Bài tập thiết bị dầu khí nhóm

Bài 1: Tính toán và lựa chọn van điều khiển áp dụng cho hệ thống bơm nước qua một hệthống đường ống với tổng trở lực là 150 psi với các số liệu sau: - Nhiệt độ của nước là 70°F.. Xây dựn

Bài 1: Tính toán và lựa chọn van điều khiển áp dụng cho hệ thống bơm nước qua một hệ

thống đường ống với tổng trở lực là 150 psi với các số liệu sau:

- Nhiệt độ của nước là 70°F

- Lưu lượng thiết kế tối đa: 150 gpm,

- Lưu lượng vận hành: 110 gpm,

- Lưu lượng tối thiểu: 25 gpm Đường kính ống là 3 inch Tỷ trọng của nước ở 70°F là 1

Bài Làm:

Các bước tính toán và chọn Van

 Bước 1 : Xác định hệ thống

Nhiệt độ của nước là 70°F

Lưu lượng thiết kế tối đa: 150 gpm,

Lưu lượng vận hành: 110 gpm,

Lưu lượng tối thiểu: 25 gpm Đường kính ống là 3 inch Tỷ trọng của nước ở 70°F là 1

 Bước 2 : Xác định trở lực cho phép qua van (∆Pmax)

Thường trở lực của van được tính toán khoảng 15 – 25% tổng trở lực trong hệ thống (0.7-1.7 bar)

      Psi

 Bước 3 : Tính toán các đặc trưng của van

v

G

P

 



Q: Lưu lượng thiết kế

G: tỷ trọng chuẩn so với nước ∆P: trở lực cho phép

Từ đó ta tính được:

min min

1

22.5

v

G

P



max max

1

22.5

v

G

P



1

22.5

vop op

G

P



 Bước 4: Lựa chọn sơ bộ loại van

Từ giá trị Cvmax = 31.622 và Cvmin = 5.27 ta tính toán được ở trên, tra từ bảng số liệu từ nhà sản xuất ta chọn được van 3 (DN 50) với kích thước van là 2 inches, khi Cvmin thì độ mở khoảng 10-20%, độ mở khi Cvmax thì độ mở 80-90% (tránh sử dụng <10%, van sẽ dễ dàng điều khiển khi hoạt động trong phạm vi 10-80% độ mở của Van)

Mặc khác ta có kích thước van là 2 inches > 0.5x3 = 1.5 inches (1/2 đường kính ống)

(không chọn loại van có kích thước nhỏ hơn ½ đường kính ống)

 Bước 5 : Kiểm tra sự bổ trợ (Gain) thông qua lưu lượng sử dụng

Flow Gain

stroke







Lưu lượng (gpm) Độ mở (%)

Hiệu số lưu lượng(gpm)

Hệ số độ mở

Kiểm tra:

1 2

1 2

1.21 2

0.395 0.5

G G

(thỏa mãn)

Bài 2: Chứng minh công thức hệ số dư lượng không khí ( Excess Air )

2

3,76.(%O )

Ex Air( )

(% 3,76.%O )

N



 Giả thiết rằng trong không khí hàm lượng khí N2 là 79% và hàm lượng khí O2 là 21% Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu thì hàm lượng khí N2 là không thay đổi

Bài làm:

Gọi F là lượng không khí cần sử dụng để đốt cháy nhiên liệu (Nm3/h)

x là lượng không khí sử dụng dư (Nm3/h).

T là tổng lượng không khí cho vào lò đốt (Nm3/h)

T’ là lượng khói thải đi ra từ lò đốt (Nm3/h)

Ta có: Ex Air ( )

x

F



 x e F .

T    F x (1 e F).

Lượng N2 có trong khói thải: 0,79.T 0,79.(F x ) 0,79.(1 e F).

Lượng O2 có trong khói thải: 0,21.x0, 21 .Fe

Nồng độ N2 có trong khói thải: 2 '

0,79.(1 )

T





Nồng độ O2 có trong khói thải: 2 '

0,21

T



Ta có tỷ lệ sau:

' 2

2

'

0,79.(1 )

.100

3,76.( 1) 0,21

e F

e F

T





2

3,76.(% )

O e

 

Kết luận điều phải chứng minh:

2

3,76.(%O )

Ex Air( )

(% 3,76.%O )

N





Bài 3: Tính toán đặc trưng của quá trình đốt cháy 1Nm3 nhiên liệu là Refinery gas có thành phần như sau:

Quá trình đốt cháy nhiên liệu khí này sử dụng không khí ở 20 oC có độ ẩm 80% với hệ số

dư lượng không khí là 20%, Xác đinh:

1 Khối lượng riêng của nhiên liệu đã cho (Kg/Nm3)

2 Nhiệt trị cháy thấp của nhiên liệu (kcal/Nm3)

3 Xác định lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình đốt cháy nói trên.

4 Thành phần khói thải

5 Xác định nhiệt độ cháy lý thuyết Tf

6. Xác định nhiệt độ khói thải sau khi ra khỏi lò khi hiệu suất nhiệt của lò là 75%, mất mát nhiệt qua thành lò là 1.5%

Bài làm:

1/ Tính khối lượng riêng của hỗn hợp nhiên liệu

- Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp:

MTB = 0,1.2 + 0,5.16 + 0,35.30 +0,05.44 = 20,9 (kg/kmol)

- Vì điều kiện ở đề bài là điều kiện chuẩn (t=0oC, P = 1atm = 1.01325 bar) nên số mol của hỗn hợp khí được tính:

3

1

0.0446 22.4 22.4

n   

(kmol)

- Suy ra khối lượng của hỗn hợp khí là:

m = n.M = 0,0446.20,9 = 0,933 (kg)

Vậy khối lượng riêng của hỗn hợp khí là:

0,933

0.933 1

hh hh hh

m V

   

(kg/Nm3) 2/ Xác định nhiệt trị cháy thấp của nhiên liệu

Các phản ứng xảy ra trong quá trình đột hỗn hợp khí trên

1

(1) 2

7

2

Bảng giá trị LHV

LHV

Từ số mol ta tính được từ câu 1 thì ta có giá trị LHV của hỗn hợp là

LHV = (58200 4.464 192500 22.321 342000 15.625 485100 2.232) 10        3

10983.09 (Kcal/Nm3)

3/ Xác định lượng không khí cần dùng để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu khí trên

Các phản ứng xảy ra trong quá trình đốt cháy hỗn hợp khí trên

2 2 2

1

(1) 2

7

2

Theo đề và theo phương trình cháy, ta tính được lượng O2 cần thiết cho quá trình đốt cháy:

VO2 =1/2VH2 + 2VCH4 + 7/2VC2H6 + 5VC3H8

=1/2.0,1+ 2.0,5 + 7/2.0,35 + 5.0,05 = 2,525 (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:

Vkkcần = VO2.100/21,9 = 2,525 100/21,9 = 11,53 (Nm3)

- Không khí dùng dư 20% nên lượng không khí thực tế bằng:

Vkkthực = 1,2.11,53 = 13,836 (Nm3)

- Hàm ẩm (lượng hơi nước H2O/1kg không khí khô)

0,622

bh bh

P x









Ở 20oC, 1 atm thì Pbh = 0.0238 (atm)

0,8.0,0238

1 0,8.0,0238

- Lượng hơi nước tính trên 1m3 KKK:

x  x 

(m3 hơi nước/m3 KKK)

- Lượng không khí ẩm cần dùng:

Vkk ẩm = (1+x’).Vkkk = (1+0,0195).13,836 = 14,11 (Nm3)

4/ Thành phần khói thải

Cân bằng nhiên liệu và sản phảm cháy được tính trong bảng sau:

-C3H8 0,05 0,2 0,15 - -Thành phần không khí

Thành phần khói %vol 11,96 9,39 75,14 3,51

Thể tích O2 trong không khí: VO2 = 21,9/100.VKKK = 3,03 (m3)

Thể tích N2 trong không khí: VN2 = 78,1/100.VKKK = 10,806 (m3)

Thể tích H2O trong không khí: VH2O = 0,0195.VKKK = 0,27 (m3)

5/ Viết phương trình cân bằng nhiệt lượng của quá trình cháy và xác định nhiệt độ cháy lý thuyết Tf

Tính Cp của hỗn hợp nhiên liệu:

Tra dữ liệu tại: FLS Specific Heat Capacities of Gases ta được

 Cp∑ = ∑CPi =2.0417 (kj/kgK) = 0.49 (Kcal/kgK)

Cp kk = 0.24 (kj/kgK)

Cp khói =

3 0.258 4.5

0

10

1 0

t



 

(kcal/kgK)

Cân bằng nhiệt lượng lò đốt : Qin = Qout

 Qin = Qnl + Qair + Qconsum

Nhiệt lượng của nhiên liệu vào: Qnl = Mnl.Cpnl(20-to)

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

Nhiệt lượng tạo ra đó quá trình cháy: Qchay = 1098.24Fnl

 Qout = Mkh.Cp(t).(t-to) trong đó Mkh = Mnl + Mkk = 0.933 + 1.199x14.773 = 18.645 Với khối lượng riêng của không khí tra ở sổ tay là 1.199 kg/m3

Với to =0, t = tF là nhiệt độ cháy lý thuyết

Từ đó ta có phương trình:

0.933x0.49x20 + 14.773x0.24x20 + 10983.09x1 = 18.645x(0.258+4.5x10-3xTf/100)xTf

Giải phương trình ta được Tf = 1759.72 oC

6/ Tính nhiệt độ của khói thải khi hiệu suất lò 75% và mất mát qua thành lò là 1.5%

Từ dữ kiện đề cho dễ dàng tính được phần trăm nhiệt lượng của khói mang ra là:

%Qkh = 100% - 75% - 1.5% = 23.5%

Như vậy ta có thể tính được nhiệt lượng do khói thải mang ra là

Qkh = %QkhxQin = 23.5%x11063.14 = 2599.83 (kcal)

Mà Qkh = Mkh.Cp(t).(t-to)

Từ đó ta có 2599.83 = Mkh.Cp(t).(t-to) = 14.773x(0.258 + 4.5x10-3/100xTf)xTf

Giải phương trình ta được Tf = 615.94 oC

Bài 5: Thiết kế một phân xưởng chưng cất để tách Propane ra khỏi hỗn hợp khí thu được

từ phân xưởng FCC có thành phần (%mol) như sau:

Lưu lượng F: 100 000 tấn/năm

Áp suất P: 1,2 bar

Nhiệt độ T: 45oC (nhiệt độ khí quyển)

Biện luận và xây dựng sơ đồ của phân xưởng để thu hồi 98% C3 tổng ở đỉnh và 95% C4

tổng ở đáy Chú ý: Nhiệt độ ở đáy tháp không vượt quá 110oC để tránh quá trình polymer hóa

Bài làm:

Trình tự các bước tiến hành:

TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH NHƯ SAU:

1 Xây dựng sơ đồ phân xưởng

2 Tính toán tháp chưng cất

2.1 Xác định áp suất làm việc

2.2 Tính toán Short-cut, xác định số đĩa tương ứng với tỷ số hồi lưu thích hợp 2.3 Mô phỏng tháp chưng với số đĩa tương ứng và tỷ số hồi lưu thích hợp 2.4 Tối ưu hóa đĩa nạp liệu

3 Tính toán các thiết bị phụ trợ

TIẾN HÀNH CÁC BƯỚC NHƯ SAU

1 Xây dựng sơ đồ phân xuởng:

Phân xưởng gồm các thiết bị sau đây:

 Một tháp chưng cất

 Hệ thống máy nén để nén dòng khí từ FCC đến áp suất vào tháp chưng của nguyên liệu

 Các thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ của các dòng sản phẩm ra khỏi các máy nén

 Bình tách để tách lỏng (nếu có) trong dòng khí vào máy nén tiếp theo

 Bơm cao áp để tăng áp dòng nguyên liệu đến áp suất làm việc của tháp chưng

 Một van điều chỉnh lưu lượng dòng nguyên liệu

2 Tính toán tháp chưng cất

2.1 Xác định áp suất làm việc

Có thể xác định áp suất làm việc của tháp tại 2 vị trí: bình hồi lưu và đáy tháp

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-Butene

Giả sử nhiệt độ tại bình hồi lưu là 40 o C (để có thể sử dụng nước hoặc không khí làm chất

tải lạnh), quá trình phân tách lý tưởng, sản phẩm đỉnh chỉ chứa C3-, quá trình ngưng tụ hoàn toàn

Ta có thành phần đỉnh như sau: Tổng lưu lượng: 50000 tấn/năm

 Ta xác định được áp suất tại bình hồi lưu là 18.497 bar (kết quả ProII)

Giả sử tháp có 20 đĩa, 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 tính được áp suất ở đáy là 19,097

bar, từ giả thiết đây là quá trình phân tách lý tưởng, thành phần đáy như sau:

Tổng lưu lượng: 50000 tấn/năm

 Ta xác định được nhiệt độ đáy tháp là 109,794 o C (kết quả ProII) < 110 oC

Vậy ta có thể chọn áp suất vào của nguyên liệu ~ 19 bar

Sử dụng thành phần nguyên liệu như yêu cầu và áp suất của nguyên liệu là 19 bar, ta xác

định được nhiệt độ vào của nguyên liệu là 69,208 o C (nguyên liệu vào ở trạng thái lỏng

sôi)

2.2 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

 Dữ liệu tính toán Short-cut:

 Nguyên liệu:

 Thành phần theo yêu cầu đề

 Nhiệt độ 69,208 oC

 Áp suất 19 bar

 Các ràng buộc:

 Cấu từ khóa nhẹ: Propane Cấu tử khóa nhẹ: i-Butene

 Hiệu suất thu hồi C3 tổng 0,98 Hiệu suất thu hồi C4 tổng 0,95

 Áp suất tại bình hồi lưu: 18,497 bar

 Kết quả tính toán Short-cut như sau:

Dòng Đáy Đỉnh Đáy Đỉnh Nhiệt độ (oC) 109.8 40.0 107.1 42.0

 Tại bình hồi lưu: Nhiệt độ là 42,027 oC, chấp nhận được so với giả sử ban đầu

 Tại đáy: Nhiệt độ là 107,106 oC < 110 oC, đảm bảo được ràng buộc của đề

 Tỷ số hồi lưu tối thiểu: 1,575

 Số đĩa lý thuyết tối thiểu: 10,258

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

=> nạp liệu tại đĩa số 9

2.3 Mô phỏng tháp chưng với số đĩa tương ứng và tỷ số hồi lưu thích hợp

 Kết quả mô phỏng:

 Nhiệt độ tại bình hồi lưu: 42,1 oC, phù hợp với giả thiết ban đầu

 Nhiệt độ tại đáy: 108,7 oC < 110 oC, phù hợp với ràng buộc đề bài

2.4 Tối ưu hóa đĩa nạp liệu

 Sử dụng công cụ Optimizer để tối ưu hóa đĩa nạp liệu sao cho công suất nhiệt của Reboiler nhỏ nhất

 Kết quả Optimizer:

Kết quả cho thấy nạp liệu vào cả 2 đĩa 8 và 9 Trong trường hợp này ta xóa công cụ Optimizer rồi thay đổi vị trí đĩa nạp liệu là 8, được kết quả như sau:

Ở vị trí nạp liệu là đĩa số 8, ta thấy rằng công suất nhiệt của Reboiler nhỏ hơn so với trường hợp dùng optimizer và trường hợp nạp liệu tại đĩa số 9

 Vậy vị trí đĩa nạp liệu tối ưu là: đĩa số 8

3 Tính toán các thiết bị phụ trợ

3.1 Bơm cao áp, thiết bị gia nhiệt, valve

Để đảm bảo dòng nguyên liệu đi vào bơm ở trạng thái 100% lỏng, ở khoảng nhiêt độ

45oC (có thể dùng không khí để làm lạnh), thì áp suất của dòng nguyên liệu trước khi vào bơm tính toán được là 11,824 bar

 Vậy chọn áp suất vào bơm là: 12 bar

Áp suất ra khỏi bơm là 20 bar (chọn áp suất qua van là 1 bar)

Để đảm bảo nhiệt độ vào tháp là 69,208oC ta sử dụng 1 thiết bị gia nhiệt

3.2 Máy nén, thiết bị làm lạnh

Sử dụng máy nén 2 máy nén để nâng áp dòng nguyên liệu từ 1,2 bar đến 12 bar

 Máy nén 1: nâng áp từ 1,2 bar lên 4 bar, hiệu suất đọan nhiệt là 80%

Sau máy nén 1 cần một thiết bị làm lạnh để vào máy nén 2

Dòng nguyên liệu ở áp suất 4 bar, có nhiệt độ điểm sương là 40oC nên có thể dùng không khí làm lạnh dòng khí này đến 45oC (đảm bảo nguyên liệu không chứa lỏng)

 Máy nén 2: nâng áp tứ 4 bar lên 12 bar, hiệu suất đoạn nhiệt là 80%

Sau máy nén hai cũng cần có 1 thiết bị làm lạnh để hạ nhiệt dòng nguyên liệu xuống dưới điểm sôi, đảm bảo nguyên liệu ở trạng thái 100% lỏng trước khi vào bơm, như tính toán ở trên thì ta cũng có thể dùng không khí để làm lạnh dòng nguyên liệu đến nhiệt độ trước khi vào bơm là 45oC

 Ngoài ra, để đảm bảo dòng nguyên liệu trước khi vào máy nén 2 có thành phần 100% khí cũng như trước khi vào bơm có thành phần 100% lỏng ta bố trí 2 bình Flash

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

4.1 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt:

 Lựa chọn đường đi của dòng lưu thể như 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

dữ liệu trước

 Dòng ngoài ống: dòng hơi nước bão hòa áp suất thấp

4.2 Thiết kế tháp chưng cất:

 Thiết kế Sizing: (tính kích thước dựa vào chế độ thủy lực trong tháp)

 Ở đây ta phân thành 2 vùng thiết kế:

 Từ đĩa số 2 đến đĩa số 7: Vùng luyện

 Từ đĩa số 8 đến đĩa số 19: Vùng chưng

 Trong công nghệ Lọc dầu, thường dùng loại đĩa Valve với ưu điểm là hiệu quả phân tách tốt

 Chọn hệ số “ngập lụt” (Floading Factor) bằng 85% Hệ số này càng nhỏ thì đường kính tháp tính được sẽ càng lớn, thực tế giá trị số này nằm trong khoảng 30 – 85%

 Kết quả mô phỏng Sizing như sau:

 Để đảm bảo an toàn, ta chọn đường kính đoạn luyện là: 914mm, ứng với FF ~ 70%, đường kính đoạn chưng là: 1067mm, ứng vơi FF ~ 75%

 Đường kính valve: 47,625 mm

 Số valve trên mỗi đĩa ở vùng luyện: 59 valve

 Số valve trên mỗi đĩa ở vùng chưng: 66 valve

 Bề rộng của ống chảy chuyền: Đoạn luyện: 187 mm

Đoạn chưng: 280 mm

 Tổn thất áp suất qua mỗi đĩa: Đoạn luyện: 5 mbars

Đoạn chưng: 6 mbars

 Thiết kế Rating:

 Đường kính tháp được chọn: 914 mm trong vùng luyện và 1067 mm đối với vùng chưng

 Số liệu của đoạn luyện:

 Số liệu của đoạn chưng:

 Kết quả thiết kế Rating như sau

4.3 Thiết kế thiết bị làm mát bằng không khí: