Tài liệu Nhom7codacnaoh for merge

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO TRUYỀN NHIỆT & TRUYỀN KHỐI CÔ ĐẶC NaOH GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VĨNH SVTH 1. TRẦN ĐỖ ĐẠT 15139017 Phần 4.2 2. ĐINH THANH HIẾN 15139038 Phần 4.3.1 3. LÊ THÀNH ĐÔ 15139020 Phần 4.2 4. NGUYỄN CAO BÁ 15139007 Phần 4.4.1 5. NGUYỄN QUANG MINH 15139070 Phần 2 Tổng quan về cô đặc 6. NGÔ HỒNG NGỌC ANH 15139004 Phần 3 Quy trình công nghệ 7. THẠCH KIM HÍA 15139037 Phần 4.1 8. LÊ THỊ YẾN NHI 15139087 Phần 4.5 9. TRẦN DIỆP HỒNG THẮM 15139108 Phần 1 Tổng quan cô đặc NaOH 10.LÊ HƯƠNG BÌNH 15139011 Phần 4.4.2 11.VÕ THỊ ANH THƯ 15139122 Phần 4.1.3 đến 4.1.4&phần KL 12.NGUYỄN T.NGUYỆT THANH 15139110 Phần 4.3.2 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................................. 4 1. TỔNG QUAN VỀ NaOH.......................................................................................................5 1.1 Tính chất vật lý..................................................................................................................5 1.2 Tính chất hóa học..............................................................................................................5 1.3 Phương pháp sản xuất........................................................................................................6 1.3.1 Cơ sở phương pháp.....................................................................................................6 1.3.2 Các kiểu buồng điện phân...........................................................................................7 1.4 Ứng dụng của NaOH.........................................................................................................7 1.4.1 Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới..........................................7 1.4.2 Triển vọng tương lai....................................................................................................9 1.4.3 Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam:...............................................................9 2. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC.................................................................................................10 2.1 Định nghĩa cô đặc............................................................................................................10 2.2 Ứng dụng của cô đặc.......................................................................................................11 2.3 Các thiết bị trong cô đặc..................................................................................................11 2.3.1 Phân loại và ứng dụng...............................................................................................11 3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ................................................................................................14 3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ:.............................................................................14 3.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ:....................................................................14 3.2.1 Sơ đồ công nghệ:.......................................................................................................14 3.2.2 Thuyết minh quy trình:..............................................................................................16 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ.......................................................................................................17 4.1 Cân bằng vật chất và năng lượng.....................................................................................17 4.1.1 Dữ kiện ban đầu........................................................................................................17 4.1.2 Cân bằng vật chất......................................................................................................17 4.1.3 Tổn thất nhiệt độ.......................................................................................................17 4.1.4 Cân bằng năng lượng.................................................................................................20 4.2 Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc........................................................................22 4.2.1 Tính hệ số cấp nhiệt cho hai phía..............................................................................22 3 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh 4.2.2 Nhiệt tải riêng trung bình..........................................................................................27 4.2.3 Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc.................................................................27 4.2.4 Diện tích bề mặt truyền nhiệt....................................................................................27 4.2.5 Số ống truyền nhiệt...................................................................................................27 4.2.6 Đường kính ống tuần hoàn trung tâm........................................................................28 4.3 Tính cơ khí của thiết bị cô đặc.........................................................................................29 4.3.1 Buồng đốt nồi cô đặc.................................................................................................29 4.3.2 Buồng bốc nồi cô đặc................................................................................................35 4.4 Tính toán thiết bị phụ trợ.................................................................................................39 4.4.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu..................................................................................39 4.1.2 Thiết bị ngưng tụ Bazomet........................................................................................48 4.1.3 Thùng cao vị..............................................................................................................53 4.1.4 Bơm........................................................................................................................... 56 4.5 Các chi tiết phụ trợ..........................................................................................................57 4.5.1 Ống dẫn.....................................................................................................................57 4.5.2 Tính toán và chọn tai treo..........................................................................................59 4.5.3 Cửa quan sát..............................................................................................................63 4.5.4 Lớp cách nhiệt...........................................................................................................63 5. KẾT LUẬN..........................................................................................................................65 6. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................66 4 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh 1. TỔNG QUAN VỀ NaOH Công thức phân tử NaOH Danh pháp IUPAC Sodium hydroxide Tên khác Xút, xút ăn da, kiềm Phân tử gam 39,9971 g/mol Bề ngoài Tinh thể màu trắng Tỷ trọng 2,1 g/cm³, rắn Điểm nóng chảy 318 °C (591 K) Điểm sôi 1.390 °C (1.663 K) Độ hòa tan trong nước 111 g/100 ml (20 °C) Độ bazơ (pKb) -2.43 Natri hiđroxit hay hyđroxit natri (công thức hóa học NaOH) hay thường được gọi là xút hoặc xút ăn da. NaOH tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hòa tan trong dung môi như nước. Nó được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như giấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa. Sản lượng trên thế giới năm 1998 vào khoảng 45 triệu tấn. NaOH cũng được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm. NaOH tinh khiết là chất rắn có màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt hoặc ở dạng dung dịch bão hòa 50%. NaOH rất dễ hấp thụ CO2 trong không khí vì vậy nó thường được bảo quản ở trong bình có nắp kín. Nó phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etanol và metanol. Nó cũng hòa tan trong ete và các dung môi không phân cực. 1.1 Tính chất vật lý  Entanpi hòa tan ΔHo -44,5kJ/mol  Ở trong dung dịch nó tạo thành dạng monohydrat ở 12,3-61,8 °C với nhiệt độ nóng chảy 65,1 °C và tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3  Một số tính chất vật lý quan trọng của NaOH 1.2 Tính chất hóa học  Phản ứng với các axít và ôxít axít tạo thành muối và nước NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H2O  Phản ứng với cacbon điôxít 2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O NaOH + CO2 → NaHCO3  5 Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este: Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối  GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới: 2 NaOH + CuCl2 → 2 NaCl + Cu(OH)2↓ 1.3 Phương pháp sản xuất 1.3.1 Cơ sở phương pháp Toàn bộ dây chuyền sản xuất xút ăn da (NaOH) là dựa trên phản ứng điện phân nước muối (nước cái). Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành clo nguyên tố (trong buồng anốt), dung dịch NaOH, và hiđrô nguyên tố (trong buồng catôt). Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi là nhà máy xút-clo. Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là: 2 Na+ + 2 H2O + 2 e- → H2 + NaOH Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn: 2NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2 Sơ đồ điện phân có màng ngăn 1.3.2 Các kiểu buồng điện phân Điểm phân biệt giữa các công nghệ này là ở phương pháp ngăn cản không cho natri hyđroxit và khí clo lẫn lộn với nhau, nhằm tạo ra các sản phẩm tinh khiết.  6 Buồng điện phân kiểu thuỷ ngân Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Trong buồng điện phân kiểu thuỷ ngân thì không sử dụng màng hoặc màn chắn mà sử dụng thuỷ ngân như một phương tiện chia tách. Xem thêm Công nghệ Castner-Kellner.  Buồng điện phân kiểu màng chắn Trong buồng điện phân kiểu màng chắn, nước muối từ khoang anôt chảy qua màng chia tách để đến khoang catôt; vật liệu làm màng chia tách là amian phủ trên catôt có nhiều lỗ  Buồng điện phân kiểu màng ngăn Còn trong buồng điện phân kiểu màng ngăn thì màng chia tách là một màng trao đổi ion 1.4 Ứng dụng của NaOH NaOH ứng dụng trong sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, bột giặt, tơ nhân tạo, sản xuất giấy, sản xuất nhôm (làm sạch quặng nhôm trước khi sản xuất), trong chế biến dầu mỏ và nhiều ngành công nghiệp hóa chất khác. 1.4.1 Một số nét về sản xuất kinh doanh Xút - Clo trên thế giới 1.4.2.1 Tình hình sản xuất và xu hướng công nghệ hiện nay Toàn thế giới hiện có khoảng 500 công ty sản xuất xút - clo lớn với công suất danh định 45 triệu tấn xút năm. Một phần ba tổng sản lượng xút toàn cầu được sản xuất tại Mỹ với giá cả rất cạnh tranh. Hơn 95% sản lượng xút - clo của thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch muối ăn với ba công nghệ chính: điện cực thủy ngân, điện phân màng ngăn và màng trao đổi ion. ở châu Âu, hiện nay khoảng 54% tổng công suất xút - clo là theo công nghệ điện cực thủy ngân, 22% theo công nghệ điện phân màng ngăn và 22% theo công nghệ điện phân màng trao đổi ion. Nhưng trước áp lực của các quy định nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường, Hiệp hội các nhà sản xuất xút - clo châu Âu đã cam kết đến năm 2025 sẽ đóng cửa hoặc chuyển đổi toàn bộ các nhà máy xút-clo theo công nghệ điện cực thủy ngân sang công nghệ màng trao đổi ion. Hiện nay, hầu như tất cả những nhà máy xút - clo mới xây dựng trên thế giới đều áp dụng công nghệ màng trao đổi ion, vì đây là công nghệ có mức tiêu hao nhiên liệu thấp nhất, giá thành sản phẩm thấp và không ảnh hưởng đến môi trường. Để đánh giá tổng chi phí sản xuất xút-clo, người ta tính toán chi phí sản xuất theo đơn vị ECU (1 ECU = 1,0 tấn clo + 1,1 tấn xút). 7 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối 1.4.2.2 Tình hình kinh doanh xút trên thế giới GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Trong số 45 - 50 triệu tấn xút được sản xuất hàng năm, có khoảng 16% (7 - 8 triệu tấn) được buôn bán trên thị trường, chủ yếu là xút sản xuất ở Mỹ và châu Âu (chiếm 80% thị trường). Khoảng 94% xút được buôn bán ở dạng lỏng (thướng là 50% NaOH), trong đó gần 2 triệu tấn được vận chuyển bằng đường biển và trên 5 triệu tấn được vận chuyển bằng đường bộ. Giá xút rắn thường cao hơn giá xút lỏng (tính theo dạng khô) 100 - 200 USD/tấn. Thị trường đối với xút rắn chủ yếu là các nước đang phát triển do cơ sở hạ tầng không thích hợp cho việc vận chuyển và sử dụng xút lỏng. Nhưng với cơ sở hạ tầng đang ngày càng được phát triển, những thị trường lớn như Trung Quốc và các nước SNG đang giảm tiêu thụ xút rắn và chuyển sang nhập xút lỏng. Ngày nay, Cuba, Angiêri và châu Phi là những thị trường tiêu thụ chính đối với xút rắn. Ở châu Á, Inđônêxia là nước duy nhất còn nhập khẩu xút rắn với khối lượng lớn. Do giá xút rắn cao nên khối lượng buôn bán sản phẩm này trên thế giới chỉ đạt 400.000 tấn/năm và đang giảm với tốc độ 8%/năm. Xút lỏng được buôn bán trên thế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại các nước như Ôxtrâylia, Braxin, Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và Ghinê, trong đó đáng kể nhất là Ôxtrâylia. Các nước nhập khẩu lớn khác, phản ánh sự bất cân bằng xút-clo trong các khu vực là Hàn Quốc và Côlômbia. 1.4.2.3 Sản xuất và kinh doanh xút - clo tại châu Á Nhìn tổng thể, nếu sản xuất đủ clo để có thể đảm bảo nhu cầu đối với sản phẩm này thì châu Á lại không thể tiêu thụ hết sản phẩm đồng hành là xút. châu Á đang phải nhập các hóa chất chứa clo (chủ yếu là PVC) với lượng ngày càng tăng. Trên thực tế, nhiều nước châu Á đang xuất khẩu sản phẩm xút giá cao (do chi phí điện năng cao) để cân bằng nhu cầu lớn của mình về các sản phẩm chứa clo. Nhưng giá điện cao khiến cho xuất khẩu xút chỉ hạn chế ở mức khiêm tốn và khó có thể cạnh tranh được với các nhà sản xuất giá thành thấp ở Mỹ và Ảrập Xêút. Thị trường nhập khẩu xút lớn nhất thế giới là Ôxtrâylia với nhu cầu mỗi năm 1 triệu tấn xút cho ngành sản xuất các sản phẩm nhôm. Hiện nay Ôxtrâylia nhập khẩu xút chủ yếu từ Nhật Bản, Ảrập Xêút, châu Âu và Mỹ, nhưng cũng sẽ là thị trường đích cho các nhà sản xuất mới ở châu Á. Tuy nhiên, Ôxtrâylia đang có kế hoạch xây dựng nhà máy xút - clo công suất lớn, nhà máy này sẽ có ảnh hưởng quan trọng đối với thị trường xút - clo trên thế giới và khu vực. 8 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối 1.4.2 Triển vọng tương lai GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Triển vọng của sản xuất xút clo thế giới chịu ảnh hưởng của nhiều tác động như: nhu cầu clo cho sản xuất PVC, tình hình cung ứng chất thay thế là sô đa, chi phí điện, và việc xây dựng những nhà máy xút clo mới, như nhà máy xút - clo sắp xây dựng của Ôxtrâylia. Ngoài ra còn có những yếu tố chu kỳ và xu hướng phát triển trong khu vực, thuế nhập khẩu và tỷ giá giữa các đồng tiền. Những yếu tố then chốt cho khả năng cạnh tranh của các sản phẩm xút - clo là giá điện, quy mô công suất nhà máy, sự kết hợp một cách hiệu quả dây chuyền xút - clo vào các tổ hợp hóa dầu, và triển vọng của sản xuất nhựa P VC trước những lo ngại về môi trường. Về trung hạn, các nhà máy mới xây dựng với giá thành sản xuất thấp sẽ gây áp lực mạnh đối với các nhà sản xuất quy mô nhỏ, giá thành cao. Các nước châu Á như Trung Quốc trước đây thường nhập khẩu xút thì nay đang bắt đầu xuất khẩu sản phẩm này. Đặc biệt, Trung Quốc đang cơ cấu lại ngành công nghiệp hóa dầu của mình, các cơ sở sản xuất hóa dầu nội địa với công suất thấp sẽ được thay thế bằng các nhà máy lớn ở vùng duyên hải với khả năng xuất khẩu sản phẩm, do đó nhu cầu clo sẽ tăng đáng kể. Nhưng vấn đề then chốt là giá năng lượng đang làm thay đổi cơ cấu công nghiệp xút - clo thế giới. Các nước và khu vực có giá năng lượng thấp, ví dụ Ôxtrâylia, sẽ xuất khẩu clo dư thừa ở dạng EDC sang các thị trường đang tăng trưởng ở châu Á. Đối với nhiều nước, kể cả Ôxtrâylia, việc xuất khẩu clo nhiều khi nhằm mục đích cân bằng cơ cấu xút - clo. Có thể nói, tương lai của sản xuất xút liên quan chặt chẽ với nhu cầu clo, mà cơ bản vẫn là với ngành công nghiệp PVC thế giới. 1.4.3 Thực trạng sản xuất xút NaOH ở Việt Nam: Hiện nay cả nước ta có 5 cơ sở sản xuất xút lớn và một số cơ sở sản xuất nhỏ khác với tổng năng lực sản xuất khoảng 100.000 tấn/năm. Cụ thể như sau: - Nhà máy Hóa chất Việt Trì (hiện là Công ty Hóa chất Việt Trì) do Trung Quốc giúp đỡ xây dựng từ đầu những năm 60, với công suất ban đầu 1990 tấn xút lỏng 31%/năm (tính theo 100% NaOH), 1020 tấn HCl 31%/ năm và 145 tấn clo lỏng/năm để cung cấp cho nhà máy giấy tại khu công nghiệp Việt Trì. Trong những năm chiến tranh, nhà máy bị bom Mỹ tàn phá, hư hại nhiều, đến năm 1975 được tiến hành khôi phục mở rộng. Từ giữa năm 1975 đến đầu năm 1976 các công trình phục hồi được đưa vào sản xuất với quy mô mới. Hiện nhà máy có năng 9 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh lực sản xuất 6500 tấn NaOH/năm. Sản lượng thực tế đạt khoảng 6000 tấn/năm. Công ty đã có dự án mở rộng công suất lên 10.000 tấn NaOH/năm, dự kiến sẽ hoàn thành trong năm 2003. - Nhà máy Hóa chất Biên Hoà (hiện trực thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền Nam) được xây dựng với mục đích ban đầu là cung cấp xút và clo cho khu công nghiệp Biên Hoà. Sau khi thống nhất đất nước năm 1975, Nhà máy đã hư hỏng nhiều, đã được cải tạo, mở rộng và lắp đặt trang thiết bị mới. Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 15.000 tấn xút /năm, sản lượng thực tế đạt 11000-12000 tấn/năm. - Xưởng sản xuất xút của Công ty Giấy Đồng Nai: Xút được sản xuất chủ yếu để dùng cho sản xuất giấy. Công suất của xưởng đạt 5.000 tấn/năm - Xưởng xút-clo của Công ty Bột ngọt Vedan: Xưởng xút - clo của Nhà máy Bột ngọt Vedan được xây dựng vào thời kỳ 1991-1995 có công suất 20.000 tấn/năm với nhiệm vụ cung cấp axit HCl cho dây chuyền sản xuất bột ngọt của nhà máy. Xưởng xút đã được mở rộng lên công suất 60.000 tấn/năm cân đối theo lượng axit HCl tiêu thụ tại nhà máy. - Nhà máy xút-clo của Công ty Giấy Bãi Bằng có công suất 7.000 tấn xút/năm chủ yếu phục vụ cho việc nấu bột giấy và dùng clo để tẩy trắng bột giấy. Nhìn chung, tổng công suất sản xuất xút của nước ta còn nhỏ, lại phân tán ở nhiều cơ sở. Do chưa có phương án cân bằng clo về dài hạn nên các cơ sở thường phải sản xuất dưới mức công suất thiết kế, tỷ lệ sử dụng công suất nhiều khi chỉ đạt 55 - 65%, sản phẩm kém tính cạnh tranh và không đáp ứng nhu cầu trong nước. Trong 10 - 15 năm tới, vấn đề cân bằng clo vẫn sẽ là một thách thức rất lớn cho sản xuất xút ở nước ta. Chỉ khi công nghiệp hóa dầu ở nước ta được xây dựng và phát triển thì mới có thể giải quyết về căn bản vấn đề cân bằng clo và nâng công suất sản xuất xút trong nước. Mặt khác, trong tương lai xa, khi công nghiệp hóa dầu phát triển thì nhu cầu về clo sẽ tăng vọt, đòi hỏi các nhà máy xút clo cũng phải nâng công suất xút một cách tương xứng. 2. TỔNG QUAN VỀ CÔ ĐẶC 2.1 Định nghĩa cô đặc Cô đặc là quá trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, ở nhiệt độ sôi, với mục đích:  Làm tăng nồng độ chất tan.  Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (tinh khiết). 10 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối  Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước). GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp xuất (áp xuất chân không, áp xuất thường, áp xuất dư) trong hệ thống một thiết bị cô đặc (nồi) hay trong hệ thống nhiều thiết bị cô đặc. Quá trình có thể gián đoạn hay liên tục. Cô đặc chân không dung cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch dễ bị phân hủy nhiệt, ngoài ra còn làm tang hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch (hiệu số nhiệt độ hữu ích) dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô đặc chân không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của quá trình sản cuất khác (hoặc sử dụng hơi thứ) cho cô đặc. Cô đặc ở áp xuất cao hơn áp xuất khí quyển thường dung cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ để sử dụng hơi thứ của dung dịch cho các quá trình khác. Còn cô đặc ở áp xuất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà thải ra ngoài không khí. Đây là phương pháp đơn giản nhưng nhiệu quả kinh tế không cao. 2.2 Ứng dụng của 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, CaCl 2, 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 2.3 Các thiết bị trong cô đặc 2.3.1 Phân loại và ứng dụng a. 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: 11 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh  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. 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. b. Theo phương pháp 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. 12 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Trong thực tế người ta thường thiết kế các hệ thống cô đặc nhiều nồi để tang hiệu quả sử dụng hơi đốt. 3. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 3.1 Cơ sở lựa chọn quy trình công nghệ: Quá trình cô đặc có thể được tiến hành trong một thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi, làm việc liên tục hoặc gián đoạn. Quá trình cô đặc có thể được thực hiện ở áp suất khác nhau tùy theo yêu cầu kỹ thuật, khi làm việc ở áp suất thường có thể dùng thiết bị hở nhưng khi làm việc ở áp suất thấp thì dùng thiết bị kín cô đặc chân không vì có ưu điểm là có thể giảm được bề mặt truyền nhiệt (khi áp suất giảm thì nhiệt độ sôi của dung dịch giảm dẫn đến hiệu số nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch tăng). Theo tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, cũng như điều kiện kỹ thuật của đầu đề, em lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 1 nồi liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm. Nguyên tắc của quá trình cô đặc nhiều nồi có thể tóm tắt như sau: hơi nước bão hòa được cấp vào thiết bị để làm bay hơi dung môi của dung dịch. Hơi đốt sau cấp nhiệt ngưng tụ lại được tháo qua côc tháo nước ngưng. Dung môi bay hơi qua cơ cấu tách bọt, hơi thứ ra khỏi thiết bị đi vào thiết bị ngưng tụ bazomet thành lỏng. Dung dịch sau cô đắc đạt được nồng độ cần thiết sẽ được tháo qua cửa tháo liệu ra ngoài  Ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi ngược chiều:  Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, dễ vận hành. Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị).  Nhược điểm: Cô đặc ở áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, giảm chi phí năng lượng, hạn chế việc chất tan bị lôi cuốn theo và bám lại trên thành thiết bị (làm hư thiết bị). 3.2 Sơ đồ và thuyết minh quy trình công nghệ: 3.2.1 Sơ đồ công nghệ: 13 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối 3.2.2 Thuyết minh quy trình: 14 GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh - Dung dịch NaoH 15%, ở 30oC, được bơm từ bể chứa nguyên liệu lên bồn cao vị, sau đó được cho qua lưu lượng kế rồi vào thiết bị gia nhiệt ban đầu. Tại đây, dung dịch NaOH đi bên trong ống truyền nhiệt và được gia nhiệt bẳng hơi bão hòa đi bên ngoài ống. - Sau khi ra khỏi thiết bị gia nhiệt ban đầu, dung dịch sẽ được nhập vào thiết bị cô đặc tuần hoàn ống tâm, ở đây dung dịch đi bên trong ống tuần hoàn trung tâm và ống truyền nhiệt, còn hơi đốt là hơi bão hòa sẽ đi bên ngoài ống, tại đây dung dịch được cô đặc đến nồng độ 30%. - Hơi đốt là hơi bão hòa được đưa vào thiết bị cô đặc, hơi đốt đi bên ngoài ống truyền nhiệt, nước ngưng sẽ được tháo ra bên ngoài, đồng thời trong ống tháo nước ngưng có cốc tháo nước ngưng để tránh hơi đốt thoát ra bên ngoài, khí không ngưng cũng sẽ được cho thoát ra bên ngoài qua ống xả. - Hơi thứ của thiết bị cô đặc được đưa vào thiết bị ngưng tụ baromet, dùng nước để ngưng tụ, phần hơi không ngưng tụ sẽ được đưa qua thiết bị tách lỏng để ngưng tụ phần hơi còn lại, phần khí sẽ được hút ra ngoài bằng bơm chân không. 15 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh 4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 4.1 Cân bằng vật chất và năng lượng 4.1.1 Dữ kiện ban đầu  Nồng độ đầu: xđ = 15 %  Nồng độ cuối: xc = 30 %  Năng suất nhập liệu: Vđ = 6m3/h  Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: chọn t0 = 30 oC  Áp suất ngưng tụ: pn = 1 – 0,4 = 0,6 at 4.1.2 Cân bằng vật chất  Xác định lượng hơi thứ bốc lên  Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 15 % ở 30 oC: ρđ = 1158,87 kg/m3 (tra bảng I.23[1-35]).  Năng suất thiết bị (tính theo kg/h) : Gđ = ρđ.Vđ = 1158,87 5.6 = 6593,22 kg/h  Theo công thức 5.16, trang 293, [5]: Có Gđ .xđ = Gc.xc => Gc  G .x 6593, 22.15  3476,61 xc 30 (kg/h) đ đ  Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi thiết bị Cân bằng vật chất cho thiết bị cô đặc Gđ = Gc + W => W = Gđ – Gc = 6953,22 – 3476,61 = 3476,61 (kg/h) 4.1.3 Tổn thất nhiệt độ  Tổn thất nhiệt độ của hơi thứ trên ống dẫn từ buồng bốc đến thiết bị ngưng tụ. Chọn Δ’’’ = 1 oC  Ta có áp suất tại thiết bị ngưng tụ là p n = 0,6 at ⇒ nhiệt độ của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là tn = 85,5 oC (Bảng I.251 [1-314])  Nhiệt độ sôi của dung môi tại áp suất buồng bốc: tsdm(po) – tn = Δ’’’ ⇒ tsdm(po) = tn + Δ’’’ = 85,5 + 1 = 86,5 oC  Áp suất buồng bốc: tra bảng [1-312] ở nhiệt độ 86,5 oC ⇒ po = 0,6275 at  Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (Δ’) Theo công thức của Tisencô (VI.10), [2-59] Δ’ = Δ’o . f Trong đó: 16 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh - Δ’o: tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất khí quyển. - Dung dịch được cô đặc có tuần hoàn nên a = x c = 30 %. Tra bảng VI.2, [2-67]: Δ’ o = 17oC - f – hệ số hiệu chỉnh do khác áp suất khí quyển, được tính theo công thức VI.11 [2-59]:  t  273 f 16, 2. 2 r Trong đó: o t - nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất đã cho (tsdm(po) = 86,5 oC) o r - ẩn nhiệt hoá hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc. Tra bảng I.25[1-314]: r = 2293,25 kJ/kg.  86,5  273 f 16, 2. 2 2293,5.1000 0,9130 ⇒ Δ’ = 17.0,9096 = 15,4632 oC ⇒ tsdd(po) = tsdm(po) + Δ’ = 86,5 + 15,4632 = 101,9632 oC  Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh (Δ’’) Gọi chênh lệch áp suất từ bề mặt dung dịch đến giữa ống là Δp (N/m2), 1 p   s .g.H op 2 Ta có: ; N/m2 Trong đó: - ρs – khối lượng riêng trung bình của dung dịch khi sôi bọt; kg/m3 ρs = 0,5.ρdd ρdd – khối lượng riêng thực của dung dịch đặc không có bọt hơi; kg/m3 Giả thiết tsdd(po+ Δp) = 104oC, C% = xc = 30 %, Ta có ρdd = 1273,29 kg/m3 (tra bảng I.23[1-35]). ⇒ ρs = 0,5.1273,29 = 636,645 kg/m3 - Hop – chiều cao thích hợp của dung dịch sôi tính theo kính quan sát mực chất lỏng; m Hop = [0,26 + 0,0014.(ρdd – ρdm)].ho Chọn chiều cao ống truyền nhiệt là ho = 3,0 m (bảng VI.6 [2-80]) ρdm Khối lượng riêng của dung môi tại nhiệt độ sôi của dung dịch 104 oC. Tra bảng I.249 [1-311], ρdm = 955,5 kg/m3 17 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh ⇒ Hop = [0,26 + 0,0014.(1273,29 – 955,5)].3,0 = 1,595 m 1 1,595 p  636, 645.9,81. 0, 05 2 9,81.10 4 at Ptb = Po + ΔP = 0,6275 + 0,05 = 0,6775 Tra bảng I.251[1-314], ptb = 0,6775 at => tsdm(ptb) = 88,445 oC Ta có: Δ’’ = tsdm(po + Δp) – tsdm(po) = tsdd(po + Δp) – tsdd(po) = 88,445 – 86,5 = 1,945 oC ⇒ tsdd(ptb) = tsdd(po) + Δ’’ = 102,021 + 1,945 = 103,966 Sai số 0,30% được chấp nhận. Vậy tsdd(ptb) = 104 oC. Sản phẩm được lấy ra tại đáy ⇒ tsdd(po + 2Δp) = 102,021 + 2.1,945 105,911oC  Tổng tổn thất nhiệt độ: ΣΔ = Δ’ + Δ’’ + Δ’’’ ⇒ ΣΔ = 15,521 + 1,945 + 1 = 18,466 oC Kết luận: Với nhiệt độ sôi của dung dịch NaOH 30% ở ấp xuất Ptb = 0,6611 at => tsdd(Ptb) = 104oC Chọn áp xuất của hơi nước bão hòa đảm bảo tD > tsdd(Ptb) từ 10- 15oC => áp xuất hơi đốt: PĐ = 4 at => tĐ =142,9 oC (tra bảng T.251[1-314]) Chênh lệch nhiệt độ hữu ích: Δthi = tD – (tc + ΣΔ) = 142,9 – (85,5 +18,466) = 38,934 oC 18 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối Thông số Nồng độ đầu Nồng độ cuối Năng suất nhập liệu Năng suất tháo liệu Ký hiệu xđ xc Gđ Gc HƠI THỨ Suất lượng W Áp suất po Nhiệt độ tsdm(po) Enthalpy iW Ẩn nhiệt ngưng tụ rW HƠI ĐỐT Áp suất pD Nhiệt độ tD Ẩn nhiệt ngưng tụ rD TỔN THẤT NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ sôi của dung dịch ở po tsdd(po) Tổn thất nhiệt độ do nồng độ Δ’ Áp suất trung bình ptb Nhiệt độ sôi của dung môi ở ptb tsdm(ptb) Tổn thất nhiệt độ do cột thuỷ tĩnh Δ’’ Nhiệt độ sôi của dung dịch ở ptb tsdd(ptb) Tổn thất nhiệt độ trên đường ống Δ’’’ Tổng tổn thất nhiệt độ ΣΔ Chênh lệch nhiệt độ hữu ích Δthi GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh Đơn vị Giá trị %wt 15 %wt 30 kg/h 6953,22 kg/h 3476,61 kg/h at o C kJ/kg kJ/kg 3476,61 0,6275 86,5 2655,7 2293,25 at oC kJ/kg 4 142,9 2141 oC oC at oC o C oC o C o C o C 102,021 15,521 0,6775 88,445 1,945 104 1 18,466 38,934 4.1.4 Cân bằng năng lượng 4.1.4.1 Cân bằng nhiệt lượng  Dòng nhiệt vào (W):  Do dung dịch đầu  Do hơi đốt  Do hơi ngưng trong đường ống dẫn hơi đốt  Dòng nhiệt ra (W): Gđcđtđ D i" DφDctD  Do sản phẩm mang ra Gccctc  Do hơi thứ mang ra W i"  Do nước ngưng Dcθ  Nhiệt cô đặc Qcđ  Nhiệt tổn thất Qtt  Nhiệt độ của dung dịch NaOH 18 % trước và sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt:  tvào = 30 oC 19 Báo cáo Truyền nhiệt & truyền khối  tra = tsdd(po) = 102,021 oC GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh  Nhiệt độ của dung dịch NaOH 15 % đi vào thiết bị cô đặc là tđ = 101,9632 oC  Nhiệt độ của dung dịch NaOH 30 % đi ra ở đáy thiết bị cô đặc là: tc = tsdd(po) + 2Δ’’ = 101,9632 + 2.1,322 = 104,61 oC  Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH: Nhiệt dung riêng của dung dịch NaOH ở các nồng độ khác nhau được tính theo công thức(I.43) và (I.44) [1-152]:  a = 15 % (a < 0,2): cđ = 4186.(1 - a) = 4186.(1 - 0,15) = 3558,1 J/(kg.K)  a = 30 % (a > 0,2): cc = 4186 - (4186 - cct).a = 4186 – (4186 – 1310,75).0,3 = 3323,425 J/(kg.K) Với cct là nhiệt dung riêng của NaOH khan, được tính theo công thức (I.41) và bảng I.141 [1-152]: cct  cNa .1  cO .1  cH .1 26000  16800  9630  1310,75 Mct 40 4.1.4.2 Phương trình cân bằng nhiệt Gđcđtđ + D iD" + φDctD = Gccctc + W iW" + Dcθ ± Qcđ + Qtt (+Qcđ ứng với quá trình thu nhiệt, - Qcđ ứng với quá trình toả nhiệt)  Có thể bỏ qua:  Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà ngưng tụ trong đường ống dẫn hơi đốt vào buồng đốt: φDctD = 0  Nhiệt cô đặc: Qcđ = 0  Trong hơi nước bão hoà, bao giờ cũng có một lượng nước đã ngưng bị cuốn theo khoảng φ = 0,05 (độ ẩm của hơi). ⇒ Nhiệt lượng do hơi nước bão hoà cung cấp là D(1 - φ)( iD" - cθ); W Nước ngưng chảy ra có nhiệt độ bằng nhiệt độ của hơi đốt vào (không có quá lạnh sau 20