I. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế tháp chưng cất Acetone Acetic
Việc thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp là một bài toán kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ sở và tính toán thực tiễn. Quá trình này bắt đầu từ việc nắm vững nguyên lý chưng cất, một phương pháp tách hỗn hợp lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử. Trong hệ Acetone – Acid Acetic, Acetone có nhiệt độ sôi thấp hơn (56°C) so với Acid Acetic (118°C), do đó Acetone dễ bay hơi hơn. Đây là nền tảng cốt lõi cho việc phân tách. Khi hỗn hợp được gia nhiệt, pha hơi sẽ chứa nhiều Acetone hơn pha lỏng. Hơi này di chuyển lên đỉnh tháp, qua các mâm, ngưng tụ và thu được sản phẩm đỉnh giàu Acetone. Ngược lại, phần lỏng còn lại, giàu Acid Acetic, sẽ di chuyển xuống đáy tháp và trở thành sản phẩm đáy. Tháp mâm chóp được lựa chọn vì khả năng hoạt động ổn định trong một dải lưu lượng rộng và hiệu suất tiếp xúc pha cao. Mỗi mâm chóp hoạt động như một bậc chưng cất riêng lẻ, nơi pha hơi và pha lỏng tiếp xúc với nhau để đạt đến trạng thái cân bằng. Quá trình thiết kế tháp chưng cất không chỉ dừng lại ở việc xác định số mâm cần thiết mà còn bao gồm tính toán chi tiết về kích thước tháp, cấu trúc mâm, và các thiết bị phụ trợ như thiết bị ngưng tụ, thiết bị đun sôi lại. Các thông số ban đầu như năng suất nhập liệu (6000 kg/h) và nồng độ Acetone (0,3 mol/mol) là những dữ kiện quan trọng định hình toàn bộ quy trình tính toán, từ cân bằng vật chất đến cân bằng năng lượng.
1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất phân đoạn
Chưng cất phân đoạn là phương pháp cốt lõi để tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng có nhiệt độ sôi gần nhau. Nguyên tắc hoạt động dựa trên định luật Raoult và định luật Dalton, mô tả mối quan hệ giữa áp suất hơi riêng phần và thành phần mol của các cấu tử trong cả pha lỏng và pha hơi. Trong tháp chưng cất, quá trình bay hơi và ngưng tụ diễn ra lặp đi lặp lại trên mỗi mâm. Hơi đi từ dưới lên sẽ tiếp xúc với lỏng hồi lưu từ trên xuống. Tại mỗi mâm, cấu tử dễ bay hơi (Acetone) sẽ chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, làm tăng nồng độ của nó trong pha hơi. Ngược lại, cấu tử khó bay hơi hơn (Acid Acetic) sẽ ngưng tụ từ pha hơi sang pha lỏng. Kết quả là, càng lên cao, pha hơi càng giàu Acetone và pha lỏng càng giàu Acid Acetic. Quá trình này tạo ra một gradient nồng độ dọc theo chiều cao tháp, cho phép thu được sản phẩm đỉnh và đáy có độ tinh khiết mong muốn.
1.2. Đặc tính quan trọng của hệ hỗn hợp Acetone Acid Acetic
Hệ Acetone – Acid Acetic là một hệ hai cấu tử có độ bay hơi tương đối chênh lệch đáng kể, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chưng cất. Dữ liệu cân bằng lỏng-hơi (VLE) của hệ này là thông tin quan trọng nhất để thiết kế, được biểu diễn qua giản đồ y-x (thành phần pha hơi theo pha lỏng) và giản đồ T-x-y (nhiệt độ sôi theo thành phần). Các tính chất vật lý khác như khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt và ẩn nhiệt hóa hơi của từng cấu tử và của hỗn hợp cũng phải được xác định chính xác ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán thủy động lực học trong tháp, chẳng hạn như trở lực mâm, tốc độ hơi cho phép và hiệu suất truyền khối. Ví dụ, độ nhớt của hỗn hợp ảnh hưởng đến hiệu suất mâm, một yếu tố quyết định số mâm thực tế.
II. Thách thức trong việc tách Acetone và Acid Acetic hiệu quả
Mặc dù hệ Acetone – Acid Acetic có sự chênh lệch nhiệt độ sôi lớn, việc thiết kế một hệ thống chưng cất hiệu quả vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Thách thức chính là đạt được đồng thời độ tinh khiết sản phẩm cao và hiệu suất thu hồi lớn trong khi vẫn tối ưu hóa chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí năng lượng. Yêu cầu của đồ án là thu hồi 98% sản phẩm đáy (Acid Acetic) đòi hỏi quá trình phân tách phải gần như triệt để. Điều này trực tiếp ảnh hưởng đến việc xác định tỷ số hoàn lưu và số mâm lý thuyết. Một tỷ số hoàn lưu quá thấp sẽ không thể đạt được độ tinh khiết yêu cầu, trong khi một tỷ số quá cao sẽ làm tăng đáng kể chi phí năng lượng cho thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ. Thêm vào đó, hiệu suất thực tế của mâm chóp không bao giờ đạt 100%. Hiệu suất mâm phụ thuộc vào nhiều yếu tố thủy động lực học phức tạp như tốc độ pha hơi, tốc độ pha lỏng, cấu trúc mâm và các tính chất vật lý của hệ. Việc ước tính chính xác hiệu suất này để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực tế là một bước quan trọng và tiềm ẩn sai số. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ và thành phần dọc theo chiều cao tháp làm cho các tính chất vật lý (khối lượng riêng, độ nhớt) của lưu chất biến đổi, dẫn đến việc phải tính toán đường kính tháp riêng cho đoạn cất và đoạn chưng để đảm bảo vận hành ổn định.
2.1. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phân tách
Hiệu suất phân tách trong tháp chưng cất bị ảnh hưởng bởi ba nhóm yếu tố chính: thông số vận hành, đặc tính hệ thống và thiết kế cơ khí. Về thông số vận hành, tỷ số hoàn lưu là quan trọng nhất. Tỷ số này càng cao, khả năng phân tách càng tốt nhưng chi phí năng lượng cũng tăng theo. Vị trí nhập liệu cũng cần được tối ưu để tránh làm giảm hiệu suất chung của tháp. Về đặc tính hệ thống, độ bay hơi tương đối (α) giữa Acetone và Acid Acetic quyết định mức độ dễ dàng của việc phân tách. Độ bay hơi này thay đổi theo nhiệt độ và thành phần, cần được xem xét cẩn thận. Về thiết kế cơ khí, khoảng cách giữa các mâm, cấu trúc chóp, và thiết kế ống chảy chuyền đều ảnh hưởng đến thời gian tiếp xúc và bề mặt tiếp xúc giữa hai pha, từ đó quyết định hiệu suất truyền khối trên mỗi mâm.
2.2. Vấn đề cân bằng pha lỏng hơi và độ bay hơi tương đối
Dữ liệu cân bằng lỏng-hơi (VLE) là nền tảng của mọi tính toán thiết kế tháp chưng cất. Đối với hệ Acetone - Acid Acetic, việc có được dữ liệu VLE chính xác ở áp suất vận hành là cực kỳ quan trọng. Dữ liệu này được sử dụng để xây dựng giản đồ cân bằng y-x, công cụ chính để xác định số mâm lý thuyết bằng phương pháp McCabe-Thiele. Độ bay hơi tương đối (α), được tính từ dữ liệu VLE, là một chỉ số đo lường sự khác biệt về khả năng bay hơi giữa hai cấu tử. Giá trị α càng lớn hơn 1, việc phân tách càng dễ dàng. Trong quá trình tính toán, giá trị α thay đổi tại các vị trí khác nhau trong tháp (đỉnh, nhập liệu, đáy), do đó việc tính toán hiệu suất mâm tại từng vị trí này là cần thiết để xác định chính xác tổng số mâm thực tế cần lắp đặt trong tháp.
III. Phương pháp tính toán cân bằng vật chất và năng lượng chi tiết
Quy trình thiết kế tháp chưng cất dạng mâm chóp bắt đầu bằng việc thiết lập các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Với các số liệu ban đầu như năng suất nhập liệu Gf = 6000 kg/h, nồng độ nhập liệu xF = 0,3 (mol/mol Acetone) và độ thu hồi sản phẩm đáy 98%, các dòng sản phẩm đỉnh (D) và đáy (W) cùng nồng độ của chúng được xác định. Bước tiếp theo là xác định tỷ số hoàn lưu (R). Tỷ số này là một thông số vận hành quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến số mâm cần thiết và chi phí vận hành. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) được xác định từ giản đồ cân bằng, và tỷ số hoàn lưu làm việc thường được chọn trong khoảng (1.2-1.5)Rmin để cân bằng giữa chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Sau khi có R, phương trình đường làm việc cho đoạn cất và đoạn chưng được thiết lập. Sử dụng phương pháp đồ thị McCabe-Thiele, số mâm lý thuyết được xác định bằng cách vẽ các bậc thang giữa đường cân bằng và hai đường làm việc. Kết quả từ đồ án cho thấy hệ thống cần 11 mâm lý thuyết. Tuy nhiên, đây chỉ là con số lý tưởng. Trong thực tế, hiệu suất mỗi mâm không đạt 100%, do đó cần tính toán số mâm thực tế.
3.1. Xác định tỷ số hoàn lưu và số mâm lý thuyết tối ưu
Việc xác định tỷ số hoàn lưu tối ưu là một bài toán kinh tế-kỹ thuật. Dựa trên nồng độ nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, đường làm việc ứng với tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) được vẽ trên giản đồ y-x. Tỷ số hoàn lưu làm việc (R) được chọn lớn hơn Rmin. Lựa chọn này là một sự đánh đổi: R càng lớn, số mâm lý thuyết càng giảm (giảm chi phí đầu tư tháp) nhưng đường kính tháp và lượng hơi cần cung cấp lại tăng (tăng chi phí vận hành). Dựa trên kinh nghiệm và phân tích kinh tế, một giá trị R thích hợp được chọn. Với R đã chọn, các phương trình đường làm việc cho đoạn cất và chưng được xác định. Bằng phương pháp McCabe-Thiele, từ nồng độ sản phẩm đỉnh, các bậc thang được vẽ cho đến khi vượt qua nồng độ sản phẩm đáy. Số bậc thang này chính là số mâm lý thuyết, bao gồm cả nồi đun. Theo tính toán trong tài liệu gốc, hệ thống cần 11 mâm lý thuyết.
3.2. Tính toán số mâm thực tế dựa trên hiệu suất mâm
Số mâm thực tế là thông số thiết kế cuối cùng, được tính bằng cách chia số mâm lý thuyết cho hiệu suất trung bình của mâm (ηtb). Hiệu suất này không phải là một hằng số mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có tích của độ bay hơi tương đối (α) và độ nhớt của pha lỏng (μ). Để tăng độ chính xác, hiệu suất được tính tại ba vị trí đặc trưng: mâm trên cùng (đỉnh), mâm nhập liệu và mâm dưới cùng (đáy). Cụ thể, tại mỗi vị trí, giá trị (α × μ) được tính và tra đồ thị Murphree để tìm hiệu suất tương ứng. Ví dụ, tại mâm nhập liệu, αF = 6,15 và μhh = 0,391 cP, cho hiệu suất ηF = 37,8%. Tương tự, hiệu suất tại đỉnh và đáy cũng được xác định. Hiệu suất trung bình (ηtb) được lấy là trung bình cộng của ba giá trị này, kết quả là 39,07%. Cuối cùng, số mâm thực tế được tính là Nt = Nlt / ηtb = 11 / 0,3907 ≈ 29 mâm.
IV. Hướng dẫn thiết kế cơ khí cho tháp chưng cất mâm chóp
Sau khi xác định các thông số công nghệ cốt lõi, giai đoạn thiết kế cơ khí cho tháp bắt đầu. Đây là bước hiện thực hóa các tính toán lý thuyết thành một thiết bị vật lý có thể chế tạo và vận hành. Các hạng mục chính bao gồm tính toán đường kính và chiều cao tháp, thiết kế chi tiết cấu trúc mâm chóp và lựa chọn các thiết bị phụ trợ. Đường kính tháp được quyết định bởi lưu lượng hơi đi trong tháp và tốc độ hơi cho phép để tránh các hiện tượng sặc hoặc lôi cuốn lỏng. Do lưu lượng hơi ở đoạn cất và đoạn chưng khác nhau, đường kính cho mỗi đoạn được tính riêng. Trong trường hợp này, đường kính đoạn cất là 1,108 m và đoạn chưng là 1,182 m. Để thuận tiện cho chế tạo, đường kính chung cho toàn tháp được chọn là 1,2 m. Chiều cao tháp được tính dựa trên số mâm thực tế (29 mâm) và khoảng cách giữa các mâm (chọn 0,45 m), cộng thêm không gian trống ở đỉnh và đáy, cho tổng chiều cao khoảng 14,1 m. Thiết kế mâm chóp bao gồm việc xác định số lượng chóp, kích thước chóp, chiều cao khe, số lượng khe và cách bố trí trên mâm để đảm bảo sự phân bố đều của hơi và lỏng, tối ưu hóa hiệu quả tiếp xúc pha. Các tính toán này đảm bảo tháp hoạt động ổn định và hiệu quả.
4.1. Quy trình tính toán đường kính và chiều cao thân tháp
Việc tính toán đường kính tháp dựa trên phương trình liên hệ giữa lưu lượng hơi trung bình (gtb) và tích số (ρνωv)tb, là tốc độ khối lượng hơi cho phép. Tốc độ này được xác định dựa trên các tính chất vật lý của pha lỏng và pha hơi, khoảng cách giữa các đĩa để tránh hiện tượng lôi cuốn chất lỏng theo hơi. Vì lượng hơi và lỏng thay đổi dọc theo chiều cao tháp, gtb được tính riêng cho đoạn cất và đoạn chưng. Kết quả cho thấy Dchưng > Dcất, do đó đường kính chung của tháp được chọn theo giá trị lớn hơn và làm tròn theo tiêu chuẩn, cụ thể là 1,2 m. Chiều cao tháp là tổng của chiều cao các mâm và các khoảng không gian phụ. Nó được tính bằng công thức: H = Nt × (hđ + δ) + Hđáy + Hđỉnh, trong đó Nt là số mâm thực tế, hđ là khoảng cách giữa các mâm, và δ là bề dày mâm. Khoảng cách này được chọn đủ lớn để dễ dàng lắp đặt và bảo trì nhưng không quá lớn để tăng chi phí vật liệu.
4.2. Chi tiết cấu tạo và thông số kỹ thuật của mâm chóp
Thiết kế một mâm chóp hiệu quả đòi hỏi tính toán cẩn thận nhiều thông số. Đầu tiên, số lượng chóp trên mỗi mâm được ước tính dựa trên diện tích mâm và đường kính ống hơi của chóp. Trong thiết kế này, 29 chóp được phân bố trên mỗi mâm. Các thông số hình học của chóp như đường kính, chiều cao chóp, chiều cao và chiều rộng khe chóp được tính toán để tạo ra trở lực thích hợp, đảm bảo hơi đi qua khe và sục vào lớp chất lỏng một cách đồng đều. Bên cạnh chóp, ống chảy chuyền cũng là một bộ phận quan trọng, có nhiệm vụ dẫn lỏng từ mâm trên xuống mâm dưới. Đường kính và chiều cao đập của ống chảy chuyền phải được tính toán để duy trì một lớp chất lỏng có chiều cao ổn định trên mâm, đảm bảo hiệu quả tiếp xúc pha mà không gây ngập lụt mâm. Tất cả các thông số này phải được cân đối để tối ưu hóa hiệu suất truyền khối và năng suất của tháp.
