Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong công nghiệp hóa chất, amoni sunfat $(NH_4)_2SO_4$ là một hóa chất vô cơ có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt là nguồn cung cấp nitơ và lưu huỳnh quan trọng trong sản xuất phân bón cho đất kiềm nhằm cân bằng độ pH và kích thích sinh trưởng cây trồng. Ngoài ra, hợp chất này còn được sử dụng làm phụ gia thực phẩm điều chỉnh độ axit (mã E517, được FDA công nhận tiêu chuẩn GRAS) và nguyên liệu điều chế các muối persulfate. Trong dây chuyền sản xuất $(NH_4)_2SO_4$, nồng độ dung dịch sau phản ứng hoặc thu hồi thường ở mức thấp, đòi hỏi phải trải qua quá trình cô đặc để nâng cao nồng độ chất tan, tiết kiệm chi phí vận chuyển, tồn trữ và tạo tiền đề cho công đoạn kết tinh sản phẩm thương phẩm.
Mục tiêu của đồ án là tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều sử dụng thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài để cô đặc dung dịch $(NH_4)_2SO_4$. Nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được xác định với các thông số đầu vào gồm:
- Năng suất hỗn hợp đầu vào ($G_đ$): $19.000\text{ kg/h}$ ($5,278\text{ kg/s}$).
- Nồng độ dung dịch ban đầu ($x_đ$): $8%$ khối lượng.
- Nồng độ dung dịch sản phẩm đầu ra ($x_c$): $36%$ khối lượng.
- Áp suất hơi đốt bão hòa cấp vào nồi 1 ($P_{hđ1}$): $4,2\text{ at}$ (tương ứng nhiệt độ bão hòa $144,54^\circ\text{C}$).
- Áp suất tại thiết bị ngưng tụ Baromet ($P_{nt}$): $0,3\text{ at}$ (tương ứng nhiệt độ ngưng tụ $68,7^\circ\text{C}$).
- Chiều cao ống truyền nhiệt của buồng đốt ($H$): $2\text{ m}$.
Đối tượng nghiên cứu là thiết bị cô đặc phòng đốt trong dạng ống chùm thẳng đứng có ống tuần hoàn ngoài và dung dịch $(NH_4)_2SO_4$ biến thiên nồng độ từ $8%$ đến $36%$. Phạm vi thiết kế bao gồm: tính toán cân bằng vật liệu, xác định cân bằng nhiệt lượng và phân phối nhiệt độ, tính toán truyền nhiệt cho thiết bị chính, thiết kế thủy lực và thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt sơ bộ, thùng cao vị, hệ thống ngưng tụ Baromet, bơm chân không) và tính toán kết cấu cơ khí thiết bị cô đặc.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Hệ thống thiết kế dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học và truyền khối của quá trình cô đặc nhiều nồi xuôi chiều. Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán được áp dụng bao gồm:
- Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Sử dụng hơi thứ sinh ra từ nồi trước làm môi chất gia nhiệt (hơi đốt) cho nồi tiếp theo. Quá trình vận hành xuôi chiều cho phép dung dịch tự chảy từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ sự chênh lệch áp suất giảm dần ($P_1 > P_2$), đồng thời tận dụng hiện tượng tự bốc hơi của dung dịch khi đi từ môi trường có nhiệt độ sôi cao sang môi trường có áp suất và nhiệt độ sôi thấp hơn.
- Phương pháp Tysenco: Xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$) ở các mức áp suất làm việc khác nhau dựa trên tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển ($\Delta'_0$), nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ($T$) và ẩn nhiệt hóa hơi ($r$).
- Mô hình tính toán tổn thất áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Tính toán sự gia tăng nhiệt độ sôi của lớp dung dịch tại vị trí giữa ống truyền nhiệt dựa trên chiều cao lớp chất lỏng sôi ($h_1 = 0,5\text{ m}$), chiều cao ống ($h_2 = 2\text{ m}$) và khối lượng riêng của dung dịch sôi.
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng hệ thống: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn năng lượng tại từng nồi, có tính đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ($5%$ lượng nhiệt tiêu tốn bốc hơi), nhiệt dung riêng của dung dịch loãng ($x < 0,2$) và dung dịch đặc ($x > 0,2$), cùng ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước.
- Mô hình truyền nhiệt và thủy lực:
- Tính hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ ngoài ống chùm thẳng đứng ($\alpha_1$) theo lý thuyết màng ngưng tụ Nusselt có xét đến nhiệt độ màng chất lỏng ($t_m$).
- Tính hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch sôi ($\alpha_2$) theo công thức thực nghiệm qua hệ số hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch so với nước ($\psi$).
- Tính toán tổn thất áp lực thủy lực theo phương trình Darcy-Weisbach và hệ số trở lực cục bộ cho dòng chảy qua ống chùm nhiều ngăn và phụ kiện đường ống.
Nguồn dữ liệu nhiệt động, thông số hóa lý của dung dịch $(NH_4)_2SO_4$, hơi nước bão hòa, vật liệu kim loại và các chuẩn số tra cứu được trích xuất từ tài liệu "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1 và Tập 2).
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Dây chuyền công nghệ và nguyên lý vận hành
Dây chuyền công nghệ của hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều bao gồm các cụm thiết bị: thùng chứa dung dịch ban đầu, bơm dung dịch, thùng cao vị có vách tràn ổn định mức lỏng, lưu lượng kế, thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (dạng ống chùm đối lưu ngược chiều), nồi cô đặc 1, nồi cô đặc 2, thiết bị ngưng tụ Baromet, bình tách bọt, bơm chân không và các bồn chứa sản phẩm, nước ngưng.
Quy trình vận hành diễn ra tuần tự: Dung dịch $(NH_4)_2SO_4$ $8%$ từ bể chứa được bơm lên thùng cao vị, sau đó chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ. Tại đây, dung dịch đi trong ống truyền nhiệt và được nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi ban đầu ($100,4551^\circ\text{C}$) bằng hơi nước bão hòa $4,2\text{ at}$ đi ngoài ống. Dung dịch sau gia nhiệt đi vào buồng đốt nồi 1. Hơi đốt ngoài ống truyền nhiệt đun sôi dung dịch trong ống, sinh ra hơi thứ ở buồng bốc nồi 1 ($112,1^\circ\text{C}$, $1,57\text{ at}$). Hơi thứ này được dẫn sang làm hơi đốt cho nồi 2. Dung dịch có nồng độ $13,09%$ từ nồi 1 tự chuyển sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất ($1,52\text{ at}$ so với $0,314\text{ at}$), tại đây tiếp tục bốc hơi để đạt nồng độ cuối $36%$. Hơi thứ nồi 2 ($69,7^\circ\text{C}$, $0,314\text{ at}$) đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh chảy từ trên xuống, còn khí không ngưng được dẫn qua bộ tách bọt và hút ra ngoài bằng bơm chân không.
Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật cốt lõi
| Hạng mục thông số | Nồi 1 | Nồi 2 | Thiết bị gia nhiệt sơ bộ |
|---|---|---|---|
| Năng suất dung dịch vào ($kg/h$) | $19.000,00$ | $11.611,11$ | $19.000,00$ |
| Lượng hơi thứ bốc hơi ($kg/h$) | $7.387,46$ | $7.388,89$ | — |
| Nồng độ dung dịch ra ($%$) | $13,09$ | $36,00$ | $8,00$ |
| Áp suất hơi đốt ($at$) | $4,20$ | $1,52$ | $4,20$ |
| Nhiệt độ hơi đốt ($^\circ\text{C}$) | $144,54$ | $111,10$ | $144,54$ |
| Áp suất hơi thứ ($at$) | $1,57$ | $0,314$ | — |
| Nhiệt độ hơi thứ ($^\circ\text{C}$) | $112,10$ | $69,70$ | — |
| Nhiệt độ sôi dung dịch ($^\circ\text{C}$) | $114,64$ | $78,81$ | $100,46$ (ra) |
| Tổng tổn thất nhiệt độ ($\Delta', \Delta'', \Delta'''$) | $3,54^\circ\text{C}$ | $10,11^\circ\text{C}$ | — |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích tính toán | $31,03^\circ\text{C}$ | $31,16^\circ\text{C}$ | $75,73^\circ\text{C}$ ($\Delta t_{tb}$) |
| Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng ($\alpha_1$) | $9.706,23\text{ W/m}^2\text{K}$ | $9.177,11\text{ W/m}^2\text{K}$ | $—$ |
| Hệ số cấp nhiệt phía sôi/chảy xoáy ($\alpha_2$) | $4.609,18\text{ W/m}^2\text{K}$ | $3.003,96\text{ W/m}^2\text{K}$ | $685,25\text{ W/m}^2\text{K}$ |
| Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) | $962,30\text{ W/m}^2\text{K}$ | $856,15\text{ W/m}^2\text{K}$ | $—$ |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán ($F$) | $171,70\text{ m}^2$ | $171,70\text{ m}^2$ | $55,24\text{ m}^2$ |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn | $200,00\text{ m}^2$ | $200,00\text{ m}^2$ | $63,00\text{ m}^2$ |
| Số lượng ống truyền nhiệt quy chuẩn | — | — | $367\text{ ống}$ |
| Đường kính trong thiết bị | — | — | $1.200\text{ mm}$ (8 ngăn) |
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Giới thiệu chung
Phần này trình bày tổng quan lý thuyết về quá trình cô đặc, phân loại các thiết bị cô đặc công nghiệp (theo bố trí bề mặt đun nóng, theo chất tải nhiệt, theo chế độ tuần hoàn và cấu tạo buồng đốt). Tác giả phân tích sâu về nguyên lý tiết kiệm năng lượng của cô đặc nhiều nồi, chỉ ra rằng lượng hơi đốt tiêu tốn giảm khi số nồi tăng nhưng hiệu quả giảm dần (từ 1 lên 2 nồi giảm $50%$, từ 4 lên 5 nồi giảm $10%$, và từ 10 lên 11 nồi giảm không quá $1%$), đồng thời hiệu số nhiệt độ có ích bị thu hẹp làm tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt, do đó hệ thống 2 nồi là lựa chọn tối ưu kỹ thuật - kinh tế. Phần này cũng tổng hợp chi tiết tính chất vật lý, hóa học của $(NH_4)_2SO_4$ (khối lượng riêng $1,77\text{ g/cm}^3$, khối lượng mol $132,14\text{ g/mol}$, độ tan theo nhiệt độ) cùng sơ đồ dây chuyền sản xuất và nguyên lý vận hành hệ thống xuôi chiều.
Phần 2: Tính toán thiết bị chính
Tác giả thực hiện tính toán thiết kế chi tiết cho hai nồi cô đặc:
- Cân bằng vật liệu: Tổng lượng nước bốc hơi của toàn hệ thống là $W = 14.777,78\text{ kg/h}$. Phân phối hơi thứ ban đầu đồng đều giữa hai nồi với $W_1 = W_2 = 7.388,89\text{ kg/h}$, xác định nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 là $x_{c1} = 13,09%$ và nồng độ ra khỏi nồi 2 là $x_{c2} = 36%$.
- Cân bằng nhiệt lượng và xác định nhiệt độ: Phân phối áp suất làm việc theo tỷ lệ chênh lệch $\Delta P_1 / \Delta P_2 = 2,2 / 1$, tìm được áp suất hơi đốt nồi 2 là $1,52\text{ at}$. Xác định các tổn thất nhiệt độ gồm: tổn thất do nồng độ ($\Delta'_1 = 1,0349^\circ\text{C}$; $\Delta'_2 = 3,1795^\circ\text{C}$), tổn thất thủy tĩnh ($\Delta''_1 = 1,5045^\circ\text{C}$; $\Delta''_2 = 5,9333^\circ\text{C}$), và tổn thất đường ống ($\Delta'''_1 = \Delta'''2 = 1^\circ\text{C}$). Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\sum \Delta = 13,6522^\circ\text{C}$. Hiệu số nhiệt độ hữu ích thực tế của hệ thống là $\Delta t{hi} = 62,1878^\circ\text{C}$.
- Lập phương trình cân bằng nhiệt và tính hơi đốt: Lượng hơi đốt $4,2\text{ at}$ cấp vào nồi 1 được tính toán là $D = 8.640,50\text{ kg/h}$. Lượng hơi thứ tính lại từ cân bằng nhiệt ở nồi 1 là $7.387,46\text{ kg/h}$ (sai số chỉ $0,02%$ so với giả thiết cân bằng vật liệu).
- Tính toán hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt đốt: Tính toán chi tiết các thông số hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt theo phương pháp chọn chất chuẩn, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt) của dung dịch và màng nước ngưng. Tính toán hệ số cấp nhiệt $\alpha_1, \alpha_2$, nhiệt tải riêng $q_1, q_2$ với sai số chấp nhận được ($1,042%$ ở nồi 1 và $4,089%$ ở nồi 2). Hệ số truyền nhiệt đạt $K_1 = 962,30\text{ W/m}^2\text{K}$ và $K_2 = 856,15\text{ W/m}^2\text{K}$. Bề mặt truyền nhiệt tính toán cho cả 2 nồi bằng nhau là $F_1 = F_2 = 171,70\text{ m}^2$, từ đó chọn diện tích quy chuẩn tiêu chuẩn là $F = 200\text{ m}^2$.
Phần 3: Tính toán thiết bị phụ
Nội dung chương tập trung vào thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt và truyền vận phụ trợ:
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đối lưu ngược chiều bằng thép CT3 (ống $\phi 36 \times 2\text{ mm}$, $d_{tr} = 32\text{ mm}$, chiều cao $H = 2\text{ m}$). Nhiệt lượng trao đổi đạt $Q = 1.821.952,68\text{ W}$. Hiệu số nhiệt độ trung bình $\Delta t_{tb} = 75,73^\circ\text{C}$. Bề mặt truyền nhiệt tính toán $55,24\text{ m}^2$, quy chuẩn chọn $F = 63\text{ m}^2$ tương ứng $367\text{ ống}$ bố trí theo hình lục giác trong thân thiết bị đường kính trong $D = 1.200\text{ mm}$. Thiết bị được chia thành 8 ngăn để đảm bảo vận tốc dòng chảy đạt chế độ chảy xoáy ($Re = 10.000$).
- Xác định chiều cao thùng cao vị: Tính toán toàn diện tổn thất áp suất động học, ma sát đường ống và trở lực cục bộ trên toàn tuyến cấp liệu:
- Trở lực đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt đến nồi cô đặc: $\Delta P_1 = 8.285,06\text{ N/m}^2$, tương đương chiều cao cột chất lỏng $H'_1 = 0,824\text{ m}$.
- Trở lực từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt: $\Delta P_2 = 15.294,23\text{ N/m}^2$, tương đương chiều cao cột chất lỏng $H'_2 = 1,493\text{ m}$.
- Trở lực bên trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (gồm ma sát 8 ngăn, đột thu/đột mở, đổi hướng dòng 16 lần và áp suất thủy tĩnh): $\Delta P_3 = 20.385,84\text{ N/m}^2$, tương đương chiều cao cột chất lỏng $H'_3 = 2,036\text{ m}$.
- Hệ thống ngưng tụ và chân không: Thiết lập các thông số tính toán lượng nước làm lạnh cho thiết bị ngưng tụ Baromet, kích thước tấm ngăn, đường kính và chiều cao ống Baromet, lượng khí không ngưng cần hút và công suất bơm chân không.
Phần 4: Tính toán cơ khí và lựa chọn
Chương này xác định kích thước hình học và độ bền cơ khí của các chi tiết thiết bị chính:
- Buồng đốt: Xác định số lượng ống truyền nhiệt, đường kính thân buồng đốt, chiều dày thân buồng đốt, chiều dày lưới đỡ ống và đáy buồng đốt; tính toán đường kính ống tuần hoàn ngoài; tra bích ghép thân và đáy buồng đốt.
- Buồng bốc hơi: Tính toán thể tích buồng bốc, đường kính buồng bốc, chiều cao không gian tách hơi, chiều dày thân và nắp buồng bốc (vật liệu thép CT3, đáy nón góc $60^\circ$); tra bích tiêu chuẩn ghép buồng bốc.
- Phụ kiện công nghệ: Tính toán đường kính các ống nối dẫn hơi đốt vào nồi 1, ống dẫn dung dịch vào/ra, ống dẫn hơi thứ, ống tháo nước ngưng; chọn kết cấu tai treo, chân đỡ chịu lực và kính quan sát mức dung dịch trên thân thiết bị.
Phần 5 & 6: Kết luận và Tài liệu tham khảo
Đồ án tổng kết các kết quả tính toán đã đạt được, đối chiếu các chỉ tiêu kỹ thuật với yêu cầu nhiệm vụ ban đầu và liệt kê danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành Quá trình - Thiết bị Công nghệ Hóa chất.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật công nghệ cho hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn ngoài dung dịch $(NH_4)_2SO_4$:
- Định lượng cân bằng vật chất và năng lượng: Xác định chính xác lượng dung môi bốc hơi $14.777,78\text{ kg/h}$ để nâng nồng độ dung dịch từ $8%$ lên $36%$, mức tiêu hao hơi đốt bão hòa $4,2\text{ at}$ cho toàn hệ thống là $8.640,50\text{ kg/h}$. Tính toán cân bằng nhiệt đạt độ chính xác cao với sai số lượng hơi thứ bốc ra giữa tính toán nhiệt lượng và giả thiết vật liệu chỉ $0,02%$.
- Tối ưu hóa phân phối nhiệt độ và truyền nhiệt: Xác lập được phân phối áp suất tối ưu ($\Delta P_1 = 2,68\text{ at}, \Delta P_2 = 1,22\text{ at}$) giúp cân bằng hiệu số nhiệt độ hữu ích giữa 2 nồi ($\Delta T_1^* = 31,03^\circ\text{C}, \Delta T_2^* = 31,16^\circ\text{C}$) với sai số so với giả thiết ban đầu chỉ $3,63% - 3,64%$ ($< 5%$). Diện tích truyền nhiệt tính toán đồng đều giữa hai nồi đạt $171,70\text{ m}^2$, chọn quy chuẩn bề mặt đốt $200\text{ m}^2$.
- Giải pháp thiết kế thủy lực và thiết bị phụ đồng bộ: Đã thiết kế hoàn chỉnh thiết bị gia nhiệt sơ bộ dạng ống chùm $63\text{ m}^2$ gồm $367\text{ ống}$ chia 8 ngăn giúp duy trì chế độ chảy xoáy ($Re = 10.000$) tăng cường cấp nhiệt, đồng thời xác lập chính xác các tổn thất áp suất thủy lực ($H'_1 = 0,824\text{ m}; H'_2 = 1,493\text{ m}; H'_3 = 2,036\text{ m}$) phục vụ lắp đặt thùng cao vị và bơm vận hành liên tục.
- Đóng góp kỹ thuật: Bản đồ án cung cấp quy trình tính toán nhiệt và cơ khí chi tiết, áp dụng đầy đủ các công thức hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch điện ly đậm đặc $(NH_4)_2SO_4$ (đặc biệt là phương pháp xác định độ nhớt qua chất lỏng chuẩn và hiệu chỉnh nhiệt dung riêng theo nguyên tử), tạo cơ sở tin cậy cho việc chế tạo và lắp đặt thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài quy mô công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo phạm vi thực hiện của đồ án, một số hạn chế kỹ thuật và hướng mở rộng bao gồm:
- Hạn chế trong tính toán giả thiết: Một số thông số như tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống hơi ($\Delta'''$) được chọn cố định theo kinh nghiệm ($1^\circ\text{C}$ mỗi nồi); tổn thất nhiệt lượng ra môi trường xung quanh được lấy định mức chung $5%$ mà chưa tính toán chi tiết qua lớp vật liệu cách nhiệt thực tế của vỏ thiết bị.
- Phạm vi nhiệt độ và nồng độ: Quá trình tính toán tính chất vật lý dung dịch ở nồng độ cao dựa trên phương pháp ngoại suy và tra bảng thực nghiệm trong sổ tay kỹ thuật, có thể xuất hiện sai số nhỏ khi dung dịch đạt trạng thái bão hòa sát điểm kết tinh ($36%$).
- Hướng phát triển tiếp:
- Tính toán thiết kế chi tiết lớp vật liệu bọc cách nhiệt cho thân buồng đốt, buồng bốc và các đường ống dẫn hơi nóng để kiểm soát chính xác lượng nhiệt thất thoát.
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động lưu lượng dung dịch, kiểm soát mức lỏng buồng đốt và đo độ chân không liên tục để tối ưu hóa vận hành hệ thống trong điều kiện dao động tải.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao đối với:
- Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa học, Hóa phân tích, Quá trình và Thiết bị: Cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp luận và trình tự tính toán đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất", từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, truyền nhiệt đến thiết kế cơ khí và thủy lực.
- Kỹ sư thiết kế công nghệ: Tham khảo cấu trúc tính toán thiết bị cô đặc ống tuần hoàn ngoài, phương pháp xác định hệ số truyền nhiệt cho dung dịch muối vô cơ dễ đóng cặn, giải pháp phân chia ngăn cho thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và tính toán chiều cao cột áp thùng cao vị.
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất và chế độ nồng độ làm việc của hệ thống cô đặc này là bao nhiêu?
Hệ thống tiếp nhận $19.000\text{ kg/h}$ dung dịch $(NH_4)_2SO_4$ ở nồng độ ban đầu $8%$ khối lượng và cô đặc liên tục qua 2 nồi xuôi chiều để thu được dung dịch sản phẩm ở nồng độ $36%$ khối lượng (tổng lượng nước bốc hơi là $14.777,78\text{ kg/h}$, nồng độ sau nồi 1 là $13,09%$).
2. Tại sao tác giả lại chọn sơ đồ cô đặc xuôi chiều cho dung dịch $(NH_4)_2SO_4$?
Sơ đồ xuôi chiều cho phép dung dịch tự chảy từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất giảm dần ($1,52\text{ at}$ sang $0,314\text{ at}$) mà không cần bơm trung gian. Đồng thời, dung dịch từ nồi 1 đi vào nồi 2 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nồi 2 ($114,64^\circ\text{C} > 78,81^\circ\text{C}$), tạo ra quá trình tự bốc hơi giúp tiết kiệm năng lượng nhiệt.
3. Vì sao thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu lại phải chia làm 8 ngăn?
Nếu để dung dịch $19.000\text{ kg/h}$ chảy tự do qua toàn bộ $367\text{ ống}$ truyền nhiệt trong một ngăn, vận tốc thực tế của chất lỏng rất nhỏ ($w_t = 0,017\text{ m/s}$), dòng chảy ở chế độ chảy tầng làm giảm mạnh hệ số cấp nhiệt. Việc chia thành 8 ngăn làm tăng vận tốc dòng chảy trong từng chùm ống lên mức cần thiết để đạt chế độ chảy xoáy ($Re = 10.000$), nâng cao hệ số cấp nhiệt $\alpha_2 = 685,25\text{ W/m}^2\text{K}$.
4. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là bao nhiêu và thành phần nào chiếm tỷ trọng lớn nhất?
Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống là $\sum \Delta = 13,6522^\circ\text{C}$, bao gồm tổn thất do nồng độ $\sum \Delta' = 4,2144^\circ\text{C}$, tổn thất do trở lực đường ống $\sum \Delta''' = 2^\circ\text{C}$, và tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\sum \Delta'' = 7,4378^\circ\text{C}$. Trong đó, tổn thất do áp suất thủy tĩnh chiếm tỷ trọng lớn nhất ($54,48%$).
5. Bề mặt truyền nhiệt tính toán và quy chuẩn của các nồi cô đặc là bao nhiêu?
Bề mặt truyền nhiệt tính toán theo phương pháp phân phối bề mặt truyền nhiệt bằng nhau giữa hai nồi là $F_1 = F_2 = 171,70\text{ m}^2$. Dựa trên tiêu chuẩn thiết bị công nghiệp hóa chất, tác giả đã lựa chọn bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn là $F = 200\text{ m}^2$ cho mỗi nồi.
Kết luận
Đồ án của tác giả Đặng Thu Hiên đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn ngoài dùng cho dung dịch $(NH_4)_2SO_4$ với năng suất $19.000\text{ kg/h}$. Toàn bộ các khâu từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt động lực học, hệ số truyền nhiệt màng và truyền nhiệt tổng quát đến tính toán cơ khí và trở lực thủy lực đều được thực hiện nhất quán, đạt độ chính xác cao với các sai số kiểm tra đều dưới ngưỡng cho phép $5%$. Bản đồ án là công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện phương pháp luận khoa học và có giá trị ứng dụng thực tiễn trong chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.