Bảng 13: Nhiệt dung riêng của một cấu tử
Tên chất CP(2980K) Hệ số phương trình CP=φ(T) a0 a1.103 a-2.10-5 a2.10-3 C2H2 10,5 12,05 4,25 -2,52 C2H4 10,41 11,5 11,25 -3,87 CO2 14,51 10,55 2,16 -2,04 CO 6,965 6,342 1,836 - CH4 8,536 6,37 10,2 -1,18 H2 8,536 6,95 -0,2 - 0,48 O2 6,89 7,52 0,81 -0,9 N2 7,02 6,66 1,02 - C3H4 14,1 3,62 36,17 -
GVHD: Dương Khắc Hồng 38
4.3.1. Nhiệt dung riêng của các cấu tử tƣơng ứng trong hỗn hợp khí phân.
Ta có: CPC2H2 = 12,05 + 4,25 . 10-3T - 2,52 . 105T-2 CPC2H4 = 11,5 + 11,25 . 10-3T - 3,87 . 105T-2 CPCO = 6,342 + 1,836 . 10-3T CPC3H4 = 3,62 + 36,17 . 10-3T CPN2 = 6,66 + 1,02 10-3T CPCO2=10,55 + 2,16 . 10-3T - 2,04 . 105T-2 CPH2=6,95 - 0,2 . 10-3T CPCH4 = 6,73 + 10,2 . 10-3T - 1,118 . 105T-2 Thay giá trị T = 3530K vào các phương trình ta xác định được:
CPC2H2 = 12,33 (kcal/kmol.độ) CPC2H4 = 12,37 (kcal/kmol.độ) CPCO = 6,99 (kcal/kmol.độ) CPC3H4 = 16,39 (kcal/kmol.độ) CPN2 = 7,02 (kcal/kmol.độ) CPH2 =6,88 (kcal/kmol.độ) CPCO2 = 9,67 (kcal/kmol.độ) CPCH4 = 19,46 (kcal/kmol độ)
Thay các giá trị Xi,Ci tương ứng vào (1) ta được nhiệt dung riêng của khí nhiệt phân.
CP = 0,085 . 12,33 + 0,004 . 12,37 = 0,255 . 6,99 + 0,006 . 16,39 + 0,01 . 7,02 + 0,57 . 6,88 + 0,03 . 6,97 + 0,04 . 19,46 = 7,76 (kcal/kmol.độ) = 0,3461 (kcal/m3. độ).
Trong 100m3 khí tự nhiên thu được 186,951m2, khí sản phẩm ở điều kiện tiêu chuẩn chuyển về điều kiện ở 800C ta được.
CSP = 241,735 (m3) Khi đó nhiệt mang sẽ là:
Q6 = V.CP.T + QH20 + Qmuội + Tính Qmuội
GVHD: Dương Khắc Hồng 39
Theo bảng (10), (11) cứ 19609,334(m3) KTN sinh ra 184,368 kg muội. Vậy 100m3
KTN sinh ra: 0,75( ) 334 , 19609 100 . 495 , 147 kg
Từ đây ta tính được Qmuội
Qmuội = .7,08.353 197,856 12 75 , 0 (kcal) + Tính QH20 Theo bảng (10), (11) cứ 19609,334 KTN sinh ra 6959,799 (kg) H2O Vậy 100m3 KTN sinh ra 35,492 (kg) H2O Ta tính được: QH20= 35,492 . 1,0029.353 = 12565,009 (kcal). Vậy nhiệt mang vào là:
Q6 = 241,735 . 353 . 0,347 + 12565,009 + 156,202 = 42331,527 (kcal).
4.3.2. Tính nhiệt lƣợng cần lấy trong quá trình tôi: Q7
Q7 = QRA - Q6 + Tính QRa:
Theo định luật bảo toàn nhiệt lượng:
Q1+ Q2 + Q3 = Qmm+ QRa QRa: nhiệt do khí nhiệt phân mang ra.
QRa= 59624,729 + 199326,046 + 95428,433 – 17718,963 =336660,245 (kcal) Vậy nhiệt cần lấy trong quá trình tôi:
Q7= 336660,245 – 42331,572 = 294328,673 (kcal). Ta đưa nước vào ở 300C sau khi tôi nước lên 800
C thì nhiệt do nước mang vào ở 400C là Q8
Theo [7-tr195] tại 200C nhiệt dung riêng của nước là: 0,998 kcal/kg.độ Khi đó: Q8= GH2O.0,998.(273+40) = 312,37 . GH2O
Tại 800C nhiệt dung riêng của nước là: 1,0029 (kcal/kg. độ). Nhiệt lượng Q'8 mang ra khỏi phản ứng ở 800C là:
Q'8 = GH2O .1,0029 (273 + 80) = 354,02. GH2O Như vậy cân bằng nhiệt cần lấy theo khối phản ứng
Q7 = Q8 - Q'8
GVHD: Dương Khắc Hồng 40
GH2O = 7208,109 (kg/h)
Khí qua quá trình tôi sang quá trình làm lạnh và tách muội cacbon. Quá trình này gồm 3 giai đoạn.
- Làm lạnh và tách muội sơ bộ tới t0 = 550C
- Làm lạnh và tách muội bằng lọc điện với nhiệt độ 500C - Làm lạnh và tách muọi tới nhiệt độ t = 30oC
Quá trình 1 và 3 diễn ra cùng một tháp, quá trình 2 diễn ra trong một thiết bị riêng. Nước của giai đoạn 3 tưới xuống giai đoạn 1.
* Tính nhiệt mang ra giai đoạn 1. Q9. kcal
+ Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí nhiệt phân ở 550C.
Tương tự, ta thay T = 328 0K vào biểu thức CP của cấu tử khí ta được: CPC2H2 = 11,6 (kcal/kmol. độ). CPC2H4 = 11,59 (kcal/kmol. độ). CPCO = 6,94 (kcal/kmol. độ). CPC3H4 = 15,48 (kcal/kmol. độ). CPN2 = 6,99 (kcal/kmol. độ). CPH2 = 6,88 (kcal/kmol. độ). CPCO2 = 9,67 (kcal/kmol. độ). CPCH4 = 9,36 (kcal/kmol. độ). Ta có: CP(550C) = Ʃ Xi.Ci
Thay các giá trị Xi, Ci vào biểu thức CP ta được:
CP(550) = 0,085 . 11,6 + 0,004 . 11,59 + 0,255 . 6,94 + 0,006 . 15,48+ 0,01 . 7,00 +0,57 . 6,88 + 0,03 . 9,36 + 0,04 . 9,04 = 7,858 (kcal/kmol.độ) = 0,35 (kcal/m3.độ) + Khí ra khỏi giai đoạn 1 vào giai đoạn 2 có thể tích V =149,561(m3) KTN đkc chuyển về điều kiện T = 550C, ta được:
V = 179,691 (m3).
Như vậy nhiệt lượng nhiệt mang ra khỏi giai đoạn 1 vào giai đoạn 2. Q9 = 179,691 . 0,34 (273 + 55)= 20039,155 (kcal).
* Tính nhiệt lượng do khí nhiệt phản mang ra khỏi giai đoạn 2 (Q10) +Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí nhiệt phân ở 500C (3230K)
Tương tự ta thay giá trị T = 3230
K vào CP ta tính được: CPC2H2 = 11,01 (kcal/kmol độ)
GVHD: Dương Khắc Hồng 41 CPC2H4 = 11,42 (kcal/kmol độ) CPCO = 6,93 (kcal/kmol độ) CPC3H4 = 15,3 (kcal/kmol độ) CPN2 = 6,99 (kcal/kmol độ) CPH2 = 6,43 (kcal/kmol độ) CPCO2 = 9,29 (kcal/kmol độ) CPCH4 = 8,95 (kcal/kmol độ) Thay các giá trị vào ta tính được CP (500C)
CP(500C) = ƩXi.Ci = 0,085 . 11,01 + 0,004 . 11,02 + 0,255. 6,93+ 0,006 . 15,3 + 0,01 . 6,99 + 0,57 . 6,43 + 0,03 . 9,29 + 0,04 . 8,95= 7,212 (kcal/kmol.độ) = 0,322 (kcal/m3.độ)
Khí ra giai đoạn 2 vào giai đoạn 3 Q10
V= (273 50) 176,95( ) 273 561 , 149 3 m Do vậy ta tính được Q10 Q10 = 176,95 . 0,322 . 323 = 18403,8620 (kcal) + Nhiệt mang ra ở giai đoạn 3
Tương tự, thay số liệu T = 273 + 30 = 3030K vào các phương trình CP ta được: CPC2H2 = 10,59 (kcal/kmol.độ) CPC2H4 = 10,69 (kcal/kmol.độ) CPCO = 6,9 (kcal/kmol.độ) CPC3H4 = 14,58 (kcal/kmol.độ) CPN2 = 6,89 (kcal/kmol.độ) CPH2=6,89 (kcal/kmol.độ) CPCO2=8,98 (kcal/kmol.độ) CPCH4 = 8,6 (kcal/kmol.độ) Vậy CP của hỗn hợp khí nhiệt phân ở 300C.
CP(300C) = ƩXiCI = 0,085 . 10,59+ 0,004 . 10,69+ 0,006 . 14,58+ 0,04 .8,6 + 0,03 . 8,98 + 0,255 . 6,90 + 0,57 . 6,89 + 0,01 . 6,97 = 7,4 (kcal/kmol) = 0,33 (kcal/m3 độ).
GVHD: Dương Khắc Hồng 42
Với 149,561 (m3) ở điều kiện tiêu chuẩn chuyển về điều kiện 300C ta được 165,996(m3)
Q11=165,996 . 0,33 . 303 = 16597,967 (kcal) Từ các số liệu trên suy ra nhiệt cần lấy ở giai đoạn 1, QI
QI = Q6 - Q9 = 42331,572 – 20039,155 = 19808,278 (kcal). + Lượng nhiệt cần lấy giai đoạn 2
QII = Q9 - Q10 = 20039,155 – 18403,862 = 1635,293 (kcal) + Lượng nhiệt cần lấy giai đoạn 3
QIII = Q10 - Q11 = 18403,862 – 16597,967 = 1805,895 (kcal) Nhiệt dung riêng của nước làm lạnh :CP = 1,004 kcal/kg.độ
Ở đây nước ở giai đoạn 2 tăng lên t = 300C Nước giai đoạn 3 tăng lên t = 330
C Nước giai đoạn 1 tăng lên t = 350C
+ Nhiệt 1 Kg H2O giai đoạn 3 thu được :q3 = 1,004 x ∆T Nước làm lạnh đi vào có t = 250
C
Suy ra ∆T = 33 - 25 = 80C => q3 = 8 . 1,004 = 8,032 (kcal/kg) Vậy lượng nước cần thiết cho giai đoạn 3 là m3 (kg)
m3 = QIII/93 = 1805,895/8,032 = 224,837 (kg) + Nhiệt lượng 1 Kg nước giai đoạn 2 thu được
q2 = 1,004 (30 - 25) = 5,02 (kcal/kg) Vậy lượng nước cần thiết cho giai đoạn 2
m2 = QII/q2 = 1635,293/5,02 = 325,755 (kg)
Do nước ở giai đoạn 3 sẽ chảy xuống giai đoạn 1 (cùng một tháp) nên lượng nước của giai đoạn 3 sẽ lấy đi một phần nhiệt lượng giai đoạn 1
+ Nước ở giai đoạn 3 và giai đoạn 1 ở t = 330C tăng lên t = 350C - Nhiệt lượng do 1 Kg nước này lấy đi
q = 1,004(35 - 33) = 2,008 (kcal/kg) - Nhiệt do nước ở giai đoạn 3 lấy đi từ giai đoạn 1là
2,008 . 284,754 = 592,788 (kcal) - Nhiệt lượng do 1 kg nước ở giai đoạn 1 thu vào
Vì nước làm lạnh ở 250C tăng lên 350
C nên
GVHD: Dương Khắc Hồng 43
Lượng nước cần thiết của giai đoạn này
m1= 1913,893( ) 14 , 10 788 , 592 1 kg Q
Từ đây ta có bảng cân bằng nhiệt lượng với 100m3 khí tự nhiên đktc vào quá trình nhiệt phân.
Bảng 14: Cân bằng nhiệt lƣợng cho giai đoạn nhiệt phân
Nhiệt vào kcal/mol Nhiệt ra kcal/mol
O2KT,Q1 59624,729 QRA 336660,245
KTN,Q2 199326,046 Qmm 17718,963
Nhiệt phản ứng 95428,433
Tổng vào 354379,208 Tổng ra 354379,208
* Tính cân bằng nhiệt lượng cho 1 giờ làm việc của quá trình ta biết: 1 giờ lượng khí thiên nhiên:19609,334 m3
Khí oxy kỹ thuật:9288,378 m3 Lượng nước cho quá trình tôi :
217 , 1413462 100 109 , 7208 . 334 , 19609 (kg/h) Lượng nước cho quá trình làm lạnh:
965 , 489846 100 029 , 2498 . 334 , 19609 (kg/h)
Trong đó: Giai đoạn I: 325241,002 (kg/h).
Giai đoạn II:108767,485 (kg/h).
GVHD: Dương Khắc Hồng 44
CHƢƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
5.1. Tính toán thiết bị chính
5.1.1. Đường kính ống số ống phân phối khí trong thiết bị phân phối khí:
Thể tích nguyên liệu : 29328,046 (m3/h). - Chuyển về điều kiện nhiệt độ 6000C.
Vngl= 29328,046.(873/273)= 93785,290 (m3/h). - Diện tích mặt thoáng:
Vì dòng khí khá lớn và dòng khí khuếch tán lớn nên vận tốc khí khá lớn đi trong ống v= 26÷28 m/s
Ta chọn vR = 28 m/s.
Khi đó ta có diện tích mặt thoáng:
Fth = (93758,290/28.3600)= 0,930 (m2).
- Diện tích mặt thoáng lấy bằng 80% diện tích mặt cắt ống. như vậy diện tích mặt cắt ống:
F=(0,93/0,8)= 1,16 (m2) - Chọn đường kính ống phân phối khí là d= 40x3 mm.
Do đó : F = n.л.(40/2)2.10-6
→ n = (1,16/(л. 202.10-6) = 923,098 (ống)
- Chọn cách sắp xếp theo hình lục giác điều chon nên: N =3a(a – 1) +1
Suy ra: 3a2-3a-922,098 =0 Suy ra : a = 18,03 (ống) Ta chọn a = 19 ống
Đường kính thiết bị phân phối khí: D= t(b-1) + 4d Trong đó:
b= 2a -1 = 38 -1 = 37 t= (1,2÷1,5)d
chọn t= 1,2d =1,2. 0,04= 0,048
GVHD: Dương Khắc Hồng 45
5.1.2: Thể tích vùng phản ứng:
Để tránh phân hủy nên ta chọn thời gian lưu trong vùng phản ứng ngắn Ta chọn t =0,015s
Ta có lượng sản phẩm Vsf = 29328,046 (m3/h) Chuyển về điều kiện nhiệt độ 15000C
Vsf = 29328,046.(1753/273)=188322,581 (m3/h)=52,311 (m3/s). Vận tốc phản ứng : Vpu =v.t = 52,311.0,015= 0,78 (m3/h) Do đó chiều dài phản ứng: H= (v/л.r2)=(0,78/3,14.0,92)= 0.306 m => chọn h=0.5 m 5.1.3: Tính toán vùng làm mát: Phản ứng thực hiện ở 15000C .
Ta có công thức tính nhiệt lượng như sau: F.k.∆t= Q.
Hệ số truyền nhiệt 698. Và nhiệt lượng là 294328,67 ta tính được F=8,7 Chọn đường kính ống dẫn nước cho quá trình tôi la 0,2m.
Ta tính được chiều dài của ống là 277,49m. Trong vùng làm mát ta có:
- Lượng sản phẩm :
Vsf=29328,026 (m3/h) Nước tạo ra : 8660,571 m3/h.
Nước làm mát : 8980,941 m3/h.
Suy ra tổng lượng thu được ở buồng làm mát là: 46969,738 m3/h V=46969,738.(353/273)=60733,764 m3/h.
Chọn vận tốc trong vùng làm mát là 3m/s. ta tính được tiết diện vùng làm mát là: F= 60733,764 /(3.3600)= 3,37 m2
Suy ra đường kính vùng làm mát là 2,57m . ta chọn 2,6m.
Đường ống dẫn nước vào làm mát là thiết bị làm mát dạng xoắn ruột gà .
Hệ thống làm mát gồm 3 ống có tiết diện o,2m, chiều dài mỗi ống là 92m, xoắn 10 vòng trong vùng làm mát.
GVHD: Dương Khắc Hồng 46
Đáy thiết bị hình elip , có chiều cao đáy là 0,5m.
5.1.4: Tính toán các ống dẫn: a.Tính ống dẫn oxy vào: a.Tính ống dẫn oxy vào:
Ta có lượng oxy kỹ thuật vào là: 9288,378 m3/h. Lượng khí Nitơ trong oxy kỹ thuật là: 184,567 m3/h.
Vậy tổng lượng khí oxy kỹ thuật vào là: 9472,94 m3/h=2,63 m3/s Vận tốc khí vào : 28 m/s
Ta có: S= Q/v =2,63/28 = 0,094 m2 Suy ra d= 0,4 m.
b.Tính ống dẫn khí thiên nhiên vào
Lượng khí thiên nhiên vào: 24622,76 m3/h=6,83m3/s.
Để đảm bảo cho dòng khí không bị cháy ngược trở lai trong ống thí ta chọn vận tốc dòng khí vào la 6m/s
Tiết diện ống: S= 6,83/6=1,3745m2 Suy ra đường kính ống là: 0,5m
c.Tính ống dẫn sản phẩm ra:
Lượng sản phẩm ra: 24356,45 m3/h=6,67m3/s.
Chọn vận tốc dòng sản phẩm ra la 22m/s. ta tính được tiết diện của ống là :0,307 m2.
Suy ra đường kính ống dẫn sản phẩm ra là 0,7m.
d.Tính toán cửa tháo muội :
Muội tháo ra có lẫn một lượng nước do quá trình làm mát nên ta có lượng muội tháo ra là: 8660,751 kg/h….
Suy ra đường kính cửa tháo muội là 0,5m
5.2: Tính toán thiết bị phụ
5.2.1. Tính thiết bị làm lạnh khi cracking
Khí sau khi cracking và được "tôi" bằng nước sau đó sẽ đưa sang thiết bị này để làm lạnh.
Thiết bị này được làm lạnh ở giai đoạn 1 và giai đoạn 3. Khí ở 800C làm lạnh xuống 550C( giai đoạn 1).
GVHD: Dương Khắc Hồng 47
Lượng khí đi vào V = 36659,956 (m3/h) (đktc).
Lượng tác nhân làm lạnh đưa vào V = 381079,365(m3/h). Tháp làm lạnh ta dùng tháp đệm
Ta chọn loại đệm vỉ gỗ có các thông số [12-tr193] Chiều dày thanh đệm: a = 0,01(m).
Khoảng cách giữa các thanh đệm: b = 0,02(m). Chiều cao thanh đệm: c = 0,1(m).
Bề mặt riêng: d = 65(m2/m3). Thể tích tự do: Vd= 0,68(m3/m3).
Khối lượng riêng xốp: d = 145(kg/m3).
[12 – tr126]
5.2.2. Tính đƣờng kính tháp.
Trong đó: d: Đường kính tháp.
Sch:Tiết diện chung của đệm (m2)
a.Tính vận tốc tới hạn của khí ra.
[2 – tr126]
Trong đó: : Độ nhớt khí ra CP.
dtd : Đường kính tương đương của đệm (m). : Mật độ của khí (kg/m3). - Tính độ nhớt: t = 0 + Tính độ nhớt Độ nhớt của khí ra xác định ở T ra (550 C) Áp dụng công thức: 2 / 3 0 T 273 T . C T C 273 . (3) Trong đó: T: Độ nhớt ở nhiệt độ T = 550C, Ns/m2 0: Độ nhớt ở nhiệt độ t = 00C, Ns/m2
GVHD: Dương Khắc Hồng 48
C: Hằng số phụ thuộc của từng loại khí Với 0, C ta tra bảng 1 - 113 [12 -tr113]
Thay các giá trị 0, C của các cấu tử tương ứng trên, ta xác định độ nhớt của cấu tử tại nhiệt độ 550C.
Bảng 17:Độ nhớt của cấu tử tại nhiệt độ 550C.
Cấu tử 10-7 NS/m2 Cấu tử 10-7 NS/m2 C2H2 113,93 Co 190,59 C2H4 116,93 C3H4 94,53 CH4 121,14 H2 96,59 CO2 163,38 N2 189,63 Áp dụng công thức: [12 – tr94] Trong đó
Mhh: Khối lượng phân tử trung bình của khí
hh55: Độ nhớt của khí ra ở 550
C
mi, MI , i : Thành phần mol, khối lượng mol và độ nhớt của các cấu tử tại 550C
Bảng 18: Khối lƣợng riêng của các cấu tử
Cấu tử % thể tích (Kg/h) M i(Kg/Kmol ) C2H2 8,5 1,1708 26 C2H4 0,4 1,2614 28 H2 57 0,0898 2 CH4 4 0,7167 16 CO 25,7 1,2501 28 CO2 3 1,9768 44 N2 1 1,2507 28 C3H4 0,6 1,7858 40
- Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí
GVHD: Dương Khắc Hồng 49
+ 0,03 . 44 + 0,01 . 28 + 0,006 . 40 = 13,138 (Kg/Kmol Thay các giá trị Mhh, Mi, Mi55 vào (4) ta tính được):
Tính dtd
dtd = 2 . b = 2 . 0,02 = 0,04 (m) - Tính mật độ của khí ra (550C)
Từ phương trình
Suy ra:
Bề mặt ướt cần thiết của đệm:
+ Tính diện tích chung của đệm, Schung
c u a b S xS b = 0,01 0,02 x5,66 8,495(m) 0.02
Vậy ta tính được đường kính tháp
c 4.S 4.8, 495 D 3,37 m 3,14 Quy chuẩn ta chọn D = 3,4 (m) Tính chiều cao
Khoảng cách phần dưới đến đáy là 1,6 (m) 4 2 7 55 10 . 011 , 151 / 10 . 011 , 151 087 , 0 138 , 13 m Ns hh
GVHD: Dương Khắc Hồng 50
Khoảng cách cho phép ở đỉnh tháp là 1 (m) Chiều cao của đáy elip 0,9 (m ) [12-tr193] Chọn số vòng đệm 8 (vòng)
Suy ra:
H = 1,6 + 0,9 + 1 + 0,1 . 8 = 4,3 (m)
Đối với gia đoạn 3 (đoạn tháp trên ) ta chọn như đoạn dưới. HT = 4,3 . 2 = 8,6 (m)
5.3. Tính tháp hấp thụ
Ta chọn tháp hấp thụ loại đệm vòng Rasiga bằng sứ có các thông số [12-tr193] Đệm có kích thước: 35 x 35 x 4 (mm)
d : Bề mặt riêng của đệm: d = 135 m2/m3 Vd : Thể tích tự do của đệm: Vd = 0,78 m3/m3 Xác định vận tốc của khí đi trong tháp.
Vận tốc của khí đi trong tháp được xác định theo công thức[12-tr187] y = 1,2.e-4x 0,16 2 s d tbk x 3 n d tbk . . y . 6 g.v . 1 / 4 1 / 8 x tbk y tbl G x . 7 G Trong đó: S: Vận tốc sặc (m/s) d: Bề mặt riêng của đệm (m2/m3) g: gia tốc trọng trường (m2/s)
GX, GY lưu lượng lỏng, khí trung bình (kg/s)