Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm, tổng hợp hữu cơ và công nghệ thực phẩm, các quá trình phân tách và nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm lỏng giữ vai trò trọng yếu trong dây chuyền sản xuất. Hỗn hợp nhị phân Acetone – Acid Acetic là hệ dung dịch hai cấu tử hòa tan lẫn hoàn toàn vào nhau ở mọi tỷ lệ. Do tính chất hòa tan đồng nhất, các kỹ thuật phân tách cơ học thông thường như lắng, lọc hoặc ly tâm không thể ứng dụng; thay vào đó, phương pháp chưng cất dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi bão hòa và độ bay hơi tương đối giữa các cấu tử là giải pháp kỹ thuật bắt buộc để phân tách riêng biệt Acetone và Acid Acetic với độ tinh khiết theo yêu cầu kỹ thuật.

Đề tài "Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone – Acid Acetic" do sinh viên Đỗ Thị Hương và Dương Ngọc Thảo thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 6 năm 2023). Đồ án thuộc môn học Thiết kế máy và thiết bị (mã học phần: PWPD322703).

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế hoàn chỉnh hệ thống tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp suất khí quyển nhằm tách hỗn hợp Acetone – Acid Acetic. Các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được văn bản quy định gồm 7 nội dung chính:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất và hệ hóa chất Acetone – Acid Acetic.
  2. Lựa chọn, xây dựng và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất liên tục.
  3. Tính toán cân bằng vật chất cho toàn tháp và từng dòng lưu chất.
  4. Tính toán cân bằng năng lượng và nhiệt lượng tiêu tốn cho hệ thống truyền nhiệt.
  5. Thiết kế công nghệ thiết bị chính (kích thước tháp, cấu tạo mâm, trở lực thủy lực và kiểm tra điều kiện ngập lụt).
  6. Tính toán độ bền cơ khí thiết bị chính (bề dày thân, nắp, đáy, mối ghép bích, đường kính ống dẫn, chân đỡ và tải trọng tháp).
  7. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, nồi đun đáy, các thiết bị làm nguội, gia nhiệt và bồn cao vị) cùng hệ thống bản vẽ kỹ thuật khổ A1.

Đối tượng nghiên cứu là hệ hỗn hợp hai cấu tử gồm Acetone ($C_3H_6O$) và Acid Acetic ($C_2H_4O_2$), cùng hệ thống thiết bị tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền. Phạm vi không gian và công nghệ của đồ án giới hạn ở quy mô bán công nghiệp làm việc ở áp suất thường ($1\text{ atm}$), năng suất nhập liệu $2000\text{ kg/h}$ hỗn hợp lỏng ban đầu ở nhiệt độ $25^\circ\text{C}$ với nồng độ phần mol Acetone là $35%$. Yêu cầu chất lượng đầu ra là sản phẩm đỉnh đạt nồng độ phần mol tối thiểu $98%$ Acetone, sản phẩm đáy chứa không quá $1%$ mol Acetone (tương ứng $99%$ mol Acid Acetic), và tỷ lệ thu hồi cấu tử Acetone đạt $99%$. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 09/02/2023 đến ngày 07/06/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý truyền khối khuếch tán giữa hai pha lỏng - hơi trong quá trình chưng cất liên tục đối với hệ hai cấu tử không tạo hỗn hợp đẳng phí. Cơ sở dữ liệu nhiệt động học của hệ Acetone – Acid Acetic ở áp suất $1\text{ atm}$ cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ sôi tương đối rõ rệt: Acetone sôi ở $56^\circ\text{C}$ và Acid Acetic sôi ở $118,1^\circ\text{C}$. Tác giả sử dụng bảng số liệu cân bằng pha lỏng ($x$) – hơi ($y$) thực nghiệm và đường cong cân bằng pha để mô tả quan hệ cân bằng nhiệt động học.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật trong đồ án bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập hệ phương trình cân bằng bảo toàn khối lượng toàn phần và cấu tử phân bố qua các mặt cắt công nghệ; áp dụng phương trình cân bằng entanpi và nhiệt lượng riêng của dòng hơi, dòng lỏng hồi lưu, nước làm mát và hơi đốt bão hòa.
  • Phương pháp đồ thị McCabe – Thiele: Dựng đường làm việc phần cất và đường làm việc phần chưng trên giản đồ pha $y - x$ cùng đường cân bằng để xác định số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) của tháp.
  • Phương pháp tính toán thủy động lực học mâm xuyên lỗ: Xác định vận tốc pha hơi giới hạn để tránh hiện tượng lôi cuốn bọt khí; tính toán các thành phần trở lực mâm bao gồm trở lực đĩa khô ($\Delta P_k$), trở lực do sức căng bề mặt ($\Delta P_\sigma$), và trở lực thủy tĩnh của lớp chất lỏng trên mâm ($\Delta P_t$); kiểm tra thủy lực chống ngập lụt dựa trên chiều cao dâng chất lỏng trong ống chảy chuyền ($h_d$).
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Áp dụng các tiêu chuẩn tính toán độ bền thân trụ hàn, đáy và nắp elip tiêu chuẩn chịu áp suất thủy tĩnh và áp suất làm việc theo sổ tay kỹ thuật thiết bị hóa chất, có xét đến hệ số ăn mòn hóa học của Acid Acetic.

Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất từ các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật: "Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất" (Tập 1 và Tập 2) của các tác giả thuộc nhóm ngành Hóa – Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng các giáo trình chuyên khảo về tính toán và thiết kế máy thiết bị hóa chất.

Thiết kế và triển khai hệ thống công nghệ

Quy trình công nghệ chưng cất liên tục hệ Acetone – Acid Acetic được thiết kế khép kín với các cụm thiết bị vận hành liên hoàn:

  • Tuyến nhập liệu: Hỗn hợp nguyên liệu tại bồn chứa có nhiệt độ $25^\circ\text{C}$ và nồng độ $35%$ mol Acetone được bơm chuyển lên bồn cao vị. Từ bồn cao vị, dung dịch tự chảy qua thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, tại đây nguyên liệu được cấp nhiệt bằng hơi nước bão hòa để nâng từ $25^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $82,75^\circ\text{C}$ trước khi đưa vào tháp chưng cất tại vị trí mâm nhập liệu (mâm số 7).
  • Quá trình tiếp xúc pha trong tháp: Tháp chính sử dụng đĩa mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền. Pha hơi giàu cấu tử dễ bay hơi (Acetone) di chuyển từ dưới lên qua các lỗ đĩa, sục bọt và tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng chảy tràn từ trên xuống qua các gờ chảy tràn và ống chảy chuyền. Nhiệt độ giảm dần từ đáy lên đỉnh khiến Acid Acetic ngưng tụ dần vào pha lỏng rơi xuống đáy, trong khi Acetone bay hơi tích tụ dần lên đỉnh.
  • Tuyến đỉnh tháp: Hơi sản phẩm đỉnh ra khỏi tháp ở $56,629^\circ\text{C}$ chứa $98%$ mol Acetone đi vào thiết bị ngưng tụ hoàn toàn. Một phần dòng lỏng ngưng tụ được hồi lưu về đĩa trên cùng của tháp theo tỷ số hồi lưu $R = 0,905$ (được kiểm soát bằng lưu lượng kế); lượng lỏng sản phẩm còn lại được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh để hạ nhiệt độ xuống $30^\circ\text{C}$ trước khi chảy vào bồn chứa sản phẩm đỉnh.
  • Tuyến đáy tháp: Dòng chất lỏng tại đáy tháp có nhiệt độ $116,48^\circ\text{C}$ chứa chủ yếu là Acid Acetic ($99%$ mol) và $1%$ mol Acetone đi vào nồi đun đáy. Tại nồi đun, một phần chất lỏng được hóa hơi cung cấp ngược lại dòng hơi cho đoạn chưng của tháp; phần lỏng sản phẩm đáy còn lại được dẫn qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy hạ nhiệt độ xuống $50^\circ\text{C}$ trước khi đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy.
  • Lựa chọn vật liệu: Do môi trường làm việc chứa Acid Acetic có tính ăn mòn hóa học ở nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo thân tháp, đáy, nắp và các đĩa mâm xuyên lỗ được chọn là thép không gỉ mã X18H10T nhằm đảm bảo tuổi thọ thiết bị 20 năm; các chi tiết mặt bích chịu lực liên kết thân được chọn làm bằng thép carbon CT3 để tối ưu hóa chi phí chế tạo.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất, phân loại các phương pháp chưng cất (chưng cất đơn giản, chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất liên tục và chưng cất chân không). Tác giả so sánh chi tiết ưu nhược điểm giữa ba dạng thiết bị tiếp xúc pha phổ biến trong công nghiệp hóa chất:

Loại thiết bị Ưu điểm Nhược điểm
Tháp chêm Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp. Hiệu suất thấp, hoạt động kém ổn định, kết cấu nặng nề khi năng suất lớn.
Tháp mâm chóp Hiệu suất cao, hoạt động ổn định, làm việc tốt khi lưu lượng thay đổi lớn. Cấu tạo phức tạp, tiêu tốn nhiều vật tư chế tạo, trở lực dòng hơi rất cao.
Tháp mâm xuyên lỗ Kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao, hoạt động khá ổn định. Yêu cầu chế tạo lắp đặt nghiêm ngặt, không làm việc được với chất lỏng bẩn, dải làm việc hẹp hơn mâm chóp.

Từ phân tích trên, tác giả luận giải việc chọn tháp mâm xuyên lỗ là phù hợp với hệ Acetone – Acid Acetic vì đây là dung dịch sạch, hai cấu tử có nhiệt độ sôi cách xa nhau ($56^\circ\text{C}$ và $118,1^\circ\text{C}$), đáp ứng tốt yêu cầu sản phẩm có độ tinh khiết cao ($98%$ mol) với chi phí chế tạo hợp lý. Chương này cũng tổng kết đầy đủ các đặc tính vật lý, hóa học, phương pháp sản xuất công nghiệp của Acetone (phương pháp cumen) và Acid Acetic (carbonyl hóa methanol, oxy hóa n-butane, lên men rượu), kèm bảng số liệu và đồ thị cân bằng pha lỏng - hơi của hệ ở áp suất $1\text{ atm}$.

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH

Nội dung chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ dây chuyền công nghệ chưng cất liên tục với đầy đủ 14 vị trí thiết bị chính và phụ trợ: bồn chứa nguyên liệu, bơm, bồn cao vị, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, tháp chưng cất, thiết bị ngưng tụ đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, nồi đun đáy, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy và các bồn chứa thành phẩm. Tác giả phân tích cụ thể sự biến đổi nồng độ, pha và nhiệt độ tại từng nút công nghệ từ lúc nạp liệu ở $25^\circ\text{C}$ cho đến khi thu sản phẩm đỉnh ở $30^\circ\text{C}$ và thải sản phẩm đáy ở $50^\circ\text{C}$.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Chương 3 thực hiện tính toán chi tiết cân bằng khối lượng và cân bằng mol cho toàn hệ thống:

  • Suất lượng nhập liệu: $G_F = 2000\text{ kg/h}$ ($F = 33,692\text{ kmol/h}$), phân tử lượng trung bình dòng nhập liệu $M_F = 59,361\text{ kg/kmol}$.
  • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $D = 11,810\text{ kmol/h}$ tương ứng $G_D = 686,385\text{ kg/h}$ ($M_D = 58,119\text{ kg/kmol}$).
  • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 21,882\text{ kmol/h}$ tương ứng $G_W = 1313,576\text{ kg/h}$ ($M_W = 60,030\text{ kg/kmol}$).
  • Xác định chỉ số hoàn lưu: Từ nồng độ cân bằng pha hơi ứng với dòng nhập liệu $y_F^* = 0,780$, tính được chỉ số hoàn lưu tối thiểu $R_{min} = 0,465$. Chỉ số hoàn lưu làm việc thích hợp được xác định theo công thức $R = 1,3 R_{min} + 0,3 = 0,905$.
  • Phương trình đường làm việc:
    • Phần cất: $y = 0,475x + 0,514$
    • Phần chưng: $y = 0,507x + 0,493$
  • Số mâm lý thuyết xác định bằng phương pháp đồ thị: $N_{lt} = 8,1$ mâm (gồm 2 mâm phần cất, 5,1 mâm phần chưng và 1 nồi đun; nhập liệu tại mâm số 7).
  • Hiệu suất đĩa trung bình: Tính theo tích số độ bay hơi tương đối và độ nhớt $(\alpha \cdot \mu)$ tại các vị trí mâm: $\eta_F = 39%$ (nhập liệu), $\eta_W = 41%$ (đáy), $\eta_D = 36%$ (đỉnh), suy ra hiệu suất mâm trung bình $\eta_{tb} = 38,67%$.
  • Số mâm thực tế: $N_{tt} = 8,1 / 0,3867 = 20,95$ mâm, quy chuẩn thành 21 mâm thực tế (gồm 6 mâm phần cất, 14 mâm phần chưng và đĩa nhập liệu đặt ở mâm số 7).

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Chương 4 thiết lập hệ thống cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp và các thiết bị trao đổi nhiệt:

  • Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp: $Q_y = 889012,373\text{ kJ/h}$.
  • Nhiệt lượng do dòng lỏng hồi lưu mang vào tháp: $Q_R = 80624,971\text{ kJ/h}$ (với lượng lỏng hồi lưu $G_R = 621,178\text{ kg/h}$).
  • Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp ở nhiệt độ sôi ($82,75^\circ\text{C}$): tính toán dựa trên nhiệt dung riêng các cấu tử.
  • Cân bằng thiết bị ngưng tụ đỉnh: Nhiệt lượng ngưng tụ cần tách $Q_{nt} = 719068,354\text{ kJ/h}$. Nước làm lạnh đi vào ở $25^\circ\text{C}$, đi ra ở $40^\circ\text{C}$ (nhiệt độ trung bình $32,5^\circ\text{C}$, $c_n = 4,178\text{ kJ/kg}\cdot\text{độ}$), tiêu tốn lượng nước làm lạnh là $G_n = 11473,885\text{ kg/h}$.
  • Nguồn cấp nhiệt: Sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $1\text{ at}$ ($\theta = 99,09^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2260,495\text{ kJ/kg}$) để cung cấp nhiệt cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu và nồi đun đáy tháp.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

Chương 5 tính toán toàn bộ các thông số hình học và thủy động học của tháp chính:

  • Đường kính tháp: Xác định lượng hơi trung bình và tốc độ hơi cho phép để tránh lôi cuốn giọt lỏng.
    • Đoạn cất: Lượng hơi trung bình $g_{tb} = 1402,892\text{ kg/h}$, tốc độ làm việc $\omega_C = 0,85 \times \omega_{gh} = 0,828\text{ m/s}$, đường kính tính toán $D_{t,cất} = 0,534\text{ m}$.
    • Đoạn chưng: Lượng hơi trung bình $g'{tb} = 1669,445\text{ kg/h}$, tốc độ làm việc $\omega'{tb} = 0,846\text{ m/s}$, đường kính tính toán $D_{t,chưng} = 0,569\text{ m}$.
    • Đường kính quy chuẩn: Thống nhất chọn đường kính trong của toàn tháp là $D_t = 0,6\text{ m}$ ($600\text{ mm}$).
  • Chiều cao tháp: Với khoảng cách giữa 2 mâm chọn $H_{đĩa} = 0,4\text{ m}$, chiều cao tính toán phần thân tháp là $9,463\text{ m}$; quy chuẩn chọn chiều cao toàn tháp là $H = 9,500\text{ m}$.
  • Cấu tạo mâm xuyên lỗ: Đĩa có ống chảy chuyền; diện tích mâm $S_{mâm} = 0,283\text{ m}^2$; đường kính lỗ đục $d_{lỗ} = 8\text{ mm}$; tổng diện tích lỗ chiếm $10%$ diện tích mâm; diện tích hai bán nguyệt ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm; bố trí lỗ theo hình tam giác đều với bước lỗ $t = 4 d_{lỗ} = 32\text{ mm}$; tổng số lỗ trên một mâm là $n = 450$ lỗ; bề dày mâm chọn $3\text{ mm}$.
  • Trở lực thủy lực của mâm:
    • Phần cất: Trở lực đĩa khô $\Delta P_k = 83,172\text{ N/m}^2$, trở lực sức căng bề mặt $\Delta P_\sigma = 3,141\text{ N/m}^2$, trở lực lớp chất lỏng $\Delta P_t = 164,352\text{ N/m}^2$; tổng trở lực một mâm cất là $250,665\text{ N/m}^2$.
    • Phần chưng: Tổng trở lực một mâm chưng là $336,637\text{ N/m}^2$.
  • Kiểm tra ngập lụt: Chiều cao lớp chất lỏng dâng trong ống chảy chuyền ở phần cất là $h_d = 57,176\text{ mm}$ và ở phần chưng là $h_d = 68,590\text{ mm}$. Cả hai giá trị đều nhỏ hơn nhiều so với giới hạn an toàn ngập lụt (bằng một nửa khoảng cách mâm: $\Delta h / 2 = 200\text{ mm}$), xác nhận tháp vận hành ổn định và không xảy ra hiện tượng ngập lụt.

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP CHƯNG CẤT

Chương 6 giải quyết bài toán độ bền cơ học cho thiết bị chịu áp lực làm việc:

  • Thân tháp: Thân trụ làm việc ở nhiệt độ tính toán cực đại $116,48^\circ\text{C}$, áp suất tính toán gồm áp suất làm việc và áp suất cột chất lỏng. Chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T bằng phương pháp hàn hồ quang điện giáp mối hai phía. Bề dày tính toán tối thiểu cộng hệ số ăn mòn hóa học $C_a = 2\text{ mm}$ (ứng với tốc độ ăn mòn $\le 0,1\text{ mm/năm}$ trong 20 năm) là $S_t = 2,21\text{ mm}$. Quy chuẩn bề dày thân tháp là $S_t = 3\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện bền ứng suất cho phép.
  • Đáy và nắp tháp: Chọn dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ bằng thép X18H10T, bề dày bằng bề dày thân $S = 3\text{ mm}$, chiều sâu phần elip $h_t = 150\text{ mm}$ ($h_t / D_t = 0,25$), chiều cao gờ $h_{gờ} = 25\text{ mm}$, bán kính cong $R_t = 600\text{ mm}$, diện tích bề mặt trong $0,44\text{ m}^2$.
  • Mặt bích liên kết: Chọn loại bích liền nối thân, đáy và nắp kiểu 1 bằng vật liệu thép CT3 nhằm giảm chi phí vật liệu.
  • Kích thước các ống dẫn: Tính toán đường kính danh nghĩa, bề dày và thông số bích, bulông liên kết cho các ống dẫn dòng công nghệ: ống nhập liệu, ống dẫn hơi đỉnh, ống hồi lưu lỏng, ống dẫn hơi đáy và ống tháo lỏng đáy.
  • Chân đỡ và trọng lượng: Tính toán kết cấu chân đỡ tháp bằng thép và tổng hợp trọng lượng toàn tháp khi lắp đặt và vận hành.

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Chương 7 tính toán thiết kế truyền nhiệt cho 5 thiết bị phụ trợ chính và hệ thống thủy lực bồn cao vị:

  • Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát, tính toán bề mặt truyền nhiệt cần thiết và kết cấu thiết bị dạng ống chùm.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Tính hệ số truyền nhiệt và diện tích truyền nhiệt để làm nguội sản phẩm Acetone từ $56,629^\circ\text{C}$ xuống $30^\circ\text{C}$.
  • Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: Xác định hệ số truyền nhiệt khi sôi và diện tích bề mặt truyền nhiệt cấp hơi bốc ngược lại cho tháp.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Xác định hệ số truyền nhiệt và diện tích bề mặt làm nguội Acid Acetic từ $116,48^\circ\text{C}$ xuống $50^\circ\text{C}$.
  • Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Tính toán hệ số truyền nhiệt đun nóng nguyên liệu từ $25^\circ\text{C}$ lên trạng thái lỏng sôi $82,75^\circ\text{C}$.
  • Bồn cao vị và trở lực đường ống: Tính toán tổn thất áp suất ma sát dọc đường và trở lực cục bộ qua các van, cút nối trên đường ống dẫn nguyên liệu và thiết bị trao đổi nhiệt, từ đó xác định chiều cao lắp đặt bồn cao vị và công suất bơm nhập liệu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế công nghệ và cơ khí cho hệ thống chưng cất nhị phân Acetone – Acid Acetic. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật cốt lõi đạt được trong nghiên cứu:

Hạng mục thông số Ký hiệu / Đơn vị Giá trị thiết kế
Năng suất nhập liệu $G_F$ (kg/h) / $F$ (kmol/h) 2000 / 33,692
Nồng độ Acetone nhập liệu $x_F$ (% mol) 35,0
Năng suất sản phẩm đỉnh $G_D$ (kg/h) / $D$ (kmol/h) 686,385 / 11,810
Nồng độ Acetone sản phẩm đỉnh $x_D$ (% mol) 98,0
Năng suất sản phẩm đáy $G_W$ (kg/h) / $W$ (kmol/h) 1313,576 / 21,882
Nồng độ Acetone sản phẩm đáy $x_W$ (% mol) 1,0 (Acid Acetic: 99,0)
Chỉ số hồi lưu làm việc $R$ 0,905 ($R_{min} = 0,465$)
Số mâm lý thuyết / Thực tế $N_{lt}$ / $N_{tt}$ (mâm) 8,1 / 21 (14 chưng, 6 cất, 1 nhập liệu)
Hiệu suất đĩa trung bình $\eta_{tb}$ (%) 38,67
Đường kính trong của tháp $D_t$ (m) 0,600 (chuẩn hóa)
Chiều cao toàn bộ tháp $H$ (m) 9,500 (khoảng cách mâm 0,4 m)
Cấu tạo đĩa mâm xuyên lỗ Lỗ đĩa / Bước lỗ 450 lỗ ($\varnothing 8\text{ mm}$), bước lỗ 32 mm, dày 3 mm
Tổng trở lực một đĩa mâm Cất / Chưng ($\text{N/m}^2$) 250,665 / 336,637
Mực chất lỏng dâng ống chảy chuyền $h_d$ cất / chưng (mm) 57,176 / 68,590 (giới hạn < 200 mm)
Bề dày thân tháp, đáy và nắp $S_t$, $S$ (mm) 3 (Vật liệu: Thép không gỉ X18H10T)
Nhiệt lượng ngưng tụ đỉnh $Q_{nt}$ (kJ/h) 719068,354 (Nước làm mát: 11473,885 kg/h)

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất là kết hợp tối ưu giữa lựa chọn công nghệ và chi phí đầu tư: sử dụng tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền giúp đơn giản hóa kết cấu chế tạo cơ khí, giảm trở lực thủy lực so với mâm chóp nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất tách pha ổn định. Về mặt vật liệu, giải pháp phân tách rõ ràng việc dùng thép chống ăn mòn X18H10T cho các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với môi trường Acid Acetic ở nhiệt độ cao (thân, nắp, đáy, mâm) và sử dụng thép carbon CT3 cho các chi tiết liên kết chịu lực bên ngoài (mặt bích) giúp kiểm soát và tiết kiệm đáng kể chi phí vật tư chế tạo.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng một bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh, logic và có tính hệ thống cao từ phương trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến kích thước hình học, thủy lực tiếp xúc pha, độ bền cơ học và các thiết bị phụ trợ trao đổi nhiệt cho một hệ dung dịch hữu cơ thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật của đề tài xuất phát từ đặc tính nội tại của thiết bị và phạm vi thiết kế:

  • Tháp mâm xuyên lỗ có biên độ vận hành (turn-down ratio) hẹp hơn so với tháp mâm chóp, nhạy cảm với sự dao động lưu lượng pha hơi và chất lỏng, đồng thời đòi hỏi độ chính xác rất cao trong gia công cơ khí và lắp đặt thăng bằng các đĩa mâm.
  • Thiết kế tính toán dựa trên các điều kiện vận hành chuẩn hóa tại áp suất khí quyển $1\text{ atm}$ cố định, chưa khảo sát ảnh hưởng khi áp suất làm việc bị biến thiên trong thực tế.
  • Toàn bộ nội dung đồ án dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và tra cứu bảng số liệu thực nghiệm truyền thống, chưa tích hợp các công cụ mô phỏng quá trình công nghệ chuyên dụng (như Aspen Plus, ChemCAD hoặc Aspen HYSYS) để kiểm chứng động học quá trình và tối ưu hóa đa biến.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Khảo sát mô phỏng số động học quá trình chưng cất hệ Acetone – Acid Acetic trên phần mềm mô phỏng hóa học chuyên dụng nhằm đánh giá độ nhạy của hệ thống khi có sự biến động về lưu lượng và nồng độ dòng nhập liệu.
  • Nghiên cứu tích hợp mạng lưới trao đổi nhiệt (công nghệ Pinch) nhằm tận dụng nguồn nhiệt thải từ dòng sản phẩm đáy ($116,48^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu ban đầu ($25^\circ\text{C}$), từ đó cắt giảm lượng hơi đốt bão hòa tiêu tốn tại thiết bị gia nhiệt và tiết kiệm năng lượng cho toàn nhà máy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Môi trường khi thực hiện đồ án môn học "Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học", "Thiết kế Máy và Thiết bị", hoặc làm khóa luận tốt nghiệp về chuyên đề phân tách hệ lỏng.
  • Kỹ sư thiết kế, cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy hóa chất cần tài liệu mẫu về các bước tính toán công nghệ tháp mâm xuyên lỗ và thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm: phương pháp xây dựng phương trình làm việc và xác định số mâm lý thuyết - thực tế qua tích số $(\alpha \cdot \mu)$; quy trình tính toán thủy động lực học mâm xuyên lỗ và kiểm tra điều kiện ngập lụt tại Chương 5; cùng các bước kiểm tra bền cơ học thân trụ và đáy elip có tính đến hệ số ăn mòn hóa học tại Chương 6.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp chêm hay tháp mâm chóp?
Dựa trên phân tích so sánh tại Bảng 1 của đồ án, hệ Acetone – Acid Acetic là hỗn hợp lỏng đồng nhất sạch, hai cấu tử có nhiệt độ sôi cách xa nhau ($56^\circ\text{C}$ và $118,1^\circ\text{C}$) và sản phẩm yêu cầu độ tinh khiết cao ($98%$ mol). Tháp mâm xuyên lỗ có hiệu suất cao hơn tháp chêm, cấu tạo đơn giản và trở lực thấp hơn nhiều so với tháp mâm chóp, đồng thời tiêu tốn ít vật tư chế tạo hơn, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư mà vẫn đảm bảo hiệu quả phân tách.

2. Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định bằng cách nào và có giá trị bao nhiêu?
Từ số liệu cân bằng pha lỏng - hơi, đồ án xác định nồng độ cân bằng hơi ứng với nồng độ nhập liệu là $y_F^* = 0,780$, từ đó tính được chỉ số hồi lưu tối thiểu $R_{min} = (x_D - y_F^) / (y_F^ - x_F) = 0,465$. Chỉ số hồi lưu làm việc thích hợp được chọn theo công thức kinh nghiệm $R = 1,3 R_{min} + 0,3 = 1,3 \times 0,465 + 0,3 = 0,905$.

3. Tại sao đường kính tính toán của phần chưng và phần cất khác nhau nhưng lại chọn chung một đường kính tháp?
Tính toán thủy động học cho thấy lượng hơi trung bình ở phần cất ($1402,892\text{ kg/h}$) nhỏ hơn phần chưng ($1669,445\text{ kg/h}$), dẫn đến đường kính tính toán phần cất là $0,534\text{ m}$ và phần chưng là $0,569\text{ m}$. Để thuận tiện cho việc gia công chế tạo cơ khí, lắp ráp thân tháp đồng nhất và giảm chi phí khuôn mẫu, tác giả chuẩn hóa chọn đường kính trong chung cho toàn tháp là $D_t = 0,6\text{ m}$ ($600\text{ mm}$), sau đó kiểm tra lại vận tốc làm việc của hơi ở cả hai đoạn để đảm bảo nằm trong vùng vận hành an toàn.

4. Kết quả kiểm tra ngập lụt của tháp mâm xuyên lỗ đạt được như thế nào?
Điều kiện để tháp không bị ngập lụt là chiều cao mực chất lỏng dâng trong ống chảy chuyền $h_d$ phải nhỏ hơn một nửa khoảng cách giữa hai mâm ($\Delta h / 2 = 400 / 2 = 200\text{ mm}$). Kết quả tính toán cho thấy tại phần cất $h_d = 57,176\text{ mm} < 200\text{ mm}$ và tại phần chưng $h_d = 68,590\text{ mm} < 200\text{ mm}$, khẳng định tháp vận hành an toàn, không có nguy cơ trào bọt hoặc ngập lụt thủy lực.

5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân tháp, đáy nắp và mặt bích?
Thân tháp, đáy và nắp elip được chế tạo bằng thép không gỉ mã X18H10T với bề dày chuẩn hóa $3\text{ mm}$ (đã bao gồm dung sai ăn mòn $C_a = 2\text{ mm}$ cho thời gian vận hành 20 năm) nhằm chống lại sự ăn mòn hóa học của Acid Acetic ở nhiệt độ cao. Ngược lại, các mặt bích liên kết thân tháp được chọn chế tạo bằng thép carbon CT3 nhằm đảm bảo độ cứng vững cơ học đồng thời tiết kiệm chi phí vật tư.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế tháp chưng cất dạng mâm xuyên lỗ cho hệ Acetone – Acid Acetic" của sinh viên Đỗ Thị Hương và Dương Ngọc Thảo là công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc chuyên ngành Công nghệ Hóa học. Hệ thống được tính toán chi tiết cho năng suất $2000\text{ kg/h}$ nhập liệu, xử lý thành công việc phân tách sản phẩm đỉnh đạt $98%$ mol Acetone và đáy đạt $99%$ mol Acid Acetic với số mâm thực tế là 21 mâm trên tháp đường kính $0,6\text{ m}$ và chiều cao $9,5\text{ m}$. Các kết quả kiểm tra thủy động lực học và độ bền cơ học khẳng định tính khả thi kỹ thuật cao của thiết kế, tạo nguồn tư liệu tham khảo học thuật chuẩn mực cho các đề tài thiết kế thiết bị phân tách lỏng - hơi.