Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập lớn môn chế biến dầu Nội dung về tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của thiết bị tái sinh xúc tác có năng suất 3 triệu tấnnăm, nguyên liệu là dầu thô Đại Hùng Việt Nam. Đây là bài tính toán cơ bản trong khi học về ngành hóa dầu
BÀI TẬP LỚN MƠN CHẾ BIẾN DẦU Đề bài: Tính cân vật chất cân nhiệt lượng thiết bị tái sinh xúc tác có suất triệu tấn/năm, nguyên liệu dầu thô Đại Hùng Việt Nam GVHD: thầy Lê Văn Hiếu Họ tên: Nguyễn Thị Phương MSSV: 20143523 Lớp: KTHH05 – K59 Tái sinh xúc tác zeolite trình Cracking xúc tác Số liệu ban đầu: - Lượng chất xúc tác tuần hoàn: Gx = triệu / năm = 368 T/h - Lượng cốc xúc tác sau tái sinh 0,1% khối lượng - Lượng cốc vào thiết bị tái sinh với xúc tác: ∆g = T/h ( khoảng 1,3 ÷1,8% khối lượng xúc tác) - Lượng nước bị hấp thụ chất xúc tác là: Gh = 590 kg/h - Nhiệt độ xúc tác khỏi thiết bị phản ứng: 753 K - Nhiệt độ thiết bị tái sinh: Tp = 873 K - Nhiệt độ khơng khí: Tk = 353 K - Áp suất thiết bị: p = 0,27 MPa Đặc tính cháy cacbon Lượng khí tái sinh Giả thiết thành phần cốc bảng : Nguyên tố C H S Hàm lượng % (% khối lượng) 86,0 8,5 5,5 Phụ thuộc vào độ dư khơng khí, điều kiện q trình đốt cháy cốc mức độ xử lý chất xúc tác khí tái sinh mà tye lệ CO2/CO khác Lượng CO2 CO tạo đặc trưng cho cháy hoàn toàn C Sau biết lượng C cốc (86 % khối lượng) giả thiết tỷ lệ theo thể tích (ở điều kiện chuẩn) CO2/CO = 1,85 Ta tính lượng C kg cốc biến thành CO2 CO từ xác định lượng sản phẩm oxy hóa Vì kg cốc chứa 0,86 kg C nên ta có: CCO2 + CCO = 0,86 (*) Trong đó: CCO2 CCO lượng C biến thành CO2 CO tương ứng trình đốt cháy kg cốc Trong q trình đốt cháy cốc có nhiều phản ứng xảy ra, ta giả thiết phản ứng sau: C + O2 = CO2 (1) C + ½ O2 = CO (2) 2H2 + O2 = H2O (3) S + O2 = SO2 (4) Xác định lượng CO2 CO tạo từ CCO2 CCO kg Cacbon Từ (1) ta thấy: Để đốt cháy kmol C cần kmol O2 để sản phẩm tạo thành CO2 Khi đó: mCO2 = CCO2 CCO + 12 1.32 = 3,67.CCO2 (kg/kg) Tương tự ta tính lượng CO Từ (2) ta có: Để đốt cháy kmol C tạo thành CO cần 1/2 kmol O2 Khi đó: mCO2 = CCO + 32 = 2,34.CCO (kg/kg) Vậy lượng (thể tích) CO2 CO điều kiện chuẩn là: VCO2 VCO 3, 67.CCO 2 44 = 22,4 = 1,87 CCO2 2,34.CCO 28 = 22,4 = 1,87 CCO (m3 / kg) (m3/ kg) Từ kết chấp nhận ta có: VCO 1,87.CCO CCO VCO = 1,87 CCO = CCO = 1,85 Vậy : CCO CCO = 1,85 (**) Từ ( *) (**) ta có hệ phương trình: CCO2 + CCO = 0,86 CCO CCO = 1,85 Giải hệ phương trình ta được: CCO2 = 0,558 (kg/kg) ; CCO = 0,302 (kg/kg) Như : VCO2 = 1,87 0,558 = 1,042 (m3 /kg) VCO = 1,87 0,302 = 0,563 (m3 / kg) Hoặc: mCO2 = 3,67.0,558= 2,048 (kg/ kg) mCO = 2,34 0,302 = 0,707 (kg/ kg) Vậy thể tích CO2 CO sinh đốt cháy kg cốc là: VCO2 = 1,042 (m3 /kg) ; VCO = 0,563 (m3 / kg) Hoặc khối lượng CO2 sinh đốt cháy kg cốc là: mCO2 = 2,048 (kg/ kg) ; mCO = 0,707 (kg/ kg) Lượng nước tạo đốt cháy Hydro kg cốc là: Ta có phương trình : 2H2 + O2 = 2H2O (3) Từ (3) ta thấy: Để đốt cháy Kmol H2 ta cần 1/2 Kmol O2 Khi đó: mH2O = CH2 CH + 32 Trong : CH2 lượng Hydrô kg cốc (kg) mH2O 0, 085 = 0,085 + 32 = 0,765 (kg/kg) VH2O 0, 765 = 18 22,4 = 0,952 (m3/kg) Vậy khối lượng thể tích nước đốt cháy kg cốc là: mH2O = 0,765 (kg/kg) VH2O = 0,952 (m3 /kg) Lượng SO2 sinh đốt cháy S kg cốc Ta có phương trình : S + O2 = SO2 (4) Từ (4) ta thấy ,để đốt cháy Kmol S ta cần Kmol O2: CS mSO2 = CS + 32 32 Trong : CS lượng S có kg cốc (kg) Thay số vào phương trình ta được: mSO2 = 0,055 = 0,110 VSO2 (kg/ kg) 0.110 = 64 22,4 = 0,038 (m3 / kg) Vậy thể tích khối lượng SO2 sinh đốt cháy kg cốc là: mSO2 = 0,110 (kg / kg) VSO2 = 0,038 (m3 / kg) Tổng lượng sản phẩm chảy cốc: m = mCO2 + mCO + mH2O + mSO2 Thay số: m = 2,048 + 0,707 + 0,765 + 0,110 = 3,63 (kg/ kg) Hoặc lượng thể tích V = VCO2 + VCO + VH2O + VSO2 V = 1,042 + 0,563 + 0,952+ 0,038 = 2,595 (m3/kg) Trong tái sinh, sản phẩm chảy chứa N2 O2 thừa Ta chấp nhận lượng O2 thừa tái sinh 1,3 % thể tích Vậy thể tích khí tái sinh (theo m3 /l kg) cốc là: VKTS = V + VN2 + VO2 + V’N2 Trong đó: VN2 : Thể tích N2 có khơng khí, tiêu tốn để oxy hố cấu tử cốc VO2: Thể tích O2 thừa V’N2: Thể tích N2 khơng thừa Lượng Oxy tiêu tồn trình cháy cốc (kg/kg cốc) - Lượng Oxy tiêu tốn cho trình đốt cháy, đốt kg cốc tính theo cơng thức: mO2 = m - Trong : m = 3,63 kg/ kg - Tổng khối lượng sản phẩm đốt cháy kg cốc Vậy: mO2 = 3,63 - = 2,63 (kg) Hoặc tính theo thể tích: VO2 mO 2, 63 = 32 22,4 = 32 22,4 = 1,84 (m3 /kg) Lượng N2 tương ứng khơng khí: Giả thiết khơng khí có O2 N2, đó: Lượng O2 chiếm 23% khối lượng Lượng N2 chiếm 77% khối lượng Khi lượng N2 tương ứng khơng khí tính theo công thức: mO 0, 77 mN2 = 0, 23 Trong : mO2 lượng oxy tiêu tốn cho trình cháy kg cốc Thay số vào ta có: 2, 63.0, 77 mN2 = 0, 23 = 8,804 (kg/kg) Hoặc tính theo đơn vị thể tích: VN2 mN 22, 8,804.22, 28 28 = = = 7,043 (m3/kg) Lượng N2 không thừa Giả thiết lượng N2 không thừa chiếm 79 % lượng O2 khơng thừa chiếm 21% Khi lượng N2 thừa khơng tính theo cơng thức: 0, 79 V’N2 = V’O2 0, 21 = 3,762 V’O2 Trong : VO2 lượng oxy thừa tái sinh Lượng oxy thừa tái sinh Lượng oxy thừa khí tái sinh, ta giả thiết lượng oxy thừa khí tái sinh chiếm 1,3 % thể tích thể tích khí tái sinh Khi lượng oxy thừa tỉnh theo công thức: V ’O V ’O VKTS = �V VN V ’O V ’N = 0,013 Thay số vào phương trình ta được: V ’O 2,595 7, 043 V ’O 3, 762V ’O = 0,013 Từ ta tính được: V’O2 = 0,132 (m3/kg) Hoặc V ’O 0,132 m’O2 = 22, 32 = 22, 32 = 0,189 (kg/kg) Vậy lượng Nitơ thừa khơng khí là: V'N2 = V'O2 3,762 = 0,132 3,762 = 0,496 V'N2 = 0,496 (m3 /kg) V 'N 0, 496 m’N2 = 22, 28 = 22, 28 = 0,620 (kg/kg) Hoặc Lượng tái sinh VKTS = V + VN2 + V'O2 +V'N2 Thay số vào phương trình ta được: VKTS = 2,595 + 7,043 + 0,132 + 0,496 = 10,266 (m3/kg) mKTS= m+ mN2+ m’O2 + m’N2 Hay : mKTS = 3,63 + 8,804 + 0,189 + 0,62 = 13,243 (kg/kg) Tóm lại ta bảng 2: Các cấu tử Lượng khí thu đốt cháy kg cốc Thành phần khí tái sinh (% khối lượng) xác định m3 /kg kg/kg Ẩm Khô CO2 1,042 2,048 15,46 16,41 CO 0,563 0,707 5,39 5,66 SO2 0,038 0,110 0,83 0,83 N2 7,539 9,424 71,16 75,52 O2 0,132 0,189 1,43 1,53 Tổng khí khơ 9,314 12,478 94,27 100,00 H2O 0,952 0,765 5,76 Tổng khí ướt 10,226 13,243 100,00 Xác định lượng khơng khí tiêu tốn để đốt cháy kg cốc Lượng khơng khí tiêu tốn lý thuyết để đốt cháy kg cốc xác định: LO = mO2 + mN2 Trong đó: Lo : lượng khơng khí tiêu tốn lý thuyết để đốt cháy kg cốc ( kg/kg) mO2 : lượng oxy tiêu tốn cho trình cháy kg cốc (kg/kg) mN2 : lượng Nitơ khơng khíđể đốt cháy kg cốc (kg/kg) Ta có: mO2 = 2,63 (kg/kg) mN2 = 8,804 (kg/kg) Vậy: LO = 2,63 + 8,804 = 11,434 (kg/kg) VO = VO2 + VN2 = 1,84 + 7,043 = 8,883 (m3 /kg) Tính lượng khơng khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác kg cốc Lượng oxy tổng khơng khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác: mO2 + m'O2 = 2,63+ 0,189 2,82 (kg/ kg) VO2 + V'O2 = 1,84+ 0,132 1,97 (m3 / kg) Lượng Nitơ tổng có khơng khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác là: m’N2 +mN2 = 8,804 + 0,620 9,42 (kg/ kg) VN2 + V’N2 = 7,034+ 0,496 7,54(m3 /kg) Lt Lo Lượng khơng khí tiêu tốn thực tế: Lt = mO2 + m’O2 +m’N2 +mN2 Lt = 2,82 + 9,42 = 12,24 (kg/kg) Vt = VO2 + V’O2 +VN2 + V’N2 Vt = 1,97 +7,54 = 9,51 (m3/kg) Hệ số thừa khơng khí tái sinh xúc tác: Hệ số thừa khơng khí tái sinh xúc tác xác định: Lt P = Lo = = 1,07 - Lượng cốc xúc tác tái sinh với lượng chất xúc tác tuần hoàn là: Giả sử năm nhà máy hoạt động 340 ngày lại 25 ngày để sửa chữa, bảo dưỡng thì: GX = (triệu / năm) = 368 ( T/h) - Lượng cốc lại xúc tác 0,1 % khối lượng Do lượng cốc xúc tác tái sinh là: ∆go = GX 0,001= 368 0,001= 0,368 (T/h) Lượng cốc đốt cháy: ∆gc = ∆g - ∆go Trong : ∆gc: lượng cốc cháy (T/h) ∆g: lượng cốc vào thiết bị tái sinh với xúc tác: ∆g = (T/h) ∆go: lượng cốc xúc tác tái sinh: ∆go = 0,736 (T/h) Vậy : ∆gc = – 0, 368 = 4,632 (T/h) Lượng khơng khí cần thiết để đốt cốc GK= Lt ∆gc Trong : Gk : Lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy cốc (kg/h) Lt : Lượng không khí tiêu tốn thực tế để đốt cháy kg cốc (kg/kg) ∆gc : Lượng cốc đốt cháy: ∆gc = 4,632 (T/h) Thay số vào công thức ta được: GK = 12,24.4,632 = 56695,68 (kg/h) 10 Vậy lượng khơng khí cần thiết để đốt cháy cốc là: GK = 56695,68 (kg/h) Lượng khơng khí tái sinh ẩm: - Lượng khơng khí tái sinh ẩm xác định theo cơng thức: GKTSa = ∆gc + GK Trong đó: ∆gc = 4632 (kg/h) lượng cốc đốt cháy GK = 56695,68 (kg/h) lượng khơng khí cần thiết để đốt cốc Thay vào công thức ta được: GKTSa = 4632 + 56695,68 = 61327,68 (kg/h) Vậy lượng khơng khí tái sinh ẩm là: GKTSa = 61327,68 (kg/h) Tính lượng nước tiêu tốn để tách khí tái sinh khỏi chất xúc tác với mục đích đuổi khí tái sinh ( nhả hấp phụ ) khỏi mao quản chất xúc tác tạo lơ lửng, người ta cho nước nhiệt vào thiết bị tái sinh sau đốt cốc ,với lượng nước đưa vào thiết bị tái sinh ÷ 10 kg / xúc tác Nếu ta chấp nhận lượng nước tiêu thụ kg/tấn xúc tác lượng nước để đuổi khí tái sinh khỏi tất lượng xúc tác là: Go = 5.GX Với: GX : Lượng xúc tác tuần hoàn , GX = 368 (T/h) Thay số vào công thức ta được: Go = 368 = 1840 (kg/h) - Vậy lượng nước nhiệt tiêu tốn để tách tái sinh khỏi xúc tác là: 11 Go = 1840 (kg/h) - Giả sử lượng nước bị hấp thụ xúc tác là: Gh = 590 (kg/h) Tính cân vật chất thiết bị tái sinh Từ số liệu giả thiết ban đầu số liệu tính ta thiết lập bảng sau: Bảng 3: Dòng Ký hiệu Lượng (kg/h) Chất xúc tác Gx 368000 Cốc ∆g 5000 Không khí Gk 56695,68 Hơi nước bị hấp thụ xúc tác Gh 590 Hơi nước để tách khí tái sinh khỏi xúc tác Go 1840 Chất xúc tác Gx 368000 Cốc lại ∆go 368 GKTSa 56695,68 Hơi nước bị hấp thụ xúc tác Gh 590 Hơi nước để tách khí tái sinh khỏi nước Go 1840 Vào Tổng Ra Khí tái sinh ẩm Tổng Từ bảng ta có: 12 - Tổng lượng vật chất dòng vào thiết bị tái sinh là: Kl = Gx+ ∆g +Gk+Gh+Go Trong đó: Kl : Tổng lượng vật chất dòng vào thiết bị tái sinh (kg/h) Thay số vào cơng thức ta có Kl = 368000 + 5000 + 56695,68 + 590 + 1840 Kl = 432125,68 (kg/h) (l’) - Tổng lượng vật chất dòng thiết tái sinh là: K2 = Gx + ∆go + GKTSa+ Gh + Go Trong đó: K2: Tổng lượng vật chất dòng thiết bị tái sinh (kg/h) Thay số vào ta có: K2 = 368000 + 368 + 61327,68 + 590 + 1840 K2 = 432125,68 ( kg/h) (2’) Từ (l’) (2’) ta có K1 = K2 = 432125,68 (kg/h) Vậy tổng lượng vật chất dòng vào tổng lượng vật chất dòng thiết bị tái sinh Tính cân nhiệt lượng thiết bị tái sinh Để thiết lập cân nhiệt thiết bị tái sinh Trước hết ta cần phải biết Entanpy dòng cơng nghệ nhiệt độ tương ứng lượng nhiệt toả đốt cháy cốc 13 Entanpy khí ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất Nếu biết thành phần khí ẩm, ta xác định Entanpy theo ngun tắc cộng hợp Bảng 4: Trình bày giá trị Entanpy cấu tử khí ẩm 873 K tính số Entanpy cấu tử với phần khối lượng khí ẩm Cấu tử Thành phần yi (% khối lượng) Entanpy (kJ/kg) qki Qcp = qki.yi CO2 15,46 623,8 96,43 CO 5,39 651,5 35,12 SO2 0,83 379,2 3,15 N2 71,16 646,0 495,69 O2 1,43 596,3 8,53 H2O 5,76 1026,0 59,10 Tổng 100,00 698,01 Entanpy khí ẩm 873 K Theo nguyên tắc cộng hợp ta xác định được: ∆Ska = qki.yi ∆Ska = qkCO2.YCO2 + qkCO.YCO + qkN2.YN2 + qkO2.YO2 + qkH2O.YH2O Trong đó: Yi: Thành phần (% khối lượng ) cấu tử khơng khí ẩm qki: Entanpy cấu tử ( kJ/kg) 14 Tra bảng giá trị Entanpy cấu tử thay số vào công thức ta xác định được: ∆Ska = 96,43 + 35,11 + 3,15 + 459,69 + 8,53 + 59,10 ∆Ska = 698,01 (kg/kg) Entanpy khơng khí 353 K Tra bảng ta xác định được: q = 80,68 (kJ/kg) Xác định Entanpy cốc xúc tác, Entanpy cốc xúc tác xác định cơng theo cơng thức: qTx = C.T Trong đó: C : Nhiệt dung riêng cốc chất xúc tác (kJ/kg) T : Nhiệt độ xúc tác cốc (oK) Nhiệt dung riêng chất xúc tác thường lấy 1,13 (kJ/kg.K) , nhiệt dung riêng cốc là: 2,51 (kJ/kg.K) Entanpy nước nhiệt nước bão hoà Entanpy nước nhiệt nước bão hoà xác định theo sơ đồ I - S nước Qua tra bảng ta xác định được: - Entanpy nước hấp thụ xúc tác ở: 753 K 3457,00 (kJ/kg) 873 K 3707,00 (kJ/kg) - Entanpy nước để đẩy khí tái sinh khỏi chất xúc tác ở: 753 K 3512,00 (kJ/kg) 15 873 K 3708,00 (kJ/kg) Lượng nhiệt toả đốt cháy cốc xác định: Qpc = yi.Qi Trong đó: Qpc: Nhiệt cháy cốc (kJ/kg) Qi : Hiệu ứng nhiệt phản ứng oxy hoá cấu tử (kJ/kg) Qpc = 0,558.QCO2 + 0,302.QCO + 0,085.QH2O + 0,055.QSO2 Tra bảng ta được: QCO2 = 34120 (kJ/kg) QCO = 10260 (kJ/kg) QH2O = 121600 (kJ/ kg) QSO2 = 9130 (kJ/kg) Thay vào công thức ta được: Qpc = 32975,63 (kJ/kg) Qua kết tính tốn liệu ta có bảng 5: Dòng Lượng (kg/h) Nhiệt độ (K) Entanpy (kJ/kg) Lượng nhiệt (kw) 368000 753 850,89 86979,87 5000 753 1890,03 2625,04 56695,68 353 80,68 127,06 590 753 3457,0 566,56 Vào Chất xúc tác Cốc Khơng khí Hơi nước bị hấp thụ xúc tác 16 Hơi nước để dẩy khí tái sinh khỏi xúc tác 1840 Cốc đốt cháy 4632 753 3512,0 1795,02 32975,63 42428,64 Tổng 134522,19 Ra Chất xúc tác 368000 873 986,49 100841,20 368 873 2191,23 223,99 56695,68 873 698,01 10992,82 Hơi nước bị hấp thụ xúc tác 590 873 3707,00 607,54 Hơi nước để đẩy khí tái sinh khỏi xúc tác 1840 873 3708,00 1895,20 Cốc Khí ẩm Nhiệt tổn thất (lấy 0,5%lượng nhiệt vào) 6720,21 Tổng 115232,96 Nhiệt thừa 19289,23 Tổng 122629,66 Từ bảng ta thấy tổng nhiệt lượng dòng vào thiết bị tái sinh tổng nhiệt lượng thiết bị tái sinh, nhiệt lượng cân Đây q trình có tỏa nhiệt 17 ... xúc tác) - Lượng nước bị hấp thụ chất xúc tác là: Gh = 590 kg/h - Nhiệt độ xúc tác khỏi thiết bị phản ứng: 753 K - Nhiệt độ thiết bị tái sinh: Tp = 873 K - Nhiệt độ khơng khí: Tk = 353 K - Áp suất... (kg/kg cốc) - Lượng Oxy tiêu tốn cho trình đốt cháy, đốt kg cốc tính theo cơng thức: mO2 = m - Trong : m = 3,63 kg/ kg - Tổng khối lượng sản phẩm đốt cháy kg cốc Vậy: mO2 = 3,63 - = 2,63 (kg)... zeolite trình Cracking xúc tác Số liệu ban đầu: - Lượng chất xúc tác tuần hoàn: Gx = triệu / năm = 368 T/h - Lượng cốc xúc tác sau tái sinh 0,1% khối lượng - Lượng cốc vào thiết bị tái sinh với xúc