Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong công nghiệp hóa chất, methanol là một hợp chất hữu cơ quan trọng được ứng dụng rộng rãi làm dung môi, chất chống đông, nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào cho quá trình sản xuất formaldehyde phục vụ ngành công nghiệp chất dẻo, sơn và nhựa. Quá trình tổng hợp methanol thường tạo ra hỗn hợp lẫn nước và các tạp chất, đòi hỏi phải qua công đoạn phân tách và tinh chế để đạt độ tinh khiết cao theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
Đề tài "Tính toán và thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước" được thực hiện tại Bộ môn Quá trình - Thiết bị, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán thiết kế công nghệ và cơ khí cho một hệ thống chưng cất liên tục hoàn chỉnh. Các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được xác lập theo đề bài gồm:
- Thiết kế tháp chưng cất mâm chóp hoạt động liên tục ở áp suất khí quyển ($1\text{ atm}$) với năng suất dòng nhập liệu đạt $1500\text{ kg/h}$, nồng độ methanol trong nguyên liệu là $30%$ khối lượng.
- Tách và thu hồi dòng sản phẩm đỉnh có nồng độ methanol đạt $98%$ khối lượng và dòng sản phẩm đáy có nồng độ methanol không vượt quá $1%$ khối lượng.
- Thực hiện cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn hệ thống bao gồm tháp chưng cất và các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ.
- Tính toán kích thước hình học, kết cấu mâm chóp, kiểm tra các điều kiện thủy động lực học mâm và xác định tổng trở lực của tháp.
- Tính toán thiết kế cơ khí cho thân tháp, đáy, nắp, ống dẫn, mối ghép bích, tai treo, chân đỡ và xác định khối lượng làm việc của tháp.
- Lựa chọn và tính toán các thiết bị phụ trong dây chuyền: thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, nồi đun đáy tháp dạng Kettle, bồn cao vị và bơm ly tâm.
Đối tượng nghiên cứu là hỗn hợp hai cấu tử methanol – nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các tính toán kỹ thuật quá trình - thiết bị truyền khối và cơ khí thiết bị hóa chất, thực hiện vào tháng 12 năm 2021.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về cơ sở lý thuyết, quá trình phân tách dựa trên nguyên lý chưng cất hỗn hợp hai cấu tử có độ bay hơi khác nhau ở cùng nhiệt độ và áp suất bão hòa. Methanol nguyên chất có nhiệt độ sôi ở $1\text{ atm}$ là $64,5^\circ\text{C}$, nước có nhiệt độ sôi là $100^\circ\text{C}$. Dữ liệu cân bằng pha lỏng – hơi ($T - x - y$) cho thấy hệ methanol – nước tại áp suất khí quyển có đường cân bằng dạng cong lồi liên tục, không xuất hiện điểm đẳng phí. Do khoảng nhiệt độ sôi dao động từ $64,5^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$ không quá cao, hệ thống được lựa chọn vận hành ở áp suất thường ($1\text{ atm}$) theo phương thức chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng nồi đun Kettle.
Phương pháp nghiên cứu thực tế là phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật công nghệ hóa chất, bao gồm:
- Phương pháp cân bằng vật chất tổng thể và từng cấu tử để xác định suất lượng dòng sản phẩm và tỉ suất thu hồi.
- Phương pháp giải tích kết hợp đồ thị McCabe-Thiele trên giản đồ cân bằng pha $x - y$ để xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu ($R_{\min}$), chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_x$), phương trình đường làm việc đoạn cất, đoạn chưng và số đĩa lý thuyết ($N_{\text{lt}}$).
- Phương pháp tính toán hiệu suất đĩa trung bình ($\eta_{\text{tb}}$) theo độ nhớt và độ bay hơi tương đối để quy đổi ra số đĩa thực tế ($N_{\text{tt}}$).
- Phương pháp cân bằng nhiệt lượng xác định tiêu hao tác nhân nhiệt (hơi nước bão hòa $3\text{ at}$, nước làm mát $25^\circ\text{C}$).
- Phương pháp tính toán thủy động lực học tháp mâm chóp (độ mở chóp, chiều cao mức lỏng, gradient thủy lực, độ ngập lụt, trở lực đĩa).
- Phương pháp tính toán độ bền cơ khí thiết bị hóa chất chịu áp suất theo tiêu chuẩn Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (tập 1, 2, 3).
Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm các bảng tra cứu tính chất nhiệt động học, vật lý của hỗn hợp methanol – nước, hệ số trở lực, thông số vật liệu chế tạo (thép không gỉ X18H10T, thép carbon CT3) và các quy chuẩn chi tiết cơ khí trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành quá trình - thiết bị.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo quy trình công nghệ khép kín. Nguyên liệu từ bồn chứa được bơm ly tâm đưa lên bồn cao vị nhằm ổn định áp lực và lưu lượng, sau đó qua lưu lượng kế và đi vào thiết bị gia nhiệt ống chùm để nâng nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $82,06^\circ\text{C}$ trước khi nạp vào tháp tại mâm nhập liệu.
Tháp chưng cất sử dụng kết cấu mâm chóp tròn. Pha hơi đi từ dưới lên qua các ống hơi và rãnh chóp, sục vào lớp chất lỏng chảy ngang trên mâm để trao đổi nhiệt và truyền khối. Hơi ra khỏi đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ ống chùm (ngưng tụ hoàn toàn bằng nước làm mát), một phần lỏng ngưng được đưa hồi lưu về đỉnh tháp, phần còn lại qua thiết bị làm nguội ống chùm hạ nhiệt độ xuống $40^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa sản phẩm đỉnh. Ở đáy tháp, dòng lỏng chảy vào nồi đun Kettle gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa $3\text{ at}$ ($132,7^\circ\text{C}$) để bốc hơi cấp nhiệt cho tháp; dòng sản phẩm đáy còn lại được xả vào bồn chứa và làm nguội tự nhiên trước khi đưa qua hệ thống xử lý môi trường.
Toàn bộ các điều kiện làm việc thủy lực của mâm chóp (ngập lụt, độ mở chóp, va đập dòng chảy) và độ bền cơ khí của thân, đáy, nắp, mối ghép bích đều được kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật.
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 cơ chế truyền khối giữa chưng cất và cô đặc, phân loại các phương pháp chưng cất theo áp suất, nguyên lý làm việc và phương thức cấp nhiệt. Tác giả phân tích đặc tính cấu tạo của các loại thiết bị tiếp xúc pha (tháp mâm chóp, tháp mâm xuyên lỗ, tháp chêm) và chỉ rõ lý do chọn tháp mâm chóp cho hệ methanol – nước nhằm đảm bảo độ tinh khiết sản phẩm cao và chế độ làm việc ổn định. Chương này cũng tổng hợp các thông số hóa lý của methanol nguyên chất ($M = 32,04\text{ g/mol}$, $\rho = 0,7918\text{ g/cm}^3$, $T_{\text{sôi}} = 64,5^\circ\text{C}$), nước ($M = 18\text{ g/mol}$, $\rho = 997,08\text{ kg/m}^3$, $T_{\text{sôi}} = 100^\circ\text{C}$) và bảng số liệu cân bằng lỏng – hơi kèm giản đồ $T-x-y$, $x-y$ của hệ ở $1\text{ atm}$.
Chương 2: Quy trình công nghệ
Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ sản xuất và lựa chọn các thiết bị chính phụ trong dây chuyền. Tác giả trình bày thuyết minh nguyên lý vận hành của dòng công nghệ, từ khâu cấp liệu qua bồn cao vị, gia nhiệt sơ bộ đến trạng thái lỏng sôi, cơ chế phân tách ngược dòng pha hơi - lỏng trong hai đoạn cất và chưng của tháp, cơ chế hồi lưu đỉnh, cơ chế cấp nhiệt đáy qua nồi đun Kettle và hệ thống bẫy hơi xả nước ngưng.
Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng
Chương 3 giải quyết toàn bộ bài toán cân bằng khối lượng và cân bằng nhiệt lượng cho hệ thống.
| Đại lượng / Thông số tính toán |
Dòng nhập liệu ($F$) |
Dòng sản phẩm đỉnh ($D$) |
Dòng sản phẩm đáy ($W$) |
| Nồng độ phần khối lượng methanol ($\bar{x}$) |
$30%$ |
$98%$ |
$1%$ |
| Nồng độ phần mol methanol ($x$) |
$0,194$ |
$0,965$ |
$0,006$ |
| Khối lượng phân tử trung bình ($M$, $\text{kg/kmol}$) |
$20,72$ |
$31,51$ |
$18,08$ |
| Suất lượng khối lượng ($\text{kg/h}$) |
$1500$ |
$447,17$ |
$1052,26$ |
| Suất lượng mol ($\text{kmol/h}$) |
$72,39$ |
$14,19$ |
$58,20$ |
| Nhiệt độ sôi ($T_{\text{sôi}}$, $^\circ\text{C}$) |
$82,06$ |
$65,03$ |
$99,08$ |
| Độ bay hơi tương đối ($\alpha$) |
$5,485$ |
$2,382$ |
$5,477$ |
Các kết quả cân bằng công nghệ chính gồm:
- Tỉ suất thu hồi methanol đạt $\eta = 97,5%$.
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{\min} = 1,056$; chỉ số hồi lưu thích hợp chọn $R_x = 1,3 R_{\min} + 0,3 = 1,673$.
- Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = 0,626x + 0,361$; đoạn chưng: $y = 2,534x - 0,009$ (với tỉ số nhập liệu $f = 5,101$).
- Số mâm lý thuyết xác định qua đồ thị $N_{\text{lt}} = 8$ mâm ($5$ mâm cất, $3$ mâm chưng). Hiệu suất trung bình toàn tháp $\eta_{\text{tb}} = 46,17%$ ($\eta_{\text{cất}} = 47,25%$, $\eta_{\text{chưng}} = 43,25%$), quy ra số mâm thực tế $N_{\text{tt}} = 17$ mâm (đoạn cất $10$ mâm, đoạn chưng $7$ mâm, vị trí nhập liệu tại mâm thứ $11$ từ trên xuống).
- Cân bằng năng lượng: Lượng hơi nước bão hòa $3\text{ at}$ ($132,7^\circ\text{C}$, $r = 2171,29\text{ kJ/kg}$) cấp cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu là $D_1 = 159,25\text{ kg/h}$ ($Q_F = 467,386,27\text{ kJ/h}$, $Q_f = 138,887,25\text{ kJ/h}$). Lượng hơi nước bão hòa cấp cho nồi đun đáy tháp là $D_2 = 26,15\text{ kg/h}$. Nhiệt lượng ngưng tụ đỉnh $Q_{\text{ng}} = 1,261,374,78\text{ kJ/h}$; nhiệt lượng làm nguội sản phẩm đỉnh xuống $40^\circ\text{C}$ là $Q_D = 30,841,39\text{ kJ/h}$.
Chương 4: Tính toán thiết bị chính
Chương 4 thực hiện tính toán đường kính, chiều cao, kết cấu bên trong và thủy động lực học của tháp chưng cất:
- Đường kính tháp: Đoạn cất tính toán đạt $D_{\text{cất}} = 0,677\text{ m}$; đoạn chưng đạt $D_{\text{chưng}} = 0,604\text{ m}$. Quy chuẩn chọn đường kính chung cho toàn tháp là $D_t = 0,70\text{ m}$ ($700\text{ mm}$).
- Chiều cao tháp: Với khoảng cách mâm $H_{\text{đ}} = 0,3\text{ m}$, bề dày mâm $\delta = 3\text{ mm}$, khoảng cách đỉnh và đáy $1,0\text{ m}$, chiều cao thân tháp là $H = 6,151\text{ m}$. Đáy và nắp elip có gờ cao $0,2\text{ m}$ mỗi bên, tổng chiều cao tháp quy chuẩn là $H_{\text{tháp}} \approx 7\text{ m}$.
- Cấu tạo mâm chóp: Mỗi mâm bố trí $n = 19$ chóp tròn theo lưới lục giác. Đường kính ống hơi $d_h = 50\text{ mm}$, đường kính chóp $d_{\text{ch}} = 73,6\text{ mm}$, bề dày chóp $\delta_{\text{ch}} = 2\text{ mm}$, chiều cao khe chóp $b = 15\text{ mm}$, chiều rộng khe $a = 6\text{ mm}$, số khe $i = 26$ khe/chóp, bước chóp $t_{\min} = 113\text{ mm}$.
- Ống chảy chuyền và gờ tràn: Sử dụng $z = 2$ ống chảy chuyền tròn đường kính $d_c = 50\text{ mm}$, chiều cao gờ tràn $h_w = 45\text{ mm}$, chiều dài gờ tràn $L_w = 0,51\text{ m}$. Mỗi mâm bố trí 5 lỗ tháo lỏng đường kính $6\text{ mm}$.
- Kiểm tra thủy lực: Độ mở khe chóp đạt $h_S = 15,80\text{ mm}$ ($h_S/h_{so} = 1,05$, đảm bảo khe mở hoàn toàn); chiều cao lỏng trên gờ $h_{ow} = 5,24\text{ mm}$; gradient thủy lực $\Delta = 0,9\text{ mm}$; chiều cao chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền $h_d = 98,16\text{ mm} \le 150\text{ mm}$ ($H_{\text{đ}}/2$, chống ngập lụt); khoảng cách rơi tự do $d_{tw} = 38,55\text{ mm} < 66\text{ mm}$ ($0,6 B_w$, không va đập thành).
- Trở lực tháp: Trở lực một mâm đoạn cất là $360,96\text{ N/m}^2$, đoạn chưng là $361,79\text{ N/m}^2$. Tổng trở lực toàn tháp là $\Delta P = 6142,13\text{ N/m}^2$.
Chương 5: Tính toán cơ khí
Chương 5 xác định độ bền và quy chuẩn kích thước các bộ phận cơ khí:
- Vật liệu chế tạo: Thân tháp, đáy, nắp, mâm, chóp làm bằng thép không gỉ X18H10T ($\sigma_k = 550\text{ MPa}$, $\sigma_{ch} = 220\text{ MPa}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 132\text{ MPa}$, khối lượng riêng $\rho = 7900\text{ kg/m}^3$).
- Chiều dày thiết bị: Áp suất tính toán tại đáy tháp $P = 0,166\text{ MPa}$. Bề dày tính toán thân tháp là $1,64\text{ mm}$, bề dày đáy và nắp elip có gờ là $3,636\text{ mm}$. Quy chuẩn chọn bề dày thân, đáy và nắp đều là $S = 5\text{ mm}$ (sau khi kiểm tra ứng suất thử thủy lực $P_0 = 0,311\text{ MPa}$ đều thỏa mãn).
- Đường kính ống dẫn: Ống nhập liệu $D_y = 40\text{ mm}$ ($l = 100\text{ mm}$); ống sản phẩm đáy $D_y = 40\text{ mm}$ ($l = 100\text{ mm}$); ống lỏng hồi lưu $D_y = 40\text{ mm}$ ($l = 100\text{ mm}$); ống hơi đỉnh $D_y = 70\text{ mm}$ ($l = 110\text{ mm}$); ống hơi đáy tháp $D_y = 150\text{ mm}$ ($l = 130\text{ mm}$).
- Mối ghép bích: Thân tháp chia thành các đoạn cao $1200\text{ mm}$ (mỗi đoạn chứa 4 mâm), liên kết bằng 8 mặt bích liền không cổ bằng thép CT3 ($D = 830\text{ mm}$, $D_b = 780\text{ mm}$, $24$ bulông M20), đệm amiang phẳng dày $3\text{ mm}$.
- Tải trọng và kết cấu đỡ: Tổng khối lượng làm việc của tháp khi ngập đầy nước là $m = 3272,61\text{ kg}$ (thân $321,96\text{ kg}$, đáy nắp $46,61\text{ kg}$, mâm $155,05\text{ kg}$, chóp $112,01\text{ kg}$, ống hơi $50,02\text{ kg}$, ống chảy chuyền $3,95\text{ kg}$, bích $215,83\text{ kg}$, chất lỏng $2367,18\text{ kg}$). Hệ thống sử dụng 4 tai treo và 4 chân đỡ bằng thép CT3 với tải trọng cho phép $5000\text{ N}$/chi tiết.
Chương 6: Tính toán thiết bị phụ
Chương 6 trình bày các tính toán cho hệ thống phụ trợ theo danh mục thiết kế: thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh dạng ống chùm, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh dạng ống chùm, nồi đun Kettle đáy tháp, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, tính toán trở lực tổn thất đường ống ma sát và cục bộ, tính toán chiều cao cột áp bồn cao vị và chọn bơm ly tâm.
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước với các kết quả cụ thể:
| Hạng mục thiết kế |
Giá trị tính toán / Quy chuẩn |
| Năng suất nhập liệu / Sản phẩm đỉnh / Sản phẩm đáy |
$1500\text{ kg/h}$ / $447,17\text{ kg/h}$ / $1052,26\text{ kg/h}$ |
| Nồng độ sản phẩm đỉnh / Đáy |
$98%$ khối lượng / $1%$ khối lượng methanol |
| Tỉ suất thu hồi methanol |
$97,5%$ |
| Chỉ số hồi lưu thích hợp ($R_x$) |
$1,673$ ($R_{\min} = 1,056$) |
| Số mâm thực tế ($N_{\text{tt}}$) |
$17$ mâm (đoạn cất $10$ mâm, đoạn chưng $7$ mâm) |
| Đường kính tháp ($D_t$) |
$0,70\text{ m}$ ($700\text{ mm}$) |
| Chiều cao toàn tháp ($H_{\text{tháp}}$) |
$7,0\text{ m}$ |
| Kết cấu mâm |
$19$ chóp tròn $\phi 73,6\text{ mm}$, $2$ ống chảy chuyền $\phi 50\text{ mm}$ |
| Tổng trở lực tháp ($\Delta P$) |
$6142,13\text{ N/m}^2$ |
| Bề dày thân, đáy, nắp tháp |
$5\text{ mm}$ (vật liệu thép không gỉ X18H10T) |
| Tiêu hao hơi đốt gia nhiệt nhập liệu / Đáy tháp |
$159,25\text{ kg/h}$ / $26,15\text{ kg/h}$ (hơi bão hòa $3\text{ at}$) |
| Tổng khối lượng làm việc của tháp |
$3272,61\text{ kg}$ |
Về mặt giải pháp công nghệ, tác giả đề xuất việc lắp đặt bồn cao vị có ống chảy tràn kết hợp bơm ly tâm để ổn định lưu lượng nhập liệu, chia thân tháp thành các module $1,2\text{ m}$ nối bích thuận tiện cho lắp đặt, bảo trì mâm chóp, và xử lý dòng thải đáy chứa $1%$ methanol trước khi xả thải. Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng quy trình tính toán hệ thống, kết nối logic giữa cân bằng nhiệt - chất, thủy động lực học và độ bền cơ khí.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Theo phạm vi thực hiện của đồ án, một số điểm hạn chế và hướng phát triển gồm:
- Các tính toán truyền khối và thủy động học mâm được tiến hành dựa trên các công thức bán thực nghiệm và giản đồ tra cứu lý thuyết, chưa có điều kiện kiểm chứng đối chứng trên mô hình thực nghiệm pilot hoặc mô phỏng động học quá trình bằng phần mềm chuyên dụng (như Aspen Plus, ChemCAD).
- Tính toán khối lượng tháp đang giả định ở trường hợp cực hạn (ngập lụt $100%$ nước) để chọn chân đỡ và tai treo, chưa tối ưu hóa động học tải trọng rung lắc trong điều kiện vận hành thực tế ngoài trời.
- Hướng mở rộng tiếp theo là tối ưu hóa mạng lưới trao đổi nhiệt (sử dụng nhiệt của dòng sản phẩm đáy để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu nhằm tiết kiệm hơi đốt) và tự động hóa điều khiển nhiệt độ, mức lỏng trong tháp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học - Thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học Quá trình - Thiết bị hoặc khóa luận tốt nghiệp về chuyên đề truyền khối.
Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao bao gồm:
- Trình tự thiết lập phương trình làm việc và xác định số bậc thay đổi nồng độ trên giản đồ McCabe-Thiele cho hệ hai cấu tử không đẳng phí.
- Phương pháp kiểm tra thủy động lực học mâm chóp (độ mở chóp, chiều cao lớp lỏng không bọt trong ống chảy chuyền, gradient mức lỏng).
- Quy trình tính toán cơ khí thiết bị vỏ mỏng chịu áp suất trong và bảng tra cứu quy chuẩn bích, đệm, ống dẫn theo tiêu chuẩn kỹ thuật hóa chất.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ methanol – nước trong đồ án được chọn chưng cất ở áp suất khí quyển mà không dùng chưng cất chân không hay chưng cất đẳng phí?
Ở áp suất $1\text{ atm}$, nhiệt độ sôi của methanol nguyên chất là $64,5^\circ\text{C}$ và nước là $100^\circ\text{C}$, khoảng nhiệt độ sôi của hỗn hợp dao động từ $64,5^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$ (không quá cao dẫn đến phân hủy nhiệt) và hệ không tạo điểm đẳng phí tại bất kỳ dải nồng độ nào. Do đó, chưng cất ở áp suất thường ($1\text{ atm}$) là phương án kinh tế và đơn giản nhất về mặt cơ khí vận hành.
2. Tỉ số hồi lưu làm việc của tháp được xác định như thế nào?
Dựa vào thành phần cân bằng $y_F^* = 0,569$ ứng với $x_F = 0,194$, tác giả tính được chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{\min} = \frac{x_D - y_F^}{y_F^ - x_F} = \frac{0,965 - 0,569}{0,569 - 0,194} = 1,056$. Chỉ số hồi lưu thích hợp được chọn theo công thức kinh nghiệm $R_x = 1,3 R_{\min} + 0,3 = 1,3 \times 1,056 + 0,3 = 1,673$.
3. Tại sao tháp có đường kính tính toán đoạn cất ($0,677\text{ m}$) và đoạn chưng ($0,604\text{ m}$) khác nhau nhưng lại chọn chung đường kính $0,70\text{ m}$?
Lưu lượng pha hơi và pha lỏng ở đoạn cất và đoạn chưng khác nhau dẫn đến đường kính tính toán có sự chênh lệch. Tuy nhiên, mức chênh lệch giữa $0,677\text{ m}$ và $0,604\text{ m}$ không lớn, nên việc quy chuẩn về một đường kính duy nhất $D_t = 0,70\text{ m}$ cho toàn tháp giúp đơn giản hóa việc chế tạo thân hình trụ, đồng bộ hóa đường kính mâm và giảm chi phí gia công cơ khí.
4. Dựa vào tiêu chí nào để khẳng định tháp mâm chóp thiết kế không bị hiện tượng ngập lụt?
Tác giả kiểm tra chiều cao mực chất lỏng không bọt trong ống chảy chuyền đạt $h_d = 98,16\text{ mm}$. Giá trị này nhỏ hơn một nửa khoảng cách giữa các mâm ($H_{\text{đ}}/2 = 300/2 = 150\text{ mm}$), thỏa mãn điều kiện an toàn thủy lực chống dâng tràn lỏng lên mâm trên.
5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo tháp và chiều dày quy chuẩn là bao nhiêu?
Thân tháp, nắp, đáy, mâm và chóp được chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T để chống ăn mòn hóa học. Dù bề dày tính toán chịu áp suất trong $P = 0,166\text{ MPa}$ chỉ từ $1,64\text{ mm}$ (thân) đến $3,636\text{ mm}$ (nắp/đáy), tác giả đã quy chuẩn chọn bề dày danh nghĩa là $5\text{ mm}$ để đảm bảo độ cứng vững khi gia công, vận chuyển và dự phòng ăn mòn trong thời gian làm việc $15 - 20$ năm.
Kết luận
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho tháp chưng cất mâm chóp hệ methanol – nước đạt năng suất $1500\text{ kg/h}$ với nồng độ sản phẩm đỉnh $98%$ và sản phẩm đáy $1%$. Toàn bộ thông số kích thước ($D_t = 0,7\text{ m}$, $H = 7\text{ m}$, $17$ mâm thực tế), kết cấu chóp, ống chảy chuyền, hệ thống ống dẫn và thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đều được xác lập dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt - chất và tiêu chuẩn cơ khí chính xác. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao, hữu ích cho công tác học tập và thiết kế trong chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học.
