Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong ngành công nghiệp hóa chất, axeton (dimethyl keton, công thức hóa học $(CH_3)_2CO$) giữ vai trò là một dung môi hữu cơ quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất sơn mau khô, vecni, chất dẻo, sợi tổng hợp, tẩy rửa công nghiệp và làm chất trung gian để tổng hợp các hợp chất hữu cơ như metyl metacrilat, bisphenol A, methyl isobutyl ketone. Trong các dây chuyền công nghệ hiện đại, khoảng 82% đến 83% lượng axeton trên thế giới được sản xuất thông qua phương pháp cumen (đi từ alkyl hóa benzen với propen), bên cạnh các phương pháp oxy hóa hoặc hydro hóa trực tiếp propen thành isopropanol rồi oxy hóa tạo axeton, hoặc thu hồi dưới dạng phụ phẩm của các quá trình lên men vi sinh. Hầu hết các sơ đồ phản ứng này đều tạo ra hỗn hợp chứa axeton và nước, đòi hỏi công đoạn phân tách cuối cùng để thu hồi axeton đạt độ tinh khiết kỹ thuật cao.
Hỗn hợp axeton – nước là hệ dung dịch đồng nhất gồm hai cấu tử tan vô hạn vào nhau. Ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn ($760 \text{ mmHg}$), nhiệt độ sôi của axeton nguyên chất là $56,5^\circ\text{C}$ và nhiệt độ sôi của nước là $100^\circ\text{C}$. Độ chênh lệch nhiệt độ sôi lớn ($43,5^\circ\text{C}$) và tính chất không tạo hỗn hợp đẳng phí tạo điều kiện thuận lợi để tách riêng biệt hai chất này bằng phương pháp chưng luyện liên tục ở áp suất thường mà không cần áp dụng các biện pháp chưng chân không hay chưng trích ly phức tạp.
Nhiệm vụ thiết kế của đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (mã học phần CH3440) do sinh viên Phan Thị Huyền Trang thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Xá tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật cụ thể với các yêu cầu và thông số ban đầu được quy định như sau:
- Thiết kế và tính toán công nghệ hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất khí quyển thường ($760 \text{ mmHg}$) để phân tách hệ nhị phân axeton – nước.
- Năng suất hỗn hợp đầu vào tháp: $m_F = 7500 \text{ kg/h}$. Trạng thái hỗn hợp cấp liệu vào tháp là trạng thái lỏng ở nhiệt độ sôi ($t_F = 65,16^\circ\text{C}$).
- Nồng độ cấu tử dễ bay hơi (axeton) tại các dòng công nghệ tính theo phần trăm khối lượng:
- Hỗn hợp đầu vào ($a_F$): $42,5%$ khối lượng.
- Sản phẩm đỉnh ($a_P$): $98,5%$ khối lượng.
- Sản phẩm đáy ($a_W$): $1,7%$ khối lượng.
- Lựa chọn dạng thiết bị chính: Tháp chưng luyện đĩa lỗ không có ống chảy chuyền (kiểu c).
Đối tượng nghiên cứu là hệ hai cấu tử lỏng axeton – nước và thiết bị tháp chưng cất đĩa lỗ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong tính toán công nghệ, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, xác định kích thước cơ bản tháp chính và chọn thiết bị phụ trợ cho dây chuyền thực hiện trong giai đoạn học kỳ năm học 2021–2022.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Hệ thống tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên các nguyên lý nhiệt động lực học và quá trình truyền khối giữa hai pha lỏng - hơi:
- Khung lý thuyết cân bằng pha lỏng – hơi (VLE): Quá trình phân tách dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi bão hòa và độ bay hơi tương đối giữa axeton và nước. Tác giả sử dụng các phương trình bảo toàn vật chất tổng thể, bảo toàn cấu tử dễ bay hơi và các số liệu thực nghiệm cân bằng lỏng - hơi của hệ axeton - nước ở áp suất $760 \text{ mmHg}$ được tra cứu từ tài liệu chuyên ngành Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.
- Phương pháp xác định số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu: Sử dụng phương pháp đồ thị McCabe - Thiele trên giản đồ cân bằng $x-y$. Chỉ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) được xác định thông qua điểm tiếp tuyến của đường làm việc với đường cân bằng pha pha lỏng - hơi. Việc chọn chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_{TH}$) được thực hiện dựa trên hàm mục tiêu thể tích không gian làm việc của tháp đạt cực tiểu, tức tích số $N_{LT}(R + 1)$ đạt giá trị nhỏ nhất, tương ứng với chi phí chế tạo thiết bị thấp nhất.
- Phương pháp thủy động học tháp đĩa: Áp dụng mô hình tính toán tốc độ khí giới hạn qua lớp chất lỏng trên đĩa lỗ không có ống chảy chuyền theo chuẩn số Reynolds kết hợp chuẩn số tương quan lỏng - khí để tìm vận tốc thích hợp của pha hơi, từ đó xác định đường kính đoạn luyện và đoạn chưng.
- Phương pháp xác định hiệu suất chuyển khối: Hiệu suất trung bình của tháp ($\eta_{tb}$) được xác định thông qua việc tính toán độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt của pha lỏng ($\mu$) tại từng bậc thay đổi nồng độ, sau đó tra cứu giản đồ thực nghiệm O'Connell để quy đổi từ số đĩa lý thuyết sang số đĩa thực tế.
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Sử dụng hệ phương trình bảo toàn năng lượng tĩnh cho toàn tháp và các thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $2 \text{ at}$ ($119,6^\circ\text{C}$) làm chất tải nhiệt đun sôi đáy và gia nhiệt dòng vào. Nước lạnh công nghiệp (nhiệt độ vào $20^\circ\text{C}$, ra $45^\circ\text{C}$) được dùng làm tác nhân ngưng tụ và làm nguội.
- Nguồn dữ liệu: Các thông số hóa lý về khối lượng phân tử ($M_{axeton} = 58 \text{ kg/kmol}$, $M_{nước} = 18 \text{ kg/kmol}$), nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi, khối lượng riêng và độ nhớt động lực học được trích xuất đồng bộ từ bộ sách Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).
Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống
Dây chuyền công nghệ và danh mục thiết bị
Dây chuyền công nghệ phân tách axeton – nước hoạt động liên tục với sơ đồ dòng vật chất và nhiệt được kiểm soát qua các thiết bị chính và phụ trợ. Hỗn hợp nguyên liệu ban đầu được cấp từ thùng chứa, qua hệ thống bơm và lưu lượng kế, đi qua thiết bị gia nhiệt ống chùm để đạt trạng thái sôi trước khi vào tháp chưng luyện tại vị trí đĩa tiếp liệu.
| STT | Ký hiệu | Tên thiết bị công nghệ trong hệ thống |
|---|---|---|
| 1 | E-1 | Tháp chưng luyện đĩa lỗ không có ống chảy chuyền |
| 2 | T-1 | Thùng chứa hỗn hợp đầu |
| 3 | T-2 | Thùng chứa sản phẩm đáy |
| 4 | T-3 | Thùng chứa sản phẩm đỉnh |
| 5 | H-1 | Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu |
| 6 | H-2 | Thiết bị đun sôi đáy tháp |
| 7 | C-1 | Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy |
| 8 | C-2 | Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp |
| 9 | C-3 | Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh |
| 10 | R-1 | Cơ cấu hồi lưu sản phẩm đỉnh |
| 11 | R-2 | Cơ cấu hồi lưu hơi ở đáy tháp |
| 12 | P-1 | Bơm hỗn hợp đầu |
| 13 | P-2 | Bơm dự phòng hỗn hợp đầu |
| 14 | X-1 | Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị gia nhiệt H-1 |
| 15 | X-2 | Thiết bị tháo nước ngưng sau thiết bị đun sôi đáy H-2 |
| 16 | F-1 | Lưu lượng kế đo lưu lượng hỗn hợp đầu |
| 17 | F-2 | Lưu lượng kế đo lưu lượng sản phẩm đỉnh |
| 18 | V-1...V-7 | Hệ thống van đóng ngắt và điều tiết lưu lượng |
Hệ thống bơm nguyên liệu gồm bơm vận hành chính (P-1) và bơm dự phòng (P-2) mắc song song nhằm bảo đảm quá trình tiếp liệu diễn ra liên tục, không bị ngắt quãng khi xảy ra sự cố cơ học.
Tính toán công nghệ thiết bị chính
Kết quả cân bằng vật liệu cho tháp chưng luyện với năng suất hỗn hợp đầu $m_F = 7500 \text{ kg/h}$ xác định được các dòng sản phẩm ra khỏi hệ thống:
- Lưu lượng sản phẩm đỉnh ($m_P$): $3161,16 \text{ kg/h}$ (tương đương $G_P = 56,33 \text{ kmol/h}$, khối lượng mol trung bình $M_P = 56,12 \text{ kg/kmol}$).
- Lưu lượng sản phẩm đáy ($m_W$): $4338,84 \text{ kg/h}$ (tương đương $G_W = 238,40 \text{ kmol/h}$, khối lượng mol trung bình $M_W = 18,20 \text{ kg/kmol}$).
- Chuyển đổi nồng độ từ phần trăm khối lượng sang phần mol thu được: $x_F = 0,187$; $x_P = 0,953$; $x_W = 0,005$. Khối lượng mol trung bình dòng đầu vào là $M_F = 25,48 \text{ kg/kmol}$ ($G_F = 294,35 \text{ kmol/h}$).
Qua khảo sát đồ thị cân bằng lỏng - hơi, chỉ số hồi lưu tối thiểu đạt $R_{min} = 0,466$. Tác giả tính toán khảo sát hàm tối ưu thể tích tháp $N_{LT}(R + 1) = f(R)$ với các giá trị hồi lưu $R$ từ 0,466 đến 1,165. Kết quả xác định chỉ số hồi lưu thích hợp là $R_{TH} = 0,93$, ứng với thể tích không gian làm việc nhỏ nhất của tháp ($V_{min} = 16 \text{ m}^3$). Tại $R_{TH} = 0,93$, số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết xác định theo đồ thị McCabe - Thiele là $N_{LT} = 8$ đĩa lý thuyết (trong đó đoạn chưng có 1 đĩa và đoạn luyện có 7 đĩa).
| Thông số thủy động và kích thước | Đoạn luyện (Rectifying) | Đoạn chưng (Stripping) |
|---|---|---|
| Lượng hơi trung bình ($g_{tb}$) | $5018,89 \text{ kg/h}$ | $2959,17 \text{ kg/h}$ |
| Lượng lỏng trung bình ($G_{tb}$) | $1857,74 \text{ kg/h}$ | $7198,01 \text{ kg/h}$ |
| Nhiệt độ làm việc trung bình | $60,07^\circ\text{C}$ ($333,07 \text{ K}$) | $70,264^\circ\text{C}$ ($343,264 \text{ K}$) |
| Khối lượng riêng pha hơi ($\rho_y$) | $1,779 \text{ kg/m}^3$ | $1,078 \text{ kg/m}^3$ |
| Khối lượng riêng pha lỏng ($\rho_x$) | $803,04 \text{ kg/m}^3$ | $910,00 \text{ kg/m}^3$ |
| Độ nhớt pha lỏng ($\mu_x$) | $3,123 \cdot 10^{-4} \text{ N}\cdot\text{s/m}^2$ | $3,866 \cdot 10^{-4} \text{ N}\cdot\text{s/m}^2$ |
| Vận tốc hơi làm việc lý thuyết | $0,812 \text{ m/s}$ | $0,7504 \text{ m/s}$ |
| Đường kính tháp tính toán | $1,108 \text{ m}$ | $1,118 \text{ m}$ |
| Đường kính tháp quy chuẩn ($D$) | $1,20 \text{ m}$ | $1,20 \text{ m}$ |
| Vận tốc hơi làm việc thực tế | $0,692 \text{ m/s}$ | $0,651 \text{ m/s}$ |
| Hiệu suất đĩa trung bình ($\eta_{tb}$) | $51,78%$ | $33,50%$ |
| Số đĩa thực tế ($N_{TT}$) | 14 đĩa | 3 đĩa |
Tổng số đĩa thực tế của tháp là $N_{TT} = 14 + 3 = 17$ đĩa. Hiệu suất chuyển khối trung bình toàn tháp đạt $48,45%$. Cấu tạo đĩa lỗ không có ống chảy chuyền được lựa chọn với tỷ lệ diện tích tự do mở lỗ $F_{td} = 20%$ diện tích đĩa, đường kính lỗ đĩa $d_{lỗ} = 2 \text{ mm}$, chiều dày tấm đĩa $\delta = 5 \text{ mm}$. Tại đoạn luyện, chuẩn số Reynolds của dòng hơi qua lỗ đạt $Re = 12,01$, hệ số trở lực đĩa khô $\xi = 3,523$, vận tốc hơi qua lỗ đạt $4,06 \text{ m/s}$, trở lực đĩa khô là $\Delta P_k = 16,392 \text{ N/m}^2$.
Tính toán cân bằng nhiệt lượng và tiêu hao năng lượng
- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (H-1): Nâng nhiệt độ dòng hỗn hợp từ $15^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $65,163^\circ\text{C}$. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị gia nhiệt để nạp vào tháp đạt $Q_F = 1659,7 \cdot 10^3 \text{ kJ/h}$.
- Tháp chưng luyện (E-1): Nhiệt lượng đưa vào bởi chất lỏng hồi lưu đỉnh ($G_R = 2939,88 \text{ kg/h}$ ở $57,182^\circ\text{C}$) là $Q_R = 390,72 \cdot 10^3 \text{ kJ/h}$. Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra ($4338,84 \text{ kg/h}$ ở $97,79^\circ\text{C}$) là $Q_W = 1780,2 \cdot 10^3 \text{ kJ/h}$. Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh được tính bằng $5%$ nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy tháp.
- Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (C-2): Làm nhiệm vụ ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi đỉnh tháp với ẩn nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp là $551,111 \text{ kJ/kg}$. Với khoảng nhiệt độ nước làm mát đi từ $20^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$, lưu lượng nước lạnh tiêu hao là $G_n = 32199,474 \text{ kg/h}$.
- Thiết bị làm mát sản phẩm đỉnh (C-3): Hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh từ $57,182^\circ\text{C}$ xuống $37,5^\circ\text{C}$, lượng nước làm mát tiêu tốn là $G_{n2} = 2307,222 \text{ kg/h}$.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Tổng quan quá trình chưng cất axeton và nước
Tác giả hệ thống hóa các tính chất hóa lý cơ bản của axeton và nước, khảo sát ứng dụng của axeton trong sản xuất công nghiệp và dân dụng, đồng thời phân tích các lộ trình công nghệ tổng hợp axeton (phương pháp chưng cất khan muối axetat thời kỳ trước, quá trình lên men Clostridium acetobutylicum, công nghệ Cumen từ benzen và propen chiếm đa số sản lượng hiện nay). Phần này làm rõ cơ chế phân tách của phương pháp chưng luyện dựa trên sự khác biệt áp suất hơi riêng phần của từng cấu tử ở cùng một nhiệt độ sôi. Thuyết minh mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ PFD, nguyên lý tuần hoàn dòng vật chất và chức năng của từng cụm thiết bị từ tiếp liệu, hồi lưu đỉnh, đun sôi đáy đến làm lạnh thành phẩm.
Phần II: Tính toán kỹ thuật thiết bị chính
Phần II là nội dung trọng tâm của thuyết minh, bao gồm các bước tính toán công nghệ và cơ khí cho tháp chưng luyện đĩa lỗ:
- Thiết lập phương trình cân bằng vật chất để xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh ($3161,16 \text{ kg/h}$) và đáy ($4338,84 \text{ kg/h}$).
- Xây dựng đồ thị McCabe - Thiele trên hệ tọa độ $x-y$, khảo sát 7 điểm vận hành hồi lưu để chọn điểm tối ưu thể tích tháp tại $R_{TH} = 0,93$, tìm ra 8 đĩa lý thuyết.
- Xác định đường kính tháp cho hai vùng làm việc riêng biệt (đoạn luyện tính được $1,108 \text{ m}$, đoạn chưng tính được $1,118 \text{ m}$) và thống nhất quy chuẩn đường kính danh định toàn tháp là $D = 1,20 \text{ m}$. Vận tốc hơi thực tế tương ứng là $0,692 \text{ m/s}$ (đoạn luyện) và $0,651 \text{ m/s}$ (đoạn chưng), đáp ứng điều kiện thủy động.
- Tính toán hiệu suất đĩa từng bậc theo mô hình O'Connell dựa vào tích số độ nhớt pha lỏng và độ bay hơi tương đối ($\alpha \cdot \mu$). Kết quả tính ra hiệu suất trung bình đoạn luyện đạt $51,78%$ (cần 14 đĩa thực tế) và đoạn chưng đạt $33,5%$ (cần 3 đĩa thực tế).
- Lập bảng cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp, thiết bị gia nhiệt tiếp liệu và thiết bị ngưng tụ đỉnh.
- Khảo sát trở lực dòng hơi qua đĩa lỗ không có ống chảy chuyền, bao gồm trở lực đĩa khô, trở lực do sức căng bề mặt và trở lực thủy tĩnh lớp lỏng. Tính toán sơ bộ các kích thước cơ khí: chiều dày thân tháp, đáy, nắp, đường kính các ống dẫn nguyên liệu, hơi đỉnh, hồi lưu, tháo đáy và kết cấu chân đỡ tháp.
Phần III: Tính toán kỹ thuật thiết bị phụ trợ
Chương này trình bày các bước tính toán và chọn thiết bị ngoại vi phục vụ tháp chính theo các mục tiêu kỹ thuật:
- Tính toán nhiệt và kích thước thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (H-1): Xác định hiệu số nhiệt độ trung bình, hệ số cấp nhiệt phía dòng lỏng chuyển động trong ống và phía hơi nước bão hòa ngưng tụ ngoài ống, xác định tổng trở nhiệt thành ống và diện tích bề mặt truyền nhiệt yêu cầu.
- Tính toán thủy lực và chọn bơm hỗn hợp đầu (P-1, P-2): Xác định áp suất toàn phần cần thiết của bơm bằng cách cộng tổng áp suất động học, tổn thất áp suất do ma sát dọc đường ống thẳng, trở lực cục bộ qua các van, phụ kiện, áp suất nâng chất lỏng lên độ cao đĩa tiếp liệu và áp suất làm việc trong tháp, từ đó xác định công suất động cơ điện lắp đặt cho bơm.
- Tính toán thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (C-2): Thiết lập chế độ trao đổi nhiệt ống chùm ngưng tụ hoàn toàn lượng hơi axeton bốc lên từ đỉnh tháp, tính toán lượng nước làm mát tiêu thụ ($32199,474 \text{ kg/h}$) và bề mặt trao đổi nhiệt tương ứng.
Kết quả và thông số kỹ thuật đạt được
Đồ án hoàn thành nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống chưng luyện tách axeton – nước với hệ thống thông số được xác lập rõ ràng từ văn bản:
- Năng suất và chất lượng sản phẩm: Hệ thống xử lý $7500 \text{ kg/h}$ hỗn hợp đầu chứa $42,5%$ axeton, tách thành dòng sản phẩm đỉnh đạt $3161,16 \text{ kg/h}$ axeton độ tinh khiết cao ($98,5%$ khối lượng) và dòng sản phẩm đáy $4338,84 \text{ kg/h}$ chứa chủ yếu là nước ($98,3%$ khối lượng nước, nồng độ axeton tổn thất ở đáy chỉ còn $1,7%$).
- Kích thước công nghệ tháp chính: Tháp có đường kính trong đồng nhất $D = 1,2 \text{ m}$; trang bị 17 đĩa lỗ không có ống chảy chuyền (gồm 14 đĩa luyện và 3 đĩa chưng). Đĩa làm việc với tỷ lệ tiết diện tự do $20%$, kích thước lỗ đĩa $2 \text{ mm}$, chiều dày đĩa $5 \text{ mm}$.
- Thông số năng lượng và tiêu hao tác nhân phụ trợ:
- Hơi đốt sử dụng: Hơi nước bão hòa ở nhiệt độ $119,6^\circ\text{C}$ (áp suất $2 \text{ at}$), ẩn nhiệt hóa hơi $2208 \text{ kJ/kg}$.
- Nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (C-2): Tiêu hao $32199,474 \text{ kg/h}$ với khoảng nhiệt độ làm việc từ $20^\circ\text{C}$ đến $45^\circ\text{C}$.
- Nước làm mát cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (C-3): Tiêu hao $2307,222 \text{ kg/h}$ để hạ nhiệt độ từ $57,182^\circ\text{C}$ xuống $37,5^\circ\text{C}$.
- Giải pháp kỹ thuật công nghệ được đề xuất trong thiết kế:
- Sử dụng sơ đồ cấp nhiệt tiếp liệu đến đúng nhiệt độ sôi ($65,16^\circ\text{C}$) nhằm ổn định chế độ thủy động lực học và nồng độ pha trên đĩa tiếp liệu, tránh gây xáo trộn dòng đối lưu trong tháp.
- Bố trí hệ thống bơm tiếp liệu kép gồm hai bơm P-1 và P-2 mắc song song, đảm bảo tính liên tục của quá trình sản xuất công nghiệp khi cần bảo dưỡng hoặc sửa chữa đột xuất.
- Giới hạn nhiệt độ đầu ra của nước làm mát ở mức $45^\circ\text{C}$ nhằm ngăn ngừa hiện tượng đóng cặn carbonat và kết tủa muối khoáng trên bề mặt truyền nhiệt của chùm ống ngưng tụ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế trong văn bản thuyết minh:
- Các kết quả kích thước tháp, số đĩa và trở lực mới dừng lại ở mô hình tính toán lý thuyết và phương pháp bán thực nghiệm dựa trên đồ thị O'Connell và giản đồ McCabe - Thiele, chưa có số liệu kiểm chứng bằng vận hành mô hình thực nghiệm (pilot) hoặc mô phỏng động học bằng phần mềm chuyên dụng.
- Thuyết minh chưa khảo sát trường hợp dao động nồng độ cấu tử của dòng hỗn hợp cấp liệu ban đầu (nồng độ cố định ở mức $42,5%$), do đó chưa đánh giá được độ nhạy và biên độ ổn định của tháp khi nồng độ dòng vào thay đổi.
- Phần tính toán cơ khí chi tiết cho chiều dày thân, nắp, đáy, mặt bích và kết cấu chân đỡ tháp ở Phần II cũng như các hệ số truyền nhiệt chi tiết của thiết bị phụ ở Phần III chưa được thể hiện đầy đủ các con số kết luận cuối cùng trong phần trích lục văn bản.
- Hướng mở rộng theo phạm vi nghiên cứu:
- Cần tiến hành mô phỏng quá trình truyền khối và thủy động lực học bằng các công cụ mô phỏng quá trình hóa học để tối ưu hóa khoảng cách giữa các đĩa và phân bố áp suất chi tiết hơn.
- Nghiên cứu bổ sung vòng điều khiển tự động hóa cho lưu lượng dòng hồi lưu đỉnh và lưu lượng hơi đốt đáy tháp nhằm duy trì độ tinh khiết sản phẩm đỉnh ổn định trước các biến thiên tải công nghệ.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật đối với:
- Sinh viên thuộc các ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Hóa dầu khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (CH3440) hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành liên quan đến quá trình truyền khối.
- Kỹ sư thiết kế thiết bị hóa chất quan tâm đến quy trình mẫu về tính toán tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền — một dạng thiết bị có kết cấu cơ khí gọn nhẹ, không có cụm ống chảy chuyền riêng biệt mà hơi và lỏng cùng đi qua các lỗ đĩa.
- Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
- Phương pháp giải tích kết hợp đồ thị để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp tối ưu hóa theo thể tích thiết bị ($V_{min}$).
- Chuỗi bước tính toán thủy động pha hơi - pha lỏng chi tiết cho cả hai vùng đoạn luyện và đoạn chưng (tính khối lượng riêng, độ nhớt trung bình theo nhiệt độ sôi từng vùng).
- Bảng tính toán hiệu suất chuyển khối cục bộ cho từng đĩa dựa trên tích số độ nhớt và độ bay hơi tương đối ($\alpha \cdot \mu$).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hỗn hợp axeton – nước lại được lựa chọn phân tách bằng phương pháp chưng luyện ở áp suất thường?
Hỗn hợp axeton và nước là dung dịch lỏng đồng nhất tan vô hạn, có nhiệt độ sôi của hai cấu tử nguyên chất cách xa nhau đáng kể ở áp suất khí quyển ($56,5^\circ\text{C}$ đối với axeton và $100^\circ\text{C}$ đối với nước). Do cả hai cấu tử đều bền nhiệt, không bị nhiệt phân ở dải nhiệt độ làm việc này và hệ không tạo điểm đẳng phí, việc chưng cất ở áp suất thường ($760 \text{ mmHg}$) là phương án công nghệ đơn giản và kinh tế nhất, không đòi hỏi các thiết bị tạo chân không hay áp suất cao.
2. Chỉ số hồi lưu thích hợp của hệ thống được xác định bằng phương pháp nào và đạt giá trị bao nhiêu?
Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định theo tiêu chuẩn thể tích làm việc của tháp nhỏ nhất ($V_{min} = H \cdot S \sim N_{LT}(R + 1)$ đạt cực tiểu). Tác giả đã khảo sát 7 điểm giá trị $R$ từ $R_{min} = 0,466$ đến $R = 1,165$ tương ứng với số đĩa lý thuyết từ $\infty$ giảm dần về $7,6$. Đồ thị hàm $N_{LT}(R + 1)$ đạt điểm cực tiểu tại $R_{TH} = 0,93$ với thể tích tháp tối thiểu là $16 \text{ m}^3$ và số đĩa lý thuyết tương ứng là $N_{LT} = 8,3$ (lấy tròn 8 đĩa).
3. Đường kính tính toán của đoạn luyện và đoạn chưng chênh lệch nhau như thế nào và được quy chuẩn ra sao?
Theo tính toán thủy động từ lưu lượng và vận tốc hơi cho phép:
- Đường kính tính toán của đoạn luyện đạt $D = 1,108 \text{ m}$ (với lượng hơi trung bình $5018,89 \text{ kg/h}$, vận tốc hơi thích hợp $0,812 \text{ m/s}$).
- Đường kính tính toán của đoạn chưng đạt $D = 1,118 \text{ m}$ (với lượng hơi trung bình $2959,17 \text{ kg/h}$, vận tốc hơi thích hợp $0,7504 \text{ m/s}$). Do hai giá trị tính toán gần bằng nhau, tác giả đã quy chuẩn đường kính chung cho toàn bộ thân tháp là $D = 1,20 \text{ m}$ nhằm đồng bộ hóa gia công cơ khí.
4. Hiệu suất chuyển khối trung bình giữa đoạn luyện và đoạn chưng có sự khác biệt ra sao và ảnh hưởng thế nào đến số đĩa thực tế?
Hiệu suất chuyển khối trung bình của đoạn luyện đạt $\eta_{tbL} = 51,78%$, trong khi đoạn chưng chỉ đạt $\eta_{tbC} = 33,50%$. Sự chênh lệch này xuất phát từ độ bay hơi tương đối và độ nhớt pha lỏng khác nhau giữa hai vùng nồng độ. Do đó, từ 7 đĩa lý thuyết ở đoạn luyện cần quy đổi thành $14$ đĩa thực tế ($7 / 0,5178 \approx 13,52$, làm tròn thành 14 đĩa), còn 1 đĩa lý thuyết ở đoạn chưng cần quy đổi thành $3$ đĩa thực tế ($1 / 0,3350 \approx 2,98$, làm tròn thành 3 đĩa), đưa tổng số đĩa thực tế toàn tháp lên $17$ đĩa.
5. Thiết kế công nghệ xử lý sự cố gián đoạn nguồn cấp liệu bằng giải pháp nào?
Trong sơ đồ công nghệ PFD, hệ thống nạp liệu được trang bị hai máy bơm P-1 và P-2 lắp đặt song song. Bơm P-1 đóng vai trò là bơm vận hành chính đưa hỗn hợp đầu từ thùng T-1 qua thiết bị gia nhiệt H-1 vào tháp E-1. Khi bơm P-1 gặp sự cố hỏng hóc hoặc cần bảo dưỡng kỹ thuật, bơm dự phòng P-2 lập tức được kích hoạt để tiếp tục duy trì dòng chảy liên tục, ngăn ngừa hiện tượng ngừng tháp đột ngột làm phá vỡ cân bằng pha và chế độ làm việc ổn định của hệ thống chưng luyện.
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Phan Thị Huyền Trang đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để phân tách hỗn hợp hai cấu tử axeton – nước với năng suất $7500 \text{ kg/h}$. Thiết bị chính được xác lập hoàn chỉnh với quy cách tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền, đường kính danh định $1,2 \text{ m}$, chiều cao chứa 17 đĩa thực tế, vận hành ở chỉ số hồi lưu tối ưu $R_{TH} = 0,93$. Hệ thống đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm đỉnh đạt $98,5%$ khối lượng axeton và giảm hàm lượng axeton trong nước thải đáy xuống $1,7%$, đồng thời đưa ra các tính toán cân bằng năng lượng và lựa chọn cụm thiết bị phụ trợ đồng bộ phục vụ dây chuyền công nghệ.