Thiết Kế Hệ Thống Chưng Luyện Liên Tục Metylic-Nước (Đồ Án Bách Khoa)

Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục metylic-nước hiệu quả. Tìm hiểu quy trình, thiết bị, tối ưu hóa năng lượng cho sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Vũ Anh Đức
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Thiết Bị Chưng Luyện Liên Tục Hỗn Hợp Hai Cấu Tử Metylic – Nước
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Giới thiệu chung về quá trình chưng
• 1.2. Chế độ làm việc của tháp đệm
• 1.3. Ưu điểm của tháp đệm
• 1.4. Nhược điểm của tháp đệm
• 1.5. Tổng quan về hỗn hợp chưng
• 1.5.1. Hỗn hợp rượu metylic – nước
• 2. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
• 2.1. Sơ đồ công nghệ, chú thích
• 2.2. Thuyết minh dây chuyền sản xuất
• 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH
• 3.1. Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp
• 3.1.1. Tính cân bằng vật liệu
• 3.1.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ
• 3.1.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin)
• 3.1.2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Rth
• 3.1.2.3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp RTH theo tiêu chí thể tích tháp nhỏ nhất
• 3.1.2.4. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp RTH theo tiêu chí thể tích VT của tháp
• 3.1.2.5. Xác định số đĩa dựa vào đồ thị Mccabe - Thiesel
• 3.1.2.6. Xác định số đĩ thực tế dựa trên hiệu suất trung bình
• 3.1.3. Tính đường kính tháp
• 3.1.3.1. Thông số vật lý đoạn chưng
• 3.1.3.2. Thông số vật lý đoạn luyện
• 3.1.3.3. Xác định đường kính tháp
• 3.1.3.4. Đường kính đoạn luyện
• 3.1.3.5. Đường kính đoạn chưng
• 3.1.4. Tính chiều cao tháp
• 3.1.5. Trở lực của tháp
• 3.1.6. Cân bằng nhiệt lượng trong tháp
• 4. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
• 4.1. Tính các đường ống dẫn
• 4.2. Tính chiều dày của thân tháp hình trụ
• 4.3. Tính nắp và đáy thiết bị
• 4.4. Tính lưỡi đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối lỏng
• 4.5. Tính chân đỡ đĩa phân phối lỏng
• 5. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 5.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
• 5.2. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
• 6. KẾT LUẬN CHUNG
• PHỤ LỤC
• I. Danh mục hình ảnh
• II. Danh mục bảng biểu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan chưng luyện Metylic Nước Nguyên lý và Ứng dụng

Chưng luyện là một quá trình kỹ thuật hóa học nền tảng, giữ vai trò then chốt trong việc tách các hỗn hợp lỏng thành những cấu tử riêng biệt. Quá trình này dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi (nhiệt độ sôi) của các chất. Đối với hệ hai cấu tử methanol-nước, phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục là lựa chọn tối ưu về mặt hiệu quả và kinh tế. Mục tiêu chính của hệ thống là thu hồi methanol (metylic) có độ tinh khiết cao từ dung dịch loãng. Methanol, với nhiệt độ sôi thấp hơn (khoảng 64.7°C), sẽ bay hơi trước nước (100°C), tạo ra sự chênh lệch nồng độ giữa pha lỏng và pha hơi. Trong một tháp chưng cất, quá trình bay hơi và ngưng tụ diễn ra lặp đi lặp lại trên các mâm hoặc lớp vật liệu đệm, làm giàu dần cấu tử dễ bay hơi (methanol) ở đỉnh tháp và cấu tử khó bay hơi (nước) ở đáy tháp. Quá trình này có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học, đặc biệt trong các ngành sản xuất hóa chất, dược phẩm, và thu hồi dung môi. Việc thiết kế một hệ thống chưng luyện liên tục đòi hỏi sự tính toán chính xác về cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng để đảm bảo dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy đạt nồng độ yêu cầu với chi phí vận hành thấp nhất. Các yếu tố như áp suất làm việc, trạng thái nhập liệu và loại thiết bị (tháp mâm hay tháp đệm) đều ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn hệ thống.

1.1. Nguyên lý cơ bản của chưng cất phân đoạn

Nguyên lý cốt lõi của chưng cất phân đoạn nằm ở việc thiết lập trạng thái cân bằng lỏng-hơi (VLE) lặp đi lặp lại nhiều lần theo chiều cao của tháp. Khi hỗn hợp methanol-nước được đun sôi, pha hơi bay lên sẽ có nồng độ methanol cao hơn so với pha lỏng còn lại. Hơi này khi tiếp xúc với một mâm hoặc bề mặt lạnh hơn ở phía trên sẽ ngưng tụ một phần. Phần lỏng ngưng tụ này lại giàu nước hơn so với pha hơi, trong khi pha hơi chưa ngưng tụ tiếp tục bay lên và trở nên giàu methanol hơn nữa. Quá trình này, được mô tả qua giản đồ T-x,y hoặc giản đồ x-y, tạo ra một gradient nồng độ. Ở đỉnh tháp, hơi gần như là methanol tinh khiết, trong khi ở đáy tháp, chất lỏng chủ yếu là nước. Quá trình này hiệu quả hơn nhiều so với chưng cất đơn giản vì nó tương đương với việc thực hiện hàng chục, thậm chí hàng trăm lần chưng cất riêng lẻ trong cùng một thiết bị duy nhất.

1.2. Phân loại thiết bị Tháp mâm lỗ và tháp đệm

Trong công nghiệp, hai loại tháp chưng luyện phổ biến nhất là tháp mâm lỗ và tháp đệm. Tháp mâm lỗ sử dụng các đĩa (mâm) có lỗ để pha hơi sục qua lớp chất lỏng trên mâm, tạo ra sự tiếp xúc pha hiệu quả. Loại tháp này có ưu điểm là dễ thiết kế, vận hành ổn định trong một dải lưu lượng rộng. Ngược lại, tháp đệm được nhồi bằng các vật liệu trơ (vòng, yên ngựa) để tạo ra diện tích bề mặt lớn cho chất lỏng chảy thành màng và tiếp xúc với pha hơi đi ngược chiều. Tháp đệm có trở lực thấp hơn, phù hợp cho các hệ thống nhạy cảm với áp suất và có tính ăn mòn. Theo đồ án của Vũ Anh Đức (2022), việc lựa chọn tháp đệm cho hệ Metylic-Nước dựa trên các ưu điểm như cấu tạo đơn giản và hiệu suất cao khi được thiết kế đúng cách.

II. Thách thức chính khi thiết kế hệ chưng luyện Metylic Nước

Việc thiết kế một hệ thống chưng luyện Metylic-Nước hiệu quả đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Thách thức lớn nhất là đạt được độ tinh khiết sản phẩm cao (ví dụ, 98% khối lượng cho sản phẩm đỉnh) từ một dòng nhập liệu có nồng độ thấp (35% khối lượng) một cách kinh tế. Điều này đòi hỏi phải xác định chính xác các thông số vận hành quan trọng. Một trong số đó là tỉ số hoàn lưu (R), đây là yếu tố cân bằng giữa chi phí đầu tư (chiều cao tháp) và chi phí vận hành (năng lượng cho bình đun sôi (reboiler)). Một tỉ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) sẽ yêu cầu một tháp cao vô tận, trong khi tỉ số hoàn lưu quá lớn sẽ tiêu tốn năng lượng khổng lồ. Một thách thức khác là xác định số mâm thực tế từ số mâm lý thuyết, yêu cầu tính toán hiệu suất mâm, một thông số bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thủy động lực học và tính chất vật lý của hỗn hợp. Ngoài ra, việc duy trì sự ổn định của hệ thống liên tục, xử lý các biến động về nồng độ và lưu lượng nhập liệu cũng là một vấn đề phức tạp. Đối với hỗn hợp Metylic-Nước, mặc dù không phải là hỗn hợp azeotropic, việc đạt độ tinh khiết rất cao vẫn đòi hỏi một số lượng mâm đáng kể và kiểm soát quy trình chặt chẽ.

2.1. Tầm quan trọng của dữ liệu cân bằng lỏng hơi VLE

Nền tảng của mọi tính toán thiết kế tháp chưng cất là dữ liệu cân bằng lỏng-hơi (VLE) chính xác. Dữ liệu này, thường được biểu diễn qua giản đồ x-y, thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (x) và pha hơi (y) tại một áp suất không đổi. Độ cong của đường cân bằng so với đường chéo y=x quyết định mức độ khó khăn của việc phân tách. Đối với hệ methanol-nước, đường cong VLE khá thuận lợi và không tạo điểm đẳng phí, cho phép tách hoàn toàn bằng chưng luyện thông thường. Mọi sai sót trong dữ liệu VLE sẽ dẫn đến tính toán sai lệch về tỉ số hoàn lưu tối thiểu và số mâm lý thuyết, gây ra thiết kế kém hiệu quả hoặc không đạt yêu cầu về sản phẩm.

2.2. Ảnh hưởng của trạng thái nhập liệu q line

Trạng thái nhiệt của dòng nhập liệu, được biểu thị bằng trạng thái nhập liệu (q-line), có ảnh hưởng lớn đến cân bằng năng lượng và thủy động lực học bên trong tháp. Dòng nhập liệu có thể ở trạng thái lỏng sôi, lỏng chưa sôi, hơi quá nhiệt, hơi bão hòa hoặc hỗn hợp lỏng-hơi. Trong tài liệu tham khảo, hỗn hợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi (q=1), nghĩa là dòng nhập liệu là lỏng bão hòa. Điều này làm cho đường q-line thẳng đứng trên giản đồ x-y. Lựa chọn này giúp giảm bớt gánh nặng nhiệt cho phần chưng của tháp, nhưng đòi hỏi một thiết bị trao đổi nhiệt (gia nhiệt) trước tháp. Việc xác định chính xác giá trị 'q' là rất quan trọng vì nó quyết định giao điểm của hai đường làm việc (đoạn luyện và đoạn chưng), từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến việc xác định số mâm lý thuyết.

III. Phương pháp McCabe Thiele Tính số mâm lý thuyết tối ưu

Phương pháp đồ thị McCabe-Thiele là một công cụ kinh điển và mạnh mẽ để xác định số mâm lý thuyết (NLT) cần thiết cho việc phân tách một hệ hai cấu tử. Phương pháp này dựa trên một số giả định đơn giản hóa, quan trọng nhất là dòng mol lỏng và hơi không đổi trong mỗi đoạn của tháp (đoạn luyện và đoạn chưng). Điều này cho phép vẽ các đường làm việc (operating lines) là đường thẳng trên giản đồ x-y. Đầu tiên, cần xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin), tương ứng với số mâm vô hạn. Dựa trên tài liệu gốc, Rmin cho hệ thống Metylic-Nước được tính là 0,955. Sau đó, một tỉ số hoàn lưu thích hợp (Rth) được chọn, thường bằng (1.2 – 2.5) lần Rmin. Đồ án của Vũ Anh Đức (2022) đã chọn Rth = 1.7 sau khi phân tích tối ưu. Từ giá trị Rth này, các phương trình đường làm việc cho đoạn luyện và đoạn chưng được thiết lập. Số mâm lý thuyết sau đó được xác định bằng cách vẽ các bậc thang giữa đường cân bằng VLE và hai đường làm việc, bắt đầu từ nồng độ sản phẩm đỉnh và kết thúc khi vượt qua nồng độ sản phẩm đáy. Kết quả từ phương pháp này là cơ sở đầu tiên cho việc thiết kế kích thước tháp.

3.1. Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu và tỉ số hoàn lưu thích hợp

Việc xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Rmin là giá trị nhỏ nhất của tỉ số hoàn lưu mà tại đó việc phân tách vẫn có thể xảy ra, nhưng đòi hỏi số mâm là vô hạn. Nó được xác định bằng cách vẽ một đường thẳng từ điểm sản phẩm đỉnh (xD, xD) tiếp xúc với đường cân bằng pha tại điểm tương ứng với nồng độ nhập liệu. Dựa trên phân tích từ đồ án, giá trị Rmin = 0,955. Từ đó, tỉ số hoàn lưu làm việc (Rth) được chọn. Lựa chọn Rth là một sự đánh đổi: Rth cao làm giảm số mâm lý thuyết cần thiết (giảm chi phí đầu tư tháp) nhưng lại làm tăng lượng hơi cần tạo ra, dẫn đến tăng chi phí năng lượng cho bình đun sôi và bình ngưng tụ. Đồ án đã tiến hành khảo sát và chọn Rth = 1.7 như một điểm tối ưu giữa chi phí đầu tư và vận hành.

3.2. Xây dựng đường làm việc và xác định số mâm

Với Rth = 1.7, hai đường làm việc được xây dựng. Đường làm việc đoạn luyện (phía trên đĩa nhập liệu) có phương trình phụ thuộc vào Rth và nồng độ dòng sản phẩm đỉnh (xP). Đường làm việc đoạn chưng (phía dưới đĩa nhập liệu) phụ thuộc vào Rth, trạng thái nhập liệu và nồng độ dòng sản phẩm đáy (xW). Giao điểm của hai đường này nằm trên đường q-line. Bằng cách vẽ đồ thị, bắt đầu từ điểm (xP, xP) trên đường chéo, ta vẽ các bậc thang giữa đường cân bằng và các đường làm việc tương ứng. Mỗi bậc thang đại diện cho một mâm lý thuyết. Quá trình dừng lại khi nồng độ lỏng trên mâm nhỏ hơn xW. Kết quả từ đồ án cho thấy tổng số mâm lý thuyết là 13 mâm, bao gồm 8 mâm cho đoạn luyện và 5 mâm cho đoạn chưng.

IV. Bí quyết thiết kế kích thước tháp chưng luyện Metylic Nước

Sau khi xác định được số mâm lý thuyết, bước tiếp theo là chuyển các con số này thành kích thước vật lý của tháp chưng cất: đường kính và chiều cao. Đường kính tháp phụ thuộc vào lưu lượng pha hơi và được tính toán để đảm bảo vận tốc hơi nằm trong giới hạn cho phép, tránh các hiện tượng như sặc (flooding) hoặc lôi cuốn (entrainment). Vận tốc quá cao sẽ gây sặc, làm giảm hiệu suất truyền khối, trong khi vận tốc quá thấp sẽ không đủ để tạo sự tiếp xúc pha hiệu quả. Chiều cao của tháp được xác định bởi số mâm thực tế và khoảng cách giữa các mâm (đối với tháp mâm) hoặc chiều cao tương đương một đĩa lý thuyết (HETP) (đối với tháp đệm). Số mâm thực tế luôn lớn hơn số mâm lý thuyết do hiệu suất mâm luôn nhỏ hơn 100%. Hiệu suất này phụ thuộc vào tính chất vật lý của hệ (độ nhớt, sức căng bề mặt) và các thông số thủy động lực học. Theo tính toán trong đồ án tham khảo, với 13 mâm lý thuyết và hiệu suất trung bình toàn tháp khoảng 46.43%, số mâm thực tế là 28 mâm. Đường kính tháp được tính toán và quy chuẩn là 1 mét, đảm bảo vận hành ổn định cho cả đoạn chưng và đoạn luyện.

4.1. Tính toán số mâm thực tế dựa trên hiệu suất mâm

Để chuyển đổi từ số mâm lý thuyết (NLT) sang số mâm thực tế (NTT), ta sử dụng khái niệm hiệu suất mâm (η). Công thức là NTT = NLT / η. Hiệu suất này không phải là một hằng số mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính chất vật lý của hỗn hợp (độ bay hơi tương đối, độ nhớt) và điều kiện vận hành. Trong đồ án, hiệu suất được tính riêng cho đoạn chưng và đoạn luyện. Ví dụ, hiệu suất trung bình của đoạn luyện được tính toán là 50.5%, dẫn đến số mâm thực tế cho đoạn này là 16 mâm (từ 8 mâm lý thuyết). Tương tự, đoạn chưng có hiệu suất 44% cần 12 mâm thực tế (từ 5 mâm lý thuyết). Tổng cộng, tháp cần 28 mâm thực tế để đạt được sự phân tách mong muốn.

4.2. Xác định đường kính và chiều cao của tháp đệm

Đối với tháp đệm, đường kính được tính toán dựa trên vận tốc hơi tới hạn (vận tốc sặc). Vận tốc vận hành thực tế thường được chọn bằng 70-80% vận tốc sặc để đảm bảo an toàn và ổn định. Dựa trên lưu lượng hơi trung bình trong đoạn chưng và đoạn luyện, cùng với khối lượng riêng của pha hơi và lỏng, đường kính tháp được tính toán. Kết quả cho thấy đường kính yêu cầu cho hai đoạn chênh lệch không nhiều, do đó có thể chọn một đường kính chung là 1 mét. Chiều cao của lớp đệm được xác định thông qua Chiều cao tương đương một đĩa lý thuyết (HETP), một thông số thực nghiệm phụ thuộc vào loại đệm, kích thước đệm và tính chất của hệ. Nhân HETP với số mâm lý thuyết tương ứng cho mỗi đoạn sẽ cho ra chiều cao lớp đệm cần thiết. Tổng chiều cao tháp sẽ bao gồm chiều cao của hai lớp đệm cộng với không gian cho bộ phận phân phối lỏng, đỡ đệm và khoảng trống ở đỉnh và đáy tháp.

V. Tối ưu năng lượng trong chưng luyện Metylic Nước liên tục

Quá trình chưng luyện là một trong những quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong ngành công nghệ hóa học. Do đó, việc thực hiện cân bằng năng lượng và tối ưu hóa việc sử dụng nhiệt là cực kỳ quan trọng. Năng lượng đầu vào chính cho hệ thống là nhiệt cung cấp cho bình đun sôi (reboiler) để hóa hơi một phần sản phẩm đáy, tạo ra dòng hơi đi lên trong tháp. Năng lượng đầu ra chính là nhiệt được thải ra môi trường tại bình ngưng tụ (condenser) để hóa lỏng toàn bộ hơi sản phẩm đỉnh. Lượng nhiệt này phụ thuộc trực tiếp vào tỉ số hoàn lưu đã chọn. Tỉ số hoàn lưu càng cao, lượng hơi cần đun sôi và ngưng tụ càng lớn, dẫn đến chi phí năng lượng tăng vọt. Một hệ thống hiệu quả cần phải cân bằng giữa việc đạt độ tinh khiết sản phẩm và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các biện pháp tối ưu hóa bao gồm sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt từ các dòng sản phẩm nóng để gia nhiệt cho dòng nhập liệu lạnh. Các phần mềm mô phỏng quá trình như Aspen HYSYS hay Aspen Plus là công cụ hữu hiệu để phân tích và tìm ra điểm vận hành tối ưu về mặt năng lượng cho toàn bộ hệ thống.

5.1. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ hệ thống

Phương trình cân bằng năng lượng cho toàn bộ tháp chưng luyện dựa trên định luật bảo toàn năng lượng: tổng năng lượng đi vào phải bằng tổng năng lượng đi ra. Năng lượng vào bao gồm entanpy của dòng nhập liệu và nhiệt lượng cung cấp bởi bình đun sôi (Q_reboiler). Năng lượng ra bao gồm entanpy của dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy, cùng với nhiệt lượng thải ra ở bình ngưng tụ (Q_condenser) và nhiệt tổn thất ra môi trường. Theo tính toán trong đồ án, lượng hơi đốt cần thiết cho reboiler (D2) là 4923,25 kg/h (sử dụng hơi 5 at) để cung cấp đủ nhiệt cho quá trình bay hơi. Việc tính toán chính xác các dòng nhiệt này là cơ sở để lựa chọn và thiết kế kích thước cho các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ.

5.2. Vai trò của thiết bị phụ Reboiler và Condenser

Hiệu suất của toàn bộ hệ thống chưng luyện phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động của các thiết bị phụ, đặc biệt là bình đun sôi (reboiler) và bình ngưng tụ (condenser). Reboiler có nhiệm vụ cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt để hóa hơi liên tục dòng lỏng từ đáy tháp, tạo ra động lực cho quá trình phân tách. Condenser ở đỉnh tháp có nhiệm vụ ngược lại, loại bỏ nhiệt khỏi dòng hơi sản phẩm để ngưng tụ nó thành lỏng. Một phần chất lỏng này được hồi lưu trở lại tháp, phần còn lại được lấy ra làm sản phẩm. Kích thước và hiệu quả truyền nhiệt của hai thiết bị này phải được thiết kế phù hợp với lượng nhiệt cần trao đổi đã được tính toán trong bước cân bằng năng lượng. Bất kỳ sự cố nào ở reboiler hoặc condenser đều sẽ ảnh hưởng ngay lập tức đến sự ổn định và hiệu suất của toàn bộ tháp chưng cất.

VI. Triển vọng và mô phỏng hệ chưng luyện Metylic Nước hiện đại

Công nghệ chưng luyện, dù đã có lịch sử lâu đời, vẫn không ngừng được cải tiến để nâng cao hiệu quả và giảm tác động môi trường. Đối với hệ thống chưng luyện Metylic-Nước, các hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc tối ưu hóa năng lượng và tự động hóa quá trình. Các cấu hình tháp tiên tiến như chưng luyện nhiệt biên (heat integration), tháp chưng cất có tường ngăn (dividing wall column), hay chưng cất áp suất thay đổi (pressure-swing distillation) cho các hỗn hợp azeotropic đang được nghiên cứu và áp dụng. Đặc biệt, việc sử dụng các công cụ mô phỏng quá trình đóng vai trò ngày càng quan trọng. Các phần mềm chuyên dụng như Aspen HYSYS và Aspen Plus cho phép các kỹ sư xây dựng mô hình số hóa của toàn bộ hệ thống. Trên mô hình này, có thể thử nghiệm các điều kiện vận hành khác nhau, thay đổi cấu hình thiết bị, và thực hiện các phân tích tối ưu hóa phức tạp mà không cần can thiệp vào hệ thống thực. Điều này không chỉ giúp tìm ra thiết kế tối ưu nhất ngay từ giai đoạn đầu mà còn hỗ trợ trong việc đào tạo vận hành, xử lý sự cố và cải tiến liên tục quy trình sản xuất, đảm bảo hiệu quả kinh tế và an toàn cao nhất.

6.1. Ứng dụng mô phỏng quá trình với Aspen HYSYS Plus

Các phần mềm mô phỏng quá trình như Aspen Plus và Aspen HYSYS đã trở thành công cụ không thể thiếu trong ngành công nghệ hóa học. Thay vì chỉ dựa vào các phương pháp đồ thị truyền thống như McCabe-Thiele hay Ponchon-Savarit, các kỹ sư có thể xây dựng một mô hình nhiệt động lực học chi tiết của tháp chưng cất. Mô hình này có thể tính toán chính xác cân bằng lỏng-hơi (VLE), cân bằng năng lượng, và các thông số thủy động lực học trên mỗi mâm. Điều này cho phép thực hiện các phân tích độ nhạy, ví dụ như ảnh hưởng của việc thay đổi tỉ số hoàn lưu đến độ tinh khiết sản phẩm và chi phí năng lượng, một cách nhanh chóng và chính xác. Mô phỏng cũng giúp dự đoán các vấn đề vận hành tiềm ẩn và tìm ra giải pháp trước khi xây dựng nhà máy.

6.2. Hướng tới tự động hóa và điều khiển quá trình nâng cao APC

Tương lai của các hệ thống chưng luyện liên tục gắn liền với tự động hóa và Điều khiển Quá trình Nâng cao (Advanced Process Control - APC). Các hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ duy trì các điểm đặt (setpoint) về nhiệt độ, áp suất, lưu lượng mà còn có khả năng dự đoán và tối ưu hóa hoạt động của tháp trong thời gian thực. Bằng cách sử dụng các mô hình động (dynamic models) và thuật toán thông minh, hệ thống APC có thể tự động điều chỉnh tỉ số hoàn lưu và lượng nhiệt cung cấp cho bình đun sôi để phản ứng với những thay đổi trong thành phần hoặc lưu lượng nhập liệu, nhằm duy trì chất lượng sản phẩm ổn định với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Điều này giúp tăng hiệu quả, giảm chi phí vận hành và nâng cao tính an toàn cho toàn bộ dây chuyền sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Để bước đầu làm quen với công việc của một kĩ sư hóa học là thiết kế một thiết bị hay hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, sinh viên Kỹ thuật Hóa học trường Đại học Bách khoa Hà Nội được nhận đồ án môn học: “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học”. Việc thực hiện đồ án là điều rất có ích cho mỗi sinh viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức của môn học. Trên cơ sở kiến thức đó và một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trong các quá trình công nghệ. Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụng tài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy trình trong tính toán và thiết kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn phòng khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệ thống.

Trong đồ án môn học này, nhiệm vụ phải hoàn thành là hiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Rượu metylic – Nước làm việc ở áp suất khí quyển. Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi, tháp loại đệm, năng suất 3,5 kg/s, nồng độ hỗn hợp theo phần trăm khối lượng: hỗn hợp đầu (aF = 35%); hỗn hợp đỉnh (aP = 98%); hỗn hợp đáy (aw=0,5). Do hạn chế về thời gian, chiều sâu về kiến thức, hạn chế về tài liệu, kinh nghiệm thực tế và nhiều mặt khác nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thiết kế. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến, xem xét và chỉ dẫn thêm của thầy, cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Thu Huyền đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án này! Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 5 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền I. GIỚI THIỆU CHUNG 1.

Giới thiệu chung về quá trình chưng. Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích ly. Ngày nay, phương pháp chưng được sử dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp.

Ở trong đồ án này, ta xét chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử rượu metylic – nước; chúng là sản phẩm thường thấy từ các quá trình lên men trong công nghệ sinh học. Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu cấu tử sản phẩm. Để có thể thu được sản phẩm đỉnh với độ tinh khiết cao ta tiến hành chung luyện nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện. Phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách hỗn hợp gồm hai cấu tử Rượu metylic – Nước, làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.

Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (rượu metylic) và một phần nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (nước). Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (nước) và một phần nhỏ cấu tử dễ bay hơi hơn (rượu metylic).2, Chế độ làm việc của tháp đệm. Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế độ dòng, xoáy hay sủi bọt. Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớn hơn lực ì nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử.

Tăng dần vận tốc đến khi lực ì bằng lực phân tư quá trình chuyển khối được quyết định không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn khuếch tán đối lưu. Chế độ thủy động lúc này chuyển sang chế độ quá độ. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu. Tăng vận tốc khí đến một giới hạn nào đó thì xảy ra hiện tượng đảo pha.

Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 6 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán, tạo bọt. Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha (vận tốc sặc). Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa thì sẽ rất khó đảm bảo quá trình ổn định.

Ở chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng. Vì vậy, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ màng.3, Ưu điểm của tháp đệm. - Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn - Cấu tạo tháp đơn giản - Trở lực trong tháp không lớn lắm - Giới hạn làm việc của tháp tương đối rộng 1.4, Nhược điểm của tháp đệm. - Khó làm ướt đều đệm - Tháp quá cao thì phân phối lỏng không đều 2.

Tổng quan về hỗn hợp chưng. - Công thức phân tử: CH3OH - Khối lượng phân tử: 32,04 g/mol - Màu sắc: Không màu, trong suốt. - Có mùi đặc trưng. - Rất nhẹ và dễ bay hơi.

- Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8 - Tan vô hạn trong nước. - Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa màu xanh và không có khói. - Nhiệt độ sôi: 64,7 °C - Điểm nóng chảy: -97,6 °C - Độ nhớt: 5.9×10−4 Pa s (ở 20oC) - Khối lượng riêng: 0,7918 g/cm3 (ở 20oC) - Dễ cháy nổ: Methanol là chất dễ cháy do đó cần được bảo quản xa nguồn phát lửa, nguồn điện, ánh sáng mặt trời trực tiếp, bảo quản nơi thông thoáng, tránh xa các loại chất oxy hóa, đặt chặt thùng chứa khi không sử dụng. Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 7 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS.

Nguyễn Thị Thu Huyền - Dễ gây ngộ độc: Methanol là chất cực độc, với một lượng nhỏ có thể gây mù mắt, thậm chí có thể gây tử vong khi cơ thể tiếp xúc với lượng nhiều hơn. Do đó tuyệt đối không được uống cồn hoặc dùng cồn thay rượu uống. - Tính chất hóa học: + Tác dụng với kim loại kiềm: 2CH3OH + 2Na → 2CH3ONa + H2 + Tác dụng với axit vô cơ: CH3OH + HBr → CH3Br + H2O + Tác dụng với axit vô cơ và tạo thành este CH3OH + CH3COOH ⇌ CH3COOCH3 + H2O + Tác dụng với ancol: 2CH3OH → CH3-O-CH3 + H2O + Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn: CH3OH + CuO → HCHO + Cu + H2O + Phản ứng đốt cháy: 2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O + Oxy hóa không hoàn toàn và tạo thành andehit formic CH3OH + O2 → HCOOH + H2O - Ứng dụng: + Dung môi Methanol là nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải, tạo metyl tert- butyl ete để pha vào làm tăng tỉ số octan thay cho tetraetyl chì là chất gây ô nhiễm cho môi trường. + Methanol là loại dung môi phổ biến sử dụng trong phòng thí nghiệm, đặc biệt dùng để chạy sắc ký lỏng, nâng cap HPLC, chaỵ phổ UV-VIS.

+ Methanol công nghiệp được dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp. + Ứng dụng làm pin nhiên liệu cung cấp hydrogen. Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 8 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền + Sử dụng phổ biến trong sản xuất fomalin, andehit formic và axit axetic… + Methanol có vai trò quan trọng trong ngành sơn, in ấn, chất chống đông lạnh, làm nhiên liệu cho các bếp lò nhỏ, cung cấp nhiên liệu đông cơ đốt.

- Điều chế: + Sản xuất hóa chất methanol từ khí thiên nhiên - Các giai đoạn của quá trình sẽ diễn ra như sau: + Chuyển khí thiên nhiên để sản xuất khí tổng hợp → Chuyển hóa khí tổng hợp thành methanol thô → Chưng cất methanol thô để tạo ra methanol có độ tinh khiết yêu cầu. CH4 + O2 → CH3OH (xúc tác là Cu ở nhiệt độ 20 độ C,100atm) CO + H2 → CH3OH (có xúc tác và nhiệt độ) + Methanol là sản phẩm phụ của quá trình chưng cất rượu etylic. Methanol chính là phần chất lỏng đầu tiên ngưng tụ được khi nấu rượu theo cách chưng cất truyền thống. + Điều chế methanol từ khí hydro và cacbonic CO2 + H2 → CH3OH + H2O 2.

- Công thức phân tử: H2O - Khối lượng phân tử: 18,015 g/mol - Là chất lỏng, không màu, không mùi - Một số thông số vật lý quan trọng (ở nhiệt độ 20oC): + Khối lượng riêng: 998,2 kg/m3 + Nhiệt dung riêng: 0,99947 cal/kg.độ (ở áp suất khí quyển) + Độ nhớt động lực: 1,002.s/m2 + Nhiệt lượng riêng: 839.10-2 J/kg - Trong công nghiệp hóa học nước được dùng với nhiều mục đích khác nhau, vì vậy các nhà máy hóa chất thường được đặt cạnh những nguồn nước. Có nhiều nguồn nước khác nhau để cung cấp cho nhà máy như là nước trời, nước ngầm và nước bề mặt. Mỗi loại nước sẽ có cách xử lý khác nhau phù hợp với quá trình sản Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 9 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền xuất, chủ yếu với các quá trình chính là lắng, lọc, làm mềm, trung hòa, giải khí độc và sát trùng nước.3, Hỗn hợp rượu metylic – nước.

- Là hỗn hợp dễ cháy nổ, có tính ăn mòn Sinh viên: Vũ Anh Đức – MSSV: 20180668 Trang 10 Đồ án Quá Trình và Thiết bị GVHD: TS. Nguyễn Thị Thu Huyền II. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 1. Sơ đồ công nghệ, chú thích.