Đồ án Tính toán thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ

MỤC LỤC

 

Phần 1: TỔNG QUAN VỀ BỘT NHẸ

 

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘT NHẸ .Trang 11

1.1. Vai trò và ứng dụng .Trang 11

1.2. Tình hình tiêu thụ và sản xuất bột nhẹ trong nước .Trang 11

1.3. Tiêu chuẩn qui định chất lượng bột nhẹ .Trang 12

2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BỘT NHẸ .Trang 13

2.1. Nguyên liệu chính : .Trang 13

a. Đá vôi hóa chất Thanh Nghị.Trang 13

b. Mỏ đá vôi hóa chất Kiện Khê.Trang 13

c. Mỏ đá vôi hóa chất Thanh Sơn.Trang 14

2.2. Các yêu cầu về đá vôi .Trang 14

2.2.1. Yêu cầu về chất lượng.Trang 14

2.2.2. Yêu cầu về kích thước hình dáng.Trang 14

2.2.3. Chỉ tiêu tiêu hao đá.Trang 14

3. TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG.Trang 15

3.1. Carbonat canxi (đá vôi trong tự nhiên).Trang 15

3.2. Oxyt canxi (vôi sống) .Trang 15

3.3. Hydroxyt canxi (vôi tôi) .Trang 16

3.4. Anhydrit carbonic Trang 17

3.5. Ảnh hưởng của các tạp chất đến sản phẩm nung vôi .Trang 19

4. GIỚI THIỆU NHIÊN LIỆU .Trang 20

4.1. Thành phần nguyên tố và tính chất .Trang 20

4.1.1. Carbon (C ).Trang 20

4.1.2. Hydro (H).Trang 20

4.1.3. Oxy (O).Trang 20

4.1.4. Nitơ (N) .Trang 21

4.1.5. Lưu huỳnh (S) .Trang 21

4.1.6. Tro (A) .Trang 21

4.1.7. Độ ẩm trong than (w) .Trang 21

4.2. Thành phần chất bốc và cốc Trang 22

4.2.1. Chất bốc và tính chất của nó .Trang 22

4.2.2. Cốc và hàm lượng carbon cố định Trang 22

4.3. Bảo quản nhiên liệu .Trang 23

4.4. Một số loại than phổ biến ở Việt Nam .Trang 24

 

Phần 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ

 

1.1. Quá trình nung vôi .Trang 26

1.1.1. Quá trình nung vôi trong lò đứng thông thường .Trang 27

1.2. Quá trình làm sạch khí thải lò nung .Trang 27

1.3. Quá trình hòa tan CaO vào H2O Trang 28

1.4. Quá trình lắng bột nhẹ Trang 29

1.5. Quá trình sấy khô bột nhẹ .Trang 29

1.6. Quá trình phản ứng tạo sản phẩm .Trang 29

1.6.1. Lý thuyết tổng quát .Trang 29

1.6.2. Cơ sở lý thuyết để tính toán cho công nghệ Trang 31

1.6.3. Đặc điểm của phản ứng Trang 33

1.6.3.1. Định nghĩa thời gian phản ứng: .Trang 34

1.6.3.2. Thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie Trang 35

1.6.4. Giới thiệu các thiết bị phản ứng dùng

cho hệ khí – lỏng trong công nghiệp .Trang 35

1.6.4.1. Thiết bị sủi bọt .Trang 35

1.6.4.2. Thiết bị khuấy trộn .Trang 36

1.6.4.3. Thiết bị phun tia .Trang 36

1.6.4.4. Tháp đĩa .Trang 36

1.6.4.5. Tháp đệm .Trang 37

 

Phần 3: THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BỘT NHẸ

 

1. QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ Trang 38

1.1. Sơ đồ qui trình công nghệ .Trang 38

1.2. Thuyết minh qui trình công nghệ .Trang 39

 

CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

 

I. LÒ NUNG VÔI Trang 40

1. GIÓI THIỆU .Trang 40

1.1. Các loại lò nung vôi .Trang 40

1.2. Hình dáng cấu tạo lò nung vôi công nghiệp Trang 40

1.3. Nguyên lý hoạt động của lò nung .Trang 40

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm .Trang 41

1. THIẾT KẾ LÒ NUNG VÔI .Trang 41

2.1. Nguyên liệu .Trang 41

2.1.1. Thành phần ban đầu .Trang 41

2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO LÒ NUNG Trang 42

2.2.1. Phương trình cân bằng năng lượng .Trang 42

a. Tính toán tổng lượng nhiệt thu vào.Trang 42

b. Tính toán tổng lượng nhiệt tỏa ra .Trang 43

c. Tính toán năng suất của không khí nhập liệu cho lò nung .Trang 44

2.2. 2. Phương trình cân bằng vật chất cho lò nung .Trang 45

II. THIẾT BỊ HÒA TAN CaO .Trang 48

1. GIỚI THIỆU .Trang 48

1.1. Hình dáng và cấu tạo bồn khuấy .Trang 48

1.2. Nguyên tắt hoạt động Trang 48

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng .Trang 49

2. THIẾT KẾ BỒN KHUẤY TRỘN .Trang 49

2.1. Nguyên liệu Trang 49

2.1.2. Thành phần nhập liệu .Trang 49

2.1.3. Thông số trạng thái .Trang 49

2.2. Cân bằng vật chất & năng lượng cho thiết bị .Trang 49

2.3. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ .Trang 50

2.3.1. Các thông số của thiết bị bồn khuấy .Trang 51

2.3.2. Cánh khuấy .Trang 51

III. THIẾT BỊ LÀM SẠCH KHÍ LÒ VÔI .Trang 53

1. GIỚI THIỆU .Trang 53

1.1. Hình dáng cấu tạo .Trang 53

1.2. Nguyên tắt hoạt động Trang 53

2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÓI LÒ .Trang 54

2.1. Nguyên liệu Trang 54

2.1.1. Thành phần nhập liệu .Trang 54

2.1.2 Thông số trạng thái .Trang 54

2.2. Cân bằng vật chất và năng lượng Trang 54

IV. THIẾT BỊ SẤY PHUN.Trang 56

1. GIỚI THIỆU.Trang 56

1.1. Hình dáng, cấu tạo.Trang 56

1.2. Nguyên tắt hoạt động.Trang 56

2. TÍNH TOÁN BUỒNG SẤY.Trang 56

2.1. Nguyên liệu.Trang 56

2.2. Thông số trạng thái.Trang 56

2.3. Cân bằng vật chất & năng lượng .Trang 57

V. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .Trang 59

1. GIỚI THIỆU .Trang 59

1.1. Hình dáng cấu tạo .Trang 59

1.2. Nguyên lý hoạt động.Trang 59

2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ .Trang 60

2.1. Nguyên liệu Trang 60

2.2. Thông số trạng thái nhập liệu. .Trang 60

2.3. Cân bằng vật chất và năng lượng Trang 60

2.3.1. Tính toán đường kính tháp đệm .Trang 60

2.3.2. Tính chiều cao tháp đệm .Trang 61

2.3.3. Tính bền cho thiết bị Trang 63

2.3.3.1. Chọn vật liệu chế tạo .Trang 63

2.3.3.2. Tính bền cho thân thiết bị .Trang 64

2.3.3.3. Tính bền cho mối ghép bích Trang 64

 

CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

 

1. Chọn bơm .Trang 65

2. Các thiết bị vận chuyển trong nhà máy Trang 65

3. Các tiện nghi hỗ trợ sản xuất .Trang 65

3.1. Hệ thống đường ống dẫn .Trang 65

3.2. Dụng cụ đo và kiểm soát quá trình .Trang 65

3.3. Các nguồn cung cấp năng lượng cho nhà máy .Trang 65

3.4. Hệ thống cấp thoát nước cho nhà máy .Trang 66

 

PHẦN 4: TÍNH KINH TẾ CHO NHÀ MÁY

 

1. NGUỒN NHÂN LỰC CHO NHÀ MÁY .Trang 67

1.1. Công nhân trực tiếp làm tại phân xưởng cho nhà máy .Trang 67

1.2. Nguồn lao động gián tiếp trong nhà máy .Trang 67

1.3. Tiền lương cho nguồn lao động trong nhà máy .Trang 68

2. VỐN DẦU TƯ .Trang 68

2.1. Vốn cho xây dựng nhà máy .Trang 68

2.2. Vốn đầu tư mua trang thiết bị .Trang 68

2.3. Chi phí nguyên nhiên liệu, năng lượng cho nhà máy .Trang 68

2.4. Các khoản chi phí khác trong 1 năm .Trang 68

3. GIÁ THÀNH SẢN PHẨM .Trang 68

3.1. Tổng chi phí .Trang 68

3.2. Tổng doanh thu .Trang 69

 

PHẦN 5 : XÂY DỰNG NHÀ MÁY

 

1. LỰA CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG .Trang 70

1.1. Cơ sở để xác định địa điểm xây dựng .Trang 70

1.2. Các yêu cầu đối với dịa điểm xây dựng .Trang 70

1.2.1. Các yêu cầu chung .Trang 70

1.2.2. Các yêu cầu về kĩ thuật xây dựng .Trang 71

1.2.3. Qui hoạch địa điểm xây dựng .Trang 72

1.2.4. Các khối nhà chính trong nhà máy .Trang 73

2. XÂY DỰNG NHÀ MÁY Trang 74

1.1. Các yêu cầu khi xây dựng .Trang 74

1.2. Các phương án xây dựng .Trang 74

1.2.1. Nhà một tầng .Trang 74

1.2.2. Nhà nhiều tầng.Trang 74

1.2.3. Phân xuởng lộ thiên: .Trang 74

1.2.4. Bố trí hành lang. Trang 74

1.2.5. Bố trí cầu thang. .Trang 74

1.2.6. Bố trí cửa ra vào .Trang 74

1.2.7. Yêu cầu thông gió .Trang 75

1.2.8. Yêu cầu chiếu sáng .Trang 75

1.2.9. Tiếng ồn .Trang 75

1.3. Các công trình phụ .Trang 76

1.3.1. Cổng nhà máy .Trang 76

1.3.3. Đường giao thông nội bộ .Trang 76

a. Đường ôtô Trang 76

b. Đường ống, cáp treo, cẩu chạy .Trang 76

2.3.3. Bố trí mạng ống công nghiệp Trang 76

a. Các loại mạng ống công nghiệp .Trang 76

b. Cách bố trí .Trang 76

c. Nguyên tắc bố trí .Trang 77

2.3.4. Bố trí cây xanh trong nhà máy .Trang 77

a. Khu vực trồng cây .Trang 77

b. Yêu cầu Trang 77

Tài liệu tham khảo.Trang 78

 

doc79 trang | Chia sẻ: netpro | Lượt xem: 3050 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đồ án Tính toán thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i càng rắn và càng nặng. Vì vậy khi tôi vôi quá lửa, phân tử khó thấm nước vào nên tôi vôi rất chậm. 1.1.1. Quá trình nung vôi trong lò đứng thông thường Đá vôi và than cho vào miệng lò khi di chuyển dần xuống, sẽ được khói nóng bốc lên đốt nóng trước, khi than vụn đốt nóng đến 700 oC sẽ bắt đầu cháy, nhiệt độ trong lò tăng lên tới khoảng 900 oC đến 1200 oC thì đá vôi phân hủy thành vôi. Sau khi thành vôi thì di chuyển xuống khu vực dưới của lò và tiếp xúc với không khí phía ngoài đi vào lò làm nguội. Như vậy theo chiều cao của lò đã hình thành ba phần, phần trên cùng là sấy, phần giữa là nung, phần đáy là làm nguội. Thông thường theo kinh nghiệm thực tế, phần sấy sẽ chiếm 25% tổng thể tích lò, phần nung chiếm 50% tổng thể tích lò và phần làm nguội là phần còn lại. Sự phân chia trên chỉ mang tính ước lượng. Trong quá trình nung vôi, khoảng cách của các phần đó dài ngắn phụ thuộc vào thao tác như: nhập liệu, quá trình chọc xỉ, thông lò, khối lượng mỗi lần ra lò… Phần sấy: đá vôi và than đá cho vào lò gặp khí khói có nhiệt độ từ 800 đến 1200 oC từ phần nung đi lên, làm bốc hơi nước, than bốc hơi, các hợp chất hữu cơ cháy hết, MgCO3 bị phân hủy hoàn toàn ở nhiệt độ từ 700 oC đến 800 oC. Chất bốc có trong than ở phần này thoát ra, lượng không khí cho vào lò nếu thiếu than sẽ không cháy hết, nếu thừa thì nhiệt độ trong lò giảm, do khối lượng oxi trong không khí còn ít,vì vậy chất bốc không cháy được sẽ theo khói thải thoát ra ngoài. Từ đó cho thấy than cho vào lò càng ít chất bốc thì càng đỡ làng phí. Nhưng ngược lại, lúc ban đầu bắt đầu mồi lò than được xếp khoảng 1/3 chiều cao của lò (tính từ đáy lên) cần có nhiều chất bốc để cháy và có ngọn lửa dài. Phần nung: phần này rất quan trọng vì nó quyết định chất lượng và sản phẩm vôi ở khu vực này, than cháy nên nhiệt độ đạt từ 1000 oC đến 1200 oC, với nhiệt độ này đá vôi bị phân hủy. Trong quá trình thao tác điều khiển lò, yêu cầu duy trì phần nung ổn định cả về nhiệt độ và khoảng cách. Phần nguội: đầu phần này là chổ than cháy hết và cuối phần này là nơi lấy xỉ than ra. Nếu đá vôi còn xót lại ở phần này thì nó không thể tiếp tục phân hủy và nhiệt độ đã giảm xuống nhiều (so với phần nung) do không khí ở ngoài lùa vào nhiều. Như vậy, qua tính toán sự cháy của quá trình nung thấy rằng nếu nhiệt độ của không khí đưa vào lò càng tăng thì nhiệt độ ngọn lửa càng cao, nếu duy trì nhiệt độ ngọn lửa không đổi thì nhiệt hao phí sẽ giảm. 1.2. Quá trình làm sạch khí thải lò nung Việc sản xuất vôi thường đi đôi với sản xuất bột nhẹ (CaCO3 tạo thành do phản ứng giữa sữa vôi với CO2), một sản phẩm quan trọng. Người ta tận dụng CO2 sinh ra trong quá trình nung vôi để sản xuất bột nhẹ. Tuy nhiên do hỗn hợp khí thải của nung vôi chứa khá nhiều tạp chất cơ học như tro, bụi than, và một hàm lượng SO2… Ngoài ra nhiệt độ của khí thải cũng rất lớn vào khoảng 800 oC đến 900 oC. Vì vậy trước khi dẫn CO2 vào thiết bị phản ứng thì khí thải phải được làm sạch và làm nguội. Mặt khác, trong qui trình sản xuất chúng ta cần sấy vật liệu nên cũng có thể sử dụng năng lượng nhiệt của khói thải để tiết kiệm được năng lượng của nhà máy. Do vậy vật liệu dẫn ống chúng ta phải làm bằng vật liệu chiệu nhiệt, đồng thời trên đường ống chúng ta sẽ làm các “hố ga” để bẫy một phần các tạp chất cơ học trước khi cho qua thiết bị làm sạch khí. Việc làm sạch và làm nguội khí chúng ta có thể sử dụng nước để vừa có khả năng rửa bụi, vừa có tác dụng làm giảm nhiệt độ khí. Ngoài ra chúng ta có thể làm nguội khói thải mới ra lò bằng cách qua thiết bị phối trộn khói thải và không khí bên ngoài trước khi đưa khói thải vào thiết bị rửa bụi. Dựa vào các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng chúng ta sẽ xác định được lượng nước cần thiết để giải nhiệt cho khí thải. Ta biết rằng để phản ứng sản xuất bột nhẹ của chúng ta đạt hiệu quả chúng ta cần làm nguội CO2 xuống nhiệt độ mà ở nhiệt độ đó, khả năng hòa tan của CO2 vào nước là tương đối hiệu quả 1.3. Quá trình hòa tan CaO vào H2O Vôi sống hợp nước sẽ cho vôi tôi (hydroxyt canxi). Đây là phản ứng tỏa nhiệt mảnh liệt, do vậy cần phải chú ý trong việc làm giảm nhiệt độ của quá trình phản ứng để nâng cao hiệu suất phản ứng. ở 25oC CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 15.6 kcal/mol Ta cũng biết CaO tan rất ít trong nước, và nhiệt độ tăng thì khả năng hòa tan cũng sẽ giảm theo. Do đó hydroxyt canxi thường được dùng dưới dạng huyền phù (sữa vôi). Chúng ta cần phải quan tâm một điều là cần phải biết nhiệt độ tối ưu của nước cần để hòa tan CaO, đồng thời giả sử muốn hòa tan 1 tấn CaO thì chúng ta cần bao nhiêu nước, sau đó sản phẩm thu được chúng ta sẽ hòa tan thêm với nước để làm giảm nhiệt độ vôi tôi và làm tăng độ tan của vôi sống trong sản phẩm. Mục đích cuối cùng của chúng ta là làm nguội vôi tôi về nhiệt độ cần thiết, sao cho ở nhiệt độ đó CaO tan tốt trong nước và CO2 cũng tan tốt trong nước nhằm tăng khả năng truyền khối khi hai pha tiếp xúc trực tiếp nhau. Thiết bị để hòa tan CaO vào nước phải làm từ vật liệu chiệu nhiệt, và cần có thiết bị giải nhiệt cho thiết bị này (nếu cần thiết). Thiết bị phản ứng cho quá trình hòa tan thông thường được chọn là bồn khuấy trộn có bộ phận giải nhiệt nhằm 2 tác dụng Khuấy trộn sẽ giúp cho khả năng khuếch tán giữa 2 pha đạt hiệu quả cao. Giải nhiệt cho thiết bị vì đây là phản ứng tỏa nhiệt, tốc độ hòa tan phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình phản ứng. Trong quá trình hào tan CaO, cũng là giai đoạn loại bỏ các tạp chất cơ học có trong vôi như MgO, Al2O3, Fe2O3 không tan vào nước được tháo bỏ dưới đáy thiết bị, đồng thời để vôi có độ tinh khiết cao đòi hỏi nguồn nước cung cấp phải đảm bảo không chứa nhiều tạp chất ion kim loại. 1.4. Quá trình lắng bột nhẹ Bột nhẹ sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng chúng ta cần loại bớt nước, và thu huyền phù dạng phù hợp cho quá trình sấy sao cho ít tốn nhiệt trong quá trình sấy. Do vậy, phương pháp lắng đơn giản và hiệu quả trong dây chuyền là lắng theo nguyên tắt trọng lực, ít tốn kém chi phí trong quá trình lắng. Các bể lắng được xây dựng tại nơi thiết bị phản ứng nhằm lắng huyền phù đồng thời để làm mát sản phẩm cần thiết. 1.5. Quá trình sấy khô bột nhẹ Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm. Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đạt chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Để sấy các vật liệu lỏng huyền phù như bột nhẹ, sữa, trứng, sữa đậu nành…nên thiết bị sấy tốt nhất là thiết bị sấy phun. Vì quá trình xảy ra rất nhanh đến mức không kịp đốt vật liệu đến giới hạn cho phép, sản phẩm thu được dạng bột mịn nên không cần nghiền, như sữa bột, cà phê hòa tan, xà phòng…. Ở đây chúng ta sử dụng phương pháp sây phun ly tâm, bởi vì phương pháp này phù hợp với chất lỏng dạng huyền phù. Tác nhân sấy là nhiệt độ khói lò nung, sau khi đã qua giai đoạn xử lý tạp chất cơ học, để làm giảm nhiệt độ của khí nóng đến nhiệt độ cần thiết người ta sẽ dùng nước để giải nhiệt 1.6. Quá trình phản ứng tạo sản phẩm 1.6.1. Lý thuyết tổng quát Đây là công đoạn quan trọng quyết định đến năng suất của sản phẩm. Do vậy, để phản ứng đạt hiệu suất cao chúng ta cần tạo điều kiện cho 2 pha khí (CO2) và lỏng (vôi tôi) có bề mặt tiếp xúc pha lớn, nhiệt độ của các dòng nhập liệu, đồng thời trong suốt quá trình phản ứng Ca(OH)2 (r) + CO2 (k) = CaCO3 (r) + H2O (l) + 26.908 Kcal/mol Vì đây là phản ứng tỏa nhiệt, do nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng đến quá độ tan của Ca(OH)2, và CO2 trong nước, nên chúng ta cần giảm nhiệt độ của thiết bị nhằm giúp phản ứng đạt hiệu quả. Về bản chất đây là một quá trình hấp thụ có kèm phản ứng hóa học. Chúng ta có hai trường hợp cho một phản ứng của pha khí vào pha lỏng. Trường hợp 1: Phản ứng hóa học xảy ra trong lòng pha lỏng (nghĩa là phản ứng rất chậm). Do đó, quá trình thực tế là quá trình vận tải chất vào chất lỏng có thể tách biệt như là một quá trình xảy ra trước nối tiếp với phản ứng hóa học. Trường hợp 2: Phản ứng hóa học xảy ra chủ yếu ngay trên mặt biên của pha lỏng. Khi đó quá trình vận tải và quá trình phản ứng xảy ra song song. Rõ ràng trường hợp phản ứng giữa CO2 và Ca(OH)2 rơi vào trường hợp 2 còn gọi là xảy ra ở miền phản ứng nhanh. Ở miền phản ứng này phản ứng xảy ra rất nhanh và thực tế thời gian phản ứng rất nhỏ so với thời gian khuếch tán tương đương, và phản ứng xảy ra ngay trong thời gian dừng của phân tố lỏng ngay trên bề mặt phân chia pha hay trong màng lỏng (theo thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie). Như vậy trong màng lỏng sẽ xảy ra quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học, phương trình cân bằng vật chất cho cấu tử A trong màng lỏng bao gồm khuếch tán và động học. Việc lựa chọn thiết bị phản ứng cho quá trình này cũng rất quan trọng, thiết bị của chúng ta cần tạo bề mặt tiếp xúc pha lớn càng tốt. Bảng 13: Đặt trưng của một số thiết bị tiếp xúc pha khí lỏng – khí Loại thiết bị Diện tich bề mặt tiếp xúc pha/thể tích chất lỏng, m2/m3 (σ) Diện tích bề mặt tiếp xúc pha/thể tích bình phản ứng, m2/m3 (ε) Phần thể tích của chất lỏng Thể tích chất lỏng /thể tích lớp phim Tháp phun 1200 60 0.05 2-10 Tháp đệm 1200 100 0.08 10-100 Tháp mâm 1000 150 0.15 40-100 Khuấy sủi bọt 200 200 0.90 150-800 Tháp sủi bọt 20 20 0.98 4000-10000 Từ bảng số liệu trên ta thấy rằng tháp phun và tháp mâm có hiệu quả cao cho các phản ứng nhanh, còn các phản ứng sủi bọt thì có hiệu quả cao hơn cho các phản ứng chậm. Phản ứng sản xuất bột nhẹ chúng ta cần thời gian phản ứng nhỏ, để tránh trường hợp CaCO3 bị tan khi tiếp xúc với CO2, đồng thời thời gian lưu thiết bị ngắn nhằm tránh trường hợp các hạt CaCO3 tạo ra kết lại thành một khối lớn sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên, sẽ có một lượng Ca(OH)2 chưa phản ứng còn dư sẽ được đưa vào thiết bị sấy, nhưng sau thời gian chúng sẽ tự chuyển hóa thành CaCO3 do hấp thụ CO2 ngoài không khí. Nên sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. 1.6.2. Cơ sở lý thuyết để tính toán cho công nghệ CO2 cùng Ca(OH)2 được khuếch tán từ phía nhân hai pha vào màng lỏng và tới bề mặt phản ứng Phương trình phản ứng: Lượng chất đó tham gia phản ứng ngay trên bề mặt phân pha và theo một tỉ lệ nhất định (1) Trong đó Phương trình tốc độ dạng , có nghĩa phản ứng bậc n, với k là hắng số tốc độ của quá trình. Vì tốc độ phản ứng rất lớn nên không có lượng chất CO2 lưu lại trong màng lỏng, có nghĩa quá trình đạ được trạng thái ổn định: (2) ở màng lỏng do chế độ dòng nên có thể coi , do đó phương trình cân bằng còn lại: (3) Tốc độ quá trình hấp thụ tính theo cấu tử CO2 là lượng chất tham gia quá trình trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian, trong trường hợp này có thể tính theo công thức sau mol/m3.s (4) Theo Astaria, nghiệm của phương trình (3) sẽ là cơ sở để tính tốc độ của quá trình, giải phương trình (3) cho kết quả: (5) ở đây được tính trên một đơn vị bề mặt phân chia ph, mol/m2.s Thay biểu thức r vào phương trình (5) ta có (6) (7) Từ phương trình (7) ta có nhận xét: Tốc độ quá trình hấp thụ tỉ lệ thuận với bề mặ phân chia pha riêng Tỉ lệ với hiệu nồng độ Tôcs độ phản ứng r ảnh hưởng rất lớn đến Nồng độ của cấu tử Ca(OH)2 không ảnh hưởng tới tốc độ của quá trình So sanh phương trình (7) với phương trình cấp khối Thì ta có (8) Vì hệ của chúng ta là phản ứng giả bậc 1, do lượng Ca(OH)2 thay đổi không đáng kể trong quá trình phản ứng. và (9) Để xác định được chúng ta cần làm thí nghiệm để đo giá trị k (hắng số tốc độ của ophản ứng) nhưng ở đây không đo được nên được xác định bằng giá trị gần đúng dựa trên công thức tính của định luật Fick I (10) Đây là nội dung của thuyết màng kép do Lewis và Withman đưa ra, họ cho rằng giữa bề mặt tiếp xúc pha và dòng cơ bản của pha tồn tại một lớp màng không chuyển động (xem hình …) và trong lớp màng đó hoàn toàn chỉ có khuếch tán phân tử. khi quá trình ổn định thì và Tuy nhiên trong thực tế trạng thái của lớp màng ở bề mặt tiếp xúc còn bị ảnh hưởng rất nhiều bởi dòng đối lưu, do vậy mà quá trình vận tải qua lớp màng đó là quá trình không ổn định và đã được giải thích bằng các thuyết màng khác… λ: bề mặt phân chia pha CA,G: nồng độ pha khí CB: nồng độ pha lỏng δl: bề dày lớp màng bên pha lỏng Tuy nhiên việc tính toán truyền khối dựa theo thuyết màng của Lewis và Withman cho đến nay vẫn được sử dụng phổ biến. Nhưng để tìm được giá trị theo công thức (10) thì hết sức khó thực hiện. Thực tế thì chiều dày của màng lỏng không thể đo được. Do vậy người ta xác định bằng các phương trình thực nghiệm từ các đại lượng không thứ nguyên như chuẩn số Shanton (Sh), Schmidt (Sc) và chuẩn số Reynold (Re): Trong đó Chuẩn số Schmidt: Chuẩn số Reynold: Chuẩn số Shanton: Với A = 1,9 là hệ số D: hệ số khuếch tán, m2/s d: đường kính tương đương của thiết bị, m µ: độ nhớt động lực học, N.s/m2 v: độ nhớt động học, m2/s ρ: khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng, kg/m3 ω: vận tốc dòng lưu chất, m/s 1.6.3. Đặt điểm của phản ứng Quá trình phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn Giai đoạn 1 xảy ra quá trình truyền khối ở giai đoạn này chất khí CO2 sẽ được khuếch tán vào lỏng theo hai quá trình pKa1 = 6,35 pKa2 = 5,41 Giai đoạn 2 là giai đoạn xảy ra phản ứng Dung dịch sữa vôi Các phản ứng xảy ra Nồng độ đạt trạng thái cân bằng theo phương trình T = 4,8.10-9 (tích số tan) Tuy nhiên trường hợp này do thời gian phản ứng nhanh, đồng thời kết tủa tạo ra nhanh chóng nên nồng độ CO2 cân bằng trong dung dịch xem như là 0 1.6.3.1. Định nghĩa thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng là thời gian cần thiết để cấu tử A bất kì với nồng độ CA biến đổi hoàn toàn hay biến đổi đạt trạng thái cân bằng C*A với tốc độ r(CA) = cosnt Nếu phản ứng là bậc 1 thì r(CA) = k(CA - C*A) k: hằng số tốc độ phản ứng CA: nồng độ cấu tử hòa tan trong dung dịch CA*: nồng độ cân bằng của cấu tử trong dung dịch 1.6.3.2. Thuyết thay đổi bề mặt mới của Higbie Quá trình di chuyển vật chất của cấu tử khí A đến bề mặt phân chia pha, qua màng lỏng vào pha lỏng là quá trình không ổn định. Song song với sự di chuyển của A, do chế độ chuyển động xoáy của pha lỏng nên luôn có các phân tố của pha lỏng di chuyển đến bề mặt phân chia pha, hòa tan cấu tử khí và di chuyển trở lại pha lỏng. Quá trình này làm thay đổi bề mặt tiếp xúc pha và luôn có những phân tố lỏng mới di chuyển đến rồi lại di chuyển rời khỏi bề mặt phân chia pha. Thuyết này cho kết quả công thức tính hệ số cấp khối liên hệ với hệ số khuếch tán như sau t* : thời gian dừng của các phân tố trên bề mặt phân chia pha Dựa vào thuyết màng chúng ta có thể xây dựng phương trình cân bằng vật chất, để từ đó dễ dàng xác định được tốc độ hấp thụ hóa học của quá trình làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế thiết bị phản ứng. Ở đây nếu ta giả sử dụng lượng Ca(OH)2 tham gia phản ứng rất nhiều so với lượng CO2 tham gia thì xem như phản ứng giả bậc 1. 1.6.4. Giới thiệu các thiết bị phản ứng dùng cho hệ khí – lỏng trong công nghiệp 1.6.4.1. Thiết bị sủi bọt Là thiết bị trong đó chất khí được phân tán trong chất lỏng và là loại được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp. Ưu điểm của thiết bị này là cấu tạo đơn giản, không có các bộ phận chuyển động, thiết bị làm việc gần như theo chế độ khuấy lý tưởng, dễ khống chế nhiệt độ. Nhượt điểm: mối quan hệ giũa chiều cao cột chất lỏng và đường kính thiết bị, vì bề mặt tiếp xúc pha sẽ giảm rất mạnh theo chiều cao tính từ vị trí sục khí. Ngoài ra cung phải thấy rằng ở thiết bị loại này tồn tại một sự khuấy trộn ngược trong pha lỏng rất lớn. Ứng dụng phổ biến nhất trong các quá trình sinh hóa vì cũng chỉ có loại thiết bị này mới có thể chứa một lượng chất lỏng lớn. 1.6.4.2. Thiết bị khuấy trộn Được sử dụng khá phổ biến trông công nghiệp đặc biệt trong ngành công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên năng suất của thiết bị thấp, hiệu quả truyền khối không cao, tiêu tốn nhiều năng lượng cho động cơ khuấy trộn. Mặt khác, trong công nghiệp thường ít khi người ta tiến hành phản ứng trong một thiết bị khuấy duy nhất mà chúng thường được nối tiếp lẫn nhau thành một dãy, gọi là dãy hoặc chuổi thiết bị phản ứng khuấy trộn. Do vậy sẽ tốn kém năng lượng lớn trong việc vận hành, cũng như chi phí đầu tư nhiều thiết bị. 1.6.4.3. Thiết bị phun tia Loại thiết bị này thật ra ít được sử dụng trong công nghiệp và thường được sử dụng khi trong pha khí và pha lỏng có những phần tử rắn. Ưu điểm lớn nhất của thiết bị này là có bề mặt tiếp xúc pha lớn. Nhượt điểm lớn nhất của thiết bị là bộ phận phun lỏng, huyền phù…. Để hoạt động tốt đòi hỏi công suất lớn, tốn kém nhiều năng lượng. Chú thích: 1: dòng khí nhiễm bẩn, 2: dòng lỏng, 3: dung dịch, 4: khí trơ 1.6.4.4. Tháp đĩa Trường hợp phải điều chỉnh nhiệt độ cho quá trình hấp thụ và cho quá trình phản ứng hóa học, tháp đĩa là thích hợp hơn cả. Nó cũng được sử dụng khi lượng chất lỏng không nhiều, và chính các đĩa chia tháp làm nhiều bậc và do đó hạn chế gần như toàn diện hiện tượng khuấy trộn ngược. Nhượt điểm lớn nhất của tháp đĩa là không làm việc vối hệ dạng huyền phù 1.6.4.5. Tháp đệm Đệm được chất đầy trong tháp chủ yếu nhằm phân nhánh các màng chất lỏng và do đó để làm chất lỏng quanh đệm được trộn lẫn tốt vào nhau. Ưu điểm nữa của thiết bị loại tháp đệm là không cần có bộ phận chuyển động, bề mặt tiếp xúc pha đủ lớn và tiết kiệm năng lượng, do trở lực của tháp không phải là cao lắm. Đệm có thể đổ đống hay xếp theo một trật tự nào đó, tùy theo kích thước của tháp. Một điều chú ý là khi chiều cao tháp đủ lớn thì dọc chiều cao phải bố trí thiết bị phân phối chất lỏng để hạn chế hiệu ứng thành khi thiết bị làm việc. Ưu điểm nổi trội của thiết bị tháp đệm so với tháp đĩa là nó làm việc được với cả chất lỏng dạng huyền phù nếu có cơ cấu đệm thích hợp. Tính toán đơn giản hơn nhiều so với tháp đĩa. Năng suất của thiết bị đệm không cao Nhận xét Việc lựa chọn thiết bị để tiến hành quá trình rõ ràng phải xuất phát từ cơ sở lý thuyết đã được trình bày ở phần trên và từ kết quả thực nghiệm. Do vậy thiết bị được sử dụng trong qui trình này là thiết bị tháp đệm loại đệm được sử dụng là đệm kích cấu, có hình dạng cấu tạo như hình vẽ Vật liệu chế tạo các đệm kích cấu trên từ các loại thép hợp kim, thép không gỉ, nhựa, gốm…. tùy vào môi trường làm việc chúng ta chọn vật liệu chế tạo cho thích hợp. Có bề mặt tiếp xúc pha/thể tích thiết bị phản ứng tương đối lớn từ 55-750 m2/m3. Tùy vào mục đích sử dụng, hơn nữa nó còn có nhiều ưu điểm như làm việc được với sản phẩm dạng huyền phù, do trở lực thấp, không bị tắt ngẵn khi làm việc ở chế độ huyền phù, năng suất làm việc cao. Tuy nhiên hiện nay trong nước vẫn chưa sản xuất, do vậy việc sử dụng đệm kích cấu sẽ làm tốn kém kinh tế đầu tư sẽ là nguyên đẩy giá thành sản phẩm cao nên khó tiêu thụ sản phẩm đây cũng là vấn đề cần được quan tâm. Phần 3: THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1. QUI TRÌNH SẢN XUẤT BỘT NHẸ 1.1. Sơ đồ qui trình công nghệ Trên cơ sở lý thuyết đã được phân tích như trên chúng ta đưa ra sơ đồ khối qui trình sơ đồ công nghệ sản xuất bột nhẹ năng suất 2 tấn/ngày như sau 1.2. Thuyết minh qui trình công nghệ Năng suất nhà máy là 2000 kg/ngày, làm việc liên tục 24h mỗi ngày Đá vôi được vận chuyển từ nơi sản xuất, khi đó đá vôi đã được xử lý thô về kích thước và hình dáng, sẽ được vận chuyển về nhà máy bằng các phuơng tiện thích hợp, và được lưu trữ trong nhà kho, lượng đá vôi được lưu trữ là bao nhiêu tùy thuộc vào qui mô sản xuất của nhà máy. Từ nhà kho đá vôi sẽ được nhập liệu cho lò nung vôi bằng gầu tải 1 với tỉ lệ giữa đá vôi và than là 9:1. Trước khi nhập liệu cho lò nung, người ta sẽ mồi lửa trong lò nung với một lượng vôi và than đã được xếp sẵn trong lò nung theo một tỉ lệ 1/3 so với chiều cao lò. Lò nung đạt được nhiệt độ thích hợp khoảng 700 oC thì tiến hành nhập liệu. Lò nung hoạt động theo chế độ liên tục vì khói thải của lò nung được sử dụng cho phản ứng tạo bột nhẹ. Sản phẩm của lò nung là vôi sống, khi sản phẩm ra khỏi lò sẽ được vận chuyển bằng băng tải vào thiết bị thổi khí nhằm làm sạch lớp tro của than bám lên trên bề mặt của vôi trước khi tiếp tục đi vào bồn chứa 1 bằng gầu tải 2. Khói thải của lò nung sẽ dẫn qua thiết bị làm nguội và làm sạch tro, bụi cơ học, sau đó được chia thành 2 dòng, dòng 1 tiếp tục làm nguội thấp đến nhiệt độ khoảng 25 oC đến 40 oC có thể bằng nuớc hoặc bằng cách đối lưu nhiệt tự nhiên. Dòng 2 sẽ được làm sạch và được giữ ở mức nhiệt độ cao để sử dụng nhiệt cho thiết bị sấy phun. Vôi sống ở bồn chứa 1, và nước được vận chuyển đến thiết bị khuấy trộn 1 bằng gầu tải 3 và bằng bơm, sản phẩm sau khi ra bồn khuấy 1 sẽ được đưa vào các bồn lắng nhằm 2 mục đích là loại bỏ được các tạp chất cơ học không tan trong nước hoặc đá vôi chưa chín, đồng thời là quá trình làm nguội sản phẩm bằng không khí, sau đó sản phẩm từ bồn lắng sẽ được vận chuyển vào bồn khuấy 2 cùng vời lượng nước thích hợp, lần này nhằm làm giảm nhiệt độ sản phẩm, đồng thời pha loãng nồng độ sản phẩm, sau đó sản phẩm sẽ được đưa đến bồn chứa 2 và gọi là vôi tôi. Vôi tôi được vận chuyển đến thiết bị phản ứng tháp phun, khói thải chứa CO2 được nạp vào tháp ở phía đáy, sản phẩm thu được sẽ được đưa vào các bể lắng với mục đích nhằm loại bỏ bớt nước, huyền phù thu được sẽ được bơm vận chuyển vào thiết bị sấy phun, nhiệt độ sấy của thiết bị lấy từ khói thải lò nung vôi, Sản phẩm sau khi sấy sẽ được đưa vào bồn chứa 3. Là sản phẩm cuối cùng của qui trình sản xuất. CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I. LÒ NUNG VÔI 1. GIÓI THIỆU 1.1. Các loại lò nung vôi Trong nhân dân các lò thủ công các lò thủ công thường được đắp bằng đất hoặc xây bằng gạch thường và người ta nung theo phương pháp gián đoạn từng mẻ. Làm như vậy tất nhiên hiệu suất và chất lượng không cao, song bù lại là tiện lợi và phù hợp vói việc sử dụng cho xây dựng tại chỗ. Trong công nghiệp người ta sử dụng lò xây bằng gạch chịu lửa và công nghệ nung liên tục. 1.2. Hình dáng cấu tạo lò nung vôi công nghiệp Chú thích: 1: Nguyên liệu ban đầu 2: Gầu tải nhập liệu 3: Cổng nhập liệu 4: Vôi trong lò nung 5: Cổng tháo vôi trong lò nung 8 6: Cửa lấy sản phẩm ra ngoài 7: Cửa thoát khói lò nung 1.3. Nguyên lý hoạt động của lò nung Đá vôi nguyên liệu với kích thước từ 60 đến 200 mm, sau đó được trộn với than cốc (kích thước hạt cỡ 30 đến 70 mm) với tỉ lệ khoảng 9:1 và được đưa vào lò theo cửa nạp nguyên liệu 2 qua thiết bị cửa 3. Khi than cháy hết, nhiệt độ của lò có thể lên tới 1200 oC. Thời gian chuyển dịch của đá trong lò được tính toán theo kích thước lò và bản chất của nguyên nhiên liệu sao cho đủ để chín vôi. Nghĩa là toàn bộ khối đá carbonat đã được phân hủy tạo thành canxi oxyt. Vôi sống được lấy ra liên tục ở cửa 5 có nhiệt độ khoảng 300 oC, nhờ có sự làm nguội của không khí. Không khí vào lò theo cửa 8 được trao đổi nhiệt với sản phẩm vôi sống trước khi ra lò và tại các tầng cuối của lò. Thông thường trong các lò công nghiệp, 80% lượng nhiệt được sử dụng cho quá trình phân hủy carbonat. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm Phụ thuộc vào hai yếu tố chính là chất lượng đá vôi nguyên liệu và hiệu quả làm việc của lò. 1. THIẾT KẾ LÒ NUNG VÔI 2.1. Nguyên liệu 2.1.1. Thành phần ban đầu Số liệu dựa trên mỏ đá Thanh Nghị Thành phần đá vôi Hàm lượng (%) CaCO3 90.24 MgCO3 0.52 SiO2 + các hợp chất không tan trong HCl 0.98 Al2O3 và Fe2O3 0.24 H2O 8.26 Số liệu dựa trên chất lượng than thương phẩm Mạo Khê, loại than cục 2MK, lấy ở mức độ trung bình Thành phần than thương phẩm Hàm lượng (%) C 84,3 S 0,7 Tro 10 Nước 5 Hiệu suất lò nung vôi 90 % Hiệu suất nhiệt lượng sử dụng của lò 80 % Độ cháy của C thành CO2 97,4 % Độ cháy của C thành CO 1,5 % Hiệu suất than sử dụng cho lò nung 90 % Hiệu suất không khí sử dụng 90 % Độ ẩm tương đối của không khí (tại tp. HCM đo tại phòng thí nghiệm Quá Trình & Thiết Bị) 69,4 % Nhiệt độ không khí vào 25 oC – 30 oC Nhiệt độ không khí ra 800 oC – 900 oC Nhiệt độ vôi tháo ra khỏi lò 300 oC Nhiệt độ đá vôi vào lò 25 oC Nhiệt độ của than vào lò 25 oC Thành phần không khí vào lò Oxi 20 % Nitơ và khí trơ 80 % Năng suất vôi nhập liệu 3636 kg/ngày 2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO LÒ NUNG 2.2.1. Phương trình cân bằng năng lượng a. Tính toán tổng lượng nhiệt thu vào Tính lượng than nhập liệu cho 1 ngày Lò nung làm việc ổn định ở nhiệt độ khoảng 850 oC đến 1200 oC, trong khoảng nhiệt độ này xem như enthanpy của các phản ứng hóa học thay đổi không đáng kể. Entanpy của phản ứng được tính theo công thức Cp CO2 = 10,55+2,16.10-3.T-2,04.140-5.T-2 cal/(K.mol) Cp CaO = 11,67 + 1,08.10-3.T – 1,56.10-5.T-2 cal/(K.mol) Cp CaCO3 = 24,98 + 5,24.10-3.T – 6,20.10-5.T-2 cal/(K.mol) ΔCp = Cp CO2 + Cp CaO - Cp CaCO3 Xem phản ứng xảy ra bắt đầu ở nhiệt độ 850 oC ΔH1123 = -40,252 Kcal/mol Như vậy để nung vôi chín chiếm 90 %, với khối lượng vôi phân hủy là Kg = 32724 mol Lượng nhiệt cần cung cấp là cho vôi phân hủy là 32724.40,252 = 1,32.106 Kcal (1) Lượng nhiệt cần cung cấp cho phản ứng Xem entanpy thay đổi không đáng kể Lượng nhiệt cần cung cấp cho MgCO3 (2) Lượng nhiệt cần cung cấp để làm bay hơi nước lúc đầu khi mồi lò nung, vì s

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docTính toán thiết kế nhà máy sản xuất bột nhẹ (CaCO3).doc
Tài liệu liên quan