Thiết bị chưng cất

Hình 1 : Đặc trưng của đĩa THIẾT BỊ CHƯNG CẤT Muốn có hiệu quả phân tách tốt, quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong cột chưng cất phải được xảy ra đồng đều, triệt để. Do vậy người ta phải trang bị các cơ cấu bên trong cột nhằm đạt được mục đích này. Trong thực tế, thường chế tạo cột chưng cất với các loại khác nhau như : đĩa chóp, đĩa lưới, đĩa lóng máng hay đĩa supap (van), đệm,... Phần phía trên đĩa nạp liệu của cột thực hiện quá trình làm tăng nồng độ của các tử nhẹ trong pha hơi, gọi là phần luyện (rectification). Còn phần phía dưới thực hiện quá trình phân tách pha hơi khỏi pha lỏng và làm tăng nồng độ của cấu tử nặng trong cặn chưng nên được gọi là phần chưng. Do vậy phần đáy phải cung cấp thêm nhiệt hoặc phải đưa thêm tác nhân bay hơi vào. Mức độ phân tách tốt hay không phụ thuộc vào số đĩa được bố trí trong tháp và tỷ số hồi lưu. Nếu số đĩa lý thuyết quá ít thì tách không rõ ràng, nhưng số đĩa lý thuyết quá lớn thì dẫn đến chiều cao của tháp quá lớn, gây khó khăn cho chế tạo lắp ráp, tăng vốn đầu tư… Trong thực tế, thiết bị chính sử dụng trong quá trình chưng cất thường có 2 loại sau : tháp loại đĩa và tháp đệm. I. Thiết bị chưng cất loại đĩa: I.1 Những đặc trưng chung của một đĩa : Hình bên giới thiệu các đặc trưng hình học của một đĩa : DT : Đường kính thiết bị h: chiều cao của vách chảy chuyền T: khoảng cách giữa hai đĩa D: độ rộng của khe chảy chuyền e : chiều cao khe vào của lỏng hod : Mức chất lỏng phía trên vách chảy chuyền AD : diện tích khe chảy chuyền AA: diện tích hoạt động của đĩa. Sơ đồ trên đồng thời cũng cho thấy một số điểm quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của tháp chưng cất: + Diện tích vùng thoát hơi tương ứng với tiết diện của tháp trừ đi tiết diện của các khe chảy chuyền. + Ống chảy chuyền: có thể có nhiều dạng nhằm thay đổi vùng chảy của chất lỏng. + Vị trí của chất lỏng vào đĩa được thiết kế dưới dạng tấm chắn. Nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân phối chất lỏng vào đĩa. Cấu trúc của đĩa của đĩa cho phép các dòng lưu thể tiếp xúc với nhau theo phương vuông góc. Dòng lỏng đi qua dòng hơi đang chuyển động theo phương thẳng đứng từ đĩa này sang đĩa khác tạo nên sự chuyển động ziczắc của hai pha lỏng và hơi. I.2 Sự lưu thông của dòng lỏng và hơi trong cột chưng cất. Dòng hơi lưu thông từ dưới lên trên dọc theo cột chưng cất, xuyên qua các đĩa nhờ các lỗ trên đĩa (ống hơi của chóp, lỗ van...) đi vào pha lỏng lưu trên đĩa nhờ các tấm chắn ở các vách chảy chuyền. - Lưu lượng lỏng, hơi và vận tốc của chúng hình thành nên bọt hoặc nhủ tương, thậm chí gây nên hiện tượng phun của chất lỏng. - Pha hơi khi xuyên qua đĩa luôn luôn kéo theo một lượng lỏng dưới dạng giọt, và rơi trở lại đĩa. - Khoảng cách của đĩa sẽ được chọn lựa thích hợp sao cho đảm bảo thời gian cho pha lỏng rơi trở lại đĩa và sự tụt áp (pressure drop) của pha hơi. Pha lỏng: Pha lỏng chuyển động từ trên xuống dưới nhờ trọng lực, chất lỏng chuyển động xuyên qua đĩa và đi vào đĩa dưới thông qua ống chảy chuyền. - Chất lỏng sau khi đi qua vùng hoạt động của đĩa, tiếp tục đi vào ống chảy chuyền dưới dạng hỗn hợp lỏng hơi, như vậy, thời gian lưu chất lỏng trong ống chảy chuyền đóng vai trò rất quan trọng trong việc tách hơi ra khỏi pha lỏng trước khi vào đĩa phía dưới. - Như vậy việc tính toán kích thước của đĩa gắn liền với việc tìm kiếm các thông số cho đĩa hoạt động một cách hiệu quả. Trong thực tế, tồn tại nhiều dạng đĩa khác nhau ví dụ như dạng đĩa xuyên tâm thường ứng dụng trong cột chưng cất có đường kính lớn hoặc trong cột chưng cất chân không. Hình 2 : Sự chuyển động của hai pha lỏng hơi trong tháp Hình 3 : Sự chuyển động của pha lỏng trên đĩa I.2.1 Quá trình tiếp xúc lỏng hơi trong tháp có vách chảy chuyền ™ Dòng hơi : Hơi đi từ dưới lên qua các lỗ van hay lỗ lưới trên đĩa nhờ vách chảy chuyền. Khi dòng hơi sục vào dòng lỏng, vận tốc của dòng hơi sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của dòng lỏng. Hơi có thể tạo bọt trong lớp chất lỏng. Khi vận tốc dòng hơi càng tăng thì rất dễ tạo hệ nhũ tương. Nếu vận tốc dòng hơi quá lớn thì sẽ kéo theo một phần của dòng lỏng tạo sương trên bề mặt chất lỏng gây ra hiện tượng phun sương của chất lỏng. ™ Dòng hơi khi đi qua lớp chất lỏng thì luôn luôn kéo theo một lượng lỏng nhất định nào đó, vì vậy khi thiết kế tháp phải lựa chọn khoảng cách hai đĩa sao cho đảm bảo có thể thu hồi lượng lỏng bị kéo theo. ™ Dòng lỏng: đi từ trên xuống qua vách chảy chuyền và qua vùng tiếp xúc pha. Và cứ như thế sẽ đi xuống phía dưới các đĩa tiếp theo qua vách chảy chuyền, trong quá trình đi từ trên xuống dòng lỏng sẽ mang theo một lượng hơi nhất định vì vậy khi thiết kế tháp phải lựa chọn chiều cao vách chảy chuyền sao cho đảm bảo có thể thu hồi lượng hơi bị kéo theo Như vậy, đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền thì ống chảy chuyền có chức năng hướng dòng lỏng đi từ trên xuống và tách hơi ra khỏi dòng lỏng trước khi đi vào đĩa phía dưới. I.2.2 Chế độ hoạt động thuỷ lực của đĩa, vùng hoạt động: - Tính chất quan trọng đầu tiên ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của đĩa là sự tách hai pha lỏng và hơi sau khi đi qua vùng hoạt động của đĩa. Nếu như sự tách pha hơi ra khỏi pha lỏng kém hoặc sự kéo theo của pha lỏng trong pha hơi sẽ hình thành nên sự hồi lưu không mong muốn của các pha, điều này sẽ làm giảm hiệu quả hoạt động của đĩa. + Trong trường hợp pha lỏng, để tách pha hơi ra khỏi pha lỏng sau khi đi qua đĩa chỉ cần đơn giản tăng thời gian lưu của lỏng trong ống chảy chuyền. + Đối với pha hơi thì phức tạp hơn. Nếu như kích thước của cột chưng cất lớn, hoặc vận tốc của pha hơi bé, thì sự tiếp xúc của hai pha rất bé, dẫn đến sự chuyển pha xảy ra ở mức độ có giới hạn. Trong trường hợp vận tốc của pha hơi lớn, xu hướng kéo theo pha lỏng của pha hơi rất lớn, trong trường hợp này tăng khoảng cách giữa hai đĩa sẽ giúp cho pha lỏng tách khỏi pha hơi. - Tính chất quan trọng thứ hai: Sự cân bằng thủy động lực tạo ra trên đĩa. Các pha lưu thông trong cột đều kéo theo sự tụt áp, và sự tụt áp này phải đạt cân bằng để đảm bảo sự lưu thông của pha hơi qua các đĩa. Dòng hơi đi qua đĩa và lớp lỏng sẽ tạo nên một sự tụt áp (hp), sự tụt áp này phụ thuộc vào lưu lượng của các dòng lưu thể, đặc trưng vật lý của hai pha, và các đặc trưng hình học của đĩa. Sự tụt áp này bằng với tổng trở lực hình thành khi pha hơi đi qua các lỗ trên đĩa (lỗ lưới, lỗ van, ống hơi của chóp…) và chiều cao chất lỏng trên đĩa (hcl). Chiều cao của lớp chất lỏng trên đĩa bằng tổng chiều cao của tấm chắn (h) và chiều cao của chất lỏng chảy tràn trên đĩa (hod). Dòng lỏng trên đĩa phụ thuộc vào vách chảy chuyền nhưng đồng thời cũng phụ thuộc vào trở lực hình thành do các vật cản (van, chóp …), trở lực của pha hơi. Những nguyên nhân này gây ra một gradient của lỏng ở nơi chất lỏng vào đĩa và cuối đĩa. Chiều cao thực của lớp chất lỏng trong ống chảy chuyền (Hd) sẽ ảnh hưởng đến chiều cao của lớp chất lỏng trên đĩa, chênh lệch áp suất giữa hai đĩa cũng như sự tụt áp do hệ thống tiếp liệu trên đĩa (hs). Thông thường chiều cao của lớp chất lỏng trong ống chảy chuyền cao hơn so với tính toán do hỗn hợp đi vào ống chảy chuyền là hỗn hợp lỏng – hơi. Tổng chiều cao của hỗn hợp lỏng hơi trong ống chảy chuyền sẽ lớn hơn do hệ số thoát hơi trung bình β, và bằng Hd/β. Khi tháp chưng cất hoạt động bình thường thì hệ số này gần bằng 0,6. Chính vì vậy chiều cao của chất lỏng trong ống chảy chuyền không được vượt quá 50% của chiều cao ống chảy chuyền. Những nhận xét trên cho thấy mối quan hệ giữa các thành phần cấu tạo của đĩa, chẳng hạn khi tăng lưu lượng của pha lỏng sẽ gây nên lượng lỏng lưu giữ nhiều hơn. Kết quả là sẽ tăng đồng thời trở lực pha hơi cũng như lượng lỏng trong ống chảy chuyền, dẫn đến ống chảy chuyền có thể chảy tràn, cột chưng cất sẽ bị ngập đầy chất lỏng và hiệu quả của quá trình phân tách sẽ giảm. Sự tụt áp của pha hơi được biểu diễn như sau: Hình 4 : Cân bằng thủy động lực học trên đĩa Tóm lại, để cho đĩa hoạt động bình thường, hai thông số cần phải được kiểm soát : vận tốc pha hơi và lưu lượng pha lỏng hay một cách chính xác hơn là lưu lượng trên một đơn vị chiều dài của vách chảy chuyền. Lựa chọn không chính xác các đại lượng này có thể gây nên các sự cố về thủy lực và làm giảm hiệu suất của tháp. I.2.3 Các hiện tượng bất thường xảy ra trong tháp: • Hiện tượng sặc tháp (flooding - engorgerment): hiện tượng này xảy ra do pha hơi hoặc pha lỏng. ¾ Soufflage flooding: Xảy ra khi lượng hơi lớn hơn lượng lỏng, khi đã có hiện tượng sương mù phân tán trên vùng tiếp xúc ảnh hưởng phía trên vùng chuyển khối. Đồng thời có hiện tượng tạo bọt trên đĩa và các hạt lỏng có kích thước bé sẽ bị lôi lên đĩa phía trên. ¾ Jet footding: Xảy ra do sự lôi cuốn lỏng theo hơi, khi tăng đồng thời lưu lượng lỏng hơi thì dễ gây ra hiện tượng này. Hiện tượng này còn xảy ra khi muốn tăng năng suất của tháp. Khi xảy ra hiện này lỏng bị lôi cuốn lên đĩa phía trên và lúc này lượng lỏng trên đĩa phía trên sẽ tăng lên, dẫn đến không gian hơi giảm, hoạt động của tháp không ổn định, và làm hiệu quả quá trình phân tách pha. ¾ Sặc do lưu lượng lỏng quá lớn: khi lượng lỏng trong vách chảy chuyền quá lớn cũng như trên đĩa lớn sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình phân tách hơi ra khỏi lỏng, cũng như sẽ ảnh hưởng đến cân bằng thủy động của đĩa. • Hiện tượng gây mưa (weeping): Các loại đĩa lỗ (lưới) hoặc đĩa van, do đặc điểm của chúng không kín hoàn toàn: luôn luôn có một lượng nhỏ pha lỏng chảy qua đĩa nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất của đĩa. Tuy nhiên, khi vận tốc pha hơi tăng lên, áp suất thủy tĩnh trên đĩa không đảm bảo, pha lỏng sẽ chảy qua các lỗ lưới hoặc lỗ van gây nên hiện tượng mưa. Hiện tượng này có ảnh hưởng xấu đến quá trình hoạt động của đĩa do sự trộn lẫn lại pha lỏng và pha hơi. • Hiện tượng dumping: là trạng thái của tháp khi hiện tượng gây mưa xảy ra mạnh. Pha lỏng chảy qua lỗ với lưu lượng lớn làm giảm mạnh hiệu suất của đĩa. Do các hiện tượng trên, chúng ta có thể phân biệt chế độ làm việc của tháp tùy theo lưu lượng của các pha (hình 5) : Hình 5 : Vùng hoạt động của đĩa ™ Lưu lượng hơi quá lớn: Vận tốc dòng hơi đi qua các lỗ trong vùng làm việc tăng lên có thể dẫn đến các hiện tượng như: soufflage, tăng chiều cao của lỏng trên đĩa gây nên hiện tượng sặc tháp. Tất cả các hiện tượng đó đều dẫn đến hiện tượng lôi cuốn pha lỏng lên đĩa phía trên làm giảm hiệu suất đĩa. ™ Lưu lượng lỏng quá lớn: Lưu lượng lỏng quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng sặc trong ống chảy chuyền do sự tách pha không đảm bảo. Nó có thể gây nên hiện tượng phân bố lỏng không đều trên vùng hoạt động của đĩa làm giảm hiệu suất đĩa. ™ Lưu lượng hơi quá bé: có thể dẫn đến hiện tượng gây mưa trong tháp hoặc hiện tượng dumping và làm giảm hiệu suất của tháp do sự tiếp xúc pha giảm. ™ Lưu lượng lỏng quá bé: có thể dẫn đến hiện tượng lỏng bị lôi cuốn theo pha hơi khi mà lưu lượng hơi quá lớn hoặc hơi có thể đi lên đĩa phía trên qua ống chảy chuyền, điều này cũng sẽ làm giảm hiệu suất của tháp. I.3 Các loại đĩa : Các loại đĩa thường được sử dụng là: đĩa chóp, đĩa lưới, đĩa van. • Đĩa chóp: đảm bảo độ kín giữa 2 tầng đĩa luôn luôn có lỏng trên đĩa. Đĩa này có năng suất không cao nhưng độ linh động lớn. Tuy nhiên loại đĩa này có những nhược điểm: số lượng chóp nhiều, chiếm chỗ nên giảm bề mặt hoạt động, năng suất, hiệu suất bé do lượng lỏng đi qua hạn chế. • Đĩa lưới : đĩa lưới được cấu tạo đơn giản, rẻ nhưng khi sử dụng nguyên liệu có khả năng ăn mòn làm thay đổi đường kính lỗ, ảnh hưởng đến quá trình chưng cất, vì vậy trong trường hợp này phải sử dụng vật liệu chống ăn mòn. Mặt khác nếu lượng hơi lớn, chất lỏng không chảy được, còn nếu lượng hơi bé thì chất lỏng chảy qua lỗ làm khô tháp. • Đĩa van : loại đĩa này hạn chế được hiện tượng sặc tháp khi vận tốc hơi lớn và hiện tượng mưa trong tháp khi vận tốc hơi nhỏ. Đĩa van làm việc tùy theo vận tốc của dòng khí, khi vận tốc tăng dần thì van sẽ mở dần từ nhỏ đến lớn và có lúc được nâng lên hoàn toàn, còn khi vận tốc dòng hơi nhỏ hơn quy định thì lỏng không chảy xuống được, gây hiện tượng khô tháp. Trong tháp đĩa van, các van được cài đặt ở một áp suất nhất định, do đó các van nhẹ sẽ làm việc trước các van nặng. Khi vận tốc tăng dần lên vẫn đảm bảo được hoạt động của tháp. A: Đĩa chóp B: Đĩa lổ với ống chảy chuyền C: Đĩa van hình tròn D: Đĩa van hình chữ nhật So sánh hai loại đĩa : đĩa lỗ (sieve tray), đĩa van (valve tray) : Hai dạng đĩa này hoàn toàn giống nhau, chúng chỉ khác nhau là có van và không có van. Đối với dạng đĩa van, van sẽ mở hoàn toàn khi cột chưng cất hoạt động bình thường. Van đóng một phần hoặc hoàn toàn khi lưu lượng của pha hơi giảm xuống. Hai dạng đĩa này về mặt tính toán hoàn toàn giống nhau. Đối với đĩa dạng lỗ, còn có một dạng không dùng ống chảy chuyền, nhưng loại này it dùng, hiệu quả hoạt động của đĩa kém. Hình 6 : Van Norton * Đĩa không có ống chảy chuyền: Sự lưu chất lỏng trên đĩa thông thường rất ít, và được hình thành nhờ vào sự cân bằng thủy động học của quá trình chảy hai pha lỏng và pha hơi. Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ. Nhược điểm : Hiệu suất làm việc thấp. Hình 7: Van dạng “Glitsch” So sánh các loại đĩa : Loại đĩa Chóp Van Lỗ có vách ngăn Lỗ không có vách ngăn Lưu lượng Trung bình Lớn Lớn Rất lớn Khả năng thích hợp Rất tốt Tốt TB Yếu Hiện tượng kéo theo cao Vừa phải Vừa phải Vừa phải Sụt áp cao Trung bình Trung bình Trung bình Giá Đắt Vừa phải Rẻ Rẻ Bảo trì cao Vừa phải Rẻ Rất rẻ Sự bít cao Vừa phải ít Rất ít Miền ứng dụng Lưu lượng lỏng bé Rộng Thị trường 5% 70% 25% Trong trường hợp đặc biệt I.4 Những công thức thực nghiệm sử dụng cho việc tính toán đĩa: I.4.1 Hiện tượng ngập tháp do pha hơi. Lựa chọn đường kính cột chưng cất. Trong cột chưng cất, vận tốc của pha hơi trong không gian tự do giữa hai đĩa phải không vượt qua một giá trị nào đó nhằm tránh hiện tượng kéo theo của pha lỏng. Người ta định nghĩa hệ số năng suất C, nó được biểu diễn như là vận tốc tối đa trong thiết bị rỗng hiệu chỉnh theo tỷ trọng các pha lỏng và hơi. V VL sf CU ρ ρρ −= Usf: Vận tốc pha hơi gây ra hiện tượng ngập trong thiết bị rỗng. (m/s), ρL,ρV : Khối lượng riêng của pha lỏng và pha hơi. Hệ số C phụ thuộc vào đặc tính hoá lí của hai pha lỏng và pha hơi, ngoài ra chúng còn phụ thuộc vào yếu tố hình học của cột chưng cất. Có nhiều nhiều đồ thị thực nghiệm đã được đề nghị để hiệu chỉnh hệ số C theo hệ số lưu lượng , một trong các biểu đồ hay được sử dụng là biểu đồ Fair. Quan hệ “Fair” nhằm xác định hệ số C (L, G lưu lượng của pha lỏng và pha hơi). Giá trị của vận tốc xác định giới hạn ngập lụt tháp chỉ áp dụng cho các hỗn hợp không tạo bọt. Khi xét đến ảnh hưởng này người ta sử dụng một hệ số hiệu chỉnh SF, bảng sau giới thiệu các giá trị thực nghiệm của hệ số SF Hệ thống Hệ số SF Không tạo bọt 1 Tháp tách propane 0,9 Tháp tách H2S 0,9 Thiết bị tái sinh carbonat 0,9 Tháp hấp thụ dầu 0,85 Tháp chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển 0,85 – 1 Tháp chưng cất chân không 0,85 – 1 Tháp tái sinh amine 0,85 Tháp rửa bằng kiềm 0,65 Tháp hấp thụ amine 0,73 – 0,8 Hệ thống tạo bọt bền vững 0,3 – 0,6 Điểm 80% ngập lụt, có nghĩa vận tốc pha hơi bằng 0,8 USF, thường được sử dụng để xác định đường kính của tháp. Giá trị này hoàn toàn ngẫu nhiên và được chọn sao cho đường kính của tháp là nhỏ nhất và do đó chi phí đầu tư sẽ nhỏ nhất trong khi vẫn đảm bảo chế độ hoạt động ổn định của tháp. Sự lựa chọn có thể thay đổi theo các tiêu chí khác như có tính uyển chuyển tốt, đảm bảo chất lượng sản phẩm cao hơn…Bất cứ nó có giá trị như thế nào đi nữa, nó vẫn phải đảm bảo tiết diện để lượng hơi đi qua (AN). Giả sử một cách gần đúng 15% tiết diện tháp bị chiếm bởi ống chảy chuyền, khi đó diện tích đi qua của pha hơi được tính: sf V N U QDA 85,04 85,0 2 == π QV Lưu lượng của pha hơi (m3/s) Người ta lấy giá trị vận tốc của pha hơi bằng 80% vận tốc tới hạn của pha hơi gây ra hiện tượng ngập tháp. Công thức này cho phép chúng ta tính toán được đường kính của tháp chưng luyện. I.4.2 Khoảng cách giữa các đĩa: - Khoảng cách giữa các đĩa phụ thuộc vào đường kính của cột. - Khoảng cách giữa các đĩa được chọn sao cho đảm bảo được hai yếu tố: + Khoảng không gian trên đĩa đủ lớn để cho pha lỏng tách khỏi pha hơi. + Mức chất lỏng trong ống chảy chuyền nhỏ 50% chiều cao của ống. - Đường kính cột chưng cất được chọn như sau: Đường kính (m) Khoảng cách giữa các đĩa (cm) Nhỏ hơn 1,2 45 Lớn hơn 1,2 60-70 Khoảng cách giữa các đĩa bằng 90cm rất ít sử dụng, chỉ trong trường hợp lưu lượng lỏng lớn, ví dụ như vị trí hồi lưu tuần hoàn. I.4.3 Chiều cao lớp chất lỏng trên vách chảy chuyền: Chiều cao lớp chất lỏng trên vách chảy chuyền có thể xác định nhờ vào các phương trình thủy động lực học. Nếu QL là lưu lượng lỏng (m3/s) và hod là chiều cao của chất lỏng trên vách chảy chuyền (cm), Ld chiều dài của vách ngăn (m), thì có thể sử dụng phương trình sau : hod =66,4*(QL/Ld)2/3 Công thức này đúng trong trường hợp chất lỏng chảy rơi tự do vào ống chảy chuyền, nếu trong trường hợp chất lỏng chảy theo thành của ống chảy chuyền, hoặc ở chế độ rối trước khi vào ống chảy chuyền, người ta đưa ra hệ số Fd. Hệ số này phụ thuộc vào chiều dài của ống chảy chuyền và lưu lượng của pha lỏng. ) )( )(1(366,172212,0(0032,1 5,2 d L T d d L Q D L F −++= Ld/DT Fd maximum 1 1,1 0,9 1,18 0,8 1,21 0,7 1,23 0,6 1,24 0,5 1,25 Trong trường hợp ống chảy chuyền có đường kính dd, thì chiều cao mức lỏng trên ống chảy chuyền được tính như sau: 704,0 876 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= d L od d Qh + Ld được tính toán dựa trên diện tích vùng chảy chuyền và số pass trên đĩa. Việc chọn số passes phải đảm bảo sao cho tỷ số QL/Ld nằm trong khoảng 0,0174-0,0323 m3/s. + Số passes được chọn theo bảng như sau: Đường kính (m) Số passes Lưu lượng lỏng (m3/h) 0,6-1,8 1 7-90 1,4-4 2 90-250 2,4-5 3 200-400 4-6 4 250-450 Chiều dài của vách chảy chuyền phụ thuộc vào diện tích vùng chảy chuyền tương ứng. Mối quan hệ của các thành phần trong hình tròn của tiết diện đĩa có thể biểu diễn trên hình sau Khi đó, chiều dài của vách chảy chuyền có thể được xác dịnh theo công thức : Ld = DT. sin(ω) Diện tích AD hình viên phân bị giới hạn bởi dây cung được xác định : Độ cao H của hình viên phân được xác định : I.4.4 Hiệu suất Tháp chưng cất thường được tính toán theo số đĩa lý thuyết, vì vậy cần phải có một công cụ tính toán đề cập đến giá trị thực tế của quá trình chuyển khối truyền nhiệt trong tháp. Do thời gian tiếp xúc giữa hai pha bị giới hạn nên không thể đạt đến cân bằng nhiệt động, điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình phân tách các pha. Vì thế người ta đưa ra khái niệm hiệu suất. Khái niệm hiệu suất Murphee thường được sử dụng trong khi tính toán tháp chưng cất. Nó so sánh mức độ phân tách thực tế đạt được với sự phân tách cần phải đạt được trên đĩa lý thuyết. Murphee đã định nghĩa hiệu suất pha hơi của đĩa EMV theo biểu thức : Trong đó : yn : thành phần hơi trung bình đi ra khỏi đĩa thứ n yn – 1: thành phần hơi trung bình đến từ đĩa bên dưới yn*: thành phần lý thuyết của hơi ở trạng thái cân bằng Hiệu suất pha lỏng của đĩa cũng có thể xác định một cách tương tự, nó thay đổi từ đĩa này sang đĩa khác. Hiệu suất chung của đĩa, E, có thể được định nghĩa : Trong đó λ là hệ số hấp thu của tháp, λ = m VM/ LM với VM và LM là lưu lượng mole của hơi và lỏng đi qua đĩa và m là độ dốc của đường cân bằng. II. Tháp đệm: Trong tháp đệm người ta bố trí vách ngăn có chứa đệm với hình dạng khác nhau: hoặc là hình vành khuyên, hình trụ có tấm chắn, hình yên ngựa, hình vòng nhẫn vv... để tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha. Khác với tháp đĩa, sự tiếp xúc lỏng hơi xảy ra liên tục do đó tăng hiệu quả chuyển khối giữa hai pha và hiệu quả này càng cao khi bề mặt tiếp xúc càng lớn, và chế độ thủy động giữa hai pha là chảy xoáy. Nhược điểm của tháp đệm là quá trình tiếp xúc giữa hai pha không đồng đều ở toàn bộ đệm theo tiết diện ngang của tháp. ™ Có hai loại đệm chính được sử dụng chính trong quá trình chưng cất dầu khí đó là: • Đệm không có cấu trúc có hình vòng nhẫn, yên ngựa... được sắp xếp một cách ngẫu nhiên nhưng vẫm đảm bảo chế độ thủy động của lớp đệm và tổn thất áp suất. • Đệm có cấu trúc được tạo ra từ lưới sắt, lưới mắt cáo. Các lưới được uốn cong hoặc đục lỗ và được sắp xếp một cách có trật tự thành khối trụ hay hình chữ nhật. Đệm này có đặc trưng là có độ rỗng cao, nhưng việc chế tạo, lắp đặt và vệ sinh rất tốn kém và mất thời gian. Đệm có hiệu quả cao khi có diện tích tiếp xúc lớn và tổn thất áp suất qua đệm bé. Đặc trưng của đệm là: diện tích bề mặt riêng, độ rỗng, bản chất vật liệu chế tạo đệm. Khi so sánh giữa tháp đệm và tháp đĩa ta thấy tháp đệm có ưu điểm là: tổn thất áp suất bé, vì vậy thuận lợi cho quá trình chưng cất chân không khi có mặt các cấu tử không bền nhiệt, có khả năng tăng năng suất quá trình chưng cất, có khả năng phân tách cao hơn so với tháp đĩa. Tuy nhiên tháp đệm cũng có nhược điểm: với các hỗn hợp có khả năng tạo cặn, thì phải thay đổi toàn bộ đệm, tính linh hoạt thấp, dễ tạo cặn trên bề mặt đệm điều này sẽ làm giảm khả năng phân tách và sẽ dẫn đến giảm hiệu suất quá trình. II.1 Đệm không có cấu trúc (đệm rời) : Loại đệm này được sử dụng đầu tiên, được phát triển từ hai dạng vành và yên ngựa. - Thế hệ đầu tiên: + vành Rashing hoặc Lessing và yên ngựa của Berl (Hình 8). Những loại này hiện nay vẫn còn đang được sử dụng - Loại 2: được phát triển từ loại đầu tiên, loại này hình dáng phức tạp nhằm tăng diện tích tiếp xúc của hai pha lỏng và hơi. (hình vẽ) Hình 8 : Đệm sứ dạng vòng Raschig (A), Lessing (B), vòng xoắn (C) (thế hệ I) - Loại 3: loại này thông thường làm bằng kim loại hoặc nhựa, độ rổng cao. Việc chọn lựa vật liệu làm đệm phụ thuộc vào mục đích ứng dụng, giá cả… Hình 8 : Đệm rời dạng vòng hoặc dạng hình yên ngựa (thế hệ II) Hình 8 : Đệm rời dạng vòng hoặc dạng hình yên ngựa II.2 Đệm cấu trúc: Một dạng đệm khác cũng đang được ứng dụng là dạng lưới hoặc chồng lưới tuỳ theo yêu cầu, ví dụ : Sulzer, Goodloe, Koch, Glitsch… Sơ đồ hình học của đệm cấu trúc, các kích thước hình học II.2.1 Dạng lưới: Thông thường được chế tạo bằng kim loại, có các lớp kim loại liên kết với nhau. Đặc trưng chính của lưới là độ rổng cao, do vậy độ sụt áp thấp. Đệm cấu trúc dạng lưới Đệm lưới Glisch EF25A II.2 Các dòng lưu thể trong tháp đệm. II.2.1 Trở lực : Sụt áp trong tháp đệm phụ thuộc vào lưu lượng hai pha lỏng và hơi. Sự biến thiên của trở lực theo lưu lượng hơi được biểu diễn trên hình vẽ sau. Điểm nạp lỏng (loading point - A): vận tốc dòng khí đủ lớn để gây cản trở sự chảy của pha lỏng, gây nên sự tăng lượng lỏng lưu giữ trên bề mặt đệm làm giảm diện tích dành cho pha hơi. Điểm ngập tháp (flooding point – B): vận tốc dòng khí G rất lớn, chất lỏng không thể chảy qua lớp đệm và một phần tích tụ lại đỉnh tháp. Chất lỏng có khuynh hướng trở thành pha liên tục. Vận tốc G tương ứng với điểm ngập lụt là giá trị vận tốc cực đại so với chế độ hoạt động bình thường của tháp. Tụt áp phụ thuộc vào pha hơi và pha lỏng Sự thay đổi của trở lực dưới điểm nạp lỏng (loading point) qua lớp đệm Raschig hoặc vòng Pall, vòng yên ngựa Berl có thể được tính như sau: G L GP ρα β 2 *10*=∆ ∆P trở lực (pa/m) trên một đơn vị chiều cao của đệm. L; G lưu lượng khối lượng của pha lỏng và pha hơi trên một đơn vị diện tích. ρG trọng lượng thể tich của pha hơi. α, β Những hằng số đặc trưng của đệm Ứng dụng Giá trị trở lực cực đại (Pa/m) Chưng cất khí quyển 400 – 800 Chưng cất áp suất thấp và trung bình 400 – 800 Chưng cất chân không 8 – 400 Hệ thống có tạo bọt 80 – 200 Tháp hấp thụ 160 – 570 Tháp hấp thụ amin 205 Tháp tái sinh amin 245 Tháp rửa khí 200 - 490 II.2.2 Lưu lượng lỏng nhỏ nhất đảm bảo sự thấm ướt đều trên bề mặt đệm. Lưu lượng này cấn thiết để tạo một màng mỏng chất lỏng trên bề mặt đệm. Lưu lượng tối thiểu QLm, có thể được tính bằng nhiều công thức khác nhau trong đó có tính đến các đặc tính của bề mặt, đặc biệt là góc tiếp xúc. Chẳng hạn có thể sử dụng biểu thức Schmidt : Với : và QLm : m3/ h* m2 tiết diện tháp µL : cP, σ : dyn/cm II.3 Hiệu quả làm việc của tháp đệm. Hiệu quả làm việc của tháp đệm là sự đo khả năng tách thực hiện trong tháp. Đối với tháp đĩa, thì hiệu quả làm việc phụ thuộc vào số đĩa, còn đối với tháp đệm, thì phụ thuộc vào chiều cao của lớp đệm III. Phương pháp lựa chọn tháp đệm hay tháp đĩa. Mỗi loại thiết bị có những đặc trưng riêng biệt có những ưu điểm và khuyết điểm khác nhau. Việc lựa chọn loại tháp không có những tiêu chí riêng biệt mà tùy thuộc vào đặc trưng của từng ứng dụng cụ thể, tuy nhiên một điểm quan