Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Quá trình cô đặc đóng vai trò thiết yếu trong công nghệ hóa chất và thực phẩm nhằm làm tăng nồng độ chất tan, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể hoặc thu hồi dung môi nguyên chất. Trong sản xuất công nghiệp, muối amoni nitrat ($NH_4NO_3$) là hóa chất cơ bản được ứng dụng rộng rãi làm nguyên liệu sản xuất phân bón bổ sung đạm không gây chua đất cho cây trồng (mía, cà phê, bông, ngô, cao su), đồng thời là chất oxy hóa phục vụ ngành công nghiệp thuốc nổ, dệt may, mạ điện và khai khoáng. Do đặc tính hút ẩm mạnh và yêu cầu khắt khe về an toàn nhiệt động (tránh phân hủy nhiệt tạo khí $N_2O$ ở nhiệt độ trên $190^\circ\text{C}$), việc thiết kế hệ thống cô đặc liên tục có hiệu quả truyền nhiệt cao và tiết kiệm năng lượng là một nhiệm vụ kỹ thuật quan trọng.
Đề tài "Thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều, buồng đốt ngoài làm việc liên tục cô đặc dung dịch amoni nitrat ($NH_4NO_3$)" được thực hiện trong khuôn khổ Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học (mã học phần CH3440) tại Nhóm chuyên môn Kỹ thuật Quá trình, Trường Hóa và Khoa học Sự sống – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được phân định cụ thể theo các nội dung đánh số trong văn bản giao đề tài:
- Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan về quá trình cô đặc, hóa chất $NH_4NO_3$ và cấu trúc đồ án.
- Sơ đồ và dây chuyền sản xuất: Xây dựng sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc hệ thống cô đặc liên tục (thể hiện trên bản vẽ khổ A3).
- Tính toán thiết bị chính: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt của hai nồi cô đặc.
- Tính và chọn thiết bị phụ: Thiết kế và lựa chọn 3 thiết bị phụ trợ gồm thiết bị ngưng tụ baromet, bơm hút chân không và thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
- Tính toán cơ khí: Xác định kích thước buồng đốt, buồng bốc, lưới đỡ ống, chiều dày thân, đáy lồi, mặt bích và các ống dẫn lưu thể.
- Tài liệu tham khảo và hệ thống bản vẽ (bản vẽ dây chuyền công nghệ khổ A3 và bản vẽ lắp thiết bị chính khổ A1).
Đối tượng và phạm vi tính toán thiết kế kỹ thuật:
- Đối tượng nghiên cứu: Dung dịch amoni nitrat – nước ($NH_4NO_3 - H_2O$) và hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều có buồng đốt ngoài dạng ống chùm thẳng đứng.
- Năng suất ban đầu: $G_đ = 4\text{ kg/s}$ (tương đương $14400\text{ kg/h}$).
- Nồng độ làm việc: Dung dịch đầu vào $x_đ = 5%$ khối lượng; dung dịch sau cô đặc $x_c = 30%$ khối lượng.
- Thông số áp suất: Áp suất hơi đốt sơ cấp vào nồi 1 là $P_1 = 5\text{ at}$; áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ baromet (nồi 2) là $P_2 = 0{,}2\text{ at}$.
- Quy cách ống truyền nhiệt: Chiều cao ống $H = 3\text{ m}$.
- Thời gian và địa điểm hoàn thành: Tháng 12/2024 tại Trường Hóa và Khoa học Sự sống, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
Nội dung tính toán dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học và thủy lực học của quá trình cô đặc nhiều nồi xuôi chiều:
- Cân bằng vật chất và nhiệt lượng: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử và enthalpy toàn hệ thống để xác định lượng hơi thứ bốc lên ở từng nồi ($W_1, W_2$) và lượng hơi đốt sơ cấp ($D$).
- Mô hình tổn thất nhiệt độ:
- Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'_i$): Xác định theo phương pháp Tysenco dựa trên ẩn nhiệt hóa hơi và nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất.
- Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''_i$): Tính toán sự gia tăng nhiệt độ sôi do cột chất lỏng có chiều cao $H = 3\text{ m}$ và khối lượng riêng $\rho_s$ tác dụng lên đáy ống truyền nhiệt.
- Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống ($\Delta'''_i$): Quy định mức tổn thất áp suất động lực qua các đoạn ống nối dẫn hơi thứ giữa các thiết bị ($\Delta'''_1 = \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$).
- Cơ chế cấp nhiệt và truyền nhiệt:
- Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ màng hơi bão hòa ngoài ống thẳng đứng ($\alpha_1$).
- Hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên khi dung dịch sôi sủi bọt bên trong ống truyền nhiệt ($\alpha_2$) có hiệu chỉnh theo tính chất hóa lý của dung dịch $NH_4NO_3$ thông qua hệ số $\psi_i$.
- Truyền nhiệt qua vách kim loại nhiều lớp có tính đến nhiệt trở cặn bẩn ở hai phía bề mặt.
Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu tra cứu
- Phương pháp tính toán kỹ thuật: Phương pháp lặp và kiểm tra sai số tương đối ($\varepsilon \le 5%$) để phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích và cân bằng diện tích truyền nhiệt giữa hai nồi ($F_1 \approx F_2$).
- Nguồn dữ liệu: Các công thức, hệ số thực nghiệm và đồ thị nhiệt động được tra cứu từ bộ giáo trình và tài liệu quy chuẩn chuyên ngành:
- Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2, Tập 3 - NXB Khoa học và Kỹ thuật).
- Bảng tra cứu thông số vật lý của dung dịch vô cơ, bảng hơi nước bão hòa, nhiệt dung nguyên tử và tiêu chuẩn thép chế tạo thiết bị hóa chất (thép không gỉ 35X, thép chịu axit X18H10T).
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần I: Mở đầu
Giới thiệu tổng quan về bản chất quá trình cô đặc, các phương pháp truyền nhiệt trực tiếp/gián tiếp và các dạng thiết bị cô đặc công nghiệp. Trình bày chi tiết đặc tính hóa lý của amoni nitrat ($NH_4NO_3$, khối lượng phân tử $80\text{ g/mol}$, CAS: 6484-52-2, nhiệt độ nóng chảy $169^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $210^\circ\text{C}$, độ hòa tan $119\text{ g}/100\text{ ml}$ nước ở $0^\circ\text{C}$). Tổng kết các phương trình hóa học đặc trưng của $NH_4NO_3$ khi tác dụng với axit, kiềm, muối và phản ứng phân hủy nhiệt. Nêu rõ cấu trúc 5 phần của bản thuyết minh đồ án.
Phần II: Sơ đồ và dây chuyền sản xuất
Mô tả sơ đồ công nghệ hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài gồm 16 cụm thiết bị và phụ kiện: Thùng chứa dung dịch đầu (1), Thùng cao vị (2), Bơm nguyên liệu (3), Thùng chứa nước ngưng (4), Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5), Lưu lượng kế (6), Buồng đốt nồi 1 (7), Buồng bốc nồi 1 (8), Buồng đốt nồi 2 (9), Buồng bốc nồi 2 (10), Thùng chứa sản phẩm (11), Thiết bị ngưng tụ baromet chân cao (12), Cyclone tách bọt (13), Bơm hút chân không (14), Bơm tháo sản phẩm (15), Thùng chứa nước từ cyclone (16). Dung dịch nguyên liệu đi từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất chân không giữa hai nồi mà không cần dùng bơm trung gian; hơi thứ nồi 1 được tận dụng làm hơi đốt cho buồng đốt nồi 2.
Phần III: Tính toán các thiết bị chính
Tập trung toàn bộ các bước tính toán công nghệ truyền nhiệt và cân bằng vật chất:
- Cân bằng vật chất: Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là $W = G_đ \cdot (1 - x_đ/x_c) = 14400 \cdot (1 - 5/30) = 12000\text{ kg/h}$. Nồng độ dung dịch sau nồi 1 đạt $x_1 = 7{,}57%$ và sau nồi 2 đạt $x_2 = 30%$.
- Phân bố áp suất và nhiệt độ: Tổng chênh lệch áp suất hệ thống $\Delta p = 5 - 0{,}2 = 4{,}8\text{ at}$. Phân bố áp suất giữa 2 nồi theo tỷ lệ $\Delta p_1 : \Delta p_2 = 2{,}5 : 1$, tính được $\Delta p_1 = 3{,}428\text{ at}$ và $\Delta p_2 = 1{,}372\text{ at}$. Từ đó xác định áp suất hơi đốt nồi 1 ($P_1 = 5\text{ at}, T_1 = 151{,}1^\circ\text{C}$), áp suất hơi đốt nồi 2 ($P_2 = 1{,}572\text{ at}, T_2 = 112{,}11^\circ\text{C}$) và nhiệt độ ngưng tụ ở $0{,}2\text{ at}$ ($T_{ng} = 59{,}7^\circ\text{C}$).
- Tổn thất nhiệt độ: Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\sum \Delta = 24{,}38^\circ\text{C}$, bao gồm tổn thất do nồng độ ($\Delta'_1 = 3{,}23^\circ\text{C}, \Delta'_2 = 14{,}8^\circ\text{C}$), tổn thất thủy tĩnh ($\Delta''_1 = 0{,}95^\circ\text{C}, \Delta''_2 = 3{,}40^\circ\text{C}$) và tổn thất trở lực ống nối ($\sum \Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích: Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích là $\sum \Delta T_i = 151{,}1 - 59{,}7 - 24{,}38 = 67{,}02^\circ\text{C}$.
- Cân bằng nhiệt lượng: Lập và giải hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng thu được lượng hơi đốt tiêu tốn $D = 6860{,}57\text{ kg/h}$, lượng hơi thứ bốc lên ở nồi 1 là $W_1 = 5955{,}67\text{ kg/h}$ (sai số $0{,}73%$) và ở nồi 2 là $W_2 = 6044{,}33\text{ kg/h}$ (sai số $0{,}74%$).
- Hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt: Tính toán hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng ($\alpha_{11} = 7846{,}42\text{ W/m}^2\cdot\text{K}, \alpha_{12} = 7467{,}86\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$) và phía dung dịch sôi ($\alpha_{21} = 4979{,}2\text{ W/m}^2\cdot\text{K}, \alpha_{22} = 2426{,}76\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$). Hệ số truyền nhiệt nồi 1 đạt $K_1 = 1434{,}98\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$, nồi 2 đạt $K_2 = 1467{,}26\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$. Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán cho mỗi nồi là $F \approx 79{,}55\text{ m}^2$.
Phần IV: Tính toán thiết bị phụ
- Thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều để ngưng tụ $W_2 = 6000\text{ kg/h}$ hơi thứ ở áp suất $0{,}2\text{ at}$. Đường kính trong tháp $D_{tr} = 800\text{ mm}$, chiều rộng tấm ngăn hình viên phân $b = 450\text{ mm}$ có đục lỗ đường kính $5\text{ mm}$, chiều cao tháp gồm 6 bậc ngăn $H = 2400\text{ mm}$. Chiều cao ống baromet đảm bảo tự tháo nước ngưng an toàn $H_{baromet} > 11\text{ m}$ (với $h_1 = 8{,}33\text{ m}$).
- Bơm hút chân không: Lượng không khí cần hút khỏi tháp ngưng tụ $G_{kk} = 64{,}56\text{ kg/h}$ ở $36^\circ\text{C}$. Lựa chọn bơm chân không vòng nước PMK-2 với công suất trên trục $3{,}75\text{ kW}$, động cơ điện $4{,}5\text{ kW}$, tốc độ quay $1450\text{ vòng/phút}$.
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm ngược chiều sử dụng hơi nước bão hòa $5\text{ at}$ ($151{,}1^\circ\text{C}$) để gia nhiệt dung dịch đầu từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $114{,}03^\circ\text{C}$. Chọn chùm ống thép X18H10T quy cách đường kính $d = 38 \pm 2\text{ mm}$, chiều dài ống $L = 3\text{ m}$.
Phần V: Tính toán cơ khí
Thực hiện tính toán kích thước kết cấu và độ bền cơ khí: xác định số lượng ống truyền nhiệt trong buồng đốt, đường kính trong buồng đốt, bề dày vách buồng đốt, bề dày lưới đỡ ống, chiều dày đáy lồi buồng đốt, tra kích thước tiêu chuẩn mặt bích và bulông ghép nối; tính thể tích, chiều cao, chiều dày thân và đáy buồng bốc hơi; tính toán đường kính các ống dẫn hơi đốt, ống dẫn dung dịch, ống dẫn hơi thứ, kính quan sát dòng chảy và bề dày lớp vật liệu cách nhiệt.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Sơ đồ quy trình công nghệ và nguyên lý vận hành
Hệ thống vận hành theo chu trình liên tục xuôi chiều:
- Dung dịch $NH_4NO_3$ nồng độ $5%$ từ thùng chứa (1) được bơm (3) đưa lên thùng cao vị (2) có đường chảy tràn để duy trì áp suất thủy tĩnh và lưu lượng ổn định $14400\text{ kg/h}$.
- Dung dịch tự chảy qua thiết bị gia nhiệt ống chùm (5), nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $114{,}03^\circ\text{C}$, sau đó đi vào đáy buồng đốt của nồi cô đặc 1 (7).
- Tại nồi 1, dung dịch nhận nhiệt từ hơi đốt sơ cấp ($5\text{ at}$), sôi và bốc hơi; hỗn hợp lỏng - hơi đi lên buồng bốc (8) để tách pha lỏng và hơi thứ. Dung dịch sau khi cô đặc đạt nồng độ $7{,}57%$ tự chảy sang buồng đốt nồi 2 (9) nhờ chênh lệch áp suất giữa nồi 1 ($1{,}624\text{ at}$) và nồi 2 ($0{,}21\text{ at}$).
- Hơi thứ từ buồng bốc nồi 1 được dẫn làm môi chất đốt cho buồng đốt nồi 2. Tại nồi 2, dung dịch tiếp tục sôi ở áp suất chân không và đạt nồng độ cuối $30%$, sau đó được bơm (15) tháo liên tục về thùng chứa sản phẩm (11).
- Hơi thứ thoát ra từ buồng bốc nồi 2 được dẫn sang thiết bị ngưng tụ baromet (12), tiếp xúc trực tiếp ngược chiều với dòng nước lạnh phun từ trên xuống qua 6 tầng ngăn ziczac để ngưng tụ thành lỏng và tự chảy xuống bể chứa qua ống baromet cao trên $11\text{ m}$.
- Dòng khí không ngưng đi qua bộ tách bọt cyclone (13) và được bơm chân không PMK-2 (14) hút xả ra môi trường.
Đặc tính kỹ thuật thiết bị chính và thiết bị phụ trợ
| Cụm thiết bị | Thông số / Đặc tính kỹ thuật chính | Quy cách vật liệu / Tiêu chuẩn |
|---|---|---|
| Nồi cô đặc 1 | Áp suất hơi đốt: $5\text{ at}$ ($T_1 = 151{,}1^\circ\text{C}$); Nhiệt độ sôi: $117{,}31^\circ\text{C}$; Bề mặt truyền nhiệt: $F_1 = 79{,}55\text{ m}^2$; Hệ số truyền nhiệt: $K_1 = 1434{,}98\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ | Ống truyền nhiệt thép không gỉ 35X ($H = 3\text{ m}$, $\delta = 2\text{ mm}$, $\lambda = 46\text{ W/m}\cdot\text{K}$); buồng đốt ngoài |
| Nồi cô đặc 2 | Áp suất hơi đốt: $1{,}572\text{ at}$ ($T_2 = 112{,}11^\circ\text{C}$); Nhiệt độ sôi: $78{,}90^\circ\text{C}$; Bề mặt truyền nhiệt: $F_2 = 79{,}55\text{ m}^2$; Hệ số truyền nhiệt: $K_2 = 1467{,}26\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ | Ống truyền nhiệt thép không gỉ 35X ($H = 3\text{ m}$, $\delta = 2\text{ mm}$); làm việc ở áp suất chân không |
| Thiết bị ngưng tụ Baromet | Tháp ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều; Đường kính trong: $D_{tr} = 800\text{ mm}$; Chiều cao tháp: $H = 2400\text{ mm}$ (6 bậc ngăn, bước rơi $400\text{ mm}$); Ống baromet cao $H > 11\text{ m}$ | Tấm ngăn hình viên phân rộng $b = 450\text{ mm}$, dày $4\text{ mm}$, đục lỗ $d = 5\text{ mm}$; áp suất chân không $0{,}2\text{ at}$ |
| Bơm chân không | Loại bơm vòng nước model PMK-2; Lưu lượng khí hút: $G_{kk} = 64{,}56\text{ kg/h}$ ($t_{kk} = 36^\circ\text{C}$); Công suất trục: $3{,}75\text{ kW}$ | Động cơ điện công suất $4{,}5\text{ kW}$, tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$, lưu lượng nước làm kín $0{,}01\text{ m}^3\text{/h}$ |
| Thiết bị gia nhiệt đầu | Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ngược chiều; Môi chất gia nhiệt: Hơi nước bão hòa $5\text{ at}$ ($151{,}1^\circ\text{C}$); Dải nhiệt độ dung dịch: $25^\circ\text{C} \rightarrow 114{,}03^\circ\text{C}$ | Chùm ống truyền nhiệt thép chịu axit X18H10T ($d = 38 \pm 2\text{ mm}$, chiều dài ống $L = 3\text{ m}$) |
Kết quả và thông số thiết kế
Tổng hợp cân bằng vật chất và nhiệt động hệ thống
| Đại lượng / Thông số | Ký hiệu | Nồi 1 | Nồi 2 | Toàn hệ thống |
|---|---|---|---|---|
| Năng suất dung dịch vào ($\text{kg/h}$) | $G$ | $14400$ | $8444{,}33$ | $14400$ |
| Nồng độ dung dịch ($%$) | $x$ | $7{,}57$ | $30{,}00$ | $5{,}00 \rightarrow 30{,}00$ |
| Lượng hơi thứ bốc hơi ($\text{kg/h}$) | $W$ | $5955{,}67$ | $6044{,}33$ | $12000{,}00$ |
| Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu thụ ($\text{kg/h}$) | $D$ | $6860{,}57$ | — | $6860{,}57$ |
| Áp suất hơi đốt ($\text{at}$) | $P$ | $5{,}000$ | $1{,}572$ | — |
| Nhiệt độ hơi đốt ($^\circ\text{C}$) | $T$ | $151{,}10$ | $112{,}11$ | — |
| Áp suất hơi thứ ($\text{at}$) | $p'$ | $1{,}624$ | $0{,}210$ | — |
| Nhiệt độ hơi thứ ($^\circ\text{C}$) | $t'$ | $113{,}11$ | $60{,}70$ | — |
| Tổn thất do nồng độ ($^\circ\text{C}$) | $\Delta'$ | $3{,}23$ | $14{,}80$ | $18{,}03$ |
| Tổn thất do cột áp thủy tĩnh ($^\circ\text{C}$) | $\Delta''$ | $0{,}95$ | $3{,}40$ | $4{,}35$ |
| Tổn thất do trở lực đường ống ($^\circ\text{C}$) | $\Delta'''$ | $1{,}00$ | $1{,}00$ | $2{,}00$ |
| Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch ($^\circ\text{C}$) | $t_s$ | $117{,}31$ | $78{,}90$ | — |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích ban đầu ($^\circ\text{C}$) | $\Delta T$ | $33{,}71$ | $33{,}21$ | $67{,}02$ |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích hiệu chỉnh ($^\circ\text{C}$) | $\Delta T^*$ | $35{,}34$ | $31{,}59$ | $67{,}02$ |
| Sai số phân bố nhiệt độ ($%$) | $\varepsilon$ | $0{,}448%$ | $0{,}487%$ | Đạt ($\le 5%$) |
Tổng hợp thông số truyền nhiệt và diện tích bề mặt
| Thông số truyền nhiệt | Đơn vị | Nồi 1 | Nồi 2 |
|---|---|---|---|
| Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng ($\alpha_1$) | $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ | $7846{,}42$ | $7467{,}86$ |
| Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi ($\alpha_2$) | $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ | $4979{,}20$ | $2426{,}76$ |
| Mật độ dòng nhiệt trung bình ($q_{tb}$) | $\text{W/m}^2$ | $48373{,}18$ | $48727{,}78$ |
| Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) | $\text{W/m}^2\cdot\text{K}$ | $1434{,}98$ | $1467{,}26$ |
| Nhiệt lượng trao đổi ($Q$) | $\text{W}$ | $4034396{,}30$ | $3686737{,}86$ |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán ($F$) | $\text{m}^2$ | $79{,}55$ | $79{,}55$ |
Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất trong đồ án:
- Ứng dụng cấu tạo buồng đốt ngoài nhằm tăng cường vận tốc tuần hoàn tự nhiên của dung dịch qua ống tuần hoàn trung tâm, hạn chế tối đa nguy cơ bám cặn $NH_4NO_3$ lên bề mặt truyền nhiệt và giúp việc vệ sinh, bảo dưỡng chùm ống dễ dàng hơn.
- Tận dụng toàn bộ $5955{,}67\text{ kg/h}$ hơi thứ từ nồi 1 làm nguồn năng lượng đốt cho nồi 2, giúp tiết kiệm đáng kể lượng hơi đốt sơ cấp cần cung cấp từ lò hơi (chỉ tiêu thụ $6860{,}57\text{ kg/h}$ hơi đốt sơ cấp cho toàn bộ năng suất bốc hơi $12000\text{ kg/h}$).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của phạm vi tính toán: Các thông số tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống được lựa chọn theo giá trị giả định lý thuyết chuẩn ($\Delta'''_1 = \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$); hệ số phân bố áp suất ban đầu ($\Delta p_1 : \Delta p_2 = 2{,}5 : 1$) được xây dựng trên điều kiện giả định và cần hiệu chỉnh lặp qua các bước nhiệt động. Đồ án tập trung vào tính toán công nghệ truyền nhiệt và cơ khí tĩnh, chưa mô phỏng động học điều khiển tự động lưu lượng và nồng độ theo thời gian thực.
- Hướng mở rộng phát triển:
- Tính toán tối ưu hóa đa mục tiêu giữa chi phí năng lượng hơi đốt và chi phí đầu tư diện tích bề mặt kim loại khi mở rộng lên hệ cô đặc 3 hoặc 4 nồi.
- Thiết kế tích hợp hệ thống tự động hóa đo lường điều khiển (PLC/SCADA) cho các van điều tiết lưu lượng nạp liệu, van áp suất chân không và hệ thống xả sản phẩm liên tục.
Giá trị tham khảo
Tập đồ án môn học này là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:
- Sinh viên, học viên kỹ sư các ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Quá trình, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (CH3440) hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống truyền nhiệt - bốc hơi.
- Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư thiết kế công nghệ hóa chất tham khảo phương pháp luận tính toán cân bằng nhiệt lượng chi tiết, các công thức xác định hệ số cấp nhiệt đối lưu khi dung dịch muối vô cơ sôi trong ống chùm, quy trình lựa chọn bơm chân không vòng nước và kích thước hình học tháp ngưng tụ baromet.
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất cô đặc và lượng hơi thứ bốc ra của toàn bộ hệ thống là bao nhiêu?
Hệ thống xử lý năng suất dung dịch đầu $G_đ = 14400\text{ kg/h}$ nồng độ $5%$, cô đặc đến nồng độ cuối $30%$. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là $W = 12000\text{ kg/h}$, trong đó lượng hơi thứ thoát ra từ nồi 1 là $W_1 = 5955{,}67\text{ kg/h}$ và từ nồi 2 là $W_2 = 6044{,}33\text{ kg/h}$.
2. Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu tốn cho hệ thống là bao nhiêu và được cấp vào vị trí nào?
Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu tốn là $D = 6860{,}57\text{ kg/h}$ ở áp suất bão hòa $P_1 = 5\text{ at}$ ($151{,}1^\circ\text{C}$). Hơi đốt sơ cấp chỉ cấp trực tiếp vào buồng đốt của nồi 1; buồng đốt nồi 2 hoàn toàn sử dụng hơi thứ sinh ra từ nồi 1 làm nguồn nhiệt.
3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống gồm những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\sum \Delta = 24{,}38^\circ\text{C}$, bao gồm:
- Tổn thất do nồng độ: $\sum \Delta' = 3{,}23 + 14{,}80 = 18{,}03^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh: $\sum \Delta'' = 0{,}95 + 3{,}40 = 4{,}35^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi: $\sum \Delta''' = 1{,}00 + 1{,}00 = 2{,}00^\circ\text{C}$.
4. Diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi cô đặc được tính ra là bao nhiêu?
Theo phương pháp phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích để bề mặt truyền nhiệt hai nồi bằng nhau ($F_1 = F_2$), diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán cho mỗi nồi cô đặc là $F \approx 79{,}55\text{ m}^2$, sử dụng chùm ống truyền nhiệt thép không gỉ 35X có chiều cao $H = 3\text{ m}$ và chiều dày thành ống $2\text{ mm}$.
5. Thiết bị ngưng tụ và bơm chân không được lựa chọn với quy cách kỹ thuật nào?
Thiết bị ngưng tụ là loại baromet chân cao ngược chiều có đường kính trong $D_{tr} = 800\text{ mm}$, chiều cao thân tháp $H = 2400\text{ mm}$ (gồm 6 tầng ngăn viên phân đục lỗ $5\text{ mm}$) và ống tháo baromet cao $H > 11\text{ m}$. Bơm hút chân không đi kèm là bơm vòng nước PMK-2 có công suất động cơ điện $4{,}5\text{ kW}$, vận hành ở tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$.
Kết luận
Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế công nghệ và kết cấu cơ khí cho hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài làm việc liên tục cô đặc dung dịch amoni nitrat ($NH_4NO_3$) từ nồng độ $5%$ lên $30%$ với năng suất nạp liệu $14400\text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, hệ số truyền nhiệt ($K_1 = 1434{,}98\text{ W/m}^2\cdot\text{K}, K_2 = 1467{,}26\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$) và diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F \approx 79{,}55\text{ m}^2$) đều được xác định với sai số kiểm tra chặt chẽ dưới $1%$. Hệ thống thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ baromet $D_{tr} = 800\text{ mm}$, bơm chân không PMK-2 và thiết bị gia nhiệt ống chùm X18H10T) được tính toán đồng bộ, đảm bảo tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả sử dụng năng lượng hơi đốt trong sản xuất hóa chất.