Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình cô đặc đóng vai trò then chốt trong công nghiệp hóa chất và công nghệ thực phẩm nhằm làm tăng nồng độ chất tan bằng cách tách bớt một phần dung môi qua phương pháp nhiệt bốc hơi. Dung dịch muối ăn ($\text{NaCl}$) là nguyên liệu cơ bản, phục vụ trực tiếp cho chế biến thực phẩm cũng như các ngành sản xuất hóa chất vô cơ. Việc nâng cao nồng độ dung dịch muối từ trạng thái loãng lên trạng thái đậm đặc đòi hỏi quy trình thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu khắt khe về truyền nhiệt, chống ăn mòn và tiết kiệm năng lượng. Đồ án kỹ thuật này giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống cô đặc làm việc gián đoạn dưới áp suất chân không nhằm nâng cao nồng độ dung dịch $\text{NaCl}$ từ $10%$ lên $27%$, tiệm cận vùng nồng độ kết tinh.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được tác giả xác định cụ thể qua các chỉ tiêu công nghệ sau:

  1. Nồng độ dung dịch nhập liệu ban đầu: $x_đ = 10%$ (khối lượng riêng $\rho = 1073\text{ kg/m}^3$).
  2. Nồng độ dung dịch sản phẩm đầu ra: $x_c = 27%$ (khối lượng riêng $\rho = 1205\text{ kg/m}^3$).
  3. Năng suất nhập liệu hệ thống: $G_đ = 1500\text{ kg/mẻ}$.
  4. Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ: $P_{ck} = 0,7\text{ at}$ (tương ứng áp suất tuyệt đối tại buồng bốc $P_c = 0,3\text{ at}$).
  5. Nguồn nhiệt cung cấp cho buồng đốt: Hơi nước bão hòa ở áp suất dư $P = 3\text{ at}$ (nhiệt độ bão hòa $t_D = 132,9^\circ\text{C}$).
  6. Nhiệt độ nguyên liệu đầu vào: $t_0 = 25^\circ\text{C}$.
  7. Lựa chọn dạng thiết bị chính: Nồi cô đặc ống chùm đặt thẳng đứng có buồng đốt trong và ống tuần hoàn trung tâm.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dung dịch nước muối $\text{NaCl}$ và hệ thống thiết bị cô đặc một nồi làm việc gián đoạn cùng các thiết bị phụ trợ đi kèm (thiết bị gia nhiệt sơ bộ, thiết bị ngưng tụ baromet, bình tách lỏng, bơm ly tâm và bơm chân không). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán công nghệ (cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt) và tính toán kết cấu cơ khí (bề dày vỏ buồng đốt, buồng bốc, đáy nón, nắp elip, mặt bích và tai treo) dựa trên các quy chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất - thực phẩm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Đồ án ứng dụng nguyên lý nhiệt động học và truyền nhiệt trong quá trình bốc hơi dung dịch chất tan không bay hơi. Khi đun sôi dung dịch trong buồng đốt, dung môi (nước) chuyển từ pha lỏng sang pha hơi (hơi thứ). Sự chênh lệch khối lượng riêng giữa hỗn hợp hơi - lỏng trong các ống truyền nhiệt nhỏ (khối lượng riêng nhỏ do sủi bọt mạnh) và khối lượng riêng chất lỏng trong ống tuần hoàn trung tâm (ít tiếp xúc nhiệt, khối lượng riêng lớn hơn) tạo ra động lực đối lưu tự nhiên, thúc đẩy dòng dung dịch tuần hoàn liên tục qua bề mặt truyền nhiệt mà không cần bơm tuần hoàn cưỡng bức.

Để thiết kế hệ thống, tác giả áp dụng hệ thống lý thuyết và phương pháp tính toán kỹ thuật:

  • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng phân đoạn: Do dung dịch vận hành gián đoạn và các thông số hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ sôi) thay đổi phi tuyến tính theo nồng độ, quá trình cô đặc được chia thành 3 giai đoạn: $10% \rightarrow 15%$, $15% \rightarrow 20%$ và $20% \rightarrow 27%$.
  • Mô hình tính toán tổn thất nhiệt độ: Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ($\Delta'$) được xác định theo công thức Babo/Tishchenko với hệ số hiệu chỉnh áp suất $f$; tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$) được tính tích hợp theo chiều cao lớp chất lỏng sôi; tổn thất nhiệt độ dọc đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ lấy $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$.
  • Phương pháp tính lặp truyền nhiệt: Thiết lập cân bằng nhiệt tải riêng giữa ba bề mặt: nhiệt tải tỏa nhiệt khi hơi ngưng tụ ngoài ống ($q_1$), nhiệt tải dẫn nhiệt qua vách kim loại kèm lớp cặn bẩn ($q_v$), và nhiệt tải cấp nhiệt cho dung dịch sôi đối lưu tự nhiên trong ống ($q_2$). Thực hiện quá trình tính lặp nhiệt độ vách cho đến khi sai số tương đối giữa $q_1$ và $q_2$ nhỏ hơn $5%$.
  • Phương pháp tính toán độ bền và cơ học vỏ mỏng: Áp dụng công thức tính toán thiết bị áp lực để xác định bề dày buồng đốt chịu áp suất trong, bề dày buồng bốc và nắp đáy chịu áp suất ngoài (chân không), có tính đến hệ số ăn mòn hóa học và dung sai gia công.

Nguồn dữ liệu và tài liệu tra cứu kỹ thuật được trích xuất từ:

  • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2) — Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên.
  • Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm: Truyền nhiệt (Tập 5) — Nguyễn Bin.
  • Ví dụ và bài tập Quá trình và Thiết bị Truyền nhiệt (Tập 10) — Nguyễn Bin.
  • Tính toán, thiết kế các chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí — Hồ Lê Viên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan nguyên liệu và quy trình công nghệ

Chương này trình bày các tính chất hóa lý của dung dịch muối ăn $\text{NaCl}$ và cơ chế biến đổi trong quá trình cô đặc. Khi nồng độ dung dịch tăng từ $10%$ lên $27%$, khối lượng riêng tăng từ $1073\text{ kg/m}^3$ lên $1205\text{ kg/m}^3$, độ nhớt tăng từ $0,71 \cdot 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$ lên $1,08 \cdot 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$. Ngược lại, nhiệt dung riêng giảm từ $3771\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ xuống $3082,7\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ và hệ số dẫn nhiệt giảm từ $0,55\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$ xuống $0,504\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$.

Tác giả thuyết minh sơ đồ công nghệ cô đặc chân không gián đoạn: Dung dịch ban đầu từ bể chứa được bơm ly tâm đẩy lên bồn cao vị để ổn định lưu lượng, sau đó đi qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ dạng ống chùm nhằm nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $72,2^\circ\text{C}$. Dung dịch sôi được nạp vào đáy buồng bốc của nồi cô đặc, phân phối vào chùm ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm. Hơi đốt (hơi nước bão hòa $3\text{ at}$) đi ngoài không gian ống cấp nhiệt làm dung dịch bốc hơi mãnh liệt. Hơi thứ mang theo giọt lỏng bay lên buồng bốc; bộ phận tách giọt giữ lại pha lỏng rơi xuống đáy, còn hơi thứ đi sang thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp. Khí không ngưng đi qua bình tách lỏng trước khi vào bơm hút chân không để thải ra ngoài. Khi dung dịch trong nồi đạt nồng độ $27%$, van cấp hơi được khóa, mở van thông áp và xả sản phẩm vào bể chứa.

Chương 2. Tính cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

Tác giả chia tiến trình cô đặc $1500\text{ kg/mẻ}$ thành 3 giai đoạn để lập cân bằng vật chất:

  • Giai đoạn 1 ($10% \rightarrow 15%$): Lượng dung dịch giảm từ $1500\text{ kg/h}$ xuống $1000\text{ kg/h}$, lượng hơi thứ thoát ra $W_1 = 500\text{ kg/h}$.
  • Giai đoạn 2 ($15% \rightarrow 20%$): Lượng dung dịch giảm từ $1000\text{ kg/h}$ xuống $750\text{ kg/h}$, lượng hơi thứ thoát ra $W_2 = 250\text{ kg/h}$.
  • Giai đoạn 3 ($20% \rightarrow 27%$): Lượng dung dịch giảm từ $750\text{ kg/h}$ xuống $555,56\text{ kg/h}$, lượng hơi thứ thoát ra $W_3 = 194,44\text{ kg/h}$.
  • Tổng lượng hơi thứ bốc lên toàn mẻ: $W_t = 944,44\text{ kg/h}$. Lượng sản phẩm $27%$ thu được là $555,56\text{ kg/mẻ}$.

Cân bằng năng lượng và xác định các tổn thất nhiệt độ:

  • Áp suất buồng bốc $P_c = 0,3\text{ at}$ cho nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất $t_{sdm} = 68,7^\circ\text{C}$. Tổn thất đường ống hơi thứ $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$, do đó nhiệt độ hơi vào thiết bị ngưng tụ $t_c = 67,7^\circ\text{C}$.
  • Tổn thất do nồng độ ở giai đoạn cuối ($27%$): $\Delta' = 6,48^\circ\text{C}$.
  • Tổn thất do áp suất cột thủy tĩnh lớp chất lỏng sôi: $\Delta'' = 1,7^\circ\text{C}$.
  • Tổng tổn thất nhiệt độ toàn hệ thống: $\sum \Delta = 6,48 + 1,7 + 1 = 9,18^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = (t_D - t_c) - \sum \Delta = (132,9 - 67,7) - 9,18 = 56,02^\circ\text{C}$.

Nhiệt lượng cần cung cấp tính toán cho từng công đoạn:

  • Gia nhiệt từ $25^\circ\text{C}$ lên $72,2^\circ\text{C}$: $Q_{D1} = 2,8 \cdot 10^8\text{ J/h}$, tiêu tốn $D_1 = 129,45\text{ kg/h}$ hơi đốt.
  • Bốc hơi giai đoạn 10–15%: $Q_{D2} = 12,24 \cdot 10^8\text{ J/h}$, tiêu tốn $D_2 = 593,47\text{ kg/h}$ hơi đốt.
  • Bốc hơi giai đoạn 15–20%: $Q_{D3} = 6,19 \cdot 10^8\text{ J/h}$, tiêu tốn $D_3 = 300,18\text{ kg/h}$ hơi đốt.
  • Bốc hơi giai đoạn 20–27%: $Q_{D4} = 4,78 \cdot 10^8\text{ J/h}$, tiêu tốn $D_4 = 231,6\text{ kg/h}$ hơi đốt.
  • Tổng nhiệt lượng hơi đốt cấp (kể cả tổn thất $5%$): $Q_D = 25,42 \cdot 10^8\text{ J/h}$ (tương đương $706.111\text{ W}$). Tổng lượng hơi đốt tiêu thụ: $D = 1254,7\text{ kg/h}$.
  • Suất tiêu hao hơi riêng: $D_{\text{riêng}} = D / W_t = 1254,7 / 944,44 = 1,33\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.

Chương 3. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc

Tác giả giải bài toán truyền nhiệt bằng thuật toán lặp qua các bước kiểm tra nhiệt tải riêng. Với nhiệt độ hơi đốt bão hòa $t_D = 132,9^\circ\text{C}$, chọn nhiệt độ vách phía hơi ngưng $t_{v1} = 124,5^\circ\text{C}$ ($\Delta t_1 = 8,4^\circ\text{C}$):

  • Nhiệt độ màng nước ngưng $t_m = 128,7^\circ\text{C}$, nội suy hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng đạt $\alpha_1 = 7363,2\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, nhiệt tải riêng $q_1 = 61.851\text{ W/m}^2$.
  • Tính trở nhiệt qua vách thép không gỉ dày $2\text{ mm}$ ($\lambda = 17,5\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$), nhiệt trở màng nước $r_1 = 0,464 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$, nhiệt trở lớp cặn $r_2 = 0,389 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$.
  • Cấp nhiệt phía dung dịch sôi đối lưu tự nhiên: $\alpha_2$ tính qua các thông số dung dịch muối ở $27%$, tính được nhiệt tải $q_2 = 66.543,35\text{ W/m}^2$.
  • Sai số giữa $q_1$ và $q_2$ là $|61.851 - 66.543,35| / 61.851 = 3,5% < 5%$, phép lặp đạt yêu cầu.
  • Nhiệt tải trung bình: $q_{tb} = 64.197,2\text{ W/m}^2$.
  • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán: $F = Q_D / (K \cdot \Delta t_{hi}) = 706.111 / (64.197,2 / 56,02 \cdot 56,02) = 16,14\text{ m}^2$. Để đảm bảo an toàn vận hành khi bám cặn, tác giả chọn diện tích theo tiêu chuẩn quy chuẩn là $F = 32\text{ m}^2$.

Chương 4. Tính kích thước thiết bị cô đặc

Từ diện tích bề mặt truyền nhiệt $F = 32\text{ m}^2$ và chiều cao ống truyền nhiệt $H = 1,5\text{ m}$:

  • Ống truyền nhiệt chọn loại ống thép không gỉ đường kính ngoài $d_{ng} = 38\text{ mm}$, đường kính trong $d_{tr} = 34\text{ mm}$. Số ống tính toán sơ bộ $n = 200$ ống.
  • Bố trí ống trên lưới theo đỉnh tam giác đều tạo thành hình lục giác đều, bước ống $s = 1,4 \cdot d_{ng} = 53,2\text{ mm}$. Số ống trên đường chéo chính $m = 21$ ống, tổng số ống trên lưới là $331$ ống.
  • Ống tuần hoàn trung tâm: đường kính chọn $d_{th} = 1/4 D_đ = 300\text{ mm}$, chọn quy chuẩn $d_{tr} = 315\text{ mm}$, $d_{ng} = 325\text{ mm}$. Vị trí lắp ống tuần hoàn làm giảm $11$ ống truyền nhiệt nhỏ.
  • Số ống truyền nhiệt làm việc thực tế: $n = 331 - 11 = 320$ ống. Diện tích truyền nhiệt thực tế đạt $52,48\text{ m}^2$ (vượt diện tích tính toán $16,14\text{ m}^2$).
  • Đường kính trong vỏ buồng đốt: $D_đ = 1200\text{ mm}$. Đáy nón buồng đốt có góc ở đỉnh $2\alpha = 60^\circ$, gờ cao $50\text{ mm}$, chiều cao nón $H_{nón} = 618\text{ mm}$, thể tích đáy $V_đ = 0,532\text{ m}^3$.
  • Buồng bốc hơi: Tính toán đường kính theo vận tốc lắng các giọt lỏng cuốn theo hơi thứ ($d = 0,0003\text{ m}$, khối lượng riêng pha hơi $\rho_h = 0,1876\text{ kg/m}^3$), chuẩn số $Re = 3,7$. Xác định đường kính trong buồng bốc quy chuẩn $D_b = 1600\text{ mm}$. Thể tích không gian hơi yêu cầu $V_{KGH} = 2,42\text{ m}^3$, chiều cao buồng bốc chọn $H_b = 2000\text{ mm}$.
  • Nắp buồng bốc elip có gờ: Đường kính trong $D_t = 1600\text{ mm}$, chiều cao phần elip $h_t = 400\text{ mm}$, chiều cao gờ $50\text{ mm}$, thể tích nắp $0,637\text{ m}^3$.

Chương 5. Tính cơ khí cho thiết bị chính

Vật liệu chế tạo thân buồng đốt, buồng bốc, nắp và đáy được chọn là thép không gỉ austenitic mã hiệu $\text{X18H10T}$ nhằm kháng ăn mòn của dung dịch muối $\text{NaCl}$. Mặt bích và bulong sử dụng thép carbon $\text{CT3}$. Toàn bộ thân thiết bị được bọc lớp cách nhiệt.

  • Buồng đốt chịu áp suất trong: Áp suất tính toán $P_t = 0,2\text{ N/mm}^2$ ($2\text{ at}$), nhiệt độ tính toán $t_{tt} = 152,9^\circ\text{C}$. Hệ số mối hàn $\phi = 0,95$, hệ số ăn mòn $C_a = 1\text{ mm}$. Chiều dày tính toán tối thiểu rất nhỏ, theo quy chuẩn gia công thiết bị hóa chất chọn bề dày thực buồng đốt $S_{BĐ} = 4\text{ mm}$. Kiểm tra áp suất cho phép đạt $[P] = 0,518\text{ N/mm}^2 > 0,2\text{ N/mm}^2$.
  • Buồng bốc chịu áp suất ngoài (chân không): Áp suất tính toán ngoài $P_n = 0,17\text{ N/mm}^2$ ($1,7\text{ at}$), nhiệt độ tính toán $t_{tt} = 88,7^\circ\text{C}$, chiều cao thân $L = 2000\text{ mm}$, đường kính $D_t = 1600\text{ mm}$. Chiều dày tính toán $S' = 6,42\text{ mm}$, hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai $C = 1,8\text{ mm}$, chiều dày yêu cầu $S = 8,22\text{ mm}$. Tác giả chọn quy chuẩn bề dày buồng bốc $S_{BB} = 10\text{ mm}$. Kiểm tra độ ổn định vỏ trụ chịu áp suất ngoài đạt $P_n' = 0,173\text{ N/mm}^2 > 0,17\text{ N/mm}^2$.
  • Đáy nón và nắp elip: Đáy nón đường kính $1200\text{ mm}$ chọn bề dày $S = 10\text{ mm}$; nắp elip đường kính $1600\text{ mm}$ chịu áp suất ngoài $0,17\text{ N/mm}^2$ chọn bề dày $S = 10\text{ mm}$.
  • Mặt bích liên kết: Sử dụng bích liền bằng thép kiểu 1, cấp áp suất danh định $P_y = 0,6\text{ N/mm}^2$:
    • Bích nối buồng bốc và buồng đốt: Đường kính danh định $D_t = 1200\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 1350\text{ mm}$, vòng bulong $D_b = 1300\text{ mm}$, $32$ bulong $\text{M24}$, chiều dày bích $h = 22\text{ mm}$.
    • Bích nối buồng đốt và đáy nón: $D_t = 1200\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 1350\text{ mm}$, $32$ bulong $\text{M24}$, chiều dày bích $h = 30\text{ mm}$.
    • Bích nối buồng bốc và nắp elip: Đường kính danh định $D_t = 1600\text{ mm}$.

Chương 6. Tính toán thiết bị phụ

Tác giả tính toán thiết bị ngưng tụ baromet trực tiếp kiểu khô. Nước làm lạnh được đưa vào ngăn trên cùng tiếp xúc trực tiếp để ngưng tụ toàn bộ lưu lượng hơi thứ $944,44\text{ kg/h}$. Chiều cao ống baromet đảm bảo cột chất lỏng tự thắng áp suất khí quyển để tháo nước ngưng ra ngoài liên tục mà không cần bơm tháo lỏng. Bình tách lỏng đặt giữa thiết bị ngưng tụ và bơm chân không để tách các hạt nước bị dòng khí cuốn theo, bảo vệ bơm chân không khỏi hiện tượng va đập thủy lực và ăn mòn.

Thiết kế và kết quả tính toán hệ thống

Hệ thống thiết bị cô đặc nước muối được thiết kế đồng bộ từ thông số công nghệ nhiệt đến kết cấu cơ khí chi tiết.

Bảng cân bằng vật chất và năng lượng toàn hệ thống

Chỉ tiêu công nghệ Đơn vị Giai đoạn 10–15% Giai đoạn 15–20% Giai đoạn 20–27% Toàn mẻ
Nồng độ cuối giai đoạn $%$ $15$ $20$ $27$ $27$
Khối lượng dung dịch còn lại $\text{kg/h}$ $1000$ $750$ $555,56$ $555,56$
Lượng hơi thứ bốc lên $\text{kg/h}$ $500$ $250$ $194,44$ $944,44$
Nhiệt độ sôi của dung dịch $^\circ\text{C}$ $73,6$ $75,3$ $78,6$ —
Nhiệt lượng cung cấp ($Q_D$) $10^8\text{ J/h}$ $12,24$ $6,19$ $4,78$ $25,42$
Lượng hơi đốt tiêu thụ ($D$) $\text{kg/h}$ $593,47$ $300,18$ $231,60$ $1254,7$

Bảng kích thước cơ khí thiết bị chính

Bộ phận thiết bị Kích thước hình học Bề dày kim loại Vật liệu chế tạo Áp suất tính toán
Buồng đốt $D_t = 1200\text{ mm}$, $H = 1500\text{ mm}$ $4\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ Trong $0,2\text{ N/mm}^2$
Ống truyền nhiệt $320\text{ ống}$, $\phi 34/\phi 38\text{ mm}$, dài $1,5\text{ m}$ $2\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ —
Ống tuần hoàn trung tâm $1\text{ ống}$, $\phi 315/\phi 325\text{ mm}$, dài $1,5\text{ m}$ $5\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ —
Buồng bốc hơi $D_t = 1600\text{ mm}$, $H = 2000\text{ mm}$ $10\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ Ngoài $0,17\text{ N/mm}^2$
Đáy nón buồng đốt $D_t = 1200\text{ mm}$, cao $618\text{ mm}$, góc $60^\circ$ $10\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ Ngoài $0,1955\text{ N/mm}^2$
Nắp elip buồng bốc $D_t = 1600\text{ mm}$, cao $400\text{ mm}$ $10\text{ mm}$ Thép $\text{X18H10T}$ Ngoài $0,17\text{ N/mm}^2$

Bảng quy chuẩn kích thước các đường ống dẫn công nghệ

Loại ống dẫn lưu chất Vận tốc chọn ($\text{m/s}$) Đường kính tính ($\text{mm}$) Quy chuẩn đường kính trong/ngoài ($\text{mm}$)
Ống dẫn hơi thứ $50$ $250$ $250 / 260$
Ống dẫn hơi đốt $30$ $96$ $100 / 110$
Ống nhập liệu $1,5$ $50$ $50 / 54$
Ống tháo sản phẩm $0,75$ $14$ $30 / 34$
Ống dẫn nước ngưng $1,0$ $25$ $25 / 32$
Ống xả khí không ngưng — $15$ $15 / 18$

Thiết kế thể hiện rõ tính logic cơ học: đường kính buồng bốc ($1600\text{ mm}$) được mở rộng lớn hơn đường kính buồng đốt ($1200\text{ mm}$) nhằm hạ vận tốc dòng hơi thứ xuống dưới vận tốc lắng của giọt lỏng ($0,0003\text{ m}$), giúp hơi thứ phân ly giọt lỏng tự nhiên trước khi thoát ra khỏi đỉnh nắp. Bề dày vỏ buồng bốc ($10\text{ mm}$) được tính toán dày hơn nhiều so với vỏ buồng đốt ($4\text{ mm}$) do buồng bốc phải chịu tải trọng uốn gập từ áp suất chân không bên ngoài tác động lên thân trụ có đường kính lớn.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối gián đoạn năng suất $1500\text{ kg/mẻ}$ với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập bảng dữ liệu nhiệt động chi tiết theo 3 khoảng nồng độ, chỉ ra lượng hơi thứ bốc lên toàn mẻ là $944,44\text{ kg/h}$ và thu được $555,56\text{ kg/mẻ}$ dung dịch muối nồng độ cao $27%$.
  • Xác định tổng nhiệt lượng cung cấp cho quá trình là $25,42 \cdot 10^8\text{ J/h}$ ($706.111\text{ W}$), tiêu hao $1254,7\text{ kg/h}$ hơi đốt bão hòa ở $3\text{ at}$, đạt suất tiêu hao hơi riêng $1,33\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
  • Thiết kế buồng đốt với $320$ ống truyền nhiệt $\phi 34/\phi 38\text{ mm}$ cao $1,5\text{ m}$ và một ống tuần hoàn trung tâm $\phi 315/\phi 325\text{ mm}$, tạo diện tích bề mặt truyền nhiệt thực tế $52,48\text{ m}^2$, đáp ứng hệ số dự phòng an toàn cao so với bề mặt tính toán lý thuyết ($16,14\text{ m}^2$).
  • Thiết lập hoàn chỉnh thông số cơ khí chế tạo chi tiết bằng thép không gỉ $\text{X18H10T}$ chịu ăn mòn hóa học của muối, kiểm tra ổn định bền đạt yêu cầu kỹ thuật dưới cả hai điều kiện áp suất trong ($0,2\text{ N/mm}^2$) và áp suất chân không ngoài ($0,17\text{ N/mm}^2$).

Về giải pháp kỹ thuật, tác giả đề xuất bố trí thiết bị gia nhiệt sơ bộ trước khi nạp liệu vào nồi cô đặc nhằm rút ngắn thời gian nâng nhiệt trong nồi, ổn định chế độ sôi; phân đoạn tính toán cân bằng năng lượng để phản ánh chính xác sự suy giảm hệ số truyền nhiệt khi nồng độ muối tăng; chọn kết cấu tuần hoàn trung tâm giúp chu trình đối lưu diễn ra liên tục, hạn chế hiện tượng đóng cặn cục bộ trên bề mặt truyền nhiệt. Đồ án cung cấp một bộ tài liệu tính toán đồng bộ từ công nghệ đến cơ khí chi tiết cho thiết bị cô đặc dung dịch ăn mòn ở quy mô mẻ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập trực tiếp gồm:

  • Chế độ vận hành gián đoạn theo mẻ làm cho tính chất hóa lý của dung dịch (độ nhớt, nhiệt dung, nhiệt độ sôi) và các đại lượng nhiệt tải thay đổi liên tục theo thời gian, dẫn đến quá trình truyền nhiệt không đạt trạng thái ổn định lý tưởng.
  • Hơi thứ sinh ra trong buồng bốc ở điều kiện chân không có nhiệt độ thấp ($67,7 - 68,7^\circ\text{C}$) và áp suất thấp ($0,3\text{ at}$) nên chưa thể tái sử dụng cho các mục đích công nghệ khác, phải thải nhiệt ngưng tụ hoàn toàn qua nước lạnh của thiết bị ngưng tụ baromet.
  • Suất tiêu hao hơi đốt riêng ở mức $1,33\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$ là mức tiêu tốn năng lượng đặc trưng của hệ thống cô đặc một nồi, chưa tối ưu hiệu quả kinh tế nhiệt như các hệ thống nhiều nồi.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Chuyển đổi sang hệ thống cô đặc liên tục kết hợp tích hợp các cảm biến đo nồng độ và điều khiển tự động lưu lượng nạp/tháo liệu khi các dòng cảm biến công nghiệp đạt độ tin cậy cao trong môi trường dung dịch muối ăn mòn.
  • Nghiên cứu mô hình cô đặc nhiều nồi (nồi sau sử dụng hơi thứ của nồi trước) hoặc ứng dụng công nghệ nén hơi nhiệt/nén hơi cơ học (MVR) để tái sử dụng ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ, giảm chi phí năng lượng hơi đốt cho nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên đại học các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Máy và Thiết bị Công nghiệp thực hiện đồ án môn học Quá trình & Thiết bị hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành chế tạo máy thực phẩm.
  • Kỹ sư thiết kế công nghệ và thiết bị cô đặc dung dịch muối, dung dịch hóa chất vô cơ hoặc thực phẩm lỏng ở quy mô vừa và nhỏ.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình giải bài toán truyền nhiệt lặp từng bước để xác định nhiệt độ vách và kiểm tra sai số nhiệt tải riêng phía hơi ngưng và phía dung dịch sôi.
  • Phương pháp tính toán cơ khí cho buồng bốc chịu áp suất ngoài (áp suất chân không), tính toán nắp elip và đáy nón theo các công thức chuẩn của tài liệu cơ khí thiết bị hóa chất Hồ Lê Viên.
  • Bảng tổng hợp quy chuẩn đường kính ống dẫn theo vận tốc dòng chảy thực tế và thông số tra cứu mặt bích tiêu chuẩn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả phải chia dải nồng độ cô đặc từ 10% đến 27% thành 3 giai đoạn để tính toán cân bằng?
Do quá trình cô đặc gián đoạn khiến nồng độ dung dịch muối tăng liên tục theo thời gian, kéo theo sự biến đổi lớn của các tính chất hóa lý: khối lượng riêng tăng từ $1073$ lên $1205\text{ kg/m}^3$, nhiệt dung riêng giảm từ $3771$ xuống $3082,7\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$ và độ nhớt tăng từ $0,71 \cdot 10^{-3}$ lên $1,08 \cdot 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$. Việc phân chia 3 giai đoạn ($10-15%$, $15-20%$, $20-27%$) giúp xác định chính xác tổn thất nhiệt độ nồng độ và lượng nhiệt cung cấp ở từng thời điểm.

2. Hiệu số nhiệt độ hữu ích của hệ thống cô đặc được xác định bằng bao nhiêu?
Hiệu số nhiệt độ chung giữa hơi đốt ($132,9^\circ\text{C}$) và hơi thứ vào thiết bị ngưng tụ ($67,7^\circ\text{C}$) là $\Delta t_{ch} = 65,2^\circ\text{C}$. Tổng tổn thất nhiệt độ là $\sum \Delta = 9,18^\circ\text{C}$ (gồm tổn thất do nồng độ $\Delta' = 6,48^\circ\text{C}$, tổn thất thủy tĩnh $\Delta'' = 1,7^\circ\text{C}$, tổn thất đường ống $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$). Do đó, hiệu số nhiệt độ hữu ích là $\Delta t_{hi} = 65,2 - 9,18 = 56,02^\circ\text{C}$.

3. Kết quả tính toán lặp nhiệt tải truyền nhiệt hội tụ ở giá trị nào?
Phép tính lặp hội tụ khi chọn nhiệt độ vách phía hơi ngưng $t_{v1} = 124,5^\circ\text{C}$ (ứng với nhiệt độ màng nước ngưng $t_m = 128,7^\circ\text{C}$ và $\Delta t_1 = 8,4^\circ\text{C}$). Khi đó, nhiệt tải phía hơi ngưng là $q_1 = 61.851\text{ W/m}^2$, nhiệt tải phía dung dịch sôi là $q_2 = 66.543,35\text{ W/m}^2$, sai số tương đối đạt $3,5% < 5%$, cho nhiệt tải trung bình $q_{tb} = 64.197,2\text{ W/m}^2$.

4. Vì sao bề dày buồng bốc (10 mm) lại lớn hơn bề dày buồng đốt (4 mm)?
Buồng đốt làm việc chịu áp suất trong $P_t = 0,2\text{ N/mm}^2$ ($2\text{ at}$) với đường kính $1200\text{ mm}$, ứng suất kéo tác dụng đều nên chỉ cần bề dày $4\text{ mm}$ là thỏa mãn độ bền. Ngược lại, buồng bốc có đường kính lớn hơn ($1600\text{ mm}$) và làm việc trong điều kiện chân không, chịu áp suất nén từ bên ngoài $P_n = 0,17\text{ N/mm}^2$ ($1,7\text{ at}$), đối mặt với nguy cơ mất ổn định móp méo vỏ trụ mỏng nên cần bề dày thực tế lên đến $10\text{ mm}$.

5. Tổng lượng hơi đốt tiêu thụ và suất tiêu hao hơi riêng của hệ thống là bao nhiêu?
Tổng lượng hơi đốt bão hòa áp suất $3\text{ at}$ cần cung cấp cho hệ thống trong một mẻ (kể cả $5%$ tổn thất nhiệt) là $D = 1254,7\text{ kg/h}$. Với tổng lượng hơi thứ bốc lên là $W_t = 944,44\text{ kg/h}$, suất tiêu hao hơi riêng đạt $D_{\text{riêng}} = 1,33\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống thiết bị cô đặc nước muối (từ 10% đến 27%), năng suất nhập liệu 1500 kg/mẻ" đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán công nghệ và cơ khí cho hệ thống cô đặc một nồi tuần hoàn trung tâm làm việc gián đoạn dưới áp suất chân không. Toàn bộ các thông số về cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng phân đoạn, truyền nhiệt lặp và kết cấu chịu áp lực của thép không gỉ $\text{X18H10T}$ được tác giả tính toán chi tiết và kiểm tra bền nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Mặc dù còn hạn chế về hiệu suất nhiệt do vận hành đơn nồi gián đoạn, công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác học tập và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt - bốc hơi trong ngành công nghệ hóa học và thực phẩm.