Đồ Án Thiết Kế Tháp Chưng Cất Dạng Chóp Đĩa Cho Hệ Acid Formic – Acid Acetic

Việc thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa là một nhiệm vụ cốt lõi trong ngành quá trình và thiết bị công nghệ… 101 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật · 2023.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Chưng Cất Dạng Chóp Đĩa Cho Hệ Acid Formic – Acid Acetic
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Cơ sở lý thuyết về chưng cất
• 1.1. Chưng cất là gì?
• 1.2. Nguyên tắc làm việc
• 1.3. Các phương pháp chưng cất
• 1.4. Thiết bị chưng cất
• 1.5. Tổng quan về hệ cân bằng acid formic – acid acetic
• 1.6. Giản đồ thành phần hỗn hợp các cấu tử trong hệ acid formic – acid acetic
• 1.7. Thuyết minh quy trình chưng cất acid formic – acetic acid
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
• 2.1. Dữ liệu ban đầu
• 2.2. Cân bằng vật chất
• 2.3. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số mâm
• 2.3.1. Phương trình đường làm việc và số mâm lý thuyết
• 2.3.1.1. Phương trình đường làm việc đoạn cất
• 2.3.1.2. Phương trình đường làm việc đoạn chưng
• 2.3.1.3. Số mâm lý thuyết
• 2.3.2. Xác định số mâm thực tế
• 2.4. Đường kính tháp chưng cất
• 2.4.1. Đường kính đoạn cất
• 2.4.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất
• 2.4.1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
• 2.4.2. Đường kính đoạn chưng
• 2.4.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
• 2.4.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
• 2.5. Chiều cao tháp mâm chóp
• 2.6. Mâm chóp – trở lực mâm chóp
• 2.6.1. Tính toán chóp
• 2.6.2. Tính ống chảy chuyền
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH CƠ KHÍ THÁP CHƯNG CẤT
• 3.1. Tính bề dày thân tháp
• 3.2. Đáy và nắp thiết bị
• 3.3. Bích ghép thân và đáy nắp
• 3.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn
• 3.4.1. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ
• 3.4.2. Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu
• 3.4.3. Đường kính ống dẫn dòng sản phẩm đáy
• 3.4.4. Đường kính ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp
• 3.4.5. Ống dẫn dòng hoàn lưu
• 3.5. Tai treo chân đỡ
• 3.5.1. Tính sơ bộ khối lượng của toàn tháp
• 3.5.2. Tính chân đỡ tháp
• 3.5.3. Tính tai treo tháp
• 3.6. Tính lớp cách nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
• 4.1. Cân bằng nhiệt lượng
• 4.1.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
• 4.1.2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi
• 4.1.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 4.1.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 4.1.5. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp
• 4.2. Thiết bị nhiệt
• 4.2.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
• 4.2.1.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng
• 4.2.1.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit
• 4.2.1.3. Hệ số truyền nhiệt
• 4.2.1.4. Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn
• 4.2.1.5. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống
• 4.2.1.6. Bề mặt truyền nhiệt trung bình
• 4.2.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
• 4.2.2.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh
• 4.2.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 4.2.3. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
• 4.2.3.1. Suất lượng hơi nước cần dùng
• 4.2.4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
• 4.2.4.1. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy
• 4.2.5. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
• 4.2.5.1. Suất lượng hơi nước cần dùng
• 4.2.5.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt
• 4.3. Bồn cao vị, bơm nhập liệu
• 4.3.1. Bồn cao vị
• 4.3.1.1. Hệ số ma sát trong đường ống λ
• 4.3.1.2. Trở lực cục bộ
• 4.3.1.3. Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu
• 4.3.1.4. Trở lực cục bộ
• 4.3.1.5. Chiều cao bồn cao vị
• 4.3.2. Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút
• 4.3.3. Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế tháp chưng cất hệ acid formic acetic

Việc thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa là một nhiệm vụ cốt lõi trong ngành quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả để phân tách các hỗn hợp lỏng hòa tan có độ bay hơi khác nhau. Đối với hệ acid formic và acid acetic, chưng cất là giải pháp tối ưu để thu hồi và làm giàu acid formic. Hệ thống này là một hỗn hợp gần lý tưởng, không tạo điểm đẳng phí, cho phép phân tách hiệu quả bằng chưng cất liên tục. Việc lựa chọn tháp đĩa chóp (bubble cap tray) dựa trên ưu điểm về hiệu suất cao và khả năng hoạt động ổn định trong dải lưu lượng rộng, phù hợp cho vận hành công nghiệp lâu dài. Nền tảng của quá trình tính toán thiết kế là dữ liệu cân bằng lỏng-hơi (VLE) hệ acid formic-acetic, được biểu diễn qua giản đồ T-x,y. Dữ liệu này cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa hai cấu tử (100,8°C cho acid formic và 118,1°C cho acid acetic), là động lực chính của quá trình phân tách. Một đồ án thiết kế tháp chưng cất hoàn chỉnh phải bao gồm các bước từ phân tích lý thuyết, cân bằng vật chất, năng lượng đến thiết kế cơ khí chi tiết, đảm bảo thiết bị hoạt động an toàn và hiệu quả.

1.1. Nguyên tắc cơ bản của quá trình chưng cất hỗn hợp

Chưng cất là phương pháp tách dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp lỏng. Khi hỗn hợp được đun sôi, pha hơi sinh ra sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn (có nhiệt độ sôi thấp hơn). Trong trường hợp hệ acid formic – acid acetic, acid formic có nhiệt độ sôi thấp hơn (100,8°C) nên dễ bay hơi hơn acid acetic (118,1°C). Quá trình này được thực hiện trong tháp chưng cất, nơi diễn ra sự tiếp xúc nhiều lần giữa pha lỏng đi từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên. Tại mỗi đĩa, một phần pha hơi ngưng tụ và một phần pha lỏng bay hơi, dẫn đến sự trao đổi chất. Kết quả là nồng độ của acid formic tăng dần theo chiều cao tháp, đạt giá trị cao nhất tại đỉnh. Ngược lại, nồng độ acid acetic tăng dần về phía đáy tháp. Quá trình này lặp lại liên tục, cho phép thu được sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy với độ tinh khiết mong muốn.

1.2. Đặc điểm hệ acid formic acetic và lý do chọn đĩa chóp

Hệ acid formic – acid acetic là hai acid cacboxylic đơn giản, hòa tan hoàn toàn vào nhau. Một đặc điểm quan trọng là hệ này không tạo thành hỗn hợp đẳng phí (azeotrope), nghĩa là thành phần pha hơi và pha lỏng luôn khác nhau ở mọi mức nồng độ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tách bằng chưng cất. Việc lựa chọn tháp chưng cất dạng chóp đĩa cho hệ này mang lại nhiều lợi ích. Đĩa chóp (bubble cap tray) có cấu tạo phức tạp hơn các loại đĩa khác nhưng đảm bảo hiệu suất truyền khối cao và hoạt động ổn định trên một dải lưu lượng rộng. Điều này giúp hệ thống chống lại sự biến động của dòng nhập liệu, một yếu tố quan trọng trong sản xuất công nghiệp. Hơn nữa, đĩa chóp ngăn chặn hiện tượng lỏng chảy ngược xuống các đĩa dưới ở lưu lượng hơi thấp, đảm bảo hiệu suất mâm không đổi và chất lượng sản phẩm ổn định.

1.3. Dữ liệu cân bằng lỏng hơi VLE và giản đồ T x y

Dữ liệu cân bằng lỏng-hơi (VLE) hệ acid formic-acetic là thông tin nền tảng cho mọi tính toán tháp chưng cất. Dữ liệu này, thường được trình bày dưới dạng bảng hoặc đồ thị, mô tả mối quan hệ giữa thành phần pha lỏng (x) và pha hơi (y) ở trạng thái cân bằng tại một áp suất nhất định. Theo tài liệu gốc (Bảng 1), ở các nồng độ khác nhau của acid formic trong pha lỏng, thành phần tương ứng trong pha hơi luôn cao hơn, khẳng định acid formic là cấu tử dễ bay hơi. Giản đồ T-x,y (nhiệt độ sôi theo thành phần) và giản đồ y-x (đường cong cân bằng) được xây dựng từ dữ liệu VLE. Các giản đồ này là công cụ trực quan và thiết yếu để áp dụng các phương pháp đồ giải như phương pháp McCabe-Thiele nhằm xác định số mâm lý thuyết cần thiết cho quá trình phân tách.

II. Thách thức phân tách hệ acid có tính ăn mòn công nghiệp

Quá trình thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa cho hệ acid formic – acid acetic đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật, trong đó nổi bật nhất là tính ăn mòn hóa học. Cả hai acid này đều có khả năng ăn mòn cao đối với nhiều kim loại thông thường, đặc biệt ở nhiệt độ cao. Do đó, việc lựa chọn vật liệu chống ăn mòn acid là yếu tố sống còn, quyết định tuổi thọ và độ an toàn của thiết bị. Thép không gỉ X18H10T thường được ưu tiên nhờ khả năng kháng ăn mòn tốt trong môi trường acid hữu cơ. Một thách thức khác là đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về độ tinh khiết sản phẩm và hiệu suất thu hồi. Ví dụ, một đề bài thiết kế có thể yêu cầu tỷ lệ thu hồi acid formic ở sản phẩm đáy lên tới 98%, đòi hỏi quá trình tính toán và kiểm soát vận hành cực kỳ chính xác. Các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, và suất lượng hoàn lưu tối ưu phải được xác định cẩn thận để tối ưu hóa cả hiệu quả phân tách và chi phí năng lượng. Việc kiểm soát các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn tác động trực tiếp đến tính kinh tế của toàn bộ quy trình.

2.1. Vấn đề ăn mòn và lựa chọn vật liệu chống ăn mòn acid

Tính ăn mòn của acid formic và acid acetic là một trong những trở ngại lớn nhất. Ở nhiệt độ vận hành của tháp chưng cất, các vật liệu như thép carbon sẽ bị phá hủy nhanh chóng. Do đó, lựa chọn vật liệu chống ăn mòn acid là bước đi đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế cơ khí. Tài liệu thiết kế gốc đề xuất sử dụng thép không gỉ mã X18H10T, một loại thép austenit chứa crom và niken, có bổ sung titan để tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. Việc lựa chọn này phải dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và dữ liệu thực nghiệm về tốc độ ăn mòn. Ngoài thân tháp, tất cả các bộ phận tiếp xúc với môi trường acid như đĩa chóp, ống dẫn, thiết bị ngưng tụ (condenser), và bình đun sôi (reboiler) đều phải được chế tạo từ vật liệu tương thích để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và bền bỉ trong nhiều năm.

2.2. Yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm và hiệu suất thu hồi

Mục tiêu của chưng cất là đạt được độ tinh khiết sản phẩm mong muốn. Các yêu cầu ban đầu của một đồ án thiết kế tháp chưng cất thường rất cụ thể, ví dụ: năng suất nhập liệu 4000 kg/h, nồng độ nhập liệu xF = 0.5 (phần mol acid formic), và tỷ lệ thu hồi sản phẩm đáy (tính theo acid formic) là 98%. Những con số này đặt ra yêu cầu cao về độ chính xác trong tính toán tháp chưng cất. Hiệu suất mâm và số đĩa thực tế phải được xác định một cách hợp lý để đảm bảo nồng độ sản phẩm đỉnh (giàu acid formic) và sản phẩm đáy (giàu acid acetic) đạt tiêu chuẩn. Việc không đạt được hiệu suất thu hồi không chỉ làm giảm hiệu quả kinh tế do mất mát nguyên liệu mà còn có thể ảnh hưởng đến các công đoạn xử lý tiếp theo.

2.3. Các thông số vận hành quan trọng ảnh hưởng đến hệ thống

Hiệu quả của tháp chưng cất phụ thuộc chặt chẽ vào việc kiểm soát các thông số vận hành. Tỷ số hoàn lưu là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tinh khiết sản phẩm và chi phí năng lượng. Tỷ số hoàn lưu cao giúp tăng hiệu quả phân tách nhưng cũng làm tăng lượng hơi cần cung cấp cho bình đun sôi (reboiler) và lượng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ (condenser), dẫn đến chi phí vận hành cao. Do đó, việc xác định suất lượng hoàn lưu tối ưu là bài toán cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế. Ngoài ra, trạng thái nhiệt của dòng nhập liệu (lỏng sôi, lỏng nguội hay hơi) cũng ảnh hưởng lớn đến đường làm việc và số mâm lý thuyết cần thiết. Áp suất vận hành của tháp cũng cần được kiểm soát ổn định để duy trì cân bằng lỏng-hơi như đã tính toán.

III. Hướng dẫn tính toán cân bằng vật liệu và năng lượng

Nền tảng của bất kỳ đồ án thiết kế tháp chưng cất nào cũng là việc thiết lập chính xác phương trình cân bằng. Quá trình tính toán cân bằng vật liệu tháp chưng cất và cân bằng năng lượng tháp chưng cất giúp xác định lưu lượng các dòng sản phẩm, lượng nhiệt cần cung cấp và lấy đi, từ đó làm cơ sở để thiết kế kích thước thiết bị. Cân bằng vật liệu, dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, cho phép tính toán lưu lượng dòng đỉnh (D) và dòng đáy (W) từ lưu lượng dòng nhập liệu (F) và nồng độ các cấu tử. Cân bằng năng lượng, dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, tập trung vào việc xác định nhiệt tải cho bình đun sôi (reboiler) và thiết bị ngưng tụ (condenser). Vai trò của hai thiết bị phụ này là cực kỳ quan trọng: reboiler cung cấp năng lượng để tạo ra dòng hơi đi lên trong tháp, trong khi condenser ngưng tụ hơi từ đỉnh tháp để tạo ra sản phẩm lỏng và dòng hoàn lưu. Tính toán chính xác các thông số này đảm bảo tháp hoạt động đúng với thiết kế và tối ưu hóa chi phí năng lượng.

3.1. Phương pháp thiết lập cân bằng vật liệu tháp chưng cất

Việc thiết lập cân bằng vật liệu tháp chưng cất bắt đầu bằng việc xác định các thông số đầu vào: lưu lượng dòng nhập liệu (F), nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong dòng nhập liệu (xF), sản phẩm đỉnh (xD) và sản phẩm đáy (xW). Dựa trên nguyên tắc bảo toàn khối lượng, hai phương trình cơ bản được thiết lập: phương trình cân bằng vật liệu chung (F = D + W) và phương trình cân bằng cấu tử (F.xF = D.xD + W.xW). Từ các dữ liệu ban đầu và các yêu cầu về sản phẩm, hệ phương trình này được giải để tìm ra lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D) và đáy (W). Kết quả này là cơ sở để tính toán các dòng vật chất bên trong tháp, bao gồm lưu lượng lỏng và hơi ở đoạn cất và đoạn chưng, là những dữ liệu không thể thiếu cho các bước thiết kế tiếp theo như xác định đường kính tháp.

3.2. Các bước thực hiện cân bằng năng lượng tháp chưng cất

Sau khi có kết quả từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng tháp chưng cất được tiến hành để xác định lượng nhiệt cần thiết cho quá trình. Phương trình cân bằng năng lượng tổng thể cho toàn hệ thống bao gồm: Nhiệt vào theo dòng nhập liệu + Nhiệt cung cấp ở bình đun = Nhiệt ra theo dòng đỉnh + Nhiệt ra theo dòng đáy + Nhiệt mất mát ra môi trường. Từ phương trình này, hai thông số quan trọng được tính toán là nhiệt tải của bình đun sôi (reboiler) (Q_R) và nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ (condenser) (Q_C). Việc tính toán này đòi hỏi các dữ liệu về nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất tương ứng. Kết quả Q_R và Q_C là cơ sở để lựa chọn và thiết kế kích thước của các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho quá trình chưng cất.

3.3. Vai trò của thiết bị ngưng tụ và bình đun sôi

Trong hệ thống chưng cất, thiết bị ngưng tụ (condenser) và bình đun sôi (reboiler) đóng vai trò trái tim và lá phổi. Reboiler, thường đặt ở đáy tháp, nhận nhiệt từ hơi nước hoặc dầu nóng để đun sôi một phần sản phẩm đáy. Lượng hơi tạo ra từ reboiler chính là động lực đẩy quá trình phân tách, di chuyển ngược lên trên qua các đĩa. Ngược lại, condenser đặt ở đỉnh tháp có nhiệm vụ làm nguội và ngưng tụ toàn bộ dòng hơi thoát ra từ đĩa trên cùng. Chất lỏng ngưng tụ sau đó được chia thành hai phần: một phần được rút ra ngoài làm sản phẩm đỉnh, phần còn lại được hồi lưu về tháp (dòng hoàn lưu). Dòng hoàn lưu này giúp làm giàu cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi lên, đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm. Hoạt động nhịp nhàng của hai thiết bị này là yếu tố quyết định sự thành công của quá trình chưng cất.

IV. Phương pháp xác định số đĩa và kích thước tháp tối ưu

Sau khi hoàn tất cân bằng vật liệu và năng lượng, bước tiếp theo trong thiết kế tháp chưng cất là xác định các thông số hình học cơ bản. Phương pháp McCabe-Thiele là một công cụ đồ giải kinh điển và hiệu quả để tìm ra số mâm lý thuyết cần thiết cho một yêu cầu phân tách cụ thể. Phương pháp này dựa trên giả định dòng mol pha lỏng và pha hơi không đổi trong mỗi đoạn của tháp. Từ đó, các đường làm việc cho đoạn cất và đoạn chưng được xây dựng. Số bậc thang vẽ giữa đường cân bằng và các đường làm việc sẽ cho ra số mâm lý thuyết. Một thông số cực kỳ quan trọng là tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin), tương ứng với số mâm vô cùng. Trong thực tế, người ta chọn suất lượng hoàn lưu tối ưu thường bằng 1.2 đến 1.5 lần Rmin để cân bằng giữa chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Cuối cùng, số đĩa thực tế được tính bằng cách chia số mâm lý thuyết cho hiệu suất mâm tổng thể. Hiệu suất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu tạo đĩa, tính chất lưu chất và điều kiện vận hành.

4.1. Áp dụng phương pháp McCabe Thiele tìm số mâm lý thuyết

Phương pháp McCabe-Thiele là một phương pháp đồ giải mạnh mẽ để xác định số mâm lý thuyết (N_lt). Phương pháp này yêu cầu giản đồ cân bằng y-x của hệ. Đầu tiên, các điểm tương ứng với nồng độ dòng nhập liệu (xF), sản phẩm đỉnh (xD), và sản phẩm đáy (xW) được xác định trên đồ thị. Tiếp theo, các đường làm việc của đoạn cất (phần trên điểm nhập liệu) và đoạn chưng (phần dưới điểm nhập liệu) được vẽ. Giao điểm của hai đường làm việc này phụ thuộc vào trạng thái nhiệt của dòng nhập liệu. Cuối cùng, từ điểm xD trên đường chéo, các bậc thang được vẽ xen kẽ giữa đường cong cân bằng và đường làm việc. Mỗi bậc thang đại diện cho một mâm lý thuyết. Quá trình vẽ kết thúc khi bậc thang cuối cùng vượt qua điểm xW. Tổng số bậc thang chính là số mâm lý thuyết cần thiết.

4.2. Tính toán tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin và tối ưu

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) là một giới hạn vận hành quan trọng. Nó tương ứng với điều kiện mà để đạt được sự phân tách mong muốn, tháp cần có vô số mâm. Về mặt đồ giải McCabe-Thiele, Rmin được xác định khi đường làm việc đoạn cất đi qua giao điểm của đường q-line (đường biểu diễn trạng thái nhiệt của dòng nhập liệu) và đường cong cân bằng. Vận hành ở Rmin là không thực tế. Tỷ số hoàn lưu vận hành (R) luôn được chọn lớn hơn Rmin. Khi R tăng, số mâm lý thuyết cần thiết giảm, nhưng đường kính tháp và chi phí năng lượng lại tăng. Ngược lại, khi R tiến gần đến Rmin, chi phí năng lượng giảm nhưng chi phí đầu tư cho tháp (do số mâm tăng) lại tăng. Do đó, suất lượng hoàn lưu tối ưu (R_opt) được chọn để tổng chi phí hàng năm (bao gồm cả vốn và vận hành) là thấp nhất, thường nằm trong khoảng R_opt = (1.2 – 1.5)Rmin.

4.3. Cách tính số đĩa thực tế và chiều cao tháp chưng cất

Mâm lý thuyết là một khái niệm lý tưởng nơi pha lỏng và pha hơi rời khỏi mâm đạt trạng thái cân bằng hoàn toàn. Trong thực tế, điều này không bao giờ xảy ra. Do đó, số đĩa thực tế (N_tt) luôn lớn hơn số mâm lý thuyết (N_lt). Mối quan hệ giữa chúng được xác định thông qua hiệu suất mâm (η): N_tt = N_lt / η. Hiệu suất mâm phụ thuộc vào đặc tính thủy động lực học trên đĩa, tính chất vật lý của hệ (độ nhớt, sức căng bề mặt) và cấu tạo đĩa chóp. Sau khi xác định được số đĩa thực tế, chiều cao tổng thể của tháp được tính toán. Chiều cao này bao gồm tổng chiều cao của các đĩa (số đĩa nhân với khoảng cách giữa các đĩa) cộng với khoảng không gian cần thiết ở đỉnh và đáy tháp để phân phối và thu hồi lưu chất. Việc lựa chọn khoảng cách đĩa hợp lý là rất quan trọng để tránh hiện tượng sặc và đảm bảo hoạt động ổn định.

V. Bí quyết thiết kế cơ khí cho tháp chóp đĩa bền vững

Sau khi xác định các thông số công nghệ, giai đoạn thiết kế cơ khí cho tháp chưng cất bắt đầu. Đây là bước hiện thực hóa các tính toán lý thuyết thành một thiết bị vật lý an toàn và bền vững. Trọng tâm của giai đoạn này là cấu tạo tháp chóp đĩa, bao gồm việc thiết kế chi tiết các bộ phận như đĩa chóp (bubble cap tray), ống chảy chuyền (downcomer), và gờ chảy tràn. Các kích thước này phải được tính toán cẩn thận để đảm bảo sự tiếp xúc pha tối ưu và tránh các hiện tượng thủy động lực không mong muốn. Một phần quan trọng khác là tính toán độ bền cơ học của tháp, bao gồm tính toán bề dày thân tháp, đáy và nắp để chịu được áp suất làm việc và các tải trọng khác. Vật liệu được chọn, ví dụ thép X18H10T, phải có ứng suất cho phép phù hợp với nhiệt độ vận hành. Cuối cùng, các chi tiết phụ trợ như bích nối, tai treo và chân đỡ phải được thiết kế theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành để đảm bảo việc lắp đặt, vận hành và bảo trì dễ dàng, an toàn.

5.1. Chi tiết cấu tạo đĩa chóp bubble cap tray và ống chảy chuyền

Chi tiết cấu tạo đĩa chóp quyết định hiệu quả truyền khối của tháp. Mỗi đĩa bao gồm nhiều chóp được phân bố đều trên bề mặt. Hơi đi từ dưới lên qua các ống dẫn hơi, sau đó thoát ra qua các khe răng cưa ở chân chóp, sục vào lớp chất lỏng trên đĩa, tạo ra diện tích tiếp xúc pha lớn. Thiết kế số lượng chóp, kích thước chóp và khe chóp phải đảm bảo vận tốc hơi hợp lý. Bên cạnh đó, ống chảy chuyền là bộ phận dẫn chất lỏng từ đĩa trên xuống đĩa dưới. Kích thước và chiều cao của ống chảy chuyền phải được tính toán để đảm bảo chất lỏng chảy xuống đều đặn mà không gây ngập úng (flooding) hay cuốn lỏng theo hơi (entrainment), hai hiện tượng làm giảm đáng kể hiệu suất mâm.

5.2. Tính toán bề dày thân tháp đáy và nắp chịu áp suất

Độ an toàn của thiết bị phụ thuộc vào độ bền cơ học của các bộ phận chịu áp. Tính toán bề dày thân tháp được thực hiện dựa trên công thức cho vỏ hình trụ chịu áp suất trong, có tính đến các yếu tố như áp suất thiết kế, đường kính trong của tháp, ứng suất cho phép của vật liệu ở nhiệt độ làm việc và hệ số bền mối hàn. Đáy và nắp thiết bị, thường có dạng elip tiêu chuẩn, cũng được tính toán tương tự. Ngoài ra, bề dày tính toán còn được cộng thêm một giá trị dự phòng cho ăn mòn (Ca) và sai số chế tạo (Cc). Ví dụ, với tốc độ ăn mòn 0.1 mm/năm và tuổi thọ thiết kế 20 năm, hệ số bổ sung ăn mòn là 2 mm. Việc kiểm tra lại áp suất cho phép sau khi chọn bề dày thực tế là bước bắt buộc để xác nhận thiết kế.

5.3. Tiêu chuẩn lựa chọn bích nối tai treo và chân đỡ

Các bộ phận phụ trợ đóng vai trò quan trọng trong việc lắp ghép và vận hành tháp. Bích nối được dùng để ghép các đoạn thân tháp với nhau hoặc nối với đáy, nắp và các đường ống. Việc lựa chọn bích phải tuân theo các tiêu chuẩn công nghiệp (ví dụ, theo bảng XIII.27, trang 422, tài liệu [3]), dựa trên đường kính danh nghĩa và áp suất thiết kế để đảm bảo độ kín và độ bền. Tai treo được sử dụng để nâng hạ, di chuyển tháp trong quá trình lắp đặt. Chân đỡ là bộ phận chịu toàn bộ trọng lượng của tháp và chất lỏng bên trong, truyền tải trọng xuống móng. Cả tai treo và chân đỡ đều phải được tính toán cẩn thận về khả năng chịu lực, đảm bảo hệ số an toàn và sự ổn định của toàn bộ kết cấu trong suốt quá trình vận hành.

VI. Tương lai và ứng dụng của đồ án thiết kế tháp chưng cất

Một đồ án thiết kế tháp chưng cất không chỉ là một bài tập học thuật mà còn là nền tảng cho các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp hóa chất. Kết quả tính toán và bản vẽ thiết kế cung cấp một cái nhìn toàn diện về việc xây dựng một hệ thống phân tách hoàn chỉnh. Việc đánh giá kết quả thiết kế so với các tiêu chuẩn công nghiệp và các hệ thống hiện có giúp xác định tiềm năng ứng dụng và các điểm cần cải tiến. Hướng phát triển trong tương lai của lĩnh vực này là tăng cường sử dụng các công cụ mô phỏng quá trình chưng cất. Các phần mềm chuyên dụng như Aspen HYSYS hay ChemCAD cho phép xây dựng mô hình số hóa của tháp chưng cất, giúp tối ưu hóa các thông số vận hành, kiểm tra các kịch bản khác nhau và giảm thiểu rủi ro trước khi chế tạo. Nhìn chung, các dự án thiết kế như thế này đóng vai trò then chốt trong việc đào tạo kỹ sư, kết nối lý thuyết và thực hành trong lĩnh vực quá trình và thiết bị công nghệ hóa học.

6.1. Đánh giá kết quả và tiềm năng ứng dụng thực tiễn

Việc hoàn thành một đồ án thiết kế tháp chưng cất cung cấp một bộ thông số kỹ thuật chi tiết, từ lưu lượng, nhiệt độ, áp suất đến kích thước cơ khí cụ thể. Đánh giá cuối cùng bao gồm việc kiểm tra tính hợp lý của các kết quả, chẳng hạn như so sánh trở lực tính toán của tháp với các giới hạn cho phép, hay kiểm tra điều kiện hoạt động để đảm bảo không xảy ra ngập lụt. Tiềm năng ứng dụng của thiết kế này là rất lớn, có thể được triển khai trong các nhà máy sản xuất hóa chất, nơi cần phân tách và tinh chế acid formic hoặc acid acetic từ các dòng thải hoặc sản phẩm thô. Các bản vẽ kỹ thuật chi tiết là cơ sở để bộ phận chế tạo và lắp đặt thi công, biến ý tưởng thiết kế thành một hệ thống công nghiệp hoạt động hiệu quả.

6.2. Hướng phát triển Mô phỏng bằng Aspen HYSYS ChemCAD

Trong khi các phương pháp tính toán thủ công và đồ giải như McCabe-Thiele cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý, công nghiệp hiện đại ngày càng phụ thuộc vào mô phỏng quá trình chưng cất. Các phần mềm như phần mềm Aspen HYSYS hoặc phần mềm ChemCAD sử dụng các mô hình nhiệt động lực học phức tạp để mô phỏng hoạt động của tháp với độ chính xác cao. Chúng cho phép kỹ sư nhanh chóng khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi tỷ số hoàn lưu, vị trí nhập liệu, hoặc áp suất vận hành đến độ tinh khiết sản phẩm và chi phí năng lượng. Việc sử dụng các công cụ này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế ban đầu mà còn hỗ trợ trong việc khắc phục sự cố và cải tiến quy trình trong quá trình vận hành thực tế, là một kỹ năng không thể thiếu của kỹ sư hóa học hiện đại.

6.3. Tầm quan trọng trong quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

Thiết kế tháp chưng cất là một ví dụ điển hình và toàn diện trong lĩnh vực quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Nó tích hợp kiến thức từ nhiều môn học cốt lõi như nhiệt động lực học, truyền khối, cơ học lưu chất, và sức bền vật liệu. Việc thực hiện một đồ án như vậy giúp sinh viên và kỹ sư trẻ rèn luyện tư duy hệ thống, khả năng giải quyết vấn đề từ lý thuyết đến thực tiễn. Chưng cất vẫn là một trong những quá trình tách quan trọng và phổ biến nhất trong công nghiệp. Do đó, việc nắm vững các nguyên tắc thiết kế và vận hành tháp chưng cất là một năng lực nền tảng, mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp trong các ngành công nghiệp lọc dầu, hóa chất, dược phẩm và thực phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công nghiệp hóa chất, yêu cầu về độ tinh khiết của các cấu tử đơn chất ngày càng đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả của các công đoạn sản xuất tiếp theo. Hỗn hợp acid formic và acid acetic là hệ dung dịch gồm hai cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau. Do đặc tính nhiệt độ sôi của hai chất có sự chênh lệch (acid formic sôi ở 100,8 °C và acid acetic sôi ở 118,1 °C), phương pháp chưng cất được lựa chọn làm giải pháp phân tách tối ưu nhằm nâng cao nồng độ và độ tinh khiết của acid formic.

Đề tài "Thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ acid formic – acid acetic" được thực hiện dưới dạng đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (mã môn học: PWPD322703) tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ nghiên cứu được giao vào tháng 03 và hoàn thành vào tháng 08 năm 2021 bởi nhóm sinh viên Trương Thị Hồng Ánh và Đỗ Kim Ngân dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Nhung.

Các nhiệm vụ cụ thể được văn bản quy định bao gồm:

1. Giới thiệu tổng quan về lý thuyết chưng cất, thiết bị chưng cất và tính chất hóa lý của các cấu tử trong hệ acid formic – acid acetic.
2. Thuyết minh chi tiết quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất mâm chóp.
3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng của toàn bộ hệ thống.
4. Tính toán các thông số công nghệ và kích thước hình học chủ yếu của tháp chưng cất.
5. Tính toán cơ khí cho tháp chưng cất (bề dày thân, nắp, đáy, mối ghép bích, bu lông, chân đỡ, tai treo).
6. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, thiết bị gia nhiệt, thiết bị làm nguội, nồi đun đáy, bồn cao vị, bơm).
7. Xác định sơ bộ giá thành chế tạo thiết bị.
8. Hoàn thiện 02 bản vẽ kỹ thuật gồm 01 bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ khổ A1 (kèm bản A4 trong thuyết minh) và 01 bản vẽ cấu tạo tháp chưng cất khổ A1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ hỗn hợp hai cấu tử acid formic (cấu tử dễ bay hơi hơn) và acid acetic (cấu tử khó bay hơi hơn).
• Phạm vi thông số công nghệ ban đầu: Năng suất nhập liệu đạt 4000 kg/h; nồng độ nhập liệu tính theo phần mol của acid formic là $x_F = 0,012$ (mol acid formic/mol hỗn hợp); tỷ lệ thu hồi sản phẩm đáy tính theo acid formic đạt 98%; hệ thống làm việc ở điều kiện áp suất thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Nội dung thuyết minh dựa trên lý thuyết truyền khối phân tách hệ chất lỏng bằng phương pháp chưng cất liên tục trong tháp mâm chóp. Quá trình truyền khối diễn ra liên tục giữa pha lỏng chảy từ trên xuống và pha hơi đi từ dưới lên thông qua các đĩa chóp, tại đó hơi bốc lên tiếp xúc với chất lỏng giúp cấu tử dễ bay hơi chuyển dịch dần vào pha hơi và cấu tử khó bay hơi đi vào pha lỏng.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật áp dụng trong đồ án:

• Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập các phương trình cân bằng dòng vào và dòng ra cho toàn bộ hệ thống và từng thiết bị riêng biệt để xác định suất lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy và lưu lượng dòng hồi lưu.
• Phương pháp giải tích kết hợp tra cứu đồ thị cân bằng pha: Dựa vào giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hệ acid formic – acid acetic ở áp suất khí quyển để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_{ox}$), số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) và số mâm thực tế ($N_t$) thông qua phương trình đường làm việc của đoạn cất và đoạn chưng.
• Phương pháp thủy động lực học thiết bị mâm chóp: Tính toán vận tốc hơi cho phép, đường kính tháp, gradient mức chất lỏng trên mâm, trở lực mâm chóp, và kiểm tra điều kiện chống ngập lụt qua chiều cao lớp chất lỏng trong ống chảy chuyền.
• Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán độ bền thân hình trụ, đáy và nắp elip chịu áp suất trong, xác định ứng suất cho phép của vật liệu thép không gỉ X18H10T ở nhiệt độ làm việc, bổ sung bề dày do ăn mòn hóa học và dung sai chế tạo.
• Nguồn dữ liệu tra cứu: Dữ liệu tính toán nhiệt động lực học, kích thước tiêu chuẩn của mối ghép bích, nắp elip, chân đỡ và hệ số truyền nhiệt được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về chưng cất

Chương này trình bày khái niệm chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi giữa các cấu tử. Tác giả phân loại bốn phương pháp chưng cất cơ bản: chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất đơn giản, chưng cất gián đoạn và chưng cất chân không.

Nội dung so sánh đặc tính kỹ thuật giữa các dạng tháp chưng cất thông dụng được thể hiện trong bảng dưới đây:

Loại tháp	Ưu điểm	Nhược điểm
Tháp chêm	Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp	Hiệu suất truyền khối thấp, độ ổn định kém, khối lượng thiết bị lớn
Tháp mâm chóp	Hiệu suất cao, hoạt động ổn định, ít tiêu hao năng lượng	Cấu tạo phức tạp, trở lực tương đối lớn, không làm việc được với lưu chất bẩn
Tháp mâm xuyên lỗ	Hiệu suất tương đối cao, hoạt động khá ổn định, làm việc được với chất lỏng bẩn	Trở lực khá cao, yêu cầu lắp đặt khắt khe (mâm phải rất phẳng)

Từ các phân tích trên, đồ án lựa chọn tháp mâm chóp vì thiết bị đảm bảo tính ổn định cao và đáp ứng thời gian vận hành lâu dài trong công nghiệp. Đồng thời, chương 1 tổng hợp các thông số hóa lý của hai cấu tử:

• Acid formic ($HCOOH$): Phân tử lượng 46,03 g/mol; nhiệt độ sôi 100,8 °C; khối lượng riêng ở 20 °C là 1,22 g/cm³. Ứng dụng làm chất cầm màu, tác nhân điều chỉnh pH trong công nghiệp dệt may, dung dịch khử trùng diệt khuẩn và dung môi tổng hợp hóa học.
• Acid acetic ($CH_3COOH$): Phân tử lượng 60,05 g/mol; nhiệt độ sôi 118,1 °C; khối lượng riêng ở 20 °C là 1,049 g/cm³. Ứng dụng trong sản xuất polyme cho ngành sơn, chất kết dính, dung môi hóa học và sản xuất thực phẩm.

Chương 2: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

Chương 2 tập trung giải quyết toàn bộ các phương trình cân bằng công nghệ và thủy động lực học của tháp:

• Cân bằng vật chất: Với suất lượng nhập liệu $F = 4000$ kg/h, nồng độ nhập liệu $x_F = 0,012$ mol/mol và độ thu hồi acid formic ở đáy đạt 98%, tác giả xác định phương trình làm việc của đoạn cất và đoạn chưng.
• Kích thước tháp: Xác định số mâm thực tế là $N_t = 57$ mâm; khoảng cách giữa các mâm là $H_đ = 350$ mm (0,35 m). Chiều cao thân tháp tính toán đạt $H = 21,021$ m. Đường kính trong của thân tháp được chuẩn hóa ở mức $D_t = 1600$ mm (1,6 m).
• Thủy động học mâm chóp:
  • Chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm: $h_m = 70$ mm; khoảng cách từ mép dưới chóp đến mép dưới khe chóp $h_{sr} = 5$ mm; chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi $h_{sc} = h_2 = 15$ mm.
  • Gờ chảy tràn có chiều cao tính toán $h_w = 45,68$ mm, được chọn thực tế là $h_w = 46$ mm.
  • Số hàng chóp bố trí trên một mâm là $n_h = 5$ hàng; hệ số điều chỉnh tốc độ pha khí $C_g = 0,62$.
  • Lỗ tháo lỏng có đường kính $d = 16$ mm, phân bố theo tỷ lệ 10 cm² diện tích lỗ trên mỗi 1 m² diện tích cắt ngang của tháp.
  • Kiểm tra điều kiện ngập lụt: Tính toán chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền ($h_d$) và chứng minh tháp vận hành ổn định, không xảy ra hiện tượng ngập lụt. Tổng trở lực pha hơi qua toàn bộ 57 mâm được xác định cụ thể nhằm làm cơ sở tính áp suất đáy tháp.

Chương 3: Tính cơ khí tháp chưng cất

Chương này thực hiện thiết kế kết cấu cơ khí của tháp theo các tiêu chuẩn thiết bị hóa chất:

• Vật liệu chế tạo: Chọn thép không gỉ mã hiệu X18H10T để gia công thân, đáy, nắp và bích nhằm chống ăn mòn bởi hỗn hợp acid hữu cơ. Thiết bị được chế tạo bằng phương pháp hàn hồ quang điện bằng tay với hệ số bền mối hàn $\varphi_h = 0,9$.
• Tính bề dày thân tháp: Ở nhiệt độ tính toán 137,5 °C, ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép X18H10T là $[\sigma] = 140 \times 10^6$ N/m². Bề dày tính toán lý thuyết tối thiểu là $S' = 1,55$ mm. Hệ số bổ sung ăn mòn hóa học được tính cho thời gian sử dụng 20 năm với tốc độ ăn mòn $\le 0,1$ mm/năm là $C_a = 20 \times 0,1 = 2$ mm. Sau khi cộng hệ số quy tròn kích thước $C_0 = 0,0775$ mm, bề dày thực tế được chọn là $S = 4$ mm. Kiểm tra điều kiện bền mỏng cho thấy tỷ số bề dày trên đường kính thỏa mãn giới hạn cho phép.
• Đáy và nắp tháp: Chọn loại nắp và đáy hình elip tiêu chuẩn có gờ chế tạo từ thép X18H10T, tỷ lệ chiều cao trên đường kính $h_b/D_t = 0,25$; chiều cao phần gờ $h = 25$ mm; bán kính cong bên trong $R_t = 1600$ mm; diện tích bề mặt trong là 2,9 m². Bề dày thực tế của nắp và đáy được chọn tương đương thân tháp ($S = 4$ mm).
• Chi tiết phụ trợ cơ khí:
  • Mối ghép bích thân: Sử dụng bích liền kiểu I tra theo tiêu chuẩn với đường kính danh nghĩa $D_t = 1600$ mm; tháp được chia thành các đoạn thân nối bằng mặt bích với bước ghép gồm 6 mâm đĩa giữa hai mặt bích liền kề.
  • Tính toán đường kính và tiêu chuẩn bích nối cho các ống dẫn: ống dẫn hơi đỉnh vào thiết bị ngưng tụ, ống nhập liệu, ống sản phẩm đáy, ống dẫn hơi từ nồi đun vào tháp và ống dẫn dòng hoàn lưu.
  • Thiết kế cơ khí chân đỡ, tai treo thiết bị và xác định chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt bên ngoài thân tháp.

Chương 4: Tính toán thiết bị phụ

Chương 4 hoàn thiện tính toán nhiệt và thủy lực cho các thiết bị phụ trợ trong dây chuyền:

• Cân bằng nhiệt lượng: Xác định tải nhiệt trao đổi tại thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu lên nhiệt độ sôi, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy và nhiệt lượng cần cấp cho nồi đun đáy tháp.
• Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt: Xác định suất lượng nước làm lạnh cần dùng, lượng hơi nước bão hòa dùng để gia nhiệt, hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{log}$), hệ số cấp nhiệt ngoài ống và trong ống, hệ số truyền nhiệt tổng quát và diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết cho từng thiết bị.
• Hệ thống thủy lực phụ trợ: Tính toán áp đầu hút và đầu đẩy của bơm nhập liệu, tổn thất ma sát và tổn thất cục bộ trên các đoạn ống dẫn qua thiết bị đun sôi, từ đó xác định chiều cao lắp đặt bồn cao vị để cấp liệu tự chảy ổn định vào tháp.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán công nghệ và cơ khí cho hệ thống phân tách hỗn hợp acid formic – acid acetic với các kết quả định lượng cụ thể:

Hạng mục thông số	Giá trị thiết kế	Đơn vị
Năng suất nhập liệu ($F$)	4000	kg/h
Nồng độ nhập liệu acid formic ($x_F$)	0,012	mol/mol
Tỷ lệ thu hồi acid formic ở đáy	98	%
Loại thiết bị chưng cất	Tháp mâm chóp (chóp đĩa)	—
Đường kính trong thân tháp ($D_t$)	1600 (1,6)	mm (m)
Khoảng cách giữa các mâm ($H_đ$)	350	mm
Số mâm thực tế của tháp ($N_t$)	57	mâm
Chiều cao thân tháp ($H$)	21,021	m
Bề dày thân tháp thực tế ($S$)	4	mm
Bề dày nắp và đáy elip có gờ	4	mm
Chiều cao gờ nắp/đáy ($h$)	25	mm
Chiều cao gờ chảy tràn mâm chóp ($h_w$)	46	mm
Mực chất lỏng trung bình trên mâm ($h_m$)	70	mm
Số hàng chóp trên mỗi mâm ($n_h$)	5	hàng
Đường kính lỗ tháo lỏng ($d$)	16	mm
Vật liệu chế tạo thân, nắp, đáy, bích	Thép không gỉ X18H10T	—
Số mâm bố trí giữa hai mặt bích	6	mâm

Các giải pháp kỹ thuật do nhóm tác giả lựa chọn và đề xuất:

• Giải pháp kết cấu phân đoạn: Tháp có chiều cao lớn (trên 21 m) nên việc phân đoạn thân tháp nối bằng mặt bích (6 đĩa trên một đoạn thân) giúp việc chế tạo, gia công cơ khí, vận chuyển đường bộ và lắp dựng bảo dưỡng được thuận tiện trong thực tế.
• Giải pháp chống ăn mòn: Sử dụng thống nhất mác thép hợp kim không gỉ X18H10T và bổ sung chiều dày ăn mòn 2 mm bảo đảm tuổi thọ vận hành liên tục 20 năm trong môi trường acid formic và acid acetic ở nhiệt độ cao.
• Giải pháp thủy lực mâm chóp: Lựa chọn thông số hình học của khe chóp, gờ chảy tràn và lỗ tháo lỏng bảo đảm pha hơi phân tán đồng đều vào pha lỏng mà không bị hiện tượng sụt áp quá mức hoặc ngập lụt ống chảy chuyền.

Về mặt đóng góp, đồ án đã liên kết hoàn chỉnh chuỗi tính toán từ lý thuyết quá trình truyền khối, cân bằng nhiệt động, thủy động lực học mâm đĩa đến thiết kế cơ khí chi tiết và các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ cho một hệ hóa chất ăn mòn cụ thể. Đồ án được giảng viên hướng dẫn TS. Trần Thị Nhung đánh giá mức điểm 8,75/10 cho cả hai sinh viên thực hiện và cho phép bảo vệ trước hội đồng chuyên môn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

• Thuyết minh thừa nhận những giới hạn nhất định về thời gian và kiến thức thực tế trong phân tích, dẫn đến việc tính toán chủ yếu dựa trên các công thức bán thực nghiệm và bảng tra tĩnh trong sổ tay thiết bị.
• Bản văn chưa trình bày chi tiết phần phân tích kinh tế và giá thành thiết bị dù đây là một nội dung được giao trong nhiệm vụ đồ án ban đầu.
• Có sự chưa đồng nhất nhỏ về số liệu trình bày ở phần nhiệm vụ ban đầu (ghi $x_F = 0.$) so với số liệu tính toán chi tiết tại Lời mở đầu ($x_F = 0,012$ mol/mol).
• Chưa có số liệu kiểm chứng qua các phần mềm mô phỏng quá trình hóa học chuyên dụng cũng như dữ liệu vận hành thực nghiệm tại xưởng pilot.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

• Ứng dụng các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học hiện đại (như Aspen Plus hoặc ChemCAD) để kiểm chứng lại số mâm lý thuyết, biên dạng nồng độ và nhiệt độ trên từng đĩa chóp.
• Nghiên cứu tối ưu hóa năng lượng cho cụm thiết bị trao đổi nhiệt, khảo sát khả năng tận dụng nhiệt của dòng sản phẩm đáy để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu.
• Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển tự động hóa vòng lặp kín (PID) cho lưu lượng nhập liệu, áp suất đỉnh và mức lỏng đáy tháp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa học và Thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị hoặc Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành máy và thiết bị hóa chất.
• Kỹ sư thiết kế công nghệ và thiết bị cơ khí hóa chất đang tìm kiếm ví dụ tính toán hoàn chỉnh cho tháp mâm chóp phân tách hệ acid hữu cơ.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

• Quy trình tính toán thủy động học mâm chóp: Cách xác định gradient mực chất lỏng, trở lực mâm và phương pháp kiểm tra điều kiện chống ngập lụt chi tiết theo từng bước toán học.
• Trình tự thiết kế cơ khí thiết bị chịu áp suất: Phương pháp xác định ứng suất cho phép, tính bề dày thân trụ, kiểm tra độ bền theo điều kiện biên, tra cứu và chọn quy cách đáy, nắp elip tiêu chuẩn và mối ghép bích công nghiệp bằng thép không gỉ.
• Phương pháp tính cân bằng nhiệt lượng và xác định diện tích bề mặt truyền nhiệt cho các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đi kèm.

Câu hỏi thường gặp

Hệ hóa chất acid formic – acid acetic có các thông số nhiệt động cơ bản nào?

Hệ dung dịch gồm hai acid cacboxylic: acid formic ($HCOOH$, khối lượng phân tử 46,03) có nhiệt độ sôi 100,8 °C và khối lượng riêng ở 20 °C là 1,22 g/cm³; acid acetic ($CH_3COOH$, khối lượng phân tử 60,05) có nhiệt độ sôi 118,1 °C và khối lượng riêng ở 20 °C là 1,049 g/cm³. Do chênh lệch nhiệt độ sôi giữa hai cấu tử là 17,3 °C nên chưng cất là phương pháp phù hợp để phân tách.

Năng suất và yêu cầu công nghệ đặt ra cho tháp chưng cất là gì?

Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu liên tục là 4000 kg/h, nồng độ acid formic trong dòng nhập liệu là $x_F = 0,012$ mol/mol, và yêu cầu tỷ lệ thu hồi sản phẩm đáy tính theo acid formic đạt 98% ở điều kiện áp suất làm việc thường.

Kích thước hình học và số mâm của tháp chưng cất mâm chóp được xác định ra sao?

Tháp có đường kính trong thân tháp là $D_t = 1600$ mm (1,6 m). Số mâm thực tế tính toán được là 57 mâm với khoảng cách giữa hai mâm liên tiếp là 350 mm. Chiều cao tính toán của toàn bộ thân tháp là $H = 21,021$ m.

Thân tháp và nắp đáy được thiết kế bằng vật liệu gì và bề dày bao nhiêu?

Toàn bộ thân tháp, nắp và đáy elip có gờ ($h = 25$ mm) đều sử dụng vật liệu thép không gỉ X18H10T có ứng suất cho phép 140 N/mm² ở 137,5 °C. Thân thiết bị có bề dày tính toán tối thiểu 1,55 mm, sau khi bổ sung lượng hao mòn hóa học 2 mm (tương ứng tuổi thọ 20 năm với tốc độ ăn mòn $\le 0,1$ mm/năm) và dung sai, bề dày thực tế được chọn là $S = 4$ mm.

Tháp có đảm bảo không bị ngập lụt trong quá trình vận hành hay không?

Trong phần tính toán thủy động lực học, chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền ($h_d$) đã được tính toán và đối chiếu với khoảng cách giữa hai mâm đĩa ($H_đ = 350$ mm). Kết quả kiểm tra thỏa mãn điều kiện công nghệ và khẳng định tháp không xảy ra hiện tượng ngập lụt khi vận hành ở công suất thiết kế.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ acid formic – acid acetic" hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán công nghệ, thủy lực và cơ khí thiết bị theo đúng đề cương môn học Quá trình và Thiết bị. Hệ thống thiết kế xử lý năng suất nhập liệu 4000 kg/h với tháp mâm chóp đường kính trong 1600 mm, gồm 57 mâm thực tế, chiều cao thân tháp 21,021 m và chế tạo từ thép không gỉ X18H10T dày 4 mm. Toàn bộ hồ sơ tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật rõ ràng cho việc chế tạo, lắp ráp cơ khí và bố trí hệ thống thiết bị phụ trợ trong dây chuyền sản xuất hóa chất thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU. Cơ sở lý thuyết về chưng cất. Chưng cất là gì?. Nguyên tắc làm việc.

Các phương pháp chưng cất. Thiết bị chưng cất. Tổng quan về hệ cân bằng acid formic – acid acetic. Giản đồ thành phần hỗn hợp các cấu tử trong hệ acid formic – acid acetic.

Thuyết minh quy trình chưng cất acid formic – acetic acid. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƢỢNG 9 2. Dữ liệu ban đầu. Cân bằng vật chất.

Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số mâm. Phương trình đường làm việc và số mâm lý thuyết. Phương trình đường làm việc đoạn cất. Phương trình đường làm việc đoạn chưng.

Số mâm lý thuyết. Xác định số mâm thực tế. Đường kính tháp chưng cất. Đường kính đoạn cất.

14 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất. Đường kính đoạn chưng. Lượng hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng.

Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng. Chiều cao tháp mâm chóp. Mâm chóp – trở lực mâm chóp. Tính toán chóp.

Tính ống chảy chuyền. TÍNH CƠ KHÍ THÁP CHƢNG CẤT. Tính bề dày thân tháp. Đáy và nắp thiết bị.

Bích ghép thân và đáy nắp. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn. Ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ:. Đường kính ống dẫn dòng nhập liệu:.

Đường kính ống dẫn dòng sản phẩm đáy:. Đường kính ống dẫn hơi từ nồi đun qua tháp. Ống dẫn dòng hoàn lưu:. Tai treo chân đỡ.

Tính sơ bộ khối lượng của toàn tháp. Tính chân đỡ tháp. Tính tai treo tháp. Tính lớp cách nhiệt.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ. Cân bằng nhiệt lượng. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi 44 4.

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đá. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp. Thiết bị nhiệt.

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit. Hệ số truyền nhiệt.

Nhiệt tải qua thành ống và lớp cặn. Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng tụ ngoài ống. Bề mặt truyền nhiệt trung bình. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.

Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh. Xác định bề mặt truyền nhiêt. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu. Suất lượng hơi nước cần dùng.

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy. Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đáy. Nồi đun gia nhiệt sản nhiệt đáy. Suất lượng hơi nước cần dùng.

Xác định bề mặt truyền nhiệt. Bồn cao vị, bơm nhập liệu. Bồn cao vị. Hệ số ma sát trong đường ống λ.

Trở lực cục bộ. Tổn thất đường ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu. Trở lực cục bộ. Chiều cao bồn cao vị.

Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống hút. Xác định tổng tổn thất cục bộ trong ống đẩy. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 84 DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH 1.

Danh mục bảng Bảng 1 thành phần cân bằng lỏng hơi hệ acid formic – acid acid. 6 Bảng 2 kích thước các bích nối các ống dẫn………………………………………….39 Bảng 3 kích thước đệm bịt kín bích nối ống dẫn………………………………………39 Bảng 4 kích thước chân đỡ thiết bị…………………………………………………….41 Bảng 5 kích thước tai treo…………………………………………………………….