Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các ngành công nghiệp hóa chất, dệt may, sơn, vecni và tổng hợp polymer, acetone ($\text{CH}_3\text{COCH}_3$) đóng vai trò là một dung môi và nguyên liệu trung gian quan trọng. Để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật trong sản xuất, acetone đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao. Trong thực tế công nghệ, dung dịch acetone sau các quá trình phản ứng tổng hợp hoặc rửa chiết thường tồn tại dưới dạng hỗn hợp hai cấu tử hòa tan lẫn nhau với nước. Do acetone và nước có nhiệt độ sôi cách biệt đáng kể ở áp suất khí quyển (nhiệt độ sôi của acetone nguyên chất là $56{,}9^\circ\text{C}$ và của nước là $100^\circ\text{C}$) và không tạo thành hỗn hợp đẳng phí, phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục là giải pháp công nghệ phù hợp nhất để tách cấu tử dễ bay hơi với hiệu suất cao.
Đề tài "Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để tách hỗn hợp hai cấu tử (acetone – nước)" được thực hiện dưới dạng Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (mã học phần CH3440) tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Xá và do sinh viên Phạm Thị Huyền Trang thực hiện.
Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được quy định cụ thể theo các chỉ tiêu ban đầu:
- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống chưng luyện làm việc liên tục ở áp suất khí quyển ($P = 1\text{ at} \approx 760\text{ mmHg}$).
- Xác định các thông số công nghệ tối ưu: chỉ số hồi lưu thích hợp, số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết và số đĩa thực tế của tháp.
- Tính toán kích thước hình học chính của tháp chưng luyện đĩa lỗ có ống chảy chuyền (đường kính tháp đoạn luyện, đoạn chưng và chiều cao toàn tháp).
- Tính toán thủy lực, trở lực của đĩa và toàn bộ thân tháp để đảm bảo chế độ làm việc ổn định, tránh hiện tượng ngập lụt hoặc tạo bọt quá mức.
- Tính toán cơ khí cho thân tháp, đáy, nắp, bích nối và chọn vật liệu chế tạo phù hợp.
- Tính toán và lựa chọn các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền công nghệ (thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, thiết bị đun sôi đáy tháp, thiết bị ngưng tụ đỉnh, thiết bị làm lạnh sản phẩm và bơm ly tâm).
- Xây dựng bản vẽ sơ đồ dây chuyền công nghệ (khổ A4) và bản vẽ lắp thiết bị chính (khổ A1).
Đối tượng và phạm vi thiết kế:
- Đối tượng nghiên cứu/thiết kế: Hệ thống tháp chưng luyện đĩa lỗ có ống chảy chuyền và các thiết bị truyền nhiệt, truyền khối phụ trợ đi kèm.
- Phạm vi thông số đầu vào:
- Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: $F = 6700\text{ kg/h}$.
- Nồng độ phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi (acetone) trong hỗn hợp đầu: $a_F = 42%$.
- Nồng độ phần khối lượng acetone trong sản phẩm đỉnh: $a_P = 98%$.
- Nồng độ phần khối lượng acetone trong sản phẩm đáy: $a_W = 1{,}6%$.
- Trạng thái nhiệt của dòng nhập liệu: đi vào tháp ở nhiệt độ sôi ($t_F = 65{,}34^\circ\text{C}$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án áp dụng các nguyên lý truyền khối, truyền nhiệt và thủy động lực học trong kỹ thuật hóa học để giải quyết bài toán thiết kế hệ thống phân tách hỗn hợp lỏng:
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
1. Kiến trúc sơ đồ quy trình công nghệ
Quy trình chưng luyện liên tục được tổ chức tuần hoàn khép kín gồm các cụm thiết bị:
- Cụm nạp liệu: Hỗn hợp đầu từ bồn chứa $T\text{-}1$ được bơm ly tâm $P\text{-}1$ (có bơm dự phòng $P\text{-}2$) đẩy qua lưu lượng kế $F\text{-}1$ vào thiết bị gia nhiệt dạng ống chùm $H\text{-}1$. Tại đây, dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi ($t_F = 65{,}34^\circ\text{C}$) trước khi nạp vào tháp tại đĩa tiếp liệu.
- Cụm tháp chưng luyện ($E\text{-}1$): Tháp mâm xuyên lỗ vận hành liên tục. Hơi bay lên từ đĩa tiếp xúc nghịch dòng với pha lỏng chảy xuống qua các ống chảy chuyền.
- Cụm đỉnh tháp: Hơi giàu acetone thoát ra ở đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ $C\text{-}2$. Sau ngưng tụ, chất lỏng đi qua cơ cấu phân dòng $R\text{-}2$: một phần hồi lưu trở lại đĩa trên cùng của tháp theo tỷ số $R_{th} = 0{,}86$, phần còn lại đưa qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh $C\text{-}3$ hạ nhiệt độ xuống $20^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa sản phẩm đỉnh $T\text{-}3$.
- Cụm đáy tháp: Dung dịch đáy giàu nước qua cơ cấu hồi lưu đáy $R\text{-}1$, một phần được đun sôi tuần hoàn qua thiết bị gia nhiệt đáy tháp $H\text{-}2$, phần sản phẩm đáy được tháo ra liên tục qua thiết bị làm lạnh $C\text{-}1$ về bồn chứa $T\text{-}2$. Hệ thống bố trí các cốc tháo nước ngưng $X\text{-}1, X\text{-}2$ sau các thiết bị đun nóng.
[Ngưng tụ C-2] [Bộ phân dòng R-1]
2. Tổng hợp thông số kỹ thuật thiết bị chính và thiết bị phụ
| Hạng mục thiết kế |
Thông số kỹ thuật |
Giá trị tính toán |
Đơn vị |
| Cân bằng vật liệu |
Suất lượng hỗn hợp đầu ($G_F$) |
$6700$ |
$\text{kg/h}$ |
|
Suất lượng sản phẩm đỉnh ($G_P$) |
$2808{,}25$ |
$\text{kg/h}$ |
|
Suất lượng sản phẩm đáy ($G_W$) |
$3891{,}71$ |
$\text{kg/h}$ |
|
Nồng độ mol nhập liệu ($x_F$) |
$0{,}183$ |
phần mol |
|
Nồng độ mol đỉnh ($x_P$) |
$0{,}938$ |
phần mol |
|
Nồng độ mol đáy ($x_W$) |
$0{,}005$ |
phần mol |
| Chỉ số hồi lưu & Đĩa |
Chỉ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) |
$0{,}374$ |
- |
|
Chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_{th}$) |
$0{,}860$ |
- |
|
Số đĩa lý thuyết đoạn luyện / chưng / tổng |
$5\ /\ 3\ /\ 8$ |
đĩa |
|
Hiệu suất đĩa đoạn luyện / chưng / trung bình |
$52{,}75\ /\ 31{,}8\ /\ 41{,}11$ |
$%$ |
|
Số đĩa thực tế đoạn luyện / chưng / tổng |
$10\ /\ 10\ /\ 20$ |
đĩa |
| Kích thước tháp |
Đường kính đoạn luyện ($D_L$) |
$1{,}0$ (quy chuẩn) |
$\text{m}$ |
|
Đường kính đoạn chưng ($D_C$) |
$0{,}8$ (quy chuẩn) |
$\text{m}$ |
|
Khoảng cách giữa hai đĩa ($h$) |
$0{,}35$ |
$\text{m}$ |
|
Chiều dày đĩa ($\delta$) / Khoảng hở đỉnh-đáy ($\Delta h$) |
$0{,}003\ /\ 0{,}8$ |
$\text{m}$ |
|
Đường kính lỗ đĩa ($d$) / Bước lỗ ($t$) |
$3\ /\ 10$ |
$\text{mm}$ |
|
Tiết diện tự do của đĩa ($\varepsilon$) |
$8$ |
$%$ |
| Thủy lực & Trở lực |
Tổng trở lực đoạn luyện ($\Delta P_{luyện}$) |
$4014{,}4$ |
$\text{N/m}^2$ |
|
Tổng trở lực đoạn chưng ($\Delta P_{chưng}$) |
$5411{,}6$ |
$\text{N/m}^2$ |
|
Tổng trở lực toàn tháp ($\Delta P$) |
$9426{,}0$ |
$\text{N/m}^2$ |
| Cân bằng năng lượng |
Tiêu hao hơi đốt gia nhiệt đầu vào ($D_1$) |
$498{,}3$ |
$\text{kg/h}$ |
|
Tiêu hao hơi đốt đun sôi đáy tháp ($D_2$) |
$1625{,}0$ |
$\text{kg/h}$ |
|
Ẩn nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh ($r_{nt(P)}$) |
$559.173{,}86$ |
$\text{J/kg}$ |
| Cơ khí & Ống nối |
Vật liệu chế tạo thiết bị |
Thép không gỉ $\text{X18H10T}$ |
- |
|
Vận tốc lỏng nhập liệu trong ống |
$0{,}25$ |
$\text{m/s}$ |
|
Đường kính trong ống nạp liệu tính toán / quy chuẩn |
$105\ /\ 125$ |
$\text{mm}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Phần mở đầu nêu rõ vai trò của công nghệ chưng cất trong việc sản xuất các hóa chất có độ tinh khiết cao phục vụ công nghiệp. Đặt ra bài toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hệ hai cấu tử acetone – nước năng suất $6700\text{ kg/h}$ hỗn hợp đầu, nồng độ sản phẩm đỉnh đạt $98%$ khối lượng, sản phẩm đáy chứa không quá $1{,}6%$ khối lượng acetone.
Chương 1: Tổng quan
- Tính chất lý hóa và ứng dụng của acetone: Trình bày công thức phân tử $\text{CH}_3\text{COCH}_3$ ($M = 58{,}079\text{ g/mol}$), khối lượng riêng $d_4^{20}$, nhiệt dung riêng $C_p = 22\text{ kcal/mol}$ (ở $102^\circ\text{C}$), độ nhớt $0{,}316\text{ cP}$ ($25^\circ\text{C}$). Tổng hợp các tính chất hóa học đặc trưng: phản ứng cộng hợp natri bisunfit, cộng hợp $\text{HCN}$, ngưng tự tạo 4-hydroxy-4-methyl-2-pentanone, phản ứng khử hóa và tính bền vững trước các chất oxy hóa thông thường.
- Phương pháp sản xuất acetone trong công nghiệp: Phân tích các con đường tổng hợp như oxy hóa rượu bậc hai, nhiệt phân muối canxi theo phương pháp Piria, oxy hóa cumene hydroperoxide thành phenol và acetone, oxy hóa doğrudan butan - propan, và phương pháp dehydro hóa isopropyl alcohol xúc tác đồng/oxit kim loại ở $325^\circ\text{C}$ đạt hiệu suất $97%$.
- Lựa chọn công nghệ và loại thiết bị: Phân tích bản chất hỗn hợp acetone – nước (tan vô hạn, không tạo điểm đẳng phí, chênh lệch nhiệt độ sôi lớn) để khẳng định phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục là tối ưu. So sánh kỹ thuật giữa 3 loại tháp tiếp xúc pha:
| Tiêu chí |
Tháp chêm (tháp đệm) |
Tháp mâm xuyên lỗ |
Tháp mâm chóp |
| Ưu điểm |
Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp, làm việc được với chất bẩn nếu dùng đệm cầu. |
Trở lực tương đối thấp, hiệu suất truyền khối khá cao, làm việc khá ổn định. |
Hiệu suất rất cao, làm việc rất ổn định với dải lưu lượng rộng. |
| Nhược điểm |
Hiệu ứng thành lớn làm giảm hiệu suất truyền khối, khó tăng năng suất, khó làm sạch. |
Không thích hợp cho chất lỏng quá bẩn, kết cấu gia công đòi hỏi độ chính xác. |
Trở lực lớn, tiêu tốn nhiều kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp, giá thành cao. |
| Đánh giá |
Không chọn do giới hạn năng suất |
Lựa chọn cho đồ án |
Không chọn do chi phí vật tư và trở lực lớn |
- Quy trình công nghệ: Thiết lập sơ đồ nguyên lý gồm 18 thiết bị chính và phụ trợ, mô tả chi tiết đường đi của dòng hơi, dòng lỏng và các chu trình hồi lưu đỉnh/đáy.
Chương 2: Tính toán kỹ thuật thiết bị chính
- Cân bằng vật chất: Tính toán chuyển đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol ($x_F = 0{,}183$; $x_P = 0{,}938$; $x_W = 0{,}005$). Xác định lưu lượng hỗn hợp nạp $G_F = 264{,}32\text{ kmol/h}$, qua đó tính ra lưu lượng sản phẩm đỉnh $G_P = 2808{,}25\text{ kg/h}$ ($48{,}96\text{ kmol/h}$) và sản phẩm đáy $G_W = 3891{,}71\text{ kg/h}$ ($215{,}36\text{ kmol/h}$).
- Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:
- Từ đồ thị cân bằng $y-x$, xác định tung độ giao điểm $B_{max} = 0{,}683$, tính ra chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{min} = \frac{x_P}{B_{max}} - 1 = 0{,}374$.
- Khảo sát 9 giá trị hồi lưu $R_i$ theo hệ số dư $\beta$ từ $1{,}2$ đến $2{,}5$. Lập bảng quan hệ giữa $R_i$, số đĩa lý thuyết $N_i$ và hàm mục tiêu $N(R+1)$:
| Hệ số $\beta$ |
Chỉ số hồi lưu $R$ |
Tung độ $B$ |
Số đĩa lý thuyết $N$ |
Hàm mục tiêu $N(R+1)$ |
| $1{,}2$ |
$0{,}449$ |
$0{,}648$ |
$11{,}2$ |
$16{,}23$ |
| $1{,}4$ |
$0{,}524$ |
$0{,}616$ |
$9{,}2$ |
$14{,}02$ |
| $1{,}7$ |
$0{,}636$ |
$0{,}574$ |
$7{,}8$ |
$12{,}76$ |
| $1{,}8$ |
$0{,}673$ |
$0{,}561$ |
$7{,}5$ |
$12{,}55$ |
| $1{,}9$ |
$0{,}711$ |
$0{,}549$ |
$7{,}3$ |
$12{,}49$ |
| $2{,}0$ |
$0{,}748$ |
$0{,}537$ |
$7{,}1$ |
$12{,}41$ |
| $2{,}3$ |
$0{,}860$ |
$0{,}504$ |
$6{,}5$ |
$12{,}09$ (Cực tiểu) |
| $2{,}4$ |
$0{,}898$ |
$0{,}494$ |
$6{,}7$ |
$12{,}71$ |
| $2{,}5$ |
$0{,}935$ |
$0{,}485$ |
$6{,}8$ |
$13{,}16$ |
- Điểm cực tiểu đạt tại $R_{th} = 0{,}860$ tương ứng với thể tích tháp nhỏ nhất.
- Tính toán số đĩa thực tế và chiều cao tháp:
- Dựa vào đồ thị McCabe - Thiele: $N_{lt(L)} = 5$ đĩa, $N_{lt(C)} = 3$ đĩa, tổng $N_{lt} = 8$ đĩa.
- Tính toán độ bay hơi tương đối và độ nhớt hỗn hợp lỏng theo nhiệt độ từng đoạn, xác định hiệu suất đĩa trung bình: đoạn luyện $\eta_{tb(L)} = 52{,}75%$, đoạn chưng $\eta_{tb(C)} = 31{,}8%$, toàn tháp $\eta_{tb} = 41{,}11%$.
- Số đĩa thực tế: đoạn luyện $N_{tt(L)} = 10$ đĩa, đoạn chưng $N_{tt(C)} = 10$ đĩa, tổng số đĩa toàn tháp $N_{tt} = 20$ đĩa.
- Kích thước chiều cao: Khoảng cách giữa các đĩa chọn $h = 0{,}35\text{ m}$, chiều dày đĩa $\delta = 3\text{ mm}$, khoảng không gian dự phòng đỉnh - đáy $\Delta h = 0{,}8\text{ m}$. Chiều cao phần làm việc đoạn luyện $H_L = 3{,}53\text{ m}$, đoạn chưng $H_C = 3{,}53\text{ m}$.
- Tính toán đường kính tháp:
- Tốc độ giới hạn pha hơi tránh ngập lụt: $\omega_{gh} = 0{,}05 \sqrt{\frac{\rho_x}{\rho_y}}$. Chọn tốc độ làm việc $\omega_h = 0{,}8 \omega_{gh}$.
- Đoạn luyện: Lượng hơi trung bình $g_{tbL} = 4320{,}7\text{ kg/h}$, $\rho_{x} = 803{,}99\text{ kg/m}^3$, $\rho_{y} = 1{,}78\text{ kg/m}^3$, $\omega_{h} = 0{,}85\text{ m/s} \rightarrow$ Đường kính tính toán $D_L = 0{,}949\text{ m}$, quy chuẩn $D_L = 1{,}0\text{ m}$.
- Đoạn chưng: Lượng hơi trung bình $g'{tbC} = 2412{,}5\text{ kg/h}$, $\rho'{x} = 907{,}52\text{ kg/m}^3$, $\rho'{y} = 1{,}075\text{ kg/m}^3$, $\omega'{h} = 1{,}165\text{ m/s} \rightarrow$ Đường kính tính toán $D_C = 0{,}775\text{ m}$, quy chuẩn $D_C = 0{,}8\text{ m}$.
- Cân bằng nhiệt lượng:
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu ($H\text{-}1$): Gia nhiệt dung dịch từ $20^\circ\text{C}$ lên $65{,}34^\circ\text{C}$, tiêu tốn $D_1 = 498{,}3\text{ kg/h}$ hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}6^\circ\text{C}$).
- Đáy tháp ($H\text{-}2$): Cung cấp nhiệt lượng duy trì bốc hơi với lượng hơi đốt tiêu hao $D_2 = 1625\text{ kg/h}$ ($Q_{D2} = 4.397.250\text{ kJ/h}$).
- Thiết bị ngưng tụ ($C\text{-}2$) và làm lạnh ($C\text{-}1, C\text{-}3$): Xác định các dòng tải nhiệt ngưng tụ hoàn toàn và làm lạnh sản phẩm từ nhiệt độ ngưng tụ về $20^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát ($20^\circ\text{C} \rightarrow 45^\circ\text{C}$).
- Tính toán thủy lực và trở lực tháp:
- Đoạn luyện: Trở lực đĩa khô $\Delta P_{kL} = 186{,}49\text{ N/m}^2$, sức căng bề mặt $\Delta P_{sL} = 18{,}46\text{ N/m}^2$, cột chất lỏng $\Delta P_{tL} = 196{,}49\text{ N/m}^2 \rightarrow$ Trở lực một đĩa $\Delta P_{dL} = 401{,}44\text{ N/m}^2$, toàn đoạn luyện $\Delta P_L = 4014{,}4\text{ N/m}^2$.
- Đoạn chưng: $\Delta P_{kC} = 235{,}02\text{ N/m}^2$, $\Delta P_{sC} = 17{,}43\text{ N/m}^2$, $\Delta P_{tC} = 288{,}71\text{ N/m}^2 \rightarrow$ Trở lực một đĩa $\Delta P_{dC} = 541{,}16\text{ N/m}^2$, toàn đoạn chưng $\Delta P_C = 5411{,}6\text{ N/m}^2$.
- Tổng trở lực tháp: $\Delta P = 9426{,}0\text{ N/m}^2$.
- Tính toán cơ khí thân tháp và ống nối:
- Chọn vật liệu chế tạo là thép không gỉ $\text{X18H10T}$ chịu ăn mòn và nhiệt độ vận hành $20 - 100^\circ\text{C}$.
- Tính toán đường kính ống nạp liệu: lưu lượng thể tích $V = 2{,}16 \cdot 10^{-3}\text{ m}^3\text{/s}$, vận tốc lỏng tự chảy $\omega = 0{,}25\text{ m/s} \rightarrow$ Đường kính trong $d_{t(F)} = 105\text{ mm}$, chọn đường kính ống quy chuẩn $d_{t(F)} = 125\text{ mm}$.
Chương 3: Tính toán thiết bị phụ
- Trình bày phương pháp tính toán hiệu số nhiệt độ trung bình, hệ số cấp nhiệt và diện tích bề mặt truyền nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm gia nhiệt hỗn hợp đầu.
- Tính toán cột áp thủy lực toàn phần $\Delta p$ và xác định công suất bơm ly tâm vận chuyển hỗn hợp nạp liệu.
- Tính toán phụ tải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh tháp.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả kỹ thuật chính
- Bản tính toán hoàn thiện dây chuyền chưng cất phân tách hỗn hợp acetone – nước với năng suất $6700\text{ kg/h}$, tách thành công $2808{,}25\text{ kg/h}$ acetone tinh khiết nồng độ $98%$ ở đỉnh và $3891{,}71\text{ kg/h}$ dòng nước thải ở đáy có hàm lượng acetone giảm xuống $1{,}6%$.
- Tối ưu hóa được chế độ công nghệ với chỉ số hồi lưu thích hợp $R_{th} = 0{,}860$, đảm bảo thể tích làm việc của tháp đạt mức tối thiểu.
- Xác định quy cách chế tạo thiết bị chính: tháp dạng hình trụ gồm 2 phân đoạn đường kính khác nhau ($D_L = 1{,}0\text{ m}$ và $D_C = 0{,}8\text{ m}$) với tổng cộng 20 đĩa lỗ thực tế, khoảng cách đĩa $0{,}35\text{ m}$, vận hành với tổng trở lực thủy lực an toàn $\Delta P = 9426\text{ N/m}^2$.
- Xác lập đầy đủ bảng tiêu hao năng lượng hơi đốt ($D_1 = 498{,}3\text{ kg/h}; D_2 = 1625\text{ kg/h}$) và lưu lượng nước làm mát.
2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất
- Sử dụng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền thay vì tháp mâm chóp nhằm giảm trở lực dòng hơi, giảm khối lượng kim loại chế tạo và giảm chi phí đầu tư trong khi vẫn duy trì hiệu suất tách cao.
- Áp dụng phân đoạn đường kính tháp ($1{,}0\text{ m}$ ở đoạn luyện và $0{,}8\text{ m}$ ở đoạn chưng) tương ứng với sự biến thiên của lưu lượng thể tích pha hơi trong từng đoạn, giúp duy trì tốc độ dòng hơi luôn đạt $80%$ tốc độ giới hạn, chống hiện tượng sục bọt quá mức hoặc tạo giọt bắn lôi cuốn.
- Sử dụng vật liệu thép không gỉ hợp kim $\text{X18H10T}$ cho toàn bộ thân tháp và nắp/đáy để chống chịu tính ăn mòn hóa học của hỗn hợp hữu cơ ở nhiệt độ sôi.
- Bố trí hệ thống bơm dự phòng ($P\text{-}2$) lắp song song với bơm chính ($P\text{-}1$) nhằm đảm bảo tính liên tục của dây chuyền sản xuất khi xảy ra sự cố kỹ thuật.
3. Đóng góp của đồ án
Tác giả đã hệ thống hóa quy trình tính toán thiết kế công nghệ và cơ khí cho một hệ tháp chưng luyện công nghiệp hoàn chỉnh từ các phương trình truyền khối, cân bằng nhiệt động đến các bước quy chuẩn cơ khí, liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết môn học Quá trình - Thiết bị với thực tiễn thiết kế thiết bị hóa chất.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt động và thủy lực được xây dựng dựa trên giả thiết chế độ làm việc ở trạng thái dừng, áp suất khí quyển cố định ($760\text{ mmHg}$) và mức tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh lấy theo hệ số kinh nghiệm cố định ($5%$).
- Các thông số hình học của đĩa (bước lỗ, chiều cao gờ tràn, đường kính lỗ) được chọn định hình từ sổ tay tra cứu tiêu chuẩn mà chưa tiến hành mô phỏng thủy động lực học chuyên sâu (CFD) để đánh giá phân bố dòng chảy cục bộ trên bề mặt đĩa.
- Hướng mở rộng:
- Khảo sát sự thay đổi của các thông số vận hành khi áp suất đỉnh tháp biến động hoặc khi thành phần nguyên liệu đầu vào thay đổi.
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học (như Aspen HYSYS, Aspen Plus) để kiểm chứng, đối soát các kết quả tính toán giải tích và tối ưu hóa hệ thống tích hợp nhiệt (pinch analysis) nhằm tiết kiệm hơi đốt đáy tháp.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa chất, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Môi trường và Kỹ thuật Quá trình khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (CH3440) hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế thiết bị truyền khối.
- Kỹ sư thiết kế công nghệ cần tài liệu tham khảo từng bước tính toán chi tiết: từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định đường kính đoạn luyện/đoạn chưng, tính toán trở lực đĩa lỗ cho đến lựa chọn quy chuẩn ống nối và phụ kiện tháp.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tháp chưng luyện lại được thiết kế với hai đường kính khác nhau ở đoạn luyện ($1{,}0\text{ m}$) và đoạn chưng ($0{,}8\text{ m}$)?
Lưu lượng và khối lượng riêng của pha hơi ở đoạn luyện ($g_{tbL} = 4320{,}7\text{ kg/h}$; $\rho_y = 1{,}78\text{ kg/m}^3$) lớn hơn nhiều so với đoạn chưng ($g'_{tbC} = 2412{,}5\text{ kg/h}$; $\rho_y = 1{,}075\text{ kg/m}^3$). Để duy trì tốc độ làm việc của pha hơi bằng $80%$ tốc độ tới hạn tránh tạo bọt, đường kính tính toán đoạn luyện ra $0{,}949\text{ m}$ (quy chuẩn thành $1{,}0\text{ m}$) và đoạn chưng ra $0{,}775\text{ m}$ (quy chuẩn thành $0{,}8\text{ m}$).
2. Tiêu chí nào được sử dụng để chọn chỉ số hồi lưu thích hợp $R_{th} = 0{,}860$?
Chỉ số hồi lưu thích hợp được chọn dựa trên điểm cực tiểu của hàm số $N(R+1)$, đại diện cho thể tích không gian làm việc của tháp. Qua khảo sát 9 giá trị hồi lưu ($R_i$ từ $0{,}449$ đến $0{,}935$), tại $R = 0{,}860$ tích số $N(R+1)$ đạt giá trị nhỏ nhất là $12{,}09$, giúp giảm thiểu kích thước và chi phí chế tạo tháp.
3. Tại sao tháp mâm xuyên lỗ được lựa chọn thay vì tháp chêm hay tháp mâm chóp?
Tháp mâm xuyên lỗ có cấu tạo đơn giản hơn, khối lượng nhẹ hơn và chi phí vật tư thấp hơn nhiều so với tháp mâm chóp, đồng thời có trở lực tương đối thấp và hiệu suất truyền khối ổn định hơn tháp chêm (vốn hay gặp hiệu ứng thành khi tăng năng suất thiết bị).
4. Tổng trở lực của tháp chưng luyện được tính toán gồm những thành phần nào?
Tổng trở lực toàn tháp ($\Delta P = 9426\text{ N/m}^2$) được tính bằng tổng trở lực của 10 đĩa đoạn luyện ($\Delta P_L = 4014{,}4\text{ N/m}^2$) và 10 đĩa đoạn chưng ($\Delta P_C = 5411{,}6\text{ N/m}^2$). Trở lực trên mỗi đĩa bao gồm: trở lực đĩa khô ($\Delta P_k$), trở lực do sức căng bề mặt chất lỏng ($\Delta P_s$) và trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa ($\Delta P_t$).
5. Lượng hơi đốt tiêu tốn để vận hành hệ thống là bao nhiêu và sử dụng loại hơi đốt nào?
Hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $2\text{ at}$ ($119{,}6^\circ\text{C}$). Lượng hơi đốt tiêu hao để đun nóng hỗn hợp đầu từ $20^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi ($65{,}34^\circ\text{C}$) là $D_1 = 498{,}3\text{ kg/h}$, và lượng hơi đốt cung cấp tại đáy tháp để duy trì quá trình bốc hơi liên tục là $D_2 = 1625\text{ kg/h}$.
Kết luận
Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc tính toán và thiết kế kỹ thuật cho hệ thống chưng luyện liên tục tách hỗn hợp acetone – nước với năng suất nhập liệu $6700\text{ kg/h}$ ở áp suất thường. Các thông số công nghệ cốt lõi bao gồm chỉ số hồi lưu thích hợp $R_{th} = 0{,}860$, cấu trúc tháp đĩa lỗ 20 đĩa thực tế với đường kính phân đoạn $1{,}0\text{ m} / 0{,}8\text{ m}$ chế tạo bằng thép không gỉ $\text{X18H10T}$. Hệ thống tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thủy động lực học được thực hiện chi tiết, logic, tuân thủ đúng các quy chuẩn thiết kế thiết bị công nghệ hóa chất.
