Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu kinh tế và định hướng công nghiệp hóa - hiện đại hóa tại Việt Nam, ngành công nghiệp hóa chất giữ vai trò quan trọng và đóng góp đáng kể vào kim ngạch xuất khẩu quốc gia. Theo số liệu thống kê năm 2022, giá trị xuất khẩu hóa chất của Việt Nam đạt 3,09 tỷ USD, với các thị trường tiêu thụ chủ lực gồm Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản. Dự báo giai đoạn đến năm 2030, ngành hóa chất tiếp tục duy trì tốc độ tăng trưởng từ 10% đến 11%/năm, chiếm tỷ trọng khoảng 4% đến 5% toàn ngành công nghiệp. Sự phát triển này đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm và nâng cao độ tinh khiết của hóa chất thông qua việc tối ưu hóa các dây chuyền công nghệ và thiết bị phân tách, điển hình là hệ thống tháp chưng cất.

Đối với hệ hai cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau như Ethanol – Nước, chưng cất là phương pháp công nghệ cốt lõi để tách và thu hồi ethanol phục vụ các ngành công nghiệp nặng, y tế, dược phẩm, dệt may, quốc phòng và giao thông vận tải. Đề tài "Thiết kế tháp chưng cất (tháp đệm) cho hệ Ethanol – Nước năng suất nhập liệu 2100 kg/h" được thực hiện 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 nhằm giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho một hệ thống tháp chưng cất đệm hoạt động liên tục.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án bao gồm 7 nội dung cụ thể:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất, phân loại phương pháp, thiết bị chưng cất và tính chất hóa lý của hệ Ethanol – Nước.
  2. Thuyết minh và thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ của hệ thống chưng cất tháp đệm liên tục.
  3. Tính toán cân bằng vật chất để xác định suất lượng các dòng sản phẩm, chỉ số hoàn lưu làm việc, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp.
  4. Tính toán cân bằng năng lượng (nhiệt lượng) cho toàn tháp, nồi đun đáy, thiết bị đun sôi dòng nhập liệu, thiết bị ngưng tụ và các thiết bị làm nguội.
  5. Tính toán các thông số công nghệ và kích thước hình học của thiết bị chính (đường kính tháp, chiều cao lớp đệm, trở lực tháp đệm).
  6. Tính toán kết cấu cơ khí của tháp chưng cất (chiều dày thân tháp, đáy, nắp elip, đường kính ống dẫn, bích ghép, lưới đỡ đệm, đĩa phân phối, tai treo/chân đỡ).
  7. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị trao đổi nhiệt, bồn cao vị, bơm) và dự toán giá thành thiết bị.

Đối tượng và phạm vi thiết kế:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ dung dịch nhị phân Ethanol ($C_2H_5OH$) – Nước ($H_2O$).
  • Điều kiện và số liệu ban đầu:
    • Năng suất dòng nhập liệu ($G_F$): $2100 \text{ kg/h}$ với nồng độ ethanol $\bar{x}_F = 7%$ khối lượng ($x_F = 0,0286$ phần mol; $2,86%$ mol).
    • Nồng độ dòng sản phẩm đỉnh ($\bar{x}_D$): $77%$ khối lượng ($x_D = 0,567$ phần mol; $56,7%$ mol).
    • Nồng độ dòng sản phẩm đáy ($\bar{x}_W$): $1,5%$ khối lượng ($x_W = 0,0059$ phần mol; $0,59%$ mol).
    • Trạng thái dòng nhập liệu: Trạng thái lỏng sôi ở áp suất khí quyển $p = 1 \text{ atm}$, nhiệt độ ban đầu trước gia nhiệt $t_f = 25^\circ\text{C}$.
    • Nguồn nhiệt đun sôi đáy tháp: Hơi nước bão hòa ở áp suất $p_h = 2 \text{ at}$.
    • Tác nhân làm mát: Nước lạnh có nhiệt độ vào $t_v = 25^\circ\text{C}$ và nhiệt độ ra $t_r = 40^\circ\text{C}$.
    • Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: $t'_D = 45^\circ\text{C}$; nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: $t'_W = 45^\circ\text{C}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình cân bằng pha

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học của quá trình truyền khối và cân bằng pha lỏng – hơi của hệ hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau ở áp suất $760 \text{ mmHg}$. Ethanol có khối lượng phân tử $M_R = 46 \text{ g/mol}$, nhiệt độ sôi chuẩn $78,39^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $0,7936 \text{ g/ml}$ ở $15^\circ\text{C}$. Nước có khối lượng phân tử $M_N = 18 \text{ g/mol}$, nhiệt độ sôi $100^\circ\text{C}$. Quan hệ cân bằng lỏng – hơi ($x - y$) và đường nhiệt độ sôi ($t - x, y$) của hệ Ethanol – Nước được xác định theo số liệu thực nghiệm chuẩn trong kỹ thuật hóa học:

Đại lượng Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3 Điểm 4 Điểm 5 Điểm 6 Điểm 7 Điểm 8 Điểm 9 Điểm 10 Điểm 11 Điểm 12 Điểm 13
$x$ (% mol lỏng) 0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 89,4 90,0 100
$y$ (% mol hơi) 0 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100
$t$ ($^\circ\text{C}$) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,15 78,4 78,4

Phương pháp tính toán kỹ thuật

  1. Phương pháp cân bằng vật chất và xác định mâm lý thuyết:

    • Cân bằng dòng tổng thể và cấu tử phân bố: $G_F = G_D + G_W$ và $G_F \cdot \bar{x}_F = G_D \cdot \bar{x}_D + G_W \cdot \bar{x}_W$.
    • Tính toán chỉ số hồi lưu tối thiểu: $R_{min} = \frac{x_D - y_F^}{y_F^ - x_F}$, với $y_F^*$ là nồng độ hơi cân bằng với nồng độ lỏng nhập liệu $x_F$.
    • Xác định số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) bằng phương pháp đồ thị phân đoạn cất và phân đoạn chưng.
    • Hiệu suất trung bình của tháp ($\eta_{tb}$) được xác định thông qua tương quan giữa độ bay hơi tương đối $\alpha$ và độ nhớt của hỗn hợp lỏng $\mu_{hh}$ tại 3 vị trí đặc trưng: đỉnh tháp ($\eta_D$), mâm nhập liệu ($\eta_F$) và đáy tháp ($\eta_W$), theo công thức $\eta_{tb} = \frac{\eta_F + \eta_D + \eta_W}{3}$. Số mâm thực tế được quy đổi: $N_{tt} = \frac{N_{lt}}{\eta_{tb}}$.

  2. Phương pháp cân bằng nhiệt lượng:

    • Ứng dụng định luật bảo toàn năng lượng cho toàn tháp và từng thiết bị trao đổi nhiệt riêng biệt.
    • Xác định lượng nhiệt do các dòng mang vào, mang ra, nhiệt hóa hơi của hỗn hợp, nhiệt dung riêng phụ thuộc nồng độ và nhiệt độ, đồng thời tính đến tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ($Q_{xq} = 5%$ tổng nhiệt lượng tiêu tốn ở đáy).

  3. Phương pháp tính toán cơ khí và thủy lực:

    • Lựa chọn loại đệm Raschig bằng sứ xếp lộn xộn.
    • Tính toán đường kính tháp dựa trên lưu lượng hơi trung bình và vận tốc khí giới hạn.
    • Tính toán cơ khí thân trụ, đáy và nắp elip chịu áp suất theo tiêu chuẩn tính toán thiết bị hóa chất hiện hành.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất, so sánh chi tiết các phương pháp chưng cất (theo áp suất: chân không, thường, cao áp; theo nguyên lý: đơn giản, dùng hơi nước trực tiếp, chưng cất chân không; theo cách cấp nhiệt: trực tiếp và gián tiếp). Tác giả so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa ba loại thiết bị phổ biến trong công nghiệp hóa chất:

Loại tháp Ưu điểm Nhược điểm
Tháp đệm (tháp chêm) Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp, hoạt động ổn định với chất lỏng bẩn khi chọn đệm thích hợp. Hiệu ứng thành làm giảm hiệu suất truyền khối ở quy mô lớn; khó vệ sinh đệm; thiết bị dễ bị phân bố lỏng không đều.
Tháp mâm xuyên lỗ Hiệu suất tương đối cao, chế tạo ít tốn kim loại, trở lực thấp hơn tháp chóp. Trở lực còn khá lớn, yêu cầu lắp đặt mâm tuyệt đối phẳng, không làm việc tốt với chất lỏng bẩn/đóng cặn.
Tháp mâm chóp Hiệu suất tiếp xúc pha rất cao, vận hành ổn định trong dải lưu lượng rộng. Cấu tạo rất phức tạp, trở lực dòng khí lớn, tiêu tốn nhiều kim loại chế tạo, giá thành cao.

Trên cơ sở phân tích đặc tính tạo bọt thấp, dung dịch sạch và tính kinh tế của quy mô $2100 \text{ kg/h}$, tháp đệm sử dụng vòng sứ Raschig được lựa chọn làm thiết bị chính. Chương 1 cũng trình bày đầy đủ tính chất vật lý, hóa học, phương pháp điều chế và ứng dụng của Ethanol và Nước.

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quy trình công nghệ được thiết lập theo sơ đồ làm việc liên tục: Dung dịch Ethanol – Nước ($x_F = 2,86%$ mol, nhiệt độ $25^\circ\text{C}$) từ bồn chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn định áp lực dòng. Dung dịch tự chảy qua lưu lượng kế và hệ thống van điều chỉnh vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu (trao đổi nhiệt gián tiếp với hơi nước bão hòa) để nâng nhiệt độ lên trạng thái sôi ($94,30^\circ\text{C}$), sau đó đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp đệm.

Trong thân tháp, pha hơi đi từ dưới lên tiếp xúc ngược dòng với pha lỏng chảy từ trên xuống qua bề mặt vật chêm. Dọc theo chiều cao đoạn chưng, nồng độ cấu tử dễ bay hơi (ethanol) trong pha lỏng giảm dần; dung dịch đáy tháp đạt nồng độ nước $98,5%$ mol ($x_W = 0,0059$ mol). Dung dịch đáy đi vào nồi đun đáy (reboiler), một phần bốc hơi quay lại đáy tháp cung cấp nhiệt cho quá trình truyền khối, phần còn lại được tháo ra qua thiết bị làm nguội đáy về $45^\circ\text{C}$ rồi vào bồn chứa sản phẩm đáy. Pha hơi ở đỉnh tháp giàu ethanol ($x_D = 56,7%$ mol; $77%$ khối lượng) đi vào thiết bị ngưng tụ đỉnh; dòng lỏng sau ngưng tụ được chia làm hai: một phần hồi lưu về đỉnh tháp theo chỉ số hoàn lưu thiết kế, phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội đỉnh hạ nhiệt độ xuống $45^\circ\text{C}$ và chảy về bồn chứa sản phẩm đỉnh.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chương này thực hiện toàn bộ các bước tính toán cân bằng khối lượng và phân đoạn mol:

  • Lưu lượng dòng nhập liệu: $G_F = 2100 \text{ kg/h}$, tương ứng $F = 111,70 \text{ kmol/h}$, khối lượng mol trung bình $M_F = 18,80 \text{ kg/kmol}$.
  • Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh: $G_D = 152,98 \text{ kg/h}$, tương ứng $D = 4,515 \text{ kmol/h}$, khối lượng mol trung bình $M_D = 33,88 \text{ kg/kmol}$.
  • Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: $G_W = 1947,02 \text{ kg/h}$, tương ứng $W = 107,19 \text{ kmol/h}$, khối lượng mol trung bình $M_W = 18,17 \text{ kg/kmol}$.

Dựa trên đồ thị cân bằng lỏng – hơi với nồng độ nhập liệu $x_F = 0,0286$, giá trị cân bằng pha hơi tra được là $y_F^* = 0,26$. Chỉ số hồi lưu tối thiểu tính được: $$R_{min} = \frac{0,567 - 0,26}{0,26 - 0,0286} = 1,327$$

Từ đồ thị McCabe-Thiele, số mâm lý thuyết xác định được là $N_{lt} = 6$ mâm (đoạn cất 3 mâm, đoạn chưng 3 mâm, nhập liệu tại mâm số 3). Hiệu suất truyền khối tại các vị trí được xác định qua tích số $(\alpha \cdot \mu)$:

  • Tại mâm nhập liệu ($t_F = 94,30^\circ\text{C}$): $\alpha_F = 11,94$; $\mu_{hh} = 0,3064 \text{ cP} \Rightarrow \alpha \cdot \mu = 3,658 \Rightarrow \eta_F = 37,6%$.
  • Tại mâm đỉnh ($t_D = 79,05^\circ\text{C}$): $\alpha_D = 1,669$; $\mu_{hh} = 0,414 \text{ cP} \Rightarrow \alpha \cdot \mu = 0,694 \Rightarrow \eta_D = 50,0%$.
  • Tại mâm đáy ($t_W = 99,93^\circ\text{C}$): $\alpha_W = 6,84$; $\mu_{hh} = 0,284 \text{ cP} \Rightarrow \alpha \cdot \mu = 1,943 \Rightarrow \eta_W = 42,76%$.

Hiệu suất trung bình của toàn tháp: $\eta_{tb} = \frac{37,6 + 50,0 + 42,76}{3} = 43,45%$. Số mâm thực tế: $N_{tt} = \frac{6}{43,45%} \approx 14$ mâm (7 mâm đoạn cất, 7 mâm đoạn chưng, vị trí đĩa nhập liệu thực tế ở mâm thứ 7).

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Tính toán cân bằng nhiệt lượng xác định lượng nhiệt tiêu thụ và lượng hơi đốt cho các thiết bị trong hệ thống:

  1. Toàn tháp chưng cất:
    • Nhiệt do dòng nhập liệu mang vào tháp: $Q_F = 824632,56 \text{ kJ/h}$ (với $C_F = 4,1637 \text{ kJ/kg.K}$, $t_F = 94,30^\circ\text{C}$).
    • Nhiệt do dòng hơi đỉnh mang ra: $Q_y = GD \cdot (R + 1) \cdot \lambda_D$.
    • Nhiệt do dòng đáy mang ra: $Q'_W = 937874,34 \text{ kJ/h}$.
    • Nhiệt do hơi sản phẩm đáy mang vào tháp: $Q_h = 737333,397 \text{ kJ/h}$.
  2. Nồi đun đáy tháp:
    • Cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa $p = 2 \text{ at}$ ($\theta_2 = 119,62^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt $r_2 = 2208 \text{ kJ/kg}$, $C_2 = 1,014 \text{ kcal/kg.K}$).
    • Tổng nhiệt lượng do hơi đốt cung cấp vào nồi đun: $Q_{D2} = 803150,523 \text{ kJ/h}$.
    • Lượng hơi đốt cần thiết cho nồi đun đáy: $D_2 = 382,88 \text{ kg/h}$.
  3. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu:
    • Nhiệt lượng dòng nhập liệu ban đầu mang vào ($t_f = 25^\circ\text{C}$): $Q_f = GF \cdot C_f \cdot t_f$ (với $C_f = 4,0639 \text{ kJ/kg.K}$).
    • Nâng nhiệt độ dòng nhập liệu từ $25^\circ\text{C}$ lên trạng thái sôi $94,30^\circ\text{C}$.
  4. Thiết bị ngưng tụ và làm nguội:
    • Cân bằng nhiệt thiết bị ngưng tụ dòng đỉnh và thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh/đáy bằng nước làm mát ($25^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$).

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH VÀ CƠ KHÍ

Nội dung này tính toán chi tiết kích thước hình học và sức bền cơ học:

  • Thông số công nghệ: Xác định khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi, lưu lượng hơi trung bình, vận tốc hơi làm việc qua lớp đệm, đường kính tháp chưng cất ($D_{tháp}$), chiều cao lớp đệm đoạn luyện ($H_{luyện}$), chiều cao lớp đệm đoạn chưng ($H_{chưng}$) và chiều cao tổng thể của tháp.
  • Tính toán trở lực: Xác định trở lực của lớp đệm khô và đệm ướt cho cả đoạn chưng và đoạn cất.
  • Tính toán cơ khí:
    • Bề dày thân tháp hình trụ chịu áp suất làm việc.
    • Bề dày đáy và nắp elip tiêu chuẩn có gờ.
    • Đường kính các ống dẫn công nghệ: ống dẫn sản phẩm đỉnh, ống nhập liệu, ống tháo sản phẩm đáy, ống hồi lưu.
    • Quy cách mặt bích ghép thân - đáy - nắp, bích nối ống dẫn và bulong theo tiêu chuẩn ngành.
    • Thiết kế các chi tiết bên trong tháp: đĩa phân phối lỏng loại 1, lưới đỡ đệm loại 1, dầm đỡ đệm và chân đỡ thiết bị.

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Chương 7 tập trung tính toán nhiệt, xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$), bề mặt truyền nhiệt ($F$) và cấu tạo cơ khí cho 5 thiết bị phụ:

  1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (dạng ống chùm đặt đứng/nằm ngang).
  2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (hạ nhiệt độ từ $79,05^\circ\text{C}$ xuống $45^\circ\text{C}$).
  3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy tháp (reboiler kiểu trao đổi nhiệt gián tiếp).
  4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (hạ nhiệt độ từ $99,93^\circ\text{C}$ xuống $45^\circ\text{C}$).
  5. Thiết bị gia nhiệt dung dịch nhập liệu (nâng nhiệt từ $25^\circ\text{C}$ lên $94,30^\circ\text{C}$).
  6. Tính toán cột áp, thể tích bồn cao vị và công suất bơm vận chuyển hỗn hợp đầu.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống chưng cất tháp đệm được thiết kế đồng bộ từ sơ đồ công nghệ đến chi tiết chế tạo cơ khí:

       [Bồn chứa sản phẩm đỉnh]                  [Bồn chứa sản phẩm đáy]

Thông số kỹ thuật và cấu tạo thiết bị chính:

  • Thân tháp: Thiết bị hình trụ đứng chế tạo bằng vật liệu thép chuyên dụng trong công nghiệp hóa chất, gồm các đoạn nối với nhau bằng liên kết mặt bích liền để thuận tiện cho việc bốc dỡ và thay thế đệm.
  • Vật đệm: Vòng Raschig bằng sứ xếp lộn xộn, có diện tích bề mặt riêng lớn, độ rỗng cao, bền hóa học trong môi trường hỗn hợp rượu - nước.
  • Cơ cấu phân phối và đỡ đệm:
    • Đĩa phân phối loại 1: Bố trí phía trên lớp đệm nhằm tưới đều chất lỏng hồi lưu và dòng nhập liệu lên toàn bộ tiết diện đệm, hạn chế tối đa hiệu ứng chảy dồn thành tháp.
    • Lưới đỡ đệm loại 1 và dầm đỡ: Đặt tại đáy mỗi tầng đệm, đảm bảo độ bền chịu tải trọng toàn bộ khối lượng đệm và chất lỏng giữ lại mà không cản trở dòng hơi đi lên.
  • Đáy và nắp: Dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ, được tính toán bề dày chống chịu áp suất làm việc và ứng suất tập trung.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật cốt lõi của đồ án

Hạng mục thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tính toán
Năng suất nhập liệu $G_F$ / $F$ $\text{kg/h}$ / $\text{kmol/h}$ $2100$ / $111,70$
Nồng độ nhập liệu (khối lượng / mol) $\bar{x}_F$ / $x_F$ $%$ / phần mol $7,00$ / $0,0286$
Năng suất sản phẩm đỉnh $G_D$ / $D$ $\text{kg/h}$ / $\text{kmol/h}$ $152,98$ / $4,515$
Nồng độ sản phẩm đỉnh (khối lượng / mol) $\bar{x}_D$ / $x_D$ $%$ / phần mol $77,00$ / $0,5670$
Năng suất sản phẩm đáy $G_W$ / $W$ $\text{kg/h}$ / $\text{kmol/h}$ $1947,02$ / $107,19$
Nồng độ sản phẩm đáy (khối lượng / mol) $\bar{x}_W$ / $x_W$ $%$ / phần mol $1,50$ / $0,0059$
Chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{min}$ - $1,327$
Số mâm lý thuyết tổng cộng $N_{lt}$ mâm $6$ (3 cất, 3 chưng)
Vị trí mâm nhập liệu lý thuyết - mâm Mâm số 3
Hiệu suất trung bình của tháp $\eta_{tb}$ $%$ $43,45$
Số mâm thực tế quy đổi $N_{tt}$ mâm $14$ (7 cất, 7 chưng)
Vị trí mâm nhập liệu thực tế - mâm Mâm số 7
Nhiệt lượng do hơi sản phẩm đáy mang vào $Q_h$ $\text{kJ/h}$ $737.333,397$
Nhiệt lượng do dòng đáy mang ra $Q'_W$ $\text{kJ/h}$ $937.874,340$
Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp tại nồi đun $Q_{D2}$ $\text{kJ/h}$ $803.150,523$
Lượng hơi đốt tiêu thụ tại đáy tháp $D_2$ $\text{kg/h}$ $382,88$
Áp suất hơi đốt bão hòa sử dụng $p_h$ $\text{at}$ $2,0$ ($\theta_2 = 119,62^\circ\text{C}$)

Đóng góp của đồ án

  • Thiết lập một chu trình tính toán công nghệ hoàn chỉnh và tường minh cho hệ tháp đệm phân tách Ethanol – Nước năng suất $2100 \text{ kg/h}$, liên kết chặt chẽ từ số liệu cân bằng pha nhiệt động, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng đến kết cấu cơ khí chi tiết.
  • Cung cấp cơ sở kích thước định lượng cụ thể cho việc gia công thân tháp, đáy nắp, mặt bích, hệ thống lưới đỡ và đĩa phân phối chất lỏng theo các quy chuẩn chế tạo thiết bị áp lực và truyền khối.
  • Đưa ra giải pháp tính toán đồng bộ cho toàn bộ cụm thiết bị phụ trợ (5 bộ trao đổi nhiệt chuyên biệt cùng hệ thống bồn cao vị và bơm), đảm bảo tính khả thi trong vận hành thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Giả thiết tính toán gần đúng: Đồ án áp dụng mức tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh cố định $Q_{xq} = 5%$ tổng nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp; trong điều kiện vận hành công nghiệp, con số này thay đổi theo điều kiện bảo ôn thực tế và nhiệt độ môi trường ngoài trời.
  • Mô hình hỗn hợp hai cấu tử lý tưởng hóa: Nghiên cứu xét hệ nhị phân Ethanol – Nước nguyên chất, chưa tính đến ảnh hưởng của các cấu tử phụ, tạp chất este, aldehyde hoặc dầu khét (fusel oil) thường xuất hiện trong dịch lên men thực tế.
  • Phạm vi tính toán thủy lực đệm: Cần tiếp tục mở rộng khảo nghiệm thực nghiệm hoặc mô phỏng số (CFD) đối với hiện tượng ngập lụt (flooding), tải lượng lỏng tối thiểu làm ướt đệm và hiện tượng phân bố dòng chảy không đều dọc theo chiều cao đệm khi vận hành thay đổi công suất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Môi trường: Làm tài liệu mẫu phục vụ học phần Đồ án Quá trình và Thiết bị (Máy và Thiết bị Hóa chất), nắm vững trình tự các bước tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho tháp truyền khối.
  • Kỹ sư thiết kế quá trình và công nghệ: Sử dụng làm tài liệu tra cứu nhanh các công thức nhiệt động, bảng số liệu cân bằng pha lỏng - hơi của hệ Ethanol - Nước, các bước tính toán hệ số truyền nhiệt cho nồi đun đáy, bình ngưng tụ và thiết bị làm nguội ống chùm.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp xác định hiệu suất mâm thực tế từ tương quan $(\alpha \cdot \mu)$ tại 3 tiết diện tháp và các bảng biểu chi tiết về cân bằng nhiệt lượng, kích thước cơ khí mặt bích, lưới đỡ đệm Raschig.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng suất sản phẩm đỉnh và đáy thu được từ dòng nhập liệu 2100 kg/h là bao nhiêu?
Từ phương trình cân bằng vật chất với nồng độ nhập liệu $\bar{x}_F = 7%$, sản phẩm đỉnh $\bar{x}_D = 77%$ và sản phẩm đáy $\bar{x}_W = 1,5%$ khối lượng, lượng sản phẩm đỉnh thu được là $G_D = 152,98 \text{ kg/h}$ ($D = 4,515 \text{ kmol/h}$) và lượng sản phẩm đáy là $G_W = 1947,02 \text{ kg/h}$ ($W = 107,19 \text{ kmol/h}$).

2. Chỉ số hồi lưu tối thiểu và số mâm làm việc thực tế của tháp được xác định như thế nào?
Chỉ số hồi lưu tối thiểu của hệ thống là $R_{min} = 1,327$ (tính từ $x_F = 0,0286$ và nồng độ hơi cân bằng $y_F^* = 0,26$). Đồ thị McCabe-Thiele cho số mâm lý thuyết $N_{lt} = 6$ mâm. Với hiệu suất trung bình toàn tháp $\eta_{tb} = 43,45%$, số mâm thực tế quy đổi là $N_{tt} = 14$ mâm (7 mâm đoạn cất, 7 mâm đoạn chưng, nhập liệu tại mâm số 7).

3. Nhiệt độ làm việc tại các vùng chính của tháp chưng cất là bao nhiêu?
Nhiệt độ dòng nhập liệu ở trạng thái sôi tại mâm tiếp liệu là $t_F = 94,30^\circ\text{C}$; nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp là $t_D = 79,05^\circ\text{C}$; nhiệt độ dung dịch tại đáy tháp là $t_W = 99,93^\circ\text{C}$. Hơi đốt cung cấp tại đáy tháp là hơi nước bão hòa ở áp suất $2 \text{ at}$ với nhiệt độ $\theta_2 = 119,62^\circ\text{C}$.

4. Lượng hơi đốt tiêu tốn tại nồi đun đáy tháp là bao nhiêu?
Cân bằng nhiệt lượng tại nồi đun đáy tháp xác định tổng lượng nhiệt do hơi đốt cung cấp là $Q_{D2} = 803.150,523 \text{ kJ/h}$, tương ứng với lượng hơi nước bão hòa $2 \text{ at}$ cần tiêu thụ là $D_2 = 382,88 \text{ kg/h}$.

5. Vì sao tác giả lựa chọn tháp đệm vòng Raschig bằng sứ thay vì tháp mâm chóp?
Tháp đệm Raschig có cấu tạo cơ khí đơn giản, trở lực dòng khí thấp hơn nhiều so với tháp mâm chóp, ít tiêu hao kim loại chế tạo, chống ăn mòn hóa học tốt và hoạt động rất ổn định ở quy mô năng suất $2100 \text{ kg/h}$, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành.

Kết luận

Đồ án môn học của nhóm sinh viên Âu Thiên Đẩu và Dương Minh Trí (GVHD: ThS. Hồ Tấn Thành, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM) đã hoàn thành xuất sắc việc tính toán thiết kế kỹ thuật hệ thống tháp đệm chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước với năng suất $2100 \text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số từ cân bằng vật chất ($G_D = 152,98 \text{ kg/h}$, $G_W = 1947,02 \text{ kg/h}$), cân bằng năng lượng ($D_2 = 382,88 \text{ kg/h}$ hơi đốt), số mâm thực tế ($N_{tt} = 14$ mâm) đến kích thước kết cấu cơ khí tháp và 5 cụm thiết bị phụ trợ đều được giải quyết logic, chính xác theo đúng các tiêu chuẩn ngành kỹ thuật hóa chất. Đây là công trình đồ án môn học chuẩn mực, cung cấp đầy đủ luận cứ kỹ thuật và có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất.