Đồ án quá trình thiết bị (hóa dầu)

Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

1


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

Phụ lục
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................5
PHẦN 1:TỔNG QUAN .............................................................................................6
1. Giới thiệu về công nghiệp thu hồi Xylene từ Reformate. ..............................6
1.1. Tính chất và vai trò của Xylene . ..............................................................6
1.2. Quá trình Reforming xúc tác. ...................................................................7
1.3. Thu hồi Xylene từ dòng Reformate. .........................................................7
2. Giới thiệu về phương pháp chưng cất đa cấu tử. ..........................................7
2.1. Khái niệm về chưng cất.............................................................................7
2.2. Sơ lược về tính toán chưng cất đa cấu tử. ...............................................9
2.3. Lựa chọn thiết bị chưng cất. ...................................................................10
3. Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi Xylene từ dòng Reformate: .................11
PHẦN 2:CÂN BẰNG VẬT CHẤT .........................................................................13
1. Cân bằng vật chất: .........................................................................................13
1.1. Các số liệu ban đầu. ................................................................................13
1.2. Các quy ước về ký hiệu. ..........................................................................13
1.3. Cân bằng vật chất-Xác định thành phần các cấu tử. ............................13
2. Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết:....................................................................16
2.1. Chọn cấu tử khóa. ...................................................................................16
2.2. Tính độ bay hơi tương đối.......................................................................16

3. Xác định Nmin theo công thức Fenske ...........................................................18
4. Xác định Rmin theo phương pháp đơn giản hóa Gililand.............................19
5. Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R .......................................21
PHẦN 3: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG .................................................................22
PHẦN 4: TÍNH TOÁN SƠ BỘ THIẾT BỊ CHÍNH ................................................24
1. Tính sơ bộ đường kính mâm. ........................................................................24
1.1. Diện tích mâm. ........................................................................................24
2


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

1.2. Đường kính tháp. ....................................................................................26
2. Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa. ....................................................................................27
2.1. Số đường đi của lỏng trên mâm. ............................................................27
2.2. Khoảng cách giữa 2 mâm. ......................................................................27
2.3. Các kích thước khác................................................................................27
2.4. Bước lỗ .....................................................................................................27
2.5. Sắp xếp kênh chảy truyền .......................................................................28
2.6. Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền. ............28
3. Tổng kết sắp xếp mặt đĩa. ..............................................................................29
4. Kiểm tra chế độ làm việc của tháp. ...............................................................29
4.1. Kiểm tra sặc đĩa. ......................................................................................29
4.2. Kiểm tra khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng .....................30
4.3. Kiểm tra chế độ làm việc trên mâm. .......................................................31
4.4. Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền. ...................................32
4.5. Trở lực của mâm. ....................................................................................33
4.6. Kiểm tra chiều cao mực lỏng trong kênh chảy truyền. .........................34

4.7. Kiểm tra rò rỉ của lỏng qua lỗ.................................................................35
4.8. Kiểm tra mức độ kín của kênh chảy truyền. ..........................................35
5. Hiệu suất và chiều cao tháp. .........................................................................36
5.1. Hiệu suất tháp: ........................................................................................36
5.2. Chiều cao tháp: .......................................................................................36
6. Tính toán cơ khí cho tháp. ............................................................................37
6.1. Bề dày thân tháp. .....................................................................................37
6.2. Bề dày đáy nắp thiết bị. ...........................................................................39
6.3. Đường kính các ống dẫn-Bích ghép các ống dẫn. ................................40
6.4. Tính toán trụ đỡ tháp. .............................................................................45
PHẦN 5:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ..................................................................47
3


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh. ................................................................47
2. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp.............................................................................52
3. Bơm nhập liệu................................................................................................57
LỜI KẾT ..................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................61

4


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nƣớc ta nói riêng
và thế giới nói chung,đó là ngành công nghiệp hóa chất. Các hóa chất ngày càng đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong đời sống,sản xuất và trong công nghiệp.Có thể kể đến đó là
Xylene với các ứng dụng nhƣ: làm dung môi,sản xuất nhựa PET,sợi Polyester....
Xylene đƣợc sản xuất chủ yếu trong công nghiệp Lọc-Hóa dầu.Đi từ các phân đoạn dầu
mỏ,trải qua các quá trình phản ứng và chƣng tách sẽ thu đƣợc hỗn hợp Xylene mong
muốn.
Nội dung của đồ án là thiết kế tháp RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với
năng suất nhập liệu là 15000 kg/h.
Đồ án sẽ là cơ hội để em có thể vận dụng các kiến thức đã học,cũng nhƣ rèn luyện tƣ duy
và nâng cao khả năng giải quyết vấn đề.Đây là bƣớc đầu để em có thể tiếp cận với thực tế
và tập các kỹ năng cơ bản để trở thành một ngƣời Kỹ sƣ.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bộ môn Quá trình và Thiết bị,đặc biệt là Thầy Tạ
Đăng Khoa đã tận tình hƣớng dẫn để em có thể hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình hoàn thành đồ án không thể tránh khỏi sai sót,em rất mong quý thầy cô
góp ý,chỉ dẫn.

5


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

PHẦN 1:TỔNG QUAN
1. Giới thiệu về công nghiệp thu hồi Xylene từ Reformate.
1.1. Tính chất và vai trò của Xylene .
 Xylene , hay còn gọi xylol hoặc dimethylbenzene là một hydrocarbon thơm hỗn

hợp gồm một benzen nhân với hai nhóm methyl ở vị trí thay thế
khác nhau. Ba đồng phân của xylen có công thức phân tử C8H10. Hỗn hợp này là
một chất lỏng không màu hơi nhờn thƣờng gặp phải nhƣ một dung môi. Xylene
lần đầu tiên đƣợc phân lập và đặt tên vào năm 1850 bởi nhà hóa học ngƣời
Pháp Auguste.
 Các tính chất vật lý của Xylene:
Bảng Tính chất vật lý của Xylene
Các tính chất
Khối lƣợng phân tử
Tỉ trọng
Nhiệt độ sôi
Nhiệt độ nóng chảy

o-Xylene
106 g/mol
0,88 g/ml
144 oC
-25 oC

m-Xylene
106 g/mol
0,86 g/ml
139 oC
-48 oC

p-Xylene
106 g/mol
0,86 g/ml
138 oC
13 oC

Độ hòa tan
Độ nhớt (20 oC)

Không
0,812 cP

Không
0,62 cP

Không
0,34 cP

 Ứng dụng:
 Axit terephthalic và các dẫn xuất liên quan:
P -Xylene là tiền chất chính để tổng hợp terephthalic axit và dimethyl terephthalate, cả
hai monome đƣợc sử dụng trong việc sản xuất polyethylene terephthalate (PET) chai
nhựa và polyester quần áo. 98% của p sản xuất -xylene, và một nửa trong số tất cả xylene
sản xuất đƣợc tiêu thụ theo cách này.
 Ứng dụng dung môi:
Xylene dung môi thƣờng có chứa một tỷ lệ phần trăm nhỏ của ethylbenzene. Giống nhƣ
các đồng phân cá nhân, hỗn hợp là không màu, có mùi thơm, và rất dễ cháy. Lĩnh vực áp
dụng bao gồm in, cao su, và da công nghiệp. Nó là một thành phần phổ biến của mực in,
cao su, và chất kết dính. Trong nha khoa, xylene có thể đƣợc sử dụng để hòa tan gutta
percha, một loại vật liệu đƣợc sử dụng cho nội nha (điều trị tủy răng). Trong ngành công
nghiệp dầu khí, xylene cũng là một thành phần thƣờng xuyên của các dung môi parafin,
khi sử dụng các ống trở nên cồng kềnh với sáp paraffin.

6

Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

 Sử dụng phòng thí nghiệm:
Xylene đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm để làm cho để làm mát đựng phản ứng.
Xylene còn đƣợc sử dụng để loại bỏ dầu hỏa từ kính hiển vi khô trƣớc khi nhuộm. Sau
khi nhuộm, kính hiển vi đƣợc đặt trong xylen trƣớc khi gắn với một bao ngoài.
 Độc tính:
Các tác dụng chính của hít phải khí xylen là trầm cảm của hệ thần kinh trung ƣơng
(CNS), với các triệu chứng nhƣ đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và ói mửa. Tại một tiếp
xúc của 100ppm, ngƣời ta có thể cảm thấy buồn nôn hoặc đau đầu. Tại một tiếp xúc giữa
200-500ppm, các triệu chứng có thể bao gồm cảm giác "cao", chóng mặt, yếu, dễ bị kích
thích, nôn, giảm thời gian phản ứng.
1.2. Quá trình Reforming xúc tác.
 Quá trình Reforming xúc tác bao gồm các phản ứng biến đổi cấu trúc của phân
tử Hydrocacbon từ mạch thẳng sang mạch nhánh.Từ cấu trúc vòng no sang
cấu trúc thơm.
 Đối với công nghiệp sản xuất Benzen,Toluen và Xylene. Các vòng thơm đƣợc
tạo ra từ Qúa trình Reforming xúc tác với nhập liệu là phân đoạn Naptha nặng
( chứa chủ yếu là các vòng no Napthene).
 Quá trình xảy ra ở nhiệt độ từ 500-525oC
 Xúc tác sử dụng thƣờng là tâm kim loại Pt trên nền chất mang Alumina.
1.3. Thu hồi Xylene từ dòng Reformate.
 Dòng Reformate ngoài chứa chủ yếu Benzen,Toluen và hỗn hợp Xylene sẽ
còn lẫn Parrafin,Cyclo Paraffin,Olefins,cặn nhựa,cốc.... Vì vậy,dòng
Reformate sẽ đƣợc đƣa qua hệ thống trích ly làm sạch. Sử dụng dung môi
thích hợp để thu các cấu tử thơm và loại ra các cấu tử khộng thơm. Dòng
Reformate đƣợc làm sạch sau đó sẽ đƣợc đƣa qua tháp chƣng cất để thu hồi

Xylene.
2. Giới thiệu về phương pháp chưng cất đa cấu tử.
2.1. Khái niệm về chưng cất.
-

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng nhƣ

hỗn hợp khí-lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác

7


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

nhau). Thay vì đƣa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha
nhƣ trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chƣng cất pha mới đƣợc tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngƣng tụ.
-

Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử và thƣờng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu đƣợc

bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì khi đó quá trình chƣng cất sẽ
cho:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) và một
phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé.
 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn) và một
phần rất ít cấu tử có độ bay hơÁp suất làm việc: Chƣng cất áp suất thấp, áp suất

thƣờng và áp suất cao. Nguyên tắc của phƣơng pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi
của các cấu tử, nếu cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn
hợp có nhiệt độ sôi quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của
các cấu tử.
-

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
 Áp suất làm việc: Chƣng cất áp suất thấp, áp suất thƣờng và áp suất cao. Nguyên
tắc của phƣơng pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu cấu tử của
hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao thì
ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chƣng đơn giản) và bán liên tục.
 Chƣng cất đơn giản (gián đoạn): phƣơng pháp này đuợc sử dụng trong
các trƣờng hợp sau:
 Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

8


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

 Chƣng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình đƣợc thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
 Chƣng bằng hơi nƣớc trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất
khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thƣờng đƣợc áp dụng trong

trƣờng hợp chất đƣợc tách không tan trong nƣớc.
Như vậy, đối với hệ: Benzene, Toluene,Xylene: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng nồi đun
2.2. Sơ lược về tính toán chưng cất đa cấu tử.
 Từ khi có các máy tính với cấu hình mạnh, nhiều mô hình có độ phức tạp cao
dùng để mô phỏng chính xác tháp chƣng luyện đã đƣợc phát triển. Hầu hết các
mô hình này đều đƣợc xây dựng dựa vào khái niệm đĩa lý thuyết [Thiele –
Geddes,1993]. Tuy nhiên, quan điểm về số đơn vị chuyển khối ngày càng trở nên
quan trọng và đƣợc chú ý phát triển nhiều hơn trong những năm gần đây
[Krishana-Murthy và Taloa, 1985; Taylor và các cộng sự, 1993; Gorak, 1990].
Trong mô phỏng chính xác của tháp chƣng luyện đều phải tiến hành các thông số
nhiệt động của tháp. Các kết quả nhận đƣợc khi mô phỏng tháp chƣng luyện sẽ là
sự phụ thuộc của phân bố nồng độ của từng cấu tử, của phân bố nhiệt độ và của
lƣu lƣợng dòng lỏng và dòng hơi trong tháp vào số bậc cân bằng (đĩa lý thuyết).
 Để mô phỏng chính xác tháp chƣng luyện, các tác giả [Wang và Henke 1966,
Holland 1963, Goldstein và Stanfield 1970, Naphtail và Sandholm 1971, Block
và Hegner 1976 và 1977] đã có những đóng góp rất quan trọng trong việc xây
dựng các mô hình chính xác của tháp chƣng luyện. Cho tới thời điểm hiện tại,
các mô hình tháp đƣợc phát triễn chỉ khác nhau trong việc sử dụng các phƣơng
pháp tính lặp và cụ thể là trong việc chọn các biến lặp.
 Mô phỏng chính xác tháp chƣng luyện nhiều cấu tử về mặt toán học là rất phức
tạp. Vì vậy, việc tự viết các phƣơng trình tính tháp theo mô hình trên sẽ gặp
nhiều khó khăn. Một số công ty đã phát triễn các phần mềm mô phỏng tháp
chƣng luyện nhƣ công ty Aspen, Science Simulation, Process, Design 2000…
 Để tính tháp chƣng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử, mặc dù hiện tại có nhiều chƣng
trình tính trên máy tính có thể đƣa ra các kết quả chính xác, nhƣng một số
phƣơng pháp tính gần đúng tháp chƣng luyện hỗn hợp vẫn có ích và vẫn tiếp tục
đƣợc sử dụng vì một số lý do:

9

Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

+Do các số liệu về cân bằng pha cũng nhƣ các số liệu về enthalpy không có đƣợc
độ chính xác đủ cao, vì vậy nếu sử dụng các phƣơng pháp tính chính xác, nhƣng
kéo dài trên máy tính cũng không chắc nhận đƣợc các kết quả chính xác.
+Các phƣơng pháp tính gần đúng cho phép tính nhanh và ít tốn kém, vì vậy bằng
các phƣơng pháp này sẽ dễ dàng xác định đƣợc vùng tối ƣu của các thông số của
tháp và tiếp theo có thể khảo sát vùng này bằng các phƣơng pháp tính chính xác
trên máy tính.
Trong phạm vi đồ án này, chúng ta sử dụng cách tính gần đúng cùng với sự hỗ trợ của
công cụ mô phỏng HYSYS 2006
2.3. Lựa chọn thiết bị chưng cất.
 Trong sản xuất thƣờng sử dụng rất nhiều loại tháp nhƣng chúng đều có một yêu
cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lƣu chất này vào lƣu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta
có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp
phun, tháp phun…
 Tháp chƣng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thƣờng
đƣợc ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Lớn và phức tạp là các tháp dùng
để chƣng cất các dung môi, không khí lỏng và công nghiệp hóa chất nói chung.
Tùy theo năng suất đƣờng kính tháp có thể từ 0,3 m đến hơn 9m, số mâm có thể từ
vài mâm đến rất nhiều. Khoảng cách mâm có thể từ 150mm hay ít hơn đến khoảng
1m. Tháp có thể hoạt động ở áp suất cao hay thấp. Hỗn hợp đƣợc chƣng cất có thể
thay đổi rất nhiều về độ nhớt, hệ số khuếch tán, tính ăn mòn, khuynh hƣớng tạo
bọt và tính phức tạp của nồng độ. Tháp mâm đều sử dụng đƣợc cho cả quá trình
chƣng cất và hấp thu.

-

Tháp đĩa: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo

khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi
đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:

 Tháp đĩa chóp : trên đĩa bố trí có chép dạng:tròn, xú bắp, chữ s…
 Tháp đĩa xuyên lỗ: trên đĩa bố trí các lỗ có đƣờng kính (3-12) mm.

10


Đồ án Quá trình và thiết bị

-

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích

hay hàn. Vật chêm đƣợc cho vào tháp theo một trong hai phƣơng pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự.
Bảng 0.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp.

Đơn giản

Hiệu suất tƣơng đối cao.
Hoạt động khá ổn định.

Hiệu suất cao

Ưu điểm:
Trở lực thấp
Nhược
điểm:

Hiệu suất
thấp
Độ ổn định
kém
Thiết bị
nặng

Hoạt động ổn định
Làm việc với chất lỏng bẩn
Trở lực khá cao

Cấu tạo phức tạp

Yêu cầu lắp đặt khắt khe 
lắp đĩa thật phẳng

Trở lực lớn
Không làm việc với chất

lỏng bẩn

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp mâm chóp.
Nên ta chọn tháp chƣng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Benzene-Toluene--Xylene ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
3. Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi Xylene từ dòng Reformate:
Dòng Naptha bao gồm chủ yếu là Cyclo Paraffin từ C6-C8 đƣợc đƣa vào cụm phản
ứng Reforming (1). Tại đây sẽ diễn ra quá trình khử Hydro và tái cấu trúc lại các
phân tử Hydrocacbon để tạo ra các vòng thơm (Aromatic). Dòng ra cụm phản ứng
Reforming sẽ đƣợc đƣa qua tháp trích ly (6).Tại tháp (6),dung môi hữu cơ đƣợc
đƣa từ trên xuống,sẽ lôi cuốn các phân tử vòng thơm ( Aromatic) xuống phía
đáy,tạo thành dịch chiết,trong khi phần raffinate phía trên chủ yếu chứa các
Parrafin chƣa phản ứng,cặn nhựa..... Dòng ra tháp trích ly sẽ tiếp tục đƣợc đƣa qua
thiết bị tái sinh dung môi,tại đây,Aromatic sẽ đƣợc cho bay hơi hoàn toàn,sau đó
dẫn qua thiết bị ngƣng tụ và đƣợc bơm vào tháp chƣng cất mâm xuyên lỗ RSU (4).
Tháp RSU chƣng cất thu Xylene chiếm 99,5% khối lƣợng ở đáy,trong khi ở đỉnh

11


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

lƣợng Xylene chiếm 1,5 % khối lƣợng trong hỗn hợp với Benzen và Toluen. Dòng
ra ở đỉnh tháp RSU đƣợc đƣa qua thiết bị ngƣng tụ (2) để ngƣng tụ hoàn toàn,một
phần sẽ đƣợc dùng làm sản phẩm đỉnh,một phần hoàn lƣu lại tháp.Ở đáy đƣợc gia
nhiệt bằng nồi đun ống chùm ,sử dụng hơi nƣớc bảo hòa ở 10 atm để cấp nhiệt.

12


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

PHẦN 2:CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. Cân bằng vật chất:
1.1. Các số liệu ban đầu.
Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp:
Cấu tử
kg/h
% khối lƣợng
Benzen (C6H6)
4076,28
27,17
Toluen (C7H8)
3778,44
25,2
P-xylen (C8H10)
2957,4
19,71
M-Xylen (C8H10)
1939,8
12,93
O-Xylen (C8H10)
2268,08
14,99
TỔNG

15000
100

Phân tử khối
78
92
106
106
106
92.63

Tỉ lệ mol
0,325
0,255
0,174
0,114
0,132
1

kmol/h
52,26
41,07
27,9
18,3
21,21
160,74

Suất lƣợng nhập liệu: 15 tấn/h
Yêu cầu:
Hàm lƣợng Toluen trong sản phẩm đáy nhỏ hơn 0,5 % khối lƣợng

Hàm lƣợng hỗn hợp xylene trong sản phẩm đỉnh nhỏ 1,5 % khối lƣợng

1.2.

Các quy ước về ký hiệu.

F : suất lƣợng kmol nhập liệu (kmol/h)
mF : suất lƣợng khối lƣợng nhập liệu (kg/h)
D : suất lƣợng kmol sản phẩm đỉnh (kmol/h)
mD : suất lƣợng khối lƣợng sản phẩm đỉnh (kg/h)
W : suất lƣợng kmol sản phẩm đáy (kmol/h)
mW : suất lƣợng khối lƣợng sản phẩm đáy (kg/h)
xF (i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong nhập liệu
xD(i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đỉnh
xW (i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đáy
mA(i) : Suất lƣợng khối lƣợng của cấu tử i tại vị trí A (Nhập liệu,Đỉnh hay Đáy) .i
có thể là B(Benzen),T(toluen),P(para-xylene),M(metha-Xylene),O(ortho-xylene).
A có thể là (F,D,W). (kg/h)
1.3.

Cân bằng vật chất-Xác định thành phần các cấu tử.

-Từ yêu cầu đề bài Xylene ở đỉnh phải nhỏ hơn 1,5% khối lƣợng và Toluen ở đáy
phải nhỏ hơn 0,5% khối lƣợng. Nên để đảm bảo ta độ tinh khiết mong muốn ta có

13


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

thể chọn thành phần Xylene ở đỉnh là 1,1% khối lƣợng; thành phần Toluen ở đáy
là 0,43% khối lƣợng.
-Ngoài ra,ta cần đặt thêm các giả thuyết:
+Do độ bay hơi của Benzen là lớn hơn đáng kể so với hỗn hợp Xylene nên
ta coi nhƣ Benzen đƣợc lấy ra hoàn toàn ở đỉnh => mD(B) = mF(B)=4076,28 hay
mW(B)=0.
+ Vì độ thu hồi hỗn hợp Xylene ở đáy cao (99.5 % khối lƣợng). Nên ta coi
nhƣ tỷ lệ giữa các cấu tử trong hỗn hợp xylene ở đáy gần bằng tỷ lệ giữa các cấu
tử trong hỗn hợp xylene nhập liệu.
Từ bảng thành phần nhập liệu ta có tỷ lệ giữa các cấu tử trong hỗn hợp xylene:
mF (P) : mF(M) : mF(O)  0,41 : 0,27 : 0,32
 mW (P) : mW(M) : mW(O)  0,41 : 0,27 : 0,32
 Phƣơng trình cân bằng vật chất cho Benzen và Toluene:

 mD ( B)  mD (T)
 1  0, 011  0,989

mD

 mW (T )
 0, 0043
 m
 W
mD (T )  mW (T )  mF (T )  3778, 44

mD  mW  mF  15000
Ta có mD(B) = mF(B) =4076,28 kg/h => ta giải hệ 4 phƣơng trình để tìm 4 ẩn
mD(T); mW(T) ; mD và mW

mD (T )  3747,95(kg / h)
m (T )  30, 49(kg / h)
 W

mD  7911, 26(kg / h)

mW  7088, 73(kg / h)
 Phƣơng trình cân bằng vật chất cho hỗn hợp Xylene:
+ Ở đáy:

14


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

 mW ( P) 0, 41
 m ( M )  0, 27
 W


 mW ( P ) 0, 41


m
(O)
0,32
 W



mW (P)  mW (M)  mW (O)  mW  mW (T )  7058, 24


mW (P)  2893,88(kg / h)

 mW (M)  1905, 72(kg / h)
m (O)  2258, 64(kg / h)
 W
+ Ở đỉnh :

mD (P)  2957, 4  2893,88  63,52(kg / h)

 mD (M)  1939,8  1905, 72  34, 08(kg / h)
m (O)  2268, 08  2258, 64  9, 44(kg / h)
 D
Tóm tắt bảng phân bố nồng độ dự kiến:
cấu tử

Nhập liệu

Sản phẩm đỉnh

Sản phẩm đáy

kmol/h
52,26

tỉ lệ mol

kmol/h

tỉ lệ mol

kmol/h

Benzen

tỉ lệ mol
0,325

0,56

52,26

0

0

Toluen

0,255

41,07

0,43

40,74

0,005

0,33

P-xylen

0,174

27,9

0,006

0,6

0,409

27,3

M-Xylen

0,114

18,3

0,003

0,32

0,269

17,98

O-Xylen

0,132

21,21

0,001

0,089

0,317

21,121

TỔNG

1

160,74

1

94,01

1

66,73

15


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

2. Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết:
2.1. Chọn cấu tử khóa.
Toluen (C7) là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ
P-Xylene (C8) là cấu tử khóa nặng: j nặng
2.2.

Tính độ bay hơi tương đối.

Ta cần tính độ bay hơi tƣơng đối của các cấu tử trong hỗn hợp tƣơng ứng với 3
vị trí của tháp chƣng: đỉnh tháp (αiD), đáy tháp (αiW), nhập liệu (αiF)
Từ đó ta tính độ bay hơi tƣơng đối trung bình:  i  3  i D iW  iF
+ Ta chọn nhiệt độ và áp suất tại đỉnh và đáy tháp một cách phù hợp để tra hằng số cân
bằng pha K và tính a.Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 2006 kết quả đƣợc cho ở các
bảng sau:
 Đỉnh tháp: ở nhiệt độ : 97oC

; áp suất :1 atm

Cấu tử

yi=xiD

Ki

xi=yi/ki

aiD = Ki/Kj nặng

Benzene

0.5573

1.34

0.415895522

5.114503817

Toluene

0.4339

0.792

0.547853535

3.022900763

p-xylene

0.005

0.262

0.019083969

1

m-xylene

0.003

0.257

0.011673152

0.980916031

o-xylene

0.0008

0.227

0.003524229

0.866412214

Tổng

1

0.998030408

 Đáy tháp:ở nhiệt độ : 164oC
Cấu tử
Benzene
Toluene
p-xylene
m-xylene
o-xylene
Tổng

xw
0
0.005
0.4082
0.2677
0.3191
1

Ki
3.761
1.945
1.031
1.026
0.9242

; áp suất 1,5 atm
yi=Ki*xw
0
0.009725
0.4208542

0.2746602
0.29491222
1.00015162

aiW = Ki/Kj nặng
3.647914646
1.886517944
1
0.995150339
0.896411251

16


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

 Nhập liệu:
Giả thiết phần trăm bay hơi: L+V=1 (L: lƣợng lỏng còn lại, V: lƣợng
pha hơi cần làm bốc hơi)
Nếu ta gọi Zi là nồng độ ban đầu của hỗn hợp , xi và yi là nồng độ cấu tử
i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng thì:
Zi  xi L  yiV  xi (1  V )  yiV  xi 1  V ( Ki  1)

Suy ra: xi 

Cấu tử
Benzene
Toluene

p-xylene
m-xylene
o-xylene
Tổng

Zi
0.3251247
0.2555085
0.1735741
0.1138497
0.1319431
1

 p.27, 2

Zi
1  V ( Ki  1)

Ki
1.906
0.8754
0.4091
0.4056
0.3594

xi
0.251146327
0.266296293
0.214850286
0.141122082

0.166652608
1.040067595

a = Ki/Kj nặng
4.659007578
2.139819115
1
0.991444635
0.878513811

 Độ bay hơi tƣơng đối trung bình của các cấu tử:
CẤU TỬ
Benzene
Toluene
p-xylene
m-xylene
o-xylene

aiD

aiW

aiF

aiTB

5.114503817
3.022900763
1
0.980916031

0.866412214

3.647914646
1.886517944
1
0.995150339
0.896411251

4.659007578
2.139819115
1
0.991444635
0.878513811

4.429763401
2.302257861
1
0.98915192
0.880359698

17


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

3. Xác định Nmin theo công thức Fenske
Số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin tƣơng ứng trong trƣờng hợp hồi lƣu toàn
phần. Đối với hệ 2 cấu tử, đại lƣợng Nmin có thể xác định dễ dàng bằng đồ thị. Nói

chung, trong mọi trƣờng hợp đều có thể sử dụng công thức Fenske để xác định số
bậc biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin . Trong đồ án này ta xét công thức Fenske cho
hệ nhiều cấu tử:

N min

x x
lg  iD . jW
 x jD xiW
 
lg  i





 p.45,  2

Ta sử dụng công thức Fenske để xác định Nmin và kiểm tra giả thiết phân bố nồng
độ ở đỉnh tháp và đáy tháp
Gọi a (mol) là số mol của p-xylene trong sản phẩm đỉnh tháp,ta có bảng:
Thành phần
Benzen
Toluen
p-Xylene
m-xylene
o-xylene
Tổng

Nhập liệu (kmol)

52,26
41,07
27,9
18,3
21,2
160,74

Đỉnh (kmol)
40,74
a
18,3-0,66.(27,9-a)
-

Đáy (kmol)
0,33
27,9-a
0,66.(27,9-a)
-

Áp dụng công thức Fenske cho 2 cấu tử khóa Toluen và P-xylene:

40, 74 27,9  a

)
0,33
a
lg(2.302257861)

lg(
N min 

(1)

Tƣơng tự ta áp dụng công thức Fenske cho 2 cấu tử Toluen và m-xylene:

lg(
N min 

40, 74
0, 66.(27,9  a)

)
0,33 18,3  0, 66.(27,9  a)
(2)
2,302257861
lg(
)
0,98915192

Từ (1) và (2) ta giải ra đƣợc a0,6 và Nmin  10,43
Từ Nmin và a đã tính đƣợc ta tiếp tục tính phân bố nồng độ của các cấu tử còn lại.
Kết quả phân bố nồng độ tính toán đƣợc cho ở bảng:

18


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

Nhập liệu

Cấu tử

Sản phẩm đỉnh

Sản phẩm đáy

kmol/h
52,26

tỉ lệ mol

kmol/h

tỉ lệ mol

kmol/h

Benzen

tỉ lệ mol
0,325

0,56

52,26

0

0

Toluen

0,255

41,07

0,43

40,74

0,005

0,33

P-xylen

0,174

27,9

0,006

0,6

0,409

27,3

M-Xylen

0,114

18,3

0,003

0,32

0,269

17,98

O-Xylen

0,132

21,21

0,001

0,089

0,317

21,121

TỔNG

1

160,74

1

94,01

1

66,73

Sự sai khác với giả sử phân bố nồng độ ban đầu không lớn lắm , vẫn đảm bảo yêu
cầu đầu bài, do đó số liệu tính toán nồng độ này đƣợc sử dụng tính toán phần sau
Trên đây ta xác định Nmin cho tháp chƣng. Ta cũng có thể tính số bậc biến đổi
nồng độ tối thiểu nmin cho đoạn luyện và mmin cho đoạn chƣng của tháp bằng công
thức Fenske.

lg(
 Đoạn luyện:

nmin 

lg(  iD   F

lg(
 Đoạn chƣng: mmin 

xiD x jF


)
x jD xiF

xiF x jW

)
x jF xiW

lg(  iF  W

 4,1

 6,9

Vậy số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu cho đoạn luyện nmin= 4 và số bậc biến đổi
nồng độ tối thiểu cho đoạn chƣng mmin= 7 (kể cả nồi đun đáy tháp).
4. Xác định Rmin theo phương pháp đơn giản hóa Gililand.
-Trong chƣng cất hệ nhiều cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phƣơng pháp tính tỷ
số hồi lƣu tối thiểu Rmin trong đó đã nêu lên đƣợc một số vấn đề sau:
-Việc hồi lƣu các cấu tử khóa là cơ sở chính yếu cho việc tính toán
-Việc hồi lƣu các cấu tử nhẹ và nặng vẫn có tác dụng trực tiếp lên toàn hỗn hợp,
do đó tính toán bổ sung dƣới dạng các đại lƣợng hiệu chỉnh
-Trạng thái nhập liệu ứng với hai trƣờng hợp biên nhƣ sau:
-Nhập liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên không phải hoàn toàn lỏng vì có các cấu tử
nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi.

19


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

-Nhập liệu ở trang thái hơi: cũng không phải bay hơi hoàn toàn mà các cấu tử nặng
hơn các cấu tử khóa nặng không bay hơi.
-Các trƣờng hợp nhập liệu biên sẽ cho các chỉ số hồi lƣu tối thiểu tƣơng ứng và từ
đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lƣu tối thiểu bất kì tƣơng ứng với trạng
thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên kể trên.J.C.Maxwell đã biến đổi đơn
giản hóa các công thức gilliland và cuối cùng đã đƣa ra công thức tính hồi lƣu tối
thiểu Rmin ở dạng sau :

 inang
 ( l )  1  x 
 

Rmin  1   j j nhe   jD   x jnangD     inhe  xinheD  linhe .x jnangD     


 inhe   inhe  1
 inang   jnhe  inang
  jnang  1   l j nhe

Cấu tử

Nhập liệu lỏng sôi
% bay hơi li

inhe

Z

inhe

 x jnheD

 xinangD  


 linang
 

Nhập liệu dạng hơi
% bay hơi
li

Zinhe
 inhe .Z jnang

linhe 

Z jnhe

jnhe

l jnhe 

iV

liV 

Z iV
Z jnang

iL

liL 

Z jnhe

jnang

-

inang

linang 

Z jnang

Z jL

100   Zinang

linhe 

Zinhe
 inhe .Z jnang

l jnhe 

Z jnhe

 inhe Z jnang

liV 

ZiV
 inhe .Z jnang

liL 

 iV .Z jnhe
 jnhe Z jL

-

Z jnhe
Zinang

linang 

Z jnhe
Zinang

Trong đó:
o Zi : nồng độ câu tử i trong hỗn hợp ban đâu
o αi: độ bay hơi tƣơng đối trung bình của cấu tử i so vói cấu tử khóa nặng
o iV,iL: cấu tử trung gian nặng và trung gian nhẹ
Ta có bảng :

20


Đồ án Quá trình và thiết bị

Nhập liệu lỏng sôi
cấu tử
i nhẹ
Benzene
j nhẹ
Toluene
j nặng
p-xylene
i nặng
m-xylene
i nặng
o-xylene

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

% bay hơi

0.325124749

Tính li
0.402042334
1.277622236
2.244262295
1.936505818

Nhập liệu dạng hơi
% bay hơi
Tính li
0.402042334
0.687928713
0.754207296 2.244262295
1.936505818

Từ các số liệu trên ta tính Rmin=0,9
5. Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R
Ta chọn trƣớc chỉ số hoàn lƣu R=1,1
Dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ  ( N ) và  ( R )  p.43,  2 ,
Suy ra: N=24,9
Gọi n và m là số bậc biến đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chƣng ta có:

nmin
n nmin


n

N
 10
 Đoạn luyện:
N N min
N min
 Đoạn chƣng:

m
m mmin


 m  N min  16
N N min
N min

21


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

PHẦN 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG



Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất:

Phƣơng trình cân bằng năng lƣợng: QF  QC  QD  QW  Qng  Qm
 Nhiệt lƣợng do dòng nhập liệu mang vào tháp QF:
QF  F .CF .t F  357996,346 kJ / h

 F  160, 74kmol / h

Với tF  120 C
C  18,56 kJ / kmol.C
 F

 Nhiệt lƣợng của dòng hơi sản phẩm mang ra tháp QD:
QD  D.CD .t D  143295, 3 kJ / h

 D  94, 01 kmol / h

Với tD  96,97 C
C 15, 72kJ / kmol.C
 D

 Nhiệt lƣợng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp QW:
QW  W.CW .tW  2555254, 046 kJ / h

 W  66, 73 kmol / h

Với tW  163, 23 C
C  233,9kJ / kmol.C
 W

 Nhiệt lƣợng do ngƣng tụ hơi ở đỉnh Qng:
Qng  (R  1).D.rD  2,1.D.rD  6796703,9 kJ / h

 Nhiệt lƣợng mất mát: Qm=0,05QC
 Nhiệt lƣợng cung cấp cho nồi đun hơi đáy tháp QC:
0,95QC  QD  QW  Qng  QF  QC  9618165, 2 kJ / h

 Lƣợng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp mh:
mh 

QC
 4646 kg / h
rhd

Với: rhd là Ẩn nhiệt ngƣng tụ của hơi nƣớc bão hòa ở điều kiện đã cho rhd=
2070 kJ/kg
 Lƣợng nƣớc cần thiết để ngƣng tụ hơi ở đỉnh:
Chọn nhiệt độ nƣớc vào :25 độ C
Chọn nhiệt độ nƣớc ra : 40 độ C

22


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

Nhiệt dung riêng của nƣớc : 4,18 kJ/kg.K
Ẩn nhiệt ngƣng tụ hơi ở đỉnh rD= 375 kJ/kg


Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ:

(R  1).D.MtbD .rD  mH2O .(40  25).4,18
Suy ra:
Lƣợng nƣớc cần dùng cho thiết bị ngƣng tụ là 99526 kg/h

23


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

PHẦN 4: TÍNH TOÁN SƠ BỘ THIẾT BỊ CHÍNH

1. Tính sơ bộ đường kính mâm.
1.1. Diện tích mâm.
Phƣơng pháp thƣờng dùng để tính toán là phƣơng pháp sử dụng phƣơng trình để
xác định chế độ sặc đĩa chỉ do lỏng bị cuốn theo hơi. Theo phƣơng trình Souders
Brown có thể xác định đƣợc tốc độ sặc thông qua hằng số mâm CSB. Ở đây ta sẽ
sử dụng phƣơng trình Kister – Hass :
CSB

  .d h2 
 0,144. 

 L 

0.125

0.1

    TS 
. G  . 
  L   hcl 

0.5

Với :
CSB : Hệ số sặc trong phƣơng trình Souders – Brown , ft/s
dh: Đƣờng kính lỗ, in.
σ: Sức căng bề mặt, dyne/cm.
TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in.

hcl: Chiều cao lớp chất lỏng ở chế độ chuyển tiếp từ chế độ lớp bọt sang chế độ tia
và đƣợc tính theo công thức

62, 2 10.5
h

h
.(
) n
 cl
H 2O
L
d

voi n  0, 0231 h

0.791 0.833
Af
h  0, 29. Af .d h
H
O
 2
1  0, 0036.QL0.59 . Af 1.79


QL: tải trọng lỏng ft3/s
Af: Phần diện tích lỗ trên phần diện tích sục khí
Để tính toán CSB ta đặt các giả thuyết ban đầu sau:
o Đƣờng kính lỗ: dh =0,75 in
o Khoảng cách mâm: TS = 24 in

o Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm: hcl = 1,5 in
 Đoạn luyện:
CSB

Với

 0, 752.19,19 
 0,114. 

54, 4



0,125

0,1

 0, 22   24 
.
 .

 54, 4   1,5 

0,5

 0, 215 ft / s

 luyen  19,19 dyne / cm

3

  L  53, 4 lb / ft

3
 V  0, 22 lb / ft

24


Đồ án Quá trình và thiết bị

GVHD: Ths.Tạ Đăng Khoa

 Đoạn chƣng:
CSB

Với

 0, 752.14,55 
 0,114. 

 54,35 

0,125

0,1

 0,34   24 
.
 .


 54,35   1, 5 

0,5

 0, 217 ft / s

 luyen  14,55 dyne / cm

3
  L  54,35 lb / ft

3
 V  0,34 lb / ft

Công thức tính tốc độ sặc:
U S , ft  CSB

 L  G
G

U S , ft  CSB

 L  G
 3,34 ft / s
G

U S , ft  CSB

 L  G
 2, 74 ft / s

G

 Đoạn luyện:

 Đoạn chƣng:

Diện tích sục khí thực của tháp AN : Giả thiết tháp thiết kế làm việc tại điểm 80%
tốc độ sặc đĩa đế đảm bảo an toàn cho tháp.
AN 

CFS
SF .0,8.U S , ft

Với tháp chƣng luyện, hệ số giảm tốc SF = 0,7 đối với đoạn luyện và SF = 0,7 đối
với đoạn chƣng, ta có :
 Đoạn luyện: CFS=40,77 ft3/s
AN 

CFS
40, 77

 21, 79 ft 2
SF .0,8.U S , ft 0, 7.0,8.3,34

 Đoạn chƣng: CFS=31,76 ft3/s
AN 

CFS
31, 76


 20, 7 ft 2
SF .0,8.U S , ft 0, 7.0,8.2, 74

 Tính diện tích chảy truyền lỏng AD :
Để tính sơ bộ diện tích chảy truyền lỏng AD sẽ sử dụng các giá trị tốc độ của lỏng
trong kênh chảy truyền ở bảng 7.5 (p,45, [3]). ]), vì tháp hoạt động ở áp suất
không cao nên theo bảng tốc độ của dòng lỏng trong kênh chảy truyền,ta chọn
chọn tốc độ UD=0,25 ft/s đối với đoạn cất và UD=0,32 ft/s đối với đoạn chƣng . Ở

25