Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất và chất lượng của sản phẩm thu của quá trình chưng luyện là nhiệt độ, hiệu suất và phương pháp hồi lưu…Chế độ và công nghệ chưng cất phụ thuộc vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và yêu
Hình 2.7: Sơđồ chưng bằng hơi nước trực iếp a, chưng gián đoạn b, chưng liên tục
cầu của quá trình, chủng loại sản phẩm cần thu và phải có dây chuyền công nghệ hợp lý. Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta phải xét kỹ và kết hợp đầy đủ tất cả
các yếu tốđể quá trình chưng cất đạt hiệu quả kinh tế cao.
2.4.1. Chếđộ nhiệt của tháp chưng luyện
Nhiệt độ là một thông số cơ bản của quá trình chưng luyện. Bằng cách thay đổi chếđộ nhiệt độ của tháp sẽđiều chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm. Chế độ nhiệt độ của tháp là nhiệt độ của nguyên liệu vào, nhiệt độ đỉnh tháp và nhiệt độ đáy tháp.
Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) khi vào tháp chưng được khống chế tuỳ theo bản chất của loại dầu thô, mức độ phân chia sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp nhưng phải tránh được sự phân huỷ của nguyên liệu ở nhiệt độ
cao, do vậy nhiệt độ của lò ống đốt nóng phải được khống chế chặt chẽ.
Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi. Nếu bốc hơi phần đáy bằng một thiết bịđốt nóng riêng thì nhiệt độđáy tháp sẽứng với nhiệt độ
bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp. Nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước thì nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp liệu. Nhiệt độđáy tháp phải chọn tối
ưu tránh sự phân huỷ các cấu tử nặng nhưng phải đủđể tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn
đáy.
Nhiệt độ đỉnh tháp phải được khống chế nhằm đảm bảo được sự bay hơi hoàn toàn sản phẩm đỉnh mà không gây nên sự bay hơi các phần khác. Muốn vậy người ta phải dùng hồi lưu đỉnh tháp để tách xăng ra khỏi phân đoạn khác. Nhiệt độ đỉnh tháp chưng khi đang chưng cất ở áp suất khí quyển cần giữ trong khoảng 100 ÷ 120oC. Còn với tháp chưng ở áp suất chân không, thường giữ nhiệt độ đỉnh tháp không quá 100oC và áp suất chưng từ 10 ÷70 mmHg để tách hết phần gasoil nhẹ còn lẫn trong nguyên liệu .
Dùng hồi lưu sẽ tạo điều kiện phân chia tốt. Hồi lưu đỉnh tháp thường có 2 dạng:
+ Hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm
đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó, sau đó cho tưới trở lại đỉnh tháp. Như vậy chỉ cần cấp một lượng nhiệt để bốc hơi. Tác nhân làm lạnh có thể dùng nước hay chính sản phẩm lạnh. Công thức lượng nhiệt hồi lưu nóng :
Rn=
L Q
Trong đó: Rn là lượng hồi lưu nóng ( kg/h)
Q là lượng nhiệt hồi lưu cầ lấy để bốc hơi (kcal/h) L là lượng nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng ( kcal/h)
Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và có nhiều khó khăn cho việc vệ sinh, đặc biệt công suất của tháp nhỏ nên ngày càng ít được dùng.
+ Hồi lưu nguội là quá trình làm nguội hoặc ngưng tụ sản phẩm đỉnh rồi tưới trở
lại đỉnh tháp.
Khi đó lượng nhiệt để cấp cho phần hồi lưu cần thu lại một luợng nhiệt cần thiết
đểđun nóng nó đến nhiệt độ sôi và bay hơi, do vậy hồi lưu nguội tính bằng công thức:
( ) 1 2 2 1 ng h l t t Q Q R q q i t t C = = + + −
Trong đó: Rng là lượng hồi lưu nguội Qh là lượng nhiệt mà hồi lưu cần qht1: là hàm nhiệt của hơi ql t2: là lượng nhiệt của lỏng hồi lưu i :là lượng nhiệt phần hơi cần C: là nhiệt dung của sản phẩm hồi lưu t2, t1: là nhiệt độ của hơi và của lỏng tương ứng.
Hồi lưu nguội được sử dụng tương đối rộng rãi vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng chất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của chúng.
Ngoài hồi lưu đỉnh, đáy người ta còn sử dụng hồi lưu trung gian để tăng lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều chỉnh nhiệt độ tháp.
+ Hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách lấy một phần sản phẩm nằm trên các đĩa có nhiệt độ t1đưa ra ngoài làm lạnh nhiệt độ to rồi tưới hồi lưu trở lại tháp. Khi
đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt đểđun nóng từ nhiệt độ tođến t1 . Xác định lượng hồi lưu trung gian theo công thức: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 0 tr l l t t Q g q q = −
Trong đó: gtr: lượng nhiệt hồi lưu lấy đi (kcal/h)
qlto, qlt1 :hàm lượng nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ t1 và t0 ( kcal/kg).
Ưu điểm: Giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một lượng nhiệt thừa rất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu tăng công suất làm việc của tháp.
Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độđỉnh tháp chưng dẫn đến đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm của quá trình.
2.4.2. Áp suất suất của tháp chưng luyện
Khi chưng luyện dầu mỏở áp suất thường, áp suất trong toàn tháp và ở mỗi tiết diện cũng có khác nhau. Áp suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng luyện phụ thuộc vào trở lực thuỷ tĩnh khi hơi nước đi qua các đĩa, nghĩa là phụ thuộc vào sốđĩa và cấu trúc đĩa, khi lưu lượng riêng của chất lỏng và hơi từđĩa này sang đĩa khác thì áp suất giảm đi 5 ÷ 10 mmHg từ dưới lên, ở áp suất thấp qua mỗi đĩa giảm đi từ 1 ÷ 3 mm Hg. Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nhiên liệu và áp suất riêng phần của từng cấu tử.
Áp suất hơi nước đưa vào cũng ảnh hưởng đến áp suất chưng của tháp. Nếu tháp chưng luyện dùng hơi nước trực tiếp cho vào đáy tháp và hơi nước làm giảm đi áp suất riêng phần của hơi sản phẩm dầu mỏ, cho phần chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ
thấp hơn.
Lượng hơi nước tiêu hao phụ thuộc vào áp suất chưng của tháp và áp suất riêng phần của các sản phẩm dầu mỏ.
Lượng hơi nước dùng cho tháp chưng ở áp suất khí quyển khoảng 1.2 ÷ 3.5% trọng lượng .
Khi chưng cất ở áp suất chân không thì thường tiến hành áp suất từ 10 ÷ 70 mmHg.
Độ chân không càng sâu càng cho phép chưng sâu hơn, nhưng nếu áp suất quá thấp sẽ khó chế tạo thiết bị với năng suất lớn.
1 V 2 3 IV I II III 4 5 2.5. CÁC LOẠI THÁP CHƯNG CẤT 2.5.1. Tháp đệm 1- Thành tháp 2- Bộ phận phân phối chất lỏng 3- Lớp đệm 4-Bộphậnphânphốihơi 5- Vùng đệm có tấm chắn. I. Nguyên liệu II. Sản phẩm đỉnh III. Hồi lưu đỉnh IV. Hồi lưu đáy V. Sản phẩm đáy Hình 2.8: Sơđồ tháp đệm
Các đệm trong tháp là các vòng bằng gốm để tăng bề mặt tiếp xúc phía trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn, người ta xếp đệm trên các đĩa có hai loại lỗ khác nhau. Các lỗ nhỏ (phía dưới) để chất lỏng đi qua và lỗ lớn (phía trên) để cho hơi đi qua. Nhược điểm của loại đĩa này là: tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng không tốt. Nhưng khi dùng tháp có đường kính nhỏ hơn 1m, thì hiệu quả của tháp này không kém tháp đĩa chóp, vì vậy chúng thường dùng để chưng luyện gián đoạn với công suất thiết bị không lớn.
2.5.2. Tháp đĩa chụp (đĩa chóp)
Loại đĩa này được sử dụng rộng rãi trong chưng cất dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ. Các đĩa chụp có nhiều dạng khác nhau bởi cấu tạo của chụp và cấu tạo của bộ
Đĩa hình chóp là các đĩa kim loại mà trong đó có cấu tạo nhiều lỗđể cho hồi đi qua. Theo chu vi các lỗ người ta bố trí trong nhánh có độ cao xác định gọi là cốc, nhờ
có ống nhánh này giữ mức chất lỏng xác định. Phía trên các ống nhánh là các chụp. Khoảng giữa ống nối và chụp có vùng không gian cho hơi đi qua, đi từđĩa dưới lên đĩa trên. 1 - Tấm 2 - Ống chảy chuyền 3 - Chụp 4 - Ống nhánh 5 - Lỗ chụp cho hơi qua 6 - Không gian biên
7 - Tấm chắn để giữ nước chất lỏng trên đĩa 8 - Thành thá Hình 2.9: Sơđồđĩa chóp + Đĩa chụp hình chữ S 1. Chụp hình chữ S 2. Ống chảy chuyền Hình 2.10: Đĩa chụp hình chữ S Mức chất lỏng ở các đĩa được giữ nhờ tấm chắn, phần chất lỏng thừa qua tấm chắn sẽ theo ống chảy chuyền cho xuống dưới. Loại đĩa hình chữ S dùng cho các tháp làm việc ở áp suất không lớn (như áp suất khí quyển). Công suất của các đĩa cao, cao hơn loại đĩa lòng máng là 20%. 2 3 1 6 5 4 7 8 1 2
+ Đĩa chụp supap Van
Que kẹp
Van đóng Van mở một nửa Van mở hết
Hình 2.11: Đĩa chụp supap
Loại này có hiệu quả làm việc tốt, khi mà tải trọng thay đổi theo hơi và chất lỏng và phân loại này phân chia rất triệt để. Đĩa supap khác với các đĩa khác là làm việc trong chế độ thay đổi và có đặc tính động học. Sự hoạt động của van phụ thuộc vào trọng tải của hơi từ dưới lên trên, hay chất lỏng từ trên xuống.
Lớp chất lỏng một có chiều cao khoảng 25 ÷ 30mm. Giữở trên các đĩa, hơi qua các lỗ sàng 2, và làm sủi bọt qua lớp chất lỏng, lớp chất lỏng trên đĩa mà dư thì chảy theo ống chảy chuyền 3 xuống dưới. Loại đĩa này yêu cầu chế độ không đổi, vì khi giảm hiệu suất thiết bị sẽ làm giảm sự gặp nhau giữa dòng hơi và dòng lỏng, dò hết xuống, làm cho đĩa trơ ra, khi tăng công suất thì làm tăng dòng hơi gặp nhau và lượng lớn hơi, cấu tử nặng đi ra khỏi chất lỏng làm phá vỡ cân bằng trong tháp và làm giảm sự phân chia trong tháp. Nói chung có nhiều loại đĩa, nhưng được sử dụng phổ biến nhất là loại đĩa chụp hình máng, đĩa chụp hình chữ S, đĩa chụp tròn, đĩa supap.
2.6. ĐĨA CHƯNG CẤT 2.6.1. Khái niệm
Trong tháp chưng cất, người ta dùng các chướng ngại vật đặt trong tháp với mục đích: Dòng hơi bay lên từđáy, lần lượt gặp các chướng ngại vật, chúng sẽ trao đổi nhiệt nên càng lên cao, các dòng hơi còn có nhiệt độ giảm dần. Sự giảm nhiệt độ đó làm ngưng tụ bớt hơi của chất khó sôi (chất nặng hơn), nên khi dòng hơi lên đến đỉnh cột của tháp chưng cất thì nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ của đáy tháp và một
điều quan trọng nữa là do gặp chướng ngại vật mà hai dòng lỏng và hơi chuyển động ngược chiều nhau sẽ có thời gian và điều kiện tiếp xúc nhau tốt hơn để cho chúng trao
đổi chất với nhau tốt hơn (các cấu tử nhẹ sẽ hòa vào dòng hơi, ngược lại, các cấu tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nặng hơn sẽ tồn tại ở thể lỏng). Đĩa ngày càng nhiều lỏng hơn (do phần nặng của hơi
2
bị giữ lại và sự hồi lưu) nên chất lỏng tuần tự chảy từđĩa trên xuống đĩa dưới nhờ hệ
thống ống chảy chuyền, rõ ràng, càng chảy xuống đĩa dưới, nhiệt độ của chát lỏng càng tăng dần. Đó là mục đích của đĩa chưng cất trong quá trình chưng cất phân đoạn.
Đĩa chưng cất được định nghĩa như sau:
Một phần nằm ngang của cột chưng cất cho phép làm giàu chất dễ sôi theo đúng tỉ lệ
nhiệt động học giữa thành phần chất đó trong pha hơi và trong pha lỏng cân bằng với nhau là đĩa lý tưởng.
2.6.2. Các dạng đĩa
Trong tháp chưng cất, người tạo ra những chướng ngại vật bằng hai cách cơ
bản:
Cách thứ nhất: Người ta sắp xếp một cách có trật tự hoặc vô trật tự nhiều chi tiết nhỏ bằng sứ, kim loại,..., có cấu trúc hình học giống nhau nhưng rất đa dạng, kích thước của các chi tiết này thường chỉ tính bằng xăngtimet nhưng có mặt công. Một chi tiết nhỏ như vậy được gọi là một đệm. Sốđệm trong tháp chưng cất lên đến hàng vạn, chiếm toàn bộ mặt ngang của tháp. Lớp đệm phải có chiều cao đủ lớn nhưng không
được quá lớn vì nếu thế thì sẽ tạo trở lực quá lớn làm cho lỏng và hơi có xu hướng men theo thành tháp, nơi có trở lực bé hơn. Do đó mục đích của đĩa sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều. Người ta chia chúng thành nhiều lớp, mỗi lớp chỉ dày khoảng vài mét. Tháp
được sắp xếp như vậy được gọi là tháp đệm.
Cách thứ hai: Ngày nay, tháp đệm mất ưu thế vì sự ra đời của tháp đĩa, vì tháp
đĩa có nhiều tính năng vượt trội hơn. Cách này khá phức tạp nhưng phổ biến. Trong tháp, người ta dùng những tấm kim loại đặt năm ngang, trên đó có những chi tiết cơ
khí có cấu trúc đăc biệt, đảm bão cho pha hơi đi từ dưới duyên qua nó, tiêp xúc đều và
đủ lâu với pha lỏng chảy xuyên qua nó từ trên xuống hoặc chảy ngang qua nó rồi đi xuống.
Tấm kim loại đặc biệt này gọi là đĩa. Sốđĩa trong tháp chưng cất phụ thuộc vào nhiều yếu tô, chủ yếu là độ phân tách cần đạt được, bản chất nguyên liệu đầu vào, độ
hồi lưu, cấu trúc đĩa, .... sốđĩa có thể lên đến bốn, năm chục. Tháp có cấu trúc như vậy gọi là tháp đĩa.
Có nhiều kiểu đĩa, chúng ta tìm hiểu một số loại đĩa thông dụng nhất đó là: đĩa lưới đĩa van và đĩa chụp
2.6.2.1. Đĩa lưới
Đĩa này có cấu truc đơn giản nhất, dễ chế tạo nên rẻ tiền nhất nó đơn giản chỉ là một tấm kim loại trên đó có khoan nhiều lỗ tròn hoặc khoét nhiều khe hẹp. Kích thước các lỗ, các khe đó phụ thuộc vào độ nhớt, sức căng bề mặt của chất lỏng. Các lỗ có
đường kính 3 ÷ 12 cm, khoảng cách giữa các lỗ gấp 3,4, đến 4 lần đường kính lổ. Người ta thiết kế sao cho lớp chất lỏng trên đĩa có độ dày 25 đến 30 cm. Chất lỏng chảy xuống có thể qua ống chảy chuyền hoặc qua các lỗ này.
2.6.2.2. Đĩa van
Có ít nhất 3 loại đĩa van gồm đĩa van L, đĩa van tròn và đĩa van Ballast. Chúng
được thiết kế gần tương tự như nhau nhưng mỗi loại có ưu điểm riêng nhất định. Chúng là các đĩa có dòng chảy ngang với các lỗ có kích thước, được che bằng các tấm phẳng.
- Ở đĩa van L, tấm chử L một bên nặng và một bên nhẹ. Khi tốc độ dòng hơi nhỏ
thì chỉ có bên nhẹ được nâng lên. Còn khi tốc độ dòng hơi tăng thì toàn bộ tấm kim loại được nâng lên. Khi tốc độ dòng hơi đủ lớn để nâng tấm kim loại L tới giới hạn của chúng thì đĩa van có chức năng cần thiết nhưđĩa xuyên lỗ.
- Ởđĩa van tròn, độ mở và tấm van là hình tròn, thường các tấm van (hay còn gọi là nắp) có đường kính 5 ÷ 15 cm được bố trí ba điểm trên hình tam giác. Để tránh sự
phân bố không đều của dòng hơi khi vận tốc nhỏ qua các đĩa lắp ráp chưđạt yêu cầu, người ta lắp xem kẽ các nắp có trọng lượng khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Đĩa Ballast có cấu tạo như đĩa van tronfnhwng phức tạp hơn,các nắp không những có trọng lượng khác nhau mà còn được bố trí trên đĩa ở những độ cao khác nhau so với mặt đĩa. Điều này tạo lợi thế cho đĩa trong mọi trường hợp khi tốc độ dòng hơi thay đổi.
2.6.2.3. Đĩa chụp
Thường là một tấm kim loại mang những ống hơi và được bao băng các chụp.