giữa hai pha.
- Giai đoạn 2 : Tách hai pha, hai pha phân lớp nên tách ra rất dễ dàng, một pha gồm dung môi thứ và cấu tử phân bố gọi là dung dịch trích. Một pha gồm dung môi đầu và một ít cấu tử phân bố còn lại (có thể có lẫn một ít dung môi thứ) gọi là dung dịch rafinat.
Th ờng thì các cấu tử trong dung dịch đầu và dung môi thứ có hoà tan một phần vào nhau nên mỗi pha tối thiểu gồm 3 cấu tử.
Giai đoạn 3- : Hoàn nguyên dung môi: Tách dung môi ra khỏi dung dịch rafinat và dung dịch trích.
Nh vậy để tách một hỗn hợp lỏng đồng nhất bằng ph ơng pháp trích ly thì phức tạp hơn ch ng luyện, nh ng trong nhiều tr ờng hợp thì trích ly có nhiều u điểm hơn
- Trích ly đ ợc tiến hành ở nhiệt độ th ờng nên thích hợp với những chất dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao.
- Có thể tách đ ợc dung dịch đẳng phí và những dung dịch có độ bay hơi t ơng đối gần nhau.
- Với những dung dịch pha loãng thì trích ly sẽ tiết kiệm hơn.
Để khảo sát nguyên tắc của quá trình trích ly ta giả thiết dung môi đầu và dung môi thứ hoà tan hạn chế vào nhau. Khi đó thành phần mỗi pha trích ly gồm 3 cấu tử. Do đó để đơn giản ta chọn biểu đồ pha trên toạ độ tam giác đều. Trên đỉnh của tam giác biểu diễn cấu tử phân bố (M), dung môi đầu (L) dung môi thứ (G) tinh khiết 100%.
Mỗi điểm nằm trên các cạnh của tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch hai cấu tử. Mỗi điểm nằm trong tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch gồm ba cấu tử.
Hình 13: Biểu đồ pha hệ ba cấu tử
Hỗn hợp hai cấu tử M và L hoàn toàn tan lẫn vào nhau, dùng dung môi thứ G có khả năng hoà tan chọn lọc M để tách chúng ra gọi là trích ly.
G M L R F0 F1 Fm F R1 E E1 E'
Hỗn hợp đầu giả sử gồm hai cấu tử L và M hoà tan hoàn toàn vào nhau, có thành phần đợc biểu diễn ở F0 trên cạnh ML. Nếu ta thêm dung môi thứ G vào hỗn hợp F0, ta thu đợc hỗn hợp 3 cấu tử mà thành phần của hỗn hợp này đợc biểu diễn ở điểm N nằm trên đờng thẳng F0G, vị trí của điểm N tuỳ thuộc vào tỷ lợng G/F0.
Giả sử ở điểm N, hỗn hợp N là hỗn hợp dị thể, không hoà tan vào nhau phân thành 2 pha. Pha rafinat gồm hầu hết là L, một phần dung môi thứ G và cấu tử phân bố M. Pha trích gồm hầu hết là G, một phần là M và L. Trong đó nồng độ của cấu tử phân bố trong pha trích EE' lớn hơn trong rafinat RR'.
Tách dung dịch rafinat ra khỏi dung dịch trích (thờng bằng phơng pháp
gạn) rồi thêm dung môi thứ G vào rafinat, ta đ ợc một hệ 3 cấu tử mới có thành phần đ ợc biểu diễn ở N1. Hỗn hợp N1 là hỗn hợp không đồng nhất sẽ phân thành hai pha rafinat R1 và pha trích E1.
Rõ ràng thành phần của dung môi đầu trong R1 sẽ lớn hơn trong R, tiếp tục quá trình nh trên ta tìm cách tách dung môi thử ra khỏi rafinat thì cuối cùng ta thu đ ợc rafinat gồm hầu hết là dung môi đầu.
Cấu tử cần tách M có độ tinh khiết tối đa sau khi đã tách hết dung môi G chỉ đạt đến điểm Fm. Tuy nhiên để đạt đ ợc hiệu quả tách cao hơn ta có thể thay đổi điều kiện của quá trình nh giảm nhiệt độ (tăng kích th ớc của vùng dị thể), chọn dung môi có kích th ớc vùng dị thể lớn hơn, có độ dốc đ ờng liên hợp lớn hơn.
3.1. Lựa chọn sơ đồ công nghệ
Phenol có tính chọn lọc nên tách triệt để các cấu tử dầu nhờn ra khỏi phần thải vì vậy làm tăng hiệu suất sản phẩm rafinat có khả năng giữ chênh lệch nhiệt độ cao theo chiều cao của tháp trích ly, nhờ vậy, mà làm tăng nhiệt độ hoà tan tới hạn của nguyên liệu.
Phenol sử dụng có hiệu quả cao đối với nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn thu đợc từ dầu mỏ lu huỳnh.
Ta thấy rằng việc lựa chọn sơ đồ công nghệ sản xuất dầu nhờn gốc bằng dung môi chọn lọc phenol và chọn các nguyên liệu từ phân đoạn dầu nhờn cất của quá trình chng cất từ mazut .
3.2. Lựa chọn nguyờn liệu
Việc lựa chọn nguyên liệu cho quá trình trích ly có ý nghĩa hết sức quan trọng.
Nguyên liệu quyết định đến chất lợng sản phẩm và giá thành sản xuất. Nguyên liệu tốt sẽ cho sản phẩm tốt, giá thành cao. Ngợc lại, nguyên liệu xấu sẽ cho sản phẩm xấu, giá thành thấp. Tốt hay xấu nghĩa là hàm lợng cấu tử có lợi hay có hại nhiều hay ít trong dầu nhờn. Mặt khác nguyên liệu còn ảnh hởng đến công nghệ sản xuất. Nguyên liệu có độ nhớt cao chọn dây chuyền công nghệ trích ly dầu nhờn bằng dung môi phenol. Nguyên liệu có độ nhớt thấp thì lựa chọn công nghệ sản xuất bằng dung môi furfurol. Nguyên liệu còn phụ thuộc vào sản phẩm và yêu cầu của các phân xởng sản xuất khác nhau.
Nh vậy, việc lựa chọn nguyên liệu làm cho chi phí sản xuất thấp nhất chất lợng thấp nhất, lợi nhuận thu đợc nhiều nhất. Đối với dây chuyền công nghệ trích ly sản xuất dầu nhờn bằng dung môi phenol thì chọn nguyên liêu có độ nhớt cao.
* Đặc điểm của loại dầu này
- Dung dịch pha rafinat chứa cấu tử có lợi cao, ít cấu tử có hại, chất lợng dầu nhờn tốt .
- Khả năng tách dung môi rất tốt .
Tuy nhiên, tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu cao. Để khắc phục hiện tợng này ngời ta tách dung môi cho tuần hoàn trở lại tháo trích ly, nên việc bổ sung dung môi sẽ ít hơn.
Sản phẩm phụ thuộc phần lớn vào nguyên liệu, công nghệ, chế độ công nghệ điều kiện làm việc cũng nh trình độ của công nhân.
Sản phẩm dầu nhờn sau khi trích ly có chất lợng cao, nghĩa là dầu gốc có chất lợng cao, phụ gia dùng để pha trộn ít.
3.3.Chế độ công nghệ
Khi tiến hành làm sạch bằng dung môi phenol, ngoài thành phần hoá học của nguyên liệu và dung môi, cần phải xác định các điều kiện công nghệ của quá trình nh tỷ lệ phenol trên nguyên liệu, chế độ nhiệt và các chất pha thêm vào dung môi. Nhiệt độ tiến hành quá trình, trớc hết đợc chọn dựa vào đaị lợng nhiệt độ tan lẫn hoàn toàn nguyên liệu và dung môi và nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ hoà tan tới hạn của dung môi (KTS). Nhiệt độ trích ly cần phải nhỏ hơn nhiệt độ KTS. Nhiệt độ hoà tan tới hạn của dung môi đối với các phân đoạn dầu nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần phân đoạn và vào tỷ lệ phenol trên nguyên liệu
DH08H1 ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU ThS.NGUYỄN TRẦN THANH
53 H iệ u su ất raf in at C hỉ s ố nh ớt 1 2 2 1
Hình 15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa KTS và nồng độ dung môi
Đồ thị biểu diễn KTS và nồng độ dung môI khi biết KTS vùng lắng rafinat cần chọn thấp hơn nhiệt độ này từ 5-150C (nhiệt độ đỉnh tháp trích ly). Để tạo động lực trích ly cần có sự chênh lệch nhiệt độ đỉnh tháp trích ly trong khoảng từ 5-300C. Nhiệt độ này đợc điều chỉnh bằng nhiêt độ cấp nguyên liệu và dung môi vào tháp trích ly cũng nh nhiệt độ của dòng tuần hoàn.
Tỷ lệ phenol trên nguyên liệu .
Tỷ lệ phenol trên nguyên liệu cũng là một thông số cơ bản của quá trình trích ly,vì cùng với chế độ nhiệt nó xác định hiệu suất và chất lợng rafinat.
Hình 16: Đồ thị biểu diễn ảnh hởng giữa tỷ lệ phenol trên nguyên liệu đến chất l- ợng rafinat
2
1
Tỷ lệ phenol/ nguyên liệu
H iệ u xu ất ra fi n at
Sự phụ thuộc của hiệu suất rafinat vào tỷ lệ phenol trên nguyên liệu và nhiệt độ trích ly. Có thể biểu diễn bằng phơng trình thực nghiệm sau:
lg(100 - R )=(a+bT)lgS+cT+d Trong đó:
R : hiệu suất rafinat. T : nhiệt độ trích ly.
S : tỷ lệ phenol trên nguyên liệu. a,b,c,d : các hằng số thực nghiệm.
Tỷ lệ phenol trên nguyên liệu phụ thuộc vào chất lợng nguyên liệu, vào yêu cầu chất lợng sản phẩm dầu nhờn cần thu . Tỷ lệ này thay đổi trong một thời gian tơng đối rộng. Khi làm sạch nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn cất và mục đích là nhận dầu nhờn có chất lợng tốt, chỉ số độ nhớt cao ta lấy tỷ lệ phenol trên nguyên liệu từ 2-4/1. Dung môi phenol là một dung môi có độ chọn lọc cao cho nên việc đòi hỏi chế độ công nghệ là hết hết sức khắt khe.
3.4. Các thiết bị chính
a) Thiết bị trích ly
Có rất nhiều loại thiết bị dùng để trích ly: tháp phun, tháp có tấm ngăn, tháp đệm, tháp đĩa lới có ống chảy chuyền, tháp đĩa vành khăn có cánh khuấy (đĩa quay tiếp xúc), tháp có gây chấn động ngoài. Tuy nhiên với điều kiện làm việc là dầu nhờn thì tháp đĩa quay tiếp xúc có u thế nhất:
- Có đĩa quay nên khả năng phân tán của dung môi vào trong dầu nhờn cất rất tốt, mặc dù chúng có độ nhớt cao.
- Năng suất làm việc lớn. - Hiệu suất của quá trình cao.
- Dễ tự động hóa.
* Nguyên lý làm việc:
Dầu cất nguyên liệu bơm từ đĩa cuối cùng của tháp lên, có nhiệt độ nhất định, dung môi đợc bơm từ trên xuống, xảy ra quá trình tiếp xúc và phân tán dung môi vào nguyên liệu nhờ đĩa quay. Nhiệt độ đỉnh tháp cao hơn nhiệt độ đáy tháp, nên tỷ trọng ở đỉnh tháp thấp hơn đáy tháp. Quá trình trích ly xảy ra phân thành hai pha. Pha rafinat nhẹ hơn nằm ở trên, pha trích nặng hơn nằm ở dới đáy tháp. Pha trích đợc lấy ra ở đáy tháp, pha rafinat đợc lấy ra ở đỉnh tháp. Điều chỉnh nhiệt độ làm việc ở đỉnh tháp qua dung môi, ở đáy tháp qua nguyên liệu.
* Vật liệu cấu tạo thiết bị:
Nhiệt độ làm việc của tháp khoảng 100oC, áp suất làm việc là áp suất thấp, dầu nhờn không có tính ăn mòn thép, nên dùng thép có chất lợng cao là tốt nhất.
b) Các tháp bay hơi
Các tháp bay hơi và tháp tái bay hơi có mục đích tách dung môi khỏi pha rafinat và pha trích. Nhiệt độ bay hơi giữa dung môi với pha rafinat và giữa dung môi với pha trích khác xa nhau nên khả năng phân tách rất lớn. Do vậy, không cần phải dùng ph- ơng pháp tách có hồi lu mà hiệu suất phân tách rất cao. Tuy nhiên, khả năng liên kết giữa dung môi và dung dịch trích cũng nh giữa dung môi và dung rafinat rất lớn nên cần phải dung hơi nớc để tách các phần cặn.
Năng suất làm việc của các tháp tách các lớn nên ta dùng các tháp đĩa chóp là tốt nhất.
Dung dịch cần tách đợc đa vào giữa tháp, có nhiệt độ sôi thích hợp. Dung dịch vào trong tháp chia thành hai dòng. Dòng hơi chứa hầu hết là dung môi, một phần dung dịch cần tách bay lên đi từ dới lên, dòng lỏng đi từ trên xuống. Dòng hơi bay ra đợc đa đi làm lạnh, ngng tụ để quay về tháp trích ly. Dòng lỏng đợc đun nóng cho qua tháp tách bằng hơi nớc để thu đợc lợng dung môi cuối cùng của quá trình tách. Phần không tách đợc cho vào bể chứa.
* Cấu tạo của tháp tách
Tháp tách đợc cấu tạo bằng thép hợp kim không gỉ thép CT3. Thép này có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, có khả năng chịu mài mòn tốt. Tuy nhiên, giá thành thép cao nên ảnh hởng đến giá thành của sản phẩm.
Phần II
TÍNH TOÁN CễNG NGHỆ I.Các số liệu ban đầu
Nhiệm vụ (nội dung yờu cầu và số liệu ban đầu):
Năng suất làm việc của phõn xưởng là 700.000 tấn/năm
Bảo dưỡng, dịnh kỳ và hỏng húc, gặp sự cố kỹ thuật 35 ngày
Tỷ trọng của nguyờn liệu d420 = 907 (kg/m3)
Tỷ lệ giữa dung mụi phenol và nguyờn liệu 3 : 1
Chi phớ phenol nước % khối lượng so với phenol : 4.5% Hiệu suất rafinat, % khối lượng so với nguyờn liệu : 60%
Nũng độ trọng lượng rafinat trong phần làm sạch là: 0,881
T0 đỉnh thỏp t1 = 700C , tđỏy = 620C , ttrong thỏp = 650C
- Nguồn năng lượng và cỏc thụng số khỏc tự chọn
II. Cân bằng vật chất của thiết bị trích ly II.1. Dòng vào
Năng suất làm việc của phân xởng là 700.000 tấn/năm. Vậy năng suất làm việc của phân xởng trong 1 giờ là: G1 = (700000 x1000)/ 8000 = 87500 (kg/h). Lợng dung môi phenol đưa vào trong một giờ. G2=3xG1 =3x87500 = 262500(kg/h).
Tổng lợng vật chất đưa vào tháp:
Gv = G1 + G2 = 87500 +262500 = 350000(kg/h).
Lợng pha rafinat thu đợc trong tháp trích ly: Gr= 60%G1 = 0,6x87500 = 52500(kg/h). Lợng dung dịch rafinat : Gr =88.1%Gdd Suy ra: Gddr = Gr/ 0,881 =52500/ 0,881 = 59591.3 (kg/h). Lợng dung môi chứa trong dung dịch rafinat :
Gdmr = Gdd - Gr = 59591.3- 52500 = 7091.3(kg/h). Lợng pha trích:
Gt = G1 - Gr = 87500 - 52500 = 35000 (kg/h). Lợng dung môi chứa trong dung dịch trích:
Gdmt = Gdm- Gdmr=262500 – 7091.3 = 255408.7 kg/h). Lợng dung dịch trích :
Gddt = Gdmt+ Gt = 255408.7 +35000 = 290408.7 (kg/h). Lợng hồi lu đáy tháp trích ly:
GR = 0,6.Gddt = 0,6.290408.7 = 174245.22 (kg/h). Trong đó:
Lợng trích hồi lu đáy tháp trích ly:
GR.t = 0,6.Gt = 0,6 .35000 = 21000 (kg/h). Lợng dung môi hồi lu đáy tháp trích ly:
GR.dmt = 0,6 . Gdmt = 0,6 . 255408.7 = 153245.22 (kg/h). Lu lợng đáy tháp trích ly: Gđ = GR+ Gddt= 174245.22 + 290408.7 =464653.92 (kg/h). Tổng dòng ra: Gra = Gddr + Gddt = 59591.3 + 290408.7 = 350000 (kg/h).
Phần III
CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng cho tháp trích ly: Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6+ Q7+ Qm
Trong đó:
Q1: Nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào, kcal/h. Q2: Nhiệt lợng do dung môi mang vào, kcal/h. Q3: Nhiệt lợng do lượng hồi lu mang vào, kcal/h. Q4: Nhiệt lợng do rafinat mang ra, kcal/h.
Q5: Nhiệt lợng do pha trích ở đáy tháp mang ra, kcal/h. Q6: Nhiệt lợng do dung môi mang ra ở đáy tháp, kcal/h. Q7: Nhiệt lợng do dung môi mang ra ở pha rafinat, kcal/h. Qm: Nhiệt lợng mất mát ra môi trường, -kcal/h.
III.1. Tính Q1
Nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào: Q1 =G1 x C1 x t2
Trong đó:
G1 là lợng nguyên liệu đa vào tháp trích ly G1 =87500 (kg/h)
t2:Nhiệt độ tại đáy tháp,6200C
C1:Nhiệt dung riêng của nguyên liệu, kcal/kg.độ.
Nhiệt dung riêng của một số chất lỏng đợc áp dụng theo công thức:
) . 0008 , 0 403 , 0 ( 1 20 4 t C d + = ( kcal/kg.độ). Trong đó: Tỷ khối của chất lỏng ở 200C. d 204 =d 2020−d 2020(1−D). 1- D = 0,00097. 908 . 0 00097 , 0 1 907 . 0 ) 1 ( 1 20 4 20 20 = − = − − = D d d
t : Nhiệt độ của chất lỏng đang khảo sát
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu mang vào ở 620 0C:
943 . 0 ) 620 . 0008 , 0 403 , 0 ( 908 , 0 1 ) . 0008 , 0 403 , 0 ( 1 20 20 = + = + = t C d (kcal/kg.độ).
Vậy nhiệt lợng do nguyên liệu mang vào:
Q1 = 87500 x 620 x 0,943 = 51157750 (kcal/h).
III.2. Tính Q2
Nhiệt lợng do dung môi mang vào: Q2 = G2 x C2 x t1
Trong đó:
G2: Lu lợng của dung môi vào tháp trích ly. G2 = 262500 (kg/h).
t1: Nhiệt độ dung môi mang vào,t1 = 7000C.