Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất, Natri hydroxit ($\text{NaOH}$) là một trong những hóa chất cơ bản thiết yếu, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành dệt nhuộm, sản xuất tơ nhân tạo, lọc hóa dầu, tuyển nổi khoáng sản, sản xuất phèn và xử lý nước. Dung dịch $\text{NaOH}$ sau các công đoạn điều chế thường có nồng độ loãng, đòi hỏi phải trải qua quá trình cô đặc để nâng cao nồng độ chất tan đạt tiêu chuẩn thương phẩm hoặc phục vụ các quy trình công nghệ tiếp theo. Quá trình cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ có đặc thù kỹ thuật phức tạp do dung dịch có độ nhớt tăng nhanh theo nồng độ, nhiệt độ sôi tăng cao so với dung môi nguyên chất, đồng thời có tính ăn mòn hóa học mạnh đối với vật liệu kim loại.

Đề tài "Thiết kế thiết bị cô đặc NaOH một nồi liên tục có ống tuần hoàn trung tâm" (Mã số môn học: CH4007) được thực hiện tại Bộ môn Quá trình & Thiết bị, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu của đồ án là tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ hoạt động liên tục ở điều kiện áp suất chân không.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật được quy định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Lựa chọn và thuyết minh quy trình công nghệ cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ một nồi làm việc liên tục.
  2. Tính toán công nghệ thiết bị chính: thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng, tính toán truyền nhiệt, xác định bề mặt trao đổi nhiệt và kích thước hình học của thiết bị cô đặc.
  3. Tính toán độ bền cơ khí các chi tiết của thiết bị chính: tính toán bề dày và kiểm tra bền cho thân buồng đốt, thân buồng bốc, đáy nón, nắp elip, vỉ ống, mối ghép mặt bích, bu lông, tai treo và các lỗ khoét trên thân thiết bị.
  4. Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ trợ trong dây chuyền: thiết bị gia nhiệt dung dịch đầu dạng ống chùm, thiết bị ngưng tụ baromet, bồn cao vị, bơm chất lỏng và bơm chân không.
  5. Thể hiện các kết quả tính toán thông qua 02 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (01 bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ và 01 bản vẽ lắp thiết bị chính).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống thiết bị cô đặc kiểu ống tuần hoàn trung tâm xử lý dung dịch $\text{NaOH}$ từ nồng độ ban đầu $x_đ = 15%$ khối lượng lên nồng độ sản phẩm $x_c = 30%$ khối lượng, năng suất nhập liệu $5000\text{ l/h}$ ($5\text{ m}^3/\text{h}$), nhiệt độ dung dịch đầu vào $30^\circ\text{C}$, sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $4\text{ at}$ làm tác nhân gia nhiệt và áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ là $P_{ck} = 0,4\text{ at}$ (áp suất tuyệt đối $P_c = 0,6\text{ at}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và nguyên lý công nghệ

Đồ án ứng dụng các nguyên lý nhiệt động học, truyền nhiệt và thủy động lực học trong kỹ thuật hóa học:

  • Nguyên lý cô đặc bốc hơi dung môi: Dung môi (nước) chuyển từ pha lỏng sang pha hơi khi được cấp nhiệt đến nhiệt độ sôi. Việc vận hành ở áp suất chân không giúp hạ thấp nhiệt độ sôi của dung dịch $\text{NaOH}$, hạn chế ăn mòn hóa học ở nhiệt độ cao và giảm thiểu tổn thất nhiệt lượng ra môi trường xung quanh.
  • Hiện tượng tuần hoàn tự nhiên: Sự tuần hoàn của dung dịch trong buồng đốt được tạo ra bởi sự chênh lệch khối lượng riêng giữa hỗn hợp lỏng – hơi trong chùm ống truyền nhiệt (khối lượng riêng nhỏ hơn do chứa bọt khí sôi) và dòng dung dịch chưa sôi hoặc sôi ít trong ống tuần hoàn trung tâm (khối lượng riêng lớn hơn).
  • Quy luật tổn thất nhiệt độ: Nhiệt độ sôi thực tế của dung dịch trong nồi cô đặc cao hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất mặt thoáng do ba yếu tố tổn thất:
    1. Tổn thất nhiệt độ do nồng độ chất tan ($\Delta'$): Xác định theo phương pháp và công thức Tisenco dựa trên độ tăng điểm sôi của dung dịch $\text{NaOH}$ so với nước ở áp suất khí quyển kết hợp hệ số hiệu chỉnh áp suất.
    2. Tổn thất nhiệt độ do cột áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): Do áp suất ở các lớp chất lỏng phía dưới đáy chùm ống cao hơn áp suất trên mặt thoáng.
    3. Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ ($\Delta'''$): Do trở lực dòng chảy khi hơi thứ di chuyển từ buồng bốc sang thiết bị ngưng tụ.
  • Lý thuyết truyền nhiệt phức hợp: Quá trình truyền nhiệt qua bề mặt ống đứng gồm ba giai đoạn nối tiếp: cấp nhiệt từ hơi nước bão hòa ngưng tụ màng phía ngoài ống ($\alpha_1$), dẫn nhiệt qua vách kim loại cùng hai lớp cặn bẩn ($r_1, r_2$), và cấp nhiệt từ vách ống vào dung dịch $\text{NaOH}$ đang sôi sủi bọt đối lưu tự nhiên bên trong ống ($\alpha_2$).
  • Lý thuyết tính bền thiết bị hóa chất: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán cơ học thiết bị chịu áp lực trong (buồng đốt) và thiết bị làm việc dưới áp suất ngoài / chân không (buồng bốc, đáy, nắp) nhằm đảm bảo điều kiện bền ứng suất và ổn định hình dạng.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định suất lượng dòng sản phẩm tháo liệu ($G_c$) và lượng hơi thứ bốc lên ($W$) dựa trên định luật bảo toàn khối lượng cấu tử $\text{NaOH}$.
  • Phương pháp cân bằng năng lượng: Thiết lập phương trình nhiệt lượng tổng quát giữa nhiệt lượng do hơi đốt bão hòa cung cấp với nhiệt lượng mang vào của dung dịch đầu, nhiệt lượng mang ra của sản phẩm, hơi thứ, nước ngưng và phần nhiệt tổn thất ra môi trường ($5%$).
  • Phương pháp tính toán thủy động và tách giọt lỏng: Tính toán đường kính buồng bốc dựa trên chuẩn số Reynolds và vận tốc lắng trọng trường của giọt lỏng để ngăn chặn hiện tượng cuốn hạt lỏng theo dòng hơi thứ.
  • Phương pháp tra cứu và chuẩn hóa kỹ thuật: Sử dụng hệ thống công thức, bảng tra nhiệt vật lý và quy chuẩn kích thước hình học từ các tài liệu chuyên khảo về Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.

Nguồn dữ liệu tra cứu

  • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).
  • Các bảng tra số liệu hóa lý dung dịch $\text{NaOH}$ (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ tăng nhiệt độ sôi).
  • Giáo trình và tài liệu tiêu chuẩn về tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất và dầu khí.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I. Nhiệm vụ đồ án và tổng quan

Chương này trình bày nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật, giới thiệu các tính chất vật lý - hóa học của $\text{NaOH}$ (khối lượng riêng $2,13\text{ g/ml}$, nóng chảy ở $318^\circ\text{C}$, sôi ở $1388^\circ\text{C}$, tan mạnh và tỏa nhiệt trong nước, có tính ăn mòn cao). Tác giả phân loại các phương pháp cô đặc (phương pháp nhiệt và phương pháp lạnh), phân loại thiết bị cô đặc theo cấu tạo (tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức, màng mỏng) và theo phương thức vận hành (áp suất thường, chân không, một nồi, nhiều nồi, liên tục, gián đoạn).

Trên cơ sở phân tích đặc tính dung dịch $\text{NaOH}$ $15% - 30%$, tác giả lựa chọn thiết bị cô đặc một nồi liên tục làm việc ở áp suất chân không, buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm do kết cấu đơn giản, thuận tiện vệ sinh, bảo trì và tiết kiệm năng lượng khi vận hành ở áp suất thấp.

Chương II. Quy trình công nghệ

Quy trình công nghệ được mô tả theo chu trình khép kín:

  • Dung dịch $\text{NaOH}$ $15%$ từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn định lưu lượng.
  • Từ bồn cao vị, dung dịch tự chảy qua lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm, sử dụng hơi nước bão hòa $4\text{ at}$ ngoài ống để gia nhiệt dung dịch trong ống từ $30^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi trước khi vào nồi cô đặc.
  • Tại nồi cô đặc, dung dịch chuyển động trong chùm ống truyền nhiệt và nhận nhiệt ngưng tụ từ hơi đốt ngoài ống để sôi và bốc hơi một phần nước. Dung dịch đậm đặc dần đạt nồng độ $30%$ được tháo liên tục ở đáy thiết bị.
  • Hơi thứ bốc lên ở buồng bốc được dẫn sang thiết bị ngưng tụ baromet để ngưng tụ thành lỏng bằng nước lạnh; khí không ngưng được tách qua bình tách giọt lỏng và hút ra ngoài bằng bơm chân không nhằm duy trì áp suất làm việc ổn định.

Chương III. Tính toán và thiết kế thiết bị chính

Tác giả triển khai các bước tính toán công nghệ truyền nhiệt và kích thước thiết bị:

  1. Cân bằng vật chất: Với $V_đ = 5\text{ m}^3/\text{h}$, $\rho_đ = 1159\text{ kg/m}^3$ tại $30^\circ\text{C}$, lưu lượng khối lượng nhập liệu là $G_đ = 5795\text{ kg/h}$. Năng suất sản phẩm tháo liệu $G_c = 2897,5\text{ kg/h}$ và lượng hơi thứ bốc lên $W = 2897,5\text{ kg/h}$.
  2. Xác định tổn thất nhiệt độ và hiệu số nhiệt độ hữu ích:
    • Áp suất thiết bị ngưng tụ $P_c = 0,6\text{ at}$ ($t_c = 85,5^\circ\text{C}$). Chọn $\Delta''' = 1^\circ\text{C} \rightarrow$ nhiệt độ sôi dung môi tại buồng bốc $t_{sdm}(P_0) = 86,5^\circ\text{C}$ ($P_0 = 0,6275\text{ at}$).
    • Tổn thất do nồng độ theo Tisenco: với $a = 30%$, $\Delta'0 = 17^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt $r = 2293,25\text{ kJ/kg} \rightarrow f = 0,9129 \rightarrow \Delta' = 15,52^\circ\text{C}$. Nhiệt độ sôi mặt thoáng $t{sdd}(P_0) = 102,02^\circ\text{C}$.
    • Tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh: với chiều cao ống truyền nhiệt $H = 1,5\text{ m}$, chiều cao mức lỏng $H_{op} = 1,056\text{ m}$, áp suất trung bình $P_{tb} = 0,661\text{ at} \rightarrow \Delta'' = 1,32^\circ\text{C}$.
    • Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma \Delta = 15,52 + 1,32 + 1 = 17,84^\circ\text{C}$.
    • Hiệu số nhiệt độ hữu ích: $\Delta t_{hi} = t_D(4\text{ at}) - (t_c + \Sigma \Delta) = 142,9 - (85,5 + 17,84) = 39,56^\circ\text{C}$.
  3. Cân bằng năng lượng: Xác định nhiệt dung riêng của dung dịch $15%$ ($c_đ = 3558,1\text{ J/kg.K}$) và dung dịch $30%$ ($c_c = 3323,43\text{ J/kg.K}$). Lượng hơi đốt tiêu tốn là $D = 0,949\text{ kg/s}$, nhiệt lượng hơi đốt cấp $Q_D = 1833107,97\text{ W}$, suất tiêu hao riêng $d = 1,179\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$.
  4. Tính toán hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt:
    • Hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng $\alpha_1 = 10330,62\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số cấp nhiệt phía dung dịch sôi $\alpha_2 = 3342,8\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Nhiệt tải riêng trung bình $q_{tb} = 31709,13\text{ W/m}^2$ (sai số kiểm tra giữa 2 phía vách là $1,972% < 5%$).
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát $K = 799,69\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Diện tích bề mặt truyền nhiệt tính toán $F = 57,95\text{ m}^2$, quy chuẩn chọn $F = 63\text{ m}^2$.
  5. Kích thước thiết bị chính:
    • Ống truyền nhiệt: Chọn ống thép không gỉ $\text{X18H10T}$ đường kính ngoài $25\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$, dài $1,5\text{ m}$. Bố trí theo hình lục giác đều gồm 613 ống (27 ống trên đường xuyên tâm).
    • Ống tuần hoàn trung tâm: Đường kính trong $D_{th} = 0,4\text{ m} = 400\text{ mm}$ (chiếm $30%$ tiết diện chùm ống). Thay thế 61 ống truyền nhiệt ở tâm bằng ống tuần hoàn $\rightarrow$ số ống truyền nhiệt thực tế còn lại là $n' = 552$ ống.
    • Buồng đốt: Đường kính trong $D_t = 1,4\text{ m} = 1400\text{ mm}$, chiều cao $H = 1,5\text{ m}$.
    • Buồng bốc: Vận tốc lắng hạt lỏng $2,64\text{ m/s}$, đường kính tính toán $D_b > 1,64\text{ m}$, quy chuẩn chọn $D_b = 1800\text{ mm} = 1,8\text{ m}$, chiều cao buồng bốc chọn $H_b = 2\text{ m}$.
    • Kích thước các ống dẫn: Ống nhập liệu $d_t = 50\text{ mm}$, ống tháo liệu $d_t = 40\text{ mm}$, ống dẫn hơi đốt $d_t = 300\text{ mm}$, ống dẫn hơi thứ $d_t = 300\text{ mm}$, ống dẫn nước ngưng $d_t = 40\text{ mm}$, ống dẫn khí không ngưng $d_t = 40\text{ mm}$.

Chương IV. Tính bền cơ khí thiết bị chính

Tác giả thực hiện tính bền, chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ $\text{X18H10T}$ cho các bộ phận tiếp xúc dung dịch $\text{NaOH}$ và thép $\text{CT3}$ cho bu lông:

  • Thân buồng đốt: Chịu áp suất trong $P_t = 0,313\text{ N/mm}^2$ ở $162,9^\circ\text{C}$, bề dày tính toán bổ sung hệ số ăn mòn và dung sai $C = 1,4\text{ mm} \rightarrow$ chọn bề dày thân $S = 6\text{ mm}$. Đường kính ngoài $D_n = 1412\text{ mm}$. Lỗ khoét không cần tăng cứng $d_{max} = 74,18\text{ mm}$.
  • Thân buồng bốc: Chịu áp suất ngoài do chân không $P_b = 0,1345\text{ N/mm}^2$ ở nhiệt độ tính toán $106,5^\circ\text{C}$, bề dày tính toán có bổ sung ăn mòn $C = 1,8\text{ mm} \rightarrow$ quy chuẩn chọn bề dày thân buồng bốc $S_b = 10\text{ mm}$. Đường kính ngoài $D_{bn} = 1820\text{ mm}$.
  • Phần nón cụt chuyển tiếp: Góc nghiêng $\beta = 45^\circ$, gờ cao $45\text{ mm}$, chiều cao nón cụt $H_{nc} = 245\text{ mm}$.
  • Nắp thiết bị: Dạng elip tiêu chuẩn, đường kính $D_{at} = 1800\text{ mm}$, bán kính trong $R_a = 1800\text{ mm}$, chiều cao gờ $h = 40\text{ mm}$, bề dày chọn $S_a = 10\text{ mm}$. Lỗ ống dẫn hơi thứ $400\text{ mm} > d_{max} (101,87\text{ mm})$ nên bố trí bạc tăng cứng dày $10\text{ mm}$.
  • Đáy thiết bị: Dạng nón, góc đáy $2\alpha = 60^\circ$, chiều sâu $H_đ = 1269\text{ mm}$, bán kính gờ $r_đ = 210\text{ mm}$, chọn bề dày $S_đ = 6\text{ mm}$. Lỗ tháo liệu $d = 40\text{ mm} < d_{max} (73,3\text{ mm})$ nên không cần vòng tăng cứng.
  • Mặt bích và bu lông:
    • Nối buồng bốc với buồng đốt: Chọn mặt bích liền thép $P_y = 0,6\text{ N/mm}^2$, đường kính trong $1400\text{ mm}$, 40 bu lông M24.
    • Nối buồng bốc với nắp: Chọn mặt bích $P_y = 0,3\text{ N/mm}^2$, đường kính trong $1800\text{ mm}$, 48 bu lông M24.
    • Nối buồng đốt với đáy: Chọn mặt bích $P_y = 0,6\text{ N/mm}^2$, đường kính trong $1400\text{ mm}$, 40 bu lông M24.
  • Vỉ ống: Vỉ tròn phẳng gắn cứng thân buồng đốt bằng thép $\text{X18H10T}$, ứng suất nén/uốn cho phép $[\sigma]_u = 306,8\text{ N/mm}^2$, tính toán bề dày chịu uốn theo áp suất $P_t = 0,313\text{ N/mm}^2$.
  • Tai treo: Tính toán tổng khối lượng thiết bị khi chứa đầy nước và dung dịch để xác định kết cấu và số lượng tai treo đỡ thiết bị.

Chương V. Tính toán và thiết kế thiết bị phụ

Chương này hoàn thiện việc tính toán các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:

  • Thiết bị gia nhiệt dung dịch đầu dạng trao đổi nhiệt ống chùm: tính toán cân bằng nhiệt lượng, hệ số cấp nhiệt ngưng tụ và cấp nhiệt cưỡng bức chất lỏng để xác định diện tích truyền nhiệt.
  • Thiết bị ngưng tụ baromet: lựa chọn kiểu ngưng tụ trực tiếp loại khô ngược chiều, tính toán lượng nước làm lạnh cần thiết, đường kính và chiều cao thiết bị cùng chiều cao ống baromet.
  • Bồn cao vị: xác định chiều cao lắp đặt bồn dựa trên tổng tổn thất áp suất ma sát và trở lực cục bộ trên đường ống nhập liệu.
  • Bơm vận chuyển: tính chọn công suất bơm dung dịch nhập liệu lên bồn cao vị và bơm cấp nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ baromet.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

Hạng mục thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán / lựa chọn
Năng suất nhập liệu $G_đ$ $\text{kg/h}$ $5795$ ($5000\text{ l/h}$)
Năng suất tháo liệu (sản phẩm) $G_c$ $\text{kg/h}$ $2897,5$
Lượng hơi thứ bốc lên $W$ $\text{kg/h}$ $2897,5$
Lượng hơi đốt tiêu tốn $D$ $\text{kg/s}$ $0,949$
Suất tiêu hao hơi đốt riêng $d$ $\text{kg/kg}$ $1,179$
Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp $Q_D$ $\text{W}$ $1833107,97$
Tổng tổn thất nhiệt độ $\Sigma \Delta$ $^\circ\text{C}$ $17,84$
Hiệu số nhiệt độ hữu ích $\Delta t_{hi}$ $^\circ\text{C}$ $39,56$
Hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$ $\text{W/m}^2\text{K}$ $799,69$
Diện tích bề mặt truyền nhiệt chọn $F$ $\text{m}^2$ $63$
Số lượng ống truyền nhiệt thực tế $n'$ ống $552$ (ống $\phi 25\times 2\text{ mm}$, dài $1,5\text{ m}$)
Đường kính ống tuần hoàn trung tâm $D_{th}$ $\text{mm}$ $400$
Đường kính trong buồng đốt $D_t$ $\text{mm}$ $1400$
Bề dày thân buồng đốt $S$ $\text{mm}$ $6$ (thép $\text{X18H10T}$)
Đường kính trong buồng bốc $D_b$ $\text{mm}$ $1800$
Chiều cao buồng bốc $H_b$ $\text{mm}$ $2000$
Bề dày thân buồng bốc $S_b$ $\text{mm}$ $10$ (thép $\text{X18H10T}$)
Bề dày nắp elip / đáy nón $S_a / S_đ$ $\text{mm}$ $10 / 6$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Thiết lập quy trình tính toán nhiệt - thủy động hoàn chỉnh cho hệ thống cô đặc dung dịch có độ nhớt và nồng độ biến thiên lớn ($\text{NaOH}$).
  • Kết hợp chính xác giữa bài toán truyền nhiệt công nghệ và bài toán kiểm tra độ bền cơ học cho thiết bị hóa chất làm việc ở chế độ chân không.
  • Đưa ra các giải pháp cấu tạo hợp lý: sử dụng thép không gỉ $\text{X18H10T}$ chống ăn mòn, bố trí ống tuần hoàn trung tâm có tiết diện bằng $30%$ diện tích chùm ống đảm bảo chu trình tuần hoàn tự nhiên ổn định, và thiết kế bạc tăng cứng cho các lỗ khoét chịu ứng suất lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án thiết kế hệ thống cô đặc một nồi, do đó suất tiêu hao hơi đốt còn ở mức cao ($1,179\text{ kg hơi đốt/kg hơi thứ}$), chưa tận dụng được nhiệt ẩn hóa hơi của dòng hơi thứ. Các giả thiết tính toán nhiệt trở cặn bẩn được lấy cố định theo định mức chuẩn mà chưa khảo sát động học bám cặn thực tế theo thời gian vận hành.
  • Hướng mở rộng:
    • Nghiên cứu phương án hệ thống cô đặc nhiều nồi (2 hoặc 3 nồi) xuôi chiều hoặc ngược chiều có tận dụng hơi thứ làm nguồn nhiệt cho các nồi sau nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
    • Khảo sát ứng dụng công nghệ nén hơi nhiệt (TVR) hoặc nén hơi cơ học (MVR) để tái sử dụng toàn bộ hơi thứ.
    • Thiết kế tích hợp hệ thống tự động hóa đo lường và điều khiển mức chất lỏng, áp suất chân không và nồng độ sản phẩm đầu ra bằng vòng điều khiển kín.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật chuyên khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa Lý: Dùng làm tài liệu tham khảo trực tiếp khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (mã môn CH4007 hoặc tương đương) và khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành thiết bị.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành thiết bị hóa chất: Tham khảo phương pháp tính toán tổn thất nhiệt độ dung dịch kiềm, phương pháp kiểm tra điều kiện bền nắp elip và đáy nón chịu áp suất chân không ngoài theo các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị áp lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và chế độ làm việc định mức của hệ thống cô đặc trong đồ án là bao nhiêu? Hệ thống được thiết kế để xử lý $5000\text{ l/h}$ ($5795\text{ kg/h}$) dung dịch $\text{NaOH}$ $15%$ ở nhiệt độ ban đầu $30^\circ\text{C}$, nâng nồng độ lên $30%$ khối lượng với lưu lượng sản phẩm $2897,5\text{ kg/h}$ và lượng hơi thứ bốc lên $2897,5\text{ kg/h}$. Hệ thống vận hành liên tục dưới áp suất chân không buồng bốc $P_0 = 0,6275\text{ at}$.

2. Vì sao tác giả lựa chọn thiết bị cô đặc có ống tuần hoàn trung tâm? Thiết bị buồng đốt trong có ống tuần hoàn trung tâm tạo ra chu trình đối lưu tự nhiên liên tục nhờ chênh lệch khối lượng riêng giữa khối dung dịch sôi trong các ống nhỏ và dung dịch chưa sôi trong ống trung tâm. Thiết bị này có cấu tạo đơn giản, dễ cọ rửa màng cặn bên trong ống, dễ sửa chữa và phù hợp với dung dịch có độ nhớt trung bình như $\text{NaOH}$.

3. Tổng tổn thất nhiệt độ trong nồi cô đặc bằng bao nhiêu và phân bổ như thế nào? Tổng tổn thất nhiệt độ tính toán được là $\Sigma \Delta = 17,84^\circ\text{C}$, bao gồm:

  • Tổn thất do nồng độ chất tan ($\Delta'$): $15,52^\circ\text{C}$ (tính theo Tisenco với $\Delta'_0 = 17^\circ\text{C}$ và $f = 0,9129$).
  • Tổn thất do cột áp suất thủy tĩnh ($\Delta''$): $1,32^\circ\text{C}$ (với chiều cao mức lỏng sôi $H_{op} = 1,056\text{ m}$).
  • Tổn thất nhiệt độ trên đường ống dẫn hơi thứ sang buồng ngưng ($\Delta'''$): $1^\circ\text{C}$.

4. Kích thước hình học cơ bản của buồng đốt và buồng bốc hơi được xác định ra sao?

  • Buồng đốt có đường kính trong $D_t = 1400\text{ mm}$, chiều cao ống truyền nhiệt $H = 1,5\text{ m}$, chứa 552 ống truyền nhiệt $\phi 25\times 2\text{ mm}$ bố trí theo hình lục giác đều và 01 ống tuần hoàn trung tâm đường kính $D_{th} = 400\text{ mm}$.
  • Buồng bốc có đường kính trong $D_b = 1800\text{ mm}$ (xác định theo vận tốc lắng hạt lỏng $2,64\text{ m/s}$) và chiều cao buồng bốc $H_b = 2000\text{ mm}$.

5. Vật liệu và bề dày các chi tiết chịu áp lực chính được lựa chọn như thế nào? Toàn bộ thân, nắp, đáy, vỉ ống và ống truyền nhiệt tiếp xúc với $\text{NaOH}$ được chế tạo bằng thép không gỉ $\text{X18H10T}$. Bề dày thực tế sau khi tính toán độ bền và bổ sung hệ số ăn mòn, dung sai âm được chọn là: thân buồng đốt dày $6\text{ mm}$, thân buồng bốc dày $10\text{ mm}$, nắp elip dày $10\text{ mm}$ (có bạc tăng cứng $10\text{ mm}$ tại lỗ dẫn hơi thứ), và đáy nón dày $6\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ tính toán công nghệ và thiết kế kết cấu cơ khí cho hệ thống thiết bị cô đặc dung dịch $\text{NaOH}$ $15% - 30%$ một nồi liên tục năng suất $5000\text{ l/h}$. Các kết quả tính toán về cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, truyền nhiệt ($K = 799,69\text{ W/m}^2\text{K}$, $F = 63\text{ m}^2$) và kiểm tra bền các chi tiết thân, nắp, đáy, vỉ ống đều đáp ứng nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất. Công trình cung cấp một tài liệu tham khảo chuẩn mực, chi tiết và có giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo và thiết kế kỹ thuật trong lĩnh vực Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học.