Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, acid acetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$) là một hợp chất hữu cơ quan trọng, được ứng dụng rộng rãi làm nguyên liệu tổng hợp monome vinyl acetate, acetic anhydride, ester, dung môi tinh chế và sản xuất giấm ăn. Hỗn hợp acid acetic – nước thường phát sinh trong nhiều quy trình sản xuất hữu cơ và đòi hỏi quá trình phân tách để thu hồi acid tinh khiết hoặc xử lý dòng thải. Chưng cất là phương pháp nhiệt cơ bản nhằm phân tách các cấu tử dựa trên độ bay hơi tương đối và độ chênh lệch nhiệt độ sôi giữa nước ($100^\circ\text{C}$) và acid acetic ($118^\circ\text{C}$).
Đồ án môn học "Thiết kế máy và thiết bị" (mã môn học: PWPD322703) do sinh viên Hồ Nguyễn Minh Quang và Ao Văn Đức Thành thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Văn Hưng tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (năm học 2022 – 2023) tập trung giải quyết nhiệm vụ thiết kế một hệ thống chưng cất liên tục hoàn chỉnh cho hỗn hợp hai cấu tử này.
Nhiệm vụ thiết kế đặt ra các yêu cầu kỹ thuật và số liệu ban đầu cụ thể như sau:
- Năng suất dòng nhập liệu ($F$): $1700\text{ kg/h}$.
- Nồng độ cấu tử nước trong dòng nhập liệu ($x_F$): $36%$ phần mol (tương đương $14{,}4%$ phần khối lượng).
- Nồng độ cấu tử nước trong sản phẩm đỉnh ($x_D$): $91%$ phần mol (tương đương $75{,}2%$ phần khối lượng).
- Nồng độ cấu tử nước trong sản phẩm đáy ($x_W$): $10%$ phần mol (tương đương $3{,}2%$ phần khối lượng).
- Trạng thái nhiệt dòng nhập liệu: Trạng thái lỏng sôi ở áp suất làm việc khí quyển ($1\text{ atm}$).
- Loại thiết bị chính: Tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ dung dịch nhị phân Nước – Acid Acetic và hệ thống thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán toàn diện từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán thủy lực học và kết cấu cơ khí của tháp chưng cất chính, cho đến tính chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, bồn cao vị) cùng hệ thống bản vẽ kỹ thuật (bản vẽ quy trình công nghệ khổ A1/A3 và bản vẽ thiết bị chính khổ A1/A3).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Hệ thống tính toán trong đồ án dựa trên lý thuyết truyền khối và các quy chuẩn kỹ thuật của ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học:
- Cơ sở nhiệt động học và cân bằng pha: Đồ án sử dụng số liệu cân bằng lỏng – hơi của hệ Nước – Acid Acetic ở áp suất khí quyển. Dữ liệu này cung cấp quan hệ giữa thành phần pha lỏng ($x$), thành phần pha hơi ($y$) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp ($t$), trải dài từ $100^\circ\text{C}$ (nước nguyên chất) đến $118^\circ\text{C}$ (acid acetic nguyên chất).
- Phương pháp xác định số đĩa lý thuyết: Áp dụng phương pháp đồ thị McCabe – Thiele trên giản đồ $x-y$. Bằng việc nội suy dữ liệu cân bằng, tác giả xác định tọa độ cân bằng của dòng nhập liệu ($y^*F$), từ đó tính tỷ số hoàn lưu tối thiểu ($R{min}$), lựa chọn tỷ số hoàn lưu làm việc ($R$) và dựng các đường làm việc cho đoạn cất và đoạn chưng.
- Phương pháp xác định hiệu suất mâm: Dựa trên tương quan thực nghiệm giữa hiệu suất mâm ($\eta$) với tích số giữa độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt của hỗn hợp lỏng ($\mu_{hh}$) theo tương quan O'Connell, tra cứu tại các vị trí mâm đỉnh, mâm nhập liệu và mâm đáy để suy ra số mâm thực tế.
- Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng tổng thể, khối lượng từng cấu tử và phương trình bảo toàn nhiệt lượng cho toàn tháp cũng như từng thiết bị trao đổi nhiệt riêng biệt.
- Phương pháp tính toán cơ khí và thủy lực: Áp dụng các công thức chuẩn từ giáo trình Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2) để tính vận tốc dòng hơi giới hạn, đường kính tháp, trở lực mâm khô, trở lực thủy tĩnh, kiểm tra hiện tượng ngập lụt, tính chiều dày thân tháp chịu áp suất làm việc, bề dày lớp cách nhiệt, thiết kế bích ghép và kết cấu đỡ tháp (chân đỡ, tai treo).
- Nguồn dữ liệu: Các thông số nhiệt vật lý như nhiệt dung riêng ($c$), nhiệt hóa hơi ($r$), khối lượng riêng ($\rho$), độ nhớt ($\mu$) của nước và acid acetic được tra cứu chính xác theo nhiệt độ từ các bảng số liệu thực nghiệm trong tài liệu chuyên ngành.
Thiết kế quy trình và tính toán kỹ thuật
Quy trình công nghệ chưng cất hệ Nước – Acid Acetic được thiết kế vận hành liên tục với các thiết bị kết nối theo chu trình khép kín:
| Ký hiệu | Tên thiết bị | Chức năng công nghệ trong hệ thống |
|---|---|---|
| V-101 | Bồn chứa nhập liệu | Chứa dung dịch hỗn hợp Nước – Acid Acetic ban đầu ở $27^\circ\text{C}$ |
| P-101 A/B | Bơm ly tâm nhập liệu | Bơm dung dịch từ bồn chứa nguyên liệu lên bồn cao vị |
| V-102 | Bồn cao vị | Ổn định lưu lượng và tạo cột áp tĩnh đưa dòng liệu vào hệ thống |
| E-101 | Thiết bị gia nhiệt nhập liệu | Gia nhiệt dòng hỗn hợp từ $27^\circ\text{C}$ lên trạng thái sôi ở $106{,}8^\circ\text{C}$ |
| T-101 | Tháp chưng cất | Tháp mâm xuyên lỗ thực hiện quá trình truyền khối giữa pha lỏng và hơi |
| E-102 | Thiết bị ngưng tụ đỉnh | Ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi đỉnh chứa chủ yếu là nước |
| E-103 | Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh | Hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh từ $100{,}54^\circ\text{C}$ xuống $30^\circ\text{C}$ |
| V-104 | Bồn chứa sản phẩm đỉnh | Lưu trữ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội |
| E-104 | Nồi đun Kettle | Cung cấp nhiệt ở đáy tháp, hóa hơi một phần dòng lỏng đáy tuần hoàn lại tháp |
| E-105 | Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy | Hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đáy giàu acid acetic trước khi lưu kho |
| V-103 | Bồn chứa sản phẩm đáy | Lưu trữ sản phẩm đáy |
Nguyên lý vận hành: Hỗn hợp nguyên liệu ($36%$ mol nước, nhiệt độ $27^\circ\text{C}$) từ bồn V-101 được bơm P-101 chuyển lên bồn cao vị V-102, chảy qua thiết bị gia nhiệt E-101 để nâng nhiệt độ lên $106{,}8^\circ\text{C}$ trước khi vào mâm nhập liệu (mâm số 10) của tháp T-101. Trong tháp, dòng lỏng chảy từ trên xuống tiếp xúc trực tiếp với dòng hơi đi từ dưới lên qua các lỗ mâm. Cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn (nước) bay hơi đi lên đỉnh, cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn (acid acetic) ngưng tụ chảy xuống đáy.
Hơi đỉnh ra khỏi tháp được ngưng tụ hoàn toàn tại E-102: một phần được hồi lưu về đỉnh tháp với tỷ số hồi lưu $R = 4{,}59$ nhằm duy trì nồng độ làm việc, phần còn lại qua thiết bị làm nguội E-103 về bồn V-104. Dòng lỏng ở đáy tháp đi vào nồi đun E-104; lượng hơi sinh ra hồi lưu về đáy tháp để cấp nhiệt, dòng lỏng còn lại chứa $90%$ mol acid acetic được làm nguội qua E-105 rồi dẫn về bồn chứa V-103.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về các cấu tử trong hệ chưng cất. Về Acid Acetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$, $M = 60{,}052\text{ g/mol}$), tác giả nêu rõ các tính chất vật lý (nhiệt độ sôi $118^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $16{,}6^\circ\text{C}$, độ nhớt ở $20^\circ\text{C}$ là $1{,}21 \times 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$, khối lượng riêng $1{,}049\text{ g/cm}^3$), tính chất hóa học và các phương pháp sản xuất công nghiệp chính (carbonyl hóa methanol, oxy hóa acetaldehyde).
Về Nước ($\text{H}_2\text{O}$, $M = 18\text{ g/mol}$), tác giả trình bày tính chất lưỡng tính, liên kết hydro, khả năng hòa tan và các hằng số vật lý chuẩn ($t_s = 100^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $1\text{ g/ml}$).
Tiểu mục phương pháp chưng cất phân tích các cách phân loại theo áp suất, nguyên lý vận hành và phương thức cấp nhiệt; đồng thời so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa ba loại thiết bị: tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp. Tháp mâm xuyên lỗ được lựa chọn nhờ ưu thế trở lực thấp hơn tháp mâm chóp, hiệu suất truyền khối cao, kết cấu chế tạo đơn giản và chi phí vật tư hợp lý hơn so với tháp chóp khi xử lý hệ dung dịch sạch.
Chương 2: Thuyết minh quy trình
Nội dung chương này mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ, chức năng từng thiết bị trong dây chuyền (từ V-101 đến V-104, E-101 đến E-105, P-101 A/B và tháp T-101) và đường đi của các dòng lưu chất. Thuyết minh nêu rõ cơ chế trao đổi nhiệt – khối trên các đĩa mâm xuyên lỗ, giải thích sự phân tách của dòng hơi giàu nước đi lên và dòng lỏng giàu acid acetic đi xuống dưới tác dụng của gradient nhiệt độ và nồng độ dọc theo chiều cao tháp.
Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng
Chương 3 là phần tính toán công nghệ cốt lõi của đồ án:
- Cân bằng vật chất: Với năng suất nhập liệu $1700\text{ kg/h}$ ($M_{tb,F} = 44{,}88\text{ kg/kmol} \rightarrow F = 37{,}88\text{ kmol/h}$), hệ phương trình bảo toàn cho ra suất lượng sản phẩm đỉnh $D = 12{,}16\text{ kmol/h}$ ($264{,}84\text{ kg/h}$) và sản phẩm đáy $W = 25{,}72\text{ kmol/h}$ ($1435{,}18\text{ kg/h}$).
- Xác định chỉ số hoàn lưu và số mâm lý thuyết: Bằng phương pháp nội suy từ bảng cân bằng lỏng – hơi, xác định $y^*F = 0{,}488$, tính được $R{min} = 3{,}3$ và chọn tỷ số hoàn lưu làm việc $R = 4{,}59$. Từ đồ thị McCabe – Thiele, đồ án xác định được 15 mâm lý thuyết (9 mâm cất, 5 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu tại vị trí số 10).
- Xác định số mâm thực tế: Tác giả tính toán tích số giữa độ bay hơi tương đối $\alpha$ và độ nhớt $\mu_{hh}$ tại ba vị trí đặc trưng:
- Mâm nhập liệu ($t_F = 106{,}8^\circ\text{C}$): $\alpha = 1{,}69$, $\mu_{hh} = 0{,}37\text{ cP} \rightarrow \alpha \cdot \mu_{hh} = 0{,}62 \rightarrow \eta_F = 56%$.
- Mâm đỉnh ($t_D = 100{,}54^\circ\text{C}$): $\alpha = 1{,}47$, $\mu_{hh} = 0{,}29\text{ cP} \rightarrow \alpha \cdot \mu_{hh} = 0{,}43 \rightarrow \eta_D = 62%$.
- Mâm đáy ($t_W = 114^\circ\text{C}$): $\alpha = 1{,}80$, $\mu_{hh} = 0{,}43\text{ cP} \rightarrow \alpha \cdot \mu_{hh} = 0{,}77 \rightarrow \eta_W = 53%$.
- Hiệu suất trung bình đạt $\eta_{tb} = 57%$. Kết quả quy đổi được 16 mâm cất thực tế và 9 mâm chưng thực tế, tổng số mâm thực tế của tháp là 26 mâm.
- Cân bằng năng lượng: Thiết lập phương trình enthalpy với các giá trị nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi tra cứu chi tiết, tính toán lượng nhiệt tiêu tốn và lượng tác nhân làm mát/gia nhiệt cho toàn bộ hệ thống.
Chương 4: Tính toán thiết bị chính
Chương 4 tập trung tính toán kích thước công nghệ và độ bền cơ khí của tháp chưng cất:
- Đường kính tháp ($D_t$): Tính toán riêng biệt cho đoạn cất và đoạn chưng dựa trên lưu lượng hơi trung bình ($g_{tb}$), khối lượng riêng trung bình pha hơi ($\rho_y$), pha lỏng ($\rho_x$) và vận tốc hơi giới hạn qua mâm có ống chảy chuyền.
- Thủy lực mâm xuyên lỗ: Thiết kế cấu tạo mâm lỗ (đường kính lỗ, bước lỗ, diện tích gờ chảy tràn, diện tích ống chảy chuyền), tính toán độ giảm áp của pha khí qua mâm khô, độ giảm áp do sức căng bề mặt, chiều cao lớp chất lỏng trên mâm và kiểm tra điều kiện chống ngập lụt khi tháp vận hành ở tải trọng định mức.
- Tính toán cơ khí: Tính chiều dày thân tháp hình trụ chịu áp suất trong, tính toán chiều cao tổng thể tháp (khoảng cách giữa các mâm, khoảng không đỉnh và đáy tháp), chọn loại đáy và nắp elip tiêu chuẩn, tính toán bích ghép thân – đáy – nắp, tính đường kính các ống dẫn lưu chất (ống nhập liệu, ống hơi đỉnh, ống hồi lưu, ống hơi đáy, ống tháo đáy), tính toán chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt và kết cấu cụm chân đỡ/tai treo dựa trên tải trọng toàn tháp.
Chương 5: Tính và chọn thiết bị phụ
Chương 5 hoàn thiện các tính toán kỹ thuật cho các thiết bị ngoại vi:
- Thiết bị truyền nhiệt: Tính toán diện tích bề mặt truyền nhiệt ($F$), hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$), hiệu số nhiệt độ hữu ích ($\Delta t_{log}$) và kết cấu chi tiết cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh E-102, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh E-103, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu E-101, nồi đun Kettle E-104 và thiết bị làm nguội sản phẩm đáy E-105.
- Hệ thống thủy lực và bơm: Tính toán tổn thất áp lực trên toàn bộ đường ống dẫn dung dịch, trở lực cục bộ qua thiết bị gia nhiệt, xác định chiều cao lắp đặt bồn cao vị V-102 và công suất bơm nhập liệu P-101 A/B.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án đã giải quyết đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra, cung cấp hệ thống số liệu cân bằng vật chất và năng lượng rõ ràng:
| Hạng mục thông số | Đại lượng / Tác nhân | Giá trị tính toán | Đơn vị |
|---|---|---|---|
| Suất lượng dòng nhập liệu ($F$) | Dung dịch ($36%$ mol nước) | $1700{,}00$ | $\text{kg/h}$ |
| Suất lượng sản phẩm đỉnh ($D$) | Dung dịch ($91%$ mol nước) | $264{,}84$ | $\text{kg/h}$ |
| Suất lượng sản phẩm đáy ($W$) | Dung dịch ($10%$ mol nước) | $1435{,}18$ | $\text{kg/h}$ |
| Tỷ số hoàn lưu tối thiểu ($R_{min}$) | Tính theo cân bằng lỏng – hơi | $3{,}30$ | — |
| Tỷ số hoàn lưu làm việc ($R$) | Tỷ số vận hành thực tế | $4{,}59$ | — |
| Số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) | 9 mâm cất, 5 mâm chưng, 1 tiếp liệu | $15$ | mâm |
| Hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) | Trung bình cộng các vùng tháp | $57$ | $%$ |
| Số mâm thực tế ($N_{tt}$) | 16 mâm cất, 9 mâm chưng, 1 tiếp liệu | $26$ | mâm |
| Nhiệt lượng đun nóng đáy tháp ($Q_Đ$) | Hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ | $2{,}82 \times 10^6$ | $\text{kJ/h}$ |
| Lượng nước cấp nhiệt đáy | Hơi nước ngưng tụ | $1{,}27$ | $\text{m}^3\text{/h}$ |
| Nhiệt lượng ngưng tụ đỉnh ($Q_{nt}$) | Nước làm mát ($30 \rightarrow 40^\circ\text{C}$) | $2{,}66 \times 10^6$ | $\text{kJ/h}$ |
| Lưu lượng nước ngưng tụ đỉnh | Nước làm mát | $63{,}67$ | $\text{m}^3\text{/h}$ |
| Nhiệt lượng gia nhiệt nhập liệu ($Q_F$) | Đun sôi dòng liệu ($27 \rightarrow 106{,}8^\circ\text{C}$) | $170{,}93 \times 10^3$ | $\text{kJ/h}$ |
| Lượng hơi đốt gia nhiệt nhập liệu | Hơi nước bão hòa | $81{,}49$ | $\text{kg/h}$ |
| Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnh | Nước làm mát ($30 \rightarrow 40^\circ\text{C}$) | $69{,}12 \times 10^3$ | $\text{kJ/h}$ |
| Nước làm nguội sản phẩm đỉnh | Nước làm mát | $1{,}60$ | $\text{m}^3\text{/h}$ |
Đồ án đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể:
- Chọn cấu tử lỏng nhập liệu ở trạng thái sôi ($t_F = 106{,}8^\circ\text{C}$) giúp quá trình chuyển khối trên đĩa tiếp liệu diễn ra ổn định, giảm dao động nhiệt động trong thân tháp.
- Lựa chọn thiết bị ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn đặt trên cao kết hợp van chia dòng hồi lưu giúp chủ động điều chỉnh tỷ số hoàn lưu thực tế ($R = 4{,}59$).
- Sử dụng nồi đun Kettle ở đáy tháp đảm bảo bề mặt truyền nhiệt ngập hoàn toàn trong chất lỏng, tạo dòng hơi hồi lưu đáy tháp liên tục và ổn định.
Đóng góp chính của đồ án là hoàn thiện một bộ hồ sơ tính toán công nghệ và cơ khí hoàn chỉnh cho hệ thống phân tách dung dịch phân cực mạnh có độ chênh lệch nhiệt độ sôi trung bình ($18^\circ\text{C}$), cung cấp căn cứ dữ liệu phục vụ thiết kế chi tiết và triển khai bản vẽ cơ khí chế tạo.
Hạn chế và phạm vi nghiên cứu tiếp theo
Dựa trên nội dung thuyết minh và phạm vi nghiên cứu được giao, đồ án có một số giới hạn kỹ thuật:
- Tính toán công nghệ dựa trên phương pháp giải tích và đồ thị giải tích truyền thống theo các công thức bán thực nghiệm từ Sổ tay Quá trình & Thiết bị, chưa kết hợp mô phỏng kiểm chứng trên các phần mềm nhiệt động chuyên dụng như Aspen Plus, ChemCAD hoặc HYSYS để đánh giá sự sai lệch phi lý tưởng (non-ideal behavior) của hệ acid acetic – nước ở các nồng độ biên.
- Tính toán cơ khí và truyền nhiệt dựa trên giả định chế độ làm việc ổn định ở trạng thái tĩnh (steady-state), chưa phân tích động học hệ thống khi có biến thiên phụ tải nguyên liệu đầu vào hoặc biến thiên nhiệt độ tác nhân lạnh theo mùa.
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo bao gồm:
- Ứng dụng công cụ mô phỏng số để tối ưu hóa tỷ số hoàn lưu tối ưu về mặt chi phí vận hành (chi phí nhiệt đun và nước làm mát) so với chi phí đầu tư thiết bị.
- Nghiên cứu giải pháp tích hợp nhiệt (Heat Integration / Pinch Analysis), ví dụ tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm đáy ($114^\circ\text{C}$) hoặc dòng hơi đỉnh ($100{,}54^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu ($27^\circ\text{C}$), từ đó giảm tiêu hao hơi đốt tại thiết bị gia nhiệt E-101.
- Mở rộng thiết kế chi tiết vòng điều khiển tự động hóa P&ID cho các thông số áp suất đỉnh, mức lỏng đáy và nhiệt độ mâm kiểm soát nồng độ.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên thuộc các chuyên ngành:
- Kỹ thuật Hóa học: Tham khảo quy trình thiết kế đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (môn học Thiết kế Máy & Thiết bị), nắm vững các bước cân bằng vật chất – năng lượng, vẽ giản đồ McCabe – Thiele cho hệ nhị phân và tra cứu tính chất nhiệt động của hỗn hợp acid hữu cơ.
- Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường: Tham khảo phương pháp tính toán thiết kế thiết bị phân tách dung dịch hữu cơ, thu hồi dung môi và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt chùm ống, nồi đun Kettle.
Các phần nội dung có giá trị sử dụng cao gồm:
- Chuỗi thuật toán xác định hiệu suất mâm theo tương quan độ bay hơi tương đối và độ nhớt ($\alpha \cdot \mu_{hh}$).
- Phương pháp luận phân chia và tính toán thủy lực riêng biệt cho đoạn cất và đoạn chưng của tháp mâm xuyên lỗ.
- Các bảng biểu tổng hợp thông số bích ghép tiêu chuẩn, kích thước ống dẫn và tính chọn lớp cách nhiệt theo tiêu chuẩn thiết kế cơ khí hóa chất.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lại lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp đệm (tháp chêm) hay tháp mâm chóp cho hệ Nước – Acid Acetic?
Theo phân tích tại Chương 1, hệ Nước – Acid Acetic là hệ dung dịch lỏng sạch, không có cặn bẩn ăn mòn bám dính lớn. Tháp mâm xuyên lỗ có trở lực pha khí tương đối thấp, hiệu suất truyền khối cao, kết cấu chế tạo đơn giản và chi phí vật tư thấp hơn nhiều so với tháp mâm chóp. So với tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ khắc phục được hiện tượng "hiệu ứng thành" khi tăng công suất và cho độ ổn định vận hành cao hơn.
2. Nhiệt độ và trạng thái pha của dòng nhập liệu vào tháp được chọn như thế nào?
Dòng nhập liệu có nồng độ $36%$ phần mol nước được gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu $27^\circ\text{C}$ lên trạng thái lỏng sôi ở nhiệt độ $106{,}8^\circ\text{C}$ trước khi đưa vào mâm nhập liệu (mâm số 10). Trạng thái lỏng sôi giúp đường nhập liệu trên đồ thị McCabe – Thiele là đường thẳng đứng ($q = 1$), đơn giản hóa quá trình chuyển khối và giữ ổn định dòng lỏng chảy xuống đoạn chưng.
3. Tỷ số hoàn lưu làm việc $R$ được xác định ra sao và có giá trị bằng bao nhiêu?
Từ số liệu cân bằng lỏng – hơi nội suy được $y^*F = 0{,}488$, tác giả xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu $R{min} = (0{,}91 - 0{,}488)/(0{,}488 - 0{,}36) = 3{,}3$. Sau khi tính toán tối ưu hóa kỹ thuật, tỷ số hoàn lưu làm việc được chọn là $R = 4{,}59$.
4. Từ số mâm lý thuyết là 15 mâm, tác giả đã tính toán để quy đổi thành 26 mâm thực tế như thế nào?
Tác giả tra cứu hiệu suất mâm dựa trên tích số giữa độ bay hơi tương đối $\alpha$ và độ nhớt $\mu_{hh}$ tại ba vị trí: mâm nhập liệu ($\eta_F = 56%$), mâm đỉnh ($\eta_D = 62%$) và mâm đáy ($\eta_W = 53%$). Hiệu suất trung bình của tháp là $\eta_{tb} = (56 + 62 + 53)/3 = 57%$. Số mâm cất thực tế được tính bằng $9 / 0{,}57 = 15{,}8$ (chọn 16 mâm), số mâm chưng thực tế là $5 / 0{,}57 = 8{,}8$ (chọn 9 mâm), cộng với 1 mâm nhập liệu tạo thành tổng số 26 mâm thực tế.
5. Nhu cầu năng lượng và tác nhân giải nhiệt lớn nhất của hệ thống nằm ở những thiết bị nào?
Nhu cầu cấp nhiệt lớn nhất là tại đáy tháp chưng cất (nồi đun Kettle) với $Q_Đ = 2{,}82 \times 10^6\text{ kJ/h}$, tiêu tốn $1{,}27\text{ m}^3\text{/h}$ nước ngưng (từ hơi nước bão hòa $2\text{ at}$). Nhu cầu giải nhiệt lớn nhất là tại thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh E-102 với lượng nhiệt tỏa ra $Q_{nt} = 2{,}66 \times 10^6\text{ kJ/h}$, đòi hỏi lưu lượng nước làm mát lên đến $63{,}67\text{ m}^3\text{/h}$ (ở khoảng nhiệt độ $30 \rightarrow 40^\circ\text{C}$).
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Hồ Nguyễn Minh Quang và Ao Văn Đức Thành đã hoàn thành việc thiết kế hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ phân tách hỗn hợp Nước – Acid Acetic với năng suất $1700\text{ kg/h}$ ở áp suất khí quyển. Toàn bộ các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, xác định số mâm thực tế ($26$ mâm), tính toán thủy lực và kết cấu cơ khí tháp chính cùng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đều được thực hiện nhất quán theo các tiêu chuẩn kỹ thuật ngành Quá trình và Thiết bị. Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, chuẩn mực cho công tác học tập và nghiên cứu thiết bị công nghệ hóa chất.