Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu)

Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu) Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu)

1

2

Phụ lục

LỜI MỞ ĐẦU 5

PHẦN 1:TỔNG QUAN 6

1 Giới thiệu về công nghiệp thu hồi Xylene từ Reformate 6

1.1 Tính chất và vai trò của Xylene 6

1.2 Quá trình Reforming xúc tác 7

1.3 Thu hồi Xylene từ dòng Reformate 7

2 Giới thiệu về phương pháp chưng cất đa cấu tử 7

2.1 Khái niệm về chưng cất 7

2.2 Sơ lược về tính toán chưng cất đa cấu tử 9

2.3 Lựa chọn thiết bị chưng cất .10

3 Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi Xylene từ dòng Reformate: 11

PHẦN 2:CÂN BẰNG VẬT CHẤT 13

1 Cân bằng vật chất: 13

1.1 Các số liệu ban đầu .13

1.2 Các quy ước về ký hiệu .13

1.3 Cân bằng vật chất-Xác định thành phần các cấu tử .13

2 Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết: 16

2.1 Chọn cấu tử khóa .16

2.2 Tính độ bay hơi tương đối 16

3 Xác định Nmin theo công thức Fenske 18

4 Xác định Rmin theo phương pháp đơn giản hóa Gililand .19

5 Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R 21

PHẦN 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG 22

PHẦN 4: TÍNH TOÁN SƠ BỘ THIẾT BỊ CHÍNH 24

1 Tính sơ bộ đường kính mâm .24

1.1 Diện tích mâm .24

3

1.2 Đường kính tháp .26

2 Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa .27

2.1 Số đường đi của lỏng trên mâm .27

2.2 Khoảng cách giữa 2 mâm .27

2.3 Các kích thước khác .27

2.4 Bước lỗ 27

2.5 Sắp xếp kênh chảy truyền 28

2.6 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền .28

3 Tổng kết sắp xếp mặt đĩa .29

4 Kiểm tra chế độ làm việc của tháp .29

4.1 Kiểm tra sặc đĩa .29

4.2 Kiểm tra khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng 30

4.3 Kiểm tra chế độ làm việc trên mâm .31

4.4 Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền .32

4.5 Trở lực của mâm .33

4.6 Kiểm tra chiều cao mực lỏng trong kênh chảy truyền .34

4.7 Kiểm tra rò rỉ của lỏng qua lỗ 35

4.8 Kiểm tra mức độ kín của kênh chảy truyền .35

5 Hiệu suất và chiều cao tháp .36

5.1 Hiệu suất tháp: 36

5.2 Chiều cao tháp: 36

6 Tính toán cơ khí cho tháp .37

6.1 Bề dày thân tháp .37

6.2 Bề dày đáy nắp thiết bị .39

6.3 Đường kính các ống dẫn-Bích ghép các ống dẫn .40

6.4 Tính toán trụ đỡ tháp .45

PHẦN 5:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 47

4

1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .47

2 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp .52

3 Bơm nhập liệu .57

LỜI KẾT 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

5

LỜI MỞ ĐẦU

Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói riêng

và thế giới nói chung,đó là ngành công nghiệp hóa chất Các hóa chất ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống,sản xuất và trong công nghiệp.Có thể kể đến đó là Xylene với các ứng dụng như: làm dung môi,sản xuất nhựa PET,sợi Polyester

Xylene được sản xuất chủ yếu trong công nghiệp Lọc-Hóa dầu.Đi từ các phân đoạn dầu mỏ,trải qua các quá trình phản ứng và chưng tách sẽ thu được hỗn hợp Xylene mong muốn

Nội dung của đồ án là thiết kế tháp RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 kg/h

Đồ án sẽ là cơ hội để em có thể vận dụng các kiến thức đã học,cũng như rèn luyện tư duy

và nâng cao khả năng giải quyết vấn đề.Đây là bước đầu để em có thể tiếp cận với thực tế

và tập các kỹ năng cơ bản để trở thành một người Kỹ sư

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết bị,đặc biệt là Thầy Tạ Đăng Khoa đã tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn thành đồ án này

Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót,em rất mong quý thầy cô

góp ý,chỉ dẫn

6

PHẦN 1:TỔNG QUAN

1 Giới thiệu về công nghiệp thu hồi Xylene từ Reformate

1.1 Tính chất và vai trò của Xylene

 Xylene , hay còn gọi xylol hoặc dimethylbenzene là một hydrocarbon thơm hỗn hợp gồm một benzen nhân với hai nhóm methyl ở vị trí thay thế

khác nhau Ba đồng phân của xylen có công thức phân tử C8H10 Hỗn hợp này là một chất lỏng không màu hơi nhờn thường gặp phải như một dung môi Xylene lần đầu tiên được phân lập và đặt tên vào năm 1850 bởi nhà hóa học người

Pháp Auguste

 Các tính chất vật lý của Xylene:

Bảng Tính chất vật lý của Xylene

 Axit terephthalic và các dẫn xuất liên quan:

P -Xylene là tiền chất chính để tổng hợp terephthalic axit và dimethyl terephthalate, cả

hai monome được sử dụng trong việc sản xuất polyethylene terephthalate (PET) chai nhựa và polyester quần áo 98% của p sản xuất -xylene, và một nửa trong số tất cả xylene sản xuất được tiêu thụ theo cách này

 Ứng dụng dung môi:

Xylene dung môi thường có chứa một tỷ lệ phần trăm nhỏ của ethylbenzene Giống như các đồng phân cá nhân, hỗn hợp là không màu, có mùi thơm, và rất dễ cháy Lĩnh vực áp dụng bao gồm in, cao su, và da công nghiệp Nó là một thành phần phổ biến của mực in, cao su, và chất kết dính Trong nha khoa, xylene có thể được sử dụng để hòa tan gutta percha, một loại vật liệu được sử dụng cho nội nha (điều trị tủy răng) Trong ngành công nghiệp dầu khí, xylene cũng là một thành phần thường xuyên của các dung môi parafin, khi sử dụng các ống trở nên cồng kềnh với sáp paraffin

7

 Sử dụng phòng thí nghiệm:

Xylene được sử dụng trong phòng thí nghiệm để làm cho để làm mát đựng phản ứng Xylene còn được sử dụng để loại bỏ dầu hỏa từ kính hiển vi khô trước khi nhuộm Sau khi nhuộm, kính hiển vi được đặt trong xylen trước khi gắn với một bao ngoài

 Độc tính:

Các tác dụng chính của hít phải khí xylen là trầm cảm của hệ thần kinh trung ương

(CNS), với các triệu chứng như đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và ói mửa Tại một tiếp xúc của 100ppm, người ta có thể cảm thấy buồn nôn hoặc đau đầu Tại một tiếp xúc giữa 200-500ppm, các triệu chứng có thể bao gồm cảm giác "cao", chóng mặt, yếu, dễ bị kích thích, nôn, giảm thời gian phản ứng

1.2 Quá trình Reforming xúc tác

 Quá trình Reforming xúc tác bao gồm các phản ứng biến đổi cấu trúc của phân

tử Hydrocacbon từ mạch thẳng sang mạch nhánh.Từ cấu trúc vòng no sang cấu trúc thơm

 Đối với công nghiệp sản xuất Benzen,Toluen và Xylene Các vòng thơm được tạo ra từ Qúa trình Reforming xúc tác với nhập liệu là phân đoạn Naptha nặng ( chứa chủ yếu là các vòng no Napthene)

 Quá trình xảy ra ở nhiệt độ từ 500-525oC

 Xúc tác sử dụng thường là tâm kim loại Pt trên nền chất mang Alumina

1.3 Thu hồi Xylene từ dòng Reformate

 Dòng Reformate ngoài chứa chủ yếu Benzen,Toluen và hỗn hợp Xylene sẽ còn lẫn Parrafin,Cyclo Paraffin,Olefins,cặn nhựa,cốc Vì vậy,dòng

Reformate sẽ được đưa qua hệ thống trích ly làm sạch Sử dụng dung môi thích hợp để thu các cấu tử thơm và loại ra các cấu tử khộng thơm Dòng Reformate được làm sạch sau đó sẽ được đưa qua tháp chưng cất để thu hồi Xylene

2 Giới thiệu về phương pháp chưng cất đa cấu tử

2.1 Khái niệm về chưng cất

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như

hỗn hợp khí-lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác

8

nhau) Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ

- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:

 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé

 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơÁp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

- Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

 Áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao thì

ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và bán liên tục

 Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trường hợp sau:

 Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

9

 Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được áp dụng trong trường hợp chất được tách không tan trong nước

Như vậy, đối với hệ: Benzene, Toluene,Xylene: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng nồi đun

2.2 Sơ lược về tính toán chưng cất đa cấu tử

 Từ khi có các máy tính với cấu hình mạnh, nhiều mô hình có độ phức tạp cao dùng để mô phỏng chính xác tháp chưng luyện đã được phát triển Hầu hết các

mô hình này đều được xây dựng dựa vào khái niệm đĩa lý thuyết [Thiele –

Geddes,1993] Tuy nhiên, quan điểm về số đơn vị chuyển khối ngày càng trở nên quan trọng và được chú ý phát triển nhiều hơn trong những năm gần đây

[Krishana-Murthy và Taloa, 1985; Taylor và các cộng sự, 1993; Gorak, 1990] Trong mô phỏng chính xác của tháp chưng luyện đều phải tiến hành các thông số nhiệt động của tháp Các kết quả nhận được khi mô phỏng tháp chưng luyện sẽ là

sự phụ thuộc của phân bố nồng độ của từng cấu tử, của phân bố nhiệt độ và của lưu lượng dòng lỏng và dòng hơi trong tháp vào số bậc cân bằng (đĩa lý thuyết)

 Để mô phỏng chính xác tháp chưng luyện, các tác giả [Wang và Henke 1966, Holland 1963, Goldstein và Stanfield 1970, Naphtail và Sandholm 1971, Block

và Hegner 1976 và 1977] đã có những đóng góp rất quan trọng trong việc xây dựng các mô hình chính xác của tháp chưng luyện Cho tới thời điểm hiện tại, các mô hình tháp được phát triễn chỉ khác nhau trong việc sử dụng các phương pháp tính lặp và cụ thể là trong việc chọn các biến lặp

 Mô phỏng chính xác tháp chưng luyện nhiều cấu tử về mặt toán học là rất phức tạp Vì vậy, việc tự viết các phương trình tính tháp theo mô hình trên sẽ gặp nhiều khó khăn Một số công ty đã phát triễn các phần mềm mô phỏng tháp chưng luyện như công ty Aspen, Science Simulation, Process, Design 2000…

 Để tính tháp chưng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử, mặc dù hiện tại có nhiều chưng trình tính trên máy tính có thể đưa ra các kết quả chính xác, nhưng một số

phương pháp tính gần đúng tháp chưng luyện hỗn hợp vẫn có ích và vẫn tiếp tục được sử dụng vì một số lý do:

10

+Do các số liệu về cân bằng pha cũng như các số liệu về enthalpy không có được

độ chính xác đủ cao, vì vậy nếu sử dụng các phương pháp tính chính xác, nhưng kéo dài trên máy tính cũng không chắc nhận được các kết quả chính xác

+Các phương pháp tính gần đúng cho phép tính nhanh và ít tốn kém, vì vậy bằng các phương pháp này sẽ dễ dàng xác định được vùng tối ưu của các thông số của tháp và tiếp theo có thể khảo sát vùng này bằng các phương pháp tính chính xác trên máy tính

Trong phạm vi đồ án này, chúng ta sử dụng cách tính gần đúng cùng với sự hỗ trợ của công cụ mô phỏng HYSYS 2006

2.3 Lựa chọn thiết bị chưng cất

 Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta

có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, tháp phun…

 Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu Lớn và phức tạp là các tháp dùng

để chưng cất các dung môi, không khí lỏng và công nghiệp hóa chất nói chung Tùy theo năng suất đường kính tháp có thể từ 0,3 m đến hơn 9m, số mâm có thể từ vài mâm đến rất nhiều Khoảng cách mâm có thể từ 150mm hay ít hơn đến khoảng 1m Tháp có thể hoạt động ở áp suất cao hay thấp Hỗn hợp được chưng cất có thể thay đổi rất nhiều về độ nhớt, hệ số khuếch tán, tính ăn mòn, khuynh hướng tạo bọt và tính phức tạp của nồng độ Tháp mâm đều sử dụng được cho cả quá trình chưng cất và hấp thu

khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp đĩa chóp : trên đĩa bố trí có chép dạng:tròn, xú bắp, chữ s…

 Tháp đĩa xuyên lỗ: trên đĩa bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm

11

hay hàn Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Bảng 0.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :

Yêu cầu lắp đặt khắt khe 

Thiết bị nặng

Không làm việc với chất

3 Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi Xylene từ dòng Reformate:

Dòng Naptha bao gồm chủ yếu là Cyclo Paraffin từ C6-C8 được đưa vào cụm phản ứng Reforming (1) Tại đây sẽ diễn ra quá trình khử Hydro và tái cấu trúc lại các phân tử Hydrocacbon để tạo ra các vòng thơm (Aromatic) Dòng ra cụm phản ứng Reforming sẽ được đưa qua tháp trích ly (6).Tại tháp (6),dung môi hữu cơ được đưa từ trên xuống,sẽ lôi cuốn các phân tử vòng thơm ( Aromatic) xuống phía đáy,tạo thành dịch chiết,trong khi phần raffinate phía trên chủ yếu chứa các

Parrafin chưa phản ứng,cặn nhựa Dòng ra tháp trích ly sẽ tiếp tục được đưa qua thiết bị tái sinh dung môi,tại đây,Aromatic sẽ được cho bay hơi hoàn toàn,sau đó dẫn qua thiết bị ngưng tụ và được bơm vào tháp chưng cất mâm xuyên lỗ RSU (4) Tháp RSU chưng cất thu Xylene chiếm 99,5% khối lượng ở đáy,trong khi ở đỉnh

12

lượng Xylene chiếm 1,5 % khối lượng trong hỗn hợp với Benzen và Toluen Dòng

ra ở đỉnh tháp RSU được đưa qua thiết bị ngưng tụ (2) để ngưng tụ hoàn toàn,một phần sẽ được dùng làm sản phẩm đỉnh,một phần hoàn lưu lại tháp.Ở đáy được gia nhiệt bằng nồi đun ống chùm ,sử dụng hơi nước bảo hòa ở 10 atm để cấp nhiệt

13

PHẦN 2:CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 Cân bằng vật chất:

1.1 Các số liệu ban đầu

Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp:

Hàm lƣợng Toluen trong sản phẩm đáy nhỏ hơn 0,5 % khối lƣợng

Hàm lƣợng hỗn hợp xylene trong sản phẩm đỉnh nhỏ 1,5 % khối lƣợng

1.2 Các quy ước về ký hiệu

F : suất lƣợng kmol nhập liệu (kmol/h)

mF : suất lƣợng khối lƣợng nhập liệu (kg/h)

D : suất lƣợng kmol sản phẩm đỉnh (kmol/h)

mD : suất lƣợng khối lƣợng sản phẩm đỉnh (kg/h)

W : suất lƣợng kmol sản phẩm đáy (kmol/h)

mW : suất lƣợng khối lƣợng sản phẩm đáy (kg/h)

xF (i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong nhập liệu

xD(i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đỉnh

xW (i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đáy

mA(i) : Suất lƣợng khối lƣợng của cấu tử i tại vị trí A (Nhập liệu,Đỉnh hay Đáy) i

có thể là B(Benzen),T(toluen),P(para-xylene),M(metha-Xylene),O(ortho-xylene)

A có thể là (F,D,W) (kg/h)

1.3 Cân bằng vật chất-Xác định thành phần các cấu tử

-Từ yêu cầu đề bài Xylene ở đỉnh phải nhỏ hơn 1,5% khối lƣợng và Toluen ở đáy

phải nhỏ hơn 0,5% khối lƣợng Nên để đảm bảo ta độ tinh khiết mong muốn ta có

14

thể chọn thành phần Xylene ở đỉnh là 1,1% khối lƣợng; thành phần Toluen ở đáy

là 0,43% khối lƣợng

-Ngoài ra,ta cần đặt thêm các giả thuyết:

+Do độ bay hơi của Benzen là lớn hơn đáng kể so với hỗn hợp Xylene nên

ta coi nhƣ Benzen đƣợc lấy ra hoàn toàn ở đỉnh => mD(B) = mF(B)=4076,28 hay

mW(B)=0

+ Vì độ thu hồi hỗn hợp Xylene ở đáy cao (99.5 % khối lƣợng) Nên ta coi nhƣ tỷ lệ giữa các cấu tử trong hỗn hợp xylene ở đáy gần bằng tỷ lệ giữa các cấu

tử trong hỗn hợp xylene nhập liệu

Từ bảng thành phần nhập liệu ta có tỷ lệ giữa các cấu tử trong hỗn hợp xylene:

15

( ) 0, 41 ( ) 0, 27

( ) 0, 41 (O) 0, 32

W W

W W

D D D

16

2 Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết:

2.1 Chọn cấu tử khóa

Toluen (C7) là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ

P-Xylene (C8) là cấu tử khóa nặng: j nặng

2.2 Tính độ bay hơi tương đối

Ta cần tính độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp tương ứng với 3

vị trí của tháp chưng: đỉnh tháp (αiD), đáy tháp (αiW), nhập liệu (αiF)

Từ đó ta tính độ bay hơi tương đối trung bình: 3

i i D iW iF

+ Ta chọn nhiệt độ và áp suất tại đỉnh và đáy tháp một cách phù hợp để tra hằng số cân bằng pha K và tính a.Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 2006 kết quả được cho ở các bảng sau:

 Đỉnh tháp: ở nhiệt độ : 97oC ; áp suất :1 atm

17

 Nhập liệu:

Giả thiết phần trăm bay hơi: L+V=1 (L: lƣợng lỏng còn lại, V: lƣợng pha hơi cần làm bốc hơi)

Nếu ta gọi Zi là nồng độ ban đầu của hỗn hợp , xi và yi là nồng độ cấu tử

i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng thì:

Z i x L i y V i x i(1 V) y V i x i1 V K( i 1)  p.27, 2  

Suy ra:

i i

i

Z x

18

3 Xác định N min theo công thức Fenske

Số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin tương ứng trong trường hợp hồi lưu toàn phần Đối với hệ 2 cấu tử, đại lượng Nmin có thể xác định dễ dàng bằng đồ thị Nói chung, trong mọi trường hợp đều có thể sử dụng công thức Fenske để xác định số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin Trong đồ án này ta xét công thức Fenske cho

jW iD

jD iW i

x x

a a N

19

 Đoạn luyện: min

4,1 lg(

jF iD

jD iF

iD F

x x

jW iF

jF iW

iF W

x x

4 Xác định R min theo phương pháp đơn giản hóa Gililand

-Trong chưng cất hệ nhiều cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính tỷ

số hồi lưu tối thiểu Rmin trong đó đã nêu lên được một số vấn đề sau:

-Việc hồi lưu các cấu tử khóa là cơ sở chính yếu cho việc tính toán

-Việc hồi lưu các cấu tử nhẹ và nặng vẫn có tác dụng trực tiếp lên toàn hỗn hợp,

do đó tính toán bổ sung dưới dạng các đại lượng hiệu chỉnh

-Trạng thái nhập liệu ứng với hai trường hợp biên như sau:

-Nhập liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên không phải hoàn toàn lỏng vì có các cấu tử

nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi

20

-Nhập liệu ở trang thái hơi: cũng không phải bay hơi hoàn toàn mà các cấu tử nặng hơn các cấu tử khóa nặng không bay hơi

-Các trường hợp nhập liệu biên sẽ cho các chỉ số hồi lưu tối thiểu tương ứng và từ

đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu tối thiểu bất kì tương ứng với trạng

thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên kể trên.J.C.Maxwell đã biến đổi đơn

giản hóa các công thức gilliland và cuối cùng đã đưa ra công thức tính hồi lưu tối

thiểu Rmin ở dạng sau :

inhe inhe jnang

Z l

inhe jnang

Z l

jnang

Z l

Z

jnhe inhe jnang

Z l

jnang

Z l Z



.

iV iV

inhe jnang

Z l

jL

Z l Z

iL jnhe jL

Z l

inang

Z l

Z



Trong đó:

o Zi : nồng độ câu tử i trong hỗn hợp ban đâu

o αi: độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so vói cấu tử khóa nặng

o iV,iL: cấu tử trung gian nặng và trung gian nhẹ

Ta có bảng :

21

Từ các số liệu trên ta tính Rmin=0,9

5 Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R

Ta chọn trước chỉ số hoàn lưu R=1,1

Dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ ( )N và ( )R p.43, 2  ,

Suy ra: N=24,9

Gọi n và m là số bậc biến đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chưng ta có:

22

PHẦN 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:

Phương trình cân bằng năng lượng: Q FQ C Q DQWQ ngQ m

 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp QF:

F F F

Q F C t  kJ h

Với

120

F F

Q m

sử dụng phương trình Kister – Hass :

0.5 0.125 0.1

TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in

hcl: Chiều cao lớp chất lỏng ở chế độ chuyển tiếp từ chế độ lớp bọt sang chế độ tia

0.791 0.833 0.59 1.79

A

A d h

Af: Phần diện tích lỗ trên phần diện tích sục khí

Để tính toán CSB ta đặt các giả thuyết ban đầu sau:

53, 4 /

0, 22 /

luyen L V

25

 Đoạn chƣng:

0,125 0,1 0,5 2

54,35 /0,34 /

luyen L V

N

S ft

CFS A

 Tính diện tích chảy truyền lỏng AD :

Để tính sơ bộ diện tích chảy truyền lỏng AD sẽ sử dụng các giá trị tốc độ của lỏng trong kênh chảy truyền ở bảng 7.5 (p,45, [3]) ]), vì tháp hoạt động ở áp suất

không cao nên theo bảng tốc độ của dòng lỏng trong kênh chảy truyền,ta chọn chọn tốc độ UD=0,25 ft/s đối với đoạn cất và UD=0,32 ft/s đối với đoạn chƣng Ở

Q GPM A

4, 650,32

L D

Q GPM A

Bảng tổng hợp kết quả tính toán sơ bộ đường kính tháp:

27

2 Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa

2.1 Số đường đi của lỏng trên mâm

Ở giai đoạn đầu cần tiến hành sắp đặt sơ bộ diện tích mặt đĩa, vì sắp đặt mặt đĩa sẽ ảnh hưởng tới kích thước của tháp Trong đồ án này, sắp đặt sơ bộ mặt đĩa sẽ dựa vào hướng dẫn chi tiết sắp đặt mặt đĩa của các hãng

Để xác định số đường đi của lỏng trên đĩa trước tiên cần phải tính sơ bộ chiều dài ngưỡng chảy tràn : LW 0,8.D T 0,8.1,8 1, 44 m56, 69in p.127, 3  

Tải trọng lỏng tính theo 1 đơn vị chiều dài ngưỡng chảy tràn:



 Đoạn luyện:

3 W

Chọn đường đi của lỏng trên mâm phải đảm bảo điều kiện mỗi đường đi của lỏng

có tải trọng lỏng QL (tính theo một đơn vị chiều dài của ngưỡng chảy tràn) nằm trong khoảng (7:13) gpm/in hay (100-140 (m3/h)/m) Như vậy sẽ thiết kế mâm có

1 đường đi đoạn luyện và 1 đường đi đoạn chưng

2.2 Khoảng cách giữa 2 mâm

Đối với đoạn chưng của tháp chọn sơ bộ khoảng cách giữa các mâm TS = 24 in là phù hợp và đối với đoạn luyện cũng tương tự TS = 24 in.Thông thường khoảng cách giữa 2 mâm chọn nằm trong khoảng 0,3-0,5 đường kính tháp

2.3 Các kích thước khác

Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, các kích thước sau đây có thể coi là phù hợp cho việc sắp đặt mặt mâm :

o Phần diện tích lỗ: Af = 0,1

o Chiều cao ngưỡng chảy tràn ở cửa ra khỏi mâm của lỏng: hw = 2 in

o Bề dày của mâm (thép cacbon) tt = 0,3 in

2.4 Bước lỗ

Các bước lỗ được phân bố theo hình tam giác đều, bước lỗ tính theo công thức

2.5 Sắp xếp kênh chảy truyền

Kết quả tỉ lệ diện tích trên diện tích tiết diện ngang ta có bảng:

Diện tích chảy truyền lỏng trong đoạn luyện và đoạn chƣng là khá nhỏ nên không cần giảm diện tích này

Ta có bảng :

2.6 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền

Các đại lƣợng này tính đƣợc từ hình dạng của kênh chảy truyền Để xác định nhanh các đại lƣợng này có thể sử dụng các đồ thị của Bolles (p,343, [3])

29

3 Tổng kết sắp xếp mặt đĩa

Diện tích chảy truyền của lỏng ở mép

4 Kiểm tra chế độ làm việc của tháp

4.1 Kiểm tra sặc đĩa

Khi thiết kế tháp thường chọn tốc độ làm việc của tháp bằng khoảng (70-85)% tốc

độ sặc đĩa Đây là khoảng an toàn cần thiết do có thể có những sai số của các số liệu cũng như của các phương trình dùng để tính toán - thiết kế

Ngoài ra, chọn giới hạn làm việc trên cũng có thể tránh được sự giảm hiệu suất đĩa thường xảy ra ở ngay lân cận điểm sặc

Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ở chế độ phun tia hcl, in cột nước:

62, 2.( ) n

30

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong

Khối lượng riêng của pha lỏng ρl, lb/ft3

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong

ở trên đĩa ở chế độ chuyển tiếp từ lớp bọt sang phun tia

4.2 Kiểm tra khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng

Để kiểm tra kênh chảy truyền, sử dụng phương trình của Koch Phương trình này được thiết lập dựa vào thời gian lưu lớn nhất của lỏng trong kênh chảy truyền Tiêu chuẩn về thời gian lưu này cũng có thể biểu diễn qua tiêu chuẩn về tốc độ lớn nhất của lỏng qua kênh chảy truyền Phương trình Koch có dạng :

o tR: Thời gian lưu của dòng lỏng trong kênh chảy truyền

o TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in