Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp chế biến hóa chất và công nghệ thực phẩm, yêu cầu về nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát chất lượng và gia tăng giá trị kinh tế. Đối với hỗn hợp hai cấu tử Axit axetic ($CH_3COOH$) và Nước ($H_2O$), đây là hệ chất lỏng tan lẫn hoàn toàn tạo thành dung dịch đồng thể. Do cả dung môi và chất tan đều có khả năng bay hơi ở các nhiệt độ khác nhau (nhiệt độ sôi của nước là $100^\circ\text{C}$, của axit axetic thuần khiết là $118^\circ\text{C}$ ở áp suất khí quyển), phương pháp chưng cất phân đoạn là giải pháp kỹ thuật tối ưu để phân tách và làm giàu nồng độ axit axetic, vượt trội hơn các phương pháp khác như cô đặc hay hấp thụ. Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị" này giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống chưng cất công nghiệp quy mô vừa nhằm thu hồi axit axetic thương phẩm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể theo các nội dung kỹ thuật sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết chưng cất hệ hai cấu tử, phân tích các tính chất lý hóa của hỗn hợp axit axetic – nước và so sánh lựa chọn thiết bị chưng cất thích hợp.
  2. Xây dựng sơ đồ dây chuyền và quy trình công nghệ chưng cất liên tục hoàn lưu ở áp suất khí quyển.
  3. Tính toán cân bằng vật chất toàn hệ thống, xác định suất lượng dòng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, tỉ số hoàn lưu làm việc, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp.
  4. Tính toán cân bằng nhiệt lượng cho các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ và tháp chưng cất, xác định lưu lượng hơi đốt và nước làm lạnh cần cung cấp.
  5. Thiết kế kích thước công nghệ và thủy lực của tháp chính: xác định đường kính đoạn cất, đường kính đoạn chưng, chiều cao toàn tháp, cấu tạo chi tiết chóp, ống chảy chuyền, kiểm tra ngập lụt và tổng trở lực của pha khí qua tháp.
  6. Tính toán thiết kế cơ khí và độ bền: tính bề dày thân hình trụ, bề dày đáy và nắp elip, tính chọn mặt bích liên kết, kích thước các ống dẫn lưu chất, bu lông đệm kín và xác định tổng khối lượng của toàn bộ tháp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ hỗn hợp hai cấu tử Nước ($H_2O$) và Axit axetic ($CH_3COOH$).
  • Phạm vi thiết kế công nghệ: Hệ thống chưng cất liên tục bằng tháp mâm chóp có ống chảy chuyền hoạt động ở áp suất thường ($760\text{ mmHg}$). Năng suất nhập liệu đạt $G_F = 1900\text{ kg/h}$ với nồng độ nhập liệu là $27%$ khối lượng axit ($73%$ khối lượng nước), nồng độ sản phẩm đáy yêu cầu đạt $82%$ khối lượng axit ($18%$ khối lượng nước), và sản phẩm đỉnh đạt $94%$ khối lượng nước ($6%$ khối lượng axit).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của đồ án dựa trên nguyên lý cân bằng pha lỏng – hơi của dung dịch lý tưởng và thực, các định luật nhiệt động lực học ứng dụng trong truyền khối và truyền nhiệt. Hỗn hợp axit axetic – nước có độ bay hơi tương đối $\alpha > 1$, trong đó nước đóng vai trò là cấu tử dễ bay hơi hơn so với axit axetic. Cân bằng lỏng – hơi của hệ được mô tả thông qua hệ dữ liệu thực nghiệm về đường cong thành phần pha lỏng ($x$), thành phần pha hơi ($y$) và nhiệt độ sôi bão hòa ($T-x-y$) tại áp suất tiêu chuẩn $760\text{ mmHg}$.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng pha và truyền khối: Sử dụng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele để xác định số mâm lý thuyết trên đồ thị $y-x$; xác định số đĩa thực tế thông qua việc hiệu chỉnh hiệu suất trung bình của đĩa ($\eta_{tb}$) theo hàm tương quan giữa độ nhớt chất lỏng ($\mu$) và độ bay hơi tương đối ($\alpha$).
  • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập các hệ phương trình bảo toàn khối lượng toàn phần, bảo toàn cấu tử và bảo toàn entanpi cho từng nút công nghệ (thiết bị gia nhiệt nhập liệu, nồi đun đáy tháp, thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy).
  • Phương pháp tính toán thủy lực học mâm chóp: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán tốc độ giới hạn chống sục bọt, gradient chiều cao mức chất lỏng trên mâm, trở lực cục bộ qua khe chóp, trở lực thủy tĩnh lớp lỏng và kiểm tra điều kiện chống ngập lụt trên ống chảy chuyền.
  • Phương pháp tính toán sức bền cơ học: Dựa trên tiêu chuẩn thiết kế thiết bị chịu áp lực trong ngành hóa chất để tính bề dày thân trụ, nắp, đáy hình elip chịu áp suất trong (bao gồm áp suất dư và áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng) có tính đến hệ số an toàn cơ học và độ ăn mòn kim loại.

Nguồn dữ liệu tra cứu và công thức chuẩn hóa được trích xuất từ:

  • "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1, Tập 2, Tập 3 - Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật).
  • Các bảng số liệu nhiệt động: Bảng I.101 (độ nhớt), Bảng I.249 (nhiệt dung riêng), Bảng I.251 (ẩn nhiệt hóa hơi), Bảng IX.11 (đồ thị tra hiệu suất đĩa), Bảng XIII (thông số cơ khí thép không gỉ X18H10T và thép CT3).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa toàn diện lý thuyết chưng cất phân đoạn, phân biệt bản chất giữa chưng cất và cô đặc (trong chưng cất cả dung môi và chất tan đều bay hơi, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi). Tác giả tiến hành so sánh chi tiết ưu nhược điểm của ba loại thiết bị tiếp xúc pha phổ biến trong công nghiệp hóa chất nhằm đưa ra lựa chọn kỹ thuật tối ưu.

Tiêu chí so sánh Tháp chêm (tháp đệm) Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp
Cấu tạo & Chế tạo Cấu tạo khá đơn giản, xếp đệm ngẫu nhiên hoặc có thứ tự Kết cấu tương đối đơn giản Kết cấu khá phức tạp, tiêu tốn nhiều kim loại
Trở lực pha khí Trở lực thấp Trở lực tương đối thấp Trở lực tương đối lớn
Độ ổn định vận hành Độ ổn định không cao, khó vận hành ở dải tải trọng thay đổi Hiệu suất khá cao, làm việc được với chất lỏng bẩn Độ ổn định rất cao, dải tải trọng làm việc rộng
Khả năng mở rộng Có hiệu ứng thành làm giảm hiệu suất truyền khối khi tăng đường kính Hiệu suất truyền khối cao Làm việc ổn định với hiệu suất cao ngay cả ở đường kính lớn

Dựa trên việc phân tích tính chất ăn mòn và yêu cầu duy trì sự tiếp xúc pha ổn định ở quy mô công nghiệp, tác giả lựa chọn tháp mâm chóp để thực hiện quá trình chưng cất hỗn hợp axit axetic – nước.

Về mặt hóa lý, axit axetic ($M = 60\text{ g/mol}$) có nhiệt độ nóng chảy $16{,}6^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $118^\circ\text{C}$, tan vô hạn trong nước và tạo hiện tượng co thể tích cực đại khi đạt nồng độ $73%$ ($D = 1{,}078\text{ g/ml}$). Axit axetic có tính ăn mòn mạnh đối với sắt thông thường, đồng và chì trong môi trường có oxy, nhưng bị ức chế ăn mòn bởi thiếc và các loại thép hợp kim niken - crom (như X18H10T). Các phản ứng điều chế chính được tổng kết gồm: oxy hóa andehit axetic (xúc tác coban axetat ở $80^\circ\text{C}$ cho hiệu suất $95-98%$), oxy hóa cồn etylic, và tổng hợp từ methanol với carbon monoxide ở $200-500^\circ\text{C}$, áp suất $100-200\text{ atm}$.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương này mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ chưng cất liên tục hệ nước – axit axetic:

  • Dung dịch nguyên liệu ban đầu có nồng độ nước $73%$ khối lượng tại bồn chứa (1) ở nhiệt độ $27^\circ\text{C}$ được bơm (2) đưa lên bồn cao vị (3).
  • Dòng nhập liệu tự chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị đun sôi sơ bộ (5), tại đây hỗn hợp được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến đúng nhiệt độ sôi ($t_F = 100{,}599^\circ\text{C}$) trước khi nạp vào tháp chưng cất (9) tại vị trí đĩa nhập liệu.
  • Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên tiếp xúc ngược dòng với pha lỏng chảy từ trên xuống qua các mâm chóp. Pha lỏng đi xuống phần chưng liên tục bị pha hơi từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi (nước), làm nồng độ axit axetic tăng dần về phía đáy.
  • Pha hơi lên đến đỉnh tháp giàu cấu tử nước ($94%$ khối lượng nước) được dẫn vào thiết bị ngưng tụ hoàn toàn (10). Một phần chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về đĩa trên cùng của tháp theo tỉ số hoàn lưu $R$, phần còn lại đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).
  • Sản phẩm đáy từ đáy tháp đi qua nồi đun đáy (12), một phần hóa hơi hồi lưu vào tháp, phần còn lại có nồng độ axit axetic đạt $82%$ khối lượng được đưa qua thiết bị làm nguội (13) hạ nhiệt độ xuống $42^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa sản phẩm đáy (14).

Chương 3: Cân bằng vật chất

Tác giả thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất toàn phần và theo cấu tử để xác định các dòng công nghệ:

  • Suất lượng nhập liệu: $G_F = 1900\text{ kg/h}$ ($x_F = 0{,}73\text{ pkl} \Rightarrow x_F = 0{,}900123\text{ mol nước/mol hh}$).
  • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $G_D = 1375\text{ kg/h}$ ($x_D = 0{,}94\text{ pkl} \Rightarrow x_D = 0{,}981211\text{ mol nước/mol hh}$).
  • Suất lượng sản phẩm đáy: $G_W = 525\text{ kg/h}$ ($x_W = 0{,}18\text{ pkl} \Rightarrow x_W = 0{,}422535\text{ mol nước/mol hh}$).

Xác định thông số hoàn lưu và phương trình đường làm việc:

  • Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu: $f = 1{,}1698$.
  • Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Từ bảng cân bằng nội suy pha hơi cân bằng tại mâm nạp liệu $y_F^* = 0{,}9300861$, tính được $R_{min} = 1{,}70626$.
  • Tỉ số hoàn lưu làm việc được chọn theo công thức kinh nghiệm $R = 1{,}3 R_{min} + 0{,}3 = 2{,}51814$.
  • Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: $y = 0{,}71576x + 0{,}2789$.
  • Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: $y = 1{,}04826x - 0{,}02039$.

Xác định số mâm:

  • Dựa trên phương pháp đồ thị vẽ các bậc thay đổi nồng độ giữa đường làm việc và đường cân bằng lỏng – hơi, số mâm lý thuyết xác định được là $N_{lt} = 18$ mâm (bao gồm 10 mâm cất, 1 mâm nhập liệu và 7 mâm chưng).
  • Tính toán hiệu suất đĩa trung bình: Dựa trên tích số giữa độ bay hơi tương đối và độ nhớt chất lỏng ($\alpha \cdot \mu$), hiệu suất tại mâm nạp liệu $\eta_F = 0{,}66$, mâm đỉnh $\eta_D = 0{,}64$, mâm đáy $\eta_W = 0{,}46$. Hiệu suất trung bình của tháp đạt $\eta_{tb} = \frac{0{,}66 + 0{,}64 + 0{,}46}{3} = 0{,}587$.
  • Số mâm thực tế của tháp: $N_{tt} = \frac{18}{0{,}587} = 30{,}66 \approx 31$ mâm (gồm 18 mâm cất, 1 mâm nhập liệu và 12 mâm chưng).

Chương 4: Cân bằng nhiệt lượng

Chương này thực hiện cân bằng entanpi cho toàn bộ các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống:

  • Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: Nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào $Q_f = 177687{,}156\text{ kJ/h}$, nhiệt lượng hỗn hợp sau gia nhiệt đạt nhiệt độ sôi ($100{,}599^\circ\text{C}$) mang ra $Q_F = 715009{,}4\text{ kJ/h}$. Với tổn thất nhiệt $5%$, nhiệt lượng hơi nước cung cấp là $Q_{D1} = 565602{,}3\text{ kJ/h}$, tương ứng lượng hơi đốt tiêu thụ ($P_h = 2{,}5\text{ at}$, $r_1 = 2189500\text{ J/kg}$) là $D_1 = 258{,}32\text{ kg/h}$ (lượng hơi tính theo cân bằng riêng của thiết bị đun sôi dòng nhập liệu là $245{,}62\text{ kg/h}$).
  • Cân bằng nhiệt lượng tháp chưng cất: Nhiệt lượng do pha lỏng hoàn lưu mang vào $Q_R = 1425626{,}798\text{ kJ/h}$, nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra $Q_W = 153793{,}474\text{ kJ/h}$, nhiệt lượng do hơi đỉnh tháp mang ra $Q_y = 12388725{,}12\text{ kJ/h}$. Nhiệt lượng cần cấp từ nồi đun đáy tháp là $Q_{D2} = 10949349{,}89\text{ kJ/h}$, tiêu tốn lượng hơi đốt bão hòa $D_2 = 5000{,}845\text{ kg/h}$.
  • Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu đỉnh tháp: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, lượng nước làm mát tiêu hao để ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi đỉnh ($t_1 = 26^\circ\text{C}$, $t_2 = 68^\circ\text{C}$, nhiệt dung riêng trung bình $C_n = 4178\text{ J/kg}\cdot\text{K}$) được tính toán tương ứng với chỉ số hoàn lưu $R = 2{,}51814$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Làm nguội dòng sản phẩm $G_W = 525\text{ kg/h}$ từ $105{,}48^\circ\text{C}$ xuống $42^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát ($26^\circ\text{C} \rightarrow 38^\circ\text{C}$).

Chương 5: Tính toán thiết bị chính

Chương này xác định các thông số kích thước hình học và điều kiện thủy lực hoạt động của tháp:

  • Đường kính tháp ($D$):
    • Đoạn cất: Lưu lượng hơi trung bình $g_{tb} = 5233{,}945\text{ kg/h}$, khối lượng riêng pha hơi $\rho_{HL} = 0{,}653\text{ kg/m}^3$, khối lượng riêng pha lỏng $\rho_{LL} = 958\text{ kg/m}^3$, tốc độ hơi làm việc $\omega_y = 1{,}55352\text{ m/s} \Rightarrow D_{cất} = 1{,}6\text{ m}$.
    • Đoạn chưng: Lưu lượng hơi trung bình $g'{tb} = 10006{,}98\text{ kg/h}$, $\rho{HC} = 1{,}03\text{ kg/m}^3$, $\rho_{LC} = 954{,}53\text{ kg/m}^3$, tốc độ hơi làm việc $\omega'y = 1{,}21768\text{ m/s} \Rightarrow D{chưng} = 1{,}68\text{ m}$.
    • Quy chuẩn: Chọn thống nhất đường kính cho toàn tháp $D = 1{,}8\text{ m}$ ($1800\text{ mm}$).
  • Chiều cao tháp ($H$): Khoảng cách giữa các mâm chọn $H_đ = 0{,}5\text{ m}$, bề dày mâm $0{,}004\text{ m}$, khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy là $0{,}8\text{ m}$. Chiều cao phần thân làm việc: $H = 31 \times (0{,}5 + 0{,}004) + 0{,}8 = 16{,}4\text{ m}$.
  • Cấu tạo chóp và mâm:
    • Đường kính ống dẫn hơi chóp $d_h = 50\text{ mm}$, đường kính chóp $d_{ch} = 74\text{ mm}$, bề dày chóp $\delta_{ch} = 2\text{ mm}$.
    • Chiều cao chóp $h_{ch} = 82{,}5\text{ mm}$, chiều cao ống dẫn hơi $h_{ống hơi} = 70\text{ mm}$.
    • Số lượng chóp bố trí trên một mâm: $n = 148$ chóp, bước chóp tối thiểu $t_{min} = 113\text{ mm}$, số khe hở trên mỗi chóp $i = 12$ khe (kích thước khe $3 \times 10\text{ mm}$).
  • Ống chảy chuyền và đĩa: Ống chảy chuyền hình trụ $z = 1$, đường kính ống $d_c = 160\text{ mm}$, chiều cao gờ chảy tràn $h_w = 28{,}35\text{ mm}$, số lỗ tháo lỏng trên mâm là 12 lỗ ($\phi = 10\text{ mm}$).
  • Kiểm tra thủy lực:
    • Chiều cao lớp lỏng không bọt trên ống chảy chuyền: $h_d = 137{,}753\text{ mm} < 0{,}5 H_{min} = 250\text{ mm}$ $\rightarrow$ tháp hoạt động an toàn, không bị ngập lụt.
    • Kiểm tra khoảng cách rơi tự do trong ống chảy chuyền: $d_{tw} = 70{,}7\text{ mm} < 96\text{ mm}$ $\rightarrow$ chất lỏng chảy êm, không va đập vào thành ống.
    • Tổng trở lực pha hơi qua toàn tháp: $\Delta P = 20559{,}41\text{ N/m}^2 \approx 0{,}2\text{ at}$.
    • Hiệu chỉnh nhiệt độ sôi đáy do tăng áp suất thủy tĩnh và trở lực ($P_{đáy} = 1{,}233\text{ at}$): nhiệt độ sôi đáy tăng lên $t_s = 110{,}8947^\circ\text{C}$, mức sai lệch $\varepsilon = 5{,}13% < 10%$ (nằm trong giới hạn cho phép).

Chương 6: Tính toán cơ khí

Chương này thiết kế kết cấu chịu lực, tính chọn vật liệu và phụ kiện kết nối:

  • Vật liệu chế tạo thân, đáy, nắp: Thép không gỉ hợp kim austenit X18H10T (giới hạn bền kéo $\sigma_k = 550 \times 10^6\text{ N/m}^2$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 220 \times 10^6\text{ N/m}^2$, khối lượng riêng $\rho = 7900\text{ kg/m}^3$).
  • Bề dày thân tháp: Chế tạo theo phương pháp hàn hồ quang điện, áp suất tính toán tại đáy $p = 1{,}15385 \times 10^6\text{ N/m}^2$. Bề dày tối thiểu cộng thêm đại lượng ăn mòn $C = 1{,}6\text{ mm}$ cho ra bề dày thực tế $S = 9{,}45\text{ mm}$, quy chuẩn chọn $S = 9{,}5\text{ mm}$.
  • Bề dày đáy và nắp: Chọn đáy và nắp hình elip tiêu chuẩn có gờ ($h_t = 0{,}25 D_t = 450\text{ mm}$, gờ cao $40\text{ mm}$). Bề dày đáy elip tính toán và quy chuẩn là $S_{đáy} = 12\text{ mm}$; bề dày nắp elip quy chuẩn là $S_{nắp} = 14\text{ mm}$.
  • Mặt bích thân tháp: Chọn loại bích liền không cổ bằng thép CT3 (Kiểu I), đường kính ngoài $D = 1940\text{ mm}$, đường kính tâm bu lông $D_b = 1890\text{ mm}$, sử dụng 40 bu lông M20. Tháp chia thành 4 đoạn thân nối với nhau bằng 5 cặp mặt bích.
  • Kích thước ống dẫn và bích nối phụ:
    • Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ: $D_y = 250\text{ mm}$, $D_n = 273\text{ mm}$, bu lông $12 \times \text{M}16$.
    • Ống dẫn hoàn lưu, nhập liệu, hơi từ nồi đun vào đáy: $D_y = 80\text{ mm}$, $D_n = 89\text{ mm}$, bu lông $4 \times \text{M}16$.
    • Ống dẫn dòng sản phẩm đáy: $D_y = 32\text{ mm}$, $D_n = 38\text{ mm}$, bu lông $4 \times \text{M}12$.
  • Khối lượng tổng thể của tháp: Tổng hợp khối lượng nắp đáy ($728{,}75\text{ kg}$), thân tháp ($6960{,}12\text{ kg}$), 31 mâm ($1778{,}17\text{ kg}$), chóp ($1562{,}91\text{ kg}$), ống hơi ($797{,}07\text{ kg}$), gờ tràn ($113{,}25\text{ kg}$), bích nối và khối lượng dung dịch lỏng hoạt động trong tháp ($1754\text{ kg}$) cho tổng khối lượng toàn bộ tháp là $M_{tháp} = 14145{,}2\text{ kg}$ ($\approx 14{,}15\text{ tấn}$).

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng chính của hệ thống thiết kế

Hệ thống chưng cất tháp mâm chóp đã được thiết kế hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật then chốt:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Quy cách Giá trị định lượng Đơn vị
Năng suất nhập liệu $G_F$ 1900 kg/h
Suất lượng sản phẩm đỉnh $G_D$ 1375 kg/h
Suất lượng sản phẩm đáy $G_W$ 525 kg/h
Nồng độ sản phẩm đáy $x_{W, acid}$ 82 % khối lượng
Nồng độ sản phẩm đỉnh $x_{D, nước}$ 94 % khối lượng
Tỉ số hoàn lưu làm việc $R$ 2,51814 -
Số mâm lý thuyết $N_{lt}$ 18 mâm
Hiệu suất đĩa trung bình $\eta_{tb}$ 58,7 %
Số mâm thực tế $N_{tt}$ 31 (18 cất, 1 nhập liệu, 12 chưng) mâm
Đường kính trong của tháp $D_t$ 1,8 (1800) m (mm)
Chiều cao toàn tháp $H$ 16,4 m
Số chóp trên một mâm $n$ 148 chóp/mâm
Trở lực toàn tháp $\Delta P$ 20559,41 (0,2) $\text{N/m}^2$ (at)
Nhiệt lượng cấp đáy tháp $Q_{D2}$ 10949349,89 kJ/h
Bề dày thân / đáy / nắp $S$ / $S_{đáy}$ / $S_{nắp}$ 9,5 / 12 / 14 mm
Tổng khối lượng thiết bị $M_{tháp}$ 14145,2 kg

Giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất

  • Lựa chọn vật liệu chuyên dụng: Đề xuất sử dụng toàn bộ thép không gỉ X18H10T cho các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng và pha hơi axit axetic ở nhiệt độ cao (thân tháp, đĩa mâm, nắp, đáy, chóp, ống dẫn hơi), đảm bảo khả năng kháng ăn mòn hóa học và kéo dài tuổi thọ công trình.
  • Tối ưu hóa kết cấu cơ khí: Thân tháp cao $16{,}4\text{ m}$ được chia thành 4 phân đoạn ghép bích liền không cổ (thép CT3), giúp thuận tiện cho quá trình gia công, vận chuyển đường bộ và lắp dựng tại nhà máy.
  • Đảm bảo chế độ thủy lực an toàn: Thiết kế mâm chóp có ống chảy chuyền được kiểm chứng thông qua các bất đẳng thức chống ngập lụt ($h_d = 137{,}75\text{ mm} < 250\text{ mm}$) và kiểm tra ổn định mâm ($E \cdot (h_{fv} + h_s) = 20{,}25\text{ mm} > \Delta = 18{,}7\text{ mm}$).

Đóng góp về mặt kỹ thuật

  • Cung cấp một bộ hồ sơ tính toán công nghệ và cơ khí chuẩn xác, hoàn chỉnh cho hệ thống phân tách hỗn hợp axit axetic – nước có tính phi lý tưởng và độ nhớt thay đổi đáng kể theo chiều cao tháp.
  • Xác lập phương pháp liên kết giữa tính toán nhiệt động học, động học truyền khối và kiểm tra độ bền cơ học thực tế theo tiêu chuẩn sổ tay kỹ thuật thiết bị hóa chất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong các giả thiết tính toán:

    • Quá trình cân bằng vật chất sử dụng giả thiết lưu lượng mol của các dòng pha không đổi dọc theo từng đoạn tháp ($L/V = \text{const}$), trong khi thực tế nhiệt hóa hơi của hỗn hợp nước - axit axetic biến thiên nhẹ theo nồng độ mâm.
    • Hiệu suất mâm trung bình được lấy theo trung bình cộng giản đơn của 3 vị trí (đỉnh, nạp liệu, đáy) mà chưa xét đến sự biến thiên phi tuyến tính của hiệu suất đĩa trên toàn bộ 31 mâm.
    • Chưa tích hợp tính toán mạng lưới trao đổi nhiệt (Pinch Technology) để tận dụng nhiệt dư của dòng sản phẩm đáy nhằm gia nhiệt cho dòng nhập liệu, giúp tiết kiệm hơi đốt $D_1$.

  • Hướng phát triển và mở rộng:

    • Ứng dụng các mô hình nhiệt động phi lý tưởng nâng cao (như NRTL, UNIQUAC) để mô phỏng chính xác hơn hiện tượng liên hợp phân tử trong pha hơi của axit axetic.
    • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa (PID/DCS) cho vòng lặp điều khiển mức chất lỏng đáy tháp và tỉ số hoàn lưu đỉnh để duy trì độ tinh khiết sản phẩm khi tải trọng đầu vào biến động.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng cao cho:

  • Sinh viên và giảng viên các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Môi trường và Kỹ thuật Nhiệt - Năng lượng đang thực hiện đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị", đồ án tốt nghiệp chuyên ngành kỹ thuật công nghệ.
  • Các phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật:
    • Chương 3 & 4: Cung cấp phương pháp chi tiết, từng bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng entanpi và nội suy thông số nhiệt động phức tạp của hệ hai cấu tử có nhiệt dung và ẩn nhiệt biến thiên theo nhiệt độ.
    • Chương 5: Cung cấp thuật toán và công thức tính toán chi tiết kích thước chóp, khe chóp, ống chảy chuyền và quy trình kiểm tra thủy lực chống ngập lụt cho tháp mâm chóp.
    • Chương 6: Cung cấp bảng tra cứu kích thước cơ khí thực tế, phương pháp tính bề dày thân đáy nắp chịu áp lực trong và phương pháp lập bảng tổng hợp khối lượng cơ khí toàn tháp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn tháp mâm chóp thay vì tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ?
Trả lời: Mặc dù tháp mâm chóp có cấu tạo phức tạp và trở lực lớn hơn tháp đệm, nhưng nó có ưu điểm vượt trội là độ ổn định vận hành rất cao, dải tải trọng làm việc rộng và duy trì được hiệu suất tiếp xúc pha cao ngay cả khi đường kính tháp lớn ($1{,}8\text{ m}$), loại bỏ hoàn toàn hiện tượng hiệu ứng thành (chất lỏng chảy dồn về thành tháp làm giảm hiệu suất) thường gặp ở tháp chêm.

2. Năng suất và chất lượng các dòng sản phẩm thu được sau quá trình chưng cất là bao nhiêu?
Trả lời: Với năng suất nạp liệu $1900\text{ kg/h}$ ($27%$ axit, $73%$ nước), hệ thống thu được dòng sản phẩm đỉnh có lưu lượng $1375\text{ kg/h}$ với nồng độ nước đạt $94%$ (thải bỏ/thu hồi nước) và dòng sản phẩm đáy có lưu lượng $525\text{ kg/h}$ với nồng độ axit axetic được làm giàu lên tới $82%$ khối lượng (đạt tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra).

3. Tỉ số hoàn lưu làm việc và số mâm thực tế của tháp được xác định như thế nào?
Trả lời: Dựa trên cân bằng pha lỏng - hơi, tỉ số hoàn lưu tối thiểu xác định được là $R_{min} = 1{,}70626$, từ đó chọn tỉ số hoàn lưu làm việc $R = 1{,}3 R_{min} + 0{,}3 = 2{,}51814$. Số mâm lý thuyết xác định qua đồ thị McCabe-Thiele là 18 mâm. Với hiệu suất trung bình toàn tháp $\eta_{tb} = 0{,}587$, số mâm thực tế được tính là 31 mâm (gồm 18 mâm cất, 1 mâm nạp liệu và 12 mâm chưng).

4. Tổng trở lực pha khí qua tháp là bao nhiêu và ảnh hưởng như thế nào đến nhiệt độ sôi ở đáy tháp?
Trả lời: Tổng trở lực toàn tháp qua 31 mâm thực tế là $\Delta P = 20559{,}41\text{ N/m}^2 \approx 0{,}2\text{ at}$. Áp suất tăng thêm này làm áp suất tuyệt đối ở đáy tháp đạt $1{,}233\text{ at}$, khiến nhiệt độ sôi của hỗn hợp đáy tăng từ $105{,}48^\circ\text{C}$ lên $110{,}89^\circ\text{C}$ (mức sai số tương đối $\varepsilon = 5{,}13% < 10%$, nằm trong giới hạn tính toán cho phép).

5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân tháp và chiều dày thực tế là bao nhiêu?
Trả lời: Vật liệu được chọn là thép không gỉ hợp kim X18H10T có khả năng kháng ăn mòn hóa học cao đối với axit axetic. Chiều dày thân tháp hình trụ được tính toán theo điều kiện chịu áp suất trong kết hợp đại lượng bổ sung ăn mòn $C = 1{,}6\text{ mm}$, cho ra bề dày quy chuẩn là $S = 9{,}5\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm chóp liên tục để tách hệ Axit axetic – Nước với năng suất nạp liệu $1900\text{ kg/h}$, nâng nồng độ sản phẩm đáy lên $82%$ khối lượng axit axetic. Bản thiết kế đã xác định chính xác các thông số kích thước cơ bản gồm tháp đường kính $1{,}8\text{ m}$, chiều cao $16{,}4\text{ m}$ chứa 31 mâm chóp làm việc an toàn ở chế độ thủy lực không ngập lụt. Toàn bộ kết cấu cơ khí, độ dày thân đáy nắp và phụ kiện kết nối đều được tính toán tối ưu bằng vật liệu thép không gỉ X18H10T, tạo nên một giải pháp công nghệ khả thi và có độ tin cậy cao cho sản xuất công nghiệp.