Tính toán tháp chưng cất khí quyển

CÁC DỮ LIỆU CHO TRƯỚC
* Tính toán tháp chưng cất khí quyển có cấu trúc như sau:
- Tháp có 48 đĩa
- Sản phẩm đỉnh: Khí + naptha
- LGO lấy ra ở đĩa 26
- HGO lấy ra ở đĩa 38
- Vùng stripping đáy tháp có 6 đĩa
- Áp suất tại đỉnh: 1,5 at, tổn thất áp suất trên từng đĩa là 8 mmHg
- Nguyên liệu đầu vào là dầu thô mỏ Bạch Hổ,
- Q
v
= 19744 tấn/ngày
* Yêu cầu tính toán (tính toán tháp chưng cất hoàn chỉnh)
- Tính nhiệt độ, lưu lượng Q tại các vùng của tháp
- Tính toán cấu trúc tháp
A. TÍNH NHIỆT ĐỘ, LƯU LƯỢNG Ở THÁP
CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN
Từ dữ liệu về tính chất dầu Bạch Hổ ta vẽ được các đường đặc trưng của dầu thô:

Bảng A.1. Đặc trưng dầu thô Bạch Hổ
Gentle - 1 - 28/04/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu – K50
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
gentle - 2 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50

HÌNH A.1.Đường TBP của dầu thô

HÌNH A.2.Đường đặc trưng V-d của dầu thô
Căn cứ vào đường TBP chia dầu thô thành 5 phân đoạn sau bằng tháp chưng cất
khí quyển:

- Phân đoạn khí + naphtha 21,95% thể tích
- Phân đoạn kerosene 6,58%
- Phân đoạn LGO 15%
- Phân đoạn HGO 10,96%
- Phân đoạn AR 45,51%
Giả sử, coi sự chung cất là lý tưởng. Khi đó đường TBP của nguyên liệu xem như
trùng với đường TBP của từng phân đoạn. Từ đó ta được đặc trưng của từng phân
đoạn ,như sau :

gentle - 3 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
Bảng A.2.Số liệu %V-t-d của phân đoạn khí + naphtha
gentle - 4 - 4/28/2013
%V t d
16,54 70 0,6440
20,77 80 0,6846
25,56 90 0,6981
31,03 100 0,7057
37,13 110 0,7135
43,96 120 0,7248
51,85 130 0,7297
60,27 140 0,7367
68,47 150 0,743
76,49 160 0,7482
84,37 170 0,7531
92,30 180 0,7583
100,00 190 0,7633
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50

HÌNH A.3.Đường cong chưng cất phân đoạn khí + naphtha

HÌNH A.4 Đường đặc trưng V- d phân đoạn khí + naphtha

gentle - 5 - 4/28/2013
%V t
0 188,4
5 196,4
10 198.0
20 199,7
30 201,6
40 203,6
50 204,7
60 206,7
70 209,1
80 212,1
90 216,9
100 228.0
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
Bảng A.3.Số liệu %V-t-d của phân đoạn Kerosen


HÌNH.A.5 Đường cong chưng cất phân đoạn kerosen
gentle - 6 - 4/28/2013
%V t d
0 190 0,7633
24,77 200 0,768
49,09 210 0,7725
73,71 220 0,7767
100,00 230 0,7809
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50

HÌNH.A.6 Đường đặc trưng V- d phân đoạn kerosen
Bảng A.4 Số liệu %V-t-d phân đoạn LGO
%V t D
0 230 0,7809
12,47 240 0,7852
25,93 250 0,7894
40,33 260 0,7934
55,67 270 0,7971
71,27 280 0,8005
86,40 290 0,8038
100,00 300 0,8066
gentle - 7 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50

HÌNH.A.7.Đường cong chưng cất phân đoạn LGO
HÌNH.A.8 Đường đặc trưng V- d phân đoạn LGO
Bảng A.5 Số liệu %V-t-d phân đoạn HGO
%V t d
0 300 0.8066
16,33 310 0,809
31,75 320 0,8109
gentle - 8 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
47,99 330 0,8127
65,60 340 0,814
83,58 350 0,8172
100,00 360 0,8273
HÌNH.A.9 Đường cong chưng cất phân đoạn HGO
HÌNH.A.10 Đường đặc trưng V- d phân đoạn HGO

Bảng A.6 Số liệu %V-t-d phân đoạn AR
%V t D
0 360 0.8273
3,49 370 0,8391
6,68 380 0,8487
9,76 390 0,8552
13,18 400 0,8581
gentle - 9 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
17,42 410 0,8598
22,90 420 0,8626
29,11 430 0,8658
35,66 440 0,8674
41,53 450 0,868
46,39 460 0,8685
50,54 470 0,869
53,89 480 0,8713
57,55 490 0,8754
60,58 500 0,8796
63,33 510 0,8836
65,90 520 0,8873
68,18 530 0,8904
69,92 540 0,8928
71,48 550 0,8948
73,21 560 0,8969
75,13 570 0,8994
77,21 580 0,9023
79,04 590 0,9054
80,44 600 0,9081

HÌNH.A.11 Đường cong chưng cất phân đoạn AR
gentle - 10 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50

HÌNH.A.12 Đường đặc trưng V- d phân đoạn AR
Đối với tháp chưng cất này, chúng ta dùng hơi nước quá nhiệt ở 260
o
C ,P= 3atm
để stripping cặn AR, các phân đoạn sườn lấy ra từ sườn của tháp chưng cất. Toàn bộ hơi
nước dùng để stripping bị ngưng tụ ở thiết bị làm lạnh dòng bay hơi ra từ đỉnh tháp
chưng cất và chảy ra ngoài từ đáy bình hồi lưu. Entanpy của hơi nước đó cho ở H3.14
[1], lượng hơi nước cần dùng được tìm theo H3.15 [1]. Entanpy của dầu xác định nhờ
[2].
Bảng A.7 .Đặc trưng các phân đoạn
(coi số đo tỷ khối bằng số đo khối lượng riêng)
Phân
đoạn
%V
Thể tích
(m
3
/h)
Tỷ khối d
Khối
lượng
(tấn/h)
Phân tử
lượng M
Số
Kmol/h

Khí +
naphta
21,95 220,15 0,7175 157,952 118 1338,58
Kerosen
6,58 66 0,7728 51,005 171 298,27
LGO
15 150,45 0,8098 121,837 217 561,46
HGO
10,96 109,9 0,8137 89,424 279 320,52
∑
54,47 546,5 0,7689 420,218 167 2518,83
AR
45,51 456,5 0,8816 402,449 475 847,24
Dầu thô
100 1003 0,8203 822,667 244,4 3366,07
I. Tính toán điều kiện vùng nạp liệu-đáy tháp
I.1 Sơ đồ dòng vùng nạp liệu-đáy tháp
Theo điều kiện đã tìm thấy ở bảng A.7 và hình I.1 ta có hệ 2 phương trình sau:
gentle - 11 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
V
a
+ V
o
– L
o
= 54,49
L
a
+ L

o
– V
o
= 45,51
V
a
+ L
a
= 100

HÌNH.I.1: Sơ đồ dòng vùng nạp liệu-đáy tháp
Trong đó:
- V
a
: dòng hơi bay lên từ dầu thô
- L
a
: dòng lỏng chảy xuống từ dầu thô
- V
o
: dòng hơi sinh ra nhờ stripping
- L
o
: dòng hồi lưu lỏng
- W
o
: dòng hơi nước stripping đáy tháp
Để tìm được nhiệt độ tại đĩa nạp liệu ta dựa vào đường bay hơi Flash của dầu tại
vùng đó. Nhiệt độ tại đĩa nạp liệu T
a

sẽ là nhiệt độ ứng với độ bay hơi V
a
% trên đường
Flash đó. Muốn thế cần biết V
a
và áp suất hơi riêng phần của hơi dầu tại đĩa nạp liệu
(biết V
a
, V
o
, W
o
, P tại đĩa nạp liệu). Do không thể biết chính xác V
o
, L
o
nên bài toán chỉ
được giải quyết dựa vào những số liệu rút ra từ kinh nghiệm.
I.2 Lưu lượng các dòng
Kinh nghiệm chỉ ra rằng cần làm bay hơi 3 -5 % thể tích (so với dầu thô) bằng
cách stripping lỏng ở đáy tháp. Theo H3.15 [1] thì để stripping 3% AR (6,6% dầu thô)
cần dùng 1,4 lb hơi nước cho 1 gallon AR, tức khoảng 0.168 kg hơi nước cho 1l AR.
Vậy lượng hơi nước cần dùng để stripping là :
W
o
= 0,168. 465,5.10
3
= 76692 (kg/h) = 4260,67 (kmol/h)
gentle - 12 - 4/28/2013
W

o
L
o
Dầu thô
V
a
L
a
V
o
T
a
Hơi nước W
o
AR= 456,5 m
3
/h
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
Thông thường phải làm bay hơi 1 lượng dầu thô vượt quá tổng lượng các phân
đoạn distillat (các phân đoạn lấy ra ở phía trên đĩa nạp liệu) một lượng 3 – 5%. Ta dùng
V
o
= 3%; giả sử L
o
= 6%. Theo hệ phương trình lập ra ở I.1 ta có:
54,49 = V
a
+ 3 - 6 = V
a
-3

45,51 = L
a
+ 6 -3 = L
a
+3
 V
a
= 57,49%
L
a
= 42,51%
I.3 Độ nặng các dòng ở vùng nạp liệu
Theo H3.17 [1], tỷ khối V
a
là 0,777 ;của dòng L
a
là 0,878
Phân tử lượng của phân đoạn từ 54,49–57,49 % là 322 (theo H3.13 [1])
Do đó phân tử lượng trung bình của V
a
là :
175
49,57
332249,54167
=
⋅+⋅
=
Va
M
Khối lượng dòng V

a
là: 0,777.57,49% .1003 = 448,018 (tấn/h)
Lưu lượng mol dòng V
a
là: 448.018/175 = 2550,33 (kmol/h)
Theo đề bài, vùng stripping đáy tháp gồm 6 đĩa ( đĩa 42-48) nên thực tế tháp
chưng cất hoạt động theo kiểu gần như không có vùng chưng. Khả năng phân tách ở
vùng này không cao, mà ở đó chủ yếu chỉ xảy ra sự phân tách những hợp phần nhẹ nhất
xót lại khỏi các dòng lỏng đang chảy xuống. Trong số 2 dòng L
a
và L
o
thì dòng L
a
chứa
nhiều các hợp phần nhẹ hơn so với dòng L
o
. Nguyên nhân là do dòng L
a
vốn là pha lỏng
của dòng dầu thô vừa nạp vào đáy tháp, nó nằm cân bằng Flash với dòng hơi V
a
, còn
dòng L
o
là dòng hồi lưu lỏng đã được trao đổi chất khá tốt với dòng hơi trong vùng phía
trên đĩa nạp liệu. Vậy quá trình stripping xảy ra chủ yếu với dòng L
a
. Bản chất dòng L
o

thay đổi không nhiều trong vùng nạp liệu-đáy tháp.
Như vậy mặc dù dòng L
a
sinh ra tại đĩa nạp liệu còng dòng L
o
chảy từ trên xuống
qua đĩa nạp liệu nhưng dòng L
o
vẫn phải nặng hơn dòng L
a
nhưng không thể nặng hơn
AR.
0,878 < d
Lo
< 0,8816
Ta coi tỷ khối dòng L
o
là 0,881. Như vậy theo H I.1 ta có phương trình cân bằng
khối lượng sau:
m
AR
= m
La
+ m
Lo
– m
Vo

hay: 402,449 = 42,51%.1003.0,878 + 6%.1003.0,881 – 3%.1003.ρ
Vo

⇒ ρ
Vo
= 0,81 (tấn/m
3
) hay tỷ khối của dòng V
o
là 0,81 (= d
LGO
)
Như vậy phân tử lượng trung bình của dòng hơi V
o
là 217.
Lưu lượng mol dòng V
o
là: 3%.1003.0,81/217 = 112,32
I.4 Nhiệt độ tại đĩa nạp liệu
Áp suất tại đĩa nạp liệu P
a
:
gentle - 13 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
P
a
= 1,5.760 + 42.8 = 1476 mmHg
Áp suất hơi riêng phần của dầu tại đĩa nạp liệu P
a
’
( ) ( )
mmHg
WVV

VV
P
ooa
oa
a
5681476.
67,426032,11233,2550
32,11233,2550
'
=
++
+
=
++
+
=
 Vẽ đường Flash, (coi đường FRL trùng đường Flash)
Theo H3.11 [2] ta có:
Với B = 5,24 (
o
C/%) thì:
A = 3,43 (
o
C/%)
ΔT
50
= T
50DRL
– T
50FRL

= 22
Mà T
50DRL
= 336
o
C nên t
50FRL
= 314
o
C
Như vậy đường Flash (tại1atm) được xây dựng với độ nghiêng A = 3,43 (
o
C/%),
t
50
=314
o
C.
Tịnh tiến đường Flash (tại 1 atm) xuống phía dưới 14
o
C ta sẽ có đường Flash tại
568 mmHg.
Lấy t
57,49
trên đường Flash ta được T
a
= 340
o
C
I.5 Nhiệt độ tại đáy tháp chưng cất

Nhiệt độ ở đáy tháp chưng cất là nhiệt độ dòng AR.
Phương pháp tính T
đ
dựa trên cân bằng Entanpy của vùng nạp liệu-đáy tháp. Số
liệu tính toán cho ở bảng I.1, Entanpy của các dòng dầu lấy từ biểu đồ trang 83 tài liệu
[2], entanpy của hơi nước cho ở H3.14 [1]
Bảng I.1 Số liệu liên quan đến vùng nạp liệu-đáy tháp
Dòng Nhiệt độ d
Thể tích
(m
3
/h)
Khối lượng
(kg/h)
Entanpy
Kcal/kg Kcal/h
Vào
L
a
(lỏng) 340 0,878 426,4 374.379 213 79742727
L
o
(lỏng) 340 0,881 60,2 53036 212 11243632
W
o
220 76692 716 54911472
Ra
AR (lỏng) T
đ
0,8816 402449 x 402449.x

V
o
(hơi) 340 0,81 30,1 24381 251 6119631
W
o
340 76692 766 58746072
Ta có cân bằng Entanpy:
∑E
v
= ∑E
r
145897831 = 64865703+ 402449.x
 x = 201
Căn cứ vào biểu đồ trang 83 [2] ta có T
đ
= 332
o
C
II. Tính nhiệt độ tại đĩa lấy HGO
gentle - 14 - 4/28/2013
Đồ án Công Nghệ Lọc Dầu Lọc Hóa Dầu - K50
HÌNH II.1.Sơ đồ dòng vùng HGO
Ta quyết định stripping 6% so với HGO lấy ra. Theo H3.15 [1] cần dùng 0.3
pounds hơi nước để stripping 1 gallon HGO (tương ứng là 35 kg hơi nước cho 1 m
3
HGO).
Do vậy tổng lượng hơi nước cần dùng là:
W
1
= 35.109,9 = 3846,5 (kg/h)

Hay: 213,7 kmol/h
Trong sơ đồ, H II.1 có:
V
1
(tổng các phân đoạn hơi) = 220,15+66+156,45+109,9
(tương ứng 2518,83 kmol.h) = 546,5 (m
3
/h)
S
1
(dòng hơi bị stripping từ dòng lỏng L
1
) :
S
1
= L
1
– L
1
’
Có thể coi S
1
có tỷ khối bằng tỷ khối của phân đoạn phía trên gần phân đoạn
HGO nhất (tức là phân đoạn LGO) :
d
S1
= 0,8098

015,79,109.
94.100

100.6
1
==
S
(m
3
/h) hay 5680,66 (kg/h)
Các số liệu về dòng hồi lưu R
1
tại đĩa lấy HGO được xác định dựa trên cân bằng
khối lượng các dòng đầu vào và ra khỏi tháp stripping :
109,9.0,8137+1,015.0,8098=116,915ρ
L1
=> ρ
L1
= 0,8135
→ Khối lượng dòng L
1
là 95110 kg/h
Vậy tỉ khối dòng R
1
là 0,8135.
Sử dụng phương pháp cân bằng Entanpy để tính nhiệt độ đĩa lấy HGO.
Bảng II.1 Số liệu liên quan đến vùng lấy HGO
gentle - 15 - 4/28/2013
Nguyên liệu
Hơi nước
Đĩa lấy HGO
T
a

= 340
o
C
V
1
R
1
W
0
R
1
W
1
S
1
L
1
W
1
HGO
L
1
’ = 109,9 m
3
/h
V
a
V
o
W

o
L
o
Tháp
strip
ping