Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất, axit axetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$) là hợp chất hữu cơ quan trọng, đóng vai trò làm nguyên liệu chính để tổng hợp vinyl axetat (ứng dụng trong sản xuất sơn, keo dán, chất phủ), axit terephtalic (nguyên liệu sản xuất nhựa PET, màng và sợi tổng hợp), các este axetat, anhydrit axetic cũng như làm dung môi và giấm ăn. Các phương pháp sản xuất axit axetic quy mô thương mại như cacbonyl hóa metanol, oxy hóa axetandehit, oxy hóa butan/naphtha hoặc lên men vi sinh đều tạo ra hỗn hợp chứa nước cần phải qua công đoạn tinh chế để đạt độ tinh khiết cao theo yêu cầu kỹ thuật.

Hỗn hợp nước và axit axetic là hệ hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn ở mọi tỷ lệ và có nhiệt độ sôi khác nhau ở áp suất khí quyển (nước sôi ở $100^\circ\text{C}$, axit axetic sôi ở $117,87^\circ\text{C}$). Do cả hai cấu tử đều có khả năng bay hơi nên không thể áp dụng phương pháp cô đặc; các phương pháp như trích ly hay hấp thụ đòi hỏi bổ sung pha mới làm phức tạp quy trình và khó phân tách triệt để; phương pháp màng có chi phí đầu tư và vận hành cao. Do đó, phương pháp chưng cất liên tục bằng tháp mâm chóp là giải pháp tối ưu về mặt công nghệ và kinh tế.

Đồ án tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Xác định chế độ làm việc và xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp nước – axit axetic ở áp suất thường.
  2. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn hệ thống và từng thiết bị.
  3. Tính toán thiết kế kích thước công nghệ và thủy lực của thiết bị chính (tháp mâm chóp).
  4. Tính toán thiết kế cơ khí, kiểm tra độ bền, lựa chọn vật liệu chế tạo, phụ kiện liên kết và kết cấu đỡ tháp.
  5. Tính toán thiết kế nhiệt và cấu tạo các thiết bị phụ trợ (thiết bị gia nhiệt nhập liệu, thiết bị ngưng tụ đỉnh, nồi đun đáy tháp dạng Kettle, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy, bồn cao vị và hệ thống bơm).

Phạm vi và thông số ban đầu:

  • Năng suất nhập liệu: $V_F = 1\text{ m}^3/\text{h}$ hỗn hợp nước – axit axetic ở nhiệt độ ban đầu $t_f = 28^\circ\text{C}$.
  • Nồng độ phần khối lượng nguyên liệu: Axit axetic chiếm $10%$, nước chiếm $90%$ ($x_F = 0,90\text{ kg nước/kg hh}$).
  • Nồng độ sản phẩm đỉnh (chủ yếu là nước): Axit axetic chiếm $0,5%$, nước chiếm $99,5%$ ($x_D = 0,995\text{ kg nước/kg hh}$).
  • Nồng độ sản phẩm đáy (làm giàu axit axetic): Axit axetic chiếm $30%$, nước chiếm $70%$ ($x_W = 0,70\text{ kg nước/kg hh}$).
  • Áp suất vận hành: Áp suất khí quyển ($1\text{ atm} = 101.325\text{ N/m}^2$). Trạng thái dòng nhập liệu vào tháp: lỏng sôi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Thiết kế dựa trên các nguyên lý truyền khối và truyền nhiệt trong kỹ thuật hóa học:

  • Cân bằng pha lỏng – hơi hệ hai cấu tử: Sử dụng giản đồ nhiệt độ - thành phần pha ($T-x,y$) của hệ nước – axit axetic ở áp suất thường để xác định nhiệt độ sôi, độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và thành phần cân bằng.
  • Phương pháp McCabe - Thiele: Xác định tỷ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$), tỷ số hồi lưu làm việc thích hợp ($R = 1,3R_{min} + 0,3$), phương trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng để xác định số mâm lý thuyết ($N_{lt}$).
  • Hiệu suất mâm và số mâm thực tế: Tính toán hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) theo phương pháp đồ thị O'Connell qua độ nhớt trung bình của pha lỏng ($\mu$) và độ bay hơi tương đối ($\alpha$) tại ba vị trí đặc trưng (mâm hồi lưu đỉnh, mâm nhập liệu, mâm đáy tháp).
  • Thủy lực tháp mâm chóp: Tính toán vận tốc giới hạn của pha hơi để tránh hiện tượng lôi cuốn hạt lỏng, xác định trở lực mâm khô ($P_k$), trở lực do sức căng bề mặt ($P_\sigma$) và trở lực cột chất lỏng thủy tĩnh ($P_t$).
  • Tính toán cơ khí thiết bị áp lực: Tính toán độ bền thân trụ, đáy và nắp elip chịu áp suất trong theo Tiêu chuẩn thiết kế thiết bị hóa chất; kiểm tra ứng suất giới hạn chảy, giới hạn kéo của vật liệu và hệ số bổ sung ăn mòn.
  • Tính toán truyền nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt: Xác định hệ số cấp nhiệt đối lưu bên trong và ngoài ống chùm ($\alpha_1, \alpha_2$), chuẩn số Reynolds ($Re$), Nusselt ($Nu$), Prandtl ($Pr$), nhiệt trở lớp cáu và hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$).

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế thực tế

  • Phương pháp giải tích và đồ thị: Kết hợp lập phương trình cân bằng giải tích với việc tra cứu đường cong cân bằng pha lỏng – hơi để xác định các dòng vật chất, nhiệt lượng và số mâm tiếp xúc.
  • Phương pháp tính lặp truyền nhiệt: Thiết lập giả thiết nhiệt độ vách ngăn truyền nhiệt, kiểm tra độ chênh lệch nhiệt tải ($q_1, q_2$) cho đến khi sai số đạt mức cho phép ($\le 5%$).
  • Phương pháp tiêu chuẩn hóa kỹ thuật: Quy chuẩn các kích thước tính toán (đường kính tháp, quy cách chóp, đường kính ống truyền nhiệt, mặt bích, chân đỡ, tai treo) theo các bảng tiêu chuẩn kỹ thuật ngành chế tạo máy và thiết bị hóa chất.

Nguồn dữ liệu tra cứu

  • Dữ liệu hóa lý (khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi, sức căng bề mặt, hệ số dẫn nhiệt) và các công thức tính toán được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành:
    1. Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 & Tập 2) – GS.TS. Trần Xoa, PGS.TS. Nguyễn Trọng Khuông, TS. Hồ Lê Viên.
    2. Truyền khối – Hoàng Minh Nam, Vũ Bá Minh.
    3. Tính toán và thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt – Bùi Hải, Hà Đặng Trung.
    4. Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất – Hồ Lê Viên.

Quy trình công nghệ và thiết kế hệ thống

Dây chuyền công nghệ

Hệ thống vận hành theo nguyên lý chưng cất liên tục:

  1. Hỗn hợp nguyên liệu nước – axit axetic ban đầu ở bồn chứa nguyên liệu ($28^\circ\text{C}$) được bơm ly tâm đẩy lên bồn cao vị (được khống chế mức lỏng bằng gờ chảy tràn).
  2. Dung dịch từ bồn cao vị tự chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu dạng ống chùm, được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119,6^\circ\text{C}$) đến nhiệt độ sôi ($100,19^\circ\text{C}$).
  3. Dòng lỏng sôi được nạp vào mâm tiếp liệu của tháp mâm chóp. Trong thân tháp, pha hơi đi từ dưới lên sục qua các khe chóp, tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng chảy từ mâm trên xuống qua ống chảy chuyền. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ diễn ra liên tục: pha hơi bốc lên đỉnh tháp ngày càng giàu nước, pha lỏng đi xuống đáy tháp ngày càng giàu axit axetic.
  4. Hơi ở đỉnh tháp đi vào thiết bị ngưng tụ ống chùm nằm ngang và ngưng tụ hoàn toàn nhờ nước làm mát ($28^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$). Dòng ngưng tụ đi qua bộ phân phối lỏng: một phần được hồi lưu về đỉnh tháp theo tỷ số hồi lưu tính toán, phần còn lại được dẫn về bồn chứa sản phẩm đỉnh.
  5. Pha lỏng ở đáy tháp chảy vào nồi đun đáy tháp dạng Kettle được cấp nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$. Một phần chất lỏng bốc hơi tuần hoàn cấp nhiệt ngược lại cho đáy tháp; phần lỏng sản phẩm đáy được đưa qua thiết bị làm nguội (hạ nhiệt từ $100,7^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$) rồi dẫn về bồn chứa sản phẩm đáy.
  6. Nước ngưng từ các thiết bị gia nhiệt và nồi đun được thu gom qua hệ thống bẫy hơi và hoàn lưu về lò hơi.

Cơ sở lựa chọn thiết bị tiếp xúc pha

Tác giả đã phân tích và so sánh ưu nhược điểm giữa các loại thiết bị truyền khối công nghiệp:

Tiêu chí so sánh Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm van Tháp đệm (tháp chêm)
Hiệu suất truyền khối Cao và rất ổn định Cao Cao Thấp hơn
Khoảng làm việc (tải trọng) Rất rộng Hẹp, nhạy với thay đổi tải Rộng Kém linh hoạt khi tải dao động
Trở lực pha hơi Trung bình đến cao Trung bình Trung bình Thấp
Khả năng đóng cặn/tắc nghẽn Thấp Cao khi có hạt rắn Trung bình Dễ tắc nghẽn
Chi phí chế tạo Khá cao Thấp nhất Trung bình Thấp đối với quy mô nhỏ ($D_t < 1\text{ m}$)
Độ ổn định khi vận hành Rất cao Phụ thuộc lưu lượng hơi Tốt Dễ phân bố lỏng không đều

Kết luận chọn lựa: Do hệ nước – axit axetic là dung dịch lỏng sạch, độ nhớt thấp, cần khoảng vận hành ổn định và hiệu suất phân tách cao, tháp mâm chóp được lựa chọn làm thiết bị chính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan

Trình bày tổng quan về tính chất lý - hóa của axit axetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$, $M = 60\text{ g/mol}$, $T_s = 117,87^\circ\text{C}$, $\rho = 1,049\text{ g/cm}^3$ ở $25^\circ\text{C}$) và nước ($M = 18\text{ g/mol}$, $T_s = 100^\circ\text{C}$, $\rho = 1\text{ g/cm}^3$). Phân tích đặc tính cân bằng pha của hỗn hợp tan lẫn hoàn toàn, cơ chế quá trình chưng cất và cơ sở lựa chọn hệ thống chưng cất liên tục mâm chóp cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun Kettle ở áp suất khí quyển.

Chương 2 – Quy trình công nghệ

Trình bày sơ đồ nguyên lý hệ thống công nghệ kèm thuyết minh chi tiết đường đi của các dòng lưu chất, cơ chế kiểm soát nhiệt độ, lưu lượng và vận hành tuần hoàn của dòng lỏng hồi lưu, dòng hơi đáy và nước ngưng lò hơi.

Chương 3 – Cân bằng vật chất

Chuyển đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol cho các dòng công nghệ:

  • Nhập liệu ($x_F$): $90%$ khối lượng $\rightarrow 0,968\text{ mol nước/mol hh}$ ($M_F = 19,35\text{ kg/kmol}$).
  • Sản phẩm đỉnh ($x_D$): $99,5%$ khối lượng $\rightarrow 0,998\text{ mol nước/mol hh}$ ($M_D = 18,06\text{ kg/kmol}$).
  • Sản phẩm đáy ($x_W$): $70%$ khối lượng $\rightarrow 0,886\text{ mol nước/mol hh}$ ($M_W = 22,78\text{ kg/kmol}$).

Tại nhiệt độ nạp liệu ban đầu $t_f = 28^\circ\text{C}$, khối lượng riêng hỗn hợp $\rho_{hh} = 1000,38\text{ kg/m}^3$, tương ứng lưu lượng khối lượng nhập liệu $G_F = 1000,38\text{ kg/h}$ ($F = 51,69\text{ kmol/h}$).

Thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất: $$\begin{cases} G_F = G_D + G_W \ G_F \cdot x_F = G_D \cdot x_D + G_W \cdot x_W \end{cases}$$

Kết quả lưu lượng các dòng sản phẩm:

  • Dòng sản phẩm đỉnh: $G_D = 678,22\text{ kg/h}$ ($D = 37,55\text{ kmol/h}$).
  • Dòng sản phẩm đáy: $G_W = 322,16\text{ kg/h}$ ($W = 14,14\text{ kmol/h}$).

Xác định thông số động học tiếp xúc:

  • Điểm cắt trên trục tung $y_0^* = 0,3194 \rightarrow$ Tỷ số hồi lưu tối thiểu $R_{min} = \frac{x_D}{y_0^*} - 1 = \frac{0,998}{0,3194} - 1 = 2,126$.
  • Tỷ số hồi lưu làm việc: $R = 1,3R_{min} + 0,3 = 3,064$.
  • Phương trình đường làm việc đoạn cất: $y = 0,754x + 0,246$.
  • Phương trình đường làm việc đoạn chưng: $y = 1,093x - 0,082$ (với tỷ lệ $f = \frac{F}{D} = 1,377$).
  • Số mâm lý thuyết: $N_{lt} = 24$ mâm (đoạn cất 18 mâm, đoạn chưng 6 mâm; nhập liệu tại mâm thứ 6 tính từ trên xuống).
  • Hiệu suất mâm: Mâm hồi lưu đỉnh $\eta_D = 61,03%$, mâm nhập liệu $\eta_F = 61,07%$, mâm đáy $\eta_W = 60,47% \rightarrow$ Hiệu suất trung bình $\eta_{tb} = 60,86%$.
  • Số mâm thực tế: $N_{tt} = \frac{24}{0,6086} = 39,41 \rightarrow$ Quy chuẩn 40 mâm (30 mâm phần cất, 10 mâm phần chưng).

Chương 4 – Cân bằng năng lượng

Tính toán nhu cầu nhiệt lượng và lượng tác nhân tiêu tốn (tổn thất nhiệt ra môi trường lấy bằng $5%$):

  • Thiết bị gia nhiệt nguyên liệu: Cần cung cấp $Q_{D1} = 96,01\text{ kW}$ để nâng nhiệt độ hỗn hợp từ $28^\circ\text{C}$ lên nhiệt độ sôi $100,19^\circ\text{C}$, tiêu tốn lượng hơi nước bão hòa ($2\text{ at}$, $r_1 = 2208\text{ kJ/kg}$) tương ứng.
  • Cân bằng năng lượng toàn tháp & Nồi đun Kettle: Nhiệt lượng cần cấp tại đáy tháp $Q_{D2} = 2022,94\text{ kW}$.
  • Thiết bị ngưng tụ hơi đỉnh: Nhiệt lượng ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi $Q_D = 1720,75\text{ kW}$; lượng nước làm mát tiêu tốn ($28^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$) là $G_{n1} = 123557,33\text{ kg/h}$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Làm nguội dòng sản phẩm đáy từ $100,7^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát ($28^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$).

Chương 5 – Tính toán thiết bị chính

  • Đường kính tháp:
    • Đoạn cất: Lưu lượng hơi trung bình $g_{tb1} = 2844,35\text{ kg/h}$, khối lượng riêng hơi $\rho_{y1} = 0,6059\text{ kg/m}^3$, vận tốc hơi $w_{y1} = 1,152\text{ m/s} \rightarrow D_{cất} = 1,126\text{ m}$.
    • Đoạn chưng: Lưu lượng hơi trung bình $g_{tb2} = 3145,19\text{ kg/h}$, khối lượng riêng hơi $\rho_{y2} = 0,6822\text{ kg/m}^3$, vận tốc hơi $w_{y2} = 1,132\text{ m/s} \rightarrow D_{chưng} = 1,150\text{ m}$.
    • Sai số giữa hai đoạn $< 5% \rightarrow$ Chọn đường kính quy chuẩn chung cho toàn tháp: $D_t = 1,2\text{ m}$ ($1200\text{ mm}$).
  • Cấu tạo mâm và chóp:
    • Khoảng cách mâm: $h = 0,4\text{ m}$ ($400\text{ mm}$); Bề dày mâm: $\delta_m = 5\text{ mm}$.
    • Kích thước chóp: Đường kính ống hơi $d_h = 50\text{ mm}$, bề dày $\delta_h = 3\text{ mm}$, chiều cao ống hơi $h_h = 60\text{ mm}$. Đường kính chóp $d_{ch} = 76\text{ mm}$, bề dày $\delta_{ch} = 3\text{ mm}$, chiều cao chóp $h_{ch} = 73\text{ mm}$. Số lượng chóp trên 1 mâm: $n = 58$ chóp.
    • Khe chóp: Phần cất bố trí 42 khe/chóp ($h_r = 17\text{ mm}, b = 3\text{ mm}$); phần chưng bố trí 43 khe/chóp ($h_r = 19\text{ mm}, b = 3\text{ mm}$).
    • Cấu tạo ống chảy chuyền: Bố trí 1 ống chảy chuyền ($Z_c = 1$), đường kính $d_c = 80\text{ mm}$ (đoạn cất) và $d_c = 100\text{ mm}$ (đoạn chưng); chiều dài gờ chảy tràn $L_W = 0,84\text{ m}$, chiều cao gờ tràn $h_c = 50\text{ mm}$.
  • Chiều cao tháp: Khoảng cách giữa 2 mặt bích là $2000\text{ mm}$ (chứa 5 mâm/đoạn). Tháp gồm 8 đoạn ghép bích với 40 mâm, khoảng cách đỉnh và đáy dự phòng $1\text{ m}$ mỗi bên $\rightarrow$ Tổng chiều cao thân tháp: $H = 17,2\text{ m}$.
  • Trở lực thủy lực:
    • Tổng trở lực đoạn cất: $\Delta P_{cất} = 30 \times 328,61 = 9858,3\text{ N/m}^2$.
    • Tổng trở lực đoạn chưng: $\Delta P_{chưng} = 10 \times 358,92 = 3589,2\text{ N/m}^2$.
    • Tổng trở lực toàn tháp: $\Delta P = 13447,5\text{ N/m}^2 \approx 0,1327\text{ at}$.

Chương 6 – Tính toán cơ khí thiết bị chính

  • Vật liệu chế tạo:
    • Thân tháp, đáy, nắp, mâm, ống hơi, chóp và ống truyền nhiệt tiếp xúc axit axetic ở nhiệt độ cao ($\sim 110^\circ\text{C}$) được chế tạo từ thép không gỉ Austenit X18H10T (Inox 321) ($\sigma_k = 550\text{ N/mm}^2, \sigma_{ch} = 220\text{ N/mm}^2, [\sigma] = 146,67\text{ N/mm}^2, \rho = 7900\text{ kg/m}^3, \lambda = 16,3\text{ W/m}\cdot\text{K}$).
    • Mặt bích, chân đỡ, tai treo chế tạo từ thép cacbon CT3 ($\rho = 7850\text{ kg/m}^3$).
  • Bề dày thân và đáy – nắp:
    • Áp suất tính toán tổng (bao gồm áp suất khí quyển, áp suất thủy tĩnh và trở lực): $p = 0,2764\text{ N/mm}^2$.
    • Hệ số bổ sung ăn mòn và sai số gia công: $C = C_a + C_b + C_c + C_0 = 1 + 0 + 0,2 + 0,8 = 2\text{ mm}$.
    • Bề dày tính toán thân hình trụ hàn giáp mối ($\eta_h = 0,95$): $S_{tt} = 1,19\text{ mm} \rightarrow$ Chọn bề dày thực tế thân tháp $S = 5\text{ mm}$.
    • Đáy và nắp elip tiêu chuẩn ($h_t = 0,25D_t = 300\text{ mm}$, gờ $25\text{ mm}$, bán kính cong đỉnh $R_t = 1200\text{ mm}$): Chọn bề dày thực tế $S = 5\text{ mm}$.
  • Kích thước các đường ống dẫn và mặt bích nối:
Tuyến ống dẫn Lưu lượng thể tích Tốc độ chọn ($v$) Đường kính tính Đường kính danh nghĩa ($D_y$) Quy cách ống ($d_n \times S \times l$) Quy cách bích thép CT3 ($D \times D_b \times D_1 \times t$) Quy cách Bulông
Dòng nhập liệu $0,00029\text{ m}^3/\text{s}$ $0,8\text{ m/s}$ $21,5\text{ mm}$ $25\text{ mm}$ $\phi 32 \times 3,5 \times 100\text{ mm}$ $\phi 100 \times 75 \times 60 \times 12\text{ mm}$ 4 x M10
Lỏng hồi lưu $0,00060\text{ m}^3/\text{s}$ $0,8\text{ m/s}$ $30,96\text{ mm}$ $32\text{ mm}$ $\phi 38 \times 3 \times 100\text{ mm}$ $\phi 120 \times 90 \times 70 \times 12\text{ mm}$ 4 x M12
Hơi ở đỉnh $1,2636\text{ m}^3/\text{s}$ $30\text{ m/s}$ $231,58\text{ mm}$ $250\text{ mm}$ $\phi 273 \times 11,5 \times 250\text{ mm}$ $\phi 370 \times 335 \times 312 \times 22\text{ mm}$ 12 x M16
Đáy sang Kettle $0,00107\text{ m}^3/\text{s}$ $0,8\text{ m/s}$ $41,21\text{ mm}$ $50\text{ mm}$ $\phi 57 \times 3,5 \times 125\text{ mm}$ $\phi 140 \times 110 \times 90 \times 12\text{ mm}$ 4 x M12
Hơi Kettle vào đáy $1,3674\text{ m}^3/\text{s}$ $30\text{ m/s}$ $240,9\text{ mm}$ $250\text{ mm}$ $\phi 273 \times 11,5 \times 250\text{ mm}$ $\phi 370 \times 335 \times 312 \times 22\text{ mm}$ 12 x M16
Bích nối thân tháp - - - $1200\text{ mm}$ Thân $\phi 1210\text{ mm}$ $\phi 1340 \times 1290 \times 1260 \times 22\text{ mm}$ 32 x M20
  • Tính toán tải trọng toàn tháp:
    • Khối lượng thân tháp: $2571,95\text{ kg}$
    • Khối lượng đáy và nắp: $129,68\text{ kg}$
    • Khối lượng 40 mâm: $1786,94\text{ kg}$
    • Khối lượng ống hơi trên mâm: $549,30\text{ kg}$
    • Khối lượng ống chảy chuyền: $266,90\text{ kg}$
    • Khối lượng chóp: $1245,61\text{ kg}$
    • Khối lượng 18 mặt bích nối: $868,19\text{ kg}$
    • Khối lượng cột chất lỏng hoạt động: $18637,67\text{ kg}$
    • Tổng khối lượng toàn bộ tháp: $M \approx 26.057\text{ kg}$ (tương ứng tải trọng $G_{max} \approx 255.619\text{ N}$).
    • Kết cấu đỡ: Bố trí 4 chân đỡ bằng thép CT3 hàn ở đáy ($G_c = 25.000\text{ N/chân}$) kết hợp 3 tầng tai treo (mỗi tầng 4 tai treo, kích thước $L=150, B=120, B_1=130, H=215, s=8, d=30\text{ mm}$) để giữ ổn định tháp trước tải trọng gió và rung động.

Chương 7 – Tính toán thiết bị phụ

  1. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu:
    • Dạng ống chùm đặt đứng, dòng nguyên liệu đi trong ống ($\phi 38 \times 3\text{ mm}$ bằng thép X18H10T), hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ đi ngoài vỏ.
    • Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit: $\Delta t_{log} = 46,52\text{ K}$.
    • Chế độ dòng chảy trong ống: $Re = 24.210,1 > 10^4$ (chảy rối), vận tốc $v = 0,351\text{ m/s}$. Hệ số cấp nhiệt dòng lỏng $\alpha_2 = 1320,05\text{ W/m}^2\text{K}$; hệ số cấp nhiệt màng hơi nước ngưng $\alpha_1 = 15957,8\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: $K = 739,5\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Diện tích truyền nhiệt tính toán: $F = 2,79\text{ m}^2$. Chọn chiều dài ống $L = 0,5\text{ m} \rightarrow$ Số lượng ống: $n = 61$ ống.
  2. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
    • Dạng ống chùm nằm ngang, hơi đỉnh ngưng tụ ngoài vỏ, nước làm mát ($28^\circ\text{C} \rightarrow 40^\circ\text{C}$) đi trong chùm ống ($\phi 38 \times 3\text{ mm}$ bằng thép X18H10T).
    • Hiệu số nhiệt độ trung bình: $\Delta t_{log} = 65,83\text{ K}$.
    • Chế độ nước làm mát: $Re = 31.507,1$ (chảy rối, $v = 0,7036\text{ m/s}$). Hệ số cấp nhiệt phía ngưng tụ $\alpha_1 = 6892,6\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: $K = 1029,8\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Diện tích truyền nhiệt tính toán: $F = 25,38\text{ m}^2$. Chọn chiều dài ống $L = 1,5\text{ m} \rightarrow$ Số lượng ống: $n = 217$ ống.
  3. Nồi đun đáy tháp dạng Kettle:
    • Cấp nhiệt gián tiếp làm sôi sủi bọt dung dịch đáy tháp ($Q_{D2} = 2022,94\text{ kW}$), hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ đi trong ống, dung dịch sôi ngoài vỏ. Hiệu số nhiệt độ trung bình: $\Delta t_{log} = 18,76\text{ K}$.
  4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy, bồn cao vị và bơm:
    • Thiết bị làm nguội hạ nhiệt dòng đáy từ $100,7^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$ bằng nước làm mát.
    • Tính toán tổn thất áp lực trên đường ống, xác định chiều cao bồn cao vị, cột áp làm việc và công suất động cơ bơm ly tâm cấp liệu.

Chương 8 – Kết luận

Tổng kết toàn bộ các kết quả tính toán thiết kế công nghệ, thủy lực, cơ khí của tháp chính và hệ thống thiết bị phụ trợ, khẳng định tính khả thi của hệ thống chưng cất hỗn hợp nước – axit axetic.

Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật

Hệ thống chưng cất mâm chóp được thiết kế hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật then chốt:

Bộ phận / Thông số Giá trị kỹ thuật thiết kế Đơn vị Ghi chú
Năng suất nhập liệu ($G_F$) 1000,38 $\text{kg/h}$ $1\text{ m}^3/\text{h}$ ở $28^\circ\text{C}$
Lưu lượng sản phẩm đỉnh ($G_D$) 678,22 $\text{kg/h}$ Nước tinh khiết $99,5%$ khối lượng
Lưu lượng sản phẩm đáy ($G_W$) 322,16 $\text{kg/h}$ Axit axetic $30%$ khối lượng
Tỷ số hồi lưu làm việc ($R$) 3,064 - $R = 1,3R_{min} + 0,3$
Đường kính trong tháp ($D_t$) 1200 $\text{mm}$ $D_{cất} = 1126\text{ mm}, D_{chưng} = 1150\text{ mm}$
Tổng chiều cao thân tháp ($H$) 17,2 $\text{m}$ 8 đoạn ghép bích, mỗi đoạn 5 mâm
Số mâm thực tế ($N_{tt}$) 40 mâm 30 mâm cất, 10 mâm chưng (nhập liệu mâm 10/đoạn chưng)
Khoảng cách mâm ($h$) 400 $\text{mm}$ -
Số chóp trên 1 mâm ($n$) 58 chóp Đường kính chóp $d_{ch} = 76\text{ mm}$
Tổng trở lực toàn tháp ($\Delta P$) 13447,5 $\text{N/m}^2$ $\approx 0,1327\text{ at}$
Vật liệu thân, đáy, mâm, chóp Thép X18H10T (Inox 321) - Chịu ăn mòn axit ở nhiệt độ cao
Bề dày thân, đáy và nắp ($S$) 5 $\text{mm}$ Đã gồm hệ số bổ sung ăn mòn $C=2\text{ mm}$
Tổng khối lượng toàn tháp $\approx 26.057$ $\text{kg}$ Gồm tháp, chi tiết mâm và cột chất lỏng
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu $F = 2,79\text{ m}^2, n = 61$ ống $\phi 38 \times 3\text{ mm}$ Chiều dài ống $L = 0,5\text{ m}$
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh $F = 25,38\text{ m}^2, n = 217$ ống $\phi 38 \times 3\text{ mm}$ Chiều dài ống $L = 1,5\text{ m}$
Công suất nhiệt đáy Kettle ($Q_{D2}$) 2022,94 $\text{kW}$ Hơi nước bão hòa $2\text{ at}$

Hạn chế và phạm vi áp dụng

  • Giả định tính toán cân bằng nhiệt: Quá trình tính toán cân bằng nhiệt giả định hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường cố định ở mức $5%$ tổng nhiệt tiêu tốn và chưa xét đến ảnh hưởng của biến thiên nhiệt độ môi trường ngoài trời theo mùa.
  • Chế độ áp suất: Thiết kế được tính toán ở điều kiện vận hành áp suất thường ($1\text{ atm}$). Chưa khảo sát so sánh với phương án chưng cất chân không (vốn có thể giúp hạ nhiệt độ sôi đáy tháp, giảm tiêu hao năng lượng và giảm tốc độ ăn mòn của axit axetic).
  • Phạm vi phân tách nồng độ: Sản phẩm đáy thiết kế đạt nồng độ axit axetic $30%$ khối lượng (từ nguyên liệu $10%$). Để thu hồi axit axetic băng thương phẩm ($> 99%$), hệ thống cần ghép nối tiếp tháp chưng cất đẳng phí hoặc tháp tinh chế nồng độ cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là bản thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và mẫu mực về môn học Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Môi trường và Thiết kế Máy Hóa chất.
  • Phần giá trị chuyên môn cao:
    • Quy trình tính toán thủy lực chi tiết cho mâm chóp (khe chóp, ống hơi, ống chảy chuyền, vận tốc pha hơi giới hạn để tránh ngập lụt).
    • Phương pháp kiểm nghiệm bền cơ khí thiết bị hóa chất chịu môi trường axit ăn mòn bằng thép hợp kim Austenit X18H10T.
    • Bộ tính toán đối lưu nhiệt và thiết kế cấu tạo ống chùm cho thiết bị gia nhiệt, thiết bị ngưng tụ và nồi đun sôi Kettle.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn loại tháp mâm chóp thay vì tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ? Hỗn hợp nước – axit axetic là hệ chất lỏng tương đối sạch, độ nhớt thấp và cần quá trình phân tách có hiệu suất tiếp xúc pha cao. Tháp mâm chóp có ưu điểm nổi bật là khoảng làm việc rất rộng, hoạt động ổn định khi tải trọng dòng hơi và lỏng thay đổi, hiệu suất truyền khối cao và không bị rò rỉ lỏng ở lưu lượng thấp so với mâm xuyên lỗ.

2. Tại sao vật liệu chế tạo thân tháp và các chi tiết bên trong bắt buộc phải dùng thép X18H10T? Ở nhiệt độ làm việc của tháp ($\sim 100 - 110^\circ\text{C}$), axit axetic có tính ăn mòn hóa học rất mạnh đối với các loại thép cacbon thông thường. Thép không gỉ Austenit X18H10T (Inox 321) chứa thành phần Crom - Niken - Titan có khả năng chống ăn mòn hóa học cao trong môi trường axit hữu cơ ở nhiệt độ cao, đảm bảo tuổi thọ thiết bị và độ tinh khiết của sản phẩm.

3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế của tháp được xác định như thế nào? Dựa trên tỷ số hồi lưu làm việc $R = 3,064$ và phương trình đường làm việc đoạn cất ($y = 0,754x + 0,246$), đoạn chưng ($y = 1,093x - 0,082$), đồ thị McCabe - Thiele xác định được 24 mâm lý thuyết (18 mâm cất, 6 mâm chưng). Với hiệu suất mâm trung bình tính toán $\eta_{tb} = 60,86%$, số mâm thực tế được xác định là $N_{tt} = \frac{24}{0,6086} = 39,41$, được làm tròn và quy chuẩn thành 40 mâm thực tế (30 mâm cất, 10 mâm chưng).

4. Thiết bị được phân chia thành bao nhiêu đoạn và liên kết cơ khí như thế nào? Tháp có tổng chiều cao thân $17,2\text{ m}$, đường kính $1200\text{ mm}$, được chia thành 8 đoạn thân hình trụ nối với nhau bằng 9 mối ghép bích phẳng không cổ bằng thép CT3 (mỗi đoạn dài $2000\text{ mm}$ chứa 5 mâm). Tháp được đặt trên 4 chân đỡ hàn đáy chịu tải $25.000\text{ N/chân}$ kết hợp 3 tầng tai treo cố định vào thân để giữ ổn định kết cấu.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán thiết kế hệ thống chưng cất liên tục hỗn hợp nước – axit axetic năng suất $1\text{ m}^3/\text{h}$ bằng tháp mâm chóp đường kính $1200\text{ mm}$, chiều cao $17,2\text{ m}$ gồm 40 mâm thực tế làm bằng thép X18H10T. Toàn bộ các hạng mục cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, tính toán thủy lực mâm chóp, độ bền cơ khí thân tháp, kết cấu đỡ và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đều được giải quyết chi tiết, chuẩn xác theo các quy chuẩn kỹ thuật hóa chất hiện hành. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác chế tạo, lắp đặt và vận hành hệ thống phân tách trong công nghiệp hóa chất.