Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghệ hóa chất và thực phẩm, ethanol (cồn ethylic) là dung môi hữu cơ quan trọng, nguyên liệu cơ bản cho tổng hợp hóa học, dược phẩm, công nghiệp in ấn, điện tử và phối trộn nhiên liệu sinh học (xăng E5, E10). Do ethanol và nước tạo thành hỗn hợp hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn và có khả năng bay hơi tương tự nhau ở các dải nồng độ nhất định, các phương pháp phân tách cơ học hoặc nhiệt thông thường như cô đặc, trích ly, hấp thụ không thể đáp ứng yêu cầu phân tách tinh khiết. Quá trình chưng cất liên tục dựa trên độ bay hơi tương đối khác biệt giữa các cấu tử là phương pháp công nghệ tối ưu để thu hồi ethanol có độ tinh khiết cao.

Đồ án môn học Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (mã môn học: PWPD322703). Nhóm tác giả thực hiện đồ án gồm sinh viên Phùng Thị Mỹ Ân và Hà Phùng Băng Châu dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đặng Đình Khôi và đánh giá phản biện của ThS. Hồ Tấn Thành.

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được văn bản xác định theo các hạng mục đánh số như sau:

  1. Tổng quan về tính chất nguyên liệu, hệ hỗn hợp hai cấu tử và cơ sở lý thuyết các phương pháp, thiết bị chưng cất.
  2. Đề xuất và thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hoạt động liên tục.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho toàn hệ thống và từng thiết bị đơn lẻ.
  4. Tính toán thiết kế kết cấu thiết bị chính (tháp chưng cất mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền) bao gồm đường kính, chiều cao, trở lực mâm và tính toán độ bền cơ khí.
  5. Tính toán, lựa chọn các thiết bị phụ trợ (thiết bị ngưng tụ đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh/đáy, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, nồi đun đáy tháp, bồn cao vị và hệ thống bơm dẫn).
  6. Hoàn thiện hệ thống bản vẽ kỹ thuật gồm 01 bản vẽ quy trình công nghệ và 01 bản vẽ cấu tạo thiết bị chính khổ A1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử Ethanol – Nước hoạt động liên tục ở áp suất khí quyển ($760\text{ mmHg}$).
  • Phạm vi thông số kỹ thuật đầu vào: Năng suất nhập liệu $F = 4000\text{ kg/h}$; Nồng độ rượu nhập liệu đạt $20%\text{ thể tích}$ ($25^\circ\text{C}$); Nồng độ sản phẩm đỉnh đạt $90%\text{ thể tích}$ ($25^\circ\text{C}$); Nồng độ sản phẩm đáy không vượt quá $2%\text{ theo khối lượng}$; Trạng thái nhập liệu tại mâm tiếp liệu là trạng thái lỏng sôi ở áp suất thường.
  • Phạm vi thời gian thực hiện: Từ ngày giao đề tài 23/02/2024 đến ngày bảo vệ và hoàn thành tháng 06/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nhiệt động lực học cân bằng pha lỏng – hơi (VLE) của hệ hai cấu tử Ethanol – Nước ở áp suất thường ($1\text{ atm}$). Hỗn hợp có điểm đẳng phí tại nhiệt độ sôi cực tiểu $T = 78{,}15^\circ\text{C}$ với thành phần mol pha lỏng và hơi bằng nhau ($x = y = 89{,}4%\text{ mol}$). Quá trình chưng cất được thực hiện ở vùng nồng độ nằm bên trái điểm đẳng phí ($x < 89{,}4%\text{ mol}$), nơi nồng độ cân bằng của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi luôn lớn hơn trong pha lỏng ($y^* > x$), tạo động lực truyền khối cho quá trình bay hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần.

Các phương pháp và công thức chuẩn được áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp đồ thị McCabe – Thiele để xác định số đĩa (mâm) lý thuyết trên giản đồ cân bằng $x-y$.
  • Phương pháp xác định tỉ số hoàn lưu tối thiểu ($R_{\min}$) thông qua tiếp tuyến từ điểm nồng độ đỉnh $(x_D; x_D)$ đến đường cong cân bằng có điểm uốn của hệ Ethanol – Nước.
  • Mô hình hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) xác định theo tích số độ bay hơi tương đối và độ nhớt pha lỏng ($\alpha \cdot \mu$) dựa trên đồ thị O'Connell.
  • Phương pháp thủy động lực học mâm xuyên lỗ: Tính toán vận tốc giới hạn ngập lụt, trở lực đĩa khô, trở lực thủy tĩnh lớp chất lỏng và trở lực do sức căng bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán kỹ thuật quá trình và thiết bị công nghệ hóa học kết hợp tra cứu số liệu thực nghiệm:

  • Phương pháp giải tích kết hợp đồ thị: Lập các phương trình đường làm việc cho đoạn cất và đoạn chưng; dựng bậc thay đổi nồng độ trên đồ thị cân bằng pha.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lượng: Lập bảng cân bằng năng lượng vào – ra nhằm xác định tiêu hao tác nhân nhiệt (hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ở $119{,}6^\circ\text{C}$) và chất tải lạnh (nước làm mát vào $25^\circ\text{C}$, ra $40^\circ\text{C}$).
  • Phương pháp thiết kế cơ khí thiết bị hóa chất: Tính toán độ dày thân trụ chịu áp lực trong, nắp và đáy elip tiêu chuẩn có gờ, bích ghép bu-lông, ống dẫn dòng và kết cấu tai treo/chân đỡ.

Nguồn dữ liệu

Số liệu nhiệt động (áp suất hơi bão hòa, nhiệt dung riêng, ẩn nhiệt hóa hơi, độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt) được trích xuất đồng bộ từ các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật chuyên ngành: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 & Tập 2 - GS.TS. Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên) và giáo trình Truyền khối của các trường đại học kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các tính chất hóa lý của nước ($H_2O$), ethanol ($C_2H_5OH$) và hệ hỗn hợp hai cấu tử Ethanol – Nước. Phân tử nước phân cực mạnh, khối lượng phân tử $18\text{ g/mol}$, nhiệt độ sôi $100^\circ\text{C}$ ở $760\text{ mmHg}$. Ethanol có khối lượng phân tử $46{,}07\text{ g/mol}$, nhiệt độ sôi $78{,}39^\circ\text{C}$, tỷ trọng $0{,}789\text{ g/cm}^3$ tại $20^\circ\text{C}$. Chương 1 trình bày chi tiết bảng thành phần cân bằng lỏng – hơi và hai giản đồ nhiệt động quan trọng: giản đồ $x-y$ và giản đồ $T-x,y$.

Tác giả so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa ba loại thiết bị phân tách phổ biến trong công nghiệp:

  • Tháp chêm (tháp đệm): Cấu tạo đơn giản, trở lực thấp nhưng hiệu suất tách kém khi đường kính lớn ($D > 0{,}6\text{ m}$), dễ bị phân phối lỏng không đều và khó làm sạch.
  • Tháp mâm chóp: Hiệu suất tách cao, làm việc ổn định với dải lưu lượng rộng nhưng kết cấu phức tạp, trở lực lớn, tiêu tốn vật tư và chi phí chế tạo cao.
  • Tháp mâm xuyên lỗ: Hiệu suất truyền khối tương đối cao, kết cấu đơn giản hơn tháp mâm chóp, trở lực thấp hơn, dễ chế tạo và vệ sinh. Nhược điểm là không làm việc được với chất lỏng bẩn/đóng cặn và yêu cầu lắp đặt mâm phải đạt độ phẳng nghiêm ngặt.

Từ các phân tích trên, đồ án lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền làm thiết bị chính để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước.

Chương 2: Quy trình công nghệ

Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ công nghệ hoạt động liên tục:

  • Hỗn hợp nguyên liệu ($20%\text{ vol}$ cồn) từ bồn chứa nguyên liệu được bơm vận chuyển lên bồn cao vị có ống chảy tràn ổn định áp lực. Hỗn hợp tự chảy qua lưu lượng kế vào thiết bị gia nhiệt nhập liệu dạng ống chùm, được gia nhiệt sơ bộ từ $25^\circ\text{C}$ đến nhiệt độ sôi ($88{,}74^\circ\text{C}$) bằng hơi nước bão hòa.
  • Dòng nhập liệu lỏng sôi đi vào tháp chưng cất tại mâm nạp liệu (mâm số 16 thực tế). Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên tiếp xúc ngược dòng với pha lỏng chảy từ trên xuống qua các mâm xuyên lỗ. Quá trình trao đổi chất và nhiệt liên tục làm tăng nồng độ cấu tử nhẹ (ethanol) lên phía đỉnh và tăng nồng độ cấu tử nặng (nước) xuống phía đáy.
  • Dòng hơi đỉnh ($90%\text{ vol}$ ethanol) đi vào thiết bị ngưng tụ hoàn toàn. Sau ngưng tụ, chất lỏng qua bộ phận phân phối: một phần được bơm hồi lưu trở lại mâm trên cùng của tháp theo tỉ số hoàn lưu thích hợp ($R = 1{,}415$), phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh về $35^\circ\text{C}$ rồi chảy vào bồn chứa thành phẩm.
  • Dòng lỏng ở đáy tháp ($2%\text{ wt}$ ethanol) đi vào nồi đun đáy tháp: một phần bốc hơi tạo dòng hơi gia nhiệt cấp ngược lại cho đáy tháp, phần chất lỏng thải còn lại đi qua thiết bị làm nguội về $35^\circ\text{C}$ và dẫn vào bồn chứa sản phẩm đáy.

Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng

Chương 3 trình bày các bước tính toán cân bằng pha, cân bằng dòng vật chất và xác định các thông số vận hành:

1. Tính toán chuyển đổi nồng độ và lưu lượng các dòng:

  • Suất lượng nhập liệu: $F = 4000\text{ kg/h} \leftrightarrow 199{,}80\text{ kmol/h}$; phân khối lượng $x_F = 0{,}165\text{ kg/kg}$; phân mol $x_F = 0{,}072\text{ kmol/kmol}$; khối lượng mol trung bình $M_F = 20{,}02\text{ kg/kmol}$.
  • Suất lượng sản phẩm đỉnh: $D = 680{,}03\text{ kg/h} \leftrightarrow 17{,}59\text{ kmol/h}$; phân khối lượng $x_D = 0{,}877\text{ kg/kg}$; phân mol $x_D = 0{,}736\text{ kmol/kmol}$; khối lượng mol trung bình $M_D = 38{,}66\text{ kg/kmol}$.
  • Suất lượng sản phẩm đáy: $W = 3319{,}87\text{ kg/h} \leftrightarrow 182{,}21\text{ kmol/h}$; phân khối lượng $x_W = 0{,}020\text{ kg/kg}$; phân mol $x_W = 0{,}0079\text{ kmol/kmol}$; khối lượng mol trung bình $M_W = 18{,}22\text{ kg/kmol}$.

2. Xác định tỉ số hoàn lưu và phương trình đường làm việc:

  • Tỉ số hoàn lưu tối thiểu xác định từ giao điểm tiếp tuyến đường cân bằng với trục tung: $R_{\min} = 0{,}566$.
  • Tỉ số hoàn lưu làm việc tối ưu chọn theo quy chuẩn: $R = 2{,}5 \times R_{\min} = 2{,}5 \times 0{,}566 = 1{,}415$.
  • Phương trình đường làm việc phần cất: $y = 0{,}58592 x + 0{,}304762$.
  • Phương trình đường làm việc phần chưng: $y = 5{,}28944 x - 0{,}03389$.

3. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế:

  • Số mâm lý thuyết: $N_{lt} = 11$ mâm (gồm 7 mâm cất và 4 mâm chưng; mâm nạp liệu lý thuyết là mâm số 7).
  • Hiệu suất mâm tại các vị trí: đỉnh $\eta_D = 58%$, nạp liệu $\eta_F = 38%$, đáy $\eta_W = 41% \to$ hiệu suất trung bình $\eta_{tb} = 45{,}667%$.
  • Số mâm thực tế: $N_{tt} = 11 / 0{,}45667 = 24{,}1 \approx 25$ mâm (trong đó đoạn cất có 15 mâm, đoạn chưng có 9 mâm; vị trí nạp liệu thực tế tại mâm số 16).

4. Cân bằng năng lượng hệ thống:

  • Nhiệt tải thiết bị ngưng tụ đỉnh: $Q_{nt} = 1.694.565{,}69\text{ kJ/h}$; lượng nước làm mát tiêu tốn $G_n = 27.045{,}98\text{ kg/h}$.
  • Nhiệt tải thiết bị gia nhiệt nhập liệu ($25^\circ\text{C} \to 88{,}74^\circ\text{C}$): tiêu tốn lượng hơi đốt bão hòa $D_1 = 501{,}75\text{ kg/h}$ ($Q_{D1} = 1.235.018{,}78\text{ kJ/h}$).
  • Nhiệt tải thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: $Q_D = 78.435{,}45\text{ kJ/h}$.
  • Nhiệt tải thiết bị làm nguội sản phẩm đáy: $Q_W = 878.697{,}36\text{ kJ/h}$.
  • Cân bằng năng lượng toàn tháp: Lượng hơi đốt đáy tháp $D_2 = 811{,}90\text{ kg/h}$ ($Q_{D2} = 1.891.928{,}32\text{ kJ/h}$); tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh ước tính $5%$ ($Q_{xq2} = 84.856{,}64\text{ kJ/h}$).

Chương 4: Tính toán thiết bị chính

Chương 4 tập trung tính toán kích thước hình học, thủy lực và cơ khí tháp:

1. Đường kính tháp ($D_t$):

  • Đoạn cất: Lưu lượng hơi trung bình $g_{tb} = 1392{,}15\text{ kg/h}$, khối lượng riêng hơi trung bình $\rho_{ytb} = 1{,}159\text{ kg/m}^3$, khối lượng riêng lỏng $\rho_{xtb} = 829{,}39\text{ kg/m}^3$; vận tốc hơi làm việc chọn $\omega_c = 0{,}8 \cdot \omega_{gh} = 1{,}069\text{ m/s} \to$ đường kính tính toán đoạn cất $D_c = 0{,}63\text{ m}$.
  • Đoạn chưng: Lưu lượng hơi trung bình $g'{tb} = 964{,}70\text{ kg/h}$, khối lượng riêng hơi $\rho'{ytb} = 0{,}791\text{ kg/m}^3$, khối lượng riêng lỏng $\rho'{xtb} = 934{,}58\text{ kg/m}^3$; vận tốc hơi làm việc $\omega{ch} = 1{,}375\text{ m/s} \to$ đường kính tính toán đoạn chưng $D_{ch} = 0{,}56\text{ m}$.
  • Nhận xét hai đường kính chênh lệch không lớn, đồ án quy chuẩn chọn đường kính chung cho toàn bộ tháp: $D_t = 0{,}8\text{ m} = 800\text{ mm}$. Khi đó, vận tốc làm việc thực tế ở đoạn cất là $0{,}663\text{ m/s}$ và đoạn chưng là $0{,}674\text{ m/s}$.

2. Chiều cao tháp ($H$):

  • Khoảng cách giữa các mâm chọn $H_d = 0{,}3\text{ m} = 300\text{ mm}$; chiều dày mâm $\delta = 3\text{ mm}$.
  • Chiều cao phần thân tháp: $H_{than} = 25 \times (0{,}3 + 0{,}003) + 0{,}8 = 8{,}375\text{ m}$ (khoảng cách đỉnh và đáy tháp chọn $0{,}8\text{ m}$).
  • Đáy và nắp thiết bị chọn loại hình elip tiêu chuẩn có gờ: chiều cao phần elip $h_t = D_t / 4 = 0{,}2\text{ m}$, chiều cao phần gờ $h_{go} = 0{,}025\text{ m} \to$ chiều cao đáy/nắp $H_{d(n)} = 0{,}225\text{ m}$.
  • Tổng chiều cao toàn bộ tháp: $H = H_{than} + 2 \times H_{d(n)} = 8{,}375 + 2 \times 0{,}225 = 8{,}825\text{ m}$.

3. Cấu tạo mâm và tính toán trở lực:

  • Mâm xuyên lỗ làm bằng thép không gỉ X18H10T; đường kính lỗ khoét $d_{lo} = 5\text{ mm}$; bố trí lỗ theo đỉnh tam giác đều tạo mạng lục giác đều với bước lỗ $t = 15\text{ mm}$ ($3 d_{lo}$); số lỗ trên cạnh lục giác $a = 25$ lỗ, đường chéo $b = 49$ lỗ; tổng số lỗ trên một mâm là $n = 1792$ lỗ; diện tích tự do của lỗ chiếm $7%$ diện tích mâm.
  • Chiều cao gờ chảy tràn $h_{go} = 25\text{ mm}$; tổng diện tích hai bán nguyệt của ống chảy chuyền chiếm $20%$ diện tích mâm.
  • Tính toán trở lực thủy động lực học mâm: Trở lực đĩa khô (đoạn cất và chưng với vận tốc qua lỗ lần lượt là $9{,}471\text{ m/s}$ và $9{,}629\text{ m/s}$), trở lực do sức căng bề mặt chất lỏng và trở lực thủy tĩnh lớp chất lỏng trên đĩa.

4. Tính toán kết cấu cơ khí tháp:

  • Bề dày thân tháp, đáy và nắp elip chịu áp suất làm việc và áp suất thủy tĩnh.
  • Tính toán quy chuẩn bích ghép thân – nắp – đáy bằng thép carbon/thép hợp kim có đệm làm kín amiăng.
  • Tính toán đường kính các ống nhánh dẫn dòng: ống nhập liệu, ống dẫn hơi đỉnh, ống hoàn lưu đỉnh, ống dẫn hơi đáy và ống tháo lỏng đáy kèm thông số bích tiêu chuẩn tương ứng.
  • Tính toán tải trọng toàn tháp và thiết kế chân đỡ dạng chân đỡ thép chữ U liên kết bulông móng.

Chương 5: Tính toán các thiết bị phụ

Chương 5 hoàn thiện phần tính toán nhiệt và thủy lực cho các thiết bị trao đổi nhiệt và truyền phụ trợ:

  • Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Dạng ống chùm nằm ngang/đứng, xác định hệ số truyền nhiệt $K$, hiệu số nhiệt độ hữu ích và diện tích bề mặt truyền nhiệt $F_{nt}$.
  • Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Dạng ống chùm gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa, tính toán hệ số cấp nhiệt phía trong/ngoài ống và diện tích truyền nhiệt $F_{gn}$.
  • Nồi đun đáy tháp: Thiết kế cấp nhiệt đáy tháp đảm bảo bốc hơi lượng lỏng hoàn lưu đáy.
  • Các thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy về nhiệt độ bảo quản $35^\circ\text{C}$.
  • Bồn cao vị và hệ thống thủy lực đường ống: Tính toán vận tốc dòng chảy, hệ số ma sát $\lambda$, tổng trở lực cục bộ trên tuyến ống từ bơm lên bồn cao vị và từ bồn cao vị tự chảy vào tháp, qua đó xác định chiều cao lắp đặt bồn cao vị và công suất bơm nhập liệu, bơm hoàn lưu.

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của hệ thống

Hạng mục thông số Ký hiệu / Đơn vị Giá trị tính toán Ghi chú quy chuẩn kỹ thuật
Năng suất nhập liệu $F$ $4000\text{ kg/h}$ $20%\text{ vol}$ ($x_F = 0{,}072\text{ mol/mol}$)
Năng suất sản phẩm đỉnh $D$ $680{,}03\text{ kg/h}$ $90%\text{ vol}$ ($x_D = 0{,}736\text{ mol/mol}$)
Năng suất sản phẩm đáy $W$ $3319{,}87\text{ kg/h}$ $2%\text{ wt}$ ($x_W = 0{,}0079\text{ mol/mol}$)
Tỉ số hoàn lưu làm việc $R$ $1{,}415$ $R = 2{,}5 \times R_{\min}$ ($R_{\min} = 0{,}566$)
Số mâm lý thuyết $N_{lt}$ $11\text{ mâm}$ $7\text{ cất} + 4\text{ chưng}$
Hiệu suất mâm trung bình $\eta_{tb}$ $45{,}67%$ Theo quan hệ $\alpha \cdot \mu$
Số mâm thực tế $N_{tt}$ $25\text{ mâm}$ $15\text{ cất} + 9\text{ chưng}$ (Mâm nạp: 16)
Đường kính thân tháp $D_t$ $800\text{ mm}$ Quy chuẩn từ $D_c = 0{,}63\text{ m}, D_{ch} = 0{,}56\text{ m}$
Khoảng cách mâm $H_d$ $300\text{ mm}$ Thép mâm X18H10T dày $3\text{ mm}$
Tổng số lỗ trên một mâm $n$ $1792\text{ lỗ}$ $d_{lo} = 5\text{ mm}$, bước $t = 15\text{ mm}$
Tổng chiều cao toàn tháp $H$ $8{,}825\text{ m}$ Thân $8{,}375\text{ m} + 2 \times$ nắp/đáy $0{,}225\text{ m}$
Nhiệt tải thiết bị ngưng tụ $Q_{nt}$ $1.694.566\text{ kJ/h}$ Nước làm mát: $27.046\text{ kg/h}$
Lượng hơi đốt đáy tháp $D_2$ $811{,}90\text{ kg/h}$ Hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}6^\circ\text{C}$)
Lượng hơi đốt gia nhiệt nạp liệu $D_1$ $501{,}75\text{ kg/h}$ Gia nhiệt từ $25^\circ\text{C} \to 88{,}74^\circ\text{C}$

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Thiết lập một chu trình tính toán công nghệ hoàn chỉnh từ dữ liệu cân bằng pha nhiệt động học đến bản vẽ cơ khí chế tạo cho hệ thống chưng cất tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục năng suất trung bình ($4\text{ tấn/h}$).
  • Lựa chọn giải pháp kỹ thuật hợp lý: Quy chuẩn đồng nhất đường kính tháp $D_t = 0{,}8\text{ m}$ cho cả hai đoạn cất và chưng giúp đơn giản hóa gia công chế tạo vỏ tháp, đồng thời giữ cho vận tốc pha hơi nằm trong khoảng an toàn ($0{,}66 - 0{,}67\text{ m/s}$), tránh hiện tượng sặc mâm và cuốn giọt.
  • Tối ưu hóa tính toán kết cấu mâm: Bố trí $1792$ lỗ đường kính $5\text{ mm}$ theo mạng lục giác đều đảm bảo tiết diện tự do $7%$ diện tích mâm, kết hợp gờ tràn cao $25\text{ mm}$ giúp phân phối đều pha lỏng và duy trì chiều cao lớp bọt tiếp xúc tối ưu trên đĩa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các giả thiết tính toán nhiệt động dựa trên lý thuyết dòng đẳng mol bốc hơi và ngưng tụ ($L/V$ không đổi trong từng đoạn), chưa xét đến sự biến thiên liên tục của nhiệt dung riêng và entanpi theo từng đĩa thực tế.
  • Hệ số tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh được lấy cố định theo kinh nghiệm kỹ thuật ($5%$ lượng nhiệt tiêu tốn), chưa tính toán chi tiết lớp cách nhiệt thực tế theo điều kiện thời tiết môi trường cụ thể.
  • Đồ án dừng lại ở mức thiết kế công nghệ và cơ khí tĩnh trên bản vẽ, chưa khảo sát các chế độ động học quá trình và kiểm soát tự động khi lưu lượng nhập liệu biến động.

Hướng phát triển tiếp

  • Ứng dụng các phần mềm mô phỏng công nghệ hóa học chuyên dụng (như Aspen Plus, Aspen HYSYS, PRO/II) để kiểm chứng lại các thông số thủy động lực và biên độ dao động nhiệt động của tháp.
  • Nghiên cứu tích hợp mạng lưới trao đổi nhiệt (Pinch Technology) tận dụng nhiệt thừa từ dòng sản phẩm đáy ($98{,}5^\circ\text{C}$) để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nhập liệu ($25^\circ\text{C}$), giúp tiết kiệm lượng hơi đốt $D_1$ tại thiết bị gia nhiệt.
  • Thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa (vòng lặp điều khiển lưu lượng hồi lưu $R$, áp suất đỉnh và mức lỏng đáy tháp) nhằm nâng cao độ ổn định chất lượng cồn đầu ra.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Môi trường: Dùng làm tài liệu mẫu hoàn chỉnh về phương pháp luận và trình tự thực hiện Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị (hoặc Đồ án Thiết kế máy và thiết bị hóa chất).
  • Kỹ sư thiết kế quá trình: Tham khảo quy trình tính toán kích thước công nghệ tháp mâm xuyên lỗ, bảng tra cứu thông số nhiệt động của hệ cồn – nước và các bước kiểm tra thủy lực mâm tránh ngập lụt.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Chương 3 (cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng chi tiết từng thiết bị trao đổi nhiệt) và Chương 4 (toàn bộ chuỗi công thức tính toán thủy động lực học, đường kính, chiều cao và trở lực mâm xuyên lỗ).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại chọn tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp chêm hay tháp mâm chóp?

Theo phân tích ở Chương 1, hệ Ethanol – Nước có năng suất nạp liệu tương đối lớn ($4000\text{ kg/h}$), đường kính tháp tính toán đạt $0{,}8\text{ m}$ (vượt ngưỡng hiệu quả của tháp chêm thông thường $D < 0{,}6\text{ m}$). So với tháp mâm chóp có kết cấu rất phức tạp và trở lực lớn, tháp mâm xuyên lỗ có kết cấu đơn giản hơn, hiệu suất truyền khối tương đối cao, trở lực thấp hơn và chi phí chế tạo tiết kiệm hơn.

2. Tỉ số hoàn lưu làm việc $R = 1{,}415$ được xác định như thế nào?

Từ giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hệ Ethanol – Nước, tác giả kẻ tiếp tuyến từ điểm nồng độ sản phẩm đỉnh $(x_D; x_D) = (0{,}736; 0{,}736)$ đến đường cân bằng có điểm lõm, xác định giao điểm trên trục tung có tung độ $0{,}47$. Từ hệ thức $x_D / (R_{\min} + 1) = 0{,}47$, tính được $R_{\min} = 0{,}566$. Sau đó, chọn tỉ số hoàn lưu thích hợp $R = 2{,}5 \times R_{\min} = 1{,}415$ nhằm tối ưu hóa giữa chiều cao tháp và chi phí năng lượng hơi đốt đáy.

3. Số mâm thực tế của tháp là bao nhiêu và mâm tiếp liệu nằm ở vị trí nào?

Qua dựng đồ thị McCabe – Thiele, số mâm lý thuyết xác định được là 11 mâm (7 mâm cất, 4 mâm chưng). Dựa vào độ nhớt và độ bay hơi tương đối tại đỉnh, nạp liệu và đáy, tính được hiệu suất trung bình của mâm $\eta_{tb} = 45{,}667%$. Do đó, số mâm thực tế được xác định là $25\text{ mâm}$, gồm $15\text{ mâm cất}$ và $9\text{ mâm chưng}$, vị trí mâm tiếp liệu thực tế là mâm số 16 (tính từ đỉnh tháp xuống).

4. Tổng chiều cao và đường kính thân tháp được quy chuẩn như thế nào?

Đường kính tính toán phần cất là $0{,}63\text{ m}$ và phần chưng là $0{,}56\text{ m}$; để đồng bộ chế tạo, tháp được quy chuẩn đường kính toàn thân là $D_t = 0{,}8\text{ m} = 800\text{ mm}$. Chiều cao thân tháp là $8{,}375\text{ m}$ (với 25 mâm, khoảng cách mâm $0{,}3\text{ m}$ và khoảng hở đỉnh/đáy $0{,}8\text{ m}$). Kết hợp hai nắp và đáy elip có gờ (mỗi đáy/nắp cao $0{,}225\text{ m}$), tổng chiều cao của toàn bộ tháp chưng cất là $8{,}825\text{ m}$.

5. Tiêu hao năng lượng hơi đốt và nước làm mát của hệ thống là bao nhiêu?

Hệ thống sử dụng hơi nước bão hòa $2\text{ at}$ ($119{,}6^\circ\text{C}$): tiêu hao $501{,}75\text{ kg/h}$ cho thiết bị gia nhiệt nạp liệu và $811{,}90\text{ kg/h}$ cho nồi đun sôi đáy tháp. Lượng nước làm mát ($25^\circ\text{C} \to 40^\circ\text{C}$) tiêu hao tại thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là $27.045{,}98\text{ kg/h}$.

Kết luận

Đồ án môn học Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường của sinh viên Phùng Thị Mỹ Ân và Hà Phùng Băng Châu đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho hệ thống phân tách cồn năng suất $4000\text{ kg/h}$. Kết quả tính toán đã xác định chính xác các thông số kích thước cơ bản gồm tháp mâm xuyên lỗ 25 mâm thực tế, đường kính $800\text{ mm}$, tổng chiều cao $8{,}825\text{ m}$ cùng các thông số nhiệt tải chi tiết cho toàn bộ thiết bị trao đổi nhiệt phụ trợ. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật chuẩn xác, logic và có tính ứng dụng cao cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học.