Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, quá trình cô đặc đóng vai trò then chốt trong việc làm tăng nồng độ chất tan không bay hơi bằng cách đun sôi để tách bớt dung môi ở dạng hơi. Đối với dung dịch kali nitrat ($KNO_3$ hay diêm tiêu kali) – một hóa chất quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất phân bón, chế tạo thuốc súng đen, công nghiệp thủy tinh và bảo quản thực phẩm – việc làm tăng nồng độ từ dung dịch loãng lên nồng độ bão hòa để phục vụ kết tinh hoặc sử dụng trực tiếp đòi hỏi một giải pháp công nghệ hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều sử dụng buồng đốt ngoài thẳng đứng là một phương án kỹ thuật phù hợp, cho phép tận dụng hơi thứ của nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh, bảo dưỡng ống truyền nhiệt và tránh hiện tượng bám cặn nghiêm trọng.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị của tác giả Đoàn Thanh Dũng (Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, GVHD: ThS. Nguyễn Thế Hữu) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống cô đặc dung dịch $KNO_3$ với các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Tính toán, thiết kế một hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều có buồng đốt ngoài đặt thẳng đứng, làm việc liên tục để cô đặc dung dịch $KNO_3$ đạt các chỉ tiêu công nghệ đề ra.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
    • Thực hiện tính toán cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống và từng nồi cô đặc.
    • Tính toán cân bằng nhiệt lượng, xác định phân phối áp suất, tổn thất nhiệt độ và hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống.
    • Xác định hệ số cấp nhiệt, nhiệt tải riêng và tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị cô đặc chính.
    • Tính toán thiết kế các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền: thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu dạng ống chùm, thiết bị ngưng tụ Baromet loại khô ngược chiều chân cao, bơm cấp liệu ly tâm, bơm hút chân không và thùng cao vị.
    • Tính toán kết cấu cơ khí, độ bền và lựa chọn các chi tiết tiêu chuẩn cho thiết bị chính (thân buồng đốt, buồng bốc, vỉ đỡ ống, nắp, đáy, tai treo, bích ghép, lớp cách nhiệt và các ống dẫn công nghệ).
    • Thể hiện kết quả thiết kế trên 02 bản vẽ kỹ thuật: Sơ đồ dây chuyền sản xuất (khổ A4) và Bản vẽ lắp nồi cô đặc (khổ A0).
  3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Hệ dung dịch muối vô cơ kali nitrat ($KNO_3$) hòa tan trong nước.
    • Phạm vi thông số công nghệ: Năng suất tính theo dung dịch ban đầu $G_d = 11.128\text{ kg/h}$; nồng độ dung dịch ban đầu $x_d = 12,7%$ khối lượng; nồng độ sản phẩm ra khỏi hệ thống $x_c = 29,9%$ khối lượng; áp suất hơi đốt cấp vào nồi 1 là $P_1 = 4\text{ at}$; áp suất tại thiết bị ngưng tụ là $P_{ng} = 0,2\text{ at}$; chiều cao ống truyền nhiệt chọn trước là $h = 4\text{ m}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt và truyền khối của môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất:

  • Nguyên lý cô đặc nhiều nồi xuôi chiều: Dựa trên sự chênh lệch áp suất giảm dần giữa các nồi ($P_1 > P_2 > P_{ng}$) để dung dịch tự di chuyển từ nồi trước sang nồi sau mà không cần bơm trung gian. Hơi thứ sinh ra từ buồng bốc của nồi 1 được tận dụng làm tác nhân cấp nhiệt (hơi đốt) cho buồng đốt của nồi 2.
  • Mô hình tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$): Xác định theo công thức Tysenco: $\Delta'i = 16,2 \cdot \frac{T_i^2}{r'i} \cdot \Delta'{0}$, với $\Delta'{0}$ là tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển tra cứu theo nồng độ chất tan.
    • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Xác định dựa trên áp suất trung bình ở giữa chiều cao ống truyền nhiệt $P_{tbi} = P'i + \left(h_1 + \frac{h_2}{2}\right) \cdot \rho{dds} \cdot g$.
    • Tổn thất do trở lực đường ống dẫn hơi thứ ($\Delta'''$): Chọn theo quy chuẩn kinh nghiệm ($\Delta'''_1 = 1^\circ\text{C}, \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$).
  • Lý thuyết truyền nhiệt qua vách: Xác định hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi bão hòa ngoài ống ($\alpha_1$) và hệ số cấp nhiệt từ bề mặt đốt đến dung dịch sôi sủi bọt đối lưu tự nhiên bên trong ống ($\alpha_2$), kết hợp hệ số hiệu chỉnh tính chất vật lý của dung dịch so với nước ($\psi$).
  • Mô hình xác định độ nhớt dung dịch: Sử dụng công thức thực nghiệm Paplov: $\frac{t_1 - t_2}{\theta_1 - \theta_2} = K = \text{const}$ để nội suy độ nhớt của dung dịch $KNO_3$ ở các nhiệt độ làm việc khác nhau thông qua chất lỏng tiêu chuẩn là nước.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng: Thiết lập hệ phương trình cân bằng dòng vào - dòng ra cho từng nồi và toàn hệ thống để tìm lưu lượng hơi thứ ($W_1, W_2$), lưu lượng hơi đốt ($D$) và nồng độ trung gian ($x_{c1}$).
  • Phương pháp lặp và hiệu chỉnh sai số: Giả thiết tỷ lệ phân phối áp suất và nhiệt độ hữu ích giữa các nồi, sau đó kiểm tra lại bằng cân bằng nhiệt lượng và nhiệt tải truyền nhiệt. Tiêu chuẩn hội tụ yêu cầu sai số tương đối $\varepsilon < 5%$.
  • Phương pháp tính toán thủy lực và cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán trở lực đường ống, cột áp tĩnh, công suất trục và động cơ bơm; tính toán chiều dày thân, đáy, nắp chịu áp lực trong và ngoài theo tiêu chuẩn cơ học vật liệu hóa chất.

Nguồn dữ liệu

Tất cả các hằng số vật lý (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, ẩn nhiệt hóa hơi, hàm nhiệt của hơi nước bão hòa) và bảng quy chuẩn cơ khí (ống truyền nhiệt, mặt bích, tai treo, bích nắp/đáy) đều được tra cứu và nội suy trực tiếp từ bộ tài liệu Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).

Nội dung chính theo từng phần

Phần I: Giới thiệu chung

Phần này trình bày tổng quan về bản chất quá trình cô đặc, phân tích ưu nhược điểm của hệ thống cô đặc xuôi chiều và đặc tính lý hóa của $KNO_3$. Hệ thống cô đặc xuôi chiều có ưu điểm là dung dịch tự chảy nhờ chênh lệch áp suất và xảy ra hiện tượng tự bốc hơi khi dung dịch đi từ nồi trước sang nồi sau do nhiệt độ sôi giảm. Nhược điểm là nhiệt độ dung dịch ở nồi sau thấp dần nhưng nồng độ lại tăng, làm tăng độ nhớt và giảm hệ số truyền nhiệt.

Tác giả thuyết minh sơ đồ công nghệ gồm 12 cụm thiết bị và phụ kiện:

  1. Thùng chứa dung dịch đầu
  2. Thùng chứa nước
  3. Thùng cao vị
  4. Thiết bị ngưng tụ Baromet
  5. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
  6. Thiết bị cô đặc nồi 1
  7. Thiết bị cô đặc nồi 2
  8. Hơi đốt
  9. Thùng chứa sản phẩm
  10. Hệ thống ngưng tụ
  11. Thiết bị tách bọt
  12. Bơm chân không

Phần II: Tính toán thiết bị chính

Tác giả triển khai các bước tính toán công nghệ cho hai nồi cô đặc buồng đốt ngoài:

  • Cân bằng vật liệu: Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn hệ thống được xác định là $W = 6401,39\text{ kg/h}$. Sau khi tính toán lặp qua cân bằng nhiệt lượng, lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 là $W_1 = 3118,492\text{ kg/h}$, ở nồi 2 là $W_2 = 3282,898\text{ kg/h}$. Nồng độ dung dịch sau nồi 1 đạt $x_{c1} = 17,9%$, nồng độ sau nồi 2 đạt $x_{c2} = 29,9%$. Lượng hơi đốt tiêu thụ ở nồi 1 là $D = 3408,6953\text{ kg/h}$.
  • Cân bằng nhiệt và tổn thất nhiệt: Độ chênh lệch áp suất chung của hệ thống là $\Delta P = 3,8\text{ at}$. Phân phối áp suất: $\Delta p_1 = 2,705\text{ at}$, $\Delta p_2 = 1,095\text{ at}$; áp suất hơi đốt nồi 2 là $P_{hd2} = 1,295\text{ at}$. Tổng tổn thất nhiệt của hệ thống là $\sum \Delta = 21,3271^\circ\text{C}$ (gồm tổn thất do nồng độ $\Delta' = 4,2741^\circ\text{C}$, tổn thất do áp suất thủy tĩnh $\Delta'' = 15,053^\circ\text{C}$ và tổn thất do trở lực đường ống $\Delta''' = 2^\circ\text{C}$).
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: Tổng hiệu số nhiệt độ hữu ích toàn hệ thống là $\sum \Delta T_i = 61,8729^\circ\text{C}$. Sau khi hiệu chỉnh theo tỷ số nhiệt tải và hệ số truyền nhiệt ($Q_i/K_i$), hiệu số nhiệt độ hữu ích ở nồi 1 là $\Delta T'_1 = 30,0597^\circ\text{C}$, ở nồi 2 là $\Delta T'_2 = 31,813^\circ\text{C}$ (sai số so với giả thiết ban đầu là $2,42%$ và $2,4%$, đều $< 5%$).
  • Hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt: Hệ số truyền nhiệt xác định được ở nồi 1 là $K_1 = 970,4385\text{ W/(m}^2\cdot\text{độ)}$, ở nồi 2 là $K_2 = 878,736\text{ W/(m}^2\cdot\text{độ)}$. Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán phân phối đồng đều cho hai nồi là $F_1 = F_2 = 69,5\text{ m}^2$. Quy chuẩn theo tiêu chuẩn kỹ thuật chọn diện tích truyền nhiệt mỗi nồi là $F = 80\text{ m}^2$.

Phần III: Tính toán thiết bị phụ

Các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền được tính toán chi tiết:

  • Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt đứng, tác nhân gia nhiệt là hơi nước bão hòa ở không gian ngoài ống, dung dịch $KNO_3$ đi trong lòng ống. Nhiệt lượng trao đổi $Q = 983.822,66\text{ W}$, hiệu số nhiệt độ hữu ích trung bình $\Delta t_{tb} = 64,965^\circ\text{C}$, bề mặt truyền nhiệt $F = 25,742\text{ m}^2$. Thiết bị gồm 61 ống truyền nhiệt ($\phi 38 \times 2\text{ mm}$, chiều dài $L = 4\text{ m}$), đường kính trong thiết bị $D_{tr} = 700\text{ mm}$, thiết kế chia 2 ngăn để đảm bảo dòng chảy xoáy với chuẩn số Reynolds đạt $Re = 17.165,86$.
  • Thiết bị ngưng tụ Baromet: Sử dụng thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều chân cao. Lượng nước lạnh cần thiết để ngưng tụ lượng hơi thứ $W_2$ ($3282,898\text{ kg/h}$) từ nhiệt độ đầu $25^\circ\text{C}$ lên $50^\circ\text{C}$ là $G_n = 75.373,08\text{ kg/h}$. Đường kính trong thiết bị ngưng tụ quy chuẩn $D_{tr} = 600\text{ mm}$. Thiết bị có 8 ngăn (4 bậc) hình bán nguyệt đục lỗ $2\text{ mm}$, khoảng cách giữa các ngăn $400\text{ mm}$, chiều cao hữu ích thân thiết bị $H = 3200\text{ mm}$.
  • Ống Baromet và bơm chân không: Ống Baromet có đường kính trong quy chuẩn $d = 0,3\text{ m}$, chiều cao quy chuẩn $H = 10\text{ m}$ (bao gồm chiều cao cột nước cân bằng chân không $8,33\text{ m}$, chiều cao khắc phục trở lực và chiều cao dự trữ $0,5\text{ m}$). Lượng không khí cần hút khỏi thiết bị ngưng tụ là $G_{kk} = 35,53\text{ kg/h}$, tương ứng thể tích khí cần hút ở điều kiện làm việc là $V_{kk} = 560,94\text{ m}^3\text{/h}$.
  • Bơm cấp liệu ly tâm: Áp suất toàn phần cần tạo ra để đưa dung dịch từ thùng chứa lên thùng cao vị (chiều cao hình học $H_0 = 12\text{ m}$, chiều dài đường ống $15\text{ m}$) là $H = 12,35\text{ m}$ cột chất lỏng. Quy chuẩn chọn bơm ly tâm có áp suất toàn phần $H \ge 13\text{ m}$, công suất tính toán trên trục $0,52\text{ kW}$, công suất động cơ điện trang bị sau khi tính hệ số dự trữ là $N_{đc} = 1,3\text{ kW}$.
  • Thùng cao vị: Tính toán thủy lực trở lực dòng chảy từ thiết bị gia nhiệt vào buồng đốt để xác định chiều cao đặt thùng đảm bảo áp đầu ổn định cho quá trình cấp liệu liên tục.

Phần IV: Tính toán và lựa chọn cơ khí

Phần này thiết lập kích thước và lựa chọn vật liệu chế tạo chi tiết:

  • Số lượng ống truyền nhiệt trong buồng đốt ngoài của mỗi nồi cô đặc, đường kính thân buồng đốt và chiều dày buồng đốt.
  • Chiều dày vỉ đỡ ống (lưới đỡ ống), chiều dày đáy lồi và nắp buồng đốt.
  • Thể tích, chiều cao, chiều dày thân, nắp và đáy của phòng bốc hơi.
  • Tính toán đường kính các ống dẫn lưu thể công nghệ: ống dẫn dung dịch vào/ra buồng đốt, ống dẫn hơi thứ sang nồi 2 và sang thiết bị ngưng tụ, ống tuần hoàn dung dịch, ống tháo nước ngưng.
  • Lựa chọn mặt bích tiêu chuẩn ghép thân - nắp - đáy, tính chọn tai treo thiết bị, kính quan sát bốc hơi và tính toán chiều dày lớp vật liệu bọc cách nhiệt bảo ôn vỏ thiết bị.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống thiết bị được thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh dựa trên các tiêu chuẩn chế tạo thiết bị hóa chất bằng thép cacbon CT3 kết hợp ống truyền nhiệt tiêu chuẩn.

Bảng thông số kỹ thuật tổng hợp hệ thống cô đặc hai nồi

Hạng mục thiết bị / Thông số Nồi 1 Nồi 2 Thiết bị gia nhiệt đầu Thiết bị ngưng tụ Baromet
Nhiệt độ sôi dung dịch ($^\circ\text{C}$) 112,09 75,27 112,09 (đun từ $25^\circ\text{C}$) 59,7 (nhiệt độ hơi ngưng)
Áp suất làm việc hơi đốt (at) 4,00 1,295 4,00 0,20 (áp suất chân không)
Lượng hơi thứ sinh ra / ngưng tụ (kg/h) 3118,49 3282,90 — 3282,90 (lượng hơi ngưng)
Nồng độ dung dịch ra (% khối lượng) 17,90 29,90 12,70 —
Hệ số truyền nhiệt $K$ (W/m$^2\cdot$độ) 970,44 878,74 — —
Hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Delta T'$ ($^\circ\text{C}$) 30,06 31,81 64,965 ($\Delta t_{tb}$) —
Diện tích truyền nhiệt tính toán (m$^2$) 69,50 69,50 25,74 —
Diện tích truyền nhiệt quy chuẩn (m$^2$) 80,00 80,00 — —
Quy cách ống truyền nhiệt / Kích thước Ống đứng $h=4\text{ m}$ Ống đứng $h=4\text{ m}$ 61 ống $\phi 38\times 2\text{ mm}$, $L=4\text{ m}$ Thân $D_{tr}=600\text{ mm}$, $H=3200\text{ mm}$
Phụ trợ kèm theo Tách bọt, xả đáy Tách bọt, xả đáy Vỏ trụ $D_{tr}=700\text{ mm}$, chia 2 ngăn Ống Baromet $d=0,3\text{ m}$, $H=10\text{ m}$

Dây chuyền vận hành công nghệ

Dung dịch ban đầu ($x_d = 12,7%$) từ thùng chứa (1) được bơm ly tâm đưa lên thùng cao vị (3), sau đó chảy qua thiết bị gia nhiệt ống chùm (5) để đun nóng sơ bộ đến nhiệt độ sôi ($112,09^\circ\text{C}$). Dung dịch tiếp tục đi vào buồng đốt ngoài của nồi 1 (6), tại đây dung dịch nhận nhiệt từ hơi đốt áp suất $4\text{ at}$ qua chùm ống truyền nhiệt dài $4\text{ m}$ và bốc hơi một phần nước trong buồng bốc. Hơi thứ thoát ra qua bộ phận tách bọt (11) rồi được dẫn sang làm hơi đốt cho nồi 2 (7).

Dung dịch sau nồi 1 có nồng độ $17,9%$ tự động chuyển sang nồi 2 nhờ chênh lệch áp suất. Ở nồi 2, do áp suất thấp hơn ($P_{hd2} = 1,295\text{ at}$), dung dịch tự bốc hơi một phần và tiếp tục được cô đặc đến nồng độ sản phẩm $29,9%$, sau đó được xả vào thùng chứa sản phẩm (9). Hơi thứ nồi 2 đi vào thiết bị ngưng tụ Baromet (4), tiếp xúc trực tiếp ngược chiều với nước làm lạnh từ trên phun xuống qua các tấm ngăn để ngưng tụ thành nước lỏng chảy xuống ống Baromet ra ngoài, khí không ngưng được bơm chân không (12) hút ra ngoài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Đồ án đã xác lập đầy đủ bảng số liệu thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ dây chuyền cô đặc $KNO_3$ quy mô công nghiệp:

  • Xử lý thành công lưu lượng nhập liệu $11.128\text{ kg/h}$ dung dịch $KNO_3$ từ nồng độ $12,7%$ lên $29,9%$, tách thành công tổng lượng nước $6401,39\text{ kg/h}$ dưới dạng hơi thứ qua hai nồi.
  • Tiết kiệm năng lượng thông qua cấu hình hai nồi xuôi chiều: chỉ cần tiêu tốn $3408,6953\text{ kg/h}$ hơi đốt sơ cấp ở nồi 1 để làm bay hơi hơn $6400\text{ kg/h}$ nước trong toàn bộ hệ thống.
  • Xác định chính xác các tổn thất nhiệt trong hệ thống: tổn thất nồng độ $4,2741^\circ\text{C}$, tổn thất áp suất thủy tĩnh $15,053^\circ\text{C}$ và tổn thất trở lực $2^\circ\text{C}$.
  • Quy chuẩn hóa diện tích bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị chính ($80\text{ m}^2$/nồi) và thiết bị phụ trợ ($25,74\text{ m}^2$ cho thiết bị gia nhiệt đầu; thiết bị ngưng tụ Baromet đường kính $600\text{ mm}$, chiều cao hữu ích $3200\text{ mm}$, lưu lượng nước ngưng $75.373,08\text{ kg/h}$).

Đóng góp của đồ án

  • Thiết lập một chu trình tính toán mẫu mực, có độ tin cậy cao cho hệ cô đặc hai nồi dung dịch muối vô cơ có độ hòa tan biến đổi mạnh theo nhiệt độ ($KNO_3$), với tất cả các bước kiểm tra sai số phân phối áp suất, phân phối nhiệt lượng và nhiệt tải riêng đều thỏa mãn tiêu chuẩn hội tụ kỹ thuật ($\varepsilon < 5%$).
  • Đề xuất giải pháp bố trí buồng đốt ngoài thẳng đứng thay vì buồng đốt trong, giúp giải quyết triệt để vấn đề tuần hoàn tự nhiên của dung dịch đậm đặc, hạn chế hiện tượng đóng cặn tinh thể cục bộ trên bề mặt truyền nhiệt và tạo điều kiện dễ dàng cho công tác vệ sinh, sửa chữa ống truyền nhiệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đồ án dừng lại ở mức độ thiết kế tính toán lý thuyết và tra cứu bảng thực nghiệm quy chuẩn; các thông số về nhiệt trở cặn bẩn ($r_1, r_2$) được lấy theo giả định chuẩn mà chưa khảo sát biến thiên đóng cặn thực tế theo thời gian làm việc của dung dịch $KNO_3$.
    • Chưa đi sâu vào thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình (vòng lặp điều khiển mức chất lỏng, điều khiển áp suất chân không và nhiệt độ tự động qua PLC/SCADA).
  • Hướng phát triển tiếp:
    • Nghiên cứu mô phỏng động học quá trình truyền nhiệt và quá trình kết tinh muối $KNO_3$ sau khi ra khỏi nồi cô đặc thứ 2.
    • Tính toán tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật nhằm xác định số nồi tối ưu (so sánh giữa hệ 2 nồi và hệ 3 nồi) tương ứng với giá thành hơi đốt và chi phí đầu tư thiết bị.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị học thuật và kỹ thuật thực tiễn cao:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học - Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Quy trình và công thức tính toán chi tiết việc cân bằng vật chất - nhiệt lượng cho hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều.
    • Phương pháp xác định độ nhớt và tính chất nhiệt vật lý của dung dịch muối vô cơ bằng công thức Paplov và công thức thực nghiệm.
    • Trình tự tính toán thủy lực, kích thước và kết cấu cơ khí cho thiết bị ngưng tụ Baromet chân cao ngược chiều loại khô và thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chia ngăn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại chọn giải pháp buồng đốt ngoài thẳng đứng thay vì buồng đốt trong?
Trả lời: Buồng đốt ngoài đặt thẳng đứng giúp tăng cường tốc độ tuần hoàn tự nhiên của dung dịch qua ống truyền nhiệt nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng rõ rệt giữa dòng dung dịch trong buồng đốt và dòng trong ống tuần hoàn. Ngoài ra, cấu tạo này giúp việc tháo lắp, kiểm tra, cạo rửa cặn bám trên bề mặt ống truyền nhiệt trở nên thuận tiện hơn rất nhiều so với buồng đốt trong.

2. Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi hệ thống là bao nhiêu và phân phối ở hai nồi như thế nào?
Trả lời: Tổng lượng hơi thứ bốc ra khỏi toàn hệ thống là $W = 6401,39\text{ kg/h}$. Qua tính toán cân bằng nhiệt lượng chi tiết, lượng hơi thứ thoát ra ở nồi 1 là $W_1 = 3118,492\text{ kg/h}$ và ở nồi 2 là $W_2 = 3282,898\text{ kg/h}$, với sai số so với giả thiết ban đầu chỉ từ $3,52%$ đến $3,59%$ ($< 5%$).

3. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống cô đặc này là bao nhiêu và bao gồm những thành phần nào?
Trả lời: Tổng tổn thất nhiệt độ của cả hệ thống là $\sum \Delta = 21,3271^\circ\text{C}$, bao gồm:

  • Tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ($\sum \Delta' = 4,2741^\circ\text{C}$ với $\Delta'_1 = 1,8141^\circ\text{C}, \Delta'_2 = 2,46^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng ($\sum \Delta'' = 15,053^\circ\text{C}$ với $\Delta''_1 = 2,94^\circ\text{C}, \Delta''_2 = 12,113^\circ\text{C}$).
  • Tổn thất nhiệt độ do trở lực đường ống dẫn hơi thứ ($\sum \Delta''' = 2^\circ\text{C}$ với $\Delta'''_1 = 1^\circ\text{C}, \Delta'''_2 = 1^\circ\text{C}$).

4. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu được tính toán với thông số kết cấu ra sao?
Trả lời: Thiết bị gia nhiệt đầu là loại trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng có diện tích truyền nhiệt $F = 25,742\text{ m}^2$, gồm 61 ống truyền nhiệt kích thước $\phi 38 \times 2\text{ mm}$, chiều cao $H = 4\text{ m}$, đường kính trong vỏ thiết bị $D_{tr} = 700\text{ mm}$. Thiết bị được chia 2 ngăn để nâng vận tốc dòng chảy, đưa chế độ chuyển động của dung dịch đạt trạng thái chảy xoáy với chuẩn số $Re = 17.165,86$.

5. Thiết bị ngưng tụ Baromet sử dụng lượng nước làm lạnh là bao nhiêu và ống Baromet có chiều cao thế nào?
Trả lời: Lượng nước lạnh ($25^\circ\text{C}$) cần cấp vào thiết bị ngưng tụ Baromet để ngưng tụ lượng hơi thứ $3282,90\text{ kg/h}$ là $G_n = 75.373,08\text{ kg/h}$. Ống Baromet có đường kính trong quy chuẩn $d = 0,3\text{ m}$ và chiều cao quy chuẩn là $H = 10\text{ m}$ nhằm đảm bảo nước tự tháo ra ngoài liên tục mà không bị hút ngược vào buồng ngưng dưới áp suất chân không $0,2\text{ at}$.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Đoàn Thanh Dũng đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống cô đặc hai nồi xuôi chiều buồng đốt ngoài làm việc liên tục cho dung dịch $KNO_3$ với năng suất $11.128\text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số nhiệt động học, kích thước hình học của thiết bị chính (diện tích truyền nhiệt quy chuẩn $80\text{ m}^2$/nồi) và các thiết bị phụ trợ (gia nhiệt đầu, ngưng tụ Baromet, bơm ly tâm, thùng cao vị) đều được tính toán nhất quán, logic và thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế thiết bị hóa chất. Công trình là tài liệu tham khảo hoàn chỉnh, chuẩn mực cho sinh viên và kỹ sư thực hiện các đồ án môn học và dự án thiết kế thiết bị truyền nhiệt - cô đặc trong ngành Công nghệ Hóa học.