Đồ án Tìm hiểu và tính toán các thông số kỹ thuật của tháp ổn định condensat C-02 tương ứng với lưu lượng khí đầu vào 5,9 triệu m3/ngày của nhà máy GPP Dinh Cố

àm lạnh sâu khí sau này. Sau đó được đưa qua thiết bị lọc F-01A/B để tách lọc bụi bẩn có trong khí. Phần lỏng ra khỏi thiết bị V-08 được đưa vào bình tách ba pha V-03 để tiếp tục xử lý tiếp. Dòng khí sau khi được tách nước ở V-06A/B và lọc bụi ở F-01A/B là khí khô, dòng này được chia làm hai phần: - Phần thứ nhất khoảng 1/3 lượng khí khô ở trên được đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt E-14 bằng cách thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với dòng khí có nhiệt độ -450C đi ra từ đỉnh tháp tinh cất C-05, qua đây nhiệt độ của dòng khí sẽ giảm đến -350C. Sau khi thực hiện quá trình làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt, dòng khí được đưa qua van điều khiển FV-1001 để giảm áp suất xuống 37 bar, đồng thời với quá trình giảm áp nhiệt độ của dòng khí sẽ giảm xuống -650C. Lúc này dòng khí sẽ chứa khoảng 56% mol lỏng và được đưa tới đĩa trên cùng của thiết bị tinh cất C-05 như một dòng hồi lưu ngoài. - Phần thứ hai khoảng 2/3 dòng khí còn lại được đưa vào đầu giãn nở của thiết bị CC-01 để thực hiện việc giảm áp từ 109 bar xuống tới 37 bar và nhiệt độ giảm xuống -120C. Dòng khí lạnh này sau đó được đưa vào đáy của tháp tinh cất C-05. Như vậy khí khô sau khi ra khỏi thiết bị lọc F-01A/B được tách ra và đưa sang các thiết bị E-14 và CC-01 để giảm nhiệt độ sau đó đưa vào tháp tinh cất C-05 hoạt động ở áp suất 37 bar, nhiệt độ của đỉnh tháp và đáy tháp tương đương là -450C và -150C, tại đây khí (chủ yếu là Metan và Etan) được tách ra tại đỉnh tháp. Thành phần pha lỏng (chủ yếu là Propan và các cấu tử nặng hơn) được tách ra từ đáy tháp. Hỗn hợp khí đi ra từ đỉnh tháp C-05 thành phần chủ yếu là Metan và Etan có nhiệt độ -450C được sử dụng làm tác nhân lạnh cho thiết bị trao đổi nhiệt E-14 và sau đó được nén tới áp suất 54 bar trong phần nén của thiết bị CC-01. Hỗn hợp khí đi ra từ thiết bị này được đưa vào hệ thống đường ống 16 inch đến các nhà máy điện như là khí thương phẩm. Hỗn hợp lỏng đi ra từ đáy tháp tinh cất C-05 có thành phần là C3+, chủ yếu là Propan được đưa vào đỉnh tháp C-01 như dòng hồi lưu ngoài. Tháp tách Etan C-01 là một tháp đĩa dạng van hoạt động như một thiết bị chưng cất. Trong chế độ GPP chuyển đổi tháp C-01 có hai dòng nguyên liệu đi vào là dòng lỏng từ đáy tháp C-05 đi vào đĩa trên cùng và dòng lỏng từ đáy bình tách V-03 sau khi được gia nhiệt tại E-04 được đưa vào đĩa thứ 20. Tháp C-01 có nhiệm vụ tách hydrocacbon nhẹ như Metan và Etan ra khỏi Condensat, khi hoạt động tháp có áp suất 27,5 bar, nhiệt độ đỉnh 140C, nhiệt độ đáy 1090C được duy trì nhờ thiết bị gia nhiệt E-01A/B. Khí nhẹ ra khỏi đỉnh tháp C-01 được đưa vào bình tách V-12 để tách lỏng có trong khí, sau đó được máy nén K-01 nén từ áp suất 27,5 bar đến áp suất 47,5 bar rồi đưa vào bình tách V-13 được nén tiếp đến 75 bar nhờ máy nén K-02, được làm mát nhờ thiết bị trao đổi nhiệt bằng không khí E-19. Dòng khí ra khỏi E-19 lại được máy nén K-03 nén đến áp suất thiết kế là 109 bar, sau đó được làm mát tại thiết bị trao đổi nhiệt E-13 và cuối cùng quay trở lại bình tách V-08 như là nguyên liệu đầu vào. Hỗn hợp lỏng ra khỏi đáy C-01 có thành phần chủ yếu là C3+ được đưa vào bình ổn định V-15 sau đó được đưa vào đĩa thứ 11 của tháp C-02. Tháp ổn đỉnh C-02 là một tháp đĩa dạng van bao gồm 30 đĩa, áp suất làm việc 11 bar, nhiệt độ đỉnh 550C, nhiệt độ đáy 1340C (được duy trì nhờ Reboiler E-03). Tháp C-02 có nhiệm vụ tách riêng hỗn hợp Bupro gồm Propan và Butan ra khỏi Condensat. Hỗn hợp Bupro ra khỏi đỉnh C-01 có nhiệt độ 550C được làm mát đến 430C nhờ thiết bị làm mát bằng quạt E-02, sau đó được đưa sang bình ổn định V-02, một phần nhỏ Bupro được hồi lưu lại đỉnh tháp C-01 còn phần lớn được làm lạnh lần nữa tại E-12 sau đó được đưa vào bồn chứa để xuất ra xe bồn hoặc đưa về kho cảng Thị Vải. Condensat ra khỏi đáy tháp C-02 có nhiệt độ cao được tận dụng để gia nhiệt cho dòng lỏng ra từ đáy V-03 thông qua thiết bị trao đổi nhiệt E-04, đồng thời nhiệt độ của dòng Condensat cũng giảm xuống còn 600C, sau đó được làm mát tiếp đến 450C tại thiết bị làm lạnh bằng quat E-09 cuối cùng được đưa vào bồn chứa hoặc dẫn về kho cảng Thị Vải. V-03 V-06A/B V-08 SC-01 CC-01 K-02 K-03 V-12 E-14 V-101 K-01A/B/C/D C-05 K-01 C-01 E-09 Condensate TK-21 V-21B V-21A Butan Propan E-04 E-01A/B C-02 E-03 E-17 E10 C-03 E-02 E-11 V-05 V-02 FV-1301 P-03A/B P-01 Nước Sale Gas ME E-01A/B/C/D Khí Đầu Vào Hình 2.4: Sơ đồ MGPP CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 3.1. C©n b»ng láng h¬i [3] 3.1.1. Kh¸i niÖm §Ó hiÓu râ kh¸i niÖm c©n b»ng láng h¬i, tr­íc hÕt chóng ta nghiªn cøu mét thiÕt bÞ c©n b»ng láng h¬i ®¬n gi¶n. (H×nh 3.1) Khi ®­îc cÊp nhiÖt ®Õn mét nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh, hçn hîp láng trong thiÕt bÞ sÏ b¾t ®Çu s«i vµ sinh ra h¬i. Hçn hîp h¬i sinh ra ®­îc dÉn theo mét ®­êng èng trë l¹i ®¸y thiÕt bÞ. T¹i ®©y h¬i sÏ ®­îc ph©n t¸n ®Ò vµo pha láng th«ng qua mét thiÕt bÞ ph©n t¸n. H×nh 3.1: thiÕt bÞ c©n b»ng láng h¬i ®¬n gi¶n. C¸c cÊu tö cña hçn hîp h¬i ban ®Çu ph©n bè vµo pha h¬i vµ pha láng tuú thuéc vµo nhiÖt ®é s«i cña chóng. Nh÷ng cÊu tö cã nhiÖt ®é s«i thÊp (dÔ bay h¬i) sÏ cã khuynh h­íng tËp trung nhiÒu h¬n trong pha h¬i, trong khi ®ã nh÷ng cÊu tö cã nhiÖt ®é s«i cao h¬n sÏ tËp trung nhiÒu h¬n ë pha láng. C©n b»ng gi÷a pha h¬i vµ pha láng sÏ ®¹t ®­îc khi sù ho¹t ®éng cña thiÕt bÞ ®­îc duy tr× ®Õn møc ®é nµo ®ã mµ hÇu nh­ kh«ng cã sù thay ®æi vÒ nhiÖt ®é, ¸p suÊt vµ thµnh phÇn c¸c pha. Nh­ vËy, râ rµng møc ®é t¸ch c¸c cÊu tö cña mét hçn hîp sÏ ®¹t ®­îc cùc ®¹i t¹i tr¹ng th¸i c©n b»ng, kh«ng thÓ tån t¹i mét tr¹ng th¸i nµo kh¸c mµ ®¹t ®­îc møc ®é t¸ch cao h¬n. T¹i tr¹ng th¸i c©n b»ng thiÕt bÞ ®­îc coi nh­ mét ®Üa lý thuyÕt vµ thµnh phÇn cña pha láng vµ pha h¬i, gäi lµ c¸c thµnh phÇn c©n b»ng. Tãm l¹i, c©n b»ng láng h¬i lµ mét tr¹ng th¸i cña hÖ mµ t¹i ®ã kh«ng cã sù thay ®æi vÒ nhiÖt ®é, ¸p su¸t vµ thµnh phÇn c¸c pha. 3.1.2. C¸c quan hÖ nhiÖt ®éng häc cña c©n b»ng láng h¬i ● Quan hÖ c©n b»ng: ë tr¹ng th¸i c©n b»ng láng h¬i, quan hÖ nång ®é cña mét cÊu tö nµo ®ã gi÷a pha láng vµ pha h¬i tu©n theo ph­¬ng tr×nh sau: (3.1) Trong ®ã: Ki: lµ h»ng sè c©n b»ng cña cÊu tö i yi, xi: LÇn l­ît lµ phÇn mol cña cÊu tö i trong pha h¬i vµ pha láng. Trong (4.1) cÊu tö nµo cã kh¶ n¨ng bay h¬i cµng lín (nhiÖt ®é s«i cµng thÊp) sÏ cã gi¸ trÞ Ki cµng lín. ● §é bay h¬i t­¬ng ®èi §é bay h¬i t­¬ng ®èi cña cÊu tö i so víi cÊu tö j ®­îc ®Þnh nghÜa lµ tû sè gi÷a c¸c h»ng sè c©n b»ng cña chóng. (3.2) Trong ®ã: : §é bay h¬i t­¬ng ®èi cña cÊu tö i so víi cÊu tö j Kj,Ki: lÇn l­¬t lµ h»ng sè c©n b»ng cña cÊu tö j, i. lµ mét ®¹i l­îng hÕt søc quan träng v× nã cho thÊy ®­îc kh¶ n¨ng vµ hiÖu qu¶ cña qu¸ tr×nh ch­ng cÊt ph©n ®o¹n. MÆt kh¸c, theo thãi quen truyÒn thèng, ng­êi ta ®Þnh nghÜa lµ tØ sè gi÷a c¸c h»ng sè c©n b»ng cña cÊu tö dÔ bay h¬i so víi cÊu tö khã bay h¬i h¬n nã, nªn ta cã ³ 1 NÕu cµng lín h¬n 1 th× i cµng dÔ bay h¬i h¬n; nghÜa lµ cµng dÔ t¸ch i khái; ng­îic l¹i nÕu = 1 th× qu¸ tr×nh t¸ch kh«ng thÓ thùc hiÖn ®­îc b»ng ph­¬ng ph¸p ch­ng cÊt ph©n ®o¹n th«ng th­êng. XÐt mét hÖ gåm 2 cÊu tö, kÕt hîp (3.1) vµ (3.2) ta ®­îc (3.3) HoÆc (3.4) Ph­¬ng tr×nh (3.4) cho thÊy: PhÇn mol cña c¸c cÊu tö dÔ bay h¬i h¬n trong pha h¬i lµ mét hµm sè cña ®é bay h¬i t­¬ng ®èi vµ phÇn mol cña nã trong pha láng. H×nh 3.2: ¶nh h­ëng cña ®é bay h¬i t­¬ng ®èi tíi nång ®é cña cÊu tö dÔ bay h¬i trong pha h¬i. Nh×n vµo ®å thÞ ta thÊy: Khi ®é bay h¬i t­¬ng ®èi t¨ng lªn th× nång ®é cña cÊu tö dÔ bay h¬i sÏ t¨ng lªn vµ ng­îc l¹i. 3.2. Định luật Daltont và Raoult [1] Đối với những hệ lỏng hơi lý tưởng hoặc được coi là lý tưởng (ví dụ như những hỗn hợp hydrocacbon mà trong đó bao gồm những đồng đẳng của chúng), thì có thể sử dụng định luật Daltont và Raoult. ● Định Luật Daltont Định luật này đưa ra mối liên hệ giữa nồng độ của một cấu tử trong hỗn hợp hơi lý tưởng với áp suất hơi riêng phần của nó. Pi = P.yi (3.5) Trong đó: - Pi, yi là áp suất hơi riêng phần và phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp hơi lý tưởng. - P là áp suất tổng của hệ. ● Định Luật Raoult Định luật này đưa ra mối liên hệ giữa áp suất hơi riêng phần của một cấu tử trong pha hơi với nồng độ của nó trong pha lỏng. Pi = Pi0.xi (3.6) Trong đó: - Pi là áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong pha hơi. - Pi0 là áp suất hơi bão hòa của cấu tử i tại nhiệt độ của hệ. - xi là phần mol của cấu tử i trong pha lỏng Do đó, nếu P là áp suất chung của hệ thì ta cũng có thể viết: P = (3.7) Kết hợp (3.5), (3.6) và (3.7) ta được: P.yi = Pi0.xi (3.8) yi = yi = xi (3.9) Nếu ta chọn cấu tử j làm cấu tử khóa thì độ bay hơi tương đối của một cấu tử i bất kỳ so với cấu tử khóa là: ● Hệ Lý Tưởng Phương trình (3.9) cho ta thấy, đối với một hệ lý tưởng thì không phụ thuộc áp suất và thành phần. Trong đó: là áp suất hơi bão hòa của cấu tử j ở cùng nhiệt độ. ● Hệ Không Lý Tưởng Đối với hệ không lý tưởng (hệ thực) thì không thể áp dụng định luật Daltont và Raoult, do đó ở trạng thi cân bằng lỏng hơi, quan hệ nồng độ của một cấu tử nào đó giữa pha lỏng và pha hơi tuân theo phương trình sau: yi = Ki.xi (3.10) Trong đó: - Ki là hệ số cân bằng pha của cấu tử i thường được xác định bằng thực nghiệm và nói chung Ki phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất chưng cất. - yi, xi lần lượt là phần mol của cấu tử i trong pha hơi và pha lỏng. Độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử khóa j được định nghĩa là tỷ số giữa các hằng số cân bằng của chúng. (3.11) Trong đó: - là độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử j. - lần lượt là hằng số cân bằng của cấu tử i và j. Phương trình (3.11) cho ta thấy, đối với một hệ không lý tưởng thì phụ thuộc vào thành phần. Như vậy độ bay hơi tương đối trong hỗn hợp có giá trị từ lớn hơn 1 đến nhỏ hơn 1 tùy thuộc vào các cấu tử. Đối với cấu tử khóa j, rõ ràng là = 1. Người ta quy ước lấy gi trị của độ bay hơi tương đối để phân biệt cấu tử nhẹ, nặng: - Cấu tử nhẹ có: > 1 - Cấu tử nặng có: < 1 Sự phân biệt này chỉ có ý nghĩa tương đối, vì nếu ta thay đổi cấu tử khóa thì khái niệm về cấu tử nặng, nhẹ cũng sẽ thay đổi. Mục đích của việc chọn hai cấu tử khóa là nhằm giúp ta xác định việc phân bố nồng độ các cấu tử ở các phân đoạn phù hợp với yêu cầu sản xuất. Tuy nhiên, cấu tử khóa nặng vẫn là chuẩn để xác định độ bay hơi tương đối. Đồng thời, đối với hệ nhiều cấu tử, ta cũng có thể viết: và Vì độ bay hơi tương đối biến đổi theo nhiệt độ ít hơn áp suất hơi bão hòa nguyên chất , do đó người ta không sử dụng phương trình (3.9) để tính nồng độ cấu tử i, mà thường tính nồng độ theo độ bay hơi tương đối. Từ (3.11) ta có thể viết cho các cấu tử từ 1, 2… đến n như sau: ……. Khi chúng ta cộng các phương trình này theo vế thì sẽ được: Từ đó xác định được nồng độ cân bằng của cấu tử j: (3.12) Hoặc từ (4-8) và (4-9) biến đổi lại để tính nồng độ cân bằng cho cấu tử i bất kỳ: (3.13) Hoặc công thức (3.13) được rút ra từ định nghĩa nồng độ: (3.14) Xét một hệ gồm 2 cấu tử, phương trình (3.11) có dạng: hoặc (3.15) Phương trình (3.15) cho thấy phần mol của các cấu tử dễ bay hơi hơn trong pha hơi là một hàm số của độ bay hơi tương đối và phần mol của nó trong pha lỏng. 3.3. Cấu trúc tháp chưng cất trong công nghiệp dầu khí [3]. 3.3.1.Thân tháp chưng cất. Thân tháp chưng cất có dạng hình trụ đứng. Vật liệu làm tháp phụ thuộc vào mức độ ăn mòn của môi trường làm việc, áp suất và nhiệt độ làm việc. Nó thường làm bằng thép. Chiều cao của tháp được xác định bằng số đĩa thực tế và khoảng cách giữa chúng. Thông thường tháp có đường kính từ 1,2 ÷ 4,5m thì chiều cao của tháp từ 25 ÷ 38m, thành của tháp chưng cất dày 10÷25mm. Trong tháp có các đĩa, ngoài ra còn lỗ cửa để người lắp ráp và sửa chữa, làm vệ sinh. Trên thân tháp chưng cất còn có các lỗ để cầm nhiệt kế và áp kế, các thiết bị đo lường điều khiển.. Hình 3.3:hình ảnh đơn giản cấu tạo một tháp chưng cất. 3.3.2. Đường kính tháp. Đường kính tháp chưng cất phụ thuộc chủ yếu vào công suất của nó, nghĩa là phụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu( để chưng cất), đúng hơn là phụ thuộc lưu lượng các dòng hơi và dòng lỏng trong tháp. Đường kính tháp hay tiết diện tháp được thiết kế và tính toán tuỳ thuộc vào lưu lượng pha lỏng, pha hơi, phải đủ lớn để khi hoạt động không gây nên trạng thái ngập lụt hoăc lôi cuốn chất lỏng lên đĩa quá nhiều. 3.3.3. Đĩa. Trong tháp chưng cất có các chướng ngại vật, đó là các đĩa. Đĩa là một cấu trúc cơ khí nằm ngang trong tháp chưng cất, có tác dụng tạo điều kiện cho pha hơi đang bay lên và pha lỏng đang đi xuống tiếp xúc với nhau một cách đủ lâu, đủ tốt để sự trao đổi chất giữa chúng xảy ra hoàn hảo. Các tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu, trong nhà máy xử lý chế biến khí có từ mười đến dăm sáu chục đĩa, còn trong nhà máy hoá dầu có thể còn nhiều hơn vì ở đó nhu cầu phân tách cao hơn, tạo ra những phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau rất ít, thậm chí tạo ra các chất gần như nguyên chất. Hình 3.4 : hoạt động của hơi và lỏng trên các đĩa Trên đĩa có các bộ phận sau : + Gờ chảy tràn : là vách ngăn có chiều cao cố định thấp hơn gờ chắn của ống hơi. Mục đích của gờ chảy tràn là giữ cho mực chất lỏng trên đĩa, tạo điều kiện cho pha lỏng và pha hơi tiếp xúc tôt hơn trên đĩa. + Ống chảy truyền : thiết diện của nó có thể là hình viên phân hay hình tròn. Số ống phụ thuộc vào kích thước chóp và lưu lượng lỏng. Nó có thể có một ống hoặc nhiều hơn, có thể ở hai bên hay chính giữa đĩa, ống chảy phải được kéo sát đến gần đĩa dưới ( phải thấp hơn gờ chảy tràn của đĩa dưới ), để giữ một lớp chất lỏng trong ống, ngăn không cho pha hơi đi qua. + Chóp : có thể là dạng tròn hay có dạng khác được lắp vào đĩa bằng nhiều cách khác nhau. Ở chóp có rãnh để khí đi qua. Rãnh có thể là hình tròn, tam giác hay hình chữ nhật. Chóp có tách dụng là làm cho khí đi từ đĩa dưới lên qua các ông khí rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa để trao đổi nhiệt và chất. + Van : có thể nâng lên hạ xuống dưới tác dụng của lực đẩy lên từ phía dưới của dòng hơi. Lá van có thể dạng hoặc tấm tròn. Một số thiết bị khác liên quan đến tháp chưng cất như thiết bị làm lạnh ngưng tụ, thiết bị trao đổi nhiệt, bình hồi lưu, nồi tái đun… 3.3.4. Nguyên tắc hoạt động của tháp Nguyên liệu được đưa vào tháp ở gần giữa tháp ( để cho chất lỏng chảy xuống dưới có không gian tiếp xúc với hơi ở đáy tháp bị đun nóng bay lên) với lưu lượng và thành phần đã biết. Thông thường nguyên liệu dưới dạng hai pha lỏng – hơi. Đĩa mà nguyên liệu vào được gọi là đĩa nạp liệu. Phần trên đĩa nạp liệu gọi là vùng cất, phần dưới kể cả đĩa nạp liệu gọi là vùng chưng. Lỏng dòng nhập liệu sẽ chảy xuống vùng chưng đến đáy tháp. Tại đây, mức chất lỏng luôn được duy trì, dòng chất lỏng sẽ được cung cấp nhiệt và bay hơi, hơi bay lên sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn so với chất lỏng. Hơi đó sẽ sục vào chất lỏng ở các đĩa phía trên. Ở đó, hơi cùng chất lỏng thực hiện quá trình trao đổi chất và trao đổi nhiệt, kết quả tạo ra một dòng hơi mới giàu cấu tử đễ bay hơi hơn, chất lỏng giàu cấu tử khó bay hơi sẽ chảy xuống dưới đáy tháp và lại tiếp tục trao đổi nhiệt với dòng hơi đang bay lên tại các đĩa mà dòng lỏng này chảy xuống. Cứ tiếp tục như vậy qua nhiều bậc, hơi đi ra khỏi đỉnh tháp chưng cất chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi hơn gọi là distilat. Phần lỏng ra khỏi đáy tháp chưng cất chứa nhiều cấu tử khó bay hơi gọi là cặn ( residue ). Dòng chất lỏng được đưa ra khỏi đáy tháp chưng cất. Một phần được đưa vào thiết bị tái đun nóng. Tại đây, nó được đun nóng và bay hơi một phần và được dẫn trở lại tháp. Hơi này chủ yếu là để cung cấp nhiệt cho tháp. Dòng hơi từ đáy tháp bay lên xuyên qua các đĩa và đên đỉnh tháp được hoá lỏng ở dòng thiết bị làm lạnh ngưng tụ, một phần làm dòng hồi lưu, phần còn lại được đưa ra thiết bị chứa sản phầm nhờ bơm. 3.4. Tính toán cân bằng pha [3] Các yếu tố cần phải xác định trong cân bằng pha khi chưng cất là: - Nhiệt độ sôi cân bằng - Nhiệt độ ngưng tụ (điểm sương) - Áp suất chưng cất - Nồng độ các pha: chỉ xác định được đối với hệ nhiều cấu tử đơn giản - Suất lượng các pha: tính theo % thể tích (hoặc theo mol). Các yếu tố này có quan hệ chặt chẽ với nhau, thông thường ta có thể biết trước từ hai đến ba yếu tố rồi dựa vào đó để xác định các yếu tố còn lại. Phương trình thường được dùng để tính toán cân bằng pha có dạng hoặc Trong đó: - là hệ số cân bằng pha Đối với các hydrocacbon, hệ số cân bằng pha có thể tra ở phụ lục1 khi biết nhiệt độ và áp suất. Nói chung đây là một cách tính lặp, có giả sử và có kiểm tra giả sử. Việc kiểm tra này được tiến hành theo hệ thức: hoặc ● Tính điểm sôi cân bằng Điểm sôi là trạng thái của hệ mà tại đó hỗn hợp lỏng hydrocacbon bắt đầu sôi (bong bóng hơi đầu tiên được sinh ra) và nó được xác định từ phương trình: (3.16) Quy trình tính lặp được thực hiện như lưu đồ ở hình 3.5 Giả thiết lại nhiệt độ Giả thiết nhiệt độ Dữ kiện xi, P Xác định Ki Tính yi = Ki.xi Dừng Kiểm tra Tính lại Không đạt Hình 3.5. Lưu đồ tính điểm sôi cân bằng ● Tính điểm sương Điểm sương là trạng thái của hỗn hợp hơi hydrocacbon bắt đầu ngưng tụ (giọt lỏng đầu tiên được sinh ra) và nó được xác định từ phương trình: (3.17) Quy trình tính lặp điểm sương được thực hiện như lưu đồ ở hình 3.6 Giả thiết lại nhiệt độ Giả thiết nhiệt độ Dữ kiện yi, P Xác định Ki Tính xi = yi/Ki Dừng Kiểm tra Tính lại Không đạt Đạt Hình 3.6. Lưu đồ tính điểm sương cân bằng ● Tính nhiệt độ để tạo hỗn hợp lỏng – hơi cân bằng Trường hợp này được gặp khi hỗn hợp nhập liệu vào tháp chưng là một hỗn hợp lỏng - hơi. Nhiệm vụ là phải xác định nhiệt độ cần thiết để làm bốc hơi một tỷ lệ nào đó theo yêu cầu. Phương trình cân bằng khối lượng: F = V + L Phương trình cân bằng khối lượng cho từng cấu tử: Trong đó: - F là tổng số mol nạp liệu vào tháp chưng cất - V là số mol khí trong F mol nạp liệu - L là số mol lỏng trong F mol nạp liệu - zi là phần mol của cấu tử i trong F mol nạp liệu - yi là phần mol của cấu tử i trong dòng khí - xi là phần mol của cấu tử i trong dòng lỏng Ta có Chọn F=1 thì Vậy nhiệt độ tạo hỗn hợp hơi là nhiệt độ thỏa mãn phương trình: Quy trình tính lặp như lưu đồ ở hình 3.7 Giả thiết lại nhiệt độ Giả thiết nhiệt độ Dữ kiện Zi, V, P Xác định Ki Tính xi = Zi/1+V(Ki-1) Tính yi = Ki.xi Kiểm tra Tính lại Không đạt Đạt Tính Vi = V.yi Dừng Tính Li = (1-V).xi ∑Vi=V Hình 3.7. Lưu đồ tính nhiệt độ tạo hỗn hợp lỏng hơi 3.5. Cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt. 3.5.1. Cân bằng vật chất ● Cân bằng vật chất toàn tháp F = B + D (3.18) Trong đó: - F: lưu lượng nguyên liệu (mol/thời gian) - D,B: lưu lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (mol/thời gian) Đối với cấu tử i dễ bay hơi: F.xFi = D.xDi + B.xBi (3.19) Trong đó: - xFi,xDi,xBi : lần lượt là phần mol cấu tử i trong nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy. ● Cân bằng vật chất vùng chưng Lm+1 = Vm + B (3.20) Trong đó: - Lm+1 : lưu lượng dòng lỏng xuống từ đĩa thứ m+1 (mol/thời gian). - Vm : lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa thứ m (mol/thời gian). Đối với cấu tử i dễ bay hơi: Lm+1.x(m+1)i=Vm..ymi+B.xBi (3.21) Trong đó: - x(m+1)i : phần mol cấu tử i trong dòng lỏng Lm+1. - ymi : phần mol cấu tử i trong dòng hơi Vm. ● Cân bằng vật chất vùng cất Vn = Ln+1 + D (3.22) Trong đó: - Vn : lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa thứ n (mol/thời gian) Ln+1 : lưu lượng dòng lỏng xuống từ đĩa thứ n+1 (mol/thời gian) Hình 3.8: sơ đồ các dòng lỏng hơi trong tháp Đối với cấu tử i dễ bay hơi: Vn.yni = Ln+1.x(n+1)i + D.xDi (3.23) Trong đó: - yni : là phần mol của cấu tử i trong dòng hơi Vn - x(n+1)i : là phần mol của cấu tử i trong dòng lỏng Ln+1 3.5.2. Cân bằng nhiệt. ● Cân bằng nhiệt trên toàn tháp F.hF + QR = D.hD + B.hB + QC (3.24) Trong đó: - QR : tải nhiệt nồi tái đun đáy, (nhiệt lượng/thời gian) - QC : tải nhiệt của bình ngưng, (nhiệt lượng/thời gian) - F,D,B : lần lượt là lưu lượng của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (mol/thời gian) - hF,hB,hD: Entanpy của nguyên liệu, sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh (nhiệt lượng/mol) ● Cân bằng nhiệt vùng chưng Lm+1.hm+1 + QR = Vm.Hm + B.hB (3.25) Trong đó: - Lm+1 : lưu lượng dòng lỏng vào đĩa thứ m, (mol/thời gian) - Vm : lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa thứ m, (mol/thời gian) - B: Lưu lượng của dòng lỏng đáy tháp (mol/thời gian) - QR : Tải nhiệt nồi tái đun đáy (nhiệt lượng/thời gian) - hm+1: Entanpy của dòng lỏng Lm+1 (nhiệt lượng/mol) - hB : Entanpy của dòng lỏng đáy tháp (nhiệt lượng/mol) - Hm: Entanpy của dòng hơi Vm (nhiệt lượng/mol) ● Cân bằng nhiệt vùng cất Vn.Hn = Ln+1.hn+1 + D.hD + QC (3.26) Trong đó: - QC : Tải nhiệt bình ngưng (nhiệt lượng/thời gian) - hD : Entanpy của dòng lỏng đỉnh tháp (nhiệt lượng/mol) - Hn : Entanpy của dòng hơi Vn (nhiệt lượng/mol) - hn+1 : Entanpy của dòng lỏng Ln+1 (nhiệt lượng/mol) - Vn : là lưu lượng của dòng hơi ra khỏi đĩa thứ n (mol/thời gian) - Ln+1: là lưu lượng của dòng lỏng ra khỏi đĩa thứ n+1 (mol/thời gian) - D : là lưu lượng của dòng lỏng đỉnh tháp (mol/thời gian) 3.5.3. Entanpy ở một đĩa bất kỳ. Xét một đĩa thứ j bất kỳ, Entanpy của dòng hơi và dòng lỏng Lj ở hình 3.9 được tính theo công thức dưới đây Hình 3.9.Entanpy của các dòng tại một đĩa bất kỳ (3.27) (3.28) Trong đó: - và hj : lần lượt là Entanpy của dòng hơi Vj và dòng lỏng Lj (nhiệt lượng/mol) - và hji : lần lượt là Entanpy của cấu tử i trong dòng hơi Vj và dòng lỏng Lj (nhiệt lượng/mol) - và: phần mol của cấu tử i trong dòng hơi Vj và dòng lỏng Lj - n : số cấu tử của hỗn hợp hơi và lỏng Lj 3.6. Tính số đĩa lý thuyết S [3] 3.6.1. Số đĩa lý thuyết tối thiểu Smin Phương trình Fenske là một phương pháp kỹ thuật thuận tiện và rất hữu dụng cho việc tính số đĩa lý thuyết tối thiểu cho quá trình chưng cất đa cấu tử. Khi được sử dụng phù hợp, nó cho ra một dự đoán khá chính xác về số đĩa lý thuyết tối thiểu. Phương trình Fenske có thể được viết dưới nhiều công thức nhưng thuận lợi nhất là: Sm +1 = (3.29) - Sm : số đĩa lý thuyết tối thiểu - xLK,xHK : phần mol của cấu tử khoá nhẹ, khoá nặng. - D : sản phẩm đỉnh. - B : sản phẩm đáy. - : độ bay hơi tương đối của cấu tử khoá nhẹ so với cấu tử khoá nặng ở điều kiện trung bình của tháp (về nhiệt độ, áp suất). Số đĩa lý thuyết tối thiểu bao gồm cả nồi tái đun. 3.6.2. Tỷ lệ hồi lưu tối thiểu hmin Độ hồi lưu tối thiểu khi số đĩa lý thuyết là vô cùng. Số đĩa lý thuyết tối thiểu khi hồi lưu toàn phần và sự phân tách trên mỗi đĩa là cực đại. Vận hành ở tỷ lệ hồi lưu tối thiểu thì chi phí gia nhiệt và làm lạnh cực tiểu. Phương pháp Underwood để tính độ hồi lưu tối thiểu Rm gồm 2 phương trình: hmin+1= (3.30) Trong đó: - hmin : độ hồi lưu tối thiểu - E tìm được nhờ phương trình sau: (3.31) Trong đó: - xDi, xFi: là nồng độ phần mol của cấu tử i ở sản phẩm đỉnh và nguyên liệu. - : là độ bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử khoá. -q : tỷ số giữa nhiệt lượng cần thiết để biến 1 mol nguyên liệu từ nhiệt độ của nó khi được dẫn vào tháp chưng cất đến nhiệt độ sôi rồi biến hoàn toàn thành hơi ở nhiệt độ đó và nhiệt lượng hoá hơi của 1 mol nguyên liêu. Phần lớn các tháp chưng cất phân đoạn vận hành ở : h=1,05÷1,6 hmin 3.6.3. Mối tương quan giữa độ hồi lưu thực tế h và số đĩa lý thuyết S Có hai sự tương quan thích hợp cho việc liên kết tỷ lệ hồi lưu thực tế và số đĩa lý thuyết từ các giá trị tối thiểu tương ứng. Một là mối liên hệ Gilliland được biểu diễn dưới dạng đồ thị trong phụ luc 2 và mối liên hệ còn được trình bày gần đúng qua phương trình: Y=0,75.(1-X0,5668) (3.32) Với : Y = X = Nên ta tìm được số đĩa lý thuyết S khi đã biết h và Sm. 3.7. Hiệu suất đĩa E0 và số đĩa thực tế Sact [9] Phần lớn sự phân tách hydrocacbon là sự tương quan O’Connell được trình bày trong phụ luc 3,thường cho một giá trị xấp xỉ khá tốt của hiệu suất đĩa. Từ đó, ta sử dụng công thức sau để xác định số đĩa thực tế: E0 = (3.33) Trong đó: - E0 : hiệu suất tháp - S, Sact : số đĩa lý thuyết và thực tế Hiệu suất đĩa là một đại lượng rất khó tính toán chính xác vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó độ nhớt của dòng lỏng nguyên liệu là yếu tố quyết định, quan trọng nhất. 3.8. Xác định vị trí nạp liệu [3]. Ta sử dụng phương trình sau để dự đoán vị trí đĩa nạp liệu : (3.34) Trong đó: N, M : số đĩa lý thuyết vùng cất, vùng chưng B, D : lưu lượng sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh : thành phần cấu tử khoá nhẹ, khoá nặng trong nguyên liệu : thành phần cấu tử khoá nhẹ, khoá nặng trong sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh. 3.9. Tính các thông số kĩ thuật của tháp chưng cất [3,9,14] 3.9.1. Hệ số ngập lụt FF ( Flood Factor) Đối với tháp mới được chế tạo thì vận tốc thiết kế không quá 82% vận tốc lụt. Hệ số ngập lụt FF sử dụng trong những phương trình tính toán sơ bộ kích thước cột tháp. Giá trị FF không lớn hơn 0,77 đối với tháp làm việc ở chế độ chân không và không quá 0,82 với chế độ làm việc khác. Giá trị này được dùng thì kết quả tính toán sai lệch không quá 10%. Ở đây, ta sử dụng FF=0,82. 3.9.2. Vận tốc thiết kế của lưu chất trong hộp chảy tràn VDdsg (Downcomer Design Velocity) Vận tốc thiết kế sẽ là giá trị bé nhất khi xác định theo 3 phương trình sau: VDdsg1 = 25