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.

ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển xã hội nhu cầu chất lượng sống người ngày cao vật chấn lẫn tinh thần Để đáp ứng điều ngành khoa học công nghệ không ngừng phát triễn Trong ngành cơng nghiệp hóa chất khơng ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu thị trường Đây ngành GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -1- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử công nghiệp mũi nhọn nước ta Nó khơng đem lại lợi nhuận cao mà tảng để phát triễn ngành cơng nghiệp khác Sản phẩm cơng nghiệp hóa chất đa dạng chủng loại Chúng kết loạt q trình biến đổi hóa lý để đạt sản phẩm mong muốn Vì nguồn nguyên liệu ngành không xuất phát từ tự nhiên mà qua q trình tổng hợp trung gian Do nhu cầu sử dụng nguyên liệu tinh khiết ngày trở nên nghiêm khắc nguồn nguyên liệu Toluen Ngày nay, ta có nhiều phương pháp sử dụng để nâng cao độ tinh khiết trích ly, hấp phụ, chưng cất Tùy theo loại sản phẩm mà ta có lưạ chọn khác Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene phương pháp chưng cất sử dụng phổ biến Đồ án mơn học Q Trình Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập kỹ sư Môn học yêu cầu giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể u cầu cơng nghệ, kết cấu, điều kiện vận hành, giá thành thiết bị sản xuất hóa chất Nhiệm vụ mơn học thiết kế tháp chưng hệ Toluene - Xylene - Ethylbenzene hoạt động liên tục với suất nhập liệu khoảng 20 tấn/h có nồng độ 50% mol Toluene, thu sản phẩm đỉnh có nồng độ 98% kl toluen sản phẩm đáy có nồng độ thấp 1% kl Toluene Em chân thành cám ơn quý Thầy Cơ Bộ mơn Q Trình & Thiết Bị, bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án Tuy nhiên, q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong góp ý q thầy CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý thuyết chưng cất Chưng trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay tương đối khác nhau, cách đun sôi hỗn hợp, tách tạo thành để ngưng tụ lại Ở nhiệt độ cấu tử có áp suất lớn dễ bay • Ở áp suất cấu tử có nhiệt độ sơi thấp dễ bay So sánh chưng đặc: • - • Chưng: dung mơi chất tan bay • Cơ đặc: có dung môi bay hơi, chất tan không bay GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -2- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị 1.2 1.2.1 ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử - Có nhiều phương pháp chưng: bậc, nhiều bậc (chưng cất/chưng luyện), chưng lôi nước, chưng áp suất thấp… - Chưng cất (chưng luyện) lặp lại chưng đơn giản nhiều lần có cải tiến Thường cần thiết bị phụ trợ là: • Thiết bị hồi lưu đỉnh tháp: tránh tượng khô mâm cuối • Thiết bị đun sôi đáy tháp: cấp lượng cho lỏng bay Phương pháp chưng cất Định nghĩa Chưng cất trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng hỗn hợp khí-lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (nghĩa nhiệt độ, áp suất bão hòa cấu tử khác nhau) Thay đưa vào hỗn hợp pha để tạo nên tiếp xúc hai pha q trình hấp thu nhả khí, q trình chưng cất pha tạo nên bốc ngưng tụ Khi chưng cất ta thu sản phẩm Nếu nhiều cấu tử thường cấu tử thu nhiêu xét hệ đơn giản có cấu tử sản phẩm cùa q trình là: • Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) phần cấu tử có độ bay bé • 1.2.2 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay bé (nhiệt độ sôi lớn) phần cấu tử có độ bay lớn Phân loại phương pháp chưng luyện Các phương pháp chưng cất phân loại theo: • Áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường áp suất cao Nguyên tắc phương pháp dựa vào nhiệt độ sôi cấu tử, cấu tử hỗn hợp dễ bị phân hủy nhiệt độ cao hỗn hợp có nhiệt độ sơi q cao ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sơi cấu tử • Ngun lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) bán liên tục  Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp đuợc sử dụng trường hợp sau:  Khi nhiệt độ sôi cấu tử khác xa GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -3- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử  Khơng đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao  Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay  Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử  Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) trình thực liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn  Chưng nước trực tiếp: Dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất không bay hơi, thường áp dụng trường hợp chất tách không tan nước Như vậy, hệ condensate: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp nồi đun 1.2.3 Chưng cất đa cấu tử- mơ hình tổng qt tháp chưng luyện Trong mơ xác tháp chưng luyện phải tiến hành thông số nhiệt động tháp Các kết nhận mô tháp chưng luyện phụ thuộc phân bố nồng độ cấu tử, phân bố nhiệt độ lưu lượng dòng lỏng dòng tháp vào số bậc cân (đĩa lý thuyết) 1.2.3.1 Mơ xác tháp chưng luyện đa cấu tử Để mơ xác tháp chưng luyện, tác giả [Wang Henke 1966, Holland 1963, Goldstein Stanfield 1970, Naphtail Sandholm 1971, Block Hegner 1976 1977] có đóng góp quan trọng việc xây dựng mơ hình xác tháp chưng luyện Cho tới thời điểm tại, mơ hình tháp phát triễn khác việc sử dụng phương pháp tính lặp cụ thể việc chọn biến lặp Mơ xác tháp chưng luyện nhiều cấu tử mặt tốn học phức tạp Vì vậy, việc tự viết phương trình tính tháp theo mơ hình gặp nhiều khó khăn Một số cơng ty phát triễn phần mềm mô tháp chưng luyện công ty Aspen, Science Simulation, Process, Design 2000… Trong đồ án sử dụng phần mềm HYSYS 2006 công ty Aspen phát triễn để làm công cụ hỗ trợ mô 1.2.3.1 Phương pháp tính gần tháp chưng cất đa cấu tử Để tính tháp chưng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử, có nhiều chưng trình tính máy tính đưa kết xác, số phương tính gần tháp chưng luyện hỗn hợp có ích tiếp tục sử dụng số lý do: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -4- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử • Do số liệu cân pha số liệu enthalpy khơng có độ xác đủ cao, sử dụng phương pháp tính xác kéo dài máy tính khơng nhận kết xác • Các phương pháp tính gần cho phép tính nhanh tốn kém, phương pháp dễ dàng xác định vùng tối ưu thông số tháp khảo sát vùng phương pháp tính xác máy tính Trong phạm vi đồ án này, sử dụng cách tính gần với hỗ trợ công cụ mô HYSYS 2006 1.2.3.2 Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp chúng có yêu cầu diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có loại tháp mâm, pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun, tháp phun… Tháp chưng cất phong phú kích cỡ ứng dụng, tháp lớn thường ứng dụng công nghiệp lọc hoá dầu Lớn phức tạp tháp dùng để chưng cất dung mơi, khơng khí lỏng cơng nghiệp hóa chất nói chung Tùy theo suất đường kính tháp từ 0,3 m đến 9m, số mâm từ vài mâm đến nhiều Khoảng cách mâm từ 150 mm hay đến khoảng 1m Tháp hoạt động áp suất cao hay thấp Hỗn hợp chưng cất thay đổi nhiều độ nhớt, hệ số khuếch tán, tính ăn mòn, khuynh hướng tạo bọt tính phức tạp nồng độ Tháp mâm sử dụng cho trình chưng cất hấp thu - Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía có gắn mâm có cấu tạo khác để chia thân tháp thành đoạn nhau, mâm pha lỏng pha đựơc cho tiếp xúc với Tùy theo cấu tạo đĩa, ta có: • Tháp đĩa chóp: đĩa bố trí có chép dạng:tròn, xú bắp, chữ s… • Tháp đĩa xuyên lỗ: đĩa bố trí lỗ có đường kính (3-12) mm GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -5- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị - ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật chêm cho vào tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Bảng 1.1 So sánh ưu nhược điểm loại tháp Ưu điểm: Nhược điểm: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Đơn giản Hiệu suất tương đối cao Hoạt động ổn định Hiệu suất cao Trở lực thấp Hiệu suất thấp Độ ổn định Thiết bị nặng Hoạt động ổn định Làm việc với chất lỏng bẩn Trở lực cao Cấu tạo phức tạp Yêu cầu lắp đặt khắt khe  lắp đĩa thật phẳng Trở lực lớn Không làm việc với chất lỏng bẩn Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ trạng thái trung gian tháp chêm tháp mâm chóp làm việc với chất lỏng bẩn => Chọn tháp chưng cất tháp mâm xuyên lỗ Vậy: Chưng cất hệ Toluene-Xylene-Benzene ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp 1.3 Giới thiệu sơ nguyên liệu GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -6- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Giới thiệu condensate Condensate (còn gọi khí ngưng tụ chất lỏng đồng hành) dạng trung gian dầu khí, bao gồm hydrocarbon no có phân tử lượng tỷ trọng lớn butane pentane, hexane, heptane Ngồi chứa hydrocacbon mạch vòng, nhân thơm đơn giản số tạp chất khác Condensate thu q trình khai thác mỏ dầu mỏ khí Ở điều kiện thường tồn dạng lỏng Condensate nguồn nguyên liệu quý để sản xuất xăng, dung mơi ngun liệu đầu cho q trình tổng hợp hoá dầu 1.3.1 Các nguồn condensate Việt Nam bao gồm chủ yếu condensate Bạch Hổ (được chế biến nhà máy chế biến khí Dinh Cố), condensate Nam Cơn Sơn, condensate Rồng Đơi Thuộc tính loại condensate khác nhau: condensate Bạch Hổ nhẹ so với loại condensate lại nên dùng để phối trộn trực tiếp với xăng có số octan cao (Reformat), nguồn Condensate Nam Cơn Sơn Rồng Đơi, … tương đối nặng nên phải trải qua trình chế biến để thu phân đoạn naptha sản phẩm khác white spirit, DO, FO… 1.3.2 Ứng dụng condensate Condensate có thành phần tương tự phân đoạn nhẹ dầu thô sử dụng để sản xuất sản phẩm xăng, dầu hỏa (KO) diesel (DO), fuel oil (FO) làm dung mơi cơng nghiệp Condensate sử dụng làm nguyên liệu cho trình chế biến hóa dầu, sản xuất Olefine, BTX … Mục đích chưng cất condensate thực đồ án để tách sơ condensate tạo thành hai dòng sản phẩm dòng nhẹ bao gồm iso-butan (iC4); n-butan (nC4); n-pentan (nC5) dòng nặng bao gồm Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8) làm nguyên liệu cho trình cơng đoạn 1.3.3 Sơ đồ qui trình cơng nghệ (đính kèm): Thuyết minh qui trình cơng nghệ :  Chú thích kí hiệu quy trình Thùng chứa nguyên liệu Bơm ly tâm Bồn cao vị Thiết bị gia nhiệt nguyên liệu Lưu lượng kế Tháp chưng cất Thiết bị ngưng tụ hồi lưu Thiết bị tách khí không ngưng Thiết bị tháo nước ngưng 10 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh 11 thùng chứa sản phẩm đỉnh GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -7- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử 12 thiết bị đun sôi đáy tháp 13 thùng chứa sản phẩm đáy Nguyên liệu condensate bơm (2) hút từ thùng chứa nguyên liệu(1) bơm lên bồn cao vị (3) Từ bồn cao vị, condensate 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 1,7 bar nhờ tận dụng nguồn nhiệt dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ 130 0C, sau condensate đưa vào tháp chưng cất (6) đĩa nhập liệu thứ 18 Trên đĩa nhập liệu chất lỏng trộn với phần lỏng chảy xuống từ đoạn luyện Trong tháp từ lên gặp chất lỏng từ xuống,ở có tiếp xúc trao đổi hai pha với Pha lỏng chuyển động phần chưng xuống giảm nồng độ cấu tử dễ bay bị pha hơi(do thiết bị đun sôi đáy tháp (12) cung cấp) lôi cấu tử dễ bay lên Nhiệt độ lên thấp,các cấu tử nhẹ iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5) có nhiệt sơi thấp bốc lên nên cuối ta thu đỉnh tháp với độ tinh khiết 99%khối lượng Hỗn hợp đưa qua thiết bị ngưng tụ hồi lưu(7) sử dụng nước để giảm nhiệt độ ngưng tụ thành lỏng , sau phần hoàn lưu lại tháp đĩa cùng, phần lại đưa vào thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh(10) sử dụng nước để giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đỉnh, sau đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sôi cấu tử Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8) cao nên đáy tháp ta thu cấu tử khó bay Dòng hỗn hợp đưa qua thiết bị đun sôi đáy tháp(12) cấp nhiệt để bốc đưa lại vào mâm cuối tháp, phần lại đưa qua thiết bị gia nhiệt nguyên liệu vừa làm nguội dòng sản phẩm đáy, vừa gia nhiệt cho dòng nhập liệu Dòng sản phẩm đáy sau đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy(13) Ngoài thiết bị tách khí khơng ngưng(8) thiết bị tháo nước ngưng(9) có nhiệm vụ tách khí khơng ngưng từ thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh tháo nước ngưng tụ thiết bị đun sôi đáy tháp q trình trao đổi nhiệt Dòng sản phẩm đỉnh(iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5); Benzene (C6))và dòng sản phẩm đáy(Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8)) cung cấp cho cơng đoạn Thành phần dòng condensate vào tháp sau: Cấu tử Tỉ lệ i-butane 0,0061 GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA n-butane n-pentane 0,0075 0,1814 benzen e 0,267 -8- toluen e 0,297 p-Xylene 0,241 ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử mol 2.1 CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT Cân vật chất 2.1.1 Các số liệu ban đầu Bảng 2.2 Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -9- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị Cấu tử ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử KLPT i-butane n-butane n-pentane benzene 58 58 72 78 toluene 92 p-Xylene 106 Lưu lượng Kmol/h 242,479 298,130 8951,312 14273,24 18726,69 17508,13 0,0061 0,0075 0,1814 0,267 Tỉ lệ khối lượng 0,0040 0,0050 0,1492 0,2379 0,297 0,3121 0,241 0,2918 Tỉ lệ mol Lưu lượng nhập liệu: 60000 kg/h = 684 kmol/h Nhập liệu nhiệt độ 91 oC 1,7atm Yêu cầu sản phẩm: Nồng độ phân khối lượng p-Xylene đỉnh là: 0.0001 Nồng độ phân khối lượng n-pentane sản phẩm đáy là: 0.0001 Công cụ hỗ trợ: Sử dụng phần mềm mô HYSYS 2006 2.1.2 Các ký hiệu F: lượng nhập liệu, kmol/h D: lượng sản đỉnh, kmol/h W: lượng sản phẩm đáy, kmol/h xF: nồng độ nhập liệu xD: nồng độ sản phẩm đỉnh xW: nồng độ nhập đáy 2.1.3 Xác định thành phần cấu tử cân vật chất Dựa vào phần mềm mơ HYSYS 2006, ta có phân bố thành phần sản phẩm đỉnh đáy tháp sau: Bảng 2.3 Phân bố sản phẩm Cấu tử Nhập liệu GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA Sản phẩm đỉnh -10- Sản phẩm đáy ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị - Đường kính trong: ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử =32 mm = 0,032 m Hơi đốt nước 30 at ống 38 x 3, - Nhiệt hóa hơi: = 2080 kJ/kg = 160 oC - Nhiệt độ sôi: - Lượng cần dùng cho trình: Gh = 20122,07 kg/h - Nhiệt lượng cần dùng: Q = 39,76.106 kJ/h Dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ: = 125,33 oC - Trước vào nồi đun (lỏng): - Sau đun sôi (hơi):  = 130 oC Xác định bề mặt truyền nhiệt Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: , (m2) Ftb = Trong đó: + K: Hệ số truyền nhiệt, + ∆tlog: Nhiệt độ trung bình logarit, • Hiệu số nhiệt độ trung bình Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -73- ĐAMH Q Trình & Thiết Bị • ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Xác định hệ số truyền nhiệt K Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức tường phẳng: , W/m2,K Với: - : hệ số cấp nhiệt đốt (W/m2,K), - : hệ số cấp nhiệt sản phẩm đáy (W/m2,K), - • : nhiệt trở qua thành ống lớp cáu, Nhiệt tải qua thành ống lớp cáu: , (W/m2), Trong đó:- tw1: nhiệt độ vách tiếp xúc với đốt (trong ống), oC - tw2: nhiệt độ vách tiếp xúc với sản phẩm đáy (ngòai ống), oC , m2,K/W Tra bảng XII,7, trang 313, [2]: Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 17,5 (W/m,K) Tra Bảng 32, trang 30, [9]: Nhiệt trở lớp bẩn ống: Nhiệt trở lớp cáu ống: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA = 1/5800 (m2,K/W) =1/5800 (m2,K/W) -74- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Nên: = 5,289 10-4 (m2,K/W) • Xác định hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy ngồi ống Áp dụng công thức (V,89), trang 26, [2]: Ts = Ts2 +273 = 130 + 273 = 403 K Nhiệt độ sơi trung bình dòng sản phẩm ngồi ống: Khối lượng riêng pha hơi: ρh = 5,51 (kg/m3) Khối lượng riêng sản phẩm đáy Độ nhớt hỗn hợp [7] = 759,99 (kg/m3) = 0,00021 (N,s/m2) [7] Hệ số dẫn nhiệt hỗn hợp: λWf = 0,1088 (W/m, oC) [7] Sức căng bề mặt: [7] (N/m) Nhiệt dung riêng: CWf = 2031,06(J/kg,oC) Nhiệt hóa • [7] (kJ/kg) [7] Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống Áp dụng công thức (3,65), trang 120, [5]: Dùng phép lặp: chọn = 158,7 (oC) Nhiệt độ trung bình màng chất ngưng tụ: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA [7] -75- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử C Tại nhiệt độ thì: = 912,2 (kg/m3) - Khối lượng riêng nước: - Độ nhớt nước: = 0,186.10-3 (N,s/m2) Hệ số dẫn nhiệt nước : = 0,683 (W/m,độ) - Nhiệt ngưng tụ dòng hơi: 2104,5.103 (J/kg) Ta tính : (W/m2) 27333,47 (W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) Kiểm tra sai số: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -76- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử  Thỏa mãn điều kiện Kết luận: •  158,7 0C 144,59 0C Xác định hệ số truyền nhiệt: Sắp xếp bề mặt truyền nhiệt: Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: (m2) Để đảm bào an toàn ta chọn F dư 20% => F = 399,18.120% = 479,017 m2 Tra bảng V,II, trang 48, [2] ⇒ Chọn n = 823 ống, Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh (kiều bàn cờ), Chiều dài ống truyền nhiệt: (m) Dựa vào tài liệu tham khảo (p, 175, [10]) => Chọn L = m Số ống đường xuyên tâm: 31 ống, Bước ống: t = 0,048 (p,178, [10]) Đường kính thiết bị: D = t,(b-1)+4.dn = 0,048,(31 - 1) + 4,0,038 = 1,592 m Suy ta chọn: D = 1800 mm (p,175, [10]) Dựa vào tài liệu tham khảo (p,175, [10]) ứng với đường kính D =1800 mm, ta GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -77- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử chọn bề dày tối thiểu vỏ TBTN kiểu TH: Smin = mm, 6.1.3 Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu Chọn thiết bị đun sôi nhập liệu vỏ - ống đặt thẳng đứng Ống truyền nhiệt làm thép X18H10T, kích thước ống 38 x 3: • Đường kính ngồi: dn = 38 (mm) = 0,038 (m) • Bề dày ống: δt = (mm) = 0,003 (m) • Đường kính trong: dtr = 0,032 (m) Ta tận dụng nhiệt dòng sản phẩm đáy để đun sôi đáy tháp vừa làm nguội sản phẩm vừa cấp nhiệt cho dòng nhập liệu, tiết kiệm chi phí lượng Nhiệt độ sản phẩm đáy: t = 1300C Áp suất sản phẩm đáy: P= atm Dòng nhập liệu condensate có nhiệt độ: • • Trước vào TBGN (lỏng): t1 = 30 (oC)  Sau gia nhiệt (lỏng –sôi): t2 = 91 (oC) Hiệu số nhiệt độ trung bình:  Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên: ∆tlog= (K) Hệ số truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt K tính theo cơng thức tường phẳng: ,(W/m2.K) Với: αn : hệ số cấp nhiệt dòng sản phẩm đáy (W/m2.K) o αF : hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu (W/m2.K) o ∑rt : nhiệt trở qua thành ống lớp cát o GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -78- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử  Nhiệt tải qua thành ống lớp cát: , (W/m2) Trong đó: tw1 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng sản phẩm đáy (trong ống), oC • tw2 : nhiệt độ vách tiếp xúc với dòng nhập liệu (ngồi ống), oC • Bề dày thành ống: δt = 0,003 (m) • Hệ số dẫn nhiệt thép không gỉ: λt = 16,5 (W/mK) (p.127, [4]) • • Nhiệt trở lớp bẩn ống: r1 = 1,72.10-4 (m2.K/W) (p.4, [4]) • Nhiệt trở lớp cáu ống: r2 =1,72.10-4 (m2K/W) Nên: ∑rt = 5,27.10-4 (m2K/W)  Xác định hệ số cấp nhiệt dòng nhập liệu: Nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu: (oC) Tại nhiệt độ trung bình dòng nhập liệu thì: + Nhiệt dung riêng: CF = 1,837kJ/kg.độ + Khối lượng riêng: ρF = 783,89 kg/m3 + Độ nhớt động lực: µF = 0,000331 N.s/m2 + Hệ số dẫn nhiệt: λF = 0,119 W/m.K + Sức căng bề mặt :F=0,0213 N/m Vận tốc dòng nhập liệu V=8,6 m/s GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -79- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Vậy ta có cơng thức tính Nusselt Suy  Xác định hệ số cấp nhiệt đốt ống (p,120,[4]) : Dùng phép lặp: chọn tW1 = 77 (oC) Tính chất vật lí sản phẩm đáy + Nhiệt dung riêng: cN = kJ/kg.độ + Khối lượng riêng: ρN = 818,45 kg/m3 + Độ nhớt động lực: µN = 3,41.10-4 N.s/m2 + Hệ số dẫn nhiệt: λN = 0,123 W/m.K + Nhiệt ngưng tụ rN =3,69.106 J/kg Hệ số cấp nhiệt : αN = 454,977 W/(m2.K) Suy qt = qn = 24113,8 (W/m2) (xem nhiệt tải mát không đáng kể) ⇒ tw2 = tw1 - qtΣrt = 64,3(oC) ⇒ αF = 386,68 (W/m2K) ⇒ qF = αF (tW2 – tF) = 24864,08 (W/m2) Kiểm tra sai số: ε= 100% = 3,017 % < 5% (thỏa) Kết luận: tw1 = 77 oC tw2 = 64,3 oC Xác định hệ số truyền nhiệt: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -80- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử (W/m2K) Bề mặt truyền nhiệt xác định theo phương trình truyền nhiệt: F= Để đảm bào an toàn ta chọn F dư 20% => F = 172.120% = 206,87 m2 Cấu tạo thiết bị: Chọn số ống truyền nhiệt: n = 367 (ống), Ống bố trí theo hình lục giác đều, Chiều dài ống truyền nhiệt: L = = 5,13(m) Dựa vào tài liệu tham khảo (p, 175, [10]) => Chọn L = m Tra bảng V.II, (p,48, [3]) ⇒ Số ống đường chéo: b = 21 (ống) Tra bảng (p.49, [3]) ⇒ Bước ống: t = 48 (mm) = 0,048 (m) Áp dụng cơng thức (V.140), (p.49, [4]): ⇒ Đường kính thiết bị: D = t.(b-1) + 4dn = 1,016 (m) Suy ta chọn: D = 1200 mm (p,175, [10]) Dựa vào tài liệu tham khảo (p,175, [10]) ứng với đường kính D =1200 mm, ta chọn bề dày tối thiểu vỏ TBTN kiểu TH: Smin = mm, 6.2 Bơm 6.2.1 Năng suất Nhiệt độ dòng nhập liệu GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA C, nhiệt độ : -81- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử - khối lượng riêng dòng nhập liệu 755,3 (kg/m3) 0,253.10-3 (N,s/m2) - Độ nhớt dòng nhập liệu : Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ống: 73,12 (m3/h), - Vậy: chọn bơm có suất 75 (m3/h), 6.2.2 Cột áp Áp dụng phương trình Bernoulli : - : độ cao mặt thoáng chất lỏng bồn chưa nguyên liệu so với mặt đất, chọn - = m, : độ cao mâm nhập liệu so với mặt đất = (TSchưng + tđĩa),Nchưng + Hđáy + Htrụ đỡ = m - : áp suất mặt thoáng bồn chưa nguyên liệu, chọn - : áp suất mặt mâm nhập liệu, GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA = 1,7 (atm) [7] -82- = (atm), ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử : vận tốc mặt thoáng bồn chưa nguyên liệu mâm nhập liệu, xem m/s, - : tổng tổn thất ống từ bồn chứa đến mâm nhập liệu, - : cột áp bơm,  Tính tổng trở lực ống Chọn đường kính ống hút ống đẩy nhau: = 80 (mm) Tra bảng II,15, trang 381, [1] : độ nhám ống: ε = 0,2 mm = 0,0002 m (Ống dẫn dầu mỏ điều kiện sử dụng bình thường) Chiều cao hút bơm: tra bảng II,34, trang 441, [1] ⇒ Tổng trở lực ống hút ống đẩy : - : chiều dài ống hút, chọn - : chiều dài ống đẩy, chọn = (m), = 20 (m), - : tổng tổn thất cục ống hút, - : tổng tổn thất cục ống đẩy, - : hệ số ma sát ống hút ống đẩy, GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -83- = (m) ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị - ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử : vận tốc dòng nhập liệu ống hút ống đẩy (m/s) Xác định hệ số ma sát ống hút ống đẩy Chuẩn số Reynolds :   Chế độ chảy rối Chuẩn số Reynolds giới hạn: Chuẩn số Reynolds bắt đầu xuất vùng nhám: ⇒ chế độ chảy rối ứng với khu vực nhám, Vì Ta có :  => dựa vào bảng II,13 (p,379, [1]) ta có: Xác định tổng tổn thất cục ống hút • Hệ số trở lực vào ống hút: • Chỗ uốn cong: Tra bảng II,16, trang 382, [1] Chọn dạng ống uốn cong 900 có bán kính R với R/d = Ống hút có chỗ uốn GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA 1,0,15,1 = 0,15 (1 chỗ), 0,3 -84- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị • ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Van: Tra bảng II,16, trang 382, [1] : Chọn van chiều với độ mở với độ mở lớn 1,5 (1 cái), Ống hút có van nên 1,5 Nên:  Xác định tổng tổn thất cục ống đẩy • Hệ số trở lực khỏi ống đẩy: • Chỗ uốn cong: Tra bảng II,16, trang 382, [1]: Chọn dạng ống uốn cong 900 có bán kính R với R/d = 1,0,15,1 = 0,15 (1 chỗ), Ống đẩy có chỗ uốn nên • Van: Tra bảng II,16, trang 382, [1] : Van chiều với độ mở lớn Van tiêu chuần với mở hồn tồn : Ống đẩy có van chiều van tiêu chuẩn Nên: Tính cột áp bơm: GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -85- 1,5 4,1 ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử 6.2.3 Công suất Đối với bơm ly tâm có suất trung bình, chọn hiệu suất bơm: 0,6 Công suất thực tế bơm: Kết luận: Để đảm bảo tháp hoạt động liên tục ta chọn bơm li tâm loại XM, có: - Năng suất: Qb = 26 (m3/h) - Cột áp: Hb = 24,2 (m) - Công suất: Nb = 6,23 (kW) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1], Tập thể tác giả, “Sổ Tay Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -86- ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử Tập 1”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1999, 447tr, [2], Tập thể tác giả, “Sổ Tay Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất – Tập 2”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1999, 626tr, [3], Nguyễn Hữu Tùng, “Kỹ Thuật Tách Hỗn Hợp Nhiểu Cấu Tử - Các nguyên lý ứng dụng”,Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012, 400tr, [4], Nguyễn Hữu Tùng, “Kỹ Thuật Tách Hỗn Hợp Nhiểu Cấu Tử - Tính tốn thiết kế”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2012, 400tr, [5], Phạm Văn Bơn, Vũ Bá Minh, Hồng Minh Nam, “Q Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Học – T10 – Ví dụ Bài tập”, Nhà xuất Trường Đại Học Bách Khoa TP,Hồ Chí Minh, 468tr, [6], Võ Ngọc Tươi, Hoàng Minh Nam, “Chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử”, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP,Hồ Chí Minh, 2012, 215tr, [7], Phần mềm mô Hysys, sản phẩm công ty Hyprotech-Canada thuộc công ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd, [8], Hồ Lê Viên, “Thiết kế Tính tốn thiết bị hóa chất”, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1978, 286tr, [9], Tập thể tác giả, “Bảng tra cứu Quá Trình Cơ Học – Truyền Nhiệt – Truyền Khối”, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP,Hồ Chí Minh, 2004, 69tr, [10], Phạm Văn Bơn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Quá trình Thiết bị Truyền Nhiệt – Quyển Truyền nhiệt ổn định”, Nhà xuất Đại Học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr, [11], Phạm Văn Bôn – Nguyễn Đình Thọ, “Q trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học – Tập 5: Q trình Thiết bị Truyền Nhiệt – Quyển Truyền nhiệt ổn định”, Nhà xuất Đại Học Quốc gia TpHCM, 2002, 372tr, [12], Henry Z, Kister, “Chemical Engineering: Distaillation Design”, Nhà xuất McGrow – Hill, 1992, 711tr, GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA -87- ... giá thành thiết bị sản xuất hóa chất Nhiệm vụ mơn học thiết kế tháp chưng hệ Toluene - Xylene - Ethylbenzene hoạt động liên tục với suất nhập liệu khoảng 20 tấn/h có nồng độ 50% mol Toluene, thu... vậy, hệ condensate: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp đáy tháp nồi đun 1.2.3 Chưng cất đa cấu tử- mơ hình tổng qt tháp chưng luyện Trong mơ xác tháp. .. điểm: Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chóp Đơn giản Hiệu suất tương đối cao Hoạt động ổn định Hiệu suất cao Trở lực thấp Hiệu suất thấp Độ ổn định Thiết bị nặng Hoạt động ổn định Làm việc với