Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp liên quan, quá trình xử lý các hệ dung dịch rắn tan trong lỏng là công đoạn phổ biến nhằm thu nhận sản phẩm có nồng độ chất tan theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. Để nâng cao nồng độ dung dịch, giải pháp thông dụng là sử dụng nhiệt năng làm bay hơi một phần dung môi ở nhiệt độ sôi (quá trình cô đặc), trong khi chất tan không bay hơi được giữ lại trong pha lỏng.

Dung dịch Natri hydroxyt ($\text{NaOH}$) là một hóa chất cơ bản có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp mũi nhọn như sản xuất giấy, xà phòng, chất tẩy rửa, sợi nhân tạo, luyện nhôm, tinh chế dầu mỏ và công nghệ dệt nhuộm. Tuy nhiên, $\text{NaOH}$ là một bazơ mạnh, có tính ăn mòn thiết bị kim loại cao và độ nhớt biến đổi mạnh theo nồng độ cũng như nhiệt độ. Do đó, việc thiết kế một hệ thống cô đặc công nghiệp vừa đảm bảo năng suất, vừa tiết kiệm năng lượng hơi đốt là yêu cầu kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn. Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" của tác giả Bùi Hương Ly (Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) thực hiện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho hệ thống này với các yêu cầu và thông số cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu và thiết kế:

    • Thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều sử dụng thiết bị cô đặc ống tuần hoàn cưỡng bức nhằm cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ từ nồng độ loãng lên nồng độ yêu cầu.
    • Tính toán toàn diện cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của hệ thống cô đặc 2 nồi.
    • Xác định hệ số truyền nhiệt, tính toán kích thước bề mặt truyền nhiệt và các thông số công nghệ của thiết bị chính.
    • Tính toán thiết kế các thiết bị phụ trợ bao gồm: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu kiểu ống chùm, hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao, thùng cao vị và mạng lưới đường ống công nghệ.
    • Xác định các thông số cơ khí cơ bản của thiết bị (kết cấu buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp, bích và tai treo giá đỡ).

  2. Các thông số kỹ thuật ban đầu:

    • Năng suất tính theo dung dịch đầu ($G_đ$): $3,25\text{ tấn/h}$ (tương đương $3250\text{ kg/h}$).
    • Nồng độ đầu của dung dịch ($x_đ$): $12,23%$ khối lượng.
    • Nồng độ cuối của dung dịch ($x_c$): $29,21%$ khối lượng.
    • Áp suất hơi đốt làm việc tại nồi 1 ($P_1$): $4\text{ at}$ ($0,392\text{ MPa}$).
    • Áp suất tại thiết bị ngưng tụ Baromet ($P_{ng}$): $0,2\text{ at}$ ($0,0196\text{ MPa}$).
    • Chiều cao ống gia nhiệt trong buồng đốt ($H$): $3\text{ m}$.

  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ dung dịch $\text{NaOH} - \text{H}_2\text{O}$ và hệ thống thiết bị cô đặc 2 nồi làm việc xuôi chiều liên tục.
    • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế công nghệ và tính toán cơ khí thiết bị cô đặc ống tuần hoàn tại Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2022).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Nội dung đồ án được xây dựng dựa trên lý thuyết nhiệt động lực học và thủy lực học của kỹ thuật hóa học, trực tiếp vận dụng các công thức chuẩn mực từ tài liệu "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1 và Tập 2) và giáo trình chuyên ngành.

  1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

    • Quá trình cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Ứng dụng nguyên lý sử dụng hơi thứ sinh ra từ nồi trước làm hơi đốt cho nồi tiếp theo. Điều kiện động lực học cho quá trình truyền nhiệt liên tục là sự tồn tại chênh lệch áp suất làm việc và chênh lệch nhiệt độ giữa các nồi ($P_1 > P_2 > P_{ng}$ và $t_1 > t_2 > t_{ng}$).
    • Mô hình truyền nhiệt bề mặt: Sự truyền nhiệt qua vách kim loại ống chùm từ pha hơi ngưng tụ sang chất lỏng sôi, tính toán dựa trên định luật Newton về cấp nhiệt và phương trình truyền nhiệt tổng quát $Q = K \cdot F \cdot \Delta T$.
    • Hiện tượng tổn thất nhiệt độ: Xác định tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống thông qua ba thành phần:
      • Tổn thất do nồng độ ($\Delta'$): Xác định theo công thức Babo - Tishtsenko dựa trên độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch chứa chất tan so với dung môi nguyên chất ở cùng áp suất.
      • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Sự gia tăng nhiệt độ sôi tại các lớp chất lỏng nằm sâu bên dưới bề mặt thoáng do cột chất lỏng tạo ra áp suất bổ sung.
      • Tổn thất do trở lực đường ống ($\Delta'''$): Tổn thất áp suất và nhiệt độ khi hơi thứ chuyển động trong hệ thống đường ống nối giữa các thiết bị.

  2. Phương pháp nghiên cứu và tính toán công nghệ:

    • Phương pháp cân bằng vật chất (Material Balance): Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng cho toàn bộ hệ thống và từng nồi cô đặc để xác định tổng lượng hơi thứ bốc ra ($W$), lượng hơi thứ từng nồi ($W_1, W_2$) và nồng độ trung gian ($x_1$).
    • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng (Heat Balance): Lập phương trình cân bằng năng lượng dạng entanpi (tổng nhiệt lượng vào bằng tổng nhiệt lượng ra cộng tổn thất nhiệt) nhằm tính toán lượng hơi đốt tiêu tốn ($D$) và kiểm tra phân bố hơi thứ. Áp dụng phương pháp lặp giả thiết và hiệu chỉnh sai số cho đến khi sai số tương đối $\varepsilon < 5%$.
    • Phương pháp chuẩn số thủy lực và truyền nhiệt: Sử dụng các chuẩn số không thứ nguyên ($Re, Pr, Nu$) để xác định chế độ chảy và hệ số cấp nhiệt đối lưu trong thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu và ống dẫn.

  3. Nguồn dữ liệu tra cứu:

    • Các thông số hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, hàm nhiệt hơi bão hòa, nhiệt hóa hơi, hệ số dẫn nhiệt) của dung dịch $\text{NaOH}$, nước và hơi nước được tra cứu trực tiếp từ các bảng số liệu kỹ thuật trong Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2).

Thuyết minh dây chuyền công nghệ và thiết kế hệ thống

Hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ được thiết kế làm việc theo phương thức liên tục, 2 nồi xuôi chiều. Dây chuyền công nghệ bao gồm các thiết bị và tiến trình vận hành như sau:

Dung dịch $\text{NaOH}$ loãng ban đầu ($12,23%$) từ thùng chứa nguyên liệu (1) được bơm ly tâm (2) vận chuyển lên thùng cao vị (3). Thùng cao vị được trang bị gờ chảy tràn nhằm duy trì mức chất lỏng và lưu lượng dòng nạp luôn ổn định. Từ thùng cao vị, dung dịch chảy qua lưu lượng kế (4) vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (5) kiểu ống chùm ngược chiều. Tại đây, dung dịch được đun nóng sơ bộ từ nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$) đến nhiệt độ sôi ($119,55^\circ\text{C}$) bằng hơi nước bão hòa cấp từ bên ngoài ở áp suất $4\text{ at}$.

Dung dịch sau khi gia nhiệt đạt trạng thái sôi được dẫn vào buồng đốt của nồi cô đặc số 1 (6). Hơi đốt ngoài ($P_1 = 4\text{ at}$) đi vào khoang ngoài ống chùm để truyền nhiệt cho dung dịch chuyển động bên trong ống. Nước ngưng tụ được tháo ra qua cửa xả nước ngưng, còn khí không ngưng được thoát ra ở đỉnh khoang hơi. Dung dịch sôi tạo ra hơi thứ bốc lên buồng bốc hơi. Hơi thứ nồi 1 được tách bọt và dẫn sang làm hơi đốt cho buồng đốt của nồi cô đặc số 2 (7).

Dung dịch $\text{NaOH}$ từ đáy nồi 1 tự động chuyển dịch sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất làm việc giữa hai nồi ($P_1 > P_2$) mà không cần sử dụng bơm vận chuyển. Do áp suất làm việc ở nồi 2 thấp hơn ($P_2 = 1,43\text{ at}$), nhiệt độ sôi của dung dịch ở nồi 2 ($84,18^\circ\text{C}$) thấp hơn nhiệt độ dung dịch đi vào từ nồi 1, dẫn đến hiện tượng tự bốc hơi một phần dung môi mà không cần tiêu tốn thêm nhiệt năng bên ngoài.

Sau khi đạt nồng độ cuối cùng ($29,21%$) ở nồi 2, dung dịch sản phẩm được bơm tháo liệu (2) đưa vào thùng chứa sản phẩm (9). Hơi thứ thoát ra từ buồng bốc nồi 2 được đưa sang thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao (10). Thiết bị ngưng tụ vận hành theo nguyên lý tiếp xúc trực tiếp ngược chiều loại khô: nước làm lạnh phun từ trên xuống qua các tấm ngăn bán nguyệt có đục lỗ, tiếp xúc với hơi thứ đi từ dưới lên để ngưng tụ thành pha lỏng, sau đó tự chảy tràn qua ống Baromet (cao trên $10,5\text{ m}$) xuống thùng chứa nước ngưng. Khí không ngưng đi qua thiết bị tách bọt (11) và được bơm chân không (12) hút thải ra ngoài môi trường.

Ưu điểm của dây chuyền:

  • Tận dụng triệt để chênh lệch áp suất giữa các nồi để vận chuyển dung dịch tự nhiên, loại bỏ bơm trung gian giữa hai nồi.
  • Khai thác hiệu quả nhiệt tỏa ra do quá trình tự bốc hơi khi dung dịch đi từ nồi áp suất cao sang nồi áp suất thấp.

Nhược điểm của dây chuyền:

  • Nồng độ dung dịch tăng dần về các nồi sau làm độ nhớt tăng nhanh trong khi nhiệt độ sôi giảm, làm suy giảm đáng kể hệ số cấp nhiệt và hệ số truyền nhiệt ở nồi cuối.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung và thuyết minh dây chuyền sản xuất

Chương này tổng quan về các phương pháp cô đặc trong công nghiệp hóa chất và phân tích các đặc trưng cơ bản của đối tượng xử lý:

  • Đặc tính dung dịch $\text{NaOH}$: Trình bày tính chất vật lý (khối lượng riêng $2,02$, nhiệt độ nóng chảy $327,6 \pm 0,9^\circ\text{C}$, tính hút ẩm mạnh và sinh nhiệt lớn khi hòa tan vào nước), tính chất hóa học bazơ mạnh, mức độ ăn mòn kim loại và các phương pháp sản xuất công nghiệp (phương pháp vôi hóa từ $\text{Na}_2\text{CO}_3$ và phương pháp hiện đại điện phân dung dịch $\text{NaCl}$ bão hòa có màng ngăn).
  • Ứng dụng công nghiệp: Thống kê các lĩnh vực sử dụng $\text{NaOH}$ như sản xuất xenlulozơ, xà phòng, chất tẩy rửa, tinh chế dầu mỏ, sản xuất tơ nhân tạo và làm sạch quặng bauxit trong sản xuất nhôm.
  • Nguyên lý cô đặc và sơ đồ công nghệ: So sánh ưu nhược điểm của cô đặc một nồi và nhiều nồi, khẳng định tính kinh tế của hệ thống 2 nồi xuôi chiều; thuyết minh chi tiết sơ đồ dòng công nghệ kèm chức năng của từng thiết bị trong dây chuyền.

Chương 2: Tính toán thiết bị chính

Tác giả tiến hành tính toán công nghệ chuyên sâu cho thiết bị cô đặc ống tuần hoàn:

  1. Cân bằng vật chất:

    • Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống: $$W = G_đ \cdot \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 3250 \cdot \left(1 - \frac{0,1223}{0,2921}\right) = 1889,25\text{ kg/h}$$
    • Giả thiết ban đầu phân phối hơi thứ đều cho hai nồi: $W_1 = W_2 = 944,625\text{ kg/h}$.
    • Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1: $x_1 = 17,24%$; nồng độ ra khỏi nồi 2: $x_2 = 29,21%$ (trùng khớp nồng độ yêu cầu ban đầu).

  2. Cân bằng nhiệt và phân bố áp suất:

    • Chênh lệch áp suất chung toàn hệ thống: $\Delta P = P_1 - P_{ng} = 4 - 0,2 = 3,8\text{ at}$.
    • Tỷ lệ phân phối chênh lệch áp suất chọn: $\Delta P_1 = 2,57\text{ at}$; $\Delta P_2 = 1,23\text{ at}$.
    • Áp suất và nhiệt độ hơi đốt: Nồi 1 có $P_1 = 4\text{ at} \rightarrow t_1 = 142,9^\circ\text{C}$; Nồi 2 có $P_2 = 1,43\text{ at} \rightarrow t_2 = 109,3^\circ\text{C}$; Hơi ngưng tụ $P_{ng} = 0,2\text{ at} \rightarrow t_{nt} = 59,7^\circ\text{C}$.
    • Áp suất và nhiệt độ hơi thứ (tổn thất đường ống chọn $\Delta'''_1 = \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$): Hơi thứ nồi 1 đạt $t'_1 = 110,3^\circ\text{C}$ ($P'_1 = 1,48\text{ at}$); Hơi thứ nồi 2 đạt $t'_2 = 60,7^\circ\text{C}$ ($P'_2 = 0,21\text{ at}$).
Thông số tổn thất nhiệt độ Nồi 1 Nồi 2 Toàn hệ thống
Tổn thất do nồng độ ($\Delta'$) $6,85^\circ\text{C}$ $12,80^\circ\text{C}$ $19,65^\circ\text{C}$
Tổn thất do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$) $2,40^\circ\text{C}$ $10,68^\circ\text{C}$ $13,08^\circ\text{C}$
Tổn thất do đường ống ($\Delta'''$) $1,00^\circ\text{C}$ $1,00^\circ\text{C}$ $2,00^\circ\text{C}$
Tổng tổn thất nhiệt độ ($\sum \Delta$) $10,25^\circ\text{C}$ $24,48^\circ\text{C}$ $34,73^\circ\text{C}$
  • Hiệu số nhiệt độ chung của hệ thống: $\Delta t_{ch} = t_1 - t_{nt} = 142,9 - 59,7 = 83,2^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: $\Delta t_{hi} = 83,2 - 34,73 = 48,47^\circ\text{C}$.
  • Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch: Nồi 1 sôi ở $t_{s1} = 119,55^\circ\text{C}$; Nồi 2 sôi ở $t_{s2} = 84,18^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích từng nồi: $\Delta T_1 = 23,35^\circ\text{C}$; $\Delta T_2 = 25,12^\circ\text{C}$.
  1. Cân bằng nhiệt lượng và tính toán truyền nhiệt:
    • Lượng hơi đốt tiêu tốn cấp vào nồi 1: $D = 873,95\text{ kg/h}$.
    • Lượng hơi thứ tính toán lại từ hệ phương trình cân bằng nhiệt: $W_1 = 902,53\text{ kg/h}$; $W_2 = 986,72\text{ kg/h}$ (tỷ lệ $W_1 : W_2 = 1 : 1,065$). Sai số so với giả thiết cân bằng vật chất đều nhỏ hơn $5%$, đảm bảo độ tin cậy.
    • Vật liệu ống truyền nhiệt: Thép không gỉ X18H10T có $\lambda = 46\text{ W/m}\cdot\text{độ}$, bề dày ống $\delta = 2\text{ mm}$, tổng nhiệt trở cặn bẩn $\sum r = 0,387 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2\text{độ/W}$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ: $\alpha_{11} = 5601,65\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; $\alpha_{12} = 6874,18\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_{21} = 2263,32\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; $\alpha_{22} = 2054,86\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: Nồi 1 đạt $K_1 = 761,611\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$; Nồi 2 đạt $K_2 = 572,24\text{ W/m}^2\cdot\text{độ}$.
    • Bề mặt truyền nhiệt tính toán: Nồi 1 cần $F_1 = 44,52\text{ m}^2$; Nồi 2 cần $F_2 = 45,76\text{ m}^2$. Tác giả quy chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt bằng nhau cho cả hai nồi: $F_1 = F_2 = 45\text{ m}^2$.

Chương 3: Tính toán thiết bị phụ

Tính toán kích thước hình học và thông số công nghệ của các cụm thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:

  • Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (kiểu ống chùm ngược chiều):
    • Hơi đốt sử dụng: Hơi nước bão hòa ở $4\text{ at}$ ($142,9^\circ\text{C}$). Gia nhiệt dòng nhập liệu từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $119,55^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt lượng trao đổi: $Q = 1029165,774\text{ W}$.
    • Ống truyền nhiệt: Thép CT3, đường kính $d = 38 \times 2\text{ mm}$ (đường kính trong $34\text{ mm}$), chiều dài ống $L = 2\text{ m}$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt: $F = 22,22\text{ m}^2$.
    • Số lượng ống truyền nhiệt: $n = 127\text{ ống}$ (bố trí theo hình lục giác đều với 6 cạnh).
    • Đường kính trong của vỏ thiết bị: Tính toán $0,7904\text{ m}$, quy chuẩn $D = 800\text{ mm}$ (tại mục tổng kết ghi $D = 1100\text{ mm}$).
    • Phân ngăn dòng chảy: Thiết bị được chia thành 4 ngăn để tăng vận tốc dung dịch trong ống, đưa chế độ chảy từ chảy tầng sang chảy xoáy ($Re = 4478,7 > 4000$) nhằm nâng cao hệ số cấp nhiệt.
  • Hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet:
    • Loại thiết bị: Ngưng tụ trực tiếp loại khô, ngược chiều chân cao.
    • Hơi ngưng tụ: Hơi thứ nồi 2 có lưu lượng $W_2 = 944,65\text{ kg/h}$ ở áp suất $0,2\text{ at}$.
    • Nước làm lạnh: Vào ở $25^\circ\text{C}$, ra ở $50^\circ\text{C}$.
    • Đường kính trong thiết bị ngưng tụ: Tính toán $D_{tr} = 0,8341\text{ m}$, quy chuẩn $D_{tr} = 0,9\text{ m}$ ($900\text{ mm}$).
    • Tấm ngăn dạng bán nguyệt: Chiều rộng $b = 500\text{ mm}$, đục lỗ tròn đường kính $d = 2\text{ mm}$ sắp xếp theo hình lục giác đều với bước lỗ $t = 0,866\text{ mm}$.
    • Ống Baromet tháo nước ngưng: Đường kính xác định theo lưu lượng nước xả, chiều cao ống thiết kế $H \ge 10,5\text{ m}$ để duy trì áp suất chân không và ngăn nước dâng ngược vào buồng ngưng.
  • Xác định trở lực và chiều cao thùng cao vị:
    • Thiết lập phương trình tổn thất áp suất toàn phần: $\Delta P = \Delta P_đ + \Delta P_m + \Delta P_{cb} + \Delta P_H$.
    • Tính toán tổn thất áp suất động học, ma sát thành ống và trở lực cục bộ (van, cút khuỷu $90^\circ$, lưu lượng kế) trên các đoạn ống dẫn liệu đường kính $d = 70\text{ mm}$:
      • Đoạn từ thiết bị gia nhiệt đến nồi cô đặc 1: Tổng trở lực $\Delta P = 2966,91\text{ N/m}^2$.
      • Đoạn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt: Trở lực ma sát trên chiều dài $L = 15\text{ m}$ và trở lực qua các chi tiết cục bộ.
      • Trở lực nội tại qua 4 ngăn của thiết bị gia nhiệt ống chùm.

Chương 4: Tính toán và lựa chọn cơ khí

Theo đề cương và danh mục thiết kế trong mục lục đồ án, chương này bao gồm các tính toán độ bền cơ học và tra cứu tiêu chuẩn cho thiết bị:

  • Xác định đường kính trong, chiều dày thân buồng đốt và số lượng ống truyền nhiệt.
  • Tính toán chiều dày vỉ đỡ ống (lưới đỡ ống), chiều dày đáy nắp buồng đốt.
  • Xác định đường kính ống tuần hoàn trung tâm và tra bích tiêu chuẩn ghép nối đáy với thân buồng đốt.
  • Xác định thể tích, đường kính trong, chiều cao và bề dày thành buồng bốc hơi, chiều dày nắp buồng bốc hơi dạng cầu hoặc elip.
  • Tính toán kích thước ống có gờ thép CT3 với góc đáy $60^\circ$.
  • Tính toán đường kính các cửa dẫn nguyên liệu vào, sản phẩm ra, cửa hơi đốt, cửa hơi thứ, cửa xả nước ngưng và khí không ngưng; tra bích tiêu chuẩn đường ống dẫn bên ngoài.
  • Tính toán và lựa chọn kết cấu tai treo, giá đỡ đỡ thân thiết bị trên sàn thao tác.

Chương 5: Kết luận đồ án

Tổng kết toàn bộ quá trình tính toán công nghệ, khẳng định tính khả thi của các thông số kỹ thuật được lựa chọn và mức độ hoàn thành nhiệm vụ thiết kế hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ số liệu thiết kế công nghệ cho hệ thống cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ năng suất $3,25\text{ tấn/h}$. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính thể hiện kết quả tính toán có trong đồ án:

Hạng mục thiết bị / Thông số Đại lượng / Đơn vị Giá trị tính toán Giá trị quy chuẩn
Hệ thống cô đặc chính
Năng suất dung dịch ban đầu ($G_đ$) $\text{kg/h}$ $3250$ -
Nồng độ ban đầu / Nồng độ cuối ($x_đ / x_c$) $%$ $12,23 / 29,21$ -
Tổng lượng hơi thứ bốc ra ($W$) $\text{kg/h}$ $1889,25$ -
Tiêu hao hơi đốt nồi 1 ($D$) $\text{kg/h}$ $873,95$ -
Tổng tổn thất nhiệt độ hệ thống ($\sum \Delta$) $^\circ\text{C}$ $34,73$ -
Hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta t_{hi}$) $^\circ\text{C}$ $48,47$ -
Diện tích bề mặt truyền nhiệt mỗi nồi ($F_1, F_2$) $\text{m}^2$ $44,52 / 45,76$ $45$
Chiều cao ống truyền nhiệt buồng đốt ($H$) $\text{m}$ $3,0$ $3,0$
Vật liệu chế tạo ống truyền nhiệt - Thép X18H10T $\delta = 2\text{ mm}$
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
Nhiệt lượng trao đổi ($Q$) $\text{W}$ $1029165,77$ -
Bề mặt truyền nhiệt ($F$) $\text{m}^2$ $22,22$ -
Số lượng ống truyền nhiệt ($n$) ống $104,06$ $127$
Quy cách ống truyền nhiệt (Thép CT3) $\text{mm}$ $38 \times 2$ $L = 2\text{ m}$
Số ngăn dòng chảy phân chia ngăn $3,28$ $4$
Đường kính trong thiết bị gia nhiệt ($D$) $\text{mm}$ $790,4$ $800$ (hoặc $1100$)
Thiết bị ngưng tụ Baromet
Đường kính trong thiết bị ngưng tụ ($D_{tr}$) $\text{mm}$ $834,1$ $900$
Chiều rộng tấm ngăn bán nguyệt ($b$) $\text{mm}$ $500$ $500$
Đường kính lỗ đĩa tấm ngăn ($d_{lỗ}$) $\text{mm}$ $2,0$ $2,0$
Chiều cao quy định ống Baromet ($H$) $\text{m}$ - $\ge 10,5$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án:

  • Xây dựng quy trình tính toán nhiệt và thủy lực có hệ thống cho hệ dung dịch có độ nhớt và tính ăn mòn cao như $\text{NaOH}$, kiểm chứng các sai số lặp giữa cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng đều nằm trong giới hạn cho phép ($\varepsilon < 5%$).
  • Giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất truyền nhiệt trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu bằng giải pháp chia 4 ngăn, chuyển thành công chế độ chảy của dung dịch từ chảy tầng sang chảy xoáy ($Re = 4478,7$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản kỹ thuật được tác giả trình bày, đề tài còn tồn tại một số hạn chế và hướng mở:

  1. Hạn chế của đồ án:

    • Văn bản tính toán chỉ xem xét quá trình ở chế độ làm việc ổn định (steady-state), chưa khảo sát dao động nhiệt động và thủy lực khi phụ tải đầu vào thay đổi.
    • Tác giả tự nhận định còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế và chiều sâu kiến thức chuyên môn; một số thông số lựa chọn phụ thuộc vào các hệ số kinh nghiệm tra bảng mà chưa có dữ liệu kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm (pilot).
    • Phần số liệu hiển thị trong văn bản còn một vài chỗ không đồng nhất giữa kết quả tính toán chi tiết và phần tổng kết quy chuẩn (như đường kính thiết bị gia nhiệt ghi $800\text{ mm}$ ở trang 35 nhưng ghi $1100\text{ mm}$ ở bảng tổng hợp trang 36; tên gọi thiết bị lúc dùng "ống tuần hoàn ngoài", lúc dùng "ống tuần hoàn cưỡng bức").

  2. Hướng phát triển tiếp theo:

    • Bổ sung tính toán động học ăn mòn thực tế của dung dịch $\text{NaOH}$ ở nhiệt độ cao ($> 119^\circ\text{C}$) đối với vật liệu chế tạo để đưa ra quy chuẩn chiều dày bổ sung ăn mòn chính xác hơn cho thân thiết bị và mối hàn.
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển quá trình: tự động điều chỉnh lưu lượng hơi đốt theo nồng độ sản phẩm đầu ra và kiểm soát mức chất lỏng trong buồng bốc hơi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật chi tiết dành cho:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa học - Dầu khí, Công nghệ Thực phẩm khi thực hiện Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (học phần Cô đặc - Truyền nhiệt) hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Nội dung giá trị nhất:
    • Quy trình mẫu về tính toán tổn thất nhiệt độ 3 thành phần ($\Delta', \Delta'', \Delta'''$) của dung dịch chất tan vô cơ.
    • Phương pháp thiết lập và giải hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng để tìm lượng hơi đốt $D$ và lượng hơi thứ phân bố thực tế $W_1, W_2$.
    • Các bước tính toán thủy lực chia ngăn cho thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và tính toán thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao kèm trở lực đường ống nạp liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và khoảng nồng độ cô đặc của hệ thống được thiết kế ở mức nào?
Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $3,25\text{ tấn dung dịch/h}$ ($3250\text{ kg/h}$), thực hiện cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ từ nồng độ ban đầu $12,23%$ khối lượng lên nồng độ sản phẩm $29,21%$ khối lượng.

2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là bao nhiêu và lượng hơi đốt cần cấp cho nồi 1 là bao nhiêu?
Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống tính từ cân bằng vật chất là $1889,25\text{ kg/h}$. Qua tính toán cân bằng nhiệt lượng, lượng hơi đốt bão hòa áp suất $4\text{ at}$ cần cung cấp vào buồng đốt nồi 1 là $873,95\text{ kg/h}$.

3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống cô đặc được xác định bằng bao nhiêu và gồm những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là $\sum \Delta = 34,73^\circ\text{C}$, bao gồm:

  • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ dung dịch tăng: $\Delta' = 19,65^\circ\text{C}$ (nồi 1 là $6,85^\circ\text{C}$, nồi 2 là $12,80^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng: $\Delta'' = 13,08^\circ\text{C}$ (nồi 1 là $2,40^\circ\text{C}$, nồi 2 là $10,68^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 2,00^\circ\text{C}$ (mỗi nồi chọn $1,00^\circ\text{C}$).

4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu có thông số cấu tạo ra sao và vì sao phải chia 4 ngăn?
Thiết bị gia nhiệt là kiểu ống chùm ngược chiều gồm $127\text{ ống}$ truyền nhiệt bằng thép CT3 đường kính $38 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $2\text{ m}$, diện tích bề mặt truyền nhiệt $22,22\text{ m}^2$. Thiết bị được chia làm 4 ngăn nhằm thu hẹp tiết diện dòng chảy, làm tăng vận tốc dung dịch trong ống lên $0,0664\text{ m/s}$, đưa chuẩn số Reynolds lên mức $Re = 4478,7$ để dòng chảy đạt chế độ xoáy ($Re > 4000$), giúp tăng mạnh hệ số cấp nhiệt đối lưu.

5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt của hai nồi cô đặc chính được chọn là bao nhiêu?
Từ kết quả tính toán truyền nhiệt, diện tích bề mặt truyền nhiệt tính được của nồi 1 là $44,52\text{ m}^2$ và nồi 2 là $45,76\text{ m}^2$. Để thuận tiện cho chế tạo, lắp đặt và vận hành, tác giả đã quy chuẩn diện tích bề mặt truyền nhiệt của cả hai nồi bằng nhau là $F_1 = F_2 = 45\text{ m}^2$.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Bùi Hương Ly đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều ống tuần hoàn cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ năng suất $3,25\text{ tấn/h}$. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, tính toán truyền nhiệt và thủy lực thiết bị phụ trợ mạch lạc, tuân thủ đúng phương pháp kỹ thuật hóa chất chuẩn mực. Kết quả tính toán đưa ra các thông số cụ thể cho thiết bị chính ($F = 45\text{ m}^2$), thiết bị gia nhiệt ($F = 22,22\text{ m}^2$, $127\text{ ống}$) và thiết bị ngưng tụ Baromet ($D_{tr} = 0,9\text{ m}$), tạo thành hồ sơ kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác học tập và thiết kế môn học ngành Công nghệ Hóa chất.