thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch xút

GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
PHẦN I:
GIỚI THIỆU
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang1
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
I.1/ Đặt vấn đề:
Đồ án quá trình thiết bò đã làm trước đây là thiết kế hệ thống cô đặc dung
dòch xút một nồi liên tục năng suất 4 tấn/h. Nhưng trong thực tế khi vận hành,
các quá trình diễn ra không ổn đònh do các yếu tố nhiễu như nhiệt độ dòng nhập
liệu, nồng độ dòng nhập liệu, nhiệt độ của môi trường, hệ số truyền nhiệt K ,…,
giá trò thông số công nghệ thực sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trò tính toán trong
một khoảng nhỏ nào đó nhưng lại có ảnh hưởng lớn quá trình cô đặc. Cụ thể áp
suất trong nồi cô đặc nếu không đạt 0.3 atm chỉ sai số khoảng 10% thì nhiệt độ
sẽ không đạt dẫn đến dung dòch vào nồi không sôi, ta phải tốn thêm nhiệt lượng
để cung cấp cho nồi đồng thời các thông số hóa lý của dung dòch, hơi đều thay
đổi thì kết quả tính toán sẽ không chính xác . Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng sản phẩm , làm phá vỡ cân bằng vật chất, năng lượng. Hoặc nồng độ
dòng nhập liệu nếu không đạt 10 %kl như yêu cầu thì khi vào nồi cô đặc ta lại
phải tốn năng lượng để dung dòch tiếp tục sôi đạt nồng độ mong muốn. Nếu
không có sự kiểm tra, theo dõi, điều chỉnh mà quá trình lại xảy ra liên tục thì
việc cần tăng năng lượng cung cấp, thời gian lưu của dung dòch, cũng như những
thay đổi cần thiết để đáp ứng lại các yếu tố nhiễu trên thì quá trình sẽ không
diễn ra như mong muốn, chất lượng sản phẩm không ổn đònh ảnh hưởng trực
tiếp đến các khâu sau của quá trình sản xuất.
Xuất phát từ mục tiêu đó, đồ án chuyên ngành đặt ra là phải đi sâu vào
thông số công nghệ , tìm hiểu làm sao có thể ổn đònh được các thông số, điều
chỉnh được chúng. Và trong thực tế tại các xí nghiệp hóa chất và thực phẩm
Việt Nam vấn đề này lại rất bức thiết, đa phần các thiết bò máy móc được nhập
từ nước ngoài có lắp các thiết bò điều chỉnh tự động, do đó đòi hỏi người kỹ sư
hóa chất phải có kiến thức không những về quá trình thiết bò mà còn phải hiểu
biết về tự động.

Do đây là một lónh vực còn mới, và thời gian tìm hiểu có giới hạn cho nên
mục đích tự động hóa toàn bộ hệ thống là không đạt được, em chỉ có thể tìm
hiểu các thông số công nghệ, lựa chọn các kênh điều chỉnh để ổn đònh thông số
công nghệ và kết quả đạt được chỉ xét về chất còn giá trò về lượng sẽ được tính
toán kỹ trong đề tài tốt nghiệp sắp tới của em.
I.2/ Mục đích đồ án:
Nghiên cứu khảo sát các thông số công nghệ của quá trình cô đặc. Thiết
kế hệ thống điều khiển các đại lượng này.
I.3/ Đối tượng:
Thiết bò cô đặc xút: một nồi liên tục, làm việc trong điều kiện chân
không, năng suất 4 tấn / giờ.
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang2
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
I.4/ Nội dung:
 Xác đònh nhiệm vụ điều khiển.
 Chọn lựa những đại lượng điều khiển, kiểm tra.
 Xác đònh những tác động điều chỉnh.
 Chọn lựa kênh điều chỉnh.
 Chọn lựa công cụ điều khiển và kiểm tra.
 Các bản vẽ yêu cầu:
• Quy trình khảo sát và chọn lựa kênh điều chỉnh.
• Sơ đồ điều khiển quá trình.
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang3
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
PHẦN II:
SƠ LƯC VỀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang4
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
II.1/ Giới thiệu về cô đặc:
Trong lónh vực hoá chất và thực phẩm có nhiều phương pháp làm tăng

nồng độ của một dung dòch như cô đặc, kết tinh, chưng cất, trích ly, … Dựa vào
đặc tính hóa lý của từng loại dung dòch mà chúng ta lựa chọn phương pháp thích
hợp, và đối với dung dòch xút người ta thường áp dụng phương pháp cô đặc. Cô
đặc là quá trình làm tăng nồng độ chất rắn hòa tan trong dung dòch bằng cách
tách bớt một phần dung môi qua dạng hơi, quá trình tiến hành ở trạng thái sôi.
Có nhiều phương pháp cũng như loại thiết bò cô đặc , ở đây dung dòch xút nồng
độ nhỏ hơn 40% khối lượng có độ nhớt nhỏ(không quá 8.10-3 Ns/m2) và không
kết tinh nên ta dùng nồi cô đặc loại thẳng đứng, tuần hoàn tự nhiên, buồng đốt
trong, cô đặc ở áp suất chân không.
II.2/ Nguyên tắc hoạt động của hệ thống:
Dung dòch xút (10%kl,30
o
C, 1atm) từ bồn chứa được bơm lên bồn cao
vò( mặt thoáng cách mặt đất 3 m) . Từ đây dung dòch sẽ tự chảy qua thiết bò gia
nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi 75
o
C ở 0.3 atm, lưu chất cấp nhiệt là hơi nước bão
hòa ở 3 atm. Dung dòch vào trong thiết bò(vận tốc khoảng 0.0036m
3
/s) được tiếp
tục cấp nhiệt gián tiếp nhờ vào hơi nước bão hòa như trên để tiếp tục sôi, dung
dòch sôi tuần hoàn đối lưu tự nhiên trong ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn
trung tâm tạo hỗn hợp lỏng hơi. Nhờ khoảng không gian hơi trong buồng bốc
hỗn hợp được tách ra hai dòng lưu chất. Dòng lỏng tiếp tục sôi cho đến khi đạt
(nồng độ 35%kl, 101
o
C ở 0.344atm )sẽ được tháo ra ngoài nhờ bơm ly tâm với
vận tốc khoảng 0.8 l/s. Còn dòng hơi thứ( ở 0.3 atm, 68.7
o
C, 15m

3
/s)trong buồng
bốc được dẫn đến thiết bò ngưng tụ baromet. Tại thiết bò này, hơi thứ được
ngưng tụ thành nước theo ống baromet xả xuống bể cùng với dòng nước làm
mát. Phần khí không ngưng và hơi nước chưa ngưng tụ được đưa qua bộ phận
thu hồi bọt. Tại đây bơm chân không sẽ hút khí không ngưng ra ngoài, còn phần
lỏng được dẫn về ống baromet.
II.3/ Các giả thiết khi tính cân bằng vật chất và năng lượng:
 Hệ thống đang xét đã ổn đònh.
 Dung dòch vào nồi có nhiệt độ bằng nhiệt độ sôi trong nồi khi cô đặc.
 Nước ngưng ra khỏi thiết bò có nhiệt độ bằng nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi
bão hòa ở áp suất tương ứng.
 Sự truyền nhiệt là ổn đònh theo thời gian.
 Trong đồ án sử dụng thuyết bền và các điều kiện ổn đònh để tính toán cơ
khí cho thiết bò, sử dụng phương trình becnuli để tính, lựa chọn các thiết bò
phụ
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang5
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
II.4/ Bảng tổng kết các thông số công nghệ:
KẾT QUẢ TÍNH THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
Lưu
chất
Đại
lượng
Kí
hiệu
Đơn
vò
TBCĐ TBBaromet TBGN
Thôn

g số
Giá
trò
Thông
số
Giá
trò
Thôn
g số
Giá
trò
Dung
dòch
vào
Dung
dòch
Hơi thứ
Dung
dòch
Lưu
lượng
G Kg/h
14000 10000
1400
0
Nồng độ x %kl 10 10
psuất p at 0.3 0.29 0.3
Nhiệt độ t
0
C 75 131.9 30

Ra Dung
dòch
Dung
dòch
Lưu
lượng
G Kg/h
4000
1400
0
Nồng
độ
x %kl
35 10
Nhiệt
độ
t
0
C
101 75
Chất
thứ
Ra Hơi
thứ
Không
khí
Lưư
lượng
G Kg/h
10000 101.232

p
suất
p at
0.3 0.184
Nhiệt
độ
t
0
C
68.7 57.7
Tải
Nhiệt
Vào Hơi
nước
Nước
Hơi
đốt
Lưu
lượng
G Kg/h
11961 178920
7872
7
p
suất
p at
3 0.29 3
Nhiệt
độ
t

0
C
132.9
30
132.
9
Ra
Nước Nước Nước
Lưu
lượng
G Kg/h
11961
7872
7
Nhiệt
độ
t t
132.9
57.7
132.
9
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang6
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ PHỤ
STT Thiết bò Thông số Kí hiệu Đơn vò Giá trò
1
Baromet
Mức độ đun nóng P 0.73
Số bậc Hb 4
Số ngăn n 8

Khoảng cách a
tb
mm 300
Đường kính trong Dt mm 1000
Vận tốc hơi w m/s 40
Chiều cao h mm 5680
Bề rộng tấm ngăn b mm 550
Chiều dày tấm
ngăn
δ
mm 4
Đường kính lỗ d mm 5
Tổng diện tích lỗ f m
2
77.15
Gờ h
g
mm
Đường kính ống d mm 200
Chiều cao ống H m 8
Vận tốc nước w
n
m/s 0.6
Chiều cao nước h m 7.5
2
Bồn cao vò
Chiều cao h m 6
Đường kình ống d mm 54
Chiều dài ống l m 15
Vận tốc lưu chất v m/s 2

SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang7
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
3
Máy bơm C
ộ
C
o
Ống dẫn V
d
(
m
m
)
l
C
h
â
n
k
h
ô
n
g
7
.
5
B
ơ
m
n

ư
ớ
c
1
.
3
2
0
.
8
6
2
0
0
1 1
N
h
ậ
p
li
ệ
u
4
.
1
1
0
.
1
0

7
3
5
0
1 1
T
h
á
o
s
ả
n
p
h
ẩ
m
2
.
3
2
5
0
.
0
3
4
3
5
1 0
4

Ố
d(mm)
l(mm) v(m/s)
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang8
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
n
g
d
ẫ
n
H
ơ
i
t
h
ứ
820 15 30
H
ơ
i
đ
ố
t
402 15 20
N
h
ậ
p
li
ệ

u
54 15 2
T
h
á
o
s
ả
n
p
h
ẩ
m
40 10 1
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang9
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
PHẦN III:
KHẢO SÁT ĐỐI TƯNG CÔNG NGHỆ
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang10
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
III.1/ Xác đònh nhiệm vụ điều khiển:
Mục tiêu điều khiển quá trình cô đặc là sản phẩm thu được phải đạt nồng
đo, năng suất theo yêu cầu đồng thời phải đảm bảo được cân bằng vật chất và
nhiệt lượng.
Để đạt được mục tiêu trên ta phải khảo sát toàn bộ hệ thống cô đặc, xác
đònh các thông số cần kiểm tra và điều chỉnh, xác đònh các yếu tố nhiễu cũng
như lựa chọn các kênh điều chỉnh, lựa chọn các thiết bò điều khiển và kiểm tra.
III.2/ Chọn lựa các thông số điều khiển:
Chất lượng sản phẩm trong công nghiệp hóa học và thực phẩm phụ thuộc
vào các đại lượng phản ánh diễn biến bình thường ổn đònh của quá trình. Do đó

khi thiết kế hệ thống điều chỉnh đầu tiên ta phải xác đònh những đại lượng cần
kiểm tra và điều chỉnh, làm rõ những điểm đưa vào tác động điều khiển và
kênh đi qua chúng theo đối tượng.
Đại lượng kiểm tra được chọn sao cho số lượng của chúng nhỏ nhất nhưng
phải đảm bảo phản ánh đầy đủ diễn biến quá trình công nghệ.
Trên cơ sở đó ta cần xét :
III.2.1/ Các yếu tố ảnh hưởng đến diễn biến của quá trình cô đặc:
Trong cuộc sống mọi quá trình hóa lý xảy ra đều không ổn đònh, đều
phải chòu tác động của môi trường xung quanh, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng
đến một quá trình, cụ thể quá trình cô đặc xảy ra trong nồi với điều kiện chân
không sẽ chòu ảnh hưởng của các yếu tố ( ta gọi là các yếu tố nhiễu) và chúng
được chia ra làm hai loại:
 Cho phép ổn đònh :
• Lưu lượng , nồng độ , nhiệt độ dòng nhập liệu:G
đ
, x
đ
, t
đ
• p suất của hơi đốt :P
đ
.
Đây là các yếu tố ta có thể kiểm soát được chúng, có thể ổn đònh được
chúng.
 Đối với dòng nhập liệu các thông số cơ bản lưu lượng, nồng độ,
nhiệt độ sẽ có ảnh hưởng đến chất lượng dòng thành phẩm, cũng như ảnh hưởng
đến diễn biến của quá trình cô đặc.
Xét lưu lượng dòng nhập liệu:
Nếu lưu lượng đúng như đã tính là 14 tấn/giờ và các yếu tố khác đều ổn
đònh thì quá trình cô đặc xảy ra đúng như ta dự đoán, chất lượng dòng thành

phẩm được bảo đảm nhưng nếu:
Nhỏ hơn 14 tấn/giờ (trong khoảng cho phép ): quá trình cô đặc xảy ra
nhanh, có thể không đủ xút cho quá trình cấp nhiệt của hơi đốt , điều này có thể
ảnh hưởng sự sôi trong nồi, hơi bốc lên nhiều, ảnh hưởng đến độ chân không,
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trong trường hợp xấu nhất tức là khi lưu
lượng quá ít có thể gây cháy ống truyền nhiệt, cháy sản phẩm, kết quả là quá
trình cô đặc sẽ không diễn ra như mong muốn.
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang11
GVHD: TS. Lê Phan Hoàng Chiêu Đồ án Chuyên ngành
Lớn hơn 14 tấn/giờ (trong khoảng cho phép ) : lúc này lượng nhiệt do hơi
đốt cung cấp sẽ không đủ để làm bay hơi dung môi, nồng độ dòng thành phẩm
không đạt. Trường hợp xấu nhất là khi lưu lượng quá lớn sẽ gây ngập nồi, giảm
khoảng không gian bốc hơi, ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi, quá trình cô đặc
không diễn ra được.
Xét nồng độ dòng nhập liệu:
Nồng độ dòng nhập liệu ban đầu là 10 %kl khi tính toán ta đã cho là nồng
độ này ổn đònh do đó khi vào trong nồi sự sôi sẽ xảy ra nhưng nếu:
Nồng độ nhỏ hơn 10% kl: sự sôi vẫn diễn ra (trong khoảng cho phép),
nếu quá nhỏ thì thời gian lưu của dòng thành phẩm sẽ không đủ để đạt nồng độ
theo yêu cầu (nhỏ hơn) vì đây là quá tình cô đặc liên tục.
Nồng độ lớn hơn 10%kl: dòng nhập liệu vào nồi không sôi được, phải tốn
thêm một lượng nhiệt để nâng nhiệt độ dòng lên khi đó quá trình cô đặc mới
diễn ra. Điều này không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng dòng thành phẩm
nhưng sẽ gây tôn thất nhiệt của hơi đốt.
Xét đến nhiệt độ dòng nhập liệu:
Quá trình cô đặc chủ yếu là dựa vào đặc tính sôi của dung dòch hay là dựa
vào đặc tính nhiệt độ. Do đó yếu tố nhiệt độ là có ảnh hưởng nhiều đến quá
trình cô đặc. Theo tính toán nhiệt độ dòng nhập liệu khi vào tháp là 75oC thì sự
sôi sẽ xảy ra . Mặc dù đã có gia nhiệt ban đầu cho dòng nhập liệu, nhưng thiết
bò gia nhiệt cũng là một đối tượng công nghệ, cũng bò ảnh hưởng các yếu tố bên

ngoài, cụ thể ở đây là nhiệt độ dòng nhập liệu tại bồn chứa. Do không xét đến
thiết bò gia nhiệt cho nên ta xem như chỉ xét nhiệt độ dòng nhập liệu sao khi ra
khỏi thiết bò gia nhiệt:
Nếu thấp hơn 75oC: Xút sẽ không sôi khi vào nồi, ta lại phải tốn nhiệt
của hơi đốt, lại phải tăng thời gian lưu, ảnh hưởng đến chất lượng dòng thành
phẩm (nồng độ thấp hơn)
Nều nhiệt độ cao hơn: nếu cao hơn trong khoảng cho phép thì không ảnh
hưởng nhiều đến quá trình cô đặc. Sự thất trong thực tế không có trường hợp
nhiệt độ quá cao vì bồn chứa xút đã làm giảm nhiệt độ dòng nhập liệu từ khâu
khác chuyển đến và thiết bò gia nhiệt cũng không thể nâng nhiệt lên quá cao.
 Đối với hơi đốt vì sử dụng hơi nước bảo hòa để cấp nhiệt cho nên
thông số áp suất là có ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả truyền nhiệt , lưu
lượng hơi đốt cũng có ảnh hưởng nhưng không nhiều.
Xét áp suất :
Nếu áp suất thấp tức nhiệt độ hơi đốt thấp sẽ có ảnh hưởng lớn đến hiệu
suất truyền nhiệt, không đủ nhiệt lượng để cung cấp cho dung dòch sôi, nồng độ
dung dòch không đạt, cho dù ta có tăng lưu lượng hơi đốt lên cũng không thể
đáp ứng đủ cho quá trình truyền nhiệt vì động lực của qua 1trình truyền nhiệt là
do chênh lệch nhiệt độ của hai dòng “nóng” và “lạnh”.
SVTH: Huỳnh Thò Kim Hằng Trang12