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

Bài tập về Thiết bị trao đổi nhiệt và Tháp chưng cất1.. 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 ngu

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 nC6 thay thế cho phân đoạn Condensate ( 20- 500C)

Nguyên liệu được nạp ở nhiệt độ T= 400C, áp suất 18kg/cm2g

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

Ki=yi/xi ta tính được kết quả như bảng sau:

T = 56oC

P = (18 kg/cm2g) xi = Zi Ki yi = Ki*xi

C2 0.0150 2.85 0.042750

C3 0.1395 1.08 0.150660

C3= 0.4834 1.28 0.618752

iC4 0.2537 0.55 0.139535

nC4 0.1003 0.44 0.044132

nC6 0.0081 0.067 0.000543

Vậy nhiệt độ điểm sôi của nguyên liệu là 56oC trong khi đó nguyên liệu được nạp vào

ở nhiệt độ 40oC 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 < 105oC 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 105oC để đảm bảo việc vận hành tháp chưng cất

Hiệu suất thu hồi của C3= là 99% vì cấu tử C3= có giá trị kinh tế cao hơn nhiều so với

3.1 Xây dựng tháp chưng cất

3.1.1 Xác định áp suất làm việc của tháp

Dựa vào thành phần và lưu lượng của nguyên liệu

Xem quá trình phân tách là lý tưởng

Chọn nhiệt độ đáy là T = 102oC 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:

Vậy ta có áp suất đáy tháp là 17.35 kg/cm2g và nhiệt độ bình hồi lưu là 44.43oC

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 ∆Pđ = 0.2÷0.6 (bar) ta chọn ∆Pđ = 0.4 (bar)

Ta có sơ đồ mô phỏng shortcut như sau:

Ta có kết quả mô phỏng như sau:

Ta có : Rmin = 2.01575

Nmin = 13.46 (đĩa)

Chọn Rop = 2*Rmin → Rop = 2*2.01575 = 4.031 do đó Nop = 20 (đĩa)

Bảng cân bằng vật chất như sau :

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 :

 Ta có nhiệt độ và áp suất ở đỉnh và đáy tháp là

So sánh với kết quả nghiên cứu điều kiện làm việc của tháp lúc đầu:

Ban đầu Mô phỏng

T (oC) Đỉnh 44.43 42.65

P(kg/cm2g) 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

 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

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

 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

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

Mô phỏng ta có các kết quả bề mặt lắp đặt, tổn thất áp suất, hệ số trao đổi nhiệt tổng như sau:

Kiểm tra lại hệ số trao đổi nhiệt tổng là 672 (kcal/ h m2.oC) 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 Tin = 30oC, Tout = 45oC, lưu lượng không khí là 2930333 (kg/h), ∆Pống = 0.2÷0.4 (kg/cm2)

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:

3.5 Nhận xét và kết luận

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 C3 ra khỏi phân đoạn khí thu được từ quá trình FCC đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành