Tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng khi thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất 3000000 tấn 1 nam

Tính tốn cân vật chất nhiệt lượng thiết kế phân xưởng cracking xúc tác suất 3.000.000 tấn/ năm I.Tính cân vật chất Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng tổng lượng vật chất khỏi lò phản ứng :Gvào = Gra Gk Gx Gc GNL Ggnh gn Cân vật chất lò phản ứng Gmm Phương trình cân vật liệu lò phản ứng có dạng: GNL =Gk +Gc+G x +Ggnh +Ggn+ Gmm Trong : GNL : Lượng nguyên liệu vào lò phản ứng( suất phân xưởng ) ,T/h Gk : Lượng sản phẩm khí tạo thành, T/h Gc : Lượng cốc tạo , T/h Gx : Lượng sản phẩm xăng tạo thành, T/h Ggnh : Lượng gasoil nhẹ ,T/h Ggn : Lượng gasoil nặng, T/h Gmm : Lượng mát ,T/h Phân xưởng cracking xúc tác có suất 3.000.000 tấn/năm với nguyên liệu lấy từ phần cặn dầu thô Bạch Hổ Ta coi thời gian làm việc phân xưởng năm 8000 h Năng suất phân xưởng tính theo : GNL= 3.106 = 375 T / h 8000 Chọn hiệu suất xăng ( tính theo % trọng lượng nguyên liệu ) X = 45,1% trọng lượng nguyên liệu Chọn hiệu suất cốc Xc = 1,7% trọng lượng nguyên liệu Chọn hiệu suất khí cracking Xk = 17,7% trọng lượng nguyên liệu Hiệu suất gasoil nhẹ : Xgnh = 22% trọng lượng nguyên liệu Hiệu suất gasoil nặng : Xgn = 12,5% trọng lượng nguyên liệu Coi lượng mát 1% Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng Gvào = GNL = 375 ,T/h Lượng sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng : Lượng khí cracking là: Gk = GNL 17,7 Lượng xăng = 375 0,177 = 66,375 ,T/h : Gx = GNL 0,451 = 375 0,451 = 169,125 ,T/h Lượng gazoil nhẹ : Ggnh = GNL 0,22 = 375 0,22 = 82,5 , T/h Lượng gazoil nặng : Ggn = GNL 0,125 = 375 0,125 = 46,875 Lượng cốc : Gc = GNL  0,017 = 375 0,017 = 6,375 Lượng mát : Gm = GNL  0,01 = 375 0,01 = 3,75 Vậy tổng lượng sản phẩm mát là: ,T/h ,T/h ,T/h Gra = Gk + Gx + Ggnh + Ggn + Gc + Gm = 66,375 + 169,125 + 82,5+ 46,875 + 6,375 + 3,75 = 375 , T/h kết tính tốn cân băng vật chất cho thiết bị phản ứng sau : Bảng 1: Kết tính tốn cân vật chất cho thiết bị phản Các thành phần Trọng lượng , T/h % Trọng lượng theo nguyên liệu 375 100 Sản phẩm Khí 66,375 17,7 Sản phẩm Xăng 169,125 45,1 Sản phẩm Gasoil nhẹ 82,5 22 Sản phẩm Gasoil nặng 46,875 12,5 Cốc 6,375 1,7 Lượng mát 3,75 Tổng 375 100 Đầu vào Nguyên liệu Đầu  Xác định lượng xúc tác tuần hoàn tiêu hao nước Với hệ thống xúc tác dạng hạt cầu bội số tuần hồn xúc tác N =  9/1 Ta chọn N = 6/1 lượng xúc tác : GCatalyst = N Gc = 6.375 = 2250 ,T/h Xác định lượng tiêu hao nước Hơi nước sử dụng trình nhiệt Để điều chỉnh mật độ hỗn hợp nguyên liệu xúc tác ống vận chuyển ta dùng nước tiêu tốn khoảng 0,4 -2,0% trọng lượng tính theo tải trọng lò phản ứng Ta chọn tiêu tốn nước để điều chỉnh mật độ hỗn hợp 1,6% trọng lượng theo nguyên liệu Vậy lượng nước tiêu hao trường hợp : Gn1 = 0,016 375 = ,T/h Hơi nước dùng để tách sản phẩm cracking khỏi xúc tác trước đưa vào lò tái sinh vùng tách Tiêu tốn trường hợp vào khoảng -10 kg để tách xúc tác có dính cốc Ta chọn giá trị kg /1tấn xúc tác Như lượng nước tiêu tốn : Gn2 = 7.2250 =15750 , Kg/h Vậy lượng nước tiêu tốn tổng cộng là: GH2Ohv = Gn1 + Gn2 = +15,75 = 21,75 ,T/h II Cân nhiệt lượng lò phản ứng Qk Cân nhiệt lò phản ứng Qmm xtr Phương trình cân nhiệt lượng lò phản ứng có dạng: QNL QNL + QH2Ohv1 + QH2Ohv2 + QXtv = QH O (Q Q ) QXtr + Qk + Qx + Qgnh + Q +Q + Q + Qxtv gn cốc hv H 2Ohv1, Qx Qc H2Ohv2, QH O Qgnh H2Ohr1 QH2Ohr2 + Qmm + Qpứ Trong : hr pu Qgn Vế trái biểu thức biểu diễn tổng nhiệt lượng mang vào thiết bị tính , Kcal/h QNL : Nhiệt lượng nguyên liệu mang vào QH2Ohv1 : Nhiệt lượng nước đưa vào ống vận chuyển QH2Ohv2 : Nhiệt lượng nước mang vào vùng tách QXtv : Nhiệt lượng xúc tác mang vào Vế phải phương trình biểu diễn tổng nhiệt lượng mang khỏi thiết bị phản ứng tính (Kcal/h) QXtr : Nhiệt lượng xúc tác mang Qk : Nhiệt lượng sản phẩm khí mang Qx : Nhiệt lượng xăng mang Qgnh : Nhiệt lượng gasoil nhẹ mang Qgn : Nhiệt lượng phần gasoil nặng mang QH2Ohr1 : Nhiệt lượng nước mang khỏi ống vận chuyển QH2Ohr2 : Nhiệt lượng nước mang khỏi vùng tách Qmm : Mất mát nhiệt vào môi trường Qpư : Nhiệt lượng tiêu hao cho phản ứng cracking Dựa vào tài liệu thực tế công nghiệp ta chọn nhiệt độ thành phần lúc vào thiết bị phản ứng sau: Nhiệt độ xúc tác vào thiết bị phản ứng : txtv = 6000C Nhiệt độ nước đưa vào ống vận chuyển là: tH2Ov1 = 6000C ( áp suất 40 at) Nhiệt độ nước đưa vào vùng tách: tH2Ov2 = 2300C ( áp suất at) II.1 Nhiệt lượng khí sản phẩm mang Trong bảng theo tài liệu [6,118] thành phần khí cracking ( Người ta xác định cách phân tích sắc ký khí sản phẩm khí nhận cracking) Với giả thiết áp suất thiết bị phản ứng tương đối nhỏ, ảnh hưởng áp suất lên hàm nhiệt không đáng kể Khi biết thành phần khí cracking ta tìm hàm nhiệt riêng cấu tử sau ta tính hàm nhiệt hỗn hợp cấu tử Tổng hàm nhiệt riêng phần cấu tử hàm nhiệt khí cracking nhiệt độ cho Nhờ nội suy ta xác định hàm nhiệt khí nhiệt độ trung gian Bảng 2: Thành phần khí cracking Cấu tử H2S Hiệu suất % trọng lượng theo nguyên liệu 0,85 Số lượng Kg/h Kmol/h 3187,5 93,75 H2 0,2 750 375 CH4 2,31 8662,5 541,4 C2H4 0,57 2137, 76,34 C2H6 1,25 4687,5 156,25 C3H6 3,22 12075 287,5 C3H8 2,43 9112,5 207,1 C4H8 3,95 14812,5 264,5 C4H10 2,92 10950 188,79 Bảng 3: Hàm nhiệt cấu tử khí khoảng nhiệt độ 300 0C - 5000C 300 C Hàm nhiệt 4000C 5000C Cấu Thành tử phần % Riêng Riêng phần 75,3 1035,0 188,8 142,9 162,6 141,4 159,1 148,9 159,5 3,616 11,67 24,64 4,60 11,48 25,72 21,84 33,23 26,31 163,10 Riêng Riêng Riêng Riêng phần phần trọng H2S H2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 Tổng lượng 4,802 1,13 13,05 3,22 7,062 18,192 13,729 22,316 16,499 100 103,2 1383,0 269,0 205,0 236,0 204,0 231,0 214,0 231,0 4,96 15,62 35,10 6,601 16,67 37,11 31,71 47,76 38,11 233,64 131 1733 357 273 316 272 309 285 308 6,29 19,58 46,59 8,79 22,32 49,48 42,42 63,60 50,82 309,89 Từ bảng ta xác định hàm nhiệt khí cracking khỏi lò phản ứng 5000C Hàm nhiệt khí cracking 5000C có giá trị : qk = 309,89, Kcal/Kg  Như nhiệt lượng khí sản phẩm mang : Qk = 66,375.103 309,89 = 2,057 107 ,Kcal/h II.2 Nhiệt lượng sản phẩm nặng mang Hàm nhiệt hydrocacbon xác định theo công thức : qh = ( 50,2 + 0,109 t + 0,00014.t2 )*( -1515 ) -73,8 [6,120] Trong : qh : Hàm nhiệt phân đoạn trạng thái , Kcal/Kg 1515 : Tỷ trọng phân đoạn lỏng t : nhiệt độ phân đoạn , 0C Hàm nhiệt sản phẩm khỏi thiết bị phản ứng 5000C : qh = ( 50,2 + 0,109.500 + 0,00014.5002 )*( -0,76 ) -73,8 =378,83 Kcal/Kg  Nhiệt lượng xăng mang khỏi thiết bị phản ứng Qx = 169,125 103 378,83 =6,4069.107 Kcal/h Nhiệt hàm hydrocacbon lỏng tính theo công thức : ql = 15, d ( 0,403 t + 0,000405 t2 ) [6,120] 15, Trong : ql : hàm nhiệt phân đoạn hydrocacbon lỏng nhiệt độ t, Kcal/Kg d15,615,6 : Tỷ trọng phân đoạn : Nhiệt độ phân đoạn 0C t Hàm nhiệt gasoil nhẹ 5000 C : qgnh= 0,933 (0,403.500  0.000405 500 ) =313,43 ,Kcal/kg ( tỷ trọng gasoil nhẹ : 1515 = 0,933 )  Lượng nhiệt phần gasoil nhẹ mang : Qgnh = 82,5.103 313,43 = 2,5856 107 ,Kcal/h Hàm nhiệt phần gasoil nặng mang : qgn = 0,9429 (0,403.500  0,000405.500 ) = 311,78 ,Kcal/kg ( tỷ trọng gasoil nặng : 1515 = 0,9429 )  Lượng nhiệt phần gasoil nặng mang : Qgn =46,875 103 311,78 = 1,4615 107 ,Kcal/h Hàm nhiệt cốc xúc tác tính theo cơng thức : qcốc = C.t [6,120] q cốc : hàm nhiệt cốc xúc tác , Kcal/kg C : nhiệt dung riêng cốc hay nhiệt dung riêng xúc tác tương ứng 0,6 0,27 ,Kcal/ Kg.độ t : Nhiệt độ xúc tác hay cốc Hàm nhiệt xúc tác vào ống phản ứng : qxtv =0,27 600 = 162 ,Kcal/Kg  Nhiệt lượng xúc tác mang vào ống phản ứng QXtv = 2250 103 162 = 36,45 107 ,Kcal/h Hàm nhiệt xúc tác khỏi thiết bị phản ứng : qxtr =0,27 500 = 135 ,Kcal/kg  Lượng nhiệt xúc tác mang khỏi thiết bị phản ứng : QXtr = 2250 103 135 = 30,375 107 Kcal/h Hàm nhiệt cốc mang khỏi thiết bị phản ứng : qcốc = 0,6.500 =300 Kcal/kg  Lượng nhiệt cốc mang : Qcốc = 6,375 103 300 =0,19125.107 Kcal/h Hàm nhiệt nước xác định theo [7,196] Nhiệt dung riêng nước 40 at , 6000C : 0,5285 Kcal/Kg.độ 40 at ,2300C : 0,293 Kcal/ Kg.độ at ,5000C :0,509 Kcal/Kg.độ Hàm nhiệt nước mang vào ống phản ứng : qH2Ov1 = 0,5285 600 = 317,1 Kcal/ Kg  Lượng nhiệt nước mang vào ống phản ứng : QH2Ovl = 6.103 317,1 = 0,19026.107 , Kcal/h Hàm nhiệt nước mang vào vùng tách : qH2Ov2 = 0,293.230 = 67,39 Kcal/kg  Nhiệt lượng nước mang vào vùng tách : qH2Ov2 = 15,75.103 67,39 = 0,1061.107 Kcal/h  Tổng lượng nhiệt nước mang vào : QH2Ot = (0,19026 +0,1061 ) 107 = 0,29636 107 Kcal/h Hàm nhiệt nước khỏi thiết bị phản ứng : qH2Or = 0,590 500 = 254,5 ,Kcal/ Kg  Lượng nhiệt nước mang : QH2Ohr = 21,75.103 254,5 =0,5535 107 ,Kcal/h Độ sâu biến đổi xác định: 100-22-12,5= 65,5% trọng lượng tra đồ thị hình 59 (tài liệu[ 6,120]) ta hiệu ứng nhiệt phản ứng: H=62, Kcal/kg  Lượng nhiệt tiêu hao cho phản ứng cracking: Qpư= 375.103.62= 2,325.107 , Kcal/h Lượng nhiệt mát ta coi tính 5% lượng nhiệt cân ( Qmm = 0,05 Qvào )  Tổng lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng : Qvào = QNL + 0,29636.107 + 36,45 107 =QNL + 36,74636.107 ,Kcal/h  Tổng lượng nhiệt mang khỏi thiết bị : Qr = 2,057 107 + 6,4069.107 + 2,5856.107 + 1,4615 107 + 30,375 107 + 0,19125.107 +0,5535 107 + 2,325.107 + Qmm Qr = 45,96 107 +0,05 Qvào ,Kcal/h Qvào = Qr = 48,379 107 , Kcal/h Qmm = 0,05 48,379 107 = 2,61351.107 ,Kcal/h Lượng nhiệt nguyên liệu mang vào : QNL = (48,379 – 36,74636 ) 107 =11,63264.107 ,Kcal/h Hàm nhiệt nguyên liệu : qNL  QNL 11,63264.107   310, GNL 375.103 ,Kcal/ Kg Ta có bảng cân nhiệt sau : Bảng 4: Bảng Cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng Tên Nhiệt độ C Số lượng Hàm nhiệt Tổng cộng, T/h Kcal/Kg 107 Kcal/h 375 310,2 11,63264 Vào QNL QXtv 600 2250 162 36,45 QH2Ov1 600 317,1 0,19026 QH2Ov2 230 15,75 67,39 0,29636 Cộng 394,125 48,56926 Ra Qx 500 169,125 378,83 6,4069 Qk 500 66,375 309,89 2,057 Qgnh 500 82,5 313,43 2,5856 Qgn 500 46,875 311,78 1,4615 Qxtr 500 2250 135 30,375 Qcốc 500 6,375 300 0,19125 QH2Ohr 500 21,75 254,5 0,5535 Qpứ 500 62 2,325 Qmm 2,61351 Cộng 48,56926 III Tính tốn thiết bị phản ứng III.1 Tính đường kính lò phản ứng Đường kính lò phản ứng xác định theo công thức sau : D=1,128 S [6,122] Trong : S : diện tích tiết diện ngang lò phản ứng , m2 S tính : S= V 3600. Trong : V : Thể tích qua mặt cắt ngang lò phản ứng, m3/h Vận tốc cho phép tiết diện tự lò phản ứng , m/s Đối với thiết bị cracking xúc tác vận tốc trung bình tiết diện tự lò phản ứng 0,63 m/s Khi V xác định theo công thức : 22,4  V   Gi (273  t p ) Mi 273. [ 6,123] Gi : Là lượng hỗn hợp lò phản ứng , Kmol/h , Mi : Là nhiệt độ lò phản ứng ,0C  : áp suất tuyệt đối bên lớp giả sơi lò phản ứng , ta lấy at Trọng lượng phân tử trung bình khí cracking: 66,375.103  30, 2995 , Kg/kmol 2190, 63 Ta tính được:  Gi 66,375.103 169,125.103 82,5.103 46,875.103 21,75.103 = + + + + = Mi 30, 2995 105 200 340 18 5560 , Kmol/h Vậy rút V : V 22, 4.5560 (273  500)  176324, , m3 /h 273.2 Tiết diện ngang lò phản ứng : S 176324,  77, 74 , m2 3600.0, 63 Đường kính lò phản ứng : D=1,128 S =1,128 77, 74 = 9,946 , m Trong cơng nghiệp người ta thường sử dụng lò có đường kính nằm khoảng 2,5 m – 12 m Ta chọn lò có đường kính D = 10 , m III.2 Tính chiều cao lò phản ứng Chiều cao tồn lò phản ứng xác định theo công thức sau : Htl = H1 + H2 + H3 +H4 [6,124] Trong : H1 : Chiều cao vùng tách, thường chọn H1 = , m H2 : Chiều cao vùng đặt cyclon, phụ thuộc vào kích thước cyclon thường chọn H2 = 6,m H3 : Chiều cao đỉnh lò phản ứng Do đỉnh lò phản ứng có dạng bán cầu nên ta thường lấy H3 = 0,5 D = 0,5 10 = ,m Ta có: HN : HT : H4 = HN + HT Chiều cao phần hình nón vùng chuyển tiếp Chiều cao phần hình trụ vùng chuyển tiếp Thường chọn HT = , m Cho đường kính vùng tách D1 = m góc tạo phần hình nón thiết bị 450, ta tính được: HN = Vậy: H4 = + = D  D1  = =2 ,m 2 ,m Như chiều cao lò phản ứng : H = + + +7 = 24 ,m III.3 Tính tốn ống đứng Theo việc lựa chọn cơng nghệ FCC thời gian tiếp xúc ngắn , ta chọn thời gian lưu nguyên liệu sản phẩm ống đứng : =2, s Tốc độ nguyên liệu sản phẩm ta chọn giá trị v =15 ,m/s chiều dài ống đứng : Hống = .v = 30 ,m Thể tích ống đứng : Vđ = Hống S Trong đó: S : Là diện tích tiết diện ngang ống đứng Hống : Chiều cao ống đứng Ta có S =  d Trong : d : đường kính ống đứng , m Như có : Vđ = Hống  d  V 4.Vong d= Ta có thời gian lưu : =  H Vong V ,s Trong : Vống : Thể tích ống đứng , m3 V : Thể tích qua mặt cắt ngang lò phản ứng ,m3/s Suy Vống =  V Như đường kính ống đứng : d= 4.2.176324, 4. V = = 2,04 , m 3,14.30.3600  H Chọn đường kính ống phản ứng d = , m V.Cyclon lò phản ứng Ta đặt cyclon lò phản ứng nhằm mục đích thu hồi bụi xúc tác bị theo sản phẩm phản ứng Mức độ làm dao động khoảng 65 – 98% Trong trường hợp cần làm mức độ cao ta dùng cyclon hai hay ba bậc Trong đồ án ta giới hạn việc tính số lượng trở lực thuỷ lực cyclon Để tính tốn ta phải dựa vào tốc độ quy ước dòng sản phẩm tiết diện tự cyclon tốc độ quy ước xác định theo công thức : y = V ,m/s S Trong : V : thể tích dòng sản phẩm , m3/s [6,129] S : tiết diện chung cyclon, m2 Mức giảm áp suất cyclon xác định trở lực cục :  y2 p == sp 2.g =   y2 sp , N/m2 [6,129] Trong :  : Là hệ số trở lực sp : Trọng lượng riêng sản phẩm, N/m3 g : Là gia tốc trọng trường , m/s2 sp : Tỷ trọng sản phẩm , Kg/m3 D1  p Ta chọn  =65 ,m ta tính  y theo công sp h'1 thức : h'2 y = 2.g   sp ,m/s h'3 D Ta chọn loại cyclon theo [6,130] có : Đường kính ống D1 = 0,6 h'4 Chiều rộng ống vào B =0,26 Chiều cao ống vào h1’ =0,66 Chiều cao ống : h2’ =1,74 Chiều cao phần hình trụ : h3’ = 2,26 Chiều cao phần hình nón : h4’ = 2,00 d Chiều cao chung cyclon : H =4,56 Đường kính đáy hình nón : d =0,25 Hệ số trở lực thuỷ lực :  = 105 Thay gía trị vào ta tính  y = 2.9,81.65 105 =3,485 ,m/s Tiết diện chung cyclon : 176324,7 S = 3600.3, 485 = 14,054, m2 Nếu ta dùng cyclon có D =0,8 ,m tiết diện cyclon : s=  D 3,14.0,82 = = 0,5 ,m2 4 Số cyclon cần dùng : n = 14, 054 S = 0,5 =28,109 s Ta lấy chẵn số cyclon n = 28 tiết diện chung thực tế cyclon : S = 0,5 28 = 14 ,m2 ... 13 ,729 22, 316 16 ,499 10 0 10 3,2 13 83,0 269,0 205,0 236,0 204,0 2 31, 0 214 ,0 2 31, 0 4,96 15 ,62 35 ,10 6,6 01 16,67 37 ,11 31, 71 47,76 38 ,11 233,64 13 1 17 33 357 273 316 272 309 285 308 6,29 19 ,58 46,59... : 15 15 = 0,9429 )  Lượng nhiệt phần gasoil nặng mang : Qgn =46,875 10 3 311 ,78 = 1, 4 615 10 7 ,Kcal/h Hàm nhiệt cốc xúc tác tính theo cơng thức : qcốc = C.t [6 ,12 0] q cốc : hàm nhiệt cốc xúc tác. .. 3, 616 11 ,67 24,64 4,60 11 ,48 25,72 21, 84 33,23 26, 31 163 ,10 Riêng Riêng Riêng Riêng phần phần trọng H2S H2 CH4 C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 Tổng lượng 4,802 1, 13 13 ,05 3,22 7,062 18 ,19 2 13 ,729