Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm, cô đặc là một trong những quá trình truyền nhiệt - chuyển khối cơ bản nhằm làm bay hơi dung môi để tăng nồng độ chất tan, kết tinh muối khoáng hoặc thu hồi dung môi tinh khiết. Đối với kỹ sư máy và thiết bị hóa chất, việc giải quyết bài toán thiết kế dây chuyền công nghệ, tính toán thiết bị chính và lựa chọn thiết bị phụ trợ là yêu cầu bắt buộc nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế về năng lượng và độ bền cơ khí trong môi trường làm việc chịu áp suất và ăn mòn hóa chất.

Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị" do sinh viên Nguyễn Thị Minh Thảo và Hà Thị Ngọc Oánh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Ngọc Trung (Bộ môn Công nghệ Hóa học - Dầu và Khí) giải quyết bài toán kỹ thuật: "Thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaNO}_3$ ba nồi xuôi chiều, phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài kiểu đứng".

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật được xác định theo các thông số công nghệ đầu vào:

  1. Năng suất tính theo dung dịch ban đầu ($G_đ$): $14\text{ tấn/h}$ (tương đương $14.000\text{ kg/h}$).
  2. Nồng độ ban đầu của dung dịch ($x_đ$): $10%$ khối lượng.
  3. Nồng độ cuối của dung dịch sản phẩm ($x_c$): $36%$ khối lượng.
  4. Áp suất hơi đốt sơ cấp đi vào nồi 1 ($P_{hđ1}$): $4{,}5\text{ at}$.
  5. Áp suất hơi còn lại trong thiết bị ngưng tụ Baromet ($P_{nt}$): $0{,}1\text{ at}$.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị cô đặc liên tục ba nồi xuôi chiều xử lý dung dịch natri nitrat ($\text{NaNO}_3$, còn gọi là diêm tiêu Chile hay soda nitơ). Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán cân bằng vật liệu, cân bằng nhiệt lượng, xác định kích thước truyền nhiệt, tính toán độ bền cơ khí của buồng đốt - buồng bốc, thiết kế hệ thống đường ống dẫn, lớp cách nhiệt và tính chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ Baromet, bơm chân không).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt động lực học, thủy lực học và kỹ thuật truyền nhiệt trong hệ thống cô đặc nhiều nồi:

  • Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Tận dụng hơi thứ sinh ra từ phòng bốc của nồi trước để làm môi chất cấp nhiệt (hơi đốt) cho buồng đốt của nồi tiếp theo có áp suất và nhiệt độ sôi thấp hơn. Dung dịch tự động dịch chuyển tuần tự từ nồi 1 sang nồi 2 và nồi 3 nhờ chênh lệch áp suất chân không giữa các nồi mà không cần bơm trung gian. Lượng nhiệt dung dịch tự mang sang vùng áp suất thấp hơn tạo ra hiện tượng tự bốc hơi.
  • Phương pháp tính toán tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$): Xác định theo phương pháp Tiasenco, hiệu chỉnh theo áp suất làm việc và ẩn nhiệt hóa hơi của nước ($r$).
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Xác định qua chiều cao cột chất lỏng sôi ($h_1 = 0{,}5\text{ m}$, chiều cao ống truyền nhiệt $H = 3\text{ m}$) và áp suất hơi bão hòa tại tâm ống theo công thức Balo.
    • Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống ($\Delta'''$): Chọn giá trị quy ước $1^\circ\text{C}$ cho mỗi chặng ống dẫn hơi thứ giữa các nồi.
  • Phương pháp tính toán hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt:
    • Hệ số cấp nhiệt từ hơi đốt ngưng tụ đến thành ống ($\alpha_1$) được tính theo phương trình màng ngưng tụ mỏng của Nusselt cho chùm ống đứng.
    • Hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch sôi ($\alpha_2$) tính toán qua hệ số cấp nhiệt của nước và thừa số hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch $\text{NaNO}_3$ (khối lượng riêng, độ nhớt theo công thức Pavolow, độ dẫn nhiệt theo công thức thực nghiệm phụ thuộc vào khối lượng mol và nhiệt dung riêng).
  • Phương pháp tính toán cơ khí và độ bền:
    • Tính toán ứng suất cho phép, bề dày thân chịu áp suất trong, nắp và đáy elip có gờ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất (TCVN/tiêu chuẩn ngành).
    • Kiểm tra độ bền của vỏ thiết bị theo điều kiện thử thủy lực ($P_o = P_{th} + P_1$).
  • Nguồn dữ liệu: Toàn bộ hệ số truyền nhiệt, nhiệt dung riêng, enthalpy của hơi nước, khối lượng riêng và kích thước tiêu chuẩn được tra cứu từ bộ tài liệu chuẩn Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về sản phẩm, phương pháp điều chế, chọn phương án thiết kế

Chương này tổng hợp các tính chất lý - hóa của $\text{NaNO}_3$, phân tích các phương án công nghệ và thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ thống:

  • Đặc tính sản phẩm: $\text{NaNO}_3$ có phân tử lượng $84\text{ g/mol}$, điểm nóng chảy $308^\circ\text{C}$, điểm sôi $380^\circ\text{C}$. Độ hòa tan tăng mạnh theo nhiệt độ; độ nhớt ở $30^\circ\text{C}$ (nồng độ $15%$) là $0{,}94\text{ cP}$. Chất có tính oxy hóa mạnh ở trạng thái nóng chảy, nguy cơ cháy nổ khi tiếp xúc với hợp chất hữu cơ, bột nhôm hoặc nung nóng đến $540^\circ\text{C}$. Trong cơ thể, nitrat có khả năng gây oxy hóa hemoglobin thành methemoglobin làm mất khả năng vận chuyển oxy.
  • Phương pháp điều chế và ứng dụng: Sản xuất bằng phản ứng trao đổi giữa $\text{KNO}_3$ và $\text{NaCl}$ ($30^\circ\text{C}$ tách $\text{KCl}$, dưới $22^\circ\text{C}$ kết tinh $\text{NaNO}_3$), hoặc trung hòa công nghiệp giữa $\text{HNO}_3$ và $\text{Na}_2\text{CO}_3$. Ứng dụng trong sản xuất axit nitric, phân bón, bảo quản thực phẩm, chất tích trữ nhiệt trong tháp năng lượng mặt trời và xử lý nước thải.
  • Lựa chọn phương án thiết kế: Chọn kiểu thiết bị phòng đốt trong ống tuần hoàn ngoài đặt đứng, vận hành xuôi chiều 3 nồi. Phương án này đảm bảo tốc độ tuần hoàn tự nhiên cao do ống tuần hoàn không bị đốt nóng (chênh lệch khối lượng riêng giữa dòng sôi trong ống chùm và dòng chất lỏng trong ống tuần hoàn lớn), hạn chế bám cặn bề mặt truyền nhiệt và tiết kiệm đáng kể hơi đốt sơ cấp.

Chương II: Tính toán công nghệ thiết bị chính

Chương II trình bày toàn bộ các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt năng, kích thước truyền nhiệt và tính toán bền cơ khí:

  • Cân bằng vật liệu:
    • Tổng lượng nước cần bốc hơi khỏi hệ thống: $W = G_đ \cdot (1 - x_đ/x_c) = 14.000 \cdot (1 - 10/36) = 10.111{,}11\text{ kg/h}$.
    • Phân phối lượng hơi thứ bốc hơi qua từng nồi: $W_1 = 3.377{,}11\text{ kg/h}$; $W_2 = 3.370{,}37\text{ kg/h}$; $W_3 = 3.363{,}63\text{ kg/h}$.
    • Nồng độ dung dịch sau mỗi nồi tăng dần: Nồi 1 đạt $x_1 = 13{,}17%$; Nồi 2 đạt $x_2 = 19{,}30%$; Nồi 3 đạt nồng độ sản phẩm $x_3 = 36{,}00%$.
  • Cân bằng nhiệt lượng và phân bố chênh lệch nhiệt độ:
    • Áp suất và nhiệt độ hơi đốt: Nồi 1 ($4{,}5\text{ at} - 147^\circ\text{C}$), Nồi 2 ($2{,}131\text{ at} - 121{,}342^\circ\text{C}$), Nồi 3 ($0{,}777\text{ at} - 92{,}149^\circ\text{C}$), Thiết bị ngưng tụ ($0{,}1\text{ at} - 45{,}4^\circ\text{C}$).
    • Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống $\sum \Delta = 35{,}8^\circ\text{C}$ (bao gồm tổn thất nồng độ $\Delta'$, áp suất thủy tĩnh $\Delta''$ và trở lực đường ống $\Delta'''$).
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: $\Delta t_{hi} = 65{,}8^\circ\text{C}$. Sau khi điều chỉnh theo điều kiện diện tích bề mặt truyền nhiệt bằng nhau ($F_1 = F_2 = F_3$), hiệu số nhiệt độ hữu ích thực tế phân bố là: Nồi 1 ($\Delta t_1 = 19{,}93^\circ\text{C}$), Nồi 2 ($\Delta t_2 = 20{,}76^\circ\text{C}$), Nồi 3 ($\Delta t_3 = 25{,}114^\circ\text{C}$). Sai số so với giả thiết ban đầu đều nhỏ hơn $5%$ ($2{,}96%$, $2{,}13%$, $4{,}12%$).
    • Lượng hơi đốt tiêu thụ tại các nồi: $D_1 = 3.577{,}77\text{ kg/h}$, $D_2 = 3.241{,}00\text{ kg/h}$, $D_3 = 3.464{,}78\text{ kg/h}$.
    • Bề mặt truyền nhiệt tính toán trung bình: $F_{tb} = 105{,}258\text{ m}^2$. Chọn bề mặt truyền nhiệt thực tế cho mỗi nồi có dự phòng $10%$ là $F = 115{,}78\text{ m}^2$.
  • Tính toán kết cấu cơ khí:
    • Ống truyền nhiệt: Chọn ống thép không gỉ đường kính ngoài $d_n = 57\text{ mm}$, bề dày $2\text{ mm}$, chiều dài $h = 3\text{ m}$. Số ống quy chuẩn là $n_{tn} = 241\text{ ống}$ (bố trí theo hình lục giác đều 8 cạnh, đường xuyên tâm có 17 ống).
    • Buồng đốt: Đường kính trong quy chuẩn $D_t = 1.600\text{ mm}$. Vật liệu thân thép carbon CT3, bề dày thân nồi 1 là $S_1 = 5\text{ mm}$, nồi 2 và nồi 3 là $S_2 = S_3 = 3\text{ mm}$. Đáy elip có gờ cao $h_b = 400\text{ mm}$, chiều dày đáy quy chuẩn $S = 8\text{ mm}$ cho cả ba nồi.
    • Buồng bốc: Đường kính trong $D_b = 2.200\text{ mm}$, chiều cao không gian hơi $H = 5\text{ m}$, bề dày thân $S = 4\text{ mm}$. Nắp elip có gờ dày $S = 6\text{ mm}$.
    • Hệ thống ống dẫn và mặt bích: Quy chuẩn ống dẫn hơi đốt $d = 250\text{ mm}$ ($d_n = 273\text{ mm}$), ống dẫn hơi thứ nồi 3 $d = 700\text{ mm}$ ($d_n = 711\text{ mm}$), ống dẫn dung dịch vào $d = 70\text{ mm}$ ($d_n = 76\text{ mm}$), ống tháo nước ngưng $d = 125\text{ mm}$ ($d_n = 133\text{ mm}$), ống tuần hoàn ngoài $D_t = 300\text{ mm}$ ($D_n = 325\text{ mm}$).
    • Cách nhiệt: Sử dụng bông thủy tinh ($\lambda = 0{,}0372\text{ W/m}\cdot^\circ\text{C}$, $\rho = 200\text{ kg/m}^3$). Chiều dày cách nhiệt buồng đốt $16\text{ mm}$, buồng bốc $13\text{ mm}$, ống hơi đốt và ống tuần hoàn $8{,}5\text{ mm}$, ống dung dịch $5{,}5\text{ mm}$.
    • Tải trọng và tai treo: Tổng khối lượng toàn bộ thiết bị (bao gồm thân, nắp, đáy, chùm ống, dung dịch, nước ngưng, bích và lớp cách nhiệt) tạo ra tổng tải trọng $87.652{,}93\text{ N}$. Thiết bị được nâng đỡ bằng 4 tai treo/chân đỡ bằng thép CT3 bố trí trên thân, chịu tải trọng tính toán $21.913{,}23\text{ N/tai}$ (thấp hơn tải trọng cho phép $25.000\text{ N/tai}$).

Chương III: Tính và chọn thiết bị phụ

Chương III tính toán các thiết bị phụ trợ duy trì độ chân không và ngưng tụ hơi thứ:

  • Thiết bị ngưng tụ Baromet: Chọn loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp ngược chiều (kiểu khô). Tháp ngưng tụ được thiết kế với các tấm ngăn hình viên phân đục lỗ $\phi 2\text{ mm}$ xếp theo lưới lục giác đều. Mức độ đun nóng nước tưới đạt $P = 0{,}78$. Thể tích khí không ngưng cần hút ở điều kiện tiêu chuẩn là $V_{kk} = 0{,}001\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Ống Baromet: Đường kính ống dẫn nước tháo chân không $d = 300\text{ mm}$, vận tốc chất lỏng $w = 0{,}6\text{ m/s}$. Dòng chất lỏng đạt chế độ chảy xoáy ($Re > 10^4$). Chiều cao cột nước cân bằng chân không và trở lực tính toán là $9{,}56\text{ m}$; chiều cao thực tế của ống Baromet được chọn là $H = 11\text{ m}$ để ngăn hiện tượng nước dâng ngược vào buồng ngưng tụ.
  • Bơm chân không: Sử dụng máy bơm hút chân không kiểu piston để hút khí không ngưng ra khỏi thiết bị Baromet. Tính toán công suất bơm dựa trên chu trình nén đa biến với chỉ số đa biến $k = 1{,}4$, áp suất khí tại cửa hút $P_1 = 0{,}0248\text{ at}$ (sau khi trừ áp suất riêng phần của hơi nước ở $40^\circ\text{C}$).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống cô đặc ba nồi xuôi chiều được thiết kế đồng bộ với các thông số nhiệt - thủy lực và kích thước hình học được quy chuẩn hóa:

Hạng mục thông số Nồi 1 Nồi 2 Nồi 3 Thiết bị ngưng tụ Baromet
Áp suất hơi đốt ($P_{hđ}$) $4{,}500\text{ at}$ $2{,}131\text{ at}$ $0{,}777\text{ at}$ -
Nhiệt độ hơi đốt ($t_{hđ}$) $147{,}00^\circ\text{C}$ $121{,}34^\circ\text{C}$ $92{,}15^\circ\text{C}$ -
Áp suất hơi thứ ($P_{ht}$) $2{,}185\text{ at}$ $0{,}808\text{ at}$ $0{,}106\text{ at}$ $0{,}100\text{ at}$
Nhiệt độ hơi thứ ($t_{ht}$) $122{,}34^\circ\text{C}$ $93{,}15^\circ\text{C}$ $46{,}40^\circ\text{C}$ $45{,}40^\circ\text{C}$
Lượng hơi bốc hơi ($W_i$) $3.377{,}11\text{ kg/h}$ $3.370{,}37\text{ kg/h}$ $3.363{,}63\text{ kg/h}$ Tổng $W = 10.111{,}11\text{ kg/h}$
Nồng độ dung dịch ($x_i$) $13{,}17%$ $19{,}30%$ $36{,}00%$ -
Hiệu số nhiệt hữu ích ($\Delta t_i$) $19{,}93^\circ\text{C}$ $20{,}76^\circ\text{C}$ $25{,}11^\circ\text{C}$ Tổng $\Delta t_{hi} = 65{,}80^\circ\text{C}$
Lượng hơi đốt tiêu thụ ($D_i$) $3.577{,}77\text{ kg/h}$ $3.241{,}00\text{ kg/h}$ $3.464{,}78\text{ kg/h}$ -
Bề mặt truyền nhiệt thiết kế ($F$) $115{,}78\text{ m}^2$ $115{,}78\text{ m}^2$ $115{,}78\text{ m}^2$ -

Bảng tổng hợp quy chuẩn kết cấu cơ khí chính của từng nồi cô đặc:

Bộ phận kết cấu Quy cách kích thước Vật liệu chế tạo Ghi chú kỹ thuật
Ống truyền nhiệt $\phi 57 \times 2\text{ mm}$, dài $3\text{ m}$, số lượng 241 ống Thép không gỉ Bố trí lục giác đều 8 vòng
Ống tuần hoàn ngoài $D_t = 300\text{ mm}$, $D_n = 325\text{ mm}$, dài $3\text{ m}$ Thép CT3 Đặt ngoài buồng đốt
Thân buồng đốt $D_t = 1.600\text{ mm}$; dày $5\text{ mm}$ (Nồi 1), $3\text{ mm}$ (Nồi 2, 3) Thép CT3 Chịu áp lực hơi đốt
Đáy buồng đốt Dạng elip có gờ $h_b = 400\text{ mm}$, gờ $25\text{ mm}$, dày $8\text{ mm}$ Thép CT3 Quy chuẩn bảng XIII.11 STQTTB
Thân buồng bốc $D_b = 2.200\text{ mm}$, cao $H = 5\text{ m}$, dày $4\text{ mm}$ Thép CT3 Không gian lắng tách bọt hơi
Nắp buồng bốc Dạng elip có gờ $h_b = 250\text{ mm}$, cao $0{,}5\text{ m}$, dày $6\text{ mm}$ Thép CT3 Bố trí cửa thoát hơi thứ
Ống dẫn hơi đốt $d = 250\text{ mm}$, $d_n = 273\text{ mm}$ Thép CT3 Vận tốc dòng hơi $w = 40\text{ m/s}$
Ống hơi thứ (Nồi 3) $d = 700\text{ mm}$, $d_n = 711\text{ mm}$ Thép CT3 Dẫn vào tháp ngưng tụ
Ống tháo nước ngưng $d = 125\text{ mm}$, $d_n = 133\text{ mm}$ Thép CT3 Vận tốc dòng $w = 1\text{ m/s}$
Ống Baromet $d = 300\text{ mm}$, chiều cao $H = 11\text{ m}$ Thép CT3 Tự chảy tháo nước chân không
Lớp bảo ôn cách nhiệt Buồng đốt: $16\text{ mm}$; Buồng bốc: $13\text{ mm}$; Ống: $5{,}5 - 8{,}5\text{ mm}$ Bông thủy tinh $\lambda = 0{,}0372\text{ W/m}\cdot^\circ\text{C}$
Cơ cấu đỡ thiết bị 4 tai treo / chân đỡ thép tấm định hình Thép CT3 Chịu tải $21.913{,}23\text{ N/tai}$

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

  • Kết quả tính toán định lượng: Đồ án đã hoàn thành chuỗi tính toán từ công nghệ đến cơ khí cho hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaNO}_3$ với năng suất nhập liệu $14\text{ tấn/h}$, tách thành công $10.111{,}11\text{ kg/h}$ nước và thu được dung dịch đặc $36%$. Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt được tối ưu hóa đồng đều cho cả 3 nồi ($115{,}78\text{ m}^2/\text{nồi}$), giúp đơn giản hóa khâu chế tạo cơ khí và thay thế phụ tùng.
  • Hiệu quả giải pháp công nghệ:
    • Việc ứng dụng sơ đồ 3 nồi xuôi chiều giúp tận dụng tối đa nhiệt ẩn hóa hơi của hơi thứ sinh ra ở nồi 1 và nồi 2, giảm thiểu chi phí năng lượng hơi đốt sơ cấp cấp vào hệ thống.
    • Hệ thống tận dụng chênh lệch áp suất chân không giữa các nồi ($4{,}5\text{ at} \to 2{,}131\text{ at} \to 0{,}777\text{ at} \to 0{,}1\text{ at}$) để dung dịch tự chảy, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu lắp đặt bơm trung gian vận chuyển dung dịch nóng ăn mòn giữa các nồi.
    • Ống tuần hoàn ngoài giúp cải thiện động lực đối lưu tự nhiên của dung dịch đậm đặc, tăng cường hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ và giảm nguy cơ đóng cáu cặn muối trên bề mặt truyền nhiệt.
  • Đóng góp về mặt thiết kế cơ khí: Toàn bộ kích thước thân trụ, đáy/nắp elip, vĩ ống, bích nối tiêu chuẩn, tai treo chịu lực và ống tháo chân không Baromet đều được kiểm tra bền theo tải trọng làm việc và áp suất thử thủy lực, tuân thủ các quy chuẩn cơ khí hóa chất hiện hành.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Đặc tính tăng độ nhớt tại nồi cuối: Khi nồng độ dung dịch tăng lên $36%$ ở nồi 3 trong điều kiện nhiệt độ sôi giảm thấp ($68{,}07^\circ\text{C}$ ở áp suất chân không), độ nhớt dung dịch tăng đáng kể, làm giảm hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ của nồi 3 ($1.844{,}54\text{ W/m}^2\cdot^\circ\text{C}$ so với $2.883{,}31\text{ W/m}^2\cdot^\circ\text{C}$ ở nồi 1). Điều này đòi hỏi chế độ kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt để tránh hiện tượng kết tinh cục bộ gây nghẹt ống truyền nhiệt.
  • Phạm vi nghiên cứu của đồ án: Văn bản tập trung vào tính toán thiết kế công nghệ và kết cấu cơ khí tĩnh cho các thiết bị chính và phụ trợ đơn lẻ; chưa bao gồm thiết kế chi tiết mạng lưới đường ống công nghệ tổng thể, hệ thống van điều khiển tự động hóa (PID/PLC), phân tích động học khởi động - dừng hệ thống và tính toán hạch toán kinh tế (chi phí đầu tư thiết bị CAPEX và chi phí vận hành OPEX).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Kỹ thuật Hóa học & Công nghệ Dầu khí: Cung cấp phương pháp mẫu về lập bảng cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thuật toán lặp phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện diện tích bề mặt truyền nhiệt bằng nhau.
  • Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất - Thực phẩm: Cung cấp quy trình từng bước tính toán cơ khí thiết bị chịu áp lực, từ việc xác định đường kính thân, số lượng ống chùm theo mạng lục giác đều, tính chiều dày vỏ chịu áp suất trong, đáy nắp elip tiêu chuẩn đến tính chọn bích liên kết và tai treo theo tải trọng toàn phần.
  • Kỹ thuật Môi trường và Nhiệt lạnh: Tham khảo phương pháp tính toán thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều và hệ thống hút chân không đa biến.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệm vụ công nghệ ban đầu của đồ án đặt ra những yêu cầu thông số kỹ thuật nào? Hệ thống được thiết kế để xử lý dung dịch $\text{NaNO}_3$ với năng suất nhập liệu $14\text{ tấn/h}$ ($14.000\text{ kg/h}$), nâng nồng độ từ $10%$ lên $36%$ khối lượng. Áp suất hơi đốt cấp vào nồi 1 là $4{,}5\text{ at}$, áp suất dư tại buồng ngưng tụ Baromet được duy trì ở mức chân không $0{,}1\text{ at}$.

2. Tại sao hệ thống cô đặc 3 nồi xuôi chiều không cần sử dụng bơm để chuyển dung dịch giữa các nồi? Trong sơ đồ xuôi chiều, áp suất làm việc giảm dần từ nồi 1 ($2{,}185\text{ at}$ hơi thứ) sang nồi 2 ($0{,}808\text{ at}$) và nồi 3 ($0{,}106\text{ at}$). Sự chênh lệch áp suất này tạo ra lực đẩy tự nhiên giúp dung dịch tự động chảy từ nồi trước sang nồi sau mà không cần thiết bị bơm trung gian.

3. Tổng lượng hơi thứ bốc ra và diện tích bề mặt truyền nhiệt được chọn cho mỗi nồi là bao nhiêu? Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống là $10.111{,}11\text{ kg/h}$. Diện tích bề mặt truyền nhiệt trung bình tính toán là $105{,}258\text{ m}^2$, tác giả chọn diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết kế thực tế cho mỗi nồi có dự phòng $10%$ là $F = 115{,}78\text{ m}^2$.

4. Vật liệu chế tạo các bộ phận chính của thiết bị cô đặc được lựa chọn như thế nào?

  • Chùm ống truyền nhiệt tiếp xúc trực tiếp với dòng dung dịch sôi $\text{NaNO}_3$ được chế tạo bằng thép không gỉ.
  • Thân buồng đốt, thân buồng bốc, đáy, nắp elip, ống tuần hoàn ngoài, mặt bích và tai treo được chế tạo bằng thép carbon CT3.
  • Lớp bảo ôn cách nhiệt toàn hệ thống sử dụng vật liệu bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 0{,}0372\text{ W/m}\cdot^\circ\text{C}$.

5. Tại sao chiều cao ống Baromet của thiết bị ngưng tụ được chọn là $11\text{ m}$ trong khi tính toán lý thuyết chỉ cần $9{,}56\text{ m}$? Chiều cao tính toán $9{,}56\text{ m}$ là chiều cao cột nước tối thiểu cần thiết để cân bằng độ chân không ($0{,}1\text{ at}$) và khắc phục trở lực ma sát dòng chảy xoáy trong ống. Chiều cao thực tế được chọn tăng lên $H = 11\text{ m}$ nhằm tạo khoảng cách an toàn, ngăn ngừa tuyệt đối nguy cơ nước dâng ngược từ bể chứa vào tháp ngưng tụ khi có dao động áp suất hoặc lưu lượng.

Kết luận

Đồ án môn học đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaNO}_3$ ba nồi xuôi chiều với năng suất $14\text{ tấn/h}$, nâng nồng độ dung dịch từ $10%$ lên $36%$ khối lượng. Toàn bộ các thông số nhiệt động, thủy lực, kích thước bề mặt truyền nhiệt ($115{,}78\text{ m}^2/\text{nồi}$) và độ bền cơ khí của buồng đốt ($D_t = 1.600\text{ mm}$), buồng bốc ($D_b = 2.200\text{ mm}$), tháp ngưng tụ Baromet và bơm chân không đều được tính toán nhất quán dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất. Công trình phản ánh quy trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống thiết bị nhiệt - chuyển khối liên tục trong công nghiệp hóa chất.