Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp hóa chất và chế biến thực phẩm, cô đặc là quá trình công nghệ cơ bản nhằm làm tăng nồng độ của chất tan không bay hơi trong dung môi dễ bay hơi bằng cách đun sôi và tách dung môi ở dạng hơi. Natri clorua ($\text{NaCl}$) là hợp chất vô cơ có khối lượng tiêu thụ lớn, chiếm khoảng 80% sản lượng toàn cầu phục vụ cho công nghiệp hóa chất cơ bản, tổng hợp hóa dược, y tế và chế biến thực phẩm. Việc thiết kế một hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaCl}$ liên tục quy mô công nghiệp đòi hỏi phải giải quyết bài toán tiêu hao năng lượng nhiệt, tối ưu hóa bề mặt truyền nhiệt và đảm bảo độ bền cơ khí trong điều kiện làm việc chịu áp suất và ăn mòn hóa học cao.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học (Mã học phần: CH3440) tại Viện Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội do sinh viên Nguyễn Thành Trung thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Minh Tân (năm 2018) nhằm giải quyết nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm làm việc liên tục.
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế được xác lập theo các nội dung cụ thể sau:
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về quá trình cô đặc dung dịch và công nghệ sản xuất $\text{NaCl}$.
- Xây dựng và thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc hai nồi xuôi chiều.
- Tính toán công nghệ và thiết kế nhiệt – thủy lực cho thiết bị chính (nồi cô đặc 1 và nồi cô đặc 2).
- Tính toán, lựa chọn 03 thiết bị phụ trợ trong dây chuyền gồm: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao và bơm hút chân không.
- Tính toán thiết kế cơ khí, kiểm tra bền và chọn kết cấu cho buồng đốt, buồng bốc, lưới đỡ ống, đáy, nắp, các ống dẫn và giá đỡ tai treo.
Đối tượng nghiên cứu là dung dịch $\text{NaCl}$ nước với năng suất hỗn hợp đầu vào $G_đ = 5,4\text{ kg/s}$ (tương đương $19.440\text{ kg/h}$), nồng độ đầu vào $x_đ = 5%$ khối lượng và nồng độ đầu ra yêu cầu $x_c = 22,3%$ khối lượng. Phạm vi thiết kế giới hạn ở hệ thống thiết bị làm việc liên tục với áp suất hơi đốt nồi 1 là $P_1 = 5\text{ at}$, áp suất hơi ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ là $P_{ng} = 0,2\text{ at}$, sử dụng ống truyền nhiệt tiêu chuẩn dài $H = 3\text{ m}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án áp dụng các nguyên lý nhiệt động lực học và thủy lực học của kỹ thuật hóa học để giải quyết bài toán phân bố áp suất, cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng:
- Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định tổng lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống và nồng độ dung dịch sau từng nồi thông qua định luật bảo toàn khối lượng chất tan.
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Thiết lập hệ phương trình truyền nhiệt và cân bằng nhiệt năng cho từng nồi cô đặc, có tính đến 5% tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ($Q_{mt}$).
- Mô hình tính tổn thất nhiệt độ:
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh tăng cao ($\Delta''$) tính theo chiều sâu lớp chất lỏng và khối lượng riêng của dung dịch sôi.
- Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$) xác định theo phương pháp giải tích Tysenco: $\Delta'i = f \cdot \Delta{0i}$, trong đó $f = 16,2 \cdot \frac{(T_{si} + 273)^2}{r_{i,bh}}$.
- Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống hơi ($\Delta'''$) chọn $\Delta'''_1 = \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$.
- Phương pháp thủy động và truyền nhiệt:
- Hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ ngoài ống chùm thẳng đứng ($\alpha_1$) được xác định theo mô hình màng ngưng chảy tầng của Nusselt.
- Hệ số cấp nhiệt từ bề mặt kim loại đến dung dịch sôi ($\alpha_2$) tính theo công thức đối lưu tự nhiên có sủi bọt, kết hợp hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch qua hệ số $\psi$.
- Độ nhớt dung dịch được tính chuyển tiếp từ nước theo phương pháp Pavalov.
- Phương pháp tính toán độ bền cơ khí: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất vỏ mỏng chịu áp lực trong, xác định chiều dày thân trụ hàn, đáy/nắp hình elip có gờ, lưới đỡ ống chịu uốn và kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực $P_0$.
Toàn bộ dữ liệu tính toán nhiệt động, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi và kích thước tiêu chuẩn được tra cứu từ tài liệu chuyên ngành: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2) và Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm (Tập 3 - Phạm Xuân Toàn).
Thiết kế và triển khai hệ thống công nghệ
Hệ thống được thiết kế dạng dây chuyền liên tục 2 nồi xuôi chiều. Dung dịch từ thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm ly tâm (2a) đưa lên thùng cao vị (3) có vách tràn nhằm duy trì áp lực tĩnh không đổi. Lưu lượng kế (4) kiểm soát lưu lượng dòng nhập liệu $5,4\text{ kg/s}$ đi vào thiết bị gia nhiệt ống chùm (5) để nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $115^\circ\text{C}$ trước khi vào nồi 1 (6).
Dung dịch tự động chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 (7) nhờ độ chênh áp suất làm việc giữa hai nồi ($P_1' = 1,63\text{ at}$ so với $P_2' = 0,22\text{ at}$). Hơi thứ bốc lên từ buồng bốc nồi 1 được dẫn làm môi chất gia nhiệt cho buồng đốt nồi 2, giúp tận dụng tối đa nhiệt ẩn hóa hơi. Dung dịch sau nồi 2 đạt nồng độ $22,3%$ được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt làm nguội (12) và bơm sản phẩm (2b) chuyển về bể chứa. Hơi thứ nồi 2 được dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao (8), tiếp xúc trực tiếp ngược chiều với dòng nước lạnh để ngưng tụ và xả tự nhiên qua ống Baromet cao trên $11\text{ m}$ xuống thùng nước ngưng (9). Khí không ngưng cùng bọt khí được tách qua bình thu hồi bọt và hút ra ngoài bằng bơm hút chân không vòng nước PMK-2 (10).
Vật liệu chế tạo cho toàn bộ thân thiết bị tiếp xúc với môi trường dung dịch muối $\text{NaCl}$ và hơi bão hòa là thép không gỉ austenitic $\text{X18H10T}$ nhằm kháng ăn mòn cục bộ và ăn mòn kẽ hở. Kết cấu mối hàn được lựa chọn là hàn tay hồ quang điện giáp mối hai bên với hệ số bền mối hàn $\varphi = 0,95$.
Nội dung chính theo từng chương
Phần 1: Phần mở đầu
Tác giả trình bày tổng quan về kỹ thuật cô đặc, phân loại các phương pháp cô đặc nhiều nồi và cấu tạo thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm. Phân tích ưu điểm nổi bật của hệ thống xuôi chiều: dung dịch tự chảy giữa các nồi mà không cần bơm trung gian, nhiệt độ hơi thứ nồi trước lớn hơn nhiệt độ sôi nồi sau nên tiết kiệm lượng hơi đốt sơ cấp. Đồng thời, tác giả nêu các tính chất hóa lý của $\text{NaCl}$: khối lượng mol $58,5\text{ g/mol}$, nhiệt độ nóng chảy $801^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $2,16\text{ g/cm}^3$, độ tan trong nước đạt $35,9\text{ g}/100\text{ ml}$ ở $25^\circ\text{C}$.
Phần 2: Sơ đồ và mô tả dây chuyền công nghệ
Mô tả chi tiết 12 thiết bị và cụm chi tiết máy cấu thành dây chuyền công nghệ cô đặc $\text{NaCl}$. Thuyết minh nguyên lý lưu chuyển của 2 pha lỏng – hơi, cơ chế tự bốc hơi khi dung dịch đi vào vùng áp suất thấp hơn, quy trình tách bọt khí và đường thoát nước ngưng thông qua cốc tháo nước ngưng phao kín.
Phần 3: Tính toán thiết bị chính
Chương này tập trung tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và kích thước truyền nhiệt cho 2 nồi cô đặc:
- Cân bằng vật chất:
- Tổng lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống: $W = G_đ \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 19.440 \left(1 - \frac{5}{22,3}\right) = 15.081,26\text{ kg/h}$.
- Giả thiết tỷ lệ phân phối hơi ban đầu $W_1 : W_2 = 1 : 1,05 \rightarrow W_1 = 7.356,71\text{ kg/h}; W_2 = 7.724,55\text{ kg/h}$.
- Nồng độ dung dịch sau nồi 1: $x_1 = 8,04%$; nồng độ sau nồi 2: $x_2 = 22,30%$.
- Cân bằng nhiệt lượng và hiệu số nhiệt độ:
- Hiệu số áp suất chung $\Delta P = P_1 - P_{ng} = 5 - 0,2 = 4,8\text{ at}$. Phân bố áp suất giả thiết $\Delta P_1 : \Delta P_2 = 2,55 : 1 \rightarrow \Delta P_1 = 3,45\text{ at}; \Delta P_2 = 1,35\text{ at}$.
- Nhiệt độ hơi đốt: Nồi 1 ($T_1 = 151,10^\circ\text{C}, i_1 = 2.754.000\text{ J/kg}, r_1 = 2.117.000\text{ J/kg}$); Nồi 2 ($T_2 = 111,70^\circ\text{C}, i_2 = 2.700.500\text{ J/kg}, r_2 = 2.229.500\text{ J/kg}$).
- Nhiệt độ hơi thứ: Nồi 1 ($t_1' = 113,20^\circ\text{C}, P_1' = 1,63\text{ at}$); Nồi 2 ($t_2' = 61,20^\circ\text{C}, P_2' = 0,22\text{ at}$).
- Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\sum \Delta = 20,96^\circ\text{C}$ (gồm tổn thất do nồng độ $\Delta'_1 = 1,62^\circ\text{C}, \Delta'_2 = 4,41^\circ\text{C}$; do áp suất thủy tĩnh $\Delta''_1 = 1,95^\circ\text{C}, \Delta''_2 = 9,98^\circ\text{C}$; do trở lực đường ống $\Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
- Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\sum \Delta T_i = 151,10 - 59,70 - 20,96 = 70,44^\circ\text{C}$ ($\Delta T_1 = 34,33^\circ\text{C}; \Delta T_2 = 36,11^\circ\text{C}$).
- Giải hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng: Lượng hơi đốt tiêu thụ $D = 8.299,12\text{ kg/h}$; lượng hơi thứ thực tế $W_1 = 7.427,75\text{ kg/h}, W_2 = 7.653,51\text{ kg/h}$ (sai số so với giả thiết $< 1%$).
- Hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt:
- Nồi 1: Hệ số cấp nhiệt hơi ngưng $\alpha_{1,1} = 8.252,34\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; hệ số cấp nhiệt sôi $\alpha_{2,1} = 4.348,19\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; hệ số truyền nhiệt $K_1 = 904,21\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
- Nồi 2: Hệ số cấp nhiệt hơi ngưng $\alpha_{1,2} = 7.832,01\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; hệ số cấp nhiệt sôi $\alpha_{2,2} = 3.219,50\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; hệ số truyền nhiệt $K_2 = 854,78\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
- Phân phối lại hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện diện tích bề mặt bằng nhau: $\Delta T_1^* = 35,27^\circ\text{C}; \Delta T_2^* = 35,17^\circ\text{C}$ (sai số so với $\Delta T$ ban đầu là $2,74%$ và $2,60%$, đều $< 5%$).
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_1 = 153,3\text{ m}^2, F_2 = 157,6\text{ m}^2$; bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn thiết kế chọn $F = 155\text{ m}^2$.
| Thông số nhiệt động |
Ký hiệu |
Đơn vị |
Nồi 1 |
Nồi 2 |
| Áp suất hơi đốt |
$P$ |
$\text{at}$ |
$5,00$ |
$1,55$ |
| Nhiệt độ hơi đốt |
$T$ |
$^\circ\text{C}$ |
$151,10$ |
$111,70$ |
| Áp suất hơi thứ |
$P'$ |
$\text{at}$ |
$1,63$ |
$0,22$ |
| Nhiệt độ hơi thứ |
$t'$ |
$^\circ\text{C}$ |
$113,20$ |
$61,20$ |
| Nhiệt độ sôi của dung dịch |
$t_s$ |
$^\circ\text{C}$ |
$116,77$ |
$75,59$ |
| Tổn thất nhiệt độ do nồng độ |
$\Delta'$ |
$^\circ\text{C}$ |
$1,62$ |
$4,41$ |
| Tổn thất do cột áp thủy tĩnh |
$\Delta''$ |
$^\circ\text{C}$ |
$1,95$ |
$9,98$ |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích |
$\Delta T$ |
$^\circ\text{C}$ |
$34,33$ |
$36,11$ |
| Hệ số truyền nhiệt |
$K$ |
$\text{W/m}^2\cdot\text{độ}$ |
$904,21$ |
$854,78$ |
| Tải nhiệt trao đổi |
$Q$ |
$\text{W}$ |
$4.880.343,62$ |
$4.733.864,81$ |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt |
$F$ |
$\text{m}^2$ |
$153,30$ |
$157,60$ |
Phần 4: Tính toán thiết bị phụ
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
- Dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm loại đặt đứng ngược chiều, sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $5\text{ at}$ ($151,10^\circ\text{C}$).
- Công suất nhiệt trao đổi: $Q = 1.932.676,20\text{ W}$; diện tích truyền nhiệt $F = 63,55\text{ m}^2$.
- Số lượng ống truyền nhiệt: $n = 241$ ống (kích thước $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$, dài $L = 3\text{ m}$), xếp theo hình lục giác đều.
- Đường kính trong vỏ thiết bị: $D_{tr} = 1.100\text{ mm}$, chia làm $m = 5$ ngăn dòng để đảm bảo dung dịch chảy xoáy với chuẩn số $\text{Re} = 10.000$.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet:
- Loại thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao.
- Lượng nước lạnh tưới giải nhiệt: $G_n = 221.820,79\text{ kg/h}$ (nhiệt độ nước vào $30^\circ\text{C}$, ra $50^\circ\text{C}$).
- Đường kính trong tháp ngưng tụ: $D_{tr} = 950\text{ mm}$ (quy chuẩn $D_{tr} = 1.000\text{ mm}$).
- Kích thước đĩa ngăn: 6 tấm ngăn hình bán nguyệt rộng $b = 550\text{ mm}$, đục lỗ đường kính $d_l = 5\text{ mm}$, chiều cao toàn tháp ngưng tụ $H = 2.400\text{ mm}$.
- Kích thước ống Baromet: Đường kính trong $d_c = 400\text{ mm}$, tổng chiều cao ống $H > 11\text{ m}$ (chiều cao cột nước cân bằng chân không $h_1 = 8,33\text{ m}$, cột nước khắc phục trở lực $h_2 = 0,00057\text{ m}$, chiều cao dự trữ an toàn $0,5\text{ m}$).
- Bơm hút chân không:
- Lượng không khí cần hút khỏi hệ thống: $G_{kk} = 82,98\text{ kg/h}$ (thể tích $V_{kk} = 0,0864\text{ m}^3/\text{s}$).
- Công suất yêu cầu trên trục bơm: $N_p = 6,84\text{ kW}$.
- Chọn bơm chân không vòng nước PMK-2 với công suất động cơ $10\text{ kW}$, tốc độ quay $1.450\text{ vòng/phút}$, lưu lượng nước cấp $0,02\text{ m}^3/\text{h}$.
Phần 5: Tính toán cơ khí
Thiết kế cơ khí chi tiết cho nồi cô đặc 1 (nồi 2 lấy kích thước tương đương):
- Buồng đốt:
- Gồm 517 ống bố trí theo hình lục giác đều 12 dãy, khoét bỏ 61 ống ở tâm để đặt ống tuần hoàn trung tâm đường kính ngoài $d_{th} = 426\text{ mm}$, còn lại $466$ ống truyền nhiệt $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$.
- Đường kính trong buồng đốt: $D_{tr} = 1.400\text{ mm}$; chiều dày thân trụ $S = 5\text{ mm}$ (ứng suất cho phép $[\sigma] = 132\text{ N/mm}^2$, hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai $C = 1,4\text{ mm}$).
- Chiều dày lưới đỡ ống: $S = 13\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện bền uốn với $\sigma_u = 6,08\text{ N/mm}^2 < [\sigma_u] = 140\text{ N/mm}^2$).
- Đáy elip có gờ: Chiều dày $S = 5\text{ mm}$, chiều cao phần lồi $h_b = 350\text{ mm}$, ghép bích liền kiểu 1 với thân.
- Buồng bốc hơi:
- Thể tích không gian hơi yêu cầu: $V = 5,38\text{ m}^3$; chiều cao buồng bốc $H = 2,7\text{ m}$.
- Đường kính trong buồng bốc: $D_{tr} = 1.600\text{ mm}$; chiều dày thân $S = 5\text{ mm}$.
- Nắp elip có gờ: Chiều dày $S = 5\text{ mm}$, chiều cao phần lồi $h_b = 400\text{ mm}$.
- Quy cách các ống dẫn và phụ kiện:
- Ống dẫn hơi đốt vào nồi 1: Đường kính trong $d_{tr1} = 200\text{ mm}$ ($w = 35\text{ m/s}$).
- Ống dẫn dung dịch vào: Đường kính trong $d_{tr2} = 125\text{ mm}$ ($w = 0,5\text{ m/s}$).
- Ống dẫn hơi thứ thoát ra: Đường kính trong $d_{tr3} = 300\text{ mm}$ ($w = 35\text{ m/s}$).
- Ống tháo dung dịch cô đặc: Đường kính trong $d_{tr4} = 100\text{ mm}$.
- Ống xả nước ngưng: Đường kính trong $d_{tr5} = 100\text{ mm}$.
- Tính toán tai treo và kính quan sát:
- Tổng khối lượng nồi khi chứa đầy nước thử thủy lực: $G_{tổng} = 96.935,36\text{ N}$ (gồm khối lượng kim loại nồi không $40.470\text{ N}$ và khối lượng nước $56.465,38\text{ N}$).
- Lựa chọn 4 tai treo phân bố đều, mỗi tai chịu tải trọng $24.233,84\text{ N}$ (chọn loại tai treo tiêu chuẩn tải trọng $2,5 \cdot 10^4\text{ N}$).
- Kính quan sát: Lắp tại buồng bốc, kính thủy tinh chịu áp lực đường kính $\Phi 200\text{ mm}$, dày $15\text{ mm}$.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã xây dựng hoàn chỉnh bộ hồ sơ thiết kế công nghệ và cơ khí cho hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều dung dịch $\text{NaCl}$, đạt được các kết quả định lượng cụ thể:
| Hạng mục thiết bị / Thông số |
Giá trị kỹ thuật xác lập |
Đơn vị |
| Năng suất nhập liệu ban đầu ($G_đ$) |
$19.440$ ($5,4$) |
$\text{kg/h}$ ($\text{kg/s}$) |
| Nồng độ sản phẩm đầu ra ($x_c$) |
$22,30$ |
$%$ |
| Tổng lượng hơi thứ bốc ra ($W$) |
$15.081,26$ |
$\text{kg/h}$ |
| Tiêu hao hơi đốt sơ cấp ($D$) |
$8.299,12$ |
$\text{kg/h}$ |
| Tỷ số tiết kiệm hơi ($W / D$) |
$1,817$ |
$\text{kg hơi thứ/kg hơi đốt}$ |
| Bề mặt truyền nhiệt thiết kế mỗi nồi ($F$) |
$155$ |
$\text{m}^2$ |
| Số ống truyền nhiệt mỗi nồi |
$466$ |
ống |
| Đường kính trong buồng đốt / buồng bốc |
$1.400$ / $1.600$ |
$\text{mm}$ |
| Chiều dày thân buồng đốt / buồng bốc / nắp / đáy |
$5$ |
$\text{mm}$ |
| Lượng nước lạnh ngưng tụ Baromet ($G_n$) |
$221.820,79$ |
$\text{kg/h}$ |
| Đường kính tháp ngưng tụ / Ống Baromet |
$1.000$ / $400$ |
$\text{mm}$ |
| Model bơm chân không / Công suất động cơ |
PMK-2 / $10$ |
$\text{kW}$ |
Hồ sơ tính toán đảm bảo tính chính xác cao với các sai số kỹ thuật trong các vòng lặp giải tích đều được kiểm soát dưới $5%$ (sai số nhiệt tải nồi 1 là $4,09%$, nồi 2 là $3,67%$; sai số hiệu số nhiệt độ hữu ích là $2,74%$ và $2,60%$).
Về mặt đóng góp, đồ án cung cấp tài liệu tính toán đồng bộ từ công nghệ nhiệt – thủy lực đến kết cấu chi tiết cơ khí và kiểm tra bền cho hệ thống cô đặc dung dịch muối ăn $\text{NaCl}$ quy mô công nghiệp vừa và lớn. Quy trình tính toán đã tối ưu hóa tỷ lệ hơi thứ tái sử dụng, giúp giảm đáng kể lượng hơi đốt sơ cấp cần cung cấp từ lò hơi so với phương án cô đặc đơn công đoạn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Mặc dù bản thuyết minh đã hoàn thành đầy đủ các nội dung theo nhiệm vụ thiết kế, đồ án vẫn còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi tính toán giải tích lý thuyết:
- Giả thiết đơn giản hóa về tính chất nhiệt vật lý: Khối lượng riêng của dung dịch trong buồng bốc ở trạng thái sôi được lấy xấp xỉ bằng khối lượng riêng ở $20^\circ\text{C}$; hệ số dẫn nhiệt và độ nhớt tính toán dựa trên các công thức bán thực nghiệm có dung sai nhất định.
- Tổn thất nhiệt: Giả định tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh cố định ở mức 5% cho cả hai nồi mà chưa tính toán chi tiết chiều dày lớp bông thủy tinh bọc cách nhiệt bảo ôn thực tế.
- Chế độ điều khiển: Chưa đi sâu vào thiết kế sơ đồ tự động hóa đo lường và điều khiển tự động (tự động điều chỉnh van cấp hơi, van tháo xả dung dịch theo tỷ trọng kế online).
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:
- Lập trình mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và bốc hơi đa cấu tử bằng phần mềm chuyên dụng (như Aspen Plus hoặc HYSYS) để kiểm chứng lại các điểm phân bố nhiệt độ.
- Tính toán thu hồi nhiệt thừa từ dòng nước ngưng nhiệt độ cao ($151,1^\circ\text{C}$ và $111,7^\circ\text{C}$) và dòng sản phẩm ra ($75,59^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu, giúp cắt giảm phụ tải nhiệt cho thiết bị gia nhiệt đầu.
Giá trị tham khảo
Bản đồ án có giá trị ứng dụng và tham khảo học thuật trực tiếp cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Môi trường: Làm tài liệu mẫu hoàn chỉnh về cấu trúc và phương pháp giải đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (đặc biệt là học phần CH3440, CH3450 tại ĐHBK Hà Nội).
- Kỹ sư thiết kế thiết bị hóa chất: Tham khảo chuỗi công thức tính toán bền cơ khí theo TCVN cho bình bồn chịu áp lực, phương pháp xác định chiều dày vỉ đỡ ống chùm, quy trình chọn bích ghép tiêu chuẩn và tính toán thủy lực cho hệ thống ngưng tụ Baromet chân cao.
- Các đề tài cô đặc tương tự: Là khung tham chiếu tin cậy cho các bài toán cô đặc dung dịch chất điện ly mạnh ($\text{Na}_2\text{SO}_4$, $\text{CaCl}_2$, $\text{KCl}$) có hiện tượng tăng điểm sôi lớn do nồng độ.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống cô đặc NaCl lại chọn phương thức 2 nồi xuôi chiều thay vì ngược chiều?
Phương thức xuôi chiều có ưu điểm là dung dịch tự di chuyển từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất chân không giữa hai nồi ($P_1' = 1,63\text{ at} > P_2' = 0,22\text{ at}$) mà không cần bơm vận chuyển dung dịch trung gian. Đồng thời, nhiệt độ hơi thứ nồi 1 ($113,2^\circ\text{C}$) cao hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 2 ($75,59^\circ\text{C}$), cho phép sử dụng hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng hơi nước bão hòa sơ cấp.
2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra của toàn hệ thống là bao nhiêu và lượng hơi đốt sơ cấp tiêu tốn là bao nhiêu?
Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là $15.081,26\text{ kg/h}$ (phân bố tại nồi 1 là $7.427,75\text{ kg/h}$ và nồi 2 là $7.653,51\text{ kg/h}$). Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu tốn ở nồi 1 là $D = 8.299,12\text{ kg/h}$ ở áp suất $5\text{ at}$.
3. Kích thước và thông số làm việc chính của thiết bị ngưng tụ Baromet được tính ra như thế nào?
Thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp chân cao có đường kính trong $D_{tr} = 1.000\text{ mm}$, chiều cao thân tháp $H = 2.400\text{ mm}$ gồm 6 ngăn đĩa hình bán nguyệt rộng $550\text{ mm}$ có đục lỗ $5\text{ mm}$. Tiêu hao nước làm lạnh là $221.820,79\text{ kg/h}$ (nước vào $30^\circ\text{C}$, ra $50^\circ\text{C}$). Ống Baromet có đường kính trong $d_c = 400\text{ mm}$ và chiều cao lắp đặt trên $11\text{ m}$ để tự tháo nước ngưng bằng cột áp thủy tĩnh.
4. Kích thước cơ khí cơ bản của buồng đốt và buồng bốc nồi 1 được quy chuẩn ra sao?
Buồng đốt có đường kính trong $D_{tr} = 1.400\text{ mm}$, chiều dày thân $S = 5\text{ mm}$, chứa 466 ống truyền nhiệt $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$ (dài $3\text{ m}$) và 1 ống tuần hoàn trung tâm $\Phi 426\text{ mm}$, lưới đỡ ống dày $13\text{ mm}$. Buồng bốc có đường kính trong $D_{tr} = 1.600\text{ mm}$, chiều cao $H = 2,7\text{ m}$, chiều dày thân và nắp elip đều là $S = 5\text{ mm}$, toàn bộ làm từ thép không gỉ $\text{X18H10T}$.
5. Bơm hút chân không được chọn cho hệ thống là loại nào và có công suất bao nhiêu?
Bơm hút chân không được lựa chọn là loại bơm vòng nước model PMK-2. Công suất yêu cầu tính toán trên trục bơm là $N_p = 6,84\text{ kW}$, trang bị động cơ điện công suất $10\text{ kW}$, tốc độ quay $1.450\text{ vòng/phút}$ và lưu lượng nước cấp làm kín là $0,02\text{ m}^3/\text{h}$.
Kết luận
Đồ án môn học của tác giả Nguyễn Thành Trung đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán và thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều có ống tuần hoàn trung tâm để nâng nồng độ dung dịch $\text{NaCl}$ từ $5%$ lên $22,3%$ với năng suất $5,4\text{ kg/s}$. Hệ thống đạt hiệu quả nhiệt cao khi tận dụng triệt để hơi thứ nồi 1 để gia nhiệt cho nồi 2, tiêu tốn $8.299,12\text{ kg/h}$ hơi đốt để tách được $15.081,26\text{ kg/h}$ hơi nước. Toàn bộ thông số nhiệt động, kích thước bề mặt truyền nhiệt $155\text{ m}^2$ mỗi nồi cùng kết cấu cơ khí bằng thép $\text{X18H10T}$ được tính toán và kiểm tra bền nghiêm ngặt theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật ngành hóa chất.
