MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I. TỔNG QUAN

I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN 4

II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU 4

III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC 4

1. Định nghĩa 4

2. Các phương pháp cô đặc 4

3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt 5

4. Ứng dụng của sự cô đặc 5

IV. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT 5

1. Phân loại và ứng dụng 5

2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc 6

V. LỰA CHỌN THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DUNG DỊCH NaOH 7

PHẦN II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7

PHẦN III. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 9

I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 9

1. Dữ kiện ban đầu 9

2. Cân bằng vật chất 9

3. Tổn thất nhiệt độ 9

4. Cân bằng năng lượng 11

II. TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 13

A. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 13

1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 13

2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 14

3. Nhiệt tải riêng phía tường 15

4. Tiến trình tính các nhiệt tải riêng 16

5. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K cho quá trình cô đặc 16

6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt 16

B. TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 17

1. Tính kích thước buồng bốc 17

2. Tính kích thước buồng đốt 18

3. Tính kích thước các ống dẫn 20

C. TÍNH BỀN CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT CỦA THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 21

1. Tính cho buồng đốt 21

2. Tính cho buồng bốc 23

3. Tính cho đáy thiết bị 26

4. Tính cho nắp thiết bị 31

1

GVHD: ThS. Hoàng Minh Nam ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Trần Hoàng Dương (60800371) Học kỳ 1 Năm học 2011 - 2012

5. Tính mặt bích 32

6. Tính vỉ ống 34

7. Khối lượng và tai treo 36

PHẦN IV. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 43

I. THIẾT BỊ GIA NHIỆT 43

1. Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi 43

2. Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dòng chất lỏng sôi 44

3. Nhiệt tải riêng phía tường 45

4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt 45

II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ 48

1. Chọn thiết bị ngưng tụ 48

2. Tính thiết bị ngưng tụ 48

III. BỒN CAO VỊ 54

IV. BƠM 56

1. Bơm chân không 56

2. Bơm đưa nước vào thiết bị ngưng tụ 56

3. Bơm đưa dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị 58

4. Bơm tháo liệu 60

V. CÁC CHI TIẾT PHỤ 63

1. Lớp cách nhiệt 63

2. Cửa sửa chữa 63

3. Kính quan sát 63

PHẦN V. TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

2

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ tư, môn học Đồ án Quá trình và Thiết bị là cơ

hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ hoá học. Bên cạnh

đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn

các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng.

Cô đặc chân không một nồi liên tục dung dịch NaOH là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn

trực tiếp của ThS. Hoàng Minh Nam, bộ môn Quá trình và Thiết bị - khoa Kỹ thuật Hoá học

trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Người viết xin chân thành cảm ơn thầy

Hoàng Minh Nam cũng như các thầy cô của bộ môn Quá trình và Thiết bị và những người bạn

đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện.

Vì Đồ án Quá trình và Thiết bị là đề tài lớn đầu tiên mà một sinh viên đảm nhận nên thiếu sót và

hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi. Do đó, người viết rất mong nhận được

thêm góp ý, chỉ dẫn từ thầy cô giáo và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn.

3

PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC

I. NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN

- Thiết kế thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch NaOH.

 Năng suất nhập liệu: 1 m3/h

 Nồng độ đầu: 18% khối lượng

 Nồng độ cuối: 30% khối lượng

 Áp suất ngưng tụ: Pck = 0,4 at

- Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: 30 oC (chọn)

II. GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

- Natri hydroxid NaOH nguyên chất là chất rắn màu trắng, có dạng tinh thể, khối lượng riêng

2,13 g/ml, nóng chảy ở 318 oC và sôi ở 1388 oC dưới áp suất khí quyển. NaOH tan tốt trong

nước (1110 g/l ở 20 oC) và sự hoà tan toả nhiệt mạnh. NaOH ít tan hơn trong các dung môi

hữu cơ như methanol, ethanol NaOH rắn và dung dịch NaOH đều dễ hấp thụ CO2 từ

không khí nên chúng cần được chứa trong các thùng kín.

- Dung dịch NaOH là một base mạnh, có tính ăn da và có khả năng ăn mòn cao. Vì vậy, ta cần

lưu ý đến việc ăn mòn thiết bị và đảm bảo an toàn lao động trong quá trình sản xuất NaOH.

- Ngành công nghiệp sản xuất NaOH là một trong những ngành sản xuất hoá chất cơ bản và

lâu năm. Nó đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của các ngành công nghiệp khác như dệt,

tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hoá dầu, sản xuất phèn .

- Trước đây trong công nghiệp, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH)2 tác dụng với

dung dịch Na2CO3 loãng và nóng. Ngày nay, người ta dùng phương pháp hiện đại là điện

phân dung dịch NaCl bão hoà. Tuy nhiên, dung dịch sản phẩm thu được thường có nồng độ

rất loãng, gây khó khăn trong việc vận chuyển đi xa. Để thuận tiện cho chuyên chở và sử

dụng, người ta phải cô đặc dung dịch NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.

III. KHÁI QUÁT VỀ CÔ ĐẶC

1. Định nghĩa

Cô đặc là phương pháp dùng để nâng cao nồng độ các chất hoà tan trong dung dịch gồm 2

hai nhiều cấu tử. Quá trình cô đặc của dung dịch lỏng - rắn hay lỏng - lỏng có chênh lệch

nhiệt độ sôi rất cao thường được tiến hành bằng cách tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay

hơi hơn); đó là các quá trình vật lý - hoá lý. Tuỳ theo tính chất của cấu tử khó bay hơi (hay

không bay hơi trong quá trình đó), ta có thể tách một phần dung môi (cấu tử dễ bay hơi hơn)

bằng phương pháp nhiệt độ (đun nóng) hoặc phương pháp làm lạnh kết tinh.

2. 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, một cấu tử sẽ tách ra dưới

dạng tinh thể của đơn chất tinh khiết; thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất

tan. Tuỳ 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 ta phải dùng máy lạnh.

3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt

Để tạo thành hơi (trạng thái tự do), 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 phân tử đủ

năng lượng thực hiện quá trình này.

Bên cạnh đó, sự bay hơi xảy ra 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 (protit) sẽ

ngăn chặn sự tạo bọt khi cô đặc.

4. Ứng dụng của sự cô đặc

Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, mì chính, nước trái cây

Trong sản xuất hoá chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ

Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hoá chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc

như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. Mặc dù cô đặc chỉ là một

hoạt động gián tiếp nhưng nó rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với

sự phát triển của nhà máy, việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. Nó đòi

hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Do đó, yêu cầu được

đặt ra cho người kỹ sư là phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám

phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc.

IV. THIẾT BỊ CÔ ĐẶC DÙNG TRONG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT

1. Phân loại và ứng dụng

1.1. Theo cấu tạo

- Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên). Thiết bị cô đặc nhóm này

có thể cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua

bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

 Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.

 Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc)

- Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức (tuần hoàn cưỡng bức). Thiết bị cô đặc nhóm

này dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 m/s đến 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt.

Ưu điểm chính là tăng cường hệ số truyền nhiệt k, dùng được cho các dung dịch khá

đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Bao gồm:

 Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài.

 Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài.

5

GVHD: ThS. Hoàng Minh Nam ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

SVTH: Ngô Trần Hoàng Dương (60800371) Học kỳ 1 Năm học 2011 - 2012

- Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng. Thiết bị cô đặc nhóm này chỉ cho phép

dung dịch chảy dạng màng qua bề mặt truyền nhiệt một lần (xuôi hay ngược) để tránh

sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần của dung dịch. Đặc biệt

thích hợp cho các dung dịch thực phẩm như nước trái cây, hoa quả ép. Bao gồm:

 Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt

khó vỡ.

 Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt

và bọt dễ vỡ.

1.2. Theo phương thức thực hiện quá trình

- Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): nhiệt độ sôi và áp suất không đổi; thường được

dùng trong cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định, nhằm đạt năng

suất cực đại và thời gian cô đặc ngắn nhất.

- Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi thấp ở áp suất chân không.

Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục.

- Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên quá lớn vì nó

làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. Người ta có thể cô chân không, cô áp lực hay phối

hợp cả hai 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 được điều khiển tự động

nhưng hiện chưa có cảm biến đủ tin cậy.

Đối với mỗi nhóm thiết bị, ta đều có thể thiết kế buồng đốt trong, buồng đốt ngoài, có

hoặc không có ống tuần hoàn. Tuỳ theo điều kiện kỹ thuật và tính chất của dung dịch, ta

có thể áp dụng chế độ cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hoặc áp suất dư.

2. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô 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: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng

- Thiết bị phụ:

 Bể chứa nguyên liệu

 Bể chứa sản phẩm

 Bồn cao vị

 Lưu lượng kế

 Thiết bị gia nhiệt

 Thiết bị ngưng tụ baromet

 Bơm nguyên liệu vào bồn cao v