Tháp chưng cất

chế độ tự chảy, 1 – 3m/s ở chế độ chảy cưỡng bức nhờ bơm. Ống dẫn pha lỏng lấy từ sườn
tháp được lắp đặt tại một vò trí thấp hơn mặt đóa tại đó lỏng được lấy ra một khoảng 30 – 40cm.
Bên sườn tháp chưng cất phải có những cửa sổ để qua đó con người có thể chui vào tiến
hành sửa chữa, làm vệ sinh. Đó là những lỗ chui có đường kính khoảng 60cm.
Dó nhiên ở tháp chưng cất còn phải có những lỗ để lắp đặt các bộ cảm biến của các
thiết bò đo đạc, kiểm tra, điều khiển.
Tháp chưng cất cần được bảo vệ khỏi hiện tượng mài mòn – ăn mòn và cần được cách
nhiệt tốt. Tại đóa nạp liệu và tại đóa nạp hơi ( ra từ thiết bò tái đun) cần có những tấm chắn đặc
biệt để chống sự va đập trực diến quá mạnh của dòng nguyên liệu vào thành tháp với tốc độ
lớn. Tốc độ hỗn hợp nguyên liệu lỏng – hơi vào tháp có thể đạt chục mét trong 1 giây. Tấm
chắn ở vùng nạp liệu thường là một tấm kim la có đục lỗ và cong theo thành tháp như ở hình
4.1. Tháp chưng cất được làm từ thép không gỉ và có thể được bảo vệ điện hoá, ví dụ bằng
phương pháp bảo vệ âm cực. Để cách nhiệt với môi trường xung quanh người ta thường trát
lên vỏ kim loại một lớp vật liệu xốp, nhẹ, không cháy và bền cơ học cũng như chòu được sự
xâm thực của môi trường như: thuỷ tinh bọt, bông thuỷ tinh, amiăng v.v… Để tăng cường độ
chòu lực cần đắp từng lớp vật liệu cách nhiệt xen lẫn với các tấm lưới băng dây sắt tráng kẽm.
Phía ngoài cùng có thể phủ một lớp ximăng mỏng khoảng dăm li. Có thể bọc tháp bằng các
tấm nhôm.
Phần 1:
E
Nguyên liệu
T
13
8
9
A
10
M
L
5
B
D
C12
6
X
E
’
15
4
13
11
K
14
T
14
H
3
T
1a
2
T
1b
T
2a
2
T
2b
Sơ đồ công nghệ giản đơn hoá để chưng cất một hỗn hợp hydrocacbon nhẹ.
Đặt trưng của các phân đoạn B,C,D như sau:
Chất B C D
C
2
H
6
0,020 - -
C
3
H
8
0,962 0,023 0,004
nC
4
H
10
0,015 0,959 0,010
nC
5
+
(M=80)
0,003 0,018 0,986
Lưu lượng[tấn/h]
0,83 0,77 0,48
1. Tính nhiệt độ đỉnh, đáy tháp chưng cất và bình tách.
Điều kiện làm việc: - Nhiệt độ môi trường 25
0
c
- p suất [atm] ở đỉnh 1 : 11,5
ở đáy 1 : 11,8
ở đỉnh 2 : 15,5
ở đáy 2 : 15,8
ở 14 : 11,4
- Độ hồi lưu của 2: 1,5
- Xung quanh phân xưởng có nguồn nước ngọt
phong phú.
- Các phân đoạn B,C cần chuyển đi xa bằng đường
ống, phân đoạn D được cho vào bồn chứa tại
phân xưởng.
- Phân xưởng này nằm trong một nhà máy có
nguồn khí đốt rẻ tiền.
*. Phương pháp tính nhiệt độ trong tháp chưng cất:
Nhiệt độ trong tháp chưng cất thay đổi từ đóa này sang đóa khác, có giá trò phụ thuộc
vào bản chất, thành phần các pha và áp suất. Vì ở tại mỗi đóa có cân bằng lỏng hơi nên cần
phải dựa vào đường chưng cất flash để tính nhiệt độ. Nguyên tắc cơ bản là: nhiệt độ ở đó một
pha hơi được lấy ra ở đỉnh tháp chưng cất là nhiệt độ T
100
trên đường chưng cất flash, còn nhiệt
độ tại đó lấy một pha lỏng ra khỏi tháp chưng cất là T
0
trên đường flash của pha lỏng được lấy
ra.
Khi biết thành phần, áp suất hơi bão hoà, có thể tính nhiệt độ ở đỉnh và ở đáy tháp
chưng cất như sau:
Theo đònh nghóa T
0
là nhiệt độ bắt đầu sôi, ở đó tổng áp suất hơi riêng phần phải bằng
áp suất hệ p.
y = P
1
x và 1-y = P
2
(1-x)
αx
1 1+ (α -1)x
Hay y =
Với α = P
1
/P
2
. Vậy α càng lớn thì y càng khác xa x.
Đối với hệ hai chất, ta có:
P
1
.x
1
+ P
2
.x
2
= P
Hay y
1
+ y
2
= 1
Từ đó ta rút ra: K
1
x
1
+ K
2
x
2
= 1
Bằng cách chứng minh tương tự, với hệ nhiều chất, nhiệt độ tại đóa lấy một pha lỏng là nhiệt độ
thoã mãn hệ thức:
Σy
i
= ΣK
i
x
i
= 1
Trong đó: x
i
là nồng độ ở pha lỏng của cấu tử i; K
i
là hằng số cân bằng của cấu tử i theo đònh nghóa:
Nhiệt độ ở đỉnh bất kỳ một tháp chưng cất có thể tìm được một cách logic là nhiệt độ ở đó thoả
mãn hệ thức:
Σx
i
= Σy
i
/K
i
= 1
a.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 2:
Bảng 1A. Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đỉnh tháp chưng cất 2.
Chất Y K
50
K
49
K
48
y/ K
50
y/ K
49
y/ K
48
C
2
H
6
0.0200 2.9000 2.8000 2.8000 0.0069
0.0071
0.0071
C
3
H
8
0.9620 1.0500 1.0350 1.0250 0.9162
0.9295
0.9385
nC
4
H
10
0.0150 0.4000 0.3900 0.3850 0.0375
0.0385
0.0390
n-C
5
+
0.0030 0.1015 0.0975 0.0945 0.0296
0.0308
0.0317
Tổng
0.9901
1.0058 #1
1.0164
Biết thành phần đỉnh tháp chưng cất 2 ta tìm được nhiệt độ đỉnh tháp là 49
0
c, nếu áp
suất ở đó là 15,5 atm.
b. Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 2:
1-K
2
K
1
-K
2
P-P
2
P
1
-P
2
x
1
=
=
P
i
P
K
i
=
Bảng 1B. Số liệu liên quan đến phép tính nhiệt độ ở đáy tháp chưng cất 2.
Chất Y K
107
K
106
K
104
y/ K
107
y/ K
106
y/ K
104
C
2
H
6
0.0000 5.3900 5.3700 5.3000 0.0000
0.0000
0.0000
C
3
H
8
0.0230 2.2000 2.1700 2.1500 0.0105
0.0106
0.0107
n-C
4
H
10
0.9590 1.0500 1.0200 1.0000 0.9133
0.9402
0.9590
n-C
5
+
0.0180 0.3700 0.3650 0.3600 0.0486
0.0493
0.0500
Tổng
0.9724
1.0001#1
1.0197
Biết thành phần đáy tháp chưng cất 2 ta tìm được nhiệt độ đáy tháp là 106
0
c nếu áp suất ở đó
là 15,8 atm.
c. Tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 1:
Bảng 2A. Số liệu liên quan đến việc tính nhiệt độ đáy tháp chưng cất 1
Chất X K
160
K
162
K
164
x.K
160
x.K
162
x.K
164
C
2
H
6
0,0000
11.2500 11.5000 11.7500 0.0000
0.0000
0.0000
C
3
H
8
0,0040
4.7500 4.9000 4.9500 0.0190
0.0196
0.0198
n-C
4
H
10
0,0100
2.3500 2.4000 2.5000 0.0235
0.0240
0.0250
n-C
5
+
0,9860
1.0600 0.9800 1.1350 1.0452
0.9663
1.1191
Tổng
1.0877
1.0099#1
1.1639
Biết thành phần đáy tháp chưng cất 1 ta tìm nhiệt độ đáy tháp là 162
0
c nếu áp suất ở đó là 11,8
atm.
d. Tính nhiệt độ bình tách 14:
Bảng 2B. Tính toán phân đoạn B
Chất Phân tử
lượng Mi
Phân Đoạn B(0,83tấn/h=830kg/h)
Phần
mol Fi
Mi.Fi Thành
phần khối
lượng
(%)100
.
.
∑
FiMi
FiMi
Lưu lượng
G
hi
(kg/h) F
hi
=G
hi
/M
i
(kmol/h)
C
2
H
6
30 0.02
0.6000 1.3625 16.6000 0.5533
C
3
H
8
44 0.962
42.3280 96.1170 798.4600 18.1468
nC
4
H
10
58 0.015
0.8700 1.9756 12.4500 0.2147
nC
5
+
80 0.003
0.2400 0.5450 2.4900 0.0311
Tổng
1.000
44.0380 100
830
Bảng 2C. Tính toán phân đoạn C
Bảng 2D. Tính toán hơi E
Chất Phân Lưu lượng Phần mol Mi.Fi Thành
ChấtPhâ Phân tử
Lượng M
i
Phân Đoạn C (0,77tấn/h=770kg/h)
Phần mol
Fi
Mi.Fi Thành phần
khối lượng
(%)100
.
.
∑
FiMi
FiMi
Lưu lượng
G
hi
(kg/h) F
hi
=G
hi
/M
i
(kmol/h)
C
2
30 - - - - -
C
3
44 0,023
1.0120 1.7426 17.7100 0.4025
nC
4
58 0,959
55.6220 95.7778 738.4300 12.7316
nC
5
+
80 0,018
1.4400 2.4796 13.8600 0.1733
Tổng
58.0740
770
13.3073
tử
lượng
M
i
Fi phần
khối
lượng
G
hi
(kg/h) =
G
hi
PĐB+G
hi
PĐC
F
hi
=G
hi
/M
i
(kmol/h)
C
2
H
6
30
16.6000 0.5533 0.0104 0.3113 0.6128
C
3
H
8
44
816.1700 18.5493 0.5101 22.4447 44.1887
nC
4
H
10
58
750.8800 12.9462 0.4693 27.2194 53.5891
nC
5
+
80
16.3500 0.2044 0.0102 0.8175 1.6095
Tổng
1600.0000 32.2532
1,0000
50.7928
Bảng 3A. Tính nhiệt độ bình tách 14 (T
14
)
Chất y
i
65°C,11,4atm 67°C,11,4atm 69° C,11,4atm
K
i
y
i
/K
i
=x
i
Ki y
i
/K
i
=x
i
K
i
y
i
/Ki=x
i
C
2
H6
0.0104
4,6
0.0023
4,8
0.0022
4,9
0.0021
C
3
H
8
0.5101
1,54
0.3312
1,58
0.3228
1,61
0.3168
nC
4
H
10
0.4693
0,66
0.7111
0,7
0.6704
0,73
0.6429
nC
5
+
0.0102
0,15
0.0680
0,18
0.0567
0,22
0.0464
Tổng
1.1126 1.0521
1.0082
Chọn T
14
= 69
0
C
e.Tính nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 1 :
Tìm thành phần hơi F:
Dòng sản phẩm đỉnh F sau khi qua thiết bò tách thì chúng được chia thành dòng hơi E
đi ra và dòng lỏng H được hồi lưu lại đỉnh tháp.
Vậy ta có:
F = E + H
F.Ci = E.Yi + H.Xi
=>
h
hKi
XiCi
+
+
=
1
Giả sử độ hồi lưu h=1;
X
i
:ph ần mol của mỗi chất trong dòng hồi lưu H vào đỉnh tháp.
Y
i
:ph ần mol của mỗi chất trong dòng hơi E đi ra.
Ci : ph ần mol của mỗi chất trong F.
K
i
: h ằng số cân bằng của các chất .
E,Yi
F,Ci
H,Xi
T ìm nhiệt độ đỉnh tháp A :
Sau khi biết được thành phần của dòng sản phẩm đỉnh F ta giả sử nhiệt độ tại đỉnh tháp
(1) sao cho nhiệt độ ở đó thỏa mãn hệ thức:

∑ ∑
==
1/ Kiyixi
Bảng 3B.Thành phần dòng sản phẩm đỉnh
Chất
Xi
Ki ở P=11,5atm
T
14
= 69
0
C
h
hKi
XiCi
+
+
=
1
C
2
H
6
0.0021
4,8
0.0050
C
3
H
8
0.3168
1,8
0.2851
nC
4
H
10
0.6429
0,72
0.2314
nC5
+
0.0464
0,27
0.0060
Tổng 1,0082

Bảng 3C. Tính toán nhiệt độ đỉnh tháp 1 T
1a
Chất
Yi
78
0
C, 11.5 atm 80
0
C, 11.5 atm
Ki yi/Ki=xi Ki yi/Ki=xi
C
2
H
6
0.0050
5.3
0.0016
5.4
0.0016
C
3
H
8
0.2851
2
0.2450
2.05
0.2390
nC
4
H
10
0.2314
0.825
0.5965
0.84
0.5859
nC5
+
0.0060
0.351
0.0271
0.37
0.0257
Tổng

1.0033

0.9812
Chọn T
1a
=78
0
C
Nhiệt độ đỉnh tháp (1) là: 78
0
C
Nhiệt độ đáy tháp (1) là: 162
0
C
Nhiệt độ đỉnh tháp (2) là: 49
0
C
Nhiệt độ đáy tháp (2) là: 106
0
C
Nhiệt độ bình tách (14) là: 69
0
C
2. Đề xuất biện pháp trao đổi nhiệt:
Thiết bò trao đổi nhiệt làm lạnh ngưng tụ (3) và (4) sẽ trao đổi nhiệt với không khí.
Thiết bò trao đổi nhiệt làm nóng (5), (6) là thiết bò trao đổi nhiệt dạng ống chùm, chúng sẽ trao
đổi nhiệt với dòng hơi quá nhiệt vì phân xưởng nằm trong vùng có nguồn khí đốt rẻ tiền. Dòng
hơi quá nhiệt sẽ đi ngoài ống chùm, dòng sản phẩm sẽ đi bên trong ống chùm.
3. Bổ sung thiết bò cần thiết:

Xem chi tiết: Tháp chưng cất