Đồ án: Thiết Kế Tháp Chưng Luyện Liên Tục Cloroform-Benzen

Đồ án chi tiết về thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ lưới, không ống chảy, tách Cloroform & Benzen. Tối ưu hóa quy trình, hiệu quả cao.

• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hoá
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Chưng Luyện Liên Tục Loại Tháp Đĩa Lỗ (Lưới) Không Có Ống Chảy Truyền Để Phân Tách Hỗn Hợp: Clorofom – Benzen
• Loại tài liệu: Đồ án
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Giới thiệu chung về dây truyền sản xuất
• SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
• 1. Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Sản Xuât
• 2. Thuyết Minh Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ
• TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG
• 1. Bảng Kê Các Ký Hiệu Thường Dùng Trong Bản Đồ Án
• 2. Tính Cân Bằng Vật Liệu
• 2.1. Chuyển đổi nồng độ
• TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP CHƯNG LUYỆN
• 1. Đường kính đoạn luyện
• 1.1. Xác định lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện
• 1.2. Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện
• 2. Đường kính đoạn chưng
• 2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng
• 2.2. Tính khối lượng riêng trung bình
• CHIỀU CAO CỦA THÁP
• 1. Hệ số khuyếch tán
• 2. Hệ số cấp khối

Tóm tắt

I. Khám phá nền tảng thiết kế tháp chưng luyện Cloroform Benzen

Chưng luyện là một phương pháp kỹ thuật cốt lõi trong ngành công nghiệp hóa chất. Quá trình này dùng để tách các hỗn hợp lỏng thành những cấu tử riêng biệt. Cơ sở của phương pháp dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử. Trong một tháp chưng cất phân đoạn, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn (dễ bay hơi hơn) sẽ bay hơi trước, di chuyển lên đỉnh tháp, trong khi các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ còn lại ở dạng lỏng và di chuyển xuống đáy tháp. Việc thiết kế một hệ thống chưng luyện hiệu quả, đặc biệt cho hệ hai cấu tử Cloroform-Benzen, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên lý truyền khối và cân bằng pha. Đây là một chủ đề phổ biến trong các đồ án công nghệ hóa học vì nó thể hiện rõ nét các bước tính toán kỹ thuật từ lý thuyết đến thực tiễn. Hệ thống bao gồm các thiết bị chính như tháp chưng luyện, thiết bị ngưng tụ, thiết bị đun sôi lại (reboiler), và các thiết bị phụ trợ khác. Mục tiêu của thiết kế là đạt được sản phẩm đỉnh (Cloroform) và sản phẩm đáy (Benzen) với độ tinh khiết mong muốn, đồng thời tối ưu hóa chi phí vận hành và đầu tư.

1.1. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất phân đoạn liên tục

Trong một tháp chưng luyện liên tục, hỗn hợp đầu được nạp vào tháp ở một vị trí gọi là mâm nạp liệu. Hơi đi từ dưới lên, tiếp xúc với lỏng đi từ trên xuống trên các mâm (hoặc đệm). Tại mỗi mâm, quá trình truyền nhiệt và truyền khối diễn ra. Hơi đi lên sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn. Lỏng đi xuống sẽ giàu cấu tử khó bay hơi hơn. Hơi ra khỏi đỉnh tháp được ngưng tụ. Một phần chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu về tháp, phần còn lại được lấy ra làm sản phẩm đỉnh. Chất lỏng ở đáy tháp được đun sôi lại bằng reboiler. Một phần hơi được đưa ngược lại vào tháp, phần còn lại là sản phẩm đáy. Quá trình này diễn ra liên tục để đảm bảo năng suất ổn định.

1.2. Đặc tính vật lý quan trọng của hệ Cloroform Benzen

Cloroform (CHCl₃) và Benzen (C₆H₆) là hai hợp chất hữu cơ quan trọng. Cloroform có nhiệt độ sôi là 61.2°C, trong khi Benzen có nhiệt độ sôi là 80.1°C ở áp suất thường. Sự chênh lệch nhiệt độ sôi này cho phép tách chúng bằng phương pháp chưng luyện. Tuy nhiên, hệ hai cấu tử Cloroform-Benzen là một hỗn hợp không lý tưởng, có nghĩa là giản đồ cân bằng của nó có độ cong đáng kể. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán độ bay hơi tương đối và số bậc thay đổi nồng độ cần thiết. Dữ liệu từ tài liệu gốc cho thấy khối lượng phân tử của Cloroform là 119.5 kg/kmol và của Benzen là 78 kg/kmol, đây là các thông số cơ bản cho mọi tính toán chuyển đổi nồng độ từ phần khối lượng sang phần mol.

1.3. Thuyết minh dây chuyền công nghệ chưng luyện trong đồ án

Dây chuyền công nghệ được mô tả trong tài liệu tham khảo bắt đầu từ thùng chứa hỗn hợp đầu. Hỗn hợp được bơm qua thiết bị gia nhiệt để đạt đến nhiệt độ sôi trước khi vào tháp chưng luyện. Trong tháp, quá trình tiếp xúc pha lỏng-hơi diễn ra. Hơi Cloroform giàu có di chuyển lên đỉnh, vào thiết bị ngưng tụ. Một phần lỏng được hồi lưu, phần còn lại đi qua thiết bị làm nguội và vào thùng chứa sản phẩm đỉnh. Benzen lỏng di chuyển xuống đáy, được đun sôi trong thiết bị đun sôi lại (reboiler) và thu hồi tại thùng chứa sản phẩm đáy. Sơ đồ này là một quy trình chưng luyện liên tục tiêu chuẩn, đảm bảo hiệu quả tách và thu hồi sản phẩm.

II. Vượt qua thách thức khi chưng luyện hỗn hợp không lý tưởng

Việc thiết kế tháp chưng luyện cho hệ hai cấu tử Cloroform-Benzen đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Thách thức lớn nhất đến từ việc đây là một hỗn hợp không lý tưởng. Điều này có nghĩa là áp suất hơi của hỗn hợp không tuân theo định luật Raoult một cách tuyến tính. Do đó, việc xây dựng giản đồ cân bằng lỏng-hơi (VLE) chính xác là cực kỳ quan trọng và là bước đi đầu tiên quyết định sự thành công của toàn bộ quá trình thiết kế. Dữ liệu VLE thực nghiệm là cần thiết để xác định mối quan hệ giữa nồng độ pha lỏng (x) và pha hơi (y) ở trạng thái cân bằng. Một thách thức khác là việc lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp. Hai phương pháp đồ thị phổ biến là phương pháp McCabe-Thiele và phương pháp Ponchon-Savarit. Trong khi McCabe-Thiele đơn giản hơn với giả định dòng mol không đổi, Ponchon-Savarit chính xác hơn vì nó tính đến sự thay đổi của dòng và ẩn nhiệt hóa hơi. Việc lựa chọn đúng phương pháp và các thông số vận hành như tỷ số hoàn lưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tháp và chi phí năng lượng.

2.1. Tầm quan trọng của giản đồ cân bằng lỏng hơi VLE

Giản đồ cân bằng lỏng-hơi (VLE) là công cụ không thể thiếu trong thiết kế tháp chưng luyện. Nó biểu diễn mối quan hệ giữa thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng (trục hoành) và trong pha hơi (trục tung) ở điều kiện áp suất không đổi. Đối với hệ Cloroform-Benzen, đường cân bằng này không phải là đường thẳng, phản ánh tính chất không lý tưởng của hỗn hợp. Độ cong của đường VLE so với đường 45 độ cho thấy khả năng tách của hỗn hợp. Dựa vào giản đồ này, các kỹ sư có thể xác định được số mâm lý thuyết tối thiểu và tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin), là hai thông số giới hạn cho quá trình thiết kế.

2.2. Ảnh hưởng của độ bay hơi tương đối đến quá trình tách

Độ bay hơi tương đối (α) là một chỉ số đo lường mức độ dễ tách của hai cấu tử. Nó được định nghĩa là tỷ số giữa áp suất hơi của hai cấu tử nguyên chất, hoặc tính theo công thức α = (y/x) / ((1-y)/(1-x)). Đối với hỗn hợp lý tưởng, α là hằng số. Tuy nhiên, với hệ Cloroform-Benzen, α thay đổi theo nồng độ. Khi α lớn (α >> 1), việc tách rất dễ dàng. Khi α tiến gần đến 1, việc tách trở nên cực kỳ khó khăn và đòi hỏi một số lượng mâm rất lớn hoặc thậm chí là không thể bằng phương pháp chưng luyện thông thường. Việc phân tích sự thay đổi của α dọc theo tháp giúp hiểu rõ hơn về hiệu quả của quá trình tách ở các vùng nồng độ khác nhau.

2.3. Lựa chọn giữa phương pháp McCabe Thiele và Ponchon Savarit

Lựa chọn phương pháp tính toán là một quyết định quan trọng. Phương pháp McCabe-Thiele được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản và trực quan. Nó giả định rằng ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử là bằng nhau và dòng chảy mol trong mỗi đoạn tháp (luyện và chưng) là không đổi. Giả định này thường chấp nhận được cho nhiều hệ. Ngược lại, phương pháp Ponchon-Savarit sử dụng giản đồ entanpi-nồng độ, không yêu cầu giả định trên. Nó chính xác hơn, đặc biệt khi ẩn nhiệt hóa hơi khác nhau đáng kể hoặc khi có sự thay đổi nhiệt độ lớn dọc tháp. Tuy nhiên, nó phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều dữ liệu nhiệt động lực học hơn. Đối với nhiều đồ án công nghệ hóa học, phương pháp McCabe-Thiele là đủ chính xác cho mục đích thiết kế sơ bộ.

III. Phương pháp McCabe Thiele xác định số mâm lý thuyết hiệu quả

Phương pháp McCabe-Thiele là một công cụ đồ thị mạnh mẽ để xác định số mâm lý thuyết cần thiết cho một quá trình chưng cất nhị phân. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các thuyết minh tính toán tháp chưng luyện. Nền tảng của phương pháp là sự kết hợp giữa đường cân bằng pha và các đường làm việc. Đường làm việc biểu diễn mối quan hệ cân bằng vật liệu trên mỗi mâm trong các đoạn của tháp. Để sử dụng phương pháp này, cần có các thông số đầu vào từ bước cân bằng vật liệu, bao gồm nồng độ hỗn hợp đầu (xF), sản phẩm đỉnh (xP) và sản phẩm đáy (xW). Dựa trên các thông số này, ta có thể tính toán các giới hạn vận hành và sau đó xác định số mâm cần thiết. Theo tài liệu gốc, với nồng độ đầu vào xF = 0.3622, sản phẩm đỉnh xP = 0.9658 và sản phẩm đáy xW = 0.0352 (phần mol), phương pháp McCabe-Thiele đã được áp dụng để tìm ra các thông số thiết kế quan trọng.

3.1. Bí quyết xác định tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin chính xác

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin) là một thông số vận hành giới hạn. Nó tương ứng với lượng hồi lưu nhỏ nhất cần thiết để đạt được độ tinh khiết sản phẩm mong muốn. Ở điều kiện này, số mâm lý thuyết cần thiết sẽ là vô hạn. Rmin được xác định trên giản đồ McCabe-Thiele bằng cách vẽ một đường thẳng từ điểm (xP, xP) trên đường 45 độ, tiếp xúc với đường cân bằng tại điểm có hoành độ là nồng độ của pha lỏng ở mâm nạp liệu. Dựa trên dữ liệu từ tài liệu, giá trị Rmin được tính toán là 1.77. Vận hành tháp ở Rmin là không kinh tế. Do đó, tỷ số hoàn lưu thực tế (Rth) thường được chọn trong khoảng 1.2 đến 2.0 lần Rmin. Trong đồ án này, Rth được chọn là 2.832 dựa trên tối ưu hóa thể tích tháp.

3.2. Xây dựng đường làm việc cho đoạn luyện và đoạn chưng

Sau khi xác định tỷ số hoàn lưu thích hợp (Rth), bước tiếp theo là xây dựng các đường làm việc. Đoạn luyện (phía trên mâm nạp liệu) có phương trình đường làm việc là y = [Rth/(Rth+1)]x + [xP/(Rth+1)]. Đường này cắt trục tung tại điểm xP/(Rth+1). Đoạn chưng (phía dưới mâm nạp liệu) có phương trình đường làm việc phức tạp hơn, phụ thuộc vào trạng thái của dòng nạp liệu. Các đường này thể hiện mối quan-hệ cân bằng vật liệu trên mỗi mâm. Giao điểm của hai đường làm việc với đường nạp liệu (q-line) xác định điểm chuyển tiếp giữa hai đoạn tháp. Việc vẽ chính xác các đường này là chìa khóa để xác định đúng số mâm.

3.3. Tính toán và xác định số mâm lý thuyết trên đồ thị VLE

Khi đã có đường cân bằng và các đường làm việc, số mâm lý thuyết được xác định bằng cách "bước" giữa đường làm việc và đường cân bằng. Bắt đầu từ điểm (xP, yP) trên đường 45 độ, vẽ một đường ngang đến đường cân bằng, sau đó vẽ một đường thẳng đứng xuống đường làm việc. Mỗi "bậc thang" như vậy đại diện cho một mâm lý thuyết. Quá trình này được lặp lại cho đến khi nồng độ pha lỏng đạt hoặc vượt qua nồng độ sản phẩm đáy (xW). Tổng số bậc thang chính là tổng số mâm lý thuyết cần thiết. Theo kết quả phân tích đồ thị trong tài liệu gốc, số mâm lý thuyết cần thiết (Nlt) được xác định là 13 mâm.

IV. Hướng dẫn tính toán cơ khí cho tháp chưng luyện hiệu quả

Sau khi xác định các thông số quy trình như số mâm lý thuyết và tỷ số hoàn lưu, bước tiếp theo là thiết kế cơ khí cho tháp. Quá trình này bao gồm việc tính toán đường kính tháp, chiều cao tháp và lựa chọn loại cấu trúc bên trong tháp (mâm hoặc đệm). Đường kính tháp phụ thuộc vào lưu lượng pha hơi và pha lỏng bên trong, và phải đủ lớn để tránh các hiện tượng như sặc (flooding) hoặc lôi cuốn (entrainment) nhưng cũng không quá lớn để gây ra hiện tượng chảy tràn (weeping). Chiều cao tháp được quyết định bởi số mâm thực tế và khoảng cách giữa các mâm. Các tính toán này rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí chế tạo và hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống. Các công thức kinh nghiệm và các chuẩn số không thứ nguyên như Reynolds (Re) và Prandtl (Pr) thường được sử dụng trong giai đoạn này. Tài liệu gốc cung cấp một thuyết minh tính toán tháp chưng luyện chi tiết cho các thông số cơ khí này.

4.1. Công thức và các bước tính toán đường kính tháp chưng luyện

Việc tính toán đường kính tháp dựa trên tốc độ hơi cho phép đi trong tháp. Tốc độ này được xác định để đảm bảo sự tiếp xúc pha tốt mà không gây ra các sự cố vận hành. Công thức tính đường kính (D) thường có dạng D = sqrt(4G / (π * ω * ρ)), trong đó G là lưu lượng hơi (kg/s), ω là tốc độ hơi cho phép (m/s) và ρ là khối lượng riêng của hơi. Do lưu lượng và tính chất vật lý của dòng chảy thay đổi dọc theo chiều cao tháp, đường kính thường được tính riêng cho đoạn luyện và đoạn chưng. Trong tài liệu tham khảo, đường kính đoạn luyện được tính toán là 1.4 m và đoạn chưng là 1.2 m, sau đó được quy chuẩn về một đường kính chung là 1.2 m cho toàn tháp để đơn giản hóa việc chế tạo.

4.2. Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm và xác định số mâm thực tế

Số mâm lý thuyết là một khái niệm lý tưởng, giả định rằng pha hơi và pha lỏng rời khỏi mâm ở trạng thái cân bằng hoàn toàn. Trong thực tế, điều này không bao giờ đạt được. Do đó, cần phải tính đến hiệu suất mâm (η) để xác định số mâm thực tế (Ntt). Công thức liên hệ là Ntt = Nlt / η. Hiệu suất mâm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật lý của hệ (độ nhớt, sức căng bề mặt), thiết kế hình học của mâm và điều kiện thủy động lực học. Hiệu suất có thể được ước tính bằng các công thức kinh nghiệm như của O'Connell hoặc Murphree. Việc xác định chính xác số mâm thực tế là cần thiết để tính toán chiều cao tổng thể của tháp.

4.3. So sánh ưu nhược điểm giữa tháp mâm chóp và tháp đệm

Lựa chọn cấu trúc bên trong tháp là một quyết định quan trọng. Tháp mâm chóp hoặc mâm lỗ (như trong đồ án) cho phép dải vận hành rộng và ít nhạy cảm với sự tắc nghẽn. Chúng phù hợp với các hệ thống có lưu lượng lỏng lớn và các dịch vụ có thể gây bẩn. Ngược lại, tháp đệm cung cấp diện tích tiếp xúc pha lớn trên một đơn vị thể tích, dẫn đến hiệu quả truyền khối cao hơn và tổn thất áp suất thấp hơn. Tháp đệm thường được ưa chuộng cho các hệ thống nhạy cảm với áp suất (chưng cất chân không) và các hệ thống ăn mòn (có thể sử dụng đệm gốm hoặc nhựa). Tuy nhiên, chúng dễ bị tắc nghẽn và phân bố lỏng không đều hơn so với tháp mâm.

V. Bí quyết cân bằng vật liệu và năng lượng trong đồ án hóa học

Cân bằng vật liệu và năng lượng là hai nguyên tắc nền tảng trong kỹ thuật hóa học, và là bước không thể thiếu trong bất kỳ đồ án công nghệ hóa học nào. Cân bằng vật liệu đảm bảo rằng tổng khối lượng (hoặc mol) đi vào hệ thống bằng tổng khối lượng đi ra. Nó được áp dụng để tính toán lưu lượng sản phẩm đỉnh (GP) và sản phẩm đáy (GW) dựa trên lưu lượng nhập liệu (GF) và nồng độ yêu cầu. Phương trình tổng quát là GF = GP + GW và GF.xF = GP.xP + GW.xW. Cân bằng năng lượng (hay cân bằng nhiệt) xác định lượng nhiệt cần cung cấp cho thiết bị đun sôi lại (reboiler) và lượng nhiệt cần lấy đi ở thiết bị ngưng tụ. Việc tính toán chính xác hai yếu tố này giúp xác định kích thước thiết bị trao đổi nhiệt, lượng hơi đốt và nước làm mát cần thiết, từ đó ảnh hưởng đến chi phí vận hành của toàn bộ nhà máy. Các tính toán này tạo thành cơ sở cho việc thiết kế chi tiết các thiết bị phụ trợ.

5.1. Các bước thực hiện cân bằng vật liệu cho toàn hệ thống tháp

Quá trình cân bằng vật liệu bắt đầu bằng việc xác định các thông số đầu vào: năng suất hỗn hợp đầu (GF = 6350 kg/h), nồng độ phần khối lượng của Cloroform trong hỗn hợp đầu (aF = 0.325), sản phẩm đỉnh (aP = 0.96), và sản phẩm đáy (aW = 0.03). Từ hai phương trình cân bằng khối lượng tổng và cân bằng khối lượng cấu tử, ta có thể giải hệ phương trình để tìm GP và GW. Theo tính toán trong tài liệu, lượng sản phẩm đỉnh GP là 2014.247 kg/h và lượng sản phẩm đáy GW là 4335.753 kg/h. Sau đó, các nồng độ phần khối lượng này cần được chuyển đổi sang nồng độ phần mol để sử dụng trong các tính toán nhiệt động lực học như phương pháp McCabe-Thiele.

5.2. Tính toán cân bằng năng lượng cho thiết bị phụ trợ chính

Cân bằng năng lượng được thực hiện cho toàn tháp và cho từng thiết bị riêng lẻ. Đối với reboiler, nhiệt lượng cần cung cấp (QD) phải đủ để hóa hơi một phần lỏng ở đáy tháp, tạo ra dòng hơi đi lên. Đối với thiết bị ngưng tụ, nhiệt lượng cần lấy đi (QC) phải đủ để ngưng tụ toàn bộ dòng hơi từ đỉnh tháp. Các phương trình cân bằng nhiệt có dạng: Qvào + Qphátsinh = Qra + Qtiêuthụ. Việc tính toán này đòi hỏi dữ liệu về nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của các cấu tử ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả của cân bằng năng lượng là cơ sở để thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt, lựa chọn tác nhân gia nhiệt (hơi nước) và làm mát (nước lạnh).

5.3. Vai trò quan trọng của thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại

Thiết bị ngưng tụ (condenser) và thiết bị đun sôi lại (reboiler) được xem là trái tim của hệ thống chưng luyện. Reboiler cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt để tạo ra dòng hơi cần thiết cho quá trình tách. Condenser có nhiệm vụ loại bỏ nhiệt, ngưng tụ hơi từ đỉnh tháp để tạo ra dòng sản phẩm đỉnh và dòng lỏng hồi lưu. Dòng hồi lưu là yếu tố quyết định để làm giàu cấu tử dễ bay hơi trong đoạn luyện của tháp. Nếu một trong hai thiết bị này hoạt động không hiệu quả, toàn bộ quá trình chưng luyện sẽ bị ảnh hưởng, không đạt được độ tinh khiết sản phẩm mong muốn. Do đó, việc thiết kế và lựa chọn đúng loại reboiler và condenser là cực kỳ quan trọng.

VI. Tương lai và ứng dụng mô phỏng Aspen HYSYS trong thiết kế

Trong khi các phương pháp tính toán tay như McCabe-Thiele cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên lý cơ bản, ngành công nghiệp hóa chất hiện đại ngày càng phụ thuộc vào các công cụ mô phỏng quy trình mạnh mẽ. Mô phỏng Aspen HYSYS là một trong những phần mềm hàng đầu cho phép các kỹ sư xây dựng, mô phỏng và tối ưu hóa các quy trình hóa học phức tạp, bao gồm cả hệ thống chưng luyện. Việc sử dụng phần mềm này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian so với tính toán thủ công mà còn cho phép thực hiện các phân tích độ nhạy, tối ưu hóa điều kiện vận hành (như tỷ số hoàn lưu, vị trí nạp liệu) để giảm thiểu chi phí năng lượng và tối đa hóa hiệu quả. Tương lai của việc thiết kế tháp chưng luyện nằm ở sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết vững chắc và khả năng khai thác hiệu quả các công cụ mô phỏng tiên tiến này, giúp tạo ra các giải pháp thiết kế tối ưu và bền vững hơn.

6.1. Lợi ích vượt trội của mô phỏng Aspen HYSYS so với tính toán tay

So với các phương pháp đồ thị và tính toán tay, mô phỏng Aspen HYSYS mang lại nhiều lợi ích. Thứ nhất, nó xử lý các hỗn hợp không lý tưởng và hệ đa cấu tử một cách dễ dàng và chính xác hơn nhờ vào cơ sở dữ liệu nhiệt động lực học phong phú. Thứ hai, nó cho phép mô phỏng động, giúp nghiên cứu quá trình khởi động, tắt máy và phản ứng của hệ thống trước các thay đổi. Thứ ba, các công cụ tối ưu hóa tích hợp có thể tự động tìm ra các điều kiện vận hành tốt nhất về mặt kinh tế. Cuối cùng, nó giúp giảm thiểu sai sót do con người và tăng tốc độ của quá trình thiết kế từ vài tuần xuống còn vài giờ hoặc vài ngày.

6.2. Quy trình mô phỏng tháp chưng cất trên phần mềm chuyên dụng

Quy trình mô phỏng một tháp chưng cất phân đoạn trên Aspen HYSYS thường bao gồm các bước sau: (1) Lựa chọn các cấu tử (Cloroform, Benzen). (2) Chọn gói thuộc tính nhiệt động lực học phù hợp (ví dụ: NRTL hoặc UNIQUAC cho hệ không lý tưởng). (3) Xây dựng sơ đồ quy trình bằng cách kéo thả các khối thiết bị (tháp chưng cất, bơm, van). (4) Nhập các thông số đầu vào: điều kiện dòng nạp liệu (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, thành phần), thông số tháp (số mâm, áp suất đỉnh và đáy). (5) Chạy mô phỏng và phân tích kết quả, bao gồm hồ sơ nhiệt độ, nồng độ và lưu lượng dọc theo tháp. (6) Thực hiện các nghiên cứu tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất.

6.3. Tầm quan trọng của thiết kế tối ưu trong ngành công nghệ hóa học

Trong bối cảnh cạnh tranh toàn cầu và yêu cầu về phát triển bền vững, thiết kế tối ưu không còn là một lựa chọn mà là một yêu cầu bắt buộc trong công nghệ hóa học. Một thiết kế tháp chưng luyện tối ưu không chỉ đạt được chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, giảm phát thải, và giảm chi phí vận hành. Các công cụ như mô phỏng Aspen HYSYS đóng vai trò then chốt trong việc đạt được các mục tiêu này. Chúng cho phép các kỹ sư đánh giá nhiều kịch bản thiết kế khác nhau một cách nhanh chóng, từ đó tìm ra giải pháp cân bằng tốt nhất giữa hiệu quả kỹ thuật, hiệu quả kinh tế và tác động môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung về dây truyền sản xuất: -Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng ) thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử thành phần ở cùng nhiệt độ, (tức là dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử ở cùng một điều kiện áp suất ). Có rất nhiều phương pháp chưng trong đó chưng luyện là một phương pháp phổ biến và hiệu quả trong việc tách hoàn toàn các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào nhau. Trong chưng luyện thì dung môi và chất tan đều bay hơi, khi chưng luyện thường thu được nhiều sản phẩm.

Theo đề bài hỗn hợp hai cấu tử clorofom – Benzen thì sản phẩm đỉnh sẽ gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn hơn (clorofom), và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé hơn (benzen ), sản phẩm đáy sẽ gồm : Các cấu tử có độ bay hơi kém hơn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi lớn hơn. Do sản phẩm đáy là benzen nên được ứng dụng nhiều trong các trường hợp khác, có thể thu hồi lại và xử lý theo từng trường hợp cụ thể. Chưng luyện là một phương thức sản xuất đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và đem lại nhiều hiệu quả kinh tế cao. Do đó việc nghiên cứu thiết bị và quy trình công nghệ là một công việc có ý nghĩa rất quan trọng.

Do thời gian có hạn và đi sâu vào nội dung chính, đồ án chỉ thực hiện và giải quyết việc tính toán kỹ thuật, thiết kế tháp chưng luyện. Chưa đi sâu vào tính toán thiết bị phụ được. Trong đề bài cho ta dùng tháp chưng luyện liên tục đĩa lỗ không có ống chảy truyền để phân tách hỗn hợp hai cấu tử : clorofom – benzen, chế độ làm việc ở áp suất thường với hỗn hợp đầu vào được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.Giới thiệu về hỗn hợp chưng: -toluen: là một hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomêtan có công thức CHCl3. Nó không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn.

Người ta sử dụng clorofom làm chất phản ứng và dung môi. Clorofom còn là một chất độc với môi trường. -Các tính chất vật lí của clorofom: o Khối lượng phân tử : 92 o Tỉ trọng (20oC) : 1,48 g/cm³, chất lỏng o Nhiệt độ sôi : 61,2oC (334,2 K) o Nhiệt độ nóng chảy : -63,5 oC (209,5 K) -Benzen: là một hợp chất hữu cơ có công thức hoá học C6H6. Benzen là một hyđrocacbon thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu, mùi 3 dịu ngọt dễ chịu, dễ cháy.

Benzen tan rất kém trong nước và rượu. Benzen cũng có khả năng cháy tạo ra khí CO2 và nước, đặc biệt có sinh ra muội than. - Các tính chất vật lí của benzen: o Khối lượng phân tử : 78 o Tỉ trọng (20oC) : 0,8786 g/cm³, chất lỏng o Nhiệt độ sôi : 80,1oC (353,2 K) o Nhiệt độ nóng chảy : 5,5 oC (278,6 K) 4 PHẦN II : SƠ ĐỒ VÀ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I – Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Sản Xuât 12 Nước 6 3 Nước lạnh 5 7 Hơi đốt Nước Nước lạnh 4 11 9 11 Hơi đốt Nước ngưng 1 2 Nưg 2 1 10 8 Chú thích 1- Thùng chứa hỗn hợp đầu. 2- Bơm 3- Thùng cao vị 4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 5- Tháp chưng luyện 6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 7- Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh 8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh 9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp 10- Thùng chứa sản phẩm đáy 5 11- Thiết bị tháo nước ngưng 12-Lưu lượng kế II - Thuyết Minh Sơ Đồ Dây Chuyền Công Nghệ Hỗn hợp đầu được chứa trong thùng chứa (1) được bơm (2) đẩy qua thiết bị đun nóng tới nhiệt độ sôi để vào tháp chưng luyện (5) ở đĩa tiếp liệu.

Tại đĩa tiếp liệu pha lỏng có thành phần xF và pha hơi được coi ở trạng thái cân bằng. Ở trong tháp, pha lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc trực tiếp với hơi đi từ dưới lên. Tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần, nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp và nhiệt độ của hỗn hợp cũng thay đôỉ theo sự thay đổi của nồng độ. Khi bay hơi lên, ở đĩa (1) có các thành phần cấu tử dễ bay hơi (clorofom ) là y1.

Sục trực tiếp vào lớp chất lỏng trên đĩa (1) có thành phần cấu tử dễ bay hơi ( clorofom ) là x1 với ( x1 < y1), trong hơi bao giờ cũng giầu cấu tử dễ bay hơi hơn lỏng. Khi sục vào đĩa 2, do hơi đĩa 1 sục vào lớp chất lỏng đĩa 2, mà nhiệt độ đĩa 2 nhỏ hơn nhiệt độ đĩa 1 nên hơi đó sẽ bị ngưng tụ một phần cấu tử khó bay hơi ( benzen ), quá trình ngưng tụ lại là quá trình toả nhiệt, và nhiệt này sẽ làm bay hơi một phần cấu tử khó bay hơi trong đĩa 2. Do đó x2 > x1, y2 > y1 dẫn đến hơi đĩa 2 tiếp tục sục vào đĩa 3, quá trình này được xảy ra tương tự nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (clorofom ). Hơi từ đỉnh tháp vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6), ở đây một phần hơi còn lại được đưa vào thiết bị làm nguội (7) để ngưng tụ hoàn toàn sản phẩm rồi chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh (8).

Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới đi lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp lại bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi xuống. Do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng, cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (benzen ) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (clorofom ). Đây là loại tháp chưng luyện liên tục nên hỗn hợp đầu và sản phẩm được lấy ra là liên tục. PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG.

I – Bảng Kê Các Ký Hiệu Thường Dùng Trong Bản Đồ Án. +) GF : Lượng hỗn hợp đầu vào Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h ). +) GP : Lượng sản phẩm đỉnh Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h ). +) GW : Lượng sản phẩm đáy Kg / h ( Kg / s hoặc Kmol / h ).

- Các chỉ số F, P,W tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của hỗn hợp clorofom và benzen. +) a : Nồng độ phần khối lượng (Kg clorofom / kg hỗn hợp ). +) x : Nồng độ phần mol ( kmol clorofom/ kmol hỗn hợp ). +) M : Khối lượng mol phân tử ( kg / kmol ).

+) : Độ nhớt Ns / m2 +) : Khối lượng riêng ( kg / m3 ) - Các chỉ số A, B, x, y, hh : tương ứng chỉ đại lượng thuộc về clorofom, benzen, thành phần lỏng, thành phần hơi, hỗn hợp. 6 - Ngoài ra các ký hiệu khác được định nghĩa tại chỗ. II- Tính Cân Bằng Vật Liệu. Hệ cân bằng phương trình vật liệu : - Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp GF = GP + GW (IX.II STQTTB ) - Đối với cấu tử dễ bay hơi GF aF = GP aP + GW aw (IV.II STQTTB ) - Lượng sản phẩm đỉnh là: GP = GF (IX.II STQTTB) Theo đề bài thì : GF = 6,35 Tấn / h = 6350 kg/h aF = 0,325 ( phần khối lượng ) aP = 0,96 ( phần khối lượng ) aw = 0,03 ( phần khối lượng ) Vậy ta có GP = 6350 = 2014,247 Kg/h.

-Lượng sản phẩm đáy là : W= F – P = 6350-2014,247= 4335,753 ( kg / h ) 2. Chuyển đổi nồng độ -Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol Áp dụng công thức : -Trong đó aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của clorofom và benzen MA, MB : là khối lượng mol phân tử của clorofom và benzen. Với MA= 78 Kg/ kmol ; MB = 92 Kg / kmol. Thay số liệu vào ta có : aF= 0,325 phần khối lượng xF = 0,3622 kmol/ kmol hỗn hợp đầu.

aP= 0,96 phần khối lượng xP = 0,9658 kmol / kmol sản phẩm đỉnh. aw = 0,03b phần khối lượng xw = 0,0352 kmol / kmol sản phẩm đáy Ta có khối lượng mol trung bình trong pha lỏng theo công thức sau : M = x MA + ( 1- x) MB. MF = xF MA+ (1- xF) MB = 0,3622. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp: a.

Tìm chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng luyện. Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của cấu tử clorofom-benzen x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 11,8 21,4 38 51,1 61,9 71,2 79 85,4 91 95,9 100 t 110,6 108,3 106,1 102,2 98,6 95,2 92,1 89,4 86,8 84,4 82,3 80,2 xF = 0,3622 phần kl yF* = 0,58 phần kl Rmin = = =1,77(IX. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp : Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất. Cơ sở của việc lựa chọn Rth theo tiêu chuẩn : V = H.

+> V: Thể tích của tháp. +> S: Tiết diện tháp. +> Nlt: số bậc thay đổi nồng độ ( số đĩa lý thuyết ). S tỷ lệ với R +1 ; V= H.

S tỷ lệ với Nlt ( R +1). Giá thành tháp tỷ lệ với V mà V tỷ lệ với Nlt ( R+1). Vậy giá thành thấp nhất ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy phải chọn chế độ làm việc thích hợp của tháp : Rth.

Ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng và tìm được một giá trị Nlt. Đường cân bằng đoạn luyện cắt trục tung tại tung độ B= (2.