Bài tập thiêt bị trao đổi nhiệt và tháp chưng cất pdf

Bài tập Thiết bị dầu khí
Bài tập về Thiết bị trao đổi nhiệt và Tháp chưng cất
1. Giới thiệu về nguyên liệu
Phân đoạn khí thu được từ quá trình FCC rất giàu olefin như etylene, propylene,
butene… Dùng cấu tử nC
6
thay thế cho phân đoạn Condensate ( 20- 50
0
C).
Nguyên liệu được nạp ở nhiệt độ T= 40
0
C, áp suất 18kg/cm
2
g.
Để xác định trạng thái nhiệt của nguyên liệu ta tính nhiệt độ điểm sôi của nguyên liệu
với các cấu tử đặc trưng cho thành phần của nguyên liệu dựa trên phương trình Raoult
K
i
=y
i
/x
i
ta tính được kết quả như bảng sau:
T = 56
o
C
P = (18 kg/cm
2
g) x
i
= Z

i
K
i
y
i
= K
i
*x
i
C
2
0.0150 2.85 0.042750
C
3
0.1395 1.08 0.150660
C
3=
0.4834 1.28 0.618752
iC
4
0.2537 0.55 0.139535
nC
4
0.1003 0.44 0.044132
nC
6
0.0081 0.067 0.000543
Tổng 1.0000 0.996372
Vậy nhiệt độ điểm sôi của nguyên liệu là 56
o

C trong khi đó nguyên liệu được nạp vào
ở nhiệt độ 40
o
C. Do đó, trạng thái tồn tại của nguyên liệu là lỏng quá lạnh vì vậy ta sử
dụng thêm thiết bị trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ của nguyên lên nhiệt độ điểm sôi trước
khi đi vào tháp chưng cất.
2. Các tiêu chuẩn kỷ thuật của quá trình chưng cất
Nhiệt độ đáy tháp < 105
o
C vì trong nguyên liệu tồn tại hàm lượng olefin lớn để hạn
chế các phản ứng trùng hợp tạo polymer gây tắc nghẽn đường ống, giảm hiệu quả trao đổi
nhiệt, chi phí năng lượng lớn… do đó trong quá trình mô phỏng ta chọn nhiệt độ đáy tháp
nhỏ hơn 105
o
C để đảm bảo việc vận hành tháp chưng cất.
Hiệu suất thu hồi của C
3=
là 99% vì cấu tử C
3=
có giá trị kinh tế cao hơn nhiều so với
cấu tử C
3
. Việc thu hồi cấu tử C
3=
được đưa qua phân xưởng propylene để sản xuất hạt
polypropylene do đó phải thu hồi triệt để C
3=
để đảm bảo tính kinh tế.
Hiệu suất thu hồi C
4

ở sản phẩm đáy là 99% tức là lưu lượng các cấu tử từ iC
4
đến
1,3BD ở đáy so với phân đoạn C
4
trong nguyên liệu là 99%.
3. Các bước tiến hành
3.1. Xây dựng tháp chưng cất
3.1.1. Xác định áp suất làm việc của tháp
Lớp 07H5 Page 1
Bài tập Thiết bị dầu khí
Dựa vào thành phần và lưu lượng của nguyên liệu.
Xem quá trình phân tách là lý tưởng.
Chọn nhiệt độ đáy là T = 102
o
C ta có sơ đồ mô phỏng đỉnh và đáy tháp như sau:
Ta có bảng kết quả mô phỏng đỉnh:
Ta có bảng kết quả mô phỏng đáy tháp là:
Lớp 07H5 Page 2
Bài tập Thiết bị dầu khí
Vậy ta có áp suất đáy tháp là 17.35 kg/cm
2
g và nhiệt độ bình hồi lưu là 44.43
o
C.
3.1.2. Tính toán shortcut
Thông thường tổn thất áp suất trên mỗi đĩa ∆P = 5÷15 (mbar) ta chọn ∆P = 10 (mbar).
Thông thường tổn thất áp suất đỉnh là ∆P
đ
= 0.2÷0.6 (bar) ta chọn ∆P

đ
= 0.4 (bar).
Ta có sơ đồ mô phỏng shortcut như sau:

Ta có kết quả mô phỏng như sau:
Lớp 07H5 Page 3
Bài tập Thiết bị dầu khí
Ta có : R
min
= 2.01575.

N
min
= 13.46 (đĩa).
Chọn Rop = 2*R
min
→ R
op
= 2*2.01575 = 4.031 do đó N
op
= 20 (đĩa).
Bảng cân bằng vật chất như sau :
Lớp 07H5 Page 4
Bài tập Thiết bị dầu khí

3.1.3. Mô phỏng tháp chưng cất
Nguyên liệu vào ở trạng thái lỏng quá lạnh phải nâng nhiệt độ lên bằng nhiệt độ sôi ta
sử dụng 1 thiết bị trao đổi nhiệt.
Sử dụng 1 van giãn nở để giảm áp van này là van điều khiển lưu lượng qua tháp chưng
cất. Có thể đặt trước hoặc sau thiết bị trao đổi nhiệt, ở trường hợp này ta đặt sau thiết bị

trao đổi nhiệt để giữ trở lực lớn nếu đặt trước thì sẽ làm giảm hiệu quả quá trình trao đổi
nhiệt trong thiết bị gia nhiệt vì sau đi qua van sẽ tạo ra hỗn hợp cân bằng lỏng – hơi.
Ta có sơ đồ mô phỏng tháp chưng cất như sau :
Lớp 07H5 Page 5
Bài tập Thiết bị dầu khí
 Ta có nhiệt độ và áp suất ở đỉnh và đáy tháp là
Lớp 07H5 Page 6
Bài tập Thiết bị dầu khí
So sánh với kết quả nghiên cứu điều kiện làm việc của tháp lúc đầu:
Ban đầu Mô phỏng
T (
o
C)
Đỉnh 44.43 42.65
Đáy 102 101.28
P(kg/cm
2
g)
Đỉnh - 17.16
Đáy 17.35 17.34
Nhìn vào bảng so sánh kết quả trên ta thấy rằng sự chênh lệch của điều kiện làm việc
ban đầu so với kết quả mô phỏng là không đáng kể. Vì vậy ta chấp nhận điều kiện làm việc
ban đầu của tháp là đúng.
 Cân bằng vật chất của tháp
Lớp 07H5 Page 7
Bài tập Thiết bị dầu khí
 Công suất của Condenser, Reboiler và lưu lượng lỏng – hơi trên mỗi đĩa
3.1.4. Tối ưu điểm nạp liệu
Dùng công cụ Optimizer để tối ưu hóa điểm nạp liệu ta được:
Ta nhận thấy điểm nạp liệu vẫn là đĩa số 9, như vậy đĩa nạp liệu do shortcut đề nghị là

đúng.
3.2. Thiết kế tháp chưng cất
Lớp 07H5 Page 8
Bài tập Thiết bị dầu khí
Phần sizing: ta chọn hệ số ngập lụt là 80%, mô phỏng ta chia tháp ra 2 vùng:
+ Vùng luyện từ đĩa 2 → 8 có đường kính là 2743 (mm).
+ Vùng chưng từ đĩa 9 → 19 có đường kính là 3353 (mm).
Ta có các bảng kết quả sau:
 Độ nhớt, sức căng bề mặt, khối lượng riêng
 Đường kính tháp được quy chuẩn lên khi đó điều kiện làm việc của tháp dễ dàng
hơn
Lớp 07H5 Page 9
Bài tập Thiết bị dầu khí
 Lưu lượng lỏng đi vào vách chảy chuyền
Sau khi có kết quả ở sizing, kiểm tra lại ở phần rating ta kiểm tra lại các thông số:
 Tổn thất áp suất trên mỗi đĩa.
 Hệ số ngập lụt.
 Mức chất lỏng trong ống chảy chuyền.
Lớp 07H5 Page 10
Bài tập Thiết bị dầu khí
Ta nhận thấy các thông số cần kiểm đều thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
3.3. Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt
Tra bảng 12.1 Typical Overall Coefficients lựa chọn dòng nóng là hơi nước và dòng
lạnh là Light oil có hệ số trao đổi nhiệt tổng nằm trong khoảng 300÷900 (W/m
2
.
o
C) tương
đương với 259÷776 (kcal/ h. m
2

.
o
C)
Chọn đường kính của ống trao đổi nhiệt là 533 (mm).
Chọn dòng phụ trợ là hơi nước áp suất thấp có P = 3 (kg/cm
2
) và T = 143
o
C với lưu
lượng là 3517 (kmol/h).
Mô phỏng ta có các kết quả bề mặt lắp đặt, tổn thất áp suất, hệ số trao đổi nhiệt tổng
như sau:
Lớp 07H5 Page 11
Bài tập Thiết bị dầu khí
Kiểm tra lại hệ số trao đổi nhiệt tổng là 672 (kcal/ h. m
2
.
o
C) nằm trong khoảng cho
phép, như vậy hệ số trao đổi nhiệt tổng theo dự đoán là đúng.
3.4. Thiết bị làm lạnh ngưng tụ bằng không khí
Chọn T
in
= 30
o
C, T
out
= 45
o
C, lưu lượng không khí là 2930333 (kg/h), ∆P

ống
= 0.2÷0.4
(kg/cm
2
)
Chọn Fins/cm = 1, khoảng cách giữa 2 ống là 80 (mm), chiều rộng giữa 2 ống là 80
(mm)
Mô phỏng ta có bảng kết quả:
Lớp 07H5 Page 12
Bài tập Thiết bị dầu khí
Ta thấy trở lực trên đường ống là 0.361 (kg/cm
2
), trở lực của không khí là 1.2283*10
-3

(kg/cm
2
), bề mặt lắp đặt là 1167.506 (m
2
), bề mặt yêu cầu là 1171.338 (m
2
) nằm trong
khoảng cho phép nên ta chấp nhận các thông số trên là đúng.
3.5. Nhận xét và kết luận
Lớp 07H5 Page 13
Bài tập Thiết bị dầu khí
Với nguyên liệu có thành phần, tính chất như đã cho và các ràng buộc kỹ thuật của sản
phẩm. Qua quá trình mô phỏng ta xây dựng được sơ đồ công nghệ của phân xưởng. Ta có
sơ đồ công nghệ của phân xưởng như sau:
Với các thông số kỹ thuật của các thiết bị có mặt trong sơ đồ công nghệ trên thì ta có

thể thiết kế được phân xưởng chưng cất tách phân đoạn C
3
ra khỏi phân đoạn khí thu
được từ quá trình FCC đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành.
Lớp 07H5 Page 14
Bài tập Thiết bị dầu khí
Lớp 07H5 Page 15