Bối cảnh và mục tiêu thiết kế kỹ thuật

Đề tài "Tính toán và thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất mâm chóp dùng để chưng cất hỗn hợp lỏng Nước – Acid Acetic / Aceton – Nước" là báo cáo đồ án môn học thuộc học phần Thực hành tính toán hệ thống và thiết kế thiết bị, do sinh viên Nguyễn Trần Lan Chi (MSSV: 18029831), lớp Đại học Hóa Hữu Cơ 14A (mã học phần: 420300324801), Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phạm Văn Hưng trong năm học 2020–2021.

Trong công nghiệp hóa chất và lọc - hóa dầu, quá trình phân tách các cấu tử từ hỗn hợp lỏng đóng vai trò quyết định đến độ tinh khiết của sản phẩm thương mại. Aceton là một dung môi công nghiệp quan trọng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất sơn, vecni, tơ acetate, nhựa, cellulose acetate, mực in ống đồng và là nguyên liệu tổng hợp hữu cơ (thủy tinh hữu cơ, ceten, sulfonal). Hỗn hợp Aceton – Nước là hệ dung dịch không tạo điểm đẳng phí và có độ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn ở áp suất khí quyển ($56{,}9^\circ\text{C}$ so với $100^\circ\text{C}$ ở $760\text{ mmHg}$). Do đó, phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường được xác định là phương án tối ưu để thu hồi Aceton tinh khiết, vượt trội hơn các phương pháp cô đặc, hấp phụ hay trích ly vốn phức tạp và đòi hỏi thêm pha phụ trợ.

Nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết chưng cất, đặc tính hóa lý của hỗn hợp nguyên liệu và lựa chọn công nghệ tháp mâm chóp làm việc liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đáy ở áp suất thường.
  2. Thiết lập bảng cân bằng vật chất: tính toán xuất lượng dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh ($97%$ khối lượng) và dòng sản phẩm đáy ($10%$ khối lượng); xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp ($R_{\text{opt}} = 0{,}58$), số mâm lý thuyết ($N_{\text{lt}} = 5$) và số mâm thực tế ($N_{\text{tt}} = 10$).
  3. Thiết lập cân bằng năng lượng: xác định phụ tải nhiệt và lượng tác nhân cung cấp nhiệt (hơi nước bão hòa $2\text{ at}$) cũng như tác nhân làm lạnh (nước giải nhiệt từ $25^\circ\text{C}$ lên $40^\circ\text{C}$) cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu, tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ và các thiết bị làm nguội.
  4. Tính toán kích thước thiết bị chính (tháp mâm chóp): xác định đường kính đoạn cất, đường kính đoạn chưng, quy chuẩn đường kính toàn tháp ($D_t = 0{,}5\text{ m}$), chiều cao thân tháp ($H = 3{,}34\text{ m}$), cấu tạo chi tiết mâm chóp, ống chảy chuyền và kiểm tra điều kiện thủy lực chống ngập lụt.
  5. Tính toán kết cấu cơ khí: bề dày thân tháp, đáy, nắp, bích ghép, đường kính các ống dẫn, tai treo chịu lực và lớp bọc cách nhiệt.
  6. Tính toán các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền: thiết bị truyền nhiệt gia nhiệt nhập liệu, nồi đun đáy tháp, thiết bị ngưng tụ đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm và trở lực hệ thống để chọn bơm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Hệ thống tính toán kỹ thuật của đồ án được xây dựng dựa trên lý thuyết chuyển khối và truyền nhiệt trong kỹ thuật hóa học:

  • Khung lý thuyết cân bằng pha: Quan hệ cân bằng pha lỏng – hơi của hệ hai cấu tử ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$; phương trình đường làm việc của đoạn cất (đoạn luyện) và đoạn chưng; phương pháp xác định số đĩa lý thuyết theo đồ thị McCabe-Thiele; tương quan giữa hiệu suất mâm ($\eta$) với độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt của pha lỏng ($\mu$).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật:
    • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng theo định luật bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng tại từng nút công nghệ.
    • Phương pháp tính toán thủy động lực học mâm chóp: xác định tốc độ hơi giới hạn ($\omega_{\text{gh}}$), lưu lượng hơi trung bình, gradient mức lỏng trên mâm ($\Delta$), độ mở khe chóp ($h_s$), tổn thất áp suất và chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền ($h_d$).
  • Nguồn dữ liệu tra cứu: Toàn bộ hệ thống công thức, bảng thông số vật lý và đồ thị tra cứu được trích xuất từ bộ tài liệu chuẩn Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2, Tập 3 do Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật phát hành).

Quy trình công nghệ và thiết kế hệ thống

Hệ thống chưng cất liên tục mâm chóp được bố trí với sơ đồ công nghệ gồm các cụm thiết bị:

Ký hiệu Tên thiết bị Chức năng công nghệ
V-101 Bồn chứa nhập liệu Chứa hỗn hợp nguyên liệu ban đầu ($32%$ khối lượng Aceton) ở nhiệt độ môi trường ($28^\circ\text{C}$).
E-101 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu Sử dụng hơi nước bão hòa để gia nhiệt hỗn hợp lên trạng thái sôi ($t_{sF} = 68{,}22^\circ\text{C}$) trước khi vào tháp.
T-101 Tháp chưng cất mâm chóp Thiết bị tiếp xúc pha chính, thực hiện quá trình truyền khối giữa pha hơi bốc lên và pha lỏng chảy xuống qua 10 mâm chóp.
E-102 Thiết bị ngưng tụ đỉnh Ngưng tụ toàn bộ dòng hơi đỉnh giàu Aceton từ tháp $T\text{-}101$.
E-103 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh Hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ xuống $30^\circ\text{C}$.
V-103 Bồn chứa sản phẩm đỉnh Lưu trữ sản phẩm đỉnh đạt độ tinh khiết $97%$ khối lượng Aceton.
E-104 Nồi đun đáy tháp Cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ để bốc hơi một phần chất lỏng đáy hồi lưu pha hơi cho tháp.
E-105 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy Hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đáy từ nhiệt độ sôi ($85{,}41^\circ\text{C}$) xuống $30^\circ\text{C}$.
V-104 Bồn chứa sản phẩm đáy Lưu trữ sản phẩm đáy chứa $10%$ khối lượng Aceton và $90%$ Nước.

Nguyên lý vận hành: Nguyên liệu từ bồn $V\text{-}101$ được bơm qua thiết bị gia nhiệt $E\text{-}101$ đến nhiệt độ sôi $68{,}22^\circ\text{C}$ rồi nạp vào mâm tiếp liệu của tháp $T\text{-}101$. Hơi đi từ dưới lên qua các khe chóp tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng đi từ trên xuống. Pha lỏng đi xuống phần chưng giảm dần nồng độ cấu tử dễ bay hơi, ra khỏi đáy vào nồi đun $E\text{-}104$; một phần bốc hơi quay lại tháp, phần còn lại qua $E\text{-}105$ làm nguội về $30^\circ\text{C}$ đưa vào $V\text{-}104$. Dòng hơi đỉnh giàu Aceton đi vào thiết bị ngưng tụ $E\text{-}102$; một phần chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về đĩa đỉnh theo tỉ số $R_{\text{opt}} = 0{,}58$, phần còn lại qua thiết bị làm nguội $E\text{-}103$ về $30^\circ\text{C}$ rồi chứa tại bồn $V\text{-}103$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất, so sánh chưng cất với cô đặc (chưng cất cả dung môi và chất tan đều bay hơi ở các tỷ lệ khác nhau; cô đặc chỉ dung môi bay hơi). Tác giả phân loại các phương pháp chưng cất và so sánh ưu nhược điểm giữa 3 dạng thiết bị chính:

  • Tháp chêm (tháp đệm): Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng hiệu suất truyền khối thấp do hiệu ứng thành, khó tăng năng suất và độ ổn định kém khi vận hành.
  • Tháp mâm xuyên lỗ: Trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao nhưng không làm việc được với chất lỏng bẩn và kết cấu phức tạp.
  • Tháp mâm chóp: Có độ ổn định vận hành cao, hiệu suất truyền khối cao, làm việc được với chất lỏng bẩn; nhược điểm là trở lực lớn hơn và khối lượng kim loại chế tạo cao. Từ đó, tháp mâm chóp được lựa chọn cho hệ thống.

Chương này cũng tổng hợp chi tiết tính chất vật lý và hóa học của Aceton ($M = 58{,}079\text{ g/mol}$, $t_s = 56{,}9^\circ\text{C}$, $t_{\text{nc}} = -94{,}6^\circ\text{C}$, nhiệt dung riêng $C_p = 22\text{ kcal/mol}$ ở $102^\circ\text{C}$, độ nhớt $\mu = 0{,}316\text{ cP}$ ở $25^\circ\text{C}$) và Nước ($M = 18\text{ g/mol}$, $t_s = 100^\circ\text{C}$), kèm số liệu cân bằng lỏng – hơi và sơ đồ dây chuyền công nghệ.

Chương 2: Cân bằng vật chất

Chương 2 thực hiện các phép tính toán bảo toàn vật chất cho toàn bộ hệ thống:

  • Thông số ban đầu:
    • Năng suất nhập liệu: $F = 1800\text{ kg/h}$ ($77{,}99\text{ kmol/h}$).
    • Nồng độ nhập liệu: $x_F = 0{,}32\text{ kg/kg}$ ($x_F = 0{,}127\text{ kmol/kmol}$).
    • Nồng độ sản phẩm đỉnh: $x_P = 0{,}97\text{ kg/kg}$ ($x_P = 0{,}909\text{ kmol/kmol}$).
    • Nồng độ sản phẩm đáy: $x_W = 0{,}10\text{ kg/kg}$ ($x_W = 0{,}033\text{ kmol/kmol}$).
    • Khối lượng phân tử trung bình: $M_F = 23{,}08\text{ g/mol}$; $M_P = 54{,}36\text{ g/mol}$; $M_W = 19{,}32\text{ g/mol}$.
  • Chỉ số hoàn lưu và số mâm lý thuyết:
    • Chỉ số hoàn lưu tối thiểu: $R_{\text{min}} = 0{,}286$.
    • Chỉ số hoàn lưu thích hợp: $R_{\text{opt}} = 0{,}58$.
    • Xác định số mâm lý thuyết qua đồ thị cân bằng McCabe-Thiele: $N_{\text{lt}} = 5\text{ mâm}$.
  • Hiệu suất trung bình và số mâm thực tế:
    • Hiệu suất mâm nhập liệu: $\eta_F = 0{,}32$ ($\mu_{\text{hh}} = 2{,}32 \times 10^{-4}\text{ N.s/m}^2$).
    • Hiệu suất mâm đỉnh: $\eta_P = 0{,}60$ ($\mu_{\text{hh}} = 2{,}58 \times 10^{-4}\text{ N.s/m}^2$, $\alpha \cdot \mu = 0{,}47$).
    • Hiệu suất mâm đáy: $\eta_W = 0{,}58$ ($\mu_{\text{hh}} = 1{,}82 \times 10^{-4}\text{ N.s/m}^2$, $\alpha \cdot \mu = 0{,}52$).
    • Hiệu suất trung bình toàn tháp: $\eta_{\text{tb}} = (0{,}32 + 0{,}60 + 0{,}58) / 3 = 0{,}50$.
    • Số mâm thực tế: $N_{\text{tt}} = N_{\text{lt}} / \eta_{\text{tb}} = 5 / 0{,}50 = 10\text{ mâm}$ (gồm 5 mâm phần cất và 5 mâm phần chưng).

Chương 3: Cân bằng năng lượng

Chương 3 tính toán chi tiết cân bằng nhiệt lượng cho 5 vùng thiết bị:

  • Nhiệt độ sôi các dòng: $t_{sF} = 68{,}22^\circ\text{C}$ (nhập liệu), $t_{sP} = 57{,}45^\circ\text{C}$ (đỉnh), $t_{sW} = 85{,}41^\circ\text{C}$ (đáy). Tác nhân giải nhiệt là nước vào $t_{\text{nv}} = 25^\circ\text{C}$, ra $t_{\text{nr}} = 40^\circ\text{C}$ ($C_n = 4178\text{ J/kg.K}$). Hơi đốt bão hòa $P = 2\text{ at}$ ($r = 2208 \times 10^3\text{ J/kg}$).
  • Thiết bị gia nhiệt nhập liệu ($E\text{-}101$): Nhiệt dung riêng dòng nhập liệu tại $28^\circ\text{C}$ và $68{,}22^\circ\text{C}$; lượng hơi đốt $D_3$ cần cấp bù đắp nhiệt tăng từ $28^\circ\text{C}$ lên $68{,}22^\circ\text{C}$ có tính tổn thất nhiệt $5%$.
  • Tháp chưng cất ($T\text{-}101$): Cân bằng nhiệt lượng vào ($Q_2$ từ nhập liệu, $Q_9$ từ dòng hoàn lưu $G_R = 454{,}94\text{ kg/h}$, $Q_{16}$ từ hơi đốt nồi đun) và nhiệt lượng ra ($Q_5$ hơi đỉnh $= 502524571{,}9\text{ J/h}$, $Q_{18}$ lỏng đáy $= 461748080{,}9\text{ J/h}$, $Q_{17}$ nước ngưng và $Q_{\text{tt}}$ tổn thất $5%$). Xác định lượng hơi đốt nồi đun đáy $D_{16}$.
  • Thiết bị ngưng tụ đỉnh ($E\text{-}102$): Ẩn nhiệt ngưng tụ hơi đỉnh $r_P = 578424{,}27\text{ J/kg}$, tính toán lưu lượng nước làm mát cần thiết.
  • Thiết bị làm nguội ($E\text{-}103$ và $E\text{-}105$): Xác định nhiệt tải làm nguội sản phẩm đỉnh từ $57{,}45^\circ\text{C}$ về $30^\circ\text{C}$ ($G_{12}$) và làm nguội sản phẩm đáy từ $85{,}41^\circ\text{C}$ về $30^\circ\text{C}$ ($G_{19}$).

Chương 4: Tính toán thiết bị chính

Chương 4 thực hiện tính toán thủy động lực học và kết cấu mâm tháp:

  • Đường kính tháp:
    • Đoạn cất: Lượng hơi trung bình $g_{\text{tb}} = 626{,}34\text{ kg/h}$; khối lượng riêng pha lỏng $\rho_{xtb} = 787{,}91\text{ kg/m}^3$, pha hơi $\rho_{ytb} = 1{,}83\text{ kg/m}^3$; tốc độ hơi làm việc $\omega_h = 0{,}832\text{ m/s}$; tính được $D_{\text{cất}} = 0{,}4\text{ m}$.
    • Đoạn chưng: Lượng hơi trung bình $g'{\text{tb}} = 381{,}58\text{ kg/h}$; $\rho'{xtb} = 906{,}69\text{ kg/m}^3$, $\rho'{ytb} = 1{,}38\text{ kg/m}^3$; tốc độ làm việc $1{,}02\text{ m/s}$; tính được $D{\text{chưng}} = 0{,}32\text{ m}$ (quy chuẩn chọn $0{,}4\text{ m}$).
    • Chọn đường kính chung thống nhất cho toàn tháp: $D_t = 0{,}5\text{ m}$ ($500\text{ mm}$). Khi đó tốc độ làm việc thực tế đoạn cất là $0{,}484\text{ m/s}$ và đoạn chưng là $0{,}391\text{ m/s}$.
  • Chiều cao tháp: Khoảng cách giữa các mâm $H_đ = 250\text{ mm}$, bề dày đĩa $\delta = 4\text{ mm}$, khoảng cách đỉnh và đáy $0{,}80\text{ m}$. Chiều cao tháp tính toán: $H = 10 \times (0{,}25 + 0{,}004) + 0{,}80 = 3{,}34\text{ m}$.
  • Cấu tạo mâm chóp và ống chảy chuyền:
    • Số chóp phân bố trên 1 mâm: $n = 10\text{ chóp}$.
    • Đường kính trong ống dẫn hơi của chóp: $d_h = 50\text{ mm}$ ($0{,}05\text{ m}$).
    • Đường kính ngoài của chóp: $d_{\text{ch}} = 74\text{ mm}$; chiều cao chóp trên ống hơi: $h_2 = 12{,}5\text{ mm}$.
    • Khoảng cách mặt đĩa đến chân chóp: $S = 12{,}5\text{ mm}$; chiều cao mức lỏng trên khe chóp: $h_1 = 30\text{ mm}$.
    • Chiều cao khe chóp: $b = 20\text{ mm}$; số lượng khe hở: $i = 40\text{ khe/chóp}$; chiều rộng khe: $a = 2\text{ mm}$.
    • Chiều cao hình học mở lỗ chóp: $h_s = 21{,}32\text{ mm}$.
    • Ống chảy chuyền: 1 ống chảy chuyền ($Z = 1$), đường kính $d_c = 69\text{ mm}$, chiều cao ống trên đĩa $h_c = 58{,}02\text{ mm}$, diện tích tiết diện ống chảy chuyền $S_d = 0{,}029\text{ m}^2$ (chiếm $12%$ diện tích tháp $F_{\text{tháp}} = 0{,}196\text{ m}^2$).
  • Kiểm tra thủy lực và trở lực:
    • Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền: $h_d = 117{,}687\text{ mm}$. Do $h_d < \frac{1}{2} H_đ = 125\text{ mm}$, hệ thống bảo đảm tuyệt đối không xảy ra ngập lụt khi vận hành.
    • Khoảng cách rơi tự do: $h_0 = 190{,}263\text{ mm}$; tỷ số va đập $d_{\text{tw}} / d_c = 33{,}976 / 69 = 0{,}492 < 0{,}60$ (đảm bảo dòng lỏng chảy đều, không đập vào thành).
    • Trở lực 1 mâm đoạn cất: $\Delta P_{\text{đ cất}} = \Delta P_k + \Delta P_s + \Delta P_t = 161{,}31 + 15{,}91 + 135{,}98 = 313{,}2\text{ N/m}^2$.

Chương 5: Tính toán cơ khí

Chương 5 hoàn thiện các thông số cơ khí của thiết bị:

  • Tính toán bề dày thân trụ tháp mâm chóp chịu áp suất làm việc và áp suất thủy tĩnh.
  • Tính và lựa chọn bề dày đáy elip và nắp thiết bị.
  • Tính toán mặt bích ghép thân, đáy và nắp tháp; lựa chọn đệm làm kín.
  • Xác định đường kính các ống dẫn công nghệ (ống nhập liệu, ống dẫn hơi đỉnh, ống hồi lưu, ống tháo sản phẩm đáy) và quy chuẩn bích nối ống.
  • Tính toán khối lượng toàn bộ tháp chưng cất (thân, mâm, chóp, đáy, nắp, chất lỏng giữ trên mâm) để chọn kết cấu chân đỡ và tai treo chịu tải an toàn.
  • Tính toán chiều dày lớp vật liệu bọc cách nhiệt thân tháp nhằm hạn chế thất thoát nhiệt ra môi trường.

Chương 6: Tính thiết bị phụ

Chương 6 giải quyết bài toán thiết kế cụm thiết bị trao đổi nhiệt và phụ trợ:

  • Tính diện tích bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị gia nhiệt nhập liệu ($E\text{-}101$).
  • Tính toán bề mặt truyền nhiệt cho nồi đun đáy tháp ($E\text{-}104$) dùng hơi đốt bão hòa.
  • Tính toán diện tích bề mặt ngưng tụ cho thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh ($E\text{-}102$).
  • Tính toán diện tích truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ($E\text{-}103$) và sản phẩm đáy ($E\text{-}105$).
  • Tổng hợp trở lực toàn hệ thống đường ống, tháp chưng cất và tính chọn cột áp bơm nhập liệu.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thiện toàn bộ các thông số thiết kế cho hệ thống chưng cất mâm chóp phân tách hệ Aceton – Nước:

Thông số thiết kế Ký hiệu / Đơn vị Giá trị tính toán
Năng suất nhập liệu $F$ $1800\text{ kg/h}$ ($32%$ khối lượng Aceton)
Nồng độ sản phẩm đỉnh $x_P$ $97%$ khối lượng ($90{,}9%$ mol)
Nồng độ sản phẩm đáy $x_W$ $10%$ khối lượng ($3{,}3%$ mol)
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu $R_{\text{min}}$ $0{,}286$
Chỉ số hoàn lưu thích hợp $R_{\text{opt}}$ $0{,}58$
Số mâm lý thuyết $N_{\text{lt}}$ $5\text{ mâm}$
Hiệu suất trung bình tháp $\eta_{\text{tb}}$ $50%$
Số mâm thực tế $N_{\text{tt}}$ $10\text{ mâm}$ ($5$ mâm cất, $5$ mâm chưng)
Đường kính trong thân tháp $D_t$ $0{,}5\text{ m}$ ($500\text{ mm}$)
Khoảng cách giữa các mâm $H_đ$ $250\text{ mm}$
Chiều cao làm việc của tháp $H$ $3{,}34\text{ m}$
Số lượng chóp trên mỗi mâm $n$ $10\text{ chóp/mâm}$
Đường kính ống hơi của chóp $d_h$ $50\text{ mm}$
Đường kính ngoài của chóp $d_{\text{ch}}$ $74\text{ mm}$
Số khe hở trên một chóp $i$ $40\text{ khe}$ (kích thước khe: $20 \times 2\text{ mm}$)
Đường kính ống chảy chuyền $d_c$ $69\text{ mm}$ ($1$ ống/mâm, chiếm $12%$ diện tích)
Chiều cao lớp lỏng ống chuyền $h_d$ $117{,}687\text{ mm} < 125\text{ mm}$ (an toàn thủy lực)
Trở lực một mâm đoạn cất $\Delta P_{\text{đ cất}}$ $313{,}2\text{ N/m}^2$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một chuỗi tính toán chặt chẽ từ thông số nhiệt động học, cân bằng lỏng – hơi đến thủy động lực học mâm chóp và kết cấu cơ khí chi tiết. Toàn bộ các tiêu chí thủy lực (vận tốc hơi tránh tạo bọt, kiểm tra ngập lụt ống chảy chuyền, độ va đập dòng lỏng thành thiết bị) đều được kiểm chứng phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất.

Hạn chế và phạm vi đề tài

  • Tính chất mô hình hóa lý thuyết: Đề tài là đồ án tính toán thiết kế kỹ thuật dựa trên các công thức bán thực nghiệm và sổ tay tra cứu chuẩn; các thông số vận hành chưa được đối chứng qua mô hình pilot thực tế.
  • Giả định nhiệt động: Quá trình tính toán xem nhiệt thất thoát ra môi trường xung quanh tại các thiết bị là hằng số ($5%$), và áp suất làm việc trong toàn tháp được xem là ổn định ở áp suất khí quyển $760\text{ mmHg}$.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa Hữu cơ, Công nghệ Dầu khí và Năng lượng, Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện:

  • Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học (phần chuyển khối - tháp mâm chóp).
  • Đồ án tốt nghiệp thiết kế dây chuyền chưng cất thu hồi dung môi hữu cơ.
  • Phương pháp luận chi tiết trong việc tra cứu số liệu hóa lý, giải đồ thị McCabe-Thiele, tính toán gradient mức lỏng mâm chóp và kiểm tra ngập lụt thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài lựa chọn tháp mâm chóp thay vì tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ?
Tháp mâm chóp được lựa chọn vì có tính ổn định vận hành rất cao, hiệu suất truyền khối tốt và làm việc được với chất lỏng bẩn. Mặc dù trở lực và kết cấu chế tạo phức tạp hơn tháp đệm và tháp xuyên lỗ, tháp chóp đảm bảo hiệu quả tách Aceton đạt độ tinh khiết cao ($97%$).

2. Tỉ số hoàn lưu làm việc tối ưu và số mâm thực tế của tháp được xác định là bao nhiêu?
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu tính được là $R_{\text{min}} = 0{,}286$; qua tối ưu hóa đồ thị $(R+1)N_{\text{lt}}$, chỉ số hoàn lưu thích hợp được chọn là $R_{\text{opt}} = 0{,}58$. Từ số mâm lý thuyết $N_{\text{lt}} = 5$ và hiệu suất trung bình $\eta_{\text{tb}} = 0{,}50$, số mâm thực tế của tháp là $10\text{ mâm}$ ($5$ mâm đoạn cất và $5$ mâm đoạn chưng).

3. Kích thước hình học cơ bản của thân tháp chưng cất là bao nhiêu?
Đường kính tính toán đoạn cất là $0{,}4\text{ m}$, đoạn chưng là $0{,}32\text{ m}$, đường kính quy chuẩn chọn chung cho toàn tháp là $D_t = 0{,}5\text{ m}$ ($500\text{ mm}$). Chiều cao thân tháp là $H = 3{,}34\text{ m}$ với khoảng cách giữa các mâm $H_đ = 250\text{ mm}$ và bề dày mâm $4\text{ mm}$.

4. Dữ kiện nào chứng minh tháp mâm chóp không bị ngập lụt trong quá trình làm việc?
Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền tính được là $h_d = 117{,}687\text{ mm}$. Giá trị này nhỏ hơn một nửa khoảng cách giữa hai mâm liên tiếp ($\frac{1}{2} H_đ = 125\text{ mm}$), thỏa mãn điều kiện $h_d \le \frac{1}{2} H_đ$, chứng minh tháp hoàn toàn không bị ngập lụt.

5. Sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy đạt nồng độ bao nhiêu và được xử lý nhiệt độ thế nào?
Dòng sản phẩm đỉnh đạt nồng độ $97%$ khối lượng Aceton, sau ngưng tụ được làm nguội từ $57{,}45^\circ\text{C}$ về $30^\circ\text{C}$ đưa vào bồn $V\text{-}103$. Dòng sản phẩm đáy có nồng độ $10%$ khối lượng Aceton ($90%$ Nước), sau khi qua nồi đun được làm nguội từ $85{,}41^\circ\text{C}$ về $30^\circ\text{C}$ trước khi đưa vào bồn $V\text{-}104$.

Kết luận

Báo cáo đồ án môn học của tác giả Nguyễn Trần Lan Chi đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất mâm chóp liên tục phân tách hỗn hợp Aceton – Nước với công suất $1800\text{ kg/h}$. Công trình cung cấp đầy đủ các bước tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, thiết kế thủy động lực học thiết bị chính ($D_t = 0{,}5\text{ m}$, $H = 3{,}34\text{ m}$, 10 mâm chóp) và tính toán các thiết bị phụ trợ truyền nhiệt. Báo cáo là tài liệu kỹ thuật có kết cấu logic, số liệu trích xuất chính xác theo quy chuẩn sổ tay chuyên ngành, mang lại giá trị học thuật và tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học.