(BQ) Phần 2 cuốn sách cung cấp cho người học các kiến thức: Các quá trình chưng cất ứng dụng trong công nghiệp, chưng cất nhiều bậc gián đoạn, tiết kiệm năng lượng trong chưng cất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Chương CÁC QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHIỆP « 4.1 PHẠM VI THAY ĐỔI CÁC THƠNG SỐ CƠNG NGHỆ CÙA CÁC Q TRÌNH CHƯNG CÁT TRONG CÔNG NGHIỆP Để đảm bảo điếu kiện làm việc hệ thống thiét bị đ ể đạt hiệu kinh tế đảm bảo yêu cẩu vể m trường, thịng số q trình chưng cẩt cơng nghiệp phải nằm m ột khoảng thay đổi định Chương để cập tới phạm vi thay đổi m ột số thông số quan trọng ln h chưng cất công nghiệp 4.1.1 Phạm vi thay đồi nhiệt độ Đối với trìn h chưng cất công nghiệp tổn giới hạn cùa nhiệt độ làm việc M ột ]ý phải giới hạn nhiệt độ làm việc trình chưng cất nguy bị ph ân hủy nhiệt cấu tử hỗn hợp cẩn tách T rong thực tế nhiểu hợp chắt bị phân hủy d ẩn dẩn nhiệt độ cao M ột số hợp chất chí cịn bị phân hủy nhiệt độ sơi thường chúng N hiệt độ cho phép tối đa m ột số hợp chất dẫn bảng Bàng 4.1 Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép tháp chưng cát đẻ tránh phân hủy nhiệt N h iệt độ làm việc lớn Áp suất làm nhất, °c việc, bar Hợp chẩt C hú thích Axít sunphuaríc, H 2SO 170 °c bar P hân hủy tạo thành SO Per hyđrơxít, H 2O 60 - 80 °c bar H gây nổ Dầu thô 350 °c 2,1 bar Bị phân hủy Dầu thô tách phân 420 °c 0,013 bar Bị phân hủy đoạn nhẹ Styrene 100 °c Dẩu m ỡ bị 260 °c Axít Nitơríc N hiệt Bị pơlym e hóa 5.1 O' bar độ nhỏ nhiệt độ sôi thường BỊ phân hủy Tạo thành NOx tách trinh nhả khơng khí Axít Acrylic °c Bị pơlyme hóa 253 Q uá trin h ph àn hủy nhiệt cùa chất p h ụ thuộc vào nhiệt độ cúng thời gian chịu tác dụng nhiệt độ Các số liệu d ẫn bảng 4.1 giá trị gắn cho điểu kiện chưng cất điển hình Ngun n h ân thứ hai góp phẩn định giới hạn nhiệt độ nguổn nhiệt sử dụng công nghiệp Ngoại trừ m ột vài trường hợp đặc biệt, đại đa số trường hợp nguốn nhiệt sử dụng rộng rãi nước bão hịa Áp suất có th ể tạo nước định giới hạn nhiệt độ Ngoài ra, giới hạn nhiệt độ phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ cẩn thiết đ ể trinh truyển nhiệt diễn bình thường thiết bị đun nóng đun bay h ỗ n h ợp lỏng (hiệu số nhiệt độ khoảng 10 - 30°C) T rong trư ng hợp đặc biệt (ví dụ q trinh chưng cất dẩu thơ, q trình nâng cao nổng độ axit sunphuaríc) nhiệt độ cao đạt cách sử dụng chất tải nhiệt dẩu nóng khói lị T rong n hữ ng trường hợp nhiệt độ ph ù hợp tương ứng khoảng 300 400°c.T hông thường, tháp chưng cất không sừ dụng nguổn nhiệt lượng điện Trong bảng 4.2 đẫn số liệu nhiệt độ tổi đ a giá so sánh m ột số nguổn nhiệt dùng cho tháp chưng cất số liệu vé giá tương đối nguồn nhiệt dẫn bảng m ang tính tham khảo số iiệu khơng đại đa số công ty đánh giá m ột cách xác đặc biệt giá cùa áp suất cao ln có xu ước tính thấp h ơn so với thực tế Bàng 4.2 Nhỉệt độ đa giá so sánh số nguòn nhiệt N guồn n h iệt Nhiệt độ, °c Giá so sánh H nước: Hơi áp suất cao (30 bar} 90°c l-10ũc 170°c 200°c H áp suất cao (80 bar) 260°c Hơi thải Hơi áp suất thấp (7 bar) H áp suất trung bình (15 bar) Dẩu nóng 300°c D ắu n ó ng (tổng hợp) 400°c Khói lò 450°c 50% 100% 130% 150% Giới hạn nhiệt độ tháp chưng cất nhiệt độ chất làm lạnh ngưng tụ đỉnh tháp định Trong đại đa số trưởng hợp, chất làm lạnh sử dụng nước nên đ ể cho th iết bị ngưng tụ làm việc bình thường nhiệt độ thấp tro n g tháp phải khoảng 45 - 50°c(nhiệt độ cao n h ất nước làm lạnh thường không vượt - 50°C) H iện tại, xu th ế sử dụng k hơng khí làm chất làm lạnh ngày tâng cường nên nhiệt độ nh ỏ n h ất tro n g tháp chư ng cất khoảng 60 - 70°c Đối nước đá tác nh ân lạnh h ó a lỏng (n h am ô n iic, prô p an , nitơ) sù dụng làm chất làm lạnh, n hư ng chất làm lạnh thường có giá th àn h cao N hiệt độ thấp n h ất giá so sánh m ộ t số chất làm lạnh đtiỢc dẫn bảng 4.3 254 Bàng 4.3 Nhiệt độ nhỏ glá tương đối số chất làm lạnh Chất ỉàrti lạnh Nhiệt độ, °c Giá tương đối, % K hơng khí 50-70°C 60% Nước từ tháp làm nguội 40-50°c 100% Nước đá 20-30°C 150% A m ôniắc 10°c 300% -5°c 400% -30°c 500% 0°c 300% Nước m uối Prop an /Prôpylen -30°c Êtan/Etylen -75°c M êtan -150°c 4.1.2 Phạm vl thay đ&i áp suất Đ ể thỏa m ãn yêu cẩu vể nhiệt độ đun nóng nhiệt độ làm nguội thl cẩn phải chọn áp suất làm việc tháp phải bổ sung thêm cấu tử có nhiệt độ sơi thấp T hơng thường, để giảm nhiệt độ làm việc, trình tách cấn phải tiến hành áp suất chân không Vể m ặt kỹ thuật, đ ể tạo áp suất làm việc tháp khoảng 0,06 0,08 bar cẩn sử dụng bơm chân không kiểu rôto m ột cấp T rong trường hợp cẩn áp suất làm việc tháp khoảng 0,013 b ar phải sử đụng bơm chân khơng hai cấp Chân khơng cao (2 -í- 5) 1Or3bar sử dụng tháp chưng cắt đỏ chi phí vận hành chì phí đầu tư cho hệ thống tạo chân khơng cao T rong nhữ ng trường hợp trên, thay vỉ sử dụng độ chân khơng cao có th ể thêm vào hỗn hợp cẩn tách chất có nhiệt độ sôi thấp nhằm giảm nhiệt độ sôi hỗn hợp Các chất phụ gia {bổ sung vào hỗn hợp) thư ờng chất khí trơ (khơng khí nitơ) đặc biệt cho hệ hữu thường bổ sung nước {vì nưốc dễ dàng tách sau ngưng tụ) Đ ể tăng nhiệt độ sơi hỗn hợp có nhiệt độ sồi thấp, tháp chưng cất làm việc áp suất cao T uy nhiên, áp suất làm việc tháp cao m ức độ khác n h au nống độ cùa pha pha lỏng nhỏ Giới hạn áp suất làm việc tháp nằm tran g khoảng áp suất tới h ạn cấu tử Các hợp chất hyđrơcacbon có nhiệt độ sơi thấp m êtan thường tách tháp làm việc áp suất khoảng 70% áp suất tới hạn hợp chất này, T rong êtylen êtan lại chưng cất áp suất 40% - 50% áp suất tới hạn chúng, prôpylen prôpan lại chưng cất áp suất 34 - 50% áp suất tới hạn Làm việc áp suất cao m ột vấn đé phức tạp cùa trinh công nghiệp dịng k h í dòng lỏng phải nén bơm đến áp suất cao h ơn T rong m ộ t số trưởng hợp nên tăng áp suất p h a lỏng thay cho việc tăng áp suất pha tiêu hao nảng lượng nén lỏng thấp n h iều so với trường hợp nén pha Các sổ liệu dùng để so sánh tiêu hao lượng nén kg khơng khí kg nước thể hình 4.1 Các đổ thị hình cho thấy rõ 255 tiêu hao lượng nén khơng khí gấp hàng trăm đến hàng nghìn lán so với tiêu hao lượng nén nước Sự khác cho tất hệ có khác đáng kể khối lượng riêng cùa lỏng 1000 A 600 Ị 400 J 200 ^ 100 60 40 20 10 10 20 40 60 100 p/p0 o Hình 4.1 So sảnh tiêu hao luụng N (kw/kg) nén không khỉ (Nu) nón nu&c (Nhỉo) đến ảp suất cao 4.1.3 Phạm vi thay đỗi kích thước tháp Sổ bậc lý thuyết tháp chưng cất có giới hạn, Các số liệu dẫn bàng 4.4 cho thấy sổ bậc lý thuyết m ột tháp chưng cất lớn h ơn 0 sử dụng công nghiệp Một vấn để quan trọng thường gặp thiết kế tháp vấn để chọn vật liệu chế tạo tháp Đối vói hệ có khả ăn m ịn cao (ví dụ axít) thủy tinh Pyrex phải chọn làm vật liệu chế tạo tháp T rong trưởng hợp này, đường kính tháp khơng th ể vượt D ổ lm áp suất làm việc không vượt pyHJ0 -» moi mol HzO Hình 4.2 Cân pha tịng - hơí, nhiệt độ sôi nhiệt độ điểm sương hỗn họp H i0/H 3S0 áp suất P = bar [Perry, 1984] 50 100 150 200 250 300 350 °c t - - —o Hình 4.3 Áp suắt hoỉ cùa hỗn họp H2O/H2SO4[Perry, 1984], Tham số đồ thỊ: Nồng độ % khối lượng H 2SO 258 Nước sử dụng để làm lạnh ngưng tụ khỏi đỉnh tháp VI vậy, nhiệt độ nhò đỉnh tháp khoảng 40 - 50°c (xem bảng 4.3) Do khỏi đỉnh tháp hâu nước tinh khiết nên áp suất làm việc nhỏ n h ất tháp khoảng 0,12 bar N độ lớn axít đáỵ tháp ph ụ thuộc vào nguồn nhiệt Khi sử dụng nước có áp suất P ịị = 15 bar (200“C) làm nguổn nhiệt nhiệt độ lớn tháp khoảng 170°c tương ứng với nhiệt độ nổng độ axít khoảng % khối lượng Do có giới hạn vé nhiệt độ nên nổng độ axít sunphuaríc nhận nhà m áy cơng nghiệp thấp nhiéu so với giới hạn nhiệt động điểm đẳng phí tạo {< 98,4% khối lượng) Đ ể nâng cao nổng độ axít sunphuaríc sử dụng trỉnh làm việc hai mức áp suất khác (hình 4.4) Ở giai đoạn đáu, axít lỗng nâng nống độ đến 72% khối lượng áp suất thường thiết bị chưng cất bậc Ở điéu kiện pha khòi thiết bị chứa nước (không chứa H 2SO S O ) Ở giai đoạn hai, axít nâng nổng độ đến 86% khối lượng áp suất p = 0,12 bar Do pha có chứa H 2SO (ở dạng tháp chưng cất có nhiều bậc Khí SO SO 3) nên trình tách thực pha hấp thụ bâng dịng axít sunphuaríc vào đỉnh tháp F, 20 % K L sulfuric bor >