Nghiên cứu giải pháp để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc của tháp chưng cất trong công nghiệp dầu mỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT
--------------------------

ðẶNG VĂN CHÍ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ðỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VÀ
HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA THÁP CHƯNG CẤT
TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU MỎ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT
--------------------------

ðẶNG VĂN CHÍ

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ðỂ
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VÀ
HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA THÁP CHƯNG CẤT
TRONG CƠNG NGHIỆP DẦU MỎ
Chun ngành : ðiện khí hoá mỏ
Mã số

: 62.52.52.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.PGS.TS Thái Duy Thức
2.TS. Trần Bá ðề

HÀ NỘI - 2012


MỤC LỤC

MỞ ðẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT VÀ HỆ THỐNG
ðIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT
1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất
1.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và hoạt ñộng của tháp chưng cất
1.2.1. Giới thiệu về các loại tháp chưng cất
1.2.2. Thiết bị chưng cất cơ bản và quá trình vận hành
1.2.3. Các thiết bị bên trong tháp chưng cất
1.2.4. Thiết bị gia nhiệt
1.2.5. Nguyên lý chưng cất
1.2.6. Cân bằng lỏng – hơi
1.2.7. Những yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của tháp chưng cất
1.3. Các tham số cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình chưng cất
1.4. Tổng quan về hệ thống điều khiển tháp chưng cất
1.4.1. Các nguyên tắc cơ bản của q trình điều khiển
1.4.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy lọc dầu
1.4.3. ðiều khiển tháp chưng cất trong nhà máy xử lý khí Dinh Cố
1.4.4. ðiều khiển tháp chưng cất nhà máy lọc dầu số 1 Dung Quất
1.4.4.1. Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ ñỉnh tháp

1.4.4.2. Hệ thống ñiều khiển mức ñáy tháp
1.5. Nhận xét
Chương 2. MƠ HÌNH HĨA THÁP CHƯNG CẤT DẦU MỎ
2.1. Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn cho tháp chưng cất
2.1.1. Mục đích của việc xây dựng mơ hình tốn
2.1.2. Các điều kiện cần thiết để xây dựng một mơ hình tốn

Trang
1
5
5
6
6
7
9
11
12
14
14
17
19
19
20
27
28
29
32
33
35
35

35
35

2.1.3. Phương pháp xây dựng mơ hình

35

2.1.4. Mơ hình tốn học tháp chưng cất

36

2.1.4.1. Một số giả thiết khi xây dựng mơ hình tốn

36

2.1.4.2. Phương trình tốn ở trạng thái xác lập

37

2.1.4.3. Các phương trình tốn động học

48

2.1.5. Nhận xét
2.2. Mô phỏng tháp chưng cất

52
53

2.2.1. Ý nghĩa của q trình mơ phỏng tháp chưng cất
2.2.2. Cơ sở dữ liệu mô phỏng
2.2.3. Mô phỏng các ñặc tính tĩnh và ñộng học tháp chưng cất
2.2.3.1. Khảo sát các đường đặc tính tĩnh
2.2.3.2. Khảo sát các đặc tính động học tháp chưng cất
2.2.4. Khảo sát xây dựng ñặc tính P-T
2.2.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ và áp suất trên dòng cấp liệu tới
các ñặc tính động học trong tháp chưng cất
2.3. Nhận xét
Chương 3. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ðỂ DỰ BÁO NỒNG
ðỘ THÀNH PHẦN SẢN PHẨM THÁP CHƯNG CẤT
3.1. Mở ñầu
3.2. Những nội dung cần nghiên cứu
3.3. Tổng quan về mạng nơron nhân tạo
3.3.1. Giới thiệu chung
3.3.2. Mạng nơron nhân tạo
3.4. Luật học lan truyền ngược
3.5. Thiết lập bộ dữ liệu vào – ra cho mạng nơron
3.5.1. Lựa chọn các biến vào – ra
3.5.2. Ngun tắc đo các biến thứ cấp
3.5.3. Mơ phỏng ñộng học thiết lập bộ dữ liệu vào – ra cho mạng nơron
3.6. Thiết kế và huấn luyện mạng nơron
3.7. Khảo sát sự ảnh hưởng tham số mạng tới sai lệch MSE của mơ hình
3.7.1. Thay đổi số lượng tế bào nơ ron trong các lớp
3.7.2. Thay ñổi số lớp ẩn trong mạng
3.8. Các kết quả huấn luyện
3.8.1. Kết quả huấn luyện cho trường hợp nhiễu cấp liệu
3.8.2. Kết quả huấn luyện cho trường hợp các tham số thay ñổi
3.8.3. Kết quả huấn luyện cho trường hợp tổng quát.
3.9. Nhận xét

Chương 4. ỨNG DỤNG CẢM BIẾM MỀM ðỂ ðIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP
NỒNG ðỘ THÀNH PHẦN THÁP CHƯNG CẤT
4.1. ðặt vấn ñề
4.2. Ứng dụng cảm biến mềm(soft_sensor) trong ñiều khiển trực tiếp nồng ñộ
4.2.1. ðiều khiển nồng ñộ cấu tử
4.2.2. Thiết kế hệ thống ñiều khiển

53
53
56
56
66
77
81
85
86
86
87
88
88
88
92
97
97
99
99
104
108
108
110

111
111
114
115
119
120
120
121
121
121


4.2.3. Mơ phỏng xác định các đặc tính của q trình
4.2.4. Tính tốn các tham số cho bộ điều khiển
4.3. Kết quả mơ phỏng, đánh giá tham số và chất lượng của bộ điều khiển
4.3.1. Các kết quả mơ phỏng
4.3.2. ðánh giá tham số, chất lượng bộ ñiều khiển trực tiếp nồng độ
4.4. Nhận xét
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ðà CƠNG BỐ CỦA NCS
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

122
123
126
126
130
132
133

135
140
141


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt.
TT Ký hiệu
Mô tả

ðơn vị

1

F

Lưu lượng của dịng cấp liệu

kmol/s

2

zF

Nồng độ phần mol dịng cấp liệu

% mol

3

q

Tỉ lệ pha lỏng trong dòng cấp liệu

%

4

n

Số lượng các ñĩa lọc

ðĩa

5

D

Lưu lượng dòng sản phẩm ñỉnh tháp

kmol/s

6

B

Lưu lượng dòng sản phẩm ñáy tháp

kmol/s

7

xD

Nồng ñộ mol của pha lỏng trên ñỉnh tháp

% mol

8

xB

Nồng ñộ mol của pha lỏng dưới ñáy tháp

% mol

9

yD

Nồng ñộ mol của pha hơi trên ñỉnh tháp

% mol

10

yB

Nồng ñộ mol của pha hơi dưới ñáy tháp

% mol

11

Li

Lưu lượng lỏng ở ñĩa thứ i

kmol/s

12

Vi

Lưu lượng hơi ở ñĩa thứ i

kmol/s

13

Hi

Entalpy của dịng hơi và tại đĩa thứ i

kcal/kg

14

hi

Entalpy của dịng lỏng tại đĩa thứ i

kcal/kg

15

xi,j

Nồng độ mol cấu tử j pha lỏng trên ñĩa i

% mol

16

yi,j

Nồng ñộ mol cấu tử j pha hơi trên ñĩa i

% mol

17

Mi

kmol

18

MD

Lượng chất lỏng trên đĩa thứ i
Lượng chất lỏng trong bình ngưng ở ñỉnh tháp

19

MB

Lượng chất lỏng trong nồi tái ñun ñáy tháp

kmol

20

hD

Entalpy của pha lỏng trong sản phẩm ñỉnh

kcal/kg

21

hB

Entalpy của pha lỏng trong sản phẩm đáy

kcal/kg

22

R

Dịng hồi lưu đỉnh tháp

kmol/s

23

Qc

Lưu lượng nhiệt thu hồi trong bình ngưng (Condenser)

J/s

24

QR

Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi tái đun (Reboiler)

J/s

25

Re

Tỉ số dịng hồi lưu đỉnh

%

26

nF

Chỉ số đĩa cấp liệu tại đĩa f

27

LR

Lưu lượng dịng lỏng chảy trên vùng cất

kmol/s

28

LS

Lưu lượng dòng lỏng chảy trên vùng chưng

kmol/s

29

VR

Lưu lượng dòng hơi trên vùng cất

kmol/s

kmol


30

VS

Lưu lượng dịng hơi trên vùng chưng

kmol/s

31

Vn

Dịng hơi đỉnh tháp

kmol/s

32

VB

Dịng hồi lưu hơi ñáy tháp

kmol/s

33

Nc

Số lượng các cấu tử trong hỗn hợp

34

Kj

Hằng số cân bằng pha của hydrocacbon

35

Pj

Áp suất hơi riêng phần của cấu tử j

bar

36

PT

Áp suất chung của hệ

bar

37

zj

Nồng ñộ cấu tử j trong hỗn hợp nạp

% mol

38

PDP

Áp suất ñiểm bọt

bar

39

PBP

Áp suất ñiểm sương

bar

40

αj,k

ðộ bay hơi tương ñối của cấu tử j so với cấu tử k

%

41

Ti

Nhiệt ñộ tại ñĩa thứ i

o

42

xD,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j trong pha lỏng ñỉnh tháp

% mol

43

xB,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j trong pha lỏng ñáy tháp

% mol

44

xi,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j pha lỏng trên ñĩa thứ i

% mol

45

yD,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j trong pha hơi ñỉnh tháp

% mol

46

yB,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j trong pha hơi ñáy tháp

% mol

47

yi,j

Nồng ñộ mol của cấu tử j pha hơi trên ñĩa thứ i

% mol

48

T

Nhiệt ñộ tuyệt ñối của hệ

o

49

Aj,Bj

50

γj

Hệ số hoạt ñộ của cấu tử j trong pha lỏng

51

αj

ðộ bay hơi tương ñối của cấu tử j so với cấu tử bất kỳ

%

52

Re(tt)

ðộ hồi lưu thực tế trên ñỉnh tháp

%

53

nR

Số lượng ñĩa trên vùng cất

ñĩa

54

nS

Số lượng ñĩa trên vùng chưng

ñĩa

55

S

ðộ hồi lưu dưới ñáy tháp

%

C

C

Hằng số cho những khoảng nhiệt ñộ hợp lý.

Danh mục các bảng biểu:
TT Bảng

Nội dung

Trang

1

2.1

Các chế ñộ làm việc của tháp C-01

54

2

2.2

So sánh thông số vận hành giữa mô phỏng và tháp thực

59

3

2.3

Kiểm tra nồng ñộ trong các pha trên các phân ñoạn sườn

65

4

2.4

Giá trị nồng ñộ các chất dưới ñáy tháp

79

5

2.5

Bảng số liệu quan hệ P-T

80


6

3.1

Bộ dữ liệu vào – ra của mạng nơron

103

7

3.2

So sánh sai lệch huấn luyện với cấu trúc mạng khác nhau.

108

8

3.3

So sánh sai lệch của quá trình huấn luyện khác nhau.

109

9

3.4

So sánh sai lệch của quá trình huấn luyện khác nhau.

109

10

3.5

Sai lệch của q trình huấn luyện mạng 20 × 15 × 2

110

11

3.6

So sánh sai lệch của quá trình huấn luyện khác nhau.

110

12

4.1

Các hàm truyền thu ñược từ nhận dạng ñường cong

122

13

4.2

Tính tốn các tham số PID theo Cohen-Coon

124

14

4.3

Các tham số PID theo Cohen-Coon (lỏng-chưng)

124

15

4.4

Các tham số PID theo Cohen-Coon (hơi-cất)

124

16

4.5

Chất lượng điều khiển theo Cohen – Coon

131

Danh mục các hình vẽ:
Nội dung

Trang

TT

Hình

1

1.1

Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất

7

2

1.2

Mơ tả cấu trúc đỉnh tháp

7

3

1.3

Mơ tả cấu trúc đáy tháp

7

4

1.4

Chuyển ñộng của các dòng lỏng và hơi bên trong tháp

10

5

1.5

Thiết bị gia nhiệt kiểu Kettle

11

6

1.6

Biểu đồ điểm sơi

12

7

1.7

ðường cong cân bằng lỏng – hơi

14

8

1.8

Sự dịch chuyển của ñường vận hành khi dịng hồi lưu thay đổi

16

9

1.9

Sơ đồ điều khiển phản hồi feed back control

21

10

1.10

Tổng quan hệ thống ñiều khiển Cascade cho tháp chưng cất

22

11

1.11

Hệ thống ñiều khiển Feed forward cho tháp chưng cất

24

12

1.12

Sơ ñồ ñiều khiển kết hợp feed forward và feedback controller

25

13

1.13

Sơ ñồ ñiều khiển tổng quan Override control

26

14

1.14

ðiều khiển nhiệt độ đáy thơng qua lưu lượng dịng nóng

26

15

1.15

Sơ ñồ ñiều khiển tháp chưng cất C01

27

16

1.16

Sơ ñồ P&ID cho hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất T1101

29

17

1.17

Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ ñỉnh tháp

30

18

1.18

Hệ thống ñiều khiển mức ñáy tháp

32

19

2.1

Nguyên lý tổng quát tháp chưng cất

37

20

2.2

Quan hệ Pj-T

38


21

2.3

Mơ tả các dịng ngun liệu

41

22

2.4

Mơ tả các dịng vật chất tại thiết bị ngưng

48

23

2.5

Mơ tả các dịng vật chất tại đĩa n

49

24

2.6

Mơ tả các dịng vật chất tại đĩa i

49

25

2.7

Mơ tả các dịng vật chất tại đĩa cấp liệu f

50

26

2.8

Mơ tả các dịng vật chất đĩa thứ nhất

51

27

2.9

Mơ tả các dòng vật chất tại thiết bị gia nhiệt

51

28

2.10

Số liệu vận hành của tháp chưng cất trong chế ñộ GPP

55

29

2.11

Biểu ñồ xác ñịnh hệ số cân bằng Kj của các hydrocacbon

56

30

2.12

Giao diện chính mơ phỏng tháp chưng cất

57

31

2.13

Biểu đồ xác ñịnh nhiệt ñộ ñỉnh tháp chưng cất

58

32

2.14

Biểu ñồ xác ñịnh nhiệt ñộ ñáy tháp chưng cất

58

33

2.15

Biểu ñồ xác ñịnh ñộ bay hơi tương ñối của Metan (CH4)

58

34

2.16

Biểu ñồ xác ñịnh ñộ bay hơi tương ñối của Etan (C2H6)

59

35

2.17

Biểu ñồ xác ñịnh ñộ bay hơi tương ñối của Butan (C4H10)

59

36

2.18

Biểu ñồ xác ñịnh ñộ bay hơi tương ñối của Condensate (C5+)

59

37

2.19

Biểu ñồ xác ñịnh ñộ bay hơi tương ñối của các chất

60

38

2.20

Xác ñịnh nồng ñộ các chất trong pha hơi – vùng cất

61

39

2.21

Xác ñịnh nồng ñộ các chất trong pha lỏng – vùng cất

62

40

2.22

Xác ñịnh nồng ñộ các chất trong pha hơi – vùng chưng

63

41

2.23

Xác ñịnh nồng ñộ các chất trong pha lỏng – vùng chưng

64

42

2.24

Sơ đồ cấu trúc cho mơ hình suy luận

68

43

2.25

ðịnh nghĩa tập mờ Pi

69

44

2.26

ðịnh nghĩa tập mờ Ti

69

45

2.27

ðịnh nghĩa tập mờ K1

69

46

2.28

ðịnh nghĩa tập mờ K2

69

47

2.29

ðịnh nghĩa tập mờ K3

69

48

2.30

ðịnh nghĩa tập mờ K4

69

49

2.31

ðịnh nghĩa tập mờ K5

69

50

2.32

Kết quả nhận dạng các hằng số Kj

70

51

2.33

Mối quan hệ 3D: Pi-Ti-K1-4

71

52

2.34

Quan hệ 3D: Pi-Ti-K5

71

53

2.35

ðặc tính q độ các cấu tử PHA LỎNG – VÙNG CẤT

73

54

2.36

ðặc tính q độ các cấu tử PHA HƠI – VÙNG CẤT

74


55

2.37

ðặc tính q độ các cấu tử PHA LỎNG – VÙNG CHƯNG

75

56

2.38

ðặc tính q độ các cấu tử PHA HƠI – VÙNG CHƯNG

76

57

2.39

Sơ đồ cấu trúc của mơ hình dự báo

79

58

2.40

Mơ phỏng các đặc tính dự báo

80

59

2.41

ðặc tính P-T

81

60

2.42

Sơ đồ cấu trúc nghiên cứu sự biến ñộng nhiệt ñộ - áp suất

82

61

2.43

ðặc tính q độ khi T=const, thay đổi P

83

62

2.44

ðặc tính q độ khi P=const, thay đổi T

83

63

2.45

ðặc tính q ñộ khi P và T thay ñổi

84

64

3.1

Cấu trúc một mạng nơron

89

65

3.2

Mơ hình phần tử xử lý (nơron thứ i)

89

66

3.3

Mơ hình toán học tổng quát của mạng nơron

90

67

3.4

Mạng nơron truyền thẳng ba lớp

93

68

3.5

Sơ đồ bố trí các cảm biến đo lường thứ cấp

98

69

3.6

Các ñầu vào của mạng nơron khi Td nhiễu.

100

70

3.7

ðáp ứng ñầu ra mạng nơron cần nhận dạng khi Td nhiễu

100

71

3.8

Các ñầu vào của mạng nơron khi các tham số cấp liệu nhiễu

101

72

3.9

ðáp ứng ñầu ra mạng nơron khi cấp liệu F1 nhiễu.

101

73

3.10

Các ñầu vào của mạng nơron khi các tham số ñều nhiễu

102

74

3.11

ðáp ứng ñầu ra ANN khi các tham số làm việc ñều nhiễu

102

75

3.12

Cấu trúc rút gọn 3 lớp của mạng

105

76

3.13

Cấu trúc lớp vào rút gọn của mạng

105

77

3.14

Cấu trúc lớp vào của mạng

105

78

3.15

Sơ ñồ cấu trúc lớp ẩn của mạng

106

79

3.16

Cấu trúc lớp ra của mạng

106

80

3.17

ðồ thị hiển thị sai lệch của q trình huấn luyện mạng.

107

81

3.18

Các đồ thị vào – ra của quá trình kiểm tra mạng

107

82

3.19

Kết quả chẩn đốn off-line của mơ hình với nồng độ đỉnh

108

83

3.20

Kết quả chẩn đốn off-line của mơ hình với nồng độ ñáy

108

84

3.21

Kết quả huấn luyện [P6-T1] và [P6-Y1]

112

85

3.22

Kết quả huấn luyện [P5-T2] và [P5-S3]

112

86

3.23

Kết quả dự báo nồng ñộ sản phẩm ñỉnh

112

87

3.24

Kết quả dự báo nồng ñộ sản phẩm ñáy

113

88

3.25

Kết quả kiểm tra và dự báo cho mạng có cấu trúc 4 lớp

113


89

3.26

Hiển thị sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng

114

90

3.27

Kết quả kiểm tra và dự báo cho mạng có cấu trúc 3 lớp

114

91

3.28

Kết quả kiểm tra và dự báo cho mạng có cấu trúc 4 lớp

115

92

3.29

Kết quả kiểm tra và dự báo mạng có cấu trúc 4 lớp tổng quát

116

93

3.30

Kết quả dự báo cho tập số liệu ñầu

116

94

3.31

Kết quả dự báo với các tập dữ liệu cuối.

117

95

3.32

Sai lệch trong quá trình huấn luyện mạng 3 lớp

117

96

3.33

Kết quả kiểm tra và dự báo mạng có cấu trúc 3 lớp tổng quát

118

97

3.34

Kết quả dự báo với nồng ñộ sản phẩm ñỉnh – mạng 3 lớp

118

98

3.35

Kết quả dự báo với nồng ñộ sản phẩm ñỉnh – mạng 3 lớp

119

99

4.1

Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển trực tiếp nồng ñộ

122

100

4.2

Hệ thống ñiều khiển trực tiếp nồng ñộ thành phần ñỉnh tháp

126

101

4.3

ðiều khiển C2H6 pha hơi – cất theo Cohen – Coon

127

102

4.4

ðiều khiển C2H6 pha hơi – cất với các ñiểm ñặt khác nhau

127

103

4.5

ðiều khiển C2H6 pha hơi – cất với tác ñộng nhiễu 5% cấp liệu

127

104

4.6

ðiều khiển C2H6 pha hơi – cất với nhiễu 10% cấp liệu

128

105

4.7

ðiều khiển C2H6 pha hơi – cất với 5% nhiễu ra của ñối tượng

128

106

4.8

ðiều khiển C3H8 pha lỏng – chưng theo Cohen – Coon

128

107

4.9

ðiều khiển C3H8 pha lỏng–chưng với các ñiểm ñặt khác nhau

129

108

4.10

ðiều khiển C3H8 pha lỏng – chưng với nhiễu 5% cấp liệu

129

109

4.11

ðiều khiển C3H8 pha lỏng – chưng với nhiễu 10% cấp liệu

129

110

4.12

ðiều khiển C3H8 pha lỏng–chưng với 5% nhiễu ra ñối tượng

130

111

4.13

ðiều khiển C3H8 pha lỏng–chưng với 10% nhiễu ra ñối tượng

130


1

MỞ ðẦU
1. ðặt vấn đề
Trong ngành cơng nghiệp khai thác, chế biến và lọc hóa dầu thì chưng cất dầu mỏ
là một trong những cơng đoạn quan trọng nhất quyết ñịnh ñến chất lượng sản phẩm lọc
dầu. Chưng cất là một q trình sử dụng nhiệt để phân tách một hỗn hợp các chất ra hai
hay nhiều sản phẩm tinh khiết, dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sơi của từng cấu tử.
ðặc ñiểm của tháp chưng cất là ñối tượng ñiều khiển phi tuyến với các tham số có
biến động nhiễu lớn như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng của hỗn hợp các chất lỏng hơi
trong tháp. Ngoài ra cịn kể đến sự biến thiên liên tục của các tham số trên các dòng
cấp liệu của tháp. Trong ñiều kiện như vậy yêu cầu hệ thống ñiều khiển phải có nhiệm
vụ giữ ổn định chất lượng cho sản phẩm ñầu ra với hiệu suất làm việc cao nhất.
Hiện tại ở Việt Nam và trên Thế Giới đã có nhiều cơng trình nghiên cứu với mơ
hình đối tượng tháp và ñã ñược ứng dụng trong thực tiễn. Tuy nhiên việc nghiên cứu
tìm giải pháp cho tháp chưng cất trong điều kiện Việt Nam cịn chưa được đầy đủ.

2. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn cung dầu và khí cho các nhà máy chế biến, xử lý khí được thu gom từ các
mỏ dầu khác nhau phân bố rải rác ở thềm lục địa Việt Nam. Do vậy tính chất và thành
phần hỗn hợp khí dầu mỏ thường khơng ổn ñịnh, luôn luôn thay ñổi so với thiết kế.
Trong khi thực tế sản xuất yêu cầu chất lượng của sản phẩm là khơng đổi.
Thực tế hiện nay các tháp chưng cất rất khó khăn trong việc giám sát và điều khiển
nồng ñộ thành phần, mặt khác chất lượng sản phẩm khơng thể đo nhanh chóng và đảm
bảo độ tin cậy. Ở nước ta việc ño nồng ñộ này ñược thực hiện rời rạc bằng cách phân
tích các mẫu đo theo từng thời gian nhất ñịnh, hoặc xác ñịnh nồng ñộ các chất thơng
qua việc ổn định nhiệt độ, áp suất ở đỉnh và đáy tháp. Do đó sản phẩm thu ñược chưa
ñược như mong muốn, chưa tận thu ñược các sản phẩm có chất lượng và giá trị cao.
Luận án ñã sử dụng cảm biến mềm xác ñịnh trực tiếp nồng ñộ thành phần ñể ñiều
chỉnh liên tục nồng ñộ các chất sao cho nồng ñộ sản phẩm gần với nồng độ đặt, duy trì
sự ổn định chất lượng sản phẩm tháp là một địi hỏi cấp thiết của các nhà máy lọc dầu
và xử lý khí ở nước ta hiện nay.


2

Việc mơ hình hóa, chỉnh định hợp lý các tham số, nghiên cứu giải pháp ño lường
trực tuyến nồng ñộ, khắc phục những hạn chế còn tồn tại nhằm nâng cao chất lượng
điều khiển và chất lượng sản phẩm có thể ñem lại những kết quả mong ñợi. Vấn ñề này
đã làm cho đề tài có tính cấp thiết.
3. Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài
ðạt ñược mục tiêu ñặt ra là tìm được giải pháp sử dụng cảm biến mềm ñể ño lường
trực tuyến nồng ñộ sản phẩm, ứng dụng cảm biến này vào vịng điều khiển trực tiếp
nồng ñộ thành phần trên ñỉnh và ñáy tháp nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu
suất làm việc của tháp chưng cất dầu hiện nay.
4. ðối tượng nghiên cứu
Các tháp chưng cất phân ñoạn ở các nhà máy lọc dầu và chế biến khí ở Việt Nam.

5. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan tháp chưng cất, cơ sở lý thuyết q trình chưng cất, ngun lý làm việc,
các chế độ vận hành của tháp chưng cất.
Tổng quan về hệ thống ñiều khiển tháp chưng cất trong các nhà máy lọc dầu,
nguyên tắc cơ bản và các phương pháp ñiều khiển .
Xây dựng mơ hình tốn cho tháp, thiết lập các phương trình ở chế độ xác lập và
các phương trình ñộng học tháp.
Nghiên cứu ứng dụng các bộ suy luận mờ để xác định các đặc tính tĩnh và động
của tháp. Mô phỏng với số liệu của một tháp chưng cất thực để khẳng định mơ hình
nghiên cứu. Khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số đến q trình làm việc. Phân tích
đánh giá, lựa chọn giải pháp trong ño lường và ñiều khiển ñể ñáp ứng mục tiêu ñặt ra.
ðề xuất ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm ñể ño
lường trực tuyến nồng ñộ thành phần sản phẩm.
ðề xuất sách lược ñiều khiển trực tiếp nồng ñộ thành phần nhằm mục đích điều
khiển chất lượng sản phẩm mong muốn, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và
hiệu suất làm việc cho tháp chưng cất.
6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu và phân tích các tài liệu, các cơng trình đã cơng bố trong và ngồi
nước nhằm xác định chắc chắn mục tiêu và nhiệm vụ ñặt ra.


3

Thành lập mơ hình tốn của tháp chưng cất, xây dựng các phương trình mơ tả các
q trình cơ bản với tất cả các khâu. Nghiên cứu sự phụ thuộc hay quan hệ giữa các
cửa vào, cửa ra của tháp ñối với tất cả các tham số nhiệt ñộ, áp suất, lưu lượng, mức,
nồng ñộ của các cấu tử…
Sử dụng cơng cụ mơ phỏng hiện đại và đủ mạnh Matlab-Simulink ñể thực hiện mô
phỏng tháp chưng cất, xác ñịnh các qui luật thay ñổi thành phần các chất nhằm khẳng
ñịnh các nghiên cứu lý thuyết cũng như mơ hình tốn của tháp .

ðánh giá kết quả mô phỏng lý thuyết với số liệu thực tế sản xuất nhằm mục đích
hiệu chỉnh các tham số cho ñối tượng và ñề xuất các giải pháp trong ño lường và ñiều
khiển hợp lý cho hệ thống.
7. Ý nghĩa khoa học của luận án
ðưa ra ñược giải pháp sử dụng cảm biến mềm ñể ño trực tiếp nồng ñộ thành phần
sản phẩm tháp chưng cất nhằm khắc phục những nhược ñiểm của phương pháp ño
không liên tục.
Giải pháp và hướng nghiên cứu sẽ giúp các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật trong các nhà
máy xử lý khí, lọc hóa dầu làm chủ cơng nghệ, hiệu chỉnh các thơng số làm việc phù
hợp góp phần duy trì sự làm việc ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm tháp.
8. Ý nghĩa thực tiễn của ñề tài
ðề tài không ñơn thuần nghiên cứu lý thuyết mà nó cịn mang một ý nghĩa thực
tiễn gắn liền với ñiều kiện sản xuất cụ thể tại các nhà máy lọc dầu và xử lý khí ở Việt
Nam. Các kết quả đạt được dựa trên q trình mơ phỏng ño liên tục bằng cảm biến
mềm và kết quả ñiều khiển trực tiếp nồng độ thành phần đã góp phần duy trì sự làm
việc ổn định, tin cậy, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc
cho tháp chưng cất trong ngành cơng nghiệp dầu khí cịn non trẻ của Việt Nam.
9. Luận điểm bảo vệ và ñiểm mới của luận án
ðể nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất làm việc tháp chưng cất, ngồi việc
thiết kế, lựa chọn cơng nghệ tiên tiến phù hợp thì cần phải
1. Lựa chọn các thơng số vận hành tháp hợp lý: vị trí cấp liệu, số đĩa lý thuyết,
nhiệt ñộ ñỉnh và ñáy tháp, áp suất làm việc, dịng hồi lưu... dựa trên mơ hình tốn học
được thành lập.


4

2. Nâng cao chất lượng của các bộ ñiều khiển, ñộ chính xác và tin cậy của các cảm
biến ño lường, rút ngắn thời gian kiểm soát chất lượng sản phẩm so với hiện nay.
ðiểm mới của luận án

1. ðã ứng dụng bộ suy luận mờ fuzzy-logic ñể xác ñịnh hằng số cân bằng pha của
hydrocacbon trong mơ hình hóa tháp chưng cất nhằm xác định các đặc tính cần thiết.
2. ðã ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo vào xây dựng bộ cảm biến mềm (ño lường
suy luận) ñể xác ñịnh trực tiếp nồng ñộ thành phần sản phẩm của tháp chưng cất dầu
mỏ tại Việt Nam.
3. ðã ứng dụng bộ cảm biến mềm vào ñiều khiển trực tiếp nồng độ thành phần góp
phần kiểm sốt và duy trì ổn ñịnh chất lượng sản phẩm mong muốn.
10. Bố cục của luận án
Nội dung luận án được trình bày trong 4 chương với 16 bảng biểu và 111 hình vẽ,
bao gồm các phần mở ñầu, nội dung luận án, kết luận chung và kiến nghị. Danh mục
các cơng trình nghiên cứu khoa học, tài liệu tham khảo và các phụ lục.
11. Lời cảm ơn của NCS
Bản luận án của NCS ñến nay ñã ñược hoàn thành, trước hết
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới hai Thầy giáo hướng dẫn khoa học
PGS.TS Thái Duy Thức, TS.Trần Bá ðề đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu
và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin cảm ơn tất cả các Thầy Cơ trong hai Bộ mơn ðiện khí hóa Mỏ, Tự
động hóa Mỏ và Dầu Khí, Phịng đào tạo sau ñại học Trường ðại học Mỏ - ðịa chất ñã
giúp ñỡ, tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu.
Tác giả xin cảm ơn về những lời khun bổ ích và ý kiến đóng góp trong cơng tác
chun mơn của PGS.TS Phan Xn Minh – Trường ñại học Bách Khoa Hà Nội.
Tác giả xin cảm ơn PGS.TS ðào Văn Tân về sự giúp ñỡ trong q trình tìm hiểu
về cơng nghệ lọc dầu, đã cung cấp các tài liệu tham khảo liên quan tới luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, những người thân, tất cả bạn
bè ñồng nghiệp, không ngừng ñộng viên, giúp ñỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
NCS hồn thành bản luận án này.


5

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
VÀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT
1.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất [3],[9],[11],[54],[56]
Nguyên lý của quá trình chưng cất
Chưng cất được xác định như một q trình trong ñó có sự pha trộn giữa hai pha
lỏng và hơi của hai hay nhiều chất, chúng sẽ ñược tách ra thành các chất theo một tỉ lệ
thành phần tinh khiết nhất định, bằng việc ứng dụng q trình trao đổi nhiệt và ngưng
tụ ñể ñược 2 phần:
- Phần nhẹ (distillat).
- Phần nặng (reduce).
Các phương pháp chưng cất
- Chưng cất ñơn giản: Tiến hành tách sơ bộ.
- Chưng cất phức tạp: Tách hồn tồn hỗn hợp các cấu tử ít hịa tan hoặc hịa tan
vào nhau.
- Chưng cất chân khơng: Tách hỗn hợp các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt ñộ cao.
- Chưng cất ñẳng phí: Tách hỗn hợp tạo đẳng phí.
- Chưng cất có phản ứng: Tách hỗn hợp sản phẩm của q trình phản ứng có hằng
số cân bằng bé.
- Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: Tách hỗn hợp khó bay hơi và chất cần tách
khơng tan trong nước.
- Chưng cất áp suất cao: Tách các chất có áp suất ngưng cao.
Các điều kiện tiến hành chưng cất [1],[2]
- Nhiệt độ sơi của các cấu tử phải khác nhau.
- Hỗn hợp tách ở trạng thái bay hơi một phần.
- Khơng có điểm đẳng phí, tức là pha lỏng và pha hơi có cùng một thành phần cấu
tử, do đó nếu đun sơi hỗn hợp thì pha hơi sau khi ngưng tụ sẽ có thành phần giống như
pha lỏng ban đầu, có nghĩa là hỗn hợp đẳng phí không thể tách thành các cấu tử riêng
biệt bằng phương pháp chưng cất).

6

Chất lượng và hiệu suất làm việc tháp chưng cất theo [3],[17],[18] phụ thuộc vào
- Áp suất và nhiệt ñộ làm việc của tháp.
- Lưu lượng dịng hồi lưu đỉnh và ñáy tháp.
- Số ñĩa lý thuyết bên trong tháp.
- Sự chênh lệch về nhiệt độ sơi của các chất cần phân tách.
ðặc ñiểm của tháp chưng cất
- Tháp chưng cất tiêu thụ một lượng lớn về năng lượng, bao gồm một hệ thống
thiết bị cho làm lạnh, ngưng tụ và gia nhiệt.
- Nó có thể chiếm tới hơn 50% chi phí vận hành của các nhà máy chế biến khí, các
nhà máy lọc hóa dầu.
Cách tốt nhất để giảm chi phí vận hành hiện nay là nâng cao hiệu suất làm việc của
chúng thơng qua việc tối ưu hóa ñiều khiển quá trình. ðể ñạt ñược sự cải thiện này, cần
phải hiểu ñược nguyên tắc chưng cất, các mối quan hệ phi tuyến phức tạp và tác ñộng
tương hỗ của các tham số ñầu vào và ñầu ra của tháp. Hệ thống chưng cất và hệ thống
ñiều khiển cho tháp cần phải ñược thiết kế phù hợp ñể ñáp ứng ñược yêu cầu như vậy.
1.2. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc và hoạt ñộng của tháp chưng cất [3],[17],[57]
1.2.1. Giới thiệu về các loại tháp chưng cất
Hiện nay trên Thế giới cũng như ở Việt Nam tồn tại nhiều loại tháp chưng cất khác
nhau. Tùy thuộc vào sản phẩm chưng cất, yêu cầu về công nghệ mà các hãng chế tạo
ñưa ra các mẫu thiết kế khác nhau và mỗi loại đều có sự khác biệt về kết cấu và sự
phức tạp.
Căn cứ vào phương thức vận hành, ta có thể phân loại tháp thành 2 loại cơ bản
1. Tháp vận hành theo ñợt (theo từng mẻ): Cấp liệu ñưa vào tháp theo từng ñợt,
nghĩa là cấp liệu ñược nạp một lần, sau q trình chưng cất sẽ được đưa ra ngồi. Khi
q trình chưng cất hồn thành, đợt cấp liệu tiếp theo ñược nạp vào.
2. Tháp vận hành liên tục: Ngược lại, quá trình chưng cất liên tục thì dịng cấp liệu

được liên tục đưa vào, khơng có sự gián đoạn, trừ khi có vấn đề sự cố với tháp. Tháp
dạng này có khả năng chưng cất liên tục với số lượng lớn.
Tháp vận hành liên tục có một số loại như:
- Tháp chưng cất nhị phân: Dòng cấp liệu chỉ có 2 thành phần.


7

- Tháp chưng cất đa thành phần: Dịng cấp liệu có từ 2 thành phần trở lên.
1.2.2. Thiết bị chưng cất cơ bản và q trình vận hành [3],[9],[11],[57],[61]
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất ñiển hình gồm một dịng cấp liệu và
hai dịng sản phẩm ra được cho trên hình 1.1.

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một tháp chưng cất
Tháp chưng cất ñược lắp ghép và cấu thành từ nhiều các cấu kiện và thiết bị khác
nhau, mỗi cấu kiện trong đó được dùng ñể truyền năng lượng nhiệt hoặc ñể nâng cao
khả năng truyền vật chất. Một q trình chưng cất điển hình chứa đựng một vài thành
phần chính sau:
+ Theo chiều cao tháp, q trình chưng cất thành phần dịng lỏng được ñưa ra
ngoài.
+ Bên trong tháp một hệ thống các ñĩa lọc sẽ được sử dụng để nâng cao q trình
tách các chất thành phần.


8

+ Lò gia nhiệt sẽ cung cấp một lượng hơi nóng cần thiết cho q trình chưng cất.
+ Bình ngưng sẽ làm lạnh và ngưng tụ lại lượng hơi thoát ra trên đỉnh của tháp.
+ Bình hồi lưu sẽ giữ lại và ngưng tụ dịng hơi trên đỉnh của tháp, do vậy dịng lỏng
hồi lưu sẽ được tái sử dụng và một phần quay trở lại ñỉnh tháp.

Theo chiều cao tháp thì bình ngưng và lị gia nhiệt sẽ làm việc đồng thời.
Nhiệt lạnh và q trình vận hành cơ bản, xem hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2. Mơ tả cấu trúc đỉnh tháp

Hình 1.3. Mơ tả cấu trúc đáy tháp


9

Hỗn hợp dịng lỏng hơi được đưa vào tháp dưới dạng như một dịng cấp liệu,
chúng thường được đưa tới vị trí gần với điểm giữa của tháp tới khay cấp liệu. Vùng
cấp liệu là vùng có điều kiện tương ñương với ñiều kiện của dòng nguyên liệu (nồng ñộ
thành phần, nhiệt ñộ, áp suất). Ta phân chia trong cột tháp từ khay cấp liệu tới ñỉnh
ñược gọi là phân ñoạn tinh cất và từ cấp liệu xuống ñáy ñược gọi là phân đoạn chưng.
Dịng cấp liệu chảy xuống đáy tháp, ở đó chúng sẽ được gom lại đưa đến nồi tái đun (lị
gia nhiệt).
Nhiệt lượng cấp cho nồi tái ñun sẽ sinh ra hơi. Nguồn nhiệt ñưa vào có thể ở dạng
lỏng bất kỳ phù hợp, ở hầu hết các nhà máy hóa thì nguồn nhiệt thơng thường là hơi
nóng. Trong các nhà máy lọc hóa dầu, nguồn nhiệt này có thể đưa ra ngồi để cung
cấp cho các tháp khác. Hơi nóng bốc lên trong nồi tái đun sẽ được hồi lưu trở lại đáy
tháp. Dịng lỏng đi ra từ nồi tái đun như là một dịng sản phẩm đáy.
Dịng hơi nóng thốt ra và di chuyển lên trên bên trong tháp, chúng sẽ được thốt
ra trên đỉnh tháp, và được làm lạnh bằng bình ngưng. Dịng lỏng ñược làm lạnh sẽ
ñược gom và giữ lại trong bình hồi lưu đỉnh. Một phần dịng lỏng này sẽ được tái sử
dụng và quay lại ñỉnh tháp ñược gọi là dịng hồi lưu đỉnh. Dịng lỏng ngưng tụ từ hệ
tháp chưng cất này gọi là sản phẩm cất hoặc sản phẩm đỉnh tháp.
Như vậy sẽ có các dịng hơi và dòng lỏng chảy trong tháp, các dòng cấp liệu và
các dòng sản phẩm ra.
1.2.3. Các thiết bị bên trong tháp chưng cất [17],[57].

ðĩa lọc
Có nhiều dạng đĩa lọc được đưa vào trong thiết kế như sau
+ ðĩa chóp (Bubble tray).
+ ðĩa lỗ (Sieve tray).
+ ðĩa van (Valve tray).
Trong các ñĩa lọc, dịng hơi sẽ được thốt lên trên qua khe lỗ chụp hướng lên trên
xun qua dịng lỏng trên đĩa. Hai dòng này gặp và giao lưu với nhau tạo khả năng
phân tách chất tinh khiết.
Chuyển động của dịng lỏng và hơi trên đĩa trong tháp: trên hình 1.4


10

Hình 1.4. Chuyển động của các dịng lỏng và hơi bên trong tháp
Trên hình 1.4 cho thấy sự chuyển động của dịng lỏng và dịng hơi đi xun qua
đĩa trong tháp. Trên mỗi đĩa có 2 ống dẫn, một cái nằm ở cạnh bên được gọi là ống
chảy tràn. Dịng lỏng ñi qua ống chảy tràn ñi xuống dưới nhờ trọng lực từ ñĩa trên
xuống ñĩa bên dưới.
Gờ tràn trên ñĩa bảo ñảm luôn luôn giữ lại một lượng lỏng nào đó trên đĩa và nó
được thiết kế như vậy ñể ngăn lại một lượng lỏng thích hợp, như vậy mũ chụp sẽ được
phủ bằng một lượng lỏng.
Dịng hơi thốt lên trên cột tháp và bắt buộc đi qua dịng lỏng, vùng cho phép
lượng hơi ñi qua trên mỗi ñĩa lọc thì được gọi là vùng hoạt động của đĩa.
Khi dịng hơi nóng chuyển động đi xun qua dịng lỏng trên đĩa để hướng lên
trên, nó sẽ truyền nhiệt vào dịng lỏng. Trong khi đó một phần dịng hơi cũng ñược
ngưng tụ lại và bổ sung vào dòng lỏng trên ñĩa. Sự ngưng tụ nó sẽ làm phong phú thêm
thành phần chất dễ bay hơi trong pha hơi. Ngoài ra do nhiệt từ dịng hơi, dịng lỏng trên
đĩa sẽ sơi và làm gia tăng lượng hơi. Chính lượng hơi này chuyển ñộng lên ñĩa bên trên
nằm trong tháp và tiếp tục làm giàu thêm thành phần chất dễ bay hơi. Dịng lỏng và
dịng hơi tiếp tục có sự tiếp xúc với nhau trên từng ñĩa trong tháp và mang lại sự chia

tách giữa thành phần chất có điểm sơi thấp và thành phần chất có điểm sơi cao.


11

Thiết kế ñĩa lọc
Một ñĩa lọc thực chất là một cột tháp nhỏ, mỗi ñĩa cũng thực hiện một nhiệm vụ
phân tách các thành phần. Từ đó chúng ta có thể suy luận rằng càng có nhiều đĩa lọc thì
mức ñộ phân tách giữa các chất sẽ tốt hơn và hiệu suất tách tổng thể sẽ phụ thuộc ñáng
kể vào thiết kế của ñĩa.
Những ñĩa ñược thiết kế với mục ñích ñể tối ña sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi
ñược xem xét ñến các yếu tố trên ñĩa như:
+ Sự phân phối dòng chất lỏng.
+ Sự phân bố dòng hơi.
Cần xem xét tới các yếu tố này là do khi 2 pha lỏng và hơi có một sự tiếp xúc tốt
thì khả năng phân tách các chất trên ñĩa sẽ càng tốt hơn, thực hiện chuyển dịch các pha
trong tháp cũng tốt hơn. Chúng ta có thể bớt ñược số lượng ñĩa lọc nhưng vẫn sẽ ñạt
ñược khả năng và mức độ tách tương đương. Ngồi ra có thể giảm chi phí tiêu hao
năng lượng và giá thành lắp ñặt.
1.2.4. Thiết bị gia nhiệt (Reboiler)
Các thiết bị trao ñổi nhiệt ñược xem như những nồi tái ñun, nó đáp ứng u cầu
truyền đủ năng lượng nhiệt cho dịng lỏng dưới đáy tháp để làm sơi.
Mẫu nồi tái ñun ñiển hình ñược cho trên hình 1.5.

Hình 1.5. Thiết bị gia nhiệt kiểu Kettle


12

1.2.5. Nguyên lý chưng cất [3],[9],[17],[57]

Quá trình tách các chất từ hỗn hợp lỏng qua chưng cất phụ thuộc vào sự khác biệt
về điểm sơi của từng cấu tử thành phần. Các hỗn hợp chất lỏng khác nhau có đặc tính
điểm sơi khác nhau. Vì vậy q trình chưng cất phụ thuộc vào đường đặc tính áp suất
hơi của hỗn hợp lỏng.
Áp suất hơi và sự sôi của hơi
Áp suất hơi của chất lỏng tại một nhiệt ñộ riêng biệt là áp suất tại đó có sự cân
bằng về số lượng vật chất thốt ra đưa tới bề mặt đó. Dưới ñây là một vài ñặc ñiểm ñề
cập ñến áp suất hơi.
+ Năng lượng ñầu vào làm tăng áp lực hơi.
+ Dịng lỏng được gọi là sơi khi áp suất hơi cân bằng với áp suất bao quanh nó.
+ Một chất lỏng dễ thoát hơi phụ thuộc vào các phần tử dễ bay hơi.
+ Chất lỏng có áp suất hơi cao (nhiều thành phần chất dễ bay hơi) thì sẽ sơi ở nhiệt
độ thấp hơn.
+ Áp suất hơi và điểm sôi của một hỗn hợp lỏng phụ thuộc vào tỉ số thành phần
các chất trong hỗn hợp lỏng.
+ Sự chưng cất xảy ra là do có sự khác biệt về thành phần các chất dễ bay hơi
trong hỗn hợp lỏng.
Biểu đồ điểm sơi

Hình 1.6. Biểu đồ điểm sơi.


13

Xét một hỗn hợp lỏng có chứa 2 thành phần A và B (hình 1.6). ðiểm đang sơi của
A là nơi có nồng độ phần mol bằng 1. ðiểm đang sơi của B là nơi có nồng độ phần mol
của A bằng 0. Trong ví dụ này A chứa nhiều thành phần chất dễ bay hơi hơn và vì vậy
điểm sơi của nó thấp hơn B. ðường cong phía trên trong sơ ñồ ñược gọi là ñường cong
ñiểm sương trong khi đường cong phía dưới được gọi là đường cong ñiểm bọt.
+ ðiểm sương là nhiệt ñộ mà tại ñó hơi nước bão hịa bắt đầu ngưng tụ.

+ ðiểm bọt là nhiệt độ mà ở đó chất lỏng bắt đầu sơi.
Vùng trên đường cong điểm sương chỉ cho thấy sự cân bằng các thành phần pha
hơi q nhiệt.
Trong khi đó vùng dưới ñường cong ñiểm bọt chỉ cho ta thấy sự cân bằng về thành
phần chất lỏng quá lạnh.
Ví dụ khi một chất lỏng quá lạnh với nồng ñộ phần mol A=0.4 (điểm A) được đun
nóng (gia nhiệt), dấu hiệu cho thấy nó sẽ đạt tới điểm bọt (điểm B), khi nó bắt đầu sơi.
Pha hơi trong q trình sơi sẽ có sự cân bằng về thành phần chất và ñưa ñến ñiểm C, có
nồng ñộ mol A xấp xỉ 0.8, ở đây có nồng độ mol xấp xỉ lớn hơn 50% so với chất lỏng
nguyên bản.
Như vậy sự khác biệt về nồng ñộ phần mol của pha lỏng và pha hơi là cơ sở cho
hoạt động của q trình chưng cất.
Quan hệ khơng ổn định
Quan hệ khơng ổn định là một thước ño sự khác biệt về nồng ñộ thành phần của 2
cấu tử, liên quan đến điểm sơi. Nó cho ta biết sự khó khăn và thuận lợi để có thể tách
các chất ra khỏi nhau.
Quan hệ khơng khơng ổn định của cấu tử i và cấu tử j được định nghĩa như sau:
αi,j =

yi xi
yj xj

trong đó:
αi,j: ñộ bay hơi tương ñối của hai cấu tử.
yi : nồng ñộ phần mol của cấu tử i trong pha hơi.
xi: nồng ñộ phần mol của cấu tử i trong pha lỏng.

(1.1)

14

Như vậy nếu tính dễ bay hơi giữa 2 cấu tử gần tới 1, nó cho ta thấy rằng chúng có
đường đặc tính rất giống nhau. ðiều này có nghĩa chúng có điểm sơi rất giống nhau và
vì vậy chúng sẽ rất khó khăn trong việc tách 2 cấu tử ra khỏi nhau bằng việc chưng cất.
1.2.6. Cân bằng lỏng – hơi.
Tháp chưng cất ñược thiết kế dựa trên ñặc tính điểm sơi của các cấu tử trong hỗn
hợp được tách.
Như vậy kích thước và đặc biệt là chiều cao của tháp đều được xác định thơng qua
dữ liệu cân bằng lỏng hơi trong hỗn hợp.
ðường cong cân bằng lỏng – hơi (VLE), hình 1.7.
Hằng số áp suất được lấy dữ liệu từ đường đặc tính cân bằng lỏng hơi VLE
(Vapour Liquid Equilibrium) từ biểu đồ điểm sơi.
Dữ liệu trên ñường ñặc tính của hỗn hợp nhị phân ñược chỉ ra trên hình 1.7.

Hình 1.7. ðường cong cân bằng lỏng – hơi.
ðường cong VLE thể hiện quan hệ giữa ñiểm bọt và ñiểm sương của hỗn hợp nhị
phân ở áp suất cố ñịnh. ðược gọi là ñường cong cân bằng. Nó mơ tả sự cân bằng về
thành phần lỏng – hơi ở một số ñiểm áp suất cố ñịnh.
1.2.7. Những yếu tố ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của tháp chưng cất
Hiệu suất, chất lượng sản phẩm của tháp ñược xác ñịnh bởi nhiều yếu tố
+ Các ñiều kiện của dòng cấp liệu.