thiết kế tháp chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU để tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấnh.

LỜI MỞ ĐẦU
-----------

Trong xu thế hiện nay, nhu cầu về các nguồn năng lượng cũng như hóa chất phục
vụ cho công nghiệp hóa dầu đang ngày càng tăng cao. Để đáp ứng được điều đó, đòi
hỏi phải sử dụng các quá trình phân tách để tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao như:
chưng cất, cô đặc, hấp thụ, sấy, trích ly, chiết…. Vì vậy, song song với việc học các
môn lý thuyết, một môn học mang tính thực tế như “Đồ án môn học quá trình và thiết
bị” giúp cho sinh viên có một cách tiếp cận sâu hơn về các quá trình thiết kế và vận
hành một hệ thống, một thiết bị hoặc một cụm thiết bị trong ngành công nghệ hóa học.
Xylene được 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 chưng tách sẽ thu được hỗn hợp Xylene
mong muốn.
Nội dung của đồ án là thiết kế tháp chưng cất mâm van cố định trong cụm RSU để
tách hỗn hợp Xylene từ dòng Reformate,với năng suất nhập liệu là 15000 tấn/h.
Nội dung của bài báo cáo được chia làm 6 chương:
• Chương 1: Tổng quan
• Chương 2: Cân bằng vật chất và năng lượng
• Chương 3: Tính toán công nghệ thiết bị
• Chương 4: Tính toán cơ khí cho thiết bị
• Chương 5: Tính toán thiết bị phụ.
• Chương 6 : Tính toán chi phí chế tạo thiết bị
Đây là lần đầu tiên thực hiện việc thiết kế một hệ thống chưng cất trong công nghiệp
nên dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được sự góp ý
của quý thầy cô trong khoa Kỹ thuật Hóa Học và Bộ môn Quá trình và Thiết bị để em có thể
hoàn thành tốt hơn cho những môn học sau.

1


Mục Lục

2


Phụ lục bảng và hình vẽ
Phụ lục bảng .

Phụ lục hình vẽ .

3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Quá trình thu hồi Xylene từ dòng Reformate.
1.1.1. Tính chất và vai trò của Xylene.
 Xylene, còn được gọi là xylol hoặc dimethylbenzene là một hydorcarbon thơm gồm vòng

benzen nhân với hai nhóm methyl ở vị trí thay thế khác nhau .Ba đồng phân của xylene có
công thức phân tử C8H10 .Hỗn hợp này là chất lỏng không màu,nhờn ,thường gặp như một
dung môi.
 Các tính chất vật lý của Xylene:

Bảng 1.1 :Tính chất vật lý của Xylene
Các tính chất
Khối lượng phân tử
Tỉ trọng
Nhiệt độ sôi
Nhiệt độ nóng chảy

o-Xylene

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

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

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

Độ hòa tan
Độ nhớt (20 oC)

Không
0,812 cP

Không

0,62 cP

Không
0,34 cP

 Ứng dụng của Xylene :
o P-Xylene là tiền chất chính để tổng hợp terephthalic acid và dimethyl terephthalate ,

hai momome này được sử dụng trong việc sản xuất polyehtylen terephthalate (PET)
làm chai nhựa và polyester.
o Hỗn hợp Xylene (có lẫn tỷ lệ phần trăm nhỏ của ethylbenzene) không màu,có mùi
thơm và rất dễ cháy ,là dung môi phổ biến trong ngành mực in ,cao su ,nha khoa (hòa
tan gutta percha) ,dầu khí ( hòa tan parafin )và chất kết dính.
o Sử dụng trong phòng thí nghiệm : Xylene dùng làm mát phản ứng ,loại bỏ dầu hỏa từ
kính hiển vi khô trước khi nhuộm.
 Độc tính của Xylene:
o Làm trầm cảm hệ thần kinh trung ương (CNS), với các triệu chứng như đau đầu,chóng
mặt,buồn nôn và ói mửa.
o Với nồng độ 100ppm, con người cảm thấy buồn nôn,đau đầu.
1.1.2. 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 được tạo ra từ Quá
trình Reforming xúc tác với nhập liệu là phân đoạn Naptha nặng ( chứa chủ yếu là các vòng

4


no Napthene).
o

 Quá trình xảy ra ở nhiệt độ từ 500-525 C.
 Xúc tác sử dụng thường là tâm kim loại Pt trên nền chất mang Alumina.
1.1.3. 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 được đưa qua tháp debuthanizer trong cụm Platformer/CCR để
loại bỏ các cấu tử nhẹ noaromatic, sau đó dòng sản phẩm đáy từ tháp debuthanizer sẽ được
chuyển qua tháp reformate splitter (cụm Reformate Splitter unit –RSU ) để thu hồi xylene.

1.2. Giới thiệu về chưng cất .
Khái niệm chưng cất .

1.2.1.

Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi tương đối khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở
cùng 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 thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi-

•

ngưng tụ.
cất và cô đặc khá giống nhau , tuy nhiên sự khác nhau căn bản nhất của 2 quá trình này là
trong chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả 2
pha nhưng với tỉ lệ khác nhau) , còn trong quá trình cô đặc chỉ có dung môi bay hơi còn lại

chất tan không bay hơi.
1.2.2. Phương pháp chưng cất.
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
o Áp suất làm việc có thể ở áp thấp, thường ,cao.
 Nguyên tắc làm việc : dựa theo nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử quá
cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
 Nguyên lí làm việc : chưng một bậc, chưng lôi cuốn theo hơi nước,....
o 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.
• 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.
o

Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình được

5


thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
o 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.
 Cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp,cấp nhiệt gián tiếp.
1.2.3. Các loại tháp chưng cất.
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy
nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa 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 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,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp
chêm.


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

nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Những trường hợp tháp mâm
thường được sử dụng;
o

Lưu lượng dòng lỏng/hơi không ổn định

o

Yêu cầu đường kính lớn, lưu lượng dòng hơi lớn

o

Thời gian lưu của lỏng trên mâm lớn

o

Dòng quá trình bẩn ,điều kiện nhiệt độ và áp suất cao


Tùy theo cấu tạo của mâm, ta có:

o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn…
o Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
o Tháp mâm van : trên mâm được gắn các van cố định hay tự do.



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

hàn. Đệm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Tháp đệm thường được dùng trong các trường hợp:
o

Đường kính tháp nhỏ (ít hơn 0,6 m)

o

Quá trình đòi hỏi vật liệu chống ăn mòn cao

6


o

Đòi hỏi tổn thất áp suất trong tháp thấp (ở điều kiện chân không)

o

Dòng lỏng dễ tạo bọt, các vật liệu nhạy cảm với nhiệt
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp mâm :

Bảng 1.2 : Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp mâm (trích từ bảng 7.3 ,p 28,[3]) .
Thông số

Mâm xuyên lỗ

Mâm van cố định

Mâm van chuyển động

Năng suất

Cao

Cao

Cao đến rất cao

Hiệu suất

Cao

Cao

Cao

Tỉ số vận hành (khoảng Khoảng 2:1 Nhìn chung
làm việc )
không phù hợp với điều
kiện tải trọng thay đổi

Khoảng 2,5:1. Nhìn
chung không phù hợp
với điều kiện tải trọng
thay đổi

Khoảng 4:1 đến 5:1
.Một số phương án thiết
kế có thể đại tỷ số vận
hành ≥ 8:1

Lượng lỏng bị cuốn Trung bình
theo dòng hơi

Trung bình

Trở lực

Trung bình

Trung bình

Cao hơn

Giá thành

Thấp

Thấp

Cao hơn 20%

Giá bảo dưỡng ,sữa Thấp
chữa

Thấp

Trung bình

Khả năng tắt nghẽn

Thấp đến rất thấp

Thấp đến rất thấp

Trung bình

Khả năng ăn mòn

Thấp

Rất thấp

Trung bình

Phạm vi ứng dụng

Ứng dụng rộng rãi khi
khoảng làm việc của
mâm không phải là tiêu
chuẩn quyết định ,môi
trường có khả năng tắc
nghẽn và ăn mòn cao

Ứng dụng rộng rãi khi Được sử dụng rộng rãi

khoảng làm việc của
Khi khoảng làm việc là
mâm không phải là tiêu tiêu chuẩn quyết định
chuẩn quyết định ,môi
trường có khả năng tắc
nghẽn và ăn mòn cao



Trung bình

Dựa theo những tiêu chí về kinh tế và ưu nhược điểm của các loại tháp mâm nêu trên

thì :Đối với hệ : Benzene,Toluene, hỗn hợp các đồng phân Xylene : ta dùng hệ thống chưng
luyện là tháp mâm van hoạt động liên tục ở áp suất thường,cấp nhiệt ở đáy tháp bằng nồi
đun.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 V7.3.

1.3. Sơ Đồ Quy trình Công Nghệ. ( bản vẽ đính kèm )


Thuyết minh qui trình công nghệ:

7


Dòng Reformate sẽ được đưa qua tháp debuthanizer trong cụm Platformer/CCR để loại bỏ các
cấu tử nhẹ noaromatic, sau đó dòng sản phẩm đáy từ tháp debuthanizer sẽ được chuyển qua tháp
reformate splitter (cụm Reformate Splitter unit –RSU ) .
Dòng nhập liệu vào tháp gồm dòng reformate (C6-C10) từ cụm Platformer/CCR đã loại bỏ

noaromatic và dòng AC8+ thu được từ dòng sản phẩm đáy của tháp Toluene column trong cụm
Shell Sulfolane .
Nhiệt độ và áp suất của dòng nhập liệu : 105 oC và 1atm.
Tháp RSU chưng cất thu Xylene chiếm 99,5% khối lượng ở đáy,trong khi ở đỉnh lượng Xylene
chiếm 1,5 % khối lượng trong hỗn hợp với Benzen và Toluen. Dòng ra ở đỉnh tháp RSU được
đưa qua thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ hoàn toàn,một phần sẽ được dùng làm sản phẩm đỉnh,một
phần hoàn lưu lại tháp.Ở đáy được gia nhiệt bằng nồi đun ống chùm ,sử dụng hơi nước bảo hòa ở
10 atm để cấp nhiệt.
Sản phẩm ở đỉnh là dòng light reformate ( AC7- ) được dẫn qua cụm Shell Sulfolane thực hiện
quá trình xử lý thu hồi lượng AC8+ còn thất thoát.Sản phẩm chính thu được ở đáy tháp sẽ được
dẫn qua làm nguyên liệu cho cụm Xylene & aromatics.

8


Chương 2 :CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
2.1.

Cân bằng vật chất
Các số liệu ban đầu.

2.1.1.

Bảng 2.1. Thành phần nguồn nhập liệu vào tháp :
Cấu tử
Cylohexane (C6H4)
Xylene (C8H10)
Cyclononane (C9H18)
n-Decane (C10H22)
n-C12 (C12H24)

TỔNG
o
o

kg/h
44097.84
10349.48
10767.73
12136.69
72648.21
150000

% khối lượng
0.2940
0.0690
0.0718
0.0809
0.4843
100

Phân tử khối
84
106
126
142
168
122.16

Tỉ lệ mol
0.43

0.08
0.07
0.07
0.35
1

kmol/h
523.9762
97.4839
85.2984
85.2984
426.4922
1218.5491

Suất lượng nhập liệu : 150 tấn/h
Yêu cầu : Hàm lượng C9+ trong sản phẩm đáy nhỏ hơn 0, 01 % khối lượng, hàm

lượng C8- trong sản phẩm đỉnh nhỏ hơn 0,4% khối lượng.
Các quy ước về kí hiệu.
F
: suất lượng kmol nhập liệu (kmol/h)
mF : suất lượng khối lượng nhập liệu (kg/h)
D
: suất lượng kmol sản phẩm đỉnh (kmol/h)
mD :suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
W
: suất lượng kmol sản phẩm đáy (kmol/h)
m w : suất lượng khối lượng 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

xA(i) : Nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đáy
m(i) : suất lượng khối lượng của cấu tử i tại vị trí A ( nhập liệu ,Đỉnh hay Đáy
i : có thể là B (Benzen ), T( Toluen), P( para –xylene) ,O( Ortho-Xylene), M( Methaxylene) . A có thể là ( F,D,W). (kg/h).
2.1.3. Cân bằng vật chất – Xác định thành phần các cấu tử.
• Theo yêu cầu, hàm lượng C9+ đỉnh <0,01% kl nên giả thuyết hàm lượng C9+ ở
2.1.2.

•

đỉnh bằng 0.009% kl.
• C8- ở đáy nhỏ hơn 0.4% nên giả thuyết C8- ở đáy bằng 0.35%.
Độ bay hơi của Cyclohexane lớn hơn đáng kể so với các cấu tử còn lại trong hỗn hợp
nên có thể xem như toàn bộ lượng Cylohexanee được thu hồi ở đỉnh
mF(B) =44097,84 (kg/h) ; mW(C6) = 0.

9

mD(C6) =


• Theo yêu cầu đề, độ thu hồi các cấu tử C9+ cao nên tỉ lệ giữa các cấu tử C9, C10,
C12 trong dòng sản phẩm đáy sắp sĩ tỉ lệ giữa các cấu tử này trong dòng sản phẩm
đỉnh.
• Từ bảng thành phần các cấu tử nhập liệu ta có
mF(C9): mF(C10) :mF(C12) ≈ 0,0718 : 0,0809 : 0,4843
Suy ra: mW(P): mW(O) :mW(M) ≈ 0,0718 : 0,0809 : 0,4843
 Phương trình cân bằng vật chất cho Benzen và Toluene




 Ở đáy tháp :


 Ở đỉnh tháp :
- mD(C9) = 10767,73 - = 0,0242 (kg/h)
- mD(C10) =12136,69 - = 4,8415 (kg/h)
- mD(C12) = 72648,21 - = 0 (kg/h)

Bảng 2.2. Bảng phân bố nồng độ dự kiến
Nhập liệu

cấu tử

Sản phẩm đỉnh

tỉ lệ mol
Cylohexane (C6H4) 0.43

kmol/h
523.9762

tỉ lệ mol

kmol/h

tỉ lệ mol

kmol/h

0,8487

523.9762

0,0000

0,0000

Xylene (C8H10)

0.08

97.48

0,1525

94,3238

0,0053

3,1601

Cyclononane
(C
9H18)
n-Decane

0.07

85.29

0,0000

0,0002

0,1421

85,2983

0.07

85.29

(C
10H22
n-C12
(C)12H24)

0,0001

0,0340

0,1421

85,2644

0.35

426.49

0,0000

0

0,7106

426,4922

TỔNG

1

1

618.33416

1

600.2150

2.2.

1218.54

Cân bằng năng lượng

Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng: QF +QC = QD+QW+QNT+QM
o QF : Nhiệt lượng dòng nhập liệu vào tháp
QF = F.CF.TF = 160,76*184,2*105 = 3109259,16 (kJ/h)
2.2.1.

•

Sản phẩm đáy

10


Với
o QD : Nhiệt lượng do sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp
QD= D.CD.TD =93,89*160,06*90,86=1365447,115 (kJ/h)
Với
o

Qw : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp
Qw = W.Cw.Tw = 66,85*242,6*168 = 2724592,08 (kJ/h)

Với
QNT : Nhiệt lượng do ngưng tụ hơi ở đỉnh
QNT = (R+1) .D.RD = 2,5*7929*391,6 =7762491 (kJ/h)
Với
o Nhiệt lượng mất mát : Qm= 0,05 QC
o QC : Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun hơi ở đáy tháp
o

o

0,95QC =QD+QW+QNT-QF
Qc = 7909758,984 (kJ/h)
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp mh:

rhd là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước bão hòa ở điều kiện đã cho
rhd = 2260 (kJ/kg) (p.37,[10]) .
2.2.2. Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ
o Lượng nước cần thiết để ngưng tụ hơi ở đỉnh
Chọn nhiệt độ nước vào : 25 oC
Chọn nhiệt độ nước ra : 40 oC
Nhiệt dung riêng của nước : 4,18 kJ/kg.K
Ẩn nhiệt ngưng tụ hơi ở đỉnh rD = 391,6 kJ/kg
(R+1).D.MtbD.RD= mH20.( 40-25)*4,18
Vậy lượng nước cần cho thiết bị ngưng tụ là 123717,4 (Kg/h) .

11


Chương 3 : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CHO THIẾT BỊ
3.1. Chuẩn bị dữ kiện và giả thuyết :
3.1.1.

Tính độ bay hơi tương đối

 Chọn cấu tử khóa :
Xylene (C8H10) là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ
Cyclononane (C9) là cấu tử khóa nặng: j nặng

 Tính độ bay hơi tương đối
 Ta cần tính độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp tương ứng với 3 vị trí của tháp

chưng: đỉnh tháp (αiD), đáy tháp (αiW), nhập liệu (αiF) ,từ đó ta tính độ bay hơi tương đối


trung bình:
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 .Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 2006 kết quả được cho ở các bảng sau :
o Đỉnh tháp : Nhiệt độ : 110 C ; áp suất : 2 atm

Bảng 3.1 . Thành phần pha dòng sản phẩm đỉnh
Cấu tử
Cylohexane
(C6H4)
Xylene (C8H10)
Cyclononane
(C9H18)
n-Decane
(C10H22)
n-C12 (C12H24)
Tổng

yi=xiD

Ki

xi=yi/ki

iD = Ki/Kj nặng

0.8474

1.14

0.75

16.3550098

0.1525

0.24

0.62

3.519511804

0.00000032 0.07

0.00

1

0.0001

0.12

0.00

1.768697996

0

0.04

0.00

0.504495747

1

1,018

12


o

Đáy tháp : Nhiệt độ : 228,4 oC ; áp suất : 2atm

Bảng 3.2 Thành phần pha dòng sản phẩm đáy
Cấu tử

xw

Ki

yi=Ki*xw

aiW = Ki/Kj nặng

Cylohexane
(C6H4)
Xylene

0

7.71

0

4.42955391

3.26

0.017288549

1.875036578

1.74

0.247210559

1

1.61

0.228887825

0.925882073

0.71

0.50679945

0.409956704

0.0053
(C
H
)
8 10
Cyclononane
0.1421
(C9H18)
n-Decane
0.1421
(C
H
)
10 22
n-C12
0.7106
(C12H24)
Tổng
1
o

1.000186383

Nhập liệu : nhiệt độ : 150 oC ; áp suất : 2,1 atm.

• Giả thiết phần trăm bay hơi: L+V=1 (L: lượng lỏng còn lại, V: lượng pha hơi cần làm
bốc hơi) .Theo đầu bài (lấy từ hysys : L = 0,9722 ; V= 0,0278 ).

• 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 = xiL +yiV = xi(1-V) +yiV=xi[1+V(ki-1)]

(p.27,[2])

Suy ra : xi=

Bảng 3.3 Thành phần pha dòng nhập liệu.
= Ki/Kj nặng

Cấu tử
Cylohexane
(C
6H4)
Xylene
(C
8H10)
Cyclononane

Zi
0,325

Ki
1,984

xi
0,316

5,26

0,256

0,8571

0,257

2,27

0,174

0,377

0,117

1

(C
9H18)
n-Decane
(C
10H22)
n-C12

0,114

0,37

0,116

0,981

0,132

0,318

0,135

0,844

(C
12H24)
Tổng

1

1,001

13


Bảng 3.4 Độ bay hơi tương đối của các cấu tử.
ẤU TỬ
Cylohexane
(C
6H4)
Xylene

5.636

3.56

5.26

4.725

3.18

1.87

2.27

2.38

1

1

1

0.996

0.981

0.9826

0.897

0.844

0.852

(C8H10)
Cyclononane
1
(C
H
)
9 18
n-Decane
0.971
(C10H22)
n-C12
0.817
(C12H24)
•

3.1.2. Xác định Nmin theo công thức Fenske
Xét công thức Fenske cho hệ nhiều cấu tử.

(p46,[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 ( kmol ) là số mol của C9 trong sản phẩm đỉnh tháp ,ta có:bảng :

Thành phần
Cylohexane (C6H4)
Xylene (C8H10)
Cyclononane (C9H18)
n-Decane (C10H22)
n-C12 (C12H24)
Tổng
•

Đỉnh (kmol)
94,32
a
85.29-(85,29-a)
-

Đáy (kmol)
3,16
85,29-a
85,29-a
-

Áp dụng công thức Fenske cho 2 cấu tử khóa Toluen và P-xylene (1) ; Toluen và m-xylene

(1)

;N

=
(2)
Giải ( 1) và (2) ta có Nmin = 10,49 và a = 0,47

Từ Nmin và a đã tính được ta tiếp tục tính phân bố nồng độ của các cấu tử còn lại ,ta được
Nmin =

•
•

Nhập liệu (kmol)
523,97
97,48
85,29
85,29
426,49
1218.55

bảng phân bố nồng độ như sau :

14

min


Bảng 3.5 : phân bố nồng độ các dòng nhập liệu và sản phẩm trong tháp
Nhập liệu

Cấu tử

Sản phẩm đỉnh

tỉ lệ mol

Sản phẩm đáy

kmol/h

tỉ lệ mol

kmol/h

tỉ lệ mol

kmol/h

Cylohexane (C6H4) 0,325

52,26

0,556

52,26

0

0

Xylene (C8H10)

0,256

41,09

0,435

40,82

0,004

0,268

Cyclononane
(C
9H18)
n-Decane
(C

0,174

27,89

0,005

0,47

0,41

27,42

18,3

0,003

0,267

0,27

18,032

10H22) 0,114

n-C12 (C12H24)

0,132

21,21

0,0009

0,08

0,316

21,13

TỔNG

1

160,76

1

93,89

1

66,85

•

Sự sai khác với giả sử phân bố nồng độ ban đầu gần như không đáng kể . Thỏa yêu cầu đề

•

bài.
Áp dụng công thức Fenske cho tháp :

o

= 3.3 ,chọn n

Đoạn cất :

min

Đoạn chưng :
= 4.2 ,chọn
= 4.
Xác định Rmin theo phương pháp dơn giản hóa Gililand.
Ta có công thức Gilliland tính tỷ số hồi lưu tổi thiểu Rmin (p.47, [2]) :
o
3.1.3.

•

= 3.

15


Cấu tử

Nhập liệu lỏng sôi
% bay hơi

Nhập liệu dạng hơi

Tính li

% bay hơi

Tính li

inhẹ

jnhẹ

iV

iL
jnặng

-

inặng

•

Trong đó: Zi : nồng độ câu tử i trong hỗn hợp ban đầu
αi: độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so vói cấu tử khóa nặng
iV,iL: cấu tử trung gian nặng và trung gian nhẹ

•

Ta được thông số sau :

Nhập liệu lỏng sôi
cấu tử
i nhẹ
Cylohexane
j nhẹ
Xylene
j nặng
Cyclononane
i nặng
n-Decane
i nặng
n-C12
•

% bay hơi
0.08

Tính li
0.694289
1.142857
1.142857
0.228571

Từ các số liệu trên ta tính ra Rmin = 0,548
3.1.4.

Xác định số bậc lý thuyết N và chỉ số hoàn lưu R.

16

Nhập liệu dạng hơi
% bay hơi
Tính li
0.694289
0.43644
0.58
1.142857
0.228571


•

Ta có : R = 1,3.Rmin +0,36 => R = 1,07
Tra đồ thị (p.43,[2]), hoặc Nhl = 1,7.Nmin+1 ta có N= 28

Gọi n và m là số bậc biến đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chưng, ta có :

 Đoạn cất

:

=13,05

 Đoạn chưng :

=15.12

3.2. Tính sơ bộ đường kính mâm.
Diện tích mâm.
- Phương pháp thường dùng để tính toán là phương pháp sử dụng phương trình để xác định chế
3.2.1.

độ sặc mâm chỉ do lỏng bị cuốn theo hơi. Theo phương trình Kister – Hass có thể xác định được
tốc độ sặc thông qua hằng số mâm CSB:

( p 34 , [3]) .

Với : CSB : Yếu tố C tại điểm sặc , m/s
dh

Đường kính lỗ, mm.

σ Sức căng bề mặt, dyne/cm.
ρL,ρG lần lượt là khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3
TS Khoảng cách giữa các mâm, mm.
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:

với n = 0,00091.

17


•
•
•

QL tải trọng lỏng, m3/(h/m chiều dài ngưỡng chảy tràn)
Af phần diện tích lỗ trên phần diện tích sục khí, chọn Af = 0,1 đối với tháp mâm van
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%

Để tính toán CSB chấp nhận các giả thuyết sau:
•
•
•
•

Đường kính lỗ: dh = 0,5 in
Khoảng cách mâm: TS = 24 in
Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm: hcl = 1,5 in

(Theo Kister H.Z ,Distillation Oparation ,McGraw- Hill ,New york ,1990)
Bảng số liệu các thông số từ hysys :
Bảng 3.6 : thông số vật lý của thành phần đoạn chưng và đoạn luyện.

ρL(lb/ft )

ρV (lb/ft )

3

3

σ(dyn/cm)

Lưu lượng
khí – CFS
(

Đoạn luyện
Đoạn chưng

45,6175
41,63

-

Đoạn luyện :

-

Đoạn chưng:

0,3608
0,4040

14,97
8,84

 Công thức tính tốc độ sặc :

(p.33 [3])

18

)
69,6
61,7

Lưu lượng
lỏng –GPM
(

)
2,5
3,57


 Đoạn luyện :

 Đoạn chưng :

Diện tích sục khí thực của tháp
đế đảm bảo an toàn cho tháp.

: Giả thiết tháp thiết kế làm việc tại điểm 80% tốc độ sặc mâm

(p. 126,[3])

Với tháp chưng luyện, hệ số giảm tốc SF = 0,9 đối với đoạn luyện và SF = 0,9 đối với đoạn
chưng, ta có :
 Đoạn luyện : CFS = 40,77

 Đoạn chưng : CFS = 31,76

Để tính sơ bộ diện tích chảy truyền lỏng
sẽ sử dụng các giá trị tốc độ tối đa của lỏng
trong kênh chảy truyền ở bảng 7.5 (p,45, [3]), cho tháp hoạt động ở áp suất P = 2 atm theo bảng trên
tốc độ của dòng lỏng trong kênh chảy truyền nằm trong khoảng (0,1:0,4) ft/s . Chọn tốc độ này bảng
đối với đoạn cất và
đoạn chưng. Ở đây không cần chú ý đến hệ
số giảm tốc vì trong bảng đã tính đến xu thế tạo bọt của hệ.
Công thức tính diện tích chảy truyền của lỏng

19


 Đoạn luyện :

 Đoạn chưng :
3.2.2. Tính đường kính tháp .

- Diện tích tiết diện ngang của tháp :

( p.127 ,[3])

- Đường kính tháp được tính bằng công thức :
 Đoạn luyện :
 Đoạn chưng :

Đường kính hai đoạn khác nhau không đáng kể, chính vì vậy, đường kính hai đoạn sẽ được chọn
bằng nhau. Chọn đường kính chung cho cả 2 đoạn D = 2,6 m .

3.3. Sắp đặt sơ bộ mặt mâm .
3.3.1.

Số đường đi của lỏng trên mâm.

• Ở giai đoạn đầu cần tiến hành sắp đặt sơ bộ diện tích mặt mâm, vì sắp đặt mặt mâm sẽ ảnh
hưởng tới kích thước của tháp. Trong đồ án này, sắp đặt sơ bộ mặt mâm sẽ dựa vào hướng
dẫn chi tiết sắp đặt mặt mâm của các hãng.
Để xác định số đường đi của lỏng trên mâm trước tiên cần phải tính sơ bộ chiều dài ngưỡng
chảy tràn :

.

• Tải trọng lỏng tính theo 1 đơn vị chiều dài ngưỡng chảy tràn :

(p.30 [3]) .

 Đoạn luyện :

20


 Đoạn chưng :
• Chọn đường đi của lỏng trên mâm phải đảm bảo điều kiện mỗi đường đi của lỏng có tải
trọng lỏng QL (tính theo một đơn vị chiều dài của ngưỡng chảy tràn) nằm trong khoảng
(7:13) gpm/in .Như vậy sẽ thiết kế mâm có 1 đường đi đoạn luyện và 1 đuờng đi đoạn
chưng.
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 TS = 24 in. Thông thường khoảng cách giữa 2 mâm
chọn nằm trong khoảng 0,3-0,5 đường kính tháp.
3.3.3. 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:
o Phần diện tích lỗ: Af = 0,1
o Chiều cao ngưỡng chảy tràn ở cửa ra khỏi mâm của lỏng: hw = 2 in = 50 mm
o Bề dày của mâm (thép X18H10T ) : bề dày 0,135 in ≈ 3,5 mm
3.3.4. Bước lỗ .
Các bước lỗ được phân bố theo hình tam giác đều, bước lỗ tính theo công thức :
3.3.2.

•

(p.130 ,[3])
•

Sắp xếp kênh chảy truyền .
Trong đoạn luyện, phần trăm diện tích chảy truyền lỏng

•

Trong đoạn chưng ,phần trăm diện tích chảy truyền lỏng

•
•

Chọn % diện tích chảy truyền lỏng cho cả 2 đoạn là 17,58 %
Diện tích chảy truyền lỏng trong đoạn luyện và đoạn chưng là khá nhỏ nên không cần giảm

•

diện tích này
Kết quả tỉ lệ diện tích chảy truyền trên diện tích tiết diện ngang ta có

3.3.5.

21


Bảng 3.7 : diện tích chảy truyền trên diện tích tiết diện ngang
đoạn luyện

đoạn chưng

Đường kính tháp DT,m

2,6

2,6

Diện tích tiết diện ngang của tháp,m2

5,36

5,39

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép trên,m2

0,774

0,948

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép dưới,m2

0,774

0,948

Diện tích sục khí của mâm AB

3,812

3,494

Diện tích làm việc thực của mâm,m2

4,586

4,442

3.3.6.

Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền .

Các đại lượng này tính được từ hinh dạng của kênh chảy truyền , để xác định nhanh các đại
lượng này cũng có thể sử sụng các đồ thị của Bolles ( p.130 , [3]) :

Bảng 3.8 : Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền.
Đại lượng

Ký hiệu

Đoạn luyện

Đoạn chưng

%

14,3

17,58

0,8

0,84

Lw, in

81,6

85,6

%

0,2

0,23

Chiều rộng của kênh chảy truyền

Wdc, in

20,4

23,46

Đường đi của lỏng trên mâm

LF, in

81,6

78,5

AD/AT
Lw/Dj theo Hình 7.51b (p.130,[3])
Chiều dài của ngưỡng chảy tràn
Wdc/DT theo Hình 7.51b (p.124,[3])

•

Kiểm tra đường đi của chất lỏng trên mâm LF = DT- Wdc , phải lớn hơn từ 15- 18 (in), kết quả
thu được hoàn toàn thỏa mãn .

3.4. Tổng kết sắp xếp mặt mâm .
Bảng 3.9 Tổng kết sắp xếp mặt mâm.
Đại lượng

đoạn luyện

đoạn chưng

Đường kính tháp DT,m

2,6

2,6

Diện tích tiết diện ngang của tháp,m2

5,36

5,36

Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép trên, m2

0,774

0,948

22


Diện tích chảy truyền lỏng ở 1 mép dưới,m2

0,774

0,948

Diện tích sục khí của mâm AB m2

3,812

3,494

Diện tích làm việc thực của mâm, m2

4,586
2073

4,442
2147

Độ dài đường đi của lỏng trên mâm,LF ,mm

630
2073

462
1994

Khoảng cách giữa các mâm,TS ,mm

610

610

Đường kính lỗ,dh,mm

38

38

Phần diện tích lỗ ,Af

0,1

0,1

Chiều cao ngưỡng chảy tràn, hw, mm

50

50

Bề dày đĩa,mm

3,5

3,5

Bước lỗ,p,mm

114

114

Chiều dài của ngưỡng chảy tràn,Lw,mm
Chiều rộng kênh chảy tràn ,mm

•

Kiểm tra sặc mâm .
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 của 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.
Chiều cao lớp chất lỏng trên mâm ở chế độ phun tia h cl, in cột nước

3.4.1.

;

(p. 34,[3]) .

Bảng 3.10 Kiểm tra độ sặc mâm
Đại lượng
Lưu lượng thể tích lỏng

Ký hiệu
GPM, ft3/s

Chiều dài ngưỡng chảy tràn

Lw,in

81,6

85,6

Tải trọng lỏng

QL, gpm/in

13,85

19,78

Đường kính lỗ

dh, in

0,5

0,5

Phần diện tích lỗ
Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở
trên đĩa ở chế độ phun tia

Af

0,1

0,1

Hh20, in

0,49

0,44

0,101

0,101

Thông số n= 0.0231 (dh/Af)

23

Đoạn luyện

2,5

Đoạn chưng
3,75


Khối lượng riêng của pha lỏng
Chiều cao lớp chất lỏng bên trong ở
trên đĩa ở chế độ chuyển tiếp từ lớp
bọt sang phun tia

ρl, lb/ft

Khoảng cách giữa các đĩa
Thông số CSB tại điểm sặc đĩa
Khối lượng riêng của pha hơi
Sức căng bền mặt
Diện tích thật của đĩa
Lưu lượng thể tích hơi
Hệ số giảm tốc
Thông số C*SB tại điểm sặc mâm
(SF*CSB)

3

45,62

41,63

hcl, in

0,582

0,55

Ts, in
CS, ft/s

24
0,1781

24
0,1752

0.3608

0.4040

14,97

8,84

49,363

47,813

69,6

61,7

0,9
0,101

0,9
0,127

0.123

0,1482

82,11

85,66

3
ρg, lb/ft
dyne/cm
2
AN, ft
3
ft /s
SF
C*sb, ft/s

Thông số đặc trưng khi tải trọng hơi
Cs, (ft/s ) ,tính theo AN
% sặc mâm ( Cs/C*SB)*100

%

 Nhận xét : Phần trăm sặc mâm bằng xắp xỉ 84 %, kích thước thiết kế phù hợp với cần thiết.

•

3.4.2. Kiểm tra khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng .
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. Phương trình Koch có dạng :

(p.134,[3])

Với : tR: thời gian lưu của dòng lỏng trong kênh chảy truyền
ta có tR =5,13 ( hình 7.52 )

( p.134,[3] )

SF : yếu tố giảm tốc : 0,9

TS: Khoảng cách giữa các đĩa, in

Bảng 3.11 :Khả năng tắt nghẽn của kênh chảy truyền lỏng
Đại lượng

Đoạn luyện

24

Đoạn chưng


3

ρl-ρv, lb/ft
Thời gian lưu lỏng trong kênh chảy truyền tR, s
Khoảng cách đĩa TS, in
Yếu tố giảm tốc SF
Tải trọng lỏng của kênh chảy truyền Qmax,
Lưu lượng thể tích lỏng, GPM,
2+
Diện tích chảy truyền lỏng ở mép AD, ft
Tải trọng lỏng của kênh chảy truyền Q, GPM/ft
%Qmax

45,25

41,22

5,13
24
0,9

5,13
24
0,9

157,47
2,5

157,47
3,57

8,33

10,2

134,7

140

2
85%

Nhận xét :

•

Kết quả kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng cho thấy: với kích thước kênh chảy truyền
lỏng đã tính toán thì tháp sẽ không có hiện tượng tắt nghẽn kênh chảy truyền (do %
QDmax<100%). Do đó, khoảng cách mâm của cả đoạn chưng và đoạn luyện có thể chấp
nhận giá trị TS = 24 in.

3.5. Kiềm tra thủy lực.
3.5.1.

Chế độ làm việc trên mâm.

• Chế độ dòng: Do mâm thường không 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 :

( p.139 và p.71,[3] )

Thông số dòng chuyển tiếp ,

25