Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập Thiết bị dầu khí Bài tập valve, tính toán lò đốt, thiết kế phân xưởng chưng cất tách phân đoạn C3 ra khỏi phân đoạn khí thu được từ FCC Xây dựng tháp chưng cất: Xác định áp suất làm việc của tháp Tính toán shortcut Xác định số đĩa tương ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp Xây dựng sơ đồ phân xưởng Mô phỏng tháp với số đĩa tương ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp Tối ưu hóa điểm nạp liệu Xây dựng sơ đồ công nghệ của phân xưởng Tính toán thiết kế chi tiết các thiết bị trao đổi nhiệt và tháp chưng cất Trích xuất số liệu mô phỏng
GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí BÀI TẬP : (VALVE) Tính toán chọn valve cho hệ thống bơm nước với kiện sau : - Áp suất rơi toàn hệ thống : ΔP∑ = 150 psia - Lưu lượng bơm : Qmax = 150 gpm (gallon per minute) Qop = 110 gpm Qmin = 25 gpm Lưu chất bơm nước với nhiệt độ 70oF dH2O = g/ml Trình tự giải toán sau: Bước 1: Xác định thông số hệ gồm: thong số lưu chất, lưu lượng thiết kế, lưu lượng hoạt động, lưu lượng tối thiếu, tối đa, áp suất rơi hệ thống Bước 2: Xác định trở lực cho phép valve: Giá trị phụ thuộc vào hệ thống bơm, thông thường, trở lực tối đa cho phép valve lấy từ 15-25% trở lực toàn hệ thống ΔPvalve = 0,15.150 = 22,5 psi Bước : Tính toán đặc trưng valve Xác định hệ số tốc độ dòng valve theo công thức : CV Q G P Trong : G tỷ trọng chuẩn so với nước 15oC Q lưu lượng thiết kế ΔP trở lực cho phép valve Lần lượt tính giá trị CVmax, CVmin, CVop : CV max 150 31,62 22,5 CV 25 5.27 22,5 CVop 110 23.19 22,5 Từ giá trị Cvmax = 31,62 bảng tài liệu hãng sản xuất valve cung cấp bên ta chọn van có đường kính 63.5 mm có độ mở khoảng 80 ÷ 90% Độ mở valve ứng với Cvmin = 5,27 khoảng 20% > 10% (thỏa mãn) Xác định đường kính ống dẫn: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Dựa vào bảng II.2 trang 371 STQTTB tập chọn ω = 1.5 (m/s) từ tính đường kính ống dẫn theo công thức: d Q 0,785. 0,00947 0,09(m) 90(mm) 0,785.1,5 Với lưu lượng Qmax tính m3/s: Qmax = 150 gpm = 0,00947 m3/s (1m3 264 gallon) Đường kính valve lớn ½ đường kính ống dẫn (phù hợp) Bước : Kiểm tra bổ trợ (Gain) thông qua lưu lượng sử dụng Flow Stroke 110 - 25 Gain1 = 1,4 80 10 150 - 110 Gain = 2 100 80 Gain = Kiểm tra : G1 G2 max( G1 , G2 ) 0.6 0,3 0,5 (thỏa mãn) SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí BÀI TẬP : (LÒ ĐỐT) Nghiên cứu trình đốt cháy nhiên liệu khí (trên lưu lượng sở 100Nm3) lò đốt với thành phần nhiên liệu cho sau (%vol) : H2 CH4 C2H6 C4H10 10 50 35 o Không khí sử dụng cho trình đốt cháy có nhiệt độ 20 C độ ẩm tương đối 80%, hệ số dư lượng không khí 20% Nhiệt trị cháy thấp nhiên liệu khí 11050 kcal.(Nm3)-1, khối lượng riêng 0,933 kg.(Nm3)-1 Ở nhiệt độ lân cận nhiệt độ khí quyển, nhiệt dung riêng Cp không khí khí nhiên liệu 0,24 kcal.kg-1.oC-1 0,5 kcal.kg-1.oC-1 1, Xác định lưu lượng không khí cần thiết cho trình đốt cháy nói 2, Thành phần khói thải 3, Kiểm tra lại hệ số dư lượng không khí theo thành phần khói thải vừa xác định 4, Khối lượng riêng khói thải 5, Lưu lượng khói thải khí đốt cháy m3 khí nhiên liệu kg khí nhiên liệu Cho biết nhiệt dung riêng khói từ đến toC tính theo công thức sau : Cp = 0,258 + 4,5.10-3.t/100 (kcal.kg-1.oC-1) 6, Viết phương trình cân nhiệt lượng trình cháy xác định nhiệt độ cháy lý thuyết Tf 7, Hiệu suất nhiệt lò 80%, lượng nhiệt mát khói thải mang 18,5% Xác định nhiệt độ khói lò sau khỏi ống khói 8, Ý nghĩa việc thực tập BÀI GIẢI : 1, Các phương trình cháy : H2 + ½ O2 = H2O CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O C2H6 + 7/2 O2 = 2CO2 + 3H2O C4H10 + 13/2O2 = 4CO2 + 5H2O SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Theo đề theo phương trình cháy, ta tính lượng O2 cần thiết cho trình đốt cháy: GO2 = ½.GH2 + 2GCH4 + 7/2GC2H6 + 13/2GC4H10 = ½.10+ 2.50 + 7/2.35 + 13/2.5 = 260 (Nm3) Xem không khí hỗn hợp gồm 21,9% O2 78,1% N2, với áp suất atm Vậy lượng không khí cần thiết là: Gkkcan = 100/21,9 GO2 = 100/21,9.260 = 1187,2 (Nm3) Không khí dùng dư 20% nên lượng không khí thực tế bằng: Gkkthuc = 1187,2 + 1187,2.20% = 1424,66 (Nm3) Ở 20oC, áp suất bão hòa nước 0,0238 atm (tra bảng I250, Sổ tay trình thiết bị công nghệ Hóa chất, tập 1) Không khí có độ ẩm tương đối 80%, tức áp suất nước không khí bằng: PH2O = 80%.0,0238 = 0,01904 (atm) Suy phần trăm nước không khí 1,904%, lượng nước có không khí dùng bằng: GH2O = 1,904%.1424,66 = 27,125 (Nm3) GO2 = 1424,66 21,9% = 312 (Nm3) 2, Lượng O2 có không khí thực: Cân nhiên liệu sản phẩm cháy tính theo bảng sau: Thành phần nhiên liệu H2 10 CH4 50 C H6 35 C4H10 Thành phần không khí O2 312 N2 1112,7 H2O vap 27,1 TOTAL Thành phần khói %vol H2 O 10 100 105 25 Khói thải CO2 50 70 20 N2 - O2 - - - 1112,7 52 27,1 267,1 140,0 1112,7 52,0 17,00 8,91 70,79 3,31 SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí 3, Kiểm tra lại hệ số dư lượng không khí: e 3,76.(%O2 ) 3,76.3,31 100% 21,3% (% N ) 3,76.(%O2 ) 70,79 3,76.3,31 4, Khối lượng riêng khói thải: Khối lượng nhiên liệu: Mcarb = 0,933.100 = 93,3 (Nkg) Khối lượng không khí: Mair = (1424,66 + 27,125).1,199 = 1740,69 (Nkg) Với khối lượng riêng không khí ẩm nhiệt độ 20oC áp suất 760 mmHg tra bảng I.10, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 1, trang 15: ρair = 1,199 (kg/m3) Khối lượng khói thải: Mfumes = 93,3 + 1740,69 = 1833,99 (Nkg) Thể tích khói thải: Vfumes = 267,1 + 140 + 1112,7 + 52 = 1571,8 (Nm3) Khối lượng riêng khói thải: ρfumes = 1833,99 1,167 (Nkg/Nm3) 1571,8 5, Lưu lượng khói thải đốt cháy kg nhiên liệu: Lưu lượng khói thải đốt cháy m3 nhiên liệu: 1571,8 16,85 (Nm3/kg carb) 93,3 1571,8 3 15,718 (Nm /Nm carb) 100 6, Cân nhiệt lượng cho trình cháy lò đốt: Vào: Qin = Qcarb + Qair + Qcháy - Nhiệt lượng nhiên liệu vào: Qcarb = Mcarb.Cpcarb (20 – to) - Nhiệt lượng không khí vào: Qair = Mair.Cpair.(20 – to) - Nhiệt lượng tạo trình cháy (nhiệt trị cháy thấp): Qcháy = 11050.Fcarb Ra: - Nhiệt lượng sản phẩm cháy mang ra: Qout = Mfumes.Cp(t).(t – to) Với to = 0oC, t = tF nhiệt độ cháy lý thuyết (xem trình cháy trình đoạn nhiệt) Cân nhiệt lượng viết sau: Qin = Qout 93,3 0,5 20 1740,69 0,24 20 11050 100 1833,99 (0,258 4,5 10 3 tf 100 ).t f 473,17.t f 0,08253.t 2f 1114288,3 SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Giải phương trình trên, ta được: tf = 1793,7oC 7, Nếu xem trình cháy đoạn nhiệt, nhiệt lượng tổng cộng hệ: Q = 93,3.0,5.20+ 1740,69.0,24.20 + 1105000 = 1114288.3 (kcal) Nhiệt lượng khói thải mang chiếm 18,5%, tức là: Qfumes (out) = 1114288,3.18,5% = 206143.33 (kcal) Tính nhiệt độ khói thải mang ra: 1833,99.(0,258 4,5.10 3 t 100 ).t 206143.33 t 406.8 o C 8, Ý nghĩa việc thực tập này: Đây vấn đề chi tiết trình tính toán cân nhiệt lò đốt, tính lưu lượng không khí cần thiết, nhiệt độ khói thải,… đó, tập hướng dẫn cụ thể cách thức tính toán tra thông số cần thiết nhiên liệu, không khí, khói thải,… từ chuẩn bị cho việc tính toán thiết kế lò đốt nhà máy SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm BÀI TẬP 3: (LÒ ĐỐT) Tính toán vùng xạ lò đốt phục vụ tháp DA xử lý dầu thô Arabe nhẹ, với kiện sau: - Lưu lượng F = 200 tấn/h - Nhiệt độ nguyên liệu vào lò: Tin = 190oC - Nhiệt độ nguyên liệu khỏi lò: Tout = 325oC - Áp suất dòng nguyên liệu khỏi lò: Pout = bars - Độ bốc nguyên liệu khỏi lò: %Vapout = 45% - Nguyên liệu vào trạng thái lỏng hoàn toàn - Enthalpie nguyên liệu vào: Hin = 98 kcal/kg - Enthalpie nguyên liệu ra: Hout = 210 kcal/kg - Lượng nhiệt bị hấp thụ lò đốt: Qf = 200.103.(210-98) (kcal) - Lò thiết kế với hiệu suất 80% - Hệ số dư lượng không khí: 20% - Tổng áp suất riêng phần CO2 H2O khói thải: 0,25 atm - Chọn ống thép carbon, có thông số sau: Đường kính ống: D = 0,168 (m) Bề dày: e = 70 (mm) Chiều dài: L = 20 (m) Khoảng cách tâm ống: C = 12 inch = 0,305 (m) - Số ống sử dụng vùng xạ: 48 ống - Bố trí lò carbin BÀI LÀM: Thuật toán chung để xác định nhiệt xạ lò đốt Tuy nhiên, với kiện đề cho, số liệu kết cấu hình học lò cho trước, ta tính trực tiếp hệ số trao đổi nhiệt lò đốt Kf từ bề mặt trao đổi nhiệt tổng lò lượng nhiệt bị hấp thụ SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí START Hyp Kf S∑ = Qf/Kf Chọn kiểu ống Bố trí ống Kết cấu hình học η, Q, εA, ART, A l, P, l.P, TA Hyp Tg εf, A∑, A = εA.ART, AR AR/A => F, F.A, Q/F.A =>Tpf Xác định Tg’ No No Tg' Tg 20 Yes Kf K ' f K 'f 5% Hg, Hc, R, R.Q/S∑ = Kf’ Yes Print SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Các bước giả thiết Kf chọn kết cấu hình học lò tính dựa liệu có sẵn Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lò: S N L. D 48.20.3,14.0,168 506,42(m ) Trong đó: N số ống trao đổi nhiệt L chiều dài ống (m) D đường kính ống Lượng nhiệt bị hấp thụ lò đốt: Q f G 1000.( H out H in ) 200.1000.(210 98) 224.105 (kcal / h) Suy lượng nhiệt tỏa trình đốt cháy nhiên liệu : 224.10 Q 280.10 (kcal / h) 0,8 Qf Hệ số trao đổi nhiệt tổng : K Qf S 224.10 44232,13(kcal.m 2 h 1 ) 506,42 (Giá trị nằm khoảng thông thường lưu chất dầu thô, nguyên nhân việc chọn kết cấu hình học chưa đúng.) Tính hệ số hấp thụ dãy ống : Lập tỷ lệ C/D : C 0,305 1,82 D 0,168 Từ đó, ta tra tỷ lệ bề mặt hấp thụ nhiệt thực tế bề mặt vật đen (εA) dựa vào tỷ lệ C/D đường lớp ống trước thành đồ thị : εA = 0,9 Xác định bề mặt tường lò bị che chắn ống ART : ART N L.C (48 4).20.0,305 268,4(m ) (4 ống hàng tiếp xúc với vùng đối lưu không che chắn tường) Suy diện tích bề mặt vật đen : A = εA.ART = 0,9.268,4 = 241,56 (m2) Xác định tích số P.l : Chọn chiều dày xạ hiệu l theo tỷ lệ kích thước lò : Tỷ lệ kích thước lò : 3800 : 7000 : 20000 : : SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Vậy, l = 1,3 lần kích thước nhỏ = 1,3.3,8 = 4,94 (m) Tổng áp suất riêng phần CO2 H2O : P = 0,25 (atm) Vậy, tích số P.l = 1,235 (atm.m) Giả sử nhiệt độ khí cháy Tg 700oC Tính nhiệt độ vỏ ống TA : TA = Tfluid + 25oC = 325 + 25 = 350oC Tra hệ số phát xạ thô khí cháy εf dựa vào tích số P.l nhiệt độ TA, Tg : εf = 0,6 Xác định diện tích tổng lò : - Diện tích tường có lắp ống : ART = 268,4 (m2) - Diện tích lò: An = 3,8.20 = 76 (m2) - Diện tích phần đầu hồi không lắp ống: Adh = 2.(4,9.3,8+(1,4+3,8).2,1/2) = 48,16 (m2) Vậy, diện tích tổng lò: A∑ = 268,4 + 76 + 48,16 = 392,56 (m2) Bề mặt tường chịu nhiệt không lắp ống: AR = A∑ - εA.ART =392,56 – 241,56 = 151 (m2) Xác định hệ số trao đổi nhiệt tổng F: Ta có: AR/A = 151/241,56 = 0,625 Tính hệ số trao đổi nhiệt tổng theo công thức sau: F A A A AR 1 f 1 1 0,9 0,625 0,6 0,657 Suy ra: F.A = 158,78 (m2) Và Q/F.A = 176343,6 (kcal.m-2.h-1) Xác định nhiệt độ giả lửa Tpf: Dựa vào liệu nhiên liệu, không khí khói thải tính 2, ta tính Tpf: - Nhiệt lượng không khí mang vào: Qair = Vair.dair.Cpair.(t – to) - Nhiệt lượng nhiên liệu mang vào: Qcarb = Vcarb.dcarb.Cpcarb.(t – to) - Nhiệt lượng trình đốt cháy: Qcomb Kết tính toán sau: Qair = 1451,78.1,199.0,24.(20 – 0) = 8355,28 (kcal/h) Qcarb = 100.0,933.0,5.(20 – 0) = 933 (kcal/h) SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 10 Bài tập Thiết bị dầu khí - Cấu tử khóa nhẹ (Light Key) : Propylene - Cấu tử khóa nặng (Heavy Key): i-Butane GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Dựa theo điều kiện ràng buộc đề bài, nhiệt độ đáy tháp nhỏ 105oC (mục đích để hạn chế trình polymer hóa oligomer hóa olefin tạo cặn tháp), ta xác định nhiệt độ đáy tháp, sau dự đoán tổn thất áp suất tháp ước lượng nhiệt độ bình hồi lưu Xác định áp suất đáy tháp: Chấp nhận trình phân tách lý tưởng, hỗn hợp sản phẩm đáy coi hỗn hợp gồm iC4 cấu tử nặng Chọn nhiệt độ sản phẩm đáy 102oC, ta xác định áp suất đáy 17,35 kg/cm2.g Xác định áp suất bình hồi lưu: Áp suất bình hồi lưu áp suất đáy tháp trừ tổn thất áp suất qua tháp qua thiết bị ngưng tụ Giả sử tháp có 20 đĩa, trở lực qua đĩa 10 mbar (thực tế từ – 15 mbar), trở lực qua thiết bị ngưng tụ 0,4 bar (thực tế 0,2 – 0,6 bar) Ta xác định áp suất bình hồi lưu 16,75 bars Từ đó, ta xác định lại nhiệt độ bình hồi lưu 41,11oC Thực tế, nhiệt độ phụ thuộc vào chất lưu lượng lưu làm lạnh Với giá trị nhiệt độ này, trình làm lạnh dùng chất tải lạnh nước hay không khí 1.2 Tính toán Short-cut: Mục đích: Xác định cân vật chất tháp; xác định giá trị số đĩa lý thuyết số hồi lưu thích hợp, từ dự đoán vị trí đĩa nạp liệu Sử dụng kết nhiệt độ áp suất bình hồi lưu đáy tính để tính toán Short-cut Kết tính toán Short-cut sau: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 14 Bài tập Thiết bị dầu khí SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Page 15 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm - Tỷ số hồi lưu tối thiểu: 1,674 - Số đĩa lý thuyết tối thiểu: 13,21 - Vị trí đĩa nạp liệu gợi ý tương ứng với R/Rfmin = 1,5 – 2,5 sau: Một tháp chưng cất muốn hoạt động phải có số đĩa tỷ số hồi lưu lớn giá trị tối thiểu Ở đây, ta chọn tỷ số hồi lưu thích hợp lần giá trị tối thiểu, tương ứng với số đĩa lý thuyết thích hợp 20 đĩa, nạp liệu đĩa số 1.3 Xây dựng sơ đồ phân xưởng: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 16 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Phân xưởng gồm thiết bị sau đây: - Một thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ nâng nhiệt độ hỗn hợp đến trạng thái điểm sôi - Một valve giảm áp, để giảm áp cho nguyên liệu trước vào tháp - Tháp chưng cất: phân tách sản phẩm 1.4 Mô tháp chưng cất với số đĩa tỷ số hồi lưu thích hợp: Thiết bị trao đổi nhiệt: - Nguyên liệu vào nhiệt độ 40oC áp suất 18 kg/cm2.g - Tổn thất áp suất dòng lạnh (dòng công nghệ - ống): 0,1 kg/cm2 - Nhiệt độ dòng công nghệ khỏi thiết bị trao đổi nhiệt: 74,5oC (điểm sôi) Valve giảm áp: - Áp suất đầu valve áp suất vào đĩa nạp liệu tháp (đĩa nạp liệu đĩa số theo phương pháp short-cut tính trên) Tháp chưng cất: - Số đĩa lý thuyết: 20 (cả Condenser Reboiler) - Áp suất Condenser: 16,75 kg/cm2.g - Áp suất đỉnh tháp: 16,75 + 0,4 = 17,15 kg/cm2.g - Tổn thất áp suất đĩa: 0,01 kg/cm2 - Đĩa nạp liệu: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 17 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm - Ước lượng suất SP đỉnh (xem toàn phân đoạn C3-): 26760 kmol/hr - Tiêu chuẩn: Hiệu suất thu hồi C3= 99% ; hiệu suất thu hồi C4 sản phẩm đáy 99% Kết mô tháp chưng cất: - Lưu lượng thành phần sản phẩm đỉnh: - Lưu lượng thành phần sản phẩm đáy: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 18 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm - Nhiệt độ Condenser Reboiler tương ứng là: 41,6oC 101,2oC, nhiệt độ Reboiler thấp so với điều kiện ràng buộc 105oC nên thích hợp - Lưu lượng lỏng đĩa công suất condenser Reboiler thể bảng sau Ta thấy lưu lượng mol lỏng vùng không đổi đĩa, đặc tính hydrocacbon ẩn nhiệt hóa tính theo mol gần tương đương SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 19 Bài tập Thiết bị dầu khí 1.5 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Tối ưu hóa đĩa nạp liêu: Sử dụng công cụ Optimizer, tối ưu hóa đĩa nạp liệu với hàm mục tiêu công suất nhỏ Reboiler Kết thu ta có bảng sau: SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 20 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Nhận xét: - Nhiệt độ Condenser cao so với giá trị giả thiết ban đầu (41,11oC) giá trị chênh lệch nhỏ, chứng tỏ trình tách không hoàn toàn lý tưởng, cấu tử nặng C3- bị lẫn vào sản phẩm đỉnh - Tương tự, nhiệt độ Reboiler thấp so với giá trị giả thiết (102oC) chênh lệch không nhiều, chứng tỏ cấu tử nhẹ iC4 bị lẫn sản phẩm đáy - Như vậy, kết mô điều kiện làm việc tháp SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 21 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Tính toán thiết kế chi tiết thiết bi trao đổi nhiệt tháp chưng cất 2.1 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt: Việc lựa chọn đường dòng lưu thể dựa nguyên tắc sau: - Dòng nguyên liệu có áp suất lớn (18 kg/cm2.g) ưu tiên ống việc chế tạo ống chịu áp suất lớn dễ dàng chế tạo vỏ thiết bị chịu áp suất lớn - Dòng nguyên liệu chứa tạp chất có tính ăn mòn (chứa H2S), dễ đóng cặn trình oligomer hóa polymer hóa olefin nguyên liệu, nên ưu tiên ống để dễ làm - Dòng nước có lưu lượng lớn nên ưu tiên ống Do đó, lựa chọn đường sau: - Dòng ống: dòng công nghệ tham chiếu từ dòng nguyên liệu nhập liệu trước - Dòng ống: dòng nước bão hòa áp suất thấp (3 kg/cm2.g) Lưu lượng dòng nước tính sau: F= Q E1 1,928.10 3707,7(kg / hr ) H vap 520,38 Trong đó: QE1 suất nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt E1 (lấy trên) ΔHvap ẩn nhiệt ngưng tụ nước (kcal/hr) - Nhiệt lượng: Chọn Fixed Duty, định nghĩa theo nhiệt lượng từ thiết bị trao đổi nhiệt E1 - Bề mặt Shell chọn 160 m2 Kết thiết kế sau: - Nhiệt độ nước khỏi thiết bị: 143,5oC - Nhiệt độ dòng công nghệ khỏi thiết bị: 74,6oC - Bề mặt trao đổi nhiệt đòi hỏi: 159 m2 - Bề mặt trao đổi nhiệt thực tế: 160 m2 (thích hợp) - Trở lực phía ống (Shell Side): 0,04 kg/cm2 - Trở lực ống (Tube Side): 0,08 kg/cm2 (nhỏ giá trị thiết kế ban đầu 0,1 kg/cm2) - Hệ số trao đổi nhiệt tổng: U = 143,7 (kcal.hr-1.m-2.oC-1) = 167 (W.m-2.oC-1) SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 22 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí 2.2 Thiết kế tháp chưng cất: Thiết kế Sizing: (tính kích thước dựa vào chế độ thủy lực tháp) - Trong công nghệ lọc dầu, thường dùng loại đĩa valve với ưu điểm hiệu phân tách tốt Ở đây, ta phân thành vùng thiết kế: từ đĩa đến đĩa (vùng luyện) từ đĩa đến 19 (vùng chưng) - Chọn hệ số “ngập lụt” (Floading Factor) 60%; hệ số nhỏ đường kính tháp tính lớn, thực tế giá trị hệ số nằm khoảng 30 85% - Số liệu mặc định: đường kính đĩa: 381 mm; khoảng cách đĩa: 609,6 mm Kết mô Sizing sau: - Số paths ống: paths - Đường kính valve: 47,625 mm Bề rộng ống chảy chuyền Đường kính ĐK quy ĐK quy thiết kế, mm chuẩn chuẩn Side, mm Center, mm 2-8 2860-2853 2743 2896 363,4-365,4 330,8-333,5 9-19 3246-3543 3505 3658 495,9-539,3 487,2-529 Đĩa - Số valve đĩa vùng luyện: 601 valve - Số valve đĩa vùng chưng: 857 valve - Tổn thất áp suất qua đĩa vùng luyện: mbars - Tổn thất áp suất qua đĩa vùng chưng: mbars Thiết kế Rating: - Đường kính tháp chọn: 2896 mm vùng luyện 3658 mm vùng chưng - Áp suất rơi đĩa: mbars - Downcomer backup (chiều cao lớp chất lỏng ống chảy chuyền tính so với khoảng cách đĩa): Min = 39,63% Max = 42,23% Giá trị nhỏ 50% nên hợp lý Nếu giá trị lớn tác động đến xáo trộn lỏng tháp, tốc độ chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền, ảnh hưởng đến hiệu sử dụng đĩa - Weir rate (vận tốc chất lỏng chảy vào ống chảy chuyền): Min (đĩa 2) = 15,06 (cm3.s-1.mm-1) Max (đĩa 19) = 22,63 (cm3.s-1.mm-1) SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 23 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí - DC Clear (chiều cao từ mép ống chảy chuyền đến mặt đĩa): 38,1 mm - Số valve đĩa vùng luyện: 602 valve - Số valve đĩa vùng chưng: 883 valve - Floading Factor: 68,6% - 65,3% (nhỏ giá trị Sizing 70%) 2.3 - Thiết kế thiết bị ngưng tụ không khí: Thiết bị làm việc với dòng lạnh không khí Trong trường hợp ngưng tụ không khí chênh lệch nhiệt độ dòng công nghệ vào dòng không khí khoảng 10 – 15oC, ta xem nhiệt độ vào không khí 30oC nhiệt độ khoảng 31,5oC (chênh lệch 13oC so với nhiệt độ vào dòng công nghệ 44,6oC) Lưu lượng không khí tính theo công thức sau: Qcond = M.Cp.(t2 – t1) Trong : M lưu lượng không khí dùng (kg/hr) Qcond suất nhiệt thiết bị ngưng tụ (kcal/hr) t2 t1 nhiệt độ dòng không khí vào - Thực tế nhiệt dung riêng không khí không thay đổi lớn theo nhiệt độ, ta mô dòng không khí với lưu lượng kg/hr, nhiệt độ 30oC áp suất kg/cm2, từ tìm nhiệt dung riêng không khí: Cp = 0,2397 kcal.kg-1.oC-1 SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 24 Bài tập Thiết bị dầu khí - GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Với suất nhiệt Condenser mô bước mô tháp, ta tính lưu lượng không khí theo công thức Qcond = -10,6235 (M.kcal/hr) → M = 29,55.106 (kg/hr) - Dòng công nghệ vào thiết bị ngưng tụ dòng từ đỉnh tháp (đĩa số 2) Để không ảnh hưởng đến trình mô tháp, ta add thêm dòng sản phẩm giả (Pseudoproducts), lấy từ đĩa số vào thiết bị ngưng tụ - Ta sử dụng loại thiết bị ngưng tụ không khí với loại ống có cánh để tăng bề mặt trao đổi nhiệt, dòng công nghệ ống, dòng không khí ống - Chọn tổn thất áp suất bên ống (dòng công nghệ): từ 0,2 – 0,4 kg/cm2 - Chọn số cánh cm: cánh/cm Số cánh cm lớn trở lực phía không khí lớn, ngược lại số cánh nhỏ bề mặt trao đổi nhiệt thấp, để đảm bảo hiệu trình trao đổi nhiệt số ống tăng lên, trở lực ống giảm lưu lượng hay vận tốc dòng qua ống giảm Thông số chọn để điều chỉnh tổn áp ống nằm phạm vi cho phép (0,2 – 0,4 kg/cm2) bề mặt trao đổi nhiệt thiết kế nhỏ bề mặt cần thiết - Năng suất nhiệt thiết bị ngưng tụ định nghĩa theo suất nhiệt thiết bị ngưng tụ mô phần tháp - Đặc điểm ống: khoảng cách ống theo chiều ngang (Transverse Pitch - hàng khác nhau) chọn 100 mm; khoảng cách ống theo chiều dọc (Longitudinal Pitch - hàng) chọn 100 mm Hai giá trị phải lớn tổng giá trị đường kính chiều cao cánh ống - Cách xếp ống: xen kẽ (Staggered), cách xếp có nhược điểm trở lực dòng không khí qua thiết bị lớn so với cách xếp theo hàng (In line) SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 25 Bài tập Thiết bị dầu khí GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Kết mô phỏng: - Tổn thất áp suất qua thiết bị dòng công nghệ: 0,369 kg/cm2 (nằm khoảng 0,2 – 0,4 kg/cm2 nên hợp lý) - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt đòi hỏi: 20999,8 m2 - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt tính toán: 20988,8 m2 (nhỏ bề mặt đòi hỏi 11 m2 nên chấp nhận được) - Nhiệt độ vào không khí là: 30 31,5oC - Nhiệt độ vào dòng công nghệ là: 44,6 41,6oC - Chênh lệch nhiệt độ dòng công nghệ vào dòng không khí ra: 13,1oC - Kích thước chùm ống: 5,25 x 12,19 - Số hàng ống: hàng - Số quạt: quạt - Đường kính quạt: 4,04 m - Công suất quạt: 43,29 kW - Cánh ống: bề dày: 0,43 mm; chiều cao: 15,875 mm - Chiều dài ống: 12,19 m SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 26 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí 2.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp: Dữ liệu: - Sử dụng loại thiết bị Kettle: dòng công nghệ 100% dòng lỏng từ đĩa số 19 vào Reboiler, thuộc không gian ống - Dòng nước cung cấp nhiệt có áp suất tuyệt đối kg/cm2 ống - Công suất nhiệt Reboiler mô phần mô tháp chưng cất Công suất nhiệt 10,8857 MKcal/hr Do đó, công suất nhiệt định nghĩa theo công suất này, phương thức tính toán chọn Fixed Duty - Tính tương tự phần mô thiết bị trao đổi nhiệt, ẩn nhiệt ngưng tụ dòng nước áp suất kg/cm2 520 kcal/kg Từ đó, ta tính lưu lượng nước dùng: F 10,8857.10 20934(kg / hr ) 520 SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy Page 27 GVHD : Dr Nguyễn Đình Lâm Bài tập Thiết bị dầu khí Kết mô phỏng: - Tổn thất áp suất ống: 0,21 kg/cm2 - Tổn thất áp suất dòng công nghệ ống: 0,02 kg/cm2 - Bề mặt trao đổi nhiệt đòi hỏi: 323 m2 - Bề mặt trao đổi nhiệt thực tế: 340 m2 - Nhiệt độ nước vào: 143,6oC - Nhiệt độ nước ra: 141,89oC - Nhiệt độ dòng công nghệ ra: 101,16oC - Số ống trao đổi nhiệt: 948 ống - Ống trao đổi nhiệt: đường kính 19,05 mm; bề dày 2,108 mm - Đường kính Shell: 1000 mm - Đường kính chùm ống (Bundle): 909,1 mm - Một số kết khác bảng sau: Number of Shells in Series(User Input) Number of Shells in Parallel(User Input) Number of Tube Passes per Shell(User Input) Duty LMTD LMTD Correction factor (Ft) U Value with Fouling U Value without Fouling Exchanger Area Tube Bundle Weight Empty Shell Weight Tube Side product temperature Tube Side pressure drop per shell Tube Side Feed Pressure Tube Side Product Pressure Shell Side Product Temperature Shell Side Pressure Drop per Shell Shell Side Feed Pressure Shell Side Product Pressure Area per shell SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Duy Huy 1 kcal / hr C kcal/hr-m2-K kcal/hr-m2-K m2 kg kg C kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 C kg/cm2 kg/cm2 kg/cm2 m2 10885764,7 42,2 1,0 798,0 3150,1 323,1 8255,3 13168,3 141,9 0,2 4,0 3,8 101,2 0,02 18,4 18,3 340,0 Page 28