Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị" (mã môn học: PWPD322703) với đề tài "Thiết kế tháp chưng cất dạng chóp đĩa (mâm chóp) cho hệ Acetone – Acid Acetic" được thực hiện bởi sinh viên Trần Long Nhật (MSSV: 19128056) và Nguyễn Võ Thảo Phương (MSSV: 19128004), dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Nhung tại Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Đề tài được giao ngày 08/03/2022 và hoàn thành ngày 22/06/2022.

Trong ngành công nghiệp hóa chất và công nghệ thực phẩm, việc phân tách và thu hồi các dung môi hữu cơ từ hỗn hợp lỏng đóng vai trò quyết định đến hiệu quả kinh tế và độ tinh khiết của sản phẩm. Hỗn hợp hai cấu tử gồm Acetone và Acid Acetic là hệ dung môi phổ biến, có độ bay hơi tương đối khác biệt nhưng yêu cầu chế độ công nghệ và thiết bị truyền khối nghiêm ngặt để đạt độ tinh khiết cao ở cả đỉnh và đáy tháp. Tháp mâm chóp là loại thiết bị tiếp xúc pha khí – lỏng có độ ổn định vận hành cao, dải làm việc rộng và hiệu suất truyền khối tốt.

Nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật được giao bao gồm các nội dung cụ thể:

  1. Giới thiệu tổng quan về lý thuyết chưng cất, các phương pháp và thiết bị chưng cất, cùng các tính chất hóa lý của hệ hai cấu tử Acetone – Acid Acetic.
  2. Thuyết minh và xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất liên tục.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng toàn hệ thống.
  4. Tính toán các thông số công nghệ của tháp chưng cất (xác định số mâm lý thuyết, số mâm thực tế, đường kính đoạn cất và đoạn chưng, chiều cao thân tháp).
  5. Tính toán cấu tạo và cơ khí của tháp chưng cất (thiết kế mâm chóp, khe chóp, ống chảy chuyền, bề dày thân tháp, đáy, nắp, mặt bích, bu-lông, tai treo, chân đỡ và lớp cách nhiệt).
  6. Tính toán và lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt hỗn hợp nhập liệu, thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nồi đun sôi đáy tháp, bồn cao vị và bơm nhập liệu).
  7. Trình bày hệ thống bản vẽ kỹ thuật gồm: Bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ và Bản vẽ kết cấu thiết bị chính.

Các số liệu ban đầu phục vụ tính toán thiết kế:

  • Năng suất nhập liệu: $G_F = 6000\text{ kg/h}$.
  • Nồng độ nhập liệu (tính theo phần mol của Acetone): $x_F = 0,3\text{ mol/mol}$.
  • Độ thu hồi sản phẩm đáy (tính theo Acid Acetic): $98%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Đồ án ứng dụng các nguyên lý truyền khối và truyền nhiệt cơ bản trong kỹ thuật hóa học để giải quyết bài toán phân tách hệ hai cấu tử Acetone ($C_3H_6O$, khối lượng mol $M_A = 58,08\text{ g/mol}$) và Acid Acetic ($C_2H_4O_2$, khối lượng mol $M_B = 60,052\text{ g/mol}$) ở áp suất khí quyển ($1\text{ atm}$):

  • Cơ sở nhiệt động học và cân bằng pha lỏng – hơi: Xác định đường cong cân bằng pha lỏng – hơi ($y-x$) của hệ Acetone – Acid Acetic từ dữ liệu thực nghiệm nhiệt động, xác định nhiệt độ sôi tương ứng với từng thành phần nồng độ ($t_D = 57,9^\circ\text{C}$, $t_F = 85,8^\circ\text{C}$, $t_W = 116,5^\circ\text{C}$).
  • Phương pháp xác định số mâm lý thuyết: Sử dụng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele trên giản đồ thành phần $y-x$ kết hợp phương trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng theo tỷ số hoàn lưu thích hợp.
  • Phương pháp xác định hiệu suất mâm và số mâm thực tế: Áp dụng phương pháp tính hiệu suất trung bình của thiết bị truyền khối theo tương quan hàm số giữa độ nhớt hỗn hợp lỏng ($\mu_{hh}$) và độ bay hơi tương đối ($\alpha$) tại các vị trí đặc trưng (đỉnh tháp, đĩa nhập liệu và đáy tháp): $$\eta_{tb} = \frac{\eta_D + \eta_F + \eta_W}{3}$$
  • Phương pháp tính toán thủy lực và khí động học tháp mâm chóp:
    • Vận tốc hơi giới hạn trong tháp được tính toán dựa trên khối lượng riêng pha lỏng ($\rho_x$), pha hơi ($\rho_y$), khoảng cách giữa các đĩa ($H_đ = 0,45\text{ m}$) và hệ số sức căng bề mặt ($\varphi[\sigma]$).
    • Tốc độ làm việc thực tế được chọn bằng $80%$ tốc độ tới hạn nhằm ngăn ngừa hiện tượng tạo bọt và ngập lụt đĩa.
    • Phân bố chóp tròn trên đĩa tam giác đều, tính toán trở lực qua ống hơi, vành khăn và khe chóp; kiểm tra chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp ($h_s$) và chiều cao ngập lỏng ống chảy chuyền.
  • Phương pháp tính toán truyền nhiệt và thủy lực thiết bị phụ: Cân bằng nhiệt lượng cho các thiết bị trao đổi nhiệt, xác định hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{ln}$), hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$), bề mặt truyền nhiệt cần thiết; tính toán trở lực đường ống hút, ống đẩy để xác định cột áp và công suất bơm.

Thiết kế kỹ thuật và thông số hệ thống

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi của tháp chưng cất mâm chóp và các bộ phận cơ khí chính đã được tính toán trong đồ án:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Quy chuẩn Giá trị thiết kế Đơn vị
Năng suất nhập liệu $G_F$ $6000$ $\text{kg/h}$
Nồng độ dòng nhập liệu $x_F$ $0,300$ ($30%$) $\text{mol/mol}$
Nồng độ sản phẩm đỉnh (Acetone) $x_D$ $0,954$ ($95,4%$) $\text{mol/mol}$
Nồng độ sản phẩm đáy (Acetone) $x_W$ $0,010$ ($1,0%$) $\text{mol/mol}$
Số mâm lý thuyết $N_{lt}$ $11$ (2 cất, 7 chưng, 1 nạp, 1 nồi đun) mâm
Hiệu suất trung bình của mâm $\eta_{tb}$ $39,07$ $%$
Số mâm thực tế toàn tháp $N_t$ $29$ ($5$ mâm cất, $24$ mâm chưng) mâm
Vị trí mâm nhập liệu thực tế $N_F$ Mâm số $6$ (từ đỉnh đếm xuống) -
Đường kính tính toán đoạn cất $D_{\text{cất}}$ $1,108$ $\text{m}$
Đường kính tính toán đoạn chưng $D_{\text{chưng}}$ $1,182$ $\text{m}$
Đường kính danh nghĩa thân tháp $D_t$ $1,200$ $\text{m}$
Khoảng cách giữa các mâm $H_đ$ $0,450$ ($450$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Chiều dày của mâm $\delta$ $0,003$ ($3$) $\text{m}$ ($\text{mm}$)
Chiều cao toàn bộ thân tháp $H$ $14,100$ $\text{m}$
Số lượng chóp trên một mâm $n$ $29$ chóp/mâm
Đường kính ống dẫn hơi của chóp $D_h$ $75$ $\text{mm}$
Đường kính ngoài của chóp $d_{ch}$ $110$ $\text{mm}$
Chiều cao chóp $h_{ch}$ $90$ $\text{mm}$
Số khe chóp trên một chóp $i$ $43$ khe
Kích thước khe chóp (rộng $\times$ cao) $a \times b$ $5 \times 20$ $\text{mm}$
Khoảng cách giữa các khe chóp $c$ $3$ $\text{mm}$
Đường kính ống chảy chuyền $d_c$ $110$ $\text{mm}$
Số lượng ống chảy chuyền mỗi mâm $z$ $1$ ống/mâm
Số lỗ tháo lỏng trên một mâm $n_{\text{lỗ tháo lỏng}}$ $6$ (đường kính $16\text{ mm}$) lỗ/mâm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày hệ thống lý thuyết về phương pháp phân tách chất lỏng bằng chưng cất:

  • Khái niệm chưng cất, nguyên tắc làm việc dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi bão hòa và độ bay hơi tương đối của các cấu tử ở cùng một nhiệt độ.
  • So sánh các phương pháp chưng cất: chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp và chưng cất phân đoạn liên tục.
  • Phân tích ưu nhược điểm của các loại tháp truyền khối (tháp đệm, tháp mâm xuyên lỗ, tháp mâm chóp); khẳng định sự phù hợp của tháp mâm chóp đối với hỗn hợp Acetone – Acid Acetic nhờ khả năng duy trì lớp chất lỏng ổn định trên mâm, ít bị ảnh hưởng bởi dao động tải trọng hơi và giảm thiểu nguy cơ rò rỉ chất lỏng.
  • Phân tích tính chất hóa lý của hệ cân bằng hai cấu tử Acetone – Acid Acetic, xây dựng giản đồ cân bằng nhiệt độ – thành phần pha lỏng – pha hơi ($t-x-y$) và giản đồ thành phần $y-x$ ở áp suất $1\text{ atm}$.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ dây chuyền công nghệ chưng cất liên tục hệ Acetone – Acid Acetic:

  • Hỗn hợp nguyên liệu ban đầu có nồng độ $x_F = 0,3\text{ mol/mol}$ từ bồn chứa được bơm đưa lên bồn cao vị, sau đó chảy qua lưu lượng kế và đi vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu để gia nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ sôi ($t_F = 85,8^\circ\text{C}$).
  • Dòng nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi được đưa vào tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu (mâm số 6).
  • Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên gặp pha lỏng chảy từ trên xuống qua các mâm chóp. Quá trình truyền khối và truyền nhiệt diễn ra liên tục: pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi (Acetone), pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi (Acid Acetic).
  • Hơi thoát ra ở đỉnh tháp có nồng độ Acetone cao ($y_D^* = 0,9997\text{ mol/mol}$) đi vào thiết bị ngưng tụ đỉnh. Một phần chất lỏng sau ngưng tụ được hồi lưu về đỉnh tháp theo tỷ số hoàn lưu thích hợp, phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh về nhiệt độ bảo quản và đưa vào bồn chứa Acetone.
  • Chất lỏng ở đáy tháp có nồng độ Acid Acetic cao ($x_W = 0,01\text{ mol/mol}$) được đun sôi liên tục tại nồi đun đáy tháp để tạo dòng hơi hồi lưu cho tháp; phần sản phẩm đáy còn lại được tháo ra, đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy trước khi đưa vào bồn chứa Acid Acetic thương phẩm.

Chương 3: Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

Chương 3 giải quyết bài toán xác định các dòng vật chất và số bậc truyền khối lý thuyết, thực tế:

  • Cân bằng vật chất: Từ năng suất $G_F = 6000\text{ kg/h}$, nồng độ $x_F = 0,3$, độ thu hồi đáy $98%$, tính toán xác định nồng độ sản phẩm đỉnh $x_D = 0,954\text{ mol/mol}$ ($y_D^* = 0,9997\text{ mol/mol}$) và sản phẩm đáy $x_W = 0,01\text{ mol/mol}$ ($y_W^* = 0,0332\text{ mol/mol}$).
  • Xác định tỷ số hoàn lưu: Xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu ($R_{min}$) và tỷ số hoàn lưu thích hợp ($R_x$) đảm bảo chi phí chế tạo và năng lượng vận hành tối ưu.
  • Phương trình đường làm việc: Thiết lập phương trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng.
  • Xác định số mâm lý thuyết: Từ đồ thị McCabe-Thiele, xác định toàn hệ thống có $N_{lt} = 11$ mâm lý thuyết, bao gồm 2 mâm cất ($N_D$), 7 mâm chưng, 1 mâm nạp liệu ($N_F$) và 1 nồi đun đáy.
  • Xác định hiệu suất mâm và số mâm thực tế:
    • Tại mâm nhập liệu ($t_F = 85,8^\circ\text{C}$): $\alpha_F = 6,15$, $\mu_{hh} = 0,391\text{ cP}$, tích $\alpha_F \cdot \mu_{hh} = 2,404 \rightarrow \eta_F = 40,0%$ (theo đồ thị $37,8% - 40%$).
    • Tại mâm đỉnh ($t_D = 57,9^\circ\text{C}$): $\alpha_D = 16,07$, $\mu_{hh} = 0,245\text{ cP}$, tích $\alpha_D \cdot \mu_{hh} = 3,94 \rightarrow \eta_D = 33,8%$.
    • Tại mâm đáy ($t_W = 116,5^\circ\text{C}$): $\alpha_W = 3,40$, $\mu_{hh} = 0,455\text{ cP}$, tích $\alpha_W \cdot \mu_{hh} = 1,55 \rightarrow \eta_W = 43,4%$.
    • Hiệu suất trung bình: $\eta_{tb} = (40 + 33,8 + 43,4) / 3 = 39,07%$.
    • Số mâm thực tế toàn tháp: $N_t = 11 / 0,3907 = 28,154 \rightarrow$ quy chuẩn $29$ mâm thực tế ($5$ mâm cất, $24$ mâm chưng, nhập liệu tại mâm số 6).

Chương 4: Tính thiết bị chính

Chương 4 thực hiện toàn bộ các bước tính toán kích thước công nghệ và độ bền cơ khí thân tháp:

  • Đường kính tháp ($D_t$):
    • Đoạn cất: Lưu lượng hơi trung bình $g_{tb} = 3974,233\text{ kg/h}$, tốc độ làm việc $(\rho_y \omega_y){tb} = 1,143\text{ kg/m}^2\text{s}$ ($\omega{ytb} = 0,553\text{ m/s}$) $\rightarrow D_{\text{cất}} = 1,108\text{ m}$.
    • Đoạn chưng: Lưu lượng hơi trung bình $g'{tb} = 4616,280\text{ kg/h}$, tốc độ làm việc $(\rho_y \omega_y)'{tb} = 1,167\text{ kg/m}^2\text{s}$ ($\omega'{ytb} = 0,604\text{ m/s}$) $\rightarrow D{\text{chưng}} = 1,182\text{ m}$.
    • Quy chuẩn đường kính chung cho toàn bộ tháp: $D_t = 1,2\text{ m}$.
  • Chiều cao tháp ($H$): Với khoảng cách mâm $H_đ = 0,45\text{ m}$, chiều dày mâm $\delta = 0,003\text{ m}$, khoảng không gian đỉnh và đáy $0,95\text{ m}$, chiều cao tính toán $H = 29 \times (0,45 + 0,003) + 0,95 = 14,087\text{ m} \rightarrow$ chọn chiều cao tháp $H = 14,1\text{ m}$.
  • Tính toán mâm chóp và trở lực mâm:
    • Chọn đường kính ống hơi $D_h = 75\text{ mm}$, tính ra $29$ chóp phân bố trên mỗi mâm.
    • Chóp tròn đường kính $d_{ch} = 110\text{ mm}$, chiều cao chóp $h_{ch} = 90\text{ mm}$, ống dẫn hơi cao $h_{\text{ống hơi}} = 70\text{ mm}$.
    • Trên mỗi chóp xẻ $i = 43$ khe chóp chữ nhật kích thước rộng $a = 5\text{ mm}$, cao $b = 20\text{ mm}$, khoảng cách giữa các khe $c = 3\text{ mm}$.
    • Kiểm tra tỷ số sử dụng khe chóp: $h_s / H_{so} = 20,95 / 20 = 1,0475$, đạt yêu cầu thủy lực.
    • Bước chóp tối thiểu $t_{min} = 154\text{ mm}$.
    • Thiết kế 1 ống chảy chuyền ($z=1$) đường kính $d_c = 110\text{ mm}$, tốc độ lỏng chảy chuyền $\omega_c = 0,2\text{ m/s}$, khoảng cách chân ống đến mâm $S_1 = 28\text{ mm}$, khoảng cách tâm ống đến chóp gần nhất $t_1 = 190\text{ mm}$.
    • Chiều cao mực chất lỏng trên mâm $h_m = 60\text{ mm}$. Bố trí $6$ lỗ tháo lỏng đường kính $16\text{ mm}$ trên mỗi đĩa với tổng diện tích $11,3\text{ cm}^2$.
  • Tính toán cơ khí thân tháp: Tính toán bề dày thân tháp chịu áp suất làm việc, tính toán đáy và nắp elip tiêu chuẩn, bích ghép thân - đáy - nắp, tính đường kính các ống dẫn (ống hơi đỉnh, ống nhập liệu, ống tháo đáy, ống hơi từ nồi đun, ống hồi lưu), tính chọn tai treo, chân đỡ tháp và bề dày lớp vật liệu cách nhiệt.

Chương 5: Tính toán thiết bị phụ

Chương 5 hoàn thiện tính toán nhiệt và thủy lực cho toàn bộ cụm thiết bị phụ trợ trong hệ thống:

  • Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Cân bằng nhiệt ngưng tụ hoàn toàn hơi Acetone đỉnh tháp, xác định suất lượng nước làm lạnh, hiệu số nhiệt độ trung bình logarit $\Delta t_{ln}$, hệ số truyền nhiệt $K$ và diện tích bề mặt truyền nhiệt.
  • Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu: Tính toán lượng hơi nước bão hòa cần dùng để gia nhiệt $6000\text{ kg/h}$ hỗn hợp nguyên liệu từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi ($85,8^\circ\text{C}$), xác định diện tích truyền nhiệt cần thiết.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy: Tính toán lượng nước làm mát cần dùng và diện tích truyền nhiệt để hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy ($116,5^\circ\text{C}$) về nhiệt độ an toàn trước khi vào bồn chứa.
  • Nồi đun đáy tháp: Tính toán nhiệt lượng cần cấp để bốc hơi một phần dòng lỏng đáy tạo pha hơi hồi lưu, xác định suất lượng hơi đốt và diện tích truyền nhiệt của nồi đun.
  • Bồn cao vị và bơm nhập liệu: Tính toán trở lực cục bộ, trở lực ma sát trên đường ống hút và ống đẩy, xác định tổn thất áp suất qua thiết bị đun sôi nhập liệu, tính toán chiều cao đặt bồn cao vị và cột áp làm việc của bơm nhập liệu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất mâm chóp cho hệ Acetone – Acid Acetic với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập được bộ thông số công nghệ hoàn chỉnh với năng suất $6000\text{ kg/h}$, thu hồi $98%$ sản phẩm đáy, độ tinh khiết sản phẩm đỉnh đạt $95,4%$ Acetone và đáy đạt $99%$ Acid Acetic.
  • Xác định chính xác số mâm thực tế là $29$ mâm dựa trên phương pháp tính hiệu suất mâm theo từng vùng nhiệt độ và độ nhớt cục bộ ($\eta_{tb} = 39,07%$), khắc phục nhược điểm của phương pháp gán hiệu suất cố định.
  • Tối ưu hóa kích thước hình học thiết bị chính: thân tháp đường kính $D_t = 1,2\text{ m}$, chiều cao $H = 14,1\text{ m}$, mâm gồm $29$ chóp tròn đường kính $110\text{ mm}$ với $43$ khe chóp kích thước $5 \times 20\text{ mm}$, đảm bảo chế độ khí động học ổn định và tránh ngập lụt.
  • Hoàn thiện tính toán nhiệt và cơ khí đồng bộ cho toàn bộ 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ (ngưng tụ đỉnh, gia nhiệt nạp liệu, làm nguội đỉnh, làm nguội đáy, nồi đun đáy) và hệ thống bơm – bồn cao vị.

Hạn chế và hướng phát triển thiết kế

Mặc dù đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế theo quy chuẩn môn học Quá trình và Thiết bị, tài liệu vẫn có một số giới hạn trong phạm vi nghiên cứu:

  • Hạn chế: Toàn bộ tính toán thủy lực, trở lực và truyền khối được thực hiện bằng phương pháp giải tích truyền thống kết hợp tra cứu đồ thị thực nghiệm, chưa đối chứng với các phần mềm mô phỏng công nghệ chuyên dụng (như Aspen Plus, Aspen HYSYS, PRO/II) để khảo sát biên độ biến thiên động học khi tải trọng thay đổi. Đồ án chưa đi sâu vào bài toán tối ưu hóa chi phí kinh tế (cân bằng giữa chi phí đầu tư thiết bị CAPEX và chi phí năng lượng hơi đốt/nước làm mát OPEX).
  • Hướng phát triển: Ứng dụng mô phỏng số để kiểm chứng lại các điểm sặc đĩa và dải làm việc linh hoạt của mâm chóp; thiết kế hệ thống tích hợp nhiệt (Heat Integration) nhằm tận dụng nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy để gia nhiệt sơ bộ dòng nhập liệu giúp tiết kiệm hơi đốt; bổ sung sơ đồ thiết kế hệ thống điều khiển tự động (vòng lặp điều khiển lưu lượng hồi lưu, áp suất tháp và mức chất lỏng đáy).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa dầu, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị (Mã môn: PWPD322703 hoặc tương đương) và Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư.
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật cần một tài liệu mẫu chuẩn mực về trình tự tính toán tháp mâm chóp cho hệ chất hữu cơ hai cấu tử, từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến thiết kế chi tiết cấu tạo chóp, ống chảy chuyền, tính bền cơ khí thân tháp và thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất và yêu cầu phân tách ban đầu của hệ thống chưng cất là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với năng suất nhập liệu $G_F = 6000\text{ kg/h}$, nồng độ hỗn hợp đầu vào tính theo Acetone là $x_F = 0,3\text{ mol/mol}$ ($30%\text{ mol}$). Yêu cầu độ thu hồi cấu tử Acid Acetic ở đáy tháp đạt $98%$, sản phẩm đỉnh thu được nồng độ Acetone đạt $x_D = 0,954\text{ mol/mol}$ ($95,4%\text{ mol}$) và sản phẩm đáy có nồng độ Acetone giảm xuống còn $x_W = 0,01\text{ mol/mol}$ ($1%\text{ mol}$).

2. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp được xác định như thế nào?

Dựa vào giản đồ cân bằng lỏng – hơi và phương pháp đồ thị McCabe-Thiele, số mâm lý thuyết được xác định là $N_{lt} = 11$ mâm (bao gồm 2 mâm cất, 7 mâm chưng, 1 mâm nạp liệu và 1 nồi đun đáy). Hiệu suất trung bình của mâm được tính từ 3 vị trí đặc trưng: đỉnh ($\eta_D = 33,8%$), đĩa nhập liệu ($\eta_F = 40,0%$) và đáy ($\eta_W = 43,4%$), cho giá trị $\eta_{tb} = 39,07%$. Do đó, số mâm thực tế là $N_t = 11 / 0,3907 = 28,154$, được chọn quy chuẩn là $29$ mâm thực tế ($5$ mâm đoạn cất, $24$ mâm đoạn chưng, nhập liệu tại mâm số 6).

3. Kích thước cơ bản của thân tháp (đường kính và chiều cao) là bao nhiêu?

Đường kính tính toán thủy lực cho đoạn cất là $D_{\text{cất}} = 1,108\text{ m}$ và đoạn chưng là $D_{\text{chưng}} = 1,182\text{ m}$. Đường kính thân tháp được thống nhất chọn theo quy chuẩn cơ khí là $D_t = 1,2\text{ m}$. Với khoảng cách giữa hai mâm liên tiếp $H_đ = 0,45\text{ m}$, chiều dày mâm $\delta = 0,003\text{ m}$ và khoảng cách đệm đỉnh đáy $0,95\text{ m}$, chiều cao toàn bộ thân tháp là $H = 14,1\text{ m}$.

4. Cấu tạo của mâm chóp và các khe chóp trên đĩa được thiết kế ra sao?

Mỗi mâm đĩa được bố trí $29$ chóp tròn với đường kính ngoài $d_{ch} = 110\text{ mm}$, lắp trên ống dẫn hơi đường kính $D_h = 75\text{ mm}$, chiều cao chóp $90\text{ mm}$. Mỗi chóp có $43$ khe chóp kích thước rộng $a = 5\text{ mm}$, cao $b = 20\text{ mm}$, khoảng cách giữa các khe $c = 3\text{ mm}$. Mâm sử dụng $1$ ống chảy chuyền đường kính $d_c = 110\text{ mm}$, chiều cao mức lỏng duy trì trên mâm là $h_m = 60\text{ mm}$ và bố trí $6$ lỗ tháo lỏng đường kính $16\text{ mm}$.

5. Hệ thống gồm những thiết bị phụ trợ nào để đảm bảo vận hành liên tục?

Hệ thống phụ trợ bao gồm:

  • Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp nhập liệu bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ sôi ($85,8^\circ\text{C}$).
  • Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hơi sản phẩm đỉnh ở $57,9^\circ\text{C}$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh và thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (từ $116,5^\circ\text{C}$).
  • Nồi đun sôi đáy tháp để bốc hơi dòng đáy hồi lưu.
  • Bồn cao vị và bơm ly tâm nạp liệu.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Trần Long Nhật và Nguyễn Võ Thảo Phương đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật tháp chưng cất mâm chóp phân tách hệ Acetone – Acid Acetic với năng suất $6000\text{ kg/h}$. Toàn bộ các bước tính toán từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, tính toán thủy lực mâm đĩa đến thiết kế kết cấu cơ khí tháp ($D_t = 1,2\text{ m}$, $H = 14,1\text{ m}$, $29$ mâm thực tế) và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đều được thực hiện đầy đủ, logic và tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành. Đây là tài liệu học thuật có độ tin cậy và giá trị ứng dụng cao cho công tác đào tạo kỹ sư công nghệ hóa học.