Muốn có hiệu quảphân 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,.
30 trang |
Chia sẻ: maiphuongtt | Lượt xem: 7605 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Thiết bị chưng cất, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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