thiết kế tháp chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấnh.

mang tính thực tế như “Đồ án môn học quá trình và thiết bị” giúp cho sinh viên có một cách tiếp cận sâu hơn về các quá trình thiết kế và vận hành một hệ thống, một thiết bị hoặc một cụm thiết bị trong ngành công nghệ hóa học.Xylene được sản xuất chủ yếu trong công nghiệp LọcHóa 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 chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấnh.Nội dung của bài báo cáo được chia làm 6 chương:•Chương 1: Tổng quan•Chương 2: Cân bằng vật chất và năng lượng•Chương 3: Tính toán công nghệ thiết bị•Chương 4: Tính toán cơ khí cho thiết bị•Chương 5: Tính toán thiết bị phụ.•Chương 6 : Tính toán chi phí chế tạo thiết bịĐây là lần đầu tiên thực hiện việc thiết kế một hệ thống chưng cất trong công nghiệp nên dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi mang tính thực tế như “Đồ án môn học quá trình và thiết bị” giúp cho sinh viên có một cách tiếp cận sâu hơn về các quá trình thiết kế và vận hành một hệ thống, một thiết bị hoặc một cụm thiết bị trong ngành công nghệ hóa học.Xylene được sản xuất chủ yếu trong công nghiệp LọcHóa 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 chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấnh.Nội dung của bài báo cáo được chia làm 6 chương:•Chương 1: Tổng quan•Chương 2: Cân bằng vật chất và năng lượng•Chương 3: Tính toán công nghệ thiết bị•Chương 4: Tính toán cơ khí cho thiết bị•Chương 5: Tính toán thiết bị phụ.•Chương 6 : Tính toán chi phí chế tạo thiết bịĐây là lần đầu tiên thực hiện việc thiết kế một hệ thống chưng cất trong công nghiệp nên dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi

LỜI MỞ ĐẦU

- -Trong xu thế hiện nay, nhu cầu về các nguồn năng lượng cũng như hóa chất phục

vụ cho công nghiệp hóa dầu đang ngày càng tăng cao Để đáp ứng được điều đó, đòihỏi phải sử dụng các quá trình phân tách để tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao như:chưng cất, cô đặc, hấp thụ, sấy, trích ly, chiết… Vì vậy, song song với việc học cácmôn lý thuyết, một môn học mang tính thực tế như “Đồ án môn học quá trình và thiếtbị” giúp cho sinh viên có một cách tiếp cận sâu hơn về các quá trình thiết kế và vậnhành một hệ thống, một thiết bị hoặc một cụm thiết bị trong ngành công nghệ hóa học

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

Nội dung của đồ án là thiết kế tháp chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU đểtách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấn/h

Nội dung của bài báo cáo được chia làm 6 chương:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Cân bằng vật chất và năng lượng

 Chương 3: Tính toán công nghệ thiết bị

 Chương 4: Tính toán cơ khí cho thiết bị

 Chương 5: Tính toán thiết bị phụ

 Chương 6 : Tính toán chi phí chế tạo thiết bị

Đây là lần đầu tiên thực hiện việc thiết kế một hệ thống chưng cất trong công nghiệpnên dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót Em rất mong nhận được sự góp ýcủa quý thầy cô trong khoa Kỹ thuật Hóa Học và Bộ môn Quá trình và Thiết bị để em có thểhoàn thành tốt hơn cho những môn học sau

i

Mục Lục

LỜI MỞ ĐẦU i

Mục Lục ii

Phụ lục bảng và hình vẽ v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Quá trình thu hồi Xylene từ dòng Reformate 1

1.1.1 Tính chất và vai trò của Xylene 1

1.1.2 Quá trình reforming xúc tác 1

1.1.3 Thu hồi Xylene từ dòng reformate 2

1.2 Giới thiệu về chưng cất 2

1.2.1 Khái niệm chưng cất 2

1.2.2 Phương pháp chưng cất 2

1.2.3 Các loại tháp chưng cất 3

1.3 Sơ Đồ Quy trình Công Nghệ ( bản vẽ đính kèm ) 5

Chương 2 :CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 6

2.1 Cân bằng vật chất 6

2.1.1 Các số liệu ban đầu 6

2.1.2 Các quy ước về kí hiệu 6

2.1.3 Cân bằng vật chất – Xác định thành phần các cấu tử 6

2.2 Cân bằng năng lượng 8

2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất 8

2.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ 9

Chương 3 : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CHO THIẾT BỊ 10

3.1 Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết : 10

3.1.1 Tính độ bay hơi tương đối 10

3.1.2 Xác định Nmin theo công thức Fenske 12

3.1.3 Xác định Rmin theo phương pháp dơn giản hóa Gililand 13

3.1.4 Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R 14

3.2 Tính sơ bộ đường kính mâm 15

3.2.1 Diện tích mâm 15

3.2.2 Tính đường kính tháp 17

3.3 Sắp đặt sơ bộ mặt mâm 18

3.3.1 Số đường đi của lỏng trên mâm 18

3.3.2 Khoảng cách giữa các mâm 18

3.3.3 Các kích thước khác 18

3.3.4 Bước lỗ 18

3.3.5 Sắp xếp kênh chảy truyền 19

3.3.6 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền 19

3.4 Tổng kết sắp xếp mặt mâm 20

3.4.1 Kiểm tra sặc mâm 20

3.4.2 Kiểm tra khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng 22

3.5 Kiềm tra thủy lực 23

3.5.1 Chế độ làm việc trên mâm 23

3.5.2 Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền 23

3.5.3 Trở lực của mâm 24

3.5.4 Kiểm tra chiều cao của mực chất lỏng trong kênh chảy truyền 25

3.6 Hiệu suất và chiều cao tháp 26

3.6.1 Hiệu suất tháp 26

3.6.2 Chiều cao tháp 27

iii

Chương 4 :TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ 28

4.1 Thân & đáy ,nắp của tháp 28

4.1.1 Vật liệu chế tạo 28

4.1.2 Áp suất và nhiệt độ tính toán 29

4.1.3 Tính toán bề dày thân 29

4.1.4 Bề dày đáy ,nắp thiết bị 30

4.2 Tính các bộ phận khác 31

4.2.1 Bích ghép thân nắp 31

4.2.2 Tính toán đường kính và mối ghép bích của các loại ống dẫn 33

4.2.3 Tính toán trụ đỡ của tháp 35

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 38

5.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 38

5.2 Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 41

5.3 Bơm nhập liệu 45

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN CHI PHÍ CHẾ TẠO THIẾT BỊ 48

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Phụ lục bảng và hình vẽ Phụ lục bảng

Bảng 1.1 :Tính chất vật lý của Xylene 1

Bảng 1.2 : Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp mâm 4

Bảng 2.1 Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp : 6

Bảng 2.2 Bảng phân bố nồng độ dự kiến 8

Bảng 3.1 Thành phần pha dòng sản phẩm đỉnh 10

Bảng 3.2 Thành phần pha dòng sản phẩm đáy 11

Bảng 3.3 Thành phần pha dòng nhập liệu 11

Bảng 3.4 Độ bay hơi tương đối của các cấu tử 12

Bảng 3.5 : Phân bố nồng độ các dòng nhập liệu và sản phẩm trong tháp 13

Bảng 3.6 : Thông số vật lý của thành phần đoạn chưng và đoạn luyện 16

Bảng 3.7 : Diện tích chảy truyền trên diện tích tiết diện ngang 19

Bảng 3.8 : Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền 20

Bảng 3.9 Tổng kết sắp xếp mặt mâm 20

Bảng 3.10 Kiểm tra độ sặc mâm 21

Bảng 3.11 Khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng 22

Bảng 3.12 Chế độ làm việc trên mâm 23

Bảng3.13 Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền 24

Bảng 3.14 : Trở lực của đĩa khô 25

Bảng 3.15 Bảng trở lực của đĩa ướt 25

Bảng 3.16 Kiểm tra chiều cao của mực chất lỏng trong kênh chảy truyền 26

Bảng 4.1 Thông số vật lý của vật liệu X18H10T 28

Bảng 4.2 : Các thông số kích thước của bích nối thân với đáy và nắp thiết bị 33

v

Bảng 4.3 Thông số kích thước của lớp vật liệu đệm trong bích 33

Bảng4.4 Thông số kích thước của bích ghép ống nhập liệu với tháp 34

Bảng4.5 Thông số kích thước của bích ghép ổng dẫn hơi ra khỏi đỉnh tháp 35

Bảng4.6.Thông số kích thước của bích ghép ống tháo lỏng ở đáy tháp 35

Bảng4.7 Thông số kích thước của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp 36

Bảng4.8 Thông số kích thước của bích ghép ống hoàn lưu ở đỉnh tháp 36

Phụ lục hình vẽ Hình 4.1 : Đáy, nắp thiết bị hình ellip 30

Hình 4.2 Cấu tạo bích liền có cổ 33

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1. Quá trình thu hồi Xylene từ dòng Reformate.

1.1.1 Tính chất và vai trò của Xylene.

 Xylene, còn được gọi là xylol hoặc dimethylbenzene là một hydorcarbon thơm gồm vòngbenzen nhân với hai nhóm methyl ở vị trí thay thế khác nhau Ba đồng phân của xylene cócông thức phân tử C8H10.Hỗn hợp này là chất lỏng không màu,nhờn ,thường gặp như mộtdung môi

 Các tính chất vật lý của Xylene:

Bảng 1.1 :Tính chất vật lý của Xylene

o Hỗn hợp Xylene (có lẫn tỷ lệ phần trăm nhỏ của ethylbenzene) không màu,có mùithơm và rất dễ cháy ,là dung môi phổ biến trong ngành mực in ,cao su ,nha khoa (hòatan gutta percha) ,dầu khí ( hòa tan parafin )và chất kết dính

o Sử dụng trong phòng thí nghiệm : Xylene dùng làm mát phản ứng ,loại bỏ dầu hỏa từkính hiển vi khô trước khi nhuộm

 Đối với công nghiệp sản xuất Benzen,Toluen và Xylene Các vòng thơm được tạo ra từ Quátrình 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 500-525 oC

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

1.1.3 Thu hồi Xylene từ dòng reformate.

 Dòng Reformate ngoài chứa chủ yếu Benzen,Toluen và hỗn hợp Xylene sẽ còn lẫnParrafin,Cyclo Paraffin,Olefins,cặn nhựa,cốc

 Vì vậy,dòng Reformate sẽ được đưa qua tháp debuthanizer trong cụm Platformer/CCR đểloại bỏ các cấu tử nhẹ noaromatic, sau đó dòng sản phẩm đáy từ tháp debuthanizer sẽ đượcchuyển qua tháp reformate splitter (cụm Reformate Splitter unit –RSU ) để thu hồi xylene

1.2 Giới thiệu về chưng cất

1.2.1 Khái niệm chưng cất

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu

tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi tương đối khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ởcùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau)

 Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quátrình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi- ngưngtụ

 cất và cô đặc khá giống nhau , tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này làtrong chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả 2 phanhưng với tỉ lệ khác nhau) , còn trong quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi còn lại chất tan khôngbay hơi

1.2.2 Phương pháp chưng cất.

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :

o Áp suất làm việc có thể ở áp thấp, thường ,cao

 Nguyên tắc làm việc : dựa theo nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quácao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lí làm việc : chưng một bậc, chưng lôi cuốn theo hơi nước,

o Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong các trườnghợp 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

o Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình đượcthực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn

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

 Cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp,cấp nhiệt gián tiếp

1.2.3 Các loại tháp chưng cất.

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất Tuynhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúcpha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một 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 phakhí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và thápchêm

 Tháp mâm : thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khácnhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau Những trường hợp tháp mâmthường được sử dụng;

o Lưu lượng dòng lỏng/hơi không ổn định

o Yêu cầu đường kính lớn, lưu lượng dòng hơi lớn

o Thời gian lưu của lỏng trên mâm lớn

o Dòng quá trình bẩn ,điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

 Tùy theo cấu tạo của mâm, ta có:

ix

 Tháp chêm (tháp đệm) : tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hayhàn Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.Tháp đệm thường được dùng trong các trường hợp:

o Đường kính tháp nhỏ (ít hơn 0,6 m)

o Quá trình đòi hỏi vật liệu chống ăn mòn cao

o Đòi hỏi tổn thất áp suất trong tháp thấp (ở điều kiện chân không)

o Dòng lỏng dễ tạo bọt, các vật liệu nhạy cảm với nhiệt

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp mâm :

Bảng 1.2 : Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp mâm (trích từ bảng 7.3 ,p 28,[3])

Tỉ số vận hành (khoảng

làm việc )

Khoảng 2:1 Nhìn chungkhông phù hợp với điềukiện tải trọng thay đổi

Khoảng 2,5:1 Nhìnchung không phù hợpvới điều kiện tải trọng

thay đổi

Khoảng 4:1 đến5:1 Một số phương ánthiết kế có thể đại tỷ sốvận hành ≥ 8:1

Lượng lỏng bị cuốn

theo dòng hơi

Giá bảo dưỡng ,sữa

Ứng dụng rộng rãi khi khoảng làm việc của mâm không phải là tiêu chuẩn quyết định ,môi trường có khả năng tắc

Được sử dụng rộng rãi Khi khoảng làm việc làtiêu chuẩn quyết định

nghẽn và ăn mòn cao nghẽn và ăn mòn cao

 Dựa theo những tiêu chí về kinh tế và ưu nhược điểm của các loại tháp mâm nêu trênthì :Đối với hệ : Benzene,Toluene, hỗn hợp các đồng phân Xylene : ta dùng hệ thống chưngluyện là tháp mâm van hoạt động liên tục ở áp suất thường,cấp nhiệt ở đáy tháp bằng nồiđun.Trong phạm vi đồ án này, chúng ta sử dụng cách tính gần đúng cùng với sự hỗ trợ củacông cụ mô phỏng HYSYS V7.3

1.3. Sơ Đồ Quy trình Công Nghệ ( bản vẽ đính kèm )

 Thuyết minh qui trình công nghệ:

Dòng Reformate sẽ được đưa qua tháp debuthanizer trong cụm Platformer/CCR để loại bỏ cáccấu tử nhẹ noaromatic, sau đó dòng sản phẩm đáy từ tháp debuthanizer sẽ được chuyển qua thápreformate splitter (cụm Reformate Splitter unit –RSU )

Dòng nhập liệu vào tháp gồm dòng reformate (C6-C10) từ cụm Platformer/CCR đã loại bỏnoaromatic và dòng AC8+ thu được từ dòng sản phẩm đáy của tháp Toluene column trong cụmShell Sulfolane

Nhiệt độ và áp suất của dòng nhập liệu : 105 oC và 1atm

Tháp RSU chưng cất thu Xylene chiếm 99,5% khối lượng ở đáy,trong khi ở đỉnh lượng Xylenechiếm 1,5 % khối lượng trong hỗn hợp với Benzen và Toluen Dòng ra ở đỉnh tháp RSU đượcđưa qua thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ hoàn toàn,một phần sẽ được dùng làm sản phẩm đỉnh,mộtphần 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

Sản phẩm ở đỉnh là dòng light reformate ( AC7- ) được dẫn qua cụm Shell Sulfolane thực hiệnquá trình xử lý thu hồi lượng AC8+ còn thất thoát.Sản phẩm chính thu được ở đáy tháp sẽ đượcdẫn qua làm nguyên liệu cho cụm Xylene & aromatics

xi

Chương 2 :CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

2.1 Cân bằng vật chất

2.1.1 Các số liệu ban đầu.

Bảng 2.1 Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp :

o Suất lượng nhập liệu : 150 tấn/h

o Yêu cầu : Hàm lượng C9+ trong sản phẩm đáy nhỏ hơn 0, 01 % khối lượng, hàmlượng C8- trong sản phẩm đỉnh nhỏ hơn 0,4% khối lượng

2.1.2 Các quy ước về kí hiệu.

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

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

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

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

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

m w : suất lượng khối lượng 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

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

m(i) : suất lượng khối lượng của cấu tử i tại vị trí A ( nhập liệu ,Đỉnh hay Đáy

i : có thể là B (Benzen ), T( Toluen), P( para –xylene) ,O( Ortho-Xylene), M( xylene) A có thể là ( F,D,W) (kg/h)

 Độ bay hơi của Cyclohexane lớn hơn đáng kể so với các cấu tử còn lại trong hỗn hợpnên có thể xem như toàn bộ lượng Cylohexanee được thu hồi ở đỉnh  mD(C6) =mF(B) =44097,84 (kg/h) ; mW(C6) = 0.

 Theo yêu cầu đề, độ thu hồi các cấu tử C9+ cao nên tỉ lệ giữa các cấu tử C9, C10,C12 trong dòng sản phẩm đáy sắp sĩ tỉ lệ giữa các cấu tử này trong dòng sản phẩmđỉnh

 Từ bảng thành phần các cấu tử nhập liệu ta có

mF(C9): mF(C10) :mF(C12) ≈ 0,0718 : 0,0809 : 0,4843Suy ra: mW(P): mW(O) :mW(M) ≈ 0,0718 : 0,0809 : 0,4843

 Phương trình cân bằng vật chất cho Benzen và Toluene

mW (C 9)

0,07180,4843

cấu tử tỉ lệ mol kmol/h tỉ lệ mol kmol/h tỉ lệ mol kmol/h

2.2 Cân bằng năng lượng

2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất

 Phương trình cân bằng năng lượng: QF +QC = QD+QW+QNT+QM

o QF : Nhiệt lượng dòng nhập liệu vào tháp

QF = F.CF.TF = 160,76*184,2*105 = 3109259,16 (kJ/h)

Với

184, 2( / )105

F

o F

o Qw : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp

Qw = W.Cw.Tw = 66,85*242,6*168 = 2724592,08 (kJ/h)Với ¿

o QNT : Nhiệt lượng do ngưng tụ hơi ở đỉnh

QNT = (R+1) D.RD = 2,5*7929*391,6 =7762491 (kJ/h)Với ¿

C h hd

Q

r

rhd là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở điều kiện đã cho

rhd = 2260 (kJ/kg) (p.37,[10])

2.2.2 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ

o Lượng nước cần thiết để ngưng tụ hơi ở đỉnh

Chọn nhiệt độ nước vào : 25 oC

Chọn nhiệt độ nước ra : 40 oC

Nhiệt dung riêng của nước : 4,18 kJ/kg.K

Ẩn nhiệt ngưng tụ hơi ở đỉnh rD = 391,6 kJ/kg

(R+1).D.MtbD.RD= mH20.( 40-25)*4,18

Vậy lượng nước cần cho thiết bị ngưng tụ là 123717,4 (Kg/h)

xv

Chương 3 : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CHO THIẾT BỊ

3.1. Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết :

3.1.1 Tính độ bay hơi tương đối

 Chọn cấu tử khóa :Xylene (C8H10) là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ

Cyclononane (C9) là cấu tử khóa nặng: j nặng

 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 thápchưng: đỉnh tháp (αiD), đáy tháp (αiW), nhập liệu (αiF) ,từ đó ta tính độ bay hơi tương đối

trung bình: ∝i=√∝ iD ×∝ 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 ∝.Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 2006 kết quả được cho ở các bảng sau :

o Đỉnh tháp : Nhiệt độ : 110 C ; áp suất : 2 atm

o Nhập liệu : nhiệt độ : 150 o C ; áp suất : 2,1 atm.

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

bốc hơi) Theo đầu bài (lấy từ hysys : L = 0,9722 ; V= 0,0278 )

 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:

Bảng 3.4 Độ bay hơi tương đối của các cấu tử.

3.1.2 Xác định Nmin theo công thức Fenske

 Xét công thức Fenske cho hệ nhiều cấu tử.

min

.log

.log

iD jw

jD iw i

x x

x x N

 Gọi a ( kmol ) là số mol của C9 trong sản phẩm đỉnh tháp ,ta có:bảng :



(1) ; Nmin =

40,82.0,66.(27,9 )lg(

Bảng 3.5 : phân bố nồng độ các dòng nhập liệu và sản phẩm trong tháp

3.1.3 Xác định Rmin theo phương pháp dơn giản hóa Gililand.

 Ta có công thức Gilliland tính tỷ số hồi lưu tổi thiểu Rmin (p.47, [2]) :

Cấu tử Nhập liệu lỏng sôi Nhập liệu dạng hơi

e

iNh iNhe

iNh iNang

Z l

iNh iNang

Z l

jNang

Z l

Z

e

jNh jNhe

iNh jNang

Z l

jNang

Z l

Z



e

iV iV

iNh jNang

Z l

jL

Z l Z



e

iV jNhe iL

jNh jL

Z l

iNang

Z l

Z

iNang

Z l

Z



 Trong đó: Zi : nồng độ câu tử i trong hỗn hợp ban đầu

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

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

 Ta được thông số sau :

 Từ các số liệu trên ta tính ra Rmin = 0,548

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

 Ta có : R = 1,3.Rmin +0,36 => R = 1,07

Tra đồ thị (p.43,[2]), hoặc Nhl = 1,7.Nmin+1 ta có N= 28

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

 Đoạn cất :

min min min min

 Đoạn chưng :

min min min min

- Phương pháp thường dùng để tính toán là phương pháp sử dụng phương trình để xác định chế

độ sặc mâm chỉ do lỏng bị cuốn theo hơi Theo phương trình Kister – Hass có thể xác định được

tốc độ sặc thông qua hằng số mâm CSB :

0,5 0,125 0,1

ρL,ρG lần lượt là khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3

TS Khoảng cách giữa các mâm, mm

hcl Chiều cao lớp chất lỏng ở chế độ chuyển tiếp từ chế độ lớp bọt sang chế độ tia và đượctính theo công thức:

2

2

0,5/(1 ) ,

0,791 0,833 , 0,59 1,79

996

d A

 QL tải trọng lỏng, m3/(h/m chiều dài ngưỡng chảy tràn)Ql= Q lỏng

ρLL Lw

 Af phần diện tích lỗ trên phần diện tích sục khí, chọn Af = 0,1 đối với tháp mâm van

 Đối với mâm van, cũng có thể sử dụng công thức trên để dự đoán điểm sặc mâm nhưng dochấp nhận các giả thuyết gần đúng nên các số liệu dự đoán có thể sai số khoảng 10%

Để tính toán CSB chấp nhận các giả thuyết sau:

 Đường kính lỗ: dh = 0,5 in

xxi

 Khoảng cách mâm: TS = 24 in

 Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm: hcl = 1,5in

(Theo Kister H.Z ,Distillation Oparation ,McGraw- Hill ,New york ,1990)

 Bảng số liệu các thông số từ hysys :

Bảng 3.6 : thông số vật lý của thành phần đoạn chưng và đoạn luyện

L(lb/ft3) V (lb/ft3) (dyn/cm) Lưu lượngkhí – CFS

( ft3/s )

Lưu lượnglỏng –GPM

Diện tích sục khí thực của tháp A : Giả thiết tháp thiết kế làm việc tại điểm 80% tốc độ sặc mâm N

đế đảm bảo an toàn cho tháp

2 ,

,( ) 0,8

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

trong kênh chảy truyền ở bảng 7.5 (p,45, [3]), cho tháp hoạt động ở áp suất P = 2 atm theo bảng trêntốc độ của dòng lỏng trong kênh chảy truyền nằm trong khoảng (0,1:0,4) ft/s Chọn tốc độ này bảng

D

U  ft s đối với đoạn cất và U D 0,35ft s/ đoạn chưng Ở đây không cần chú ý đến hệ

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

Công thức tính diện tích chảy truyền của lỏng A D

 Đoạn luyện :

2

2,58,30,3

- Diện tích tiết diện ngang của tháp : A T A N A D ( p.127 ,[3])

- Đường kính tháp được tính bằng công thức :

T

A D

3.3 Sắp đặt sơ bộ mặt mâm

3.3.1 Số đường đi của lỏng trên mâm.

 Ở giai đoạn đầu cần tiến hành sắp đặt sơ bộ diện tích mặt mâm, vì sắp đặt mặt mâm sẽ ảnhhưởng tới kích thước của tháp Trong đồ án này, sắp đặt sơ bộ mặt mâm sẽ dựa vào hướngdẫn chi tiết sắp đặt mặt mâm của các hãng

Để xác định số đường đi của lỏng trên mâm trước tiên cần phải tính sơ bộ chiều dài ngưỡngchảy tràn : L W 0,8D T 0,8 2, 6 2,08   m 81 in

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

3.3.2 Khoảng cách giữa các 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 mâmchọn nằm trong khoảng 0,3-0,5 đường kính tháp

3.3.3 Các kích thước khác

- Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ ,các kích thước sau đây có thể coi là phù hợp cho việcsắp 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 = 50 mm

o Bề dày của mâm (thép X18H10T ) : bề dày 0,135 in ≈ 3,5 mm

 Trong đoạn luyện, phần trăm diện tích chảy truyền lỏng

8,3

57,65

D T

A

 Chọn % diện tích chảy truyền lỏng cho cả 2 đoạn là 17,58 %

 Diện tích chảy truyền lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng là khá nhỏ nên không cần giảmdiện tích này

 Kết quả tỉ lệ diện tích chảy truyền trên diện tích tiết diện ngang ta có

Bảng 3.7 : diện tích chảy truyền trên diện tích tiết diện ngang

đoạn luyện đoạn chưng

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép trên,m2 0,774 0,948

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép dưới,m2 0,774 0,948

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

Các đại lượng này tính được từ hinh dạng của kênh chảy truyền , để xác định nhanh các đạilượng này cũng có thể sử sụng các đồ thị của Bolles ( p.130 , [3]) :

Bảng 3.8 : Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền.

Đường đi của lỏng trên mâm LF, in 81,6 78,5

 Kiểm tra đường đi của chất lỏng trên mâm LF = DT- Wdc , phải lớn hơn từ 15- 18 (in), kết quảthu được hoàn toàn thỏa mãn

3.4 Tổng kết sắp xếp mặt mâm

Bảng 3.9 Tổng kết sắp xếp mặt mâm.

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép trên, m2 0,774 0,948

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép dưới,m2 0,774 0,948

Độ dài đường đi của lỏng trên mâm,LF ,mm 2073 1994

3.4.1 Kiểm tra sặc mâm

 Khi thiết kế tháp thường chọn tốc độ làm việc của tháp bằng khoảng (80-85)% 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 cácphương 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 thườngxảy ra ở ngay lân cận điểm sặc.

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

2

0,791 0,833 0,59 1,79

Bảng 3.10 Kiểm tra độ sặc mâm

Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở

Khối lượng riêng của pha lỏng ρl, lb/ftl, lb/ft3 45,62 41,63Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở

trên đĩa ở chế độ chuyển tiếp từ lớp

Khối lượng riêng của pha hơi ρl, lb/ftg, lb/ft3 0.3608 0.4040

 Nhận xét : Phần trăm sặc mâm bằng xắp xỉ 84 %, kích thước thiết kế phù hợp với cần thiết

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

xxvii

 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 Phương trình Koch có dạng :

Bảng 3.11 :Khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng

Tải trọng lỏng của kênh chảy truyền Q, GPM/ft2 134,7 140

Nhận xét :

 Kết quả kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng cho thấy: với kích thước kênh chảy truyềnlỏng đã tính toán thì tháp sẽ không có hiện tượng tắt nghẽn kênh chảy truyền (do %QDmax<100%) Do đó, khoảng cách mâm của cả đoạn chưng và đoạn luyện có thể chấpnhận giá trị TS = 24 in

3.5 Kiềm tra thủy lực.

3.5.1 Chế độ làm việc trên mâm.

 Chế độ dòng: Do mâm thường không làm việc ở chế độ phun tia nên tính kiểm tra chế độdòng trên mâm ở chế độ chuyển tiếp sẽ được bắt đầu từ chế độ chuyển tiếp lớp bọt - nhũtương.

 Để tính chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ở chế độ chuyển tiếp lớp bọt nhũ tương, sẽ sửdụng phương trình của Hofhuis-Zuiderweg :

p B LV

w c

N A F

L h



Bảng 3.12 Chế độ làm việc trên mâm.

Khối lượng riêng dòng hơi, ρv , lb/ft3 0,3068 0,4040

Khối lượng riêng dòng lỏng ,ρL, lb/ft3 45,61 41,63

Chiều cao lớp lỏng trong trên đĩa hc, in 0,49 0,44

 Tất cả các thông số dòng trên mâm đều vượt quá giá trị thông số dòng ở chế độ chuyểntiếp lớp bọt- nhũ tương (0,0208) Vì vậy các kết quả tính toán kiểm tra trên cho thấy chế

độ làm việc trên mâm là chế độ nhũ tương

3.5.2 Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền.

 Việc kiểm tra ở đây nhằm mục đích chỉ ra thời gian lưu biểu kiến của lỏng trong kênh chảytruyền và kiểm tra xem thời gian này có nằm trong giới hạn cho phép hay không

 Thể tích của kênh chả truyền VD=(AD.TS)/12

 Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền : tR=VD/L

xxix