bài giảng nguyên lý chưng cất

Thành phần pha hơi sinh ra khi đun sôi một dung dịch: Pha hơi sinh ra khi chất lỏng nguyên chất sôi là pha hơi đơn chất. Pha hơi sinh ra khi một dung dịch sôi là một hỗn hợp của tất cả các hợp phần của dung dịch và có thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov. QUY TẮC KÔNÔVALÔP:  có hai QTK: 1) Ở trạng thái cân bằng lỏng, hơi của một dung dịch lỏng gồm 2 cấu tử, pha hơi sẽ giàu một cách tương đối (so với pha lỏng), đối với cấu tử nào mà khi thêm nó vào dung dịch thì áp suất hơi chung tăng lên. 2) Tại điểm cực trị của áp suất hơi chung, thành phần của pha hơi và pha lỏng là như nhau. Các quy tắc này còn gọi là định luật; do nhà hoá học Nga Kônôvalôp (D. P. Konovalov; 1856 1929) đưa ra (1881).  Định luật Konovalov: Khi sôi một dung dịch lỏng cho ra một pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với dung dịch lỏng. Đối với dung dịch lí tưởng sự phụ thuộc của áp suất hơi vào thành phần dung dịch tuân theo định luật Raun: áp suất hơi riêng phần Pi của cấu tử i bằng tích áp suất hơi của cấu tử i nguyên chất Poi với nồng độ phân số mol xi của nó trong dung dịch.

NGUYÊN LÝ CHƯNG CẤT

Nhiệt độ sôi của Butan

Áp suất, atm Nhiệt độ,oC

I.1 SỰ SÔI CỦA DUNG DỊCH:

hoà của nó bằng áp suất môi trường đè lên mặt thoáng.

I.1 S SÔI C A DUNG D CH: Ự Ủ Ị

Thành phần pha hơi sinh ra khi đun sôi một dung dịch:

Định luật Konovalov: Khi sôi một dung dịch lỏng cho ra một pha hơi giàu chất dễ sôi hơn

so với dung dịch lỏng

 Phần nhẹ (distillat);

 Phần nặng (redue)

Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi

ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần:

II Cơ sở lý thuyết chưng cất dầu mỏ

Chưng cất đơn giản

Chưng cất bay hơi dần dần; Chưng cất bay hơi một bậc; Chưng cất bay hơi đa bậc.

Chưng cất phức tạp:

Chưng cất có hồi lưu; Chưng cất có tinh luyện; Chưng cất chân không; Chưng cất hơi nước.

Chưng cất đơn giản được ứng dụng khi:

• Khi nhiệt độ sôi của 2 chất 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.

Nhược điểm:

• Không đạt được độ phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chất lỏng.

Ch ng c t đ n gi n ư ấ ơ ả

Hơi tạo thành thoát ra khỏi thiết bị chưng cất ngay lập tức, ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh – ngưng tụ và được thu hồi dưới dạng distilat.

 Chưng cất bay hơi một bậc:

Hơi tạo thành thoát ra khỏi thiết bị chưng cất ngay lập tức, ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh – ngưng tụ và được thu hồi dưới dạng distilat

chưng cất dầu;

Ch ng c t đ n gi n ư ấ ơ ả

dần đối với phần cặn

Chưng cất phức tạp

Chưng cất tinh luyện

Dựa vào quá trình trao đổi

chất nhiều lần giữa pha lỏng

và hơi nhờ vào các đĩa hay

đệm

Chưng cất chân không và chưng cất với hơi nước:

 Tránh sự phân hủy các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao bằng cách sử dụng chân không hoặc hơi nước để hạn chế nhiệt độ chưng cất.

 Tăng nồng độ thành phần sôi cao trong cặn chưng cất dầu.

Ảnh hưởng của hơi nước: khuấy trộn mạnh chất lỏng, tạo khả năng

bay hơi các thành phần sôi thấp; tạo bề mặt bay hơi lớn hơn khi tạo các bong bóng hơi nước trong bay hơi hydrocacbon.

I.3 các loại tháp chưng cất và lựa chọn mâm chưng cất

Phân loại thiết bị chưng cất:

Theo phương pháp hoạt động của tháp

 Tháp hoạt động theo chu kỳ;

Ứng dụng: cụm thiết bị công suất nhỏ, cần thu được nhiều phân đoạn và độ phân tách

cao.

Nhược điểm:

 Chi phí nhiệt cao;

 Công suất làm việc thấp;

 Hiệu suất sử dụng thiết bị thấp.

Tháp hoạt động liên tục

Tháp chưng cất Ưu điểm Nhược điểm

dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp,

ít tốn kim loại hơn tháp chóp

yêu cầu lắp đặt cao: mâm lắp phải rất phẳng, đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm

tháp đĩa, tháp mâm chóp và tháp đ m ệ

định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn

chế tạo phức tạp , trở lực lớn

Tháp chưng cất Ưu điểm Nhược điểm

do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp, tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp

Tháp chưng cất dạng đĩa

Hoạt động của đĩa dựa trên nguyên tắc thực hiện tiếp xúc giữa dòng hơi đi lên phía đỉnh tháp với dòng lỏng nằm trên bề mặt đĩa.

Tuỳ theo sự lưu thông của các pha, người ta phân làm ba nhóm:

-Đĩa loại chảy ngược dòng;

-Đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy màng;

-Đĩa loại chảy chéo dòng có vách chảy chuyền: được sử dụng rộng rãi nhất.

Đĩa chưng cất

1 Đĩa loại chảy ngược dòng

không có ống chảy truyền

Lỏng và hơi lần lượt xen kẽ

đi qua các lỗ đục trên đĩa tiếp xúc ngược chiều nhau.

Có hiệu suất cao, độ linh động kém, tháp có đường kính tương đối nhỏ (≤ 1,8m)

do sự phân bố lỏng trên bề mặt đĩa kém.

2 Đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy

màng

Quá trình tiếp xúc pha xảy ra nhờ

sự đi lên của pha hơi qua một màng chất lỏng chảy xuống từ vách ngăn

Hiệu suất của loại đĩa này rất kém (10-15%) nhưng độ linh động lại lớn nhất

Đĩa vách ngăn có cấu tạo rất đơn giản, thường dùng cho các trường hợp nguyên liệu bẩn, dễ đóng cặn

và cho phép làm việc với lưu lượng lớn

Đĩa chưng cất

Loại đĩa Nguyên lý hoạt động Ứng dụng

3 Đĩa loại chảy chéo có ống chảy

chuyền:

Sự tiếp xúc được thực hiện chéo dòng giữa pha lỏng chuyển động ngang qua bề mặt khu vực hoạt động và pha hơi đi từ dưới lên xuyên qua các lỗ đĩa Lỏng sau khi tiếp xúc với hơi sẽ chảy xuống ống chảy chuyền

Có hiệu suất cao, độ linh động cao, sử dụng phổ biên

 Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays) ;

 Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays) ;

 Đĩa ống khói (Chimmey Trays);

 Đĩa van (Valve Trays).

Đĩa lỗ

và hiệu quả tốt do bề mặt hoạt động lớn đồng thời cũng là loại rẻ nhất

Ưu điểm: đĩa có cấu tạo đơn giản;

Nhược điểm: độ linh động của nó lại rất thấp (dễ bị ngập lụt) do đó rất khó

ổn định áp suất trong tháp

ĐĨA CHÓP

lỏng Sự tiếp xúc này được đảm bảo bởi chiều cao của ống chảy chuyền so với thân chóp.

Ưu điểm: có độ linh động lớn, có thể được dùng hầu hết trong các ứng dụng.

Nhược điểm: giá thành đắt

ĐĨA VAN

thuộc vào lưu lượng của dòng hơi từ dưới lên

 tháp hoạt động tương đối ổn định hạn chế hiện tượng lỏng kéo theo dòng hơi do tốc độ quá lớn hoặc hiện tượng sặc tháp.

ĐĨA VAN

1. Có khả năng hoạt động ở khoảng rộng chế độ hoạt động của tháp

2. Lớp chất lỏng phía trên đĩa ổn định, hạn chế hiện tượng kéo theo lỏng lên đĩa phía trên làm ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình phân tách

3. Năng lượng dòng hơi đi qua van được sử dụng một cách có hiệu quả để cải thiện quá trình tiếp xúc lỏng-hơi

4. Trở lực cục bộ do các van gây ra cho dòng chảy pha lỏng trên đĩa không quá lớn (thậm chí không còn đáng kể khi pha hơi chỉ ở mức 20% thiết kế), vì vậy, mà độ chênh bề mặt chất lỏng giữa các phần của đĩa được giảm thiểu Nhờ đặc điểm này mà hiệu quả làm việc của các vùng trong đĩa đồng đều

5. Vùng chết rất ít

6. Kiểu đĩa này có kết cấu vững chắc, nhẹ và không đắt

7. Thiết kế và vận hành loại đĩa này đơn giản

ĐĨA VAN ĐẶT BIỆT (Ballast và Flexi

)

Là dạng cải tiến van đĩa

Độ mở của van dạng này được điều chỉnh tự động phù hợp với tốc độ dòng khí

và hơi trong tháp

Độ nghiêng của lớp chất lỏng chảy trên đĩa cũng thấp hơn so với van đĩa, vì vậy mà có thể cho phép tăng lưu lượng dòng khí và hơi trong tháp tới 20- 30%

 đĩa chưng luyện dạng này cho phép tháp hoạt động rất ổn định, thậm chí ở lưu lượng dòng khí/hơi thấp.

Sơ đồ bố trí đĩa chƯng kiểu dòng chảy đơn

Sơ đồ bố trí đĩa chưng phần dưới ống chảy truyền

Tháp đệm

Nguyên lý hoạt động: Tháp đệm hoạt động

dựa trên nguyên lý bay hơi và ngưng tụ liên tục của các cấu tử dạng lỏng thấm ướt trên bề mặt vật rắn.

Nhược điểm: hiện tượng thấm ướt chất lỏng

và phân bố dòng chảy không đều trong tháp dẫn đến hiệu suất chuyển khối thấp

Đệm được phân thành hai loại tuỳ theo cấu tạo của chúng:

-Đệm rời: được sắp xếp ngẫu nhiên trong tháp;

-Đệm cấu trúc (structure): được sắp xếp trật tự theo thiết kế.

Đệm rời

Đệm kim loại lá sản xuất theo đường kính tháp

Dạng đệm tấm lưới

Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của lớp

đệm

Sự hồi lưu

 Hồi lưu nóng;

 Hồi lưu lạnh;

 Hồi lưu vòng.

 Có Stripping

Stripping

Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêng phần các phần nhẹ.

Hệ thống tháp chưng luyện gồm các thiết bị chính sau:

Chế độ công nghệ & Lựa chọn sơ đồ công nghệ

Hàm lượng khí hòa tan

Chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

Gases 1 to 4 < 40 • Fuel in refinery

• Bottled and sold as LPG

Napthas 5 to 10 25 – 175 • Blended into petrols

• Feedstock for making chemicals

Kerosines 10 to 16 150 – 260 • Aviation fuel

Light gas oils 14 to 50 235 – 360 • Diesel fuel production

Heavy gas oils 20 to 70 330 – 380 • Feedstock for catalytic cracker

Lubricants > 60 340 – 575 • Grease for lubrication

• Fuel additives

• Feedstock for catalytic cracker Fuel oil > 70 > 490 • Fuel oil (power stations and ships) Bitumen > 80 >580 • Road and roof surfaces

Chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

Sơ đồ này được ứng dụng để chưng cất dầu ổn định, trong đó phân đoạn xăng ≤ 8 – 10%

 Không cần thiết bị chân không

 Chi phí nhiên liệu và hơi nước thấp

Trở lực dòng nguyên liệu trong trao đổi nhiệt và lò nung cao, dẫn tới chi phí năng lượng cho máy bơm nguyên liệu cao

 Trở lực trong ống và vỏ trao đổi nhiệt cao, nên xác suất rơi dầu thô vào distilat lớn khi độ kín của thiết bị trao đổi nhiệt không đảm bảo.

 Sơ đồ không có tính mềm dẻo và đa dụng, không đáp ứng được yêu cầu chế biến đối với các dầu khác nhau, đặc biệt là với dầu chứa lượng khí hòa tan và phân đoạn nhẹ cao

Chưng cất bay hơi hai bậc

• Dầu thô được bay hơi một phần trước khi vào lò nung

• Bay hơi có thể diễn ra trong tháp rỗng hay tháp chưng cất có mâm

• Không cần thiết bị ngưng tụ độc lập và bơm hồi lưu do hơi từ thiết bị bay hơi được đưa vào tháp chính

• Giảm phần nào nhiệt độ đòi hỏi trong lò nung vì trong tháp chính tiến hành chưng cất đồng thời phân đoạn nhẹ và nặng

Nhược điểm

• Phải tăng cường đường kính của tháp chính khi hàm lượng phân đoạn xăng và khí hòa tan cao

• Tháp chưng cất chính dễ bị ăn mòn do tất cả các chất ăn mòn (HCl, H2S, RSH, nước) cùng hơi từ tháp

bay hơi rơi vào tháp chưng cất

• Thiết bị ngưng tụ rất dễ bị ăn mòn, do đó khí NH3 được đưa vào ống đỉnh của tháp để hạn chế ăn mòn

Sơ đồ chưng cất bay hơi hai bậc sử dụng tháp rỗng

• Khí;

• Xăng (Ts ≤ 140oC)

• Các phân đoạn 140 – 240oC, 240 – 300oC và 300 - 350oC;

• Cặn mazut.

Chưng cất bay hơi hai bậc có sử dụng tháp loại xăng

• Dầu thô cần được nung nóng trong lò đến nhiệt độ cao hơn so với bay hơi 1 bậc để phân tách các phân đoạn nhẹ và nặng

• Cần trang bị nhiều hơn các loại thiết bị phụ trợ (tháp, máy bơm cho lò nung và cho hồi lưu, thiết bị làm lạnh – ngưng tụ …)

Sản phẩm

• Khí

• Sản phẩm đỉnh là xăng nặng

• Xăng ổn định

• Phân đoạn kerosen máy bay

• Nhiên liệu diezel

Sơ đồ chưng cất bay hơi hai bậc có sử dụng tháp loại xăng

Sơ đồ công nghệ phân xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển với một tháp tách sơ bộ và một

tháp chưng cất chính

K-1- Tháp bay hơi trước; K-2- Tháp chưng cất khí quyển chính; K-6, K-7, K-9- Tháp bay hơi; E-1, E-12, E-3- bể hồi lưu; 5, 7, 22, 23- thiết bị ngưng tụ bằng không khí;

T-2, T-33, T-17, T-19, T-11- thiết bị trao đổi nhiệt “dầu thô- sản phẩm”; T-5a, T-7a, T-22a, T-20- Thiết bị làm lạnh; L-1 – lò nung dạng ống; H-3, H-21- Máy bơm

Tham số công nghệ đặc trưng của tháp chưng cất khí quyển

Tháp chưng cất Nhiệt độ, oC Áp suất, atm Tốc độ dòng

khí, m/s

Mức dâng chất lỏng trong máng,

mm chất lỏng

Trở lực của mâm, mm Hg

Chiều cao bọt trong máng, mm

Khoảng cách giữa các mâm, mm

Đường kính tháp, mm Dạng mâm Số mâm

Tháp bay hơi trước:

Trên

Dưới

120 240

5,6 5,8

0,266 0,327

39,6 53,4

4,2 5,0

453 549

600 600

5000 5000

1,5 1,62

0,96 0,745

35,4 47,3

4,65 5,3

452 533

700 700

5000 5000

1,55 1,60 1,65

0,287 0,347 0,390

29,4 35,4 48,7

3,8 4,1 3,6

388 423 487

600 600 600

2800 2000 2000

Mâm mũ một dòng Mâm mũ hai dòng

10 10 10

- Dầu thô vào tháp ≥ 200

- Nguyên liệu vào tháp ≤ 360

+ Thứ I tại cửa ra khỏi tháp 170

+ Thứ II tại cửa ra khỏi tháp 260

+ Thứ I tại cửa vào tháp 70

+ Thứ II tại cửa vào tháp 80

Lò nung

Nhiệt độ, oC

- Tại cửa ra khỏi lò ≤ 800

- Khí khói trên vách ngăn ≤ 800

- Đỉnh tháp theo chất lượng của phân đoạn sôi đầu - 85oC

Áp suất tháp ( trên), atm ≤ 6,0

4 Chưng cất dầu thô ở áp suất chân không

Sơ đồ nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất chân không

Sơ đồ công nghệ quá trình chưng cất chân không

4 Ch ng c t d u thô áp su t chân không ư ấ ầ ở ấ

K-10- Tháp chân không; T-35- tháp ngưng tụ; T-1, T-3, T-4, T-16, T-18, T-25, T-34- thiết bị trao đổi nhiệt ; T-25a- thiết bị ngưng tụ bằng không khí; T-24, T-28, T-30, T-31- máy lạnh; H-1-bơm chân không phun hơi; H- máy bơm; E- bể chứa; L-3- lò nung dạng ống, B- bể chứa.

Thông số Chế độ tối ưu Ngưỡng cho phép

Áp suất dư trong tháp K-10, mm Hg 60 ≥ 50

Áp suất hơi vào máy phun chân không, atm 11,0 ≥ 10,0

Sơ đồ chưng cất chưng không hai tháp

1- lò nung ống; 2- tháp chưng chất chân không 1; 3- tháp chưng cất chân không 2; 4- trao đổi nhiệt; 5- thiết bị làm lạnh; 6- thiết bị ngưng tụ khí áp; 7- ejector; 8- tháp bay hơi I – mazut; II – distilat < 350oC; III – phân đoạn dầu nhờn rộng 350-375oC; IV – distilat 350-460oC; V – distilat 460-490oC; VI – distilat > 490oC; VII – gudron; VIII – hơi nước; IX – nước; X – khí và hơi không ngưng tụ

Click to edit Master text styles

3- bơm chân không;

4- bơm phun (ejecter) I- Mazut;

II- gasoin nặng;

III- Gudron; IV- hồi lưu;

V- khí không ngưng tụ ; VI- hơi ;

VII- phần ngưng tụ ; VIII- nước

Sơ đồ tạo chân không sâu

Fourth level

Fifth level

Sơ đồ Hệ thống hút chân không với thiết bị ngưng tụ gián tiếp