Đồ án chuyên ngành tìm hiểu phân xưởng rfcc dung quất thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm e 1501 ab

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CRAKING XÚC TÁC

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC

1.1.1 Sơ lược về quá trình cracking

Quá trình cracking đã được nghiên cứu từ lâu nhưng giai đoạn đầu chỉ là các quá trình biến đổi dưới tác dụng đơn thuần của nhiệt độ và áp suất (quá trình cracking nhiệt) với hiệu suất và chất lượng thấp, tiến hành ở điều kiện khắc nghiệt, tại nhiệt độ cao và áp suất cao Để nâng cao hiệu suất, chất lượng, cho phép tiến hành quá trình ở những điều kiện mềm mại hơn (nhiệt độ thấp hơn, áp suất thấp hơn) người ta đã đưa vào quá trình những chất mà có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hoá, tăng tốc độ phản ứng, tăng tính chất chọn lọc (hướng phản ứng theo hướng cần thiết) và nó không bị biến đổi trong quá trình phản ứng đó là chất xúc tác và quá trình được gọi là quá trình cracking xúc tác Cho đến nay,quá trình này đã ngày càng được cải tiến, hoàn thiện về mọi mặt (công nghệ, xúc tác, thiết bị ) cho phù hợp hơn.

Tại Việt Nam ở nhà máy lọc dầu Dung Quất thì công nghệ RFCC của AXENS kết hợp hai tầng xúc tác, hệ thống phun nhiên liệu đồng nhất, dòng điều khiển nhiệt (mix temperature control), hệ thông tách cuối Riser và các thiết bị phân phối không khí, nước Công nghệ thực nghiệm RFCC của AXENS có thể chuyển hóa cặn chưng cất thành các sản phẩm linh hoạt.

Phần tháp chưng cất phân tách sản phẩm hơi từ thiết bị phản ứng Các sản phẩm gồm dầu cặn (clarified oil), LCO và xăng nặng Để tối đa sản phẩm xăng, phần xăng nặng được trộn với xăng nhẹ từ phân xưởng thu hồi khí Để tối đa sản phẩm Diesel, phần xăng nặng sẽ được trộn với LCO.

Phần hơi và lỏng ở đỉnh tháp chưng cất được xử lý tại phân xưởng thu hồi khí. Sản phẩm của phân xưởng này gồm xăng nhẹ, khí đốt và LPG được xử lý amine.

Phân xưởng RFCC được thiết kế chạy ở 2 chế độ:

Tối đa xăng Cracking (Max Gasoline)

Tối đa LCO (Max Distillate)

Dưới đây là sơ đồ khái quát quá trình Cracking xúc tác trong công nghiệp:

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình Cracking xúc tác công nghiệp

Sơ đồ của một thiết bị phản ứng chứa lớp xúc tác động, cùng với một bộ phận phân tách hạt xúc tác và sản phẩm, một thiết bị hoàn nguyên xúc tác, trong đó cốc và sản phẩm cacbon phân tử lượng cao, được đốt cháy để hồi phục hoạt tính của xúc tác và một thiết bị chưng cất để tách các sản phẩm của quá trình và một phần dầu nặng được hoàn lưu trở lại thiết bị cracking [3]

Bảng 1.1 Thông số công nghệ của quá trình Cracking xúc tác [3]

Nhiệt độ, o C Đáy 550 Đỉnh 510 Áp suất, atm 3

Tỉ số chất xúc tác/ dầu 6

Thiết bị hoàn nguyên xúc tác

Tỉ số CO/CO2 (mol/mol) 0,7-1,3 : 1 Áp suất ở đáy tầng xúc tác động, atm 3,5

Tốc độ dòng pha khí, m/s 60

Thời gian lưu của chất xúc tác rắn, s 30

Hàm lượng chất xúc tác rắn, %kl

1.1.2 Mục đích, vai trò của quá trình Cracking xúc tác

Cracking xúc tác chất lỏng (FCC) là một trong những công nghệ chuyển đổi chính trong ngành công nghiệp lọc dầu và sản xuất phần lớn xăng trên thế giới Mục đích của quá trình cracking xúc tác là nhận các cấu tử có trị số octan cao cho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn, chủ yếu là phần cất nặng hơn từ các quá trình chưng cất trực tiếp của dầu thô Đồng thời ngoài mục đích nhận xăng người ta còn nhận được cả nguyên liệu có chất lượng cao cho công nghệ tổng hợp hoá dầu và hoá học Ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm phụ khác như gasoil nhẹ, gasoil nặng, khí chủ yếu là các phần tử có nhánh đó là các cấu tử quý cho tổng hợp hoá dầu [1]

Quá trình cracking xúc tác là quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ một nhà máy chế biến dầu nào trên thế giới, vì quá trình này là một trong các quá trình chính sản xuất xăng có trị số octan cao Xăng thu được từ quá trình này được dùng để phối trộn với các loại xăng khác để tạo ra các mác xăng khác nhau Khối lượng xăng thu từ quá trình chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 70-80% so với tổng lượng xăng thu từ các quá trình chế biến khác.

Lượng dầu mỏ được chế biến bằng cracking xúc tác chiếm tương đối lớn Ví dụ vào năm 1965, lượng dầu mỏ thế giới chế biến được 1500 tấn/ngày thì trong đó cracking xúc tác chiếm 800 tấn (tương ứng 53%) [1]

NGUYÊN LIỆU [2]

Nguyên liệu cơ bản cho quá trình cracking xúc tác là phần cất chân không của cặn dầu thô khi chưng cất khí quyển từ Mỏ Bạch Hổ Chúng thường chứa 5 - 10% phân đoạn sôi đến 350 o C và có nhiệt độ sôi cuối tới 520 - 540 o C Trong nhiều trường hợp, người ta cũng có thể dùng cả phân đoạn nhẹ của chưng cất khí quyển, phân đoạn kerosen-gazoil của cracking nhiệt hay cốc hoá và có thể cả phần rafinat của quá trình khử asphan mazut và gudron trong sản xuất dầu nhờn hoặc là phân đoạn mazut của dầu ít kim loại Các đặc trưng quan trọng nhất của nguyên liệu có ảnh hưởng quyết định đến các chỉ tiêu của quá trình cracking là thành phần phân đoạn, hằng số đặc trưng K, thành phần nhóm hydrocacbon, hàm lượng nhựa - asphan, hàm lượng các tạp chất nitơ, lưu huỳnh, kim loại và cốc hoá.

Trong nguyên liệu cracking xúc tác không nên có mặt các phân đoạn nhẹ có nhiệt độ sôi C + bậc 2 > C + bậc 1 [1] Độ bền của ion cacboni sẽ quyết định mức độ tham gia các phản ứng tiếp theo của chúng Vì các ion cacboni bậc 3 có độ bền cao nhất nên sẽ cho phép nhận hiệu suất cao các hợp chất iso- parafin. Đồng thời các ion cacboni nhanh chóng lại tác dụng với các phân tử trung hoà olefin ( C m H 2m ) hay parafin (C m H 2m +2 ) tạo thành các ion cacboni mới.

Phản ứng cracking: các ion cacboni có số nguyên tử cacbon lớn xảy ra sự phân huỷ và đứt mạch ở vị trí so với nguyên tử cacbon tích điện Sản phẩm phân huỷ là một phân tử hydrocacbon trung hoà và ion cacboni mới có số nguyên tử cacbon nhỏ hơn. c) Giai đoạn 3: Giai đoạn dừng phản ứng

Giai đoạn này xảy ra khi các ion cacboni kết hợp với nhau, hoặc chúng nhường hay nhận nguyên tử hydro của xúc tác để tạo thành các phân tử trung hoà.

1.4.3 Động học phản ứng Cracking

Về động học, cracking xúc tác là một thí dụ điển hình về xúc tác dị thể Quá trình cracking xúc tác có thể xảy ra các giai đoạn sau:

1 - Quá trình khuếch tán nguyên liệu đến bề mặt xúc tác (khuếch tán ngoài).

2 - Khuếch tán hơi nguyên liệu đến các tâm hoạt tính trong lỗ xốp của xúc tác (khuếch tán trong).

3 - Hấp phụ nguyên liệu trên tâm hoạt hoạt tính xúc tác.

4 - Các phản ứng hóa học trên bề mặt xúc tác.

5 - Khử hấp phụ các sản phẩm cracking và nguyên liệu chưa tham gia phản ứng ra khỏi bề mặt và ra khỏi lỗ xốp của xúc tác.

6 - Tách các sản phẩm cracking và nguyên liệu chưa tham gia phản ứng ra khỏi vùng phản ứng.

Tốc độ chung của quá trình như vậy sẽ được quyết định bởi giai đoạn nào chậm nhất Phản ứng xảy ra trong vùng động học hay vùng khuếch tán hoàn toàn phụ thuộc vào bản chất của xúc tác được sử dụng, phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và vào chế độ công nghệ của quá trình Các nghiên cứu đã cho thấy, nếu quá trình cracking xúc tác nguyên liệu là gazoil nhẹ (nguyên liệu mẫu) trên xúc tác dạng cầu khi kích thước hạt xúc tác từ 3 ÷ 5 mm và nhiệt độ là 450 ÷ 500 0 C thì phản ứng xảy ra ở vùng trung gian giữa động học và khuếch tán Còn khi cracking lớp sôi (FCC) của xúc tác ở nhiệt độ 480 ÷ 530 0 C thì phản ứng xảy ra ở vùng động học

XÚC TÁC

Phản ứng cracking xúc tác chủ yếu xảy ra trên bề mặt của xúc tác Chiều của phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của xúc tác,cũng như phụ thuộc vào chất lượng của nguyên liệu và các thông số công nghệ của quá trình Trong quá trình, cốc tạo ra bám trên bề mặt của xúc tác, làm giảm hoạt tính của nó Vì thế việc khôi phục lại hoạt tính xúc tác cũng là một vấn đề hết sức quan trọng, cần được giải quyết với xúc tác cracking công nghiệp [2].

1.5.1 Vai trò của xúc tác trong quá trình cracking

Xúc tác trong quá trình cracking có tầm quan trọng rất lớn Nó có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng do vậy mà tăng được tốc độ phản ứng lên rất nhiều Dùng xúc tác cho phép quá trình tiến hành ở điều kiện mềm hơn và khi có mặt của xúc tác thì làm tăng tốc độ phản ứng sẽ đẩy nhanh phản ứng đến trạng thái cân bằng làm tăng hiệu quả của quá trình Ngoài ra, xúc tác còn có tính chọn lọc, nó có khả năng làm tăng hay chậm không đều các loại phản ứng, có nghĩa là hướng phản ứng theo chiều có lợi.

Một số vai trò chính của xúc tác:

Làm giảm năng lượng hoạt hóa, tăng tốc độ phản ứng Làm giảm nhiệt độ cần thiết cho phản ứng

Tăng tính chọn lọc cho phản ứng, hướng phản ứng theo hướng có lợi.

1.5.2 Các loại xúc tác sử dụng

1.5.2.1 Xúc tác triclorua nhôm AlCl3 [1]

Triclorua nhôm cho phép tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp: 200 – 300ºC, dễ chế tạo Nhược điểm là xúc tác bị mất mát do tạo phức với hydrocacbon của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp [1]

1.5.2.2 Xúc tác Aluminosilicat vô định hình [1]

Ban đầu người ta sử dụng đất sét bentonit, song hiệu suất chuyển hoá thấp Sau đó dùng aluminosilicat tổng hợp, xúc tác này có hoạt tính cao hơn Xúc tác aluminosilicat là loại khoáng sét tự nhiên hoặc tổng hợp có thành phần chủ yếu như sau: SiO 2 (75 ÷90%), Al 2 O 3 (10 ÷25%), có bề mặt riêng 300÷500 m 2 /g Ngoài ra còn có

H 2 O, các tạp chất Fe 2 O 3 , CaO, MgO.

Xúc tác aluminosilicat vô định hình có tính axit, đó là các axít rắn Các tâm hoạt tính nằm trên bề mặt xúc tác, được chia làm hai loại: tâm Lewis và tâm Bronsted. Tâm Lewis là những tâm thiếu hụt electron của nhôm Nhôm luôn có xu hướng nhận thêm cặp điện tử để lấp đầy quỹ đạo p trống Còn tâm axit Bronsted là những tâm khi tham gia phản ứng có khả năng cho proton hoạt động.

1.5.2.3 Xúc tác zeolit và xúc tác chứa zeolit

Zeolit là hợp chất của alumino – silic, là chất tinh thể có cấu trúc đặc biệt Cấu trúc của chúng được đặc trưng bởi các mạng lỗ rỗng, rãnh, rất nhỏ thông với nhau. Thành phần hoá học của zeolit như sau: M 2 /n.Al 2 O 3 x.SiO 2 yH 2 O

Trong đó: n là hoá trị của cation kim loại M.

Về cấu tạo, zeolit được tạo thành từ các đơn vị cấu trúc cơ bản gọi là đơn vị cấu trúc sodalit Nếu các đơn vị này nối với nhau theo các mặt 4 cạnh ta có zeolit loại A còn nếu nối với nhau theo mặt 6 cạnh thì ta có zeolit loại X hay Y, có cấu trúc tương tự như faurazit.

Hình 1.2 Đơn vị cơ bản của Zeolit

Ngày nay người ta đã chế tạo được hàng trăm loại zeolit, chúng đặc trưng bởi kích thước các “cửa sổ” khác nhau Ví dụ đặc trưng của một số loại zeolit được dùng phổ biến trong cracking xúc tác dẫn ra ở bảng:

Bảng 1.7 Đặc trưng cơ bản của một vài loại Zeolit [2]

Zeolit Thành phần hóa học Đường kính lỗ trung bình, Å

Zeolit có hoạt tính cracking lớn, vì thế người ta dùng nó ở dạng hỗn hợp với xúc tác vô định hình hay aluminosilicat tinh thể và được gọi là xúc tác chứa zeolit. Trong lúc sản xuất xúc tác, người ta thường trộn 10 ÷ 20% khối lượng zeolit, với hợp chất như vậy, xúc tác cũng đã có hoạt tính mạnh, hơn hẳn xúc tác aluminosilicat thông thường Trong công nghiệp người ta chế tạo xúc tác chưa zeolit ở hai dạng chính: Xúc tác dạng cầu và xúc tác dạng bột Từ xúc tác dạng bột sau đó cải tiến thành xúc tác dạng cầu, thường được áp dụng cho quá trình cracking xúc tác lớp sôi (FCC), còn xúc tác dạng cầu với kích thước hạt từ 3 mm–5mm thì dùng cho quá trình cracking lớp xúc tác chuyển động (TCC- Thermofor Catalytic Cracking).

Nói tóm lại, xúc tác chứa zeolit cho quá trình cracking có nhiều ưu điểm hơn hẳn các xúc tác khác, nên hiện giờ đây ở các nước công nghiệp chế biến dầu mỏ và khí tiên tiến, người ta lần lượt thay thế xúc tác chứa zeolit cho aluminosilicat tổng hợp. Hiện nay người ta đang sử dụng xúc tác zeolit siêu bền, nó đáp ứng được mọi yêu cầu của xúc tác trong quá trình cracking.

1.5.3 Những yêu cầu cần thiết đối với xúc tác cracking

Hoạt tính xúc tác phải cao : Sự có mặt của xúc tác sẽ làm giảm năng lượng cần thiết cho phản ứng và thời gian phản ứng Độ hoạt tính của xúc tác phụ thuộc vào hoạt tính, diện tích bề mặt và độ lớn của chất xúc tác Hoạt tính của xúc tác càng cao sẽ cho hiệu suất xăng càng lớn Hoạt tính của xúc tác là yêu cầu quan trọng nhất đối với xúc tác trong quá trình cracking Độ chọn lọc xúc tác phải cao : Khả năng của xúc tác làm tăng tốc độ các phản ứng có lợi, đồng thời làm giảm tốc độ các phản ứng không mong muốn được gọi là độ chọn lọc của xúc tác Độ chọn lọc của xúc tác quyết định khả năng tạo các sản phẩm có giá trị của nó Xúc tác có độ chọn lọc cao thì quá trình cracking sẽ cho xăng có chất lượng cao và hiệu suất lớn và trong khí cracking có nồng độ lớn các hydrocacbon có cấu trúc nhánh Sau một thời gian làm việc, cũng giống như độ hoạt tính, độ chọn lọc của xúc tác cũng bị giảm chính điều này gây ra những thay đổi về tính chất của xúc tác trong điều kiện làm việc.

Xúc tác phải có độ ổn định cao, bền cơ bền nhiệt: Xúc tác phải giữ được những đặc tính chủ yếu (như hoạt tính, độ chọn lọc) của nó sau thời gian làm việc lâu dài. Trong quá trình làm việc xúc tác cọ xát với nhau và xúc tác cọ xát vào thành thiết bị làm cho xúc tác dễ bị vỡ, khi xúc tác bị vỡ làm tổn thất áp suất qua lớp xúc tác tăng lên, làm mất mát xúc tác lớn Do vậy mà xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ.Đồng thời, trong quá trình làm việc nhiệt độ có thể thay đổi Khi nhiệt độ cao nếu xúc tác không có độ bền nhiệt thì có thể bị biến đổi cấu trúc dẫn đến làm giảm các tính chất của xúc tác.

Xúc tác phải đảm bảo độ thuần nhất cao và bền với các chất ngộ độc xúc tác:

Xúc tác cần đồng nhất về thành phần, cấu trúc, hình dáng và kích thước Mặt khác khi kích thước không đồng đều sẽ làm tăng khả năng vỡ vụn dẫn đến tổn hao xúc tác, khi cấu trúc lỗ xốp không đồng đều thì sẽ làm giảm bề mặt tiếp xúc dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác Xúc tác phải có khả năng chống có hiệu quả tác dụng gây ngộ độc của những hợp chất của nitơ, lưu huỳnh (NH 3 , H 2 S), các kim loại nặng để kéo dài thời gian làm việc của xúc tác.

Xúc tác có khả năng tái sinh, dễ sản xuất và giá cả hợp lí: Xúc tác có khả năng tái sinh tốt thì sẽ nâng cao được hiệu quả và năng suất của quá trình, lượng tiêu hao xúc tác cũng giảm xuống Xúc tác bị mất hoạt tính trong quá trình phản ứng do nguyên nhân chính là cốc tạo ra bám trên bề mặt hoạt động của xúc tác Vì thế để tái sinh xúc tác, người ta cần phải tiến hành đốt cốc bằng không khí nóng trong lò tái sinh.

1.5.4 Thị trường xúc tác FCC

Tổng công suất của nhà máy sản xuất xúc tác FCC trên thế giới đạt khoảng 670 nghìn tấn/năm (2012) Riêng tại khu vực Châu Á - Thái Bình Dương, nhu cầu tiêu thụ xúc tác FCC đạt khoảng 105 nghìn tấn vào năm 2012, chiếm 82% thị trường các loại xúc tác. Ở Việt Nam, xúc tác FCC đang được sử dụng tại nhà máy Lọc dầu Dung Quất và được cung ứng hoàn toàn bằng nguồn nhập khẩu từ hai nhà cung cấp chính là Grace Davison và Albermarle Năm 2013, lượng tiêu thụ xúc tác FCC tại nhà máy Lọc dầu Dung Quất là khoảng 4.541 tấn/năm (tương ứng với 12 tấn xúc tác trên ngày).

CÔNG NGHỆ CRACKING XÚC TÁC

LỊCH SỬ CÔNG NGHỆ CRACKING XÚC TÁC

Cracking xúc tác bắt đầu phát triển trong những năm cuối của thập kỷ 30 thế kỉ trước Trong nhiều năm, người ta hết sức quan tâm hoàn thiện một hệ reactor cracking, bao gồm : ống phản ứng, hệ xyclon, đầu phun nguyên liệu, Mọi cải tiến đều nhằm tăng cường sự tiếp xúc tốt giữa nguyên liệu cracking và chất xúc tác, thực hiện phản ứng cracking hoàn toàn trong ống phản ứng (riser), nâng cao hiệu suất sản phẩm mong muốn, giảm thiểu các sản phẩm phụ không cần thiết.

Bên cạnh sự quan tâm cải tiến reactor phản ứng, người ta còn chú ý cải tiến hoàn nguyên xúc tác Trong thời kỳ đầu (khoảng 20 năm), hoạt động của các nhà máy lọc dầu, các thiết bị hoàn nguyên xúc tác đều phát ra khí xả chứa chủ yếu CO và CO 2 Trong những năm đầu của thập kỷ 1970 người ta phải cải tiến việc chế tạo chất xúc tác và lắp đặt thêm các thiết bị phụ trợ (lò đốt CO) để chuyển hóa CO thành CO 2 , nhằm giảm thiểu độ độc hại của khí thải Năm 1973, một hệ thồng FCC của UOP được lắp đặt thiết bị hoàn nguyên xúc tác mới, có hiệu quả cao trong việc chuyển hóa trực tiếp

CO thành CO 2 Từ đó về sau, các cơ sở FCC đều được thiết kế theo công nghệ hoàn nguyên xúc tác cải tiến, do đó hiệu suất cốc giảm, phát thải CO thấp hơn (đáp ứng tiêu chuẩn môi trường), và cải thiện chất lượng, độ chọn lọc sản phẩm.[3]

Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị phản ứng FCC

CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ

Các thông số công nghệ của quá trình ảnh hưởng đến các chỉ tiêu làm việc của quá trình cracking xúc tác Các thông số công nghệ bao gồm:

Tốc độ nạp liệu không gian thể tích (tốc độ nạp liệu riêng) Bội số tuần hoàn xúc tác

Mức độ biến đổi hay độ sâu chuyển hoá.

CÔNG NGHỆ CRACKING XÚC TÁC TẦNG SÔI

Qua lịch sử phát triển của quá trình cracking xúc tác, đồng thời qua phân tích đánh giá các yêu cầu khác như chế độ làm việc, nguyên liệu xúc tác ta thấy quá trình FCC có rất nhiều ưu điểm và thuận lợi, hệ thống này được sử dụng ngày càng phổ biến trong công nghiệp dầu mỏ, nó được các hãng công nghiệp hàng đầu trong lĩnh vực này như UOP, Kellogg, Shell, IFP, Exxon nghiên cứu để hoàn thiện hơn nhằm mục đích đạt năng suất hiệu quả cao nhất, sử dụng nguyên liệu nặng hơn, tiết kiệm được xúc tác và phải là kinh tế nhất.

Qua thực tế dùng hệ thống cracking xúc tác lớp sôi sử dụng xúc tác dạng bụi hay vi cầu, người ta thấy nó có nhiều ưu điểm hơn trong các hệ thống cracking xúc tác chuyển động Những ưu điểm đó là:

- Các thiết bị chính có cấu tạo rất đơn giản, so với các dạng thiết bị khác của quá trình cracking thực tế chúng là hình rỗng.

- Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh và ngược lại là nhờ sự vận chuyển liên tục của hơi và khí trong một giới hạn rộng.

- Do sự khuấy trộn mạnh mẽ của xúc tác và hơi nguyên liệu dẫn đến sự đồng nhất về nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lớp xúc tác ở thiết bị phản ứng cũng như thiết bị tái sinh, khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ.

- Hệ thống này có khả năng chế biến các dạng nguyên liệu khác nhau, như từ nguyên liệu là phân đoạn kerosen đến nguyên liệu nặng là mazut, làm tăng tính vạn năng của hệ thống.

- Hệ thống này có công suất làm việc lớn và có thời gian tiếp xúc ngắn (thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và xúc tác là cực tiểu) dẫn đến việc đạt được hiệu suất xăng cực đại và olefin nhẹ không xảy ra phản ứng ngưng tụ bậc hai mà đã tạo xăng ứng dụng phương pháp tái sinh (cháy hoàn toàn CO trong thiết bị tái sinh) dẫn đến đạt hàm lượng cất cặn rất thấp trong xúc tác.

Dựa vào các ưu điểm đó, nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất lựa chọn sơ đồ công nghệ xúc tác tầng sôi có lò tái sinh xúc tác 2 cấp.

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ FCC Sơ đồ dây chuyền công nghệ gồm 5 cụm chính:

- Cụm chuẩn bị nguyên liệu

- Cụm chưng phân tách sản phẩm

- Cụm thu hồi và xử lý khí

Chi tiết các cụm chức năng trong phân xưởng RFCC Dung Quất sẽ được trình bày trong phần PFD.

TÌM HIỂU VỀ PFD VÀ P&ID

BẢN VẼ PFD

PFD của phân xưởng RFCC bao gồm 5 bản vẽ PFD:

PFD 01: Reactor/Regeneration Section - Thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh (Lê Thị Mai)

PFD 02: Flue Gas Treatment Section – Xử lí khí thải (Nguyễn Đức Nam)

PFD 03: Feed Section - Chuẩn bị nguyên liệu (Nguyễn Hoàng Long)

PFD 04: Fractionation Section – Phân tách sản phẩm (Phạm Xuân Nhật)

PFD 05: Gas Recovery Section – Thu hồi khí (Phan Trọng Nghĩa)

Hình 3.3 PFD Reactor/Regeneration Section - Thiết bị phản ứng/tái sinh

Bản PFD chia làm 3 khu vực:

Dòng Fresh Feed từ Feed Section P-1501 có nhiệt độ 290 o C, lưu lượng dòng là

407000 kg/h Dòng nguyên liệu được gia nhiệt trước khi vào ống phản ứng và đi qua van điều khiển lưu lượng Sau đó đến khu vực I-1501 A-F trộn với dòng hơi nước áp suất trung bình (MP Stream) có lưu lượng là 16200 kg/h Sau khi phối trộn sẽ được phun vào gần cuối ống Riser của thiết bị phản ứng D-1501.

Dòng dầu Backflush từ phần phân đoạn (Fractionation Section) được bơm P-

1506 A/B có nhiệt độ là 170 o C và lưu lượng là 5000 kg/h Dòng dầu Backflush là dầu thải tách ra từ tháp tách X-1504, dòng dầu thì có chứa hàm lượng xúc tác nên được quay trở lại ống phản ứng Riser Dòng dầu cũng được đi qua van điều khiển lưu lượng và qua cụm vòi phun I-1504 để phun cùng dòng hơi nước áp suất trung bình lưu lượng

Dòng dầu MTC (Mix Temperature Control) lấy ra từ đĩa thứ 19 của tháp phân tách sản phẩm, MTC là dòng xăng nặng có thành phần nằm giữa phần cuối nhẹ của LCO và phần cuối nặng của naptha nặng Phân đoạn dầu này được đưa hồi lưu trở về ống Riser Dòng này thì được bơm bởi bơm P-1512 A/B tới cụm vời phun I-1504 và có được điều chỉnh lưu lưu lượng.

Phía dưới đáy ống Riser, dòng hơi được ổn định và phun vào thông qua 4 kim phun I-1503 A-D Lượng hơi được phun vào thì được điều chỉnh thông qua các van điều khiển lưu lượng (FC) với lưu lượng là 2790 kg/h và 500 kg/h.

Dòng hơi nước MP Steam cấp cho vùng bơm nguyên liệu có tổng lưu lượng là

20350 kg/h, nhiệt độ là 250 o C và được đi qua các van điều khiển để tới các vòi phun.

Thiết bị phản ứng (Reactor D-1501):

Thiết bị phản ứng làm việc với điều kiện áp suất là 1,43 kg/cm 2 và nhiệt độ trên đỉnh thiết bị là 518-505 o C.

Hỗn hợp nguyên liệu được phun vào ống đứng Riser bằng các kim phun, cùng với dòng hơi nước ở đáy ống đứng và dòng xúc tác có nhiệt độ cao (xúc tác được tuần hoàn từ thiết bị tái sinh qua van SV-1501 có lưu lượng là 37,77 kg/h) Nhờ nhiệt độ cao của xúc tác, nguyên liệu bay hơi tiếp xúc với dòng xúc tác nóng và chuyển động cùng chiều đi lên phía trên dọc trong ống Riser theo phương thẳng đứng Trong quá trình di chuyển thì xảy ra phản ứng cracking.

Cuối ống Riser sẽ được thiết kế đặc biệt (Riser Termination Device) và có thể tích lớn hơn nhằm mục đích tách xúc tác ra khỏi hỗn hợp với hydrocacbon nguyên liệu và sản phẩm Bộ phận này có thể tích lớn để giảm tốc độ dòng trong ống Riser cũng như tạo ra sự chuyển hướng đột ngột của dòng hỗn hợp xúc tác và sản phẩm Xúc tác rắn mất quán tính sẽ bị rơi xuống phía dưới còn hỗn hợp hydrocacbon khí cùng một số bụi xúc tác bay lên trên đỉnh thiết bị phản ứng Tại đỉnh được bố trí một hệ thống các xyclon CY-1501 A-F để tách các hạt xúc tác bị cuốn theo dòng sản phẩm tránh hiện tượng tiếp xúc giữa khí hydrocacbon và xúc tác tạo các phản ứng phụ không mong muốn.

Sản phẩm sau khi tách hoàn toàn xúc tác được lấy ra ở đỉnh với lưu lượng

425859 kg/h, đi qua một van và đi tới khu vực T-1501 để phân tách thành các phân đoạn sản phẩm khác nhau.

Xúc tác sau phản ứng được tách ra và tập trung về phía dưới của thiết bị phản ứng và đưa vào khu vực Stripper Tại đây các dòng hơi nước áo suất trung bình có nhiệt độ

250 o C sẽ được thổi vào các tầng Stripper qua các van điều chỉnh lưu lượng và tổng lưu lượng dòng MP Stream là 14300 kg/h để tách hết phần hơi hydrocacbon còn bám trên xúc tác Vùng Stripper có cấu tạo đặc biệt dạng mang cá để tách hydrocacbon ra khỏi xúc tác nhờ chuyển động ngược chiều giữa dòng xúc tác và dòng hơi nước.

Tác dụng của stripper: giảm thiểu hơi Hydrocacbon bị đưa tới thiết bị tái sinh.

Nếu Hydrocacbon bị đưa sang thiết bị tái sinh sẽ làm giảm nhiệt độ của thiết bị tái sinh vì mất đi một lượng sản phẩm lỏng bị đốt cháy trong thiết bị tái sinh, tăng áp suất của thiết bị tái sinh và tốt cho xác tác vì tránh gây phá hủy bởi nhiệt vì nhiệt độ tăng cao.

Xúc tác sau khi qua cụm Striper tách hết hơi Hydrocacbon bám sẽ được đưa sang thiết bị tái sinh xúc tác Xúc tác đã qua sử dụng sẽ được dẫn qua ống EX-1501, qua van dẫn xúc tác SV-1502 và xúc tác sẽ tự chảy vào thiết bị tái sinh.

Thiết bị tái sinh bao gồm 2 phần: First Regenerator D-1502 (Thiết bị tái sinh sơ cấp) và Second Regenerator D-1503 (Thiết bị tái sinh thứ cấp).

Các dòng vào ở đáy thiết bị tái sinh sơ cấp D-1503 là:

- Dòng xúc tác từ thiết bị phản ứng qua valve SV-1502.

- Dòng xúc tác mới được bổ sung và xúc tác phụ trợ từ cụm chưa xúc tác Dòng xúc tác mới từ nguồn hoặc xúc tác đã sử dụng được rút ra từ thiết bị tái sinh được xử lí trong

2 phễu xúc tác D-1505, D-1506 và D-1507, tương ứng là các xyclon CY-1505, CY-1506, CY-1507.

- Không khí được thổi từ khu vực cấp khí Không khí đi qua bộ lọc F-1501 và đi vào máy nén khí C-1501 Máy nén khí chạy với động cơ Turbin hơi nước ST-1501 với dòng hơi nước áp suất cao HP Steam và ra dòng LP Condensate Không khí sau máy nén có nhiệt độ là 232-238 o C và chia làm 2 dòng Một dòng qua van điều chỉnh lưu lượng đạt

47832 kg/h, và thổi vào đáy thiết bị tái sinh, dòng không khí này có thể liên tục hoặc có thể là gián đoạn cho quá trình nạp xúc tác Dòng thứ 2 sẽ được đi qua các thiết bị Heater H-1501 được làm nóng nhờ dòng Propan đạt nhiệt độ 561 o C và có lưu lượng 180946 kg/h.

Thiết bị tái sinh xúc tác dạng tầng sôi, không khí được thổi từ phía đáy và sử dụng dòng dầu Torch oil để đốt xúc tác Đốt cháy lượng cốc bám trên xúc tác Áp suất trong thiết bị là 2,28 kg/cm 2 và nhiệt độ là 646 o C.

Phía trên của thiết bị tái sinh có thiết bị cyclon khép CY-1502 A-F và CY-1503 A-F Phần khói sau tách ra từ D-1502 có lưu lượng 194650 kg/h sẽ được đưa sang phân đoạn tách khí (PFD 102) Xúc tác sau đốt cốc sẽ được thổi lên thiết bị tái sinh thứ cấp D-1503.

Tại thiết bị tái sinh thứ cấp D-1503 sẽ được cấp thêm không khí có nhiệt độ

LƯU ĐỒ P&ID

Dòng nguyên liệu đầu vào 303 được lấy từ thiết bị trao đổi nhiệt E-1502

A/B/C và chia đều vào hai thiết bị E-1501 A và E- 1501 B Dòng là dòng lỏng với NPS 12’, vật liệu làm ống B2AP và vật liệu bảo ôn ST2 Trên hai dòng đều chứa van khóa 10’ và bích mù mở Dòng nguyên liệu đi qua kết nối mặt bích giữa ống và thiết bị rồi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt.

Sau khi trao đổi nhiệt trong thiết bị, hai dòng nguyên liệu ra của hai thiết bị E-

1501 A/B đều có kích thước NPS 10’ được nối với thiết bị bằng mặt bích Giữa dòng có van áp suất an toàn PSV-408 A/B, áp suất đường ống class 1500# Dòng đi qua van chắn ắ’ và giếng nhiệt TW-534 và TW-535 Dũng đi qua van khúa 10’ và bích mù mở.

Hai dòng được kết hợp thành dòng 121 và đưa vào thiết bị M-1501 Trước khi đưa vào M-1501, dòng đi qua bộ điều khiển và chỉ thị áp suất PIC-410 và bộ chỉ thị nhiệt độ TI-414 có áp suất đường ống class 600#.

Từ dòng 311, bùn PA được cung cấp từ bơm P-1519 A/B/C được chia đều cho hai thiết bị A và B, một phần còn lại được cung cấp cho thiết bị trao đổi nhiệt E-

1502 A/B/C Dòng 311 ban đầu có NPS 20’, vật liệu làm ống B2FV và vật liệu bảo ôn ST1 Dòng vào hai thiết bị là NPS 8’ Đầu mỗi dòng có van khóa 8’ và bích mự mở Dũng đi qua van chặn ắ’ và đi vào thiết bị.

Cả hai dòng bùn ra của hai thiết bị E-1501 A/B đều có NPS 8’ được nối với thiết bị bằng mặt bích Giữa dòng đặt giếng nhiệt TW-529/530 Bố trí bộ điều khiển và chỉ thị dòng FIC-406/501, sau đó dòng đi qua van điều khiển dòng

Dòng bùn ra của hai thiết bị kết hợp cùng dòng bùn 303 từ E-1502 A/B/C NPS 16’ để tạo thành dòng 310 đưa vào tháp T-1501 có NPS 18’.

TỔNG QUAN VỀ TRAO ĐỔI NHIỆT

GIỚI THIỆU CHUNG

Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện dùng để tiến hành các quá trình trình trao đổi nhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau Hình dạng và cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng, tùy thuộc vào phương pháp và điều kiện tiến hành quá trình.

Căn cứ vào phương pháp làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta chia ra làm ba loại:

- Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp (hỗn hợp): Dùng để tiến hành quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể trộn lẫn vào nhau được.

- Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp: Thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lưu thể thông qua một bề mặt trung gian Các lưu thể có nhiệt độ khác nhau chuyển động ở các phần không gian riêng được ngăn cách bằng bề mặt truyền nhiệt.

- Thiết bị trao đổi nhiệt trung gian (đệm): Thiết bị này phải có chất đệm là kim loại hay phi kim loại tùy trường hợp cụ thể và tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau Đầu tiên chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với đệm, đệm được đun nóng đến một nhiệt độ cần thiết Sau đó, ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, đệm sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh Thiết bị này chủ yếu dùng để tiến hành quá trình trao đổi nhiệt giữa các chất khí.

Các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thỏa mãn yêu cầu sau:

- Đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ, hệ số truyền nhiệt cao Thiết bị càng có khả năng tự điều chỉnh càng tốt.

- Tăng cường độ trao đổi nhiệt bằng cách tăng hệ số tỏa nhiệt alpha và tăng sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lưu thể.

- Hiệu suất kinh tế cao (thông qua việc chọn loại thiết bị phù hợp và ít lãng phí nhất, tận dụng nhiệt thải của các quá trình khác để trao đổi nhiệt).

- Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, có tuổi thọ cao, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa chữa nhanh.

- Bề mặt trao đổi nhiệt đảm bảo ít bám bẩn, lau chùi vệ sinh thuận tiện.

Trong kỹ thuật, thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong các quá trình công nghệ.

CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

Thực tế, thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp là phổ biến nhất Dựa vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt, ta chia thiết bị trao đổi nhiệt ra thành các loại:

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại có vỏ bọc (hai vỏ).

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm.

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống.

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại xoắn ốc.

- Thiết bị trao đổi nhiệt loại có gân.

Sau đây, ta sẽ đi tìm hiểu một số thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp điển hình.

4.2.1 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc (hai vỏ).

Ta dùng thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị khi đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là các thiết bị bên trong không đặt được ống xoắn.

Cấu tạo chung gồm vỏ ngoài được ghép chắc vào vỏ trong (vỏ thiết bị) bằng mặt bích (hoặc hàn bền), tạo thành một không gian giữa hai vỏ và không gian ở trong vỏ trong Mỗi khoảng không gian đều có một chất tải nhiệt để đun nóng hoặc làm nguội.

Phần lớn các thiết bị vỏ bọc dùng hơi nước nóng ngưng tụ ở không gian giữa hai vỏ để cấp nhiệt cho dung dịch ở trong vỏ trong, hoặc cho nước lạnh hoặc dung dịch tải lạnh đi qua không gian giữa hai vỏ để làm lạnh dung dịch ở trong vỏ trong Quá trình làm việc của thiết bị có thể liên tục hoặc gián đoạn.

Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị. Thông thường, các loại thiết bị vỏ bọc có bề mặt thiết bị không lớn quá 10 m 2 , áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10 at Muốn tăng hệ số cấp nhiệt của chất tải nhiệt trong thiết bị, người ta thường đặt cánh khuấy để tăng vận tốc tuần hoàn.

Vỏ trong 4 và vỏ ngoài 7 được hàn liền với nhau Hơi nước nóng đi vào cửa 5, nước ngưng theo cửa 9 đi đến van tháo nước ngưng Cửa 11 để lắp áp kế quan sát áp lực hơi nước đang ngưng tụ ở không gian giữa hai vỏ Ngoài ra, còn có cửa xả khí không ngưng lắp gần ở cửa 11 Vỏ trong 4 có nắp 3 tháo rời được để cọ rửa bề mặt truyền nhiệt khi cần thiết Thiết bị này làm việc gián đoạn.

Nguyên liệu được nạp vào qua cửa 1, sản phầm được tháo ra qua cửa 10 Hơi thứ bốc lên được bơm chân không hút qua cửa 12 Áp suất chân không được quan sát bằng chân không kế lắp ở cửa 2 Bơm chân không có thể là loại tuye, pittông, chân không vòng nước Muốn quan sát quá trình sôi ở trong vỏ trong ta làm cao phần cổ của vỏ 4 rồi lắp kính vào Để tháo sản phẩm được nhanh ta có thể lắp thêm đường ống dẫn hơi nước có áp lực vào qua vỏ 4.

Hình 4.1 Thiết bị trao đổi nhiệt loại vỏ bọc:

1- Cửa nạp liệu gián đoạn; 2- Cửa lắp chân không kế; 3- Nắp; 4- Thân trong; 5- Cửa cho hơi nước nóng vào; 6 - Giá đỡ; 7- Vỏ ngoài; 8- Đáy ngoài; 9- Cửa tháo nước ngưng; 10- Cửa tháo sản phẩm; 11-Cửa lắp áp kế; 12-Cửa nối với bơm chân không.

4.2.1.3 Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, dễ vận hành và bảo dưỡng, sửa chữa.

Nhược điểm: Thiết bị cồng kềnh Hệ số truyền nhiệt không cao.

Hình 4.2 Thiết bị trao đổi nhiệt hai vỏ có cánh khuấy trong công nghiệp.

4.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống xoắn ruột gà.

Thiết bị ống xoắn ruột gà là một trong những thiết bị đơn giản nhất, gồm hai bộ phận chính là ống xoắn và thân thiết bị.

Thành ống xoắn là bề mặt truyền nhiệt nên vật liệu làm ống xoắn phải có hệ số dẫn nhiệt lớn (như đồng, nhôm, thép) Ống xoắn ruột gà được gia công từ ống đồng, nhôm hoặc thép có kích thước đã được tiêu chuẩn hóa.

Thân thiết bị có dạng trụ kín hay hở, vật liệu làm thân thường là thép Nếu thiết bị kích thước nhỏ thì thân là một đoạn ống thép có đường kính, chiều dài thích hợp Khi thiết bị lớn thì thân được chế tạo từ thép tấm cuộn lại.

Khi muốn tăng vận tốc của chất đi ngoài ống, ta lắp thêm ống 5 để hạn chế dung tích phía ngoài ống xoắn.

Hình 4.3 Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn ruột gà 1- Thiết bị; 2- Ống xoắn; 3- Giá đỡ; 4- Nẹp giữ ống; 5- Ống 4.2.2.2 Nguyên lý làm việc

Hình 4.4 Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn ruột gà thường gặp.

1-Cửa vào của dung dịch; 2- Nắp; 3- Thân; 4- Ống truyền nhiệt; 5,8-Cửa ra và cửa vào của ống truyền nhiệt; 6- Cửa ra của dung dịch; 7-đáy; 9- Giá đỡ 4.2.2.3 Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, có thể làm bằng những vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa.

Nhược điểm: Thiết bị cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ do hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé Khó làm sạch phía trong ống Trở thủy lực lớn hơn ống thẳng.

4.2.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống tưới.

Thiết bị gồm các ống nằm ngang 2 được nối với nhau bằng ống khuỷu 3.

Hình 4.5.Thiết bị trao đổi nhiệt loại dàn tưới.

1- Máng tưới; 2- Ống truyền nhiệt; 3- Khuỷu nối; 4- Máng chứa nước; 5-

Bích nối 4.2.3.2 Nguyên lý làm việc

Nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống dưới ống 2 rồi vào thùng chứa 4 Lưu thể trong ống có thể ở trạng thái chuyển pha hoặc không Khi trao đổi nhiệt, một phần nước bay hơi (khoảng 1-2% lượng nước tưới đưa vào) Khi bay hơi như vậy, nước sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ở trong ống, do đó, lượng nước dùng làm nguội ở đây ít hơn so với thiết bị làm nguội khác.

4.2.3.3 Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm: Lượng nước làm lạnh ít Cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch ở phía ngoài ống.

Nhược điểm: Thiết bị cồng kềnh, khó tưới đều lượng nước lên bề mặt ống.

4.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống.

Thiết bị có kết cấu gồm hai ống có đường kính khác nhau lồng vào nhau Để tăng cường bề mặt truyền nhiệt, người ta lắp nối tiếp nhiều ống lồng ống với nhau. Ống trong 1 của đoạn này nối với ống trong của đoạn khác và ống ngoài 2 của đoạn này nối thông với ống ngoài của đoạn khác Ống 2 được hàn kín với ống 1 bằng mối hàn.Để dễ thay thế và rửa ống, người ta nối bằng khuỷu nối 3 và ống nối 4 có mặt bích.

Hình 4.6 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.

1-Ống ngoài; 2- Ống trong; 3- Khuỷu nối; 4- Bích nối các ống ngoài.

Chất tải nhiệt G1 đi trong ống trong từ dưới lên Chất tải nhiệt G2 đi trong ống ngoài từ trên xuống Sự trao đổi nhiệt giữa hai chất tải nhiệt xảy ra qua bề mặt của đoạn ống trong bọc bởi ống ngoài Khi năng suất thiết bị lớn, ta đặt nhiều dãy ống song song.

4.2.4.3 Ưu điểm, nhược điểm Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn, cấu tạo đơn giản.

Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại, khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống.

Hình 4.7 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trong công nghiệp.

4.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

Tính nhiệt lượng trao đổi của quá trình

Nhiệt dung riêng của bùn là:

Nhiệt dung riêng của cặn dầu là:

Tính hiệu số nhiệt độ trung bình

Sơ đồ biến thiên nhiệt độ ngược chiều

Hiệu số nhiệt độ trung bình Δt ' tb =Δt 1−Δt 2 p0−220

Hình 5.1 Đồ thị mối quan hệ F t = f(R,S).

Tra đồ thị Hình 2.1, ta có hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ F t = 0,99.

Hiệu số nhiệt độ trung bình:

Giả sử hệ số truyền nhiệt K’

Bảng 5.1 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị vỏ - ống.

Dòng lưu thể nóng Dòng lưu thể lạnh Hệ số truyền nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt

Dung môi hữu cơ Dung môi hữu cơ 100-300

Dung môi hữu cơ Nước 250-750

Dung môi hữu cơ Nước muối 150-500

Khí Nước muối 15-250 Đun nóng

Hơi nước Dung môi hữu cơ 500-1000

Hữu cơ (không thể ngưng tụ) Nước 500-700

Ngưng tụ chân không Nước 200-500

Hơi nước Dung dịch nước Hơi 1000-1500

Hơi nước Dung dịch hữu cơ nhẹ 900-1200

Hơi nước Dung dịch hữu cơ nặng 600-900

Theo Bảng 5.1, hệ số truyền nhiệt cho dầu nặng – dầu nặng trong khoảng 50 - 300W/m 2 o C Giả sử hệ số truyền nhiệt K’= 275 W/m 2 o C

Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt được tính theo công thức :

Bố cục, kích thước ống

Do các lưu thể không ăn mòn nên chọn loại ống thép carbon có đường kính ngoài d o = 20 mm; đường kính trong d = 16 mm; chiều dài L = 3,6 m và sắp xếp theo hình tam giác xoay với bước ống: p t =1,25 d o =1,25.20%(mm)Chọn số lối là n = 2 (lối) Chọn bề dày vỉ ống là δ = 25 mm.

Tính số ống

Chiều dài của ống truyền nhiệt tham gia trao đổi nhiệt thực tế là:

L ' =L−2 δ=3,6−2.25 10 −3 =3,55(m) Diện tích trao đổi nhiệt của một ống:

Chọn số ống N = 154 (N là số chẵn).

Tổng diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy:

Vận tốc của dòng chảy trong ống: u t = n G 2

Tính đường kính vỏ

Bố trí ống hình tam giác, p t = 1,25 d o

Bố trí ống hình vuông, p t = 1,25 d o

K 1 0,215 0,156 0,158 0,0402 0,0331 n 1 2,207 2,291 2,263 2,617 2,643 Ống đường sắp xếp theo hình tam giác với bước ống p t = 1,25d o và bố trí 2 lối nên tra bảng ta có các hệ số: K 1 = 0,249; n 1 = 2,207. Đường kính bó ống:

Hình 5.2 Khoảng cách vỏ - bó ống.

Tra hình với phần sau tự do hai nửa, tổng khoảng cách giữa bó ống với vỏ k = 58 mm. Đường kính vỏ thiết bị:

Tính nhiệt bên ngoài ống hệ số cấp

Do cặn dầu dễ bị bám cặn nên cho cặn dầu đi bên trong ống để dễ dàng vệ sinh, lưu thể bùn cho đi bên ngoài ống.

Chọn vách ngăn hình viên phân đơn cắt 25%, lấy khoảng cách giữa vách ngăn là 1/5 đường kính vỏ: l B = 410

5 (mm) Diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy ngoài ống:

Vận tốc lưu thể bùn ngoài ống: u s = G ρ s = 4431,4

536,3 =8,26 ( m s ) Đường kính tương đương (đường kính thủy lực) của lưu thể ngoài ống với cách sắp xếp tam giác: d e = 1,1

Hình 5.3 Đồ thị hệ số jh theo chuẩn số Reynolds cho lưu thể không có sự chuyển pha bên ngoài ống

Chọn phần vách ngăn 25% Tra đồ thị Hình, ta có hệ số j h = 1,9.10 -2

Hệ số cấp nhiệt đối lưu ngoài ống được tính theo công thức: α 1= Nu λ

Tính hệ số cấp nhiệt bên trong ống

Tỷ số giữa chiều dài thân và đường kính thiết bị:

Hình 5.4 Đồ thị quan hệ j h theo chuẩn số Reynolds trong ống Tra đồ thị Hình với chuẩn số Re = 18030,7 và L/D = 9,76 ta có hệ số j h = 5.10 -3 Bỏ qua sự thay đổi của độ nhớt, chuẩn số Nusselt:

Hệ số cấp nhiệt đối lưu của cặn dầu trong ống được tính theo công thức: α = Nu λ

SVTH: Nguyễn Hoàng Long – Hóa Dầu K63.

Lưu thể Hệ số truyền nhiệt Nhiệt trở lớp cặn

Không khí và khí công 5000-10000 0,0002-0,0001 nghiệp

Hydrocacbon nặng 2000 0,0005 Đun sôi chất hữu cơ 2500 0,0004

Ngưng tụ chất hữu cơ 5000 0,0002

Lưu thể trao đổi nhiệt 5000 0,0002

Nhiệt trở của bùn là r 1 = 0,0002

Nhiệt trở của cặn dầu là r 2 = 0,0005

Hệ số dẫn nhiệt của thép carbon: λ t = 45 W/m o C

Hệ số truyền nhiệt K của thiết bị được tính theo d o ln d o

Giả thiết hệ số truyền nhiệt K = 275 W/m 2 o C thỏa mãn yêu cầu bài toán.

SVTH: Nguyễn Hoàng Long – Hóa Dầu K63.

Tính toán hệ số truyền nhiệt K

Bài toán hai lưu thể lỏng – lỏng.

Các thông số đặc tính kĩ thuật:

Năng suất của bùn: 11 kg/s

Năng suất của cặn dầu: 20,7 kg/s Áp suất làm việc: 3 bar

Nhiệt độ của bùn vào: 1000 o C

Nhiệt độ của bùn ra: 500 o C

Nhiệt độ của cặn dầu vào: 280 o C

Nhiệt độ của cặn dầu ra: 300 o C

Do các lưu thể không ăn mòn nên chọn loại ống thép carbon có đường kính ngoài d o = 20 mm; đường kính trong d i = 16 mm; chiều dài L = 3,6 m và sắp xếp theo hình tam giác xoay với bước ống: p t =1,25 d o =1,25.20%(mm)

Chọn vật liệu làm thân là thép carbon SA-516 Gr.70. Áp suất giữa hai vỏ thiết bị là 3 bar.

Theo tính toán trên, đường kính trong phần thân D i = 410 mm

Bảng 6.1 Bề dày tối thiểu của thiết bị loại C-B theo TEMA. Đường kính danh Bề dày tối thiểu nghĩa của vỏ, Thép Carbon Hợp kim in (mm) Ống Tấm

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Ống truyền nhiệt

Do các lưu thể không ăn mòn nên chọn loại ống thép carbon có đường kính ngoài d o = 20 mm; đường kính trong d i = 16 mm; chiều dài L = 3,6 m và sắp xếp theo hình tam giác xoay với bước ống: p t =1,25 d o =1,25.20%(mm)

Thân thiết bị

Chọn vật liệu làm thân là thép carbon SA-516 Gr.70. Áp suất giữa hai vỏ thiết bị là 3 bar.

Theo tính toán trên, đường kính trong phần thân D i = 410 mm

Bảng 6.1 Bề dày tối thiểu của thiết bị loại C-B theo TEMA. Đường kính danh Bề dày tối thiểu nghĩa của vỏ, Thép Carbon Hợp kim in (mm) Ống Tấm

Theo tiêu chuẩn TEMA, bề dày tối thiểu của thân là 7,9 mm.

- Bề dày theo SCH20 là 7,92 mm.

Phần đầu và phần sau

Chọn nắp phần đầu và nắp thân là nắp elip 2:1 có bề dày bằng phần thân 7,92 mm.

Chọn phần đầu có bề dày bằng thân 7,92 mm với chiều dài L d = 500 mm.

Chọn phần sau có bề dày bằng thân 7,92 mm với chiều dài L s = 250 mm.

Ống vào, ra thiết bị

Đường kính ống vào, ra tính theo công thức sau:

D là đường kính ống vào và ra, mm;

Q là lưu lượng ρ là khối lượng riêng của dung dịch, v là vận tốc dung dịch ra và vào thiết bị, m/s.

6.4.1 Ống vào và ra của cặn dầu

Chọn vận tốc vào thiết bị v = 1,5 m/s. Đường kính ống vào và ra của cặn dầu là :

Tra bảng Phụ lục, chọn ống cỡ 8 có:

- Bề dày theo SCH.STD là 8,18 mm.

6.4.2 Ống vào và ra của bùn

Chọn vận tốc vào thiết bị v = 1,5 m/s. Đường kính ống vào và ra của bùn

Tra Bảng phụ lục, chọn ống cỡ 5 có:

- Bề dày theo SCH.STD là 6,55 mm.

Vỉ ống

Với đường kính ngoài của ống d o = 20 mm thì bề dày tối thiểu của vỉ ống theo TEMA là: δ = 3

Chọn bề dày vỉ ống là 25 mm.

Vách ngăn

Chọn vách ngăn đơn hình viên phân với phần cắt 25% và khoảng cách giữa các vách ngăn l vn = 180 mm.

Bề dày tối thiểu của vách ngăn là 4,8 mm Chọn bề dày vách ngăn bằng 5 mm.

Thanh giữ vách ngăn

Cần sử dụng ít nhất 6 thanh có đường kính nhỏ nhất là 9,5 mm Tuy nhiên, thiết bị có một phần vách ngăn được cố định với tấm ngăn giữa thân Do đó chỉ sử dụng 4 thanh giữ vách ngăn với đường kính 10 mm.

Tấm ngăn chia lối ở 2 đầu

Chọn bề dày tấm ngăn chia lối ở phần đầu là ng = 10 mm > min = 6,4 mm

Đệm bịt kín

Do áp suất làm việc của thiết bị không cao, < 2068 kPa (300 psi) nên chọn vật liệu đệm composite với bề dầy 3 mm.

Bích

Chọn kiểu bích slip-on class 150 được làm từ thép carbon A 515 Gr.70, làm việc được ở áp suất tối đa 15,8 bar tại 150 o C [ASME B16.5-2009].

Hình 6.1 Bích slip-on classic 150 (ASME B16.5)

Bảng 6.1 Kích thước bích theo tiêu chuẩn.

Vị trí Cỡ A B C D E F G H Số Khối bích bu lượng lông (kg)

Bích 8 342,9 28,4 246,1 44,4 269,7 2 298,4 221,4 12 12,6 ốngvào và ống ra nướclàm nguội.

Bích 5 254 23,8 163,5 36,5 185,6 2 215,9 143,7 8 6,3 ốngvào và ra dầu diesel

Chân đỡ

6.11.1 Tính khối lượng thiết bị.

Tổng khối lượng thiết bị khi làm việc tính theo công thức:

- G 1 : khối lượng thiết bị không, N;

- G 2: khối lượng dung dịch đổ đầy thiết bị, N.

4.12.1.1 Tính khối lượng vỏ thiết bị

(*) Khối lượng phần đầu và phần sau

D i = 437,76 mm; S = 9,72 mm ta được m 1 = 20,3 (kg).

+ Tra bảng XIII.11 [2-384] khối lượng của phần sau elip:

D i = 437,76 mm; S = 9,72 mm ta được m 2 = 20,3 (kg).

(*) Khối lượng thân thiết bị

Khối lượng thân buồng đốt được xác định theo công thức: m=ρ V

Trong đó: là khối lượng riêng của thép SA 516 Gr.70, = 7850 kg/m³;

V là thể tích phần vỏ thiết bị, m 3 :

- D i : đường kính trong của thân thiết bị, D i = 437,76 mm,

- D o : đường kính ngoài của thân thiết bị, D o = 457,2 mm;

- L t : chiều dài thân thiết bị, L t = 3600 mm.

Thay số ta tính được

Suy ra khối lượng thân thiết bị: m 3 =0,049.785084,65(kg)

( Khối lượng bích Ta có:

Khối lượng bích thân là: m 4 = 50 (kg)

Khối lượng bích ống vào, ra của cặn dầu: m 5 = 12,6 (kg)

Khối lượng bích ống vào, ra của bùn: m 6 = 6,3 (kg)

( Khối lượng hai vỉ ống

Thể tích của lưới đỡ ống được tính theo công thức:

V: Thể tích của lưới đỡ ống, m 3 ;

S: Chiều dày lưới ống, S = 25 mm;

D i : Đường kính trong của thân thiết bị, D i = 437,76 mm; n: Số ống truyền nhiệt, n = 154 ống; d o : Đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d o = 20 mm.

4 (0,438 2 −154 0,02 2 )=0,0026(m 3 ) Suy ra khối lượng của 2 vỉ đỡ ống là m 7 =2.0,0026 7850@,82

(kg) (*) Khối lượng của các ống truyền nhiệt

Thể tích của các ống truyền nhiệt được tính theo công thức:

V: Thể tích của các ống truyền nhiệt, m 3 ; d i : Đường kính trong ống truyền nhiệt, d i = 0,016 m; n: Số ống truyền nhiệt, n = 154 ống; d o : Đường kính ngoài ống truyền nhiệt, d o = 0,02 m;

L: Chiều dài ống truyền nhiệt, L = 3,6 m.

4 154 (0,02 2 −0,016 2 )=0,051(m 3 ) Suy ra khối lượng của các ống truyền nhiệt là m 8 =0,051.7850@0,35 (kg).

Vậy tổng khối lượng thiết bị không tính bu lông, đai ốc là:

4.12.1.2 Tính khối lượng dung dịch

Thể tích không gian thiết bị: π 2

- L t : chiều dài thân thiết bị, L t = 3600 mm;

- D i : đường kính trong thân thiết bị, D i = 437,76 mm;

- Lđ: Chiều dài phần đầu, Lđ = 500 mm;

- Ls: Chiều dài phần đầu, Ls = 250 mm;

Thay số vào công thức ta có

4 0,438 2 (3,6+0,5+0,25)=0,66(m 3 ) Khối lượng nước chứa đầy trong nồi là:

Vậy tổng khối lượng thiết bị khi làm việc là:

Ta chọn số chân đỡ là 2, khi đó tải trọng trên mỗi chân đỡ phải chịu là:

KÍCH THƯỚC TIÊU CHUẨN CỦA ỐNG

(inch) inch mm SCH SCH SCH SCH SCH SCH 60