Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Natri hydroxide ($\text{NaOH}$) là một trong những hóa chất vô cơ cơ bản quan trọng, giữ vai trò thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp như dệt nhuộm, sản xuất tơ nhân tạo, lọc hóa dầu và sản xuất phèn. Hiện nay trong công nghiệp, $\text{NaOH}$ được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp 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 cho công tác bảo quản, chuyên chở và sử dụng thương mại. Do đó, quá trình cô đặc nhằm nâng cao nồng độ dung dịch $\text{NaOH}$ lên mức tiêu chuẩn là công đoạn công nghệ bắt buộc trong dây chuyền sản xuất hóa chất.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ hoạt động liên tục ở quy mô công nghiệp. Các nhiệm vụ thực hiện được phân công và xác định cụ thể theo đề tài gồm 5 nội dung chính:

  1. Chọn lựa và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ cô đặc 2 nồi liên tục xuôi chiều.
  2. Tính toán công nghệ thiết bị: Cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và tính toán truyền nhiệt.
  3. Tính toán kết cấu và kích thước cơ bản của thiết bị cô đặc chính (buồng đốt, buồng bốc, ống truyền nhiệt, ống tuần hoàn).
  4. Tính toán cơ khí và kiểm tra độ bền cho các chi tiết thân, nắp, đáy, vỉ ống, mặt bích và tai treo dưới điều kiện làm việc chịu áp suất trong và áp suất chân không.
  5. Tính toán và lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt nhập liệu, thiết bị ngưng tụ Baromet, bồn cao vị, bơm chất lỏng).
  6. Thể hiện kết quả thiết kế trên 04 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (01 bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ, 03 bản vẽ kết cấu thiết bị chính, thiết bị gia nhiệt và thiết bị ngưng tụ).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ 2 nồi xuôi chiều có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.
  • Phạm vi thông số công nghệ: Năng suất nhập liệu ban đầu $G_đ = 3\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $3393\text{ kg/h}$), nồng độ dung dịch đầu vào $x_đ = 12%$ (theo khối lượng), nồng độ sản phẩm đầu ra yêu cầu $x_c = 32%$ (theo khối lượng).
  • Phạm vi thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án được thực hiện từ ngày 06/09/2023 đến ngày 14/12/2023 tại Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Lý thuyết nhiệt động học và bốc hơi: Bản chất quá trình cô đặc nhiệt dựa trên thuyết động học phân tử, cung cấp nhiệt lượng từ hơi nước bão hòa để dung môi nước trong dung dịch đạt nhiệt độ sôi và chuyển sang trạng thái hơi thứ, làm tăng nồng độ chất tan $\text{NaOH}$.
  • Mô hình tính toán tổn thất nhiệt độ sôi: Sử dụng phương pháp xác định tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$) và tổn thất nhiệt độ do nồng độ dung dịch ($\Delta'$) thông qua công thức Tysenco: $$\Delta' = 16{,}2 \cdot \frac{T_s^2}{r} \cdot \Delta_0'$$ (với $T_s$ là nhiệt độ sôi của dung môi, $r$ là nhiệt hóa hơi, $\Delta_0'$ là hiệu số nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển).
  • Lý thuyết truyền nhiệt gián tiếp: Tính toán hệ số cấp nhiệt ngưng tụ hơi bên ngoài ống thẳng đứng ($\alpha_1$), hệ số cấp nhiệt từ thành ống đến dung dịch sôi sủi bọt có đối lưu tự nhiên bên trong ống ($\alpha_2$) và hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$).
  • Lý thuyết tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Dựa trên tiêu chuẩn tính toán độ bền thân hình trụ, nắp ellipse tiêu chuẩn, đáy nón và kiểm tra ổn định khi chịu áp suất trong (nồi 1) và áp suất ngoài do làm việc chân không (nồi 2).

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn hệ thống ($W$) và lượng hơi thứ phân bố tại từng nồi ($W_1, W_2$) dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử không bay hơi ($\text{NaOH}$).
  • Phương pháp cân bằng năng lượng: Thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa nhiệt mang vào (do hơi đốt, dung dịch nhập liệu) và nhiệt mang ra (do hơi thứ, nước ngưng, dung dịch sau cô đặc, tổn thất nhiệt ra môi trường lấy bằng $5%$).
  • Phương pháp tính toán cơ khí và kiểm tra điều kiện bền: Tra cứu cơ lý tính vật liệu thép không gỉ $\text{X18H10T}$, ứng suất cho phép, tính bề dày tối thiểu kèm hệ số bổ sung ăn mòn hóa học ($C_a = 1\text{ mm}$ cho thời gian sử dụng 10 năm) và dung sai âm của vật liệu.

Nguồn dữ liệu tra cứu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án được trích xuất từ các tài liệu chuẩn chuyên ngành kỹ thuật hóa học:

  • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2) – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
  • Tính toán và Thiết kế Thiết bị Hóa chất – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
  • Bảng tra thông số vật lý của nước bão hòa, hơi nước bão hòa, khối lượng riêng, độ nhớt và nhiệt dung riêng của dung dịch $\text{NaOH}$ ở các dải nồng độ và nhiệt độ làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày đặc tính lý hóa của $\text{NaOH}$ (chất rắn màu trắng, khối lượng riêng $2{,}13\text{ g/ml}$, nóng chảy ở $318^\circ\text{C}$, sôi ở $1388^\circ\text{C}$ dưới áp suất khí quyển, độ tan $1110\text{ g/l}$ ở $20^\circ\text{C}$, có tính ăn mòn mạnh). Tác giả tổng kết các phương pháp cô đặc (cô đặc nhiệt, cô đặc chân không, cô đặc lạnh kết tinh) và phân loại thiết bị cô đặc theo cơ chế đối lưu (tự nhiên, cưỡng bức, màng mỏng).

Từ đặc tính nguyên liệu và yêu cầu công nghệ, tác giả lựa chọn thiết bị cô đặc chân không 2 nồi liên tục xuôi chiều có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm vì ưu điểm kết cấu đơn giản, thuận tiện vận hành, vệ sinh, đồng thời hạ nhiệt độ sôi của dung dịch để giảm tiêu hao năng lượng và hạn chế ăn mòn thiết bị.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 2 mô tả nguyên lý vận hành của hệ thống 2 nồi xuôi chiều.

Dung dịch NaOH (12%) -> Bơm nhập liệu -> Bồn cao vị -> Lưu lượng kế -> Thiết bị gia nhiệt ống chùm (đến nhiệt độ sôi) -> Nồi cô đặc 1 -> Nồi cô đặc 2 -> Bơm tháo liệu -> Bể chứa sản phẩm NaOH (32%)
  • Nguồn nhiệt: Nồi 1 sử dụng hơi đốt trực tiếp từ lò hơi với áp suất $P_{đ1} = 4\text{ at}$. Hơi thứ bốc lên từ buồng bốc nồi 1 được dẫn làm hơi đốt cho buồng đốt nồi 2.
  • Hệ thống ngưng tụ và chân không: Hơi thứ và khí không ngưng từ nồi 2 được đưa sang thiết bị ngưng tụ Baromet kiểu trực tiếp. Dòng khí không ngưng tiếp tục qua thiết bị phân ly để tách giọt lỏng trước khi được bơm chân không hút thải ra ngoài.

Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng

Chương 3 xác định các thông số dòng vật chất và nhiệt lượng làm việc thực tế của hệ thống:

  • Cân bằng vật chất:
    • Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống: $W = 2120{,}625\text{ kg/h}$.
    • Phân phối hơi thứ thực tế sau tính toán lặp: Nồi 1 là $W_1 = 1040{,}340\text{ kg/h}$; Nồi 2 là $W_2 = 1080{,}285\text{ kg/h}$ (tỉ lệ $W_1 : W_2 = 1 : 1{,}04$).
    • Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 đạt $x_1 = 17{,}45%$; nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 2 đạt $x_2 = 32{,}00%$.
    • Lượng hơi đốt tiêu thụ tại nồi 1: $D = 1141{,}272\text{ kg/h}$.

Bảng 1. Thông số nhiệt độ và áp suất làm việc tại các bộ phận

Thông số vận hành Nồi 1 Nồi 2 Thiết bị ngưng tụ
Áp suất hơi đốt ($P_đ$, $\text{at}$) $4{,}00$ $1{,}383$ —
Nhiệt độ hơi đốt ($T_đ$, $^\circ\text{C}$) $142{,}90$ $108{,}30$ —
Áp suất làm việc buồng bốc ($P$, $\text{at}$) $1{,}43$ $0{,}2104$ $0{,}20$
Nhiệt độ hơi thứ ($T$, $^\circ\text{C}$) $109{,}30$ $60{,}70$ $59{,}70$
Nhiệt độ sôi dung dịch thực tế ($t_{sdd}$, $^\circ\text{C}$) $118{,}04$ $84{,}03$ —
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta T_i$, $^\circ\text{C}$) $24{,}86$ $24{,}27$ —
  • Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\sum \Delta = 34{,}07^\circ\text{C}$.
  • Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: $\Delta T = 49{,}13^\circ\text{C}$.

Chương 4: Tính toán truyền nhiệt

Chương 4 tính toán chi tiết hệ số truyền nhiệt cho cả hai nồi cô đặc:

  • Vật liệu ống truyền nhiệt: Thép không gỉ $\text{X18H10T}$ có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 16{,}3\text{ W/m}\cdot\text{K}$, bề dày ống $\delta = 2\text{ mm}$.
  • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng: Nồi 1 đạt $\alpha_{11} = 10396{,}70\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; Nồi 2 đạt $\alpha_{12} = 9975{,}31\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
  • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: Nồi 1 đạt $\alpha_{21} = 4230{,}95\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; Nồi 2 đạt $\alpha_{22} = 3568{,}75\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
  • Hệ số truyền nhiệt tổng quát:
    • Nồi 1: $K_1 = 912{,}78\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
    • Nồi 2: $K_2 = 894{,}68\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt: Tính toán ra $F_1 = F_2 = 29{,}86\text{ m}^2$.

Chương 5: Tính toán thiết bị cô đặc

Chương 5 xác định kích thước hình học chi tiết của buồng đốt, buồng bốc và các đường ống dẫn:

  • Buồng đốt:
    • Ống truyền nhiệt: Chiều dài $H = 2\text{ m}$, đường kính ngoài $d_n = 29\text{ mm}$, đường kính trong $d_t = 25\text{ mm}$ (dày $2\text{ mm}$).
    • Tổng số ống theo phân bố lục giác đều: $241$ ống.
    • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính ngoài $D_{nth} = 277\text{ mm}$, đường kính trong $D_{th} = 273\text{ mm}$ (dày $2\text{ mm}$), chiếm chỗ $37$ ống truyền nhiệt ở tâm.
    • Số ống truyền nhiệt thực tế còn lại: $n' = 241 - 37 = 204$ ống.
    • Đường kính trong buồng đốt: Chọn theo tiêu chuẩn $D_t = 800\text{ mm}$ ($0{,}8\text{ m}$).
  • Buồng bốc:
    • Đường kính trong buồng bốc: $D_b = 1600\text{ mm}$ ($1{,}6\text{ m}$).
    • Chiều cao buồng bốc: $H_b = 1600\text{ mm}$ ($1{,}6\text{ m}$).
  • Kích thước các đầu ống dẫn:

Bảng 2. Kích thước các ống dẫn chính của hệ thống cô đặc

Tên loại ống Đường kính danh nghĩa $D_y$ ($\text{mm}$) Đường kính ngoài $D_n$ ($\text{mm}$) Kiểu bu-lông mặt bích Số lượng bu-lông
Ống dẫn hơi đốt vào $150$ $159$ M16 $8$
Ống dẫn hơi thứ ra $350$ $377$ M20 $12$
Ống dẫn dung dịch nhập liệu $40$ $45$ M12 $4$
Ống tháo dung dịch sản phẩm $32$ $38$ M12 $4$
Ống tháo nước ngưng $25$ $32$ M10 $4$
Ống dẫn khí không ngưng $20$ $25$ M10 $4$

Chương 6: Tính toán cơ khí thiết bị cô đặc

Chương 6 tính toán độ bền và lựa chọn chiều dày kết cấu chịu lực:

  • Vật liệu chế tạo chính: Thép không gỉ $\text{X18H10T}$ có bọc lớp cách nhiệt bên ngoài, hệ số hiệu chỉnh mối hàn $\eta = 0{,}95$.
  • Thân buồng đốt ($D_t = 800\text{ mm}, H = 2000\text{ mm}$): Nồi 1 và nồi 2 đều chịu áp suất trong, bề dày tính toán lần lượt là $2{,}211\text{ mm}$ và $1{,}319\text{ mm}$. Quy chuẩn lựa chọn bề dày thân buồng đốt cho cả hai nồi là $S = 4\text{ mm}$.
  • Thân buồng bốc ($D_t = 1600\text{ mm}, H = 1600\text{ mm}$):
    • Buồng bốc nồi 1: Chịu áp suất trong, bề dày thực tính toán $1{,}486\text{ mm}$, chọn sơ bộ $4\text{ mm}$.
    • Buồng bốc nồi 2: Chịu áp suất ngoài (chân không), bề dày tính toán yêu cầu $8{,}87\text{ mm}$, chọn $10\text{ mm}$ và kiểm tra thỏa mãn điều kiện ổn định nén chiều trục ($\sigma_n / [\sigma_n] + P / [P] = 0{,}599 < 1$).
    • Thống nhất chọn bề dày thân buồng bốc cho cả hai nồi là $S = 10\text{ mm}$ để đồng bộ chế tạo.
  • Nắp thiết bị: Nắp ellipse tiêu chuẩn đường kính $D_t = 1600\text{ mm}$, chiều cao gờ $h_g = 40\text{ mm}$, chiều cao nắp $h_t = 400\text{ mm}$. Chọn bề dày nắp cho cả hai nồi là $S = 10\text{ mm}$.
  • Đáy thiết bị: Đáy nón tiêu chuẩn góc ở đáy $2\alpha = 60^\circ$, đường kính đáy $D_t = 800\text{ mm}$, chiều cao gờ $40\text{ mm}$, thể tích đáy nón $V_đ = 0{,}161\text{ m}^3$.
  • Gia cố lỗ khoét: Ống dẫn hơi đốt ($d_t = 150\text{ mm} > d_{max} = 44{,}4\text{ mm}$) và ống dẫn hơi thứ trên nắp ($d_t = 350\text{ mm} > d_{max} = 70{,}3\text{ mm}$) bắt buộc phải sử dụng bạc tăng cứng.

Chương 7: Tính toán thiết bị phụ

Chương 7 tính toán các cụm thiết bị hỗ trợ vận hành:

  • Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, nâng nhiệt độ dung dịch $\text{NaOH}$ $12%$ từ nhiệt độ ban đầu lên nhiệt độ sôi trước khi vào nồi 1 ($116{,}26^\circ\text{C}$).
  • Thiết bị ngưng tụ Baromet: Thiết bị ngưng tụ kiểu trực tiếp ngược chiều, sử dụng nước giải nhiệt để ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ $W_2 = 1080{,}285\text{ kg/h}$ thoát ra từ nồi 2 nhằm duy trì độ chân không $P_{ng} = 0{,}2\text{ at}$.
  • Bồn cao vị và hệ thống bơm: Tính toán bồn cao vị để ổn định lưu lượng nhập liệu, chọn bơm ly tâm đưa dung dịch vào bồn cao vị và bơm nước làm mát vào tháp ngưng tụ.

Thiết kế và triển khai

Thông số kỹ thuật tổng hợp của thiết bị chính

Bảng 3. Bảng tổng hợp quy cách thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi

Hạng mục kết cấu Quy cách thiết kế Đơn vị tính
Kiểu thiết bị Buồng đốt trong, ống tuần hoàn trung tâm, 2 nồi xuôi chiều —
Năng suất dung dịch nhập liệu $3393$ ($3\text{ m}^3/\text{h}$) $\text{kg/h}$
Nồng độ dung dịch ($x_đ \rightarrow x_c$) $12 \rightarrow 32$ $%$ khối lượng
Lượng hơi đốt cấp cho nồi 1 ($D$) $1141{,}272$ $\text{kg/h}$
Diện tích truyền nhiệt mỗi nồi ($F_1, F_2$) $29{,}86$ $\text{m}^2$
Kích thước buồng đốt ($D_{trong} \times H$) $800 \times 2000$ $\text{mm}$
Số lượng ống truyền nhiệt ($d_n \times \delta \times H$) $204$ ống ($29 \times 2 \times 2000$) ống
Ống tuần hoàn trung tâm ($D_n \times \delta$) $277 \times 2$ (đường kính trong $273$) $\text{mm}$
Kích thước buồng bốc ($D_{trong} \times H$) $1600 \times 1600$ $\text{mm}$
Bề dày thân buồng đốt $4$ $\text{mm}$
Bề dày thân buồng bốc $10$ $\text{mm}$
Bề dày nắp ellipse và đáy nón $10$ $\text{mm}$
Vật liệu chế tạo thân và ống Thép không gỉ $\text{X18H10T}$ —

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật

  1. Thiết lập hoàn chỉnh bảng cân bằng vật chất và năng lượng cho hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ 2 nồi xuôi chiều với lưu lượng dòng nhập liệu $3393\text{ kg/h}$, đưa nồng độ từ $12%$ lên $32%$, giải phóng tổng cộng $2120{,}625\text{ kg/h}$ hơi thứ.
  2. Xác định chính xác lượng tiêu hao hơi đốt sơ cấp tại nồi 1 là $1141{,}272\text{ kg/h}$ tại áp suất $4\text{ at}$, tận dụng hoàn toàn $1040{,}340\text{ kg/h}$ hơi thứ nồi 1 làm nguồn cấp nhiệt cho nồi 2, giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng hơi cung cấp.
  3. Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi đạt $29{,}86\text{ m}^2$, thiết kế cụm ống truyền nhiệt gồm 204 ống $\Phi 29 \times 2\text{ mm}$ cùng 01 ống tuần hoàn trung tâm đường kính $\Phi 277 \times 2\text{ mm}$.
  4. Hoàn thiện tính toán độ bền cơ khí chịu áp lực chân không ($0{,}2104\text{ at}$ ở nồi 2) và áp lực dư ($4\text{ at}$ ở buồng đốt nồi 1), xác định chiều dày vật liệu thép không gỉ $\text{X18H10T}$ an toàn cho thời gian vận hành 10 năm.

Đóng góp kỹ thuật

  • Cung cấp một bộ hồ sơ tính toán công nghệ và cơ khí có tính hệ thống cao, nhất quán từ số liệu nhiệt động học, truyền nhiệt đến kết cấu chi tiết cho quy trình cô đặc dung dịch có tính ăn mòn mạnh ($\text{NaOH}$).
  • Hoàn thiện 04 bản vẽ kỹ thuật A1 thể hiện chi tiết sơ đồ công nghệ, thiết bị cô đặc chính, thiết bị gia nhiệt nhập liệu dạng ống chùm và thiết bị ngưng tụ Baromet trực tiếp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Tốc độ tuần hoàn: Thiết bị có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm có tốc độ tuần hoàn tự nhiên còn tương đối nhỏ do ống tuần hoàn vẫn chịu một phần nhiệt truyền từ buồng đốt, làm giảm đôi chút chênh lệch khối lượng riêng giữa dòng đi lên và dòng đi xuống.
  • Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K \approx 894 - 912\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$) ở mức trung bình của đối lưu tự nhiên, thấp hơn so với các hệ thống tuần hoàn cưỡng bức dùng bơm chuyên dụng.
  • Tự động hóa: Hệ thống cô đặc liên tục chưa tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh do thiếu các cảm biến đo nồng độ $\text{NaOH}$ online đủ độ tin cậy trong môi trường nhiệt độ và độ kiềm cao.

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu chuyển đổi sang mô hình buồng đốt ngoài hoặc bổ sung bơm tuần hoàn cưỡng bức khi cần nâng công suất hoặc nâng nồng độ sản phẩm $\text{NaOH}$ lên trên $45 - 50%$.
  • Khảo sát tích hợp các mạch điều khiển tự động vòng lặp kín cho lưu lượng nhập liệu, áp suất chân không và mức chất lỏng trong buồng bốc.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Môi trường và các kỹ sư thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị cô đặc công nghiệp.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Quy trình và thuật toán tính lặp phân phối hơi thứ, tính tổn thất nhiệt độ sôi theo nồng độ (công thức Tysenco) và áp suất thủy tĩnh trong hệ thống cô đặc nhiều nồi.
    • Phương pháp kiểm tra độ bền, độ ổn định vỏ mỏng hình trụ và nắp ellipse khi làm việc trong điều kiện chân không sâu (áp suất ngoài).
    • Bảng số liệu kích thước chuẩn của hệ thống ống dẫn, mặt bích và kết cấu tăng cứng lỗ khoét trên thân thiết bị chịu áp lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và yêu cầu công nghệ chính của hệ thống cô đặc này là gì?

Hệ thống được thiết kế để xử lý dung dịch $\text{NaOH}$ với lưu lượng nhập liệu $G_đ = 3\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $3393\text{ kg/h}$) ở nồng độ ban đầu $x_đ = 12%$ khối lượng, cô đặc liên tục để đạt nồng độ sản phẩm đầu ra $x_c = 32%$ khối lượng.

2. Vì sao tác giả lựa chọn hệ thống 2 nồi xuôi chiều làm việc ở chế độ chân không?

Sơ đồ xuôi chiều cho phép dung dịch tự chảy từ nồi 1 sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất ($P_1 = 1{,}43\text{ at} > P_2 = 0{,}2104\text{ at}$) mà không cần bơm trung gian. Việc sử dụng hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt nồi 2 giúp tiết kiệm chi phí năng lượng. Chế độ chân không ở nồi 2 giúp hạ nhiệt độ sôi của dung dịch xuống $84{,}03^\circ\text{C}$, giảm tiêu hao nhiệt và hạn chế tốc độ ăn mòn kim loại của dung dịch kiềm nóng.

3. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thiết bị và bề dày thân được tính toán là bao nhiêu?

Toàn bộ thân, nắp, đáy và chùm ống truyền nhiệt được chế tạo bằng thép không gỉ $\text{X18H10T}$ có bổ sung chiều dày ăn mòn $C_a = 1\text{ mm}$ cho chu kỳ làm việc 10 năm. Bề dày thân buồng đốt chọn $S = 4\text{ mm}$ cho cả hai nồi; bề dày thân buồng bốc chọn $S = 10\text{ mm}$ (đáp ứng điều kiện bền chịu áp suất ngoài/chân không ở nồi 2); bề dày nắp ellipse và đáy nón chọn $S = 10\text{ mm}$.

4. Kết cấu buồng đốt của mỗi nồi gồm bao nhiêu ống truyền nhiệt và bố trí ra sao?

Mỗi buồng đốt có đường kính trong $D_t = 800\text{ mm}$, chứa chùm ống truyền nhiệt dài $H = 2\text{ m}$ gồm 204 ống $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$ (đường kính ngoài $29\text{ mm}$) bố trí theo hình lục giác đều, ở tâm thay thế 37 ống để lắp đặt 01 ống tuần hoàn trung tâm đường kính trong $273\text{ mm}$ ($\Phi 277 \times 2\text{ mm}$). Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán của mỗi nồi là $29{,}86\text{ m}^2$.

5. Lượng hơi đốt tiêu thụ và lượng hơi thứ tạo ra trong toàn hệ thống là bao nhiêu?

Tổng lượng hơi thứ bốc lên từ hai nồi là $W = 2120{,}625\text{ kg/h}$ (nồi 1 bốc $1040{,}340\text{ kg/h}$, nồi 2 bốc $1080{,}285\text{ kg/h}$). Lượng hơi đốt bão hòa sơ cấp ($4\text{ at}$) cần cung cấp cho buồng đốt nồi 1 là $D = 1141{,}272\text{ kg/h}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ 2 nồi xuôi chiều có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm với năng suất nhập liệu $3\text{ m}^3/\text{h}$ từ nồng độ $12%$ lên $32%$. Toàn bộ các bước cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán truyền nhiệt và kiểm tra độ bền cơ khí thân - nắp - đáy dưới điều kiện áp suất dư và áp suất chân không đều được giải quyết chặt chẽ, chính xác trên nền vật liệu thép không gỉ $\text{X18H10T}$. Báo cáo và hệ thống bản vẽ kỹ thuật kèm theo cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh, chuẩn mực cho công tác giảng dạy, học tập và thiết kế các hệ thống thiết bị truyền nhiệt - cô đặc trong ngành kỹ thuật hóa chất.