thiết kế tháp chưng hệ Toluene Xylene Ethylbenzene hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấnh

Ngày nay, ta có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, hấp phụ, chưng cất...Tùy theo từng loại sản phẩm mà ta có sự lưạ chọn khác nhau. Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene thì phương pháp chưng cất được sử dụng phổ biến nhất. Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập của kỹ sư. Môn học yêu cầu giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất. Nhiệm vụ của môn học là thiết kế tháp chưng hệ Toluene Xylene Ethylbenzene hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấnh có nồng độ 50% mol Toluene, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ trên 98% kl toluen và sản phẩm đáy có nồng độ thấp hơn 1% kl Toluene. Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô. Ngày nay, ta có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, hấp phụ, chưng cất...Tùy theo từng loại sản phẩm mà ta có sự lưạ chọn khác nhau. Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene thì phương pháp chưng cất được sử dụng phổ biến nhất. Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập của kỹ sư. Môn học yêu cầu giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất. Nhiệm vụ của môn học là thiết kế tháp chưng hệ Toluene Xylene Ethylbenzene hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấnh có nồng độ 50% mol Toluene, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ trên 98% kl toluen và sản phẩm đáy có nồng độ thấp hơn 1% kl Toluene. Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô. Ngày nay, ta có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, hấp phụ, chưng cất...Tùy theo từng loại sản phẩm mà ta có sự lưạ chọn khác nhau. Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene thì phương pháp chưng cất được sử dụng phổ biến nhất. Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập của kỹ sư. Môn học yêu cầu giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất. Nhiệm vụ của môn học là thiết kế tháp chưng hệ Toluene Xylene Ethylbenzene hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấnh có nồng độ 50% mol Toluene, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ trên 98% kl toluen và sản phẩm đáy có nồng độ thấp hơn 1% kl Toluene. Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình Thiết Bị, các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô.

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con người

ngày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa học

và công nghệ đã không ngừng phát triễn Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũng không ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường Đây là một ngành

công nghiệp mũi nhọn của nước ta Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảng để phát triễn các ngành công nghiệp khác.

Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại Chúng là kết quả của một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn Vì thế nguồn nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên mà còn qua các quá trình tổng hợp trung gian Do đó nhu cầu sử dụng nguyên liệu tinh khiết ngày càng trở nên

nghiêm khắc và một trong những nguồn nguyên liệu này là Toluen

Ngày nay, ta có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích

ly, hấp phụ, chưng cất Tùy theo từng loại sản phẩm mà ta có sự lưạ chọn khác nhau Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene thì phương pháp chưng cất được sử dụngphổ biến nhất

Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập của kỹ

sư Môn học yêu cầu giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất

Nhiệm vụ của môn học là thiết kế tháp chưng hệ Toluene - Xylene - Ethylbenzene hoạtđộng liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấn/h có nồng độ 50% mol Toluene, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ trên 98% kl toluen và sản phẩm đáy có nồng độ thấp hơn 1% kl Toluene

Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình & Thiết Bị, các bạn sinh viên

đã giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Lý thuyết về chưng cất

Chưng là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi tương đối khác nhau, bằng cách đun sôi hỗn hợp, tách hơi tạo thành để ngưng tụ lại

• Ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi

hơn

• Ở cùng một áp suất thì cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn

- So sánh chưng và cô đặc:

• Chưng: dung môi và chất tan đều bay hơi

• Cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi, chất tan không bay hơi

- Có nhiều phương pháp chưng: một bậc, nhiều bậc (chưng cất/chưng

luyện), chưng lôi cuốn hơi nước, chưng áp suất thấp…

- Chưng cất (chưng luyện) là lặp lại chưng đơn giản nhiều lần và có cải tiến Thường cần 2 thiết bị phụ trợ là:

• Thiết bị hồi lưu đỉnh tháp: tránh hiện tượng khô ở mâm cuối cùng

• Thiết bị đun sôi đáy tháp: cấp năng lượng cho lỏng bay hơi

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

• 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 hơi lớn

1.2.2. Phân loại các phương pháp chưng luyện

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 củacác 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:

 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

 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 condensate: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục

ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng nồi đun.

1.2.3. Chưng cất đa cấu tử- mô hình tổng quát của tháp chưng luyện

Trong mô phỏng chính xác của tháp chưng luyện đều phải tiến hành các thông số nhiệtđộng 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)

1.2.3.1. Mô phỏng chính xác tháp chưng luyện đa cấu tử

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 trongviệc chọn các biến lặp

Mô phỏng chính xác tháp chưng luyện nhiều cấu tử về mặt toán học là rất phức tạp Vìvậy, 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…

Trong đồ án này chúng ta sử dụng phần mềm HYSYS 2006 do công ty Aspen

phát triễn để làm công cụ hỗ trợ mô phỏng.

1.2.3.1. Phương pháp tính gần đúng tháp chưng cất đa cấu tử

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

• Do các số liệu về cân bằng pha cũng như các số liệu về enthalpy không

có được độ chính xác đủ cao, do đó 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 củacác 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.

1.2.3.2. Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu cơbản 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 150 mm 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

- Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có

cấu tạo 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

- Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau

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

Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp.

Yêu cầu lắp đặt khắt khe lắp đĩa thật phẳng Trở lực lớnThiết bị

nặng

Không làm việc vớichất lỏng bẩn

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm

chóp và có thể làm việc với chất lỏng bẩn => Chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ

Vậy: Chưng cất hệ Toluene-Xylene-Benzene ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt

động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.

1.3. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

1.3.1. Giới thiệu về condensate

Condensate (còn gọi là khí ngưng tụ hoặc chất lỏng đồng hành) là dạng trung gian

giữa dầu và khí, bao gồm các hydrocarbon no có phân tử lượng và tỷ trọng lớn hơn butane như pentane, hexane, heptane Ngoài ra còn chứa các hydrocacbon mạch

vòng, các nhân thơm đơn giản và một số tạp chất khác Condensate thu được trong quátrình khai thác các mỏ dầu hoặc mỏ khí Ở điều kiện thường nó tồn tại dưới dạng lỏng Condensate là nguồn nguyên liệu quý để sản xuất xăng, dung môi và nguyên liệu đầu cho các quá trình tổng hợp hoá dầu

Các nguồn condensate tại Việt Nam bao gồm chủ yếu là condensate Bạch Hổ (được chế biến tại nhà máy chế biến khí Dinh Cố), condensate Nam Côn Sơn, condensate Rồng Đôi Thuộc tính của các loại condensate này cũng khác nhau: condensate Bạch

Hổ nhẹ hơn so với các loại condensate còn lại nên được dùng để phối trộn trực tiếp vớixăng có chỉ số octan cao (Reformat), còn những nguồn Condensate Nam Côn Sơn và Rồng Đôi, … thì tương đối nặng hơn nên phải trải qua quá trình chế biến để thu được phân đoạn naptha và các sản phẩm khác như white spirit, DO, FO…

1.3.2. Ứng dụng condensate

Condensate có thành phần tương tự phân đoạn nhẹ trong dầu thô và được sử dụng để sản xuất ra các sản phẩm như xăng, dầu hỏa (KO) diesel (DO), fuel oil (FO) hoặc làm dung môi công nghiệp Condensate còn được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình chế biến hóa dầu, sản xuất Olefine, BTX …

Mục đích chưng cất condensate được thực hiện trong đồ án này là để tách sơ bộ

condensate tạo thành hai dòng sản phẩm là dòng nhẹ bao gồm iso-butan (iC4); n-butan(nC4); n-pentan (nC5) và dòng nặng bao gồm Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8) làm nguyên liệu cho quá trình ở công đoạn tiếp theo

1.3.3. Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm):

Thuyết minh qui trình công nghệ :

 Chú thích các kí hiệu trong quy trình

1. Thùng chứa nguyên liệu

7. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

8. Thiết bị tách khí không ngưng

9. Thiết bị tháo nước ngưng

12. thiết bị đun sôi đáy tháp

13. thùng chứa sản phẩm đáyNguyên liệu condensate được bơm (2) hút từ thùng chứa nguyên liệu(1) rồi bơm lên bồn cao vị (3) Từ bồn cao vị, condensate được đưa vào thiết bị gia nhiệt (4) với lưu lượng ổn định 60 tấn/h để đưa nhiệt độ dòng nhập liệu lên 91 0C và 1,7 bar nhờ tận dụng nguồn nhiệt của dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ 130 0C, sau đó condensate đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu thứ 18

Trên đĩa nhập liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng chảy xuống từ đoạn luyện Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống,ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi(do thiết bị đun sôi đáy tháp (12) cung cấp) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi đi lên trên Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,các cấu tử nhẹ iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5) có nhiệt sôi thấp hơn sẽ bốc hơi lên trên nên cuối cùng ta thu được tại đỉnh tháp với độ tinh khiết trên 99%khối lượng Hỗn hợp này đưa qua thiết bị ngưng tụ hồi lưu(7) sử dụng nước để giảm nhiệt độ và ngưng tụ thành lỏng , sau đó một phần sẽ được hoàn lưu lại tháp ở đĩa trên cùng, phần còn lại sẽ đưa vào thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh(10) sử dụng nước để giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh, sau đó đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sôi các cấu

tử Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8) cao hơn nên ở đáy tháp ta thu được các cấu tử khó bay hơi Dòng hỗn hợp này sẽ đưa qua thiết bị đun sôi đáy tháp(12) được cấp nhiệt để bốc hơi rồi đưa lại vào mâm cuối tháp, phần còn lại sẽ đưa qua thiết bị gianhiệt nguyên liệu vừa làm nguội dòng sản phẩm đáy, vừa gia nhiệt cho dòng nhập liệu.Dòng sản phẩm đáy sau đó sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy(13) Ngoài ra thiết bị tách khí không ngưng(8) và thiết bị tháo nước ngưng(9) có nhiệm vụ tách khí không ngưng từ thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và tháo nước ngưng tụ ở thiết bị đun sôi đáy tháp do quá trình trao đổi nhiệt

Dòng sản phẩm đỉnh(iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5); Benzene (C6))vàdòng sản phẩm đáy(Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8)) sẽ được cung cấp cho các công đoạn tiếp theo

Thành phần của dòng condensate vào tháp như sau:

Cấu

tử i-butane n-butane n-pentane benzene toluene p-Xylene

Tỉ lệ 0,0061 0,0075 0,1814 0,267 0,297 0,241

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1. Cân bằng vật chất

2.1.1. Các số liệu ban đầu

Bảng 2.2 Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp

Cấu tử KLPT

Lưu lượng Kmol/h

Tỉ lệ mol

Tỉ lệ khối lượng

Lưu lượng nhập liệu: 60000 kg/h = 684 kmol/h

Nhập liệu ở nhiệt độ 91 oC và 1,7atm

Yêu cầu sản phẩm:

Nồng độ phân khối lượng p-Xylene ở đỉnh là: 0.0001

Nồng độ phân khối lượng n-pentane ở sản phẩm đáy là: 0.0001

Công cụ hỗ trợ: Sử dụng phần mềm mô phỏng HYSYS 2006

Tỉ lệkhốilượng

Tỉ lệmol

Lưulượng(kmol/h)

Tỉ lệkhốilượng

Tỉ lệmol

Lưulượng(kmol/h)

Tỉ lệkhốilượng

Tỉ lệmol

0,000 0,0000 0,0000

n-pentane 124,125 0,1492 0,1814 124,073 0,761

6 0,7644 0,052 0,0001 0,0001benzene 182,698 0,2379 0,2670 28,920 0,192

3 0,1782 153,778 0,2490 0,2946toluene 203,225 0,3121 0,2970 0,016 0,000

1 0,0001 203,209 0,3881 0,3893p-Xylene 164,907 0,2918 0,2410 0,000 0,000

0 0,0000 164,907 0,3629 0,3159

2.2. Chuẩn bị dữ kiện và các giả thuyết

Chọn cấu tử khóa: n-pentane là cấu tử khóa nhẹ: i nhẹ

p-xylene là cấu tử khóa nặng: j nặng

2.2.1. Tính độ bay hơi tương đối

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

của tháp chưng:

Đỉnh tháp: ; Đáy tháp ; Nơi nhập liệu:

Từ đó tính độ bay hơi tương đối trung bình:

Đỉnh tháp: Chọn áp suất Pđỉnh = 1 atm và nhiệt độ t =35 oC

Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS

Bảng 2.4 Độ bay hơi tương đối

yi=xiD Ki yi=xi/ki iD=ki/kjnặngi-butane 0,02571

5 0,970865 0,787334 12,04653benzene 0,17817

• Đáy tháp: Chọn áp suất Pđáy = 2 atm và nhiệt độ t = 130 oC

Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS

Bảng 2.5 Độ bay hơi tương đối ở đáy

xi=Zi Ki yi=kixi iw=ki/kjnặngi-butane 0,0000 15,0935

• Nhập liệu: Chọn áp suất Pnhập liệu = 1,7 atm và nhiệt độ t = 91 oC

Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS và xác định thành phần lỏng hơi

 Giả sử V: phần trăm pha hơi

L: phần trăm pha lỏng

 Nếu ta gọi Zi là nồng độ ban đầu của cấu tử i trong hỗn hợp, xi và yi là nồng độ của cấu tử I ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng, ta có:

Bảng 2.6 Độ bay hơi tương đối ở nhập liệu

Vậy ta có bảng độ bay hơi tương đối trung bình của các cấu tử

Bảng 2.7 Độ bay hơi trung bình

2.2.2. Xác định Nmin theo công thức Fenske

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

nhiều cấu tử:

(p.46, [6])

Giả sử a là số mol của Toluene ở trên đỉnh

Ta có:

2.2.3. Xác định nmin và mmin cho tháp chưng

Ta có thể tính số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu nmin cho đoạn luyện hoặc mmin cho đoạn chưng của tháp bằng cách sử dụng công thức Fenske

Khi tính nmin ta viết phương trình Fenske cho hai cấu tử khóa ở đỉnh và nơi nhập liệu, khi tính mmin thì ta viết phương trình Fenake cho hai cấu tử khóa ở đáy và nơi nhập

liệu

Đoạn luyện:

Đoạn chưng:

2.2.4. Xác định tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin

Trong chưng cất hệ nhiều cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính tỷ số hồi lưu tối thiếu Rmin trong đó đã nêu lên được một số vấn đề sau:

• Việc hồi lưu cấu tử khóa là cơ sơ chính yếu cho việc tính toán

• Việc hồi lưu các cấu tử nhẹ và nặng vẫn có tác dụng trực tiếp đến toàn hỗn hợp, do đó tính toán bổ sung thêm dưới dạng các đại lượng hiểu chỉnh

• Trạng thái nhập liệu tương ứng với 2 trường hợp biên như sau:

Nhâp 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

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

lưu tối thiểu tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu tối thiểu bất

kỳ 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:

Vế bên phải của công thức trên mô tả mối quan hệ với các cấu tử khóa ở nhóm hạng thứ nhất còn nhóm hạng thứ hai là quan hệ với các cấu tử nhẹ và nhóm hạng thứ ba là quan hệ các cấu tử nặng

Nếu có các cấu tử trung gian thì cấu tử trung gian nhẹ sẽ được tính theo các cấu tử nhẹ

và cấu tử trung gian nặng được tính theo cấu tử nặng

Công thức trên được sử dụng tính toán Rmin cho cả trường hợp nhập liệu biên, tuy nhiên có đại lượng l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp, cụ thể được trình bày trong bảng sau:

Trong đó:

- Zi: nồng độ cấu tử I trong hỗn hợp ban đầu

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

- iV, iL : cấu tử trung gian nhẹ và trung gian nặng.

Bảng 2.8 Cách tính l

Cấu tử

Nhâp liệu dạng sôi Nhập liệu dạng hơi

% bayhơi

% bay hơi tính l % bay

Như vậy: Rmin1,36% < Rmin2,65% < Rmin75,9%

Từ kết quả trên nội suy ra: Rmin2,65% = 0,4259

2.2.5. Xác định số bậc lý thuyết tương ứng với R hợp lý:

Ta có: Rhợp lý = 1,3Rmin +0,36 = 0,914

Sử dụng giản đồ 3.1 (p43,[4]) tra được N = 13,701

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

• Đoạn luyện:

• Đoạn chưng:

2.3. Xác định số đĩa thực tế

2.3.1. Hiệu suất đĩa

Phương trình của Drickamer và Braford được O’Connell cải tiến được coi là các

phương trình chuẩn dùng để dự đoán hiệu suất của đĩa công nghiệp

Locket đã đưa ra khía cạnh lý thuyết trong phương trình của O’connell: Khi độ nhớt của lỏng tăng lên sẽ lảm giảm tốc độ khuyết tán trong pha lỏng, vì vậy trở khối của pha lỏng sẽ tăng lên và hiệu suất đĩa sẽ giảm xuống Khi hệ số bay hơi tương đối tăng lên, ảnh hưởng của trở khối của pha lỏng sẽ tăng lên, và hiệu suất của đĩa cũng sẽ giảmxuống

Locket đã thể hiện đồ thị của O’Connell ở dạng phương trình:

Eoc = 0,492.(α)-0,245 (p.85, [4])

Ở đây: -độ nhớt của pha lỏng,cP

α –hệ số bay hơi tương đối

Eoc –hiệu suất đĩa

Độ nhớt và hệ số bay hơi tương đối α được xác định tại nhiệt độ trung bình của đỉnh

và đáy tháp Cho hỗn hợp nhiều cấu tử, hệ số bay hơi được xác định theo cấu tử chính

Đô bay hơi tương đối (n-pentane):

Ta có:

Độ bay hơi tương đối (Toluene):

Thiết bị ngưng tụ: ngưng tụ hoàn toàn.

Đoạn luyện: 18 đĩa Đĩa nhập liệu số 23 (số thứ tự đĩa từ trên xuống)

Đoạn chưng: 10 đĩa

Thiết bị đun nóng: Đun nóng gián tiếp bằng hơi nước bão hòa Xem như 1 đĩa

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

toán

3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

Nhập liệu được gia nhiệt từ to = 30 oC đến nhiệt độ tF = 91 0C

QD1 + Qf = QF + Qng1 +Qxq1, (kJ/h) (p.196, [2])Trong đó:

QD1 - Nhiệt lượng của hơi đốt: , kJ/h

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào: , kJ/h

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra: , kJ/h

- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh: =0,05 QD1, kJ/h

Xem như đơn giản ta có: QD1 – Qng1 = D1.r1 ,kJ/h

 Ta coi nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 = D1.r1 ,kJ/h

Vậy phương trình cân bằng nhiệt trở thành:

Theo tài liệu tham khảo [7], ta có các giá trị enthalpy của dòng:

Vậy: =

3.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng

Nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:

Qnt = = Gn1.Cn (t2 – t1), (kJ/h) (p.198, [2])Tra tài liệu tham khảo [7], ở tD =35 oC ta có: rD = 383,196 kJ/kg

Vậy: Qnt = = 11753,1.(0,914 + 1) 383,196 = 8618678 (kJ/h)

Chọn t1 = 25oC và t2 = 40oC, => ttb = 32,5oC => Cn = 4,18 kJ/kg

3.3. Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun của đáy tháp

Phương trình cân bằng năng lượng:

Trong đó:

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp: , kJ/h

- Nhiệt do hơi mang ra ở đỉnh: , kJ/h

- Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra: , kJ/h

- Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: , kJ/h

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ THIẾT BỊ CHÍNH

Phân bố dòng lỏng và dòng hơi trong tháp và các tính chất vật lý (kết quả mô phỏng

trên máy tính) cho lưu lượng hỗn hợp ban đầu F = 684,3 kmol/h Số liệu dẫn trong bảndưới đây là kết quả mô phỏng trong HYSYS 2006

Bảng 4.11 Tải trọng của tháp Toluene và các tính chất vật lý

mâ

m lưu lượng thể tích

(ft3/h)

lưu lượng thể tích (ft3/s)

lưu lượng khối lượng lb/h

lưu lượn

g khối lượn

g lb/s

lưu lượng thể tích (ft3/h)

lưu lượngthể tích (ft3/s)

lưu lượng khối lượng lb/h

lưu lượn

g khối lượn

g lb/s

khối lượn

g riêng pha hơi lb/ft3

khối lượng riêng pha lỏng lb/ft3

10 202765,06 56,32 46919,1 13,03 436,31 0,121 20942,89 5,82 0,231 48,00

Các số liệu trong bảng 5.1 là các số liệu điển hình nhận được bằng phương pháp mô

phỏng tháp trên máy tính cho thấy lưu lượng khối lượng của dòng hơi và dòng lỏng

trong đoạn chưng đều đạt giá trị lớn nhất tại đĩa 27 Vì vậy, đĩa 27 sẽ được chọn để

tính kích thước của đoạn chưng trên tháp

Tại đoạn luyện, có sự phân vân giữa đĩa số 1 và số 18 Trong pha hơi, đĩa số 1 có lưu lượng thể tích hơn đĩa số 1 41%, nhưng trong pha lỏng, đĩa số 18 lại có lưu lượng khốilượng hơn đĩa số 18 84% Sự chênh lệnh về khối lượng của đĩa 18 là nhiều nhất nên ta chọn đĩa 18 để tính toán.

4.1. Tính sơ bộ đường kính đĩa

4.1.1. Diện tích đĩa

Phương pháp sử dụng phương trình để xác định chế độ sặc đĩa chỉ do lỏng bị cuốn theo hơi tạo ra là phương pháp thường

được sử dụng để tính toán Các phương pháp này thường cho kết quả hợp lý Tuy

nhiên để giảm đến mức tối thiểu số lần lặp, có thể sử dụng phương trình sặc đầy đủ nhưng để giản bớt có thể chấp nhận thêm các giả thuyết Trong phạm vi đồ án này, ta

sẽ sử dụng phương trình Kister-Haas để tính sơ bộ diện tích của đĩa

TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in;

hcl: Chiều cao lớp chất lỏng trong ở trên đĩa ở chế độ chuyển từ lớp bọt sang phun tia, in;

ρL và ρV: Khối lượng riêng của lỏng và hơi, lb/ft3

 Đường kính lỗ: dh = 1,5 in

 Khoảng cách đĩa: TS = 24 in

 Chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa: hcl = 2,5 in

• Đoạn luyện:

Giả thuyết tháp thiết kế làm việc tại điểm 80% tốc độ sặc đĩa Cho tháp tách Toluene hệ số giảm tốc SF = 0,9 cho cả đoạn luyện và đoạn chưng Khi đó diện tích sục khí sẽ bằng:

(p.290, [12])

• Cho đoạn luyện:

• Cho đoạn chưng:

 Diện tích chảy truyền lỏng AD:

Để tính sơ bộ diện tích chảy truyền lỏng AD sẽ sử dụng các giá trị tốc độ tối đa của

dòng trong kênh chảy truyền cho trong bảng 7.5 (p.45, [4]) Cho tháp tách Toluene ở

áp suất p = 1 atm theo bảng tốc độ của dòng lỏng trong kênh chảy truyền nằm trong khoảng (0,4-0,5) ft/s Chọn tốc độ này bằng UD = 0,4 ft/s Ở đây không cần chú ý đến

hệ số giảm tốc vì trong bảng đã tính đến xu thế tạo bọt của hệ

• Đoạn luyện:

• Đoạn chưng:

 Đường kính của đoạn luyện:

Thực tế, khi đường kính đoạn chưng và đoạn luyện của tháp khác nhau trên 20%, nếu chọn đường kính của hai đoạn này khác nhau sẽ kinh tế hơn Ở trường hợp đang xét, đường kính của hai đoạn chỉ khác nhau khoảng 7 %, vì vậy đường kính của hai đoạn này sẽ được chọn bằng nhau Ở đây sẽ chọn đường kính lớn hơn nên ta có:

DT = 1,8 m = 5,905 ft

4.1.3. Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa

Ở giai đoạn đầu cần phải tiến hành sắp đặt sơ bộ diện tích mặt đĩa, vì sắp đặt mặt đĩa

sẽ ảnh hưởng đến kích thước đường kính của tháp Trong đồ án này, sắp sơ bộ mặt đĩa

sẽ dựa vào hướng dẫn chi tiết sắp đặt mặt đĩa của các hãng

4.1.3.1. Xác định số đường đi của đĩa

Để xác định số đường đi của lỏng trên đĩa, trước tiên cần phải tính sơ bộ chiều dài

ngưỡng chảy tràn Giả thiết chiều dài ngưỡng chảy tràn Lw = 0,8 Df

Khi đó:

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

4.1.3.2. Khoảng cách giữa các đĩa

Với các tháp có đường kính > 1,5m (5ft) thì khoảng cách tiêu biểu giữa các đĩa là

600mm ( 24in ) Cho đoạn chưng và đoạn luyện của tháp chọn sơ bộ khoảng cách đĩa

 Chiều cao ngưỡng chảy tràn ở cửa ra khỏi đĩa của lỏng: hw = 2,5 in

 Chiều dày đĩa: tt = 0,65 in

4.1.3.5. Bước lỗ

Khi chọn phân bố lỗ theo hình lục giác đều, bước của lỗ có thể tính theo cong thức:

(p.341, [12])

4.1.3.6. Sắp xếp kênh chảy truyền

Bảng 4.12 Sắp xếp kênh chảy truyền

Diện tích tiết diện ngang của tháp,AT (ft2) 27,377 27,377

Diện tích chảy truyền lỏng mép trên,ADT (ft2) 2,178 2,415

Diện tích chảy truyền lỏng mép dưới,ADB (ft2) 2,178 2,415

Diện tích sục khí của mâm,AB =AT-ADT-ADB

Diện tích làm việc thực của mâm, AN=AT-AD

4.1.3.7. Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền

Các đại lượng này tính được từ dạng của kênh chảy truyền Để xác định nhanh các đại lượng này cũng có thể sử dụng các đồ thị của Bolles:

Bảng 4.14 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền

Kiểm tra đường đi của lỏng trên mâm lF = DT - Wdc - Wde, phải lớn hơn 18 in

Kết quả thu được đều thỏa mãn

Diện tích chảy truyền của lỏng ở mép

Chiều rộng kênh chảy tràn, trên đỉnh in 9,070866142 20,69291339Chiều rộng kênh chảy tràn, dưới đáy in 9,070866142 20,69291339

Chiều cao lớp chất lỏng trong trên đĩa hcl, in 2,5 2,5

4.2.1. Kiểm tra khả năng tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng

thời gian lưu này có thể biểu diễn qua tiêu chuẩn về tốc độ lớn nhất của lỏng qua kênh chảy truyền Phương trình Koch có dạng:

Với :

 tR: thời gian lưu của dòng lỏng trong kênh chảy truyền

 TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in

 SF: Yếu tố giảm tốc

Tải trọng làm việc của kênh chảy truyề QD:

Bảng 4.6 Kết quả kiểm tra khả năng tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng

Tải trọng lỏng của kênh

chảy truyền Qmax, gpm/ft2 148,7251462 148,7251462

- Tổng kết: Kết quả ở các bảng trên cho thấy kích thước của tháp phù hợp

yêu cầu (% sặc đĩa nằm trong khoảng 80 90%, nằm trong khoảng an toàn cần thiết.) Vì (QD > QDmax) cho thấy kênh chảy truyền bị tắc nghẽn

Do đó, ở vòng lặp thứ hai nên tăng diện tích kênh chảy truyền bằng cách giảm vận tốc lỏng trong kênh chảy truyền

4.2.2. Kiểm tra sặc đĩa

Khi thiết kế tháp thường chọn tốc độ làm việc của tháp bằng khoảng (80 – 85)% tốc độsặc đĩa Đây là khoảng an toàn cần thiết do có thể có những sai số của các số liệu cũng như củ phương trình dùng để tính toán – thiết kế

Các công thức tính toán và kiểm tra:

Bảng 4.7 Kiểm tra sặc đĩa

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở trên

cl, in,cột

Khối lượng riêng của pha lỏng ρL,lb/ft3 47,3259 47,7368

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở trên

đĩa ở chế độ chuyển tiếp từ lớp bọt sang

phun tia

hcl, in,cột

Tốc độ hơi Us, ft/s 1,7728 1,9041Thông số đặc trưng cho tải trọng hơi (tính

Tiến hành tính lại kích thước ngưỡng chảy tràn và kích thước kênh chảy truyền theo trình tự như vòng tính thứ nhất

Bảng 4.16 Sắp xếp kênh chảy truyền lần hai

Đại lượng Đoạn luyện Đoạn chưng

AT (ft2) 27,37692975 27,37692975

AD (ft2) 2,904640729 3,219684723

Bảng 4.17 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền

lF > 18 in (thỏa mãn điều kiện)

4.3.2. Kiểm tra sặc đĩa

Bảng 4.18 Kiểm tra sặc đĩa lần hai

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở trên

cl, in,cột

Khối lượng riêng của pha lỏng ρL,lb/ft3 47,3259 47,7368

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở trên

đĩa ở chế độ chuyển tiếp từ lớp bọt sang

phun tia

hcl, in,cột

Thông số CSB tại điểm sặc đĩa CSB, ft/s 0,2164 0,2178

Khối lượng riêng của pha hơi ρV, lb/ft3 0,2764 0,3402

4.3.3. Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền

Bảng 4.19 Kết quả kiểm tra khả năng tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng

Nhận xét: Kênh chảy truyền không bị tắc nghẽn (QD < QDmax), diện tích kênh chảy

truyền là tương đối phù hợp

Tổng kết: Phần trăm sặc đĩa khoảng 80 %, kích thước thiết kế phù hợp với yêu cầu

cần thiết

4.4. Kiểm tra thủy lực

4.4.1. Chế độ làm việc trên đĩa

Do đĩa thường không làm việc ở chế độ phun tia nên tính kiểm tra chế độ dòng trên đĩa

sẽ được bắt đầu từ chế độ chuyển tiếp lớp bọt- nhũ tương

Để tính chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ở chế độ chuyển tiếp lớp bọt nhũ tương, sẽ

sử dụng phương trình của Hofhuis – Zuiderweg:

Với:

 ρ: bước lỗ, in

 AB: diện tích sục khí trên đĩa, ft2

 hw: chiều cao ngưỡng chảy tràn, in