Tài liệu Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc nacl

Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… [1] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl I. GVHD: Thầy Lê Đức Trung GIỚI THIỆU MỞ ĐẦU Để nâng cao nồng độ của dung dịch theo yêu cầu của sản xuất kỹ thuật người ta cần dùng biện pháp tách bớt dung môi ra khỏi dung dịch. Phương pháp phổ biến là dùng nhiệt để làm bay hơi còn chất rắn tan không bay hơi, khi đó nồng độ dung dịch sẽ tăng lên theo yêu cầu mong muốn. Thiết bị thường sử dụng chủ yếu trong nâng cao nồng độ dung dịch hóa chất là thiết bị cô đặc. Thiết bị cô đặc gồm nhiều loại và được phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau như: thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn cưỡng bức…, trong đó thiết bị cô đặc tuần hoàn có ống tuần hoàn ngoài được dùng phổ biến. Vì thiết bị này có nguyên lý đơn giản, dễ vận hành và sữa chữa, hiệu suất sử dụng cao… dây chuyền thiết bị có thể dùng 1 nồi, 2 nồi, 3 nồi… nối tiếp nhau để tạo thành sản phẩm theo yêu cầu. Trong thực tế người ta thường thiết kế sử dụng hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi để có hiệu suất sử dụng hơi đốt cao nhất, giảm tổn thất trong quá trình sản xuất. Đồ án quá trình và thiết bị công nghệ thực phẩm là một môn học giúp cho sinh viên làm quen với việc thiết kế một thiết bị hay hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, có những kỹ năng tính toán cần thiết sau khi ra làm việc thực tế. Làm đồ án giúp cho sinh viên biết hệ thống hóa kiến thức đã được học vào trong thực tế, mỗi sinh viên sẽ tự biết sử dụng trong việc tra cứu các thong số cần thiết, vận dụng đúng các kiến thức đã được học trong tính toán một cách chính xác, tỉ mỉ từng bước tránh những sai sót đáng tiếc về [2] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung sau, nâng cao kỹ năng trình bày và đọc được bản vẽ thiết bị một cách có hệ thống. II. TỔNG QUAN 1. Nhiệm vụ đồ án: Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế thiết bị cô đặc NaCl một nồi từ nồng độ 5% đến 20% với năng suất 1500 kg/h tính theo nguyên liệu đầu vào. 2. Tính chất nguyên liệu sản phẩm  Nguyên liệu: NaCl là khối tinh thể màu trắng, có vị mặn, tan trong nước và phân ly thành ion Là thành phần của muối ăn hằng ngày Khối lượng riêng của dung dịch 5% là 1035 (kg/m3) Độ nhớt là 1,07*10-3 (Ns/m2) ở 200C ( dung dịch 10%) Ở 1000C dung dịch bão hòa ở 28.15%, ở 200C dung dịc bão hòa ở 26.4% Nguyên liệu đem đi cô đặc là dung dịch NaCl 5% với dung môi là nước  Sản phẩm: Ta thấy độ hòa tan ở nhiệt độ thường của NaCl là khoảng 26,3%, trong khi đó dung dịch cô đặc yêu cầu là 20%, cho nên sau khi làm nguội nguyên liệu vẫn còn ở dạng dung dịch. Vì thế mục đích của quá trình cô đặc này chủ yếu để chuẩn bị cho quá trình sản xuất khác NaOH, các hợp chất chứa Cl và sử dụng làm muối dạng dịch truyền sử dụng trong y tế. Ngoài ra NaC còn được dùng làm chất tải lạnh.  Những biến đổi xẩy ra trong quá trình cô đặc: [3] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung Trong quá trình cô đặc thì tính chất cuả nguyên liệu luôn luôn thay đổi, thơi gian cô đặc càng lâu làm cho nồng độ dung dịch tăng lên dẫn đến tính chất cũng có sự biến đổi theo. khi nồng độ tăng lên làm cho hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt giảm đi. Đồng thời các đại lượng như khối lượng riêng, độ nhớt, độ sôi, tổn thất nhiệt lại tăng lên. 3. Hệ thống cô đặc: 3.1. Định nghĩa. Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của chất rắn hòa tan trong dung dịch bằng cách tách bớt một phần dung môi sang dạng hơi. Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi, nghĩa là áp suất hơi riêng phần của dung môi trên mặt dung dịch bằng áp suất làm việc của thiết bị. Quá trình cô đặc được dùng phổ biến trong công nghiệp với mục đích làm tăng nồng độ các dung dịch loãng hoặc để tách các chất rắn hòa tan (trường hợp này có kèm theo quá trình kết tinh), ví dụ: cô đặc dung dịch đường, cô đặc xút, cô đặc các dung dịch muối… Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở các áp suất khác nhau. Khi làm việc ở áp suất thường (áp suất khí quyển) ta dùng thiết bị hở; còn khi làm việc ở các áp suất khác ta dùng thiết bị kín. Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở hệ thống cô đặc 1 nồi hoặc hệ thống cô đặc nhiều nồi. 3.2. Các phương pháp cô đặc. [4] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung 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 chât 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 đọ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 3.2.1. Phân loại. Người ta thường tiến hành phân loại thiết bị cô đặc theo các cách sau: - Theo cấu tạo: + Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm:  Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài.  Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng đốt). + Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm:  Có buồng đốt trong ống tuần hoàn ngoài.  Có buồng đốt ngoài ống tuần hoàn ngoài. [5] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung + Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc lâu làm biến chất sản phẩm. Đặt biệt thích hợp chho các dung dịch thực phẩm như dung dịch nước trái cây, nước ép hoa quả…. 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. - Theo phương pháp thực hiện quá trình: + Cô đặc ở áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch để giữ mức dung dịch cố định để đạt năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt được là không cao. + Cô đặc ở áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 100oC, áp suất chân không. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn sự bay hơi nước liên tục. + Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không quá lớn và sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi. 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 sản phẩm tốt hơn và quá trình cô đặc ổn định hơn cô đặc gián đoạn và có thể áp dụng điều khiển tự động nhưng chưa có cảm biến tin cậy. [6] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung - Theo sự bố trí bề mặt đun nóng: nằm ngang, thẳng đứng, nghiêng. - Theo chất tải nhiệt: đun nóng bằng hơi (hơi nước bão hòa, hơi quá nhiệt), bằng khói lò, chất tải nhiệt có nhiệt độ cao (dầu, nước ở áp suất cao…) bằn dòng điện. - Theo cấu tạo bề mặt đun nóng: vỏ bọc ngoài, ống xoắn, ống chùm. 3.2.2. 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. 3.2.3. Ứng dụng 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 [7] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung 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. 3.2.4. Cấu tạo của thiết bị cô đặc 3.2.4.1. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm  Cấu tạo Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm gồm phần trên là phòng bốc 1 phần dưới của thiết bị là phòng đốt 2 có các ống truyền nhiệt 3 và ống tuần hoàn trung tâm 4 có đường kính lớn hơn từ 7-10 lần ống truyền nhiệt, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 5 có tác dụng tách giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo.  Nguyên lý làm việc Dung dịch được đưa vào đáy phòng bốc rồi chảy trong các ống truyền nhiệt và ống trung tâm, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt đi ở khoảng giữa các ống và vỏ, do đó dung dịch được đun sôi tạo thành hỗn hợp lỏng hơi trong ống truyền nhiệt và làm khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm đi và chuyển động từ dưới lên miệng ống, còn trong ống tuần hoàn thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó nhiệt độ dung dịch nhỏ hơn so với dung dịch trong ống truyền nhiệt và lượng hơi tạo ra ít hơn vì vậy khối lượng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt do đó chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống [8] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung tuần hoàn tạo lên dòng hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy phòng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy ra một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch mới vào thiết bị. Còn với quá trình làm việc gián đoạn thì dung dịch được đưa vào thiết bị gián đoạn và sản phẩm cũng được lấy ra gián đoạn. Tốc độ tuần hoàn càng lớn thì hệ số cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng và quá trình đóng cặn trên bề mặt cũng giảm. Tốc độ tuần hoàn loại này thường không quá 1.5m/s.  Ưu điểm Cấu tạo đơn giản đễ sửa chữa và làm sạch  Nhược điểm Năng suất thấp, tốc độ tuần hoàn giảm vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng. 3.2.4.2. Thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn cưỡng bức  Cấu tạo Thiết bị cô đặc tuần hoàn cưỡng bức gồm phòng bốc 1 và trong phòng bốc có bộ phận tách giọt, phía dưới phòng đốt 2, trong phòng đốt có các ống truyền nhiệt 3, bên ngoài thiết bị có ống tuần hoàn ngoài 5 và bơm tuần hoàn 4.  Nguyên lý làm việc Dung dịch được bơm vào phòng đốt liên tục và đi trong các ống trao đổi nhiệt từ dưới lên phòng bốc, còn hơi đốt được đưa vào phòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị. Dung [9] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung dịch được đun sôi trong ống truyền nhiệt với cường độ sôi cao và lên phòng bốc. Tại bề mặt thoáng dung dịch ở phòng bốc, dung môi tách ra bay lên và đi qua bộ phận tách giọt rồi sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch trở nên đậm đặc hơn trở về ống tuần hoàn ngoài trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục được bơm đưa vào phòng đốt. Khi dung dịch đạt nồng độ yêu cầu thì ta luôn lấy một phần dung dịch ra ở đáy phòng bốc ra làm sản phẩm. Tốc độ dung dịch trong ống truyền nhiệt khoảng từ 1.5-3.5m/s do đó hệ số cấp nhiệt lớn hơn tuần hoàn tự nhiên từ 3-4 lần và có thể làm việc trong điều kiện nhiệt độ hữu ích nhỏ từ 3-5 độ vì cường độ tuần hoàn chỉ phụ thuộc vào năng suất của bơm.  Ưu điểm Năng suất cao cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn mà tuần hoàn tự nhiên khó thực hiện.  Nhược điểm Tốn nhiều năng lượng cung cấp cho bơm. 3.2.4.3. Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài a. Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài kiểu đứng  Cấu tạo Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài kiểu đứng gồm phòng đốt 1 và phòng bốc 2, phòng đốt là thiết bị trao đổi nhiệt ống chum, nhưng các ống truyền nhiệt có thể dài tới 7m, còn trong phòng bốc có bộ phận tách giọt 4 và nối giữa hai phòng đốt và phòng đốt có ống dẫn 3 và ống tuần hoàn 5.  Nguyên tắc làm việc [10] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung Dung dịch được đưa vào phòng đốt 1 liên tục và đi trong các ống truyền nhiệt, còn hơi đốt được đi vào trong phòng đốt và đi ở khoảng giữa ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị để đun sôi dung dịch. Dung dịch tạo thành hỗn hợp hơi lỏng đi qua ống 3 vào phòng bốc hơi 2, ở đây hơi thứ tách ra đi lên phía trên, còn dung dịch đi theo ống tuần hoàn 5 trộn lẫn với dung dịch mới đi vào phòng đốt. Khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu được trích một phần ra ở đáy phòng bốc làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung dung dịch mới vào thiết bị. Do chiều dài ống truyền nhiệt lớn nên cường độ tuần hoàn lớn và cường độ bốc hơi lớn.  Ưu điểm Năng suất cao.  Nhược điểm Cồng kềnh, tốn nhiều vật liệu chế tạo. b. Thiết bị cô đặc có phòng đốt ngoài nằm ngang  Cấu tạo Thiết bị cô đặc có buồng đốt ngoài nằm ngang gồm phòng đốt 1 là thiết bị truyền nhiệt ống chữ U và phòng bốc 2, trong phòng bốc có bộ phận tách giọt.  Nguyên lý làm việc Dung dịch được đưa vào thiết bị và đi vào ống truyền nhiệt chữ U từ trái sang phải ở nhánh dưới lên nhánh trên rồi lại chảy về phòng bốc ở trạng thái sôi, dung môi tách ra khỏi dun dịch bay lên qua bộ phận tách giọt và ra ngoài, tháo phần dung dịch tăng dần tới nồng độ yêu cầu, sau đó tháo phần dung dịch ra làm sản phẩm và tiếp tục cho dung dịch mới vào thực hiện một mẻ mới. [11] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl  GVHD: Thầy Lê Đức Trung Ưu điểm Phòng bốc có thể tách ra khỏi phòng đốt dễ dàng để làm sạch và sửa chữa.  Nhược điểm Cồng kềnh, cấu tạo phức tạp làm việc gián đoạn, năng suất thấp. 3.2.4.4. Thiết bị cô đặc loại màng  Cấu tạo Thiết bị cô đặc loại màng có cấu tạo tương tự thiết bị cô đặc cưỡng bức, nhưng với các ống trao đổi nhiệt cao từ 6-9m.  Nguyên tắc làm việc Dung dịch được đưa từ đáy phòng đốt vào trong các ống trao đổi nhiệt với mức chất lỏng chiếm khoảng từ 1/4 - 1/5 chiều cao của ống truyền nhiệt. Hơi đốt đi vào phòng đốt ở khoảng giữa các ống truyền nhiệt với vỏ thiết bị, dung dịch được đun sôi với cường độ lớn và hơi thứ tách ra ngay trên bề mặt thoáng của dung dịch ở trong ống truyền nhiệt và hơi chiếm hầu hết tiết diện của ống và chuyển động từ dưới lên với vận tốc rất lớn khoảng 20m/s kéo theo màng chất lỏng ở bề mặt ống cùng đi lên và màng chất lỏng đi từ dưới lên tiếp tục bay hơi làm nồng độ dung dịch tăng lên dần đến miệng ống là đạt nồng độ cần thiết, hơi thứ đi lên đỉnh tháp qua bộ phận tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet, còn dung dịch chảy xuống ống tuần hoàn ngoài và một phần được lấy ra làm sản phẩm, một phần về trộn lẫn với dung dịch đầu tiếp tục đi vào phòng đốt. Hoặc có thể tháo hoàn toàn dung dịch đậm đặc làm sản phẩm khi chênh lệch giữa nồng độ đầu và cuối yêu cầu không lớn. Thiết bị này có hệ số truyền nhiệt lớn khi mức chất lỏng thích hợp, nếu mức [12] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung chất lỏng quá cao thì hệ số truyền nhiệt giảm vì tốc độ chất lỏng giảm, ngược lại nếu mức chất lỏng quá thấp thì phía trên sẽ khô, khi đó quá trình cấp nhiệt ở phía trong ống nghĩa là quá trình cấp nhiệt từ thành ống tới hơi chứ không phải lỏng do đó hiệu quả truyền nhiệt giảm đi nhanh chóng.  Ưu điểm Áp suất thủy tĩnh nhỏ do đó tổn thất thủy tĩnh ít.  Nhược điểm Khó làm sạch vì ống dài, khó điều chỉnh khi áp suất hơi đốt và mực chất lỏng thay đổi, không cô đặc được dung dịch có độ nhớt lớn và dung dịch kết tinh. 3.3. Các loại thiết bị để thực hiện quy trình công nghệ. 3.3.1. Thiết bị chính. Trong công nghiệp hóa chất thường dung các thiết bị cô đặc đun nóng bằng hơi. Loại này gồm các phần chính sau: 1. Ống nhập liệu, ống tháo liệu. 2. Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt. 3. Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp. 4. Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng. 3.3.2. Thiết bị phụ. 1. Bể chứa nguyên liệu. 2. Bể chứa sản phẩm. [13] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung 3. Bồn cao vị. 4. Lưu lượng kế. 5. Thiết bị gia nhiệt. 6. Thiết bị ngưng tụ baromet. 7. Bơm nguyên liệu vào bồn cao vị. 8. Bơm tháo liệu. 9. Bơm nước vào thiết bị ngưng tụ. 10.Bơm chân không. 11.Các van. 12.Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất… 3.3.3. Các loại vật liệu dùng để chế tạo thiết bị có thể dùng để chế tạo thiết bị. Vật liệu dùng để chế tạo thiết bị sử dụng vật liệu làm bằng thép không gỉ. Vật liệu này có thể chịu nhiệt và không bị ăn mòn bởi Nacl và giá thành cũng rẻ hơn nhiều so với các loại vật liệu khác. 3.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng - Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm. - Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ. - Đơn giản, dễ sữa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt. - Phân bố hơi đều. - Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng. [14] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung - Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo. - Tổn thất năng lượng (do thất thoát nhiệt là nhỏ nhất). - Thao tác, khống chế giản đơn, tự động hóa dễ dàng 3.5. Lựa chọn thiết bị cô đặc Mục đích cô đặc dung dịch NaCl từ 5% đến 20%, với đặc điểm nguyên liệu NaCl là muối trung tính, tính chất hóa học, vật lý ít bị biến đổi khi cô đặc ở nhiệt độ cao, độ nhớt dung dịch không cao có thể tuần hoàn tự nhiên qua bề mặt truyền nhiệt. Vì vậy lựa chọn thiết bị cô đặc có buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm, tuần hoàn tự nhiên, làm việc xuôi chiều. Ưu điểm của thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm là cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh và sửa chữa, chiếm ít diện tích, có thể cô đặc dung dịch có nhiều váng cặn. Do dung dịch có nồng độ và độ nhớt dung dịch tương đối thấp, nếu sử dụng hệ thống cô đặc gián đoạn không cần thiết trong trường hợp này vì cô đặc gián đoạn dùng khi cần tăng nồng độ cao đến mức keo, sệt, paste. 1- thùng chứa dung dịch; 2- buồng đốt; 3- thiết bị cô đặc; [15] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung 4-Thiết bị ngưng tụ kiểu ống đứng; 5- thùng chứa nước; 6- thùng chứa hơi thứ ngưng; 7- bơm dung dịch; 8- bơm nước; 9- Bồn caovị; 10- thùng chứa nước ngưng tụ; 11- ratomet (lưu lượng kế); 12- thùng chứa sản phẩm; 13- thùng tháo nước ngưng; 3.6. Lựa chọn thiết bị ngưng tụ baromet Thiết bị ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng, tuy nhiên trong trường hợp này chọn thiết bị ngưng tụ là thiết bị ngưng tụ baromet kiểu khô. Đây là thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp, nó thông dụng trong ngành hóa chất và thực phẩm, Chất làm lạnh là nước. Quá trình tiến hành bằng cách cho hơi nước tiếp xúc trực tiếp với nhau. Hơi cấp ẩn nhiệt ngưng tụ cho nước và ngưng tụ lại, nước lấy nhiệt của hơi và nóng lên, cuối cùng tạo thành một hỗn hợp chất lỏng đã được ngưng tụ. Nước làm lạnh được cho đi từ trên xuống, hơi đi từ dưới lên để làm nguội và ngưng tụ chảy dọc xuống tự do còn khí không ngưng được hút ra theo một đường khác.  Ưu điểm của thiết bị kiểu khô. Nước làm mát tiếp xúc trực tiếp với hơi nên hiệu quả ngưng tụ cao - Cấu tạo đơn giản và dễ lắp đặt - Chống ăn mòn, năng suất cao - Nước ngưng tự chảy ra được không cần bơm nên ít tốn năng lượng. 3.7. Nhược điểm của thiết bị kiểu khô: thiết bị cồng kềnh. Lựa chọn địa điểm đặt nhà máy Do nguồn nguyên liệu là dung dịch muối loãng 5%, trong khi đó nồng độ muối của nước biển khoảng 3,5 – 4%, do vậy để thuận tiện cho việc sử dụng nguồn nguyên liệu thì nhà máy nên đặt ở gần biển [16] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung Do ở gần biển nên nhiệt độ trung bình khoảng 250C, độ ẩm khoảng 77% III. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ Các thông số và số liệu ban đầu: Dung dịch cô đặc: NaCl Nồng độ đầu (xđ): 5% , tđ = 250C Nồng độ cuối (x ): 20% c Áp suất hơi đốt, hơi nước bão hòa (tự chọn): 3 at (132,90C) (st 1, 314) Áp suất hơi thứ : 1 at (99,10C) Năng suất sản phẩm: 1500 kg/h Áp suất buồng bốc: 1 at (99,10) - Tổn thất áp suất ∆”’'trên đường ống dẫn hơi thứ tương ứng với tổn thất nhiệt độ ∆”’ - Chọn ∆”’ = 1 0C ∆”’ = tht - tnt (VI.14, STQTTB T2, 60) Với tht: nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pht ( áp suất hơi thứ ) của, hơi thứ 0C tnt : nhiệt độ hơi bão hòa ứng với áp suất Pnt trong thiết bị ngưng tụ,0C tnt = t ht - ∆”’ = 99,1 – 1 = 98,1 0C p nt = 0,96 at 1. Cân bằng phương trình vật chất 1.1. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình bốc hơi – cô đặc. Gđ = Gc + W [17] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl Gđ.xđ = Gc.x GVHD: Thầy Lê Đức Trung c với: Gđ, Gc – lưu lượng ban đầu (vào) và cuối cùng (ra) của dung dịch, kg/s. xđ, xc - nồng độ chất tan trong dung dịch đầu và cuối, phần khối lượng. W – lương hơi thứ, kg/s. - Lưu lượng dung dịch cuối thu được: Gc= Gđ.Xđ 0,05 =1500 =375 kg Xc 0.2 - Lượng hơi thứ bốc ra: W =Gđ−Gc=1500−375=1125 kg /h 1.2. Tổn thất nhiệt độ trong hệ. - Tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc: tổn thất do nồng độ, tổn thất do áp suất thủy tĩnh và tổn thất do trở lực đường ống. 1.2.1. Tổn thất do nồng độ. - Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của dung dịch và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất bất kì gọi là tổn thất nồng độ ∆’ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco ∆’ = ∆’0 . f - (VI .10, STQTTB T2, 59) Trong đó: ∆’0 : Tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất thường. f : là hệ số hiệu chỉnh với f =16,2 T2 r (VI.11, STQTTB T2, 59) [18] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung Với T: nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho,0K r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc, J/Kg - Theo bảng tra tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ a ( % về khối lượng) ở áp suất thường ( STQTTT T2, TS. Trần xoa, TS. Nguyễn Trong Khuôn) - Tại nhiệt độ tnt = 98,1 0C suy ra : f = 0.98 ( theo bảng điều chỉnh hệ số f theo nhiệt độ ) Nồng độ ∆’0 ∆’ Tsdd 5% 0,9 0.73 99,83 20% 4,85 3,9 102,7 1.2.2. Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh. - Nhiệt độ sôi của dung dịch cô đặc tăng cao vì hiệu ứng thủy tĩnh ∆’’( tổn thất nhiệt độ do ápsuất thủy tĩnh tăng cao). ∆’’ = tsdd(ptb) - tsdd(p1) = tsdm( ptb) – tsdm(p1) Ta có: ptb = p1 + 0,5 �gHop Với : ∆p = 0,5�hhgHop �hh = ½ f*d2 Với: �dd là khối lượng riêng của dung dịch được tính theo nồng độ cuối Hop = 0,26 + 0,0014( �dd – �dm) h0 H0 : chiều cao của ống truyền nhiệt �dm: khối lượng riên của dung môi ở tsdm - Chọn : h0 = 1,5 m ( là chiều cao của ống truyền nhiệt, m) h1 = 30 % h2 = 0,3 * 1,5 = 0,45 m ( là chiều cao của lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên của ống truyền nhiệt đến mặt thoáng của dung dịch, m) [19] Đồ án môn học: Thiết Kế Hệ Thống Cô Đặc NaCl GVHD: Thầy Lê Đức Trung - Tại NaCl 20% :  �dd = 1150 (kg/ m3)  �hh = ½ 1150 = 575 ( kg/ m3)  �dm = 999 ( kg/ m3) - Vậy : Hop = 0,026 + 0,0014(1150 – 999) *1,5 = 0,705 (m) ∆ p= 0,5∗1150∗9,81∗0,705 =0,04 at 9,81∗104 Ptb = 1 + 0,04 = 1,04 at  Tsdm ở 1,04 at = 93 0C  Độ tăng nhiệt độ sôi do cột thủy tĩnh ∆’’ = 93 – 91,9 = 1,1 0C - Nhiệt độ sôi của NaCl 20% ở áp suất p1 + ∆p T sdd (p + ∆p) = 102,7 + 2,1 = 104,8 0C 1.2.3. Tổn thất trở lực do đường ống: ∆’’’ = 1 0C 1.2.4. Tổn thất nhiệt cho cả hệ thống: ∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’ = 3,9 + 1,1 + 1 = 6 0C 1.3. Chênh lệch nhiệt độ hữu ích của nồi và cả hệ thống ∆t = thd – t nt = 132,9 – 98,1 = 34,8 0C - Tổng chênh lệch hữu ích của cả hệ thống ∆hi = ∆t - ∑∆ = 34,8 – 7 = 27, 8 0C - Sản phẩm lấy ra ở đáy của thiết bị, nhiệt độ cuối của dung dịch trong nồi tc = tnt + ∆’ + 2∆’’ + ∆’’’ = 98,1 + 3,9 + 2*1,1 + 1 = 107 ,2 0C [20]