Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp hóa chất và chế biến thực phẩm, việc tinh chế các dung dịch acid hữu cơ đóng vai trò huyết mạch trong chuỗi cung ứng nguyên liệu sản xuất. Acid acetic ($CH_3COOH$) là một trong những hóa chất công nghiệp cơ bản quan trọng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cellulose acetate, tơ nhân tạo, dung môi công nghiệp và đặc biệt là tác nhân đánh đông mủ cao su thiên nhiên. Tuy nhiên, hỗn hợp nước – acid acetic là hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, có độ bay hơi tương đối thay đổi phức tạp theo nồng độ và đường cong cân bằng pha lỏng - hơi có độ dốc hẹp ở dải nồng độ cao, đòi hỏi quá trình tính toán công nghệ và lựa chọn thiết bị phân tách cực kỳ khắt khe.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học thực hiện nhiệm vụ: "Thiết kế tháp chưng cất hệ Nước – Acid Acetic hoạt động liên tục" nhằm giải quyết bài toán phân tách thu hồi dòng sản phẩm đáy giàu acid acetic phục vụ ngành chế biến cao su và thu dòng sản phẩm đỉnh nước tinh khiết để tuần hoàn nhiệt trong nhà máy.

                           [Thiết bị ngưng tụ TH]
                                  │
                          ┌───────┴───────┐
                          ▼               ▼
                   [Sản phẩm Đỉnh D]   [Dòng hoàn lưu R=4.4]
                     (99.5% H2O)          │
                                          ▼
[Nhập liệu F] ──>[Gia nhiệt] ──> [ THÁP CHƯNG CẤT ]
(88% H2O, 0.8 m³/h)                [ ĐỆM VÒNG SỨ ]
                                 [ (50x50x5 mm)  ]
                                          │
                                          ▼
                                   [Nồi đun Kettle] ──>[Sản phẩm Đáy W]
                                    (Hơi nước 2 at)      (70% H2O / 30% Acid)

Mục tiêu kỹ thuật của dự án

  1. Xác định cân bằng vật chất: Xử lý năng suất nhập liệu $F = 0{,}8\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $766{,}53\text{ kg/h}$ hay $33{,}69\text{ kmol/h}$) với nồng độ ban đầu $88%$ khối lượng nước ($12%\text{ wt } CH_3COOH$).
  2. Đạt chỉ tiêu chất lượng sản phẩm: Nồng độ sản phẩm đỉnh $x_D \ge 99{,}5%\text{ wt}$ nước ($99{,}85%\text{ mol}$); nồng độ sản phẩm đáy $x_W = 70{,}0%\text{ wt}$ nước ($30%\text{ wt } CH_3COOH$, tương ứng $88{,}61%\text{ mol}$).
  3. Tối ưu hóa nhiệt động lực học: Xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu $R_{min} = 2{,}269$ và tỉ số hoàn lưu thích hợp $R_{th} = 4{,}40$ dựa trên điểm cực tiểu của tích số thể tích tháp $N_{lt}(R+1)$.
  4. Thiết kế cơ khí và thủy lực: Lựa chọn tháp đệm (đệm vòng sứ Raschig $50 \times 50 \times 5\text{ mm}$), đường kính tháp $D_t = 0{,}55\text{ m}$, chiều cao lớp đệm $H = 9{,}1\text{ m}$, vật liệu thép không gỉ $X18H10T$ (tương đương AISI 321/316) chịu ăn mòn acid.
  5. Thiết kế hệ thống phụ trợ: Tính toán 4 thiết bị trao đổi nhiệt tích hợp (Ngưng tụ đỉnh, Làm nguội đỉnh, Nồi đun đáy Kettle công suất $265{,}15\text{ kW}$, Thiết bị gia nhiệt nhập liệu) và hệ thống bơm bồn cao vị.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình tách hỗn hợp $H_2O - CH_3COOH$ trong công nghiệp thường đứng trước nhiều thách thức: ăn mòn hóa học cao của acid acetic ở nhiệt độ sôi ($100 - 118^\circ\text{C}$), tổn thất nhiệt lớn và hiện tượng sặc tháp khi vận hành lưu lượng khí cao.

Loại thiết bị Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá độ phù hợp với hệ $H_2O - CH_3COOH$
Tháp chêm (Đệm Raschig) Trở lực thấp ($\Delta P \approx 16{,}75\text{ kPa}$), cấu tạo đơn giản, vật liệu sứ trơ hóa học tuyệt đối với acid. Hiệu suất chuyển khối phụ thuộc phân phối lỏng, khó làm sạch cơ học. Phù hợp nhất cho quy mô vừa và dòng lưu chất có tính ăn mòn cao.
Tháp mâm xuyên lỗ Hiệu suất đĩa cao, làm việc tốt ở dải lưu lượng rộng, kết cấu nhẹ. Trở lực mâm cao hơn đệm, yêu cầu lắp đặt độ phẳng khắt khe. Thích hợp cho tháp đường kính lớn ($D > 1{,}2\text{ m}$).
Tháp mâm chóp Hoạt động ổn định ở dải tải trọng biến thiên lớn, hiệu suất cao. Trở lực rất lớn, khối lượng thiết bị nặng, chi phí gia công cao. Chi phí đầu tư cao, không tối ưu cho công suất $0{,}8\text{ m}^3/\text{h}$.

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must Have: Đảm bảo sản phẩm đỉnh đạt $99{,}5%$ nước, sản phẩm đáy đạt $30%$ acid acetic; tháp làm việc ổn định ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$; vật liệu chế tạo tiếp xúc acid dùng thép $X18H10T$.
  • Should Have: Hệ thống tận dụng nhiệt đáy tháp để gia nhiệt sơ bộ nhập liệu, bọc bảo ôn amiăng giảm thất thoát nhiệt dưới $5%$.
  • Could Have: Cụm van hồi lưu tự động điều chỉnh theo nhiệt độ đỉnh tháp.
  • Won't Have: Hệ thống tách trích ly azeotrope phức tạp trong giai đoạn này (do yêu cầu sản phẩm đáy chỉ dừng ở $30%\text{ wt}$ acid phục vụ đánh đông mủ cao su).

Thiết kế hệ thống

Toàn bộ quy trình công nghệ được thiết kế tích hợp dòng liên tục nghịch dòng pha khí - pha lỏng:

[Bồn chứa nguyên liệu (1)] ──> [Bơm ly tâm (2)] ──> [Bồn cao vị (3)]
                                                         │
[Đáy tháp: 100.6°C] ◄── [Nồi đun Kettle (12)] ◄── [Tháp chưng cất (7)] ◄── [Bộ gia nhiệt (13)]
         │                      ▲                        │ (Hơi đỉnh: 100.02°C)
         ▼                      │                        ▼
[Sản phẩm đáy (10)]     [Hơi quá nhiệt 2 at]   [Thiết bị ngưng tụ TH (8)]
 (Làm nguội 40°C)                                        │
                                               ┌─────────┴─────────┐
                                               ▼                   ▼
                                      [Hồi lưu đĩa đỉnh]   [Bồn sản phẩm đỉnh (11)]

Tiêu chuẩn kỹ thuật và Thông số thiết kế cốt lõi

  • Tiêu chuẩn áp dụng: TCVN 8366:2010 về bình chịu áp lực, Sổ tay Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2).
  • Vật liệu chế tạo: Thép hợp kim không gỉ $X18H10T$ (thành phần $18%\text{ Cr}, 10%\text{ Ni}, \text{Ti}$ ổn định hóa), ứng suất cho phép $[\sigma] = 142\text{ N/mm}^2$, hệ số bền mối hàn $\phi_h = 0{,}90$.
  • Lớp đệm tiếp xúc pha: Vòng sứ Raschig $50 \times 50 \times 5\text{ mm}$, diện tích bề mặt riêng $a = 95\text{ m}^2/\text{m}^3$, độ rỗng tự do $V_d = 0{,}78\text{ m}^3/\text{m}^3$.
               ┌───────────────────────────────┐
               │    Thông số Cơ học Tháp       │
               ├───────────────────────────────┤
               │ Đường kính trong : 550 mm     │
               │ Chiều cao đệm cất: 7.28 m     │
               │ Chiều cao đệm chưng: 1.80 m   │
               │ Bề dày thân tháp : 3.0 mm     │
               │ Lớp bảo ôn amiăng: 20 mm      │
               └───────────────────────────────┘

Phương pháp luận (Methodology)

Quy trình tính toán thiết kế áp dụng phương pháp luận từng bước chuẩn hóa trong kỹ nghệ hóa chất:

[Cân bằng Vật chất] ──> [Cân bằng Năng lượng] ──> [Động học & Thủy lực Đệm]
         │                       │                         │
         ▼                       ▼                         ▼
[Số bậc lý thuyết]      [Thiết bị Truyền nhiệt]    [Tính toán Bền Cơ khí]
  1. Cân bằng vật chất toàn tháp: Xác định suất lượng dòng sản phẩm $D$ và dòng đáy $W$ dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và phần mol.
  2. Cân bằng pha và xác định đường làm việc: Thiết lập phương trình cân bằng $y - x$ hệ nước – acid acetic; tính $R_{min}$, tối ưu hóa tỉ số hoàn lưu kinh tế $R_{th}$.
  3. Thủy lực học lớp đệm: Tính toán tốc độ sặc ($\omega_s$), lựa chọn tốc độ làm việc thực tế $\omega_{op} = 0{,}8 \div 0{,}9,\omega_s$; tính tổn thất áp suất lớp đệm khô và đệm ướt ($\Delta P$).
  4. Tính toán cơ khí thân - nắp - bích: Tính bề dày thân chịu áp suất trong $P_{tt}$, tính toán bích ghép thân, chân đỡ và tai treo theo tải trọng gió và trọng lượng làm việc của tháp.
  5. Truyền nhiệt và thiết bị phụ: Tính toán hệ số cấp nhiệt $\alpha$, hệ số truyền nhiệt $K$, diện tích truyền nhiệt $F_{tb}$ cho bộ ngưng tụ, nồi đun Kettle, thiết bị làm nguội và bơm bồn cao vị.

Implementation và kết quả

Development Process & Sizing Calculations

1. Cân bằng vật chất toàn phần

Chuyển đổi thành phần khối lượng sang phần mol với $M_{H_2O} = 18\text{ g/mol}$, $M_{Acid} = 60\text{ g/mol}$:

  • Nhập liệu $F$: $x_F = \frac{0{,}88/18}{\frac{0{,}88}{18} + \frac{0{,}12}{60}} = 0{,}9607\text{ phân mol}$; $M_F = 19{,}65\text{ kg/kmol}$.
  • Đỉnh $D$: $x_D = \frac{0{,}995/18}{\frac{0{,}995}{18} + \frac{0{,}005}{60}} = 0{,}9985\text{ phân mol}$; $M_D = 18{,}06\text{ kg/kmol}$.
  • Đáy $W$: $x_W = \frac{0{,}70/18}{\frac{0{,}70}{18} + \frac{0{,}30}{60}} = 0{,}8861\text{ phân mol}$; $M_W = 22{,}78\text{ kg/kmol}$.

Hệ phương trình cân bằng vật chất: $$\begin{cases} F = D + W \ F \cdot x_F = D \cdot x_D + W \cdot x_W \end{cases}$$

Thay số ($F = 33{,}69\text{ kmol/h} \approx 766{,}53\text{ kg/h}$):

  • Suất lượng mol đỉnh: $D = 22{,}50\text{ kmol/h} \implies G_D = 406{,}35\text{ kg/h}$ (hơi ra đỉnh $g_d = D(R+1) = 2194{,}3\text{ kg/h}$).
  • Suất lượng mol đáy: $W = 11{,}19\text{ kmol/h} \implies G_W = 254{,}91\text{ kg/h}$ (thực tế $298{,}82\text{ kg/h}$ theo cân bằng lỏng).
def calculate_mass_balance(F_kg_h, xF_wt, xD_wt, xW_wt):
    # Khối lượng mol
    M_water, M_acid = 18.015, 60.052
    
    # Chuyển đổi sang phân mol
    xF_mol = (xF_wt / M_water) / (xF_wt / M_water + (1 - xF_wt) / M_acid)
    xD_mol = (xD_wt / M_water) / (xD_wt / M_water + (1 - xD_wt) / M_acid)
    xW_mol = (xW_wt / M_water) / (xW_wt / M_water + (1 - xW_wt) / M_acid)
    
    # Khối lượng mol trung bình nhập liệu
    MF = xF_mol * M_water + (1 - xF_mol) * M_acid
    F_kmol_h = F_kg_h / MF
    
    # Cân bằng cấu tử
    D_kmol_h = F_kmol_h * (xF_mol - xW_mol) / (xD_mol - xW_mol)
    W_kmol_h = F_kmol_h - D_kmol_h
    
    MD = xD_mol * M_water + (1 - xD_mol) * M_acid
    MW = xW_mol * M_water + (1 - xW_mol) * M_acid
    
    return {
        "D_kg_h": D_kmol_h * MD,
        "W_kg_h": W_kmol_h * MW,
        "R_opt": 4.40,
        "N_theoretical": 23
    }

2. Phương trình đường nồng độ làm việc

Với tỉ số hoàn lưu tối ưu $R_{th} = 4{,}40$ và chỉ số nhập liệu trạng thái sôi $f = 1{,}5067$:

  • Đoạn cất (Rectifying section): $$y = \frac{R}{R+1}x + \frac{x_D}{R+1} = \frac{4{,}4}{5{,}4}x + \frac{0{,}9985}{5{,}4} = 0{,}8148x + 0{,}1849$$
  • Đoạn chưng (Stripping section): $$y = \frac{R+f}{R+1}x - \frac{f-1}{R+1}x_W = 1{,}0938x - 0{,}0831$$
  • Số mâm lý thuyết xác định bằng đồ thị McCabe-Thiele: $N_{lt} = 23\text{ mâm}$ (Đoạn cất: 20 mâm, Đĩa tiếp liệu: 1, Đoạn chưng: 3 mâm).

3. Đường kính tháp và chiều cao lớp đệm

Dựa trên phương trình giới hạn tốc độ dòng pha hơi trong đệm Raschig $50 \times 50 \times 5$:

  • Tốc độ sặc đoạn cất $\omega_s = 6{,}81\text{ m/s} \implies \omega_{lv} = 0{,}8,\omega_s = 5{,}45\text{ m/s}$.
  • Tốc độ sặc đoạn chưng $\omega_s' = 6{,}30\text{ m/s} \implies \omega_{lv}' = 0{,}8,\omega_s' = 5{,}04\text{ m/s}$.
  • Đường kính đoạn cất $D_{c} = 0{,}5416\text{ m}$; đoạn chưng $D_{ch} = 0{,}5440\text{ m}$.
  • Chuẩn hóa đường kính toàn tháp: $D_t = 0{,}55\text{ m} = 550\text{ mm}$.
  • Chiều cao tương đương một bậc lý thuyết ($HETP$ / $h_{td}$): $h_{td} = 0{,}3239\text{ m}$ (phần cất) và $0{,}3341\text{ m}$ (phần chưng).
  • Chiều cao lớp đệm: $$H_1 = 20 \times 0{,}3239 + 0{,}8 = 7{,}28\text{ m}$$ $$H_2 = 3 \times 0{,}3341 + 0{,}8 = 1{,}80\text{ m}$$ $$\implies H_{tổng} \approx 9{,}10\text{ m}$$
================================================================================
                    BẢNG TÍNH THỦY LỰC & TRUYỀN NHIỆT
================================================================================
THIẾT BỊ                   KÍCH THƯỚC / THÔNG SỐ                  CÔNG SUẤT / DIỆN TÍCH
--------------------------------------------------------------------------------
Tháp chưng cất             Dt = 550 mm, H = 9.1 m (Vòng sứ 50x50) ΔP = 16.75 kPa
Ngưng tụ đỉnh (Vỏ - Ống)   127 ống Φ25x2 mm, L = 1.5 m            Ftb = 13.30 m²
Nồi đun đáy (Kettle)       91 ống Φ25x2 mm, L = 1.5 m (Hơi 2 at)  Qđ = 265.15 kW, F=8.57 m²
Gia nhiệt nhập liệu        Ống lồng ống Φ25x2 / Φ38x2, L = 7.0 m  Qc = 15.12 kW, F=0.44 m²
Làm nguội đỉnh             Ống lồng ống Φ16x1.6 / Φ25x2.5, L = 1m Ftb = 0.01 m²
Bảo ôn thân tháp           Amiăng δ = 20 mm                       Tổn thất nhiệt < 5%
================================================================================

Testing và Validation

  1. Kiểm tra thủy lực và trở lực lớp đệm:

    • Chuẩn số Reynolds pha khí đoạn cất: $Re_Y = 116590$, hệ số ma sát đệm $\lambda = 2{,}459$.
    • Trở lực đệm ướt đoạn cất: $\Delta P_1 = 13556{,}97\text{ N/m}^2$.
    • Trở lực đệm ướt đoạn chưng: $\Delta P_2 = 3190{,}80\text{ N/m}^2$.
    • Tổng tổn thất áp suất: $\Delta P = 16752{,}78\text{ N/m}^2 \approx 16{,}75\text{ kPa} < 0{,}2\text{ at}$ (đáp ứng tiêu chuẩn an toàn không gây nghẽn dòng).

  2. Kiểm nghiệm cơ học thân mỏng chịu áp lực trong ($P_{tt} = 0{,}1039\text{ N/mm}^2$):

    • Bề dày tính toán lý thuyết: $S' = \frac{D_t \cdot P_{tt}}{2[\sigma]\phi_h - P_{tt}} = \frac{550 \times 0{,}1039}{2 \times 142 \times 0{,}9 \times 0{,}95 - 0{,}1039} = 0{,}235\text{ mm}$.
    • Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học ($C_a = 0{,}1\text{ mm/năm} \times 20\text{ năm} = 2{,}0\text{ mm}$).
    • Bề dày thực tế được chuẩn hóa: $S_t = 3{,}0\text{ mm}$.
    • Kiểm tra điều kiện bền: $\frac{S_t - C_a}{D_t} = \frac{3 - 2}{550} = 0{,}0018 < 0{,}1$ (thỏa mãn công thức tính vỏ mỏng).

  3. Kiểm tra độ chính xác sai số truyền nhiệt:

    • Nhiệt tải phía ngưng tụ đỉnh: $\varepsilon = \frac{|q_N - q_R|}{q_R} = \frac{|40011 - 38764|}{38764} = 3{,}3% < 5%$ (hội tụ).
    • Nhiệt tải nồi đun Kettle: $\varepsilon = 2{,}65% < 5%$ (hội tụ).
    • Nhiệt tải thiết bị gia nhiệt nhập liệu: $\varepsilon = 0{,}32% < 5%$ (hội tụ).

Đổi mới và đóng góp

  • Tối ưu hóa hình học chuyển khối đệm Raschig: Sử dụng đệm vòng sứ $50 \times 50 \times 5\text{ mm}$ giúp giảm trở lực pha khí $32%$ so với đệm cỡ nhỏ $25 \times 25$, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng bám cáu cặn do phản ứng ăn mòn kim loại thường gặp ở tháp mâm chóp.
  • Cơ chế thu hồi nhiệt dòng đáy: Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu lạnh ($28^\circ\text{C}$) và dòng đáy nóng ($100{,}6^\circ\text{C}$), giúp cắt giảm $23{,}4%$ năng lượng tiêu hao cho cụm gia nhiệt sơ bộ nhập liệu.
  • Tỉ số hoàn lưu tối ưu $R_{th} = 4{,}40$: Cân bằng chính xác giữa chi phí cố định (CAPEX - thể tích tháp nhỏ nhất) và chi phí vận hành (OPEX - lượng nước làm mát $22{,}62\text{ kg/s}$ và hơi đốt nồi đun $0{,}12\text{ kg/s}$).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh cho nhà máy chế biến mủ cao su thiên nhiên tại Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Nước thải/dòng hồi lưu chứa acid acetic loãng ($10 - 15%$) được cô đặc lên $30%$ để tái sử dụng làm chất đông tụ mủ cao su (thay thế acid formic đắt tiền), tạo chu trình tuần hoàn kín giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

[Nước thải rửa mủ chứa Acid 12%] ──> [Hệ thống Tháp Chưng Cất]
                                              │
                    ┌─────────────────────────┴─────────────────────────┐
                    ▼                                                   ▼
         [Nước sạch Đỉnh 99.5%]                              [Acid Đáy 30%]
       (Tái sử dụng rửa dây chuyền)                     (Tác nhân đánh đông mủ cao su)

Kế hoạch triển khai & Yêu cầu hạ tầng

Giai đoạn 1 (Tháng 1-2): Gia công cơ khí thân tháp, nắp đáy elip, bích ghép X18H10T
Giai đoạn 2 (Tháng 3):   Chế tạo ống chùm Kettle reboiler & Condenser vỏ ống
Giai đoạn 3 (Tháng 4):   Lắp đặt đệm sứ Raschig, đường ống dẫn, bồn cao vị Hcv = 10.5 m
Giai đoạn 4 (Tháng 5):   Chạy thử thủy lực, kiểm tra rò rỉ khí quyển, hiệu chỉnh dòng nhiệt
  • Yêu cầu phụ trợ (Utilities): Nguồn cấp hơi bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}6^\circ\text{C}$), lưu lượng $432\text{ kg/h}$; nguồn nước làm mát $27^\circ\text{C}$, lưu lượng $81{,}4\text{ m}^3/\text{h}$; bơm nhập liệu công suất thực $N_b = 0{,}15\text{ kW}$ (động cơ chọn $0{,}5\text{ kW}$).

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Tháp đệm có độ nhạy cao với sự phân bố lỏng không đều qua tiết diện ngang ($D_t = 550\text{ mm}$), đòi hỏi đĩa phân phối lỏng dạng hoa sen hoặc máng tràn phải được lắp đặt với độ phẳng tuyệt đối.
    • Chỉ tách được acid acetic đến nồng độ $30% - 70%$; để sản xuất acid acetic băng khan ($>99{,}5%$) cần chuyển sang công nghệ chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation) có thêm cấu tử thứ ba (như Butyl Acetate).
  • Hướng nâng cấp tiếp theo:
    • Tích hợp van điều khiển khí nén tự động (Pneumatic Control Valve) liên động với cảm biến nhiệt độ PT100 tại đĩa kiểm soát để tự động hóa tỉ số hồi lưu $R$.
    • Ứng dụng lớp đệm có cấu trúc kim loại (Structured Packing Mellapak 250Y) để giảm chiều cao tháp từ $9{,}1\text{ m}$ xuống $5{,}5\text{ m}$.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học / Quá trình & Thiết bị: Tài liệu tham khảo chuẩn mực với đầy đủ chuỗi tính toán từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, động học tháp đệm, đến độ bền cơ khí bích - vỏ - chân đỡ.
  • Kỹ sư vận hành nhà máy hóa chất: Nắm bắt quy trình vận hành hệ thống tháp đệm, các điểm rủi ro thủy lực (sặc tháp, ngập lụt) và định mức tiêu hao hơi nước/nước lạnh.
  • Doanh nghiệp sản xuất cao su & thu hồi dung môi: Bản thiết kế hoàn chỉnh có thể ứng dụng trực tiếp để gia công module xử lý thu hồi acid acetic với chi phí đầu tư CAPEX tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao lại chọn tháp đệm thay vì tháp mâm xuyên lỗ cho hệ nước - acid acetic ở quy mô này?

Với đường kính tháp $D_t = 550\text{ mm}$ ($< 800\text{ mm}$) và môi trường acid acetic có tính ăn mòn, đệm vòng sứ Raschig $50 \times 50 \times 5$ trơ về mặt hóa học, dễ chế tạo, chi phí rẻ hơn gia công đĩa đục lỗ bằng thép hợp kim cao cấp và có trở lực pha hơi cực thấp ($\approx 16{,}75\text{ kPa}$).

2. Ý nghĩa của việc lựa chọn tỉ số hoàn lưu $R = 4{,}40$ là gì?

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu qua đồ thị là $R_{min} = 2{,}269$. Khi tăng $R$, số bậc lý thuyết giảm nhưng đường kính tháp và nhiệt tải nồi đun tăng. Giá trị $R = 4{,}40$ ứng với điểm cực tiểu của hàm mục tiêu thể tích tháp $V_{tháp} \sim N_{lt}(R+1)$, giúp giảm tối đa kích thước thiết bị và chi phí đầu tư ban đầu.

3. Thép không gỉ $X18H10T$ có đặc tính gì để chịu được acid acetic?

$X18H10T$ chứa $17 - 19%\text{ Cr}$, $9 - 11%\text{ Ni}$ và được bổ sung Titanium ($\approx 5 \times C%$). Titan tạo carbide $TiC$, ngăn chặn sự tạo thành carbide crom ở biên hạt, giúp thép chống ăn mòn tinh thể hạt tuyệt hảo trong môi trường acid hữu cơ ở nhiệt độ sôi ($100 - 120^\circ\text{C}$).

4. Chiều cao bồn cao vị $H_{cv} = 10{,}5\text{ m}$ được xác định như thế nào?

Chiều cao $H_{cv}$ được tính toán bằng phương trình Bernoulli giữa mặt thoáng bồn cao vị và vị trí đĩa tiếp liệu trên thân tháp, bù đắp tổng tổn thất áp suất ma sát đường ống và tổn thất cục bộ qua thiết bị gia nhiệt ($\sum h_f = 3{,}71\text{ m}$) cộng với cao độ hình học đĩa tiếp liệu ($z_2 = 5{,}8\text{ m}$).

5. Thời gian hoàn vốn (ROI) dự kiến của hệ thống là bao lâu?

Nhờ thu hồi dòng acid acetic $30%$ phục vụ sản xuất cao su nội bộ (giảm chi phí mua mới $7{,}2\text{ tấn}$ acid/tháng) và tận dụng dòng nước nóng ngưng tụ, thời gian hoàn vốn đầu tư của module thiết bị ước tính từ 14 đến 18 tháng.

Kết luận

Bản thiết kế đồ án môn học Quá trình và Thiết bị "Tháp chưng cất hệ Nước – Acid Acetic hoạt động liên tục" đã giải quyết triệt để bài toán công nghệ phân tách hỗn hợp acid loãng quy mô $0{,}8\text{ m}^3/\text{h}$. Hệ thống đạt các chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội: sản phẩm đỉnh $99{,}5%\text{ wt } H_2O$, sản phẩm đáy $30%\text{ wt } CH_3COOH$, tháp đệm sứ Raschig đường kính $550\text{ mm}$, chiều cao $9{,}1\text{ m}$, vật liệu $X18H10T$ bền bỉ với thời gian làm việc trên 20 năm. Toàn bộ tính toán nhiệt động, cơ khí và thủy lực đều được đối soát với sai số hội tụ $< 5%$, sẵn sàng cho giai đoạn gia công chế tạo và triển khai ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp hóa chất - cao su.