ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa
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 cơng nghệ đã khơng ngừng phát triển. Trong đó ngành cơng nghiệp hóa chất cũng
khơng ngoại lệ, thay đổi để phù hợp với nhu cầu của thị trường. Đây là một ngành công
nghiệp mũi nhọn của nước ta. Nó khơng chỉ đem lại lợi nhuận cao mà còn là nền tảng
để phát triển các ngành cơng nghiệp khác.
Đồ án mơn học Qúa trình và thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trong q
trình học tập của kỹ sư hố học. Mơn học cung cấp và giúp sinh viên giải quyết bài toán
về yêu cầu công nghệ, kết cấu và giá thành của thiết bị trong quá trình sản xuất.
Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học (ĐAMH) là thiết kế tháp chưng cất LPG từ
Condensate với năng suất nhập liệu là 70000 kg/h.
Em chân thành cảm ơn các q thầy cơ bộ mơn Máy & Thiết Bị và các bạn sinh
viên đã giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong q trình hồn thành đồ án
khơng thể khơng có sai sót, em rất mong q thầy cơ góp ý, chỉ dẫn.

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

i


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... i

PHỤ LỤC BẢNG ...........................................................................................................v
PHỤ LỤC HÌNH.......................................................................................................... vi
CHƯƠNG 1 :TỔNG QUÁT .........................................................................................1
1.1 Lí thuyết về chưng cất ...........................................................................................1
1.2 Giới thiệu về Condensate ......................................................................................3
Định nghĩa ......................................................................................................3
Thành phần cơ bản của condensate ................................................................3
Ứng dụng của condensate ...............................................................................4
1.3 Thuyết minh qui trình công nghệ ..........................................................................4
CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .....................................................................6
2.1 Dữ liệu đầu vào......................................................................................................6
2.2 Cân bằng vật chất ..................................................................................................7
2.3 Tính độ bay hơi tương đối .....................................................................................8
2.4 Xác định Nmin theo cơng thức Fenske ...............................................................10
2.5 Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu ................................................................................11
2.6 Xác định bậc lý thuyết N tương ứng với chỉ số R hợp lý ....................................13
2.7 Xác định số đĩa thực tế ........................................................................................14
Tính tốn hiệu suất đĩa .................................................................................14
Tính số đĩa thực tế ........................................................................................15
CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.....................................16
3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ ........................................................16
3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sôi đáy tháp ............................................16
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

ii


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa


CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH ......................................................18
4.1 Tính sơ bộ đường kính đĩa...................................................................................20
4.2 Sắp đặt sơ bộ mặt đĩa ...........................................................................................22
Số đường đi của lỏng ....................................................................................22
Khoảng cách giữa các mâm ..........................................................................23
Các kích thước khác .....................................................................................23
Bước lỗ .........................................................................................................23
Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền ......................24
4.3 Vịng tính lặp 1 ....................................................................................................25
Kiểm tra sặc đĩa ............................................................................................25
Kiểm tra tắt nghẽn kênh chảy truyền lỏng ...................................................26
4.4 Vịng tính lặp số 2 ................................................................................................28
Sắp xếp lại mặt đĩa .......................................................................................28
Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền ......................28
Kiểm tra sặc đĩa ............................................................................................29
Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền ...........................................................30
4.5 Kiểm tra thủy lực .................................................................................................30
Chế độ làm việc của mâm ............................................................................30
Xác định lượng lỏng cuốn theo hơi ..............................................................32
Trở lực của mâm ...........................................................................................33
Kiểm tra chiều cao mực chất lỏng trong kênh chảy truyền : ........................35
4.6 Kiểm tra mức độ kín của kênh chảy truyền lỏng ................................................37
4.7 Chiều cao tháp .....................................................................................................37
CHƯƠNG 5 TÍNH TỐN CƠ KHÍ ..........................................................................38
5.1 Tính bề dày thân ..................................................................................................38

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

iii



ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

5.2 Tính nắp và đáy ...................................................................................................41
5.3 Bích ghép thân, đáy và nắp..................................................................................44
5.4 Đường kính các ống dẫn và bích ghép các ống dẫn ............................................45
Ống dẫn dòng nhập liệu ................................................................................45
Ống hơi ở đỉnh tháp ......................................................................................46
Ống dẫn lỏng hoàn lưu .................................................................................46
Ống dẫn chất lỏng vào nồi đun .....................................................................47
Ống dẫn hơi vào đáy tháp .............................................................................48
Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun .......................................................................48
5.5 Trụ đỡ tháp ..........................................................................................................49
Tính trọng lượng của tồn tháp ....................................................................49
Tính vịng chịu tải ở đáy của trụ đỡ và bu lông định vị ...............................52
5.6 Tai treo .................................................................................................................53
CHƯƠNG 6 TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ ..............................................................55
6.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh .........................................................................55
6.2 Thiết bị đun sôi đáy tháp .....................................................................................60
LỜI KẾT ......................................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................66

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

iv



ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa
PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 1. 1 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp. ......................................................2

Bảng 2. 1 Phân bố thành phần của nhập liệu...................................................................6
Bảng 2. 3 Thành phần sản phẩm đỉnh .............................................................................7
Bảng 2. 4 Thành phần sản phẩm đáy ...............................................................................7
Bảng 2. 5 Bảng tính tốn độ bay hơi tương đối tại đỉnh tháp .........................................9
Bảng 2. 6 Bảng tính tốn độ bay hơi tương đối tại đáy tháp. ..........................................9
Bảng 2. 7 Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại nơi nhập liệu .................................10
Bảng 2. 8 Bảng tính tốn độ bay hơi tương đối trung bình ...........................................10
Bảng 2. 9 Cách tính l .....................................................................................................13
Bảng 2. 10 Xác định li ...................................................................................................13
Bảng 2. 11 Tính tốn hiệu suất mâm .............................................................................15

Bảng 4. 1 Tải trọng của tháp và các tính chất vật lí ......................................................20
Bảng 4. 2. Tính tốn sơ bộ đường kính đĩa ...................................................................22
Bảng 4. 3 Tính toán tải trọng lỏng theo 1 đơn vị chiều dài ngưỡng chảy tràn ..............22
Bảng 4. 4 Tổng kết diện tích trên mặt đĩa .....................................................................23
Bảng 4. 5 Bảng tính tốn đường đi của lỗ trên mâm .....................................................25
Bảng 4. 6 Kiểm tra sặc đĩa.............................................................................................26
Bảng 4. 7 Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lỏng ...................................................27
Bảng 4. 8 Sắp xếp kênh chảy truyền lần hai .................................................................28
Bảng 4. 9 Chiều dài ngưỡng chảy tràn và chiều rộng kênh chảy truyền .......................29
Bảng 4. 10 Kiểm tra sặc đĩa lần 2 ..................................................................................30
Bảng 4. 11 Kiểm tra tắc nghẽn kênh chảy truyền lần 2.................................................30
Bảng 4. 12 Chế độ làm việc của đĩa ..............................................................................32

Bảng 4. 13 Lượng lỏng cuốn theo hơi ...........................................................................32
Bảng 4. 14 Trở lực đĩa khô ............................................................................................34
Bảng 4. 15 Trở lực đĩa ướt ............................................................................................34
Bảng 4. 16 Trở lực tổng.................................................................................................35
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

v


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

Bảng 4. 17 Chiều cao cột bọt trong kênh chảy truyền ..................................................36

Bảng 5. 1 Bảng thơng số vật lí của vật liệu X18H10T ..................................................38
Bảng 5. 2 Áp suất tính tốn trong tháp ..........................................................................39
Bảng 5. 3 Kích thước của đáy và nắp ............................................................................44
Bảng 5. 4 Thơng số bích liền để nối thiết bị..................................................................44
Bảng 5. 5 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn nhập liệu..............................................46
Bảng 5. 6 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp ....................................46
Bảng 5. 7 Thông số bích liền để ghép ống dẫn lỏng hồn lưu ......................................47
Bảng 5. 8 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn lỏng vào nồi đun .................................48
Bảng 5. 9 Thông số bích liền để ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp ..................................48
Bảng 5. 10 Thơng số bích liền để ghép ống dẫn lỏng từ nồi đun ..................................49
Bảng 5. 11 Khối lượng tồn tháp ..................................................................................51

PHỤ LỤC HÌNH
Hình 4. 1. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa % diện tích đĩa và kích thướccủa kênh
chảy truyền hình viên phân............................................................................................24

Hình 4. 2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hiệu số khối lượng riêng ..........................27

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

vi


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUÁT
1.1 Lí thuyết về chưng cất
Phương pháp chưng cất
Khái niệm
- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như
hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các
cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của 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 q trình hấp thu hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất pha mới được
tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
- Quá trình chưng cất đơn giản và q trình cơ đặc có bản chất tương tự nhau, tuy
nhiên có một sự khác biệt đó là đối với q trình chưng cất cả dung mơi và chất tan
đều bay hơi, cịn trong q trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan thì
khơng bay hơi (nếu có bay hơi thì là điều khơng mong muốn).
- Đối với sản phẩm của quá trình chưng cất, thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử ta
sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2
sản phẩm.
Thiết bị chưng cất

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

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

1


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

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

Ưu điểm

Tháp mâm
xuyên lỗ


Tháp mâm chóp

- Cấu tạo khá đơn giản.

- Trở lực tương

- Khá ổn định

- Trở lực thấp.

đối thấp.

- Hiệu suất cao.

- Làm việc được với

- Hiệu suất khá

chất lỏng bẩn.

cao.
-Ít tốn ngun liệu
hơn tháp chóp

Nhược điểm

- Hiệu ứng thành nên

- Khơng làm việc


- Có trở lực lớn.

hiệu suất thấp.

được với chất

- Tiêu tốn nhiều

- Độ ổn định thấp khó

lỏng bẩn.

vật tư, kết cấu

vận hành.

- Kết cấu khá

phức tạp.

- Khó tăng năng suất.

phức tạp.

- Thiết bị khá nặng nề.
Bảng 1. 1 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp.

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú


2


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

1.2 Giới thiệu về Condensate
Định nghĩa
Về cơ bản, condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng được tách từ khí đồng hành
hoặc khí thiên nhiên. Thành phần của condensate chủ yếu là hydrocarbon mạch
thẳng, bao gồm pentane và các hydrocarbon nặng hơn (C5+). Condensate có điểm
sơi nằm trong dải điểm sơi của xăng. Tỷ trọng của condensate vào khoảng 80 API.
Cụ thể, condensate còn gọi là khí ngưng tụ hay lỏng đồng hành, là dạng trung gian
giữa dầu và khí có màu vàng rơm. Condensate là hỗn hợp hydrocarbon lỏng tỷ trọng
thấp có mặt như thành phần thể khí (người ta thường gọi là phần lỏng ngưng trong
khí) đặc trưng cho phân đoạn C5+. Condensate khơng chỉ thu được từ q trình khai
thác dầu mỏ, mà nó cịn đươc hình thành khi chất lỏng ngưng tụ, từ dịng khí trong
đường ống. Trong q trình khai thác dầu và khí, condensate bị lơi cuốn theo khí
đồng hành hay khí thiên nhiên, được ngưng tụ và thu hồi sau khi qua các bước xử
lý, tách khí bằng các phương pháp làm lạnh ngưng tụ, chưng cất nhiệt độ thấp, hấp
thụ bằng dầu. Tính chất của nó thì cịn tùy thuộc vào nguồn, và ứng dụng của nó:
trong nhà máy lọc dầu, tùy vào tính chất của condensate, nếu tốt làm cấu tử pha trộn
xăng, nếu xấu thì người ta trộn với dầu thơ đi chưng cất lại.
Thành phần cơ bản của condensate
Thành phần chính của condensate là các hydrocarbon no như pentane, hexane,
heptane... (C5+), ngoài ra cịn có các hydrocarbon mạch vịng, các nhân thơm và
một số tạp chất khác.
Condensate được sử dụng chủ yếu để pha chế xăng, dung môi pha sơn, dung môi
trong công nghiệp.

Thành phần cơ bản của condensate là các hydrocacbon no có phân tử lượng và tỷ
trọng lớn hơn butan như pentane, hexane, heptane... Ngồi ra cịn chứa các
hydrocacbon mạch vịng, các nhân thơm, và một số tạp chất khác. Chất lượng của

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

3


ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

nó phụ thuộc vào mỏ khai thác, công nghệ và chế độ vận hành của q trình tách
khí.
Ứng dụng của condensate
Condensate được dùng để chế biến các sản phẩm sau:
- Naphtha: xăng gốc, dùng để pha xăng.
- White spirit: dung môi pha sơn.
- IK (Illuminat kerosene): dung môi, dầu hỏa.
- Diesel oil.
- Fuel oil.
1.3 52Thuyết minh qui trình cơng nghệ

Hình 1. 1 Qui trình cơng nghệ

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

4



ĐAMH Q trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

Dịng ngun liệu được đưa tới SC-01 nhằm tách lỏng và khí nhờ trọng lực. Dịng
khí ra khỏi SC-01 được đưa qua thiết bị tách lọc V-01 để tách triệt để phần lỏng cịn lẫn
trong khí. Thiết bị V-01 cịn có chức năng lọc các bụi bẩn trong khí để đảm bảo cho vận
hành các thiết bị phía sau. Dịng khí sau V-01 được đưa qua thiết bị tách loại nước bằng
hấp phụ V-03 A/B để tách triệt để nước có trong khí. Sau đó khí được đưa qua thiết bị
CC-01 để tăng áp, hóa lỏng bằng V-07 và đưa vào C-01 để tách methane.
Dòng sản phẩm đáy của C-01 trở thành dòng nguyên liệu của tháp tách ethane C02. Dòng lỏng được tách ra từ V-01, một phần lỏng từ SC-01 được dẫn qua thiết bị tách
pha V-02. Khí do V-02 tách ra được đưa vào đỉnh C-02 như 1 dòng hồn lưu ngồi.
Dịng lỏng tách ra từ V-02 được kết hợp với dịng hồn lưu của C-02 đưa vào lại tháp.
Sản phẩm đáy của tháp C-02 được đưa qua tháp C-03 để chưng tách condensate
thu được ở đáy và hỗn hợp propane, butane ở đỉnh. Dòng sản phẩm đỉnh của tháp C-03
trở thành nguyên liệu cho tháp C-04.

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

5


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1 Dữ liệu đầu vào
Đề tài: Thiết kế hệ thống chưng tách LPG từ condnsate

Năng suất: 70 tấn/h (theo nhập liệu)
Yêu cầu:
Hàm lượng C5+ trong sản phẩm nhẹ là dưới 0.01% (kl).
Hàm lượng C4- trong sản phẩm nặng dưới 0,01% (kl).
Các kí 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
Dựa vào phần mềm mô phỏng HYSYS 2011, ta có sự phân bố thành phần sản phẩm ở
nhập liệu, đỉnh và đáy tháp như sau:
Thành

Nhập liệu
Phân tử

Lưu lượng

Lưu lượng

Tỉ lệ khối

Tỉ lệ

khối

(kg/h)


(kmol/h)

lượng

mol

Propane

30.07

1533.22

50.45

0.02

0.05

n- Butane

58.12

20744.14

353.15

0.30

0.35


i-Pentane

72.15

25751.72

353.15

0.37

0.35

n-Hexane

86.18

21970.92

252.25

0.31

0.25

70000.00

1009.00

1.00


1.00

phần

Tổng

Bảng 2. 1 Phân bố thành phần của nhập liệu
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

6


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

Sản phẩm đỉnh

Thành

Lưu lượng

Lưu lượng

(kg/h)

(kmol/h)

Propane


1566.3995

n- Butane

phần

Tỉ lệ k.lượng

Tỉ lệ mol

50.4625

0.0688

0.1250

21190.5937

353.1971

0.9310

0.8749

i-Pentane

3.0067

0.0404


0.0001

0.0001

n-Hexane

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

Tổng

22760.0000

403.7000

1.0000

1.0000

Bảng 2. 2 Thành phần sản phẩm đỉnh
Sản phẩm đáy

Thành

Lưu lượng


Lưu lượng

(kg/h)

(kmol/h)

Propane

0.0000

n- Butane

phần

Tỉ lệ k.lượng

Tỉ lệ mol

0.0000

0.0000

0.0000

4.7240

0.0606

0.0001


0.0001

i-Pentane

27555.0920

353.3048

0.5396

0.5833

n-Hexane

19680.1840

252.3346

0.4603

0.4166

Tổng

47240.0000

605.7000

1.0000


1.0000

Bảng 2. 3 Thành phần sản phẩm đáy
2.2 Cân bằng vật chất
Từ bảng phân bố nồng độ cấu tử và các thông số đặc trưng của từng cấu tử, tiến hành
tính tốn cân bằng vật chất.
Cân bằng cho toàn tháp: gọi D là lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kg/h, W là lưu lượng
sản phẩm đáy tính theo kg/h.
Theo yêu cầu tỉ lệ sản phẩm của đề bài ta lập được hệ phương trình sau:

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

7


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa
𝐷+𝑊 =𝐹
{𝑥𝐷 𝐷 + 𝑥𝑊 𝑊 = 𝑥𝐹 𝐹
𝐹 = 70000 𝑘𝑔/ℎ

Với {

𝑥𝐷 = 0,8749
𝑥𝑊 = 0,0001

Giải hệ phương trình trên ta được nghiệm như sau:
{


𝐷 = 22998.4 𝑘𝑔/ℎ
𝑊 = 47001.6 𝑘𝑔/ℎ

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

Đỉnh tháp: 𝛼𝑖𝐷

-

Đáy tháp: 𝛼𝑖𝑊

-

Nơi nhập liệu: 𝛼𝑖𝐹

Từ đó tính ra độ bay hơi tương đối trung bình 𝛼𝑖 = 3√𝛼𝑖𝐷 . 𝛼𝑖𝑊 . 𝛼𝑖𝐹

[1]

Chọn cấu tử khóa:
-

n-C4 là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ

-


i-C5 là cấu tử khóa nặng: j nặng
Đặt giả thiết áp suất tại đỉnh tháp Pđỉnh = 3,5 bar, t = 35,95 oC và tại đáy tháp Pđáy

= 4,0 bar, t = 83,74 oC, ta tra hệ số cân bằng pha K từ HYSYS, sau đó tính tốn lại
ta có bảng sau:
Nơi đỉnh tháp
Đỉnh tháp: P=3,5 bar,T=35,95oC
Cấu tử

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

yi=xiD

Ki

xi=yi/Ki

iD

8


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

Propane

0.1250


2.9360

0.0426

7.4898

n-Butane

0.8749

0.9140

0.9572

2.3316

Pentane

0.0001

0.3920

0.0003

1.0000

n-Hexane

0.0000


0.1043

0.0000

0.2661

Tổng

1.0000

1.0000

Bảng 2. 4 Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại đỉnh tháp
Nơi đáy tháp
Đáy tháp: P=4 bar, T=83,74 oC
Cấu tử

xiW

Ki

yi=xi*Ki

iW

Propane

0.0000

6.3530


0.0000

4.6955

n-Butane

0.0001

2.6240

0.0003

1.9394

Pentane

0.5833

1.3530

0.7892

1.0000

n-Hexane

0.4166

0.5051


0.2104

0.3733

Tổng

1.0000

0.9999

Bảng 2. 5 Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại đáy tháp.
Nơi nhập liệu
Nhiệt độ nhập liệu vào tháp: tF = 58,15oC và PF = 4 bar
- Giả thuyết phần trăm bay hơi: L + V = 1 (với L, V lần lượt là lượng pha lỏng
và hơi cần làm bốc hơi)
- Nếu ta gọi Zi là nồng độ ban đầu của cấu tử i trong hỗn hợp, xi và yi là nồng
độ của cấu tử i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng, thì:
𝑍𝑖 = 𝑥𝑖 𝐿 + 𝑦𝑖 𝑉 = 𝑥𝑖 (1 − 𝑉 ) + 𝑦𝑖 𝑉 = 𝑥𝑖 [1 + 𝑉 (𝐾𝑖 − 1)]
→ 𝑥𝑖 =

[1]

𝑍𝑖
1+𝑉(𝐾𝑖 −1)

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

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú


9


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

Nhập liệu: P=4 bar, T= 58,15 oC
Cấu tử

zi

li

Ki

xi

iF

Propane

0.0500

2.1195

4.0770

0.0433


6.0337

n- Butane

0.3500

23.6008

1.4490

0.3423

2.1444

i-Pentane

0.3500

28.5660

0.6757

0.3558

1.0000

n-Hexane

0.2500


23.3601

0.2106

0.2603

0.3117

Tổng

1.0000

1.000

Bảng 2. 6 Bảng tính toán độ bay hơi tương đối tại nơi nhập liệu
Vậy ta có bảng độ bay hơi tương đối trung bình của các cấu tử:
Thành phần

iF

iD

iW

i

Propane

6.034


7.490

4.696

5.965

n-Butane

2.144

2.332

1.939

2.132

i-Pentane

1.000

1.000

1.000

1.000

n-Hexan

0.312


0.266

0.373

0.314

Bảng 2. 7 Bảng tính toán độ bay hơi tương đối trung bình
2.4 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 lượng Nmin có thể xác định dễ dàng bằng đồ thị. Nói
chung, trong mọi trường hợp đều có thể sử dụng cơng thức Fenske để xác định số bậc
biến đổi nồng độ tối thiểu Nmin, Trong đồ án này, ta xem xét dạng công thức Fenske cho
hệ nhiều cấu tử:
Độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử nhẹ so với cấu tử nặng là: αi= 2.132
Số đĩa lí thuyết Nmin: [1]
𝑥𝑗𝑊
𝑥
(log[ 𝑖𝐷 ×
])

𝑁𝑚𝑖𝑛 =

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

𝑥𝑗𝐷

𝑥𝑖𝑊

log(𝛼𝑖 )


10


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

𝑁𝑚𝑖𝑛 ~23,43
Ta cũng có thể áp dụng cơng thức trên cho để tính số bậc biến đổi nồng độ tối
thiểu nmin cho đoạn luyện hoặc mmin cho đoạn chưng của tháp.
Khi tính nmin ta viết phương trình Fenske cho hai cấu tử khóa ở đỉnh và nơi nhập
liệu, ngược lại khi tính mmin ta tính cho cấu tử khóa ở nơi nhập liệu và đáy. Độ bay hơi
tương đối trung bình được tính cho hai vị trí tương ứng, cụ thể như sau: [1]
𝑥

𝑛𝑚𝑖𝑛 =

𝑗𝐷

𝑖𝐹

log( √𝛼𝑖𝐷 × 𝛼𝑖𝐹 )
𝑥

𝑚𝑚𝑖𝑛 =

𝑥𝑗𝐹

(log[𝑥 𝑖𝐷 × 𝑥 ])


𝑥𝑗𝑊

(log[𝑥 𝑖𝐹 × 𝑥 ])
𝑗𝐹
𝑖𝑊
log( √𝛼𝑖𝐹 × 𝛼𝑖𝑊 )

Thế số vào ta tính được:
-

Đoạn luyện:
𝑛𝑚𝑖𝑛 = 11,27

-

Đoạn chưng:
𝑚𝑚𝑖𝑛 = 12,17

2.5 Tính chỉ số hồi lưu tối thiểu
Trong chưng cất hệ nhiều cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính tỷ
số hồi lưu tối thiếu Rmin trong đó đã nêu lên được một số vấn đề sau:
-

Việc hồi lưu cấu tử khóa là cơ sở chính yếu cho việc tính tốn.

-

Việc hồi lưu các cấu tử nhẹ và nặng vẫn có tác dụng trực tiếp đến tồn hỗn hợp,

do đó tính tốn bổ sung thêm dưới dạng các đại lượng hiệu chỉnh.

-

Trạng thái nhập liệu tương ứng với 2 trường hợp biên như sau:

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

11


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

➢ Nhâp liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên khơng phải hồn tồn lỏng vì có các cấu
tử nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi.
➢ Nhập liệu ở trạng thái hơi: cũng khơng phải bay hơi hồn tồn mà các cấu tử
nặng hơn cấu tử khóa nặng khơng bay hơi. Các trường hợp nhập liệu biên sẽ cho
các tỉ số hồi lưu tối thiểu tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi
lưu tối thiểu bất kỳ tương ứng với trạng thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên
kể trên.
J.C.Maxwell đã biến đổi đơn giản hóa các cơng thức Gilliland và cuối cùng đã
đưa ra cơng thức tính hồi lưu tối thiểu Rmin [1] ở dạng sau:

 ( j l j )light + 1   x jD
Rmin + 1 = 
 

+
1


  l j
jlight



  ilight

( xilightD − lilight .x jheavyD ) 
 − x jheavyD  +  
 ilight   ilight − 1
light





 iheavy
x
+ 
( jlightD − xiheavyD ) 
iheavy 

  jlight −  iheavy liheavy

Công thức trên được sử dụng tính tốn 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:
Nhập liệu lỏng sơi

Nhập liệu dạng hơi


Cấu tử
% bay hơi

lilight =

ilight

jlight

Tính li

Z

ilight

iV

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

% bay hơi

Z ilight

lilight =

 ilight .Z iheavy

l jlight =


liV =

Z jlight
Z jheavy

ZiV
Z jheavy

Tính li

100 −  Ziheavy

l jlight =

liV =

Z ilight

 ilight .Z iheavy
Z jlight

 ilight .Z jheavy

ZiV
 ilight .Z jheavy

12


ĐAMH Quá trình & Thiết bị


GVHD: Tạ Đăng khoa
liL =

iL

Z jlight

liL =

Z jL

jheavy

-

iheavy

liheavy =

 iV .Z jlight
 jlight .Z jL

Z jlight

liheavy =

Z iheavy

Z jheavy

Z iheavy

Bảng 2. 8 Cách tính l
Trong đó:
Zi là nồng độ cấu tử i trong hỗn hợp ban đầu
i là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so với cấu tử khóa nặng

iV, iL lần lượt là cấu tử trung gian nhẹ và nặng.
Ta được bảng sau:
Nhập liệu dạng
Cấu tử

zi

i

lỏng sôi
% bay hơi

li

Nhập liệu dạng hơi
% bay hơi

li

Propane

i nhẹ


0.050 5.965

0.024

0.024

n-Butane

j nhẹ

0.350 2.132

1.000

0.469

5.000
i-Pentane

j nặng 0.350 1.000

n-Hexane

i nặng 0.250 0.314

75.000

1.400

1.400


Bảng 2. 9 Xác định li
Rmin 5,00 % = 1,678
Rmin 75,00 % = 2,553
Từ kết quả trên nội suy ra: Rmin 8% = 1,716
2.6 Xác định bậc lý thuyết N tương ứng với chỉ số R hợp lý
Ta có: Rhợp lý = 1,3.Rmin + 0,36 = 2,591

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

13


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

- Xác định số đĩa lý thuyết theo quan hệ Gilliland theo phương trình của Molokanov
(tr.42,[1])
𝑁 − 𝑁𝑚𝑖𝑛
1 + 54.4𝜓 𝜓 − 1
= 1 − exp (
.
)
𝑁+1
11 + 117.2𝜓 𝜓 0.5
Ψ=

𝑅−𝑅𝑚𝑖𝑛
𝑅+1


= 0,244

Với R = 2,591 ta được N = 33
 Số đĩa lý thuyết:
- Đoạn luyện: n = N . (Nmin / nmin) = 15,9
- Đoạn chưng: m = N . (Nmin / mmin) = 17,1
2.7 Xác định số đĩa thực tế
Tính toán hiệu suất đĩa
Hiệu suất chung của đĩa tháp là tỉ số giữa số đĩa lý thuyết N và số đĩa thực tế của
tháp Ntt. O’connell đã chỉ ra mối quan hệ gia độ nhớt của dòng lỏng cũng như độ bay
hơi ảnh hưởng đến hiệu suất đĩa qua quan hệ dạng đồ thị. Locket đã trình bày đồ thị này
bằng dạng phương trình như sau: (tr85, [2])
𝐸 = 0.492(𝛼. µ)−0.245
Với

α là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử nhẹ so với cấu tử nặng
μ là độ nhớt (cP)
Độ nhớt µ 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:  = 0,1478
Độ bay hơi tương đối (butane): 𝛼 𝑇𝐵 = √𝛼𝑖𝐷 . 𝛼𝑖𝐹

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

14



ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

➢ Đoạn chưng  = 0,1396
Độ bay hơi tương đối (butane): 𝛼 𝑇𝐵 = √𝛼𝑖𝑊 . 𝛼𝑖𝐹
Từ thông số độ nhớ tra theo mơ phỏng HYSYS ta tính được hiệu suất như sau:
TB

µ

E

Đoạn luyện

2,2358

0,1478

0,6453

Đoạn chưng

2,0391

0,1396

0,6694

Bảng 2. 10 Tính tốn hiệu śt mâm

Tính số đĩa thực tế
-

Đoạn luyện
Số đĩa thực: N =

-

15,9
0,6453

= 24,61

Đoạn chưng
Số đĩa thực: N =

17,1
0,6694

= 25,60

Vậy ta có kết quả sau:
Tỉ số hồi lưu thích hợp: Rhợp lý = 2,591.
Thiết bị ngưng tụ: ngưng tụ hoàn toàn.
Đoạn luyện: 24 đĩa. Đĩa nhập liệu số 26 (số thứ tự đĩa từ trên xuống).
Đoạn chưng: 25 đĩa.
Thiết bị đun nóng: Đun nóng gián tiếp bằng hơi nước bão hòa. Xem như 1 đĩa.

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú


15


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
3.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Lượng nhiệt trao đổi để hơi ở đỉnh tháp ngưng tụ hoàn toàn tại nhiệt độ bão hòa:
Qnt = D.(R+1).rD = Gn.Cn.(t2 – t1)
Tại tD = 33,93 oC ta có:
rD = 369,5 (kJ/kg), D= 22760 (kg/h)
Qnt = D.(R+1).rD = 30197898,1 (kJ/h)
Chọn t1 = 20oC và t2 = 30oC=> ttb = 25oC => Cn = 4,178 (kJ/kg.K)
=> 𝐺𝑛 =

𝑄𝑛𝑡
30197898,1
=
= 722783,582 (𝑘𝑔 /ℎ)
𝐶𝑛 . (𝑡2 − 𝑡1 )
4,178. (30 − 20)

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun sơi đáy tháp
Phương trình cân bằng năng lượng chung cho toàn tháp:
QF + QC = Qnt + QD + QW + Qm
Trong đó:
QF là nhiệt lượng do dịng nhập liệu mang vào tháp
QF = GF.CF.tF = 70000.2,374. 58,15 = 9663367.0 (kJ/h)

Qnt là nhiệt lượng của hơi ngưng tụ ở đỉnh tháp
Qnt = D.(R+1).rD = 24629956.70 (kJ/h)
QD là nhiệt lượng của sản phẩm đỉnh
QD = GD.CD.tD = 22760.1,587.33,93= 1225555.7(kJ/h)
QW là nhiệt lượng của sản phẩm đáy
QW = GW.CW. tW = 47240.2,512.92= 10917353.0 (kJ/h)
Qm là nhiệt lượng mất mát
Qm = 0,05. QC
QC là nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

16


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

QC = Gh.rh
Trong đó rh là - ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa ở áp suất 4 bar. Tra bảng I.215
Sổ tay QTTB tập 1 tr.314: rh = 2744 (kJ/kg)

Ta sẽ có:

QF + QC = Qnt + QD + QW + 0,05QC
=> 𝑄𝑐 =

𝑄𝑛𝑡 + 𝑄𝐷 + 𝑄𝑊 − 𝑄𝐹
= 34397304,93 ( 𝑘𝐽/ℎ)

0,95

Lượng hơi đốt:
=> 𝐺ℎ =

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

𝑄𝑐
= 12535,46(𝑘𝑔 /ℎ)
𝑟ℎ

17


ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

CHƯƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
Phân bố dịng lỏng và dịng hơi trong tháp và các tính chất vật lý (kết quả mơ phỏng trên
máy tính) cho lưu lượng hỗn hợp ban đầu F = 1009 kmol/h. Số liệu dẫn trong bản dưới
đây là kết quả mô phỏng trong HYSYS 2011.
Pha hơi

Pha lỏng

Lưu lượng

Lưu lượng


Lưu lượng

Lưu lượng

khối lượng

thể tích

khối lượng

thể tích

(Ib/s)

(ft3/s)

(Ib/s)

(ft3/s)

1

76.32

196.93

62.98

2.65


0.54

34.92

2

76.92

142.61

63.17

1.81

0.54

34.90

3

77.11

142.43

63.23

1.81

0.54


34.89

4

77.17

142.11

63.26

1.82

0.54

34.88

5

77.20

141.74

63.27

1.82

0.55

34.88


6

77.21

141.34

63.28

1.82

0.55

34.88

7

77.22

140.92

63.29

1.82

0.55

34.89

8


77.22

140.45

63.29

1.81

0.55

34.92

9

77.23

139.90

63.31

1.81

0.55

34.97

10

77.24


139.22

63.38

1.81

0.56

35.05

11

77.32

138.38

63.59

1.81

0.56

35.16

12

77.53

137.40


64.05

1.82

0.56

35.27

13

77.99

136.46

64.79

1.83

0.57

35.37

14

78.72

135.76

65.68


1.85

0.58

35.42

15

79.62

135.39

66.55

1.88

0.59

35.44

16

80.48

196.37

67.23

2.67


0.60

35.44

17

81.17

195.60

67.72

2.67

0.60

35.43

18

81.66

194.76

68.03

2.68

0.61


35.42

19

81.97

192.95

68.23

2.68

0.61

35.41

Số
đĩa

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

v

L

(Ib/ft3) (Ib/ft3)

18



ĐAMH Quá trình & Thiết bị

GVHD: Tạ Đăng khoa

20

82.17

191.93

68.35

2.67

0.61

35.40

21

82.28

190.73

68.40

2.67

0.61


35.39

22

82.34

187.60

68.37

2.68

0.62

35.38

23

82.31

185.83

68.18

2.71

0.62

35.39


24

82.12

184.39

67.59

2.75

0.62

35.42

25

81.53

183.41

66.18

2.78

0.62

35.51

26


80.12

180.55

62.81

2.67

0.62

35.70

27

33.88

104.24

63.57

2.73

0.63

35.63

28

34.64


54.79

64.15

1.80

0.63

35.59

29

35.22

55.16

64.66

1.82

0.64

35.55

30

35.73

55.45


65.12

1.83

0.65

35.52

31

36.19

55.71

65.53

1.85

0.65

35.48

32

36.60

55.92

65.88


1.86

0.66

35.46

33

36.95

56.10

66.18

1.87

0.66

35.43

34

37.25

56.24

66.44

1.88


0.66

35.41

35

37.51

56.33

66.64

1.88

0.67

35.39

36

37.72

56.39

66.82

1.89

0.67


35.37

37

37.89

56.42

66.96

1.90

0.67

35.36

38

38.03

56.42

67.07

1.90

0.68

35.34


39

38.14

56.40

67.17

1.90

0.68

35.33

40

38.24

56.37

67.25

1.91

0.68

35.32

41


38.32

56.32

67.32

1.91

0.68

35.31

42

38.39

105.27

67.38

2.77

0.68

35.30

43

38.46


106.24

67.44

2.83

0.69

35.29

44

38.51

106.38

67.49

2.84

0.69

35.28

45

38.56

106.36


67.54

2.86

0.69

35.27

46

38.61

106.02

67.56

2.87

0.69

35.27

47

38.63

105.77

67.55


2.88

0.69

35.26

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Tú

19