Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm và dược phẩm, việc nâng cao độ tinh khiết của nguyên liệu và sản phẩm đóng vai trò then chốt đối với chất lượng của quy trình sản xuất. Hỗn hợp Methanol – Nước là hệ hai cấu tử hòa tan hoàn toàn vào nhau nhưng có nhiệt độ sôi chênh lệch rõ rệt ở áp suất khí quyển (Methanol sôi ở khoảng 64,5°C và Nước sôi ở 100°C). Do đó, phương pháp chưng cất – quá trình phân tách dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi giữa các cấu tử – là giải pháp công nghệ phù hợp nhất để thu hồi Methanol có độ tinh khiết cao. Đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm của nhóm sinh viên Phan Thị Ngọc Quyền và Trần Trúc Linh, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Hữu Quyền tại Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh (thực hiện tháng 1 năm 2022), tập trung vào nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh một hệ thống tháp chưng cất mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:
- Thiết kế thiết bị chưng cất hỗn hợp Methanol – Nước kiểu mâm xuyên lỗ làm việc liên tục ở áp suất khí quyển, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng hơi nước.
- Đáp ứng các chỉ tiêu công nghệ được giao: năng suất nhập liệu $G_F = 1800\text{ kg/h}$; nồng độ dòng nhập liệu đạt 28% khối lượng Methanol; nồng độ dòng sản phẩm đỉnh đạt 95% khối lượng Methanol; nồng độ dòng sản phẩm đáy còn lại 1,5% khối lượng Methanol.
- Thực hiện tính toán cân bằng vật chất để xác định suất lượng các dòng sản phẩm, chỉ số hồi lưu thích hợp, số mâm lý thuyết và số mâm thực tế.
- Lập cân bằng năng lượng nhằm xác định nhiệt lượng tiêu tốn cho quá trình ngưng tụ ở đỉnh và đun sôi ở đáy tháp.
- Tính toán kích thước thiết bị chính (đường kính tháp, chiều cao tháp), kiểm tra thủy lực mâm (trở lực mâm khô, trở lực thủy tĩnh, trở lực sức căng bề mặt, kiểm tra điều kiện sủi bọt đồng nhất và hiện tượng ngập lụt).
- Tính toán cơ khí cho tháp: xác định bề dày thân tháp, đáy, nắp, mâm, bích ghép, đường kính các ống dẫn vào/ra, tính chọn tai treo và chân đỡ chịu lực.
- Tính toán thiết bị phụ trợ chính gồm thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và nồi đun đáy tháp.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hỗn hợp hai cấu tử Methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$, phân tử lượng $M = 32,04\text{ g/mol}$, khối lượng riêng $\rho = 791,8\text{ kg/m}^3$) và Nước ($\text{H}_2\text{O}$, phân tử lượng $M = 18\text{ g/mol}$, khối lượng riêng $1000\text{ kg/m}^3$). Phạm vi tính toán công nghệ giới hạn ở hệ thống thiết bị làm việc ở áp suất thường (1 atm), nhiệt độ nhập liệu ban đầu từ bể chứa là 28°C, hỗn hợp được gia nhiệt đến trạng thái lỏng sôi trước khi vào tháp ($t_F = 83,5^\circ\text{C}$); nước làm mát có nhiệt độ vào 28°C và ra 40°C; nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ và làm nguội đạt 40°C đến 60°C.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Đồ án được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và quá trình truyền khối:
- Lý thuyết cân bằng pha lỏng – hơi: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm về cân bằng pha của hệ Methanol – Nước ở áp suất 1 atm để xây dựng đồ thị quan hệ nhiệt độ sôi – thành phần pha ($t - x, y$) và đồ thị cân bằng pha ($y - x$).
- Mô hình cân bằng vật chất và năng lượng: Áp dụng các định luật bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng cho hệ thống hở làm việc ở trạng thái ổn định liên tục.
- Phương pháp xác định số bậc thay đổi nồng độ lý thuyết: Sử dụng phương pháp đồ thị McCabe – Thiele để thiết lập phương trình đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng, từ đó xác định số mâm lý thuyết trên đồ thị cân bằng pha $y - x$.
- Mô hình hiệu suất mâm: Áp dụng phương pháp O'Connell để xác định hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) thông qua mối tương quan giữa độ bay hơi tương đối ($\alpha$) của cấu tử dễ bay hơi và độ nhớt của pha lỏng ($\mu$) tại nhiệt độ mâm đỉnh, mâm nhập liệu và mâm đáy tháp, trích xuất từ các tài liệu chuẩn hóa về Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất và Thực phẩm.
- Phương pháp thủy động lực học tháp mâm xuyên lỗ: Tính toán vận tốc hơi giới hạn qua tiết diện tháp, trở lực thủy lực của mâm (gồm trở lực đĩa khô, chiều cao lớp chất lỏng trên mâm, trở lực mao dẫn do sức căng bề mặt), kiểm tra tính đồng nhất của các lỗ sủi bọt và kiểm tra mực chất lỏng trong ống chảy chuyền nhằm ngăn ngừa ngập lụt.
- Tiêu chuẩn tính toán cơ khí thiết bị hóa chất: Áp dụng các công thức tính toán sức bền thành mỏng, nắp/đáy elip, độ võng của bản tròn đục lỗ ngàm kẹp theo tiêu chuẩn của tài liệu chuyên ngành máy và thiết bị hóa chất (Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất tập 1 và tập 2, tài liệu của tác giả Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, Nguyễn Minh Tuyển, Trịnh Văn Dũng).
Dữ liệu tính toán được tra cứu từ các nguồn:
- Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1 và Tập 2).
- Giáo trình "Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hóa học – Tập 3: Truyền khối" (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh).
- Giáo trình "Cơ sở tính toán máy và thiết bị hóa chất – thực phẩm" (Nguyễn Minh Tuyển).
- Bài tập Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hóa chất – Truyền khối (Trịnh Văn Dũng).
Quy trình công nghệ và thiết kế kỹ thuật
Hệ thống chưng cất Methanol – Nước kiểu mâm xuyên lỗ hoạt động theo nguyên lý liên tục:
| Ký hiệu |
Tên thiết bị trong dây chuyền |
Chức năng kỹ thuật |
| 1 |
Bồn cao vị |
Duy trì áp lực thủy tĩnh ổn định cho dòng nhập liệu |
| 3 |
Thiết bị đun sôi nhập liệu |
Gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu đến nhiệt độ sôi ($83,5^\circ\text{C}$) trước khi vào tháp |
| 4 |
Tháp chưng luyện |
Tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền, thực hiện tiếp xúc pha lỏng - hơi |
| 6 |
Thiết bị ngưng tụ |
Ngưng tụ hoàn toàn dòng hơi bay ra từ đỉnh tháp |
| 7 |
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh |
Hạ nhiệt độ sản phẩm đỉnh xuống mức yêu cầu lưu trữ ($40^\circ\text{C}$) |
| 8 |
Bồn chứa sản phẩm đỉnh |
Chứa sản phẩm Methanol nồng độ cao (95% khối lượng) |
| 9 |
Bình phân phối |
Chia dòng lỏng ngưng tụ thành dòng hồi lưu đỉnh và dòng sản phẩm xuất xưởng |
| 10 |
Nồi đun sản phẩm đáy |
Cung cấp nhiệt gián tiếp tạo pha hơi hồi lưu cho đoạn chưng |
| 11 |
Bồn chứa nhập liệu |
Chứa hỗn hợp nguyên liệu ban đầu ở nhiệt độ thường ($28^\circ\text{C}$) |
| 12 |
Bồn chứa sản phẩm đáy |
Chứa sản phẩm đáy chủ yếu là nước (Methanol còn 1,5% khối lượng) |
| 14 |
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy |
Hạ nhiệt độ dòng thải đáy tháp trước khi đưa vào bồn chứa |
Dung dịch nguyên liệu từ bồn chứa (11) được bơm lên bồn cao vị (1), sau đó đi qua thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt lượng của dòng sản phẩm đáy, tiếp tục qua thiết bị đun sôi (3) để đạt trạng thái lỏng sôi rồi nạp vào tháp chưng luyện (4) tại đĩa tiếp liệu. Trong thân tháp, pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ mâm tiếp xúc trực tiếp với pha lỏng chảy tràn từ trên xuống qua các ống chảy chuyền. Nước (nhiệt độ sôi cao) ngưng tụ dần vào pha lỏng, trong khi Methanol (nhiệt độ sôi thấp) bốc hơi vào pha khí. Hơi đỉnh có nồng độ 95% khối lượng Methanol đi vào thiết bị ngưng tụ (6); một phần chất lỏng được hồi lưu về đỉnh tháp qua bình phân phối (9), phần còn lại được làm nguội và đưa vào bồn chứa (8). Chất lỏng đáy tháp có nồng độ Methanol 1,5% được đun sôi tuần hoàn qua nồi đun (10) để cấp nhiệt, phần còn lại đi qua cụm trao đổi nhiệt và làm nguội (14) trước khi vào bồn chứa (12).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 giới thiệu chi tiết về tính chất vật lý, hóa học của hai cấu tử Methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$) và Nước ($\text{H}_2\text{O}$). Methanol có khối lượng phân tử $32,04\text{ g/mol}$, nhiệt độ nóng chảy $-97^\circ\text{C}$, khối lượng riêng $791,8\text{ kg/m}^3$, được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp khí than ($\text{H}_2$ và $\text{CO}$) ở áp suất thấp. Chương này công bố bảng số liệu cân bằng lỏng – hơi của hệ Methanol – Nước ở áp suất 1 atm (Bảng 1 trong văn bản), thể hiện khoảng biến thiên nhiệt độ sôi từ $64,5^\circ\text{C}$ (Methanol nguyên chất) đến $100^\circ\text{C}$ (Nước nguyên chất).
Tác giả phân tích các phương pháp chưng cất (phân loại theo áp suất, nguyên lý làm việc và phương thức cấp nhiệt), đồng thời so sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa ba dạng tháp phổ biến: tháp chêm, tháp mâm chóp và tháp mâm xuyên lỗ qua Bảng 2. Kết quả so sánh chỉ ra rằng tháp mâm xuyên lỗ có trở lực thấp hơn tháp mâm chóp, hiệu suất tiếp xúc pha tương đối cao, kết cấu chế tạo cơ khí đơn giản hơn tháp chóp và làm việc ổn định hơn tháp chêm đối với các hỗn hợp chất lỏng sạch, do đó được lựa chọn làm phương án thiết kế chính thức.
Chương 2: Quy trình công nghệ
Chương này trình bày toàn bộ thuyết minh công nghệ và sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất liên tục. Nội dung nêu rõ đường đi của các dòng vật chất: dòng nhập liệu từ bồn chứa qua bơm, bồn cao vị, thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt dư đáy, thiết bị đun sôi dòng nhập liệu đến nhiệt độ sôi $83,5^\circ\text{C}$ trước khi vào mâm tiếp liệu của tháp. Chương này diễn giải chi tiết cơ chế tiếp xúc pha lỏng – hơi trên các mâm, chu trình ngưng tụ hơi đỉnh, chu trình hồi lưu đỉnh và chu trình cấp nhiệt đáy tháp, kèm theo danh mục 14 cụm thiết bị và phụ kiện đường ống cấu thành dây chuyền công nghệ.
Chương 3: Tính cân bằng vật chất
Chương 3 giải quyết các bài toán công nghệ nền tảng:
- Chuyển đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol: nồng độ nhập liệu $x_F = 0,1795\text{ mol/mol}$; nồng độ sản phẩm đỉnh $x_D = 0,9144\text{ mol/mol}$; nồng độ sản phẩm đáy $x_W = 0,0085\text{ mol/mol}$.
- Khối lượng mol trung bình của dòng nhập liệu: $M_F = 20,513\text{ kg/kmol}$. Suất lượng mol nhập liệu: $F = 89,94\text{ kmol/h}$.
- Thiết lập hệ phương trình cân bằng vật chất toàn tháp:
$$\begin{cases} F = D + W \ F \cdot x_F = D \cdot x_D + W \cdot x_W \end{cases}$$
- Xác định trạng thái nhập liệu là lỏng sôi ($t_F = 83,5^\circ\text{C}$), từ đồ thị cân bằng nội suy được nồng độ cân bằng của pha hơi $y^*F = 0,4655\text{ mol/mol}$. Tỷ số hồi lưu tối thiểu tính được là $R{min} = 1,57$.
- Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc:
- Đoạn luyện: $y = 0,7006x + 0,274$
- Đoạn chưng: $y = 2,28x - 0,011$
- Xác định số mâm lý thuyết qua đồ thị McCabe – Thiele: tổng cộng $N_{lt} = 6\text{ mâm}$ (gồm 4 mâm phần luyện và 2 mâm phần chưng).
- Xác định hiệu suất trung bình của tháp: Tính toán độ bay hơi tương đối ($\alpha$) và độ nhớt pha lỏng ($\mu$) tại 3 vị trí then chốt: đỉnh tháp ($t_D = 65,8^\circ\text{C}$, $\eta_D = 48%$), mâm nhập liệu ($t_F = 83,5^\circ\text{C}$, $\eta_F = 46%$) và đáy tháp ($t_W = 98,5^\circ\text{C}$, $\eta_W = 43%$). Hiệu suất trung bình của toàn tháp đạt xấp xỉ $\eta_{tb} = 45,6%$.
- Xác định số mâm thực tế: $N_{tt} = N_{lt} / \eta_{tb} = 14\text{ mâm}$ (chọn 9 mâm phần luyện và 5 mâm phần chưng).
Chương 4: Tính cân bằng năng lượng
Chương 4 thiết lập phương trình cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
$$Q_F + Q_K = Q_W + Q_D + Q_{nt} + Q_m$$
Trong đó:
- $Q_{nt}$: Nhiệt lượng ngưng tụ hơi ở đỉnh tháp, tính toán dựa trên ẩn nhiệt hóa hơi của nước ($r_N = 2346,968\text{ kJ/kg}$) và methanol ($r_R = 1120\text{ kJ/kg}$) ở nhiệt độ đỉnh $65,8^\circ\text{C}$.
- $Q_F$: Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp ở nhiệt độ sôi ($83,5^\circ\text{C}$), chọn nhiệt độ mốc $t_0 = 20^\circ\text{C}$.
- $Q_W$: Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp.
- $Q_D$: Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra khỏi thiết bị ngưng tụ.
- $Q_m$: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% lượng nhiệt hữu ích.
Từ các giá trị thành phần, tác giả tính toán được tổng nhiệt lượng $Q_K$ cần cung cấp cho nồi đun đáy tháp để duy trì sự bốc hơi liên tục.
Chương 5: Tính toán thiết bị chính
Chương 5 là phần trọng tâm với các phép tính toán thủy lực và kết cấu cơ khí chi tiết:
- Đường kính tháp: Tính toán riêng cho đoạn luyện và đoạn chưng dựa trên vận tốc hơi cho phép:
- Đoạn luyện: Nhiệt độ trung bình pha lỏng $71,6^\circ\text{C}$, khối lượng riêng lỏng $\rho_L = 818,33\text{ kg/m}^3$; khối lượng riêng pha hơi $\rho_{HL} = 0,9673\text{ kg/m}^3$; vận tốc hơi làm việc $0,814\text{ m/s}$; lưu lượng hơi $0,443\text{ m}^3\text{/s}$ $\rightarrow$ đường kính tính toán $D_L = 0,833\text{ m}$.
- Đoạn chưng: Nhiệt độ trung bình lỏng $93,8^\circ\text{C}$, khối lượng riêng lỏng $\rho_C = 918,27\text{ kg/m}^3$; khối lượng riêng pha hơi $\rho_{HC} = 0,697\text{ kg/m}^3$; vận tốc hơi làm việc $1,016\text{ m/s}$; lưu lượng hơi $0,471\text{ m}^3\text{/s}$ $\rightarrow$ đường kính tính toán $D_C = 0,768\text{ m}$.
- Chuẩn hóa đường kính tháp: Tác giả chọn đường kính chuẩn theo bảng tra IX.4a là $D = 600\text{ mm}$ ($0,6\text{ m}$), vận tốc pha hơi thực tế tương ứng là $0,741\text{ m/s}$ (phần luyện) và $0,697\text{ m/s}$ (phần chưng).
- Chiều cao tháp: Khoảng cách giữa các mâm chọn $h = 250\text{ mm}$. Với 14 mâm thực tế và chiều cao nắp/đáy elip chuẩn $H_{đn} = 0,25\text{ m}$ (chiều cao phần lồi $0,225\text{ m}$, gờ cao $0,025\text{ m}$), chiều cao toàn thân tháp đạt $H_{tháp} = 3,78\text{ m}$.
- Thủy lực mâm xuyên lỗ: Mâm có ống chảy chuyền, tiết diện tự do của lỗ chiếm 8% diện tích mâm, đường kính lỗ $d_l = 3\text{ mm}$, chiều cao gờ chảy tràn $h_{gờ} = 30\text{ mm}$, diện tích bán nguyệt bằng 20% diện tích mâm, bố trí lỗ theo hình lục giác đều với tổng số lỗ $N = 7351\text{ lỗ}$ (số lỗ trên đường chéo là 99 lỗ).
- Trở lực mâm khô: đoạn luyện $66,78\text{ N/m}^2$; đoạn chưng $54,39\text{ N/m}^2$.
- Trở lực thủy tĩnh tầng chất lỏng: đoạn luyện $206,11\text{ N/m}^2$; đoạn chưng $218,40\text{ N/m}^2$.
- Trở lực do sức căng bề mặt: đoạn luyện $18,15\text{ N/m}^2$; đoạn chưng $16,51\text{ N/m}^2$.
- Tổng trở lực thủy lực một mâm: đoạn luyện $291,04\text{ N/m}^2$; đoạn chưng $289,30\text{ N/m}^2$.
- Kiểm tra điều kiện làm việc: Khoảng cách mâm $h = 0,25\text{ m}$ thỏa mãn điều kiện ổn định $h > 1,8 \cdot (\Delta P / \rho_L g) = 0,065\text{ m}$; vận tốc hơi thực tế lớn hơn vận tốc tối thiểu $V_{min}$ đảm bảo toàn bộ 7351 lỗ đều hoạt động sủi bọt; kiểm tra ngập lụt qua chiều cao dâng chất lỏng trong ống chảy chuyền: đoạn luyện đạt $h_{dL} = 69,42\text{ mm} < 125\text{ mm}$ ($h/2$), kết luận hệ thống không bị ngập lụt.
- Tính toán cơ khí thiết bị:
- Bề dày thân tháp: Vật liệu thép không gỉ X18H10T hàn hồ quang điện giáp mối hai phía ($\varphi = 0,95$), ứng suất cho phép $[\sigma]^* = 142\text{ N/mm}^2$, hệ số ăn mòn $C_a = 1\text{ mm}$ (cho 20 năm làm việc). Áp suất tính toán $P = 0,0363\text{ N/mm}^2$, bề dày tính toán $S' = 0,121\text{ mm}$, quy tròn theo chuẩn chọn $S = 2\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện bền).
- Nắp và đáy tháp: Dạng elip tiêu chuẩn tỷ lệ $h_t / D_t = 0,25$, gờ cao $25\text{ mm}$, bề dày chế tạo $S = 2\text{ mm}$ bằng thép X18H10T.
- Bề dày mâm: Tính toán theo điều kiện bản tròn đục lỗ chịu áp suất thủy tĩnh và tải trọng gờ tràn, chọn bề dày mâm $S = 2\text{ mm}$, kiểm tra độ võng cực đại ở tâm đạt $0,028 < 0,056$ (thỏa mãn $f < S/2$).
- Mặt bích thân: Bích liền không cổ bằng thép CT3, ghép thân nắp bằng đệm amiăng dày $3\text{ mm}$, sử dụng 24 bu lông M20 cho mỗi cặp bích; số lượng mặt bích ghép toàn thân tháp là 6 bích.
- Kích thước ống dẫn: Ống nhập liệu đường kính trong $D_y = 32\text{ mm}$ ($v = 1\text{ m/s}$); ống hơi đỉnh $D_y = 70\text{ mm}$ ($v = 50\text{ m/s}$); ống hồi lưu lỏng đỉnh $D_y = 40\text{ mm}$ ($v = 0,5\text{ m/s}$); ống hơi đáy tháp $D_y = 80\text{ mm}$ ($v = 120\text{ m/s}$); ống tháo lỏng đáy $D_y = 32\text{ mm}$ ($v = 0,5\text{ m/s}$).
- Kết cấu đỡ: Tổng khối lượng tháp là $496,98\text{ kg}$ (trọng lượng toàn tháp $P = 4870,4\text{ N}$). Chọn 4 chân đỡ bằng thép CT3 chịu tải trọng quy định $5000\text{ N/chân}$ và 4 tai treo bằng thép CT3 chống rung lắc (tải trọng $5000\text{ N/tai}$, khối lượng một tai treo $1,23\text{ kg}$).
Chương 6: Tính thiết bị phụ
Chương 6 tính toán các thiết bị truyền nhiệt đi kèm:
- Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: Lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm (vỏ – ống) đặt nằm ngang. Ống truyền nhiệt làm bằng thép không gỉ X18H10T, kích thước ngoài $d_n = 25\text{ mm}$, bề dày thành ống $2\text{ mm}$ (đường kính trong $d_{tr} = 21\text{ mm}$), chiều dài ống $L = 1\text{ m}$. Nước làm mát đi bên trong ống với nhiệt độ vào $28^\circ\text{C}$ và ra $40^\circ\text{C}$. Dòng hơi đỉnh tháp đi ngoài ống ngưng tụ hoàn toàn ở nhiệt độ không đổi $65,8^\circ\text{C}$.
- Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: Thiết bị cấp nhiệt kiểu gián tiếp dùng hơi nước bão hòa để tái hóa hơi một phần dòng lỏng đáy tháp ở nhiệt độ sôi cận $100^\circ\text{C}$.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn bộ hồ sơ tính toán công nghệ và thiết kế cơ khí cho hệ thống chưng cất Methanol – Nước với các thông số kỹ thuật được tổng hợp trong bảng sau:
| Hạng mục thông số |
Giá trị thiết kế |
Đơn vị tính |
| Năng suất nhập liệu |
1800 |
kg/h |
| Nồng độ Methanol dòng nhập liệu |
28 |
% khối lượng |
| Nồng độ Methanol sản phẩm đỉnh |
95 |
% khối lượng |
| Nồng độ Methanol sản phẩm đáy |
1,5 |
% khối lượng |
| Trạng thái nhiệt dòng nhập liệu |
Lỏng sôi ($83,5^\circ\text{C}$) |
- |
| Suất lượng mol nhập liệu ($F$) |
89,94 |
kmol/h |
| Tỷ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) |
1,57 |
- |
| Số mâm lý thuyết ($N_{lt}$) |
6 (4 luyện, 2 chưng) |
mâm |
| Hiệu suất mâm trung bình ($\eta_{tb}$) |
45,6 |
% |
| Số mâm thực tế ($N_{tt}$) |
14 (9 luyện, 5 chưng) |
mâm |
| Đường kính tháp quy chuẩn ($D$) |
600 (0,6) |
mm (m) |
| Khoảng cách giữa các mâm ($h$) |
250 |
mm |
| Chiều cao toàn bộ tháp ($H$) |
3,78 |
m |
| Tổng số lỗ trên một mâm |
7351 (đường kính lỗ 3 mm) |
lỗ |
| Bề dày thân, nắp đáy và mâm tháp |
2 |
mm |
| Vật liệu thân, nắp đáy, mâm, ống dẫn |
Thép không gỉ X18H10T |
- |
| Vật liệu bích ghép, tai treo, chân đỡ |
Thép CT3 |
- |
| Trở lực thủy lực một mâm (luyện / chưng) |
291,04 / 289,30 |
N/m² |
| Khối lượng toàn bộ tháp |
496,98 |
kg |
| Quy cách chân đỡ và tai treo |
4 chân đỡ, 4 tai treo (5000 N/chiếc) |
chiếc |
| Thiết bị ngưng tụ đỉnh |
Dạng vỏ - ống chùm nằm ngang (ống $\Phi 25\times 2$) |
- |
Đóng góp kỹ thuật của đồ án thể hiện ở việc áp dụng quy trình tính toán hệ thống, kết nối logic giữa cân bằng nhiệt động pha, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng với các bài toán thủy lực và kiểm tra sức bền cơ học. Các bước kiểm tra thủy lực (hiện tượng dâng chất lỏng gây ngập lụt, điều kiện sủi bọt tối thiểu qua lỗ, khoảng cách an toàn giữa các mâm) được tính toán định lượng chặt chẽ, chứng minh hệ thống vận hành ổn định ở điều kiện áp suất thường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản đồ án bộc lộ một số hạn chế gắn liền với phạm vi tính toán thiết kế học thuật:
- Văn bản dừng lại ở trạng thái tính toán thiết kế tĩnh, chưa mô phỏng động học quá trình điều khiển nhiệt độ, áp suất và mức chất lỏng trong tháp khi có dao động về lưu lượng hoặc nồng độ nhập liệu.
- Trong tính toán cơ khí, có sự không nhất quán giữa đường kính thủy lực quy chuẩn ($D = 600\text{ mm}$) và thông số tra bảng mặt bích thân ở mục 5.2 ($D_t = 900\text{ mm}$), cần được hiệu chỉnh đồng bộ về một kích thước danh nghĩa duy nhất.
- Một số giả định đơn giản hóa chưa xét đến tác động thực tế, chẳng hạn như giả định bỏ qua sự tạo bọt trong lòng ống chảy chuyền khi kiểm tra ngập lụt, và giả định tổn thất nhiệt cố định $Q_m = 5%$.
- Phần tính toán thiết bị phụ (Chương 6) mới chỉ dừng lại ở việc chọn kiểu dáng, quy cách ống truyền nhiệt và nhiệt độ dòng lưu chất của thiết bị ngưng tụ đỉnh; văn bản chưa cung cấp các phép tính chi tiết về diện tích bề mặt truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt tổng quát ($K$) và cấu tạo cơ khí cho nồi đun Reboiler đáy tháp.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:
- Thực hiện tính toán chi tiết và thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho toàn bộ cụm thiết bị phụ (nồi đun đáy tháp, thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh, thiết bị làm nguội sản phẩm đáy và bồn cao vị).
- Tối ưu hóa kinh tế cho tỷ số hồi lưu làm việc ($R$) dựa trên bài toán cân bằng giữa chi phí đầu tư thiết bị (vốn cố định) và chi phí năng lượng hơi đốt/nước làm mát (chi phí vận hành).
- Ứng dụng các phần mềm mô phỏng quá trình hóa học chuyên dụng (như Aspen Plus hoặc HYSYS) để kiểm chứng lại các thông số cân bằng pha, số mâm lý thuyết và biên độ làm việc chống ngập lụt của tháp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tế cho các đối tượng sau:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sau thu hoạch và Quản lý Môi trường đang thực hiện đồ án môn học Quá trình & Thiết bị (học phần Truyền khối hoặc Kỹ thuật Thực phẩm).
- Người học cần tham khảo quy trình mẫu về thiết kế tháp mâm xuyên lỗ: các bước thiết lập bảng số liệu cân bằng pha $t-x, y$, phương pháp vẽ đồ thị McCabe – Thiele xác định số mâm lý thuyết, và thuật toán tính hiệu suất mâm O'Connell.
- Kỹ sư thiết kế thiết bị phân tách trong công nghiệp hóa chất – thực phẩm: phần tính toán thủy lực mâm (xác định số lỗ, trở lực đĩa khô, trở lực mao dẫn, trở lực tầng chất lỏng) và phần kiểm tra cơ khí sức bền vỏ mỏng chịu áp lực thủy tĩnh (thân, nắp elip, mâm, bích, chân đỡ) cung cấp các công thức tính toán và bảng tra tiêu chuẩn có thể tái sử dụng trực tiếp.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án chọn loại tháp mâm xuyên lỗ thay vì tháp chêm hoặc tháp mâm chóp để chưng cất hệ Methanol – Nước?
Dựa trên phân tích so sánh kỹ thuật ở Bảng 2 của đồ án, tháp mâm xuyên lỗ có trở lực thấp hơn nhiều so với tháp mâm chóp, hiệu suất tiếp xúc pha khá cao, kết cấu chế tạo cơ khí đơn giản và thiết bị không bị cồng kềnh, nặng nề như tháp mâm chóp. Đồng thời, hỗn hợp Methanol – Nước là hệ chất lỏng sạch, không có cặn bẩn cơ học nên khắc phục được nhược điểm dễ nghẹt lỗ của tháp mâm xuyên lỗ.
2. Tỷ số hồi lưu tối thiểu ($R_{min}$) và số mâm thực tế của tháp được tính toán bằng bao nhiêu?
Từ nồng độ nhập liệu lỏng sôi $x_F = 0,1795$ tra ra nồng độ hơi cân bằng $y^*F = 0,4655$, tác giả xác định được tỷ số hồi lưu tối thiểu là $R{min} = 1,57$. Qua đồ thị McCabe – Thiele, số mâm lý thuyết xác định được là 6 mâm (4 mâm luyện, 2 mâm chưng). Với hiệu suất trung bình của tháp tính theo độ bay hơi tương đối và độ nhớt đạt xấp xỉ 45,6%, số mâm thực tế được chọn là 14 mâm (9 mâm phần luyện và 5 mâm phần chưng).
3. Cơ sở nào để khẳng định tháp không bị ngập lụt khi vận hành ở năng suất 1800 kg/h?
Tác giả đã thực hiện phép kiểm tra thủy lực chiều cao dâng mực chất lỏng trong ống chảy chuyền ($h_d$). Điều kiện an toàn chống ngập lụt là $h_d \le h/2 = 125\text{ mm}$ (với khoảng cách mâm $h = 250\text{ mm}$). Kết quả tính toán cho thấy ở phần luyện $h_{dL} = 69,42\text{ mm} < 125\text{ mm}$, do đó hiện tượng ngập lụt không thể xảy ra trong quá trình vận hành bình thường.
4. Tháp có kích thước hình học chính và tổng khối lượng là bao nhiêu?
Đường kính tính toán theo thủy lực của đoạn luyện là $0,833\text{ m}$ và đoạn chưng là $0,768\text{ m}$, được tác giả chuẩn hóa theo bảng tiêu chuẩn về đường kính tháp $D = 600\text{ mm}$ ($0,6\text{ m}$). Khoảng cách giữa các mâm là $250\text{ mm}$, chiều cao nắp và đáy elip là $0,25\text{ m}$, mang lại chiều cao toàn tháp là $H = 3,78\text{ m}$. Tổng khối lượng kim loại của toàn bộ tháp (gồm thân, nắp đáy, 14 mâm và các mặt bích) tính được là $496,98\text{ kg}$ (trọng lượng $4870,4\text{ N}$).
5. Vật liệu nào được chọn để chế tạo thân tháp, mâm và chân đỡ?
Để đảm bảo độ bền hóa học chống ăn mòn trong môi trường hơi Methanol và nước ở nhiệt độ lên tới $100^\circ\text{C}$, tác giả chọn thép không gỉ mã hiệu X18H10T để chế tạo thân tháp, đáy, nắp, các mâm xuyên lỗ và các đoạn ống dẫn. Đối với các kết cấu chịu lực cơ học bên ngoài không tiếp xúc trực tiếp với môi chất (gồm các mặt bích ghép thân, bu lông, 4 chân đỡ và 4 tai treo), vật liệu được lựa chọn là thép carbon CT3.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế thiết bị chưng cất Metanol – Nước kiểu mâm xuyên lỗ, năng xuất nhập liệu 1800 kg hỗn hợp/h" đã giải quyết đầy đủ và logic các yêu cầu kỹ thuật của một đồ án môn học Kỹ thuật thực phẩm. Nhóm tác giả đã hoàn thiện chuỗi tính toán từ cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, xác định kích thước hình học tháp đến kiểm tra thủy lực mâm và tính toán độ bền cơ khí các chi tiết chịu lực. Kết quả tính toán xác định tháp có đường kính quy chuẩn 0,6 m, chiều cao 3,78 m với 14 mâm thực tế chế tạo bằng thép X18H10T, đảm bảo khả năng tách hỗn hợp đạt nồng độ sản phẩm đỉnh 95% Methanol và không bị ngập lụt khi vận hành liên tục ở áp suất khí quyển.
