chưng cất 5, thiết bị ngưng tụ 4a, thiết bị tách khí 3a.
Dòng condensate nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng – sôi sau khi được gia nhiệt tại lò 2a, trong tháp diễn ra quá trình tiếp xúc pha và truyền khối giữa dòng lỏng và dòng hơi hay cách khác đó 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 không ngưng) được ngưng tụ tại 4a sau đó vào 3a. Tại 3a, khí không ngưng được tách ra, còn lại là sản phẩm xăng nhẹ một phần được bơm hoàn lưu trở lại tháp, một phần dồn về bồn chứa.
Sản phẩm đáy là các hydrocacbon nặng (C5 trở lên) được dồn vào lò đốt 2b, tại đây dòng condensate tiếp tục được gia nhiệt, một phần bốc hơi quay trở lại tháp để tạo dòng 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 không 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 lò đốt 2a G ,T F hl G Đến bồn chứa 1d F Đến lò 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 dòng nhập liệu để tránh ảnh hưởng hoạt động của cụm tháp 2. Cho nên có 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 có giới hạn. Điều này cho thấy nồng độ sản phẩm đỉnh tháp 1 phải được ổn định. Ngoài ra còn 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 dòng lỏng xuống đáy từ dòng nhập liệu. Re: lưu lượng dòng lỏng xuống đáy từ dòng hoàn lưu Vf: lưu lượng hơi bốc lên từ đáy tháp.
GW: lưu lượng dòng lỏng vào lò hơi GF: lưu lượng dòng nhập liệu. GD: lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh.
Gkn: lưu lượng khí không ngưng tổng cộng.
Gkn1: lưu lượng khí không ngưng của thiết bị ngưng tụ.
Gkn2: lưu lượng khí không 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 không ngưng.
xFi, xDi, xWi: nồng độ phân mol của cấu tử i trong dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, dòng sản phẩm đáy.
Gn: lưu lượng nước lạnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 có 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 dòng condensate nguyên liệu: GF, xF, TF.
• Nhiệt dung riêng đẳng áp của nước Cn.
• Sự mất mát nhiệt vào môi trường.
Trong các nhiễu trên thì nhiễu có thể ổn định được chỉ là nhiệt độ nhập liệu TF, lưu lượng nạp liệu GF, thành phần nạp liệu ít khi kiểm soát và ở đây thành phần condensate được sử dụng tính toán là condensate có nguồn gốc từ Lan Tây cho nên ta xem như là ổn định. Các nhiễu còn lại không kiểm soát được.
Trong chưng cất đa cấu tử yếu tố nồng độ không 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 đó nồng độ sản phẩm ở đây được xét gián tiếp qua nhiệt độ. (theo như tính toán trong tài liệu [1]).
- Tác động điều chỉnh:
• Lưu lượng nước lạnh Gn.
• Lưu lượng dòng hoàn 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 có 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 dòng lỏng và dòng hơi trong tháp trong đó ảnh hưởng của dòng hơi là chủ yếu, thông số áp suất có thể coi là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình chưng cất bởi lẽ nó quyết định nhiệt độ chưng cất của hỗn hợp, khả năng phân đoạn của các cấu tử trong hỗn hợp. Do đó, thông số này cần phải được ổn định và duy trì.
Việc ổn định áp suất trong tháp này thông qua việc thay đổi:
• Lưu lượng dòng hơi bốc lên từ đáy tháp thông qua việc thay đổi lưu lượng khí đốt vào lò đốt 2b.
• Lưu lượng của nước làm mát tại 4a và độ mở van xả khí không ngưng. Ta nhận thấy phương án này có hiệu quả hơn so với phương án trên bởi mục tiêu ở đây là ổn định dòng 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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nhiệt độ trong tháp: Nhiệt độ đỉnh T =1200C Nhiệt độ đáy T =1950C
Theo như trình bày ở trên ta nhận thấy thông số nhiệt độ có liên quan đến nồng độ sản phẩm, nó 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 thông qua:
• Thay đổi nhiệt lượng cung cấp vào đáy tháp thông qua việc thay đổi lượng khí đốt vào lò đốt 2b.
• Thay đổi lượng hoàn lưu vào tháp (hoàn lưu dưới điểm sôi). Phương án này có hiệu quả vì lưu lượng dòng hoàn lưu là thông 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 dòng lỏng trong tháp, dòng lỏng được tạo thành từ hai dòng:
• Dòng nhập liệu: từ vị trí mâm nhập liệu chảy xuống.
• Dòng hoàn lưu: từ mâm đầu tiên của phần cất chảy xuống (hoàn lưu tại đỉnh).
Mực chất lỏng trong tháp có ổn định thì mới đảm bảo cân bằng vật chất trong tháp, khi đó dòng hơi và dòng lỏng ổn định và làm việc liên tục. Đặc biệt, mức chất lỏng còn duy trì dòng sản phẩm đáy vào lò đốt 2b.
Nếu mực chất lỏng thấp thì sự sôi diễn ra ở vị trí thấp, không sử dụng hết diện tích truyền nhiệt, có thể gây cháy ống truyền nhiệt.
Nếu mực chất lỏng quá cao sẽ làm giảm không gian bốc hơi, tắt nghẽn ống hơi từ nồi đun vào tháp, gây ra hiện tượng ngập lụt.
Do đó, mực chất lỏng cũng phải ổn định để tháp hoạt động tốt. Việc ổn định mức chất lỏng trong tháp thông qua việc thay đổi:
• Lưu lượng dòng nhập liệu, lưu lượng dòng hoàn lưu. Ta nhận thấy phương án này có độ trễ lớn, việc thay đổi này còn ảnh hưởng đến cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng trong tháp.
• Lưu lượng dòng sản phẩm đáy, phương án này có hiệu quả hơn hết vì độ trễ nhỏ và ngoài việc ổn định mức chất lỏng nó còn ổn định dòng sản phẩm đáy vào lò 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 còn 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 nó. 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 đó trong thiết bị có thêm một gờ chảy tràn để duy trì mực chất lỏng và đảm bảo thời gian lưu của các dòng lưu chất.