thiết kế tháp chưng hệ Toluene Xylene Ethylbenzene hoạt động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấnh

ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội thì nhu cầu chất lượng cuộc sống của con người
ngày càng cao về vật chấn lẫn tinh thần. Để đáp ứng được điều đó các ngành khoa học
và công nghệ đã không ngừng phát triễn. Trong đó ngành công nghiệp hóa chất cũng
không ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-1-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

công nghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó không chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền
tảng để phát triễn các ngành công nghiệp khác.
Sản phẩm của công nghiệp hóa chất rất đa dạng về chủng loại. Chúng là kết quả của
một loạt quá trình biến đổi hóa lý để đạt được sản phẩm mong muốn. Vì thế nguồn
nguyên liệu của ngành không chỉ xuất phát từ tự nhiên mà còn qua các quá trình tổng
hợp trung gian. Do đó nhu cầu sử dụng nguyên liệu tinh khiết ngày càng trở nên
nghiêm khắc và một trong những nguồn nguyên liệu này là Toluen.
Ngày nay, ta có nhiều phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích
ly, hấp phụ, chưng cất...Tùy theo từng loại sản phẩm mà ta có sự lưạ chọn khác nhau.
Đối với hệ Toluene – Xylene – Ethylbenzene thì phương pháp chưng cất được sử dụng
phổ biến nhất.
Đồ án môn học Quá Trình và Thiết Bị mang tính tổng hợp kiến thức học tập của kỹ

sư. Môn học yêu cầu giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết
cấu, điều kiện vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất.
Nhiệm vụ của môn học là thiết kế tháp chưng hệ Toluene - Xylene - Ethylbenzene hoạt
động liên tục với năng suất nhập liệu khoảng 20 tấn/h có nồng độ 50% mol Toluene,
thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ trên 98% kl toluen và sản phẩm đáy có nồng độ
thấp hơn 1% kl Toluene.
Em chân thành cám ơn quý Thầy Cô Bộ môn Quá Trình & Thiết Bị, các bạn sinh viên
đã giúp em hoàn thành đồ án. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án sẽ không
thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Lý thuyết về chưng cất

Chưng là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi
tương đối khác nhau, bằng cách đun sôi hỗn hợp, tách hơi tạo thành để ngưng tụ lại.
Ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi
hơn.
• Ở cùng một áp suất thì cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi
hơn.
So sánh chưng và cô đặc:
•

-

• Chưng: dung môi và chất tan đều bay hơi.
• Cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi, chất tan không bay hơi.
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-2-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

1.2.
1.2.1.

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

-

Có nhiều phương pháp chưng: một bậc, nhiều bậc (chưng cất/chưng
luyện), chưng lôi cuốn hơi nước, chưng áp suất thấp…

-

Chưng cất (chưng luyện) là lặp lại chưng đơn giản nhiều lần và có cải
tiến. Thường cần 2 thiết bị phụ trợ là:

•

Thiết bị hồi lưu đỉnh tháp: tránh hiện tượng khô ở mâm cuối cùng.

•

Thiết bị đun sôi đáy tháp: cấp năng lượng cho lỏng bay hơi.

Phương pháp chưng cất
Định nghĩa

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 các 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.
Khi chưng cất ta thu được sản phẩm. Nếu nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu
cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì khi đó sản phẩm cùa
quá trình sẽ là:
• 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.
•

1.2.2.

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 hơi lớn.

Phân loại các phương pháp chưng luyện
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
•

Áp suất làm việc: Chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương 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 (chưng đơn giản) và bán liên tục.

 Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong

các trường hợp sau:


Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-3-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

 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.
 Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá

trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất

khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được áp dụng trong
trường hợp chất được tách không tan trong nước.
Như vậy, đối với hệ condensate: ta dùng hệ thống chưng luyện hoạt động liên tục

ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp bằng nồi đun.
1.2.3.

Chưng cất đa cấu tử- mô hình tổng quát của tháp chưng luyện

Trong mô phỏng chính xác của tháp chưng luyện đều phải tiến hành các thông số nhiệt
động của tháp. Các kết quả nhận được khi mô phỏng tháp chưng luyện sẽ là sự phụ
thuộc của phân bố nồng độ của từng cấu tử, của phân bố nhiệt độ và của lưu lượng
dòng lỏng và dòng hơi trong tháp vào số bậc cân bằng (đĩa lý thuyết).
1.2.3.1.

Mô phỏng chính xác tháp chưng luyện đa cấu tử

Để mô phỏng chính xác tháp chưng 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 chưng luyện. Cho tới thời điểm hiện tại, các mô hình tháp được
phát triễn chỉ khác nhau trong việc sử dụng các phương pháp tính lặp và cụ thể là trong
việc chọn các biến lặp.
Mô phỏng chính xác tháp chưng luyện nhiều cấu tử về mặt toán học là rất phức tạp. Vì
vậy, việc tự viết các phương 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 chưng luyện như công ty
Aspen, Science Simulation, Process, Design 2000…
Trong đồ án này chúng ta sử dụng phần mềm HYSYS 2006 do công ty Aspen
phát triễn để làm công cụ hỗ trợ mô phỏng.
1.2.3.1. Phương pháp tính gần đúng tháp chưng cất đa cấu tử

Để tính tháp chưng luyện hỗn hợp nhiều cấu tử, mặc dù hiện tại có nhiều chưng trình
tính trên máy tính có thể đưa ra các kết quả chính xác, nhưng một số phương tính gần
đúng tháp chưng luyện hỗn hợp vẫn có ích và vẫn tiếp tục được sử dụng vì một số lý

do:

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-4-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

•

Do các số liệu về cân bằng pha cũng như các số liệu về enthalpy không
có được độ chính xác đủ cao, do đó nếu sử dụng các phương pháp tính
chính xác nhưng kéo dài trên máy tính cũng không chắc nhận được các
kết quả chính xác.

•

Các phương pháp tính gần đúng cho phép tính nhanh và ít tốn kém, vì
vậy bằng các phương pháp này sẽ dễ dàng xác định được vùng tối ưu của
các thông số của tháp và tiếp theo có thể khảo sát vùng này bằng các
phương 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.

1.2.3.2.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng 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
lưu chất này vào lưu 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 chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được
ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Lớn và phức tạp là các tháp dùng để chưng
cất các dung môi, không khí lỏng và công nghiệp hóa chất nói chung. Tùy theo năng
suất đường 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 150 mm hay ít hơn đến khoảng 1m. Tháp có thể
hoạt động ở áp suất cao hay thấp. Hỗn hợp được chưng cất có thể thay đổi rất nhiều về
độ nhớt, hệ số khuếch tán, tính ăn mòn, khuynh hướng tạo bọt và tính phức tạp của
nồng độ. Tháp mâm đều sử dụng được cho cả quá trình chưng 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 đường kính (3-12) mm.

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-5-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị
-

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn 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.

Bảng 1.1. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Ưu
điểm:

Nhược
điểm:

Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp.

Đơn giản

Hiệu suất tương đối cao.

Hoạt động khá ổn định.

Hiệu suất cao

Trở lực thấp

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 và có thể làm việc với chất lỏng bẩn => Chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên
lỗ.

Vậy: Chưng cất hệ Toluene-Xylene-Benzene ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt
động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
1.3.

Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-6-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Giới thiệu về condensate
Condensate (còn gọi là khí ngưng tụ hoặc chất lỏng đồng hành) là dạng trung gian
giữa dầu và khí, bao gồm các hydrocarbon no có phân tử lượng và tỷ trọng lớn hơn
butane như pentane, hexane, heptane... Ngoài ra còn chứa các hydrocacbon mạch
vòng, các nhân thơm đơn giản và một số tạp chất khác. Condensate thu được trong quá
trình khai thác các mỏ dầu hoặc mỏ khí. Ở điều kiện thường nó tồn tại dưới dạng lỏng.
Condensate là nguồn nguyên liệu quý để sản xuất xăng, dung môi và nguyên liệu đầu
cho các quá trình tổng hợp hoá dầu.
1.3.1.

Các nguồn condensate tại Việt Nam bao gồm chủ yếu là condensate Bạch Hổ (được
chế biến tại nhà máy chế biến khí Dinh Cố), condensate Nam Côn Sơn, condensate
Rồng Đôi. Thuộc tính của các loại condensate này cũng khác nhau: condensate Bạch
Hổ nhẹ hơn so với các loại condensate còn lại nên được dùng để phối trộn trực tiếp với
xăng có chỉ số octan cao (Reformat), còn những nguồn Condensate Nam Côn Sơn và

Rồng Đôi, … thì tương đối nặng hơn nên phải trải qua quá trình chế biến để thu được
phân đoạn naptha và các sản phẩm khác như white spirit, DO, FO…
1.3.2. Ứng dụng condensate

Condensate có thành phần tương tự phân đoạn nhẹ trong dầu thô và được sử dụng để
sản xuất ra các sản phẩm như xăng, dầu hỏa (KO) diesel (DO), fuel oil (FO) hoặc làm
dung môi công nghiệp. Condensate còn được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình
chế biến hóa dầu, sản xuất Olefine, BTX …
Mục đích chưng cất condensate được thực hiện trong đồ án này là để tách sơ bộ
condensate tạo thành hai dòng sản phẩm là dòng nhẹ bao gồm iso-butan (iC4); n-butan
(nC4); n-pentan (nC5) và dòng nặng bao gồm Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene
(C8) làm nguyên liệu cho quá trình ở công đoạn tiếp theo.
1.3.3. Sơ đồ qui trình công nghệ (đính kèm):

Thuyết minh qui trình công nghệ :
 Chú thích các kí hiệu trong quy trình
1. Thùng chứa nguyên liệu
2. Bơm ly tâm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị gia nhiệt nguyên liệu
5. Lưu lượng kế
6. Tháp chưng cất
7. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
8. Thiết bị tách khí không ngưng
9. Thiết bị tháo nước ngưng
10. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
11. thùng chứa sản phẩm đỉnh
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-7-

ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

12. thiết bị đun sôi đáy tháp
13. thùng chứa sản phẩm đáy

Nguyên liệu condensate được bơm (2) hút từ thùng chứa nguyên liệu(1) rồi bơm lên
bồn cao vị (3). Từ bồn cao vị, condensate được đưa vào thiết bị gia nhiệt (4) với lưu
lượng ổn định 60 tấn/h để đưa nhiệt độ dòng nhập liệu lên 91 0C và 1,7 bar nhờ tận
dụng nguồn nhiệt của dòng sản phẩm đáy có nhiệt độ 130 0C, sau đó condensate đưa
vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu thứ 18.
Trên đĩa nhập liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng chảy xuống từ đoạn luyện. Trong
tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống,ở đây có sự tiếp xúc và trao đổi
giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng
giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi(do thiết bị đun sôi đáy tháp (12) cung
cấp) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi đi lên trên. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,các cấu tử
nhẹ iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5) có nhiệt sôi thấp hơn sẽ bốc hơi
lên trên nên cuối cùng ta thu được tại đỉnh tháp với độ tinh khiết trên 99%khối lượng.
Hỗn hợp này đưa qua thiết bị ngưng tụ hồi lưu(7) sử dụng nước để giảm nhiệt độ và
ngưng tụ thành lỏng , sau đó một phần sẽ được hoàn lưu lại tháp ở đĩa trên cùng, phần
còn lại sẽ đưa vào thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh(10) sử dụng nước để giảm nhiệt độ
dòng sản phẩm đỉnh, sau đó đưa vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Nhiệt độ sôi các cấu
tử Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8) cao hơn nên ở đáy tháp ta thu được các
cấu tử khó bay hơi. Dòng hỗn hợp này sẽ đưa qua thiết bị đun sôi đáy tháp(12) được
cấp nhiệt để bốc hơi rồi đưa lại vào mâm cuối tháp, phần còn lại sẽ đưa qua thiết bị gia
nhiệt nguyên liệu vừa làm nguội dòng sản phẩm đáy, vừa gia nhiệt cho dòng nhập liệu.
Dòng sản phẩm đáy sau đó sẽ được đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy(13). Ngoài ra

thiết bị tách khí không ngưng(8) và thiết bị tháo nước ngưng(9) có nhiệm vụ tách khí
không ngưng từ thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh và tháo nước ngưng tụ ở thiết bị đun
sôi đáy tháp do quá trình trao đổi nhiệt.
Dòng sản phẩm đỉnh(iso-butane (iC4); n-butane (nC4); n-Pentane (C5); Benzene (C6))và
dòng sản phẩm đáy(Benzene (C6); Toluene (C7); p-Xylene (C8)) sẽ được cung cấp cho
các công đoạn tiếp theo.

Thành phần của dòng condensate vào tháp như sau:
Cấu
tử
Tỉ lệ

i-butane
0,0061

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

n-butane n-pentane
0,0075

0,1814

benzen
e
0,267
-8-

toluen
e
0,297

p-Xylene
0,241


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

mol

2.1.

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Cân bằng vật chất

2.1.1. Các số liệu ban đầu

Bảng 2.2. Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-9-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

Cấu tử

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

KLPT

i-butane
n-butane
n-pentane
benzene

58
58
72
78

toluene

92

p-Xylene

106

Lưu
lượng
Kmol/h
242,479
298,130
8951,312
14273,24
7
18726,69

8
17508,13
3

0,0061
0,0075
0,1814
0,267

Tỉ lệ
khối
lượng
0,0040
0,0050
0,1492
0,2379

0,297

0,3121

0,241

0,2918

Tỉ lệ
mol

Lưu lượng nhập liệu: 60000 kg/h = 684 kmol/h
Nhập liệu ở nhiệt độ 91 oC và 1,7atm

Yêu cầu sản phẩm:
Nồng độ phân khối lượng p-Xylene ở đỉnh là: 0.0001
Nồng độ phân khối lượng n-pentane ở sản phẩm đáy là: 0.0001
Công cụ hỗ trợ: Sử dụng phần mềm mô phỏng HYSYS 2006
2.1.2. Các ký hiệu

F: lượng nhập liệu, kmol/h
D: lượng sản đỉnh, kmol/h
W: lượng sản phẩm đáy, kmol/h
xF: nồng độ trong nhập liệu
xD: nồng độ trong sản phẩm đỉnh
xW: nồng độ trong nhập đáy

2.1.3. Xác định thành phần cấu tử và cân bằng vật chất

Dựa vào phần mềm mô phỏng HYSYS 2006, ta có sự phân bố thành phần sản phẩm ở
đỉnh và đáy tháp như sau:
Bảng 2.3. Phân bố sản phẩm
Cấu tử

Nhập liệu

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

Sản phẩm đỉnh
-10-

Sản phẩm đáy

ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

i-butane

Lưu
lượng
(kmol/h
)
4,174

n-butane

Tỉ lệ
khối
lượng

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Lưu
lượng
(kmol/h)

Tỉ lệ
khối
lượng

Tỉ lệ
mol

0,0040 0,0061

4,174

5,132

0,0050 0,0075

5,132

n-pentane

124,125

0,1492 0,1814

124,073

benzene

182,698

0,2379 0,2670

28,920

toluene

203,225

0,3121 0,2970

0,016

p-Xylene

164,907

0,2918 0,2410

0,000

tổng

684,261

0,020
6
0,025
4
0,761
6
0,192
3
0,000
1
0,000
0
1,000

0,025

7
0,031
6
0,764
4
0,178
2
0,000
1
0,000
0
1,000

1,000

Tỉ lệ
mol

1,000

162,315

Lưu
Tỉ lệ
Tỉ lệ
lượng
khối
mol
(kmol/h lượng
)

0,000 0,0000 0,0000
0,000 0,0000 0,0000
0,052 0,0001 0,0001
153,778 0,2490 0,2946
203,209 0,3881 0,3893
164,907 0,3629 0,3159
521,946

1,000

Chuẩn bị dữ kiện và các giả thuyết
Chọn cấu tử khóa: n-pentane là cấu tử khóa nhẹ: i nhẹ
2.2.

p-xylene là cấu tử khóa nặng: j nặng
2.2.1. Tính độ bay hơi tương đối

Ta cần tính độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp tương ứng với ba vị trí
của tháp chưng:
Đỉnh tháp: ; Đáy tháp ; Nơi nhập liệu:
Từ đó tính độ bay hơi tương đối trung bình:
Đỉnh tháp: Chọn áp suất Pđỉnh = 1 atm và nhiệt độ t =35 oC
Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS

Bảng 2.4. Độ bay hơi tương đối
Cấu tử
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

t=35 oC
-11-

1,000


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

yi=xiD
Ki
yi=xi/ki
iD=ki/kjnặng
i-butane
0,02571 4,23719 0,00606
52,57522
5
0
9
n-butane
0,03161 2,99750 0,01054
37,19316
7
4
8
n-pentane 0,76439 0,97086 0,78733
12,04653
5
5
4
benzene

0,17817 0,30383 0,58642
3,76993
2
0
2
toluene
0,00010 0,08059 0,00124
1,00000
0
3
1
p-Xylene
0,00000 0,02432 0,00000
0,30186
0
7
2
Tổng
1,00000
1,39161
6
Đáy tháp: Chọn áp suất Pđáy = 2 atm và nhiệt độ t = 130 oC
Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS
•

Bảng 2.5. Độ bay hơi tương đối ở đáy
Cấu tử
i-butane

xi=Zi

0,0000

n-butane

0,0000

n-pentane

0,0001

benzene

0,2946

toluene

0,3893

p-Xylene

0,3159

Tổng

1,00000
0

t=130oC
Ki
yi=kixi

iw=ki/kjnặng
15,0935 0,00000
17,54211
4
0
11,78486 0,00000
13,69668
0
5,85333 0,00058
6,80289
5
1,80697 0,53237
2,10011
6
0,86042 0,33498
1,00000
7
0,41796 0,13205
0,48576
2
1,00000
0

Nhập liệu: Chọn áp suất Pnhập liệu = 1,7 atm và nhiệt độ t = 91 oC
Ta sử dụng dữ liệu Ki được truy xuất từ cơ sở dữ liệu của HYSYS và xác định thành
phần lỏng hơi.
•

 Giả sử V: phần trăm pha hơi
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-12-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

L: phần trăm pha lỏng
 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, ta có:

Bảng 2.6. Độ bay hơi tương đối ở nhập liệu
Cấu tử

Zi

Ki

i-butane

0,0061

9,67304

n-butane

0,0075

7,21969

n-pentane

0,1814

3,11255

benzene

0,267

0,86032

toluene

0,297

0,34656

p-Xylene

0,241

0,14395

Tổng

Giả thiết V= 0,0265
xi
li

iF
0,0049 0,00483
27,91159
6
0,0064 0,00627
20,83245
4
0,1717 0,16723
8,98128
8
0,2679 0,26089
2,48246
9
0,3022 0,29422
1,00000
3
0,2465 0,24006
0,41536
9
1,0000
0

1

Vậy ta có bảng độ bay hơi tương đối trung bình của các cấu tử
Bảng 2.7. Độ bay hơi trung bình
Cấu tử
propane
n-butane
n-pentane

benzene
toluene
p-Xylene

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

iD
52,575
2
37,193
2
12,046
5
3,7699
1,0000
0,3019

iw
17,5421

i
29,5268

6,8029

iF
27,911
6
20,832
4

8,9813

2,1001
1,0000
0,4858

2,4825
1,0000
0,4154

2,6987
1,0000
0,3934

13,6967

-13-

21,9755
9,0288


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

2.2.2. Xác định Nmin theo công thức Fenske

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 lương Nmin có thề xác định dẽ dàng bằng đồ thị. Nói chung,

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

(p.46, [6])

Giả sử a là số mol của Toluene ở trên đỉnh
Ta có:

2.2.3. Xác định nmin và mmin cho tháp chưng

Ta có thể tính số bậc biến đổi nồng độ tối thiểu nmin cho đoạn luyện hoặc mmin cho
đoạn chưng của tháp bằng cách sử dụng công thức Fenske.

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-14-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Khi tính nmin ta viết phương trình Fenske cho hai cấu tử khóa ở đỉnh và nơi nhập liệu,
khi tính mmin thì ta viết phương trình Fenake cho hai cấu tử khóa ở đáy và nơi nhập
liệu.

Đoạn luyện:

Đoạn chưng:

2.2.4. Xác định tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin

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 sơ 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 hiểu
chỉnh.
• 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 tỳ số hổi
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-15-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

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 ở dạng sau:

Vế bên phải của công thức trên mô tả mối quan hệ với các cấu tử khóa ở nhóm hạng
thứ nhất còn nhóm hạng thứ hai là quan hệ với các cấu tử nhẹ và nhóm hạng thứ ba là
quan hệ các cấu tử nặng.
Nếu có các cấu tử trung gian thì cấu tử trung gian nhẹ sẽ được tính theo các cấu tử nhẹ
và cấu tử trung gian nặng được tính theo cấu tử nặng.
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:

Trong đó:
- Zi: nồng độ cấu tử I trong hỗn hợp ban đầu.
- αi: độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so với cấu tử khóa nặng.
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-16-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

- iV, iL : cấu tử trung gian nhẹ và trung gian nặng.
Bảng 2.8. Cách tính l
Nhâp liệu dạng sôi
Cấu tử

% bay
hơi

Nhập liệu dạng hơi

Tính l

% bay hơi

Tính l

inhẹ

jnhẹ

iV

100-

iL
jnặng
inặng

Ta có kết quả tính toán trong bảng sau:
Bảng 2.9. Xác định l
Cấu tử

i nhẹ

i-butane
n-butane

j nhẹ

n-pentane

iv nhẹ

benzene

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

Zi

0,006
1
0,007
5
0,181
4
0,267

i

29,526
8
21,975
5
9,0288

nhập liệu dạng lỏng
sôi
% bay hơi

tính l
1,36

% bay
bơi
0,0007
75,9
0,0011
0,6108

2,6987

0,8990
-17-

nhập liệu dạng hơi
tính l
0,00069559
7
0,00114912
0,06764716
6
0,41052713


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

j nặng

toluene

I nặng

p-Xylene

Như vậy:

0
0,297
0
0,241
0

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

5
1,0000
0,3934

0,7527

Rmin1,36% < Rmin2,65% < Rmin75,9%

Từ kết quả trên nội suy ra: Rmin2,65% = 0,4259

2.2.5. Xác định số bậc lý thuyết tương ứng với R hợp lý:

Ta có: Rhợp lý = 1,3Rmin +0,36 = 0,914
Sử dụng giản đồ 3.1 (p43,[4]) tra được N = 13,701
Gọi n và m là số bậc biến đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chưng, ta có:

•

Đoạn luyện:

•

Đoạn chưng:

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-18-

0,75269709
5


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị
2.3.

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Xác định số đĩa thực tế

2.3.1. Hiệu suất đĩa

Phương trình của Drickamer và Braford được O’Connell cải tiến được coi là các
phương trình chuẩn dùng để dự đoán hiệu suất của đĩa công nghiệp.
Locket đã đưa ra khía cạnh lý thuyết trong phương trình của O’connell: Khi độ nhớt
của lỏng tăng lên sẽ lảm giảm tốc độ khuyết tán trong pha lỏng, vì vậy trở khối của
pha lỏng sẽ tăng lên và hiệu suất đĩa sẽ giảm xuống. Khi hệ số bay hơi tương đối tăng

lên, ảnh hưởng của trở khối của pha lỏng sẽ tăng lên, và hiệu suất của đĩa cũng sẽ giảm
xuống.
Locket đã thể hiện đồ thị của O’Connell ở dạng phương trình:
Eoc = 0,492.(α)-0,245

(p.85, [4])

Ở đây: -độ nhớt của pha lỏng,cP
α –hệ số bay hơi tương đối
Eoc –hiệu suất đĩa
Độ nhớt và hệ số bay hơi tương đối α được xác định tại nhiệt độ trung bình của đỉnh
và đáy tháp. Cho hỗn hợp nhiều cấu tử, hệ số bay hơi được xác định theo cấu tử chính.

Đoạn luyện:
Đô bay hơi tương đối (n-pentane):
•

, ứng với = 0,2333 cP [7]

Ta có:

Đoạn luyện:
Độ bay hơi tương đối (Toluene):

, ứng với = 0,2099 cP [7]

•

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-19-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

Ta có:
2.3.2. Số đĩa thực tế

Đoạn luyện
Số đĩa thực

•

Đoạn chưng

•

Số đĩa thực:
Vậy ta có kết quả sau:
Tỉ số hồi lưu thích hợp: Rhợp lý = 0,914
Thiết bị ngưng tụ: ngưng tụ hoàn toàn.
Đoạn luyện: 18 đĩa. Đĩa nhập liệu số 23 (số thứ tự đĩa từ trên xuống)
Đoạn chưng: 10 đĩa.
Thiết bị đun nóng: Đun nóng gián tiếp bằng hơi nước bão hòa. Xem như 1 đĩa

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-20-

ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Bảng 3.10.
toán

Thông số
Nhập liệu (F)
Dòng đỉnh (D)
Dòng đáy (W)

kmol/h
684,26
162,30
521,96

kg/h
60000
11753,10
48246,90

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Nhập liệu được gia nhiệt từ to = 30 oC đến nhiệt độ tF = 91 0C
3.1.

QD1 + Qf = QF + Qng1 +Qxq1, (kJ/h).

(p.196, [2])

Trong đó:
QD1 - Nhiệt lượng của hơi đốt:

, kJ/h.

- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:

, kJ/h.
, kJ/h.

- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh:

=0,05. QD1, kJ/h

Xem như đơn giản ta có: QD1 – Qng1 = D1.r1 ,kJ/h.
 Ta coi nhiệt lượng do hơi đốt mang vào QD1 = D1.r1 ,kJ/h

Vậy phương trình cân bằng nhiệt trở thành:
Theo tài liệu tham khảo [7], ta có các giá trị enthalpy của dòng:
hF = -120,602 kJ/kmol
hf = -240,47 kJ/kmol

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-21-

Thông số tính


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

Vậy:

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

=

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Chọn hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng.
3.2.

Nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh là:
Qnt =

= Gn1.Cn. (t2 – t1), (kJ/h).

(p.198, [2])

Tra tài liệu tham khảo [7], ở tD =35 oC ta có: rD = 383,196 kJ/kg
Vậy: Qnt =

= 11753,1.(0,914 + 1). 383,196 = 8618678 (kJ/h)

Chọn t1 = 25oC và t2 = 40oC, => ttb = 32,5oC => Cn = 4,18 kJ/kg

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun của đáy tháp

Phương trình cân bằng năng lượng:
3.3.

Trong đó:
- Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp:

, kJ/h

- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp:
- Nhiệt do hơi mang ra ở đỉnh:
GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

, kJ/h
, kJ/h

-22-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

- Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra:
- Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:

, kJ/h
, kJ/h

- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
xung quanh:

, kJ/h

Vậy ta có:

Lượng hơi đốt:

Với r2 - ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa (p = 4MPa = kg/cm2)
r2 = 1715 kJ/kg

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

(p.38, [9])

-23-


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ THIẾT BỊ CHÍNH
Phân bố dòng lỏng và dòng hơi trong tháp và các tính chất vật lý (kết quả mô phỏng
trên máy tính) cho lưu lượng hỗn hợp ban đầu F = 684,3 kmol/h. Số liệu dẫn trong bản
dưới đây là kết quả mô phỏng trong HYSYS 2006.
Bảng 4.11. Tải trọng của tháp Toluene và các tính chất vật lý
mâ
m

lưu lượng

thể tích
(ft3/h)

Pha hơi
lưu
lưu
lượng lượng
thể
khối
tích
lượng
3
(ft /s)
lb/h

1

276798,15

76,89

2

263395,83

73,17

3

252408,16

70,11

4

243692,90

67,69

5

235803,71

65,50

6

228387,50

63,44

7

221406,28

61,50

8

214831,56

59,68

9

208629,50

57,95

10

202765,06

56,32

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

49593,4
5
48309,9
1
47533,5
4
47301,6
9
47214,7
3
47151,1
3
47092,5

5
47035,5
4
46978,4
5
46919,1

Pha lỏng
lưu
lưu lượng
lượng khối
thể
lượng lb/h
tích
(ft3/s)

lưu
lượn
g
khối
lượn
g lb/s

lưu
lượng
thể tích
(ft3/h)

13,78

505,75

0,140

22399,02

khối
lượn
g
riêng
pha
hơi
lb/ft3
6,22 0,179

13,42

458,33

0,127

21622,64

6,01 0,183

47,18

13,20

443,24

0,123

21390,80

5,94 0,188

48,26

13,14

439,24

0,122

21303,83

5,92 0,194

48,50

13,12

438,05

0,122

21240,24

5,90 0,200

48,49

13,10

437,58

0,122

21181,66

5,88 0,206

48,41

13,08

437,31

0,121

21124,64

5,87 0,213

48,31

13,07

437,06

0,121

21067,56

5,85 0,219

48,20

13,05

436,76

0,121

21008,26

5,84 0,225

48,10

13,03

436,31

0,121

20942,89

5,82 0,231

48,00

-24-

lưu
lượn
g
khối
lượn
g lb/s

khối
lượng
riêng
pha
lỏng
lb/ft3
44,29


ĐAMH Quá Trình & Thiết Bị

11

197201,64

54,78

12

191897,44

53,30

13

186798,78

51,89

14

181830,66

50,51

15

176887,77

49,14

16

171832,42

47,73

17

166506,81

46,25

18

160818,42

44,67

19

148420,46

41,23

20

151247,56

42,01

21

155105,09

43,08

22

160240,84

44,51

23

165450,31

45,96

24

169267,65

47,02

25

171203,33

47,56

26

171635,53

47,68

27

171106,48

47,53

6
46853,7
8
46774,8
3
46668,2
9
46509,7
6
46261,0
9
45869,7
3
45273,8
5
44453,4
9
42096,9
4
43920,4
6
46117,85
48808,5
5
51600,9

8
53984,9
3
55771,7
6
57092,9
9
58208,3
6

ĐỀ TÀI: Chưng Cất Đa Cấu Tử

13,01

435,56

0,121

20863,94

5,80 0,238

47,90

12,99

434,21

0,121

20757,40

5,77 0,244

47,81

12,96

431,71

0,120

20598,86

5,72 0,250

47,71

12,92

427,26

0,119

20350,20

5,65 0,256

47,63

12,85

419,72

0,117

19958,84

5,54 0,262

47,55

12,74

407,75

0,113

19362,96

5,38 0,267

47,49

12,58

391,01

0,109

18542,60

5,15 0,272

47,42

12,35

3137,0
1
3167,7
8
3201,1
9
3244,9
0
3294,7
4
3340,9
2
3378,3
8
3408,6
2
3437,1
6
3477,2
6

0,871

148462,0
5
150285,5
7
152482,9
5
155173,6
5
157966,0
8
160350,0
3
162136,8
6
163458,0
9
164573,4
7
165993,3
0

41,24 0,276

47,33

41,75 0,284

47,44

42,36 0,290

47,63

43,10 0,297

47,82

43,88 0,305

47,94

44,54 0,312

48,00

45,04 0,319

47,99

45,41 0,326

47,95

45,71 0,333

47,88

46,11 0,340

47,74

11,69
12,20
12,81
13,56
14,33
15,00
15,49
15,86
16,17

0,880
0,889
0,901
0,915
0,928
0,938
0,947
0,955
0,966

Các số liệu trong bảng 5.1 là các số liệu điển hình nhận được bằng phương pháp mô
phỏng tháp trên máy tính cho thấy lưu lượng khối lượng của dòng hơi và dòng lỏng
trong đoạn chưng đều đạt giá trị lớn nhất tại đĩa 27. Vì vậy, đĩa 27 sẽ được chọn để
tính kích thước của đoạn chưng trên tháp.

GVHD: TẠ ĐĂNG KHOA

-25-