Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ethanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) là một hợp chất hữu cơ có vai trò thiết yếu trong nền kinh tế công nghiệp hiện đại. Hóa chất này được ứng dụng rộng rãi làm dung môi hữu cơ, hóa chất tẩy rửa công nghiệp, dung dịch sát khuẩn y tế, thành phần trong mỹ phẩm, và đặc biệt là nguồn nhiên liệu sinh học tái tạo quan trọng nhằm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch trong bối cảnh trữ lượng dầu mỏ thế giới ngày càng suy giảm. Trong quy trình sản xuất cồn công nghiệp từ nguồn nguyên liệu sinh khối (như tinh bột sắn/khoai mì hoặc rỉ đường lên men), dịch sau lên men chỉ đạt nồng độ ethanol dao động từ 10% đến 50% theo thể tích. Do ethanol và nước tạo thành hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu ($78,2^\circ\text{C}$ tại 1 atm với $89,4%$ phân mol ethanol) và chênh lệch nhiệt độ sôi giữa hai cấu tử nguyên chất khoảng $12^\circ\text{C}$ đến $21,7^\circ\text{C}$ ($78,3^\circ\text{C}$ so với $100^\circ\text{C}$ ở $760\text{ mmHg}$), việc áp dụng phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục là giải pháp kỹ thuật phù hợp nhất để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao.

Đồ án chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất thực hiện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống chưng cất công nghiệp với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Nhiệm vụ thiết kế công nghệ: Thiết kế hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử ethanol – nước bằng tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền, vận hành ở áp suất khí quyển ($760\text{ mmHg}$).
  2. Nhiệm vụ tính toán thông số: Xác định các cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của toàn bộ hệ thống; xác định tỉ số hoàn lưu làm việc thích hợp, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp.
  3. Nhiệm vụ thiết kế thiết bị chính: Tính toán kích thước hình học tháp (đường kính đoạn cất, đường kính đoạn chưng, chiều cao tháp), tính toán thủy lực mâm (trở lực mâm khô, trở lực lớp chất lỏng, trở lực sức căng bề mặt, kiểm tra điều kiện ngập lụt).
  4. Nhiệm vụ thiết kế cơ khí và thiết bị phụ: Tính toán độ bền cơ khí thân tháp, đáy, nắp, bích ghép, đường ống dẫn lưu chất, chân đỡ, tai treo; tính toán và lựa chọn các thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị ngưng tụ, nồi đun sôi đáy tháp và bơm nhập liệu.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ hỗn hợp hai cấu tử ethanol – nước.
  • Phạm vi kỹ thuật: Năng suất nhập liệu $2200\text{ L/h}$ hỗn hợp cồn $40^\circ$ (tương đương phân khối lượng ethanol $0,4$ hay $38,5%$ ở $30^\circ\text{C}$), trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi; sản phẩm đỉnh đạt cồn $90^\circ - 96^\circ$ ($96,7%$ phân khối lượng); sản phẩm đáy chứa nồng độ ethanol thấp ($0,013$ phân mol, chủ yếu là nước); độ thu hồi cấu tử ethanol đạt $96%$.
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án hoàn thành vào tháng 11 năm 2022 tại Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Việt Bách.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Thiết kế hệ thống dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học và kỹ thuật truyền khối - truyền nhiệt trong công nghệ hóa chất:

  • Cân bằng pha lỏng – hơi (VLE): Hệ ethanol – nước ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$ với giản đồ trạng thái $T-x-y$ và $y-x$. Hỗn hợp có điểm đẳng phí tại $89,4%$ phân mol ethanol ở nhiệt độ $78,2^\circ\text{C}$.
  • Nguyên lý chưng cất phân đoạn liên tục: Quá trình tiếp xúc ngược dòng giữa pha hơi đi từ dưới lên và pha lỏng chảy từ trên xuống qua các mâm tiếp xúc, trong đó pha lỏng giàu dần cấu tử khó bay hơi (nước) và pha hơi giàu dần cấu tử dễ bay hơi (ethanol).
  • Phương pháp xác định số đĩa lý thuyết: Xây dựng các phương trình đường làm việc cho đoạn cất và đoạn chưng dựa trên tỉ số hoàn lưu làm việc $R_x = 1,3 \cdot R_{min} + 0,3$ hoặc tỉ số hồi lưu tối ưu, từ đó vẽ đồ thị bậc thang cân bằng pha để xác định số mâm lý thuyết $N^*$.
  • Mô hình tính toán thủy lực tháp mâm xuyên lỗ: Sử dụng lý thuyết dòng chảy qua lỗ (hệ số orifice $C_0$), chiều cao lớp chất lỏng tràn trên gờ $h_{ow}$, sức căng bề mặt chất lỏng và điều kiện chống ngập lụt ống chảy chuyền.
  • Tiêu chuẩn tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Sử dụng các công thức tính toán độ bền thân hình trụ, đáy nắp elip chịu áp suất trong, ứng suất cho phép của vật liệu thép carbon CT3 và thép hợp kim X18H10T theo tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất hiện hành.

Phương pháp thiết kế thực tế

  • Phương pháp tính toán giải tích và cân bằng nhiệt - chất: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn khối lượng tổng và cấu tử, cân bằng entanpi cho từng thiết bị và toàn tháp để tìm suất lượng các dòng sản phẩm và dòng nhiệt tải.
  • Phương pháp đồ thị và nội suy thực nghiệm: Xác định số mâm lý thuyết từ đồ thị $y-x$; tra cứu các thông số nhiệt vật lý (khối lượng riêng, độ nhớt, ẩn nhiệt hóa hơi, sức căng bề mặt) của hỗn hợp qua các bảng số liệu thực nghiệm.
  • Phương pháp kiểm nghiệm cơ học và thủy động lực học: Tính toán vận tốc hơi giới hạn để tránh hiện tượng tạo bọt và cuốn giọt; kiểm tra mức chất lỏng dâng trong ống chảy chuyền để ngăn ngừa hiện tượng ngập lụt tháp.

Nguồn dữ liệu tra cứu

Dữ liệu nhiệt động, bảng tra tính chất vật lý và tiêu chuẩn thiết kế cơ khí được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành chuẩn mực: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2 - GS.TS. Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên), các bảng số liệu VLE hệ ethanol – nước ở $760\text{ mmHg}$.

Thiết kế công nghệ và nguyên lý vận hành hệ thống

Hệ thống chưng cất liên tục được bố trí liên kết tuần hoàn và tận dụng năng lượng nhiệt giữa các dòng công nghệ:

 [Đỉnh tháp: Hơi cồn]                                                                      [Đáy tháp: Dòng lỏng]
[TB ngưng tụ đỉnh (8)]                                                                     [Nồi đun đáy (14)]
[Bồn chứa sản phẩm đỉnh (11)]

Thuyết minh quy trình vận hành

  1. Hỗn hợp ethanol – nước nồng độ $40^\circ$ ở nhiệt độ môi trường $30^\circ\text{C}$ từ bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) đưa lên bồn cao vị (3) để tạo áp lực ổn định.
  2. Dòng nhập liệu tự chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) để nhận nhiệt sơ bộ từ dòng sản phẩm đáy nóng đi ra từ đáy tháp. Sau đó, dòng nhập liệu tiếp tục đi qua thiết bị gia nhiệt (5) để nâng nhiệt độ lên trạng thái lỏng sôi ($84,5^\circ\text{C}$) trước khi nạp vào tháp chưng cất (7) tại mâm nhập liệu.
  3. Trong tháp chưng cất mâm xuyên lỗ, pha hơi từ nồi đun đáy (14) chuyển động từ dưới lên qua các lỗ mâm, tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng chảy tràn qua gờ từ trên xuống. Quá trình truyền khối và truyền nhiệt diễn ra liên tục trên từng mâm: cấu tử dễ bay hơi (ethanol) chuyển dịch từ pha lỏng vào pha hơi, trong khi cấu tử khó bay hơi (nước) ngưng tụ từ pha hơi vào pha lỏng.
  4. Pha hơi ở đỉnh tháp chứa hàm lượng ethanol cao được dẫn vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (8) để ngưng tụ hoàn toàn thành dòng lỏng ở $79,78^\circ\text{C}$. Dòng lỏng đi qua bộ phận chia dòng (9): một phần được đưa quay trở lại mâm trên cùng của tháp theo tỉ số hoàn lưu thích hợp, phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội (10) để hạ nhiệt độ xuống nhiệt độ bảo quản trước khi xả vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).
  5. Pha lỏng ở đáy tháp (chủ yếu là nước và một lượng vết ethanol) đi vào nồi đun đáy tháp (14). Một phần bốc hơi tạo dòng hơi hồi lưu cung cấp nhiệt và lưu chất cho tháp; phần lỏng thải đáy được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (4) để gia nhiệt cho dòng nhập liệu, vừa tiết kiệm năng lượng vừa làm nguội dòng thải trước khi dẫn về bồn chứa sản phẩm đáy (15).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày chi tiết về tính chất lý - hóa của ethanol và nước, các ứng dụng quan trọng của ethanol trong công nghiệp nhiên liệu sinh học, y tế, mỹ phẩm và dung môi. Tác giả phân tích tính chất nhiệt động của hệ ethanol – nước, nêu rõ hiện tượng tạo hỗn hợp đẳng phí tại $89,4%$ phân mol ethanol ở $78,2^\circ\text{C}$ ($760\text{ mmHg}$). Chương này phân loại các phương pháp chưng cất và so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp tiếp xúc pha:

Loại tháp Ưu điểm Nhược điểm
Tháp chêm (tháp đệm) Cấu tạo đơn giản, trở lực pha khí thấp, làm việc được với lưu chất tạo bọt. Hiệu suất truyền khối thấp hơn, khó làm sạch khi lưu chất bẩn, độ ổn định kém ở tải trọng lớn.
Tháp mâm xuyên lỗ Hiệu suất tương đối cao, chế tạo đơn giản hơn mâm chóp, trở lực vừa phải, làm việc ổn định. Yêu cầu lắp đặt mặt mâm thật phẳng, khoảng làm việc hẹp hơn mâm chóp, nhạy cảm với sự tắc nghẽn lỗ.
Tháp mâm chóp Hiệu suất cao, dải làm việc rộng và rất ổn định với biến động tải trọng. Cấu tạo phức tạp, khối lượng thiết bị nặng, trở lực thủy lực lớn, chi phí chế tạo cao.

Dựa trên các phân tích kỹ thuật, tác giả lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền do tính cân bằng tối ưu giữa hiệu suất phân tách, khối lượng vật liệu và chi phí chế tạo.

CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chương 2 thiết lập sơ đồ dây chuyền công nghệ hoàn chỉnh cho hệ thống chưng cất cồn công nghiệp. Nội dung tập trung thuyết minh chi tiết nguyên lý làm việc của từng cụm thiết bị từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, bơm cao vị, gia nhiệt hỗn hợp đầu, tháp chưng cất chính, hệ thống ngưng tụ - làm nguội đỉnh, đến nồi đun đáy tháp và hệ thống thu hồi nhiệt từ dòng thải đáy.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Tác giả tính toán chi tiết cân bằng khối lượng cho toàn bộ hệ thống tháp chưng cất. Các kết quả tính toán nhiệt động và vật chất được xác định gồm:

  • Suất lượng nhập liệu: $G_F = 2200\text{ L/h}$, tương đương $F = 90,811\text{ kmol/h}$ ($2070,2\text{ kg/h}$); phân mol nhập liệu $x_F = 0,172$.
  • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $D = 19,992\text{ kmol/h}$ với nồng độ $x_D = 0,737$ (tương đương phân mol $0,877$ ở chế độ cất cao).
  • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 70,819\text{ kmol/h}$ với nồng độ $x_W = 0,013$ phân mol.
  • Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: $R_{min} = 0,443$; lựa chọn tỉ số hoàn lưu làm việc thích hợp $R_x = 1,133$.
  • Phương trình đường làm việc:
    • Đoạn cất: $y = 0,531 x + 0,346$
    • Đoạn chưng: $y = 4,022 x - 0,039$
  • Số mâm lý thuyết xác định bằng đồ thị: $N^* = 8$ mâm (gồm 4 mâm cất, 3 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu).
  • Hiệu suất trung bình của mâm: $\eta_{tb} = 39,08%$.
  • Số mâm thực tế: $N_{tt} = \frac{N^*}{\eta_{tb}} = \frac{8}{0,3908} \approx 21$ mâm (bố trí 10 mâm đoạn cất, 8 mâm đoạn chưng, 3 mâm đoạn nhập liệu).

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết về thủy lực và kết cấu cơ khí của tháp chưng cất:

  • Đường kính tháp: Tính toán theo vận tốc hơi trung bình đi trong tháp. Đoạn cất tính ra $D_{cất} = 0,88\text{ m}$, đoạn chưng tính ra $D_{chưng} = 0,91\text{ m}$. Để thuận tiện chế tạo, chọn đường kính đồng nhất cho toàn tháp $D_t = 0,9\text{ m}$ ($900\text{ mm}$).
  • Cấu tạo mâm lỗ: Đường kính lỗ $d_1 = 3\text{ mm}$, tổng diện tích lỗ chiếm $8%$ diện tích mâm, bước lỗ bố trí theo tam giác đều bằng $2,5 d_1$, diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm. Tổng số lỗ trên một mâm là $5677$ lỗ.
  • Thủy lực mâm: Tính toán độ giảm áp qua mâm khô ($h_k$), độ giảm áp do mức chất lỏng ($h_l$), độ giảm áp do sức căng bề mặt ($h_R$). Tổng trở lực một mâm ở phần cất là $92\text{ N/m}^2$, phần chưng là $95\text{ N/m}^2$. Kiểm tra ngập lụt cho thấy chiều cao mức chất lỏng dâng trong ống chảy chuyền ($h_d = 88,49\text{ mm}$ ở phần cất và $103,68\text{ mm}$ ở phần chưng) nhỏ hơn giới hạn cho phép $\frac{h_{mâm}}{2} = 250\text{ mm}$, đảm bảo tháp vận hành an toàn không bị ngập lụt.
  • Chiều cao tháp: Khoảng cách giữa các mâm $h_{mâm} = 0,5\text{ m}$, chiều cao thân tháp $H_{thân} = 10,84\text{ m}$, chiều cao đáy và nắp elip có gờ $H_đ = H_n = 0,325\text{ m}$, tổng chiều cao toàn tháp $H = 11,5\text{ m}$.
  • Tính toán cơ khí: Vật liệu chế tạo thân tháp bằng thép carbon CT3; bề dày tính toán chịu áp suất trong $S'_t = 0,68\text{ mm}$, hệ số bổ sung ăn mòn hóa học và dung sai $C = 3,759\text{ mm}$, xác định bề dày thực tế thân tháp $S_t = 4,45\text{ mm}$ và quy chuẩn chọn $S_t = 5\text{ mm}$. Đáy và nắp elip tiêu chuẩn chọn bề dày $S = 5\text{ mm}$.
  • Mặt bích và ống dẫn: Chọn bích thép không gỉ X18H10T đường kính danh nghĩa $1000\text{ mm}$ nối thân tháp với đệm cao su cách nhiệt dày $3\text{ mm}$. Đường kính các ống dẫn: ống nhập liệu $d_F = 80\text{ mm}$, ống dẫn hơi đỉnh $d_h = 150\text{ mm}$, ống dẫn hoàn lưu $d_{hl} = 50\text{ mm}$, ống dẫn hơi đáy $d_{hđ} = 150\text{ mm}$, ống tháo lỏng đáy $d_L = 150\text{ mm}$.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Chương 5 tính toán cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống:

  • Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp nhập liệu từ nhiệt độ sau trao đổi nhiệt lên nhiệt độ sôi.
  • Cân bằng nhiệt lượng tổng thể toàn tháp chưng cất nhằm xác định lượng nhiệt cần cấp tại đáy tháp và lượng nhiệt cần lấy đi tại đỉnh tháp.
  • Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh về nhiệt độ bảo quản.
  • Tính toán nhiệt tải cho hệ thống làm mát Chiller phục vụ ngưng tụ hồi lưu.

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Chương 6 xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt và kết cấu của các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:

  • Thiết bị ngưng tụ dòng hơi đỉnh tháp dạng ống chùm.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh dạng ống lồng ống / ống chùm.
  • Nồi đun gia nhiệt đáy tháp dạng ống chùm đặt đứng hoặc nằm ngang cấp nhiệt bằng hơi nước/điện trở.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt giữa dòng sản phẩm đáy và dòng hỗn hợp nhập liệu.
  • Tính toán lớp cách nhiệt bảo ôn thân thiết bị để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh.
  • Tính toán chọn bơm ly tâm vận chuyển dòng nhập liệu từ bồn chứa lên bồn cao vị.

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN CHI PHÍ

Chương 7 tiến hành bóc tách khối lượng và ước tính sơ bộ chi phí đầu tư thiết bị:

  • Tính toán khối lượng kim loại và giá thành vật liệu chế tạo tháp chưng cất (thép tấm CT3, thép X18H10T).
  • Chi phí gia công chế tạo bu lông, mặt bích và chi tiết cơ khí.
  • Chi phí ước tính cho hệ thống thiết bị phụ trợ gồm bồn chứa, các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm và phụ kiện đường ống.

Kết quả và đóng góp

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

Hạng mục thông số Đơn vị Giá trị thiết kế
Năng suất nhập liệu ($G_F$) L/h $2200$ (tương đương $2070,2\text{ kg/h}$)
Nồng độ nhập liệu ($x_F$) phân mol (thể tích) $0,172$ ($40%$ thể tích)
Nồng độ sản phẩm đỉnh ($x_D$) phân mol (thể tích) $0,737 - 0,877$ ($90% - 96%$ thể tích)
Nồng độ sản phẩm đáy ($x_W$) phân mol $0,013$
Tỉ lệ thu hồi dung môi ethanol ($\eta$) $%$ $96$
Tỉ số hoàn lưu làm việc ($R_x$) - $1,133$
Số mâm lý thuyết ($N^*$) mâm $8$ (4 cất, 3 chưng, 1 nạp liệu)
Hiệu suất trung bình của mâm ($\eta_{tb}$) $%$ $39,08$
Số mâm thực tế ($N_{tt}$) mâm $21$ (10 cất, 8 chưng, 3 nạp liệu)
Đường kính trong của tháp ($D_t$) m $0,9$ ($900\text{ mm}$)
Khoảng cách giữa hai mâm ($h_{mâm}$) m $0,5$ ($500\text{ mm}$)
Chiều cao thân tháp ($H_{thân}$) m $10,84$
Tổng chiều cao tháp ($H$) m $11,5$
Bề dày thân tháp ($S_t$) mm $5$ (Vật liệu: Thép CT3)
Bề dày đáy và nắp elip ($S$) mm $5$ (Vật liệu: Thép CT3)
Đường kính ống nhập liệu ($d_F$) mm $80$
Đường kính ống hơi đỉnh ($d_h$) mm $150$
Đường kính ống hoàn lưu đỉnh ($d_{hl}$) mm $50$
Đường kính ống hơi đáy tháp ($d_{hđ}$) mm $150$
Đường kính ống tháo lỏng đáy ($d_L$) mm $150$

Đóng góp và giải pháp kỹ thuật nổi bật

  • Giải pháp tiết kiệm năng lượng: Thiết kế tích hợp thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt lượng của dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ cao ($>90^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu lạnh ($30^\circ\text{C}$), giúp giảm đáng kể nhiệt tải tiêu thụ tại thiết bị gia nhiệt nhập liệu chính.
  • Tính toán thủy lực chuẩn xác: Đã kiểm tra đầy đủ các điều kiện làm việc giới hạn của mâm xuyên lỗ, xác nhận trở lực mâm thấp và chiều cao chất lỏng trong ống chảy chuyền hoàn toàn nằm trong dải an toàn chống ngập lụt ($h_d \le 103,68\text{ mm} < 250\text{ mm}$).
  • Hợp lý hóa kết cấu cơ khí: Quy chuẩn đường kính đoạn cất và đoạn chưng về một giá trị duy nhất ($D_t = 0,9\text{ m}$) cùng chiều dày thân, đáy, nắp ($5\text{ mm}$), giúp đơn giản hóa quy trình lốc tôn, gia công hàn và ghép bích trong thực tế chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về mô hình tính toán: Các tính toán cân bằng lỏng – hơi và cân bằng vật chất được thực hiện cho hệ hai cấu tử lý tưởng ethanol – nước, chưa xét đến ảnh hưởng của các cấu tử tạp chất phụ (như methanol, aldehyde, este, dầu fusel) thường có trong dịch lên men công nghiệp thực tế.
  • Giới hạn điều kiện áp suất: Hệ thống được thiết kế vận hành hoàn toàn ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$; chưa khảo sát chế độ chưng cất chân không hoặc chưng cất đẳng phí với cấu tử thứ ba nhằm vượt qua điểm đẳng phí $89,4%$ mol để thu hồi cồn tuyệt đối ($99,5%$).
  • Mức độ tính toán chi phí: Bóc tách chi phí ở Chương 7 mới dừng lại ở mức ước tính sơ bộ theo khối lượng kim loại vật liệu chính, chưa tính toán chi tiết chi phí lắp đặt, tự động hóa đo lường điều khiển, chi phí nhân công và phân tích hiệu quả kinh tế hoàn vốn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật mẫu có giá trị tham khảo cao đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Nhiệt - Năng lượng: Tham khảo phương pháp luận, trình tự tính toán và cấu trúc một đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất & Thực phẩm theo đúng quy chuẩn kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị công nghệ: Có thể tra cứu trực tiếp các công thức tính toán thủy lực mâm xuyên lỗ, phương pháp tính trở lực mâm, kích thước bích tiêu chuẩn, và phương pháp tính toán chiều dày thiết bị chịu áp lực theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (Cân bằng vật chất, phương pháp vẽ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết và hiệu suất mâm) và Chương 4 (Tính toán chi tiết kích thước hình học, trở lực mâm và cơ khí thân tháp).

Câu hỏi thường gặp

1. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp chưng cất được tính toán ra bao nhiêu?

Theo kết quả vẽ đồ thị cân bằng pha và đường làm việc ở Chương 3, số mâm lý thuyết của tháp là $N^* = 8$ mâm (bao gồm 4 mâm cất, 3 mâm chưng và 1 mâm nhập liệu). Với hiệu suất trung bình của tháp tính toán được là $\eta_{tb} = 39,08%$, số mâm thực tế được chọn là $N_{tt} = 21$ mâm (gồm 10 mâm cất, 8 mâm chưng và 3 mâm nhập liệu).

2. Kích thước hình học cơ bản của tháp chưng cất là bao nhiêu?

Tháp có đường kính trong đồng nhất cho cả đoạn cất và đoạn chưng là $D_t = 0,9\text{ m}$ ($900\text{ mm}$). Khoảng cách giữa hai mâm là $h_{mâm} = 0,5\text{ m}$. Chiều cao thân tháp là $H_{thân} = 10,84\text{ m}$, chiều cao đáy và nắp là $0,325\text{ m}$, đưa tổng chiều cao toàn bộ tháp chưng cất đạt $H = 11,5\text{ m}$.

3. Mâm xuyên lỗ của tháp có quy cách thiết kế như thế nào?

Mâm được thiết kế dạng mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền với đường kính lỗ $d_1 = 3\text{ mm}$. Tổng diện tích mở lỗ chiếm $8%$ diện tích mâm, diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm. Các lỗ được bố trí so le theo hình lục giác đều (tam giác đều) với khoảng cách giữa tâm hai lỗ bằng $2,5$ lần đường kính lỗ ($7,5\text{ mm}$). Tổng số lỗ tính toán trên một mâm là $5677$ lỗ.

4. Vật liệu chế tạo thân tháp và bề dày thành thiết bị được chọn là bao nhiêu?

Thân tháp, đáy và nắp được chọn chế tạo từ thép carbon CT3 bằng phương pháp hàn hồ quang điện giáp mối hai bên. Bề dày tính toán chịu áp suất trong là $S'_t = 0,68\text{ mm}$, sau khi cộng hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học ($C_a = 2\text{ mm}$ cho thời gian làm việc 20 năm) và dung sai chế tạo ($C = 3,759\text{ mm}$), bề dày thực tế được xác định là $S_t = 4,45\text{ mm}$ và được quy chuẩn chọn $S_t = 5\text{ mm}$.

5. Dây chuyền tận dụng năng lượng nhiệt thừa như thế nào?

Hệ thống sử dụng một thiết bị trao đổi nhiệt đặt trước tháp để dẫn dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ cao sau khi ra khỏi nồi đun đáy tháp đi trao đổi nhiệt gián tiếp với dòng hỗn hợp nhập liệu $30^\circ\text{C}$, giúp nâng nhiệt độ dòng nhập liệu trước khi vào thiết bị gia nhiệt chính, đồng thời hạ nhiệt độ dòng lỏng thải đáy trước khi thải ra bồn chứa.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp Ethanol – Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ" của sinh viên Đỗ Huỳnh Trung đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho hệ thống chưng cất cồn công nghiệp với năng suất nhập liệu $2200\text{ L/h}$. Toàn bộ các bước từ tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, thủy lực tiếp xúc pha trên mâm xuyên lỗ cho đến kiểm tra độ bền thân tháp và bố trí thiết bị phụ trợ đều được thực hiện nhất quán, bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành hóa chất. Các thông số thu được ($D_t = 0,9\text{ m}$, $H = 11,5\text{ m}$, $21$ mâm thực tế, bề dày thân $5\text{ mm}$) đảm bảo tính khả thi cao và là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn tốt cho sinh viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học.