đồ án quá trình thiết bị thầy tạ đăng khoa

1

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

MỤC LỤC

1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về Condensate
1.1.1.

Định nghĩa

Về cơ bản, condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng được tách từ khí đồng hành
hoặc khí thiên nhiên. Thành phần của condensate chủ yếu là hydrocarbon mạch thẳng,
bao gồm pentane và các hydrocarbon nặng hơn (C5+). Condensate có điểm sôi nằm
trong dải điểm sôi của xăng. Tỷ trọng của condensate vào khoảng 80 API.
Cụ thể, condensate còn gọi là khí ngưng tụ hay lỏng đồng hành, là dạng trung gian
giữa dầu và khí có màu vàng rơm. Condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng tỷ trọng
thấp có mặt như thành phần thể khí (người ta thường gọi là phần lỏng ngưng trong
khí) đặc trưng cho phân đoạn C5+. Condensate không chỉ thu được từ quá trình khai
thác dầu mỏ, mà nó còn đươc hình thành khi chất lỏng ngưng tụ, từ dòng khí trong
đường ống. Độ API của condensate từ 50 đến 120. Trong quá trình khai thác dầu và
khí, condensate bị lôi cuốn theo khí đồng hành hay khí thiên nhiên, được ngưng tụ và
thu hồi sau khi qua các bước xử lý, tách khí bằng các phương pháp làm lạnh ngưng
tụ, chưng cất nhiệt độ thấp, hấp thụ bằng dầu. Tính chất của nó thì còn tùy thuộc vào
nguồn, và ứng dụng của nó: trong nhà máy lọc dầu, tùy vào tính chất của condensate,
nếu tốt làm cấu tử pha trộn xăng, nếu xấu thì người ta trộn với dầu thô đi chưng cất
lại.
1.1.2. Thành phần cơ bản của condensate

Thành phần chính của condensate là các hydrocarbon no như pentane, hexane,
heptane... (C5+), ngoài ra còn có các hydrocarbon mạch vòng, các nhân thơm và một
số tạp chất khác.
Condensate được sử dụng chủ yếu để pha chế xăng, dung môi pha sơn, dung môi
trong công nghiệp.

-Trang 1-


Đồ án Quá trình và Thiết bị

2

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Thành phần cơ bản của condensate là các hydrocacbon no có phân tử lượng và tỷ
trọng lớn hơn butan như pentane, hexane, heptane... Ngoài ra còn chứa các
hydrocacbon mạch vòng, các nhân thơm, và một số tạp chất khác. Chất lượng của nó
phụ thuộc vào mỏ khai thác, công nghệ và chế độ vận hành của quá trình tách khí.
1.1.3. Ứng dụng của condensate

Condensate được dùng để chế biến các sản phẩm sau:
- Naphtha: xăng gốc, dùng để pha xăng.
- White spirit: dung môi pha sơn.
- IK (Illuminat kerosene): dung môi, dầu hỏa.
- Diesel oil.
- Fuel oil.
1.2. Lý thuyết về chưng cất
1.2.1.

Phương pháp chưng cất

Khái niệm
-

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như 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 cac cấu tử
khác nhau).

-

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.

-

Quá trình chưng cất đơn giản và quá trình cô đặc có bản chất tương tự nhau, tuy nhiên
có một sự khác biệt đó là đối với quá trình chưng cất cả dung môi và chất tan đều bay
hơi, còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không bay
hơi (nếu có bay hơi thì là điều không mong muốn).

-

Đối với sản phẩm của quá trình chưng cất, thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm.
1.2.2. Thiết bị chưng cất

-Trang 2-


3

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Yêu cầu cơ bản đối với một thiết bị chưng cất đó là diện tích bề mặt tiếp xúc pha
phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào một lưu
chất kia. Ta có hai loại tháp chính:
 Tháp mâm: tháp có thân hình trụ, thẳng đứng, phía bên trong có gắn các mâm tạo điều

kiện cho hai pha tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo ta có các loại mâm sau:
• Mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp (gồm ống hơi và mũ chóp) dạng tròn, vuông.
• Mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hoặc rãnh.
 Tháp chêm (tháp đệm): tháp có thân hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt
bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.
Tương tự như chọn phương pháp chưng cất, khi chọn thiết bị chưng cất cũng cần
tùy thuộc vào điều kiện sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết mà ta chọn
phương pháp cho phù hợp.

Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp.
Tháp chêm

Ưu điểm

Nhược điểm

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất
lỏng bẩn.
- Hiệu ứng thành nên
hiệu suất thấp.
- Độ ổn định thấp khó
vận hành.
- Khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

Tháp mâm xuyên
lỗ
- Trở lực tương đối
thấp.
- Hiệu suất khá
cao.
- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn.
- Kết cấu khá phức
tạp.

Tháp mâm chóp
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao.

- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều vật

tư, kết cấu phức
tạp.

1.3. Thuyết minh quy trình công nghệ
Condensate sau khi qua quy trình xử lý tách các phân đoạn naphtha nhẹ (C8-) sẽ được
trộn với hydro, gia nhiệt và đưa vào thiết bị phản ứng để đi vào giai đoạn reforming
xúc tác. Tại đây sẽ xảy ra phản ứng tạo các aromatic như benzene, toluene, p-xylene và
nhiều loại sản phẩm khác.

-Trang 3-


4

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Sản phẩm sau khi ra khỏi bình phản ứng sẽ được đưa vào thiết bị phân tách hydro.
Phần khí hydro được làm sạch và tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng.
Sau khi phân tách hydro, hỗn hợp còn lại được đưa vào tháp chưng cất phân đoạn để
tách các hydrocacbon nhẹ khỏi pha lỏng trước khi sản phẩm lỏng được đưa đến các
tháp chiết tách phân đoạn giàu hydrocacbon thơm.

-Trang 4-


5

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

2. DỮ LIỆU ĐẦU VÀO VÀ TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Dữ liệu đầu vào
Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng tách LPG từ condensat
Năng suất: 70 tấn/h (theo nhập liệu)
Yêu cầu:
•
•

Thành phần C5+ ở đỉnh không quá 0,01% khối lượng.
Thành phần C4- ở đáy không quá 0,01% khối lượng.

Công cụ hỗ trợ: Sử dụng phần mềm mô phỏng Aspen Hysys V8.8
Phân bố thành phần của nhập liệu cho trong bảng sau:
Bảng 2.1. Phân bố thành phần của nhập liệu
Cấu tử

Lưu lượng
(kmol/h)

Tỉ lệ mol

Tỉ lệ khối
lượng

C2H6 (ethane)

5,3928

0,0042

0,0023

C3H8 (propane)

639,5604

0,4981

0,4029

C4H10 (n-butane)

425,9028

0,3317

0,3536

C5H12 (n-pentane)

106,572

0,0830

0,1099

C6H14 (n-hexane)

106,572

0,0830

0,1312

2.2. Cân bằng vật chất
Từ bảng phân bố nồng độ cấu tử và các thông số đặc trưng của từng cấu tử, tiến
hành tính toán cân bằng vật chất.
Cân bằng cho toàn tháp: gọi D là lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kmol/h, W là lưu
lượng sản phẩm đáy tính theo kmol/h.
Theo yêu cầu tỉ lệ sản phẩm của đề bài ta lập được hệ phương trình sau:

Giải hệ phương trình trên ta được nghiệm như sau:

-Trang 5-


Đồ án Quá trình và Thiết bị

6

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Bảng 2.2. Thành phần sản phẩm đỉnh
Cấu tử
C2 (ethane)
C3 (propane)
C4 (n-butane)

C5 (n-pentane)
C6 (n-hexane)
Tổng

Sản phẩm đỉnh
Lưu lượng
Tỉ lệ mol
(kmol/h)
5,355
0,00500
639,7083
0,59730
425,8724
0,39764
0,0643
0,00006
0,0000
0,00000
1071
1,00000

Tỉ lệ khối lượng
0,00303
0,53095
0,46593
0,00009
0,00000
1,00000

Bảng 2.3. Thành phần sản phẩm đáy

Cấu tử

Sản phẩm đáy
Lưu lượng
Tỉ lệ mol
(kmol/h)

Tỉ lệ khối lượng

C2 (ethane)

0,0000

0,0000

0,00000

C3 (propane)

0,0000

0,0000

0,00000

C4 (n-butane)

0,0213

0,0001

0,00007

C5 (n-pentane)

106,4574

0,4998

0,45551

C6 (n-hexane)

106,5213

0,5001

0,54442

Tổng

213

1,0000

1,00000

2.3. Tính độ bay hơi tương đối
Ta cần phải tính độ bay hơi tương đối của các cấu trong hỗn hợp tương ứng với 3 vị
trí:

-

Đỉnh tháp:

-

Đáy tháp:

-

Nơi nhập liệu:
Từ đó tính ra độ bay hơi tương đối trung bình

-Trang 6-

[1]


7

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Đặt giả thiết áp suất tại đỉnh tháp P đỉnh = 10,7 bar, t = 46,09oC và tại đáy tháp Pđáy =
11,4 bar, t = 147,6oC , ta truy xuất các hệ số cân bằng pha K từ cơ sở dữ liệu của
HYSYS.

Nơi đỉnh tháp
Bảng 2.3. Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại đỉnh tháp

Cấu tử

Nhiệt độ: T = 46,09oC; Áp suất: P = 1070kPa
yi=xiD
Ki
xi=yi/Ki
αiD

C2 (ethane)

0,00500

3,5684

0,0014

18,387

C3 (propane)

0,59730

1,3164

0,4537

6,7830

C4 (n-butane)

0,39764

0,4926

0,8073

2,5381

C5 (n-pentane)

0,00006

0,1941

0,0003

1,0000

C6 (n-hexane)

0,00000

0,0791

0,0000

0,4077

Nơi đáy tháp
Bảng 2.4. Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại đáy tháp.

Cấu tử

Nhiệt độ: T = 147,6oC; Áp suất: P = 1140kPa
xiW
Ki
yi=xiW/Ki
αiW

C2 (ethane)

0,0000

7,3521

0,00000

5,8062

C3 (propane)

0,0000

4,0326

0,00000

3,1846

C4 (n-butane)

0,0001

2,2212

0,00005

1,7541

C5 (n-pentane)

0,4998

1,2663

0,39471

1,0000

C6 (n-hexane)

0,5001

0,7337

0,68166

0,5794

-Trang 7-

8

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Nơi nhập liệu
Nhiệt độ nhập liệu vào tháp : tF = 68oC và PF =11 bar
- Giả thuyết phần trăm bay hơi : L + V = 1 (với L,V lần lượt là lượng pha lỏng và
hơi cần làm bốc hơi)
- Nếu ta gọi Zi là nồng độ ban đầu của cấu tử i trong hỗn hợp, xi và yi là nồng độ
của cấu tử i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng, thì:

Z i = xi .L + yi .V = xi .(1 − V ) + yi .V = xi .[1 + V (K i − 1)]
[1]
→ xi =

Zi
1 + V (K i − 1)

- Tính toán kiểm tra lại, ta có bảng sau:

Bảng 2.5. Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại nơi nhập liệu
Nhiệt độ: T = 68oC; Áp suất: P = 1100kPa
Ki
xi
αiF

Cấu tử

Zi

C2 (ethane)

0,0042

3,517

0,0016

12,388

C3 (propane)

0,4981

1,486

0,3757

5,2342

C4 (n-butane)

0,3317

0,6348

0,4392

2,2360

C5 (n-pentane)

0,0830

0, 2839

0,1596

1,0000

C6 (n-hexane)

0,0830

0,1306

0,1988

0,4600

Bảng 2.5. Bảng tính toán độ bay hơi tương đối trung bình
Cấu tử

αiD

αiW

αiF

αi

C2 (ethane)

18,387

5,8062

12,388

18,562

C3 (propane)

6,7830

3,1846

5,2342

4,8355

C4 (n-butane)

2,5381

1,7541

2,2360

2,1512

-Trang 8-


9

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

C5 (n-pentane)

1,0000

1,0000

1,0000

1,0000

C6 (n-hexane)

0,4077

0,5794

0,4600

0,4772

2.4.

Tính Nmin

Số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin tương ứng với trường hợp hồi lưu toàn phần.
Đối với hệ hai cấu tử , đại lượng Nmin có thể xác định dễ dàng bằng đồ thị. Nói
chung, trong mọi trường hợp đều có thể sử dụng công thức Fenske để xác định số bậc
biến đổi nồng độ tối thiểu N min, Trong đồ án này, ta xem xét dạng công thức Fenske
cho hệ nhiều cấu tử:
[1]
Ta cũng có thể áp dụng công thức trên cho để tính số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu
nmin cho đoạn luyện hoặc mmin cho đoạn chưng của tháp.
Khi tính nmin ta viết phương trình Fenske cho hai cấu tử khóa ở đỉnh và nơi nhập liệu,
ngược lại khi tính mmin ta tính cho cấu tử khóa ở nơi nhập liệu và đáy. Độ bay hơi
tương đối trung bình được tính cho hai vị trí tương ứng , cụ thể như sau:

[1]
[1]
Trong đó chọn C6 làm cấu tử khóa nhẹ, C8 làm cấu tử khóa nặng.
Thế số vào ta tính được:

2.5. Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
Trong chưng cất hệ nhiều cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính tỷ số
hồi lưu tối thiếu Rmin trong đó đã nêu lên được một số vấn đề sau:
- Việc hồi lưu cấu tử khóa là cơ sở chính yếu cho việc tính toán.
- Việc hồi lưu các cấu tử nhẹ và nặng vẫn có tác dụng trực tiếp đến toàn hỗn hợp, do đó
tính toán bổ sung thêm dưới dạng các đại lượng hiệu chỉnh.

-Trang 9-


10

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

- Trạng thái nhập liệu tương ứng với 2 trường hợp biên như sau:
 Nhâp 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.
 Nhập liệu ở trạng thái hơi: cũng không phải bay hơi hoàn toàn mà các cấu tử nặng hơn
cấu tử khóa nặng không bay hơi. Các trường hợp nhập liệu biên sẽ cho các tỉ số hồi lưu
tối thiểu tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu tối thiểu bất kỳ
tương 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 đưa
ra công thức tính hồi lưu tối thiểu Rmin [1] ở dạng sau:


 (α l ) + 1   x 
 α

Rmin + 1 =  j j light   jD ÷ − x jheavyD  + ∑  ilight ( xilightD − lilight .x jheavyD ) 

÷
 ilight  α ilight − 1
 α jlight + 1   l j light





α iheavy
x jlightD
+∑ 
(
− xiheavyD ) 
iheavy 

 α jlight − α iheavy liheavy
Công thức trên được sử dụng tính toán Rmin cho cả trường hợp nhập liệu biên, tuy
nhiên có đại lượng l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp, cụ thể được trình
bày trong bảng sau:
Bảng 2.6. Cách tính l
Cấu tử

Nhập liệu lỏng sôi
% bay hơi
Tính li
lilight =

ilight

Z ilight

l jlight =

iV

liV =

iL

lilight =

α ilight .Z iheavy

jlight

∑Z

Nhập liệu dạng hơi
% bay hơi
Tính li

ilight

liL =

Z jlight

l jlight =

Z jheavy

Z iV
Z jheavy
Z jlight

Z jL

jheavy

-

iheavy

liheavy =

100 − ∑ Z iheavy

liV =

Z ilight

α ilight .Z iheavy
Z jlight

α ilight .Z jheavy

Z iV
α ilight .Z jheavy

liL =

α iV .Z jlight
α jlight .Z jL

Z jlight

Z iheavy

Trong đó:

-Trang 10-

liheavy =

Z jheavy
Z iheavy


11

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Zi là nồng độ cấu tử I trong hỗn hợp ban đầu
αi

là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử I so với cấu tử khóa nặng

iV, iL lần lượt là cấu tử trung gian nhẹ và nặng.
Ta được bảng sau:
Bảng 2.7. Xác định l
Nhập liệu dạng sôi

Nhập liệu dạng hơi
%

bay
l
hơi

Cấu tử

zi

ai

C2 (ethane)

0,004
2

18,562

0,0027

0,0027

C3 (propane)

0,498
1

4,8355

1,2411

1,2411

C4 (n-butane)

0,331
7

2,1512

C5 (n-pentane)

0,083
0

1,0000

-

-

C6 (n-hexane)

0,083
0

0,4772

3,9964

3,9964

% bay
hơi

50,23

l

3,9964

91,7

1,8578

Rmin 50,23% = 0,0588
Rmin 91,7% = 0,3723
Từ kết quả trên nội suy ra: Rmin 67% = 0,1856
2.6. Xác định bậc lý thuyết N tương ứng với chỉ số R hợp lý
Ta có: Rhợp lý = 1,3.Rmin + 0,36 = 0,6012
Mối liên hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết được thể hiện ở hình sau:

-Trang 11-


12

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Hình 1. Mối liên hệ giữa hệ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết

Ta tính rồi tra ở đồ thị trên để xác định được giá trị ta sẽ tính được số bậc N lí
thuyết.
Với R = 0.6012 ta được N = 26,853
 Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: n = N . ( Nmin / nmin ) = 10,43
 Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: m = N . ( Nmin / mmin ) = 13,99

2.7. Tính hiệu suất đĩa
Việc tính toán hiệu suất đĩa của tháp chưng cất có rất nhiều phương pháp tính, trong
đó đơn giản nhất là dùng phương pháp thực nghiệm mà Drickamer và Bradford xây
dựng qua đồ thị sau:[2]
Hình 2. Đồ thị biểu thị mối liên hệ giữa độ nhớt và hiệu suất mâm [6]

-Trang 12-


13

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Từ thông số độ nhớ tra theo mô phỏng hysys ta dùng đồ thị tìm được hiệu suất như
sau:
Bảng 2.8. Tính toán hiệu suất mâm
µ (cP)

Hiệu suất

Đỉnh

0.1027

0.6947

Đáy

0.0992

0.7330

Tính số đĩa thực
Suy ra N = 34 , n= 15, m= 19, nồi đun xem như 1 đĩa.

3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Lượng nhiệt trao đổi để hơi ở đỉnh tháp ngưng tụ hoàn toàn tại nhiệt độ bão hòa:
Qnt = D.(R+1).rD = Gn.Cn.(t2 – t1)
Tại tD = 46,09oC ta có: rD = 341,1 (kJ/kg)
D = 53120 (kg/h)
 Qnt = D.(R+1).rD = 53120.(0,6012+1).341,1 = 29012514 (kJ/h)
Chọn t1 = 25oC và t2 = 45oC=> ttb = 35oC => Cn = 4,2 (kJ/kg.K)

-Trang 13-


Đồ án Quá trình và Thiết bị

14

GVHD: Tạ Đăng Khoa

3.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi đáy tháp
Phương trình cân bằng năng lượng chung cho toàn tháp:
QF + QC = Qnt + QD + QW + Qm
Trong đó:
•
•

•
•
•
•

QF là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào tháp
QF = GF.CF.tF = 70000.2,795.68 = 13304200 (kJ/h)
QC là nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp
QC = Gh.rh
Trong đó rh là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở áp suất 11,4 atm
rh = 262,4 (kJ/kg)
Qnt là nhiệt lượng của hơi ngưng tụ ở đỉnh tháp
Qnt = D.(R+1).rD = 29012514 (kJ/h)
QD là nhiệt lượng của sản phẩm đỉnh
QD = GD.CD.tD = 53120.2,695.46,09 = 6598171 (kJ/h)
QW là nhiệt lượng của sản phẩm đáy
QW = GW.CW.tW = 16880.3,068.147,6 = 7643885 (kJ/h)
Qm là nhiệt lượng mất mát
Qm = 0,05.QC
Ta sẽ có: QF + QC = Qnt + QD + QW + 0,05QC

4. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
4.1. Tính sơ bộ đường kính đĩa
Yếu tố chính quyết định đến đường kính của tháp đó là lưu lượng dòng hơi đi trong
tháp. Tốc độ của pha hơi đi trong tháp phải thấp hơn tốc độ cuốn theo lỏng của đĩa từ
dưới lên. Lượng lỏng bị cuốn theo dòng hơi phải nhở hơn một giới hạn cho phép và
phải đảm bảo để trở lực của đĩa không được quá lớn.
Sử dụng phương trình Souders Brown có thể xác định tốc độ sặc thông qua hằng số
mâm Csb. Hằng số Csb được tính thông qua phương trình Kister-Hass [6]:
 d 2 .σ 
Csb = 0,114  h 
 ρL 

0,125

Trong đó :

-Trang 14-

0,1

 ρ h   TS 
   
 ρ L   hcl 

0,5


15

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Csb : Hệ số sặc trong phương trình Souders – Brown, ft/s
dh : Đường kính lỗ , in – giả thiết dh = 0,5 in
σ : Sức căng bề măt, dyn/cm
TS: Khoảng cách giữa các đĩa , in - giả thiết TS = 24 in
hcl : chiều cao lớp chất lỏng trên đĩa ở chế độ chuyển từ lớp bọt sang phun tia.
Giả thiết hcl = 2,5 in, SF = 0.9
Bảng 3.1. Tính toán sơ bộ đường kính đĩa
Csb (ft/s)
Tốc độ sặc
Us (ft/s)
Diện tích sục khí thực
AN (ft2)
Diện tích chảy truyền lỏng
AD (ft2)
Diện tích tiết diện ngang
AT (ft2)
Đường kính tháp Dt (ft)
Dt (m)

Đoạn luyện
0,2678

Đoạn chưng
0,254

0,0406

0,013

87,1848

299,3213

14,4

28,99

101,5848

328,3113

11,37
3,5

20,44
6,23

Trong đồ án này, đường kính hai đoạn khác nhau đáng kể. Chính vì vậy đường kính
hai đoạn sẽ được chọn khác nhau.
Chọn đường kính tháp phần luyện là 3,5 m = 11,37 ft
Chọn đường kính tháp phần chưng là 6,5 m = 21,33 ft
4.2. Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa
4.2.1. Số đường đi của Lỏng
Giả thiết chiều dài ngưỡng chảy tràn : Lw = 0,8Dt (ft)
QL =

Từ công thức:

GPM
Lw

, ta tính toán được:

Bảng 3.2. Tính toán tải trọng lỏng theo 1 đơn vị chiều dài của ngưỡng chảy tràn
GPM
QL (gpm/in)

Đoạn chưng Đoạn luyện
1301,167
646,32
76,25
143,05

-Trang 15-


16

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Như vậy sẽ tiến hành thiết kế đĩa có một đường đi của lỏng cho cả đoạn luyện và
đoạn chưng.
Tổng kết diện tích trên đĩa :
Bảng 3.3. Tổng kết diện tích trên mặt đĩa

Đoạn luyện
Diện tích sục khí thực
AN (ft2)

87,1848

Diện tích chảy truyền lỏng
AD (ft2)
Diện tích tiết diện ngang
AT (ft2)
Diện tích chảy truyền lỏng
ở mép trên : ADT (ft2)
Diện tích chảy truyền lỏng
mép dưới: ADB (ft2)
Diện tích sục khí của đĩa
AB (ft2)
4.2.2.

Đoạn chưng

Chú thích
=

299,3213
=

CFS
( SF ).0,8.U S

GPM .2, 228.10−3

UD

14,4

28,99

101,5848

328,3113

=AN + AD

14,4

28,99

ADT = AD

14,4

28,99

72,7848

270,3313

ADB = AD
= AT – ADT - ADB

Khoảng cách giữa các mâm

Đối với đoạn chưng của tháp chọn sơ bộ khoảng cách giữa các mâm TS = 24 in là
phù hợp và đối với đoạn luyện cũng tương tự với TS = 24 in.
4.2.3.

Các kích thước khác

Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ các kích thước sau đây có thể coi là phù hợp cho việc sắp
đặt mặt mâm:

• Phần diện tích lỗ: Af = 0,2
• Chiều cao ngưỡng chảy tràn ở cửa ra khỏi mâm của lỏng: h w = 2,5 in
• Chiều cao mức chất lỏng trong ở trên mâm: hcl = 2.5 in
• Bề dày của mâm (thép cacbon) tt = 0,25 in
4.2.4. Bước lỗ

Với đường kính của mỗi van được lựa chọn là dv = 1.9 in thì ta có thể tính toán được
bước lỗ theo công thức:
p = 0.951

dv
1.9
= 0.951
= 3.8(in)
Af
0.2

-Trang 16-

17

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

4.2.5. Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền
Chiều dài ngưỡng chảy tràn (Lw) và chiều rộng kênh chảy truyền (Wdc)
Ta tính dựa vào tỉ lệ AD/AT. để suy ra tỉ lệ so với đường kính theo đồ thị sau:
Hình 3. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa % diện tích đĩa và kích thước
của kênh chảy truyền hình viên phân

-Trang 17-


18

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Bảng 3.4. Bảng tính toán đường đi của lỗ trên mâm
Đoạn luyện Đoạn chưng

Chú thích
Nằm trong khoảng 5 – 15% nên phù
hợp

AD/AT (%)

14,175

8,83

DT (in)
Lw viên phân
(in)
WDC viên phân
(in)
Đường đi của
lỏng trên mâm
FPL (in)

137,795

255,9

108,858

171,453

Tra đồ thị để có tỉ lệ Lw/DT

27,559

33,267

Tra đồ thị để có tỉ lệ WDC/DT

110,236

222,633

FPL = DT – Wdc , phải lớn hơn 24 in

Như vậy tất cả kết quả tính được đều thỏa mãn.
4.3. Vòng tính lặp 1
4.3.1. Kiểm tra sặc đĩa
Khi thiết kế tháp thường chọn tốc độ làm việc của tháp bằng khoảng 80% – 85% tốc
độ sặc đĩa. Đây là khoảng an toàn cần thiết do có thể có những sai số của các số liệu
cũng như các phương trình dùng để tính toán – thiết kế. Ngoài ra, chọn giới hạn làm
việc trên cũng có thể tránh được sự giảm hiệu suất đĩa thường xảy ra ở ngay lân cận
điểm sặc.
hcl : Chiều cao lớp chất lỏng ở chế độ chuyển tiếp từ chế độ lớp bọt sang chế độ tia
và được tính theo công thức sau [6]

62, 2 0,5(1− n )

h
=
h
.(
)
cl
H
O

2
ρ
L



0, 29. A−f 0,791.d 0,833
h
h
H2O =
−
0,59

1 + 0, 0036.QL . A−f 1,79


với n = 0,0231

Trong đó: QL tải trọng lỏng, ft2/s
Af phần diện tích lỗ trên phần diện tích sục khí

-Trang 18-

dh
Af


19

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Đối với mâm van, cũng có thể sử dụng công thức trên để dự đoán điểm sặc mâm

nhưng do chấp nhận các giả thuyết gần đúng nên các số liệu dự đoán có thể sai số
khoảng

±

10%.

Bảng 3.5. Kiểm tra sặc đĩa
Tải trọng
QL (gpm/in)
QL (ft2/s)
Đường kính lỗ
dh (in)
Sức căng bề mặt
σ (dyn/cm)
hcl (in)
hH2O (in)
hcl (in)
Tốc độ sặc
Us tính lại (ft/s)
Yếu tốc giảm tốc
SF
Thông số đặc trưng
cho tải trọng hơi
Cs (ft/s)
Thông số tại điểm sặc
đĩa C*sb (ft/s)
% sặc

Đoạn luyện

Đoạn chưng

76,25

143,05

2,0386

3,8246

0,5

0,5

6,502

4,709

2,5
0,558
0,7258

2,5
0,565
0,6992

0,0485

0,0158

0,9

0,9

0,3199

0,3093

0,4941

0,4781

64,74

64,69

4.3.2. Kiểm tra tắt nghẽn kênh chảy truyền lỏng

TS
QD max = 448,8(
).SF,gpm/ ft 2
12.t R

Để kiểm tra kênh chảy truyền, sử dụng phương
trình của Koch. Phương trình này được thiết lập dựa vào thời gian lưu lớn nhất của
lỏng trong kênh chảy truyền. Tiêu chuẩn về thời gian lưu này cũng có thể biểu diễn
qua tiêu chuẩn về tốc độ lớn nhất của lỏng qua kênh chảy truyền. Phương trình Koch
có dạng :
-Trang 19-

20

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

[6]
Với :
tR: thời gian lưu của dòng lỏng trong kênh chảy truyền, s
TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in
SF: Yếu tố giảm tốc

QD =

GPM
, gpm / ft 2
AD

Tải trọng làm việc của kênh chảy truyền QD :

[6]
Thời gian lưu của dòng lỏng trong kênh chảy truyền được xác định qua đồ thị sau:
Hình 4. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hiệu số khối lượng riêng
hai pha và thời gian chất lỏng lưu trên đĩa [3]

-Trang 20-

21

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Bảng 3.5. Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng
ρL - ρG (lb/ft )
tR (s)
TS (in)
SF
QD, max (gpm/ft2)
QD (gpm/ft2)
%Q
3

Đoạn luyên
0,8

Đoạn chưng
0,103

24
0,9

24
0,9

44,88

44,88

Nhận xét: Kết quả ở các bảng trên cho thấy kích thước của tháp phù hợp với yêu cầu
(% sặc đĩa dưới 80%). Nhưng do QD > QDmax nên kênh chảy truyền bị tắc nghẽn. Do đó
ở vòng lặp thứ hai nên tăng diện tích kênh chảy truyền bằng cách giảm vận tốc lỏng
trong kênh chảy truyền.
4.4. Vòng tính lặp số 2
Tại vòng lặp này, các thông số vật lý và tải trọng vẫn giữ nguyên. Ta chọn giảm vận
tốc lỏng trong kênh chảy truyền UD = 0,3 ft/s, đường kính vẫn giữ như cũ.

-Trang 21-


22

Đồ án Quá trình và Thiết bị

4.4.1.

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Sắp xếp lại mặt đĩa
Bảng 3.6. Sắp xếp kênh chảy truyền lần hai
Luyện
UD (ft/s)
AD (ft2)
AT (ft2)
DT (ft)
Chọn DT (ft)
Chọn DT (m)

Chọn DT (in)
AT (ft2)
AD/AT (%)
ADT (ft2)
ADB (ft2)
AB (ft2)
AN (ft2)

Chưng

0.3
7.22
64.74
9.08
9.19
2.8
110.24
66.2814
10.90
7.2227
7.2227
51.8361
59.0587

0.3
12.89
58.13
8.60
9.19
2.8

110.24
66.2814
19.45
12.8890
12.8890
40.5033
53.3924

Trong tính toán tiếp theo sẽ giữ nguyên số đường đi của lỏng trên đĩa, khoảng cách
giữa các đĩa, đường kính lỗ, chiều cao ngưỡng chảy tràn và khoảng cách mép dưới của
kênh chảy truyền với mặt đĩa như ở vòng tính thứ nhất.
4.4.2. Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền
Bảng 3.8. Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền
Luyện
Chưng
10.90
19.45
0.735
0.862
0.16
0.251
81.03
95.03
17.64
27.67
92.60
82.57

AD/AT (%)
Lw/DT

WDC/DT
Lw (in)
WDC (in)
FPL (in)

Ta thấy đường đi của lỏng trên mâm FPL > 18 in nên thỏa mãn.
4.4.3.

Kiểm tra sặc đĩa
Bảng 3.9. Kiểm tra sặc đĩa lần 2
Luyện
QL (gpm/in)
Af

Chưng
11.0276
19.6791
0.20
0.2

-Trang 22-


23

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

dh (in)

hH2O (in)
n = 0.0231dh/Af
pL (lb/ft3)
hcl (in)
Csb (ft/s)
Us (ft/s)
SF
Cs (ft/s)
C*sb (ft/s)
% sặc
4.4.4.

0.50
0.5726
0.0578
36.93
0.7320
0.4782
0.4354
0.9
0.1486
0.4304
34.53

0.5
0.5751
0.0578
36.40
0.7403
0.4661

0.3869
0.9
0.1488
0.4195
35.47

Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền
Bảng 3.10. Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lần 2
pL - pV (lb/ft3)
tR (s)
QD,max (gpm/ft2)
QD (gpm/ft2)
%Q

Luyện
Chưng
33.07
31.71
5.13
5.13
157.4737
157.4737
134.6498
134.6498
85.51
85.51

Nhận xét: Kênh chảy truyền không bị tắc nghẽn và % sặc đĩa vẫn thỏa mãn nên diện
tích kênh chảy truyền là tương đối phù hợp.
4.5. Kiểm tra thủy lực

4.5.1.

Chế độ làm việc trên mâm

Do mâm không thường làm việc ở chế độ phun tia nên tính kiểm tra chế độ dòng
trên mâm ở chế độ chuyển tiếp sẽ được bắt đầu từ chế độ chuyển tiếp lớp bọt - nhũ tương.
Để tính chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ở chế độ chuyển tiếp lớp bọt nhũ tương, sẽ
sử dụng phương trình của Hofhuis-Zuiderweg :
hC = 2,08(FLV

N ρ AB
LW

ρ )0,25 .hW0,5 ,in

[6]

Với :
ρ

: bước lỗ, in

-Trang 23-


24

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

AB : diện tích sục khí trên đĩa, ft2
hW : chiều cao ngưỡng chảy tràn, in
hC : chiều cao lớp chất lỏng trong trên đĩa, in
NP: số đường đi của lỏng trên đĩa
LW : chiều dài ngưỡng chảy tràn Lw in
FLV =

L
V

FLV : thông số dòng với
Nếu

FLV

ρV
ρL

[6]

> 0,0208 thì tháp làm việc ở chế độ nhũ tương.

Ta có bảng:
Bảng 3.11. Chế độ làm việc của đĩa
Đại lượng
L (lb/h)
V (lb/h)
ρL
(lb/ft3)

ρV
(lb/ft3)
FLV
Số đường đi của lỏng
AB (ft2)
Bước lỗ p (in)
hw (in)
Lw (in)
hc (in)
Thông số dòng chuyển tiếp

Đoạn luyện
288031
335181

Đoạn chưng
507490
285927

36.93

36.40

3.85
0.2776
1
51.8361
3.8
2.5
81.03

1.1399
0.1558

4.69
0.6371
1
40.5033
3.8
2.5
95.03
2.3636
0.1149

Tất cả các thông số dòng chuyển tiếp đều vượt qua giá trị thông số dòng ở chế độ
chuyển tiếp lớp bọt – nhũ tương. Do đó chế độ làm việc của đĩa là chế độ nhũ tương.
4.5.2. Xác định lượng lỏng cuốn theo hơi
Nếu lượng lỏng bị cuốn theo hơi cao quá mức cho phép thì đường kính tháp hoặc
khoảng cách mâm thường được tăng lên, Lượng lỏng tối đa cho phép cuốn theo hơi là
0,1 lb bị cuốn theo hơi trên 1 lb của dòng lỏng, tức ψmax= 0,1. Giá trị lỏng cuốn theo hơi
của mâm phải nhỏ hơn giá trị này để đảm bảo mâm hoạt động ổn định. Nếu lớn hơn giá
trị này thì hiệu suất mâm sẽ giảm đáng kể.

-Trang 24-


25

Đồ án Quá trình và Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng Khoa

Ở chế độ bọt (hay chế độ nhũ tương) để dự báo lượng lỏng bị cuốn theo hơi có thể
sử dụng phương trình của Fair [6]. Ta có bảng:
Bảng 3.12. Lượng lỏng cuốn theo hơi
Đại lượng
Thông số dòng FLV
ψ max
ψ(40% sặc mâm)
ψ(80% sặc mâm)

Đoạn luyện
0.2776
0.1
0.0018
0.007

Đoạn chưng
0.6371
0.1
0.001
0.0014

Từ bảng kết quả trên, nhận thấy giá trị ψ thực tế nhỏ hơn nhiều so với giá trị tối đa
ψmax , nên vấn đề lỏng cuốn theo hơi trong tháp chưng luyện không ảnh hưởng đến hiệu
suất mâm.
4.5.3.

Thời gian lưu của lỏng trong kênh chảy truyền

Việc kiểm tra ở đây nhằm mục đích chỉ ra thời gian lưu biểu kiến của lỏng trong

kênh chảy truyền và kiểm tra xem thời gian này có nằm trong giới hạn cho phép hay
không.
Ta có bảng:
Bảng 3.13. Thời gian lưu
Đại lượng
Diện tích kênh chảy truyền lỏng, AD (ft2)
Khoảng cách giữa các đĩa, TS (in)
Thể tích của kênh chảy truyền lỏng, VD (ft3)
Thòi gian lưu của lỏng trong kênh chảy, tR (s)
truyền
Thời gian lưu tối thiểu
lỏng trong kênh chảy,
tRmin (s)

Đoạn
luyện
7.22
24
14.4454
6.67

Đoạn
chưng
12.89
24
25.7781
6.67

5

5

Nhận xét : Hệ có khả năng tạo bọt cao, thời gian lưu nhỏ nhất trong kênh chảy
truyền lỏng là 5 giây. Từ bảng kết quả trên ta thấy thời gian lưu của lỏng trong kênh
chảy truyền nằm trong giới hạn cho phép.
4.5.4. Trở lực của mâm
Thông thường trở lực của mâm nằm trong khoảng 50: 120 mm cột chất lỏng. Nếu
trở lực của mâm nằm ngoài khoảng trên, cần điều chỉnh lại thông số quyết định hơn
chính là thông số phần diện tích lỗ và chiều cao ngưỡng chảy tràn.

-Trang 25-