Bối cảnh và nhiệm vụ nghiên cứu
Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục hỗn hợp hai cấu tử" do sinh viên Lê Tuấn Linh (lớp CTTN Hóa Dược K64, Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) thực hiện năm 2022 dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Trung Kiên. Trong công nghiệp hóa chất và hóa dược, yêu cầu nâng cao nồng độ và độ tinh khiết của sản phẩm lỏng là một đòi hỏi kỹ thuật then chốt. Phương pháp chưng luyện liên tục dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi tương đối giữa các cấu tử ở cùng một áp suất làm việc là giải pháp công nghệ phổ biến để phân tách hỗn hợp lỏng đồng thể thành các sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Về mặt văn bản, đồ án ghi nhận một điểm đặc thù cần lưu ý: tên đề tài ở trang bìa ghi nhận hệ cấu tử là "Benzen - Toluen", tuy nhiên toàn bộ nội dung thuyết minh từ cơ sở lý thuyết, số liệu cân bằng pha lỏng - hơi, các phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng đến tính toán thủy lực và kết cấu cơ khí thực tế lại thực hiện trọn vẹn cho hỗn hợp hai cấu tử Etanol - Nước ($C_2H_5OH - H_2O$).
Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được xác định theo các yêu cầu và thông số ban đầu cụ thể sau:
- Xác định sơ đồ dây chuyền công nghệ chưng luyện liên tục hệ Etanol - Nước làm việc ở áp suất thường ($P = 1\text{ at}$).
- Tính toán cân bằng vật chất toàn hệ thống với năng suất hỗn hợp đầu vào $F = 1,6\text{ kg/s}$ (tương đương $5760\text{ kg/h}$), nồng độ nguyên liệu $a_F = 15%$ khối lượng etanol, nồng độ sản phẩm đỉnh $a_P = 92%$ khối lượng etanol, nồng độ sản phẩm đáy $a_W = 1%$ khối lượng etanol.
- Lựa chọn dạng tháp chưng luyện: tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền.
- Tính toán kích thước thiết bị chính (đường kính tháp, chiều cao tháp, số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, cấu tạo mâm đĩa và trở lực thủy lực).
- Tính toán cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp và các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ (thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, thiết bị ngưng tụ đỉnh, thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh).
- Tính toán kết cấu cơ khí cho thân tháp, đáy, nắp, mặt bích và các ống dẫn, sử dụng vật liệu thép không gỉ $X18H10T$.
Phạm vi tính toán giới hạn trong điều kiện chưng cất nhị phân ở áp suất khí quyển $1\text{ at}$, hỗn hợp nguyên liệu được đun nóng đến nhiệt độ sôi trước khi cấp vào đĩa tiếp liệu của tháp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Tác giả áp dụng hệ thống lý thuyết truyền khối và quá trình - thiết bị truyền nhiệt, phân tách hỗn hợp theo các tài liệu kỹ thuật chuẩn mực của ngành Kỹ thuật Hóa học:
- Khung lý thuyết cân bằng pha: Số liệu cân bằng pha lỏng - hơi ($x-y^*$) và nhiệt độ sôi đẳng áp ($t-x,y$) của hệ Etanol - Nước ở áp suất khí quyển được tra cứu từ Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Bảng IX.1 và IX.2a).
- Phương pháp cân bằng vật liệu: Sử dụng hệ phương trình bảo toàn khối lượng tổng thể và cân bằng riêng cho cấu tử dễ bay hơi (etanol) để xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh ($P$) và sản phẩm đáy ($W$), sau đó chuyển đổi sang phần mol ($x_F, x_P, x_W$) dựa trên khối lượng mol $M_A = 46\text{ kg/kmol}$ (etanol) và $M_B = 18\text{ kg/kmol}$ (nước).
- Phương pháp đồ thị xác định chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) từ hoành độ nồng độ nạp liệu $x_F = 0,065$ dóng lên đường cân bằng để tìm tung độ cân bằng $y_F^* = 0,36$. Tác giả khảo sát hàm tối ưu thể tích tháp $N(R+1) \to \min$ thông qua việc quét hệ số dư $b$ trong khoảng từ $1,4$ đến $2,5$ với bước nhảy để tìm chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_{th}$).
- Phương pháp tính toán thủy lực và kích thước tháp: Xác định đường kính tháp dựa trên lưu lượng pha hơi trung bình ($g_{tb}$) và tốc độ hơi làm việc thích hợp ($\omega_{lv} = 0,8 \cdot \omega_{gh}$), trong đó tốc độ giới hạn $\omega_{gh}$ được tính theo phương trình thủy lực pha khí - lỏng trong tháp đĩa.
- Phương pháp đường cong động học xác định số đĩa thực tế: Tính toán hệ số khuếch tán trong pha lỏng ($D_x$) theo công thức Wilke-Chang và pha hơi ($D_y$), chuẩn số Reynolds ($Re$), chuẩn số Schmidt/Prandtl khuếch tán ($Pr$), từ đó xác định hệ số cấp khối ($\beta_x, \beta_y$) và hệ số chuyển khối tổng quát ($K_y$). Số đĩa thực tế ($N_{tt}$) được xác định thông qua việc dựng đường cong động học ngăn cách giữa đường làm việc và đường cân bằng.
- Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán chiều dày thân hình trụ chịu áp suất trong và áp suất thủy tĩnh theo Tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất, xác định ứng suất cho phép của thép hợp kim $X18H10T$ có tính đến hệ số an toàn bền ($n_k = 2,6$) và hệ số an toàn chảy ($n_c = 1,5$).
Nội dung chính theo từng phần của đồ án
Phần I: Phần mở đầu và dây chuyền công nghệ
Phần này trình bày tổng quan về các phương pháp chưng cất (gián đoạn, liên tục, chưng áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao) và phân loại thiết bị chưng luyện (tháp đệm, tháp đĩa chóp, tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền). Tác giả phân tích ưu điểm của tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền: khối lượng nhẹ hơn tháp đệm ở cùng công suất, bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao, cấu tạo tương đối đơn giản, dễ làm sạch và trở lực không quá lớn.
Tiếp theo là phần giới thiệu tính chất hóa lý của hai cấu tử:
- Etanol ($C_2H_5OH$): Phân tử khối $46\text{ kg/kmol}$, khối lượng riêng $0,7936\text{ g/ml}$ (ở $15^\circ\text{C}$), nhiệt độ sôi $78,39^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $-114,15^\circ\text{C}$, tan vô hạn trong nước.
- Nước ($H_2O$): Phân tử khối $18\text{ kg/kmol}$, khối lượng riêng $1\text{ g/ml}$, nhiệt độ sôi $100^\circ\text{C}$.
Dây chuyền công nghệ chưng luyện liên tục gồm 11 thiết bị chính và phụ trợ: thùng chứa nguyên liệu ban đầu (1), bơm dung dịch (2), thùng cao vị có ống chảy tràn ổn định lưu lượng (3), thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu bằng hơi nước bão hòa (4), tháp chưng luyện (5), thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp (6), thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh (7), thùng chứa sản phẩm đỉnh (8), thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9), thùng chứa sản phẩm đáy (10), và thiết bị tháo nước ngưng (11).
Phần II: Tính toán thiết bị chính
1. Cân bằng vật liệu và xác định chế độ công nghệ
Từ số liệu ban đầu, tác giả lập cân bằng vật chất tổng thể và cân bằng cấu tử etanol:
- Năng suất đỉnh: $P = 886,15\text{ kg/h}$ ($21,66\text{ kmol/h}$).
- Năng suất đáy: $W = 4873,85\text{ kg/h}$ ($268,96\text{ kmol/h}$).
- Nồng độ phần mol: nguyên liệu $x_F = 0,065$; sản phẩm đỉnh $x_P = 0,818$; sản phẩm đáy $x_W = 0,004$.
- Khối lượng mol trung bình: nguyên liệu $M_F = 19,82\text{ kg/kmol}$; sản phẩm đỉnh $M_P = 40,904\text{ kg/kmol}$; sản phẩm đáy $M_W = 18,112\text{ kg/kmol}$.
Chỉ số hồi lưu tối thiểu tính được là $R_{min} = 1,31$. Khảo sát chỉ số hồi lưu thích hợp qua 7 giá trị hệ số $b$ cho kết quả:
| Hệ số $b$ | Chỉ số hồi lưu $R_x$ | Hệ số góc $B$ | Số đĩa lý thuyết $N_{lt}$ | Tích số $N(R+1)$ |
|---|---|---|---|---|
| 1,4 | 1,834 | 0,289 | 12 | 34,008 |
| 1,6 | 2,096 | 0,264 | 10 | 30,960 |
| 1,8 | 2,358 | 0,244 | 9 | 30,222 |
| 1,9 | 2,489 | 0,234 | 9 | 31,401 |
| 2,0 | 2,620 | 0,226 | 9 | 32,580 |
| 2,3 | 3,013 | 0,204 | 8 | 32,104 |
| 2,5 | 3,275 | 0,191 | 8 | 34,200 |
Giá trị cực tiểu của $N(R+1) = 30,222$ đạt được tại $b = 1,8$, tương ứng với chỉ số hồi lưu thích hợp $R_{th} = 2,358$. Số đĩa lý thuyết tổng cộng là $N_{lt} = 9$ đĩa, bao gồm 5 đĩa đoạn luyện và 4 đĩa đoạn chưng. Phương trình đường làm việc tương ứng:
- Đoạn luyện: $y = 0,7x + 0,244$.
- Đoạn chưng: $y = 2,64x - 0,016$ (với tỷ số nạp liệu $f = F/P = 6,5$).
2. Tính toán đường kính tháp
Do sự chênh lệch lớn về tính chất pha và lưu lượng giữa hai phần tháp, tác giả tách riêng tính toán đường kính cho từng đoạn:
- Đoạn luyện: Nhiệt độ trung bình $t_{tbL} = 83,9^\circ\text{C}$; lượng hơi trung bình $g_{tbL} = 3686\text{ kg/h}$; lượng lỏng trung bình $G_{tbL} = 2780\text{ kg/h}$; khối lượng riêng pha hơi $\rho_{ytbL} = 0,836\text{ kg/m}^3$; khối lượng riêng pha lỏng $\rho_{xtbL} = 841,88\text{ kg/m}^3$. Tốc độ giới hạn $\omega_{ghL} = 1,587\text{ m/s}$, tốc độ làm việc lấy bằng $80%$ là $1,27\text{ m/s}$. Đường kính tính toán được quy chuẩn là $D_L = 1,1\text{ m}$. Vận tốc thực tế đạt $1,287\text{ m/s}$ (bằng $81%$ vận tốc giới hạn, đạt yêu cầu chống ngập lụt và sặc tháp).
- Đoạn chưng: Nhiệt độ trung bình $t_{tbC} = 94,27^\circ\text{C}$; lượng hơi trung bình $g_{tbC} = 6356\text{ kg/h}$; lượng lỏng trung bình $G_{tbC} = 11230,25\text{ kg/h}$; khối lượng riêng pha hơi $\rho_{ytbC} = 1,18\text{ kg/m}^3$; khối lượng riêng pha lỏng $\rho_{xtbC} = 736,17\text{ kg/m}^3$. Tốc độ giới hạn $\omega_{ghC} = 1,25\text{ m/s}$, tốc độ làm việc thiết kế $1,0\text{ m/s}$. Đường kính tính toán $1,38\text{ m}$ được quy chuẩn thành $D_C = 1,4\text{ m}$. Tốc độ hơi thực tế là $0,97\text{ m/s}$ (bằng $77%$ vận tốc giới hạn, thỏa mãn điều kiện làm việc).
3. Chiều cao tháp và cấu tạo đĩa
Tác giả xác định hệ số khuếch tán, độ nhớt hỗn hợp và các chuẩn số Reynolds, Prandtl cho từng pha:
- Hệ số cấp khối pha hơi: đoạn luyện $\beta_{yL} = 0,09\text{ kmol/(m}^2\cdot\text{s)}$; đoạn chưng $\beta_{yC} = 0,07\text{ kmol/(m}^2\cdot\text{s)}$.
- Hệ số cấp khối pha lỏng: đoạn luyện $\beta_{xL} = 0,13\text{ kmol/(m}^2\cdot\text{s)}$; đoạn chưng $\beta_{xC} = 0,18\text{ kmol/(m}^2\cdot\text{s)}$. Dựng đường cong động học xác định được số đĩa thực tế $N_{tt} = 13$ đĩa (đoạn luyện 8 đĩa, đoạn chưng 5 đĩa). Hiệu suất trung bình của tháp đạt: $$\eta = \frac{N_{lt}}{N_{tt}} = \frac{9}{13} \approx 69,2%$$
Khoảng cách giữa các đĩa được chọn $H_đ = 0,4\text{ m}$, chiều dày mâm đĩa $\delta = 3\text{ mm}$.
- Chiều cao đoạn luyện: $H_L = 8 \times (0,4 + 0,003) + 1 = 4,224\text{ m}$.
- Chiều cao đoạn chưng: $H_C = 5 \times (0,4 + 0,003) + 1 = 3,015\text{ m}$.
- Đoạn chóp cụt chuyển tiếp đường kính giữa đoạn chưng ($1,4\text{ m}$) và đoạn luyện ($1,1\text{ m}$) có chiều dài $1\text{ m}$.
- Khoảng cách dự phòng đỉnh và đáy: $0,8\text{ m}$.
- Tổng chiều cao tính toán: $H_t = 3,015 + 4,224 + 1 + 0,8 = 9,039\text{ m}$, quy chuẩn chiều cao toàn tháp là $H = 9\text{ m}$.
Cấu tạo đĩa lỗ: đường kính lỗ đĩa $d_l = 3\text{ mm}$, tổng diện tích lỗ chiếm $9,77%$ diện tích bề mặt mâm; các lỗ bố trí theo đỉnh tam giác đều với bước lỗ $t = 2,5 d_l = 7,5\text{ mm}$. Diện tích dành cho ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm đĩa. Đường kính ống chảy chuyền quy chuẩn cho đoạn luyện là $d_{cL} = 0,09\text{ m}$, cho đoạn chưng là $d_{cC} = 0,16\text{ m}$. Chiều cao chất lỏng trên gờ chảy tràn tính theo phương trình Francis đạt $16,73\text{ mm}$ (đoạn chưng) và $7,24\text{ mm}$ (đoạn luyện).
4. Trở lực thủy lực và cân bằng nhiệt lượng
Trở lực một đĩa được tổng hợp từ trở lực đĩa khô ($\Delta P_k$), trở lực do sức căng bề mặt ($\Delta P_\sigma$) và trở lực thủy tĩnh lớp chất lỏng trên đĩa ($\Delta P_t$). Với đoạn luyện, trở lực một đĩa là $\Delta P_1 = 191,72 + 13,64 + 264,62 = 469,98\text{ N/m}^2$.
Tính toán cân bằng nhiệt lượng xác định nhu cầu chất tải nhiệt:
- Hơi đốt sử dụng: hơi nước bão hòa ở áp suất $2\text{ at}$ ($119,6^\circ\text{C}$), ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2208\text{ kJ/kg}$, tổn thất nhiệt ra môi trường giả định bằng $5%$.
- Gia nhiệt hỗn hợp đầu: nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi $89,3^\circ\text{C}$.
- Thiết bị ngưng tụ và làm lạnh: nước làm mát vào ở $25^\circ\text{C}$, đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở $45^\circ\text{C}$. Riêng thiết bị làm lạnh hạ nhiệt sản phẩm đỉnh từ $78,564^\circ\text{C}$ xuống $25^\circ\text{C}$ tiêu tốn lượng nước lạnh $G_{n2} = 8113,9\text{ kg/h}$.
Phần III & IV: Tính toán cơ khí và thiết bị phụ
Thân tháp làm việc ở nhiệt độ xấp xỉ $100^\circ\text{C}$ và áp suất thường, vật liệu chế tạo được chọn là thép không gỉ $X18H10T$ dạng trụ hàn đặt thẳng đứng. Áp suất tính toán thân tháp bao gồm áp suất hơi ($1\text{ at} = 9,81 \cdot 10^4\text{ N/m}^2$) và áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong tháp ($63857,77\text{ N/m}^2$). Ứng suất cho phép của thép được tính toán dựa trên hệ số an toàn bền $n_b = 2,6$ và an toàn chảy $n_c = 1,5$ với hệ số hiệu chỉnh $\eta = 1$ cho thiết bị đốt nóng gián tiếp.
Trong các mục tiếp theo, đồ án đề cập phương pháp tính toán đáy nắp elip tiêu chuẩn, lựa chọn bích ghép thân, tính toán đường kính các ống dẫn công nghệ (ống hỗn hợp đầu, ống hơi đỉnh, ống sản phẩm đáy, ống hồi lưu), khối lượng toàn tháp để chọn tai treo/chân đỡ, cùng tính toán kiểm tra thủy lực cho bơm và thùng cao vị.
Kết quả và thông số thiết kế kỹ thuật
Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật then chốt của hệ thống tháp chưng luyện được trích xuất trực tiếp từ các kết quả tính toán trong đồ án:
| Thông số kỹ thuật | Đoạn luyện | Đoạn chưng | Toàn tháp / Hệ thống |
|---|---|---|---|
| Năng suất nạp liệu ($F$) | — | — | $5760\text{ kg/h}$ ($1,6\text{ kg/s}$) |
| Năng suất sản phẩm đỉnh ($P$) | — | — | $886,15\text{ kg/h}$ |
| Năng suất sản phẩm đáy ($W$) | — | — | $4873,85\text{ kg/h}$ |
| Nồng độ sản phẩm đỉnh ($a_P$) | — | — | $92%$ khối lượng ($81,8%$ mol) |
| Nồng độ sản phẩm đáy ($a_W$) | — | — | $1%$ khối lượng ($0,4%$ mol) |
| Chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_{th}$) | — | — | $2,358$ |
| Số đĩa lý thuyết ($N_{lt}$) | $5$ đĩa | $4$ đĩa | $9$ đĩa |
| Số đĩa thực tế ($N_{tt}$) | $8$ đĩa | $5$ đĩa | $13$ đĩa |
| Hiệu suất tháp ($\eta$) | — | — | $69,2%$ |
| Đường kính trong của tháp ($D$) | $1,1\text{ m}$ | $1,4\text{ m}$ | Tháp hai đoạn đường kính |
| Chiều cao phần làm việc | $4,224\text{ m}$ | $3,015\text{ m}$ | Chiều cao quy chuẩn $H = 9\text{ m}$ |
| Chiều dài đoạn nón chuyển tiếp | — | — | $1,0\text{ m}$ |
| Khoảng cách giữa các đĩa ($H_đ$) | $0,4\text{ m}$ | $0,4\text{ m}$ | Chiều dày đĩa $\delta = 3\text{ mm}$ |
| Đường kính lỗ đĩa ($d_l$) | $3\text{ mm}$ | $3\text{ mm}$ | Bước lỗ tam giác $7,5\text{ mm}$ |
| Tỷ lệ diện tích lỗ / diện tích mâm | $9,77%$ | $9,77%$ | Diện tích chảy chuyền: $20%$ |
| Đường kính ống chảy chuyền ($d_c$) | $0,09\text{ m}$ | $0,16\text{ m}$ | $1$ ống chảy chuyền trên mỗi đĩa |
| Lưu lượng nước làm lạnh đỉnh ($G_{n2}$) | — | — | $8113,9\text{ kg/h}$ (làm lạnh về $25^\circ\text{C}$) |
| Vật liệu chế tạo thân tháp | — | — | Thép không gỉ $X18H10T$ |
Đóng góp kỹ thuật chính của bản đồ án là giải quyết bài toán thiết kế hệ thống chưng luyện quy mô bán công nghiệp với phương án tháp hai cấp đường kính ($1,1\text{ m}$ và $1,4\text{ m}$). Phương án này phù hợp với động học và lưu lượng pha biến thiên lớn giữa vùng luyện và vùng chưng, giúp tránh hiện tượng sặc tháp ở đoạn chưng đồng thời không gây lãng phí vật liệu và giảm hiệu suất tiếp xúc pha ở đoạn luyện.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
Từ nội dung văn bản, một số hạn chế kỹ thuật và phạm vi áp dụng được ghi nhận:
- Sự không nhất quán giữa tiêu đề và nội dung: Tiêu đề đồ án ở trang bìa ghi hệ hai cấu tử "Benzen - Toluen", nhưng toàn bộ tính toán kỹ thuật lại thực hiện trên hệ "Etanol - Nước". Đây là lỗi biên tập văn bản của tác giả, người đọc cần căn cứ vào các bảng số liệu thực tế để áp dụng đúng đối tượng.
- Các giả thiết đơn giản hóa: Quá trình tính toán cân bằng vật chất và đường nồng độ làm việc dựa trên giả thiết số mol pha hơi không đổi dọc theo từng đoạn tháp và hỗn hợp đầu vào tháp đúng ở nhiệt độ sôi ($q = 1$). Trong thực tế vận hành công nghiệp, sự biến thiên nhiệt dung và ẩn nhiệt hóa hơi theo nồng độ sẽ tạo ra độ cong nhất định cho các đường làm việc.
- Phạm vi áp dụng thông số: Kết quả thiết kế chỉ có giá trị áp dụng trực tiếp cho hỗn hợp Etanol - Nước ở áp suất vận hành $1\text{ at}$, nồng độ nhập liệu khoảng $15%$ khối lượng và yêu cầu sản phẩm đỉnh không vượt quá nồng độ đẳng phí ($95,6%$ khối lượng, ở đây thiết kế ở mức $92%$).
- Giới hạn về phương pháp tính toán cơ học: Các công thức tính cơ khí thân tháp trong tài liệu chủ yếu dựa trên tải trọng tĩnh và áp suất làm việc thông thường, chưa xét đến các dao động động lực học do gió, chấn động nền hoặc ứng suất nhiệt cục bộ tại các vị trí nối mặt bích và đoạn nón chuyển tiếp đường kính.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho các đối tượng và mục đích cụ thể sau:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Hóa Dược và Công nghệ Sinh học: Đặc biệt là sinh viên đang thực hiện "Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" liên quan đến chuyên đề chưng luyện tháp đĩa lỗ.
- Tham khảo phương pháp thiết kế tháp hai đoạn đường kính: Thuyết minh cung cấp chi tiết trình tự tính toán lượng hơi trung bình, xác định vận tốc giới hạn và cách lựa chọn quy chuẩn đường kính khác nhau giữa đoạn luyện và đoạn chưng kèm chi tiết đoạn nón chuyển tiếp $1\text{ m}$.
- Tham khảo phương pháp đường cong động học: Trình tự dựng đường cong động học từ các hệ số cấp khối ($\beta_x, \beta_y$) tính theo phương trình thực nghiệm cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền để suy ra số đĩa thực tế và chiều cao làm việc của tháp.
- Dữ liệu nhiệt động và thủy lực hệ Etanol - Nước: Các bước nội suy số liệu thực nghiệm về khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt, nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của dung dịch rượu - nước theo nhiệt độ làm việc.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lại thiết kế tháp chưng luyện với hai đường kính khác nhau ($1,1\text{ m}$ và $1,4\text{ m}$)?
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng ($g_{tbC} = 6356\text{ kg/h}$) lớn hơn nhiều so với đoạn luyện ($g_{tbL} = 3686\text{ kg/h}$), đồng thời khối lượng riêng pha hơi ở đoạn chưng cũng lớn hơn ($1,18\text{ kg/m}^3$ so với $0,836\text{ kg/m}^3$). Nếu giữ nguyên một đường kính $1,1\text{ m}$ cho toàn tháp, tốc độ hơi ở đoạn chưng sẽ vượt quá tốc độ sặc gây ngập lụt tháp; ngược lại nếu chọn toàn tháp là $1,4\text{ m}$, tốc độ hơi ở đoạn luyện sẽ quá nhỏ, gây hiện tượng chảy lọt qua lỗ đĩa và làm giảm hiệu suất tiếp xúc pha.
2. Chỉ số hồi lưu thích hợp $R_{th} = 2,358$ được xác định dựa trên tiêu chí nào?
Tác giả xác định $R_{th}$ dựa trên tiêu chí thể tích thiết bị nhỏ nhất, tương ứng với giá trị cực tiểu của tích số giữa số đĩa lý thuyết và lượng hơi cần hóa hơi $N(R+1) \to \min$. Qua khảo sát 7 điểm hệ số dư $b$ từ $1,4$ đến $2,5$, giá trị $N(R+1)$ đạt cực tiểu bằng $30,222$ tại $b = 1,8$, cho ra $R_{th} = 1,8 \times R_{min} = 1,8 \times 1,31 = 2,358$.
3. Số đĩa thực tế của tháp là bao nhiêu và được xác định bằng phương pháp gì?
Số đĩa thực tế được xác định bằng phương pháp vẽ đường cong động học, đạt $N_{tt} = 13$ đĩa (gồm 8 đĩa ở đoạn luyện và 5 đĩa ở đoạn chưng). Từ số đĩa lý thuyết $N_{lt} = 9$ đĩa, hiệu suất trung bình của tháp được tính toán là $\eta = 9/13 \approx 69,2%$.
4. Vật liệu chế tạo thân tháp là gì và điều kiện làm việc cơ học ra sao?
Thân tháp được chế tạo từ thép không gỉ $X18H10T$ dạng trụ hàn đặt thẳng đứng. Áp suất tính toán thân tháp bao gồm áp suất làm việc hơi $1\text{ at}$ ($9,81 \cdot 10^4\text{ N/m}^2$) cộng với áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong tháp ($63857,77\text{ N/m}^2$), với hệ số an toàn bền kéo $n_b = 2,6$ và an toàn giới hạn chảy $n_c = 1,5$.
5. Có điểm bất thường nào giữa trang bìa và nội dung tính toán của đồ án cần lưu ý?
Điểm bất thường là trang bìa ghi tên đề tài chưng luyện hỗn hợp "Benzen - Toluen", nhưng toàn bộ nội dung tính toán từ Phần I đến Phần IV (tính chất vật lý, nồng độ phần mol, khối lượng mol $M_A = 46, M_B = 18$, cân bằng pha, cân bằng nhiệt) hoàn toàn là của hệ hai cấu tử "Etanol - Nước".
Kết luận
Bản đồ án môn học của tác giả Lê Tuấn Linh đã hoàn thành toàn diện nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp Etanol - Nước quy mô năng suất nguyên liệu $5760\text{ kg/h}$ ở áp suất thường. Hệ thống sử dụng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền với thiết kế hai cấp đường kính ($1,1\text{ m}$ cho đoạn luyện và $1,4\text{ m}$ cho đoạn chưng), chiều cao toàn tháp $9\text{ m}$ gồm 13 đĩa thực tế với hiệu suất tiếp xúc pha $69,2%$. Các tính toán nhiệt lượng và kết cấu cơ khí bằng vật liệu thép không gỉ $X18H10T$ được thực hiện bài bản theo đúng quy chuẩn kỹ thuật của ngành Quá trình - Thiết bị Công nghệ Hóa học, cung cấp một tài liệu tham khảo chi tiết cho sinh viên và kỹ sư thiết kế thiết bị phân tách nhiệt động.