Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Rượu etylic (ethanol, công thức hóa học $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$) là hợp chất hữu cơ quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống:

  • Làm nguyên liệu tổng hợp hóa dược, sản xuất axit axetic, cao su tổng hợp và đồ uống có cồn.
  • Làm dung môi công nghiệp trong pha chế vecni, hương liệu, mỹ phẩm và nước hoa.
  • Ứng dụng làm nhiên liệu sinh học (xăng sinh học E5, E10) và dung dịch chống đông lạnh nhờ nhiệt độ đóng băng thấp.
  • Sử dụng trong y tế làm chất sát trùng, khử khuẩn (hiệu quả tối ưu ở nồng độ 70% thể tích nhờ cơ chế làm biến tính protein và hòa tan màng lipid của vi sinh vật; dung dịch gel rửa tay kháng khuẩn thường ở nồng độ 62%).

Hỗn hợp nhị phân etanol – nước là hệ chất lỏng tan vô hạn, có độ chênh lệch nhiệt độ sôi rõ rệt ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$ ($78,3^\circ\text{C}$ đối với etanol tinh khiết và $100^\circ\text{C}$ đối với nước). Phương pháp chưng cất phân đoạn liên tục trong tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền là giải pháp công nghệ tối ưu để tách và nâng cao độ tinh khiết của etanol từ dung dịch có nồng độ ban đầu thấp.

Đề tài "Thiết kế hệ thống chưng cất etylic - nước với năng suất 800L/h" do sinh viên Khoa Năng lượng Nhiệt – Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện, nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Xác định chế độ công nghệ và thiết lập cân bằng vật chất toàn hệ thống với năng suất sản phẩm đỉnh đạt $800\text{ L/h}$ ($0,8\text{ m}^3\text{/h}$).
  2. Tính toán tỉ số hoàn lưu làm việc tối ưu, xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp chưng cất.
  3. Tính toán kích thước công nghệ và kiểm tra thủy động lực học của tháp (đường kính tháp, trở lực mâm, kiểm tra giới hạn ngập lụt).
  4. Tính toán độ bền cơ khí chi tiết cho các bộ phận chính của tháp (bề dày thân, đáy, nắp, bích liên kết, đường kính ống dẫn, chân đỡ thiết bị).
  5. Thiết kế và tính toán nhiệt cho toàn bộ hệ thống thiết bị truyền nhiệt phụ trợ (thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, nồi đun đáy tháp, thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt dòng đáy và thiết bị gia nhiệt nhập liệu).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chưng cất hỗn hợp nhị phân etanol – nước làm việc liên tục ở áp suất khí quyển.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật:
    • Năng suất sản phẩm đỉnh: $V_D = 800\text{ L/h} = 0,8\text{ m}^3\text{/h}$.
    • Nồng độ dòng nhập liệu ($x_F$): $15%\text{ mol}$ etanol ($31%\text{ khối lượng}$).
    • Nồng độ dòng sản phẩm đỉnh ($x_D$): $85%\text{ mol}$ etanol ($93,5%\text{ khối lượng}$).
    • Nồng độ dòng sản phẩm đáy ($x_W$): $0,19%\text{ mol}$ etanol ($0,48%\text{ khối lượng}$).
    • Nhiệt độ dòng nhập liệu ban đầu: $t'_F = 25^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: $t'_D = 35^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: $t'_W = 60^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng các nguyên lý nhiệt động học cân bằng pha lỏng – hơi và kỹ thuật quá trình truyền khối, truyền nhiệt trong kỹ thuật hóa chất:

  • Khung lý thuyết và mô hình cân bằng pha:

    • Hệ phương trình cân bằng vật chất toàn phần và cấu tử: $F = D + W$ và $F \cdot x_F = D \cdot x_D + W \cdot x_W$.
    • Đồ thị cân bằng pha lỏng – hơi ($y-x$) của hệ etanol – nước ở áp suất $760\text{ mmHg}$. Do đường cân bằng của hệ có điểm uốn đặc thù, tỉ số hoàn lưu tối thiểu ($R_{\min}$) được xác định thông qua phương pháp vẽ đường tiếp tuyến từ điểm $(x_D, x_D) = (0,85; 0,85)$ tới điểm uốn của đường cân bằng, cắt trục tung tại giá trị tung độ $y_0 = 0,26$.
    • Tỉ số hoàn lưu làm việc được xác định theo hệ số kinh nghiệm: $R_x = 1,3 \cdot R_{\min}$.
    • Phương trình đường làm việc của đoạn cất và đoạn chưng dẫn xuất từ tỉ số hoàn lưu và chỉ số nhập liệu $f = F/D$.
    • Xác định số mâm lý thuyết bằng phương pháp dựng bậc thang trên đồ thị cân bằng pha $y-x$.
    • Hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) được tính từ độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt chất lỏng ($\mu$) tại 3 vị trí đặc trưng: đỉnh tháp ($\eta_D$), mâm nhập liệu ($\eta_F$) và đáy tháp ($\eta_W$).

  • Phương pháp tính toán thủy động lực học và cơ khí:

    • Vận tốc hơi giới hạn qua mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền để chống hiện tượng tạo bọt và cuốn giọt: $\omega_{gh} = 0,05 \cdot \sqrt{\rho_{x}/\rho_{y}}$. Vận tốc hơi làm việc chọn bằng $80%$ vận tốc giới hạn ($\omega_h = 0,8 \cdot \omega_{gh}$).
    • Tính toán tổn thất áp suất (độ giảm áp) qua một mâm: $h_{tl} = h_k + h_l + h_R$ (bao gồm độ giảm áp qua mâm khô $h_k$, độ giảm áp do lớp chất lỏng trên mâm $h_l$ theo phương trình Francis và độ giảm áp do sức căng bề mặt $h_R$).
    • Kiểm tra điều kiện làm việc ổn định không ngập lụt: chiều cao mức chất lỏng trong ống chảy chuyền $h_d \le h_{\text{mâm}} / 2$.
    • Tính toán bề dày thân tháp hình trụ chịu áp suất trong theo tiêu chuẩn chế tạo thiết bị hóa chất, có bổ sung dung sai ăn mòn hóa học cho vật liệu thép không gỉ $X18H10T$ với tốc độ ăn mòn $0,1\text{ mm/năm}$ trong thời hạn 20 năm.

  • Phương pháp tính toán truyền nhiệt:

    • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng tổng thể: $Q_F + Q_đ = Q_W + Q_D + Q_{nt} + Q_m$.
    • Phương pháp nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{\log}$) cho các sơ đồ trao đổi nhiệt ngược chiều.
    • Xác định hệ số truyền nhiệt $K$ thông qua các chuẩn số đồng dạng thủy nhiệt ($Re, Pr, Nu$) cho dòng chảy rối trong và ngoài ống truyền nhiệt.

  • Nguồn dữ liệu tham khảo:

    • Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, 2, 3).
    • Bảng tra cứu thông số nhiệt vật lý của dung dịch etanol – nước và hơi nước bão hòa.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống chưng cất hoạt động theo nguyên lý liên tục với sơ đồ dây chuyền thiết bị khép kín:

[Bồn chứa nguyên liệu (1)] --> [Bơm (2)] --> [Bồn cao vị (3)]
                                                |
                                                v
[Đáy tháp / Nồi đun (12)] <-- (Truyền nhiệt) -- [TB Trao đổi nhiệt đáy - nhập liệu (13)]
                                                |
                                                v
[Mâm nhập liệu tháp (7)] <----------------- [TB Gia nhiệt nhập liệu (14)]
         |
         +--> Đỉnh tháp: Hơi etanol 85% --> [TB Ngưng tụ đỉnh (8)]
         |                                         |
         |         +--- Dòng hoàn lưu (R=3,25) ----+
         |         |                               |
         |         v                               v
         |    [Đĩa đỉnh]              [TB Làm nguội đỉnh (10)] --> [Bồn sản phẩm đỉnh (11)]
         |
         +--> Đáy tháp: Dung dịch lỏng 0,19% --> [Nồi đun đáy (12)] --> [TB Trao đổi nhiệt (13)] --> Thải bỏ (60°C)

  1. Dòng nguyên liệu và gia nhiệt phân đoạn: Dung dịch cồn thô $15%\text{ mol}$ ($t'_F = 25^\circ\text{C}$) từ bồn chứa (1) được bơm lên bồn cao vị (3), sau đó tự chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (13). Tại đây, dòng nhập liệu nhận nhiệt từ dòng thải đáy tháp để tăng nhiệt độ lên $55,768^\circ\text{C}$. Tiếp theo, dòng nhập liệu đi qua thiết bị gia nhiệt ống lồng ống (14) sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $1\text{ at}$ ($100^\circ\text{C}$) để nâng tiếp nhiệt độ lên đúng nhiệt độ sôi $t_F = 84,85^\circ\text{C}$ trước khi nạp vào đĩa nhập liệu của tháp chưng cất (7).

  2. Quá trình chuyển khối trong tháp: Tháp chưng cất làm việc theo nguyên lý tiếp xúc pha ngược chiều: pha hơi đi từ dưới lên gặp pha lỏng chảy tràn từ trên xuống qua các mâm xuyên lỗ. Nồng độ cấu tử dễ bay hơi (etanol) tăng dần từ dưới lên đỉnh tháp, trong khi nồng độ cấu tử khó bay hơi (nước) tăng dần xuống đáy tháp.

  3. Xử lý dòng đỉnh và hoàn lưu: Hơi trên đỉnh tháp ($x_D = 85%\text{ mol}$, $t_D = 78,5^\circ\text{C}$) đi vào thiết bị ngưng tụ vỏ - ống đặt nằm ngang (8) và được ngưng tụ hoàn toàn. Dòng lỏng ngưng tụ được chia làm hai phần: một phần hoàn lưu về đĩa trên cùng của tháp với tỉ số hoàn lưu tối ưu $R_x = 3,2497$; phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội ống lồng ống (10), hạ nhiệt độ xuống $35^\circ\text{C}$ rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).

  4. Xử lý dòng đáy và tái sôi: Dung dịch ở đáy tháp ($x_W = 0,19%\text{ mol}$, $t_W = 100^\circ\text{C}$) đi vào nồi đun vỏ - ống (12) dùng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($120,23^\circ\text{C}$). Một phần dung dịch bốc hơi cung cấp dòng hơi hồi lưu đáy tháp; phần lỏng thải ra được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (13), hạ nhiệt độ xuống $60^\circ\text{C}$ và thải bỏ ra ngoài.

  5. Lựa chọn vật liệu chế tạo: Toàn bộ thân tháp, đĩa mâm, đáy nắp và chùm ống truyền nhiệt tiếp xúc với hỗn hợp rượu – nước được chế tạo bằng thép không gỉ mã hiệu $X18H10T$ nhằm chống ăn mòn hóa học. Các mặt bích đường ống phụ trợ sử dụng thép $CT3$. Các mối ghép bích được làm kín bằng đệm amiăng dày $3\text{ mm}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về rượu ethylic và công nghệ chưng cất

  • Tính chất nhiệt vật lý của etanol:
    • Khối lượng phân tử: $M_r = 46\text{ kg/kmol}$.
    • Nhiệt độ sôi ở $760\text{ mmHg}$: $78,3^\circ\text{C}$.
    • Khối lượng riêng: $\rho = 967,45\text{ kg/m}^3$.
    • Nhiệt dung riêng: $0,548\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$ (ở $20^\circ\text{C}$) và $0,769\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$.
  • Ứng dụng công nghiệp và y tế: Tổng hợp hữu cơ, dược phẩm, nhiên liệu cồn pha xăng, chất chống đông và chất sát khuẩn y tế (tối ưu ở nồng độ cồn 70% nhờ cơ chế biến tính protein).
  • Quy trình công nghệ: Mô tả chi tiết nguyên lý vận hành hệ thống chưng cất liên tục mâm xuyên lỗ kèm sơ đồ vị trí các thiết bị chính và phụ trợ.

Chương II: Cân bằng vật chất

  • Xác định dòng vật chất:
    • Khối lượng phân tử trung bình: dòng nhập liệu $M_F = 22,2\text{ kg/kmol}$; dòng đỉnh $M_D = 41,8\text{ kg/kmol}$; dòng đáy $M_W = 18,1\text{ kg/kmol}$.
    • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $D = 18,52\text{ kmol/h}$, tương đương $G_D = 774,135\text{ kg/h}$.
    • Suất lượng dòng nhập liệu: $F = 106\text{ kmol/h}$, tương đương $G_F = 2354,31\text{ kg/h}$.
    • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 87,48\text{ kmol/h}$, tương đương $G_W = 1584,293\text{ kg/h}$.
  • Tỉ số hoàn lưu và phương trình đường làm việc:
    • Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: $R_{\min} = 2,269$ (xác định qua tiếp tuyến điểm uốn tại $y_0 = 0,26$).
    • Tỉ số hoàn lưu làm việc: $R_x = 1,3 \cdot R_{\min} = 3,2497$.
    • Chỉ số nhập liệu: $f = F / D = 5,724$.
    • Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = 0,7647x + 0,200$.
    • Phương trình đường làm việc đoạn chưng: $y = 1,891x - 0,0021$.
  • Số mâm lý thuyết và thực tế:
    • Số mâm lý thuyết xác định trên đồ thị $y-x$: $N_{lt} = 22\text{ mâm}$ (đoạn cất: 19 mâm; đoạn chưng: 2 mâm; mâm nhập liệu: 1 mâm).
    • Hiệu suất mâm cục bộ: vị trí nhập liệu $\eta_F = 0,441$ ($t_F = 84,85^\circ\text{C}$); vị trí mâm đáy $\eta_W = 0,42$ ($t_W = 100^\circ\text{C}$); vị trí mâm đỉnh $\eta_D = 0,600$ ($t_D = 78,5^\circ\text{C}$).
    • Hiệu suất trung bình của tháp: $\eta_{tb} = (0,441 + 0,42 + 0,600) / 3 = 0,487$.
    • Số mâm thực tế: $N_{tt} = 22 / 0,487 \approx 46\text{ mâm}$ (đoạn cất: 40 mâm; đoạn chưng: 5 mâm; mâm nhập liệu: 1 mâm).

Chương III: Tính toán – Thiết kế tháp chưng cất

  • Đường kính tháp ($D_t$):
    • Vận tốc hơi làm việc trung bình tính toán: đoạn cất $\omega_h = 1,05\text{ m/s}$; đoạn chưng $\omega'_h = 1,388\text{ m/s}$.
    • Đường kính tính toán: đoạn cất đạt $0,89\text{ m}$; đoạn chưng đạt $0,75\text{ m}$.
    • Quy chuẩn đường kính thân tháp thống nhất: $D_t = 900\text{ mm}$ ($0,9\text{ m}$).
    • Vận tốc làm việc thực tế trong tháp: đoạn cất $\omega_{lv} = 0,980\text{ m/s}$; đoạn chưng $\omega'_{lv} = 0,981\text{ m/s}$.
  • Cấu tạo mâm và tính toán thủy lực:
    • Cấu tạo mâm lỗ: đường kính lỗ $d_1 = 5\text{ mm}$, bố trí theo hình tam giác đều với bước lỗ $t = 2,5 \cdot d_1 = 12,5\text{ mm}$; tổng diện tích lỗ chiếm $9%$ diện tích mâm; diện tích ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm.
    • Chiều cao gờ chảy tràn: $h_w = 50\text{ mm}$; chiều dài gờ tràn hiệu dụng $L_w = 0,654\text{ m}$.
    • Trở lực mâm: độ giảm áp qua 1 mâm ở đoạn cất $h_{tl} = 52,811\text{ mm lỏng}$ ($425,47\text{ N/m}^2$); ở đoạn chưng $h'_{tl} = 45,872\text{ mm lỏng}$ ($409,76\text{ N/m}^2$).
    • Tổng trở lực của toàn bộ tháp: $\sum h_{tl} = 22525,93\text{ N/m}^2$.
  • Kiểm tra hiện tượng ngập lụt:
    • Khoảng cách giữa hai mâm chọn: $h_{\text{mâm}} = 300\text{ mm}$.
    • Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền đoạn cất: $h_d = 110,73\text{ mm} \le 150\text{ mm}$ ($h_{\text{mâm}}/2$).
    • Chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền đoạn chưng: $h'_d = 103,28\text{ mm} \le 150\text{ mm}$.
    • Kết luận: tháp vận hành an toàn, không bị ngập lụt ở cả hai đoạn.
    • Chiều cao thân tháp: $H_{thân} = N_{tt} \cdot h_{\text{mâm}} = 46 \cdot 0,3 = 13,8\text{ m}$.
  • Tính toán cơ khí thân tháp:
    • Áp suất tính toán: $P_{tt} = P_{cl} + \sum h_{tl} = 0,155\text{ N/mm}^2$; nhiệt độ tính toán $t_{tt} = 100^\circ\text{C}$; ứng suất cho phép của thép $X18H10T$ là $[\sigma] = 142\text{ N/mm}^2$; hệ số bền mối hàn tay $\varphi_h = 0,9$.
    • Bề dày tính toán thân tháp: $S' = 0,546\text{ mm}$; hệ số bổ sung bề dày $C = C_a + C_0 = 2 + 0,532 = 2,532\text{ mm}$.
    • Bề dày thực tế của thân tháp: $S_t = 3,078\text{ mm}$.
    • Đáy và nắp elip tiêu chuẩn có gờ: bề dày $S_đ = S_n = 3,078\text{ mm}$, chiều cao $h_t = 175\text{ mm}$, gờ $h_{gờ} = 40\text{ mm}$.
    • Bích ghép thân tháp: thép $X18H10T$, bích liền không cổ $D_t = 900\text{ mm}$, $D = 1030\text{ mm}$, $D_b = 980\text{ mm}$, dày $h = 20\text{ mm}$, 24 bu lông M20. Cứ 4 mâm bố trí 1 mặt bích (tổng cộng 24 mặt bích).
    • Kích thước ống dẫn chính:
      • Ống hơi đỉnh: $d_h = 200\text{ mm}$, bích thép $CT3$ ($D=290\text{ mm}$, $D_b=255\text{ mm}$, 8 bu lông M16).
      • Ống hoàn lưu: $d_{hl} = 80\text{ mm}$, bích thép $CT3$ ($D=185\text{ mm}$, $D_b=150\text{ mm}$, 4 bu lông M16).
      • Ống lỏng đáy vào nồi đun: $d_L = 80\text{ mm}$, bích thép $CT3$ ($D=185\text{ mm}$, $D_b=150\text{ mm}$, 4 bu lông M16).
    • Chân đỡ thiết bị: 4 chân đỡ bằng thép chịu toàn bộ trọng lượng tháp $P = 22245,52\text{ N}$ (khối lượng toàn tháp $m = 2267,64\text{ kg}$), tải trọng định mức chọn $G_c = 0,6\text{ tấn/chân}$.

Chương IV: Tính toán thiết bị truyền nhiệt - Thiết bị phụ

  • Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp:
    • Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào: $Q_F = 576891,58\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng ngưng tụ hơi sản phẩm đỉnh: $Q_{nt} = 3109994,87\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra: $Q_D = 132164,09\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: $Q_W = 528000,50\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt tổn thất ra môi trường ($5% Q_đ$): $Q_m = 0,05 \cdot Q_đ$.
    • Nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun đáy tháp: $Q_đ = 3361334,611\text{ kJ/h} \approx 933,7\text{ kW}$.
  • Tính toán 5 thiết bị trao đổi nhiệt chi tiết:
    1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị dạng vỏ - ống nằm ngang, ống truyền nhiệt thép $X18H10T$ kích thước $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$, dài $L = 2\text{ m}$. Nước làm mát đi trong ống từ $28^\circ\text{C}$ đến $40^\circ\text{C}$, suất lượng nước $G_N = 17,22\text{ kg/s}$. Hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{\log} = 44,229\text{ K}$. Tổng số ống: $n = 231$ ống (chia làm 3 đường nước, mỗi đường 77 ống). Bố trí theo 9 vòng tròn đồng tâm, đường kính trong vỏ thiết bị $D = 0,57\text{ m}$.
    2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị dạng ống lồng ống (ống trong $\Phi 16 \times 1,6\text{ mm}$, ống ngoài $\Phi 25 \times 2,5\text{ mm}$, thép $X18H10T$). Làm nguội sản phẩm đỉnh từ $78,5^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát ($28^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$), suất lượng nước $G_N = 0,562\text{ kg/s}$. Hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{\log} = 18,478\text{ K}$, diện tích truyền nhiệt $F_{tb} = 1,104\text{ m}^2$, chiều dài ống truyền nhiệt $L = 20,84\text{ m}$.
    3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: Thiết bị dạng vỏ - ống, dùng hơi nước bão hòa áp suất $2\text{ at}$ ($120,23^\circ\text{C}$, nhiệt ẩn ngưng tụ $r_N = 2202\text{ kJ/kg}$). Suất lượng hơi đốt tiêu tốn $G_{hN} = 0,424\text{ kg/s}$. Hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{\log} = 20,726\text{ K}$. Ống truyền nhiệt $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$, số ống $n = 173$ ống bố trí theo 7 vòng tròn đồng tâm, chiều dài ống chọn $L = 2,4\text{ m}$ (dự trữ $10%$), đường kính trong của vỏ $D = 0,45\text{ m}$.
    4. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy: Thiết bị dạng ống lồng ống (ống trong $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$, ống ngoài $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$, thép $X18H10T$). Dòng nhập liệu đi trong ống trong tăng từ $25^\circ\text{C}$ lên $55,768^\circ\text{C}$; dòng đáy đi trong ống ngoài hạ từ $100^\circ\text{C}$ xuống $60^\circ\text{C}$. Hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{\log} = 39,436\text{ K}$, diện tích truyền nhiệt $F_{tb} = 1,506\text{ m}^2$. Chiều dài tổng cộng $L = 25\text{ m}$, chia làm 10 dãy (mỗi dãy dài $2,5\text{ m}$).
    5. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Thiết bị dạng ống lồng ống (ống trong $\Phi 25 \times 2\text{ mm}$, ống ngoài $\Phi 38 \times 2\text{ mm}$). Dòng nhập liệu đi trong ống trong nâng từ $55,768^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $84,85^\circ\text{C}$; hơi nước bão hòa $1\text{ at}$ ($100^\circ\text{C}$, $r_N = 2260\text{ kJ/kg}$) đi ngoài ống nhỏ. Suất lượng hơi đốt tiêu tốn $G_{hN} = 0,033\text{ kg/s}$. Hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{\log} = 27,143\text{ K}$, lượng nhiệt cấp $Q_c = 75,31\text{ kW}$.

Kết quả và đóng góp

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

Hạng mục thiết bị / Thông số Giá trị thiết kế Đơn vị tính Ghi chú kỹ thuật
Năng suất sản phẩm đỉnh ($V_D$) $800$ ($0,8$) $\text{L/h}$ ($\text{m}^3\text{/h}$) Nồng độ $85%\text{ mol}$ ($93,5%\text{ khối lượng}$)
Nồng độ dòng nhập liệu ($x_F$) $15$ ($31$) $%\text{ mol}$ ($%\text{ khối lượng}$) Suất lượng $G_F = 2354,31\text{ kg/h}$
Nồng độ dòng sản phẩm đáy ($x_W$) $0,19$ ($0,48$) $%\text{ mol}$ ($%\text{ khối lượng}$) Suất lượng $G_W = 1584,293\text{ kg/h}$
Tỉ số hoàn lưu làm việc ($R_x$) $3,2497$ — $R_x = 1,3 \cdot R_{\min}$ ($R_{\min} = 2,269$)
Số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) $22$ mâm 19 mâm cất, 2 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu
Hiệu suất trung bình tháp ($\eta_{tb}$) $0,487$ — $\eta_F = 0,441; \eta_W = 0,42; \eta_D = 0,600$
Số mâm thực tế ($N_{tt}$) $46$ mâm 40 mâm cất, 5 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu
Đường kính trong thân tháp ($D_t$) $900$ $\text{mm}$ Quy chuẩn thống nhất cho cả đoạn cất và chưng
Khoảng cách giữa hai mâm ($h_{\text{mâm}}$) $300$ $\text{mm}$ Đảm bảo chiều cao mực lỏng $h_d \le 150\text{ mm}$
Chiều cao thân tháp ($H_{thân}$) $13,8$ $\text{m}$ $H_{thân} = 46 \cdot 0,3\text{ m}$
Bề dày thân tháp thực tế ($S_t$) $3,078$ $\text{mm}$ Thép $X18H10T$, dung sai ăn mòn $C_a = 2\text{ mm}$
Nhiệt tải nồi đun đáy tháp ($Q_đ$) $3361334,61$ ($933,7$) $\text{kJ/h}$ ($\text{kW}$) Sử dụng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($0,424\text{ kg/s}$)
Nhiệt tải ngưng tụ đỉnh ($Q_{nt}$) $3109994,87$ $\text{kJ/h}$ Sử dụng nước làm mát ($17,22\text{ kg/s}$)
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh $231$ ống, $L=2\text{ m}$ ống Vỏ - ống nằm ngang, $D_{vỏ} = 0,57\text{ m}$, 3 đường nước
Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy $173$ ống, $L=2,4\text{ m}$ ống Vỏ - ống, $D_{vỏ} = 0,45\text{ m}$, 7 vòng tròn đồng tâm
Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu - đáy $L = 25\text{ m}$ (10 dãy) m Ống lồng ống $\Phi 25/38\text{ mm}$, tận dụng nhiệt thải đáy
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Hơi đốt $1\text{ at}$ ($0,033\text{ kg/s}$) $\text{kg/s}$ Ống lồng ống $\Phi 25/38\text{ mm}$, nâng lên $84,85^\circ\text{C}$

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đồ án

  • Tối ưu hóa năng lượng nhờ thu hồi nhiệt thải: Hệ thống thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt lượng của dòng thải đáy ($100^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ dòng nhập liệu từ $25^\circ\text{C}$ lên $55,768^\circ\text{C}$. Giải pháp này tiết kiệm lượng lớn nhiệt tải cần cấp tại thiết bị gia nhiệt chính, giảm lưu lượng hơi nước bão hòa $1\text{ at}$ tiêu thụ xuống chỉ còn $0,033\text{ kg/s}$.
  • Đảm bảo thủy động lực học tin cậy: Việc lựa chọn mâm xuyên lỗ với tỷ lệ diện tích lỗ $9%$ và tỷ lệ ống chảy chuyền $20%$ giúp duy trì trở lực tháp ở mức hợp lý ($22525,93\text{ N/m}^2$), đồng thời chiều cao chất lỏng trong ống chảy chuyền đoạn cất ($110,73\text{ mm}$) và đoạn chưng ($103,28\text{ mm}$) đều nhỏ hơn giới hạn ngập lụt cho phép ($150\text{ mm}$).
  • Thiết kế cơ khí đồng bộ, tuổi thọ cao: Lựa chọn thép không gỉ $X18H10T$ với hệ số bổ sung ăn mòn hóa học $C_a = 2\text{ mm}$ đảm bảo tháp và các thiết bị trao đổi nhiệt vận hành an toàn liên tục trong chu kỳ 20 năm dưới tác động ăn mòn của môi trường cồn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong phạm vi tính toán của văn bản:
    • Các phép tính cân bằng pha và trở lực thủy lực được xây dựng trên mô hình tĩnh ở áp suất khí quyển cố định ($760\text{ mmHg}$), chưa xét đến sự biến động áp suất cục bộ dọc theo chiều cao thân tháp do trở lực tích lũy.
    • Các hệ số nhiệt trở bám bẩn ($r_c = 1/5000\text{ m}^2\cdot\text{K/W}$) và tỷ lệ thất thoát nhiệt ra môi trường ($Q_m = 5% Q_đ$) được lựa chọn theo giá trị định mức kinh nghiệm, chưa xét đến biến thiên nhiệt độ môi trường thực tế theo mùa.
    • Đồ án chưa thiết kế chi tiết hệ thống tự động hóa điều khiển vòng lặp kín (PID/PLC) để tự động điều chỉnh lưu lượng hoàn lưu khi nồng độ nhập liệu dao động quanh mức $15%\text{ mol}$.
  • Hướng phát triển và mở rộng:
    • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng nhiệt động chuyên dụng (như Aspen Plus, ChemCAD) để kiểm chứng mô hình động học quá trình truyền khối và tối ưu hóa số mâm thực tế.
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống đo lường và điều khiển tự động cho các van tiết lưu, bơm định lượng và hệ thống gia nhiệt hơi nước.
    • Nghiên cứu giải pháp chưng cất trích ly hoặc chưng cất đẳng phí kết hợp màng pervaporation nếu có nhu cầu nâng cao độ tinh khiết etanol vượt qua điểm đẳng phí ($95,6%\text{ khối lượng}$).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, kỹ sư và học viên cao học thuộc các ngành: Năng lượng Nhiệt, Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất – Dầu khí.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Quy trình chuẩn giải bài toán cân bằng vật chất cho hệ chưng cất nhị phân có điểm uốn cân bằng pha.
  • Phương pháp tính toán chi tiết kích thước mâm xuyên lỗ, vận tốc giới hạn pha hơi và kiểm tra chống ngập lụt thủy lực.
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí thiết bị áp lực chịu ăn mòn (thân, đáy elip, mối ghép bích, ống dẫn, chân đỡ).
  • Phương pháp lập bảng cân bằng nhiệt và tính toán kích thước bề mặt truyền nhiệt cho đa dạng các dạng thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị vỏ - ống nằm ngang, thiết bị ống lồng ống, nồi đun bốc hơi đáy tháp).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu bằng tiếp tuyến điểm uốn thay vì dùng công thức giải tích thông thường?
Trả lời: Do đường cân bằng pha lỏng – hơi ($y-x$) của hệ nhị phân etanol – nước ở áp suất khí quyển có đặc thù xuất hiện điểm uốn ở vùng nồng độ trung bình. Do đó, tỉ số hoàn lưu tối thiểu không xác định tại giao điểm của đường nồng độ nhập liệu $x_F$ với đường cân bằng, mà phải xác định bằng cách kẻ đường tiếp tuyến từ điểm sản phẩm đỉnh $(x_D, x_D) = (0,85; 0,85)$ tới điểm uốn của đường cân bằng, cắt trục tung tại $y_0 = 0,26$, từ đó tính ra $R_{\min} = x_D / y_0 - 1 = 0,85 / 0,26 - 1 = 2,269$.

2. Kích thước và kết cấu hình học của mâm xuyên lỗ trong tháp được lựa chọn như thế nào?
Trả lời: Mâm được chế tạo bằng thép $X18H10T$, đường kính lỗ dập $d_1 = 5\text{ mm}$, tỷ lệ bề dày mâm trên đường kính lỗ là $6/10$, các lỗ bố trí theo đỉnh tam giác đều với khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng $2,5 \cdot d_1 = 12,5\text{ mm}$. Tổng diện tích lỗ chiếm $9%$ diện tích mâm, diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm, chiều cao gờ chảy tràn $h_w = 50\text{ mm}$, chiều dài hiệu dụng của gờ tràn $L_w = 0,654\text{ m}$.

3. Vì sao đường kính thân tháp được quy chuẩn ở mức $900\text{ mm}$ cho cả đoạn cất và đoạn chưng?
Trả lời: Tính toán thủy động lực học cho thấy đường kính đoạn cất tính ra là $0,89\text{ m}$ (với $\omega_h = 1,05\text{ m/s}$) và đường kính đoạn chưng là $0,75\text{ m}$ (với $\omega'_h = 1,388\text{ m/s}$). Để thuận tiện cho quá trình gia công cơ khí, lắp ráp thân tháp hình trụ đồng nhất và đảm bảo an toàn vận tốc hơi không gây sục bọt quá mức, tác giả quy chuẩn đường kính toàn tháp là $D_t = 900\text{ mm}$ ($0,9\text{ m}$). Tại đường kính này, vận tốc làm việc thực tế ở đoạn cất là $0,980\text{ m/s}$ và đoạn chưng là $0,981\text{ m/s}$.

4. Dòng nhập liệu được gia nhiệt qua những giai đoạn nào trước khi vào tháp?
Trả lời: Dòng nhập liệu ($25^\circ\text{C}$) trải qua 2 giai đoạn gia nhiệt liên tiếp: Giai đoạn 1 đi qua thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt của dòng đáy tháp ($100^\circ\text{C} \rightarrow 60^\circ\text{C}$) để nâng lên $55,768^\circ\text{C}$; Giai đoạn 2 đi qua thiết bị gia nhiệt ống lồng ống sử dụng hơi nước bão hòa $1\text{ at}$ ($100^\circ\text{C}$) để đun nóng từ $55,768^\circ\text{C}$ đạt đúng nhiệt độ sôi $84,85^\circ\text{C}$ tại đĩa nạp liệu.

5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân tháp và bề dày thực tế được tính toán là bao nhiêu?
Trả lời: Thân tháp được chế tạo bằng thép không gỉ $X18H10T$ để chống ăn mòn hóa học bởi cồn. Bề dày tính toán chịu áp suất trong $P_{tt} = 0,155\text{ N/mm}^2$ là $0,546\text{ mm}$. Sau khi cộng thêm lượng bổ sung ăn mòn hóa học ($C_a = 2\text{ mm}$ cho 20 năm vận hành với tốc độ mòn $0,1\text{ mm/năm}$) và dung sai quy tròn ($C_0 = 0,532\text{ mm}$), bề dày thực tế của thân tháp là $S_t = 3,078\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất liên tục etanol – nước năng suất sản phẩm đỉnh $800\text{ L/h}$ đạt nồng độ $85%\text{ mol}$ ($93,5%\text{ khối lượng}$). Tháp chưng cất sử dụng mâm xuyên lỗ có đường kính quy chuẩn $D_t = 900\text{ mm}$, chiều cao thân tháp $13,8\text{ m}$ gồm 46 mâm thực tế chế tạo bằng thép không gỉ $X18H10T$, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn về an toàn cơ khí và không bị ngập lụt thủy lực. Đồng thời, đồ án đã tính toán chi tiết hệ thống 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ với giải pháp thu hồi nhiệt thải đáy tháp giúp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng, tạo nên một hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và có độ tin cậy cao cho chuyên ngành Thiết bị và Hệ thống Nhiệt.