Tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng khi thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất 3000000 tấn 1 nam

G NLG k Gx G gnh G c Gmm gn Tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng khi thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất 3.000.000 tấn/ năm I.Tính cân bằng vật chất.. Cân bằng vật chất

G NL

G k

Gx

G gnh

G c

Gmm

gn

Tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng khi thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất

3.000.000 tấn/ năm

I.Tính cân bằng vật chất.

Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng bằng tổng lượng vật chất ra khỏi lò phản ứng :Gvào = Gra

Cân bằng vật chất của lò phản ứng

Phương trình cân bằng vật liệu của lò phản ứng có dạng:

GNL =Gk +Gc+G x +Ggnh +Ggn+ Gmm

Trong đó :

GNL : Lượng nguyên liệu mới vào trong lò phản ứng( năng suất của phân

xưởng ) ,T/h

Gk : Lượng sản phẩm khí tạo thành, T/h

Gc : Lượng cốc tạo ra , T/h

Gx : Lượng sản phẩm xăng tạo thành, T/h

Ggnh : Lượng gasoil nhẹ ,T/h

Ggn : Lượng gasoil nặng, T/h

Gmm : Lượng mất mát ,T/h.

Phân xưởng cracking xúc tác có năng suất 3.000.000 tấn/năm với nguyên liệu là lấy từ phần cặn của dầu thô Bạch Hổ Ta coi thời gian làm việc của phân xưởng trong 1 năm là 8000 h

Năng suất của phân xưởng tính theo giờ sẽ là : GNL=3.106

8000 = 375 T / h

Chọn hiệu suất xăng ( tính theo % trọng lượng nguyên liệu mới ) là

X = 45,1% trọng lượng nguyên liệu mới

Chọn hiệu suất cốc Xc = 1,7% trọng lượng nguyên liệu mới

Chọn hiệu suất khí khi cracking là Xk = 17,7% trọng lượng nguyên liệu mới Hiệu suất gasoil nhẹ là : Xgnh = 22% trọng lượng nguyên liệu mới

Hiệu suất gasoil nặng là : Xgn = 12,5% trọng lượng nguyên liệu mới

Coi lượng mất mát là 1%

Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng Gvào = GNL = 375 ,T/h

Lượng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng :

Lượng khí cracking là:

Gk = GNL 17,7 = 375 0,177 = 66,375 ,T/h Lượng xăng là :

Gx = GNL 0,451 = 375 0,451 = 169,125 ,T/h Lượng gazoil nhẹ là :

Ggnh = GNL 0,22 = 375 0,22 = 82,5 , T/h Lượng gazoil nặng là :

Ggn = GNL 0,125 = 375 0,125 = 46,875 ,T/h

Lượng cốc là :

Gc = GNL  0,017 = 375 0,017 = 6,375 ,T/h Lượng mất mát là :

Gm = GNL  0,01 = 375 0,01 = 3,75 ,T/h Vậy tổng lượng sản phẩm và mất mát là:

Gra = Gk + Gx + Ggnh + Ggn + Gc + Gm

= 66,375 + 169,125 + 82,5+ 46,875 + 6,375 + 3,75 = 375 , T/h

kết quả tính toán cân băng vật chất cho thiết bị phản ứng như sau : Bảng 1: Kết

quả tính toán cân bằng vật chất cho thiết bị phản

Các thành phần Trọng lượng , T/h % Trọng lượng theo

nguyên liệu mới Đầu vào

Đầu ra

 Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và tiêu hao hơi nước.

Với hệ thống xúc tác dạng hạt cầu thì bội số tuần hoàn xúc tác N = 4  9/1

Ta chọn N = 6/1 như vậy lượng xúc tác sẽ là :

GCatalyst = N Gc = 6.375 = 2250 ,T/h

Xác định lượng tiêu hao hơi nước

Hơi nước sử dụng trong quá trình là hơi quá nhiệt

Để điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu và xúc tác ở trong ống vận chuyển ta dùng hơi nước và nó tiêu tốn khoảng 0,4 -2,0% trọng lượng tính theo tải trọng của lò phản ứng Ta chọn tiêu tốn hơi nước để điều chỉnh mật độ hỗn hợp là

QH 2 O hv

Qk

Qx

QH 2 O hr

Qgnh

Qc

Qmm

Qgn

Qxtv

xtr

pu (Q H 2 O hv1, Q H 2 O hv2, )

1,6% trọng lượng theo nguyên liệu Vậy lượng hơi nước tiêu hao trong trường hợp này là :

Gn1 = 0,016 375 = 6 ,T/h

Hơi nước dùng để tách hơi sản phẩm cracking ra khỏi xúc tác trước khi đưa vào lò tái sinh trong vùng tách Tiêu tốn trong trường hợp này vào khoảng 5 -10 kg để tách được 1 tấn xúc tác có dính cốc Ta chọn giá trị là 7 kg /1tấn xúc tác Như vậy lượng hơi nước tiêu tốn sẽ là :

Gn2 = 7.2250 =15750 , Kg/h

Vậy lượng hơi nước tiêu tốn tổng cộng là:

GH2Ohv = Gn1 + Gn2 = 6 +15,75 = 21,75 ,T/h

II Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng.

Cân bằng nhiệt của lò phản ứng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

của lò phản ứng có

dạng:

QNL + QH2Ohv1 +

QH2Ohv2 + QXtv =

QXtr + Qk + Qx + Qgnh + Qgn +Qcốc

+ QH2Ohr1 + QH2Ohr2 + Qmm + Qpứ

Trong đó :

Vế trái của biểu thức biểu diễn tổng nhiệt lượng mang vào thiết bị tính bằng , Kcal/ h

QNL : Nhiệt lượng do nguyên liệu mới mang vào

QH2Ohv1 : Nhiệt lượng do hơi nước đưa vào ống vận chuyển

QH2Ohv2 : Nhiệt lượng do hơi nước mang vào vùng tách

QXtv : Nhiệt lượng do xúc tác mang vào

Vế phải của phương trình biểu diễn tổng nhiệt lượng mang ra khỏi thiết bị phản ứng tính bằng (Kcal/h)

QXtr : Nhiệt lượng do xúc tác mang ra

Qk : Nhiệt lượng do sản phẩm khí mang ra

Qx : Nhiệt lượng do hơi xăng mang ra

Qgnh : Nhiệt lượng do hơi gasoil nhẹ mang ra

Qgn : Nhiệt lượng do phần gasoil nặng mang ra

QH2Ohr1 : Nhiệt lượng do hơi nước mang ra khỏi ống vận chuyển

QH2Ohr2 : Nhiệt lượng do hơi nước mang ra khỏi vùng tách

Qmm : Mất mát nhiệt vào môi trường

Qpư : Nhiệt lượng tiêu hao cho phản ứng cracking

Dựa vào các tài liệu và thực tế công nghiệp ta chọn nhiệt độ của các thành phần lúc

đi vào thiết bị phản ứng như sau:

Nhiệt độ của xúc tác vào thiết bị phản ứng là : txtv = 6000C

Nhiệt độ của hơi nước đưa vào ống vận chuyển là: tH2Ov1 = 6000C ( áp suất 40 at) Nhiệt độ của hơi nước đưa vào vùng tách: tH2Ov2 = 2300C ( áp suất 2 at)

II.1 Nhiệt lượng do khí sản phẩm mang ra.

Trong bảng 2 dưới đây theo tài liệu [6,118] sẽ chỉ ra thành phần của khí cracking ( Người ta xác định được bằng cách phân tích sắc ký khí của sản phẩm khí nhận được khi cracking)

Với giả thiết là áp suất trong thiết bị phản ứng là tương đối nhỏ, vì vậy ảnh hưởng của áp suất lên hàm nhiệt là không đáng kể Khi biết thành phần của khí cracking

ta có thể tìm được hàm nhiệt của riêng từng cấu tử sau đó ta có thể tính được hàm nhiệt của hỗn hợp các cấu tử

Tổng hàm nhiệt riêng phần của các cấu tử sẽ là hàm nhiệt của khí cracking ở nhiệt độ đã cho Nhờ nội suy ta có thể xác định được hàm nhiệt của khí ở các nhiệt

độ trung gian

B ng 2: Thành ph n c a khí crackingảng 2: Thành phần của khí cracking ần của khí cracking ủa khí cracking

Cấu tử Hiệu suất % trọng

lượng theo nguyên liệu

Số lượng

H2S

H2

CH4

C2H4

C2H6

C3H6

C3H8

C4H8

C4H10

0,85 0,2

2,31 0,57 1,25 3,22 2,43 3,95 2,92

3187,5 750 8662,5

2137, 5 4687,5 12075 9112,5 14812,5 10950

93,75 375 541,4 76,34 156,25 287,5 207,1 264,5 188,79

Bảng 3: Hàm nhiệt của các cấu tử khí ở trong khoảng nhiệt độ 300 0 C - 500 0C Cấu

tử

Thành phần % trọng lượng

Hàm nhiệt

Riêng

Riêng phần

Riêng Riêng

phần

Riêng Riêng

phần

H2S 4,802 75,3 3,616 103,2 4,96 131 6,29

H2 1,13 1035,0 11,67 1383,0 15,62 1733 19,58

C2H6 7,062 162,6 11,48 236,0 16,67 316 22,32

C3H6 18,192 141,4 25,72 204,0 37,11 272 49,48

C3H8 13,729 159,1 21,84 231,0 31,71 309 42,42

C4H8 22,316 148,9 33,23 214,0 47,76 285 63,60

C4H10 16,499 159,5 26,31 231,0 38,11 308 50,82

Từ bảng trên ta xác định được hàm nhiệt của khí cracking khi ra khỏi lò phản ứng

ở 5000C

Hàm nhiệt của khí cracking ở 5000C có giá trị bằng :

qk = 309,89, Kcal/Kg

 Như vậy nhiệt lượng do khí sản phẩm mang ra là :

Qk = 66,375.103 309,89 = 2,057 107 ,Kcal/h

II.2 Nhiệt lượng do hơi các sản phẩm nặng hơn mang ra.

Hàm nhiệt của hơi hydrocacbon được xác định theo công thức :

qh = ( 50,2 + 0,109 t + 0,00014.t2 )*( 4 -1515 ) -73,8 [6,120]

Trong đó :

qh : Hàm nhiệt của phân đoạn ở trạng thái hơi , Kcal/Kg

1515 : Tỷ trọng của phân đoạn lỏng

t : nhiệt độ phân đoạn , 0C

Hàm nhiệt của hơi sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng ở 5000C là :

qh = ( 50,2 + 0,109.500 + 0,00014.5002 )*( 4 -0,76 ) -73,8 =378,83 Kcal/Kg

 Nhiệt lượng do hơi xăng mang ra khỏi thiết bị phản ứng

Qx = 169,125 103 378,83 =6,4069.107 Kcal/h

Nhiệt hàm của các hydrocacbon lỏng được tính theo công thức :

ql = d115 , 6.

6

,

15

( 0,403 t + 0,000405 t2 ) [6,120]

Trong đó :

q l : là hàm nhiệt của phân đoạn hydrocacbon lỏng ở nhiệt độ t, Kcal/Kg

d15,615,6 : Tỷ trọng của phân đoạn

t : Nhiệt độ của phân đoạn 0C

Hàm nhiệt của gasoil nhẹ ở 5000 C là :

933

,

0

( do tỷ trọng của gasoil nhẹ là : 1515 = 0,933 )

 Lượng nhiệt do phần gasoil nhẹ mang ra :

Qgnh = 82,5.103 313,43 = 2,5856 107 ,Kcal/h

Hàm nhiệt của phần gasoil nặng mang ra :

9429

,

0

( tỷ trọng của gasoil nặng là : 1515 = 0,9429 )

 Lượng nhiệt do phần gasoil nặng mang ra là :

Qgn =46,875 103 311,78 = 1,4615 107 ,Kcal/h

Hàm nhiệt của cốc và xúc tác được tính theo công thức :

qcốc = C.t [6,120]

q cốc : hàm nhiệt của cốc hoặc xúc tác , Kcal/kg

C : là nhiệt dung riêng của cốc hay nhiệt dung riêng của xúc tác và tương ứng bằng 0,6 và 0,27 ,Kcal/ Kg.độ

t : Nhiệt độ của xúc tác hay cốc

Hàm nhiệt của xúc tác đi vào ống phản ứng :

qxtv =0,27 600 = 162 ,Kcal/Kg

 Nhiệt lượng của xúc tác mang vào ống phản ứng

QXtv = 2250 103 162 = 36,45 107 ,Kcal/h

Hàm nhiệt của xúc tác ra khỏi thiết bị phản ứng :

qxtr =0,27 500 = 135 ,Kcal/kg

 Lượng nhiệt do xúc tác mang ra khỏi thiết bị phản ứng :

QXtr = 2250 103.135 = 30,375 107 Kcal/h

Hàm nhiệt của cốc mang ra khỏi thiết bị phản ứng :

qcốc = 0,6.500 =300 Kcal/kg

 Lượng nhiệt do cốc mang ra là :

Qcốc = 6,375 103 300 =0,19125.107 Kcal/h

Hàm nhiệt của hơi nước được xác định theo [7,196] Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 40 at , 6000C là : 0,5285 Kcal/Kg.độ

ở 40 at ,2300C là : 0,293 Kcal/ Kg.độ

ở 2 at ,5000C là :0,509 Kcal/Kg.độ

Hàm nhiệt của hơi nước mang vào ống phản ứng :

qH2Ov1 = 0,5285 600 = 317,1 Kcal/ Kg

 Lượng nhiệt do hơi nước mang vào ống phản ứng là :

QH2Ovl = 6.103 317,1 = 0,19026.107 , Kcal/h

Hàm nhiệt do hơi nước mang vào vùng tách là :

qH2Ov2 = 0,293.230 = 67,39 Kcal/kg

 Nhiệt lượng do hơi nước mang vào vùng tách là :

qH2Ov2 = 15,75.103 67,39 = 0,1061.107 Kcal/h

 Tổng lượng nhiệt do hơi nước mang vào là :

QH2Ot = (0,19026 +0,1061 ) 107 = 0,29636 107 Kcal/h

Hàm nhiệt của hơi nước khi ra khỏi thiết bị phản ứng :

qH2Or = 0,590 500 = 254,5 ,Kcal/ Kg

 Lượng nhiệt do hơi nước mang ra :

QH2Ohr = 21,75.103 254,5 =0,5535 107 ,Kcal/h

Độ sâu biến đổi được xác định: 100-22-12,5= 65,5% trọng lượng

tra đồ thị hình 59 (tài liệu[ 6,120]) ta được hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

H=62, Kcal/kg

 Lượng nhiệt tiêu hao cho phản ứng cracking:

Qpư= 375.103.62= 2,325.107 , Kcal/h

Lượng nhiệt mất mát ta coi như tính bằng 5% lượng nhiệt cân bằng ( Qmm = 0,05 Qvào )

 Tổng lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng :

Qvào = QNL + 0,29636.107 + 36,45 107

=QNL + 36,74636.107 ,Kcal/h

 Tổng lượng nhiệt mang ra khỏi thiết bị :

Qr =2,057 107 + 6,4069.107 + 2,5856.107 + 1,4615 107 +

30,375 107 + 0,19125.107 +0,5535 107 + 2,325.107 + Qmm

Qr = 45,96 107 +0,05 Qvào ,Kcal/h

Qvào = Qr = 48,379 107 , Kcal/h

Qmm = 0,05 48,379 107 = 2,61351.107 ,Kcal/h

Lượng nhiệt do nguyên liệu mới mang vào là :

QNL = (48,379 – 36,74636 ) 107 =11,63264.107 ,Kcal/h

Hàm nhiệt của nguyên liệu :

7 3

11,63264.10

310, 2 375.10

NL

NL

NL

Q

q

G

Ta có bảng cân bằng nhiệt như sau :

B ng 4: B ng Cân b ng nhi t lảng 2: Thành phần của khí cracking ảng 2: Thành phần của khí cracking ằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng ệt lượng của thiết bị phản ứng ượng của thiết bị phản ứngng c a thi t b ph n ngủa khí cracking ết bị phản ứng ị phản ứng ảng 2: Thành phần của khí cracking ứng

0C

Số lượng T/h

Hàm nhiệt Kcal/Kg

Tổng cộng,

107 Kcal/h Vào

Cộng 394,125 48,56926 Ra

III Tính toán thiết bị phản ứng.

III.1 Tính đường kính lò phản ứng

Đường kính lò phản ứng được xác định theo công thức sau :

D=1,128 S [6,122] Trong đó :

S : là diện tích tiết diện ngang của lò phản ứng , m2

S được tính bằng : S=

 3600

V

Trong đó :

V : Thể tích hơi đi qua mặt cắt ngang của lò phản ứng, m3/h

Vận tốc cho phép của hơi ở trong tiết diện tự do của lò phản ứng , m/s Đối với thiết bị cracking xúc tác thì vận tốc trung bình của hơi trong tiết diện tự do của lò phản ứng là 0,63 m/s Khi đó V được xác định theo công thức :

 273

) 273 (

4 ,

Mi

Gi V





 [ 6,123]

Mi

Gi

 : Là lượng hỗn hợp hơi ở trong lò phản ứng , Kmol/h ,

tp : Là nhiệt độ ở trong lò phản ứng ,0C

 : áp suất tuyệt đối ở bên trên lớp giả sôi của lò phản ứng , ta lấy bằng 2 at Trọng lượng phân tử trung bình của khí cracking:

3

66,375.10

30, 2995 2190,63  , Kg/kmol

Ta tính được:

Mi

Gi

 =66,375.103

30, 2995 + 169,125.103

105 +82,5.103

200 +46,875.103

340 +21,75.103

18 = 5560 , Kmol/h

Vậy rút ra V là :

22, 4.5560 (273 500)

176324,7 273.2

Tiết diện ngang của lò phản ứng là :

176324,7

77,74 3600.0,63

Đường kính của lò phản ứng là :

D=1,128 S =1,128 77,74 = 9,946 , m Trong công nghiệp người ta thường sử dụng lò có đường kính nằm trong khoảng 2,5

m – 12 m Ta chọn lò có đường kính là D = 10 , m

III.2 Tính chiều cao của lò phản ứng.

Chiều cao toàn bộ lò phản ứng được xác định theo công thức sau :

Htl = H1 + H2 + H3 +H4 [6,124]

Trong đó :

H1 : Chiều cao vùng tách, thường chọn H1 = 6 , m

H2 : Chiều cao vùng đặt cyclon, nó phụ thuộc vào kích thước của cyclon và thường chọn là H2 = 6,m

H3 : Chiều cao đỉnh lò phản ứng Do đỉnh lò phản ứng có dạng bán cầu nên ta

thường lấy H3 = 0,5 D

= 0,5 10 = 5 ,m

HN : Chiều cao phần hình nón của vùng chuyển tiếp

HT : Chiều cao phần hình trụ của vùng chuyển tiếp Thường chọn HT = 5 , m Cho đường kính vùng tách D1 = 5 m và góc tạo bởi phần hình nón và thiết bị là

450, ta tính được:

HN = D 1

2

D 

= 9 5

2



= 2 , m Vậy: H4 = 2 + 5 = 7 ,m

Như vậy chiều cao của lò phản ứng là :

H = 6 + 6 + 5 +7 = 24 ,m

III.3 Tính toán ống đứng.

Theo việc lựa chọn công nghệ FCC thời gian tiếp xúc ngắn , ta chọn thời gian lưu

của nguyên liệu và sản phẩm trong ống đứng là : =2, s

Tốc độ của hơi nguyên liệu và sản phẩm ta chọn giá trị v =15 ,m/s

chiều dài ống đứng là : Hống = .v = 30 ,m

Thể tích của ống đứng là :

Vđ = Hống S Trong đó:

S : Là diện tích tiết diện ngang của ống đứng

Hống : Chiều cao của ống đứng

Ta có S = . 2

4

d



Trong đó :

d : là đường kính ống đứng , m

Như vậy có : Vđ = Hống . 2

4

d

 .V

d = 4.

.

ong V H



Ta có thời gian lưu :  =V ong

V ,s Trong đó :

Vống : Thể tích ống đứng , m3

V : Thể tích hơi đi qua mặt cắt ngang của lò phản ứng ,m3/s

Suy ra Vống = .V

Như vậy đường kính của ống đứng là :

d = 4 .

.

V

H



 = 4.2.176324,7

3,14.30.3600 = 2,04 , m Chọn đường kính ống phản ứng là d = 2 , m

V.Cyclon của lò phản ứng

Ta đặt cyclon ở trong lò phản ứng nhằm mục đích thu hồi bụi xúc tác bị cuốn theo hơi sản phẩm phản ứng Mức độ làm sạch có thể dao động trong khoảng 65 – 98% Trong trường hợp cần làm sạch ở mức độ cao hơn ta có thể dùng cyclon hai hay ba bậc Trong đồ án này ta chỉ giới hạn ở việc tính số lượng và trở lực thuỷ lực của cyclon

Để tính toán ta phải dựa vào tốc độ quy ước của dòng hơi sản phẩm đi trong tiết diện tự do của cyclon và tốc độ quy ước đó được xác định theo công thức :

y = V S ,m/s [6,129]

Trong đó :

V : là thể tích của dòng hơi sản phẩm , m3/s

S : tiết diện chung của các cyclon, m2

Mức giảm áp suất trong cyclon được xác định như một trở lực cục bộ :

p == g y

2

2



.sp = 

2

2

y



.sp , N/m2 [6,129]

Trong đó :

 : Là hệ số trở lực

sp : Trọng lượng riêng của hơi sản phẩm, N/m3

g : Là gia tốc trọng trường , m/s2

h' 1

D 1

h' 3

h' 2

D

d

h' 4

sp : Tỷ trọng của hơi sản phẩm , Kg/m3

Ta chọn

sp

p





=65 ,m ta tính được ytheo công thức :

y

sp

g





.

,m/s

Ta chọn loại cyclon theo [6,130] có :

Đường kính ống ra D1 = 0,6

Chiều rộng ống vào B =0,26

Chiều cao ống vào h1’ =0,66

Chiều cao ống ra :

h2’ =1,74

Chiều cao phần hình trụ : h3’ = 2,26

Chiều cao phần hình nón : h4’ = 2,00

Chiều cao chung của cyclon : H =4,56

Đường kính đáy hình nón : d =0,25

Hệ số trở lực thuỷ lực :  = 105

Thay các gía trị trên vào ta tính được y =

105

65 81 , 9

2 =3,485 ,m/s

Tiết diện chung của các cyclon là :

S = 3600.3, 485176324,7 = 14,054, m2

Nếu ta dùng cyclon có D =0,8 ,m thì tiết diện của một cyclon sẽ là :