2 . log 0, 206. log . H F LB LF H D B x x N M D x x Trong đó: N,M: Số đĩa lý thuyết vùng luyện, vùng chưng.
B,D: Lưu lượng sản phẩm đáy, đỉnh.
XHF, XLF: Thành phần cấu tử chính nặng, chính nhẹ của nguyên liệu. XLB, XHD: Thành phần cấu tử chính nhẹ, nặng trong đáy và đỉnh. Với: D = 1265.24 = 30360 Kmol/ngày. B = 1244.24 = 29856Kmol/ngày. XHF = 0,3040 phần mol. XLF = 0,4896 phần mol. XLB = 0,01 phần mol. XHD = 0,018 phần mol.
Thay vào phương trình trên ta có: log(N/M) = 0,04
=>N/M = 1,09 mà N + M = 32, từ đó ta tính được : =>Số đĩa vùng luyện N = 15 đĩa.
=>Số đĩa vùng chưng M = 17 đĩa.
Vậy vị trí nạp liệu là ở đĩa thứ 15 tính từ đỉnh tháp.
6.5. Tính chất của dòng hơi và dòng lỏng và nhiệt tải 6.5.1. Tính tải nhiệt bình ngưng.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 90 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Hình 6.1. Sơ đồ dòng đỉnh tháp chưng cất
6.5.1.1. Tính chất của dòng hơi V2
● Lưu lượng V2
Áp dụng định luật bảo toàn vật chất cho vùng nét đứt trên hình ta được: V2 = L1 + D = D.R + D = D(1 + R)
Với: R = 1,03
D = 1265 Kmol/h.
Vậy: V2 = 1265(1 + 1,03)= 2567 Kmol/h.
● Khối lượng riêng ρv2
Theo bảng ( 3.1) trang 43, [5] ta lập được bảng sau:
Bảng 6.13. Khối lượng riêng của hơi V2.
Chất xDi Mi TCi (0R) PCi (psi) xi.TCi xi.PCi Mi.xDi C1 0,0198 16,0460 343 666 6,7914 13,1868 0,3177 C2 0,9622 30,0700 550 707 529,2100 680,2754 28,9334 C3 0,0180 44,0970 666 617 11,9880 11,1060 0,7937 i-C4 0,0000 58,1230 734 528 0,0000 0,0000 0,0000 Tổng 1,0000 547,9894 704,5682 30,0448
Tại điều kiện đỉnh tháp -50C (4830R) và 1910 Kpa (277 Psi), ta có:
Theo công thức ( III.6) trang 60, [8] ta có:
Nhiệt độ rút gọn của hỗn hợp hơi V2. L2 2 V2 QC Bình hồi lưu L1 D
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 91 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Áp suất rút gọn của hỗn hợp hơi V2.
Dựa vào giản đồ Katz ( III.5) trang 62, [8] ta có :
Hệ số chịu nén ở áp suất cao là : Z = 0,737
Từ công thức ( III.8) trang 63, [8] ta có :
Khối lượng riêng của hơi V2 đỉnh tháp là :
Với : Pdinh = 277 Psi = 1,91 Mpa R = 0,00831
T= -5oC = 2680K. Vậy :
6.5.1.2. Tính chất của dòng lỏng L2
● Lưu lượng L2
Giả thiết: L2 = L1 = R.D = 1,03.1265 = 1302 Kmol/h. Vậy L2 = 1302 Kmol/h.
● Khối lượng riêng của dòng lỏng L2
Giả sử xem như nhiệt độ tại đĩa trên cùng cũng là nhiệt độ đỉnh tháp xLi = xi lấy trong bảng6.6 ở lần kiểm tra thứ 2.
Theo bảng trang 26, [6] ta tra được các giá trị Tci và Pci như sau:
Bảng 6.14. Khối lượng riêng của lỏng L2
Cấu tử Tci Pci xi Mi Mi.xi Pci.xi Tci.xi Vi (m3/kmol) Vi.xi C1 190,560 4599 0,0198 16,046 0,3177 3,7731 91,0602 0,0500 0,0010 C2 305,410 4880 0,9622 30,070 28,9334 293,8655 4695,536 0,0841 0,0809 C3 369,770 4240 0,0180 44,097 0,7937 6,6559 76,3200 0,0869 0,0016 i-C4 407,820 3640 0,0000 58,124 0,0000 0,0000 0,0000 0,1032 0,0000 Tổng 30,0448 304,2945 4862,916 0,0835
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 92 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Dựa vào bảng (2.3) trang 6, [6] ta có các giá trị của Vi
Cột Vi ( m3/mole) chính là thể tích 1 kmole cấu tử ở điều kiện chuẩn Ta có : mix = Mi.xi /(Vi.xi) = 30,0448/0,0835 = 359,8180 kg/m3.
Xét hỗn hợp ở trạng thái 1 ở điều kiện nhiệt độ 150C và hỗn hợp ở trạng thái 2 lỏng ( saturation)
+ Ở trạng thái 1 ta có :
TR1=( 15 + 273) / 318,2820 = 0,9049 PR ( saturation)
Dựa vào đồ thị ( 2.21) trang 29, [6] ta có : Hệ số C1 = 0,7150 + Ở trạng thái 2 ta có :
TR2 = ( -5 + 273) / 318,2820 = 0,842 PR2 = 1910/4862,9162 = 0,3928
Dựa vào đồ thị ( 2.21) trang 29, [6] ta có : Hệ số C2 = 0,82 Khối lượng riêng của dòng lỏng L2 là :
L2 = mix ( C2/C1) = 359,818.( 0,852/0,7150) = 429 kg/m3
6.5.1.3. Tải nhiệt của bình ngưng
Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt cho vùng nét đứt trong hình 6.1 ta được: V2.h2 = L1.h1+D.hD+QC
Trong đó :
h2 = 89020 KJ/Kmol.Entanpy dòng hơi đỉnh hD = 88870 KJ/Kmol.Entanpy sản phẩm đỉnh h1 = 99740 KJ/Kmol. Entanpy dòng hồi lưu đỉnh Vậy Qc = V2.h2 - hD.D - L1.h1
= 2567.89020 - 1265. 88870 - 1302.99740 = 13767690 KJ/h
6.5.2. Tải nhiệt của nồi tái đun Reboiler.
Phương trình cân bằng nhiệt trên toàn tháp như sau: F.hF + QR = D.hD + W.hB + QC
Trong đó:
QR: tải nhiệt nồi tái đun đáy (KJ/h). Qc: tải nhiệt của bình ngưng (KJ/h).
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 93 SVTH: Hoàng Trung Kiên
F, W, D: lần lượt là lưu lượng của nguyên liệu, sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh (Kmol/h).
hF, hW, hD: entanpy của nguyên liệu, sản phẩm đáy và đỉnh. Hình 6.2. Sơ đồ dòng đáy tháp Ta có D.hD = 1265.88870 = 112420550 KJ/h QC = 13767690 KJ/h Hw = 128600 KJ/Kmol. Vậy W.hW = 1244.128600 = 157739200 KJ/h HF = 115700 KJ/Kmol. Vậy F.hF = 2508.115700 = 290175600 KJ Vậy tải nhiệt của nồi tái đun là:
QR = D.hD + W.hW + QC – F.hF QR = 3,161.107 KJ/h
6.5.2.1. Tính chất của dòng hơi V32. ● Lưu lượng dòng hơi V32
Dựa vào kết quả mô phỏng trong Hysys ta có :
Lưu lượng dòng lỏng ở đáy tháp : L31 = 3501 Kmol/h.
Lưu lượng dòng hồi lưu nóng vào đáy tháp : V32 = 2257 Kmol/h. Lưu lượng dòng sản phẩm thu được ở đáy tháp : W = 1244 Kmol/h.
31
L31
V32
QR
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 94 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Vậy ta có chỉ số hồi lưu nóng của Reboiler : ● Khối lượng riêng ρV32
Ta xem nhiệt độ và áp suất của dòng hơi V32 bằng nhiệt độ và áp suất của Reboiler ta có:
T32 = TReb = 730C P32 = PReb = 1920 Kpa
Thành phần mol ở đáy tháp được tính theo bảng 6.4 tài liệu này
Theo bảng ( 3.1) trang 43, [5] ta lập được bảng sau:
Bảng 6.15. Khối lượng riêng của hơi V32.
Chất XBi ki Yi=K.xi Mi TCi(0R) PCi (psi) xi.TCi xi.PCi Mi.xDi C1 0,0000 0,0000 0,0000 16,0460 343 666 0,0000 0,0000 0,0000 C2 0,0100 2,7279 0,0273 30,0700 550 707 5,5000 7,0700 0,3007 C3 0,5941 1,2736 0,7566 44,0970 666 617 395,6706 366,5597 26,1980 i-C4 0,1261 0,7307 0,0921 58,1230 734 528 92,5574 66,5808 7,3294 n-C4 0,1537 0,6002 0,0923 58,1230 765 551 117,5805 84,6887 8,9337 i-C5 0,0489 0,3431 0,0168 72,1500 829 491 40,5381 24,0099 3,5282 n-C5 0,0341 0,2945 0,0100 72,1510 845 489 28,8145 16,6749 2,4603 C6 0,0331 0,1481 0,0049 86,1870 913 437 30,2203 14,4647 2,8528 C7 0,0000 0,0000 0,0000 100,205 972 397 0,0000 0,0000 0,0000 Tổng 1,0000 710,8814 580,0487 51,6031
Tại điều kiện Reboiler 730C (6230R) và 1920 Kpa (278,5Psi), ta có:
Theo công thức ( III.6) trang 60, [8] ta có:
Nhiệt độ rút gọn của hỗn hợp hơi V32.
Áp suất rút gọn của hỗn hợp hơi V32.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 95 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Hệ số chịu nén ở áp suất cao là : Z = 0,72
Từ công thức ( III.8) trang 63, [8] ta có :
Khối lượng riêng của hơi V32 đáy là : : Với : Pđáy = 278,5 Psi = 1,92 Mpa
R = 0,00831 T= 73oC = 3460K.
Vậy : = 47,86 kg/m3
6.5.2.2. Tính chất của dòng lỏng L31
● Lưu lượng
Lưu lượng của dòng lỏng L31 là: L31 = 3501 Kmol/h ● Khối lượng riêng của dòng lỏng L31
Ta xem nhiệt độ và áp suất của dòng lỏng L31 bằng nhiệt độ và áp suất của dòng lỏng đáy tháp ta có:
T32 = Tđáy = 660C P32 = Pđáy = 1910 Kpa
Từ thành phần mol ở đáy tháp được tính theo bảng (3.3) trang 2 ta có :
Theo bảng trang 26, [6] ta tra được các giá trị Tci và Pci như sau:
Bảng 6.16. Khối lượng riêng của lỏng L31
Cấu tử Tci Pci xi Mi Mi.xi Pci.xi Tci.xi Vi m3/kmol Vi.xi C1 190,56 4599 0,0000 16,046 0,0000 0,0000 0,0000 0,0500 0,0000 C2 305,41 4880 0,0100 30,070 0,3007 48,8000 3,0541 0,0841 0,0008 C3 369,77 4240 0,5941 44,097 26,1980 2518,9840 219,6804 0,0869 0,0516 i-C4 407,82 3640 0,1261 58,123 7,3294 459,0040 51,4261 0,1032 0,0130 n-C4 425,10 3784 0,1537 58,123 8,9337 581,6008 65,3379 0,1032 0,0159 i-C5 460,35 3381 0,0489 72,150 3,5282 165,3309 22,5111 0,0995 0,0049 n-C5 469,65 3365 0,0341 72,1510 2,4603 114,7465 16,0151 0,0995 0,0034 C6 506,4 3030 0,0331 86,1870 2,8528 100,2930 16,7618 0,1156 0,0038 C7 539,2 2740 0,0000 100,205 0,0000 0,0000 0,0000 0,1143 0,0000 Tổng 51,6031 3988,7592 394,7864 0,0934
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 96 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Ta có : mix = Mi.xi /(Vi.xi) =51,6031/0,0934 = 552,4957 kg/m3.
Xét hỗn hợp ở trạng thái 1 ở điều kiện nhiệt độ 150C và hỗn hợp ở trạng thái 2 lỏng ( saturation)
+ Ở trạng thái 1 ta có :
TR1=( 15 + 273) / 318,2820 = 0,9049 PR ( saturation)
Dựa vào đồ thị ( 2.21) trang 29, [6] ta có : Hệ số C1 = 0,7150 + Ở trạng thái 2 ta có :
TR2 = ( 66 + 273) / 318,2820 = 1,065 PR2 = 1910/3988,7592 = 0,4788
Dựa vào đồ thị ( 2.21) trang 29, [6] ta có : Hệ số C2 = 0,582
Từ công thức Hankinson – Brobst – Thomson, trang 28 ,[6] ta có :
Khối lượng riêng của dòng lỏng L31 là :
L31 = mix ( C2/C1) = 552,4957.( 0,582/0,7150) = 450 kg/m3
Tóm lại
- Lưu lượng của lỏng L31 : L31 = 3501 Kmol/h
- Khối lượng riêng của lỏng L31 : ρL31 = 450 Kg/m3
6.6. Tính đường kính tháp
6.6.1. Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của hơi đỉnh tháp : Khối lượng riêng của hơi đáy tháp :
Suy ra khối lượng riêng của hơi trung bình trong tháp :
Khối lượng riêng của lỏng đỉnh tháp : Khối lượng riêng của lỏng đáy tháp :
Suy ra khối lượng riêng của lỏng trung bình trong tháp :
6.6.2. Lưu lượng
Lưu lượng hơi đỉnh tháp:
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 97 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Lưu lượng hơi đáy tháp:
Lưu lượng hơi trung bình trong tháp :
Lưu lượng lỏng đỉnh tháp:
Lưu lượng lỏng đáy tháp:
Lưu lượng lỏng trung bình trong tháp :
Do 1GPM = 0,22712 m3/h
Nên Ltb = 246,3285 /0,22712 = 1084,5742 gpm
6.6.3. Hệ số ngập lụt FF (Flood Factor).
Đối với tháp mới được chế tạo thì vận tốc thiết kế không quá 82% vận tốc lụt. Hệ số ngập lụt FF sử dụng trong những phương trình tính toán sơ bộ kích thước cột tháp. Giá trị FF không lớn hơn 0,77 đối với tháp làm việc ở chế độ chân không và không quá 0,82 với chế độ làm việc khác. Giá trị này được dùng thì kết quả tính toán sai lệch không quá 10%.
Chọn hệ số ngập lụt tràn FF = 0,82
6.6.4. Yếu tố hệ thống SF (System Factor)
6.6.5. Vận tốc thiết kế trong ống chảy chuyền VDdsg (Downcomer Design Velocity) Velocity)
Từ công thức (a,b,c) trang 886, [10] ta có:
Vận tốc thiết kế sẽ là giá trị bé nhất khi xác định theo 3 phương trình sau: VDdsg1 = 250.SF
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 98 SVTH: Hoàng Trung Kiên
VDdsg2 = 41. LV .SF VDdsg3 = 7,5. TS(LV).SF Trong đó :
VDdsg : Vận tốc thiết kế (gpm/ft3)
TS : khoảng cách đĩa chọn 24 (inches) SF : yếu tố hệ thống của nhà máy.
,
L V
: khối lượng riêng trung bình lỏng, hơi đi trong tháp (lb/ft3) Theo công thức trên ta tính toán được các số liệu sau:
L - V = 27,4248 – 2,585 = 24,8398 lb/ft3 VDdsg1 = 250.SF = 250.0,8929 = 223,225 gpm/ft2
Vậy ta lấy giá trị VDdsg3 = 163,5098 gpm/ft2
6.6.6. Yếu tố công suất hơi CAF (Vapor Capcity Fractor)
Với giá trị V = DV = 2,585 lb/ft3 và TS = 24 = 610 mm
Dựa vào đồ thị ( 18.6) trang 888, [10] ta có: CAF0 = 0,42ft2/s CAF = CAF0.SF = 0,42.0,8929 = 0,375 ft2/s Lưu lượng hơi
6.6.7. Tải dòng VLoad Vload = CFS. Vload = CFS. V L V
Từ các giá trị Vload và GPM ở trên.
Dựa vào đồ thị ( 18.7) trang 890, [10] ta có giá trị của DT :
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 99 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Chiều dài dòng chảy trên mâm
Diện tích hoạt động của tháp
Diện tích bộ chảy chuyền
11% AAm =11%.30,9418 = 3,4036 ft2 11% AAm < ADm nên chọn ADm = 8,0892 ft2 Diện tích tiết diện của tháp
ATm1 = AAm+2ADm = 30,9418+ 2.8,0892 = 47,1202 ft2
Vậy chọn diện tích của tháp có giá trị ATmin = 30,5904 ft2.
Vậy đường kính tháp
Chọn DT = 2M
6.7. Tính chiều cao toàn tháp
Từ công thức trang( 38, 39), [13] ta có :
Tháp tách Etan có 2 phần nên ta chọn khoảng cách giữa các mâm như sau:
Phần luyện:
Từ mâm số 1 đến mâm số 14 khoảng cách giữa 2 mâm là 610 mmm Khoảng cách từ đỉnh tháp đến mâm số 1 là: 1000 + 650 = 1650 mm Nên chiều cao phần luyện là: Hl = (14-1).(610+0,03) + 1650 = 9580 mm
Phần chưng:
Từ mâm số 15 đến mâm số 32 khoảng cách giữa 2 mâm là 610 mmm Khoảng cách từ đáy tháp đến mâm số 32 là: 2500 + 650 = 3150 mm Nên chiều cao phần chưng là: Hc = (18-1).610 + 3150 = 13520 mm
Với bề dày mỗi mâm là 3mm nên ta có bề dày của 32 mâm là : 3.32= 96mm. Khoảng cách giữa hai mâm của phần chưng và phần luyện là : 1220 mm
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 100 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Vậy chiều cao toàn tháp là : H = 9580 + 13520 + 1220 + 96 = 24416 mm . Chọn chều cao : H = 25m.
6.8. Đường kính các ống dẫn trong tháp
6.8.1. Đường kính ống dẫn nguyên liệu vào
Ta có: Khối lượng phân tử của nguyên liệu: Mnl = 40,7405 Kg/Kmol. Khối lượng riêng của nguyên liệu : F = 476 Kg/m3.
Lưu lượng mol vào F= 2508 Kmol/h
Lưu lượng khối lượng G = F.Mnl = 2508.40,7405 = 102177,174 Kg/h. Vậy đường kính ống dẫn nguyên liệu vào:
Trong đó:
V: lưu lượng nguyên liệu vào.
Dựa vào hình ( II.6) trang 369, [1] ta chọn
Chọn = 3 m/s
Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm nguyên liệu vào dvào = 200 mm.
6.8.2. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh
Ta có: Khối lượng phân tử của nguyên liệu: Mđỉnh = 30,0448 Kg/Kmol. Khối lượng riêng của nguyên liệu: v2 = 35 Kg/m3
Lưu lượng mol ra V2 = 2567 Kmol/h.
Lưu lượng khối lượng G = V2.Mđỉnh = 2567.30,0448 = 77125,0016 Kg/h. Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh:
Trong đó:
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 101 SVTH: Hoàng Trung Kiên
Dựa vào hình ( II.6) trang 369, [1] ta chọn
Chọn = 10 m/s
Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh chọn dđỉnh = 300 mm
6.8.3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy
Ta có: Khối lượng phân tử của sản phẩm đáy : Mđáy= 51,6031 Kg/Kmol. Khối lượng riêng của nguyên liệu: L31 = 450 Kg/m3
Lưu lượng mol vào L31= 3501 Kmol/h
Lưu lượng khối lượng G = L31.Mđáy = 3501.51,6031 = 180662,4531 Kg/h. Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm đáy:
Trong đó:
V: lưu lượng nguyên liệu vào (m3/s)
Dựa vào hình ( II.6) trang 369, [1] ta chọn
Chọn = 3 m/s
Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm đáy chọn dđáy = 250 mm
6.8.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đỉnh
Ta có: Khối lượng phân tử của sản phẩm đỉnh: Mhlđ = 30,0448 Kg/Kmol. Khối lượng riêng của nguyên liệu: L1 = 429 Kg/m3
Lưu lượng mol vào L1 = 1302 Kmol/h
Lưu lượng khối lượng G = L1.Mhlđ = 1302.30,0448 = 39118,3296 Kg/h. Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đỉnh:
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng TàuChuyên ngành Hoá dầu 102 SVTH: Hoàng Trung Kiên
V: lưu lượng nguyên liệu vào (m3/s)
Dựa vào hình ( II.6) trang 369, [1] ta chọn
Chọn = 3 m/s
Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đỉnh tháp là dhlđ = 150 mm
6.8.5. Đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đáy
Ta có: Khối lượng phân tử của nguyên liệu: Mhlđ = 51,6031 Kg/Kmol. Khối lượng riêng của nguyên liệu: : V32 = 47,86 Kg/m3 Lưu lượng mol vào V32 = 2257 Kmol/h
Lưu lượng khối lượng G = V32.Mhlđ = 2257.51,6031 = 116468,1967 Kg/h. Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đáy:
Trong đó:
V: lưu lượng nguyên liệu vào (m3/h)
Dựa vào hình ( II.6) trang 369, [1] ta chọn
Chọn = 10 m/s
Vậy đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đáy tháp là dhlđ = 300 mm 6.9. TÍNH BỀ DÀY THÂN, ĐỈNH, ĐÁY THÁP.
Từ công thức (5.1) trang 95, [11] ta có:
Bề dày thân tháp hình trụ là việc ở áp suất trong P được xác định theo công