (2). Dung dịch từ nồi cô đặc (3) được bơm ly tâm (6) lấy ra cho vào thùng chứa sản phẩm (18). Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 6 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I. ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦU Thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm. Năng suất đầu vào: G đ = 30000 kg/h Nồng độ đầu: x đ = 8% ( khối lượng) Nồng độ cuối: x c = 48% ( khối lượng) Áp suất hơi đốt nồi 1: P hđ1 = 12at Áp suất thiết bị ngưng tụ: P ng = 0,2at Dung dịch: KNO 3 Phân tử mol: M pt = 101 kg/kmol Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 7 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông II. TÍNH TOÁN II.1. Xác nhận tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống Gọi: G đ , G c là lượng dung dịch lúc đầu và cuối, kg/h x đ, x c là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng W là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống: G đ = G c + W Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử phân bố: G đ. x đ = G c x c + W x w Ở đây ta coi quá trình cô đặc coi khối lượng chất tan không bị mất theo lượng hơi bốc ra nên ta có: G đ x đ = G c x c Từ (1) và (2) ta có : W = G đ (1 – x đ /x c ) (VI.1/55 – [II]) Theo số liệu đề tài ta có lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống là : W = 30000 (1 – 8/48) = 25000 (kg/h) II.2. Sự phân bố hơi thứ trong các nồi : Gọi W 1, W 2, W 3 là lượng hơi thứ của nồi 1, nồi 2, nồi 3 kg/h. Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W 1 : W 2 :W 3 = 1 : 1,1 : 1,2 Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 8 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông Nồi 1: hkg W W /76,7575 3,3 25000 3,3 1 === ∑ Nồi 2: )/(33,8333 3,3 25000 .1,1 3,3 .1,1 2 hkg W W === ∑ Nồi 3: )/(91,9090 3,3 25000 2,1 3,3 .2,1 3 hkg W W === ∑ II.3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi: Áp dụng công thức VI.2/ 57- [II], ta có x i = i i đ đ đ WG x G ∑ = − 3 1 , % khối lượng Với x i là nồng độ dung dịch tại nồi I Vậy: Nồng độ của nồi 1: x 1 = 1 WG x G đ đ đ − =30000 = 10,70 (% khối lượng) Nồng độ của nồi 2: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 9 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn Thông x 2 = 21 WWG x G đ đ đ −− =30000 = 17,03 (% khối lượng) Nồng độ của nồi 3: x 3 = 321 WWWG x G đ đ đ −−− = 30000 = 48 (%khối lượng) II.4. Tính chênh lệch áp suất chung của toàn hệ thống Ta có: ∆P = P hđ1 – P ng (at)  ∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at) II.5. Xác nhận áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗi nồi Giả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt các nồi là: ∆P 1 : ∆P 2 : ∆P 3 = 4,183 : 2,043 : 1 Và ta có: ∆ P = ∆ P 1 + ∆ P 2 + ∆ P 3 = 11,8 at ⇒ ∆ P 3 = = 1,633 at ⇒ ∆ P 2 = = 3,336 at ⇒ ∆ P 1 = = 6,831 at Mà ta có: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 10 […]… K 2 887 ,017 m2.độ Nồi 3: W3 rht 3 8791, 930 . 235 5,556.10 3 = = 5,752.10 6 ( W ) 36 00 36 00 Q3 = K3 = 34 952,841 37 ,4 43 = 933 ,494 W/m2.độ Suy ra: Q 3 5,752.10 6 = = 6161,796 K3 933 ,494 m2.độ Nên ta có: n =3 Qi Q1 ∑ Ki = K i =1 1 + Q2 Q3 + = 16591,176 K 2 K3 m2.độ Vậy : ∆t hi1 = 99 ,37 71 Nồi 1 Nhóm 1- Lớp DH10H1 538 8 ,119 = 32 ,2 73 16591,176 0 C Page 34 Đồ án môn học QTTB ∆t hi 2 = 99 ,37 71 GVHD: PGS TS Nguyễn… (2), (3) , với các ẩn là W 1, W2, W3, D1 ta có kết quả như bảng sau: Bảng 6: Kết quả tính toán của phương trình cân bằng nhiệt lượng Nồi C il θ W ( kg/h) Sai số (J/kg.độ) (kJ/kg) (0C) Giả thiết Tính toán % 1 37 38,098 795 ,3 187,1 7575,76 7 634 ,36 2 0,771 2 34 73, 124 642,8 152,2 13 833 3 ,33 85 73, 708 2,885 3 26 63, 3 73 486,7 116,845 9090,91 8791, 930 3, 289 Sai số: %Wi = 100% Nhận thấy sai số < 5% => giả thiết. .. 10,7 ) = 37 38,098 100 J/kg.độ Với dung dịch 2, có xdd2 = 17, 03% < 20% → C 2 = 4186.(1 − 17, 03 ) = 34 73, 124 100 J/kg.độ Với dung dịch 3, có xdd3 = 48% > 20% → C3 = 10 13, 861 48 48 + 4186(1 − ) = 26 63, 3 73 100 100 J/kg.độ  Tính Qtt lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn bốc hơi ở từng nồi: Ta có: θ =thđ; D2 = W1; D3 = W2; W= W1+W2+W3 D1.Cn1 θ1 = D1.il1 D2Cn2 θ2 = D2.il2 = W1.il2 D3Cn3 3 = D3.il3 = W2.il3 Với… 0, 035 3 17, 03 100 − 17, 03 + 101 18 M2 = m2.Mct + (1- m2).MH2O = 0, 035 3.101 + (1 – 0, 035 3).18 = 20, 93 Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 26 Đồ án môn học QTTB λd 2 = A.C P 2 ρ 2 3 GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Thông ρ2 1110,92 = 3, 58.10 −8 .34 73, 124.1110,92 .3 M2 20, 93 =0,519(W/m.độ) Nồi 3: 48 101 m2 = = 0,141 48 100 − 48 + 101 18 M3 = m3.Mct + (1- m3).MH2O =0,141.101 + (1- 0,141).18 = 29,7 03 λd 3 = A.C P 3 ρ 3 3 3 1502,86… 30 ,195 16591,176 0 Nồi 2: ∆t hi3 = 99 ,37 71 C 6161,796 = 36 ,908 16591,176 0 Nồi 3: C Bảng 10: Hệ số phân bố nhiệt hữu ích ΔThi ( giả thiết) ΔThi (tính toán) Sai số % Nồi 1 31 ,609 32 ,2 73 2,1 Nồi 2 30 ,32 51 30 ,195 0,429 thiết ban đầu đều nhỏ hơn 5% II.10.6 Tính toán mặt phẳng truyền nhiệt: Mặt phẳng truyền nhiệt của mỗi nồi: F1 = Nồi 1 Nồi. .. Thông ∆T3 = Th 3 – ts3 = 116,845 – 79,402 = 37 ,4 430 C Bảng 5: Hiệu số nhiệt hữu ích Nồi ∆’, 0C ∆’’, 0C ∆’’’, 0C ∆T, 0C ts, 0C 1 1 ,35 3 0,925 1 31 ,609 155,491 2 1,849 2,1 939 1 30 ,32 51 121,8879 3 4,404 14,,298 1 37 ,4 43 79,402 II.9 Phương trình cân bằng nhiệt lượng Gọi: D1, D2, D3 là lượng hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h Gđ, Gc là lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi. .. nỗi bằng nhau thì hệ số truyền nhiệt tính theo công thức: Ki = W/m2.độ Nồi 1: Q1 = K1 = W1 rht1 7 634 ,36 2.2110 ,35 9.10 3 = = 5 ,37 2.10 6 ( W ) 36 00 36 00 30 884,42 31 ,609 = 997,077 W/m2.độ Suy ra : Q1 5 ,37 2.10 6 = = 538 8 ,119 K1 997,077 Nhóm 1- Lớp DH10H1 m2.độ Page 33 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Thông Nồi 2: W2 rht 2 85 73, 708.2212,786 10 3 = = 4,472.10 6 ( W ) 36 00 36 00 Q2 = 26898,8645 30 ,32 51… 2 = q12 ∑ r = 27009,857 0,522.10 3 = 14,099 o C ∆tT 3 = q 13 ∑ r = 33 711, 239 .0,522.10 3 = 17,597 o C Thay số vào tính toán ta có : ∆t2i = ∆Ti – ∆t1i – ∆tTi Bảng 8: Hiệu số nhiệt độ giữa các nồi Nồi 1 ∆Ti, 0C ∆t1i, 0C ∆tTi, 0C ∆t2i, 0C Nồi 2 dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2).C2.ts2 – Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.θ2 – Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2) Nồi 3: – Do hơi thứ mang ra: W3.iht3 – Do dung dịch mang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3 – Do nước ngưng mang ra: D3.Cn3. 3 – Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0,05.D3.(ih 3 – Cn3 3) Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi: Phương trình cân bằng nhiệt… 1, nồi 2, nồi 3, kg/h Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 17 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Thông Cđ, Cc là nhiệt dung riêng của dung dịch đầu và cuối, J/kg.độ tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của dung dịch, 0C ts1, ts1, ts1 nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 1, 2, 3, 0C ihđ1, ihđ2, ih 3 là hàm nhiệt của hơi đốt nồi 1, nồi 2, nồi 3, kg/h iht1, iht2, iht3 là hàm nhiệt của hơi thứ nồi 1, nồi 2, nồi 3, J/kg . đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. 3. Dữ kiện ban đầu – Năng suất theo dung dịch đầu:. phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. Cấu. /76,7575 3, 3 25000 3, 3 1 === ∑ Nồi 2: )/ (33 , 833 3 3, 3 25000 .1,1 3, 3 .1,1 2 hkg W W === ∑ Nồi 3: )/(91,9090 3, 3 25000 2,1 3, 3 .2,1 3 hkg W W === ∑ II .3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi: Vận dụng công thức

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC & CNTP BỘ MÔN CN HÓA HỌC VÀ HÓA DẦU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập- Tự do- Hạnh phúc NHIỆM VỤMÔN HỌC 1. Họ và tên: 1. Ngô Tiến Việt Anh 2. Nguyễn Hoàng AnhNguyễn HuỳnhAnh Nhóm 1 – Lớp DH10H1 Môn học: Các quá trình vàtrong CNHH và Thực phẩm 2. Đầu đềkế:KNODữ kiện ban đầu – Năng suất theođầu: G đ = 30000kg/h – Nồng độ đầu: x đ = 8% khối lượng – Nồng độ cuối: x c = 48% khối lượng – Áp suất hơi đốt: P 1 = 12 at – Áp suất hơi ngưng tụ baromet: P ng = 0,2 at 4.các phần thuyết minh và tính toán – Sơ đồ dây truyền công nghệvà cấu tạochính (kèm bản vẽ mô tả ) – Tính toán mặt phẳng truyền nhiệt mặt phẳng truyền nhiệt- Tính toán bề dày lớp cách nhiệt – Tính toánngưng tụ baromet và bơm chân không – Tínhkhí 5. Bản vẽ – Sơ đồ dây truyền công nghệđặc: khổ A 1 ( 1 bản) -và các cụ thể: khổ A 1 (1 bản ) Ngày giao nhiệm vụ: 21/1/2013 Ngàythành: 29/4/2013 Vũng Tàu, ngày 22 tháng 12 năm 2013 Xác nhận của trưởng khoa Xác nhận của giáo viên hướng dẫn: Sinh viên đãthành đầy đủ nhiệm vụ MỤC LỤC Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn VănLỜI MỞ ĐẦU Công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu về hóa chất ngày càng tăng. Do đó nghề công nghiệp hóa chấtbản củng phát triển không ngừng, nhu cầu về sản phẩm ngày càng phong phú. Trênsở đó, quy trình công nghệ luôn được nâng cấp và đổi mới để ngày càngthiện hơn. Vấn đề đặt ra làsửhiệu quả năng lượng cho quá trình sản xuất nhưng vẫn đảm bảo năng suất. Kali nitrat (potassium nitrate) còntên gọi khác là diêm sinh với công thức hóa học KNOlà một trong những hóa chấtdụng. Với nhiều ứngthực tiễn, hiện tại KNOđược sản xuất với số lượng ngày càng lớn. KNOđược ứngrộng rãi trong các nghề công nghiệp như phân bón, thực phẩm, thuốc súng … Vậythế nào để thu được KNOnồng độ cao và tinh khiết. Một trong những phương pháp được sửhiệu quả để tăng nồng độ KNOlà phương phápđặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm chúng tôi thực hiện trong đồ án này làKNOCấu trúc của đồ ánthể chia thành các phần như sau: − Chương I: Tổng quan − Chương II: Tính toán công nghệ, − Chương III: Tính và chọnchính. − Chương IV: Tính và chọnphụ. − Tài liệu tham khảo. Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 2 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn VănCHƯƠNG I TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM I.1.Các tính chất vật lí của KNO1: Các tính chất vật lí của KNOCông thức phân tử KNOPhân tử gam 101,1032 g/mol Ngoại hình Tinh thể trong suốt, không màu Mùi Chua hay mặn Tỷ trọng 2,106 g/cmNhiệt độ nóng chảy 336 0 C (609 K) Nhiệt độ sôi 400 0 C ( 673 K) Độ hòa tan trong nước 32 mg/ 100ml ( 20 0 C) pH ca. 7 I.2. Các ứngcủa KNO− Phân bón: Nitrat kali được sửchủ yếu trong phân bón , như là một nguồn nitơ và kali – hai trong số những dưỡng chất cho thực vật. − Chất oxi hóa: Nitrat kali là một chất oxy hóa hiệu quả, sản xuất ra một ngọn lửa màu hoa cà khi đốt cháy do sự hiện diện của kali. Đây là một trong ba thành phần của bột màu đen, cùng với than bột (đángcarbon) và lưu huỳnh. Như vậy nó được sửtrong bột màu đen độngtên lửa. Nó cũng được sửtrong pháo hoa như bom khói , với một hỗn hợp sucroe và kali nitrat. − Giữ gìn thực phẩm − Ngoài ra, KNOcònmột số ứngkhác như: là thành phần hạt chính vững chắc của aerosol ức chếcháythống, là thành phần chính (thường là khoảng 98%) của một số sản phẩmbỏ gốc cây. Nó Nhóm 1- Lớp DH10H1 PageĐồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văntăng tốc sự phân hủy tự nhiên của gốc câycách phân phối nitơ cho nấm tấn công gỗ của gốc cây, xử lý nhiệt kimnhư mộtmôi rửa, là một phương tiện lưu trữ nhiệt. II.SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁPII.1. Định nghĩalà quá trìnhbay hơi một phầnmôi củachứa chất tan không cất cánh hơi với mục đích: −tăng nồng độ chất tan. − Tách chất rắn hòa tan ở dang tinh thể (kết tinh). − Thumôi ở dạng nguyên chất (cất nước).thườngđểbốc hơimôi: −tác nhân là nhiệt để phân phối năng lượng cho hơimôi (côở trạng thái hơi). −kết tinh,cáchlạnh và giảm áp suất riêng phần hơi trên mặt thoáng củađểtăng quá trình bốc hơi. Quá trìnhtiến hành ở trạng thái sôi nghĩa là áp suất riêng phần củamôi cầnvới áp suát chung trên mặt phẳng thoáng của chất lỏng. Khác với quá trình chưng luyện, trong quá trìnhđặc, chỉmôi cất cánh hơi. Đáng lưu ý là trong quá trìnhđặc, nồng độ chất tan tăng, tác động đến quá trình tính toán củabị. Khi đósố dẫn nhiệt λ, nhiệtriêng C,số cấp nhiệt α giảm, đồng thời khối lượng riêng ρ, độ nhớt µ, tổn thất nhiệt ∆’ tăng. II.2. Lựa chọn phương ánthể sửmộthay nhiều nồi, ở đề tài này, tất cả chúng ta chỉ xétnhiều nồi.nhiềulà quá trình sửhơi thứ thay cho hơi đốt, do đó nóý nghĩa kinh tế cao về sửnhiệt. Phép tắc của quá trìnhnhiềuthể tóm tắt như sau: Ởthứ nhất,được đun nónghơi đốt, hơi thứ củanày mang vàothứ hai, hơi thứthứ hai mang vàothứ ba… hơi thứ Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 4 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văncuối cùng đi vàongưng tụ. Cònđi vào lần lượt từnày sangkia, qua mỗiđều bốc hơi một phần, nồng độ tăng dần lên. Điều kiện cầnđể truyền nhiệt trong cáclà phảichênh lệch nhiệt độ giữa hơi đốt vàsôi, haycách khác là chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ trong các nồi, nghĩa là áp suấttrong mỗiphải giảm dần vì hơi thứ củatrước là hơi đốt củasau.thườngđầuở áp suất dư, còncuốiở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển.thể phânnhiềutheo các cách khác nhau: − Theo sự sắp xếp mặt phẳng đun: nằm ngang, thẳng đứng, nằm nghiêng. − Theo chất tải nhiệt: hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), khói lò, dòng điện, các chất tải nhiệtbiệt (dầu, hydrocarbon). − Theo chế độhoàn:chiều, chéo chiều, ngược chiều. − Kết cấu mặt phẳng đun nóng: vỏ bọc ngoài,chùm,xoắn. Trong đồ ánKNOnày, ta sửtự nhiên), buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm vì những ưu thế sau: −tự di chuyển từnày sangkhác nhờ sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa các nồi. Nhiệt độtrước lớn hơnsau,là áp suấttrước lớn hơnsau. −vàođầu tiên ở nhiệt độ sôi nhờ được gia nhiệt trướchơi nước, ngoại trừđầu tiên,đi vàothứ 2,nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi, do đóđượclạnh, lượng nhiệt này sẽbốc hơi thêm một phần nước, gọi là quá trình tự bốc hơi. − ống tuần hoàn trung tâm có ưu thế làtrongdễ dàng, vận tốclớn vìkhôngđốt nóng kéo theo đối lưu dễ dàng. Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 5 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn VănTuy nhiên, phương phápcũngnhược điểm là nhiệt độở cácsau thấp dần, nhưng nồng độtăng dần,cho độ nhớttăng nhanh, kết quả làsố truyền nhiệt giảm từđầu đếncuối. II.3. Thuyết minh sơ đồ công nghệnồi,tục.đầu KNO8% khối lượng được chứa thùng chứa nguyên liệu (3), sau đó được bơm ly tâm (6) bơm lên thùng cao vị (4).sau đó đi qua lưu lượng(7) chả vãogia nhiệt (8). Ở đây,được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi, sau đó đi vào(1), (2), (3). Tạiđặc,được đun sôi ống tuần hoàn trung tâm , buồng đốt trong, trong đó cáctruyền nhiệt vàtương đối lớn.đi ở trongcòn hơi đốt đi vào khoảng trống gian phía ngoài ống. Khiviệc,trongtruyền nhiệt sôi tạo thành hỗn hợp hơi lỏngkhối lượng riêng giảm đi vàđẩy từ dưới lên trên miệng ống, còn trongtâm thể tích theo một nhà cung cấp mặt phẳng truyền nhiệt to hơn so vớitruyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra trongít hơn, vì vậy khối lượng riêng của hồn hợp hơi– lỏng ở đây to hơn so vớitruyền nhiệt, sẽđẩy xuống dưới. Kết quả là trongsự chuyển độngtự nhiên từ dưới lên trên ởtruyền nhiệt và từ trên xuống dưới ởHơi đốt được lấy ra ởhơi (1) phân phối nhiệt chogia nhiệt (3) và(1). Tại1, hơi đốt ngưng tụ, tỏa nhiệtsôidịch, bốc hơi một lượng hơi thứ. Hơi thứ từthứ (1) đượchơi đốt chothứ (2) và tương tự thì hơi thứ(2) sẽ là hơi đốt cho(3). Hơi thứ từ(3) được ngưng tụ nhờbaromet (13) và được hút chân không nhờ bơm chân không (15). Nước ngưng từ phòng đốt của cácđi qua của xả nước ngưng, qua bẫy hơi (5) để chả xuống thùng chứ nước ngưng (2).từ(3) được bơm ly tâm (6) lấy ra cho vào thùng chứa sản phẩm (18). Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 6 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn VănCHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ I. ĐỀ BÀI VÀ CÁC GIẢ THUYẾT BAN ĐẦUNăng suất đầu vào: G đ = 30000 kg/h Nồng độ đầu: x đ = 8% ( khối lượng) Nồng độ cuối: x c = 48% ( khối lượng) Áp suất hơi đốt1: P hđ1 = 12at Áp suấtngưng tụ: P ng = 0,2atdịch: KNOPhân tử mol: M pt = 101 kg/kmol Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 7 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn VănII. TÍNH TOÁN II.1. Xác nhận tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏiGọi: G đ , G c là lượnglúc đầu và cuối, kg/h x đ, x c là nồng độ đầu và cuối, % khối lượng W là lượng hơi thứ bốc hơi, kg/h Phương trình cânvật liệu cho toànthống: G đ = G c + W Phương trình cânvật liệu cho cấu tử phân bố: G đ. x đ = G c x c + W x w Ở đây ta coi quá trìnhcoi khối lượng chất tan khôngmất theo lượng hơi bốc ra nên ta có: G đ x đ = G c x c Từ (1) và (2) ta: W = G đ (1 – x đ /x c ) (VI.1/55 – [II]) Theo số liệu đề tài talượng hơi thứ bốc ra toànlà : W = 30000 (1 – 8/48) = 25000 (kg/h) II.2. Sự phân bố hơi thứ trong các: Gọi W 1, W 2, Wlà lượng hơi thứ của1,2,kg/h. Chọn sự phân bố hơi thứ theo tỷ lệ : W 1 : W 2 :W= 1 : 1,1 : 1,2 Từ cách chọn tỷ lệ này ta tính được lượng hơi thứ bốc ra từng nồi: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 8 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Văn1: hkg W W /76,7575 3,3 25000 3,3 1 === ∑2: )/(33,8333 3,3 25000 .1,1 3,3 .1,1 2 hkg W W === ∑3: )/(91,9090 3,3 25000 2,1 3,3 .2,1hkg W W === ∑ II.3. Nồng độở từng nồi: Ápcông thức VI.2/ 57- [II], tax i = i i đ đ đ WG x G ∑ = −1 , % khối lượng Với x i là nồng độtạiI Vậy: Nồng độ của1: x 1 = 1 WG x G đ đ đ − =30000 = 10,70 (% khối lượng) Nồng độ của2: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 9 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS. TS Nguyễn Vănx 2 = 21 WWG x G đ đ đ −− =30000 = 17,03 (% khối lượng) Nồng độ của3: x= 321 WWWG x G đ đ đ −−− = 30000 = 48 (%khối lượng) II.4. Tính chênh lệch áp suất chung của toànTa có: ∆P = P hđ1 – P ng (at)  ∆P = 12 – 0,2 = 11,8 (at) II.5. Xác nhận áp suất, nhiệt độ hơi đốt của mỗiGiả sử áp hiệu số phân bố suất hơi đốt cáclà: ∆P 1 : ∆P 2 : ∆P= 4,183 : 2,043 : 1 Và ta có: ∆ P = ∆ P 1 + ∆ P 2 + ∆ P= 11,8 at ⇒ ∆ P= = 1,633 at ⇒ ∆ P 2 = = 3,336 at ⇒ ∆ P 1 = = 6,831 at Mà ta có: Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 10 […]… K 2 887 ,017 m2.độ3: W3 rht8791, 930 . 235 5,556.10= = 5,752.10 6 ( W ) 36 00 36 00 Q3 = K3 = 34 952,841 37 ,4 43 = 933 ,494 W/m2.độ Suy ra: Q5,752.10 6 = = 6161,796 K3 933 ,494 m2.độ Nên ta có: n =3 Qi Q1 ∑ Ki = K i =1 1 + Q2 Q3 + = 16591,176 K 2 K3 m2.độ Vậy : ∆t hi1 = 99 ,37 711 Nhóm 1- Lớp DH10H1 538 8 ,119 = 32 ,2 73 16591,176 0 C Page 34 Đồ án môn học QTTB ∆t hi 2 = 99 ,37 71 GVHD: PGS TS Nguyễn… (2), (3) , với các ẩn là W 1, W2, W3, D1 takết quả nhưsau:6: Kết quả tính toán của phương trình cânnhiệt lượngC il θ W ( kg/h) Sai số (J/kg.độ) (kJ/kg) (0C) GiảTính toán % 1 37 38,098 795 ,3 187,1 7575,76 7 634 ,36 2 0,771 2 34 73, 124 642,8 152,2 13 833,33 85 73, 708 2,88526 63,73 486,7 116,845 9090,91 8791, 930 3, 289 Sai số: %Wi = 100% Nhận thấy sai số < 5% => giả thiết. .. 10,7 ) = 37 38,098 100 J/kg.độ Với2,xdd2 = 17, 03% < 20% → C 2 = 4186.(1 − 17,) = 34 73, 124 100 J/kg.độ Với3,xdd3 = 48% > 20% → C3 = 10 13, 861 48 48 + 4186(1 − ) = 26 63,73 100 100 J/kg.độ  Tính Qtt lấy5% lượng nhiệt tiêu tốn bốc hơi ở từng nồi: Ta có: θ =thđ; D2 = W1; D3 = W2; W= W1+W2+W3 D1.Cn1 θ1 = D1.il1 D2Cn2 θ2 = D2.il2 = W1.il2 D3Cn3= D3.il3 = W2.il3 Với… 0, 03517,100 − 17,+ 101 18 M2 = m2.Mct + (1- m2).MH2O = 0, 035 3.101 + (1 – 0, 035 3).18 = 20, 93 Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 26 Đồ án môn học QTTB λd 2 = A.C P 2 ρ 2GVHD: PGS TS Nguyễn Vănρ2 1110,92 = 3, 58.10 −8 .34 73, 124.1110,92 .3 M2 20, 93 =0,519(W/m.độ)3: 48 101 m2 = = 0,141 48 100 − 48 + 101 18 M3 = m3.Mct + (1- m3).MH2O =0,141.101 + (1- 0,141).18 = 29,7λd= A.C P1502,86… 30 ,195 16591,176 02: ∆t hi3 = 99 ,37 71 C 6161,796 = 36 ,908 16591,176 03: C10:số phân bố nhiệt hữu ích ΔThi ( giả thiết) ΔThi (tính toán) Sai số %1 31 ,609 32 ,2 73 2,12 30 ,32 51 30 ,195 0,429 Nồi 3 3 7,4 43 36,908 1,42 Với sai số ∆Ti = Như vậy các sai số so với giảban đầu đều nhỏ hơn 5% II.10.6 Tính toán mặt phẳng truyền nhiệt: Mặt phẳng truyền nhiệt của mỗi nồi: F1 =1 Nồi. ..∆T3 = Th– ts3 = 116,845 – 79,402 = 37 ,4 430 C5: Hiệu số nhiệt hữu ích∆’, 0C ∆’’, 0C ∆’’’, 0C ∆T, 0C ts, 0C 1 1 ,350,925 1 31 ,609 155,491 2 1,849 2,1 939 1 30 ,32 51 121,88794,404 14,,298 1 37 ,4 43 79,402 II.9 Phương trình cânnhiệt lượng Gọi: D1, D2, D3 là lượng hơi đốt1,2,3, kg/h Gđ, Gc là lượngđầu và cuối, kg/h W1, W2, W3 là lượng hơi thứ bốc ra từ nồi. ..nhau thìsố truyền nhiệt tính theo công thức: Ki = W/m2.độ1: Q1 = K1 = W1 rht1 7 634 ,36 2.2110 ,35 9.10= = 5 ,37 2.10 6 ( W ) 36 00 36 00 30 884,42 31 ,609 = 997,077 W/m2.độ Suy ra : Q1 5 ,37 2.10 6 = = 538 8 ,119 K1 997,077 Nhóm 1- Lớp DH10H1 m2.độ Page 33 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS TS Nguyễn Văn2: W2 rht 2 85 73, 708.2212,786 10= = 4,472.10 6 ( W ) 36 00 36 00 Q2 = 26898,8645 30 ,32 51… 2 = q12 ∑ r = 27009,857 0,522.10= 14,099 o C ∆tT= q 13 ∑ r = 33 711, 239 .0,522.10= 17,597 o C Thay số vào tính toán ta: ∆t2i = ∆Ti – ∆t1i – ∆tTi8: Hiệu số nhiệt độ giữa các1 ∆Ti, 0C ∆t1i, 0C ∆tTi, 0C ∆t2i, 0C Nồi 3 3 1,609 30 ,32 51 37 ,4 43 4,1 3, 4 13 4,845 16,226 14,099 17,597 11,2 83 12,8 131 15,001 Vậy từ đây : Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 31 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS TS… W2.iht2 – Domang ra: (Gđ –W1 –W2).C2.ts2 – Do nước ngưng mang ra: D2.Cn2.θ2 – Do tổn thất nhiệt chung: Qtt2 = 0,05.D2.(ihđ2 – Cn2.θ2)3: – Do hơi thứ mang ra: W3.iht3 – Domang ra: (Gđ –W1 –W2 –W3).C3.ts3 – Do nước ngưng mang ra: D3.Cn3.- Do tổn thất nhiệt chung: Qtt3 = 0,05.D3.(ih– Cn3 3) Viết phương trình cânnhiệt lượng cho từng nồi: Phương trình cânnhiệt… 1,2,3, kg/h Nhóm 1- Lớp DH10H1 Page 17 Đồ án môn học QTTB GVHD: PGS TS Nguyễn VănCđ, Cc là nhiệtriêng củađầu và cuối, J/kg.độ tđ, tc nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối củadịch, 0C ts1, ts1, ts1 nhiệt độ sôi của1, 2, 3, 0C ihđ1, ihđ2, ihlà hàm nhiệt của hơi đốt1,2,3, kg/h iht1, iht2, iht3 là hàm nhiệt của hơi thứ1,2,3, J/kg . đề thiết kế: Thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều làm việc liên tục dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. 3. Dữ kiện ban đầu – Năng suất theo dung dịch đầu:. phương pháp cô đặc. Đây cũng là đề tài mà nhóm chúng tôi thực hiện trong đồ án này là thiết kế hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều dung dịch KNO 3 bằng thiết bị cô đặc loại ống tuần hoàn trung tâm. Cấu. /76,7575 3, 3 25000 3, 3 1 === ∑ Nồi 2: )/ (33 , 833 3 3, 3 25000 .1,1 3, 3 .1,1 2 hkg W W === ∑ Nồi 3: )/(91,9090 3, 3 25000 2,1 3, 3 .2,1 3 hkg W W === ∑ II .3. Nồng độ dung dịch ở từng nồi: Vận dụng công thức