Bài tập thiết bị dầu khí

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

BÀI TẬP 1 : (VALVE)

Tính toán và chọn valve cho hệ thống bơm nước với các dữ kiện như sau :

- Áp suất rơi của toàn hệ thống : ΔP∑ = 150 psia

- Lưu lượng bơm : Qmax = 150 gpm (gallon per minute)

Qop = 110 gpm

Qmin = 25 gpm

- Lưu chất bơm là nước với nhiệt độ 70oF và dH2O = 1 g/ml

Trình tự giải bài toán như sau:

 Bước 1: Xác định các thông số của hệ gồm: các thong số của lưu chất, lưu lượng thiết kế, lưu lượng hoạt động, lưu lượng tối thiếu, tối đa, áp suất rơi của hệ thống

 Bước 2: Xác định trở lực cho phép của valve:

Giá trị này phụ thuộc vào hệ thống bơm, và thông thường, trở lực tối đa cho phép của valve lấy từ 15-25% trở lực của toàn hệ thống

ΔPvalve = 0,15.150 = 22,5 psi

 Bước 3 : Tính toán các đặc trưng của valve

Xác định hệ số tốc độ dòng của valve theo công thức :

P

G Q

C V



 Trong đó : G là tỷ trọng chuẩn so với nước ở 15o

C

Q là lưu lượng thiết kế

ΔP là trở lực cho phép của valve

Lần lượt tính các giá trị CVmax, CVmin, CVop :

19 23 5 , 22

1 110

27 5 5 , 22

1 25

62 , 31 5 , 22

1 150

min max

C C C

Từ giá trị Cvmax = 31,62 và bảng tài liệu do hãng sản xuất valve cung cấp bên dưới ta sẽ chọn van 3 có đường kính 63.5 mm có độ mở khoảng 80 ÷ 90%

Độ mở của valve ứng với Cvmin = 5,27 khoảng 20% > 10% (thỏa mãn)

Xác định đường kính ống dẫn:

Dựa vào bảng II.2 trang 371 STQTTB tập 1 chọn ω = 1.5 (m/s) từ đó tính đường kính của ống dẫn theo công thức:

) ( 90 ) ( 09 , 0 5 , 1 785 , 0

00947 , 0

785 ,

Q

Với lưu lượng Qmax tính bằng m3/s: Qmax = 150 gpm = 0,00947 m3/s (1m3 264 gallon) Đường kính của valve lớn hơn ½ đường kính ống dẫn (phù hợp)

 Bước 4 : Kiểm tra sự bổ trợ (Gain) thông qua lưu lượng sử dụng

Stroke

Flow

=Gain





4,11080

25-110

=



280100

110-150

2

G G

G G

(thỏa mãn)

BÀI TẬP 2 : (LÒ ĐỐT)

Nghiên cứu quá trình đốt cháy nhiên liệu khí (trên lưu lượng cơ sở là 100Nm3) trong

lò đốt với thành phần của nhiên liệu được cho như sau (%vol) :

Không khí được sử dụng cho quá trình đốt cháy có nhiệt độ 20o

C và độ ẩm tương đối 80%, hệ số dư lượng không khí là 20%

Nhiệt trị cháy thấp của nhiên liệu khí này là 11050 kcal.(Nm3)-1, khối lượng riêng là 0,933 kg.(Nm3)-1 Ở nhiệt độ lân cận nhiệt độ khí quyển, nhiệt dung riêng Cp của không khí và khí nhiên liệu lần lượt là 0,24 kcal.kg-1.oC-1 và 0,5 kcal.kg-1.oC-1

1, Xác định lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình đốt cháy nói trên

2, Thành phần của khói thải

3, Kiểm tra lại hệ số dư lượng không khí theo thành phần khói thải vừa xác định

4, Khối lượng riêng của khói thải

5, Lưu lượng của khói thải khí đốt cháy 1 m3

khí nhiên liệu và 1 kg khí nhiên liệu Cho biết nhiệt dung riêng của khói từ 0 đến toC tính theo công thức sau :

Theo đề và theo phương trình cháy, ta tính được lượng O2 cần thiết cho quá 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 là hỗn hợp gồm 21,9% O2 và 78,1% N2, với áp suất 1 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 20o

C, áp suất hơi bão hòa của nước bằng 0,0238 atm (tra ở bảng I250, Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ Hóa chất, tập 1) Không khí có độ ẩm tương đối bằng 80%, tức là áp suất của hơi nước trong không khí bằng:

PH2O = 80%.0,0238 = 0,01904 (atm) Suy ra phần trăm hơi nước trong không khí bằng 1,904%, và lượng hơi nước có trong không khí đã dùng bằng:

GH2O = 1,904%.1424,66 = 27,125 (Nm3)

2, Lượng O2 có trong không khí thực: GO2 = 1424,66 21,9% = 312 (Nm3)

Cân bằng nhiên liệu và sản phẩm cháy được tính theo bảng sau:

3, Kiểm tra lại hệ số dư lượng không khí:

%3,21

%100.31,3.76,379,70

31,3.76,3)

.(%

76,3)(%

).(%

76,3

2 2

O e

4, Khối lượng riêng của khói thải:

Khối lượng của nhiên liệu: Mcarb = 0,933.100 = 93,3 (Nkg)

Khối lượng của không khí: Mair = (1424,66 + 27,125).1,199 = 1740,69 (Nkg)

Với khối lượng riêng của không khí ẩm ở nhiệt độ 20oC và áp suất 760 mmHg được tra trong bảng I.10, Sổ tay quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất, Tập 1, trang 15:

ρair = 1,199 (kg/m3) Khối lượng của 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 của khói thải: ρfumes = 

8,1571

99,1833

1,167 (Nkg/Nm3)

5, Lưu lượng khói thải khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu: 16,85

3,93

8,1571

 (Nm3/Nm3 carb)

6, Cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cháy trong lò đốt:

Vào: Qin = Qcarb + Qair + Qcháy

- Nhiệt lượng của nhiên liệu vào: Qcarb = Mcarb.Cpcarb (20 – to)

- Nhiệt lượng của không khí vào: Qair = Mair.Cpair.(20 – to)

- Nhiệt lượng tạo ra do quá trình cháy (nhiệt trị cháy thấp): Qcháy = 11050.Fcarb Ra:

- Nhiệt lượng do sản phẩm cháy mang ra: Qout = Mfumes.Cp(t).(t – to)

Với to = 0oC, t = tF là nhiệt độ cháy lý thuyết (xem quá trình cháy là quá trình đoạn nhiệt) Cân bằng nhiệt lượng được viết như sau: Qin = Qout

f t

t

).10010

5,4258,0(99,1833100

1105020

24,069,174020

5,0

3

,

 473,17.t f 0,08253.t2f 1114288,30

Giải phương trình trên, ta được: tf = 1793,7oC

7, Nếu xem quá trình cháy là đoạn nhiệt, nhiệt lượng tổng cộng của hệ:

Q = 93,3.0,5.20+ 1740,69.0,24.20 + 1105000 = 1114288.3 (kcal)

Nhiệt lượng của khói thải mang ra chiếm 18,5%, tức là:

Qfumes (out) = 1114288,3.18,5% = 206143.33 (kcal)

Tính nhiệt độ của khói thải mang ra:

C t

t t

o

8 406

206143.33 ).

100 10 5 , 4 258 , 0 (

99 ,

8, Ý nghĩa của việc thực hiện bài tập này:

Đây là một vấn đề chi tiết trong quá trình tính toán cân bằng nhiệt của lò đốt, tính lưu lượng không khí cần thiết, nhiệt độ của khói thải,… do đó, bài tập này hướng dẫn cụ thể cách thức tính toán và tra các thông số cần thiết về nhiên liệu, không khí, khói thải,… từ đó chuẩn bị cho việc tính toán thiết kế lò đốt trong nhà máy

BÀI TẬP 3: (LÒ ĐỐT)

Tính toán vùng bức xạ của lò đốt phục vụ tháp DA xử lý dầu thô Arabe nhẹ, với các

dữ kiện sau:

- Lưu lượng F = 200 tấn/h

- Nhiệt độ nguyên liệu vào lò: Tin = 190oC

- Nhiệt độ nguyên liệu ra khỏi lò: Tout = 325oC

- Áp suất dòng nguyên liệu ra khỏi lò: Pout = 2 bars

- Độ bốc hơi của nguyên liệu ra khỏi lò: %Vapout = 45%

- Nguyên liệu vào ở trạng thái lỏng hoàn toàn

- Enthalpie của nguyên liệu vào: Hin = 98 kcal/kg

- Enthalpie của nguyên liệu ra: Hout = 210 kcal/kg

- Lượng nhiệt bị hấp thụ trong lò đốt: Qf = 200.103.(210-98) (kcal)

- Lò được thiết kế với hiệu suất 80%

- Hệ số dư lượng không khí: 20%

- Tổng áp suất riêng phần của CO2 và H2O trong khói thải: 0,25 atm

- Chọn ống bằng thép carbon, có các thông số như sau:

 Đường kính ngoài của ống: D = 0,168 (m)

Thuật toán chung để xác định nhiệt bức xạ

trong lò đốt như dưới đây Tuy nhiên, với các dữ

kiện đề bài đã cho, các số liệu về kết cấu hình học

của lò đã được cho trước, do đó ta có thể tính

được trực tiếp hệ số trao đổi nhiệt của lò đốt Kf từ

bề mặt trao đổi nhiệt tổng của lò và lượng nhiệt bị

hấp thụ

K K

Print

No

Các bước giả thiết Kf và chọn kết cấu hình học của lò được tính dựa trên dữ liệu đã có sẵn

1 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của lò:

) ( 42 , 506 168 , 0 14 , 3 20 48

1000.200).(

,0

10

h kcal

10

305,0





D C

Từ đó, ta tra được tỷ lệ giữa bề mặt hấp thụ nhiệt thực tế và bề mặt vật đen (εA) dựa vào tỷ lệ C/D và đường 1 lớp ống trước thành trên đồ thị : εA = 0,9

3 Xác định bề mặt tường trong của lò bị che chắn bởi các ống ART :

) ( 4 , 268 305 , 0 20 ).

4 48 (

N

(4 ống hàng trên tiếp xúc với vùng đối lưu không che chắn tường)

Suy ra diện tích bề mặt vật đen : A = εA.ART = 0,9.268,4 = 241,56 (m2)

4 Xác định tích số P.l :

Chọn chiều dày bức xạ hiệu quả l theo tỷ lệ kích thước lò :

Tỷ lệ kích thước lò : 3800 : 7000 : 20000  1 : 2 : 5

Vậy, diện tích tổng của lò: A∑ = 268,4 + 76 + 48,16 = 392,56 (m2)

Bề mặt tường chịu nhiệt không lắp ống:

1.625,01

19

,01

11

1.1

A A A A F





Suy ra: F.A = 158,78 (m2)

Và Q/F.A = 176343,6 (kcal.m-2.h-1)

8 Xác định nhiệt độ giả ngọn lửa Tpf:

Dựa vào các dữ liệu về nhiên liệu, không khí và khói thải đã tính ở bài 2, ta tính được Tpf:

- Nhiệt lượng do không khí mang vào: Qair = Vair.dair.Cpair.(t – to)

- Nhiệt lượng do nhiên liệu mang vào: Qcarb = Vcarb.dcarb.Cpcarb.(t – to)

- Nhiệt lượng do quá trình đốt cháy: Qcomb

Kết quả tính toán như 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)

Qcomb = 11050.100 = 1105000 (kcal/h)

Qin = Qair + Qcarb + Qcomb = 1114288 (kcal/h)

Nhiệt dung riêng của khói thải ở nhiệt độ Tg bằng 700oC:

Cp = 0,258 + 4,6.10-5.700 = 0,2902 (kcal/kg.oC)

Nhiệt lượng do khói thải mang ra: Qout = Mkh.Cp.Tpf

Cân bằng nhiệt lượng, ta tính được Tpf:

C

99,1833.2902,0

1114288 



9 Tra lại Tg trên đồ thị theo nhiệt độ TA và tỷ số Q/F.A, ta có: Tg’ = 710o

C Giá trị này chênh lệch 10oC so với giá trị giả thiết ban đầu nên chấp nhận được

10 Xác định nhiệt hấp thụ trong vùng bức xạ:

- Xác định enthalpie của khói cháy:

Hg = Mkh.Cp.Tg = 1833,99.(0,258 + 4,5.10-5.710).710 = 377553,4 (kcal/h)

- Nhiệt cháy của nhiên liệu: Hc = 1105000 (kcal/h)

- Phần nhiệt lượng bị hấp thụ:

6583,01105000

4,377553

H H

R

Suy ra: R.Q = 0,6583.280.105 = 18433035 (kcal/h)

Tính lại hệ số Kf’:

) (77,3639842

,506

K f

Giá trị Kf’ tính toán nằm trong khoảng giá trị kinh nghiệm đối với nguyên liệu là dầu thô trong phân xưởng chưng cất khí quyển CDU: 20000 – 40000 (kcal.m-2

.h-1) Tuy nhiên, sai số giữa Kf’ và Kf quá lớn, do vậy, việc chọn kết cấu hình học (số ống, đường kính ống, chiều dài ống, …) theo đề bài là chưa hợp lý, cần phải chọn lại

BÀI TẬP TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

Đề bài: Thiết kế phân xưởng chưng cất tách phân đoạn C3 ra khỏi phân đoạn khí thu được từ quá trình FCC

A Thành phần, tính chất của nguyên liệu:

- Hiệu suất thu hồi C3= là 99%

- Hiệu suất thu hồi C4 ở sản phẩm đáy là 99%

Bài giải:

1 Xây dựng tháp chưng cất:

1.1 Xác định áp suất lam việc của tháp

1.2 Tính toán shortcut

1.3 Xác định số đĩa tương ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp

1.4 Xây dựng sơ đồ phân xưởng

1.5 Mô phỏng tháp với số đĩa tương ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp

1.6 Tối ưu hóa điểm nạp liệu

2 Xây dựng sơ đồ công nghệ của phân xưởng

3 Tính toán thiết kế chi tiết các thiết bi trao đổi nhiệt và tháp chưng cất

4 Trích xuất số liệu mô phỏng

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH NHƯ SAU :

1 Xây dựng tháp chưng cất :

1.1 Xác định áp suất làm việc của tháp :

Có thể xác định áp suất làm việc của tháp tại 2 vị trí : bình hồi lưu và đáy tháp Tại mỗi vị trí, thành phần của mỗi cấu tử trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy được dự đoán và coi là quá trình phân tách lý tưởng

Từ điều kiện ràng buộc về tiêu chuẩn, ta xác định được :

- Cấu tử khóa nhẹ (Light Key) : Propylene

- Cấu tử khóa nặng (Heavy Key): i-Butane

Dựa theo điều kiện ràng buộc của đề bài, nhiệt độ đáy tháp nhỏ hơn 105oC (mục đích để hạn chế quá trình polymer hóa hoặc oligomer hóa các olefin tạo cặn trong tháp), ta xác định nhiệt độ đáy tháp, sau đó dự đoán tổn thất áp suất của tháp và ước lượng nhiệt độ tại bình hồi lưu

 Xác định áp suất tại bình hồi lưu:

Áp suất tại bình hồi lưu bằng áp suất tại đáy tháp trừ đi tổn thất áp suất qua tháp

và qua thiết bị ngưng tụ

Giả sử tháp có 20 đĩa, và trở lực qua mỗi đĩa là 10 mbar (thực tế từ 6 – 15 mbar), trở lực qua thiết bị ngưng tụ là 0,4 bar (thực tế là 0,2 – 0,6 bar) Ta xác định được áp suất tại bình hồi lưu là 16,75 bars

Từ đó, ta xác định lại nhiệt độ của bình hồi lưu là 41,11oC Thực tế, nhiệt độ này phụ thuộc vào bản chất và lưu lượng của lưu thế làm lạnh Với giá trị nhiệt độ này, quá trình làm lạnh có thể dùng chất tải lạnh là nước hay không khí

1.2 Tính toán Short-cut:

Mục đích: Xác định cân bằng vật chất của tháp; xác định giá trị số đĩa lý thuyết

và chỉ số hồi lưu thích hợp, từ đó dự đoán được vị trí đĩa nạp liệu

Sử dụng kết quả nhiệt độ và áp suất tại bình hồi lưu và đáy tính được ở trên để tính toán Short-cut

Kết quả tính toán Short-cut như sau:

- Tỷ số hồi lưu tối thiểu: 1,674

- Số đĩa lý thuyết tối thiểu: 13,21

- Vị trí đĩa nạp liệu được gợi ý tương ứng với R/Rfmin = 1,5 – 2,5 như sau:

Một tháp chưng cất muốn hoạt động được phải có số đĩa và tỷ số hồi lưu lớn hơn giá trị tối thiểu Ở đây, ta chọn tỷ số hồi lưu thích hợp bằng 2 lần giá trị tối thiểu, tương ứng với số đĩa lý thuyết thích hợp là 20 đĩa, nạp liệu tại đĩa số 9

1.3 Xây dựng sơ đồ phân xưởng:

Phân xưởng gồm các thiết bị sau đây:

- Một thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ nâng nhiệt độ của hỗn hợp đến trạng thái điểm sôi

- Một valve giảm áp, để giảm áp cho nguyên liệu trước khi vào tháp

- Tháp chưng cất: phân tách sản phẩm

1.4 Mô phỏng tháp chưng cất với số đĩa và tỷ số hồi lưu thích hợp:

 Thiết bị trao đổi nhiệt:

- Nguyên liệu vào ở nhiệt độ 40oC và áp suất 18 kg/cm2.g

- Tổn thất áp suất trong dòng lạnh (dòng công nghệ - trong ống): 0,1 kg/cm2

- Nhiệt độ của dòng công nghệ ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt: 74,5oC (điểm sôi)

 Valve giảm áp:

- Áp suất tại đầu ra của valve bằng áp suất vào đĩa nạp liệu của tháp (đĩa nạp liệu

là đĩa số 9 theo phương pháp short-cut đã tính ở trên)

- Ước lượng năng suất SP đỉnh (xem toàn bộ phân đoạn C3

- Nhiệt độ Condenser và Reboiler tương ứng là: 41,6oC và 101,2oC, nhiệt độ của Reboiler thấp hơn so với điều kiện ràng buộc là 105oC nên thích hợp

- Lưu lượng lỏng hơi trên mỗi đĩa cũng như công suất của condenser và Reboiler được thể hiện trong bảng sau Ta thấy lưu lượng mol lỏng hơi trong mỗi vùng hầu như không đổi giữa các đĩa, vì một đặc tính của hydrocacbon là ẩn nhiệt hóa hơi tính theo mol gần tương đương nhau

1.5 Tối ưu hóa đĩa nạp liêu:

Sử dụng công cụ Optimizer, tối ưu hóa đĩa nạp liệu với hàm mục tiêu là công suất nhỏ nhất của Reboiler Kết quả thu được ta có bảng sau:

- Như vậy, kết quả mô phỏng điều kiện làm việc của tháp là đúng

2 Tính toán thiết kế chi tiết các thiết bi trao đổi nhiệt và tháp chưng cất

2.1 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:

Việc lựa chọn đường đi của các dòng lưu thể dựa trên các nguyên tắc sau:

- Dòng nguyên liệu có áp suất lớn (18 kg/cm2.g) ưu tiên đi trong ống vì việc chế tạo ống chịu áp suất lớn dễ dàng hơn chế tạo vỏ thiết bị chịu áp suất lớn

- Dòng nguyên liệu có thể chứa tạp chất và có tính ăn mòn (chứa H2S), dễ đóng cặn do quá trình oligomer hóa và polymer hóa các olefin trong nguyên liệu, nên ưu tiên đi trong ống để dễ làm sạch

- Dòng hơi nước có lưu lượng lớn nên ưu tiên đi ngoài ống

Do đó, lựa chọn đường đi như sau:

- Dòng trong ống: dòng công nghệ được tham chiếu từ dòng nguyên liệu đã nhập

10 928 ,

1

hr kg H

Q

vap



Trong đó: QE1 là năng suất nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt E1 (lấy ở trên)

ΔHvap là ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi nước (kcal/hr)

- Nhiệt lượng: Chọn Fixed Duty, và định nghĩa theo nhiệt lượng từ thiết bị trao đổi nhiệt E1

- Bề mặt Shell được chọn là 160 m2

 Kết quả thiết kế như sau:

- Nhiệt độ hơi nước ra khỏi thiết bị: 143,5oC

- Nhiệt độ dòng công nghệ ra 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 ngoài ống (Shell Side): 0,04 kg/cm2

- Trở lực trong ống (Tube Side): 0,08 kg/cm2 (nhỏ hơn giá trị thiết kế ban đầu là 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)