Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất và chế biến thực phẩm, quá trình cô đặc đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao nồng độ chất tan, kết tinh tách chất rắn hoặc thu hồi dung môi tinh khiết. Natri clorua (NaCl) là hợp chất vô cơ cơ bản, chiếm tỷ trọng tiêu thụ tới 80% sản lượng toàn cầu trong các ngành công nghiệp hóa chất (sản xuất xút, clo, soda, axit clohydric) cũng như đóng vai trò thiết yếu trong y dược và chế biến thực phẩm. Việc thiết kế hệ thống cô đặc đạt hiệu quả sử dụng năng lượng cao là một nhiệm vụ kỹ thuật quan trọng của kỹ sư hóa chất.

Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học" của sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đặt ra bài toán thiết kế một hệ thống cô đặc công nghiệp hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Loại hệ thống: Hệ thống cô đặc 2 nồi xuôi chiều, buồng đốt có ống tuần hoàn trung tâm, làm việc liên tục.
  2. Dung dịch công tác: Dung dịch muối ăn ($NaCl$) trong nước.
  3. Năng suất đầu vào của hệ thống: $G_d = 11.520\text{ kg/h}$.
  4. Nồng độ ban đầu của dung dịch: $x_d = 5%\text{ khối lượng}$.
  5. Nồng độ sản phẩm yêu cầu: $x_c = 22%\text{ khối lượng}$.
  6. Áp suất hơi đốt sơ cấp cấp cho nồi 1: $p_1 = 5\text{ at}$ (hơi nước bão hòa, nhiệt độ $151,1^\circ\text{C}$).
  7. Áp suất làm việc tại thiết bị ngưng tụ: $p_{ng} = 0,2\text{ at}$ (áp suất chân không, nhiệt độ ngưng $59,7^\circ\text{C}$).
  8. Quy cách ống truyền nhiệt lựa chọn: Chiều cao ống $H = 3\text{ m}$.

Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ và các thiết bị truyền nhiệt, thiết bị cơ khí trong hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều dung dịch $NaCl$.

Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng - nhiệt lượng, thủy lực, truyền nhiệt và thiết kế cơ khí chi tiết cho thiết bị chính (buồng đốt, buồng bốc, đáy nắp, mạng ống truyền nhiệt) cùng các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ baromet, bơm chân không, thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý truyền nhiệt và cơ học chất lỏng chuyên ngành kỹ thuật hóa chất:

  • Mô hình cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Tận dụng hơi thứ sinh ra từ nồi 1 ($114,6^\circ\text{C}$, $1,71\text{ at}$) để làm hơi đốt cho buồng đốt nồi 2. Do áp suất giảm dần từ nồi 1 ($1,71\text{ at}$) sang nồi 2 ($0,21\text{ at}$), dung dịch tự động dịch chuyển giữa các nồi mà không cần dùng bơm trung gian.
  • Phương pháp Tysenko: Dùng để xác định tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ($\Delta_i'$), tính toán theo độ tăng nhiệt độ sôi của dung dịch so với dung môi nguyên chất ở áp suất khí quyển kết hợp ẩn nhiệt hóa hơi.
  • Phương pháp tính tổn thất áp suất thủy tĩnh: Xác định áp suất thủy tĩnh ở lớp giữa ống truyền nhiệt để tính độ tăng nhiệt độ sôi do cột chất lỏng ($\Delta_i''$).
  • Phương pháp Pavalov: Dùng để tính toán độ nhớt động lực học của dung dịch $NaCl$ ở nhiệt độ sôi thông qua dung dịch chuẩn (nước tinh khiết).
  • Mô hình truyền nhiệt bề mặt ống chùm: Sử dụng phương trình cấp nhiệt khi ngưng tụ màng hơi nước bão hòa ngoài ống thẳng đứng và phương trình cấp nhiệt đối lưu tự nhiên khi chất lỏng sôi sủi bọt trong ống.
  • Tiêu chuẩn tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Dựa trên các công thức độ bền thành mỏng, giới hạn chảy ($\sigma_c$) và giới hạn bền kéo ($\sigma_k$) của vật liệu thép không gỉ $X18H10T$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Thiết lập các hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng liên lập.
  • Phương pháp lặp và kiểm tra sai số: Giả thiết tỷ lệ phân phối hơi thứ và chênh lệch áp suất giữa các nồi, tiến hành tính toán lặp và hiệu chỉnh cho đến khi sai số cân bằng nhiệt lượng $\varepsilon < 5%$ và sai số phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích $\varepsilon < 10%$.
  • Phương pháp tra cứu và nội suy bảng thực nghiệm: Trích xuất các thông số nhiệt vật lý từ các tài liệu chuẩn chuyên ngành Hóa công.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong tính toán được tra cứu và trích xuất trực tiếp từ các tài liệu:

  • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
  • Bảng tra cứu tính chất vật lý của nước, hơi nước bão hòa và dung dịch điện ly $NaCl$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Quy trình công nghệ dây chuyền cô đặc

Dây chuyền gồm 15 thiết bị và cụm chi tiết vận hành theo nguyên lý liên tục:

  1. Dung dịch ban đầu nồng độ $5%$ từ thùng chứa (1) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (4) có ống chảy tràn để giữ ổn định áp lực và lưu lượng.
  2. Lưu lượng kế (5) điều chỉnh lưu lượng $11.520\text{ kg/h}$ đưa dung dịch qua Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (6) dạng ống chùm, nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi $115,6^\circ\text{C}$.
  3. Dung dịch sôi đi vào Nồi cô đặc 1 (7), bốc hơi nước nâng nồng độ lên $8,05%$.
  4. Nhờ chênh lệch áp suất giữa hai nồi ($1,71\text{ at}$ xuống $0,21\text{ at}$), dung dịch tự chảy sang Nồi cô đặc 2 (8), tiếp tục bốc hơi để đạt nồng độ sản phẩm cuối $22%$.
  5. Sản phẩm dung dịch $22%$ được đưa qua thiết bị làm lạnh (13) và bơm (3) chuyển vào thùng chứa sản phẩm (15).
  6. Hơi thứ nồi 1 làm hơi đốt cho nồi 2. Hơi thứ nồi 2 đi vào Thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao (9) tiếp xúc trực tiếp với nước lạnh ngược chiều để ngưng tụ thành lỏng và xả qua ống Baromet vào thùng chứa nước ngưng (10). Khí không ngưng đi qua bộ tách bọt (14) và được Bơm chân không vòng nước (11) hút thải ra ngoài.
Thiết bị chính/phụ Kiểu loại Vật liệu Quy cách kỹ thuật chính
Buồng đốt nồi cô đặc Ống chùm đứng, tuần hoàn trung tâm Thép $X18H10T$ $D_{tr} = 1100\text{ mm}$, dày $5\text{ mm}$, 331 ống $\phi 38\times 2\text{ mm}$, $H = 3\text{ m}$
Ống tuần hoàn Đặt giữa tâm buồng đốt Thép $X18H10T$ Đường kính ngoài $d_{th} = 325\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$
Thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều loại khô Thép CT3 / SUS $D_{tr} = 800\text{ mm}$, $H = 1,8\text{ m}$, 8 ngăn (4 bậc), ống Baromet $H = 10\text{ m}$
Thiết bị gia nhiệt đầu Ống chùm ngược chiều Thép $X18H10T$ $D_{tr} = 836\text{ mm}$, 127 ống $\phi 38\times 2\text{ mm}$, chia 6 ngăn
Bơm chân không Vòng nước Chế tạo sẵn Model PMK-1, công suất trục $4,5\text{ kW}$, động cơ $3,75\text{ kW}$

Nội dung chính theo từng chương

Lời mở đầu và Chương I: Giới thiệu chung về quá trình cô đặc

Chương này tổng quan về các phương pháp cô đặc trong công nghiệp hóa chất:

  • Xác định mục đích quá trình: Tăng nồng độ chất tan, phục vụ kết tinh và thu hồi dung môi.
  • So sánh các phương thức vận hành: Cô đặc chân không cho phép giảm nhiệt độ sôi của dung dịch, tăng độ chênh nhiệt độ hữu ích giữa hơi đốt và dung dịch, hạn chế phân hủy nhiệt và giảm diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết.
  • Phân tích ưu - nhược điểm của hệ cô đặc xuôi chiều: Ưu điểm là dung dịch tự di chuyển nhờ chênh áp; nhược điểm là ở nồi sau, nồng độ dung dịch tăng cao trong khi nhiệt độ giảm làm tăng độ nhớt, dẫn đến hệ số truyền nhiệt giảm dần từ nồi 1 đến nồi 2.
  • Trình bày tính chất lý hóa của $NaCl$: Khối lượng phân tử $58,5\text{ g/mol}$, điểm nóng chảy $801^\circ\text{C}$, tỷ trọng tinh thể $2,16\text{ g/cm}^3$, độ hòa tan $35,9\text{ g}/100\text{ ml}$ nước ở $25^\circ\text{C}$.

Chương II: Tính toán thiết bị chính

Tác giả thực hiện tính toán chi tiết cân bằng khối lượng, năng lượng và kích thước truyền nhiệt:

  1. Cân bằng vật chất:

    • Tổng lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống: $$W = G_d \left(1 - \frac{x_d}{x_c}\right) = 11.520 \times \left(1 - \frac{5}{22}\right) = 8901,81\text{ kg/h}$$
    • Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 1: $W_1 = 4377,44\text{ kg/h}$. Nồng độ ra khỏi nồi 1: $x_1 = 8,05%$.
    • Lượng hơi thứ bốc ra ở nồi 2: $W_2 = 4524,37\text{ kg/h}$. Nồng độ ra khỏi nồi 2: $x_2 = 22,0%$.

  2. Cân bằng nhiệt lượng và phân phối nhiệt độ:

    • Hơi đốt nồi 1: Áp suất $p_1 = 5\text{ at}$, nhiệt độ $T_1 = 151,1^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r_1 = 2.117.000\text{ J/kg}$.
    • Hơi đốt nồi 2 (hơi thứ nồi 1): Áp suất $p_2 = 1,65\text{ at}$, nhiệt độ $T_2 = 113,6^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r_2 = 2.224.500\text{ J/kg}$.
    • Tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\sum \Delta = 19,93^\circ\text{C}$, bao gồm:
      • Tổn thất do nồng độ: $\Delta_1' = 1,65^\circ\text{C}$; $\Delta_2' = 4,55^\circ\text{C}$.
      • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh: $\Delta_1'' = 1,72^\circ\text{C}$; $\Delta_2'' = 10,01^\circ\text{C}$.
      • Tổn thất do trở lực đường ống: $\Delta_1''' = \Delta_2''' = 1,0^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: Toàn hệ $\sum \Delta T_i = 71,47^\circ\text{C}$; phân bổ $\Delta T_1 = 33,13^\circ\text{C}$ và $\Delta T_2 = 38,34^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ sôi của dung dịch: Nồi 1 là $t_{s1} = 117,97^\circ\text{C}$; Nồi 2 là $t_{s2} = 75,26^\circ\text{C}$.
    • Tiêu hao hơi đốt sơ cấp cho nồi 1: $D = 4897,19\text{ kg/h}$.

  3. Tính toán hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt:

    • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ: $\alpha_{11} = 6314,9\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $\alpha_{12} = 6554,8\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_{21} = 4446,8\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $\alpha_{22} = 3296,8\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
    • Hệ số truyền nhiệt: $K_1 = 929,63\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $K_2 = 848,36\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
    • Nhiệt lượng trao đổi: $Q_1 = 2.879.819,79\text{ W}$; $Q_2 = 2.704.893,13\text{ W}$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F_1 = F_2 = 87,52\text{ m}^2$ (thỏa mãn điều kiện cân bằng bề mặt giữa hai nồi).

Chương III: Tính toán thiết bị phụ

  1. Thiết bị ngưng tụ Baromet ngược chiều chân cao:

    • Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị ngưng tụ ($25^\circ\text{C} \rightarrow 50^\circ\text{C}$): $$G_n = \frac{W_2(i_2' - C_n t_c)}{C_n(t_c - t_d)} = 129.959,23\text{ kg/h}\ (36,1\text{ kg/s})$$
    • Đường kính trong thiết bị: $D_{tr} = 800\text{ mm}$.
    • Cấu tạo tấm ngăn: Tấm ngăn hình bán nguyệt rộng $b = 450\text{ mm}$, gờ cao $40\text{ mm}$, lỗ tia nước $d = 2\text{ mm}$.
    • Chiều cao thiết bị ngưng tụ: $H = 1800\text{ mm}$ (gồm 8 ngăn, 4 bậc rơi).
    • Ống Baromet: Đường kính trong tính toán $d = 0,296\text{ m}$, chiều cao tính toán thủy lực $H = 8,87\text{ m}$, quy chuẩn chọn $H = 10,0\text{ m}$.

  2. Hệ thống bơm hút chân không:

    • Lượng không khí cần hút: $G_{kk} = 48,61\text{ kg/h}$; thể tích hút $V_{kk} = 0,0713\text{ m}^3\text{/s}$ ($256,7\text{ m}^3\text{/h}$).
    • Công suất yêu cầu trên trục: $N_b = 4,5\text{ kW}$; chọn bơm chân không vòng nước model PMK-1, tốc độ quay $1450\text{ vòng/phút}$, công suất động cơ $3,75\text{ kW}$.

  3. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (dạng ống chùm):

    • Nhiệt lượng trao đổi cần thiết: $Q = 1.152.924,86\text{ W}$ (nâng $11.520\text{ kg/h}$ dung dịch $5%$ từ $25^\circ\text{C}$ lên $115,6^\circ\text{C}$).
    • Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit: $\Delta t_{tb} = 71,48^\circ\text{C}$.
    • Diện tích truyền nhiệt: $F = 38,58\text{ m}^2$.
    • Quy cách ống: 127 ống truyền nhiệt $\phi 38\times 2\text{ mm}$, dài $L = 3\text{ m}$, chia 6 ngăn trong buồng để duy trì chế độ chảy xoáy ($Re = 10.000$). Đường kính trong vỏ thiết bị: $D = 836\text{ mm}$.

Chương IV: Tính toán cơ khí

Xác định độ bền và kích thước kết cấu của hệ thống:

  • Số lượng ống truyền nhiệt buồng đốt: Tính toán $n = 273,12$ ống; quy chuẩn lắp đặt theo mạng lục giác đều là $n = 331$ ống ($\phi 38\times 2\text{ mm}$, dài $3\text{ m}$), tổng diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $F_t = 106,1\text{ m}^2$.
  • Ống tuần hoàn trung tâm: Bố trí chính giữa mạng ống, đường kính ngoài $d_{th} = 325\text{ mm}$, bề dày $2\text{ mm}$.
  • Đường kính trong buồng đốt: $D_{tr} = 1100\text{ mm}$ ($1,1\text{ m}$).
  • Chiều dày thân buồng đốt: Vật liệu thép $X18H10T$ có $\sigma_k = 550\text{ N/mm}^2$, hệ số an toàn $n_k = 2,6$, lượng bổ sung ăn mòn $C = 1,4\text{ mm}$. Chiều dày tính toán $S = 3,55\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $S = 5\text{ mm}$.
  • Chiều dày lưới đỡ ống: Kiểm tra bền uốn và giữ ống khi nung, chọn $S = 16\text{ mm}$.
  • Đáy và nắp buồng đốt: Dạng elip có gờ làm bằng thép $X18H10T$, chiều cao phần lồi $h_b = 275\text{ mm}$, chiều dày tính toán $S = 3,5\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $S = 5\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Tổng hợp thông số kỹ thuật thiết kế

Thông số thiết kế Nồi 1 Nồi 2 Thiết bị gia nhiệt đầu Thiết bị ngưng tụ Baromet
Áp suất hơi đốt ($p$) $5,0\text{ at}$ $1,65\text{ at}$ $5,0\text{ at}$ -
Áp suất hơi thứ ($p'$) $1,71\text{ at}$ $0,21\text{ at}$ - $0,20\text{ at}$
Nhiệt độ sôi dung dịch ($t_s$) $117,97^\circ\text{C}$ $75,26^\circ\text{C}$ $115,60^\circ\text{C}$ (ra) $59,70^\circ\text{C}$ (ngưng)
Lượng hơi thứ bốc ra ($W$) $4377,44\text{ kg/h}$ $4524,37\text{ kg/h}$ - $4524,37\text{ kg/h}$ (hơi vào)
Nồng độ dung dịch ra ($x$) $8,05%$ $22,0%$ $5,0%$ -
Hệ số truyền nhiệt ($K$) $929,63\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ $848,36\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ - -
Bề mặt truyền nhiệt ($F$) $87,52\text{ m}^2$ $87,52\text{ m}^2$ $38,58\text{ m}^2$ -
Kích thước thân ($D_{tr}\times H$) $1100\times 3000\text{ mm}$ $1100\times 3000\text{ mm}$ $836\times 3000\text{ mm}$ $800\times 1800\text{ mm}$
Số ống truyền nhiệt ($n$) 331 ống 331 ống 127 ống 8 ngăn bán nguyệt

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Thiết lập chu trình nhiệt tối ưu: Phân bổ hiệu số nhiệt độ hữu ích giữa hai nồi ($\Delta T_1 = 33,13^\circ\text{C}$ và $\Delta T_2 = 38,34^\circ\text{C}$) giúp cân bằng chính xác bề mặt truyền nhiệt giữa hai nồi ($F_1 = F_2 = 87,52\text{ m}^2$), tạo thuận lợi cho chế tạo hàng loạt và giảm chi phí khuôn mẫu.
  2. Cấu tạo thủy lực tối ưu cho dung dịch muối: Lựa chọn buồng đốt ống tuần hoàn trung tâm đường kính lớn ($325\text{ mm}$) kết hợp vật liệu chống ăn mòn $X18H10T$, giải quyết hiện tượng quá nhiệt cục bộ và giảm thiểu đóng cặn muối trên bề mặt truyền nhiệt.
  3. Hoàn thiện hệ thống thiết bị phụ trợ đồng bộ: Thiết kế chính xác thiết bị gia nhiệt 6 ngăn duy trì dòng chảy xoáy ($Re = 10.000$) và hệ thống Baromet chân cao tự tháo nước ngưng không cần bơm tiêu tốn năng lượng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Tính toán giả định hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh cố định ở mức $5%$ tổng nhiệt lượng tiêu tốn.
    • Các thông số nhiệt trở cặn bẩn phía dung dịch ($r_1 = 0,387\times 10^{-3}\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$) và phía hơi ($r_2 = 0,232\times 10^{-3}\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$) được lấy theo giá trị tra cứu định mức lý thuyết, chưa phản ánh biến thiên thực tế theo thời gian bám cặn khi vận hành dài hạn.
    • Chưa tính toán chi tiết buồng tách tinh thể muối nếu nồng độ dung dịch tiếp tục được nâng cao trên ngưỡng bão hòa ($>26%$).
  • Hướng phát triển:
    • Mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và chuyển khối bằng phần mềm chuyên dụng (như Aspen Plus hoặc CFD) để đánh giá phân bố vận tốc chất lỏng trong ống tuần hoàn.
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống thu hồi nhiệt từ dòng nước ngưng ($151,1^\circ\text{C}$ và $113,6^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dung dịch đầu vào, giảm tiêu hao hơi đốt sơ cấp $D$.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Môi trường và Nhiệt lạnh làm tài liệu tham khảo cho đồ án môn học Quá trình - Thiết bị truyền nhiệt.
    • Kỹ sư thiết kế công nghệ hóa chất tham khảo phương pháp tính toán cân bằng nhiệt - khối và cơ khí cho các hệ thống cô đặc dung dịch muối vô cơ.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
    • Quy trình phân phối hiệu số áp suất và hiệu số nhiệt độ hữu ích theo phương pháp lặp cân bằng bề mặt truyền nhiệt.
    • Thuật toán xác định độ nhớt dung dịch điện ly ở nhiệt độ sôi theo phương pháp Pavalov.
    • Phương pháp kiểm tra cơ khí và tính toán chiều dày thân trụ, đáy elip, lưới đỡ ống chịu áp lực theo tiêu chuẩn thiết bị hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều không cần sử dụng bơm để chuyển dung dịch từ nồi 1 sang nồi 2?
Trả lời: Hệ thống vận hành ở chế độ xuôi chiều có áp suất giảm dần theo chiều chuyển động của dung dịch. Áp suất hơi thứ ở nồi 1 duy trì ở mức $1,71\text{ at}$, trong khi nồi 2 làm việc ở áp suất chân không $0,21\text{ at}$. Sự chênh lệch áp suất $\Delta p = 1,50\text{ at}$ giữa hai nồi tạo ra lực đẩy thủy lực tự nhiên đưa dung dịch từ nồi 1 sang nồi 2 liên tục mà không cần bơm trung gian.

2. Vai trò của ống tuần hoàn trung tâm trong buồng đốt của thiết bị cô đặc là gì?
Trả lời: Trong buồng đốt, dung dịch nằm trong các ống truyền nhiệt nhỏ ($\phi 38\times 2\text{ mm}$) nhận nhiệt lượng lớn nên sôi mạnh, tạo ra hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng nhỏ chuyển động đi lên. Ngược lại, dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm có đường kính lớn ($325\text{ mm}$) ít nhận nhiệt hơn, có khối lượng riêng lớn hơn sẽ chuyển động đi xuống. Quá trình này tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên liên tục, giúp tăng cường hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$, đồng thời rửa trôi bề mặt truyền nhiệt, giảm tốc độ bám cặn $NaCl$.

3. Tại sao ống Baromet của thiết bị ngưng tụ phải có chiều cao quy chuẩn lên tới 10 mét?
Trả lời: Thiết bị ngưng tụ làm việc ở độ chân không cao ($p_{ng} = 0,2\text{ at}$, tương ứng độ chân không $612,88\text{ mmHg}$). Cột chất lỏng trong ống Baromet cần đạt chiều cao tối thiểu $h_1 = 8,33\text{ m}$ để cân bằng với áp suất khí quyển, cộng thêm trở lực thủy lực $h_2$ và chiều cao dự trữ an toàn $0,5\text{ m}$ nhằm ngăn ngừa nước dâng ngược từ thùng chứa lên làm ngập thiết bị ngưng tụ khi áp suất khí quyển biến động.

4. Tổng lượng hơi thứ bốc ra và lượng hơi đốt sơ cấp tiêu hao của hệ thống là bao nhiêu?
Trả lời: Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống để cô đặc dung dịch từ $5%$ lên $22%$ là $W = 8901,81\text{ kg/h}$ (trong đó nồi 1 bốc $4377,44\text{ kg/h}$, nồi 2 bốc $4524,37\text{ kg/h}$). Lượng hơi đốt sơ cấp ($5\text{ at}$) cần cấp vào buồng đốt nồi 1 là $D = 4897,19\text{ kg/h}$.

5. Vật liệu chế tạo thân buồng đốt là gì và kích thước cơ khí được quy chuẩn như thế nào?
Trả lời: Buồng đốt được chế tạo từ thép không gỉ $X18H10T$ nhằm chống ăn mòn hóa học trong môi trường dung dịch $NaCl$ ở nhiệt độ cao. Đường kính trong buồng đốt là $D_{tr} = 1100\text{ mm}$, chiều dày thân tính toán là $3,55\text{ mm}$ và được quy chuẩn lên $S = 5\text{ mm}$ (với lượng bổ sung ăn mòn $C = 1,4\text{ mm}$). Lưới đỡ ống có chiều dày quy chuẩn $S = 16\text{ mm}$.

Kết luận

Bản đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế kỹ thuật cho hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều liên tục dung dịch $NaCl$ đạt năng suất $11.520\text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, diện tích truyền nhiệt ($87,52\text{ m}^2/\text{nồi}$) và kết cấu cơ khí (buồng đốt, thiết bị ngưng tụ baromet, thiết bị gia nhiệt) đều được xác lập với độ chính xác cao và sai số lặp dưới ngưỡng cho phép ($<5%$). Kết quả thiết kế cung cấp một hồ sơ kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn công nghệ và độ bền cơ khí trong kỹ thuật hóa chất.