Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất và chế biến, canxi clorua ($\text{CaCl}_2$) là một hợp chất ion có tính hút ẩm cao, tỏa nhiệt mạnh khi hòa tan và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: ổn định nền đường giao thông, chống đóng băng bề mặt vào mùa đông, chất tải lạnh trong hệ thống làm lạnh, phụ gia tuyển khoáng và xử lý nước thải, phụ gia trong lò nung xi măng, cũng như điều hòa độ pH của đất. Quá trình cô đặc đóng vai trò tách bớt dung môi (nước) bằng nhiệt nhằm nâng cao nồng độ chất tan từ dung dịch ban đầu đến nồng độ yêu cầu cho sản xuất và lưu trữ thương mại.

Đề tài "Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi dung dịch $\text{CaCl}_2$" được thực hiện bởi sinh viên Hồ Dương Phụng (MSSV: 18029701, Lớp DHVC14, Khóa 2018–2022) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Minh Tiến tại Bộ môn Máy và Thiết bị, Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 08 năm 2021).

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật bao gồm:

  1. Tổng quan lý thuyết về quá trình cô đặc, nguyên liệu $\text{CaCl}_2$ và xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ PFD (Process Flow Diagram).
  2. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống thiết bị trong dây chuyền PFD.
  3. Tính toán quá trình truyền nhiệt và xác định kích thước hình học của thiết bị chính (thiết bị cô đặc buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm) cùng các thiết bị phụ trợ.
  4. Tính toán độ bền cơ khí, độ ổn định của thân thiết bị buồng đốt, buồng bốc, đáy nón, nắp, vỉ ống, mặt bích và tai treo theo tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất.
  5. Thực hiện 02 bản vẽ kỹ thuật khổ A1: Bản vẽ quy trình công nghệ PFD và Bản vẽ chi tiết kết cấu thiết bị chính.

Phạm vi tính toán của đồ án giới hạn ở hệ thống cô đặc một nồi liên tục làm việc ở áp suất chân không với năng suất nhập liệu $2400\text{ kg/h}$ dung dịch $\text{CaCl}_2$, nồng độ đầu vào $17%$ khối lượng và nồng độ sản phẩm đầu ra đạt $38%$ khối lượng. Nguồn nhiệt cung cấp là hơi nước bão hòa ở áp suất $2\text{ at}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Lý thuyết nhiệt động học quá trình cô đặc: Bản chất của sự bay hơi dung môi dưới tác dụng của nhiệt độ khi áp suất riêng phần của hơi dung môi bằng áp suất ngoài tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng. Quá trình tạo bọt và chuyển động tuần hoàn tự nhiên của khối chất lỏng do chênh lệch khối lượng riêng giữa dung dịch sôi trong ống truyền nhiệt và dung dịch trong ống tuần hoàn trung tâm.
  • Hiện tượng tổn thất nhiệt độ: Phương pháp Tisencô tính toán tổn thất nhiệt độ do nồng độ tăng cao ($\Delta'$), công thức tính tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng ($\Delta''$) và tổn thất trở lực đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$).
  • Mô hình truyền nhiệt và thủy động lực học: Xác định hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng tụ ngoài ống đứng ($\alpha_1$), hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi đối lưu tự nhiên trong ống ($\alpha_2$), tính toán nhiệt trở của màng nước ngưng và lớp cặn bẩn bám trên vách truyền nhiệt để xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$.
  • Tiêu chuẩn tính toán bền cơ khí: Áp dụng các công thức và bảng tra cứu chuẩn mực trong giáo trình và sổ tay chuyên ngành cơ khí thiết bị hóa chất (Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất tập 1, tập 2; Tính toán thiết kế thiết bị hóa chất) để tính toán thân hình trụ chịu áp suất trong, thân chịu áp suất ngoài (chân không), đáy nón và nắp thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng tĩnh: Thiết lập các phương trình bảo toàn khối lượng cấu tử, bảo toàn pha và cân bằng nhiệt lượng cho từng nút thiết bị (thiết bị gia nhiệt E-101, thiết bị cô đặc T-101, thiết bị ngưng tụ baromet E-102, thiết bị làm nguội sản phẩm E-103).
  • Phương pháp tra cứu và nội suy số liệu nhiệt vật lý: Thu thập và xử lý các hàm thực nghiệm về nhiệt dung riêng ($C$), độ nhớt động lực học ($\mu$), khối lượng riêng ($\rho$), hệ số dẫn nhiệt ($\lambda$), enthalpy ($i$) và ẩn nhiệt hóa hơi ($r$) của dung dịch $\text{CaCl}_2$ và nước ở các dải nhiệt độ và nồng độ tương ứng.
  • Phương pháp lặp truyền nhiệt: Giả thiết nhiệt độ vách $t_{v1}$, tính toán nhiệt tải riêng phía hơi ngưng $q_1$ và phía dung dịch sôi $q_2$, kiểm tra sai số tương đối $\delta_q = \frac{|q_1 - q_2|}{q_1} \times 100 \le 5%$ để xác định chính xác diện tích truyền nhiệt.
Nguồn số liệu / Tài liệu dẫn chiếu Mục đích sử dụng
Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, 2) Tra cứu thông số hóa lý $\text{CaCl}_2$, nước, hơi nước bão hòa; công thức truyền nhiệt và tiêu chuẩn kích thước ống
Tính toán và Thiết kế Thiết bị Hóa chất (Trần Xoa, Hồ Lê Viên...) Áp dụng công thức tính bền thân thiết bị, kiểm tra độ ổn định chịu áp suất ngoài và tải trọng nén
Tiêu chuẩn đường ống và chi tiết ghép nối công nghiệp Quy chuẩn kích thước ống dẫn, mặt bích, vỉ ống, tai treo

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cô đặc một nồi liên tục dung dịch $\text{CaCl}_2$ được cấu thành từ thiết bị cô đặc chính cùng các thiết bị phụ trợ được bố trí theo quy trình công nghệ PFD:

                                                                                                                                Bồn chứa sản phẩm V-102

Thông số kỹ thuật của thiết bị chính và hệ thống

Bộ phận / Thông số Ký hiệu Giá trị thiết kế Đơn vị Ghi chú
Năng suất và lưu lượng
Suất lượng nhập liệu $G_đ$ $2400$ $\text{kg/h}$ Nồng độ $17%$
Suất lượng tháo liệu $G_c$ $1073,68$ $\text{kg/h}$ Nồng độ $38%$
Lượng hơi thứ bốc lên $W$ $1326,32$ $\text{kg/h}$ Áp suất $0,626\text{ at}$
Lượng hơi đốt cung cấp $D$ $2034,97$ $\text{kg/h}$ Hơi bão hòa $2\text{ at}$
Suất tiêu hao hơi đốt $d$ $1,534$ $\text{kg/kg}$ $\text{kg}$ hơi đốt / $\text{kg}$ hơi thứ
Buồng đốt và truyền nhiệt
Đường kính trong buồng đốt $D_t$ $1000$ $\text{mm}$ Tiêu chuẩn
Chiều cao buồng đốt $H$ $3000$ $\text{mm}$ Bằng chiều dài ống truyền nhiệt
Kích thước ống truyền nhiệt $d_n \times \delta$ $\phi 29 \times 2$ $\text{mm}$ Thép OX18H10T
Tổng số ống truyền nhiệt bố trí $n$ $301$ ống Lục giác đều 9 dãy
Số ống bị thay thế bởi ống TH $n''$ $19$ ống Vùng tâm
Số ống truyền nhiệt làm việc $n'$ $282$ ống Thực tế
Kích thước ống tuần hoàn trung tâm $D_{nth} \times \delta$ $\phi 277 \times 2$ $\text{mm}$ Đường kính trong $273\text{ mm}$
Diện tích bề mặt truyền nhiệt $F$ $67,17$ $\text{m}^2$ Hệ số $K = 638,18\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$
Buồng bốc hơi
Đường kính trong buồng bốc $D_b$ $1200$ $\text{mm}$ Tiêu chuẩn
Chiều cao buồng bốc $H_b$ $2500$ $\text{mm}$ Đảm bảo thể tích tách bọt
Kích thước các ống dẫn
Ống nhập liệu $d_t / d_n$ $25 / 32$ $\text{mm}$ Dung dịch $17%$
Ống tháo sản phẩm $d_t / d_n$ $20 / 25$ $\text{mm}$ Dung dịch $38%$
Ống dẫn hơi đốt $d_t / d_n$ $200 / 219$ $\text{mm}$ Hơi bão hòa $2\text{ at}$
Ống dẫn hơi thứ $d_t / d_n$ $250 / 273$ $\text{mm}$ Hơi bốc $0,626\text{ at}$
Ống tháo nước ngưng $d_t / d_n$ $20 / 25$ $\text{mm}$ Qua bẫy hơi
Ống thoát khí không ngưng $d_t / d_n$ $20 / 25$ $\text{mm}$ Nối sang bơm chân không
Bền cơ khí và vật liệu
Vật liệu chế tạo thiết bị — OX18H10T — Thép không gỉ có bọc cách nhiệt
Bề dày thực buồng đốt $S$ $6$ $\text{mm}$ Áp suất trong $P_t = 0,135\text{ N/mm}^2$
Bề dày thực buồng bốc $S$ $8$ $\text{mm}$ Áp suất ngoài $P_n = 0,1347\text{ N/mm}^2$
Bề dày thực đáy nón ($2\alpha = 60^\circ$) $S$ $6$ $\text{mm}$ Áp suất $P_n = 0,1877\text{ N/mm}^2$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về hóa chất $\text{CaCl}_2$, các tính chất hóa lý nổi bật như khả năng hút ẩm, độ hòa tan và ứng dụng công nghiệp trong xây dựng, làm chất tải lạnh và xử lý môi trường. Tác giả định nghĩa bản chất vật lý của quá trình cô đặc: sự bốc hơi dung môi nhờ cung cấp nhiệt nhằm nâng cao nồng độ chất tan đối với các dung dịch có chênh lệch nhiệt độ sôi rất lớn giữa dung môi và chất tan. Chương này phân loại chi tiết các phương pháp cô đặc (cô đặc nhiệt, cô đặc lạnh kết tinh), các kiểu cấu tạo thiết bị (tuần hoàn tự nhiên buồng đốt trong/ngoài, tuần hoàn cưỡng bức, màng mỏng) và chế độ vận hành (áp suất thường, chân không, liên tục, nhiều nồi).

Chương 2: Sơ đồ PFD

Chương 2 trình bày bản vẽ và thuyết minh chi tiết sơ đồ quy trình công nghệ PFD của hệ thống cô đặc một nồi liên tục. Nguyên liệu dung dịch $\text{CaCl}_2$ $17%$ từ bồn V-101 được bơm P-101A/B đẩy qua thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm E-101 (gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ngoài ống) để đạt nhiệt độ sôi $94,5^\circ\text{C}$ trước khi vào nồi cô đặc T-101. Chương phân tích nguyên lý làm việc của ống tuần hoàn trung tâm: dung dịch trong chùm ống truyền nhiệt sôi tạo hỗn hợp lỏng – hơi có khối lượng riêng giảm, dâng lên mặt thoáng; dung dịch ở ống tuần hoàn ít sôi hơn có khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống, tạo thành dòng tuần hoàn tự nhiên liên tục. Hơi thứ đi lên buồng bốc qua bộ tách giọt sang thiết bị ngưng tụ baromet E-102, khí không ngưng được bơm hút chân không P-103 rút ra ngoài, sản phẩm đáy $38%$ được bơm P-102A/B đưa qua thiết bị làm nguội E-103 về bồn V-102.

Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng

Chương 3 giải quyết bài toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng tĩnh cho toàn hệ thống:

  • Cân bằng vật chất: Với $G_đ = 2400\text{ kg/h}$, $x_đ = 17%$, $x_c = 38%$, tính được suất lượng sản phẩm $G_c = 1073,68\text{ kg/h}$ và tổng lượng hơi thứ bốc lên $W = 1326,32\text{ kg/h}$.
  • Tổn thất nhiệt độ:
    • Tổn thất do nồng độ tăng (theo Tisencô): $\Delta' = 8^\circ\text{C}$.
    • Áp suất trung bình buồng đốt $P_{tb} = 0,758\text{ at}$, nhiệt độ sôi của nước tương ứng $t_{sdm}(P_{tb}) = 91,46^\circ\text{C}$; tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh $\Delta'' = 4,96^\circ\text{C}$ (nhiệt độ sôi trung bình của dung dịch $t_{sdd}(P_{tb}) = 100^\circ\text{C}$).
    • Tổn thất trên đường ống dẫn hơi thứ: $\Delta''' = 1^\circ\text{C}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma\Delta = \Delta' + \Delta'' + \Delta''' = 8 + 4,96 + 1 = 13,96^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = \Delta t_{ch} - \Sigma\Delta = (119,6 - 85,5) - 13,96 = 19,54^\circ\text{C}$.
  • Cân bằng năng lượng: Thiết bị gia nhiệt E-101 tiêu tốn $D_1 = 29,5\text{ kg/h}$ hơi đốt. Nồi cô đặc chính tiêu thụ $D = 2034,97\text{ kg/h}$ hơi đốt, nhiệt lượng cung cấp $Q_D = 1.107.547,97\text{ W}$, nhiệt tổn thất $Q_{tt} = 55.377,39\text{ W}$ ($5%$). Suất tiêu tốn hơi đốt riêng $d = 1,534\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$. Thiết bị ngưng tụ baromet E-102 cần $G_n = 50.473,06\text{ kg/h}$ nước làm mát ($30^\circ\text{C} \to 45^\circ\text{C}$); thiết bị làm nguội E-103 cần $G_2 = 349,62\text{ kg/h}$ nước làm mát để hạ nhiệt sản phẩm từ $104,42^\circ\text{C}$ xuống $40^\circ\text{C}$.

Chương 4: Thiết kế thiết bị chính

Chương 4 thực hiện tính toán nhiệt chi tiết cho thiết bị cô đặc:

  • Hệ số cấp nhiệt phía hơi nước bão hòa ngưng tụ: $\alpha_1 = 7378,31\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, nhiệt tải $q_1 = 38373,46\text{ W/m}^2$ tại chênh lệch nhiệt độ vách $\Delta t_1 = 5,2^\circ\text{C}$ ($t_{v1} = 114,4^\circ\text{C}$).
  • Các thông số dung dịch $\text{CaCl}2$ $38%$ tại $100^\circ\text{C}$: $\rho{dd} = 1322,72\text{ kg/m}^3$, $C_c = 2862,35\text{ J/(kg}\cdot\text{K)}$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda_{dd} = 0,446\text{ W/(m}\cdot\text{K)}$, độ nhớt quy đổi $\mu_{dd} = 1,22 \times 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$.
  • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi: $\alpha_2 = 4340,2\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, nhiệt tải $q_2 = 37976,79\text{ W/m}^2$. Sai số nhiệt tải $\delta_q = 1,03% < 5%$ (thỏa mãn điều kiện hội tụ). Nhiệt tải trung bình $q_{tb} = 38175,13\text{ W/m}^2$.
  • Tổng nhiệt trở vách $\Sigma r_v = 0,8545 \times 10^{-3}\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$ (gồm nhiệt trở màng nước ngưng $r_1 = 0,3448 \times 10^{-3}$, nhiệt trở lớp cặn $r_2 = 0,387 \times 10^{-3}$, nhiệt trở vách ống thép $\delta/\lambda = 0,002/16,3 = 0,1227 \times 10^{-3}$).
  • Hệ số truyền nhiệt tổng quát $K = 638,18\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$, diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu $F = 67,17\text{ m}^2$.

Chương 5: Tính kích thước thiết bị cô đặc

Chương 5 xác định các kích thước hình học không gian của thiết bị:

  • Buồng bốc: Lưu lượng thể tích hơi thứ $V_h = 0,986\text{ m}^3\text{/s}$ ($\rho_h = 0,3735\text{ kg/m}^3$). Căn cứ tốc độ lắng giọt lỏng $w_o$ và chuẩn số Reynolds $Re = 7,875$ ($0,2 < Re < 500$), đường kính buồng bốc tính được $D_b > 1,12\text{ m}$, chọn quy chuẩn $D_b = 1,2\text{ m}$. Thể tích bốc hơi $V_b = 1,956\text{ m}^3$, chiều cao tính toán $H_b = 1,73\text{ m}$ (chọn quy chuẩn $2,5\text{ m}$ cho kết cấu thực tế).
  • Buồng đốt: Chọn ống truyền nhiệt $\phi 29 \times 2\text{ mm}$ ($d_t = 25\text{ mm}$), chiều dài $L = 3\text{ m}$. Tính toán số ống $n = 301$ ống, bố trí 9 dãy lục giác đều. Bố trí 01 ống tuần hoàn trung tâm ở giữa có đường kính trong $D_{th} = 273\text{ mm}$ ($D_{nth} = 277\text{ mm}$) chiếm chỗ của 19 ống truyền nhiệt tâm; số ống truyền nhiệt còn lại $n' = 282$ ống. Đường kính trong buồng đốt tính toán $0,87\text{ m}$, quy chuẩn $D_t = 1,0\text{ m}$.
  • Đường kính ống dẫn: Xác định vận tốc và đường kính trong quy chuẩn cho các ống dẫn: ống nhập liệu ($d_t = 25\text{ mm}$), ống tháo liệu ($d_t = 20\text{ mm}$), ống dẫn hơi đốt ($d_t = 200\text{ mm}$), ống dẫn hơi thứ ($d_t = 250\text{ mm}$), ống tháo nước ngưng ($d_t = 20\text{ mm}$), ống thoát khí không ngưng ($d_t = 20\text{ mm}$).

Chương 6: Tính toán tính bền cơ khí cho các chi tiết thiết bị của cô đặc

Chương 6 kiểm tra và xác định kích thước bền của toàn bộ kết cấu:

  • Vật liệu chế tạo: Thép không gỉ Austenitic OX18H10T có bọc cách nhiệt, ứng suất cho phép $[\sigma] = 109,25\text{ N/mm}^2$ (ở $139,6^\circ\text{C}$) và $[\sigma] = 114\text{ N/mm}^2$ (ở $106,5^\circ\text{C}$).
  • Buồng đốt: Chịu áp suất trong tính toán $P_t = 0,135\text{ N/mm}^2$. Bề dày tính toán $S' = 3\text{ mm}$, hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai $C = 1,22\text{ mm} \to$ bề dày thực chọn $S = 6\text{ mm}$ (đường kính ngoài $D_n = 1012\text{ mm}$). Kiểm tra lỗ khoét: ống hơi đốt $200\text{ mm} > d_{max} = 34,7\text{ mm}$ nên bắt buộc phải hàn khâu tăng cứng bề dày $6\text{ mm}$.
  • Buồng bốc: Chịu áp suất ngoài chân không $P_n = 0,1347\text{ N/mm}^2$. Chiều dài tính toán giữa 2 mặt bích $L = 2500\text{ mm}$. Bề dày tính toán $S' = 5,6\text{ mm}$, bổ sung $C = 1,5\text{ mm} \to$ bề dày thực chọn $S = 8\text{ mm}$ (đường kính ngoài $D_n = 1216\text{ mm}$). Kiểm tra điều kiện bền và ổn định khi chịu đồng thời áp suất ngoài và lực nén dọc trục $P_{nct} = 152.976,27\text{ N}$: tỷ số ổn định $\frac{\sigma_n}{[\sigma_n]} + \frac{P_n}{[P_n]} = \frac{5,77}{84,74} + \frac{0,1347}{0,161} = 0,90 \le 1$ (thỏa mãn).
  • Đáy thiết bị: Đáy nón tiêu chuẩn góc $2\alpha = 60^\circ$, phần gờ cao $40\text{ mm}$, chiều cao $H = 906\text{ mm}$, thể tích $V_đ = 0,071\text{ m}^3$. Chịu áp suất chân không và áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng cao $4,106\text{ m}$ ($P_n = 0,1877\text{ N/mm}^2$), bề dày chọn $S = 6\text{ mm}$.
  • Các chi tiết khác: Tính toán nắp elip, mặt bích nối buồng bốc - buồng đốt, vỉ ống trên/dưới buồng đốt, bu lông liên kết và cơ cấu tai treo đỡ toàn bộ khối lượng làm việc của thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  • Xây dựng thành công chu trình tính toán công nghệ hoàn chỉnh cho hệ thống cô đặc một nồi liên tục dung dịch $\text{CaCl}_2$ từ $17%$ lên $38%$ với năng suất $2400\text{ kg/h}$.
  • Xác lập bảng cân bằng vật chất và năng lượng chi tiết: sản phẩm đạt $1073,68\text{ kg/h}$, lượng hơi thứ $1326,32\text{ kg/h}$, tổng lượng hơi đốt cấp cho nồi cô đặc $2034,97\text{ kg/h}$ ($Q_D = 1.107.548\text{ W}$), lượng nước ngưng tụ baromet $50.473\text{ kg/h}$.
  • Thiết kế buồng đốt chùm ống đứng gồm 282 ống truyền nhiệt $\phi 29 \times 2\text{ mm}$ dài $3\text{ m}$ kết hợp 01 ống tuần hoàn trung tâm $\phi 277 \times 2\text{ mm}$, tạo diện tích bề mặt truyền nhiệt $67,17\text{ m}^2$ với hệ số truyền nhiệt tổng quát $K = 638,18\text{ W/(m}^2\cdot\text{K)}$.
  • Kiểm nghiệm cơ học đầy đủ: thân buồng đốt dày $6\text{ mm}$, thân buồng bốc dày $8\text{ mm}$, đáy nón dày $6\text{ mm}$ bằng thép không gỉ OX18H10T, đảm bảo an toàn chịu áp suất dư, áp suất chân không và lực nén dọc trục.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp công nghệ: Ứng dụng mô hình buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm giúp tạo vòng đối lưu tự nhiên mạnh mẽ, giảm thiểu hiện tượng bám cặn $\text{CaCl}_2$ trên bề mặt trao đổi nhiệt mà không cần sử dụng bơm tuần hoàn cưỡng bức tiêu tốn điện năng.
  • Tính thực tiễn của hồ sơ thiết kế: Kết hợp đồng bộ giữa tính toán nhiệt động, thủy động lực học và tính bền cơ khí theo các quy chuẩn chế tạo thiết bị áp lực hiện hành, cung cấp đầy đủ thông số kích thước thực tế và bản vẽ PFD phục vụ công tác chế tạo, lắp đặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Hệ thống cô đặc một nồi có suất tiêu hao hơi đốt tương đối cao ($1,534\text{ kg hơi/kg hơi thứ}$), chưa tận dụng được ẩn nhiệt hóa hơi của dòng hơi thứ bốc lên; các giá trị tổn thất nhiệt ra môi trường được ấn định theo hệ số kinh nghiệm tĩnh ($5%$); chưa khảo sát mô hình điều khiển động học quá trình và dao động nồng độ khi lưu lượng nhập liệu biến thiên.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu chuyển đổi sang mô hình hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi xuôi chiều) hoặc tích hợp máy nén hơi nhiệt (TVR - Thermal Vapor Recompression) nhằm tái sử dụng hơi thứ để tiết kiệm hơi đốt; ứng dụng mô phỏng CFD để đánh giá trường vận tốc và phân bố nhiệt độ trong buồng đốt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất - Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt trong các học phần Đồ án Quá trình & Thiết bị và Thiết kế Nhà máy Hóa chất. Các phần có giá trị tham khảo cao gồm:

  • Quy trình chuẩn giải bài toán truyền nhiệt lặp cho dung dịch muối vô cơ có độ nhớt biến đổi theo nhiệt độ và nồng độ.
  • Phương pháp tra cứu và tính toán hệ số hiệu chỉnh tổn thất nhiệt độ Tisencô và tổn thất thủy tĩnh.
  • Phương pháp tính toán cơ khí kiểm tra độ ổn định vỏ mỏng hình trụ chịu áp suất chân không ngoài kết hợp lực nén dọc trục.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và chế độ nồng độ làm việc của hệ thống là bao nhiêu?

Năng suất nhập liệu của hệ thống là $2400\text{ kg/h}$ dung dịch $\text{CaCl}_2$ ở nồng độ $17%$ khối lượng. Sau quá trình cô đặc bốc hơi, suất lượng dung dịch sản phẩm tháo ra ở đáy nồi đạt $1073,68\text{ kg/h}$ với nồng độ cuối là $38%$ khối lượng, lượng hơi thứ bốc lên là $1326,32\text{ kg/h}$.

2. Tổng tổn thất nhiệt độ của hệ thống gồm những thành phần nào và giá trị bằng bao nhiêu?

Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma\Delta = 13,96^\circ\text{C}$, bao gồm 3 thành phần:

  • Tổn thất do nồng độ tăng cao ($\Delta'$): $8^\circ\text{C}$.
  • Tổn thất do áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng ($\Delta''$): $4,96^\circ\text{C}$ (tại áp suất trung bình $0,758\text{ at}$).
  • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ sang thiết bị ngưng tụ ($\Delta'''$): $1^\circ\text{C}$.

3. Kích thước hình học chính của buồng đốt và buồng bốc được quy chuẩn như thế nào?

  • Buồng bốc: Đường kính trong $D_b = 1,2\text{ m}$ ($1200\text{ mm}$), chiều cao $H_b = 2,5\text{ m}$ ($2500\text{ mm}$), bề dày thân $8\text{ mm}$.
  • Buồng đốt: Đường kính trong $D_t = 1,0\text{ m}$ ($1000\text{ mm}$), chiều cao $H = 3,0\text{ m}$ ($3000\text{ mm}$), bề dày thân $6\text{ mm}$, chứa 282 ống truyền nhiệt $\phi 29 \times 2\text{ mm}$ và 01 ống tuần hoàn trung tâm $\phi 277 \times 2\text{ mm}$.

4. Suất tiêu tốn hơi đốt riêng và lưu lượng nước làm mát ngưng tụ là bao nhiêu?

Lượng hơi đốt cung cấp ở áp suất $2\text{ at}$ cho nồi cô đặc là $2034,97\text{ kg/h}$, tương ứng suất tiêu tốn hơi đốt riêng $d = 1,534\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$. Lưu lượng nước làm mát cấp cho thiết bị ngưng tụ baromet E-102 là $50.473,06\text{ kg/h}$ (nâng nhiệt độ nước từ $30^\circ\text{C}$ lên $45^\circ\text{C}$).

5. Vì sao thân buồng bốc có bề dày ($8\text{ mm}$) lớn hơn thân buồng đốt ($6\text{ mm}$)?

Buồng đốt làm việc ở trạng thái chịu áp suất dư bên trong ($P_t = 0,135\text{ N/mm}^2$), ứng suất kéo tác dụng lên thành hình trụ cho phép bề dày tính toán nhỏ ($S' = 3\text{ mm} \to S = 6\text{ mm}$). Ngược lại, buồng bốc làm việc ở điều kiện chân không ($0,626\text{ at}$ bên trong), phải chịu tải trọng áp suất nén từ bên ngoài ($P_n = 0,1347\text{ N/mm}^2$) kết hợp lực nén dọc trục thân ($152.976\text{ N}$), do đó yêu cầu bề dày lớn hơn ($S' = 5,6\text{ mm} \to S = 8\text{ mm}$) để đảm bảo điều kiện ổn định chống móp méo vỏ mỏng.

Kết luận

Đồ án "Tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc một nồi dung dịch $\text{CaCl}_2$" của sinh viên Hồ Dương Phụng đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán công nghệ và cơ khí cho hệ thống cô đặc liên tục năng suất $2400\text{ kg/h}$. Bằng phương pháp tính toán nhiệt động và kiểm nghiệm bền vỏ mỏng theo tiêu chuẩn kỹ thuật hóa chất, tác giả đã xác định chính xác diện tích truyền nhiệt $67,17\text{ m}^2$, quy chuẩn kết cấu buồng đốt $\phi 1000\text{ mm}$, buồng bốc $\phi 1200\text{ mm}$ bằng thép OX18H10T cùng hệ thống thiết bị phụ trợ PFD hoàn chỉnh. Công trình cung cấp một tài liệu thiết kế chi tiết, có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho chuyên ngành Máy và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.