khoảng chừng 1/10-2/10 mm. Các loại vật liệu thường được dùng là thép thông thường, thép hợp kim có 11-13 % Cr, các loại thép không bị oxy hóa có Ni, Cr (304, 316 316 Ti…); Hợp kim monel cũng được dùng trong vài trường hợp đặc biệt, khi có mặt các ion Clorua trong môi trường a xít thì không được phép dùng các hợp kim không bị oxi hóa cổ điển.
2.4.1 Các khái niệm về hiệu suất, công suất và độ uyển chuyển của các bộ phận cấu tạo bên trong tháp trong tháp
2.4.1.1 Hiệu suất
Đối với tháp đĩa, quá trình truyền khối xảy ra trong vùng được xác định rõ ràng. Ở đây, người ta có thể như là hiệu suất đĩa, khi so sánh với quá trình truyền khối xảy ra trên đĩa thực tế và trên đĩa lý thuyết, cho phép tạo thành các pha ở trạng thái cân bằng. Hiệu suất này thường phụ thuộc vào cấu trúc hình học của đĩa, đối với các tháp đã được thiết kế, nó còn phụ thuộc vào loại nguyên liệu xử lý và các thông số vận hành.
Các tháp có cấu tạo đệm bên trong không cho phép đa dạng hóa vùng phân tách như đối với loại đĩa. Thông thường, lớp đệm giống như một lớp tiếp xúc liên tục đặt giữa 2 điểm nạp liệu, hay 2 dòng trích ngang trong tháp. Như vậy, chỉ có thể biết được số bậc lý thuyết dựa vào chiều cao của tầng tiếp xúc đã cho. Việc xác định hiệu suất trong trường hợp này dựa vào tí số giữa số đĩa lý thuyết và chiều cao của tầng đệm, được gọi là ‘chiều cao tương đương với một đĩa lý thuyết’ (HETP).
Trong tất cả các trường hợp, đặc biết đối với đệm, cần phải tính đến chiều cao lý thuyết trong vùng phân tách, khoảng cách cần thiết để lắp đặt các thiết bị nạp liệu (ống, vách chảy chuyền, vùng phun sương hay đĩa phân phối…) và các bộ phận phụ như đĩa góp, bệ đỡ…
2.4.1.2 Công suất
Công suất của một thiết bị phân tách thể hiện bởi lưu lượng lớn nhất có thể xử lý được mà không giảm đảng kể hiệu suất, không gây hiện tượng ngập và không tăng tổn thất áp suất. Ngoài ra, cần lưu ý đến khả năng cuốn theo lỏng trong dòng khí ở đinh tháp.
Việc đánh giá công suất của thiết bị thường dựa vào việc tính toán tỉ số ngập lụt lý thuyết có sử dụng hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào các nhà thiết kế hay nhà sản xuất thiết bị đó.Theo kinh nghiệm, độ ngập lụt thường nằm trong khoảng giới hạn từ 50 đến 100%
2.4.1.3 Độ uyển chuyển
Độ uyển chuyển hay độ mềm dẻo thể hiện sự vận hành tối thiểu có thể mà không làm giảm hiệu suất, không tạo ra sự vận hành mất ổn định. Đây là tiêu chí rất quan trọng trong việc xác định các thiết bị mà không hoạt động thường xuyên ở công suất tối đa. Giai đoạn khởi động thường ở chế độ giảm nguyên liệu. Chất lượng dầu thô xử lý không cố định, từ đó ảnh hưởng đến việc vận hành tháp chưng cất khí quyển, dẫn đến việc thay đổi điều kiện vận hành của các phân xưởng khác. Độ uyển chuyển được biễu diễn bằng % công suất tối đa (50%, 40%) hay dưới dạng tỉ số ( 1-2, 1-3)
2.4.2 Các bộ phận cấu tạo bên trong tháp
Hai loại cấu tạo quan trọng bên trong tháp phân đoạn là đệm và đĩa. 2.4.2.1 Đĩa
Trong suốt một thời gian dài xuất phát từ khởi điểm của ngành công nghiệp lọc dầu cho đến cuối những năm 1970, đĩa là cấu tạo bên trong duy nhất được thiết kế cho tháp chưng cất. Hoạt động của đĩa dựa trên nguyên tắc thực hiện tiếp xúc giữa dòng hơi đi lên phía đỉnh tháp với pha lỏng nằm ở bề mặt khu vực hoạt động của đĩa.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 53
a.Các loại đĩa
Tùy theo sự lưu thông của các pha, ta phân biệt 3 nhóm đĩa chính: • đĩa loại chảy ngược dòng
• đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy màng
• đĩa loại chảy chéo dòng có ống chảy chuyền, được sử dụng rộng rãi nhất.
Đĩa loại chảy ngược dòng
Các đĩa loại này không có ống chảy chuyền, trong đó sự lưu thông của các dòng được thực hiện ngược dòng, tương đối ít được dùng. Nguyên lý hoạt động của chúng là: lỏng và hơi lần lượt xen kẽ đi qua các lỗ đục trong khu vực hoạt động của đĩa. Các loại đĩa lỗ đục như vậy có thể có hiệu suất rất tốt khi hoạt động ở năng suất thiết kế nhưng có độ linh động rất nhỏ (khi hoạt động không đúng với năng suất thiết kế)
- Ở chế độ nguyên liệu ít (lưu lượng hơi nhỏ), tất cả lỏng có xu hướng chảy trực tiếp qua lỗ đục mà không lưu lại trên bề mặt của đĩa, điều này làm giảm thời gian tiếp xúc giữa các pha và do đó tác hại đến hiệu suất đĩa.
- Ở chế độ nguyên liệu nhiều (lưu lượng hơi lớn), lỏng có mặt ở bề mặt đĩa bị thổi đi và không thể chảy qua lỗ đục được nữa, điều này được thể hiện bởi hiện tượng ngập lụt tháp.
Các đĩa loại chảy ngược dòng bị chỉ được trang bị cho các tháp có đường kính tương đối nhỏ (<1,8m) do các nguy cơ bất ổn định liên quan đến sự phân bố lỏng trên bề mặt đĩa kém.
Đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy màng
Các đĩa vách ngăn cực kỳ đơn giản, được dành cho các trường hợp nguyên liệu rất bẩn, dễ đóng cặn và cho phép làm việc với lưu lượng lớn.
Quá trình tiếp xúc pha là nhờ sự đi lên của pha hơi qua giữa một màng chất lỏng chảy xuống từ vách ngăn góp. Tùy theo hình dạng của vách ngăn, màng lỏng có thể là mặt phẳng thẳng đứng hoặc là hình trụ.
Hiệu suất của các đĩa loại này rất kém (khoảng 15%-50% hiệu suất của đĩa có ống chảy chuyền cổ điển) vì tác dụng tương hỗ giữa pha lỏng và hơi giảm.
Đĩa có ống chảy chuyền
Trong các đĩa kiểu cổ điển có trang bị ống chảy chuyền, sự tiếp xúc được thực hiện chéo dòng giữa lỏng chuyển động ngang qua bề mặt khu vực hoạt động và hơi đi từ dưới lên xuyên qua các lỗ đĩa. Lỏng sau khi được tiếp xúc với hơi sẽ chảy xuống ống chảy chuyền, ống này có hai chức năng:
- Bảo đảm sự giải phóng pha hơi tiếp tục di chuyển lên đĩa phía trên, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hướng pha lỏng xuống đĩa phía dưới và bảo đảm nhập liệu đều đặn cho đĩa tiếp sau.
Ống chảy chuyền cắm xuống gần sát đĩa phía dưới, sao cho ngăn cản hơi đi vào trong ống sẽ dẫn đến sự tạo nhũ tương gây tắc nghẽn ống chảy chuyền. Các ống chảy chuyền được lắp đặt để giảm chiều cao chất lỏng và bảo đảm công suất tối đa. Trong trường hợp tháp làm việc ở áp suất cao và các tháp hấp thụ, các ống chảy chuyền có kích thước lớn vì lưu lượng lỏng lớn. Độ cao của đầu vào của ống chảy chuyền bảo đảm mực chất lỏng trên đĩa, nhờ vậy cho phép sự tiếp xúc tốt giữa pha lỏng và pha khí trên đĩa.
Có 3 loại đĩa có ống chảy chuyền: * Đĩa chóp (Ảnh 2.1)
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 54
Ảnh 2.1 Đĩa chóp
Trong các đĩa này, các ống hơi được cố định trên khu vực hoạt động. Phía trên mỗi ống hơi được phủ một chóp mà thân chóp chìm trong lỏng. Điều này khiến cho hơi đi qua đĩa phải sục vào trong lỏng. Sự tiếp xúc này được bảo đảm bởi chiều cao của miệng ống chảy chuyền phía trên so với chân của thân chóp. Ngay cả chân chóp cũng ở dưới miệng của ống hơi. Việc thiết kế như vậy cho phép bảo đảm sự tiếp xúc lỏng hơi ngay cả khi lưu lượng hơi nhỏ và hệ kín giữa các ống hơi và khu vực hoạt động của đĩa cho phép làm việc với lưu lượng lỏng thấp.
Các đĩa loại này được ưa chuộng vì có độ linh động lớn cho phép sử dụng không gặp phải rủi ro. Tuy nhiên, do có cấu trúc ống hơi-chóp, nên khu vực hoạt động khá cồng kềnh dẫn đến khả năng giảm công suất do phải tăng vận tốc dòng khi đi qua bề mặt đĩa. Hơn nữa, độ phức tạp của khu vực hoạt động này làm cho giá cả chế tạo cao hơn nhiều so với các loại đĩa cổ điển (mắc hơn 70-100%, song vẫn rẻ hơn đĩa đệm cấu trúc). Do vậy ngày nay các đĩa chóp chỉ được dành riêng sử dụng cho các khu vực rất đặc biệt mà luôn cần phải bảo đảm được tính thường xuyên của quá trình tiếp xúc lỏng-hơi.
* Đĩa đục lỗ (ảnh 2.2)
Ảnh 2.2 Đĩa đục lỗ
Đĩa là 1 tập hợp các lỗ đục ở khu vực hoạt động. Nó là loại đơn giản nhất, dễ làm sạch nhất, đồng thời cũng là loại rẻ nhất. Tuy nhiên, độ linh động của nó lại rất thấp ,do dễ bị rò chất lỏng qua các lỗ, dẫn đến sự ngập lụt nhất là khi lưu lượng hơi giảm. Hơn nữa, hướng vận tốc của dòng hơi đi lên thằng nên dễ kéo theo lỏng hơn so với các loai đĩa có ống chảy chuyền khác. Ngày nay chúng ta gặp các đĩa này trong các công đoạn không yêu cầu độ linh động cao.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 55
* Đĩa van (ảnh 2.3)
Đĩa có cấu tạo nhằm giữ cho được các ưu điểm của đĩa đục lỗ, đặc biệt ưu điểm có năng suất cao và hiệu quả tốt, đồng thời khắc phục tính linh động kém của đĩa đục lỗ. Đĩa này có các bộ phận làm bít các lỗ khi lưu lượng hơi không còn đủ để tránh khỏi hiện tượng rò rỉ lỏng qua lỗ ở chế độ thấp. Có 2 loại đĩa van:
- Đĩa van có chân: sự di chuyển của chúng bị khống chế, giới hạn bởi các vấu hay bởi hình dạng mấu, móc ở rìa các chân nằm trong lỗ. Đĩa chỉ có một chi tiết lắp trên mỗi lỗ, điều này khiến giá thành giảm. (Ảnh 2.4)
- Đĩa van có hộp: ở đó nắp lỗ chỉ di chuyển được ở bên trong 1 cái hộp được bắt cố định. Nó có ưu điểm hơn vì hạn chế được sự ma sát của các chi tiết (chân hay vấu ma sát với lỗ đĩa) nhờ vậy tránh được sự biến dạng của lỗ (ảnh 2.4) nhưng giá thành đắt hơn loại có chân do có 2 chi tiết cần lắp ráp. Để giảm tổn that áp suất của pha hơi khi đi qua bề mặt đĩa, các nhà thiết kế đề nghị lắp thêm ‘venturi’.Giải pháp này khá hiệu quả, nhưng gây ra giảm nhẹ hiệu suất đĩa và tăng chi phí đĩa. Với năng suất như nhau, các đĩa van thường có giá đắt hơn 20-50% so với đĩa đục lỗ.
Ảnh 2.3 Đĩa van
Ảnh 2.4 Đĩa van có chân (bên trái) và đĩa van hôp (bên phải) b. Hiệu quả của đĩa
Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất làm việc của đĩa, bao gồm:
- Đường kính tháp: công suất đĩa tỉ lệ thuận với bề mặt ngang của tháp
- Khoảng cách giưã các đĩa: công suất tăng theo khoảng cách giữa các đĩa. Độ tăng này không đáng kề khi khoảng cách > 1,2 m và trong thực tế, khoảng cách giữa các đĩa từ 0,35 đến 0,6m. Thông thường, người ta tránh thiết kế khoảng cách các đĩa nhỏ để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và kiểm tra thiết bị.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 56 - Số passe (số dòng chảy): khi lưu lượng lỏng lớn thì cần quan tâm đến số dòng chảy. Công suât xử lý hơi giảm khi nguyên liệu lỏng trên đĩa tăng. Việc sử dụng nhiều dòng chảy chỉ được xem xét khi đường kính tháp lớn, để tránh việc giảm chiều dài dòng chảy có thể gây ra hiện tượng giảm đột ngột hiệu suất đĩa. Trong thực tế, người ta thường dùng số passe là 1 2 hay 3 và tránh dùng số passé là 3 vì việc thiết kế không đối xứng và sự vận hành không ổn định. Để làm việc ở công suất lớn, người ta dùng loại đĩa nhiều ống chảy chuyền loại chéo dòng, kết hợp với việc đục các lỗ nhỏ, cho phép tăng công suất lên 20 đến 40%. Tuy nhiên, các đĩa loại này có hiệu suất đĩa giảm, được bù vào khả năng lắp đặt số đĩa lớn hơn trong cùng một diện tích.
Tóm lại, việc tăng số passé dẫn đến làm giảm độ ổn định hoạt động ở lưu lượng thấp. Đây là điểm hạn chế độ linh động của đĩa trong khi độ ngập lụt vẫn trong khoảng cho phép. Việc giảm độ ổn định của tháp dẫn đến giảm hiệu suất đĩa, hậu quả là có vùng khộng hoạt động khi đi từ passé này sang passé khác ở chế độ thấp, áp suất hơi không đủ để bù lại tổn thất áp suất do lớp chất lỏng không ờ dạng nhũ tương trên bề mặt của đĩa
- Đường kính lỗ: có thể tăng công suất của đĩa lỗ với các lỗ có đường kính nhỏ (<6mm). Điều này làm giảm tổn thất áp suất pha hơi nhưng làm giảm nhẹ hiệu suật đĩa. Khả năng bị ăn mòn và đóng cặn có nguy cơ tăng tùy vào loại lưu chất.
Như vậy, các tác động làm thay đổi cấu trúc hình học như thay đổi kiểu đĩa hay tăng số passé chỉ có thể thực hiện trên các đĩa mà thiết kế đã được tối ưu. Sự cân đối giữa diện tích bề mặt hoạt động và ống chảy chuyền cũng như giữa diện tích lối vào và ra của các ống chảy chuyền phải được tuân thủ.
Xu hướng hiện nay là phải tận dụng tối đa các khoảng trống của vật liệu, đặc biệt là thiết kế các khu vực hoạt động ở tại các bề mặt lớn nhất và tối đa hóa năng suất của khu vực hoạt động này bằng cách cải thiện lưu thông lỏng và phân phối dòng hơi (hình 2.31). Việc phát triển như vậy sẽ không làm thay đổi sự hoạt động chung của đĩa, nhưng phải chú ý đến ảnh hưởng của nó đến các tính năng khác như là hiệu suất, độ linh động và sự ổn định làm việc của tháp.
Hình 2.31 So sánh hoạt động của đĩa cổ đĩa (bên trái) và đĩa có công suất cao (bên phải)
2.4.2.2 Đệm
Đệm được chú ý nghiên cứu và phát triển trọng công nghiệp lọc dầu từ cuối những năm 70. Cùng với sự giảm dần nhu cầu về nhiên liệu nặng, để nhằm mục đích gia tăng nguyên liệu cho công đoạn FCC (tức là làm sao thu được tối đa lượng DSV và giảm tối thiểu lượng RSV), đồng thời phải bảo đảm chất lượng phân tách của chưng cất chân không để không làm ngộ độc xúc tác của quá trình cracking. Nhiệt độ ở vùng nhập liệu của các tháp chưng cất chân không càng thấp càng tốt để tránh bị phân hủy nhiệt của nguyên liệu. Do vậy phải giảm áp suất làm việc để tăng tỉ số bốc hơi trong vùng nhập liệu. Muốn vậy phải giảm áp suất đỉnh tháp nhờ hệ thống thiết bị tạo chân không đỉnh. Tuy nhiên khi áp suất đỉnh quá thấp thì lại khó ngưng tụ sản phẩm đỉnh, do vậy áp suất đỉnh
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 57 thấp nhất phải được giới hạn tới 10mmHg (0,013 at). Do vậy, muốn áp suất trong vùng nhập liệu thấp thì biện pháp còn lại là phải làm giảm tổn thất áp suất ngay trong chính tháp chưng cất.
Phương án tốt nhất để giảm tổn thất áp suất bên trong tháp là hạn chế tối đa việc lắp đặt các bộ phận không thật cần thiết bên trong tháp. Cấu hình đĩa trong thực tế gây tổn thất áp suất khá lớn trong khi đệm lại hạn chế được nhiều sự mất mát áp suất. Do vậy, ngày nay đệm là cấu hình trao đổi pha hay được sử dụng nhất, nhằm mục đích tăng bề mặt trao đổi giữa pha lỏng và pha khí (tức là sẽ nâng cao được hiệu quả trao đổi pha) và giảm được tổn thất áp suất bên trong tháp. So với các loại tháp khác, độ linh động trong tháp đệm là hợp lý. Tuy nhiên giá thành của đệm lại là cao nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đệm làm việc chỉ có hiệu quả trong phạm vi giữa lượng nguyên liệu tối thiểu và tối đa (độ linh động nằm giữa 2 giá trị này)
- Lượng nguyên liệu tối thiểu. Nếu dưới giá trị này hiệu suất sẽ giảm, vì sự chảy rối yếu sẽ