Tiểu luận Điều khiển tự động hóa công nghiệp hóa chất - Quá trình cô đặc dung dịch NaOH sử dụng hệ thống cô đặc xuôi chiều 2 nồi ống tuần hoàn trung tâm

MỞ ĐẦU
Hiện nay tự động hóa các q trình sản xuất khá quen thuộc với các nhà máy
sản xuất, vì tính hiệu quả về năng suất, tiết kiệm nhân cơng, tăng độ chính xác
của nó và giảm giá thành sản phẩm, do đó nó được đang rất được ưa chuộng và
được ứng dụng rộng rãi.
Nhờ ứng dụng các phương tiện kỹ thuật tiên tiến, hiện đại như các dụng
cụ, các thiết bị và máy điều khiển cho phép thực hiện các q trình cơng nghệ
theo một chương trình đã được tạo dựng, phù hợp với những tiêu chuẩn cho
trước. Có thể nói việc ứng dụng các hệ thống điều khiển trong các thiết bị cũng
như toàn bộ hệ thống sản xuất là một bước tiến dài trong sự phát triển làm tăng
sự ổn định và hiệu quả sử dụng.
Bài tiểu luận này xin trình bày về “Tự động hóa trong q trình cơ đặc
dung dịch NaOH sử dụng hệ thống cơ đặc xi chiều 2 nồi ống tuần hồn
trung tâm”.
NaOH là 1 chất quen thuộc được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và
trong đời sống hằng ngày, nó là nguồn nguyên liệu cơ bản, được sử dụng rộng
rãi trong ngành cơng nghiệp nhẹ, cơng nghiệp hóa chất và luyện kim, ngành dệt
nhuộm, y dược, thuốc trừ sâu, hóa hữu cơ tổng hợp…

1


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP VÀ SƠ ĐỒ THIẾT BỊ Q
TRÌNH CƠ ĐẶC NaOH BẰNG HỆ THỐNG XI CHIỀU 2 NỒI ỐNG
TUẦN HỒN TÂM
Phương pháp cơ đặc
1. Định nghĩa.

I.

Cơ đặc là q trình làm bay hơi một phần dung môi của dung dịch chưa

chất không tan bay hơi, ở nhiệt độ sơi, với mục đích:




Làm tăng nồng độ chất tan.
Tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh).
Thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).

Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất, trong hệ thống thiết bị
cô đặc (nồi), hay trong hệ thống có nhiều thiết bị cơ đặc ( nhiều nồi). Q trình
có thể gián đoạn hoặc liên tục.
Cơ đặc khơng dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sơi cao và dung dịch dễ bị
phân hủy vì nhiệt, ngồi ra cịn làm tăng hiệu số nhiệt độ của hơi đốt và nhiệt độ
sơi trung bình của dung dịch, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt. Mặt khác, cô
đặc chân khơng thì nhiệt độ sơi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt
thừa của các q trình sản xuất khác cho q trình cơ đặc.
Cơ đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch
không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi
thứ ( là hơi bay ra trong quá trình cơ đặc) cho cơ đặc và cho các q trình đun
nóng khác.
2.
a.

Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến q trình cơ
đặc.
Nhiệt hịa tan: Nhiệt hịa tan của các chất rắn khi hịa tan trong dung
mơi có hai q trình xảy ra

2

Do tương tác giữa các phân tử của dung môi và các phân tử chất tan mà mạng
lưới tinh thể bị phá vỡ  đây là quá trình thu nhiệt.
Do tạo thành mối liên kết giữa các phân tử của chất tan và phân tử của dung
kmooi gọi là quá trình solvat hóa  đây là q trình tỏa nhiệt


Lượng nhiệt hịa tan chính là tổng của 2 lượng nhiệt này. Khi tính tốn
cân bằng nhiệt cho q trình cơ đặc ta cần biết nhiệt hòa tan để thêm

b.

vào hay bớt nhiệt đi.
Nhiệt độ sôi của dung dịch.

Nhiệt độ sôi của dung dịch là một thông số kỹ thuật rất quan trọng khi
tính tốn và thiết kế truyền nhiệt cơ đặc. Vì căn cứ vào nhiệt độ sơi của dung
dịch ta sẽ chọn được chất tải nhiệt với các thông số vật lý thích hợp, và chọn
được chế độ làm việc hợp lý của thiết bị.
Cơng nghệ cơ đặc

II.

Có 2 hệ thống cô đặc: Cô đặc một nồi và cô đặc nhiều nơi. Do ở bài tiểu luận
nói về quy trình cơ đặc 2 nồi do đó ta tìm hiểu hệ thống cô đặc nhiều nồi
1.

Nguyên tắc cô đặc nhiều nồi:

Nồi thứ nhất, dung dịch được đun bằng hơi đốt; hơi thứ của nồi này vào đun
nồi 2. Hơi thứ của nồi thứ 2 được đưa vào đun nồi thứ 3 ..v.v…, hơi thứ của nồi
cuối cùng được đưa vào thiết bị ngưng tụ (như hình vẽ dưới đây).
Dung dịch đi vào lần lượt từ nồi nọ sang nồi kia, qua mỗi nồi được bốc hơi 1
phần, nồng độ của dung dịch tăng dần lên.
Điều kiện dể truyền nhiệt trong các nồi phải có chênh lệch nhiệt độ giữa hơi
đốt và dung dịch sơi, hay phải có chênh lệch áp suất giữa hơi đốt và hơi thứ
trong các nồi. Nghĩa là áp suất trong mỗi nồi phải giàm dần vì mỗi hơi thứ của

3


nối trước làm hơi đốt cho nồi sau. Thông thường thì nồi đầu làm việc với áp
suất dư, cịn nồi cuối làm việc ở áp suất chân không.
Ưu điểm của cơ đặc nhiều nồi: Cơ đặc nhiều nồi có hiệu quả kinh tế cao về
sử dụng hơi đốt so với một nồi.
2.

Phân loại các hệ thống cô đặc nhiều nồi

Cô đặc nhiều nồi có 3 loại: xi chiều và ngược chiều, song song
+ Cô đặc 3 nồi xuôi chiều:
Dung dịch đi vào nồi 1 tiếp tục chuyển sag nồi 2 rồi nồi 3 nhờ chênh lệch
áp suất trong các nồi. Còn hơi đốt đi vào phòng đốt của nồi 1 để đốt nóng dung
dịch nồi 1, hơi thứ của nồi 1 đi vào phòng đốt nồi 2, hơi thứ của nồi 2 đi vào
phòng đốt của nồi 3 và hơi thứ của nồi 3 đi vào thiết bị nhưng tụ 5.
Ưu điểm của hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Loại này có ưu điểm
là dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất.
Nhiệt độ nồi trước lớn hơn nồi sau
Nhược điểm của hệ thống: Nhiệt độ của các dung dịch ở các nồi sau thấp

dần, nhưng nồng độ của dung dịch lại tăng dần làm cho bộ nhớt của dung dịch
tăng nhanh, kết quả hệ số truyền nhiệt sẽ giảm từ nồi đầu đến nồi cuối.
+ Hệ thông cô đặc nhiều nồi ngược chiều: Đối với hệ thống này hơi di chuyển
giống như ở trường hợp xi chiều, cịn dung dịch đi vào nồi 3 và sản phẩm ra
khỏi ở nồi 1. Ở đây, áp suất nồi trước lớn hơn nồi sau, do đó dung dịch k tự
chảy từ nồi nọ sang nồi kia được mà phải dùng bơm để vận chuyển.
Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt trong các nồi hầu như không giảm đi mấy,
lượng nước dùng làm ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ sẽ nhỏ hơn.
Nhược điểm: Cơ đặc ngược chiều cần phải có bơm để vận chuyển dung
dịch
4


+ Hệ thống cô đặc nhiều nồi song song: Ở hệ thống này dung dịch đầu vào
đồng thời ở các nồi. Sản phẩm cũng đồng thời được lấy ra ở mỗi nồi.
Hệ thống này chỉ dùng khi yêu cầu nồng độ của dung dịch k cao lắm, vì
khi dung dịch cô đặc kết tinh, di chuyển từ nối nọ sang nồi kia dễ làm tắc ống.
3.

Cấu tạo của thiết bị cơ đặc

Có 3 loại cấu tạo của thiết bị cơ đặc:








Thiết bị cơ đặc có ống tuần hồn ở tâm
Thiết bị cơ đặc phịng đốt treo
Thiết bị cơ đặc phịng đốt ngồi
Thiết bị cơ đặc tuần hồn cưỡng bức
Thiết bị cơ đặc loại màng
Thiết bị cơ đặc có vành dẫn chất lỏng
Thiết bị cô đặc loại roto

Trong bài tiểu luận này ta sử dụng cấu tạo thiết bị cô đặc có ống tuần hồn ở
tâm:
+ Cấu tạo: Phịng đốt 1, ống truyền nhiệt 2, và ống tuần hoàn 3 tương đối lớn
+ Hoạt động: Dung dịch trong ống truyền nhiệt sơi tạo thành hỗn hợp hơi –lỏng
có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên miệng ống, cịn trong ống
tuần hồn thể tích dung dịch lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi
tạo ra trong ống truyền nhiệt ít hơn vì vậy, khối lượng riêng của hỗn hợp hơi –
lỏng ở đây lớn hơn trong ống truyền nhiệt, sẽ bị đẩy xuống dưới. Kết quả là
trong thiết bị có chuyển động tuần hồn tự nhiên từ dưới lên trong ống truyền
nhiệt và từ trên xuống trong ống tuần hoàn. Vận tốc tuần hoàn càng lớn hệ số
cấp nhiệt phía dung dịch càng tăng, q trình đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt
giảm.
Ưu điểm của cấu tạo thiết bị này: Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm
sạch
5


Nhược điểm: Vận tốc tuần hồn cũng bị giảm vì ống tuần hồn cũng bị
đun nóng.
Sơ đồ dây chuyền sản cơ đặc NaOH 2 nồi xi chiều ống tuần hồn

III.

1.
12345-

tâm
Dây chuyền hệ thống bao ghồm:
Phòng chưa hỗn hợp ban đầu
Thùng cao vị
Bơm ly tâm
Thùng chứa nước ngưng
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

6,7,8- Thiết bị tháo nước ngưng
9,10- Nồi cô đặc
11- Thùng chứa sản phẩm
12- Thiết bị ngưng tụ
13- Thiết bị thu hồi
14- Bơm chân khơng
15- Bơm ly tâm
2.

Q trình làm việc của hệ thống:

6


Dung dịch từ thùng chứa (1) được bơm (3) đưa lên thùng cao vị (2) , qua lưu
lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt (5). Tại thiết bị gia nhiệt (5), dung dịch đi từ
dưới lên trong ống truyền nhiệt và được đun nóng đến nhiệt độ sơi rồi được đi
vào nồi cô đặc (9). Sử dụng hơi bão hịa đi từ ngồi ống truyền nhiệt từ trên
xuống để gia nhiệt. Nước ngưng được tháo ra ngoài nhờ thiết bị tháo nước

ngưng (6) rồi đưa vào thùng chưa (4).
Tại nồi cơ đặc (9), dung dịch chuyển động tuần hồn từ dưới lên trong ống
truyền nhiệt và từ trên xuống dưới trong ống tuần hồn. Do có sự chênh lệch áp
suất giữa nồi (9) và nồi (10) nên dung dịch đặc tự chuyển động đi tiếp sang nồi
cô đặc (10). Còn hơi thứ bốc lên dùng làm hơi đốt cho nồi sau. Hơi đốt đi vào

7


khoảng trống phía ngồi ống truyền nhiệt sau khi cấp nhiệt sẽ ngưng tụ lại và
được tháo ra ngoài bằng thiết bị tháo nước ngưng (7) rồi đưa về thùng chưa (4).
Tại nồi cơ đặc (10), q trình diễn ra tương tự, sản phẩm là dung dịch NaOH
đặc đưa về thùng chưa (11). Hơi thứ được dẫn sang thiết bị ngưng tụ (12). Nước
ngưng được tháo ra nhờ thiết bị tháo ngưng (8).
Trong thiết bị ngưng tụ (12), hơi thứ đi từ dưới lên trao đổi nhiệt với nước
làm lạnh đi từ trên xuống và ngưng tụ, chảy vào bể chứa. Khí khơng ngưng đi
qua thiết bị thu hồi bọt (13) và được bơm chân khơng (14) hút ra ngồi.

8


CHƯƠNG II. THỰC HIỆN ĐIỀU KIỂN TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH
CƠ ĐẶC NaOH SỬ DỤNG HỆ THỐNG XI CHIỀU 2 NỒI ỐNG TUẦN
HOÀN.


Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động:

ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N:
Nguồn; BĐK: Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều

chỉnh; Y: Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; YPV: Giỏ trị thực tế của
thụng số Y; YSV: Giá trị đặt của thông số Y.
Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm cho
thông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được YPV thay đổi, dẫn đến giá trị
sai lệch ồ thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh µ thay đổi, và do đó thiết
bị chấp hành sẽ đưa ra tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vào sai lệch
làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường.
I.

Yêu cầu về điều khiển

+ Đảm bảo về chất lượng cho các quá trình bốc hơi
+ Đảm bảo cung cấp hơi thứ cho quá trình
+ Đảm bảo sự ổn định của mức của dung dịch trong thiết bị.
II.

Sơ đồ điều khiển tự động.

9


1.

Điều khiển nhiệt độ:

Các thiết bị đo và điều khiển nhiệt độ của dịng hơi đốt nóng và dịng ngun
liệu đi từ thiết bị gia nhiệt ra và của 2 nồi cơ đặc được đặt như trên hình vẽ.
+ Nhiệt độ dòng hơi đốt: Được thiết bị đo hiển thị và ghi, đặt trên tủ điều khiển
+ Nhiệt độ của dòng nguyên liệu đi ra khỏi thiết bị gia nhiệt (5): Cũng được
thiết bị đo hiển thị và ghi đặt trên tủ điều khiển.

+ Nhiệt độ của hai nồi cô đặc: Cũng được thiết bị đo hiển thị và ghi được đặt tại
các nồi.
2.

Điều khiển áp suất

Đo áp suất của hơi thứ tại nồi (9) và (10) và tại trong nồi.

10


+ Đo áp suất tại 2 dòng hơi thứ từ 2 nồi (9) và (10): Thiết bị đo hiển thị và ghi,
được đặt trên tủ điều khiển
+ Đo áp suất trong 2 nồi cô đặc (9) và (10): Thiết bị đo hiển thị và ghi, được đặt
tại các nồi.
3.

Điều chỉnh lưu lượng

Đo mức lưu lượng dòng nguyên liệu đi vào, thông qua thiết bị đo hiển thị và
ghi. Nếu giá trị đo được mà lớn hơn giá trị đặt thì thiết bị tự điều chỉnh bằng cơ
cấu chấp hành thông qua việc đóng hoặc mở van.
4.

Điều chỉnh mức

Điều chỉnh mức ở thiết bị gia nhiệt (5): Sử dụng thiết bị đo mức hiển thị và ghi,
nếu giá trị mức đo được trong thiết bị gia nhiệt lớn hơn giá trị đặt thì thiết bị tự
điều chỉnh độ mở của van để tháo nước ngưng.
Điều chỉnh mức ở hai nồi cô đặc (9) và (10): Sử dụng thiết bị đo truyền xa sau

đó nó sẽ đi đến thiết bị đo và điều chỉnh. Nếu mức nước ngưng đo được cao hơn
giá trị đặt cho phép thì thiết bị tự điều chỉnh độ mở của van để tháo nước ngưng.
5.

Cảm biến đo độ đậm đặc của dung dịch

Đo nơng độ dịng sản phẩm trước khi vào thùng chứa, sử dụng thiết bị bộ cảm
biến truyền xa. Nếu độ đậm đặc thấp hơn giá trị yêu cầu thì thiết bị thay đổi độ
mở của van hơi đốt sao cho cường độ bốc hơi tăng.

11


CHƯƠNG III: KẾT LUẬN
Qua quá trình làm bài tiểu luận: Tự động hố q trình cơ đặc NaOH sử dụng hệ
thống xi chiều 2 nồi tuần hồn tâm em có những kết luận sau:


Đã thu đựơc những kiến thức tổng quan về q trình tự động hố một dây



chuyền sản suất.
Việc tự động hố một q trình sản xuất địi hỏi phải thật logic và đơn



giản nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Q trình cơ đặc NaOH sử dụng hệ thống xi chiều 2 nồi tuần hồn tâm
phụ thuộc vào nhiệt độ dòng hơi đốt và áp suất của từng nồi. Ở sơ đồ điều

khiển đã thiết kế này có thể thay đổi lượng hơi đốt vào nồi cô đặc (9) để
đạt được nồng độ cô đặc theo yêu cầu. Và ở đây ta cũng điều chỉnh được



mức nước ngưng ở thiết bị gia nhiệt nồi cô đặc.
Quá trình tự động hố đặc biệt khi nhà cơng nghệ áp dụng thích hợp sẽ
đưa ra những cảnh báo kịp thời nhằm bảo vệ thiết bị, tính mạng và tài sản
của nhà máy, của tổ chức sản xuất…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

12