Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và luyện kim, cô đặc là quá trình công nghệ cơ bản nhằm tách một phần dung môi ra khỏi dung dịch chứa chất tan không bay hơi ở nhiệt độ sôi. Mục đích của quá trình là nâng cao nồng độ chất tan, tạo điều kiện cho quá trình kết tinh hoặc thu hồi dung môi tinh khiết. Dung dịch Natri clorua ($\text{NaCl}$) đóng vai trò là nguồn nguyên liệu thiết yếu cho sản xuất xút - clo, bảo quản thực phẩm, y tế và xử lý công nghiệp. Việc thiết kế hệ thống cô đặc nhiều nồi làm việc liên tục cho phép tái sử dụng nhiệt ẩn hóa hơi của hơi thứ từ nồi trước làm nguồn nhiệt đốt cho nồi sau, từ đó tiết kiệm năng lượng tiêu thụ so với hệ thống cô đặc đơn nồi.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được giao trong đồ án môn học CH3440 thuộc Bộ môn Quá trình - Thiết bị Công nghệ Hóa và Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội bao gồm 6 nội dung:

  1. Thiết lập và thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc hệ thống hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài (thể hiện trên bản vẽ A4).
  2. Tính toán công nghệ thiết bị chính: cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định bề mặt truyền nhiệt của hai nồi.
  3. Tính toán thiết kế và kiểm tra cơ khí cho thiết bị chính (chiều dày vỏ, đáy, nắp, vỉ ống, tai treo, lớp cách nhiệt).
  4. Tính toán công nghệ và lựa chọn 03 thiết bị phụ trợ trong dây chuyền (thiết bị ngưng tụ Baromet, bơm chân không, thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu).
  5. Thể hiện kết cấu bản vẽ lắp thiết bị chính (khổ A1).
  6. Tổng hợp danh mục tài liệu tham khảo và đánh giá kết quả tính toán.

Đối tượng và phạm vi thiết kế:

  • Đối tượng xử lý: Dung dịch $\text{NaCl} - \text{H}_2\text{O}$ với nồng độ ban đầu $x_đ = 5%$ khối lượng, cần cô đặc đến nồng độ cuối $x_c = 25%$ khối lượng.
  • Năng suất đầu vào: $G_đ = 8500\text{ kg/h}$.
  • Chế độ làm việc: Liên tục, xuôi chiều (dung dịch và hơi đốt chuyển động cùng chiều từ nồi 1 sang nồi 2).
  • Loại thiết bị chính: Thiết bị cô đặc tuần hoàn tự nhiên có buồng đốt ngoài, chiều cao ống truyền nhiệt $H = 4\text{ m}$.
  • Thông số năng lượng: Hơi đốt bão hòa sơ cấp cung cấp cho nồi 1 ở áp suất $P_1 = 4,8\text{ at}$; áp suất hơi ngưng tụ tại thiết bị Baromet duy trì ở $P_{ng} = 0,2\text{ at}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều vận hành dựa trên nguyên lý chênh lệch áp suất giảm dần từ nồi 1 đến nồi 2 ($P_1 > P_2 > P_{ng}$), giúp dung dịch tự chảy từ nồi trước sang nồi sau mà không cần bơm trung gian. Việc sử dụng buồng đốt ngoài giúp tăng cường tốc độ tuần hoàn tự nhiên của dung dịch qua vành tuần hoàn giữa ống trung tâm và vỏ thiết bị, hạn chế hiện tượng đóng cặn tinh thể $\text{NaCl}$ trên bề mặt ống truyền nhiệt và thuận tiện cho việc bảo dưỡng, vệ sinh ống chùm.

Phương pháp tính toán kỹ thuật trong đồ án được tiến hành theo các mô hình và công thức chuẩn của ngành Quá trình - Thiết bị:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra $W$ và nồng độ trung gian $x_1$ thông qua phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử phân bố.
  • Phương pháp phân phối áp suất và xác định tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'_i$) xác định theo công thức thực nghiệm Tysenko kết hợp hệ số hiệu chỉnh $f$ phụ thuộc ẩn nhiệt hóa hơi.
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh tăng cao ($\Delta''_i$) tính theo áp suất thủy tĩnh tại tâm ống truyền nhiệt.
    • Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống dẫn hơi ($\Delta'''_i$) chọn theo thực nghiệm là $1^\circ\text{C}$ cho mỗi nồi.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Thiết lập hệ phương trình nhiệt lượng kết hợp cho từng nồi để xác định chính xác lượng hơi đốt sơ cấp $D$, lượng hơi thứ thực tế bốc ra ($W_1, W_2$) có tính đến tổn thất nhiệt ra môi trường ($Q_m = 0,05 \times Q_{cấp}$).
  • Phương pháp xác định hệ số truyền nhiệt ($K$):
    • Tính hệ số cấp nhiệt màng ngưng tụ $\alpha_1$ bên ngoài ống chùm thẳng đứng.
    • Tính hệ số cấp nhiệt sôi $\alpha_2$ bên trong ống cho dung dịch $\text{NaCl}$ qua các chuẩn số đồng dạng ($Re, Pr$) kết hợp hệ số hiệu chỉnh tính chất nhiệt vật lý $\Psi$.
    • Phân phối lại hiệu số nhiệt độ hữu ích theo nguyên tắc bề mặt truyền nhiệt hai nồi bằng nhau ($F_1 \approx F_2$) với diện tích nhỏ nhất.
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Tính toán độ bền, ứng suất cho phép $[\sigma]$ theo giới hạn chảy $\sigma_{ch}$ và giới hạn bền kéo $\sigma_k$ của vật liệu thép không gỉ $\text{X18H10T}$ theo tiêu chuẩn thiết kế cơ khí thiết bị hóa chất.
  • Nguồn dữ liệu tra cứu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, 2, 3), bảng số liệu tính chất nhiệt vật lý của dung dịch $\text{NaCl}$, nước và hơi nước bão hòa.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Sơ đồ dây chuyền công nghệ và nguyên lý vận hành

Dung dịch $\text{NaCl}$ nồng độ $5%$ từ thùng chứa (1) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3) có bố trí ống chảy tràn nhằm duy trì áp lực không đổi. Dung dịch sau đó qua lưu lượng kế (4) đi vào thiết bị gia nhiệt ống chùm (5), được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi ($118,42^\circ\text{C}$). Dung dịch sôi được nạp vào nồi cô đặc buồng đốt ngoài thứ nhất (6).

Tại nồi 1, hơi đốt sơ cấp ($4,8\text{ at}$) đi ngoài ống truyền nhiệt để đun sôi dung dịch. Hơi thứ bốc lên ở nồi 1 được dẫn làm hơi đốt cho buồng đốt của nồi 2 (7), còn dung dịch đã cô đặc một phần ($x_1 = 8,28%$) tự chảy sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất. Tại nồi 2, dung dịch tiếp tục được cô đặc đến nồng độ yêu cầu ($x_2 = 25%$) và được bơm sản phẩm (16) chuyển về bể chứa sản phẩm (15). Hơi thứ nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều (8) tiếp xúc trực tiếp với dòng nước lạnh để ngưng tụ, phần khí không ngưng qua Cyclon tách bọt (9) rồi được bơm chân không (17) hút xả ra ngoài. Nước ngưng từ các buồng đốt được tháo qua cụm cốc tháo nước ngưng (11, 12, 13) về bể chứa (14).

Kết cấu thiết bị chính và cụm thiết bị phụ

  1. Thiết bị cô đặc chính (Nồi 1 và Nồi 2):
    • Loại thiết bị: Buồng đốt ngoài thẳng đứng, tuần hoàn tự nhiên.
    • Ống truyền nhiệt: Thép không gỉ $\text{X18H10T}$, kích thước $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $H = 4\text{ m}$.
    • Số lượng ống: 241 ống/nồi (bố trí theo hình lục giác đều gồm 8 hình sáu cạnh với 17 ống trên đường xuyên tâm, 217 ống vùng tâm và 24 ống vùng viên phân).
    • Đường kính trong buồng đốt: Quy chuẩn $D_{tr} = 1000\text{ mm}$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_1 = 74,43\text{ m}^2$, $F_2 = 74,42\text{ m}^2$ (chọn $F = 74,42\text{ m}^2$).
  2. Thiết bị ngưng tụ Baromet:
    • Loại thiết bị: Ngưng tụ trực tiếp loại khô, dòng ngược chiều, chân cao.
    • Đường kính trong thiết bị: $D_{tr} = 800\text{ mm}$.
    • Kết cấu ngăn: 8 ngăn dạng viên phân, chiều rộng tấm ngăn $b = 450\text{ mm}$, đục lỗ đường kính $d = 5\text{ mm}$, bề dày tấm ngăn $\delta = 4\text{ mm}$.
    • Chiều cao thân thiết bị: $H = 2200\text{ mm}$ (khoảng cách các ngăn giảm dần từ $450\text{ mm}$ xuống $50\text{ mm}$).
    • Ống Baromet: Đường kính trong ống $d = 148\text{ mm}$, chiều cao ống lắp đặt $H_{bm} = 9,5\text{ m}$ (chiều cao thủy tĩnh $8,33\text{ m}$, trở lực $0,53\text{ m}$, dự trữ an toàn $0,5\text{ m}$).
    • Lưu lượng nước làm lạnh tiêu tốn: $G_n = 78863,15\text{ kg/h}$.
  3. Bơm chân không:
    • Chọn bơm chân không vòng nước mã hiệu $\text{PMK-I}$.
    • Công suất yêu cầu trên trục: $3,75\text{ kW}$; công suất động cơ điện: $4,5\text{ kW}$.
    • Tốc độ quay: $1450\text{ vòng/phút}$; lưu lượng nước làm kín: $0,01\text{ m}^3\text{/h}$.
  4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
    • Loại ống chùm ngược chiều, kích thước ống $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $l = 2\text{ m}$.
    • Nhiệt lượng trao đổi: $Q = 877160,60\text{ W}$; bề mặt truyền nhiệt: $F = 28,73\text{ m}^2$.
    • Bố trí số ngăn: Chia $m = 5$ ngăn để tăng vận tốc dòng chảy dung dịch từ $0,03\text{ m/s}$ lên $0,13\text{ m/s}$, đưa dòng chảy vào chế độ xoáy ($Re \ge 10000$).

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Cơ sở lý thuyết và tổng quan

Chương này hệ thống hóa các khái niệm cơ bản về quá trình cô đặc, phân loại các hệ thống thiết bị cô đặc theo chế độ tuần hoàn (tự nhiên, cưỡng bức, màng mỏng), theo áp suất làm việc (chân không, áp suất thường, áp suất dư) và theo cấu tạo bề mặt truyền nhiệt. Nội dung tập trung phân tích các đặc tính hóa lý của dung dịch $\text{NaCl}$ (khối lượng riêng, độ tan, điểm sôi, tính chất điện ly mạnh) và ứng dụng thực tiễn của $\text{NaCl}$ trong các ngành công nghiệp. Phần thuyết minh sơ đồ công nghệ cung cấp nguyên lý kết nối, chức năng của từng thiết bị và đường đi của dòng vật liệu, dòng hơi đốt và nước ngưng trong toàn hệ thống.

Phần II: Tính toán công nghệ

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán công nghệ cho hai nồi cô đặc:

  • Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra $W = 6800\text{ kg/h}$.
  • Phân phối áp suất sơ bộ và xác định nhiệt độ sôi của dung dịch từng nồi: nồi 1 có $t_{s1} = 117,44^\circ\text{C}$, nồi 2 có $t_{s2} = 78,12^\circ\text{C}$.
  • Tính toán tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống $\sum \Delta_i = 24,21^\circ\text{C}$ (tổn thất nồng độ $\sum \Delta' = 8,14^\circ\text{C}$, tổn thất thủy tĩnh $\sum \Delta'' = 14,07^\circ\text{C}$, tổn thất trở lực đường ống $\sum \Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
  • Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng, tính toán lượng hơi đốt tiêu thụ $D = 3962,03\text{ kg/h}$ và lượng hơi thứ thực tế ($W_1 = 3360,24\text{ kg/h}$, $W_2 = 3439,76\text{ kg/h}$).
  • Tính toán hệ số cấp nhiệt $\alpha_1, \alpha_2$, nhiệt tải riêng $q$ và hệ số truyền nhiệt $K_1 = 902,64\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$, $K_2 = 821,43\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
  • Điều chỉnh hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta T_1^* = 32,39^\circ\text{C}$, $\Delta T_2^* = 34,01^\circ\text{C}$) để đạt diện tích truyền nhiệt cân bằng $F_1 = F_2 = 74,42\text{ m}^2$.

Phần III: Tính toán thiết bị phụ

Chương này tính toán thông số kích thước và chọn thiết bị cho 03 thiết bị phụ trợ quan trọng:

  • Thiết bị ngưng tụ Baromet: Xác định lượng nước làm mát $G_n = 78863,15\text{ kg/h}$, đường kính thân $D_{tr} = 800\text{ mm}$, cấu tạo tấm ngăn đục lỗ và chiều cao ống Baromet $H_{bm} = 9,5\text{ m}$. Lượng khí không ngưng cần hút là $G_{kk} = 36,39\text{ kg/h}$.
  • Bơm chân không: Tính công suất hút khí $L = 2,7\text{ kW}$, chọn bơm vòng nước $\text{PMK-I}$ công suất động cơ $4,5\text{ kW}$.
  • Thiết bị gia nhiệt dung dịch đầu: Tính toán cân bằng nhiệt ($Q = 877160,60\text{ W}$), bề mặt trao đổi nhiệt $F = 28,73\text{ m}^2$, số ống truyền nhiệt và phân chia 5 ngăn chuyển động.

Phần IV: Tính toán cơ khí

Chương này tính toán kết cấu và độ bền cơ khí cho thiết bị chính:

  • Xác định quy chuẩn số ống truyền nhiệt trong buồng đốt ($n = 241$ ống $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$) và đường kính trong buồng đốt quy chuẩn $D_{tr} = 1000\text{ mm}$.
  • Lựa chọn vật liệu kết cấu là thép không gỉ $\text{X18H10T}$ có giới hạn bền kéo $\sigma_k = 550\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 220\text{ MPa}$.
  • Xác định công thức tính chiều dày thân phòng đốt, nắp buồng bốc, đáy lồi, vỉ đỡ ống và tra bích tiêu chuẩn ghép nối.
  • Tính chọn kết cấu tai treo chịu tải trọng khi thiết bị vận hành và thử thủy lực, bề dày lớp cách nhiệt bảo ôn.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số công nghệ chính của hệ thống

Đại lượng / Thông số kỹ thuật Ký hiệu Đơn vị Nồi 1 Nồi 2
Áp suất hơi đốt làm việc $P_{hđ}$ $\text{at}$ $4,80$ $1,59$
Nhiệt độ hơi đốt $T$ $^\circ\text{C}$ $149,46$ $112,50$
Áp suất hơi thứ ra khỏi nồi $P'$ $\text{at}$ $1,65$ $0,21$
Nhiệt độ hơi thứ $t'$ $^\circ\text{C}$ $113,50$ $60,70$
Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi $x$ $%$ $8,28$ $25,00$
Nhiệt độ sôi của dung dịch $t_s$ $^\circ\text{C}$ $117,44$ $78,12$
Tổn thất nhiệt độ do nồng độ $\Delta'$ $^\circ\text{C}$ $1,58$ $5,71$
Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh $\Delta''$ $^\circ\text{C}$ $2,36$ $11,71$
Tổn thất nhiệt độ do trở lực ống $\Delta'''$ $^\circ\text{C}$ $1,00$ $1,00$
Hiệu số nhiệt độ hữu ích điều chỉnh $\Delta T^*$ $^\circ\text{C}$ $32,39$ $34,01$
Lượng hơi thứ bốc ra $W$ $\text{kg/h}$ $3360,24$ $3439,76$
Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ $\alpha_1$ $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ $7780,22$ $7326,62$
Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2$ $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ $4170,75$ $2945,93$
Hệ số truyền nhiệt $K$ $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ $902,64$ $821,43$
Nhiệt lượng trao đổi $Q$ $\text{W}$ $2176041,46$ $2079148,50$
Diện tích bề mặt truyền nhiệt $F$ $\text{m}^2$ $74,43$ $74,42$

Đánh giá độ chính xác và giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Độ chính xác của quá trình tính toán lặp:
    • Sai số giữa lượng hơi thứ giả thiết ban đầu và tính toán từ cân bằng nhiệt lượng đạt $\varepsilon_W = 0,18%$ (nhỏ hơn giới hạn cho phép $5%$).
    • Sai số mật độ dòng nhiệt hai phía ống truyền nhiệt: nồi 1 đạt $\varepsilon_{q1} = 0,08%$, nồi 2 đạt $\varepsilon_{q2} = 0,28%$.
    • Sai số hiệu số nhiệt độ hữu ích: nồi 1 đạt $\varepsilon_{\Delta T1} = 1,16%$, nồi 2 đạt $\varepsilon_{\Delta T2} = 1,08%$.
    • Sai số bề mặt truyền nhiệt giữa 2 nồi đạt $\varepsilon_{\Delta F} \approx 0,00%$, đáp ứng yêu cầu thiết kế buồng đốt tiêu chuẩn hóa đồng bộ.
  • Giải pháp kỹ thuật:
    • Ứng dụng kết cấu buồng đốt ngoài giúp tăng cường đối lưu nhiệt, giảm hiện tượng muối kết tinh đóng cặn cục bộ trong ống chùm.
    • Phân chia 5 ngăn cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu để chuyển đổi chế độ chảy của dung dịch sang chảy xoáy ($Re = 10000$), tăng hệ số cấp nhiệt phía dung dịch.
    • Chọn vật liệu thép không gỉ $\text{X18H10T}$ đảm bảo khả năng chịu ăn mòn hóa học cao của ion $\text{Cl}^-$ ở nhiệt độ cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong đồ án:
    • Quá trình tính toán công nghệ dựa trên trạng thái tĩnh và chế độ làm việc ổn định, chưa xét đến tính chất phi tuyến trong quá trình khởi động hoặc biến động tải nguyên liệu.
    • Các hệ số nhiệt trở cặn bẩn ($r_1, r_2$) được lấy theo trị số trung bình tra bảng cố định ($r_1 = 0,000387\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$ cho dung dịch $\text{NaCl}$, $r_2 = 0,000232\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$ cho hơi bão hòa), chưa phản ánh động học tích tụ cặn bám theo thời gian vận hành thực tế.
    • Thiết kế dừng lại ở tính toán công nghệ, cơ khí tĩnh và lựa chọn thiết bị phụ trợ, chưa đi sâu vào tính toán thủy lực chi tiết toàn bộ mạng lưới đường ống và van công nghệ.
  • Hướng mở rộng và phát triển:
    • Xây dựng mô hình mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và truyền khối của hệ cô đặc hai nồi bằng các phần mềm chuyên ngành hóa kỹ thuật.
    • Nghiên cứu giải pháp tích hợp bơm nhiệt (Heat Pump) hoặc nén hơi cơ học (MVR) để tái sử dụng hơi thứ nồi 2 nhằm nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng.
    • Thiết kế hệ thống tự động hóa điều khiển quá trình: vòng lặp điều khiển mức chất lỏng trong buồng bốc hơi, điều khiển nồng độ sản phẩm đầu ra thông qua lưu lượng nạp liệu và lưu lượng hơi đốt.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh và tính toán của đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Quá trình - Thiết bị và Công nghệ Thực phẩm: Làm tài liệu mẫu về phương pháp luận và trình tự các bước thực hiện một đồ án môn học thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, bay hơi nhiều nồi.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị công nghệ: Tham khảo quy trình tính lặp hiệu số nhiệt độ hữu ích, phương pháp xác định các tổn thất nhiệt độ (Tysenko, thủy tĩnh), tính toán hệ số cấp nhiệt cho lưu thể sôi có nồng độ cao và phương pháp thiết kế thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao kèm bơm chân không vòng nước.
  • Nội dung có giá trị ứng dụng cao: Chuỗi công thức tính toán nhiệt vật lý cho dung dịch $\text{NaCl}$, quy trình chuẩn hóa số lượng ống truyền nhiệt theo tiêu chuẩn lục giác và phương pháp chia ngăn thiết bị gia nhiệt ống chùm để tối ưu hóa chế độ chảy.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn thiết bị cô đặc buồng đốt ngoài thay vì buồng đốt trong tuần hoàn trung tâm?

Dung dịch $\text{NaCl}$ có xu hướng dễ tạo màng cặn và kết tinh khi nồng độ tăng cao (đặc biệt ở nồi 2 đạt $25%$). Buồng đốt ngoài tạo ra sự chênh lệch khối lượng riêng lớn giữa nhánh đốt sôi và nhánh tuần hoàn, thúc đẩy tốc độ tuần hoàn tự nhiên mạnh hơn. Kết cấu này giúp hạn chế đóng cặn trong lòng ống truyền nhiệt, đồng thời việc tháo lắp, kiểm tra và vệ sinh cơ học buồng đốt trở nên độc lập và thuận tiện hơn so với buồng đốt trong.

2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống được xác định bằng bao nhiêu và phân phối thế nào giữa hai nồi?

Tổng lượng hơi thứ bốc ra từ $8500\text{ kg/h}$ dung dịch $\text{NaCl}$ ($5%$ lên $25%$) là $W = 6800\text{ kg/h}$. Qua cân bằng nhiệt lượng, lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1 là $W_1 = 3360,24\text{ kg/h}$ và ở nồi 2 là $W_2 = 3439,76\text{ kg/h}$, đạt tỷ lệ phân phối $W_2/W_1 = 1,02$ với sai số so với giả thiết chỉ $0,18%$.

3. Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu thụ cho hệ thống là bao nhiêu và lượng nước lạnh cần cho thiết bị ngưng tụ Baromet là bao nhiêu?

  • Lượng hơi đốt sơ cấp nạp vào nồi 1 (ở áp suất $4,8\text{ at}$) được tính toán từ phương trình cân bằng nhiệt lượng là $D = 3962,03\text{ kg/h}$.
  • Lượng nước lạnh cần cung cấp cho thiết bị ngưng tụ Baromet để ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ nồi 2 ($3439,76\text{ kg/h}$) là $G_n = 78863,15\text{ kg/h}$.

4. Kết cấu ống truyền nhiệt và kích thước buồng đốt của mỗi nồi cô đặc được quy chuẩn như thế nào?

Mỗi nồi sử dụng chùm ống truyền nhiệt bằng thép không gỉ $\text{X18H10T}$ gồm 241 ống kích thước $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $H = 4\text{ m}$, bố trí theo dạng hình sáu cạnh đều (đường xuyên tâm 17 ống). Đường kính trong của buồng đốt được quy chuẩn ở mức $D_{tr} = 1000\text{ mm}$, đảm bảo diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế đáp ứng diện tích tính toán $74,42\text{ m}^2$.

5. Vì sao thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu cần phải chia làm 5 ngăn?

Thiết bị gia nhiệt dung dịch ban đầu sử dụng ống chùm đường kính $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$. Nếu để dòng chảy 1 ngăn thông thường, vận tốc thực tế của dung dịch trong ống chỉ đạt $0,03\text{ m/s}$ (chế độ chảy tầng, hệ số cấp nhiệt rất thấp). Việc chia làm $m = 5$ ngăn giúp tăng vận tốc dòng dung dịch lên $0,13\text{ m/s}$, đưa chuẩn số $Re \ge 10000$ (chế độ chảy xoáy), từ đó nâng cao hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ và giảm đáng kể diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết xuống $28,73\text{ m}^2$.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Nguyễn Văn Sơn đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài làm việc liên tục cho dung dịch $\text{NaCl}$ năng suất $8500\text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số công nghệ cốt lõi bao gồm lượng hơi đốt ($3962,03\text{ kg/h}$), lượng hơi thứ tách ra ($6800\text{ kg/h}$), bề mặt truyền nhiệt hai nồi ($74,42\text{ m}^2$) cùng kích thước cụm thiết bị phụ (thiết bị ngưng tụ Baromet, bơm chân không $\text{PMK-I}$, thiết bị gia nhiệt 5 ngăn) đều được xác lập với độ chính xác cao qua các vòng lặp kiểm tra sai số. Bản thiết kế đảm bảo tính hợp lý về mặt công nghệ, lựa chọn vật liệu thép $\text{X18H10T}$ chống ăn mòn phù hợp và cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho việc chế tạo, lắp đặt thiết bị cô đặc trong thực tiễn ngành Hóa chất.