Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghệ kỹ thuật hóa học và công nghệ tổng hợp hữu cơ, việc phân tách các hỗn hợp lỏng đồng thể thành từng cấu tử riêng biệt với độ tinh khiết cao đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm công nghiệp. Hỗn hợp hai cấu tử Clorofom ($CHCl_3$) và Benzen ($C_6H_6$) là hệ dung dịch hòa tan hoàn toàn vào nhau nhưng có nhiệt độ sôi chênh lệch (nhiệt độ sôi của Clorofom ở áp suất khí quyển là $61,15^\circ\text{C}$, của Benzen là $80,6^\circ\text{C}$). Phương pháp hiệu quả và tối ưu nhất để tách hỗn hợp này ở quy mô công nghiệp là chưng cất liên tục trong tháp mâm chóp.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (mã môn học: PWPD322703) do sinh viên Nguyễn Thị Ngọc Liên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Nhung tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống tháp chưng cất mâm chóp.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định theo các nội dung cụ thể sau:

  1. Tính toán cân bằng vật chất toàn tháp và xác định thành phần các dòng sản phẩm đỉnh, dòng sản phẩm đáy và chỉ số hồi lưu tối ưu.
  2. Tính toán cân bằng nhiệt lượng toàn hệ thống và các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ.
  3. Tính toán các thông số công nghệ và kích thước thủy lực của thiết bị chính (đường kính tháp, chiều cao thân tháp, cấu tạo chi tiết mâm chóp, ống chảy chuyền, độ giảm áp và kiểm tra điều kiện ngập lụt).
  4. Tính toán cơ khí cho tháp chưng cất (bề dày thân, đáy và nắp elip, mặt bích, đệm bít kín, đường kính các ống dẫn, tai treo, chân đỡ và lớp cách nhiệt).
  5. Tính toán, lựa chọn và kiểm tra các thiết bị phụ trong dây chuyền (bình ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy, nồi đun đáy tháp, bồn cao vị và hệ thống bơm ly tâm).
  6. Lập bản vẽ quy trình công nghệ và bản vẽ kết cấu thiết bị chính.

Đối tượng và phạm vi thiết kế kỹ thuật:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ tháp chưng cất mâm chóp làm việc liên tục ở áp suất thường dùng để phân tách hệ hai cấu tử Clorofom – Benzen.
  • Số liệu thiết kế ban đầu:
    • Năng suất nhập liệu: $G_F = 6000\text{ kg/h}$ (tương đương $F = 66,330\text{ kmol/h}$).
    • Nồng độ nhập liệu theo phần mol Clorofom: $x_F = 0,3\text{ mol/mol}$ ($30%\text{ mol}$).
    • Độ thu hồi Benzen ở sản phẩm đáy: $98%$.
    • Trạng thái nhập liệu: Hỗn hợp lỏng ở nhiệt độ sôi dưới áp suất khí quyển.
    • Nhiệt độ nguyên liệu ban đầu tại bồn chứa: $t'_F = 30^\circ\text{C}$; nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: $t'_D = 40^\circ\text{C}$; nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: $t'_W = 40^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được triển khai dựa trên các nguyên lý truyền khối, truyền nhiệt và thủy lực học công nghệ hóa chất:

  • Cơ sở lý thuyết: Quá trình chưng cất dựa trên sự sai khác về độ bay hơi tương đối giữa Clorofom (cấu tử dễ bay hơi) và Benzen (cấu tử khó bay hơi). Cân bằng pha lỏng – hơi của hệ Clorofom – Benzen ở áp suất 760 mmHg được sử dụng để xây dựng đường cân bằng $y - x$, xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{min}$, phương trình đường làm việc của đoạn cất và đoạn chưng, từ đó xác định số đĩa lý thuyết và số đĩa thực tế dựa trên hiệu suất truyền khối trung bình.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế:
    • Phương pháp giải tích và đồ thị: Thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng; đồ thị hóa hệ số phân bố cân bằng pha lỏng – hơi và số bậc thay đổi nồng độ trên giản đồ McCabe-Thiele.
    • Phương pháp tính toán thủy động lực học mâm chóp: Ứng dụng các chuẩn số đồng dạng ($Re, Nu, Pr$), tính toán trở lực màng lỏng, trở lực qua khe chóp, trở lực qua ống hơi và kiểm tra gradient mức chất lỏng để bảo đảm không xảy ra hiện tượng ngập lụt ($h_d \le 0,5 H_đ$).
    • Phương pháp tính toán độ bền cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán ứng suất giới hạn, bề dày tối thiểu của vỏ thiết bị chịu áp suất trong theo tiêu chuẩn chế tạo thiết bị vỏ mỏng, bổ sung lượng hao mòn hóa học và cơ học.
    • Phương pháp tính toán truyền nhiệt: Sử dụng phương pháp nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{ln}$) và phương pháp lặp lặp nhiệt tải qua vách kim loại để xác định hệ số truyền nhiệt $K$, diện tích truyền nhiệt $F_{tb}$ và kết cấu ống chùm/ống lồng ống.
  • Nguồn dữ liệu và tài liệu tra cứu: Toàn bộ công thức tính toán, thông số hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt, ẩn nhiệt hóa hơi, nhiệt dung riêng, sức căng bề mặt) và kích thước tiêu chuẩn của chi tiết máy được tra cứu trực tiếp từ các tài liệu chuyên ngành:
    • Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm (Vũ Bá Minh, Võ Văn Bang).
    • Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (Tập 1 & Tập 2).
    • Thiết kế và tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất (Hồ Lê Viên).
    • Quá trình và thiết bị truyền nhiệt (Nguyễn Tấn Dũng).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống chưng cất được thiết kế bao gồm một tháp mâm chóp làm việc liên tục kết hợp đồng bộ với các thiết bị trao đổi nhiệt, hệ thống đường ống và bơm vận chuyển lưu chất:

  [Bình ngưng tụ đỉnh]                              [Nồi đun Kettle đáy tháp]
            [Bồn chứa sản phẩm đỉnh]                            [Bồn chứa sản phẩm đáy]

Các thông số kết cấu chính của hệ thống

Bộ phận kết cấu Vật liệu Thông số kích thước / Đặc tính kỹ thuật
Thân tháp chưng cất Thép không gỉ X18H10T Chiều cao $H_{thân} = 24342\text{ mm}$; Đường kính trong $D_t = 1800\text{ mm}$; Bề dày thân $\delta = 4\text{ mm}$
Đáy và nắp tháp Thép không gỉ X18H10T Dạng elip tiêu chuẩn có gờ; Chiều cao $h_đ = h_n = 500\text{ mm}$; Bề dày $\delta = 4\text{ mm}$
Mâm và chóp Thép không gỉ X18H10T Tổng số mâm thực tế $N_{tt} = 58$ mâm; Khoảng cách mâm $h_đ = 400\text{ mm}$; Đường kính chóp $d_{ch} = 135\text{ mm}$; Ống hơi $d_h = 90\text{ mm}$; Số chóp/mâm: 40 chóp
Ống chảy chuyền Thép không gỉ X18H10T Số lượng $z = 3$ ống/mâm; Đường kính trong $d_c = 90\text{ mm}$; Chiều cao ống trên đĩa $h_c = 30\text{ mm}$
Bình ngưng tụ đỉnh Thép không gỉ X18H10T Ống chùm nằm ngang; Ống $\phi 38 \times 2\text{ mm}$, dài $L = 2\text{ m}$; Số lượng 427 ống (7 pass, 61 ống/pass); $D = 1,2\text{ m}$; Diện tích $F_{tb} = 884,517\text{ m}^2$
Làm nguội đỉnh Thép không gỉ X18H10T Ống lồng ống; Ống trong $\phi 16 \times 2\text{ mm}$, ống ngoài $\phi 25 \times 2\text{ mm}$; Chiều dài ống $L = 16,757\text{ m}$
Bơm nhập liệu Gang / Hợp kim Bơm ly tâm X20/18; Năng suất $Q_b = 6\text{ m}^3\text{/h}$; Cột áp $H_b = 19,678\text{ m}$; Công suất $N_b = 416,785\text{ W}$ ($0,559\text{ HP}$)
Bơm hoàn lưu Gang / Hợp kim Bơm ly tâm X20/18; Năng suất $Q_b = 11\text{ m}^3\text{/h}$; Cột áp $H_b = 10,019\text{ m}$; Công suất $N_b = 515,868\text{ W}$ ($0,692\text{ HP}$)
Lớp cách nhiệt Bông khoáng Bề dày $\delta_b = 6\text{ mm}$; Thể tích vật liệu $V = 0,841\text{ m}^3$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan lý thuyết về quá trình chưng cất, phân biệt bản chất giữa chưng cất và cô đặc (chưng cất có cả dung môi và chất tan bay hơi, trong khi cô đặc chỉ có dung môi bay hơi). Phân tích bốn phương pháp chưng cất phổ biến: chưng cất đơn, chưng cất phân đoạn, chưng cất áp suất thấp (chân không) và chưng cất áp suất cao.

Nội dung chương so sánh chi tiết ưu nhược điểm của ba loại tháp thường dùng trong công nghiệp: tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp. Tháp mâm chóp được lựa chọn cho đề tài nhờ khả năng làm việc ổn định, dải tải trọng linh hoạt và hiệu suất tiếp xúc pha cao dù cấu tạo cơ khí phức tạp hơn. Đồng thời, tác giả cung cấp đầy đủ các tính chất lý học, hóa học, phương pháp điều chế và ứng dụng của Clorofom ($CHCl_3$) và Benzen ($C_6H_6$), cùng bảng số liệu và đồ thị cân bằng pha lỏng – hơi ($t - x - y$ và $y - x$) của hệ hai cấu tử ở 760 mmHg.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 2 thuyết minh dây chuyền công nghệ hoạt động liên tục:

  • Nguyên liệu hỗn hợp Clorofom – Benzen chứa $30%\text{ mol}$ Clorofom ở nhiệt độ $30^\circ\text{C}$ từ bồn chứa được bơm lên bồn cao vị, sau đó chảy qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu để nâng nhiệt độ lên nhiệt độ sôi ($77,2^\circ\text{C}$) rồi đi vào mâm nhập liệu của tháp chưng cất.
  • Trong tháp, dòng hơi đi từ dưới lên tiếp xúc ngược dòng với dòng lỏng từ đỉnh chảy xuống qua các mâm chóp. Hơi bốc lên đỉnh tháp đạt nồng độ $95%\text{ mol}$ Clorofom ở $63,6^\circ\text{C}$, đi vào bình ngưng tụ ống chùm và ngưng tụ hoàn toàn.
  • Một phần chất lỏng sau ngưng tụ được hồi lưu về đỉnh tháp theo tỷ số hoàn lưu thích hợp ($R = 6,682$), phần còn lại qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh về $40^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa sản phẩm đỉnh.
  • Ở đáy tháp, dung dịch lỏng chứa $98%\text{ mol}$ Benzen (nồng độ Clorofom còn lại $4,7%\text{ mol}$) ở $80,55^\circ\text{C}$ được dẫn qua nồi đun Kettle đáy tháp; một phần bốc hơi quay lại đáy tháp, phần lỏng còn lại qua thiết bị làm nguội đáy về $40^\circ\text{C}$ rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy.

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất

Chương 3 thiết lập các phương trình bảo toàn vật chất toàn tháp và bảo toàn đối với cấu tử dễ bay hơi để xác định lưu lượng các dòng:

  • Suất lượng mol nhập liệu: $F = 66,330\text{ kmol/h}$ (khối lượng mol trung bình dòng nhập liệu $M_{tb} = 90,450\text{ kg/kmol}$).
  • Với nồng độ đỉnh lựa chọn $x_D = 0,95\text{ mol/mol}$ và độ thu hồi Benzen đáy $98%$, giải hệ phương trình cân bằng thu được:
    • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $D = 18,574\text{ kmol/h}$.
    • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 47,756\text{ kmol/h}$.
    • Nồng độ phần mol Clorofom ở đáy: $x_W = 0,047\text{ mol/mol}$.
  • Tính toán tỷ số hồi lưu: Xác định tỷ số hồi lưu tối thiểu $R_{min}$ từ tọa độ cân bằng của dòng nhập liệu ($x_F = 0,3; y^*_F$), từ đó chọn tỷ số hồi lưu làm việc thích hợp $R = 6,682$.
  • Thiết lập phương trình đường làm việc:
    • Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = \frac{R}{R+1}x + \frac{x_D}{R+1}$.
    • Phương trình đường làm việc đoạn chưng: Thiết lập từ cân bằng vật chất và nhiệt lượng giữa mâm nhập liệu và đáy tháp.
  • Dựa vào đồ thị McCabe-Thiele và hiệu suất truyền khối trung bình của mâm chóp, xác định được tổng số mâm thực tế của toàn tháp là $N_{tt} = 58$ mâm.

Chương 4: Tính thiết bị chính

Chương 4 tập trung tính toán kích thước hình học và độ bền cơ khí của tháp:

  • Đường kính tháp ($D_t$): Tính toán vận tốc hơi trung bình và lưu lượng hơi cho đoạn cất và đoạn chưng ($D_{\text{đoạn cất}}$ và $D_{\text{đoạn chưng}} = 1,762\text{ m}$). Lựa chọn thống nhất đường kính trong thân tháp là $D_t = 1,8\text{ m}$ ($1800\text{ mm}$).
  • Chiều cao tháp ($H$): Chiều cao thân tháp $H_{thân} = N_{tt} \cdot h_đ + (0,8 \div 1,0)\text{ m} = 24342\text{ mm}$ ($24,324\text{ m}$); chiều cao đáy và nắp elip có gờ $h_đ = h_n = 500\text{ mm}$ (gờ $h = 50\text{ mm}$, $h_{e,t} = 450\text{ mm}$). Tổng chiều cao toàn tháp chọn $H = 25,5\text{ m}$.
  • Cấu tạo chi tiết mâm chóp:
    • Đường kính ống dẫn hơi $d_h = 90\text{ mm}$, đường kính chóp $d_{ch} = 135\text{ mm}$, bề dày chóp $\delta_{ch} = 3\text{ mm}$.
    • Chiều cao chóp $h_{ch} = 85\text{ mm}$, chiều cao khe chóp $b = 25\text{ mm}$, số khe trên mỗi chóp $i = 43$ khe, bề rộng khe $a = 6\text{ mm}$.
    • Bước chóp tối thiểu $t_{min} = 188\text{ mm}$, khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp $S = 12\text{ mm}$.
    • Ống chảy chuyền: $z = 3$ ống, đường kính $d_c = 90\text{ mm}$, chiều cao ống trên đĩa $h_c = 30\text{ mm}$. Lỗ tháo lỏng: 15 lỗ đường kính $15\text{ mm}$.
  • Thủy lực mâm và kiểm tra ngập lụt: Tổng trở lực một mâm $h_t = 59,52\text{ mm}$ cột chất lỏng; tổng trở lực toàn tháp $\Delta P = 34542,343\text{ N/m}^2$. Chiều cao mức chất lỏng trong ống chảy chuyền $h_d = 186,395\text{ mm} \le 0,5 H_đ = 200\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện tháp không bị ngập lụt khi vận hành.
  • Tính toán cơ khí:
    • Áp suất tính toán ở đáy tháp: $P = 294067,899\text{ N/m}^2 \approx 2,902\text{ atm}$. Nhiệt độ tính toán $t = 105,55^\circ\text{C}$.
    • Vật liệu chế tạo thân, đáy và nắp: Thép không gỉ X18H10T ($[\sigma]^* = 143\text{ N/mm}^2$, hệ số mối hàn $\phi_h = 0,9$). Hệ số bổ sung ăn mòn $C_a = 1,0\text{ mm}$ (với tuổi thọ 10 năm). Bề dày thực tế chọn $S = S_{min} = 4\text{ mm}$.
    • Bích ghép thân với đáy/nắp: Thép CT3, kiểu bích liền kiểu I, áp suất danh định $P_y = 0,3\text{ N/mm}^2$, đường kính ngoài bích $D = 1950\text{ mm}$, chiều cao bích $h = 35\text{ mm}$, sử dụng 48 bulông M24.
    • Đường kính và ống nối các dòng lưu chất: Ống dẫn hơi đỉnh ($D_y = 300\text{ mm}$), ống nhập liệu ($D_y = 40\text{ mm}$), ống tháo lỏng đáy ($D_y = 70\text{ mm}$), ống hoàn lưu đỉnh ($D_y = 100\text{ mm}$), ống dẫn hơi từ nồi đun đáy ($D_y = 250\text{ mm}$).
    • Tính toán chân đỡ, tai treo và lớp cách nhiệt bông khoáng có bề dày $\delta_b = 6\text{ mm}$ ($V = 0,841\text{ m}^3$).

Chương 5: Tính thiết bị phụ

Chương 5 tính toán cân bằng nhiệt lượng toàn hệ thống và thiết kế chi tiết các thiết bị phụ trợ:

  • Cân bằng nhiệt lượng:
    • Nhiệt lượng bình ngưng tụ đỉnh: $Q_{nt} = 4202604,389\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng đun sôi dòng nhập liệu: $Q_F = 444539,040\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đáy: $Q_W = 289795,235\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnh: $Q_D = 56398,878\text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun đáy tháp (tính cả 5% tổn thất): $Q_đ = 4320273,118\text{ kJ/h} = 1200,076\text{ kW}$.
  • Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Bình ngưng ống chùm nằm ngang, làm mát bằng nước ($30^\circ\text{C} \to 45^\circ\text{C}$), suất lượng nước $G_n = 18,641\text{ kg/s}$, hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{ln} = 25,365\text{ K}$, hệ số truyền nhiệt $K = 544,549\text{ W/(m}^2\text{K)}$, diện tích truyền nhiệt $F_{tb} = 884,517\text{ m}^2$, gồm 427 ống $\phi 38 \times 2\text{ mm}$ dài $2\text{ m}$ bố trí trong thân đường kính $1,2\text{ m}$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Dạng ống lồng ống, làm mát bằng nước ($30^\circ\text{C} \to 45^\circ\text{C}$), suất lượng nước $G_N = 0,250\text{ kg/s}$, $\Delta t_{ln} = 13,858\text{ K}$, $K = 1688,286\text{ W/(m}^2\text{K)}$, ống trong $\phi 16 \times 2\text{ mm}$, ống ngoài $\phi 25 \times 2\text{ mm}$, chiều dài ống $L = 16,757\text{ m}$.
  • Tính chọn bơm và tổn thất áp lực:
    • Bơm dòng nhập liệu: Bơm ly tâm X20/18, $Q_b = 6\text{ m}^3\text{/h}$, $H_b = 19,678\text{ m}$, công suất $N_b = 416,785\text{ W} = 0,559\text{ HP}$.
    • Bơm dòng hoàn lưu đỉnh: Bơm ly tâm X20/18, $Q'_b = 11\text{ m}^3\text{/h}$, $H_b = 10,019\text{ m}$, công suất $N_b = 515,868\text{ W} = 0,692\text{ HP}$.
    • Tính toán tổn thất áp lực thủy lực qua đường ống hút, ống đẩy, van và các vị trí uốn cong theo chuẩn số Reynolds trong chế độ chảy rối quá độ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và thông số kinh tế - kỹ thuật

  1. Thông số hoạt động và phân tách:

    • Xử lý thành công năng suất nhập liệu $6000\text{ kg/h}$ ($66,330\text{ kmol/h}$) hỗn hợp Clorofom – Benzen ($30%\text{ mol}$ Clorofom).
    • Tách thành hai dòng sản phẩm riêng biệt: Dòng đỉnh đạt $18,574\text{ kmol/h}$ Clorofom tinh khiết $95%\text{ mol}$; dòng đáy đạt $47,756\text{ kmol/h}$ với nồng độ Benzen thu hồi đạt $98%$ ($x_W = 4,7%\text{ mol}$ Clorofom).
    • Tỷ số hồi lưu làm việc của tháp được xác lập ở mức $R = 6,682$.

  2. Kích thước cơ khí thiết bị chính và phụ:

    • Tháp mâm chóp có đường kính $D_t = 1,8\text{ m}$, chiều cao thân $24,324\text{ m}$, tổng chiều cao $25,5\text{ m}$, gồm 58 mâm thực tế với khoảng cách mâm $400\text{ mm}$.
    • Thiết bị ngưng tụ ống chùm diện tích $884,517\text{ m}^2$ ($K = 544,549\text{ W/(m}^2\text{K)}$) và thiết bị làm nguội ống lồng ống dài $16,757\text{ m}$ ($K = 1688,286\text{ W/(m}^2\text{K)}$).
    • Hệ thống vận hành nhờ 2 bơm ly tâm loại X20/18 cho tuyến nhập liệu và tuyến hồi lưu đỉnh.

  3. Tổng hợp khối lượng vật tư và ước toán chi phí đầu tư (Phụ lục 1):

Loại vật tư / Hạng mục Khối lượng / Số lượng Chi phí ước tính (VNĐ)
Thép không gỉ X18H10T (Thân, đáy, nắp, mâm, chóp, ống hơi, ống chảy chuyền) $11467,071\text{ kg}$ Đơn giá $55.905\text{ đ/kg}$
Thép CT3 (Bích ghép thân, bích ống, tai treo, chân đỡ) $1214,759\text{ kg}$ Đơn giá $15.502\text{ đ/kg}$
Đường ống dẫn (Thép CT3) $82,95\text{ kg}$ Đơn giá $18.000\text{ đ/kg}$
Bulông ghép thân M24 2.784 cái Đơn giá $15.000\text{ đ/cái}$
Bulông ghép chóp M8 2.552 cái Đơn giá $1.000\text{ đ/cái}$
Thiết bị trao đổi nhiệt 5 bộ $750.000.000\text{ đ}$
Tổng chi phí mua sắm vật tư — $1,6\text{ tỷ VNĐ}$ (làm tròn)
Chi phí thi công lắp đặt & phát sinh $400%$ chi phí vật tư $6,4\text{ tỷ VNĐ}$
Tổng vốn đầu tư ban đầu ước tính — $8,0\text{ tỷ VNĐ}$

Đóng góp của đồ án

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính thủy lực mâm chóp, kiểm tra giới hạn ngập lụt đến tính toán cơ khí chi tiết và dự toán kinh tế vật tư theo quy chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất hiện hành tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả đã chỉ ra một số hạn chế nội tại trong quá trình thực hiện đồ án:

  • Trong quá trình tính toán còn tồn tại sai số do sử dụng nhiều hệ số giả định, hệ số kinh nghiệm tự chọn (như tỷ lệ diện tích lỗ tháo lỏng, khoảng cách chóp, hệ số trở lực đĩa chóp $\xi = 2$).
  • Các số liệu vật lý và nhiệt động lực học được tra cứu từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo khác nhau nên độ đồng nhất chưa tuyệt đối.
  • Đồ án chưa tiến hành tối ưu hóa toàn diện quy trình công nghệ (chưa tối ưu hóa kinh tế giữa chi phí vận hành hơi đốt và chi phí vốn chế tạo mâm tháp khi thay đổi tỷ số hồi lưu $R$).
  • Hướng phát triển tiếp theo là ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (như Aspen Plus, HYSYS) để kiểm chứng, mô phỏng động học quá trình phân tách và tối ưu hóa các thông số vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa dầu và Công nghệ Sinh học khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị hoặc khóa luận tốt nghiệp kỹ thuật:

  • Phần tính toán thủy lực mâm chóp (Chương 4): Cung cấp từng bước tính toán chi tiết kích thước chóp, khe chóp, ống hơi, ống chảy chuyền và kiểm tra điều kiện ngập lụt mâm ($h_d \le 0,5 H_đ$).
  • Phần tính toán cơ khí thiết bị vỏ mỏng chịu áp lực (Chương 4): Cung cấp quy trình tra cứu ứng suất cho phép, tính bề dày thân, đáy, nắp elip, tính bích nối và chọn chân đỡ/tai treo theo tiêu chuẩn thiết bị hóa chất.
  • Phần thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt và mạng lưới đường ống (Chương 5): Hữu ích trong việc tính toán hệ số truyền nhiệt $K$ bằng phương pháp lặp nhiệt tải qua vách và tính tổn thất thủy lực đường ống theo chuẩn số Reynolds.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn tháp mâm chóp thay vì tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ để phân tách hệ Clorofom – Benzen?
Theo phân tích ở Chương 1, tháp mâm chóp có ưu điểm nổi bật là hiệu suất phân tách cao, hoạt động ổn định trong dải lưu lượng biến thiên rộng và có độ bền vận hành lâu dài, ít nhạy cảm với sự dao động tải trọng pha hơi/pha lỏng so với tháp đệm (dễ bị hiệu ứng thành) và tháp xuyên lỗ.

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để kiểm tra tháp không bị ngập lụt trong quá trình hoạt động?
Chiều cao lớp chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền $h_d$ được so sánh với khoảng cách mâm $H_đ$. Kết quả tính toán cho thấy $h_d = 186,395\text{ mm}$, nhỏ hơn giới hạn cho phép là $0,5 H_đ = 0,5 \times 400\text{ mm} = 200\text{ mm}$, đảm bảo tháp vận hành ổn định không bị sặc/ngập lụt.

3. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân và các chi tiết bên trong tháp, và tại sao?
Thân tháp, đáy, nắp, mâm, chóp và các ống truyền nhiệt đều được chế tạo bằng thép không gỉ mã X18H10T để đảm bảo độ bền hóa học, chống ăn mòn từ Clorofom và Benzen ở nhiệt độ làm việc lên tới $105,55^\circ\text{C}$, đồng thời bảo đảm độ tinh khiết của sản phẩm. Các chi tiết chịu lực bên ngoài như bích ghép thân, chân đỡ, tai treo được làm bằng thép CT3 để tối ưu chi phí.

4. Tổng công suất nhiệt cung cấp cho nồi đun đáy tháp là bao nhiêu?
Từ cân bằng nhiệt lượng toàn hệ thống có tính đến 5% nhiệt tổn thất ra môi trường ($Q_m$), nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun Kettle ở đáy tháp là $Q_đ = 4320273,118\text{ kJ/h}$, tương đương công suất nhiệt $1200,076\text{ kW}$.

Kết luận

Đồ án môn học Quá trình Thiết bị của tác giả Nguyễn Thị Ngọc Liên đã hoàn thành thiết kế kỹ thuật hệ thống tháp chưng cất mâm chóp đường kính $1800\text{ mm}$, chiều cao $25,5\text{ m}$ gồm 58 mâm thực tế nhằm phân tách $6000\text{ kg/h}$ hỗn hợp Clorofom – Benzen đạt nồng độ đỉnh $95%\text{ mol}$ Clorofom và độ thu hồi Benzen đáy $98%$. Toàn bộ hệ thống thiết bị phụ trợ gồm bình ngưng tụ ống chùm, thiết bị làm nguội ống lồng ống, nồi đun đáy và hai trạm bơm ly tâm đã được tính toán đồng bộ về truyền nhiệt và thủy lực học. Đồ án cung cấp dự toán tổng mức đầu tư ban đầu ước tính khoảng 8,0 tỷ VNĐ và là tài liệu mẫu mực phục vụ học tập, nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật trong ngành Công nghệ Hóa học.