Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hóa chất cơ bản, nhu cầu sử dụng các hợp chất hữu cơ có độ tinh khiết cao phục vụ sản xuất công nghiệp và nghiên cứu khoa học ngày càng gia tăng. Để nâng cao độ tinh khiết của cấu tử từ hỗn hợp lỏng đồng thể, các phương pháp phân tách cơ bản thường được áp dụng bao gồm trích ly, cô đặc, hấp thu và chưng cất. Đối với hỗn hợp nhị phân Benzen – Toluen, đây là hệ hai cấu tử chất lỏng hữu cơ hòa tan hoàn toàn vào nhau tạo thành dung dịch lý tưởng có nhiệt độ sôi khác biệt ở cùng áp suất (Benzen sôi ở $80^\circ\text{C}$ và Toluen sôi ở $111^\circ\text{C}$). Do đó, phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường được lựa chọn để phân tách và thu nhận Benzen tinh khiết ở đỉnh tháp cùng Toluen ở đáy tháp.

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị (Mã số: 605040) do sinh viên Vũ Tiến Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Phan Đình Tuấn tại Bộ môn Quá trình và Thiết bị, Khoa Công nghệ Hóa & Thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật được văn bản quy định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế tháp mâm chóp chưng cất hỗn hợp Benzen – Toluen hoạt động liên tục ở áp suất thường ($P = 1\text{ atm} = 760\text{ mmHg}$).
  2. Năng suất tính theo dòng sản phẩm đỉnh: $D = 200\text{ lít/h}$ với nồng độ Benzen đạt $98%$ phần khối lượng ($x_D = 0,98$).
  3. Nồng độ nguyên liệu nhập liệu: $40%$ phần khối lượng Benzen ($x_F = 0,40$), nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi tại nhiệt độ $94^\circ\text{C}$.
  4. Nồng độ sản phẩm đáy tháp: $1%$ phần khối lượng Benzen, tương ứng $99%$ phần khối lượng Toluen ($x_W = 0,01$).
  5. Tự chọn các nguồn năng lượng và thông số công nghệ liên quan nhằm tối ưu hóa chế độ vận hành.
  6. Hoàn thành nội dung tính toán công nghệ, tính toán cơ khí thiết bị chính và các thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ trong hệ thống.
  7. Thể hiện kết quả qua 2 bản vẽ kỹ thuật khổ A1, bao gồm bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ và bản vẽ kết cấu chi tiết thiết bị chính.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ hỗn hợp lỏng nhị phân Benzen – Toluen; thiết bị tháp chưng cất kiểu mâm chóp và cụm thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ (thiết bị ngưng tụ, nồi đun đáy tháp, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, các thiết bị làm nguội sản phẩm).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thiết kế kỹ thuật phục vụ chế tạo và vận hành thiết bị hóa chất, thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 06/10/2009, hoàn thành ngày 18/01/2010 và bảo vệ chính thức ngày 25/01/2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Văn bản thiết kế dựa trên lý thuyết nhiệt động lực học và quá trình truyền khối: chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng hoặc khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau của các cấu tử ở cùng nhiệt độ và áp suất bão hòa. Khác với hấp thu cần bổ sung dung môi ngoài, pha mới trong chưng cất được tạo ra trực tiếp qua sự bốc hơi hoặc ngưng tụ; khác với cô đặc, cả dung môi và chất tan trong chưng cất đều tham gia bay hơi và hiện diện ở cả hai pha lỏng - hơi với tỷ lệ khác nhau.

Về mặt lựa chọn thiết bị tiếp xúc pha, tác giả tiến hành phân tích và so sánh 3 loại tháp chưng cất thông dụng trong công nghiệp hóa chất:

Loại tháp Ưu điểm Nhược điểm
Tháp chêm (tháp đệm) Cấu tạo khá đơn giản, trở lực thấp, làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu. Hiệu suất truyền khối thấp do hiệu ứng thành; khó tăng năng suất khi mở rộng quy mô; độ ổn định kém, khó vận hành.
Tháp mâm xuyên lỗ Trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao, kết cấu gọn hơn tháp chóp. Không làm việc được với chất lỏng bẩn; khoảng làm việc hẹp hơn tháp chóp.
Tháp mâm chóp Làm việc rất ổn định; hiệu suất truyền khối cao; làm việc tốt với dải lưu lượng biến đổi. Cấu tạo và chế tạo phức tạp; trở lực tương đối lớn; tiêu tốn nhiều vật tư kim loại, thiết bị nặng nề.

Từ phân tích trên, tác giả chọn thiết bị tiếp xúc pha là tháp mâm chóp nhằm đảm bảo hiệu suất phân tách cao và độ ổn định khi vận hành liên tục. Phương pháp và công cụ tính toán được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng để thiết lập hệ phương trình suất lượng dòng nhập liệu, dòng đỉnh và dòng đáy ở các đơn vị $\text{kg/h}$ và $\text{kmol/h}$.
  • Phương pháp đồ thị cân bằng lỏng - hơi: Dựa trên giản đồ trạng thái $y-x$ của hệ Benzen – Toluen ở $760\text{ mmHg}$ để xác định nồng độ mol và tỷ số hoàn lưu tối thiểu ($R_{min}$).
  • Phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất: Khảo sát mối tương quan cực tiểu giữa đại lượng thể tích tháp $V \sim (R+1)N_{lt}$ và tỷ số hoàn lưu $R$ trên đồ thị để lựa chọn tỷ số hoàn lưu làm việc tối ưu.
  • Phương pháp đồ thị bậc thang (McCabe – Thiele): Vẽ đường làm việc phần cất, đường làm việc phần chưng và các bậc thay đổi nồng độ để xác định số mâm lý thuyết ($N_{lt}$).
  • Phương pháp hiệu suất trung bình mâm: Xác định số mâm thực tế ($N_t$) từ số mâm lý thuyết qua việc nội suy độ nhớt, độ bay hơi tương đối và hiệu suất đĩa ở 3 vị trí (đỉnh, nhập liệu, đáy tháp).
  • Phương pháp thủy động lực học và cơ học thiết bị hóa chất: Tính toán đường kính đoạn cất và đoạn chưng theo phương trình lưu lượng và vận tốc hơi giới hạn; tính tổn thất áp suất (trở lực đĩa khô, sức căng bề mặt, lớp chất lỏng); tính toán ứng suất cơ học theo tiêu chuẩn thiết bị áp lực (thân trụ, nắp elip, mối ghép bích, chân đỡ, tai treo).
  • Nguồn dữ liệu tra cứu: Dữ liệu hóa lý, công thức tính toán và bảng tra kích thước quy chuẩn được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2) của nhóm tác giả Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên; và giáo trình Tính toán thiết kế chi tiết thiết bị hóa chất dầu khí của Hồ Lê Viên.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế một hệ thống kỹ thuật công nghệ chưng cất hoàn chỉnh với tháp chính và 5 thiết bị phụ trợ được kết nối đồng bộ:

[Bồn cao vị nhập liệu] 
             [Làm nguội đỉnh ống lồng ống]    [Làm nguội đáy ống lồng ống]
             (QD = 5,13 kW; làm nguội 35°C)   (QW = 11,86 kW; làm nguội 35°C)
             [Bồn chứa sản phẩm đỉnh]         [Bồn chứa sản phẩm đáy]

Cấu hình kỹ thuật của hệ thống được tác giả thiết lập chi tiết:

  • Dòng nhập liệu tự chảy từ bồn cao vị, đi qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt ống chùm, được hơi nước bão hòa $2,5\text{ at}$ nâng nhiệt độ từ $30^\circ\text{C}$ lên trạng thái lỏng sôi ở $94^\circ\text{C}$, sau đó cấp vào đĩa nhập liệu (đĩa số 7) của tháp.
  • Tháp chưng cất chính hoạt động ngược dòng: pha hơi đi từ dưới lên gặp pha lỏng chảy tràn qua các mâm chóp từ trên xuống, diễn ra quá trình trao đổi chất và nhiệt liên tục trên 26 mâm thực tế.
  • Hơi đỉnh ra khỏi tháp ở $80,5^\circ\text{C}$ đi vào thiết bị ngưng tụ vỏ - ống nằm ngang kiểu TH. Toàn bộ lượng hơi được ngưng tụ hoàn toàn; một phần chất lỏng được hồi lưu lại đỉnh tháp với tỉ số hồi lưu $R = 2,48$, phần còn lại dẫn qua thiết bị làm nguội ống lồng ống hạ nhiệt xuống $35^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa sản phẩm đỉnh (Benzen nồng độ $98%$).
  • Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp ở $110^\circ\text{C}$ dẫn vào nồi đun Kettle; một phần chất lỏng bốc hơi tuần hoàn ngược lại đáy tháp tạo dòng pha hơi chuyển động lên trên; phần lỏng sản phẩm đáy (Toluen nồng độ $99%$) đi qua thiết bị làm nguội ống lồng ống hạ nhiệt xuống $35^\circ\text{C}$ trước khi vào bồn chứa sản phẩm đáy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 : Tổng quan

Tác giả trình bày lý thuyết cơ bản về phân tách hỗn hợp bằng chưng cất, nguyên lý tạo pha mới và phân loại các phương pháp chưng cất theo áp suất (áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), theo nguyên lý làm việc (chưng đơn giản, chưng lôi cuốn hơi nước, chưng cất phân đoạn liên tục) và phương thức cấp nhiệt (trực tiếp hoặc gián tiếp). Tác giả so sánh cấu tạo, ưu điểm và nhược điểm của 3 loại thiết bị: tháp đệm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp; từ đó khẳng định lựa chọn tháp mâm chóp là phương án kỹ thuật phù hợp cho hệ Benzen – Toluen.

Về nguyên liệu, tác giả tổng hợp các thông số hóa lý của Benzen ($C_6H_6$: khối lượng phân tử $78,11$, tỷ trọng $0,879$, nhiệt độ sôi $80^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $5,5^\circ\text{C}$) và Toluen ($C_7H_8$: khối lượng phân tử $92,13$, tỷ trọng $0,866$, nhiệt độ sôi $111^\circ\text{C}$, nhiệt độ nóng chảy $-95^\circ\text{C}$). Chương này cũng đề cập các phương thức điều chế hydrocacbon thơm trong công nghiệp: khai thác từ than đá, dầu mỏ; đóng vòng dehydro hóa ankan; dehydro hóa cycloankan; tam hợp acetylen và phản ứng ankyl hóa Friedel – Crafts.

Chương 2 : Quy trình công nghệ

Tác giả mô tả chi tiết đường đi của các dòng vật chất và sơ đồ công nghệ vận hành hệ thống chưng cất liên tục. Hệ thống bao gồm tháp chưng cất, bồn cao vị, thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu, nồi đun đáy tháp kiểu Kettle, thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh, hai thiết bị làm nguội sản phẩm (đỉnh và đáy), các bơm lưu chất, bồn chứa và hệ thống lưu lượng kế kiểm soát lưu lượng dòng hoàn lưu cũng như dòng nhập liệu.

Chương 3 : Cân bằng vật chất

Tác giả chuyển đổi thành phần phần khối lượng sang phần mol của các dòng:

  • Dòng nhập liệu: $x_F = 0,44\text{ phần mol}$ (ứng với $40%$ khối lượng Benzen), khối lượng mol $M_F = 85,28\text{ kg/kmol}$.
  • Dòng sản phẩm đỉnh: $x_D = 0,983\text{ phần mol}$ (ứng với $98%$ khối lượng Benzen), khối lượng mol $M_D = 78,28\text{ kg/kmol}$, khối lượng riêng ở $80^\circ\text{C}$ là $\rho_D = 809\text{ kg/m}^3$.
  • Dòng sản phẩm đáy: $x_W = 0,012\text{ phần mol}$ (ứng với $1%$ khối lượng Benzen), khối lượng mol $M_W = 91,86\text{ kg/kmol}$.

Dựa trên năng suất sản phẩm đỉnh $D = 200\text{ l/h} = 161,8\text{ kg/h} = 2,07\text{ kmol/h}$, phương trình cân bằng vật chất xác định được:

  • Suất lượng nhập liệu: $F = 402,4\text{ kg/h} = 4,87\text{ kmol/h}$.
  • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 240,6\text{ kg/h} = 2,80\text{ kmol/h}$.

Từ đồ thị cân bằng pha lỏng - hơi tại $P = 1\text{ atm}$, với $x_F = 0,44$ tra được $y_F^* = 0,643$, tính ra tỷ số hoàn lưu tối thiểu $R_{min} = 1,68$. Dựa vào đồ thị quan hệ thể tích tháp $(R+1)N_{lt}$ theo $R$, tác giả xác định tỷ số hồi lưu thích hợp là $R = 2,48$. Phương trình đường làm việc tương ứng:

  • Đoạn cất: $y = 0,713x + 0,282$.
  • Đoạn chưng: $y = 1,37x - 0,0044$ (với hệ số góc dòng nhập liệu $f = 2,27$).

Qua các bước thang trên đồ thị McCabe – Thiele, số đĩa lý thuyết xác định được là $N_{lt} = 15$ đĩa (bao gồm 6 đĩa phần cất, 1 đĩa nhập liệu, 5 đĩa phần chưng và 1 nồi đun). Xác định hiệu suất mâm trung bình qua 3 điểm nồng độ: đĩa đỉnh ($\eta_1 = 0,53$), đĩa nhập liệu ($\eta_F = 0,58$) và đĩa đáy ($\eta_W = 0,58$). Hiệu suất trung bình đạt $\eta_{tb} = 0,58$, từ đó tính ra số mâm thực tế là $N_t = 15 / 0,58 = 25,8$, lấy tròn $N_t = 26$ mâm.

Chương 4 : Tính toán tháp chưng cất

Tác giả tính toán chi tiết kích thước thủy động học của thân tháp:

  • Đường kính đoạn cất: Suất lượng hơi đỉnh $g_d = 563,93\text{ kg/h}$, lượng hơi vào đáy đoạn cất $g_1 = 755,1\text{ kg/h}$, lượng hơi trung bình $g_{tb} = 659,5\text{ kg/h}$. Khối lượng riêng pha hơi trung bình $\rho_{ytb} = 2,752\text{ kg/m}^3$, pha lỏng trung bình $\rho_{xtb} = 802\text{ kg/m}^3$.
  • Đường kính đoạn chưng: Lượng hơi ra khỏi đoạn chưng $g'n = 755,1\text{ kg/h}$, lượng hơi vào đáy $g'1 = 789,7\text{ kg/h}$, lượng hơi trung bình $g'{tb} = 772,4\text{ kg/h}$. Khối lượng riêng pha hơi $\rho{ytb} = 2,96\text{ kg/m}^3$, pha lỏng $\rho_{xtb} = 789\text{ kg/m}^3$.
  • Quy chuẩn đường kính: Do đường kính tính toán đoạn cất và đoạn chưng chênh lệch không đáng kể, tác giả chọn đường kính chuẩn cho toàn bộ tháp là $D_t = 0,50\text{ m}$ ($500\text{ mm}$).
  • Chiều cao tháp: Với khoảng cách giữa các mâm $H_đ = 0,25\text{ m}$, bề dày đĩa $\delta = 4\text{ mm}$ và khoảng trống đỉnh đáy $0,8\text{ m}$, chiều cao thân tháp được xác định là $H = 26 \times (0,25 + 0,004) + 0,8 = 7,4\text{ m}$, quy chuẩn $H = 7,5\text{ m}$.
  • Trở lực tháp: Tổng trở lực của 1 đĩa chóp gồm 3 thành phần: trở lực đĩa khô ($\Delta P_k = 8045,3\text{ N/m}^2$), trở lực do sức căng bề mặt ($\Delta P_\sigma = 6,296\text{ N/m}^2$) và trở lực lớp chất lỏng trên đĩa ($\Delta P_{tl} = 167,6\text{ N/m}^2$), tổng cộng $\Delta P_1 = 8219,2\text{ N/m}^2$. Tổng trở lực thủy lực của toàn bộ tháp chưng cất là $\Delta P_{toàn tháp} = 16438,39\text{ N/m}^2$.

Chương 5 : Cân bằng nhiệt lượng

Chương này xác định nhiệt tải cho toàn bộ hệ thống:

  • Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: $Q_{nt} = (R+1)D \cdot r_D = 61,42\text{ kW}$.
  • Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi: $Q_F = C_F \cdot F \cdot (T_F - T_{vào}) = 15,43\text{ kW}$; tính thêm $5%$ tổn thất nhiệt trên đường ống thành $Q_F = 16,2\text{ kW}$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (từ $110^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$): $Q_W = 11,86\text{ kW}$.
  • Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (từ $80^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$): $Q_D = 5,13\text{ kW}$.
  • Nhiệt lượng cần cung cấp cho đáy tháp (nồi đun Kettle): $Q_T = 1,05 \times (Q_{nt} + Q_W + Q_D - Q_F) = 65,32\text{ kW}$ (đã bao gồm $5%$ nhiệt tổn thất $Q_f$).

Chương 6 : Tính toán cơ khí

Tác giả thực hiện tính toán độ bền và kết cấu cơ khí cho các chi tiết thiết bị chính:

  • Thân tháp: Chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T bằng phương pháp hàn hồ quang điện giáp mối 2 phía ($\varphi_h = 0,95$), ứng suất cho phép $[\sigma] = 140\text{ N/mm}^2$. Áp suất tính toán nguy hiểm nhất khi tháp chứa đầy Toluen ở $30^\circ\text{C}$ là $P = 0,0613\text{ N/mm}^2$. Bề dày thân tính toán cộng thêm hệ số ăn mòn $C_a = 1\text{ mm}$ là $1,197\text{ mm}$, quy chuẩn chọn bề dày thân $S = 4\text{ mm}$, đường kính ngoài tháp $D_n = 508\text{ mm}$.
  • Chóp truyền khối: Chóp tròn, đường kính ống dẫn hơi $d_h = 26\text{ mm}$, đường kính trong chóp $46\text{ mm}$, đường kính ngoài chóp $50\text{ mm}$, chiều cao chóp $70\text{ mm}$, chân chóp cách mâm $15\text{ mm}$. Mỗi mâm bố trí 10 chóp theo hình tam giác đều với bước chóp $100\text{ mm}$; chiều cao khe chóp $b = 25\text{ mm}$, bề rộng khe $5\text{ mm}$, gờ chảy tràn cao $45\text{ mm}$.
  • Đáy và nắp tháp: Dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ bằng thép X18H10T, bán kính cong $R_t = D_t = 500\text{ mm}$, chiều cao phần lồi $h_t = 125\text{ mm}$, chiều cao gờ $h = 25\text{ mm}$, bề dày chọn theo chuẩn $S = 4\text{ mm}$.
  • Bích ghép thân: Bích phẳng hàn kiểu 1 bằng thép CT3 ghép nối các đoạn tháp; kích thước bích gồm đường kính ngoài $D = 630\text{ mm}$, đường kính tâm bu lông $D_b = 580\text{ mm}$, bề dày bích $h = 20\text{ mm}$, sử dụng 16 bu lông M20. Toàn bộ thân tháp sử dụng 7 mối ghép bích có lót đệm kín amiăng dày $3\text{ mm}$.
  • Đường kính các ống dẫn và bích nối:
    • Ống tháo sản phẩm đáy: đường kính trong quy chuẩn $D_y = 25\text{ mm}$, chiều dài ống $l = 90\text{ mm}$.
    • Ống nạp nguyên liệu: $D_y = 25\text{ mm}$, chiều dài $l = 90\text{ mm}$.
    • Ống dẫn hơi đỉnh: $D_y = 40\text{ mm}$, chiều dài $l = 100\text{ mm}$.
    • Ống dẫn hơi vào đáy tháp: $D_y = 70\text{ mm}$, chiều dài $l = 110\text{ mm}$.
    • Ống hồi lưu lỏng đỉnh: $D_y = 25\text{ mm}$.
  • Trọng lượng và cơ cấu đỡ: Tổng khối lượng toàn tháp khi chứa đầy chất lỏng là $m = 2124,2\text{ kg}$ (bao gồm thân $375\text{ kg}$, đáy nắp $19,9\text{ kg}$, mâm chóp $310\text{ kg}$, 8 bích $159,3\text{ kg}$, Toluen đầy tháp $1260\text{ kg}$). Tháp được đặt trên 4 chân đỡ bằng thép CT3 với tải trọng cho phép chọn $G_c = 1 \times 10^4\text{ N/chân}$ và cố định bổ sung bằng hệ thống tai treo thép CT3 tựa vào giàn đỡ.

Chương 7 : Tính toán thiết bị phụ

Tác giả thiết kế chi tiết 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ đi kèm tháp:

  1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Thiết bị trao đổi nhiệt vỏ – ống loại TH đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt bằng thép CT3 kích thước $20 \times 2\text{ mm}$, gồm 19 ống xếp theo hình lục giác đều, chiều dài ống $L = 0,7\text{ m}$. Nước làm lạnh đi trong ống từ $30^\circ\text{C}$ lên $40^\circ\text{C}$ với lưu lượng $1,47\text{ kg/s}$. Hiệu số nhiệt độ trung bình $\Delta t_{tb} = 45,32\text{ K}$, hệ số truyền nhiệt $K = 646,74\text{ W/m}^2\text{K}$, bề mặt truyền nhiệt chọn $F = 2,5\text{ m}^2$.
  2. Thiết bị đun sôi đáy tháp: Nồi đun Kettle sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất $2,5\text{ at}$ ($126,25^\circ\text{C}$) đi trong chùm ống truyền nhiệt X18H10T kích thước $38 \times 3\text{ mm}$. Số lượng ống truyền nhiệt là 37 ống, chiều dài $L = 1,2\text{ m}$, bước ống $46\text{ mm}$. Hiệu số nhiệt độ trung bình $\Delta t_{tb} = 15,85\text{ K}$, hệ số truyền nhiệt $K = 988,73\text{ W/m}^2\text{K}$, bề mặt truyền nhiệt chọn $F = 4,5\text{ m}^2$.
  3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống bằng thép X18H10T, ống trong $16 \times 1,6\text{ mm}$, ống ngoài $25 \times 2,5\text{ mm}$. Sản phẩm đỉnh đi ở khoang ngoài từ $80,5^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$, nước làm lạnh đi trong ống trong từ $27^\circ\text{C}$ lên $40^\circ\text{C}$ với suất lượng $368,1\text{ kg/h}$. Tổng chiều dài ống truyền nhiệt là $L = 8\text{ m}$, chia làm 2 dãy, mỗi dãy gồm 4 ống dài $1\text{ m}$.
  4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: Thiết bị truyền nhiệt kiểu ống lồng ống bằng thép X18H10T (kích thước ống $16 \times 1,6\text{ mm}$ và $25 \times 2,5\text{ mm}$). Hạ nhiệt độ Toluen từ $110,2^\circ\text{C}$ xuống $35^\circ\text{C}$ bằng nước làm lạnh ($27^\circ\text{C}$ lên $43^\circ\text{C}$ với suất lượng $636,8\text{ kg/h}$). Hiệu số nhiệt độ trung bình $\Delta t_{tb} = 27,82\text{ K}$, hệ số truyền nhiệt $K = 798,62\text{ W/m}^2\text{K}$, diện tích truyền nhiệt $F = 0,12\text{ m}^2$. Chiều dài ống tính toán quy chuẩn $L = 2,5\text{ m}$, chia thành 5 hàng ống dài $0,5\text{ m}$.
  5. Thiết bị đun sôi nhập liệu: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm bằng thép X18H10T, ống $38 \times 3\text{ mm}$, sử dụng hơi đốt hơi nước bão hòa $2,5\text{ at}$ ($126,25^\circ\text{C}$) để gia nhiệt dòng nguyên liệu từ $30^\circ\text{C}$ lên trạng thái lỏng sôi $94^\circ\text{C}$.
  6. Bồn cao vị: Bố trí ở độ cao thích hợp để cấp liệu ổn định bằng áp suất thủy tĩnh vào tháp.

Kết quả và đóng góp

Tác giả đã hoàn thành việc tính toán thiết kế chi tiết toàn bộ hệ thống chưng cất mâm chóp với các thông số kỹ thuật định lượng cụ thể:

Hạng mục thiết bị Thông số kỹ thuật chính Giá trị định lượng
Tháp chưng cất chính Năng suất sản phẩm đỉnh ($D$)
Đường kính tháp ($D_t$)
Chiều cao tháp ($H$)
Số mâm thực tế ($N_t$)
Tỉ số hoàn lưu làm việc ($R$)
Tổng trở lực tháp ($\Delta P$)
Bề dày thân tháp ($S$)
Khối lượng toàn tháp		 $200\text{ l/h}$ ($161,8\text{ kg/h}$, nồng độ $98%$ Benzen)
$500\text{ mm}$ ($0,5\text{ m}$)
$7,5\text{ m}$
26 mâm chóp (hiệu suất $\eta_{tb} = 0,58$)
$2,48$ (với $R_{min} = 1,68$)
$16438,39\text{ N/m}^2$
$4\text{ mm}$ (vật liệu X18H10T)
$2124,2\text{ kg}$
Đĩa chóp truyền khối Số chóp mỗi đĩa ($n$)
Kích thước chóp
Kích thước khe chóp
Khoảng cách mâm ($H_đ$)		 10 chóp bố trí tam giác đều (bước chóp $100\text{ mm}$)
Đường kính ngoài $50\text{ mm}$, ống hơi $d_h = 26\text{ mm}$
Chiều cao $b = 25\text{ mm}$, bề rộng khe $5\text{ mm}$
$0,25\text{ m}$
Thiết bị ngưng tụ đỉnh Kiểu thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt ($F$)
Quy cách ống
Nhiệt tải ($Q_{nt}$)		 Vỏ – ống nằm ngang loại TH
$2,5\text{ m}^2$ ($K = 646,74\text{ W/m}^2\text{K}$)
19 ống CT3 kích thước $20 \times 2\text{ mm}$, $L = 0,7\text{ m}$
$61,42\text{ kW}$
Nồi đun đáy tháp Kiểu thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt ($F$)
Quy cách ống
Nhiệt tải ($Q_T$)		 Nồi đun Kettle
$4,5\text{ m}^2$ ($K = 988,73\text{ W/m}^2\text{K}$)
37 ống X18H10T kích thước $38 \times 3\text{ mm}$, $L = 1,2\text{ m}$
$65,32\text{ kW}$ (hơi đốt $2,5\text{ at}$)
Làm nguội sản phẩm đỉnh Kiểu thiết bị
Chiều dài ống truyền nhiệt ($L$)
Nhiệt tải ($Q_D$)		 Ống lồng ống (thép X18H10T $16 \times 1,6 / 25 \times 2,5\text{ mm}$)
$8\text{ m}$ (2 dãy $\times$ 4 ống $\times$ 1 m)
$5,13\text{ kW}$
Làm nguội sản phẩm đáy Kiểu thiết bị
Bề mặt truyền nhiệt ($F$)
Chiều dài ống ($L$)
Nhiệt tải ($Q_W$)		 Ống lồng ống (thép X18H10T $16 \times 1,6 / 25 \times 2,5\text{ mm}$)
$0,12\text{ m}^2$ ($K = 798,62\text{ W/m}^2\text{K}$)
$2,5\text{ m}$ (5 hàng $\times$ 0,5 m)
$11,86\text{ kW}$

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Lựa chọn vật liệu thép không gỉ X18H10T cho thân tháp, đĩa chóp, đáy nắp và các bề mặt truyền nhiệt tiếp xúc dung môi hữu cơ ở nhiệt độ cao nhằm triệt tiêu nguy cơ ăn mòn hóa học; kết hợp sử dụng thép CT3 cho các kết cấu chịu lực bên ngoài (bích, tai treo, chân đỡ) để tiết kiệm chi phí vật tư.
  • Bọc lớp cách nhiệt toàn bộ thân tháp do nhiệt độ làm việc trải dài từ $80,5^\circ\text{C}$ đến $110^\circ\text{C}$ nhằm giảm thiểu thất thoát nhiệt ra môi trường.
  • Bố trí đệm amiăng dày $3\text{ mm}$ tại 7 mối ghép bích thân tháp để đảm bảo độ kín khít tuyệt đối trong suốt chu kỳ làm việc.
  • Kiểm soát vận hành bằng lưu lượng kế tại dòng nhập liệu và dòng hồi lưu đỉnh tháp, kết hợp bồn cao vị để duy trì áp suất nạp liệu ổn định.

Đóng góp của đồ án: Cung cấp một phương án thiết kế hoàn chỉnh, có cơ sở tính toán lý thuyết chặt chẽ từ cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, thủy động lực học truyền khối đến độ bền cơ học cho hệ thống chưng cất tháp mâm chóp tách hệ Benzen – Toluen ở quy mô bán công nghiệp ($200\text{ l/h}$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Toàn bộ tính toán được thực hiện ở trạng thái xác lập tĩnh (steady-state) ở áp suất khí quyển $1\text{ atm}$, chưa tính toán động học các giai đoạn khởi động tháp, dừng tháp hoặc sự dao động bất thường về nồng độ và lưu lượng dòng nhập liệu.
  • Việc xác định số mâm thực tế dựa trên hiệu suất trung bình tra bảng giản lược ($\eta_{tb} = 0,58$) chưa phản ánh đầy đủ hiện tượng phân bố dòng chảy cục bộ và sự lôi cuốn bọt lỏng giữa các đĩa.
  • Hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường của các thiết bị trao đổi nhiệt chỉ được lấy theo hệ số kinh nghiệm giả định ($5%$).
  • Chưa xây dựng bài toán kinh tế kỹ thuật hoàn chỉnh nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư ban đầu so với chi phí vận hành tiêu hao năng lượng hơi đốt và nước làm mát.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Xây dựng mô hình mô phỏng số động học quá trình chưng cất trên các phần mềm chuyên ngành (như Aspen HYSYS hoặc Aspen Plus) để kiểm chứng số liệu tính toán giải tích.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa vòng lặp kín (PID/PLC) để điều khiển lưu lượng hồi lưu và công suất cấp nhiệt đáy tháp theo nồng độ sản phẩm đỉnh thu được.
  • Nghiên cứu giải pháp tích hợp nhiệt: tận dụng nhiệt thừa từ dòng sản phẩm đáy ($110^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu lạnh trước khi vào thiết bị đun sôi, giúp tiết kiệm hơi đốt cấp cho đáy tháp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa chất & Thực phẩm, Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất thực hiện đồ án môn học Quá trình & Thiết bị hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế thiết bị phân tách truyền khối.
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị quá trình trong việc tra cứu các bước tính toán thủy lực đĩa chóp, xác định kích thước chóp, tính trở lực tháp mâm chóp và phương pháp lặp xác định nhiệt độ vách trong thiết bị trao đổi nhiệt.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Quy trình tính toán trở lực tháp mâm chóp chi tiết qua từng thành phần (trở lực đĩa khô, trở lực sức căng bề mặt khe chóp, trở lực thủy tĩnh lớp chất lỏng).
  • Phương pháp tính toán cơ khí theo tiêu chuẩn thiết bị hóa chất: tính bề dày thân trụ hàn chịu áp suất trong theo điều kiện làm việc nguy hiểm nhất khi chứa đầy dung môi, tính toán nắp elip tiêu chuẩn và kiểm tra bền bích ghép thân.
  • Thuật toán tính toán truyền nhiệt có sử dụng phép lặp thử sai để xác định nhiệt độ thành ống và hệ số cấp nhiệt thực tế cho cả thiết bị ngưng tụ vỏ - ống, nồi đun Kettle và thiết bị làm nguội ống lồng ống.

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ và nồng độ của các dòng lưu chất chính trong tháp chưng cất này được xác định như thế nào? Dòng nhập liệu có nồng độ $40%$ khối lượng Benzen ($x_F = 0,44\text{ mol}$), vào tháp ở trạng thái lỏng sôi tại nhiệt độ $94^\circ\text{C}$. Dòng sản phẩm đỉnh thu được Benzen nồng độ $98%$ khối lượng ($x_D = 0,983\text{ mol}$) ở nhiệt độ đỉnh $80,5^\circ\text{C}$. Dòng sản phẩm đáy thu được Toluen nồng độ $99%$ khối lượng ($x_W = 0,012\text{ mol}$ Benzen) ở nhiệt độ đáy $110^\circ\text{C}$. Dòng sản phẩm đỉnh và đáy sau đó đều được làm nguội xuống $35^\circ\text{C}$ trước khi vào bồn chứa.

2. Tại sao tác giả lại chọn tháp mâm chóp thay vì tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ? Mặc dù tháp chóp có nhược điểm là trở lực tương đối lớn, tiêu tốn vật tư và kết cấu phức tạp hơn, nhưng tác giả lựa chọn loại tháp này vì tháp mâm chóp có hiệu suất truyền khối cao, khả năng làm việc rất ổn định và không gặp phải hiệu ứng thành (chất lỏng chảy dồn về thành tháp làm giảm hiệu suất khi tăng quy mô) như ở tháp chêm.

3. Tỉ số hoàn lưu làm việc của tháp được tính toán bằng phương pháp nào và đạt giá trị bao nhiêu? Tác giả tra giản đồ cân bằng pha lỏng - hơi hệ Benzen – Toluen ở $1\text{ atm}$ ứng với $x_F = 0,44$ được $y_F^* = 0,643$, từ đó tính ra tỉ số hoàn lưu tối thiểu $R_{min} = 1,68$. Tiếp theo, tác giả áp dụng phương pháp thể tích tháp nhỏ nhất dựa trên đồ thị tương quan giữa $(R+1)N_{lt}$ và $R$ để xác định điểm cực tiểu, chọn được tỉ số hoàn lưu làm việc thích hợp là $R = 2,48$.

4. Thân tháp và các chi tiết cơ khí được lựa chọn vật liệu gì và có kích thước danh định ra sao? Thân tháp, đĩa chóp, đáy nắp và ống dẫn được chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T nhằm chống ăn mòn hóa học do dung môi ở nhiệt độ cao. Bích ghép, chân đỡ và tai treo được chế tạo bằng thép CT3. Thân tháp có đường kính trong $500\text{ mm}$, bề dày thân $4\text{ mm}$ (đã cộng lượng bù ăn mòn $C_a = 1\text{ mm}$), chiều cao thân tháp $7,5\text{ m}$. Đáy và nắp có dạng hình elip tiêu chuẩn có gờ cao $25\text{ mm}$, bề dày $4\text{ mm}$.

5. Hệ thống trao đổi nhiệt phụ trợ đi kèm tháp chưng cất bao gồm những thiết bị cụ thể nào? Hệ thống phụ trợ gồm 5 thiết bị: (1) Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh kiểu vỏ – ống nằm ngang loại TH (19 ống CT3 $20 \times 2\text{ mm}$, diện tích $2,5\text{ m}^2$); (2) Nồi đun đáy tháp kiểu Kettle (37 ống X18H10T $38 \times 3\text{ mm}$, diện tích $4,5\text{ m}^2$, hơi đốt $2,5\text{ at}$); (3) Thiết bị gia nhiệt nhập liệu kiểu ống chùm (ống $38 \times 3\text{ mm}$); (4) Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh kiểu ống lồng ống (dài $8\text{ m}$); (5) Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy kiểu ống lồng ống (dài $2,5\text{ m}$).

Kết luận

Đồ án môn học Quá trình & Thiết bị của sinh viên Vũ Tiến Dũng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống chưng cất liên tục mâm chóp phân tách hỗn hợp Benzen – Toluen năng suất đỉnh $200\text{ lít/h}$ ở áp suất khí quyển. Kết quả thiết kế xác lập tháp có đường kính $500\text{ mm}$, chiều cao $7,5\text{ m}$ với 26 mâm chóp thực tế bằng thép không gỉ X18H10T, vận hành ở tỉ số hoàn lưu $2,48$ và tổng trở lực tháp là $16438,39\text{ N/m}^2$. Hệ thống được trang bị đồng bộ 5 thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ và cơ cấu cơ khí chịu lực vững chắc, cung cấp tập dữ liệu tính toán công nghệ và kết cấu thiết bị chuẩn mực cho chuyên ngành Máy & Thiết bị Hóa chất.