2.2.2.1. Cụm thiết bị của tháp chưng cất 1: bao gồm các thiết bị: tháp
chưng cất 5, thiết bị ngưng tụ 4a, thiết bị tách khí 3a.
Dịng condensate nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng – sơi sau khi được gia nhiệt tại lị 2a, trong tháp diễn ra quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa dịng lỏng và dịng hơi hay cách khác đĩ là quá trình phân đoạn theo nhiệt độ (tăng dần từ đỉnh tháp xuống đáy) nhờ sự bay hơi tương đối của các cấu tử.
Quá trình phân đoạn trong tháp 5 cho:
Sản phẩm đỉnh là các hydrocacon nhẹ (C3,C4 và khí khơng ngưng) được ngưng tụ tại 4a sau đĩ vào 3a. Tại 3a, khí khơng ngưng được tách ra, cịn lại là sản phẩm xăng nhẹ một phần được bơm hồn lưu trở lại tháp, một phần dồn về bồn chứa.
Sản phẩm đáy là các hydrocacbon nặng (C5 trở lên) được dồn vào lị đốt 2b, tại đây dịng condensate tiếp tục được gia nhiệt, một phần bốc hơi quay trở lại tháp để tạo dịng hơi đi trong tháp.
Sơ đồ nguyên lý của tháp chưng cất sơ bộ được thể hiện trên hình (2.3):
3a 4a 5 4 5 20 21 2b 1d 6 7 7 7 8 9 GF, TF Ghl GD, TD Gn Gn Gkn Gkn1 Gkn2 Xăng nhẹ
Khí khơng ngưng Hơi xăng nheï
Sản phẩm đáy GW, TW
Sơ đồ khối cụm tháp chưng cất 1 được trình bày trên hình 2.4: Từ lị đốt 2a G ,T F hl G Đến bồn chứa 1d F Đến lị đốt 2b W W G ,T 4 n G 21 4a 5 5 4 6 3a 7 G ,T D D G n 20 25G kn Hình 2.4. Sơ đồ khối cụm tháp 1
Nhiệm vụ của tháp chưng cất sơ bộ là tách được hydrocacbon nhẹ trong dịng nhập liệu để tránh ảnh hưởng hoạt động của cụm tháp 2. Cho nên cĩ thể đặt ra nhiệm vụ tối ưu cụm tháp 1 là tối đa khả năng tách của tháp với tiêu hao năng lượng thấp nhất và lưu lượng nhập liệu cĩ giới hạn. Điều này cho thấy nồng độ sản phẩm đỉnh tháp 1 phải được ổn định. Ngồi ra cịn phải đảm bảo các cân bằng vật chất và năng lượng trong tháp.
Do đối tượng là tháp chưng cất và dung dịch đang xét là hỗn hợp đa cấu tử cho nên làm tăng tính phức tạp khi xét phương trình tĩnh của tháp.
Các phương trình cơ bản của tháp: Cân bằng vật chất:
WD D
F G G
G = + (2.1) Cân bằng vật chất theo cấu tử:
Wi W Di D Fi Fx G x G x G = + (2.2)
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
q ) t (t C G r V V n R n n n 1 1 = − + (2.3)
Cân bằng vật chất theo pha lỏng ở đáy tháp: W e t th (L R ) G dt dL S = + − (2.4)
Cân bằng vật chất theo pha khí:
) G G G f(V dt dP hl D kn 1 th = − − − (2.5) Với:
S: tiết diện ngang của tháp.
Lt: lưu lượng dịng lỏng xuống đáy từ dịng nhập liệu. Re: lưu lượng dịng lỏng xuống đáy từ dịng hồn lưu Vf: lưu lượng hơi bốc lên từ đáy tháp.
GW: lưu lượng dịng lỏng vào lị hơi GF: lưu lượng dịng nhập liệu. GD: lưu lượng dịng sản phẩm đỉnh.
Gkn: lưu lượng khí khơng ngưng tổng cộng.
Gkn1: lưu lượng khí khơng ngưng của thiết bị ngưng tụ.
Gkn2: lưu lượng khí khơng ngưng của thiết bị tách pha.
Glh: lưu lượng hỗn hợp lỏng hơi ra khỏi thiết bị ngưng tụ. Gl: lưu lượng xăng nhẹ đã tách khí khơng ngưng.
xFi, xDi, xWi: nồng độ phân mol của cấu tử i trong dịng nhập liệu, dịng sản phẩm đỉnh, dịng sản phẩm đáy.
Gn: lưu lượng nước lạnh.
Cn: nhiệt dung riêng đẳng áp của nước.
V1: lưu lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ. q: nhiệt lượng bị mất mát.
Ltl: mực chất lỏng thiết bị tách pha. Lth: mực chất lỏng đáy tháp.
Ta cĩ thể chia ra thành các nhiễu cơ bản, tác động điều chỉnh và đại lượng đầu ra sau:
- Nhiễu cơ bản:
• Lưu lượng, thành phần và nhiệt độ dịng condensate nguyên liệu: GF, xF, TF.
• Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước Cn.
• Sự mất mát nhiệt vào mơi trường.
Trong các nhiễu trên thì nhiễu cĩ thể ổn định được chỉ là nhiệt độ nhập liệu TF, lưu lượng nạp liệu GF, thành phần nạp liệu ít khi kiểm sốt và ở đây thành phần condensate được sử dụng tính tốn là condensate cĩ nguồn gốc từ Lan Tây cho nên ta xem như là ổn định. Các nhiễu cịn lại khơng kiểm sốt được.
Trong chưng cất đa cấu tử yếu tố nồng độ khơng được xét đến, chưng cất ở đây được hiểu là phân đoạn sản phẩm, nhiệt độ phân đoạn được xác định từ đường cong TBP, ứng với phần trăm thể tích cần tách ta tra được nhiệt độ cần phải đạt được. Do đĩ nồng độ sản phẩm ở đây được xét gián tiếp qua nhiệt độ. (theo như tính tốn trong tài liệu [1]).
- Tác động điều chỉnh:
• Lưu lượng nước lạnh Gn.
• Lưu lượng dịng hồn lưu Ghl.
• Lưu lượng sản phẩm đáy GW.
- Các đại lượng đầu ra:
• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh TD.
• Mức chất lỏng trong tháp Lth.
• Áp suất trong tháp Pth.
Ta cĩ thể đưa ra sơ đồ cấu trúc của cụm tháp chưng 1 như hình 2.5:
th L kn G G F G n W G hl G Cụm tháp 1 T x F F C n P T th D q
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc cụm tháp chưng cất 1.
Xét các đại lượng đầu ra:
- Aùp suất trong tháp: Cần duy trì ở 4atm
Aùp suất trong tháp hình thành bởi dịng lỏng và dịng hơi trong tháp trong đĩ ảnh hưởng của dịng hơi là chủ yếu, thơng số áp suất cĩ thể coi là thơng số cĩ ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình chưng cất bởi lẽ nĩ quyết định nhiệt độ chưng cất của hỗn hợp, khả năng phân đoạn của các cấu tử trong hỗn hợp. Do đĩ, thơng số này cần phải được ổn định và duy trì.
Việc ổn định áp suất trong tháp này thơng qua việc thay đổi:
• Lưu lượng dịng hơi bốc lên từ đáy tháp thơng qua việc thay đổi lưu lượng khí đốt vào lị đốt 2b.
• Lưu lượng của nước làm mát tại 4a và độ mở van xả khí khơng ngưng. Ta nhận thấy phương án này cĩ hiệu quả hơn so với phương án trên bởi mục tiêu ở đây là ổn định dịng sản phẩm đỉnh đi ra.
Sơ đồ cấu trúc cho áp suất trong tháp thể hiện trên hình 2.6:
th P n kn G G Cụm tháp 1 th P n G Cụm tháp 1
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc cho áp suất tháp 5.
- Nhiệt độ trong tháp: Nhiệt độ đỉnh T =1200C Nhiệt độ đáy T =1950C
Theo như trình bày ở trên ta nhận thấy thơng số nhiệt độ cĩ liên quan đến nồng độ sản phẩm, nĩ quyết định đến khả năng phân đoạn của tháp cho nên cần phải ổn định nhiệt độ này.
Việc ổn định nhiệt độ trong tháp thơng qua:
• Thay đổi nhiệt lượng cung cấp vào đáy tháp thơng qua việc thay đổi lượng khí đốt vào lị đốt 2b.
• Thay đổi lượng hồn lưu vào tháp (hồn lưu dưới điểm sơi). Phương án này cĩ hiệu quả vì lưu lượng dịng hồn lưu là thơng số ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ sản phẩm đỉnh.
T D D D T hl h G G G hl Cụm tháp 1 Cụm tháp 1
Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc cho nhiệt độ đỉnh tháp 5.
- Mức chất lỏng trong tháp:
Mực chất lỏng trong tháp quyết định bởi dịng lỏng trong tháp, dịng lỏng được tạo thành từ hai dịng:
• Dịng nhập liệu: từ vị trí mâm nhập liệu chảy xuống.
• Dịng hồn lưu: từ mâm đầu tiên của phần cất chảy xuống (hồn lưu tại đỉnh).
Mực chất lỏng trong tháp cĩ ổn định thì mới đảm bảo cân bằng vật chất trong tháp, khi đĩ dịng hơi và dịng lỏng ổn định và làm việc liên tục. Đặc biệt, mức chất lỏng cịn duy trì dịng sản phẩm đáy vào lị đốt 2b.
Nếu mực chất lỏng thấp thì sự sơi diễn ra ở vị trí thấp, khơng sử dụng hết diện tích truyền nhiệt, cĩ thể gây cháy ống truyền nhiệt.
Nếu mực chất lỏng quá cao sẽ làm giảm khơng gian bốc hơi, tắt nghẽn ống hơi từ nồi đun vào tháp, gây ra hiện tượng ngập lụt.
Do đĩ, mực chất lỏng cũng phải ổn định để tháp hoạt động tốt. Việc ổn định mức chất lỏng trong tháp thơng qua việc thay đổi:
• Lưu lượng dịng nhập liệu, lưu lượng dịng hồn lưu. Ta nhận thấy phương án này cĩ độ trễ lớn, việc thay đổi này cịn ảnh hưởng đến cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng trong tháp.
• Lưu lượng dịng sản phẩm đáy, phương án này cĩ hiệu quả hơn hết vì độ trễ nhỏ và ngồi việc ổn định mức chất lỏng nĩ cịn ổn định dịng sản phẩm đáy vào lị đốt 2b.
Sơ đồ cấu trúc cho mực chất lỏng đáy tháp thể hiện trên hình 2.8:
L L L th th Cụm tháp 1 W W hl G G G G F Cụm tháp 1
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc cho mực chất lỏng tháp 5.
Trong cụm tháp 1 cịn một thiết bị phụ là thiết bị tách pha 3a. Thiết bị 3a hoạt động dựa trên nguyên tắc lắng, phân tầng hỗn hợp dị thể ban đầu dựa vào sự sai khác khối lượng riêng các thành phần của nĩ. Thiết bị được đặt nằm ngang để tăng thời gian lưu, hiệu suất phân tầng cao, bề mặt tách pha lớn.
Thời gian lưu của xăng nhẹ trong thiết bị 3a là 5 phút [1]. Để đảm bảo cho thiết bị hoạt động ổn định thì mực chất lỏng phải được ổn định. Do đĩ trong thiết bị cĩ thêm một gờ chảy tràn để duy trì mực chất lỏng và đảm bảo thời gian lưu của các dịng lưu chất.
2.2.2.2. Cụm thiết bị của tháp chưng cất 2:
Dịng condensate sau khi gia nhiệt tại lị 2b được đưa vào tháp 2 thực hiện quá trình phân đoạn sau cùng để tạo các sản phẩm:
− Sản phẩm đỉnh là xăng nặng.
− Sản phẩm trích ngang là kerozene.
− Sản phẩm đáy là dầu DO.
Các thiết bị trong cụm tháp 2 cũng giống như trong cụm tháp 1 nhưng cĩ thêm thiết bị cột nhả 7 để trích ngang sản phẩm kerozene.
6 7 7 9 19 12 13 18 GF, TF GW, TW Sản phẩm đáy tháp 2 (Dầu DO) 14 24 Gn 23 22 4b Gn Hơi xăng nặngï 10 Khí khơng ngưng 23 9 11 3b Gkn 12 Xăng nặngï 1e GD, TD Sản phẩm kerozene 15 GK, TK Sản phẩm đáy tháp 1
Hình2.9. Sơ đồ nguyên lý cụm tháp chưng cất 2.
Sơ đồ khối của cụm tháp 2 được trình bày trên hình 2.10:
Đến thiết bị gia nhiệt 8b Đến thiết bị gia nhiệt 8a G ,r hke hke 9 6 G ,T F F Từ lị đốt 2b 14 15 19 7 G ,T K K G n 24 Đến tháp giải nhiệt G hl Đến bồn chứa 1e D G ,T D 11 4b 3b 12 10 G G ,T W W 13 23 n 22 kn G
Cĩ thể nĩi hiệu quả của quá trình cĩ cao hay khơng, chất lượng từng sản phẩm ra cĩ ổn định khơng là phụ thuộc rất nhiều vào quá trình phân đoạn trong cụm tháp 2.
Và mục tiêu chính ở đây là ổn định chất lượng các sản phẩm đầu ra (xăng nặng, kezosene, dầu DO) .
Khi phân tích đặc tính tĩnh của cụm tháp 2 cũng giống như cụm tháp 1, chỉ khác là ở cụm tháp 2 cĩ thêm phần trích ngang sản phẩm kerozene do đĩ ở đại lượng đầu ra ta cần xét thêm nhiệt độ của dịng kerozene TK. Cịn dịng sản phẩm dầu DO khơng cần xét đến vì khi ổn định được 2 dịng sản phẩm chính thì dịng DO cũng được ổn định. Tháp 6 khác tháp 5 ở một điểm nữa là dùng hơi nước quá nhiệt sục trực tiếp vào tháp do đĩ khi tính tốn cân bằng vật chất phải xét thêm dịng hơi này. Cân bằng vật chất: K W D h F G G G G G + = + + (2.6)
Cân bằng vật chất theo cấu tử:
Ki k Wi W Di D Fi Fx G x G x G x G = + + (2.7)
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
) T (T C G r V V n R n n n 1 1 = − (2.8) Cân bằng vật chất ở đáy tháp: W e t R ) G (L dt dL S = + − (2.9)
Cân bằng áp suất phần trên của tháp:
) G G G f(V dt dP hl D kn 1 − − − = (2.10) Cân bằng vật chất ở cột nhả: K h 1 hke 1 G V G S + = + (2.11)
Cân bằng nhiệt ở cột nhả: m K K h 1 h 1 hke hke 1 S 1r G r V r G r q S + = + + (2.12) Với:
S: tiết diện ngang của tháp.
Lt: lưu lượng dịng lỏng xuống đáy từ dịng nhập liệu Re: lưu lượng dịng lỏng xuống đáy từ dịng hồn lưu GW: lưu lượng dịng lỏng vào lị hơi
GF: lưu lượng dịng nhập liệu. GD: lưu lượng dịng sản phẩm đỉnh. Gh: lưu lượng hơi quá nhiệt đi vào tháp. GK: lưu lượng dịng sản phẩm kerozene. Ghl: lưu lượng dịng hồn lưu.
Gkn: lưu lượng khí khơng ngưng.
S1: lưu lượng hơi sản phẩm đi vào cột nhả. Ghke: lưu lượng hơi quá nhiệt sục vào cột nhả. P: áp suất đỉnh tháp.
xFi, xDi, xWi, xKi: nồng độ phân mol của cấu tử i trong dịng nhập liệu, dịng sản phẩm đỉnh, dịng sản phẩm đáy, dịng sản phẩm trích ngang kerozene.
Gn: lưu lượng nước lạnh.
Cn: nhiệt dung riêng đẳng áp của nước.
TnV, TnR: nhiệt độ vào và ra thiết bị ngưng tụ của dịng nước. V1: lưu lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ.
rS1, rV1h, rK, rhke: ẩn nhiệt ngưng tụ của dịng hơi sản phẩm và dịng hơi bốc lên, dịng kerozene, dịng hơi sục.
qm: lượng nhiệt mất mát vào mơi trường.
Ta cĩ thể chia ra thành các nhiễu cơ bản, tác động điều chỉnh và đại lượng đầu ra sau:
− Nhiễu cơ bản:
• Lưu lượng, thành phần và nhiệt độ dịng nhập liệu: GF, xF, TF.
• Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước Cn.
• Sự mất mát nhiệt vào mơi trường qm.
Trong các nhiễu trên thì nhiễu cĩ thể ổn định được chỉ là nhiệt độ nhập liệu TF, lưu lượng nạp liệu GF, thành phần nạp liệu ít khi kiểm sốt và ở đây thành phần sản phẩm đáy tháp 5 là dịng condensate đã loại bỏ xăng nhẹ, nếu tháp 5 sản phẩm đỉnh đã ổn định được thành phần và thành phần dịng condensate nguyên liệu xem như ổn định thì thành phần sản phẩm đáy tháp 5 cũng xem như ổn định. Các nhiễu cịn lại khơng kiểm sốt được.
− Tác động điều chỉnh:
• Lưu lượng nước lạnh Gn.
• Lưu lượng dịng hồn lưu Ghl.
• Lưu lượng sản phẩm đáy GW.
• Lưu lượng hơi quá nhiệt vào cột nhả Ghke.
• Lưu lượng khí khơng ngưng Gkn.
• Lưu lượng hơi đốt sục vào tháp Gh.
− Các đại lượng đầu ra:
• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh TD.
• Mức chất lỏng trong tháp Lth • Áp suất trong tháp Pth
Ta cĩ thể đưa ra sơ đồ cấu trúc của cụm tháp chưng 2 như hình 9:
G G G G G G G Cụm tháp 2 hke h W kn hl n K T D P th L th T x F F G T C F n q
Xét các đại lượng đầu ra:
− Aùp suất trong tháp: Cần duy trì ở 1 atm
Cũng giống như trong tháp 5, áp suất trong tháp 6 cũng được hình thành bởi dịng lỏng và dịng hơi trong tháp trong đĩ dịng hơi cĩ ảnh hưởng là chủ yếu. Tuy nhiên, dịng hơi ở đây chính là dịng hơi nước quá nhiệt (2200C, 3atm) sục trực tiếp vào đáy tháp và lưu lượng hơi trong tháp đã cĩ sự chênh lệch giữa phần chưng và phần cất nên cần phải ổn định và hạn chế đến mức tối đa những dao động.
Và để ổn định áp suất trong tháp ta cũng cĩ các phương án như trong cụm tháp 1, và phương án điều chỉnh lượng nước làm mát ở thiết bị ngưng tụ vẫn cĩ tính hiệu quả cao hơn hết.