Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất cơ bản, natri hydroxid ($\text{NaOH}$) đóng vai trò then chốt trong nhiều quy trình sản xuất như công nghiệp dệt nhuộm, tổng hợp tơ nhân tạo, chế biến lọc hóa dầu và sản xuất phèn. Hiện nay, dung dịch $\text{NaOH}$ chủ yếu được sản xuất theo phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch natri clorid ($\text{NaCl}$) bão hòa. Tuy nhiên, sản phẩm thu được sau quá trình điện phân thường có nồng độ loãng, gây khó khăn và tốn kém lớn về mặt chi phí lưu trữ cũng như vận chuyển đường dài. Để thuận tiện cho công tác chuyên chở và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của các hộ tiêu thụ công nghiệp, dung dịch $\text{NaOH}$ bắt buộc phải được cô đặc đến nồng độ quy định.

Đề tài "Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục dung dịch $\text{NaOH}$" được thực hiện dưới dạng Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị tại Bộ môn Quá trình và Thiết bị, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (học kỳ 1, năm học 2011 – 2012) dưới sự hướng dẫn của ThS. Hoàng Minh Nam và do sinh viên Ngô Trần Hoàng Dương thực hiện.

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của đồ án được xác định rõ ràng gồm các chỉ tiêu ban đầu sau:

  1. Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc làm việc ở điều kiện áp suất chân không, vận hành liên tục một nồi để làm bay hơi dung môi nước, nâng cao nồng độ dung dịch kiềm $\text{NaOH}$.
  2. Năng suất nhập liệu: $V_đ = 1\text{ m}^3/\text{h}$.
  3. Nồng độ nguyên liệu đầu vào: $x_đ = 18%$ theo khối lượng.
  4. Nồng độ sản phẩm đầu ra: $x_c = 30%$ theo khối lượng.
  5. Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: $p_{ck} = 0,4\text{ at}$, tương ứng áp suất tuyệt đối $p_k = 0,6\text{ at}$.
  6. Nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu nhập liệu: $t_o = 30\text{ }^\circ\text{C}$ (giá trị lựa chọn).

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là dung dịch $\text{NaOH}$ (hóa chất có tính ăn mòn kim loại mạnh, tỏa nhiệt khi hòa tan và có khối lượng riêng biến thiên theo nồng độ) cùng toàn bộ hệ thống thiết bị cô đặc dạng buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô tính toán công nghệ, cân bằng nhiệt – chất, thiết kế kích thước hình học, kiểm tra bền cơ học thiết bị chính và tính toán chọn cụm thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt, thiết bị ngưng tụ baromet, bồn cao vị, bơm) theo điều kiện tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án vận dụng các quy luật nhiệt động học, truyền khối và truyền nhiệt của quá trình cô đặc bằng phương pháp đun nóng. Bản chất của quá trình cô đặc nhiệt là làm cho dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt lượng cấp từ hơi đốt khi áp suất riêng phần của dung môi trên bề mặt thoáng bằng áp suất bên ngoài tác dụng lên chất lỏng. Quá trình bay hơi diễn ra nhờ sự hình thành bọt khí tại bề mặt truyền nhiệt và sự chênh lệch khối lượng riêng giữa hỗn hợp lỏng – hơi trong ống truyền nhiệt với khối lượng riêng của chất lỏng trong ống tuần hoàn, tạo nên chu trình đối lưu tuần hoàn tự nhiên khép kín.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế trong đồ án bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng tổng và khối lượng cấu tử phân bố để tính toán suất lượng tháo liệu và lượng hơi thứ thoát ra; thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa dòng vào (nguyên liệu, hơi đốt) và dòng ra (sản phẩm, hơi thứ, nước ngưng, nhiệt tổn thất) để xác định tiêu hao hơi đốt.
  • Phương pháp số lặp tính toán truyền nhiệt: Tính toán hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ hơi đốt ($\alpha_1$) theo công thức màng chất lỏng ngưng tụ đứng; tính hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi ($\alpha_2$) theo công thức cấp nhiệt sôi bọt của dung dịch kiềm có hiệu chỉnh các thông số vật lý; tiến hành vòng lặp xác định nhiệt độ vách truyền nhiệt cho đến khi sai số tương đối giữa nhiệt tải riêng hai phía đạt mức cho phép ($|\delta q| < 5%$).
  • Phương pháp tính toán thủy lực và lắng cơ học: Tính toán vận tốc lắng của giọt lỏng cuốn theo dòng hơi thứ dựa trên chuẩn số Reynolds ($Re$) và hệ số trở lực ($\xi$), từ đó xác định đường kính buồng bốc nhằm hạn chế sự lôi cuốn hạt lỏng.
  • Phương pháp tính toán độ bền cơ học thiết bị áp lực: Tính toán bề dày thân buồng đốt chịu áp suất trong; tính toán thân buồng bốc, đáy nón và nắp ellipse làm việc chịu áp suất chân không ngoài; kiểm tra điều kiện bền uốn, nén chiều trục và kiểm tra độ suy giảm bền tại các vị trí khoét lỗ công nghệ trên thân thiết bị.

Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất hoàn toàn từ các tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật gồm: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2), giáo trình Truyền nhiệt và Thiết bị trao đổi nhiệt, tài liệu Tính toán và thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất, và các bảng tra cứu thông số hóa lý dung dịch $\text{NaOH}$.

Thiết kế và thông số kỹ thuật hệ thống

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý liên tục: Dung dịch $\text{NaOH}$ $18%$ từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị, tự chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt ống chùm thẳng đứng (được đun nóng bằng hơi nước bão hòa $4\text{ at}$) để nâng nhiệt độ từ $30\text{ }^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $101,96\text{ }^\circ\text{C}$. Sau đó, dòng dung dịch đi vào thiết bị cô đặc chính.

Tại buồng đốt, dung dịch đi bên trong các ống truyền nhiệt nhỏ và nhận nhiệt từ hơi đốt bão hòa đi ngoài ống (phía vỏ). Do sôi mạnh, hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng nhỏ bị đẩy dâng lên mặt thoáng buồng bốc. Ngược lại, tại ống tuần hoàn trung tâm có tiết diện lớn, thể tích chất lỏng trên một đơn vị truyền nhiệt lớn hơn nên ít sinh hơi hơn, khối lượng riêng lớn hơn, kéo dòng chất lỏng đi xuống dưới tạo thành chu trình tuần hoàn tự nhiên. Dòng hơi thứ bốc lên đỉnh buồng bốc qua cơ cấu tách giọt rồi đi vào thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp loại khô, ngược chiều. Dòng khí không ngưng được dẫn qua bộ phận tách lỏng phụ và được bơm chân không hút xả ra ngoài để duy trì độ chân không ổn định cho toàn hệ thống. Sản phẩm kiềm $\text{NaOH}$ $30%$ được tháo liên tục ở đáy thiết bị qua bơm ly tâm về bể chứa.

Cụm thiết bị / Bộ phận Thông số kỹ thuật chính Vật liệu chế tạo
Thiết bị cô đặc chính Buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm
- Thân buồng đốt Đường kính trong $D_t = 600\text{ mm}$, chiều cao $H = 1500\text{ mm}$, bề dày $S = 5\text{ mm}$, áp suất tính toán $P_t = 0,313\text{ N/mm}^2$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Chùm ống truyền nhiệt Gồm $72$ ống kích thước $\varnothing 25 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $l = 1,5\text{ m}$, bố trí đỉnh tam giác đều Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Ống tuần hoàn trung tâm $1$ ống đặt chính tâm, đường kính trong $D_{t,th} = 273\text{ mm}$, đường kính ngoài $D_{n,th} = 277\text{ mm}$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Thân buồng bốc Đường kính trong $D_t = 800\text{ mm}$, chiều cao $H = 2000\text{ mm}$, bề dày $S = 7\text{ mm}$, chịu áp suất ngoài $P_a = 0,1346\text{ N/mm}^2$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Đáy thiết bị Dạng đáy nón tiêu chuẩn, góc đáy $2\alpha = 60^\circ$, gờ cao $40\text{ mm}$, chiều cao nón $544\text{ mm}$, bề dày $S = 5\text{ mm}$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Nắp thiết bị Dạng nắp ellipse tiêu chuẩn, $D_t = 800\text{ mm}$, gờ cao $25\text{ mm}$, chiều cao phần cong $200\text{ mm}$, bề dày $S = 7\text{ mm}$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Vỉ ống (trên & dưới) Dạng vỉ phẳng tròn lắp cứng, bề dày vỉ ống $h = 30\text{ mm}$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Mặt bích và bu lông Kiểu bích liền bằng thép, bu lông ren $\text{M20}$, bích đốt – bốc và đốt – đáy ($20$ bu lông), bích bốc – nắp ($24$ bu lông) Thép carbon $\text{CT3}$
- Kết cấu đỡ $4$ tai treo thẳng đứng, tải trọng tính toán $3342,88\text{ N/tai}$ Thép carbon $\text{CT3}$
Thiết bị gia nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm thẳng đứng
- Ống truyền nhiệt $37$ ống kích thước $\varnothing 25 \times 3\text{ mm}$, chiều dài $l = 1\text{ m}$, diện tích truyền nhiệt $F = 2,78\text{ m}^2$ Thép không gỉ $\text{0X18H10T}$
- Vỏ thiết bị Đường kính trong $D_t = 384,4\text{ mm}$, thể tích bình $V = 0,116\text{ m}^3$, dùng hơi đốt bão hòa $4\text{ at}$ Thép carbon / Thép không gỉ
Thiết bị ngưng tụ baromet Dạng trực tiếp ngược chiều loại khô, chân cao
- Kích thước vỏ Đường kính trong $D_t = 200\text{ mm}$, chiều dày thành $S = 1\text{ mm}$ (danh định) Thép carbon $\text{CT3}$
- Cấu tạo ngăn tiếp xúc $8$ tấm ngăn hình viên phân (tạo $4$ bậc rơi), chiều rộng tấm ngăn $b = 150\text{ mm}$, đục lỗ $\varnothing 2\text{ mm}$, khoảng cách ngăn $400\text{ mm}$ Thép carbon $\text{CT3}$

Nội dung chính theo từng chương

Phần I. Tổng quan

Nội dung chương tập trung giới thiệu các tính chất hóa lý cơ bản của natri hydroxid ($\text{NaOH}$ nguyên chất là chất rắn màu trắng, khối lượng riêng $2,13\text{ g/ml}$, nóng chảy ở $318\text{ }^\circ\text{C}$, sôi ở $1388\text{ }^\circ\text{C}$ dưới áp suất khí quyển, tan mạnh trong nước tỏa nhiệt lớn và có tính ăn mòn kim loại cao). Tác giả tổng kết bản chất nhiệt động học của sự cô đặc, phân tích ba nhóm cấu tạo thiết bị cô đặc nhiệt:

  • Nhóm 1: Dung dịch đối lưu tự nhiên (buồng đốt trong hoặc ngoài).
  • Nhóm 2: Dung dịch đối lưu cưỡng bức (dùng bơm tạo vận tốc $1,5 - 3,5\text{ m/s}$ trong ống truyền nhiệt).
  • Nhóm 3: Dung dịch chảy thành màng mỏng (chảy xuôi hoặc chảy ngược một lần).

Từ các điều kiện kỹ thuật và đặc tính nguyên liệu, tác giả quyết định lựa chọn thiết bị cô đặc một nồi chân không liên tục có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm do ưu điểm cấu tạo đơn giản, dễ lắp ráp, dễ bảo trì, vệ sinh và giảm được nhiệt độ sôi của dung dịch nhờ áp suất chân không, hạn chế sự phân hủy và bám cặn bề mặt.

Phần II. Thuyết minh quy trình công nghệ

Chương này mô tả chi tiết đường đi của các dòng vật chất và nguyên lý tương tác năng lượng trong hệ thống sản xuất. Quy trình vận hành bắt đầu từ khâu cấp dung dịch qua bồn cao vị, đo đếm lưu lượng, gia nhiệt sơ bộ trước khi vào thân nồi cô đặc. Tại nồi chính, dòng tuần hoàn tự nhiên được phân tích rõ: dung dịch đi lên trong chùm ống truyền nhiệt do tỷ trọng giảm khi sôi sủi bọt, và đi xuống trong ống tuần hoàn trung tâm có tỷ trọng lớn hơn. Hệ thống ngưng tụ baromet chân cao sử dụng nước lạnh tưới ngược chiều để dập ngưng toàn bộ hơi thứ mà không cần bơm tháo nước ngưng nhờ áp suất thủy tĩnh của cột nước baromet tự cân bằng với áp suất khí quyển.

Phần III. Tính toán và thiết kế thiết bị chính

Đây là phần nội dung kỹ thuật trọng tâm, trình bày toàn bộ số liệu và các phép toán cân bằng, truyền nhiệt và thiết kế cơ khí:

  • Cân bằng vật chất và tổn thất nhiệt:
    • Khối lượng riêng dung dịch $\text{NaOH}$ $18%$ ở $30\text{ }^\circ\text{C}$ là $\rho_đ = 1191,65\text{ kg/m}^3$; suất lượng nhập liệu $G_đ = 1191,65\text{ kg/h}$.
    • Suất lượng dung dịch tháo sản phẩm: $G_c = 714,99\text{ kg/h}$.
    • Tổng lượng hơi thứ bốc lên: $W = 476,66\text{ kg/h}$.
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng (theo Tisencô): $\Delta' = 15,4632\text{ }^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: $\Delta'' = 1,322\text{ }^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1\text{ }^\circ\text{C}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\sum \Delta = 17,785\text{ }^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = 39,615\text{ }^\circ\text{C}$.
  • Cân bằng nhiệt lượng và truyền nhiệt:
    • Tiêu tốn nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp: $Q_D = 304824,9\text{ W}$; nhiệt tổn thất ra môi trường $Q_{tt} = 15241,24\text{ W}$.
    • Lượng hơi đốt tiêu thụ biểu kiến: $D = 0,1578\text{ kg/s}$; lượng hơi đốt tiêu tốn riêng: $d = 1,1915\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
    • Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ phía hơi đốt: $\alpha_1 = 10330,67\text{ W/(m}^2\text{.K)}$.
    • Hệ số cấp nhiệt sôi phía dung dịch kiềm: $\alpha_2 = 3377,42\text{ W/(m}^2\text{.K)}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: $K = 801,66\text{ W/(m}^2\text{.K)}$; nhiệt tải riêng trung bình $q_{tb} = 31943,32\text{ W/m}^2$.
    • Diện tích truyền nhiệt lý thuyết: $F = 9,5985\text{ m}^2$. Số ống truyền nhiệt bố trí ban đầu là $91$ ống theo hình lục giác đều, sau khi thay thế $19$ ống ở trung tâm bằng $1$ ống tuần hoàn $\varnothing 273\text{ mm}$, số ống truyền nhiệt thực tế là $n' = 72$ ống (diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $F' = 9,84\text{ m}^2$).
  • Kích thước các ống dẫn lưu chất:
    • Ống nhập liệu: $d_t = 20\text{ mm}$, $d_n = 25\text{ mm}$.
    • Ống tháo sản phẩm: $d_t = 20\text{ mm}$, $d_n = 25\text{ mm}$.
    • Ống dẫn hơi đốt: $d_t = 150\text{ mm}$, $d_n = 159\text{ mm}$.
    • Ống dẫn hơi thứ: $d_t = 150\text{ mm}$, $d_n = 159\text{ mm}$.
    • Ống dẫn nước ngưng và ống xả khí không ngưng: $d_t = 20\text{ mm}$, $d_n = 25\text{ mm}$.
  • Tính toán cơ khí và tải trọng:
    • Thân buồng đốt dày $5\text{ mm}$ (áp suất tính toán $P_t = 0,313\text{ N/mm}^2$); thân buồng bốc dày $7\text{ mm}$ (áp suất ngoài $P_a = 0,1346\text{ N/mm}^2$).
    • Đáy nón dày $5\text{ mm}$; nắp ellipse dày $7\text{ mm}$; hai vỉ ống phẳng dày $30\text{ mm}$.
    • Lỗ hơi đốt vào buồng đốt và các lỗ kính quan sát, cửa sửa chữa trên buồng bốc đều được thiết kế bạc tăng cứng chịu lực.
    • Tổng khối lượng kim loại của thiết bị: $m_{tb} = 957,860\text{ kg}$.
    • Khối lượng dung dịch kiềm chứa lớn nhất trong thiết bị: $m_{dd,max} = 405,191\text{ kg}$.
    • Tổng tải trọng làm việc của nồi cô đặc: $M = 1363,051\text{ kg}$, được đỡ bởi $4$ tai treo thép $\text{CT3}$ với lực nén mỗi tai treo là $3342,88\text{ N}$.

Phần IV. Tính toán thiết bị phụ

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết cụm thiết bị trao đổi nhiệt sơ bộ và thiết bị ngưng tụ hơi thứ:

  • Thiết bị gia nhiệt dung dịch nhập liệu: Dạng ống chùm thẳng đứng gồm $37$ ống truyền nhiệt $\varnothing 25 \times 3\text{ mm}$ dài $1\text{ m}$, bước ống $43,4\text{ mm}$, đường kính trong vỏ $D_t = 384,4\text{ mm}$. Nhiệt lượng trao đổi $Q_D = 90180,05\text{ W}$, diện tích truyền nhiệt $F = 2,78\text{ m}^2$, tiêu thụ lượng hơi đốt $D = 0,0467\text{ kg/s}$.
  • Thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp: Thiết kế đường kính trong thân $D_t = 200\text{ mm}$, bên trong bố trí $8$ ngăn hình viên phân (tạo $4$ bậc rơi nước) với chiều rộng gờ ngăn $b = 150\text{ mm}$, tấm ngăn dày $4\text{ mm}$ đục các lỗ nhỏ $\varnothing 2\text{ mm}$ bố trí theo hình lục giác đều, khoảng cách giữa các ngăn là $400\text{ mm}$. Lưu lượng nước lạnh làm mát cần tưới là $G_n = 1,42\text{ kg/s}$ (tương đương thể tích $V_n = 0,001512\text{ m}^3/\text{s}$), nhiệt độ nước vào $26\text{ }^\circ\text{C}$ và ra $75,5\text{ }^\circ\text{C}$. Lượng không khí cần bơm chân không hút xả là $G_{kk} = 0,001365\text{ kg/s}$ (thể tích $V_{kk} = 0,002267\text{ m}^3/\text{s}$).
  • Các thiết bị và chi tiết phụ khác: Đồ án tổng hợp danh mục bồn cao vị, bơm nước ngưng tụ, bơm nhập liệu, kính quan sát, cửa sửa chữa và lớp vật liệu bọc cách nhiệt bảo ôn bên ngoài vỏ thiết bị.

Phần V. Tính toán giá thành và Kết luận

Chương cuối cùng tổng kết các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của đồ án, ước tính chi phí gia công chế tạo vật liệu kim loại, phụ kiện lắp đặt và đánh giá mức độ hoàn thiện đồ án so với nhiệm vụ ban đầu.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật công nghệ hóa chất cho hệ thống cô đặc chân không dung dịch $\text{NaOH}$ năng suất $1\text{ m}^3/\text{h}$, cung cấp một bộ thông số kỹ thuật rõ ràng và có độ tin cậy cao:

Hạng mục thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán
Năng suất dung dịch nhập liệu $G_đ$ $\text{kg/h}$ $1191,65$
Suất lượng sản phẩm $\text{NaOH}$ $30%$ $G_c$ $\text{kg/h}$ $714,99$
Lượng hơi thứ bốc lên $W$ $\text{kg/h}$ $476,66$
Tổng tổn thất nhiệt độ $\sum \Delta$ $^\circ\text{C}$ $17,785$
Hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{hi}$ $^\circ\text{C}$ $39,615$
Nhiệt lượng cung cấp từ hơi đốt $Q_D$ $\text{W}$ $304824,9$
Suất tiêu hao hơi đốt riêng $d$ $\text{kg/kg}$ $1,1915$
Hệ số truyền nhiệt tổng quát buồng cô đặc $K$ $\text{W/(m}^2\text{.K)}$ $801,66$
Diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế $F'$ $\text{m}^2$ $9,84$
Số ống truyền nhiệt buồng đốt $n'$ ống $72$
Tổng khối lượng kim loại thiết bị chính $m_{tb}$ $\text{kg}$ $957,860$
Tổng tải trọng toàn bộ (kèm dung dịch) $M$ $\text{kg}$ $1363,051$
Bề mặt truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt $F_{gn}$ $\text{m}^2$ $2,78$
Lưu lượng thể tích nước giải nhiệt baromet $V_n$ $\text{m}^3/\text{s}$ $0,001512$

Về mặt giải pháp kỹ thuật, đồ án đã đề xuất phương án lựa chọn vật liệu hợp lý: toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với môi trường dung dịch kiềm $\text{NaOH}$ nóng và hơi thứ (vỏ buồng đốt, buồng bốc, nắp, đáy, chùm ống truyền nhiệt, vỉ ống) đều sử dụng thép không gỉ chất lượng cao $\text{0X18H10T}$ để chống ăn mòn hóa học; trong khi các chi tiết chịu lực bên ngoài không tiếp xúc với hóa chất (mặt bích nối, bu lông, đai ốc, tai treo) được chế tạo bằng thép carbon $\text{CT3}$ nhằm giảm giá thành thiết bị.

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự nêu là đã áp dụng phương pháp số giải lặp nhiệt tải riêng chính xác giữa hai phía trao đổi nhiệt với sai số tương đối rất nhỏ (dưới $1%$), thực hiện kiểm tra đầy đủ độ bền uốn, nén trục và độ ổn định của thiết bị khi làm việc dưới điều kiện áp suất chân không ngoài theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành của ngành chế tạo máy hóa chất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án chỉ ra một số hạn chế nội tại của phương án thiết kế được chọn:

  • Tốc độ tuần hoàn tự nhiên của dung dịch trong thiết bị còn ở mức tương đối nhỏ do ống tuần hoàn trung tâm cũng bị đun nóng một phần bởi khoang hơi đốt xung quanh, làm giảm nhẹ động lực tuần hoàn đối lưu so với cấu hình buồng đốt ngoài.
  • Hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$ của hệ tuần hoàn tự nhiên chỉ đạt mức trung bình ($801,66\text{ W/(m}^2\text{.K)}$), đòi hỏi diện tích truyền nhiệt lớn hơn so với các hệ thống cô đặc cưỡng bức.
  • Trong tính toán cân bằng nhiệt lượng, tác giả đã chấp nhận một số giả định đơn giản hóa như bỏ qua nhiệt cô đặc ($Q_{cđ} = 0$) và bỏ qua nhiệt lượng do hơi đốt ngưng tụ trong đường ống cấp hơi.

Hướng mở rộng và phát triển được định hướng từ phạm vi nghiên cứu:

  • Khảo sát phương án thiết kế hệ thống cô đặc có buồng đốt ngoài hoặc bổ sung bơm tuần hoàn cưỡng bức nhằm nâng cao vận tốc dòng chảy qua bề mặt truyền nhiệt ($1,5 - 3,5\text{ m/s}$), giúp tăng hệ số truyền nhiệt $K$ và chống bám cặn hiệu quả hơn khi cô đặc lên nồng độ cao hơn.
  • Nghiên cứu mở rộng tính toán sang hệ thống cô đặc nhiều nồi (liên tục hoặc xuôi chiều) nhằm tận dụng triệt để năng lượng của dòng hơi thứ, giảm suất tiêu hao hơi đốt riêng trên một đơn vị sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên môn trực tiếp cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất – Thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (phần truyền nhiệt – cô đặc) hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư:

  • Phương pháp tính lặp truyền nhiệt: Cung cấp quy trình chi tiết từng bước tính toán hệ số cấp nhiệt màng ngưng tụ ($\alpha_1$), cấp nhiệt sôi bọt dung dịch kiềm ($\alpha_2$) và vòng lặp số hội tụ nhiệt tải riêng vách ($q$).
  • Quy trình tính bền cơ khí thiết bị hóa chất: Minh họa cụ thể cách tính toán kiểm tra độ bền, độ ổn định thân trụ, đáy nón, nắp ellipse chịu áp suất ngoài (áp suất chân không), tính toán bạc tăng cứng cho lỗ khoét và kiểm tra độ bền vỉ ống trao đổi nhiệt.
  • Tính toán thiết bị phụ trợ hoàn chỉnh: Cung cấp phương pháp thiết kế từ nguyên lý đến chi tiết hình học cho thiết bị gia nhiệt ống chùm và thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp nhiều ngăn đục lỗ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống cô đặc NaOH trong đồ án có các thông số công nghệ đầu vào và đầu ra chính xác là bao nhiêu?
Hệ thống xử lý năng suất nhập liệu $1\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $1191,65\text{ kg/h}$) dung dịch $\text{NaOH}$ ở nồng độ ban đầu $18%$ khối lượng và nhiệt độ $30\text{ }^\circ\text{C}$. Sản phẩm thu được ở đáy thiết bị đạt nồng độ $30%$ khối lượng với suất lượng tháo liệu $714,99\text{ kg/h}$, đồng thời lượng hơi thứ bốc lên ở buồng bốc là $476,66\text{ kg/h}$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn kiểu thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm và vật liệu tiếp xúc là gì?
Kiểu thiết bị này được lựa chọn do cấu tạo tương đối đơn giản, gọn gàng, dễ dàng chế tạo, vệ sinh và sửa chữa trong điều kiện công nghiệp. Toàn bộ các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với dung dịch $\text{NaOH}$ nóng và hơi thứ (buồng đốt, buồng bốc, nắp, đáy, ống truyền nhiệt, vỉ ống) đều được chế tạo bằng thép không gỉ $\text{0X18H10T}$ để kháng ăn mòn hóa học, trong khi các bộ phận chịu lực bên ngoài (mặt bích, bu lông, tai treo) làm bằng thép carbon $\text{CT3}$ để tối ưu chi phí.

3. Tổng tổn thất nhiệt độ và hiệu số nhiệt độ hữu ích của nồi cô đặc được tính toán bằng bao nhiêu?
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là $\sum \Delta = 17,785\text{ }^\circ\text{C}$, bao gồm tổn thất do nồng độ tăng $\Delta' = 15,4632\text{ }^\circ\text{C}$ (tính theo công thức Tisencô), tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\Delta'' = 1,322\text{ }^\circ\text{C}$ và tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ $\Delta''' = 1\text{ }^\circ\text{C}$. Hiệu số nhiệt độ hữu ích phục vụ quá trình truyền nhiệt đạt $\Delta t_{hi} = 39,615\text{ }^\circ\text{C}$.

4. Kích thước hình học cơ bản của buồng đốt và buồng bốc được xác định như thế nào?
Buồng đốt có đường kính trong $600\text{ mm}$, chiều cao $1500\text{ mm}$, bề dày thân $5\text{ mm}$, gồm $72$ ống truyền nhiệt $\varnothing 25 \times 2\text{ mm}$ dài $1,5\text{ m}$ và $1$ ống tuần hoàn trung tâm đường kính trong $273\text{ mm}$. Buồng bốc có đường kính trong $800\text{ mm}$, chiều cao làm việc $2000\text{ mm}$, bề dày thân $7\text{ mm}$ làm việc chịu áp suất chân không ngoài $0,1346\text{ N/mm}^2$.

5. Thiết bị ngưng tụ baromet phụ trợ có cấu tạo và thông số làm mát như thế nào?
Thiết bị ngưng tụ thuộc dạng baromet trực tiếp ngược chiều loại khô, đường kính trong thân $200\text{ mm}$, bên trong chứa $8$ tấm ngăn hình viên phân (tạo $4$ bậc rơi) rộng $150\text{ mm}$ đục các lỗ nhỏ $\varnothing 2\text{ mm}$, khoảng cách giữa các ngăn là $400\text{ mm}$. Thiết bị tiêu thụ lưu lượng nước giải nhiệt $1,42\text{ kg/s}$ ($0,001512\text{ m}^3/\text{s}$) với nhiệt độ nước vào $26\text{ }^\circ\text{C}$, ra $75,5\text{ }^\circ\text{C}$ và giải phóng thể tích khí không ngưng cần hút là $0,002267\text{ m}^3/\text{s}$.

Kết luận

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị của sinh viên Ngô Trần Hoàng Dương đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho hệ thống cô đặc chân không một nồi liên tục dung dịch $\text{NaOH}$ từ $18%$ lên $30%$ với năng suất nhập liệu $1\text{ m}^3/\text{h}$. Công trình thể hiện sự nhất quán chặt chẽ từ khâu tính toán cân bằng vật chất – năng lượng, giải lặp truyền nhiệt cho đến thiết kế cơ khí chi tiết và kiểm tra bền các cấu kiện chịu áp lực theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất. Toàn bộ thông số tính toán của thiết bị chính cùng các thiết bị phụ trợ (gia nhiệt, ngưng tụ baromet) tạo thành một giải pháp công nghệ hoàn chỉnh, mang tính ứng dụng thực tế cao cho công tác học tập và thiết kế trong ngành Kỹ thuật Hóa học.