Tháp chưng cất

Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản

Mục lục: Đồ án 1 Phần 1: 1.Tính nhiệt độ đỉnh, đáy tháp chưng cất và bình tách a.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 2 (t 2a ) .5 b.Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 2 (t 2b ) 6 c.Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 1 (t 1b ) .7 d.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 1 (t 1a ) .9 e.Tính nhiệt độ bình tách 14 (t 14 ) .8 2.Đề xuất biện pháp trao đổi nhiệt ở 3,4,5,6 và 15 11 3.Bổ sung các thiết bò cần thiết cho sơ đồ công nghệ chưng cất một hỗn hợp hydrocacbon nhẹ .11 4.Tính tải nhiệt của 4. Phần 2: 1. Nhiệt độ đỉnh các tháp chưng cất có phụ thuộc độ hồi lưu không? .12 2. Dòng L và M có gì khác nhau và giống nhau? .13 3. Nhiệt độ nào thì ở 6 hoàn toàn ở thể hơi? 13 4. So sánh nhiệt độ t 2b và t 2b’. 13 5. Có thể đặt 8 sau 15 được không? .14 6. So sánh nhiệt độ, số pha của dòng E và dòng E ’ 14 7. Có thể lắp đặt 4 ở vò trí khác được không? 14 8. Tác dụng của thiết bò 13 .14 Đồ án 2 Phần 1: 1. Tính nhiệt độ tại đóa lấy phân đoạn (240 - 350) 0 c 16 2. Lắp đặt hệ thống bơm và thiết bò trao đổi nhiệt khả dó thực hiện quá trình đó một cách chấp nhận được. 3. Tính công suất bơm. Để đẩy dòng hồi lưu vì tháp chưng cất nếu sau khi được làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết dòng đó được chứa trong một bồn nằm trên mặt đất. Phần 2: 1. Nên thực hiện hồi lưu vòng trong trường hợp nào? Cho biết cái lợi, cái hại của hồi lưu vòng .19 2. Dòng hồi lưu vòng thường quay về tháp chưng cất ở vò trí cao hơn vò trí lấy ra một vài đóa, không cao hơn, không thấp hơn, vì s ao? .20 3. Nhiệt độ của dòng hồi lưu ngoài (kể cả hồi lưu vòng) phải thấp hơn nhiệt độ tại đó nó vào tháp chưng cất, vì sao? Nhưng không nên thấp hơn quá nhiều, vì sao? .20 4. Để có dòng hồi lư luôn cần phải làm lạnh. Có thể làm lạnh bằng các dòng lạnh khác nhau 20 Dòng hồi lưu lạnh từ các tháp loại butan, loại propan nên được làm lạnh bằng cách nào? Còn dòng hồi lưu vòng? 5. Tài liệu tham khảo .21 Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương pháp duy nhất được sử dụng trong một nhà máy để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng như các phân đoạn của chúng thành các phân đoạn và các tiểu phân đoạn. Người ta cần chưng cất không những dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên mà cả hỗn hợp sản phẩm ra khỏi các lò phản ứng hoá học dùng trong các quá trình chế biến sâu dầu mỏ cũng như trong lónh vực hoá dầu. Sự chưng cất được thực hiện trong các thiết bò chưng cất. Thiết bò chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách cùng các thiết bò phụ trợ như thiết bò làm lạnh, thiết bò làm lạnh ngưng tụ, lò gia nhiệt … Tháp chưng cất là thiết bò chủ yếu của một phân xưởng chưng cất. Từ xa nhìn vào một nhà máy lọc dầu ta thấy lô nhô những tháp cao, hầu hết chúng là những tháp chưng cất. Chúng thường có kích thước to lớn, cao hơn hẳn nhiều thiết bò khác, thường có cấu trúc hình viên trụ, nên thường được gọi là tháp (tháp chưng cất). Hầu hết các tháp chưng cất dùng trong công nghiệp lọc hoá dầu và chế biến khí tự nhiên là tháp đóa. Đóa (mâm) 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 tốt và đủ lâu để sự trao đổi chất giữa chúng xảy ra được hoàn hảo. Trong tháp chưng cất luôn có nhiều đóa. Đó là những đóa thực. Số đóa thực bao giờ cũng lớn hơn số đóa lý thuyết tính được bằng các phương pháp. Sự khác nhau đó thường vào khoảng 1,2 -1,5 lần. Các tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu, trong nhà máy chế biến khí có từ mười đến dăm sáu chục đóa, còn trong nhà máy lọc hoá dầu có thể còn nhiều hơn vì ở đó có thể có 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. Đường kính của tháp chưng cất phu thuộc chủ yếu vào công suất của nó, nghóa là phụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu (để chưng cất), đúng hơn là phụ thuộc vào lưu lượng các dòng hơi và các dòng lỏng trong tháp, còn chiều cao của tháp thì chủ yếu phụ thuộc vào số đóa mà nó có. Khoảng cách giữa 2 đóa liên tiếp vào khoảng 0,25 – 0,8m và có thể còn lớn hơn nữa, đặc biệt là trong các tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thấp. Cần chú ý là khoảng cách đó ở đóa nạp liệu còn lớn hơn, thường là 0,8 – 1,2m. ngoài ra cũng cần một không gian đáng kể ở đỉnh tháp và ở đáy tháp. Khoảng cách giữa đóa trên cùng và trần tháp thường là 1m, còn khoảng cách giữa đóa dưới cùng và mặt đáy tháp phải như thế nào để thể tích vùng đó bằng khoảng 20 – 25% lưu lượng cặn chưng cất tính ra m 3 /h. Tháp chưng cất luôn được đặt trên một bệ cao chừng 4 - 5m để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy phân đoạn cặn. Phía trên tháp có thể còn có các kết cấu che chắn. Quanh tháp luôn có các cầu thang, các chái cầu thang, các ống dẫn các phân đoạn v.v… đỉnh tháp luôn phải có 1 ống dẫn phân đoạn hơi bay ra khỏi tháp. Tiết diện của ống đó phải như thế nào để tốc độ dòng hơi bay trong đó là 12 – 20m/s. đáy tháp phải có một đường dẫn pha lỏng cặn chưng cất ra ngoài. Một số tháp còn có những ống dẫn các phân đoạn sườn đi ra và thậm chí cả đi vào tháp trong trường hợp thực hiện hồi lưu, khi stripping các phân đoạn. Tốc độ các dòng lỏng đó vào khoảng 0,2 – 0,8m/s trong chế độ tự chảy, 1 – 3m/s ở chế độ chảy cưỡng bức nhờ bơm. Ống dẫn pha lỏng lấy từ sườn tháp được lắp đặt tại một vò trí thấp hơn mặt đóa tại đó lỏng được lấy ra một khoảng 30 – 40cm. Bên sườn tháp chưng cất phải có những cửa sổ để qua đó con người có thể chui vào tiến hành sửa chữa, làm vệ sinh. Đó là những lỗ chui có đường kính khoảng 60cm. Dó nhiên ở tháp chưng cất còn phải có những lỗ để lắp đặt các bộ cảm biến của các thiết bò đo đạc, kiểm tra, điều khiển. Tháp chưng cất cần được bảo vệ khỏi hiện tượng mài mòn – ăn mòn và cần được cách nhiệt tốt. Tại đóa nạp liệu và tại đóa nạp hơi ( ra từ thiết bò tái đun) cần có những tấm chắn đặc biệt để chống sự va đập trực diến quá mạnh của dòng nguyên liệu vào thành tháp với tốc độ lớn. Tốc độ hỗn hợp nguyên liệu lỏng – hơi vào tháp có thể đạt chục mét trong 1 giây. Tấm chắn ở vùng nạp liệu thường là một tấm kim la có đục lỗ và cong theo thành tháp như ở hình 4.1. Tháp chưng cất được làm từ thép không gỉ và có thể được bảo vệ điện hoá, ví dụ bằng phương pháp bảo vệ âm cực. Để cách nhiệt với môi trường xung quanh người ta thường trát lên vỏ kim loại một lớp vật liệu xốp, nhẹ, không cháy và bền cơ học cũng như chòu được sự xâm thực của môi trường như: thuỷ tinh bọt, bông thuỷ tinh, amiăng v.v… Để tăng cường độ chòu lực cần đắp từng lớp vật liệu cách nhiệt xen lẫn với các tấm lưới băng dây sắt tráng kẽm. Phía ngoài cùng có thể phủ một lớp ximăng mỏng khoảng dăm li. Có thể bọc tháp bằng các tấm nhôm. Phần 1: E Nguyên liệu T 13 8 9 A 10 M L 5 B D C12 6 X E ’ 15 4 13 11 K 14 T 14 H 3 T 1a 2 T 1b T 2a 2 T 2b Sơ đồ công nghệ giản đơn hoá để chưng cất một hỗn hợp hydrocacbon nhẹ. Đặt trưng của các phân đoạn B,C,D như sau: Chất B C D C 2 H 6 0,020 - - C 3 H 8 0,962 0,023 0,004 nC 4 H 10 0,015 0,959 0,010 nC 5 + (M=80) 0,003 0,018 0,986 Lưu lượng[tấn/h] 0,83 0,77 0,48 1. Tính nhiệt độ đỉnh, đáy tháp chưng cất và bình tách. Điều kiện làm việc: - Nhiệt độ môi trường 25 0 c - p suất [atm] ở đỉnh 1 : 11,5 ở đáy 1 : 11,8 ở đỉnh 2 : 15,5 ở đáy 2 : 15,8 ở 14 : 11,4 - Độ hồi lưu của 2: 1,5 - Xung quanh phân xưởng có nguồn nước ngọt phong phú. - Các phân đoạn B,C cần chuyển đi xa bằng đường ống, phân đoạn D được cho vào bồn chứa tại phân xưởng. - Phân xưởng này nằm trong một nhà máy có nguồn khí đốt rẻ tiền. *. Phương pháp tính nhiệt độ trong tháp chưng cất: Nhiệt độ trong tháp chưng cất thay đổi từ đóa này sang đóa khác, có giá trò phụ thuộc vào bản chất, thành phần các pha và áp suất. Vì ở tại mỗi đóa có cân bằng lỏng hơi nên cần phải dựa vào đường chưng cất flash để tính nhiệt độ. Nguyên tắc cơ bản là: nhiệt độ ở đó một pha hơi được lấy ra ở đỉnh tháp chưng cất là nhiệt độ T 100 trên đường chưng cất flash, còn nhiệt độ tại đó lấy một pha lỏng ra khỏi tháp chưng cất là T 0 trên đường flash của pha lỏng được lấy ra. Khi biết thành phần, áp suất hơi bão hoà, có thể tính nhiệt độ ở đỉnh và ở đáy tháp chưng cất như sau: Theo đònh nghóa T 0 là nhiệt độ bắt đầu sôi, ở đó tổng áp suất hơi riêng phần phải bằng áp suất hệ p. y = P 1 x và 1-y = P 2 (1-x) αx 1 1+ (α -1)x Hay y = Với α = P 1 /P 2 . Vậy α càng lớn thì y càng khác xa x. Đối với hệ hai chất, ta có: P 1 .x 1 + P 2 .x 2 = P Hay y 1 + y 2 = 1 Từ đó ta rút ra: K 1 x 1 + K 2 x 2 = 1 Bằng cách chứng minh tương tự, với hệ nhiều chất, nhiệt độ tại đóa lấy một pha lỏng là nhiệt độ thoã mãn hệ thức: Σy i = ΣK i x i = 1 Trong đó: x i là nồng độ ở pha lỏng của cấu tử i; K i là hằng số cân bằng của cấu tử i theo đònh nghóa: Nhiệt độ ở đỉnh bất kỳ một tháp chưng cất có thể tìm được một cách logic là nhiệt độ ở đó thoả mãn hệ thức: Σx i = Σy i /K i = 1 a.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 2: Bảng 1A. Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất 2. Chất Y K 50 K 49 K 48 y/ K 50 y/ K 49 y/ K 48 C 2 H 6 0.0200 2.9000 2.8000 2.8000 0.0069 0.0071 0.0071 C 3 H 8 0.9620 1.0500 1.0350 1.0250 0.9162 0.9295 0.9385 nC 4 H 10 0.0150 0.4000 0.3900 0.3850 0.0375 0.0385 0.0390 n-C 5 + 0.0030 0.1015 0.0975 0.0945 0.0296 0.0308 0.0317 Tổng 0.9901 1.0058 #1 1.0164 Biết thành phần đỉnh tháp chưng cất 2 ta tìm được nhiệt độ đỉnh tháp là 49 0 c, nếu áp suất ở đó là 15,5 atm. b. Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 2: 1-K 2 K 1 -K 2 P-P 2 P 1 -P 2 x 1 = = P i P K i = Bảng 1B. Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đáy tháp chưng cất 2. Chất Y K 107 K 106 K 104 y/ K 107 y/ K 106 y/ K 104 C 2 H 6 0.0000 5.3900 5.3700 5.3000 0.0000 0.0000 0.0000 C 3 H 8 0.0230 2.2000 2.1700 2.1500 0.0105 0.0106 0.0107 n-C 4 H 10 0.9590 1.0500 1.0200 1.0000 0.9133 0.9402 0.9590 n-C 5 + 0.0180 0.3700 0.3650 0.3600 0.0486 0.0493 0.0500 Tổng 0.9724 1.0001#1 1.0197 Biết thành phần đáy tháp chưng cất 2 ta tìm được nhiệt độ đáy tháp là 106 0 c nếu áp suất ở đó là 15,8 atm. c. Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 1: Bảng 2A. Số liệu liên quan đến việc tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 1 Chất X K 160 K 162 K 164 x.K 160 x.K 162 x.K 164 C 2 H 6 0,0000 11.2500 11.5000 11.7500 0.0000 0.0000 0.0000 C 3 H 8 0,0040 4.7500 4.9000 4.9500 0.0190 0.0196 0.0198 n-C 4 H 10 0,0100 2.3500 2.4000 2.5000 0.0235 0.0240 0.0250 n-C 5 + 0,9860 1.0600 0.9800 1.1350 1.0452 0.9663 1.1191 Tổng 1.0877 1.0099#1 1.1639 Biết thành phần đáy tháp chưng cất 1 ta tìm nhiệt độ đáy tháp là 162 0 c nếu áp suất ở đó là 11,8 atm. d. Tính nhiệt độ bình tách 14: Bảng 2B. Tính toán phân đoạn B Chất Phân tử lượng Mi Phân Đoạn B(0,83tấn/h=830kg/h) Phần mol Fi Mi.Fi Thành phần khối lượng (%)100 . . ∑ FiMi FiMi Lưu lượng G hi (kg/h) F hi =G hi /M i (kmol/h) C 2 H 6 30 0.02 0.6000 1.3625 16.6000 0.5533 C 3 H 8 44 0.962 42.3280 96.1170 798.4600 18.1468 nC 4 H 10 58 0.015 0.8700 1.9756 12.4500 0.2147 nC 5 + 80 0.003 0.2400 0.5450 2.4900 0.0311 Tổng 1.000 44.0380 100 830 Bảng 2C. Tính toán phân đoạn C Bảng 2D. Tính toán hơi E Chất Phân Lưu lượng Phần mol Mi.Fi Thành ChấtPhâ Phân tử Lượng M i Phân Đoạn C (0,77tấn/h=770kg/h) Phần mol Fi Mi.Fi Thành phần khối lượng (%)100 . . ∑ FiMi FiMi Lưu lượng G hi (kg/h) F hi =G hi /M i (kmol/h) C 2 30 - - - - - C 3 44 0,023 1.0120 1.7426 17.7100 0.4025 nC 4 58 0,959 55.6220 95.7778 738.4300 12.7316 nC 5 + 80 0,018 1.4400 2.4796 13.8600 0.1733 Tổng 58.0740 770 13.3073 [...]... gia nhiệt 15 được vì: tháp chưng cất 2 có số đóa lý thuyết là cố đònh nên nguyên liệu vào tháp chưng cất 2 phải ở dạng lỏng hơi thì quá trình chưng cất mới xảy ra tốt được vì thế cần nén để dòng khí E thành dòng lỏng E’ sau đó cho qua thiết bò trao đổi nhiệt để nguyên liệu đi vào tháp chưng cất (2) ở trạng thái cân bằng lỏng hơi Dòng nguyên liệu F trước khi vào thiết bò chưng cất 2 thì phải được gia... nhiệt, do đó nó làm tăng số đóa cần có của tháp chưng cất lên một vài đơn vò Thực tế việc áp dụng hồi lưu vòng đã làm tăng số đóa của tháp chưng cất khí quyển lên khá nhiều so với số đóa trong tháp giả đònh mà ta đã dùng để tính toán , làm hao tốn năng lượng vì thế nó làm tăng chi phí cho quá trình chưng cất 2 Dòng hồi lưu vòng thường quay về tháp chưng cất ở vò trí cao hơn vò trí lấy ra một vài đóa... Hồi lưu vòng Ưu điểm: -Giảm lưu lượng lỏng, đặc biệt là giảm lưu lượng hơi, cho phép giảm tiết diện tháp chưng cất hoặc tăng công suất của tháp chưng cất đã xây dựng Việc đồng đều hóa lưu lượng tại các đóa làm cho sự lưu chuyển các pha tại các đóa được đồng đều hơn, tránh được việc phải dùng tháp chưng cất với tiết diện không đồng đều -Cho phép sử dụng một cách tối ưu lượng nhiệt thải ra bởi hồi lưu... dầu thô được chưng cất khí quyển thành các phân đoạn như ở bảng dưới: Cut point [0c] Lưu lượng m /h Kg/h 15,26 11,750 7,08 5,705 15,34 12,910 45,80 40,851 M 3 Các PĐ đến 190 190 – 240 240 – 350 350 - 124,5 171,2 224,1 - Điều kiện làm việc của tháp chưng cất: - p suất ở đỉnh tháp: 1,2 atm - p suất đóa: 7 mmHg 0 - Phân đoạn (240-350) C được rút ra ở đóa số 24 kể từ trên xuống của tháp chưng cất Dòng hồi... nguyên liệu đi vào tháp (1) ở dạng cân bằng lỏng hơi Chúng ta cần bổ sung thêm tháp chưng cất (3) (tháp ổn đònh) để loại thành phần nhẹ trong phân đoạn D Phân đoạn này là phân đoạn xăng nhẹ nên cần loại bớt các thành phần nhẹ để sản phẩm xăng ổn đònh hơn Ngoài ra để vận chuyển phân đoạn xăng D đi xa cần phải lắp thêm thiết bò làm lạnh ngưng tụ, máy bơm (20) Phần ra khỏi đỉnh tháp chưng cất (3) được cho... tăng độ phân tách của phép chưng cất nhưng hao phí năng lượng Nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất không phụ thuộc vào độ hồi lưu Vì : Dòng hồi lưu ngoài đi vào đỉnh tháp chúng sẽ lấy phần nhiệt độ của dòng hồi lưu trong để bay hơi trở lại Khi đó dòng hồi lưu trong do mất nhiệt độ cho nên chúng sẽ đi xuống, tùy vào từng cấu tử nặng nhẹ mà chúng lấy nhiệt độ và chuyển động đi lên đỉnh tháp tại những vò trí đóa... nhiệt độ dòng dầu thô Nếu không dùng hồi lưu vòng thì lượng nhiệt đó được thải qua thiết bò làm lạnh ngưng tụ ở đỉnh tháp chưng cất, nghóa là không những không tận dụng được lượng nhiệt đó mà còn phải tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để làm lạnh ngưng tụ dòng hơi bay lên từ đỉnh tháp chưng cất, bởi vì dòng hơi đó có nhiệt độ khá thấp nên việc thu hồi nhiệt của nó không kinh tế Nhược điểm: Hồi lưu vòng làm... nhiều làm cho dòng hồi lưu trong chuyển động xuống dưới càng nhiều.Vì thế mà ở đỉnh tháp nồng độ của các cấu tử luôn ổn đònh nên nhiệt độ của đỉnh tháp không thay đổi mặc dù độ hồi lưu thay đổi Mục đích của dòng hồi lưu đỉnh tháp là thu được sản phẩm tinh khiết hơn (tăng độ phân tách), làm ổn đònh nhiệt độ của tháp chưng cất (vì nguyên liệu có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau nên nồng độ của các cấu tử... thiết bò trao đổi nhiệt để thể tích của dòng khí ra khỏi đỉnh tháp chưng cất 2 giảm xuống, thuận lợi cho việc chứa (vì tiết kiệm được thể tích bình chứa 13) cũng như làm cho máy bơm (11) làm việc ổn đònh hơn 7 Đối với những tháp cao, các thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh phải đặt dưới đất nên bơm 9 có tác dụng đưa dòng hồi lưu ngoài vào đỉnh tháp cũng như dùng để trích dòng hồi lưu nên không thể thiếu... 0.6429 0.0464 1.0082 e.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 1: Tìm thành phần hơi F: Dòng sản phẩm đỉnh F sau khi qua thiết bò tách thì chúng được chia thành dòng hơi E đi ra và dòng lỏng H được hồi lưu lại đỉnh tháp Vậy ta có: F=E+H F.Ci = E.Yi + H.Xi => Ci = Xi E,Yi F,Ci Ki + h 1+ h H,Xi Giả sử độ hồi lưu h=1; Xi:ph ần mol của mỗi chất trong dòng hồi lưu H vào đỉnh tháp Yi:ph ần mol của mỗi chất trong dòng