Đồ án thiết bị thiết kế nồi cô đặc xút

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (516.52 KB, 86 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC VÀ THỰC PHẨM
Bộ môn Công nghệ Hóa học

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ
ĐỀ TÀI:

THIẾT BỊ CÔ ĐẶC MỘT NỒI NaOH
NĂNG SUẤT 10 M3/H

GVH
D
SVTH

TS. LÊ MINH TÂM
PHAN ĐĂNG QUỚI TỬ
NGUYỄN VĂN SÂM

15128078
15128055

TP. HCM, Tháng 5/2018TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên

PHAN ĐĂNG QUỚI TỬ

NGUYỄN VĂN SÂM
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Mã số sinh viên 15128078
15128055

1. Tên đồ án: Thiết bị kết tinh cô đặc một nồi NaOH năng suất 10 m3/h
2. Nhiệm vụ của đồ án: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán

thiết kế hệ thống, thiết bị chính, phụ.
3. Các số liệu ban đầu:
• Năng suất thiết bị: 10 m3/h
• Nồng độ ban đầu: 10%, nồng độ sau cô đặc: 30%
• Chất tải nhiệt: hơi nước bão hòa
• Các thong số khác sinh viên tự tra cứu
4. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán
• Đặt vấn đề, tìm hiểu quy trình công nghệ
• Tìm hiểu tính chất vật lý, hóa học; điều chế và ứng dụng của NaOH
• Tính toán thiết bị chính, chọn lựa các thiết bị phụ
• Tính toán kinh tế
• Tính bề dày của các chi tiết trong thiết bị
5. Yêu cầu về trình bày bản vẽ
• Bản vẽ quy trình công nghệ (2xA0 + 2xA3)
• Bản vẽ chế tạo thiết bị chính (2xA0 + 2xA3)
6. Yêu cầu khác

Thực hiện và thông qua đồ án đúng tiến độ
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/01/2018
8. Ngày hoàn thành đồ án: 18/05/2018
9. Họ tên người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tâm

TP. HCM, ngày

tháng

năm 2018

Người hướng dẫn

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
TP. HCM, ngày

tháng

Người hướng dẫn

năm 2018

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................

Với trình độ chuyên môn còn nhiều thiếu sót và đây là đồ án đầu tiên nên không
tránh khỏi những sai sót trong bài làm. Chúng tôi rất mong được sự đóng góp, nhận xét và
bổ sung từ thầy và đọc giả để hoàn thiện đồ án này!
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô!
Sinh viên thực hiện
Phan Đăng Quới Tử
Nguyễn Văn Sâm

6

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ cô đặc một nồi
Hình 1.2 Sơ đồ điện phân NaCl có màng ngăn
Hình 2.1 Sơ đồ sản xuất NaOH trong công nghiệp
Hình 3.1 Sơ đồ xác định tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của nồi cô đặc
Hình 3.1 Sơ đồ khối mô tả cân bằng vật chất
Hình 3.2 Đồ thị thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc [1]

7

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Nhiệt hòa tan của một số muối trong nước (1 kmol muối trong n kmol nước) [2]
Bảng 2. Nhiệt độ sôi của nước ở các áp suất khác nhau [6]
Bảng 3. Giá trị f theo nhiệt độ sôi của nước nguyên chất [7]
Bảng 4. Tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ C% của NaOH ở áp suất thường [7]
Bảng 5. Khối lượng riêng (kg/m3) của dung dịch NaOH ở các nhiệt độ khác nhau [6]
Bảng 6. Các giá trị thông số cân bằng vật chất đã tính toán
Bảng 7. Các giá trị thông số cân bằng nhiệt đã tính toán
Bảng 8. Các thông số của bích của buồng bốc – buồng đốt
Bảng 9. Các thông số của bích của buồng đốt – buồng đáy
Bảng 10. Các thông số của bích của nắp – buồng bốc
Bảng 11. Các thông số của bích của ống dẫn hơi thứ
Bảng 12. Các thông số của bích của ống dẫn hơi đốt
Bảng 13. Các thông số của bích của ống dẫn nước ngưng
Bảng 14. Các thông số của bích của ống nhập liệu
Bảng 15. Các thông số của bích của ống tháo liệu
Bảng 16. Vật liệu và khối lượng các chi tiết thiết bị
Bảng 17. Các giá trị thông số tính toán nhiệt
Bảng 18. Giá trị kích thước cơ bản của thiết bị ngưng tụ baromet
Bảng 19. Các giá trị tính toán thiết bị ngưng tụ
Bảng 20. Các hệ số trở lực cục bộ (tính cho bồn cao vị)
Bảng 21. Các hệ số trở lực cục bộ (tính cho bơm nước)
Bảng 22. Các hệ số trở lực cục bộ (tính cho bơm nhập liệu)
Bảng 23. Các hệ số trở lực cục bộ (tính cho bơm tháo liệu)
Bảng 24. Tính toán giá thành thiết bị

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
8

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

NaOH là một trong những hóa chất quan trọng trong công nghiệp cũng như
đời sống. Trên toàn thế giới, trung bình mỗi năm sản xuất khoảng 45 – 50 triệu tấn
NaOH. Sản xuất NaOH là một ngành sản xuất hóa chất cơ bản và lâu năm. Nó
đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của các lĩnh vực khác như: dệt, sản
xuất phèn, nước tẩy rửa,... Theo phương pháp cổ điển, NaOH được điều chế bằng
cách cho Ca(OH)2 tác dụng với dung dịch Na2CO3 loãng, nóng. Ngày nay, NaOH
được sản xuất bằng phương pháp hiện đại hơn, đó là điện phân dung dịch NaCl
bão hòa. Tuy nhiên, dung dịch NaOH điều chế được có nồng độ rất loãng, gây khó
khăn trong việc lưu trữ, vận chuyển cũng như các mục đích sử dụng khác. Để
thuận tiện, người ta phải cô đặc NaOH đến một nồng độ nhất định theo yêu cầu.
Và để tìm hiểu vấn đề cô đặc NaOH, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài
“Thiết bị cô đặc một nồi NaOH năng suất 10m 3/h” để thực hiện Đồ án thiết kế
máy thiết bị.
2. Mục tiêu đồ án
Nghiên cứu, tính toán thiết kế thiết bị cô đặc một nồi NaOH có nồng độ đầu là
10%, nồng độ yêu cầu 30% với năng suất 10 m3/h.
3. Nội dung đồ án
• Tìm tiểu về quá trình cô đặc, thiết bị cô đặc và nguyên liệu cô đặc (NaOH).
• Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng của quá trình cô đặc.
• Tính toán các thông số hệ thống cho thiết bị cô đặc, thiết bị phụ.
• Thiết kế hệ thống cô đặc một nồi NaOH năng suất 10 m3/h.
4. Giới hạn nghiên cứu của đồ án
• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị cô đặc một nồi NaOH năng suất 10 m3/h.
• Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, thiết kế
hệ thống cô đặc, tính kinh tế.

5. Ý nghĩa khoa học
Đề tài nhằm tính toán, thiết kế hệ thống cô đặc một nồi NaOH, tạo điều kiện
cho việc khảo sát các điều kiện thực nghiệm khác nhau của nguyên liệu.
6. Ý nghĩa thực tiễn
• Thiết bị có ý nghĩa ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, cơ sở sản xuất NaOH.
Chế tạo ra hệ thống với quy mô lớn để áp dụng cho quy mô công nghiệp.

9

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp cô đặc
1.1.1. Định nghĩa về 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 và áp suất tương ứng. Trong công nghệ hóa học
và thực phẩm, cô đặc được sử dụng rất phổ biến với mục đích:
• Làm tăng nồng độ chất tan;
• Thu chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh);
• Thu dung môi ở dạng nguyên chất.
Cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, ở mọi áp suất như: áp suất chân không,
áp suất thường (áp suất khí quyển hay áp suất dư), trong hệ thống thiết bị cô đặc
một nồi, hay trong hệ thống thiết bị cô đặc nhiều nồi. Quá trình cô đặc có thể gián
đoạn hay liên tục. Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là “hơi
thứ” thường có nhiệt độ cao, ẩn nhiệt hóa hơi lớn nên được sử dụng làm hơi đốt
cho các nồi cô đặc. Nếu hơi thứ được sử dụng ngoài dây chuyền cô đặc thì được

gọi là “hơi phụ”.
Cô đặc chân không dùng cho các dung dịch có nhiệt độ sôi cao và dung dịch
dễ bị oxi hóa hoặc phân hủy vì nhiệt. Ngoài ra, còn để tăng hiệu số nhiệt độ của
hơi đốt và nhiệt độ trong bình của dung dịch hay còn gọi là hiệu số nhiệt độ hữu
ích, dẫn đến giảm bề mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc. Mặt khác, cô đặc chân
không thì nhiệt độ sôi của dung dịch thấp nên có thể tận dụng nhiệt thừa của các
quá trình sản xuất khác hoặc sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc.
Cô 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 dung dịch muối vô cơ, để sử dụng hơi thứ
cho cô đặc và các quá trình đun nóng khác.
Còn cô đặc ở áp suất khí quyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải
ra ngoài không khí. Đây là phương pháp tuy đơn giản nhưng không kinh tế [1].
Xét quá trình cô đặc bằng phương pháp nhiệt, đây là quá trình ngược của quá
trình hòa tan. Nếu quá trình hòa tan là thu nhiệt thì cô đặc là quá trình tỏa nhiệt và
ngược lại, nếu quá trình hòa tan là tỏa nhiệt thì cô đặc là quá trình thu nhiệt. Nhiệt
10

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

do dung dịch tỏa ra (hay thu vào) trong quá trình cô đặc được gọi là nhiệt cô đặc.
Tùy theo dung dịch, nhiệt cô đặc có thể mang giá trị âm (tỏa nhiệt, ví dụ như dung
dịch (NH4)2SO4, NaNO3, NH4NO3,…) hay mang giá trị dương (thu nhiệt, ví dụ như
dung dịch NaOH, KOH, CaCl2, K2CO3,…) hay bằng không (dung dịch đường).
Nhiệt cô đặc tính theo một đơn vị khối lượng của chất tan và xem như chất tan
không tổn thất trong quá trình thu nhiệt [2].
Bảng 1. Nhiệt hòa tan của một số muối trong nước (1 kmol muối trong n
kmol nước) [2]

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Muối
NaCl
Na2SO4
Na2SO4.10H2O
NaNO3
K2CO3.5H2O
KCl
KNO3
KOH.2H2O
(NH4)2SO4
CaCl2.6H2O
MgCl2.6H2O

Khối lượng mol
58,5
142
322

85
165
74,6
101
92
132
219
203

Q (kJ/kmol)
+4939
-1925
+78529
+21055
+1591
+17539
+53665
+125
+9921
+18042
-12349

n
100
400
400
200
400
100
200

170
400
400
400

1.1.2. Phân loại các thiết bị cô đặc [1]
i.

Thiết bị cô đặc được chia làm sáu loại thuộc ba nhóm chủ yếu sau đây:
Nhóm 1: Dung dịch được đối lưu tự nhiên (hay tuần hoàn tự nhiên), đối với nhóm
này thường có hai loại như sau:
• Loại 1: Có buồng đốt trong (đồng trục với buồng bốc hơi); có thể có
ống tuần hoàn trong hay ống tuần hoàn ngoài.
Loại 2: Có buồng đốt ngoài (không đồng trục với buồng bốc hơi).
Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (tức tuần hoàn cưỡng bức), đối với nhóm
•

ii.

này thường có hai loại như sau:
• Loại 3: Có buồng đốt trong, có ống tuần hoàn ngoài.
• Loại 4: Có buồng đốt ngoài, có ống tuần hoàn ngoài.

11

Đồ án Thiết kế máy thiết bị
iii.

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng, loại này thường cũng có hai loại như
sau:
•

Loại 5: Màng dung dịch chảy ngược lên, có thể có buồng đốt trong hay

buồng đốt ngoài.
• Loại 6: Màng dung dịch chảy xuôi, có thể có buồng đốt trong hay buồng
1.1.3.

đốt ngoài.
Các phương pháp cô đặc
Có hai phương pháp cô đặc chính, đó là cô đặc theo phương pháp nhiệt (đun
nóng) và cô đặc theo phương pháp lạnh:
• Cô đặc theo phương pháp nhiệt: dưới tác dụng của nhiệt do quá trình
đun nóng, dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi khi áp
suất hơi bão hòa bằng áp suất khí quyển (dung dịch sôi) [2].
• Cô đặc theo phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ của dung dịch đến
điểm nhất định thì cấu tử dung môi sẽ tách ra dưới dạng tinh thể để làm
tăng nồng độ chất tan [2].
Bản chất của quá trình cô đặc theo phương pháp 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.
1.1.4. Các thiết bị và chi tiết trong hệ thống cô đặc
Thiết bị chính:
• Ống nhập liệu, ống tháo liệu;
• Ống truyền nhiệt;
• Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp;
• Các ống dẫn: hơi đốt, hơi thứ, nước ngưng, khí không ngưng.
Thiết bị phụ
12

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

8

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Bể chứa nguyên liệu, sản phẩm;
Lưu lượng kế;
7
Bồn cao vị;
Thiết bị gia nhiệt;
Thiết bị ngưng tụ baromet;
Bơm;
Van;
Thiết bị đo nhiệt độ, áp suất.
1.1.5. Ứng dụng của phương pháp cô đặc
Trong sản xuất thực phẩm, ta cần cô đặc các dung dịch đường, nước ép trái

•
•
•
•
•
•
•
•

cây, mì chính,… Trong sản xuất hóa chất, ta cần cô đặc các dung dịch NaOH,
CaCl2, các muối vô cơ khác,… Hiện nay, tại các nhà máy sản xuất thực phẩm hay
hóa chất, người ta thường dùng hệ thống cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để sản
xuất ra sản phẩm đạt nồng độ mong muốn.
Thiết bị cô đặc nhóm 1 chủ yếu dùng để cô đặc dung dịch khá loãng có độ
nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch dễ dàng qua bề mặt truyền
nhiệt.
Thiết bị cô đặc nhóm 2 có dùng bơm để đối lưu cưỡng bức dung dịch, tốc độ
chuyển động của dung dịch từ 1,5 ÷ 3,5 m/s tại khu vực bề mặt truyền nhiệt. Ưu
điểm chính của nhóm này là tăng cường hệ số truyền nhiệt K; dùng được cho các
dung dịch khá đặc sệt, có độ nhớt khá cao; giảm được sự bám cặn hay kết tinh từng
phần trên bề mặt truyền nhiệt.
Thiết bị cô đặc nhóm 3 chỉ dùng cho dung dịch chảy màng qua bề mặt truyền
nhiệt một lần để tránh sự tác dụng nhiệt độ lâu làm biến chất một số thành phần
của dung dịch [1].
1.2. Thiết bị cô đặc một nồi.

13

11

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Hình 1.3 Sơ đồ cô đặc một nồi
1- Thùng chứa; 2- Bơm; 3- Thùng cao vị; 4- Lưu lượng kế; 5- Thiết bị đun nóng;
6- Nồi cô đặc; 7- Bơm; 8- Thùng chứa sản phẩm; 9- Thiết bị ngưng tụ; 10- Bộ
phận thu hồi bọt; 11- Ống baromet; 12- Thùng chứa nước ngưng;
13- Ống chảy tràn.
Hệ thống cô đặc một nồi dùng khi năng suất thấp và không dùng hơi thứ làm
chất tải nhiệt để đun nóng.
Hệ thống cô đặc một nồi có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Trong đó,
hệ hoạt động liên tục thường dùng cho dung dịch có độ nhớt và nồng độ thấp hay
tương đối thấp. Còn hệ một nồi hoạt động gián đoạn dùng khi cần nâng cao nồng
độ sản phẩm (keo, sệt, paste) [3].
1.3. Sơ lược về nguyên liệu NaOH
1.3.1. Tổng quan về NaOH
Natri hydroxit hay còn gọi là xút, xút ăn da có công thức phân tử NaOH, danh
pháp IUPAC là Sodium hydroxide, có khối lượng phân tử 39,9971 gam/mol.
NaOH tinh khiết là chất rắn màu trắng, có khối lượng riêng 2,1 gam/cm 3; điểm
nóng chảy 318 0C, điểm sôi 1390 0C; tan tốt trong nước (1109 g/L ở 20 0C) [4].
NaOH có nhiệt hòa tan ∆H bằng -44,5 kJ/mol. NaOH dạng rắn và dung dịch dễ
hấp thụ CO2 từ không khí nên chúng cần được bảo quản trong các thùng kín.
Dung dịch NaOH có tính kiềm mạnh và 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, sử dụng xút.

14

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Sản xuất xút là một trong những ngành công nghiệp hóa chất cơ bản và lâu
năm. Sản lượng NaOH trên thế giới năm 1998 khoảng 45 triệu tấn. Đây là ngành
công nghiệp quan trọng, có tác động lớn đến các ngành công nghiệp khác như dệt,
tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu,…
Theo phương pháp cổ điển, NaOH được sản xuất bằng cách cho Ca(OH) 2 tác
dụng với dung dịch Na2CO3 loãng nóng. Ngày nay, NaOH được sản xuất theo
phương pháp hiện đại là điện phân có màng ngăn dung dịch NaCl bão hòa. Trong
quá trình này, dung dịch muối NaCl bị điện phân tạo thành khí Clo (ở anode) và
dung dịch NaOH, khí hydro (ở catode). Phản ứng điện phân muối ăn trong bình
điện phân có màng ngăn như sau:
2 NaCl + 2 H2O
→
2 NaOH + Cl2↑ + H2↑
Quá trình này được thực hiện trong thiết bị đặc biệt là thùng điện phân (Hình
1.2). Các điện cực của thùng điện phân được quy ước gọi như sau: anode là cực
dẫn dòng điện từ mạch ngoài vào thùng điện phân; catode là cực mà dòng điện từ
thùng điện phận đi ra ngoài. Khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li thì
các anion chạy đến anode và các cation sẽ chạy đến catode [5]. Quá trình điện phân
có thể thực hiện theo hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất là phương pháp
catode rắn hoặc màng do Vasuk và Giukho phát minh năm 1879. Phương pháp thứ
hai là phương pháp catode thủy ngân do A.P Lidop và V.A Chikhomirop phát
minh năm 1882 – 1884 [5].
Trong phòng thí nghiệm, xút còn được điều chế bằng cách cho Na hoặc Na 2O
tác dụng với nước.
NaOH có nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp như: sản

xuất xà phòng, tơ nhân tạo, sản xuất nhôm,… NaOH còn là một hóa chất thông
dụng trong phòng thí nghiệm.

15

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Hình 1.4 Sơ đồ điện phân NaCl có màng ngăn
1.3.2.

Triển vọng ngành công nghiệp sản xuất NaOH
Hiện nay, trên toàn thế giới có khoảng 500 nhà máy sản xuất xút với 1/3 sản
lượng xút được sản xuất tại Mỹ. Hơn 95% NaOH được sản xuất bằng phương pháp
điện phân dung dịch muối NaCl. Hầu như tất cả các nhà máy sản xuất xút mới
được xây dựng đều áp dụng công nghệ màng trao đổi ion thay vì điện cực thủy
ngân như phương pháp cổ điển. Đây là công nghệ có mức tiêu hao nhiên liệu thấp
nhất, giá thành sản phẩm thấp và không ảnh hưởng đến môi trường.
Trong hơn 45 triệu tấn xút được sản xuất hằng năm thì có khoảng 16% sản
lượng được bán trên thị trường. Khoảng 94% xút được bán dưới dạng lỏng. Xút
lỏng được bán trên thế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit tại các
nước như Australia, Brazin, Venezuela,…
Tại Việt Nam hiện có 5 cơ sở sản xuất xút: Nhà máy Hóa chất Việt Trì (hiện là
Công ty Hóa chất Việt Trì), Nhà máy Hóa chất Biên Hòa, Xưởng sản xuất xút của
Công ty Giấy Đồng Nai, Xưởng xút – clo của Công ty bột ngọt Vedan, Nhà máy
xút – clo của Công ty Giấy Bãi Bằng.
Triển vọng của ngành công nghiệp sản xuất xút trên thế giới chịu ảnh hưởng
của nhiều tác động như: nhu cầu clo cho sản xuất PVC, chất thay thế soda, chi phí

điện, việc xây dựng mới các nhà máy sản xuất xút – clo,… Tại Việt Nam, tổng
công suất sản xuất xút còn nhỏ, phân tán ở nhiều cơ sở. Trong tương lai, khi công
16

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

nghiệp hóa dầu phát triển thì sẽ làm tăng vọt nhu cầu tiêu thụ clo, đòi hỏi các nhà
máy xút – clo phải nâng cao công suất sản xuất tương ứng để đáp ứng yêu cầu về
sản lượng clo.

17

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

CHƯƠNG 2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1.
Quy trình công nghệ sản xuất NaOH trong công nghiệp
2.1.1. Sơ đồ quy trình sản xuất NaOH trong công nghiệp

i. Nguyên liệu muối thô

ii. Tinh chế - Làm sạch

iii. Điện phân có màng ngăn

Clo

Hóa lỏng

H2

NaOH loãng

iv. Cô đặc

Tổng hợp

v. Đóng gói

Clo lỏng

NaCl rắn

Bao bì

Acid HCl
NaOH đặc

Hình 2.2 Sơ đồ sản xuất NaOH trong công nghiệp
2.1.2. Thuyết minh quy trình sản xuất NaOH trong công nghiệp
i. Nguyên liệu muối thô: Nguyên liệu sản xuất muối ăn thường là NaCl, có nguồn

gốc từ muối biển, muối mỏ,…

18

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

ii. Tinh chế - Làm sạch: Loại bỏ tạp chất bằng các phương pháp vật lý (lắng, lọc,…)

và hóa học (kết tủa). Người ta thường dùng NaOH dư và BaCl 2 để kết tủa hoàn
toàn tạp chất. Vì vậy cần phải trung hòa lượng OH - dư bằng HCl. Quá trình tinh
chế tiến hành ở nhiệt độ cao để CaCO 3 kết tủa tinh thể lớn, độ hòa tan giảm, dễ
dàng cho quá trình lọc [5].
Ca2+ + Na2CO3

CaCO3 ↓ + 2Na+

Mg2+ + 2NaOH

Mg(OH)2 ↓ + 2Na+

SO42- +BaCl2

BaSO4 ↓ + 2Cl-

iii. Điện phân: Phân ly và phân riêng các ion trong dung dịch bằng phương pháp điện

phân NaCl có màng ngăn. Trong dung dịch NaCl, khi chưa có dòng điện, xảy ra
các quá trình sau:
NaCl

Na+ +
Cl+
H2O
2H
+
OHKhi có dòng điện một chiều chạy qua dung dịch muối, các ion di chuyển về
các cực: H+ và Na+ di chuyển về catode, Cl- và OH- di chuyển về anode. Tại catode,
nước bị khử sinh ra H2 và OH-, Na+ kết hợp với OH- tạo thành NaOH. Tại anode,
Cl- bị oxy hóa sinh ra Cl2.
iv. Cô đặc: Làm tăng nồng độ chất tan NaOH và tách NaCl còn lại dưới dạng tinh thể.
NaOH sau khi điện phân có nồng độ rất loãng, do đó phải tiến hành cô đặc để đáp
ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như vận chuyển. Khi tăng nồng độ NaOH thì độ tan
của NaCl còn lại giảm xuống nên NaCl bị tách ra dưới dạng tinh thể. Muối NaCl
được tái sử dụng lại ở quá trình điện phân [5].
v. Đóng gói: Sau khi NaOH được cô đặc đến nồng độ yêu cầu thì sẽ được trữ và bảo
quản trong thùng chứa. Thùng chứa được làm bằng các vật liệu chống ăn mòn,
thường là composite.
2.2.
Quy trình công nghệ hệ thống cô đặc một nồi NaOH
2.2.1. Sơ đồ cô đặc một nồi NaOH (Hình 1.1, trang 05)
2.2.2. Thuyết minh quy trình cô đặc NaOH

19

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Dung dịch NaOH có nồng độ 10% khối lượng chứa trong bồn nguyên liệu (1)

được bơm ly tâm (2) đưa vào thùng cao vị (3). Từ thùng chứa của bồn cao vị được
thiết kế có gờ chảy tràn để ổn định mức chất lỏng trong thùng, sau đó chảy qua lưu
lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) (thiết bị ống chùm). Ở thiết bị trao đổi
nhiệt, dung dịch được đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa cung
cấp từ ngoài vào, rồi đi vào nồi cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Hơi thứ cấp
và không khí ngưng đi qua thiết bị phía trên của thiết bị cô đặc vào thiết bị ngưng
tụ (9).
Trong thiết bị ngưng tụ, nước lạnh đi từ trên xuống, ở đây hơi thứ cấp sẽ
ngưng tụ lại thành lỏng và chảy qua ống (11) xuống thùng chứa; còn không khí
ngưng đi qua thiết bị thu hồi bọt (10) rồi vào bơm hút chân không. Dung dịch
NaOH sau khi cô đặc (dung dịch NaOH 30%) được bơm (7) hút ra ở phía dưới
thiết bị cô đặc đi vào thùng chứa (8).

20

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1. Tính cân bằng vật chất
3.1.1. Dữ kiện ban đầu
• Năng suất thiết bị: 10 m3/h
• Nồng độ ban đầu: 10% (w/w)
• Nồng độ sau cô đặc: 30% (w/w)
• Nhiệt độ đầu của nguyên liệu: Chọn t0 = 20 0C
• Áp suất ngưng tụ: Pn = 1 – 0,5 = 0,5 at
3.1.2. Cân bằng vật chất

W, h2

Qt
GGđ,
c, Cc, tc
Cđ, tđ

Qc

D, h1

Hình 3.1 Sơ đồ xác định tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của nồi cô đặc
D, C,

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có:
Gc, Cc, tc

(3.1)
Hay
(3.2)
Khối lượng của dung dịch đầu bằng khối lượng dung dịch cuối cộng khối
lượng hơi nước bốc ra trong quá trình cô đặc:
(3.3)
Từ phương trình (3.1), (3.2) và (3.3) ta suy ra được:
(3.4)
Trong đó:
Gđ (kg/h): Khối lượng nguyên liệu trước khi cô đặc;
Gc (kg/h): Khối lượng sản phẩm sau khi cô đặc;
xđ (%): Nồng độ nguyên liệu trước khi cô đặc;
xc (%): Nồng độ nguyên liệu sau khi cô đặc;

W (kg): Lượng dung môi bốc ra trong quá trình cô đặc.
Khối lượng riêng của dung dịch NaOH 10% ở 20 0C là 1109 kg/m3 [4]. Năng
suất thiết bị tính theo kg/h:
21

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Từ số liệu ban đầu và phương trình (3.2), ta tính được khối lượng sản phẩm
sau khi cô đặc:
Tương tự, từ phương trình (3.4), ta tính được lượng dung môi bốc hơi trong
quá trình cô đặc:

G_đ=
xđ = 10% (w/w)

ρ_đ.V_đ
11090 (kg/h)
Cô đặc

Hình 3.3 Sơ đồ khối mô tả cân bằng vật chất
3.2. Tính cân bằng năng lượng

Chọn áp suất ở thiết bị ngưng tụ bằng 0,5 at. Tra bảng I. 251, ta được nhiệt độ
của hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ là 80,9 0C (Trang 314, [6]).
∆’’’ là tổn thất thủy lực do quá trình hơi đi từ mặt thoáng của dung dịch vào
thiết bị ngưng tụ có tổn thất do áp suất. Trong thực tế, nhiệt độ sẽ giảm đi, ∆’’’ =
(1÷1,5) 0C [1]. Chọn ∆’’’ = 1 0C.

Ở cùng điều kiện áp suất, ta có:
∆’” = tsdmnc - tnt
Suy ra, tsdmnc = ∆’” + tnt = 1 + 80,9 = 81,9 0C.

(3.5)

Bảng 2. Nhiệt độ sôi của nước ở các áp suất khác nhau [6]
t (0C)
80
85

P (at)
0,483
0,59
22

i’’ (kJ/kg)
2644
2653

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH
90
95

0,715
0,862

2662
2671

Từ bảng 3 và phương pháp nội suy, ta được p0 = 0,5236 at và h=2647,42 kJ/kg.
3.2.1. Xác định tổn thất nhiệt độ trong hệ thống cô đặc
Trong quá trình cô đặc sẽ xuất hiện sự tổn thất nhiệt độ. Tổng tổn thất này
bằng tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung môi nhỏ hơn nhiệt độ sôi của dung
dịch (∆’), do cột áp thủy lực (∆’’) trong nồi và do trở lực thủy lực (∆’’’) [1].
Trên đồ thị (hình 3.2), trục tung biểu diễn chiều cao H của thiết bị, còn trục
hoành biểu diễn nhiệt độ. Đoạn thẳng đứng 1-2 biểu thị nhiệt độ của hơi đốt ở bên
ngoài ống truyền nhiệt; ở đây coi hơi đốt ở trạng thái bão hòa và nhiệt độ nước
ngưng bằng nhiệt độ của hơi đốt. Điểm 3 là nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống
(lớn nhất) và giảm dần đến tại điểm 5 ở mặt thoáng do áp suất thủy tĩnh. Điểm 4
ứng với nhiệt độ giữa ống truyền nhiệt gọi là nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch.
Điểm 6 là nhiệt độ của hơi thứ ở sát mặt thoáng của dung dịch. Điểm 7 là nhiệt độ
của hơi thứ ở trong thiết bị ngưng tụ tht.

H
7

Hơi thứ

6
Nguyên liệu vào

5
1

4

Hơi đốt

2
3

Nước ngưng
Sản phẩm

23

t

Đồ án Thiết kế máy thiết bị

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH

Hình 3.4 Đồ thị thay đổi nhiệt độ trong quá trình cô đặc [1].
1-2: Nhiệt độ hơi đốt; 3: Nhiệt độ sôi của dung dịch ở đáy ống truyền nhiệt; 4:
Nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch; 5-6: Nhiệt độ sôi của dung dịch và của hơi
thứ ngay trên mặt thoáng; 7: Nhiệt độ của hơi thứ ở thiết bị ngưng tụ.
Từ đồ thị, ta xác định được:
∆’ = t5 – t6
(3.6)
∆’’ = t4 – t5
(3.7)
∆’” = t6 – tnt
(3.8)
Khi biết nhiệt độ T và nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ T nt, ta xác định
hiệu số nhiệt độ có ích như sau:

∆t = ∆T – (∆’ + ∆’’ + ∆’’’)
(3.9)
Hay
∆t = ∆T - ∑∆
(3.10)
0
Trong đó, ∆T = T – Tnt, C
(3.11)
0
∑∆ = ∆’ + ∆’’ + ∆’’’, C: tổng hiệu số nhiệt độ tổn thất
(3.12)
3.2.1.1. Tổn thất nhiệt 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 kỳ được xác định theo công thức gần đúng của Tisenco
(tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi
nguyên chất) [7]:
∆’ = ∆’0.f
(0C);
(3.6)
Trong đó, ∆’0 là tổn thất nhiệt độ do nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt
độ sôi của dung môi ở áp suất thường (áp suất khí quyển); f là hệ số hiệu chỉnh.
(3.7)
Trong công thức (3.6), T - (K) là nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp
suất đã cho; r - (J/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm
việc.
Bảng 3. Giá trị f theo nhiệt độ sôi của nước nguyên chất [7]
t, 0C
35

f

0,6370
24

t, 0C
85

f
0,9057

Đồ án Thiết kế máy thiết bị
40
45
50
55
60
65
70
75
80

Thiết bị cô đặc một nồi NaOH
0,6609
0,6854
0,7106
0,7364
0,7628
0,7899
0,8177
0,8643

0,8755

90
95
100
105
110
115
120
125
130

0,9362
0,9677
1,0000
1,0333
1,0674
1,1025
1,1384
1,1757
1,2135

Nếu dung môi nguyên chất là nước sạch thì ứng với các nhiệt độ sôi khác
nhau, ta có được các giá trị f tương ứng.
Với p0 = 0,5236 at, tra bảng I. 250 [6], kết hợp phép nội suy, ta được r =
2305,1.103 (J/kg).
Từ (3.7), ta tính được hệ số hiệu chỉnh f:

Bảng 4. Tổn thất nhiệt độ ∆’0 theo nồng độ C% của NaOH ở áp suất thường [7]

C%
03
05
10
15
20
25
30
35
40
45

∆’0
0,8
1,0
2,8
5,0
8,2
12,2
17,0
22,0
28,0
35,0

C%
50
55
60
65
70

75
80
85
90
95

∆’0
42,2
50,6
59,5
69,0
79,6
92,0
106,6
124,0
145,5
147,5

Từ bảng 4, ta tra được với C% = 30% thì ∆’0 = 17,0.
Từ (3.6), suy ra ∆’ = ∆’0.f = 17,0.0,89 = 15,13 0C.
Suy ra: tsdd(p0) = tsdm (p0) + ∆’ = 81,9 + 15,13 = 97,03 0C.
3.2.1.2. Tổn thất nhiệt độ ∆’’
Tổn thất nhiệt độ ∆’’ do cột áp thủy tĩnh trong ống truyền nhiệt. Tổn thất này
là do nhiệt độ ở đáy thiết bị cô đặc luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung dịch ở trên
mặt thoáng. Trong kỹ thuật thường tính áp suất ở khoảng giữa ống truyền nhiệt [1].
(3.8)
25

Đồ án thiết bị thiết kế nồi cô đặc xút

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về