Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các ngành công nghiệp hiện đại như sản xuất hóa chất, dược phẩm, y tế, mỹ phẩm, sơn và dung môi công nghiệp, nhu cầu sử dụng ethanol có độ tinh khiết cao giữ vai trò thiết yếu. Hỗn hợp ethanol và nước là hệ dung dịch hai cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau với nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển (760 mmHg) lần lượt là 78,3°C và 100°C. Do cả hai cấu tử đều có khả năng bay hơi, các phương pháp phân tách cơ học thông thường như cô đặc hay trích ly đơn thuần không đem lại hiệu quả phân tách triệt để hoặc làm phức tạp hóa quy trình công nghệ vì phải bổ sung dung môi phụ trợ. Phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục được xem là giải pháp tối ưu nhằm nâng cao độ tinh khiết của ethanol công nghiệp.
Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất ethanol công nghiệp" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Lưu Thành Đạt, Lâm Kỳ Phước và Nguyễn Văn Vũ dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (thời gian thực hiện từ tháng 3/2017 đến tháng 7/2017).
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:
- Tìm hiểu ứng dụng sản xuất ethanol trong công nghiệp và khảo sát sơ đồ nguyên lý hoạt động của các hệ thống tháp chưng cất.
- Nghiên cứu, lựa chọn phương án công nghệ chưng cất liên tục mâm xuyên lỗ cấp nhiệt gián tiếp tại đáy tháp ở áp suất thường.
- Tính toán cơ khí chi tiết các cụm thiết bị: thùng nhập liệu, bồn gia nhiệt đáy tháp, thân tháp mâm xuyên lỗ, thiết bị ngưng tụ và hệ thống khung đỡ.
- Xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D trên AutoCAD và mô hình hóa 3D toàn bộ hệ thống bằng phần mềm Autodesk Inventor.
- Gia công, chế tạo thực tế mô hình tháp chưng cất và tích hợp hệ thống thiết bị đo lường - điều khiển công suất, nhiệt độ.
- Mục tiêu kỹ thuật trọng tâm: Thiết kế, chế tạo mô hình tháp chưng cất ethanol từ hỗn hợp ban đầu có nồng độ khoảng 10% để thu được sản phẩm đỉnh đạt nồng độ ethanol từ 90% đến 92%.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ hỗn hợp hai cấu tử Ethanol – Nước, quá trình truyền khối - truyền nhiệt trong thiết bị chưng cất tháp mâm và kết cấu cơ khí, điều khiển tự động của hệ thống chưng cất phân đoạn liên tục. Phạm vi thực nghiệm tập trung vào việc tính toán, chế tạo mô hình thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm/bán công nghiệp tại xưởng cơ khí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình công nghệ
Nghiên cứu dựa trên các nguyên lý nhiệt động học và truyền khối của quá trình chưng cất hỗn hợp hai cấu tử:
- Cân bằng pha lỏng - hơi: Cơ sở phân tách dựa trên sự chênh lệch độ bay hơi tương đối giữa ethanol và nước. Đường cân bằng pha lỏng ($x$) – hơi ($y$) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở áp suất khí quyển 760 mmHg được sử dụng làm dữ liệu gốc cho toàn bộ quá trình tính toán:
| Thành phần lỏng $x$ (% mol) | 0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Thành phần hơi $y$ (% mol) | 0 | 33,2 | 44,2 | 53,1 | 57,6 | 61,4 | 65,4 | 69,9 | 75,3 | 81,8 | 89,8 | 100 |
| Nhiệt độ sôi $t$ (°C) | 100 | 90,5 | 86,5 | 83,2 | 81,7 | 80,8 | 80,0 | 79,4 | 79,0 | 78,6 | 78,4 | 78,4 |
- Quy trình công nghệ chưng cất: Áp dụng mô hình công nghệ theo phương pháp Luyben (1982) cho hệ thống chưng cất phân đoạn liên tục có dòng hoàn lưu đỉnh nhằm tối ưu hóa quá trình tiếp xúc pha giữa dòng hơi đi từ dưới lên và dòng lỏng chảy từ trên xuống qua các đĩa tháp.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tính toán kỹ thuật và cơ học vật lý: Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định kích thước hình học thân tháp, kiểm nghiệm độ bền chịu áp suất trong và kiểm tra độ bền uốn đàn hồi tới hạn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị hóa chất.
- Phương pháp mô hình hóa và thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ chi tiết gia công cơ khí và Autodesk Inventor để dựng mô hình 3D, mô phỏng quá trình lắp ráp không gian của tháp chưng cất, bồn gia nhiệt, mặt bích và kết cấu khung đỡ.
- Phương pháp chế tạo và thực nghiệm: Gia công cơ khí (cắt phôi, lốc uốn tấm, hàn ghép kim loại, gia công mặt bích, đột lỗ mâm tháp), lắp ráp các cụm chi tiết và đấu nối mạch điều khiển điện tử phục vụ thử nghiệm vận hành hệ thống.
Nguồn dữ liệu và tài liệu kỹ thuật
Tác giả sử dụng các thông số tra cứu chuẩn từ cuốn Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 2) của Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật cùng các tài liệu chuyên khảo về thiết kế cơ khí và điều khiển quá trình hóa công.
Thiết kế kỹ thuật và chế tạo hệ thống
Hệ thống chưng cất được thiết kế theo dạng tháp thẳng đứng kết hợp với các thiết bị phụ trợ được bố trí trên một khung đỡ kim loại thống nhất.
1. Thông số thiết kế và tính toán cơ khí
| Cụm thiết bị | Thông số thiết kế | Kích thước và thông số kỹ thuật |
|---|---|---|
| Thùng nhập liệu | Dạng hình hộp lập phương | $a \times a \times h = 500 \times 500 \times 400\text{ mm}$, thể tích chứa 100 lít dung dịch |
| Bồn gia nhiệt đáy | Thân hình trụ đứng | Đường kính trong $D_t = 400\text{ mm}$, chiều cao bồn $H = 470\text{ mm}$ ($H/D_t = 1,175$) |
| Thân tháp chưng cất | Tháp đĩa mâm xuyên lỗ | Chiều cao tháp $H = 1,5\text{ m}$ (gồm 5 đĩa thực tế $N_{tt} = 5$, khoảng cách đĩa $H_d = 0,144\text{ m}$, chiều dày mâm $\delta = 0,0034\text{ m}$) |
| Bề dày vỏ thiết bị ($S$) | Vật liệu thép không gỉ | $S = 5\text{ mm}$, áp suất làm việc $P = 3,4\text{ bar}$ ($0,34\text{ N/mm}^2$), ứng suất cho phép $[f] = 135\text{ N/mm}^2$ |
| Kiểm tra ứng suất bền | Ứng suất nén và đàn hồi | Ứng suất tổng trọng lượng $\sigma_n = 4,08\text{ N/mm}^2 <$ Ứng suất uốn đàn hồi tới hạn $\sigma_{u_th} = 250\text{ N/mm}^2$ |
| Khung đỡ hệ thống | Thép không gỉ X18H10T | Chiều dài $\times$ Rộng $\times$ Cao: $1280 \times 750 \times 2000\text{ mm}$ ($E = 200.000\text{ N/mm}^2$) |
2. Hệ thống thiết bị đo lường và điều khiển tự động
Hệ thống điều khiển được thiết kế để kiểm soát chính xác nhiệt độ và công suất gia nhiệt, bao gồm:
- Bộ điều khiển công suất SCR (Silicon Controlled Rectifier): Sử dụng các module SCR 3PX-240EUN / SCR-3P-A220EC-C-FLK điều chỉnh góc mở để cấp nguồn cho các thanh điện trở gia nhiệt đáy bồn.
- Cảm biến nhiệt độ: Cặp nhiệt điện Thermocouple loại K (loại tiếp xúc trực tiếp) được lắp tại các vị trí đỉnh tháp, thân tháp và bồn gia nhiệt.
- Hệ thống van điện tử: Van điện từ Solenoid điều khiển dòng nhập liệu và tỷ số hoàn lưu đỉnh.
- Khối kết nối tín hiệu và giám sát: Khối ghép nối analog SC-68a, relay nhiệt TS-120S và chương trình điều khiển trung tâm được xây dựng trên môi trường phần mềm Matlab.
Nội dung chi tiết theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển của kỹ thuật chưng cất trên thế giới và tình hình nghiên cứu tại Việt Nam. Tác giả dẫn chứng các tài liệu lịch sử như cuốn Liber de arte destillandi của Hieronymus Braunschweig (xuất bản năm 1500, tái bản 1512) và cuốn The Art of Distillation của John French (năm 1651). Tại Việt Nam, đề tài chưng cất ethanol đã được nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM và Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
Chương này cũng phân tích, so sánh các phương pháp chưng cất (chưng cất đơn giản, chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp, chưng cất phân đoạn nhiều lần có dòng hồi lưu, chưng cất trích ly và chưng cất đẳng phí) cùng các dạng thiết bị chưng cất:
| Loại tháp | Ưu điểm | Nhược điểm |
|---|---|---|
| Tháp chêm (tháp đệm) | Cấu tạo đơn giản, trở lực dòng khí thấp. | Hiệu suất thấp, độ ổn định kém, khó làm việc với chất lỏng bẩn. |
| Tháp mâm xuyên lỗ | Hiệu suất tương đối cao, làm việc ổn định, kết cấu trung gian hợp lý. | Trở lực tương đối, chế tạo đĩa lỗ đòi hỏi độ chính xác kích thước. |
| Tháp mâm chóp | Hiệu suất rất cao, hoạt động rất ổn định, làm việc được với chất lỏng bẩn. | Cấu tạo phức tạp, trở lực cao, chi phí chế tạo lớn và khối lượng nặng. |
Dựa trên các phân tích so sánh, nhóm tác giả đã lựa chọn mô hình tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp tại đáy bồn làm phương án thiết kế chế tạo.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 tập trung vào tính chất lý - hóa học của hỗn hợp nguyên liệu Ethanol ($C_2H_5OH$) và Nước ($H_2O$), các phản ứng hóa học đặc trưng của nhóm hydroxyl (-OH), phản ứng este hóa, phản ứng oxy hóa và công nghệ lên men tạo ethanol từ tinh bột nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae.
Chương này mô tả chi tiết sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất theo phương pháp Luyben (1982): Dung dịch ethanol 10% từ bồn chứa nguyên liệu được gia nhiệt sơ bộ, sau đó máy bơm chuyển vào bồn gia nhiệt đáy tháp và đi vào đĩa nhập liệu qua van điều khiển ON/OFF. Dòng hơi bốc lên từ đáy gặp dòng lỏng chảy từ đỉnh xuống trên 5 mâm xuyên lỗ, xảy ra quá trình truyền chất liên tục. Hơi ethanol nồng độ cao đi qua đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ; một phần lỏng sau ngưng tụ được đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh, một phần được hồi lưu về đỉnh tháp qua bộ gia nhiệt hoàn lưu. Sản phẩm đáy (nước thải sau chưng cất) được làm nguội và xả bỏ.
Chương 3: Tính toán cơ khí một số chi tiết
Chương 3 trình bày toàn bộ các bước tính toán hình học và kiểm nghiệm cơ học chi tiết:
- Thùng nhập liệu: Dung tích $V = 100\text{ lít} = 10^8\text{ mm}^3$, thiết kế hình hộp với cạnh $a = 500\text{ mm}$, chiều cao $h = 400\text{ mm}$.
- Bồn gia nhiệt đáy: Đường kính trong $D_t = 400\text{ mm}$, chiều cao bồn $H = 470\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện $H/D_t = 1,175 < 30$.
- Bề dày thân tháp: Tính toán theo tải trọng áp suất làm việc $P = 3,4\text{ bar}$, chọn bề dày thân $S = 5\text{ mm}$.
- Kiểm tra ứng suất và tải trọng: Xác định trọng lượng thân tháp ($G_v \approx 25\text{ kN}$), trọng lượng hệ thống đĩa mâm và lớp cách nhiệt; kiểm tra ứng suất tổng nén $\sigma_n = 4,08\text{ N/mm}^2$ đạt điều kiện nhỏ hơn ứng suất đàn hồi giới hạn $\sigma_{u_th} = 250\text{ N/mm}^2$.
- Chiều cao toàn tháp: Tính theo công thức chuẩn $H = 5 \times (0,144 + 0,0034) + 0,8 \approx 1,5\text{ m}$.
- Khung đỡ: Kết cấu bằng thép không gỉ X18H10T với kích thước chiều dài 1280 mm, chiều rộng 750 mm, chiều cao tổng thể 2000 mm (chiều cao trụ đỡ $H_{tr} = 500\text{ mm}$).
Chương 4: Quy trình chế tạo, lắp ráp và vận hành tháp
Chương 4 lập bảng quy trình công nghệ chế tạo cho từng cụm chi tiết:
- Gia công chế tạo: Lập tiến trình các bước chế tạo bồn gia nhiệt, nắp bồn, mâm lỗ, thùng chứa nhập liệu và mặt bích liên kết thân - đáy.
- Lắp ráp hệ thống: Quy trình ghép nối bồn đáy, thân tháp mâm xuyên lỗ, thiết bị ngưng tụ, đường ống công nghệ và hệ thống khung đỡ chịu lực.
- Quy trình vận hành và xử lý sự cố: Hướng dẫn vận hành hệ thống cấp liệu, điều chỉnh dòng hồi lưu và bảng hướng dẫn xử lý các sự cố kỹ thuật liên quan đến hoạt động của bơm và hệ thống cấp nhiệt.
Chương 5: Các thiết bị điều khiển
Chương 5 giới thiệu chi tiết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và sơ đồ đấu nối của hệ thống điều khiển điện tử:
- Bộ điều khiển công suất SCR 3PX-240EUN và SCR-3P-A220EC-C-FLK điều khiển nguồn điện cấp cho tải nhiệt.
- Cặp nhiệt điện Thermocouple loại K dùng để đo nhiệt độ tại các vùng phản ứng.
- Bộ điều khiển điện tử đóng ngắt cho van Solenoid.
- Mạch giao tiếp tín hiệu tương tự (Analog) SC-68a kết nối với bộ chuyển đổi.
- Relay điều chỉnh nhiệt độ TS-120S và chương trình thuật toán giám sát, điều khiển trên phần mềm Matlab.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Kết quả đạt được
- Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống: Đã tính toán đầy đủ các thông số cơ khí, xác định kích thước hình học chính xác cho toàn bộ hệ thống tháp chưng cất mâm xuyên lỗ đường kính trong 400 mm, chiều cao tháp 1,5 m với 5 đĩa thực tế.
- Hồ sơ bản vẽ CAD 2D/3D: Xây dựng toàn bộ hệ thống bản vẽ thiết kế 2D trên AutoCAD và bản vẽ mô hình 3D hoàn chỉnh trên Autodesk Inventor cho bồn gia nhiệt, thân tháp, mâm lỗ, thùng chứa, mặt bích và khung đỡ.
- Chế tạo mô hình thực nghiệm: Gia công và lắp ráp hoàn thiện mô hình tháp chưng cất thực tế bằng vật liệu thép không gỉ chịu nhiệt, tích hợp hoàn chỉnh hệ thống van điện từ, cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại K và bộ điều khiển công suất SCR.
- Hiệu quả phân tách: Hệ thống đáp ứng mục tiêu chưng cất liên tục dung dịch ethanol nồng độ thấp (10%) để đạt nồng độ sản phẩm đỉnh từ 90% đến 92% ethanol.
Đóng góp kỹ thuật của đề tài
- Hiện thực hóa quy trình thiết kế cơ khí tích hợp điều khiển tự động cho tháp chưng cất quy mô bán công nghiệp, kết nối phương pháp tính toán hóa công với kỹ thuật chế tạo máy.
- Đề xuất quy trình công nghệ gia công chi tiết từng bước cho các bộ phận đặc thù của tháp hóa chất (bồn chịu áp suất, mâm xuyên lỗ, mặt bích ghép nối) phù hợp với điều kiện xưởng gia công cơ khí trong nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Mô hình nghiên cứu dừng lại ở quy mô thử nghiệm thực nghiệm với 5 đĩa mâm xuyên lỗ, năng suất vận hành ở mức mô hình pilot.
- Quá trình điều khiển trên phần mềm Matlab và các mạch giao tiếp SC-68a, SCR cần tiếp tục được tinh chỉnh để tối ưu hóa vòng lặp điều khiển kín trong điều kiện tải nhiệt thay đổi liên tục.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng thử nghiệm hệ thống với các dải nồng độ nhập liệu và lưu lượng khác nhau để lập bản đồ hiệu suất truyền khối của tháp mâm xuyên lỗ.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển nhiệt độ PID tự chỉnh định (Auto-tuning PID) hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Control) trên Matlab/Simulink nhằm nâng cao độ ổn định nồng độ sản phẩm đỉnh khi vận hành dài hạn.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí chế tạo: Tham khảo phương pháp tính toán độ bền thân hình trụ vỏ mỏng chịu áp lực trong, tính toán ứng suất nén/uốn đàn hồi tới hạn của tháp đứng và quy trình công nghệ gia công, lắp ráp thiết bị cơ khí hóa chất.
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng lỏng - hơi hệ hai cấu tử Ethanol - Nước, lựa chọn kích thước tháp mâm xuyên lỗ và tính toán thiết bị ngưng tụ theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
- Kỹ sư và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Tham khảo sơ đồ ứng dụng bộ điều khiển công suất SCR, cảm biến Thermocouple loại K, van điện từ Solenoid và giải pháp thu thập dữ liệu qua SC-68a kết nối với Matlab.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp chêm hay tháp mâm chóp?
Dựa trên phân tích kỹ thuật ở Chương 1, tháp chêm có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu suất thấp và độ ổn định kém; tháp mâm chóp có hiệu suất rất cao nhưng cấu tạo phức tạp, trở lực lớn và khối lượng nặng. Tháp mâm xuyên lỗ là giải pháp trung gian tối ưu: hiệu suất tương đối cao, hoạt động ổn định, trở lực vừa phải và quy trình chế tạo đĩa lỗ phù hợp với điều kiện cơ khí thực tế.
2. Các thông số kích thước hình học chính của tháp chưng cất và bồn gia nhiệt đáy là bao nhiêu?
Bồn gia nhiệt đáy có đường kính trong $D_t = 400\text{ mm}$, chiều cao $H = 470\text{ mm}$ ($H/D_t = 1,175$). Thân tháp có chiều cao $H = 1,5\text{ m}$ gồm 5 đĩa mâm thực tế ($N_{tt} = 5$), khoảng cách giữa các đĩa $H_d = 0,144\text{ m}$, chiều dày đĩa mâm $\delta = 0,0034\text{ m}$. Toàn bộ vỏ thiết bị dày $S = 5\text{ mm}$ bằng thép không gỉ chịu được áp suất thiết kế $P_t = 0,374\text{ N/mm}^2$.
3. Thùng chứa nhập liệu có kích thước và dung tích chứa như thế nào?
Thùng nhập liệu được thiết kế dạng hình hộp với kích thước đáy $a \times a = 500 \times 500\text{ mm}$, chiều cao $h = 400\text{ mm}$, tạo ra thể tích $V = 100.000.000\text{ mm}^3$ (tương đương dung tích chứa 100 lít hỗn hợp ethanol - nước 10%).
4. Hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ của tháp chưng cất bao gồm những thành phần phần cứng nào?
Phần cứng điều khiển gồm có: bộ điều khiển công suất SCR (mã hiệu SCR 3PX-240EUN / SCR-3P-A220EC-C-FLK) điều khiển điện trở gia nhiệt, cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện Thermocouple loại K, van điện từ Solenoid điều khiển đóng/mở dòng hồi lưu và nhập liệu, khối mạch ngõ nối Analog SC-68a, relay nhiệt TS-120S và máy tính chạy chương trình điều khiển bằng Matlab.
5. Sản phẩm đỉnh của tháp chưng cất đạt nồng độ mục tiêu là bao nhiêu?
Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống là chưng cất hỗn hợp nồng độ đầu vào khoảng 10% ethanol để thu được sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ có nồng độ ethanol đạt trên 90%, với chỉ tiêu thiết kế nhiệm vụ là 92% ethanol.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống chưng cất ethanol công nghiệp" đã giải quyết trọn vẹn chu trình từ tính toán lý thuyết truyền khối, thiết kế cơ khí chịu áp lực đến gia công chế tạo và tích hợp điều khiển tự động cho tháp chưng cất mâm xuyên lỗ. Hệ thống mô hình thực nghiệm được chế tạo từ thép không gỉ với các thông số kỹ thuật chuẩn xác ($D_t = 400\text{ mm}$, $H = 1,5\text{ m}$, 5 mâm lỗ), kết hợp bộ điều khiển SCR và phần mềm Matlab để đảm bảo khả năng tinh chế ethanol đạt nồng độ đỉnh 90 - 92%. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng cơ khí chế tạo thiết bị hóa công.