Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
- Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn: Natri hydroxit ($\text{NaOH}$) là một trong những hóa chất cơ bản giữ vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn như dệt nhuộm, tổng hợp tơ nhân tạo, lọc hóa dầu và sản xuất phèn. Hiện nay, phương pháp sản xuất $\text{NaOH}$ hiện đại và phổ biến là điện phân dung dịch $\text{NaCl}$ bão hòa. Tuy nhiên, dung dịch thu được sau quá trình điện phân thường có nồng độ rất loãng, gây khó khăn và tốn kém chi phí trong quá trình vận chuyển, lưu trữ và sử dụng thực tế. Để nâng cao hiệu quả kinh tế và đáp ứng yêu cầu sử dụng trong sản xuất, việc cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ đến nồng độ quy định là một công đoạn bắt buộc trong dây chuyền công nghệ hóa chất.
- Nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế: Mục tiêu của đồ án là tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị cô đặc chân không 1 nồi hoạt động liên tục để cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ với các thông số công nghệ cụ thể được giao:
- Năng suất và nồng độ dung dịch ban đầu: Nhập liệu nồng độ $x_đ = 10%$ khối lượng ($1200\text{ kg/h}$).
- Nồng độ dung dịch sản phẩm cuối: Đạt $x_c = 20%$ khối lượng ($600\text{ kg/h}$).
- Áp suất chân không tại thiết bị cô đặc: $P_{ck} = 0,65\text{ at}$ (tương ứng áp suất tuyệt đối $P_c = 0,35\text{ at}$; áp suất hơi thứ tại mặt thoáng $P_0 = 0,364\text{ at}$).
- Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu: $t_0 = 30^\circ\text{C}$.
- Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình: Hơi nước bão hòa ở áp suất dư $P = 4\text{ at}$ (nhiệt độ $t_D = 142,9^\circ\text{C}$).
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ làm việc ở áp suất chân không, buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm và các thiết bị phụ trợ đi kèm (thiết bị gia nhiệt ống chùm, thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp, bình tách giọt, hệ thống bơm).
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, tính toán truyền nhiệt, xác định kích thước hình học và kiểm tra độ bền cơ khí của thiết bị chính trong điều kiện làm việc ổn định liên tục theo đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, thực hiện năm 2015).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
- Khung lý thuyết và tính chất nguyên liệu:
- Khái niệm cô đặc: Là quá trình làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch gồm hai hay nhiều cấu tử bằng cách đun sôi để tách một phần dung môi bay hơi (cấu tử dễ bay hơi hơn) ở điều kiện nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất làm việc.
- Đặc tính nguyên liệu $\text{NaOH}$: Natri hydroxit nguyên chất là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể, khối lượng riêng $2,13\text{ g/ml}$, nhiệt độ nóng chảy $318^\circ\text{C}$ và sôi ở $1388^\circ\text{C}$ ở áp suất khí quyển. $\text{NaOH}$ tan mạnh trong nước ($1110\text{ g/l}$ ở $20^\circ\text{C}$) và tỏa lượng nhiệt lớn, dễ hấp thụ khí $\text{CO}_2$ từ không khí. Dung dịch $\text{NaOH}$ là một bazơ mạnh, có tính ăn da và tính ăn mòn kim loại cao, đòi hỏi việc lựa chọn vật liệu chế tạo phải chịu được ăn mòn hóa học (thép không gỉ $\text{OX18H10T}$).
- Cơ sở lựa chọn phương pháp cô đặc chân không: Việc hạ áp suất làm việc xuống môi trường chân không ($0,65\text{ at}$) giúp hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch $\text{NaOH}$, từ đó giảm thiểu sự ăn mòn thiết bị ở nhiệt độ cao, giảm chi phí năng lượng, hạn chế hiện tượng chất tan bị lôi cuốn theo hơi thứ và tạo chênh lệch nhiệt độ hữu ích lớn giữa hơi đốt và dung dịch sôi.
- Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật:
- Phương pháp lập bảng cân bằng vật chất dựa trên định luật bảo toàn khối lượng để xác định lượng hơi thứ bốc lên và lượng sản phẩm ra khỏi đáy nồi.
- Phương pháp lập phương trình cân bằng nhiệt lượng tổng thể để xác định lượng hơi đốt tiêu tốn và nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh.
- Phương pháp tính toán tổn thất nhiệt độ tổng cộng ($\Sigma\Delta$), bao gồm tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$ tính theo công thức Tisencô kết hợp tra bảng), tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$) và tổn thất trên đường ống dẫn hơi thứ ($\Delta'''$).
- Phương pháp lặp số học (vòng lặp hội tụ với sai số $< 5%$) để xác định chính xác nhiệt độ vách ngăn truyền nhiệt, hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng ($\alpha_1$), hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi ($\alpha_2$), nhiệt tải riêng trung bình ($q_{tb}$) và hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$).
- Phương pháp tính toán độ bền cơ khí theo tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất (kiểm tra ứng suất kéo/nén cho phép, kiểm tra ổn định thân hình trụ dưới áp suất ngoài và áp suất trong, bề dày đáy nón, nắp và gia cố các lỗ khoét).
- Nguồn dữ liệu: Các công thức giải tích, chuẩn số truyền nhiệt, hệ số tra cứu tính chất hóa lý của $\text{NaOH}$ - nước và tiêu chuẩn vật liệu được trích xuất từ các tài liệu chuyên khảo: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 & Tập 2), Tính toán và Thiết kế các thiết bị trong Công nghệ Hóa chất và Thực phẩm.
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần I. Tổng quan về cô đặc
Phần này trình bày tổng quan về lý thuyết truyền nhiệt và chuyển khối trong quá trình cô đặc, phân loại các hệ thống thiết bị cô đặc trong công nghiệp (cô đặc tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, màng chảy xuôi/ngược, cô đặc 1 nồi và nhiều nồi). Tác giả phân tích các ưu - nhược điểm của từng dạng thiết bị và thuyết minh việc lựa chọn thiết bị cô đặc 1 nồi buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm: thiết bị có cấu tạo gọn gàng, bề mặt truyền nhiệt dễ vệ sinh cơ học và sửa chữa, vận hành liên tục ổn định.
Phần II. Thuyết minh quy trình công nghệ
Quy trình công nghệ được thiết lập theo chu trình khép kín:
- Dung dịch $\text{NaOH}$ $10%$ từ bể chứa nguyên liệu được bơm ly tâm đẩy lên bồn cao vị nhằm tạo áp lực dòng ổn định.
- Dung dịch chảy qua lưu lượng kế và đi vào thiết bị gia nhiệt ống chùm dạng đứng; tại đây, dung dịch chuyển động trong ống và được hơi nước bão hòa ($4\text{ at}$) đi ngoài ống gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu $30^\circ\text{C}$ lên đến nhiệt độ sôi ($73,05^\circ\text{C}$).
- Dung dịch đạt nhiệt độ sôi được dẫn vào đáy buồng đốt của thiết bị cô đặc chính. Trong các ống truyền nhiệt, dung dịch sôi bốc hơi tạo hỗn hợp lỏng - hơi có khối lượng riêng giảm, bị đẩy trào lên trên mặt thoáng buồng bốc. Dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm có nhiệt độ và tỷ trọng lớn hơn sẽ chảy xuống dưới, tạo nên vòng tuần hoàn tự nhiên liên tục.
- Tại buồng bốc, hơi thứ thoát lên phía đỉnh qua bộ phận tách giọt để giữ lại các giọt lỏng cuốn theo. Hơi thứ cùng khí không ngưng đi vào thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp dạng vách ngăn ngược chiều; nước lạnh tưới từ đỉnh ngưng tụ hơi thứ thành chất lỏng và tự chảy xuống bồn chứa qua ống baromet nhờ cột áp thủy tĩnh. Khí không ngưng ở đỉnh thiết bị ngưng tụ được bơm chân không hút thải ra ngoài.
- Dung dịch đạt nồng độ sản phẩm $20%$ tích tụ tại đáy nón được bơm tháo liệu dẫn về bể chứa sản phẩm.
Phần III. Tính toán và thiết kế thiết bị chính
Tác giả triển khai tuần tự ba nội dung kỹ thuật cốt lõi:
- Cân bằng vật chất và năng lượng: Tính toán lưu lượng nhập liệu, tháo liệu, lượng hơi bốc lên, các tổn thất nhiệt độ và xác định lượng hơi đốt tiêu tốn.
- Tính toán truyền nhiệt và kích thước thiết bị: Xác định hệ số truyền nhiệt, diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết, số lượng ống truyền nhiệt bố trí theo mạng lục giác đều, đường kính và chiều cao buồng bốc, buồng đốt, đáy nón và đường kính các ống dẫn lưu chất.
- Tính toán độ bền cơ khí: Tính toán và kiểm tra bề dày thân buồng đốt (chịu áp suất trong), buồng bốc (chịu áp suất ngoài môi trường chân không), kiểm tra độ ổn định thân khi chịu lực nén chiều trục và xác định kích thước gia cố các lỗ khoét.
Phần IV. Tính toán thiết bị phụ và chi tiết cơ khí
Nêu phương pháp xác định thông số cho các thiết bị phụ trợ bao gồm thiết bị gia nhiệt nguyên liệu ống chùm, thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp, bồn cao vị, bình tách giọt và các đường ống nối công nghệ.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
1. Kiến trúc hệ thống và thông số công nghệ vận hành
Hệ thống bao gồm nồi cô đặc chân không tuần hoàn tự nhiên kết hợp đồng bộ với cụm tiền xử lý nhiệt và cụm duy trì chân không ngưng tụ baromet:
| Hạng mục thông số | Ký hiệu | Đơn vị | Giá trị tính toán |
|---|---|---|---|
| Năng suất nhập liệu ban đầu | $G_đ$ | $\text{kg/h}$ | $1200$ |
| Năng suất dung dịch sản phẩm | $G_c$ | $\text{kg/h}$ | $600$ |
| Lượng hơi thứ bốc lên | $W$ | $\text{kg/h}$ | $600$ |
| Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến | $D$ | $\text{kg/s}$ | $0,2325$ |
| Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng | $d$ | $\text{kg hơi đốt/kg hơi thứ}$ | $1,437$ |
| Nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp | $Q_D$ | $\text{W}$ | $487985,65$ |
| Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường | $Q_{tt}$ | $\text{W}$ | $24399,28$ |
| Chênh lệch nhiệt độ hữu ích | $\Delta t_{hi}$ | $^\circ\text{C}$ | $61,425$ |
2. Thông số truyền nhiệt và kết cấu buồng đốt
Quá trình truyền nhiệt được giải bằng phương pháp lặp nhiệt tải với độ chênh lệch sai số giữa hai vách truyền nhiệt đạt $1%$ ($< 5%$ cho phép):
| Đại lượng truyền nhiệt | Ký hiệu | Đơn vị | Giá trị |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ vách phía hơi ngưng tụ | $t_{v1}$ | $^\circ\text{C}$ | $136,35$ |
| Nhiệt độ vách phía dung dịch sôi | $t_{v2}$ | $^\circ\text{C}$ | $84,388$ |
| Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước ngưng | $\alpha_1$ | $\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$ | $8511,881$ |
| Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi | $\alpha_2$ | $\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$ | $5673,803$ |
| Hệ số truyền nhiệt tổng quát | $K$ | $\text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$ | $826,766$ |
| Nhiệt tải riêng trung bình bề mặt | $q_{tb}$ | $\text{W/m}^2$ | $55473,788$ |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu | $F$ | $\text{m}^2$ | $9,609$ |
3. Kích thước hình học và độ bền cơ khí thiết bị
Các chi tiết chịu áp lực được tính toán và lựa chọn theo tiêu chuẩn thép không gỉ $\text{OX18H10T}$ có bọc lớp cách nhiệt:
| Bộ phận thiết bị | Kích thước hình học | Bề dày tính toán / lựa chọn ($S$) | Điều kiện làm việc & kiểm tra bền |
|---|---|---|---|
| Ống truyền nhiệt | - Đường kính: $d_t/d_n = 25/31\text{ mm}$ - Chiều dài: $l = 1,5\text{ m}$ - Số lượng: $72\text{ ống}$ |
$3\text{ mm}$ | Thép $\text{OX18H10T}$, bố trí theo mạng lưới lục giác đều (ban đầu 91 ống, trừ 19 ống tâm để đặt ống tuần hoàn). |
| Ống tuần hoàn trung tâm | - Đường kính ngoài: $D_{nth} = 0,279\text{ m}$ - Đường kính trong: $D_{tth} = 0,273\text{ m}$ |
$3\text{ mm}$ | Đặt đồng trục tại tâm buồng đốt để tạo vòng đối lưu tự nhiên cho dung dịch. |
| Buồng đốt | - Đường kính trong: $D_t = 600\text{ mm}$ - Chiều cao thân: $H_t = 1500\text{ mm}$ |
$5\text{ mm}$ | Chịu áp suất trong $P_t = 0,312\text{ N/mm}^2$; ứng suất cho phép $[\sigma] = 139,65\text{ N/mm}^2$; áp suất tính toán cho phép $[P] = 1,345\text{ N/mm}^2$. |
| Buồng bốc hơi | - Đường kính trong: $D_t = 1000\text{ mm}$ - Chiều cao thân: $H_t = 2500\text{ mm}$ |
$8\text{ mm}$ | Chịu áp suất ngoài $P_n = 0,16\text{ N/mm}^2$; áp suất cho phép $[P_n] = 0,218\text{ N/mm}^2$; thỏa mãn điều kiện nén trục và ổn định đàn hồi. |
| Đáy nón | - Góc nón: $2\alpha = 60^\circ$ - Đường kính trong: $D_t = 600\text{ mm}$ - Chiều cao nón: $H = 544\text{ mm}$ - Chiều cao gờ: $H_{gc} = 40\text{ mm}$ |
$8\text{ mm}$ | Thể tích đáy $V_đ = 0,071\text{ m}^3$; chịu áp suất thủy tĩnh $P_{tt} = 0,0269\text{ N/mm}^2$ và áp suất chân không ngoài $0,16\text{ N/mm}^2$. |
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán kỹ thuật:
- Hoàn thành đầy đủ bảng số liệu cân bằng vật chất và năng lượng cho hệ thống cô đặc $\text{NaOH}$ từ $10%$ lên $20%$ với năng suất bốc hơi $600\text{ kg hơi thứ/h}$.
- Xác định tổng các tổn thất nhiệt độ trong toàn hệ thống là $\Sigma\Delta = 9,425^\circ\text{C}$ (trong đó tổn thất do nồng độ $\Delta' = 6,815^\circ\text{C}$, do cột áp thủy tĩnh $\Delta'' = 1,61^\circ\text{C}$ và đường ống dẫn $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$).
- Xác lập chính xác cấu trúc buồng đốt gồm 72 ống truyền nhiệt dài $1,5\text{ m}$ bọc quanh ống tuần hoàn trung tâm đường kính trong $273\text{ mm}$, đặt trong vỏ trụ đường kính $600\text{ mm}$.
- Thiết kế buồng bốc thể tích $1,872\text{ m}^3$ (đường kính $1000\text{ mm}$, cao $2500\text{ mm}$) đảm bảo tách giọt và chống cuốn lỏng theo dòng hơi thứ với vận tốc hơi thứ $0,9447\text{ m/s}$.
- Kiểm nghiệm bền cơ học toàn diện cho thân buồng đốt, thân buồng bốc và đáy nón dưới điều kiện tải trọng kết hợp giữa áp suất làm việc, tải trọng nén trục và ăn mòn hóa học (với dung sai ăn mòn chọn $C_a = 1\text{ mm}$ cho thời gian vận hành 10 năm).
- Giải pháp kỹ thuật tác giả lựa chọn:
- Sử dụng thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp đặt ở độ cao chân không quy định giúp nước ngưng và nước làm mát tự chảy thoát ra khí quyển mà không cần sử dụng bơm tháo nước ngưng.
- Sử dụng hơi nước bão hòa áp suất cao ($4\text{ at}$) làm tác nhân gia nhiệt trung gian giúp duy trì hiệu số nhiệt độ hữu ích cao ($\Delta t_{hi} = 61,425^\circ\text{C}$), giúp thu nhỏ diện tích truyền nhiệt cần lắp đặt ($F = 9,609\text{ m}^2$).
- Đóng góp của đồ án: Cung cấp một bản thuyết minh tính toán chi tiết, nhất quán từ lý thuyết truyền nhiệt đến kiểm tra cơ khí chế tạo cho một dạng thiết bị hóa chất điển hình; tích hợp đầy đủ quy trình tính lặp nhiệt học chuẩn mực cho hệ dung dịch điện ly mạnh có độ nhớt và tính ăn mòn cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế được đề cập trong đồ án:
- Thiết bị cô đặc 1 nồi buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm có vận tốc tuần hoàn tự nhiên của dung dịch còn tương đối nhỏ (do ống tuần hoàn cũng nằm trong không gian buồng đốt và bị đun nóng một phần), dẫn đến hệ số truyền nhiệt chưa tối ưu so với các hệ thống tuần hoàn cưỡng bức.
- Hệ thống sử dụng phương thức cô đặc 1 nồi nên lượng tiêu tốn hơi đốt riêng còn lớn ($1,437\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$), chưa tận dụng được nhiệt ẩn hóa hơi của dòng hơi thứ thoát ra.
- Quy trình vận hành liên tục nhưng chưa tích hợp hệ thống cảm biến đo lường và vòng điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh.
- Hướng phát triển mở rộng:
- Nghiên cứu chuyển đổi sang mô hình hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi xuôi chiều) hoặc sử dụng hệ thống tái nén hơi thứ (MVR/TVR) để tiết kiệm triệt để lượng hơi đốt tiêu thụ.
- Khảo sát ứng dụng bơm tuần hoàn cưỡng bức đặt ngoài buồng đốt nhằm tăng tốc độ dòng chảy qua bề mặt truyền nhiệt ($1,5 - 3,5\text{ m/s}$), giúp tăng hệ số truyền nhiệt $K$ và giảm hiện tượng bám cặn bề mặt ống.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo phù hợp:
- Sinh viên ngành Công nghệ Kóa học, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất chuẩn bị thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế thiết bị truyền nhiệt - cô đặc.
- Kỹ sư thiết kế công nghệ và thiết bị cơ khí hóa chất cần tài liệu tra cứu quy trình lặp tính toán nhiệt, tính thủy lực và kiểm tra cơ khí bền cho bình - bồn - tháp áp lực theo tiêu chuẩn Việt Nam.
- Các phần giá trị nổi bật đáng tham khảo:
- Phần thuật toán lặp số học tính toán phân bố nhiệt độ vách và xác định các hệ số cấp nhiệt $\alpha_1, \alpha_2$ cho dung dịch $\text{NaOH}$.
- Quy trình tính toán kiểm tra ổn định đàn hồi cho thân thiết bị hình trụ chịu áp suất ngoài (áp suất chân không buồng bốc) và kiểm tra sức bền mối hàn.
- Bảng tổng hợp công thức tính thể tích, chiều cao nón cụt chuyển tiếp và cột áp thủy tĩnh trong thân thiết bị cô đặc.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép không gỉ $\text{OX18H10T}$?
Dung dịch $\text{NaOH}$ là một bazơ mạnh, có tính ăn mòn hóa học rất cao đối với các kim loại thông thường, đặc biệt khi ở nhiệt độ sôi ($> 80^\circ\text{C}$). Thép không gỉ $\text{OX18H10T}$ có hàm lượng crom và niken cao, độ bền hóa học và cơ học tốt, hệ số dẫn nhiệt phù hợp ($\lambda = 16,3\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$) và chịu được môi trường kiềm nóng mà không bị phá hủy nhanh chóng trong chu kỳ hoạt động 10 năm (hệ số ăn mòn chọn $C_a = 1\text{ mm}$).
2. Nguyên nhân tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong nồi cô đặc là gì?
Sự tuần hoàn tự nhiên hình thành do chênh lệch khối lượng riêng giữa hai vùng lưu chất:
- Trong chùm ống truyền nhiệt nhỏ, dung dịch nhận nhiệt lượng lớn từ hơi đốt ngưng tụ bên ngoài, sôi mạnh và sinh nhiều bọt hơi $\rightarrow$ khối lượng riêng hỗn hợp lỏng - hơi giảm mạnh, bị đẩy trào từ dưới lên trên miệng ống.
- Trong ống tuần hoàn trung tâm, tỷ lệ diện tích truyền nhiệt trên một đơn vị thể tích dung dịch nhỏ hơn rất nhiều $\rightarrow$ lượng bọt hơi tạo ra ít hơn, hỗn hợp có khối lượng riêng lớn hơn $\rightarrow$ dòng dung dịch bị đẩy chìm xuống đáy. Kết quả tạo nên vòng lặp đối lưu tự nhiên: đi lên trong chùm ống truyền nhiệt và đi xuống qua ống trung tâm.
3. Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma\Delta = 9,425^\circ\text{C}$ được cấu thành từ những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống được tính bằng tổng của ba tổn thất thành phần:
- Tổn thất do nồng độ dung dịch ($\Delta'$): Bằng $6,815^\circ\text{C}$ (do nhiệt độ sôi của dung dịch $\text{NaOH}$ $20%$ luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nước nguyên chất ở cùng áp suất, tính theo công thức Tisencô).
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Bằng $1,61^\circ\text{C}$ (do áp suất ở các lớp dung dịch phía dưới đáy buồng đốt lớn hơn áp suất hơi trên mặt thoáng, làm tăng nhiệt độ sôi thực tế ở đáy).
- Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$): Bằng $1^\circ\text{C}$ (do trở lực ma sát và tổn thất nhiệt qua thành ống dẫn).
4. Tại sao ban đầu bố trí 91 ống truyền nhiệt nhưng sau đó chỉ giữ lại 72 ống?
Các ống truyền nhiệt đường kính $d_t = 25\text{ mm}$ được bố trí trên vỉ ống theo mạng lưới tam giác đều tạo thành 5 hình lục giác đồng tâm với tổng số 91 ống (11 ống trên đường xuyên tâm). Để bố trí ống tuần hoàn trung tâm đường kính ngoài $D_{nth} = 279\text{ mm}$ vào chính giữa thiết bị, người thiết kế phải loại bỏ phần diện tích ống truyền nhiệt ở tâm tương ứng với 5 ống trên đường xuyên tâm. Số ống bị triệt tiêu ở vùng tâm là $n_{b} = \frac{5^2 - 1}{4} + 5 = 19\text{ ống}$. Do đó, số ống truyền nhiệt thực tế còn lại là $91 - 19 = 72\text{ ống}$.
5. Thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp có vai trò gì trong việc ổn định độ chân không?
Hơi thứ từ buồng bốc đi vào thiết bị ngưng tụ baromet gặp nước làm mát tưới từ trên xuống sẽ ngưng tụ hoàn toàn thành thể lỏng. Quá trình chuyển pha từ hơi sang lỏng làm thể tích riêng của môi chất giảm đột ngột hàng ngàn lần, tạo ra sự sụt giảm áp suất lớn và duy trì môi trường chân không liên tục cho hệ thống. Đồng thời, ống baromet có chiều cao thủy tĩnh thích hợp cho phép nước ngưng tự động thoát ra bể chứa hở mà không cần bơm hút, giúp ổn định áp suất chân không làm việc ở mức $0,65\text{ at}$.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Hoàng Linh (Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế công nghệ hệ thống cô đặc chân không 1 nồi liên tục để cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ từ $10%$ lên $20%$ với năng suất bốc hơi $600\text{ kg/h}$. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt và kiểm toán độ bền cơ học chính xác, tuân thủ đúng các quy chuẩn ngành kỹ thuật hóa chất. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật thực tế cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất - Thực phẩm.