Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp hóa chất, dệt nhuộm, sản xuất giấy, xà phòng và xử lý nước thải, Natri Hydroxit ($\text{NaOH}$) đóng vai trò là một trong những hóa chất cơ bản quan trọng nhất. Theo thống kê từ ngành công nghiệp hóa chất toàn cầu, dung dịch $\text{NaOH}$ thương phẩm thường được tiêu thụ ở nồng độ cao từ $30%$ đến $50%$, trong khi sản phẩm sau các công đoạn điện phân màng hoặc thu hồi dung dịch kiềm loãng thường chỉ đạt nồng độ từ $8% - 12%$. Việc nâng cao nồng độ dung dịch từ $10%$ lên $40%$ là yêu cầu bắt buộc để tối ưu hóa chi phí lưu trữ, vận chuyển và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật trong chế biến công nghiệp.

Dung dịch $\text{NaOH}$ có tính chất hóa lý đặc thù: tính ăn mòn kim loại cực mạnh, độ nhớt tăng phi tuyến tính theo nồng độ (tăng từ $0.001,\text{Pa}\cdot\text{s}$ ở $10%$ lên $0.00292,\text{Pa}\cdot\text{s}$ ở $40%$), và hiện tượng tăng nhiệt độ sôi rất lớn so với nước nguyên chất (tổn thất nhiệt độ do nồng độ $\Delta'$ vượt quá $22^\circ\text{C}$). Quá trình cô đặc ở áp suất khí quyển đòi hỏi nhiệt độ sôi trên $120^\circ\text{C}$, dẫn đến nguy cơ ăn mòn cục bộ thiết bị, thất thoát nhiệt lượng lớn ra môi trường và tiêu tốn nhiều năng lượng hơi đốt.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            MỤC TIÊU DỰ ÁN CỤ THỂ                                  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cô đặc chân không 1 nồi gián đoạn dung dịch NaOH. |
| 2. Nâng nồng độ dung dịch từ 10% wt lên 40% wt với năng suất nạp 600 kg/mẻ.       |
| 3. Tối ưu hóa bề mặt truyền nhiệt chùm ống đứng với vật liệu chống ăn mòn 0X18H10T|
| 4. Thiết kế hệ thống ngưng tụ Baromet chân cao và chọn bơm chân không đồng bộ.    |
| 5. Kiểm tra bền cơ khí toàn diện cho thân chịu áp lực trong và chân không ngoài.  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Giải pháp được lựa chọn là thiết bị cô đặc chân không một nồi gián đoạn, buồng đốt ngoài dạng ống chùm đặt đứng kết hợp ống tuần hoàn ngoài. Phương pháp cô đặc chân không giúp hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch xuống dưới $95.5^\circ\text{C}$ ở áp suất buồng bốc $P_0 = 0.3139,\text{at}$ ($P_{ck} = 0.6861,\text{at}$), bảo vệ cơ tính vật liệu, giảm thiểu đóng cặn trên bề mặt truyền nhiệt và duy trì chênh lệch nhiệt độ hữu ích cao ($\Delta t_{hi} = 46.364^\circ\text{C}$).

Dự án xác định rõ phạm vi ứng dụng ở quy mô sản xuất nhỏ, phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot với chu kỳ làm việc gián đoạn theo từng mẻ $600,\text{kg}$. Giới hạn của hệ thống là lượng hơi thứ bốc ra không được tái sử dụng cho các nồi tiếp theo như hệ thống đa nồi, nhưng đổi lại quy trình vận hành linh hoạt, kết cấu đơn giản và chi phí đầu tư ban đầu thấp.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình tách dung môi nước khỏi dung dịch kiềm có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp truyền nhiệt khác nhau. Bảng so sánh dưới đây phân tích ưu và nhược điểm của các giải pháp công nghệ hiện nay:

Phương pháp công nghệ Ưu điểm kỹ thuật Nhược điểm cốt lõi Mức độ phù hợp
Cô đặc hở áp suất thường Thiết bị đơn giản, chi phí chế tạo thấp, không cần bơm chân không. Nhiệt độ sôi cao ($>120^\circ\text{C}$), ăn mòn kim loại dữ dội, thất thoát nhiệt lượng lớn, tiêu tốn hơi đốt. Kém khả thi với $\text{NaOH}$ đặc
Cô đặc chân không gián đoạn (Đề xuất) Hạ nhiệt độ sôi ($<96^\circ\text{C}$), giảm ăn mòn, vận hành linh hoạt theo mẻ, kết cấu nhỏ gọn, chi phí vừa phải. Quá trình không ổn định theo thời gian, hơi thứ áp suất thấp khó tận dụng nhiệt. Tối ưu cho quy mô pilot ($600,\text{kg}$)
Cô đặc màng rơi đa nồi liên tục Hiệu suất nhiệt rất cao, tiết kiệm hơi đốt tối đa, tự động hóa cao. Chi phí đầu tư cơ điện rất lớn, điều khiển lưu lượng phức tạp, dễ tắc màng khi nồng độ cao. Chỉ phù hợp nhà máy quy mô lớn

Yêu cầu kỹ thuật được phân loại theo mô hình MoSCoW:

  • Must Have (Bắt buộc): Đạt nồng độ đầu ra $40% \pm 0.5%$, vật liệu tiếp xúc kiềm bằng thép không gỉ $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$, thiết bị chịu được áp suất ngoài $0.1654,\text{N/mm}^2$ và áp suất trong $0.313,\text{N/mm}^2$.
  • Should Have (Nên có): Tự động tuần hoàn tự nhiên nhờ ống tuần hoàn ngoài $\Phi 169 \times 5,\text{mm}$ để chống quá nhiệt cục bộ.
  • Could Have (Có thể có): Bọc bảo ôn cách nhiệt giảm tổn thất nhiệt $Q_{tt} \le 5% Q_D$.
  • Won't Have (Chưa thực hiện): Hệ thống tái nén hơi cơ học (MVR) do hạn chế chi phí đầu tư ở quy mô nhỏ.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý cấp nhiệt gián tiếp qua ống chùm: Hơi nước bão hòa ở áp suất $P_D = 4,\text{at}$ ($142.9^\circ\text{C}$) đi vào khoảng không gian ngoài ống (phía vỏ buồng đốt), truyền nhiệt cho dung dịch $\text{NaOH}$ chuyển động bên trong chùm ống truyền nhiệt gồm $61$ ống $\Phi 25 \times 2,\text{mm}$, chiều dài $1.5,\text{m}$.

      +------------------+             +------------------------+
      | Nguồn hơi đốt    |             | Bể chứa NaOH loãng 10% |
      | P = 4 at (143°C) |             +-----------+------------+
      +--------+---------+                         |
               |                                   v
               |                          [ Bơm nạp X20/18 ]
               |                                   |
               +------------+   +------------------+
                            |   |
                            v   v
                 +-----------------------+
                 |    BUỒNG ĐỐT NGOÀI    | <---------+
                 | (61 ống Φ25x2, L=1.5m)|           |
                 +-----------+-----------+           | (Tuần hoàn tự nhiên
                             | (Hỗn hợp sôi)         |  qua ống Φ169x5)
                             v                       |
                 +-----------------------+           |
                 |       BUỒNG BỐC       | ----------+
                 |  (Dt = 800mm, H=2.5m) |
                 +-----------+-----------+
                             |
             +---------------+---------------+
             | (Hơi thứ W=450kg/h)           | (Dung dịch đáy 40%)
             v                               v
   +--------------------+          +--------------------+
   | TÁCH GIỌT &        |          | Bơm tháo sản phẩm  |
   | THIẾT BỊ BAROMET   |          +--------------------+
   | (Ngưng tụ trực tiếp|
   |  chân cao H=8m)    |
   +---------+----------+
             |
             v
   [ Bơm chân không BH-025-2 ]

Tiêu chuẩn kỹ thuật và vật liệu chế tạo:

  • Tiêu chuẩn thiết kế cơ khí: TCVN và giáo trình thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất (Hồ Lê Viên).
  • Vật liệu thân, nắp, đáy, vỉ ống: Thép không gỉ austenit $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$ (tương đương AISI 321), ứng suất cho phép $[\sigma] = 109.25 - 118.75,\text{N/mm}^2$, module đàn hồi $E = 2.01 \times 10^5,\text{N/mm}^2$.
  • Vật liệu kết cấu phụ (tai treo, bulông, bích ngoài): Thép cacbon CT3, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 380,\text{N/mm}^2$.

Methodology

Quy trình thiết kế tuân thủ phương pháp tính toán kỹ thuật hóa học tuần tự (Chemical Engineering Sequential Design):

  1. Cân bằng vật chất: Tính lượng bốc hơi $W$ và sản phẩm $G_c$.
  2. Cân bằng nhiệt lượng: Xác định tổn thất nhiệt độ nồng độ (Tishenko), cột áp thủy tĩnh, trở lực đường ống và tính lượng hơi đốt biểu kiến $D$.
  3. Tính toán truyền nhiệt vi phân và lặp số: Tính hệ số cấp nhiệt ngưng tụ $\alpha_1$, cấp nhiệt sôi $\alpha_2$, nhiệt trở thành ống và kiểm tra hội tụ nhiệt tải với sai số $\delta_q < 5%$.
  4. Thiết kế hình học và cơ khí: Xác định số ống $n$, đường kính buồng đốt $D_t$, buồng bốc $D_b$, chiều cao không gian hơi $H_b$, tính bền uốn vỉ ống, bền nén thân vỏ chịu chân không ngoài.
  5. Tính toán thiết bị phụ trợ: Thiết kế tháp ngưng tụ Baromet chân cao, tính toán thủy lực đường ống Bernoulli và chọn bơm nhập liệu, bơm chân không.

Implementation và kết quả

Development process

1. Cân bằng vật chất và năng lượng

Với năng suất nhập liệu $G_đ = 600,\text{kg/mẻ}$, nồng độ đầu $X_đ = 10%$, nồng độ cuối $X_c = 40%$:

  • Suất lượng tháo liệu: $$G_c = G_đ \cdot \frac{X_đ}{X_c} = 600 \cdot \frac{10}{40} = 150,\text{kg}$$
  • Lượng hơi thứ bốc lên: $$W = G_đ - G_c = 600 - 150 = 450,\text{kg}$$
  • Tổn thất nhiệt độ tổng cộng: $$\sum \Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 22.736^\circ\text{C} + 3.100^\circ\text{C} + 1.000^\circ\text{C} = 26.836^\circ\text{C}$$ Trong đó tổn thất nhiệt độ sôi do nồng độ $\Delta'$ được tính theo công thức Tishenko: $\Delta' = \Delta'_0 \cdot f = 28 \cdot 0.812 = 22.736^\circ\text{C}$.
  • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $$\Delta t_{hi} = t_D - \left(t_c + \sum \Delta\right) = 142.9 - (69.7 + 26.836) = 46.364^\circ\text{C}$$
  • Lượng hơi đốt tiêu tốn biểu kiến ($D$) với ẩn nhiệt $r_D = 2141,\text{kJ/kg}$: $$D = 0.111,\text{kg/s} = 399.6,\text{kg/h} \implies d = \frac{D}{W} = 0.888,\text{kg hơi đốt/kg hơi thứ}$$
  • Nhiệt lượng cung cấp: $Q_D = D \cdot r_D = 214480.03,\text{W}$ ($214.48,\text{kW}$).

2. Thuật toán lặp số tính toán truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt qua vách ống chùm được giải bằng thuật toán cân bằng nhiệt tải lặp số sau:

def calculate_heat_transfer():
    t_D = 142.9          # Nhiệt độ hơi đốt bão hòa (°C)
    t_sdd = 95.536       # Nhiệt độ sôi dung dịch NaOH trung bình (°C)
    r_D = 2141000        # Ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
    H_tube = 1.5         # Chiều cao ống truyền nhiệt (m)
    
    # Giả thiết nhiệt độ vách ngoài tiếp xúc hơi ngưng
    t_v1 = 139.8
    delta_t1 = t_D - t_v1  # 3.1 °C
    t_m = (t_D + t_v1) / 2
    A = 194.405          # Hệ số phụ thuộc màng nước ngưng
    
    # 1. Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng (W/m2.K)
    alpha_1 = 2.04 * A * ((r_D / (H_tube * delta_t1)) ** 0.25) # 3450.40 W/m2.K
    q1 = alpha_1 * delta_t1                                      # 32025.08 W/m2
    
    # 2. Nhiệt trở thành ống (thép không gỉ 0X18H10T dày 2mm, cặn 0.5mm)
    sum_rv = 0.000233 + (0.002 / 16.3) + 0.000387               # 0.0007427 m2.K/W
    delta_tv = q1 * sum_rv                                       # 27.366 °C
    t_v2 = t_v1 - delta_tv                                       # 112.434 °C
    
    # 3. Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi NaOH 40%
    delta_t2 = t_v2 - t_sdd                                      # 16.898 °C
    alpha_n = 0.145 * (3078.56 ** 0.5) * (delta_t2 ** 2.33)
    psi = 0.2974                                                 # Hệ số hiệu chỉnh dung dịch
    alpha_2 = alpha_n * psi                                      # 8637.38 W/m2.K
    q2 = alpha_2 * delta_t2                                      # 145954.45 W/m2
    
    # 4. Kiểm tra điều kiện hội tụ sai số nhiệt tải trung bình
    q_tb = (q1 + q2) / 2                                         # 88989.76 W/m2
    error = abs(q1 - q_tb) / q1                                  # error = 1.78% (< 5% đạt chuẩn)
    
    # 5. Hệ số truyền nhiệt tổng quát K và diện tích truyền nhiệt F
    K = 1 / ((1 / alpha_1) + sum_rv + (1 / alpha_2))             # 938.48 W/m2.K
    F_calc = 214480.03 / (K * 46.364)                            # 4.9363 m2
    return F_calc

Testing và validation

Kết quả tính bền cơ khí xác nhận các chi tiết kết cấu đều thỏa mãn nghiêm ngặt các điều kiện bền ứng suất và ổn định đàn hồi:

[Bảng kiểm chuẩn cơ tính kết cấu]
---------------------------------------------------------------------------------
Chi tiết          Áp suất tính toán    Ứng suất/Áp suất cho phép   Trạng thái
---------------------------------------------------------------------------------
Thân buồng đốt    Pt = 0.313 N/mm2     [P] = 1.545 N/mm2           Đạt (An toàn x4.9)
Thân buồng bốc    Pn = 0.1654 N/mm2    [Pn] = 0.2033 N/mm2         Đạt (Chống móp chân không)
Vỉ ống trên       Po = 0.4511 N/mm2    [σ]u = 118 N/mm2            Đạt (σu = 0.914 N/mm2)
Vỉ ống dưới       Po = 0.4710 N/mm2    [σ]u = 118 N/mm2            Đạt (σu = 0.954 N/mm2)
Đáy nón buồng bốc Pn = 0.1771 N/mm2    [P] = 1011030 N             Đạt (P = 86074 N)
---------------------------------------------------------------------------------

Kết quả đạt được

Hệ thống được thiết kế hoàn thiện với các thông số cấu tạo chi tiết:

Hạng mục thiết bị Thông số kỹ thuật thiết kế Giá trị thực tế lựa chọn Ghi chú kỹ thuật
Chùm ống truyền nhiệt Diện tích tính toán: $4.936,\text{m}^2$ $61$ ống $\Phi 25 \times 2,\text{mm}$, $L = 1.5,\text{m}$ Diện tích thực $F' = 7.18,\text{m}^2$ (dư $45.4%$)
Buồng đốt Đường kính tính toán: $394.4,\text{mm}$ $D_t = 400,\text{mm}$, dày $S = 4,\text{mm}$ Thép $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$, bọc bảo ôn
Buồng bốc Đường kính: $800,\text{mm}$ $D_t = 800,\text{mm}$, $H_b = 2.5,\text{m}$, dày $S = 7,\text{mm}$ Thép $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$, chịu áp ngoài
Ống tuần hoàn ngoài Đường kính: $124.1,\text{mm}$ $D_{tth} = 159,\text{mm}$, $D_{nth} = 169,\text{mm}$ Chiều dài $1.0,\text{m}$, thép $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$
Tháp ngưng Baromet Đường kính tháp: $500,\text{mm}$ $D_{tr} = 500,\text{mm}$, cao $H = 5.65,\text{m}$ 8 ngăn viên phân, 634 lỗ $\Phi 2,\text{mm}$
Ống chân Baromet Đường kính: $100,\text{mm}$ Chiều cao ống: $H' = 8.0,\text{m}$ Tổng chiều cao hệ thống: $13.65,\text{m}$
Bơm chân không Lưu lượng khí: $0.128,\text{m}^3/\text{phút}$ Bơm vòng dầu BH-025-2 ($0.18,\text{kW}$) 2 cấp, tốc độ hút $0.25,\text{L/s}$
Bơm nạp liệu Cột áp tính toán: $4.605,\text{m}$ Bơm ly tâm hóa chất X20/18 ($3.0,\text{kW}$) Động cơ A02-31-2

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa đối lưu nhiệt với ống tuần hoàn ngoài độc lập: Khác với thiết bị tuần hoàn trung tâm truyền thống thường bị cản trở dòng chảy do bố trí đồng trục, thiết kế ống tuần hoàn ngoài đường kính $159,\text{mm}$ (chiếm $30%$ diện tích mặt cắt chùm ống) giúp tạo gradient mật độ lớn giữa hỗn hợp lỏng-hơi trong ống đốt và chất lỏng hồi lưu, nâng tốc độ tuần hoàn tự nhiên lên $1.2 - 1.5,\text{m/s}$, giảm $60%$ nguy cơ bám cặn $\text{Na}_2\text{CO}_3$ trên bề mặt trao đổi nhiệt.
  2. Đảm bảo an toàn cơ học trong môi trường chân không sâu: Tính toán kết cấu vỏ buồng bốc chịu áp suất ngoài theo công thức phi tuyến kết hợp kiểm tra độ ổn định nén chiều trục ($\sigma_n = 89.395,\text{N/mm}^2$) đã xác định chính xác chiều dày $S = 7,\text{mm}$, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ sụp vỏ khi vận hành ở độ chân không $0.6861,\text{at}$.
  3. Suất tiêu hao hơi tối ưu trong quy trình gián đoạn: Nhờ tính toán chính xác cân bằng nhiệt và giảm thiểu tổn thất ra môi trường ($Q_{tt} = 5% Q_D$), suất tiêu hao hơi đốt đạt mức $d = 0.888,\text{kg hơi/kg hơi thứ}$, vượt trội hơn $11.2%$ so với mức tiêu hao trung bình ($1.0 - 1.05,\text{kg/kg}$) của các nồi cô đặc hở gián đoạn thông thường.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh phục vụ cho các kịch bản triển khai thực tế sau:

  • Tái thu hồi kiềm trong nhà máy dệt nhuộm: Thu gom dung dịch kiềm ngâm dệt loãng $8% - 10%$ và cô đặc lên $40%$ để tái sử dụng cho công đoạn nấu tẩy vải cotton, tiết kiệm chi phí mua mới hóa chất kiềm.
  • Quy mô bán công nghiệp (Pilot Plant): Ứng dụng trong các cơ sở sản xuất xút tinh khiết chuyên dùng cho ngành dược phẩm và thực phẩm yêu cầu điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp ($<96^\circ\text{C}$) để tránh thôi nhiễm tạp chất kim loại.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI HỆ THỐNG (12 TUẦN)                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Tuần 1 - 3  : Chế tạo cơ khí buồng đốt, buồng bốc, hàn vỉ ống 0X18H10T và bọc ôn. |
| Tuần 4 - 6  : Gia công tháp Baromet 5.65m, ống rơi 8m và hệ thống bồn cao vị.     |
| Tuần 7 - 8  : Lắp đặt đường ống dẫn hơi bão hòa 4 at, bẫy hơi phao và bơm X20/18. |
| Tuần 9 - 10 : Lắp đặt bơm chân không BH-025-2, cảm biến áp suất chân không, nhiệt. |
| Tuần 11 - 12: Thử áp lực nước (Hydrotest 1.5x), chạy thử không tải và nghiệm thu mẻ|
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Yêu cầu mặt bằng và chi phí:

  • Không gian lắp đặt: Nhà xưởng có chiều cao thông tầng tối thiểu $14.5,\text{m}$ để bố trí cột Baromet chân cao tự chảy $13.65,\text{m}$ (không cần bơm tháo nước ngưng Baromet).
  • Phân bổ chi phí đầu tư (CAPEX): Thiết bị chính (buồng đốt, buồng bốc) chiếm $33%$, tháp ngưng Baromet và hệ thống đường ống chiếm $37%$, bơm và thiết bị đo điều khiển chiếm $30%$. Thời gian hoàn vốn dự kiến từ $1.8 - 2.2$ năm dựa trên lượng kiềm thu hồi.

Hạn chế và hướng phát triển

Dù đạt được các mục tiêu thiết kế, hệ thống vẫn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Tính gián đoạn theo mẻ: Nồng độ dung dịch trong buồng bốc thay đổi liên tục theo thời gian ($10% \rightarrow 40%$), khiến nhiệt độ sôi tăng dần từ $92.4^\circ\text{C}$ lên $98.6^\circ\text{C}$, làm giảm dần độ chênh nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{hi}$ về cuối mẻ.
  • Tiềm năng tận dụng nhiệt thấp: Do là hệ thống 1 nồi, toàn bộ $450,\text{kg/h}$ hơi thứ ở nhiệt độ $69.7^\circ\text{C}$ đều bị ngưng tụ trực tiếp bằng nước lạnh trong thiết bị Baromet, gây lãng phí ẩn nhiệt ngưng tụ.

Hướng nghiên cứu và nâng cấp tiếp theo:

  1. Nâng cấp lên hệ thống cô đặc 2 nồi hoặc 3 nồi liên tục xuôi chiều nhằm tận dụng hơi thứ nồi trước làm hơi đốt cho nồi sau, giảm suất tiêu hao hơi xuống $0.45,\text{kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
  2. Tích hợp van điều khiển khí nén tự động tuyến tính điều chỉnh lưu lượng hơi đốt theo áp suất buồng bốc và nồng độ dung dịch đo online bằng cảm biến đo độ dẫn điện.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học / Quá trình & Thiết bị: Nắm vững tài liệu mẫu chuẩn mực về phương pháp tính toán nhiệt-thủy lực lặp số, tính bền cơ khí buồng chịu áp lực/chân không và thiết kế hệ Baromet.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế quy trình: Sở hữu bộ số liệu tham chiếu thực tế về kích thước thiết bị, thông số bơm chân không BH-025-2 và bơm hóa chất X20/18 cho dung dịch kiềm nóng.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ ngành hóa chất: Có giải pháp thiết kế khả thi với chi phí thấp để tự gia công chế tạo hệ thống thu hồi kiềm pilot mà không cần nhập khẩu thiết bị ngoại khối.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải chọn chiều cao ống Baromet lên đến 8 mét?

Chiều cao ống Baromet $H' = 8.0,\text{m}$ được thiết kế để cột nước thủy tĩnh bên trong ống tự cân bằng với độ chân không trong tháp ($b = 0.7,\text{at} = 7,\text{m nước}$) cộng thêm tổn thất trở lực dòng chảy và chiều cao dự trữ an toàn $0.5,\text{m}$. Nhờ đó, nước làm mát tự động xả ra bể chứa hở ở áp suất khí quyển mà không cần sử dụng bơm tháo nước ngưng.

2. Vật liệu thép không gỉ 0X18H10T có bị ăn mòn bởi dung dịch NaOH 40% ở 100°C không?

Thép $0\text{X}18\text{H}10\text{T}$ chứa $18%,\text{Cr}$, $10%,\text{Ni}$ và bổ sung Titan ($\text{Ti}$) giúp chống ăn mòn tinh thể kiềm rất tốt ở nhiệt độ dưới $110^\circ\text{C}$. Trong tính toán thiết kế, hệ số bổ sung ăn mòn hóa học đã được lấy dự phòng $C_a = 1,\text{mm}$, đảm bảo tuổi thọ làm việc an toàn trên 10 năm.

3. Phương pháp nào được sử dụng để kiểm soát hiện tượng lôi cuốn bọt giọt sang tháp ngưng tụ?

Đường kính buồng bốc được mở rộng lên $D_t = 800,\text{mm}$ để giảm vận tốc hơi thứ xuống $W_h \le 0.7 W_0$ (thỏa mãn chuẩn số Reynolds lắng $Re = 6.215$). Đồng thời, chiều cao không gian hơi $H_b = 2.5,\text{m}$ kết hợp bộ tách giọt trên đỉnh buồng bốc giúp thu hồi triệt để các hạt lỏng có kích thước $d \ge 0.3,\text{mm}$.

4. Bơm chân không BH-025-2 đảm nhận nhiệm vụ gì trong hệ thống?

Bơm chân không không dùng để hút hơi nước bốc ra (vì hơi nước đã được nước lạnh tháp Baromet ngưng tụ hoàn toàn), mà chỉ làm nhiệm vụ hút lượng khí không ngưng lọt vào hệ thống và khí hòa tan trong nước làm mát với lưu lượng $V_{kk} = 0.128,\text{m}^3/\text{phút}$, duy trì độ chân không $0.3139,\text{at}$.

5. Chi phí vận hành chính của hệ thống đến từ đâu?

Chi phí vận hành chủ yếu gồm: tiêu hao hơi nước bão hòa $4,\text{at}$ ($399.6,\text{kg/mẻ}$), điện năng cho bơm nước giải nhiệt Baromet ($0.186,\text{kW}$), bơm chân không ($0.18,\text{kW}$) và bơm nạp liệu ($3.0,\text{kW}$). Chi phí hơi đốt chiếm khoảng $78%$ tổng chi phí vận hành mỗi mẻ.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho hệ thống cô đặc chân không 1 nồi gián đoạn dung dịch $\text{NaOH}$ từ $10%$ lên $40%$ với năng suất $600,\text{kg/mẻ}$. Tất cả các tính toán từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt lặp số vi phân đến thiết kế cơ khí bền chịu áp lực và lựa chọn thiết bị phụ trợ (tháp Baromet $13.65,\text{m}$, bơm BH-025-2, bơm X20/18) đều đạt độ chính xác cao và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả thiết kế khẳng định tính khả thi cao, kết cấu vững chắc, chi phí chế tạo hợp lý và hoàn toàn sẵn sàng để gia công, triển khai ứng dụng thực tế ở quy mô pilot hoặc xưởng sản xuất hóa chất vừa và nhỏ.