Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm và xử lý môi trường, cô đặc là quá trình công nghệ quan trọng nhằm làm tăng nồng độ của chất tan không bay hơi hoặc khó bay hơi trong dung môi dễ bay hơi dưới tác dụng của nhiệt độ. Dung dịch Canxi Clorua ($CaCl_2$) là một hóa chất vô cơ có phạm vi ứng dụng rộng rãi, bao gồm làm chất hút ẩm, chất làm khô khí, phụ gia trong xây dựng (tăng nhanh đóng rắn bê tông), chất điện giải trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và xử lý y tế. Việc tính toán thiết kế hệ thống cô đặc liên tục nhiều nồi giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng thông qua việc tái sử dụng hơi thứ làm môi chất gia nhiệt cho các nồi tiếp theo.
Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học" (mã học phần CH3440) do sinh viên Nguyễn Mạnh Cường thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Thu Huyền tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (thực hiện từ ngày 15/10/2021 đến ngày 14/01/2022) tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục có ống tuần hoàn trung tâm cho dung dịch $CaCl_2$.
Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được phân định cụ thể theo các mục tiêu kỹ thuật sau:
- Xây dựng và thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục (bản vẽ khổ A4).
- Tính toán công nghệ thiết bị chính: lập cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định lượng hơi đốt tiêu tốn, lượng hơi thứ bốc ra ở từng nồi, tổn thất nhiệt độ, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt của từng nồi.
- Tính toán cơ khí thiết bị chính: xác định kích thước hình học, kiểm tra độ bền buồng đốt, buồng bốc hơi, vỉ ống, đáy, nắp, bích ghép thân, đường kính các ống dẫn lưu thể vào/ra, tai treo và chiều dày lớp cách nhiệt (thực hiện bản vẽ lắp thiết bị chính khổ A1).
- Tính toán và lựa chọn 03 thiết bị phụ trong dây chuyền công nghệ: hệ thống thiết bị ngưng tụ Baromet, bơm hút chân không và thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt hỗn hợp đầu.
Đối tượng và phạm vi thiết kế kỹ thuật được xác định theo các thông số ban đầu:
- Dung dịch cô đặc: Canxi Clorua ($CaCl_2$).
- Loại thiết bị chính: Thiết bị cô đặc dạng ống chùm thẳng đứng có ống tuần hoàn trung tâm.
- Năng suất tính theo dung dịch đầu: $G_đ = 3,5\text{ kg/s}$ (tương đương $12.600\text{ kg/h}$).
- Nồng độ dung dịch ban đầu: $x_đ = 7%$.
- Nồng độ dung dịch sản phẩm cuối: $x_c = 30%$.
- Áp suất hơi đốt bão hòa cung cấp cho nồi 1: $P_1 = 4\text{ at}$.
- Áp suất ngưng tụ tại thiết bị Baromet (độ chân không nồi 2): $P_{ng} = 0,2\text{ at}$.
- Chiều cao ống truyền nhiệt lựa chọn: $H = 2\text{ m}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học, quá trình truyền nhiệt và cơ học vật liệu trong kỹ thuật hóa học:
- Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Dung dịch và hơi đốt chuyển động cùng chiều từ nồi 1 sang nồi 2. Ưu điểm cốt lõi là dung dịch tự động di chuyển giữa các nồi nhờ sự chênh lệch áp suất giảm dần ($P_1 > P_2 > P_{ng}$) mà không cần bơm trung gian. Hơi thứ sinh ra từ buồng bốc nồi 1 có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi 2, do đó được tận dụng làm hơi đốt cho nồi 2, giúp giảm thiểu đáng kể lượng hơi đốt sơ cấp tiêu thụ.
- Tính chất hóa lý của hệ dung dịch $CaCl_2$ - Nước: $CaCl_2$ có khối lượng mol phân tử $110,99\text{ g/mol}$, nhiệt độ nóng chảy $772^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi trên $1600^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $2,15\text{ g/cm}^3$, độ hòa tan trong nước đạt $74,5\text{ g/100 ml}$ ở $20^\circ\text{C}$. Trong quá trình cô đặc, khi nồng độ tăng từ $7%$ lên $30%$, khối lượng riêng dung dịch tăng từ $1054,07\text{ kg/m}^3$ lên $1235,90\text{ kg/m}^3$, độ nhớt dung dịch tăng và nhiệt dung riêng giảm từ $4068,81\text{ J/kg}\cdot\text{K}$ xuống $3141,01\text{ J/kg}\cdot\text{K}$.
Phương pháp tính toán kỹ thuật được triển khai qua các bước:
- Phương pháp cân bằng vật chất: Thiết lập phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử phân bố để xác định tổng lượng hơi thứ thoát ra khỏi hệ thống ($W$) và lượng hơi thứ phân bố sơ bộ ở từng nồi ($W_1, W_2$).
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng lặp giải tích: Tính toán chi tiết các thành phần tổn thất nhiệt độ gồm tổn thất do nồng độ $\Delta'$ (tính theo công thức Tysenco và hiệu chỉnh ẩn nhiệt hóa hơi), tổn thất do áp suất thủy tĩnh tăng cao $\Delta''$ ở lớp giữa ống truyền nhiệt, và tổn thất do trở lực đường ống $\Delta'''$. Thiết lập hệ phương trình cân bằng nhiệt lượng cho từng nồi có xét đến nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh ($Q_m = 0,05 Q_{cấp}$) để tìm lượng hơi đốt $D$ và lượng hơi thứ $W_i$ chính xác, kiểm tra sai số tương đối đảm bảo dưới ngưỡng $5%$.
- Phương pháp tính toán truyền nhiệt: Xác định hệ số cấp nhiệt $\alpha_1$ đối với hơi nước bão hòa ngưng tụ màng ngoài ống thẳng đứng; xác định hệ số cấp nhiệt $\alpha_2$ từ bề mặt kim loại đến dung dịch sôi bên trong ống chùm dựa trên các chuẩn số đồng dạng và hệ số hiệu chỉnh $\Psi$ (phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt, độ nhớt, khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của dung dịch so với nước); tính toán hệ số truyền nhiệt $K_1, K_2$ và phân bố hiệu số nhiệt độ hữu ích theo điều kiện diện tích bề mặt truyền nhiệt của hai nồi bằng nhau ($F_1 \approx F_2$).
- Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Tính toán chiều dày thân hình trụ, đáy và nắp elip chịu áp suất trong và áp suất thử thủy lực, kiểm tra ứng suất bền kéo, bền chảy của vật liệu thép không gỉ $X18H10T$; tính toán vỉ đỡ ống chùm chịu uốn; tra cứu tiêu chuẩn các chi tiết ghép nối (bích, bu lông, tai treo, kính quan sát) theo Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống thiết bị được thiết kế vận hành liên tục với sơ đồ công nghệ hoàn chỉnh gồm 16 cụm thiết bị và chi tiết chính:
[Thùng chứa (1)] -> [Bơm (2)] -> [Thùng cao vị (3)] -> [Thiết bị gia nhiệt sơ bộ (5)]
[Thiết bị ngưng tụ Baromet (16)] [Thiết bị làm mát ống chùm (13)]
[Bơm chân không] [Bơm (14)] -> [Thùng chứa sản phẩm (15)]
Quy trình vận hành công nghệ:
- Dung dịch $CaCl_2$ loãng $7%$ từ thùng chứa (1) được bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3) để tạo áp đầu vào ổn định, sau đó qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm (5) gia nhiệt sơ bộ bằng hơi nước đến nhiệt độ sôi ($107,29^\circ\text{C}$) trước khi cấp vào đáy buồng đốt nồi cô đặc 1 (10).
- Tại nồi 1, dung dịch sôi trong các ống truyền nhiệt dưới áp suất $1,27\text{ at}$. Hơi thứ bốc lên qua không gian buồng bốc, đi qua bộ phận khử bọt và được dẫn sang làm môi chất gia nhiệt cho buồng đốt nồi 2 (11). Nước ngưng tụ từ buồng đốt được tháo qua cốc tháo nước ngưng (6, 7, 8) vào thùng chứa nước ngưng (9, 12).
- Do nồi 2 làm việc ở điều kiện áp suất chân không ($0,21\text{ at}$), dung dịch tự chảy từ nồi 1 sang nồi 2. Do nhiệt độ sôi ở nồi 2 thấp hơn ($72,46^\circ\text{C}$), xảy ra hiện tượng tự bốc hơi bổ sung.
- Dung dịch sau khi đạt nồng độ sản phẩm $30%$ ra khỏi nồi 2 được đưa qua thiết bị làm mát (13) nhằm hạ nhiệt độ bảo vệ bơm (14), trước khi bơm vào thùng chứa sản phẩm (15).
- Hơi thứ từ nồi 2 được dẫn vào tháp ngưng tụ Baromet (16) tiếp xúc trực tiếp ngược chiều với dòng nước lạnh tưới từ trên xuống. Nước ngưng cùng nước làm mát tự chảy xuống bồn qua ống Baromet cao hơn $10\text{ m}$, còn khí không ngưng được dẫn qua bộ tách bọt và hút ra ngoài bởi bơm chân không.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương tập trung làm rõ bản chất nhiệt động của quá trình cô đặc phân biệt với quá trình chưng cất, phân tích cấu tạo thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm. Thiết bị bao gồm buồng đốt dạng ống chùm, ống tuần hoàn đường kính lớn bố trí ở tâm và buồng bốc hơi phía trên. Chất lỏng trong các ống truyền nhiệt sôi tạo hỗn hợp hơi - lỏng có khối lượng riêng nhỏ hơn chất lỏng trong ống tuần hoàn, sinh ra lực nâng tuần hoàn tự nhiên liên tục giúp tăng cường truyền nhiệt và giảm đóng cặn. Phần này cũng trình bày chi tiết tính chất vật lý, hóa học và ứng dụng thực tiễn của muối $CaCl_2$, đồng thời mô tả nguyên lý vận hành của sơ đồ dây chuyền 16 thiết bị.
Phần II: Tính toán công nghệ
Phần này trình bày các bước tính toán nhiệt và truyền nhiệt của hệ thống hai nồi:
- Cân bằng vật chất: Tổng lượng hơi thứ bốc ra toàn hệ thống:
$$W = G_đ \left(1 - \frac{x_đ}{x_c}\right) = 12600 \times \left(1 - \frac{7}{30}\right) = 9660\text{ kg/h}$$
Phân bố hơi thứ qua hai nồi: $W_1 = 4719,36\text{ kg/h}$ và $W_2 = 4940,64\text{ kg/h}$. Nồng độ dung dịch ra khỏi nồi 1 đạt $x_1 = 11,21%$, ra khỏi nồi 2 đạt $x_2 = 30,00%$.
- Áp suất và nhiệt độ làm việc: Hiệu số áp suất chung toàn hệ thống $\Delta P = P_1 - P_{ng} = 4,0 - 0,2 = 3,8\text{ at}$. Áp suất hơi đốt nồi 1 là $4,0\text{ at}$ ($T_1 = 142,9^\circ\text{C}$), nồi 2 là $1,23\text{ at}$ ($T_2 = 104,91^\circ\text{C}$); áp suất hơi thứ nồi 1 là $1,27\text{ at}$ ($t_1' = 105,91^\circ\text{C}$), nồi 2 là $0,21\text{ at}$ ($t_2' = 60,70^\circ\text{C}$).
- Tổn thất nhiệt độ:
- Tổn thất do nồng độ: $\Delta_1' = 1,39^\circ\text{C}$; $\Delta_2' = 3,61^\circ\text{C}$ ($\sum \Delta' = 5,00^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do áp suất thủy tĩnh: $\Delta_1'' = 1,76^\circ\text{C}$; $\Delta_2'' = 8,16^\circ\text{C}$ ($\sum \Delta'' = 9,92^\circ\text{C}$).
- Tổn thất do trở lực đường ống: $\Delta_1''' = \Delta_2''' = 1,00^\circ\text{C}$ ($\sum \Delta''' = 2,00^\circ\text{C}$).
- Tổng tổn thất nhiệt của hệ thống: $\sum \Delta_i = 16,91^\circ\text{C}$. Hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống: $\Delta t_{hi} = 66,29^\circ\text{C}$.
- Cân bằng nhiệt lượng và truyền nhiệt:
- Lượng hơi đốt sơ cấp tiêu tốn tại nồi 1: $D = 5406,33\text{ kg/h}$.
- Hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ: $\alpha_{11} = 10871,22\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $\alpha_{12} = 10480,79\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
- Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_{21} = 3209,93\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $\alpha_{22} = 2214,68\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
- Hệ số truyền nhiệt: $K_1 = 610,16\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$; $K_2 = 561,67\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$.
- Hiệu số nhiệt độ hữu ích điều chỉnh: $\Delta T_1^* = 33,22^\circ\text{C}$; $\Delta T_2^* = 33,07^\circ\text{C}$ (sai số lặp tương ứng là $1,84%$ và $1,88%$, đều $< 5%$).
- Bề mặt truyền nhiệt tính toán của hai nồi: $F_1 = F_2 = 158,61\text{ m}^2$.
Phần III: Tính toán cơ khí
Chương này thực hiện thiết kế chi tiết kết cấu và kiểm tra độ bền cơ học cho thiết bị chính với vật liệu chế tạo là thép không gỉ $X18H10T$:
- Buồng đốt:
- Ống truyền nhiệt: Lựa chọn ống kích thước ngoài $\varnothing 57 \times 3,5\text{ mm}$, chiều dài $l = 2\text{ m}$. Bố trí ống theo hình lục giác đều bước ống $t = 65\text{ mm}$.
- Số ống sơ bộ $n = 517$ ống. Ống tuần hoàn trung tâm chọn đường kính tiêu chuẩn $d_{th} = 530\text{ mm}$ (dày $4\text{ mm}$), chiếm diện tích tương đương 61 ống truyền nhiệt. Sau khi bù thêm 39 ống vào các góc viên phân, tổng số ống truyền nhiệt thực tế là $n = 484$ ống.
- Đường kính trong buồng đốt: $D_{tr} = 1600\text{ mm}$. Chiều dày thân buồng đốt tính toán $S = 4\text{ mm}$ (đã bao gồm hệ số bổ sung ăn mòn $C = 1,22\text{ mm}$).
- Vỉ đỡ ống chùm (lưới ống): Chiều dày tính toán theo giới hạn bền uốn $S = 31\text{ mm}$ (chọn chế tạo $33\text{ mm}$).
- Đáy buồng đốt: Dạng nắp elip có gờ dập nóng, chiều cao phần lồi $h_b = 400\text{ mm}$, chiều dày quy chuẩn $S = 5\text{ mm}$. Bích ghép thân kiểu liền bằng thép chịu áp suất $0,3\text{ MPa}$, bu lông M20 ($Z = 40$ cái).
- Buồng bốc hơi:
- Thể tích khoảng không gian hơi: $V = 4,108\text{ m}^3$, chiều cao buồng bốc $H = 1,62\text{ m}$, đường kính trong buồng bốc $D_{tr} = 1800\text{ mm}$.
- Chiều dày thân buồng bốc: $S = 5\text{ mm}$.
- Nắp buồng bốc: Dạng elip có gờ dập nóng, chiều cao gờ $h_b = 550\text{ mm}$, chiều dày tính toán $S = 6\text{ mm}$.
- Các ống nối dẫn lưu thể:
- Ống dẫn hơi đốt vào nồi 1: Vận tốc dòng hơi $\omega = 30\text{ m/s}$, đường kính tính toán $d_{tr} = 170\text{ mm}$, quy chuẩn đường kính danh nghĩa $D_y = 200\text{ mm}$ ($D_n = 219\text{ mm}$), bích nối M16 ($Z = 8$ bu lông).
- Ống dẫn dung dịch nhập liệu: Vận tốc $\omega = 1,8\text{ m/s}$, đường kính $d_{tr} = 49\text{ mm}$, quy chuẩn $D_y = 50\text{ mm}$ ($D_n = 57\text{ mm}$), bích nối M12 ($Z = 4$ bu lông).
- Ống tháo dung dịch đáy: Đường kính tính toán $d = 80\text{ mm}$.
- Ống dẫn hơi thứ ra khỏi buồng bốc: Vận tốc chọn $\omega = 35 - 40\text{ m/s}$, đường kính tính toán $d_{tr} = 241\text{ mm}$, quy chuẩn $D_y = 250\text{ mm}$.
- Tai treo và cách nhiệt:
- Xác định khối lượng thiết bị khi không chứa chất lỏng ($G_{nk}$), khối lượng khi chứa đầy nước phục vụ thử áp lực thủy lực ($G_{nd}$) để chọn 4 tai treo chịu tải trọng phân bố đều.
- Bố trí kính quan sát mức dung dịch và tính toán chiều dày lớp cách nhiệt bằng bông khoáng bao quanh vỏ thiết bị để hạn chế tổn thất nhiệt ra môi trường.
Phần IV: Tính toán thiết bị phụ
Tính toán 03 thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:
- Thiết bị ngưng tụ Baromet: Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô có vách ngăn hình bán nguyệt đục lỗ. Xác định lưu lượng nước làm mát $G_n$ cần thiết để ngưng tụ toàn bộ lượng hơi thứ $W_2$, đường kính trong của tháp ngưng tụ, kích thước tấm ngăn và chiều cao rơi tự do của dòng nước; tính toán đường kính và chiều cao ống chân không Baromet (đảm bảo chiều cao cột nước lớn hơn $10\text{ m}$ để tự tháo nước ra ngoài khí quyển mà không phá vỡ chân không).
- Bơm hút chân không: Xác định lưu lượng thể tích khí không ngưng lọt vào hệ thống qua khe hở và bốc ra từ dung dịch, tính chọn công suất bơm chân không vòng nước nhằm duy trì áp suất $0,2\text{ at}$ trong thiết bị ngưng tụ.
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, vỏ thép, ống truyền nhiệt dẫn dung dịch $CaCl_2$ loãng được gia nhiệt bởi hơi nước ngưng tụ ngoài ống. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt, số ống chùm, đường kính thân và phân chia ngăn chuyển động của dòng chất lỏng để đạt vận tốc dòng tối ưu.
Phần V, VI, VII: Tổng kết, Kết luận và Tài liệu tham khảo
Tổng hợp toàn bộ các thông số kỹ thuật công nghệ và cơ khí; khẳng định độ tin cậy của các công thức giải tích và tính khả thi trong chế tạo thực tế của hệ thống; liệt kê danh mục tài liệu tham khảo chính từ các giáo trình và sổ tay chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất của các tác giả trong nước.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán công nghệ, tính toán cơ khí và thiết kế hệ thống phụ trợ theo đúng nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được giao.
| Thông số kỹ thuật |
Nồi 1 |
Nồi 2 |
Toàn hệ thống |
| Năng suất dung dịch đầu ($G_đ$) |
- |
- |
$3,5\text{ kg/s}$ ($12.600\text{ kg/h}$) |
| Nồng độ dung dịch ($x$) |
$11,21%$ |
$30,00%$ |
$7% \rightarrow 30%$ |
| Lượng hơi đốt tiêu tốn ($D$) |
$5406,33\text{ kg/h}$ |
- |
$5406,33\text{ kg/h}$ |
| Lượng hơi thứ bốc ra ($W_i$) |
$4719,36\text{ kg/h}$ |
$4940,64\text{ kg/h}$ |
$9660,00\text{ kg/h}$ |
| Áp suất hơi đốt ($P_{hđ}$) |
$4,00\text{ at}$ |
$1,23\text{ at}$ |
- |
| Nhiệt độ hơi đốt ($T$) |
$142,90^\circ\text{C}$ |
$104,91^\circ\text{C}$ |
- |
| Áp suất hơi thứ ($P'$) |
$1,27\text{ at}$ |
$0,21\text{ at}$ |
- |
| Nhiệt độ sôi của dung dịch ($t_s$) |
$109,06^\circ\text{C}$ |
$72,46^\circ\text{C}$ |
- |
| Tổng tổn thất nhiệt độ ($\sum \Delta_i$) |
$4,15^\circ\text{C}$ |
$12,77^\circ\text{C}$ |
$16,91^\circ\text{C}$ |
| Hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta T_i^*$) |
$33,22^\circ\text{C}$ |
$33,07^\circ\text{C}$ |
$66,29^\circ\text{C}$ |
| Hệ số cấp nhiệt ngưng tụ ($\alpha_1$) |
$10871,22\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
$10480,79\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
- |
| Hệ số cấp nhiệt sôi ($\alpha_2$) |
$3209,93\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
$2214,68\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
- |
| Hệ số truyền nhiệt ($K$) |
$610,16\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
$561,67\text{ W/m}^2\cdot\text{K}$ |
- |
| Bề mặt truyền nhiệt ($F$) |
$158,61\text{ m}^2$ |
$158,61\text{ m}^2$ |
$317,22\text{ m}^2$ |
| Đường kính trong buồng đốt ($D_{tr}$) |
$1600\text{ mm}$ |
$1600\text{ mm}$ |
- |
| Số ống truyền nhiệt ($\varnothing 57 \times 3,5$) |
484 ống |
484 ống |
968 ống |
| Đường kính ống tuần hoàn ($d_{th}$) |
$530\text{ mm}$ |
$530\text{ mm}$ |
- |
| Đường kính trong buồng bốc ($D_{tr}$) |
$1800\text{ mm}$ |
$1800\text{ mm}$ |
- |
| Chiều cao buồng bốc ($H$) |
$1,62\text{ m}$ |
$1,62\text{ m}$ |
- |
Các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất trong đồ án:
- Phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích theo nguyên tắc cân bằng diện tích truyền nhiệt ($F_1 \approx F_2 = 158,61\text{ m}^2$), giúp đồng bộ hóa kích thước chế tạo của hai thân buồng đốt và giảm chi phí gia công cơ khí.
- Lựa chọn vật liệu thép hợp kim không gỉ $X18H10T$ cho toàn bộ các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với dung dịch $CaCl_2$ nóng (buồng đốt, lưới ống, buồng bốc, đáy và nắp) nhằm chống ăn mòn hóa học và đảm bảo độ bền cơ học dưới điều kiện áp suất làm việc và áp suất thử thủy lực.
- Lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt phụ (13) để làm nguội dung dịch sản phẩm $30%$ trước khi qua bơm (14), giúp chống xâm thực và kéo dài tuổi thọ vận hành cho bơm ly tâm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Do khuôn khổ tính toán đồ án môn học, các hệ số nhiệt trở cặn bẩn ($r_1 = 0,00091\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$, $r_2 = 0,00023\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$) và tỷ lệ tổn thất nhiệt ra môi trường ($5%$) được lấy theo giá trị tra bảng định mức lý thuyết cố định, chưa phản ánh sự biến thiên thực tế theo thời gian bám cặn khi vận hành liên tục dài ngày.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt và thủy động học chuyên ngành (như Aspen Plus, HTRI, ANSYS Fluent) để tối ưu hóa trường vận tốc tuần hoàn dung dịch và phân bố nhiệt độ trong buồng đốt.
- Thiết kế tích hợp hệ thống đo lường và điều khiển tự động (vòng lặp điều khiển PID cho mức chất lỏng, lưu lượng nhập liệu và áp suất buồng bốc) nhằm đảm bảo ổn định nồng độ sản phẩm đầu ra khi thông số nguồn cấp biến động.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp và chuẩn mực cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa dược và Kỹ thuật Môi trường đang thực hiện Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (mã học phần CH3440) hoặc Khóa luận/Đồ án tốt nghiệp kỹ sư về tính toán thiết bị truyền nhiệt.
- Kỹ sư thiết kế công nghệ và cơ khí hóa chất cần tài liệu tra cứu quy trình tính lặp nhiệt truyền nhiệt, phương pháp xác định tổn thất nhiệt độ (nồng độ, thủy tĩnh), phương pháp bố trí mạng ống lục giác đều khi có ống tuần hoàn trung tâm, cũng như phương pháp tính toán hệ thống ngưng tụ Baromet kèm bơm chân không.
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất làm việc và nồng độ dung dịch trong hệ thống cô đặc hai nồi này là bao nhiêu?
Năng suất của hệ thống tính theo dung dịch đầu là $3,5\text{ kg/s}$ (tương đương $12.600\text{ kg/h}$). Dung dịch $CaCl_2$ ban đầu có nồng độ $7%$, qua nồi cô đặc 1 được nâng lên nồng độ $11,21%$ và ra khỏi nồi cô đặc 2 đạt nồng độ sản phẩm là $30%$.
2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra và lượng hơi đốt tiêu tốn của hệ thống là bao nhiêu?
Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn bộ hệ thống là $W = 9660\text{ kg/h}$, trong đó lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 là $W_1 = 4719,36\text{ kg/h}$ và ở nồi 2 là $W_2 = 4940,64\text{ kg/h}$. Lượng hơi đốt sơ cấp cần cung cấp cho buồng đốt nồi 1 là $D = 5406,33\text{ kg/h}$.
3. Diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi được xác định là bao nhiêu và theo nguyên tắc nào?
Diện tích bề mặt truyền nhiệt của mỗi nồi được tính toán là $F_1 = F_2 = 158,61\text{ m}^2$. Giá trị này được xác định theo phương pháp phân phối hiệu số nhiệt độ hữu ích sao cho bề mặt truyền nhiệt của các nồi bằng nhau ($\Delta T_1^* = 33,22^\circ\text{C}$ và $\Delta T_2^* = 33,07^\circ\text{C}$) nhằm tối ưu hóa tổng diện tích và đồng bộ hóa kết cấu chế tạo giữa các nồi.
4. Kết cấu cơ khí của buồng đốt và buồng bốc thiết bị chính có thông số như thế nào?
Buồng đốt có đường kính trong $D_{tr} = 1600\text{ mm}$, chiều dày thân $4\text{ mm}$, gồm 484 ống truyền nhiệt kích thước ngoài $\varnothing 57 \times 3,5\text{ mm}$ dài $2\text{ m}$ bố trí theo hình lục giác đều xung quanh một ống tuần hoàn trung tâm đường kính $d_{th} = 530\text{ mm}$. Buồng bốc hơi có đường kính trong $D_{tr} = 1800\text{ mm}$, chiều cao $H = 1,62\text{ m}$, chiều dày thân $5\text{ mm}$ và nắp elip dày $6\text{ mm}$, toàn bộ làm bằng thép không gỉ $X18H10T$.
5. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống là bao nhiêu và gồm những thành phần nào?
Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống hai nồi là $\sum \Delta_i = 16,91^\circ\text{C}$, bao gồm tổn thất do nồng độ $\sum \Delta' = 5,00^\circ\text{C}$ ($\Delta_1' = 1,39^\circ\text{C}$; $\Delta_2' = 3,61^\circ\text{C}$), tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\sum \Delta'' = 9,92^\circ\text{C}$ ($\Delta_1'' = 1,76^\circ\text{C}$; $\Delta_2'' = 8,16^\circ\text{C}$), và tổn thất do trở lực đường ống $\sum \Delta''' = 2,00^\circ\text{C}$ ($1^\circ\text{C}$ cho mỗi nồi).
Kết luận
Đồ án môn học đã hoàn thành việc tính toán thiết kế chi tiết hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều làm việc liên tục có ống tuần hoàn trung tâm để cô đặc dung dịch $CaCl_2$ từ $7%$ lên $30%$ với năng suất $3,5\text{ kg/s}$. Các kết quả tính toán công nghệ, cân bằng nhiệt và kiểm tra bền cơ học trên vật liệu thép không gỉ $X18H10T$ đều đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất hiện hành. Hệ thống thể hiện tính hợp lý về mặt năng lượng khi tận dụng hiệu quả hơi thứ làm chất tải nhiệt và đồng bộ hóa kích thước bề mặt truyền nhiệt giữa các nồi. Đây là công trình học thuật có cấu trúc tính toán logic, cung cấp bộ số liệu kỹ thuật hoàn chỉnh và có giá trị tham khảo ứng dụng cao trong đào tạo kỹ sư công nghệ hóa học.
