Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp hóa chất, Natri hydroxit ($\text{NaOH}$) là một trong những hợp chất vô cơ cơ bản giữ vai trò thiết yếu, phục vụ trực tiếp cho nhiều quy trình sản xuất như chế biến xenlulozơ từ gỗ, sản xuất xà phòng, chất tẩy rửa, công nghiệp giấy, tơ nhân tạo, tinh chế dầu mỏ, sản xuất nhôm và dược phẩm. Trong quy trình công nghệ điều chế $\text{NaOH}$ (đặc biệt là phương pháp điện phân dung dịch $\text{NaCl}$ bão hòa), dung dịch thu được thường có nồng độ thấp. Do đó, quá trình cô đặc là công đoạn bắt buộc nhằm đưa dung dịch đến nồng độ cao hơn, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của các hộ tiêu thụ, giảm chi phí vận chuyển, thể tích bồn bể tồn trữ và tạo điều kiện cho các quá trình kết tinh tiếp theo.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học của tác giả Mai Ngọc Khánh Toàn (Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) tập trung giải quyết bài toán tính toán và thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống cô đặc công nghiệp. Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo các thông số ban đầu:
- Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi xuôi chiều có tuần hoàn cưỡng bức dùng cho dung dịch $\text{NaOH}$.
- Năng suất tính theo dung dịch đầu vào: $G_đ = 9520\text{ kg/h}$.
- Nồng độ ban đầu của nguyên liệu: $x_đ = 10%$ khối lượng.
- Nồng độ sản phẩm yêu cầu ở đầu ra: $x_c = 35%$ khối lượng.
- Áp suất hơi đốt cấp vào buồng đốt nồi 1: $P_1 = 4\text{ at}$.
- Áp suất hơi tại thiết bị ngưng tụ chân không: $P_{ng} = 0,2\text{ at}$.
- Chiều cao ống gia nhiệt của buồng đốt: $H = 2\text{ m}$.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều kiểu ống chùm thẳng đứng kèm các thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu và thiết bị ngưng tụ Baromet). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các tính toán công nghệ hóa chất, bao gồm cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định kích thước truyền nhiệt cơ bản và tính toán thủy lực cho các thiết bị chính và thiết bị phụ trong dây chuyền.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý luận của đồ án dựa trên các nguyên lý truyền nhiệt và truyền khối trong kỹ thuật hóa học:
- Hiện tượng cô đặc và nhiệt độ sôi của dung dịch: Dung môi (nước) bay hơi ở nhiệt độ sôi dưới tác dụng của nhiệt cấp từ hơi nước bão hòa, trong khi chất tan ($\text{NaOH}$) không bay hơi, dẫn đến nồng độ dung dịch tăng dần. Sự gia tăng nồng độ làm nhiệt độ sôi của dung dịch luôn cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất. Hiện tượng này dẫn đến tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$), được tính toán theo công thức Tishchenko kết hợp bảng tra cứu thực nghiệm.
- Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Nhiệt độ sôi của dung dịch tăng dần theo chiều sâu của lớp chất lỏng trong ống truyền nhiệt do trọng lượng cột chất lỏng tạo ra áp suất bổ sung.
- Tổn thất nhiệt độ do trở lực thủy lực đường ống ($\Delta'''$): Hơi thứ vận chuyển qua các đường ống nối giữa các thiết bị chịu ma sát và tổn thất áp suất, làm giảm nhiệt độ bão hòa của hơi đốt nồi sau.
- Phương pháp cân bằng vật liệu và nhiệt lượng: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và phương trình cân bằng entanpi tổng quát (nhiệt vào = nhiệt ra + nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, với giả thiết nhiệt mất mát chiếm 5% nhiệt lượng hữu ích).
- Lý thuyết truyền nhiệt thực nghiệm: Sử dụng các phương trình chuẩn số đồng dạng thủy động và nhiệt ($Nu, Re, Pr$) để xác định hệ số cấp nhiệt phía dòng chảy xoáy; công thức màng ngưng tụ của Nusselt cho dòng hơi bão hòa ngưng ngoài ống đứng; phương pháp Paplov để xác định độ nhớt của dung dịch $\text{NaOH}$ dựa trên chất lỏng chuẩn là nước.
Phương pháp nghiên cứu thực tế là phương pháp giải tích kỹ thuật kết hợp tra cứu số liệu thực nghiệm từ bộ sách "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1 và Tập 2). Quy trình tính toán sử dụng phương pháp lặp đúng dần: giả thiết tỷ lệ phân phối áp suất và chênh lệch nhiệt độ hữu ích giữa các nồi, tiến hành tính toán hệ số cấp nhiệt và truyền nhiệt, sau đó kiểm tra sai số tương đối (yêu cầu sai số dưới 5% để chấp nhận kết quả).
Thiết kế và triển khai
Hệ thống công nghệ được thiết kế gồm chuỗi thiết bị liên hoàn:
- Dây chuyền thiết bị: Dung dịch $\text{NaOH}$ 10% từ thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3) có bố trí gờ chảy tràn nhằm giữ ổn định lưu lượng. Dung dịch tiếp tục qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm (5) để gia nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ sôi ($118,42^\circ\text{C}$) bằng hơi nước bão hòa 4 at. Dung dịch sau đó vào nồi cô đặc 1 (6), sôi và bốc hơi một phần nước. Dung dịch chuyển tiếp sang nồi cô đặc 2 (7) hoàn toàn tự động nhờ độ chênh áp suất chân không giữa hai nồi ($P_1 > P_2$). Tại nồi 2, do áp suất giảm, dung dịch xảy ra quá trình tự bốc hơi. Dung dịch đạt nồng độ 35% được bơm ra thùng chứa sản phẩm (9).
- Hệ thống hơi và ngưng tụ: Hơi đốt sơ cấp (4 at) đun nóng nồi 1. Hơi thứ thoát ra từ phòng bốc nồi 1 được dẫn làm hơi đốt cho buồng đốt nồi 2. Hơi thứ của nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet loại khô ngược chiều (10) tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh phun từ trên xuống để ngưng tụ thành lỏng và xả tự nhiên qua ống Baromet cao trên 11 m. Khí không ngưng được dẫn qua bình tách bọt (11) và hút ra ngoài bằng bơm chân không (12).
- Vật liệu và kết cấu chế tạo: Toàn bộ ống truyền nhiệt của nồi cô đặc và thiết bị gia nhiệt được chọn làm bằng thép $\text{CT3}$ có hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 50\text{ W/m}\cdot\text{độ}$, đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn của dung dịch $\text{NaOH}$ ở nồng độ dưới 35% và nhiệt độ làm việc dưới $120^\circ\text{C}$. Chiều dày thành ống truyền nhiệt chọn $\delta = 2\text{ mm}$, quy cách ống đường kính ngoài $38\text{ mm}$ và chiều dài $2\text{ m}$.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Giới thiệu chung
Nội dung phần này khái quát các đặc tính hóa lý cơ bản của Natri hydroxit: khối lượng riêng $2,13\text{ g/ml}$, nhiệt độ nóng chảy $318^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $1338^\circ\text{C}$, tính ăn mòn thiết bị kim loại cao, tính hút ẩm mạnh và tỏa nhiệt lớn khi hòa tan trong nước. Về công nghệ sản xuất, tác giả trình bày sự chuyển dịch từ phương pháp cổ điển (cho $\text{Ca(OH)}_2$ tác dụng với $\text{Na}_2\text{CO}_3$ loãng) sang phương pháp điện phân hiện đại dung dịch $\text{NaCl}$ có màng ngăn catot - anot bằng amiăng.
Phần thuyết minh dây chuyền tập trung phân tích ưu điểm và nhược điểm của hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức:
- Ưu điểm: Dung dịch tự chuyển từ nồi trước sang nồi sau nhờ chênh lệch áp suất làm việc mà không cần sử dụng bơm trung gian; hiện tượng tự bốc hơi xảy ra ở nồi sau giúp tiết kiệm nhiệt năng do nhiệt độ sôi nồi sau thấp hơn nhiệt độ sôi nồi trước.
- Nhược điểm: Nhiệt độ dung dịch giảm dần qua các nồi nhưng nồng độ lại tăng cao, dẫn tới độ nhớt tăng nhanh làm suy giảm hệ số truyền nhiệt ở nồi cuối; dung dịch ban đầu vào nồi 1 có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi nên bắt buộc phải bố trí thêm thiết bị gia nhiệt sơ bộ.
Phần II: Tính toán thiết bị chính
Tác giả triển khai các bước tính toán công nghệ cho hệ cô đặc hai nồi xuôi chiều:
- Cân bằng vật liệu: Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống được xác định:
$$W = G_đ \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 9520 \left(1 - \frac{10}{35}\right) = 6800\text{ kg/h}$$
Giả thiết ban đầu phân phối lượng hơi thứ hai nồi bằng nhau: $W_1 = W_2 = 3400\text{ kg/h}$. Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 đạt $x_1 = 15,56%$ và nồi 2 đạt $x_2 = 35%$.
- Phân phối áp suất và xác định tổn thất nhiệt độ:
- Chênh lệch áp suất toàn hệ thống: $\Delta P = P_1 - P_{ng} = 4 - 0,2 = 3,8\text{ at}$. Phân phối chênh lệch áp suất: nồi 1 là $\Delta P_1 = 2,6125\text{ at}$, nồi 2 là $\Delta P_2 = 1,1875\text{ at}$.
- Tổn thất nhiệt độ do nồng độ: $\Delta'_1 = 5,7206^\circ\text{C}$; $\Delta'_2 = 16,85^\circ\text{C}$; tổng tổn thất nồng độ $\Delta' = 22,5706^\circ\text{C}$.
- Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh: $\Delta''_1 = 1,7536^\circ\text{C}$; $\Delta''_2 = 8,9782^\circ\text{C}$; tổng tổn thất thủy tĩnh $\Delta'' = 10,7318^\circ\text{C}$.
- Tổn thất do trở lực đường ống: lấy $1^\circ\text{C}$ cho mỗi đoạn nối, tổng $\Delta''' = 2^\circ\text{C}$.
- Tổng tổn thất nhiệt toàn hệ thống: $\sum \Delta = 35,3024^\circ\text{C}$.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{ch} = 142,9 - 59,7 = 83,2^\circ\text{C}$; hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống $\Delta t_{hi} = 47,8976^\circ\text{C}$ ($\Delta T_1 = 24,4758^\circ\text{C}$; $\Delta T_2 = 23,4218^\circ\text{C}$).
- Cân bằng nhiệt lượng và tiêu hao hơi đốt:
Lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng giải ra lượng hơi đốt tiêu tốn ở nồi 1: $D = 3934,877\text{ kg/h}$. Lượng hơi thứ thực tế tính từ cân bằng nhiệt lượng ở nồi 1 là $W_1 = 3366,0451\text{ kg/h}$ (sai số $0,998% < 5%$ so với giả thiết $3400\text{ kg/h}$). Tỷ lệ phân phối hơi thứ thực tế giữa hai nồi là $W_1 : W_2 = 1 : 1,0201$.
- Hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt đốt:
| Thông số truyền nhiệt |
Nồi 1 |
Nồi 2 |
| Áp suất hơi đốt $P$ ($\text{at}$) |
4,0000 |
1,4625 |
| Nhiệt độ hơi đốt $t$ ($^\circ\text{C}$) |
142,90 |
109,95 |
| Nhiệt độ sôi của dung dịch $t_s$ ($^\circ\text{C}$) |
118,4242 |
86,5282 |
| Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1$ ($\text{W/m}^2\cdot\text{độ}$) |
10754,13 |
10849,79 |
| Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng $q_1$ ($\text{W/m}^2$) |
21185,64 |
17034,17 |
| Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2$ ($\text{W/m}^2\cdot\text{độ}$) |
2484,20 |
1592,23 |
| Nhiệt tải riêng phía dung dịch sôi $q_2$ ($\text{W/m}^2$) |
21225,97 |
16919,30 |
| Hệ số truyền nhiệt $K$ ($\text{W/m}^2\cdot\text{độ}$) |
866,3988 |
724,8261 |
| Nhiệt lượng trao đổi $Q$ ($\text{W}$) |
2334147,18 |
2088948,89 |
| Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán $F$ ($\text{m}^2$) |
116,40 |
116,40 |
Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán của hai nồi bằng nhau đạt xấp xỉ $116,4\text{ m}^2$. Tác giả chọn bề mặt truyền nhiệt quy chuẩn theo tiêu chuẩn ngành là $F_{chuẩn} = 125\text{ m}^2$ cho mỗi nồi.
Phần III: Tính toán thiết bị phụ
Tác giả thực hiện tính toán chi tiết cho hai thiết bị phụ trợ quan trọng trong dây chuyền:
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
- Dạng thiết bị: Ống chùm đặt đứng, dòng chuyển động ngược chiều, gia nhiệt dung dịch $\text{NaOH}$ 10% từ nhiệt độ môi trường ($25^\circ\text{C}$) lên nhiệt độ sôi ở nồi 1 ($118,4242^\circ\text{C}$) bằng hơi nước bão hòa 4 at ($142,9^\circ\text{C}$).
- Nhiệt lượng trao đổi: $Q = 904357,934\text{ W}$.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích trung bình logarit: $\Delta t_{tb} = 59,4911^\circ\text{C}$.
- Hệ số cấp nhiệt: phía hơi ngưng tụ $\alpha_1 = 9439,05\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; phía dung dịch $\alpha_2 = 1042,09\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F = 26,843\text{ m}^2$.
- Kết cấu ống chùm: Số ống truyền nhiệt tính toán $n = 112,48$ ống, quy chuẩn $n = 127$ ống (loại ống thép $\text{CT3}$ kích thước $\phi 38 \times 2\text{ mm}$, dài $2\text{ m}$) bố trí theo hình lục giác đều dạng bàn cờ với 13 ống trên đường xuyên tâm. Đường kính trong vỏ thiết bị tính toán $0,8736\text{ m}$, quy chuẩn $D = 1,0\text{ m}$.
- Thủy lực dòng chảy: Vận tốc thực tế của dung dịch trong ống là $W_t = 0,01725\text{ m/s}$. Để dòng đạt chế độ chảy xoáy ($Re = 10000$, vận tốc giả thiết $0,1329\text{ m/s}$), thiết bị được chia thành 8 ngăn dòng chảy.
- Thiết bị ngưng tụ Baromet loại khô chân cao:
- Dạng thiết bị: Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô, dòng hơi và nước đi ngược chiều. Nước lạnh phun từ đỉnh qua các tấm ngăn hình bán nguyệt đục lỗ, hơi thứ đi từ đáy lên.
- Năng suất ngưng tụ: Lượng hơi thứ vào thiết bị $W_2 = 3433,9549\text{ kg/h}$ ở áp suất $0,211\text{ at}$, nhiệt độ $60,7^\circ\text{C}$.
- Lượng nước làm mát tiêu tốn: $G_n = 79174,851\text{ kg/h}$ ứng với nước vào ở $25^\circ\text{C}$ và ra ở $50^\circ\text{C}$ ($t_{tb} = 37,5^\circ\text{C}$).
- Kích thước thân thiết bị ngưng tụ: Đường kính trong quy chuẩn $D_{tr} = 0,8\text{ m}$. Tấm ngăn hình viên phân có chiều rộng $b = 450\text{ mm}$, gờ ngăn cao $40\text{ mm}$, đục các lỗ đường kính $2\text{ mm}$ xếp theo tam giác đều bước $5,74\text{ mm}$.
- Chiều cao thiết bị: Gồm 4 bậc (8 ngăn), khoảng cách giữa các ngăn giảm dần từ dưới lên trên (ngăn dưới cùng cách nhau $440\text{ mm}$, giảm dần mỗi bậc $60\text{ mm}$ do thể tích hơi giảm). Tổng chiều cao các ngăn là $1840\text{ mm}$, khoảng cách từ ngăn trên cùng tới nắp là $1300\text{ mm}$, từ ngăn đáy tới đáy thiết bị là $1200\text{ mm}$.
- Ống tháo Baromet: Đường kính trong $d = 0,2418\text{ m}$ (với tốc độ hỗn hợp xả chọn $\omega = 0,5\text{ m/s}$). Chiều cao cột nước cân bằng áp suất chân không là $h_1 = 7,998\text{ m}$, tổng chiều cao lắp đặt ống Baromet yêu cầu trên $11\text{ m}$ để ngăn nước dâng ngược vào thiết bị.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã xây dựng được tập hợp số liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm cô đặc dung dịch kiềm:
| Hạng mục thiết bị |
Chỉ tiêu kỹ thuật chính |
Giá trị tính toán / Quy chuẩn |
| Nồi cô đặc chính (2 nồi) |
Tổng lượng hơi thứ bốc hơi ($W$) |
$6800\text{ kg/h}$ |
|
Tiêu hao hơi đốt sơ cấp 4 at ($D$) |
$3934,877\text{ kg/h}$ |
|
Nồng độ dung dịch qua nồi 1 ($x_1$) |
$15,56%$ |
|
Bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi ($F_{chuẩn}$) |
$125\text{ m}^2$ |
|
Quy cách ống truyền nhiệt ($\phi \times \delta \times H$) |
$\phi 38 \times 2\text{ mm} \times 2\text{ m}$ |
| Thiết bị gia nhiệt sơ bộ |
Nhiệt lượng trao đổi ($Q$) |
$904357,934\text{ W}$ |
|
Bề mặt truyền nhiệt ($F$) |
$26,843\text{ m}^2$ |
|
Số lượng ống truyền nhiệt ($n$) |
$127\text{ ống}$ |
|
Đường kính thân thiết bị ($D$) |
$1,0\text{ m}$ |
|
Số ngăn phân dòng chuyển động |
$8\text{ ngăn}$ |
| Thiết bị ngưng tụ Baromet |
Lượng nước làm mát tiêu thụ ($G_n$) |
$79174,851\text{ kg/h}$ |
|
Đường kính trong thiết bị ($D_{tr}$) |
$0,8\text{ m}$ |
|
Số lượng tấm ngăn bán nguyệt |
$8\text{ ngăn (4 bậc)}$ |
|
Đường kính trong ống Baromet ($d$) |
$0,2418\text{ m}$ |
|
Chiều cao ống Baromet tối thiểu |
$> 11\text{ m}$ |
Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất bao gồm:
- Lựa chọn sơ đồ tuần hoàn cưỡng bức giúp giảm thiểu hiện tượng đóng cặn bám trên bề mặt ống truyền nhiệt khi cô đặc dung dịch kiềm ở nồng độ cao (tới 35%).
- Đề xuất chia 8 ngăn cho thiết bị gia nhiệt sơ bộ để cưỡng bức dòng chất lỏng đạt chuẩn số Reynolds $Re = 10000$ (chế độ chảy xoáy), giúp tăng hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ lên $1042,09\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
- Áp dụng sơ đồ chênh lệch áp suất tự chảy giữa hai nồi kết hợp tự bốc hơi, loại bỏ sự cần thiết của bơm trung gian giữa hai buồng bốc.
Về mặt đóng góp, đồ án cung cấp một tài liệu tính toán công nghệ chi tiết, chuẩn hóa quy trình phân phối áp suất và nhiệt độ theo phương pháp kiểm định sai số nhiệt tải ($< 5%$) phù hợp với giáo trình Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất hiện hành tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên phạm vi và nội dung được trình bày trong thuyết minh đồ án, công trình tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:
- Đồ án chưa tính toán độ bền cơ học chi tiết cho thân buồng bốc và buồng đốt làm việc trong điều kiện chịu áp suất ngoài (áp suất chân không $0,2\text{ at}$ ở nồi 2 và thiết bị ngưng tụ).
- Vật liệu thép $\text{CT3}$ được lựa chọn dựa trên lý thuyết tổng quát nhưng chưa có phần đánh giá thực nghiệm về tốc độ ăn mòn cục bộ trong môi trường $\text{NaOH}$ 35% ở nhiệt độ sôi gần $90^\circ\text{C}$.
- Giả thiết tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh được cố định ở mức 5% cho cả hai nồi mà chưa tính toán lớp vật liệu bọc bảo ôn cách nhiệt cụ thể.
- Phần tính toán thủy lực trở lực ma sát và trở lực cục bộ của đoạn cuối ống tháo Baromet trong văn bản còn dừng ở mức biểu thức thiết lập, chưa hoàn thiện giá trị số cuối cùng.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là:
- Mở rộng tính toán cơ khí chi tiết cho hệ thống nắp, đáy, vỉ ống, bích ghép nối và tai treo/chân đỡ thiết bị theo tiêu chuẩn chế tạo thiết bị áp lực.
- Khảo sát các phương án vật liệu chống ăn mòn cao cấp hơn hoặc giải pháp phủ bảo vệ bề mặt nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:
- Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa dầu, Hóa phân tích và Công nghệ Thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (phần Truyền nhiệt - Cô đặc).
- Kỹ sư thiết kế công nghệ hóa chất cần tra cứu trình tự tính toán nhiệt - thủy lực cho các hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều hoặc thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.
Phần nội dung có giá trị tham khảo tốt nhất là các bước cân bằng nhiệt lượng chi tiết, phương pháp nội suy hàm nhiệt, nhiệt dung riêng và cách giải lặp kiểm tra sai số hệ số cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ ngoài ống đứng kết hợp dung dịch sôi trong ống.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều lại tiết kiệm được hơi đốt hơn so với hệ thống một nồi?
Trong hệ thống nhiều nồi xuôi chiều, hơi đốt sơ cấp từ ngoài chỉ cần cấp vào buồng đốt nồi 1. Hơi thứ sinh ra từ nồi 1 được tận dụng làm nguồn hơi đốt cho buồng đốt nồi 2 (nhờ áp suất nồi 2 thấp hơn nồi 1). Do đó, chỉ với $3934,877\text{ kg/h}$ hơi đốt sơ cấp, hệ thống đã bốc hơi được tổng cộng $6800\text{ kg/h}$ nước từ dung dịch $\text{NaOH}$.
2. Tổng tổn thất nhiệt độ trong toàn bộ hệ thống cô đặc hai nồi là bao nhiêu và thành phần nào chiếm tỷ trọng lớn nhất?
Tổng tổn thất nhiệt độ tính toán được là $35,3024^\circ\text{C}$. Trong đó, tổn thất nhiệt độ do nồng độ dung dịch tăng cao ($\Delta'$) chiếm tỷ trọng lớn nhất với $22,5706^\circ\text{C}$ (riêng nồi 2 ở nồng độ 35% đã chiếm $16,85^\circ\text{C}$), tiếp theo là tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta'' = 10,7318^\circ\text{C}$) và tổn thất do trở lực đường ống hơi ($\Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
3. Tiêu chí nào được sử dụng để khẳng định giả thiết phân phối áp suất và nhiệt tải riêng là chính xác?
Tác giả sử dụng tiêu chí sai số tương đối giữa nhiệt tải riêng phía hơi ngưng ($q_1$) và phía dung dịch sôi ($q_2$), cũng như sai số giữa hiệu số nhiệt độ hữu ích tính toán lại ($\Delta T'$) so với giả thiết ban đầu ($\Delta T$). Kết quả tính toán cho thấy sai số nhiệt tải riêng ở nồi 1 là $0,6743%$ và nồi 2 dưới $5%$; sai số hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1 là $4,45%$ và nồi 2 là $4,69%$, đều thỏa mãn điều kiện kỹ thuật nhỏ hơn $5%$.
4. Vì sao thiết bị gia nhiệt sơ bộ hỗn hợp đầu phải chia thành 8 ngăn?
Nếu để dung dịch $\text{NaOH}$ 10% chảy tự do qua toàn bộ 127 ống truyền nhiệt trong một lượt, vận tốc thực tế của chất lỏng chỉ đạt $W_t = 0,01725\text{ m/s}$ (chế độ chảy màng, cấp nhiệt kém). Để cưỡng bức dòng chảy đạt chuẩn số $Re = 10000$ (chế độ chảy xoáy với vận tốc yêu cầu $0,1329\text{ m/s}$ nhằm tối ưu hóa hệ số cấp nhiệt), tiết diện dòng chảy phải thu hẹp lại bằng cách chia thiết bị thành 8 ngăn liên hoàn.
5. Tại sao ống Baromet của thiết bị ngưng tụ phải có chiều cao tối thiểu lớn hơn 11 m?
Thiết bị ngưng tụ Baromet làm việc ở điều kiện chân không ($0,2 - 0,26\text{ at}$). Chiều cao cột nước trong ống cần đạt tối thiểu $h_1 = 7,998\text{ m}$ để tạo áp suất thủy tĩnh cân bằng với độ chênh giữa áp suất khí quyển bên ngoài và áp suất chân không bên trong thiết bị, cộng thêm tổn thất trở lực dòng chảy $h_2$ và hệ số an toàn chống tràn $0,5\text{ m}$. Quy chuẩn lắp đặt chiều cao trên $11\text{ m}$ đảm bảo nước ngưng tự động xả ra ngoài bồn chứa mà không bao giờ bị hút dâng ngược làm ngập buồng ngưng tụ.
Kết luận
Đồ án môn học của tác giả Mai Ngọc Khánh Toàn đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc hai nồi xuôi chiều tuần hoàn cưỡng bức cho dung dịch $\text{NaOH}$ năng suất $9520\text{ kg/h}$ từ 10% lên 35%. Toàn bộ các thông số nhiệt động học, kích thước hình học của thiết bị cô đặc chính ($F_{chuẩn} = 125\text{ m}^2$), thiết bị gia nhiệt sơ bộ ($F = 26,843\text{ m}^2$, 127 ống, chia 8 ngăn) và thiết bị ngưng tụ Baromet ($D_{tr} = 0,8\text{ m}$) đều được tính toán nhất quán dựa trên các công thức chuẩn mực của ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất. Kết quả tính toán có độ tin cậy cao với các biên độ sai số kiểm nghiệm đều nằm trong giới hạn cho phép dưới 5%, mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ thuật viên ngành công nghệ hóa học.
