Ngành dầu khí nước tuy là một ngành mới hình thành và phát triển được hơn 20 năm nhưng đã có những đóng góp ngày càng to lớn về nhiều mặt cho sự phát triển của đất nước. Đặc biệt là sự ra đời của ngành công nghiệp chế biến dầu khí. Đây là một trong những tiền đề quan trong hàng đầu và là nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệp mới.Cùng với quá trình khai thác dầu thô, thì nghành công nghiệp dầu khí đã hình thành từ năm 1995 và hiện đang phát triển một cách mạnh mẽ. Trên đất nước ta hiện nay đã triển khai xây dựng nhiều chương trình về khai thác và chế biến khí vào năm 2002 đã cung ứng kịp thời chho sản xuất công nghiệp và tiêu dùng gần 147 000 tấn condensate và 349 000 tấn PLG thay thế cho hàng nhập khẩu.Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên và khí đồng hành người ta đã sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau như: rượu, axeton, andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng hợp … và là nguồn nguyên liệu cho các ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp, in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp và đời sống của nhân dân.Chính vì những lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung và ngành chế biến khí nói riêng đem lại thì việc đầu tư và phát triển công nghiệp ngành công nghiệp mũi nhọn này là một đi đúng hướng của đảng và nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế và cải thiện đời sống nhân dân.
Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp MỞ ĐẦU Ngành dầu khí nước ngành hình thành phát triển 20 năm có đóng góp ngày to lớn nhiều mặt cho phát triển đất nước Đặc biệt đời ngành công nghiệp chế biến dầu khí Đây tiền đề quan hàng đầu nguồn nguyên liệu chủ yếu để phát triển nhiều ngành công nghiệp Cùng với trình khai thác dầu thô, nghành công nghiệp dầu khí hình thành từ năm 1995 phát triển cách mạnh mẽ Trên đất nước ta triển khai xây dựng nhiều chương trình khai thác chế biến khí vào năm 2002 cung ứng kịp thời chho sản xuất công nghiệp tiêu dùng gần 147 000 condensate 349 000 PLG thay cho hàng nhập Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật từ khí tự nhiên khí đồng hành người ta sản xuất nhiều sản phẩm khác như: rượu, axeton, andehyt, NH3, chất dẻo sợi, phân bón, dầu nhờn, chất tẩy rửa tổng hợp … nguồn nguyên liệu cho ngành như: mỹ phẩm, công nghiệp, in, dệt may…phục vụ nhiều cho công nghiệp đời sống nhân dân Chính lợi ích to lớn mà nghành dầu khí nói chung ngành chế biến khí nói riêng đem lại việc đầu tư phát triển công nghiệp ngành công nghiệp mũi nhọn hướng đảng nhà nước ta nhằm thúc đẩy kinh tế cải thiện đời sống nhân dân Trong phạm vi đồ án ta nghiên cứu phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp phương pháp vừa đơn giản mà cho hiệu cao, có tính khả thi Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Đồ án gồm phần: Phần I: Mở đầu Phần II: Tổng quan - Cơ sở hóa lý trình ngưng tụ nhiệt độ thấp - Tổng quan công nghệ Phần III: Tính toán thiết kế - Cân vật chất - Cân nhiệt lượng Phần IV: Thiết kế công nghệ Phần V: Kết luận Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học CHƯƠNG I: Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH I.1 Thành phần tính chất khí tự nhiên khí đồng hành Những cấu tử khí tự nhiên khí đồng hành là: metan, etan, propan, butan (n- zo) Khí tự nhiên khai thác từ mỏ khí với thành phần chủ yếu metan (chiếm 98% thể tích) Những mỏ khí tự nhiên túi khí nằm sâu mặt đất Khí đồng hành khai thác từ mỏ dầu đồng thời với trình khai thác dầu thô Trong thành phần khí đồng hành cầu từ metan có etan, propan, butan, hydrocacbon nặng chiếm hàm lượng đáng kể phạm vi thay đổi thành phần cấu tử khoảng rộng Ngoài thành phần khí tự nhiên khí đồng hành có H2O, H2S hợp chất chứa lưu huỳnh CO2, N2, Heli Người ta tiến hành phân loại khí dựa vào hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên Trong khí chứa 150g/m cấu từ propanbutan hydrocacbon nặng gọi khí béo Khí ứng dụng chế tạo xăng khí, khí hóa lỏng (LPG) nguồn hydrocacbon cho công nghệ tổng hợp hữu Còn khí chứa mức 50g/m hydrocacbon nặng gọi khí gầy Và ứng dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu , sản xuất phân đạm Ở Việt Nam người ta phát nhiều mỏ khí trữ lượng khí hàng năm đạt khoảng 1300 tỷ m khí Dưới số mỏ khí Việt Nam Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Bảng1: Thành phần khí bể Cửu Long Mỏ Bạch Hổ Thành phần Metan(C1) Etan (C2) Propan(C3) Butan(C4) Condensat N2 CO2 H2S Rồng(lô 09) khí tự đồng hành (lô 09) 76,82 11,87 5,980 1,040 0,320 0,500 1,000 - 84,77 7,220 3,460 1,700 1,300 - Rạng đông Ruby (lô 09) (lô 01) 76,54 6,890 8,250 0,780 0,500 - 77,62 10,04 5,940 2,830 0,970 0,330 0,420 - 78,02 10,67 6,700 1,740 0,380 0,600 0,070 - Bảng2: Thành phần khí Bể Nam Côn Sơn(% theo thể tích) Mỏ Thành Đại Lan Tây Lan Đỏ Rồng Hải Mộc Hùng (06-1) (06-1) Đôi Thạch Tinh 93,9 2,30 0,50 0,10 0,20 1,60 1,2 Chưa đo (11-2) 81,41 5,250 3,060 1,470 0,550 0,080 5,640 0,000 (05-2) 81,00 5.200 2,800 1,500 4,700 0,110 4,400 - (05-3) 89,44 3,800 1,480 0,710 0,540 0,150 3,880 - phần (05-!a) Metan(C1) 77,25 Etan(C2) 9,490 Propan(C3) 3,380 Butan(C4) 1,340 Condensat 0,480 N2 4,500 CO2 H2S - 88,5 4,30 2,40 0,60 1,40 0,30 1,90 10,0 I.2.Tình hình chế biến sản xuất khí tự nhiên khí đồng hành giới Việt Nam Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Trước giới nguồn khí thu thường bị đốt bỏ chờ sử dụng nhiên liệu để đốt Điều gây lãng phí vừa làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường xung quanh lẽ khí tự nhiên khí đồng hành việc nhiên liệu tốt từ khí tự nhiên khí đồng hành ta thu chất hydrocacbon phi hydrocacbon làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp khác Do năm gần nhiều nước giới đặc biệt nước phát triển đầu tư phát triển ngành công nghiệp chế biến khí cụ thể Nga nước công nghiệp phát triển sử dụng hợp lý nguồn hydrocacbon mang lại nguồn lợi to lớn metan thành phần có khí tự nhiên dùng làm nhiên liệu cho lò nung nồi Ngoài etan , propan ,butan hydrocacbon nặng dùng cho công nghiệp tổng hợp hữu Mỹ, từ etan chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp, oxit etylen, chất hoạt động bề mặt , nhiều sản phẩm bán sản phẩm hóa học khác Ngoài từ khí tự nhiên khí đồng hành , sau làm chế biến khí người ta nhận lượng lớn lưu huỳnh ,heli số sản phẩm vô khác phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc dân Mỹ Canada hai nước đứng đầu sản xuất heli, sản phẩm quan trọng công nghệ nghiên cứu vũ trụ, nghiên cứu kỹ thuật thâm lạnh , sắc ký nước Tây âu, sau tìm mỏ khí tự nhiên lớn tăng cường quan tâm đến nguyên liệu nhiệt phân nhẹ Trong năm gần nước Trung đông (Iran, Arapxeut, Beren ) dự định hoàn thành chương trình khai thác , chế biến vận Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp chuyển khí đồng hành với tổng giá trị khoảng 33 tỉ USD Người ta nghĩ điều cho phép xuất khoảng 46 triệu PLG năm Riêng Việt Nam ngành dầu khí nước ta hình thành phát triển với tiềm khí phong phú tiền đề quan trọng để ngành công nghiệp phát triển Cho đến Việt Nam khai thác mỏ dầu mỏ dầu khí, hình thành cụm khai thác dầu quan trọng: • Cụm mỏ thứ : nằm vùng đồng Bắc Bộ gồm nhiều mỏ khí nhỏ , có Tiền Hải “C”, trữ lượng khoảng 250 m3/khí , bắt đầu khai thác từ tháng 12 năm 1981với 450 triệu m 3/khí phục vụ cho công nghiệp địa phương nguồn nguyên liệu cho công nghiệp khí tỉnh phía Bắc •Cụm mỏ thứ hai: thuộc vùng biển Cửu Long, gồm chứa mỏ dầu : Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Rubi cụm quan trọng , cung cấp 96% sản lượng dầu toàn quốc • Cụm mỏ thứ ba: vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ dầu Đại Hùng khai thác mỏ khí phát khu vực xung quanh Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Mộc Tinh mỏ dầu khí Rồng Đôi Tây … chuẩn bị đưa vào khai thác Cụm mỏ thứ tư : thềm lục địa Tây Nam bao gồm mỏ Bungakclwa -Các nước khai thác dầu mỏ BungaOrkid, Bunga parkma, Bunga Rây khu vực thỏa thuận thương mại Việt Nam – Malaysia khu khai thác cung cấp khí lớn thứ hai sở đảm bảo phát triển khu công nghiệp dầu khí Cà Mau – Cần Thơ Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Với tiềm khí phong phú , Viêt Nam có nhiều điều kiện phát triển công nghiệp khai thác chế biến khí thúc đẩy mạnh kinh tế đưa đất nước ta lên tầm cao CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH II.1.Phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ Tiến hành chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp từ -25oC - -35oC áp suất cao 3,0 – 4,0 Mpa Đây coi phương pháp có hiệu kinh tế để chế biến khí tự nhiên khí đồng hành Khí đồng hành từ xí nghiệp khai thác dầu nén máy nén khí sau làm lạnh đưa vào thiết bị sấy khí để tách ẩm đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt làm nguội sau khí đưa đến thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp Tại , khí nén làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết hỗn hợp khí đưa sang phân tách khí lúc phần hydrocacbon ngưng tụ tách Sau nén làm lạnh hỗn hợp khí hai phần: + Phần ngưng tụ (gọi condesat) bậc nén làm lạnh.Khí đồng hành bơm từ thùng chứa qua phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan Tại phân đoạn chứa metan etan tách Sau benzin phần ngưng tụ tách metan etan qua thiết bị trao đổi nhiệt vào bình chứa, từ đưa đị chế biến tiếp Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách bezin từ khí đồng hành phương pháp tốn kém, để thực cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, mà hiệu tách Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp benzin khỏi hỗn hợp khí cao, triệt để nên phương pháp ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế biến khí II.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ Ngoài chế biến khí phương pháp ngưng tụ người ta áp dụng phương pháp hấp thụ để chế biến khí Trong hấp thụ giải hấp thụ hai trình chuyển biến khối sử dụng để tách khí thiên nhiên khí đồng hành Quá trình thực nhờ hình thành cân pha hai pha khí lỏng khuyếch tán chất từ pha sang pha kia, Động lực trình khuyếch tán chênh lệch áp suất riêng phần cấu từ pha lỏng pha khí Nếu áp suất riêng phần cấu tử pha khí lớn pha lỏng xảy trình hấp thụ (tức chất lỏng hấp thụ chất khí) Nếu ngược lại xảy trình hầp thụ nhả hấp thụ thực tháp hấp thụ tháp chưng luyện có cấu tạo kiểu tháp đĩa tháp đệm, chất hấp thụ dùng phân đoạn benzin kerosene, hỗn hợp chúng II.3.Chế biến khí phương pháp chưng cất Sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp thực trình tách cấu từ định trước hiệu sơ đồ hấp thụ nhiệt độ thấp (HNI) thiết bị chế tạo đơn giản Khác mặt nguyên lý hai sơ đồ CNT NTT chỗ nguyên liệu vào thiết bị sau làm lạnh (không có tách sơ mà đưa thẳng vào tháp chưng Tại xảy phân tích riêng biệt khí nguyên liệu thành khí khô(thoát từ đỉnh tháp) phân đoạn hydrocacbon nặng Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Phụ thuộc vào sơ đồ nguyên lý trình chưng cất nhiệt độ thấp, thiết bị sơ đồ tháp chưng chia thành chưng bốc tháp ngưng tụ – bốc CHƯƠNG III:CƠ SỞ HÓA LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP III.1.Khái niệm trình ngưng tụ Ngưng tụ trình chuyển khí sang trạng thái lỏng cách làm lạnh khí nén làm lạnh khí đồng thời Có hai phương pháp để tiến hành trình ngưng tụ : + Quá trình ngưng tụ gián tiếp: (hay gọi ngưng tụ bề mặt ) tức trình tiến hành thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách khí tác nhân làm lạnh ngược chiều Tác nhân làm lạnh cho từ lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên cản trở trình chuyển động lưu thể Khí từ xuống để chất lỏng ngưng tụ chảy dọc xuống tự dễ dàng +Quá trình ngưng tụ trực tiếp (hay gọi ngưng tụ hỗn hợp) Quá ttrình tiến hành cách cho khí tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp với Tác nhân làm lạnh phun trực tiếp vào khí sau ngưng tụ lại thành lỏng thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường không đặt giá trị phân chia cao Nên chất lỏng ngưng tụ trộn lẫn với tác nhân làm lạnh III.2.Đặc điểm trình ngưng tụ Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp coi trình làm lạnh đẳng áp (nếu ta bỏ qua vài tổn thất áp suất khí chuyển động Sinh viên: Lê Xuân Long Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp ống thiết bị công nghệ) nhiệt độ tương ứng áp suất xuất pha lỏng Khí đồng hành khí tự nhiên hỗn hợp bao gồm nhiều cấu từ qúa trình chuyển pha vùng tới hạn chúng khác nhiều so với qúa trình tương ứng với điểm nhiệt độ áp suất tới hạn Khi nhiệt độ cao so với nhiệt độ tới hạn chất tồn trạng thái pha Khi dù có thay đổi tổ hợp thông số đưa chất trạng thái hai pha muốn hóa lỏng khí ta phép tiến hành nhiêt độ tới hạn Ví dụ : Nhiệt độ tới hạn CH4 Tc = 190,55K với nhiệt độ môi trường Tmt = 298K Tc < Tmt Do nén khí nhiệt độ môi trường cho dù có tăng áp suất tới 500 atm CH không hóa lỏng, ta thu khí CH4 nén Vậy để hóa lỏng CH4ta phải hạ nhiệt độ CH4 xuống khoảng 111K (dưới nhiệt độ sôi CH TsCH4 = 111,6 K với áp suất khí Điều có nghĩa trình hóa lỏng phần hay toàn khí phương pháp nén thực hạ nhiệt độ khí xuống nhiệt độ tới hạn III.3 Quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp chế biến khí đồng hành Trong hỗn hợp khí đồng hành có thành phần hydrocacbon khác như:CH4, C2H6…Do tương ứng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau, trình làm lạnh xảy saucoi lai) + Khi giảm nhiệt độ hỗn hợp khí đến lúc hỗn hợp khí bắt đầu ngưng tụ(tương ứng với áp suất riêng phần hỗn hợp khí) lớn Nếu cấu tử phân bố hỗn hợp ban đầu Thì Sinh viên: Lê Xuân Long 10 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Gi28 = X i27 Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Ci28 K i28 xi28 X yi28 Y 1,59 0,531 31119 0,845 12368,87 CH4 43482,8 0,594 C2H6 17093,0 0,2337 0.44 0,2628 15378 0,1169 1710,140 C3H8 9577,90 0,1309 0.21 0,155 9093,4 0,0329 481,3000 C4H10 2413,60 0.033 0.10 0,0402 2352,3 0,0042 61,44000 C5H12 578,000 0.008 0,046 0,0098 573,46 Tổng 73145,3 1,0000 1,000 58516, 0,000 6,580000 0,9999 14344,5 Kết tính toán cho thấy lượng khí thành phần khí đỉnh tháp lần gần với kết lần Như công nghệ hoạt động tương đối ổn định Vậy ta thấy lượng lỏng tách đáy tháp đưa sang làm nguyên liệu đầu vào tháp V.3 Tính cân vật chất cho tháp Nguyên liệu sau khỏi tháp có sản phẩm đỉnh chưa 2,6% propan sản phẩm đáy có 0,6% etan Giả sử lượng hơibay đỉnh thiết bị ngưng tụ hoàn toàn nhiệt độ nạp liệu Ts cần chưng cất để tách nguyên liệu vào tháp thành sản phẩm đỉnh chứa 2,6% propan 0,6% etan Gọi: D lượng sản phẩm đỉnh R lượng sản phẩm đáy G lượng nguyên liệu vào Ta tính thành phần cấu tử i trongh sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Sinh viên: Lê Xuân Long 43 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Ta có phương trình cân khối lượng G0.C1 = D.y1D + R.x1R G0.C2 = D.y2D + R.x2R \ G0.C3 = D.y3D + R.x3R G0.C4 = D.y4D + R.x4R G0.C5= D.y5D + R.x5R Thay giá trị coi X1R=0(vì CH4 cấu tử nhẹ)và y4D;y5D (C4H10 C5H12 cấu tử nặng) 58516,18 0,5318 = D.y1D + 58516,18 0,2628 = D.y2D + (58516,18 -D)0,006 58516,18 0,1554 = D 0,026 + (58516,18 - D)xR3 58516,18 0,0402 = + (58516,18 - D)xR4 58516,18 0,0098 = + (58516,18 -D) xR5 Cộng phương trình cuối lại ta có: 12019,223 = D 0,026 + (58516,18 - D)(xR3+ xR4 + xR5) Mà: (xR3 + xR4 + xR5) = 1(do sản phẩm đỉnh) (xR3 + xR4 + xR5) = 1- 0,006 = 0,994 Do D = 47671,34(kg/h) Vậy ta có giá trị xR3; xR4; xR5; y1D; y2D cho bảng sau: Bảng 8: Cân vật chất tháp Cấu Dòng nguyên liệu Dòng sản phẩm Dòng sphẩm đáy Ci9 0,5318 Gi9 31119 yiD=xiD 0,6527 15387 9093,42 2352,3 0,32122 15312,99 65,69 0,026 1239,455 0,006 7853,94 0 0,72421 2352,35 tử CH4 C2H6 C3H8 C4H10 0,2628 0,1554 0,0402 Sinh viên: Lê Xuân Long 44 DxiD xiR 3118,897 RxiR Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học C5H12 Tổng Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp 0,0098 1,0000 573,46 58516,18 1,000 0,21961 573,453 47671,34 0,99999 10844,812 V.3 Cân vật chất thiết bị hồi lưu Nhiệt độ thiết bị hồi lưu tính lặp áp suất 10 Mpa cho biểu thức : y Di ∑K =1 i Bảng 9: Cân vật chất thiết bị hồi lưu 11 Cấu tử CH4 C2H6 C3H8 Tổng yiD 0,65278 0,32122 0,026 Ki 1,94 0,54 0,244 xiD=yDi/ki 0,33648 0,57361 0,09489 1,00 Nhiệt độ đáy tháp tính lặp cho biếu thức: ∑ K x i i = (đièu kiện để chất lỏng ngưng tụ hoàn toàn) ậ P=10Mpa kết tính toán thu thể bảng Bảng10: Tính nhiệt độ đáy tháp Cấu tử C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 Tổng xiR 0,006 0,72421 0,21691 0,052878 0,9999 Ki 1,58 1,11 0,74 0,053 Kixi.R 0,0095 0,8039 0,16053 0,02803 Nhiệt độ trung bình tháp là: Nhiệt độ đỉnh tháp 22˚C Sinh viên: Lê Xuân Long 45 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Nhiệt độ đầu vào tháp 25˚C Nhiệt độ đáy tháp 185˚C Vậy nhiệt độ trung bình tháp là: ˚ TTB = T d + T day + T dvao 25 + 22 + 185 = = 77,33 C 3 áp suất trung bình tháp 10Mpa + Trong số cấu tử cần chưng, ta chọn hai cấu tử quan trọng hai cáu tử chìa khoá nhẹ LK (light Key) cấu tử chìa khoá nặng HK (heavy Key).Cấu tử chìa khoá nhẹ đại diện cho chất sản phẩm đỉnh, có mặt phần cặn thực tế phảI có giá trị T˚C cấu tử tronh sản phẩm đỉnh Ngược lại cấu tử chìa khoá nặng chủ yếu nằm phía phần cặn nặng, sản phẩm đỉnh, có nhiệt độ lớn cặn nhiệt độ sôI đại diện tốt cho nhiệt độ sôI cấu tử phần cặn Qua bảng ta chọn C2H6 cấu tử chìa khoá nhẹ, C3H8 cấu tử chìa khoá nặng Phương trình Underwood cho phép tính độ hồi lưu tối ưu(h min) [theo J.Cambel-289] hmin = ∑ α i Ci α i E Mặt khác: E phải thoã mãn biểu thức: α i Ci ∑ α E = − q [ theo J.Cambele-298] i Trong đó: α fugat cấu tử i so với cấu tử chìa khoá K i Ta có: α i = K Với: Ki;K3 số cân pha cấu tử i C3H8 nhiệt độ trung bình áp suất trung bình Sinh viên: Lê Xuân Long 46 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp q: tỷ số nhiệt lượng cần thiết để biến mol nguyên liệu vào tháp chưng tới nhiệt độ sôi biến thành nhiệt độ nhiệt lượng hoá mol nguyên liệu Vì nhiệt độ nạp liệu nhiệt độ nguyên liệu nên: q=1 tiến hành tính lặp cho biểu thức: ∑ Ci − Ci9 = ta có E=1,118 αi − E Bảng 11: Kết tính toán số E Cấu tử Ci9 Ki CH4 0,531 2,460 C2H6 C3H8 0,2628 1,020 0,155 0,550 C4H10 C5H12 Tổng 0,0402 0,305 0,0098 0,190 1,0000 αi = Ki K3 α i C i α C i α−E 4,473 2,3787414 0,709 1,85 0,48618 0,1554 0,554 0,345 0,0222708 -0,0394872 0,06555 -0,0847995 0,66418 -0,316949 α +y i iD E = 1,118 vào hmin + = ∑ α E i 4,473.0,65278 1,85.0,32112 1.0,026 Ta có: hmin = 4,473 − 1,118 + 1,85 − 1,118 + − 1,118 = 0,462 Độ hồi lưu thực tế xác định gần (158/j.cam bell) h = (1,2-2,5)hmin Chọn hệ số cân :1,7 ta có : 1,7 0,462 = 37441,07(kg/h) Lượng vào phần luyện là: G=h D = 0,7854 47671,34 = 37441,07(kg/h) Thành phần đỉnh cùng: Sinh viên: Lê Xuân Long 47 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học y1i = Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp g0 D x Di + y Di g0 + D g0 + D Trong đó: g0 = g= 37441,07(kg/h) Y1i : thành phần cấu tử i từ đĩa xDi : thành phần lỏng cấu tử i đưa vào đĩa Vậy ta có: y1i = 37441, 07 47671,34 × xoi + × yDi 37441, 07 + 47671,34 37441, 07 + 47671,34 y1i = 0, 4399 ×xoi, + 0,5601 ×yDi Ta có kết thể bảng sau đây: Bảng 12: thành phần khí từ đĩa tháp Cấu tử CH4 C2H6 C3H8 Tổng xoi, 0, 4399 xoi, yDi 0,5601×yDi 0,33648 0,57361 0,09490 1,00 0,14800 0,25233 0,004174 0,65278 0,32122 0,02600 1,0000 0,365620 0,179915 0,014560 y1i = 0, 4399 xoi, ×+0,5601 ×yDi 0,513620 0,432245 0,056300 1,00 * Nhiệt độ đỉnh tháp tính lặp cho biểu thức: yi ∑k = kết i thu thể bảng10 Bảng 13: kết tính toán cho nhiệt độ đỉnh tháp Cấu tử CH4 C2H6 C3H8 Tổng yDi 0,513620 0,432245 0,056300 Ki; T= 22oC; P =10 MPa 2,150 0,730 0,333 x1i 0,23890 0,59211 0,16910 1,000 Thành phần lượng lỏng hơI thiệt bị hồi lưu 11 tính Sinh viên: Lê Xuân Long 48 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp T = -70oC P = 10 MPa với V =0,32, L = 0,6 Vậy ta có cân vật chất cho thiết bị hồi lưu 11 Bảng14: cân vật chất thiết bị hồi lưu 11 Cấu tử y1i CH4 0,51362 C2H6 0,43224 C3H8 0,05630 Tổng 1,00 G1i Ki xi 43659, 36751, 4673,7 1,763 0,413 0,278 23831,4 19827,787 85084, 5799,11 27089,000 0,51 0,06 yi Xikg/h 0,511 0,26 0,080 0,00 1,00 0,999 Yikg/h 29534, 7217,5320 4630,11 43,577000 Vậy ta có cân vật chất cho toàn công nghệ: Bảng15: cân vật chất cho toàn sơ đồ công nghệ Gvào Cấu tử Tháp CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 Tổng Tháp Tháp G Y G Gi 148363,93 28401,09 12524,20 2774,600 616,5800 192680,0 12129,8 1627,59 474,350 61,3950 6,45500 14344,5 43482,8 17093,0 9577,90 2413,60 578,000 73145,3 311190 153780 9093,42 2352,30 573,46 58516,1 58516,18 8 207025 G X CH4 43482,8 Y X 82 117000,3 31119,0 Sinh viên: Lê Xuân Long 49 Yi 22 Gd Gday 12368.8 31118,89 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp C2H6 17093,0 C3H8 9577,90 12985,3 15378,0 3414,010 9093,42 C4H10 C5H12 2413,60 587,000 431,1000 2352,30 44,18000 573,460 Tổng 73154,0 1710,140 15312,9 481,3000 1239,45 61,44000 6,58000 0 14628,33 47671,34 133874,0 58516,1 207028 73144,51 65,069,0 7853,94 2352,35 573,453 10844,812 58516,152 CHƯƠNG VII: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Ta có sơ đồ nhiệt lượng toàn trình là: Sinh viên: Lê Xuân Long 50 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Qm Q0 Q7 Q3 Q9 Q4 Q'9 Q5+ QHL QD Q11 Q8,7 VII.1 Một số công thức tính toán * Q = Go ×Co ×( TC − Td ) Trong đó: - Go : Lưu lượng khối lượng hỗn hợp khí vào hệ - Co : Nhiêt dung riêng hỗn hợp vào khí - TC , Td : Nhiệt độ hỗn hợp khí vào * Co = ∑ Ci ×xi Trong đó: - Co : Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí - Ci : Nhiệt dung riêmg cấu tử - xi : thành phần cấu tử * y i= Vi ∑Vi Trong đó: - yi : thành phần cấu tử hỗn hợp khí * Xi = mi ∑ mi Trong đó: - mi : khối lượng cấu tử hỗn hợp khí VII.2 Nhiệt dung riêng hỗn hợp khí mang vào Theo công thức: Q = G ×Co ×To Trong đó: - G : khối lượng hỗn hợp khí mang vào (Kg/h) - Co : nhiệt dung riêng hỗn hợp khí (KJ/Kg.K) Sinh viên: Lê Xuân Long 51 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp - To : Nhiệt độ dòng khí nguyên liệu mang vào(K) ×106 ×103 20, 717 × = 192680, 43(kg / h) 22, ×24 103 Co = ∑ Ci ×X i17 Trong : CC2 H = 2,3(KJ/Kg.K) Ta có: Go = CC2 H = 2,14(KJ/Kg.K) CC3 H8 = 2,21(KJ/Kg.K) CC4 H10 = 2,25(KJ/Kg.K) CC5 H12 = 2,37(KJ/Kg.K) Vậy ta có: Co = 2,3 ×0, 77 + 2,14 ×0,1474 + 2, 21×0, 065 + 2.25 ×0, 0144 + 2,37 ×0, 0032 = 2, 27 (KJ/Kg.K) • Nhiệt dòng khí mang vào: Qo = F ×Co ×To = 192680, 43 ×2, 27 ×298 = 130340603, (KJ/Kg.K) VII.3 Tính cân nhiệt thiết bị trao đổi nhiêt Sau hỗn hợp khí đI qua thiết bị làm mát không khí, hỗn hợp khí nguyên liệu chia thành hai dòng đI vào thiết bị trao đổi nhịêt thiết bị trao đổi nhiêt Giả sử lưu lượng dòng khí vào thiết bị trao đổi nhiệt là: G4 = 170753,39 (Kg/h) Lưu lượng dòng khí vào tiết bị trao đổi nhiệt là: G3 = 21927, 033 (Kg/h) Nhiệt dòng khí tỏa thiết bị là: Q4 = C4 ×m4 (T4c − T4d ) (KJ/h) Mà C4 = Co = 2, 27 (KJ/Kg.K) m4 = G4 = 170753,39 (Kg/h) Trong đó: T4c : Nhiệt độ dòng khí nguyên liệu sau qua thiết bị Trao đổi nhiêt d T4 : Nhiệt độ ban đầu dòng khí với T4d = 25o C = 298o K Vậy: ta phải xác định nhiệt độ T4c Ta có: Nhiệt dòng codensat đáy tháp tách sơ etan thu vào là: Q4 = C4, ×m (T4, − T4c ) (KJ/h) Trong : m = X 82 = 58516,18(Kg/h) 4 Sinh viên: Lê Xuân Long 52 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Vậy: C4, = 0,5318 2.3 + 0,2628 2,14 + 0,1554 2,21 + 0,0402 2.25 + 0,0098 2,37 = 2,2426(KJ/Kg.K) T4, =-20oC = 253oC Do: Q4 = Q4, nên: 2, 27 ×170753,39 ×(T4c − 298) = 2, 2426 ×58516,18 ×(253 − T4c ) → T4c = 286, K = 13, 61o C Vậy: Nhiệt độ trao đổi thiết bị là: Q4 = 2, 27 ×170753,39 ×(286, 61 − 298) = −4414880,124( KJ / h) V.III Tính cân nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt (5) Nhiệt dòng nguyên liêuụ tỏa thiết bị trao đổi nhiệt(5) là: Q5 = C5 ×m5 (T5c − T5d ) (KJ/h) m5 = m4 = 170753,39 C5 = C4 = 2, 27 (KJ/Kg.K) Ta có: (KG/h) T5 = T4 = 286, 61K = 13, 61o C Vậy: Nhiệt dòng condensat đáy tháp thu vào là: Q5, = C5, ×m5, ×(T5, − T5c ) (KJ/h) , Mà: m5 = X = 73154 (Kg/h) C5, = 2,3 ×0,5945 + 2,14 ×0, 2337 + 2, 21 ×0,13095 + 2,37 ×0, 008 = 2, 2494 (KJ/Kg.K) T = −30 C = 243K , o Do: Q5 = Q5, nên: 2, 27 ×170753,39(T5c − 286, 61) = 2, 2494 ×73154 ×(243 − T5c ) T5c = 273, 6135 K = 0, 6135o C Vậy: Nhiệt độ trao đổi thiết bị trao đổi nhiệt (5) là: Q5 = 2, 27 ×170735,39(273, 6135 − 286, 61) = −50375759, 03 (KJ/h) V.4 Tính cân nhiệt lượng thiết bị trao đổi nhiệt (3) * Nhiệt độ dòng khí nhuyên liệu tảo là: Q3 = C3 ×m3 ×(T3c − T3d ) (KJ/h) Trong đó: m3 = G3 = 21927, 033 (Kg/h) C3 = Co = 2, 27 (KJ/Kg.h) T3d = 298K * Nhiệt sản phẩm khí khỏi thiết bị hồi lưu (10) thu vào là: Q3 = C3, ×m3, ×(T3, − T3c ) (KJ/h) , Trong đó: m3 = 27089 (Kg/h) Sinh viên: Lê Xuân Long 53 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp C3, = 2,3 ×0.23296 + 2,14 ×0, 0848 + 2, 21 ×0, 0016 = 0, 7208 (KJ/Kg.K) T = C = 273 C , o o Do Q3 = Q3, nên ta có: 2, 27 ×21927, 033(T3c − 298) = 0, 7208 ×27089(273 − T3c ) T3c = 290,956 = 17,956o C * nhiệt độ trao đổi tai thiết bị trao đổi nhiệt (3) là: Q3 = 2, 27 ×21927, 033 ×(290,956 − 298) = −350610, 626 (KJ/h) V.II.5 Tính nhiệt trao đổi thiết bị bay propan(6) * Dòng khí vào thiết bị bay propan(6) bao gồm: m5 = 170753,39 (Kg/h) ; T5 = 286, 61 (K); C5 = 2, 27 (KJ/Kg.K) m3 = 21927, 033 (Kg/h); T3 = 298 (K) C3 = 2, 27 (KJ/Kg.K) m8 = 14628,33 (Kg/h) ; T8 = 253 (K) Tacó: C8 = 2,3 ×0,8455 + 2,14 ×0,1169 + 2, 21×0, 0042 + 2,37 ×0, 00045 = 2, 2779 (KJ/h) Vậy: Nhiệt trao dổi thiết bị bay hơI propan(6) để dòng khí đI vào tháp (7) đạt tới nhiệt độ: T = −30o C = 243K Q6 = 2, 27 ×170753,39(243 − 286, 61) + 2, 27 ×21927, 033(243 − 298) +2, 2779(243 − 253) = −19641293, 47 (KJ/h) VII,6 Tính nhiệt trao đổi thiết bị bay propan(11) Dòng khí đỉnh tháp (9) có thông số: m9 = 47671,34 (Kg/h) C3, = 0, 7208 (KJ/Kg.K) T9d = 22o C = 295 K Vậy: nhiệt lượng cần để làm lạnh hỗn hợp khí xuống tới nhiệt độ: T = −70o C = 266 K Tacó: Q11 = 0, 7208 ×47671,34 ×(295 − 266) = 996483,55 (KJ/h) VII.7 Cân nhiệt thiết bị tách pha(7) * Nhiệt dòng khí mang đỉng tháp (7): Q7d = m7d ×C7d ×T7 (KJ/h) d m7 = 133874 Trong đó: (Kg/h) C7d = 2,3 ×0,8739 + 2,14 ×0, 09699 + 2, 21×0, 0255 +2, 23 ×0, 00322 + 2,37 ×0, 00033 = 2, 2818 (KJ/Kg.K) T7 = −30o C = 243K Vậy: Nhiệt dòng màng đỉnh tháp(7) là: Sinh viên: Lê Xuân Long 54 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Q7d = 133874 ×2, 2818 ×243 = 74230107, 45 (KJ/h) * Nhiệt dòng khí mang đáy là: Q7day = m7day ×C7day ×T7day (KJ/h) C7day = 2,3 ×0,5945 + 2,14 ×0, 2337 + 2, 21 ×0,13095 +2, 23 ×0, 033 + 2,37 ×0, 008 = 2, 2494 (KJ/Kg.K) Vây: Q7day = 73155 ×2, 2494 ×243 = 39986283, 65 (KJ/h) * Tính nhiệt lượng dòng khí mang vào tháp (7): C7 = 2, 27 (KJ/Kg.K) Q7 = 207024,9 ×2, 27 ×243 = 114197005,1 (KJ/h) Vậy: Bảng 16: Cân nhiệt lượng tháp tách pha(7) Nhiệt lượng đầu vào(KJ/h) Nhiệt lượng đầu ra(KJ/h) Qvao = 114197005,1 Q7d = 74230107, 45 Q7day = 39986283, 65 ∑Q vao = 114197005,139986283, 65 ∑Q = 114216391,1 Bảng 16: Cân nhiệt lượng tháp tách pha(7) VII.8 Cân nhiệtlưọng thiết bị tách pha(8) * Nhiệt dòng khí mang đỉnh tháp(8): Q = m8d ×C8d ×T8 m8d = 14628,33 (Kg/h) mà d C8d = 0,8455 ×2,3 + 0.1169 ×2,14 + 0, 0329 ×2, 21 + 0, 0042 ×2, 25 +0, 00045 ×2,37 = 2, 278 (KJ/Kg.K) d T8 = 253K Nên: Q8d = 14628,33 ×2, 278 ×253 = 8430803,942 (KJ/h) * Nhiệt dòng khí mang đáy: Q8day = m8day ×C8day ×T8 (KJ/h) Trong đó: m8day = 58516,18 (Kg/h) ×C8day = 0,5318 ×2,3 + 0, 2628 ×2,14 + 0,1554 ×2, 21 + 0, 0402 ×2, 25 Sinh viên: Lê Xuân Long 55 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp +0, 0098 ×2,37 = 2, 2426 (KJ/Kg.K) T8 = 253K Vậy: Q8day = 58516,18 ×253 ×2, 2426 = 33200781, 47 * Nhiệt lượng dòng khí mang vào tháp(8): Q8 = 73145,3 ×2, 2494 ×253 = 41626858,57 (KJ/h) Bảng 17: Cân nhiệt tháp (8) Nhiêt lượng đầu vào(KJ/h) Nhiệt lượng đầu ra(KJ/h) Q8d = 8430803,942 Qvao = 41626858,57 Q8day = 33200781, 47 ∑Q ∑Q vao = 41626858,57 = 41631585, 41 VII.9 Cân nhiệt lượng tháp(9): * Nhiệt lưong dòng khí mang đỉnh: Q9d = m9d ×C9d ×T9d (Kg/h) C9d = 2,3 ×0, 65278 + 2,14 ×0,32122 + 2.21×0, 26 = 2, 2260 (KJ/Kg.K) Q9d = 85084, 406 ×2, 246 ×295 = 56374374.38 (KJ/Kg) *Nhiệt lượng dòng khí mang đáy: Q9day = m9day ×C9day ×T9day (Kg/h) C9day = 0,5318 ×2,3 + 0, 2628 ×2,14 + 0,1554 ×2, 21 + 0, 0402 ×2, 25 +0, 0098 ×2,37 = 2.23 (KJ/Kg.K) Q9day = 10844,812 ×2, 2267 ×458 = 11059849, 44 (KJ/h) * Nhiêt lương dòng khí mang vào tháp(9): Q9 = m9 ×C9 ×T9 (KJ/h) C9 = 0,5318 ×2,3 + 0, 2628 ×2,14 + 0,1554 ×2, 21 + 0, 0402 ×2, 25 + 0, 0098 ×2,37 (KJ/Kg.K) Vậy: Q9 = 58516 ×2, 24 ×298 = 38955644, (Kg/h) * Nhiệt lưọng dòng khí hồi lưu đỉnh mang vào tháp(9): Q9, = m9, ×C9, ×T9, (Kg/h) Mà: m9, = 57996 (Kg/h) T9, = = 273K Ta có: C9, = 2,3 ×0, 4128 + 2,14 ×0,5108 + 2, 21×0, 08 = 2, 21 (KJ/Kg.K) Q9, = 57996 ×2, 21 ×273 = 34990726, 68 (KJ/h) Sinh viên: Lê Xuân Long 56 Đại Học Bách khoa Hà Nội Đồ án Môn học Thiết kế dây chuyền công nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp Sinh viên: Lê Xuân Long 57 Đại Học Bách khoa Hà Nội ... nghệ chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ NHIỆT ĐỘ THẤP IV.1.Các thiết bị có qúa trình chế biến phương hip ngưng tụ nhiệt độ thấp. .. chế biến khí ngưng tụ nhiệt độ thấp benzin khỏi hỗn hợp khí cao, triệt để nên phương pháp ứng dụng rộng rãi công nghiệp chế biến khí II.2 Chế biến khí phương pháp hấp thụ Ngoài chế biến khí phương. .. CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ BIẾN KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐỒNG HÀNH II.1 .Phương pháp chế biến khí phương pháp ngưng tụ Tiến hành chế biến khí phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp từ -25oC - -35oC áp