Mtbe là tên viết tắt của Metyl tert butyl ete là hợp chất chứa oxy có công thức cấu tạoHỗn hợp này là dòng nguyên liệu đi vào thiết bị tổng hợp MTBE
Vậy:
Q1= Gngliệu. CP ngliệu . tngliệu = 147,684 . 148,00 . 60 = 1311433,92 Kj/h. Q1 = 1,3114. 106 Kj/h. = 364,288 kw II.2. Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào:[3] Q2 = G HO . CP2 HO . t2 HO , Kj/h Trong đó: G HO – khối lượng nước làm lạnh đi vào, (kmol/h) CP2 HO – nhiệt dung riêng của nước, Kj/kmol.độ t2 HO – nhiệt độ nước làm lạnh, chọn t2 HO = 25 oC Tại t = 25 oC , CP HO = 0,99892 Kcal/kg.độ = 75,281 Kj/kmol.độ.[3]
Phản ứng tổng hợp MTBE là phản ứng toả nhiệt, H = - 37 Kj/mol [9] Mức độ chuyển hoá tại thiết bị này là 80%, vậy ta có nhiệt lượng toả ra do phản ứng tổng hợp là: Q3 = H .n Trong đó:
n: số mol MTBE tạo thành (mol/h) n = 42,33x0,8 = 34,15 (Kmol/h) = 34,15.103 (mol/h) vậy:
Q3 = 34,15.103.37 = 1263,55.103(KJ/h) = 351(Kw). II.4. Nhiệt lượng do dòng sản phẩm mang ra: Q4= Gsp. Gsp. tsp Dòng sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất có nhiệt độ là 800C Ta tính nhiệt dung riêng của các cấu tử ở nhiệt độ sản phẩm ra ta chọn là: Tính C1i của từng cấu tử như sau : Thay nhiệt độ t = 80 oC T = 353K, ta tính được: Vì C phần trong hỗn hợp là nhỏ nên khi tính toán ta bỏ qua.
CP(MTBE) = 204,2kj/kmol.độ Bảng 22 : Xác định nhiệt dung Csp và Gsp của hỗn hợp sau phản ứngtổng hợp MTBE
Q4= Gsp. CPsp.tsp Q4 = 155,508. 113,343.80= 1410059,46(kj/h) = 391,68 (Kw). II.5. Dòng nhiệt do chất tải nhiệt mang ra: Q5 = GHO.CP (HO). t2 HO [3] Trong đó: GHO : khối lượng nước làm lạnh đi ra, (Kmol/h) CP (HO) : nhiệt dung riêng của nước ở 50 oC, Kj/kmol.độ t2 HO : nhiệt độ của nước đi ra, oC CP (HO) = 75,285 KJ/mol.độ [3] Q5 = GH2O.75,285.50 = 3764.25.GH2O (Kj/h). Cân bằng nhiệt lượng. Nhiệt lượng đi vào = Nhiệt lượng đi ra Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 1311433,92 + 1882,025.GHO +1263550 = 1410059,46 + 3764.25.GH2O Vậy lượng nước cần làm lạnh là: GHO = 619,476 (Kmol/h). GHO = 619,476 . 18 = 1115,57 (kg/h). Như vậy nhiệt lượng do nước làm lạnh mang vào là: Q2 = 1880,5 .G2H2O =1880,5 . 619,476 = 1164924,62 (Kj/h) =323,59kw
Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra : Q5= 3764,25.619,477= 2331862,533kj/h =647,74 kw Q5 = 647,74 kw Bảng 23 : Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng thứ nhất.
|
Cấu tử | Lượng vào | ||||
, kg/m3 |
Kmol/h |
kg/h |
Thể tích mol (l/mol) |
V(m3/h) | |
isoC4H8 |
587,9 |
42,76 |
2394,42 |
0,095 |
4,074 |
Metanol |
736,7 |
47,0 |
1505,2 |
0,043 |
1,973 |
isoC4H10 |
540 |
46,48 |
2695.09 |
0,107 |
6,00 |
nC4H10 |
573 |
3,065 |
177,71 |
0,101 |
0,310 |
nC4H8 |
598,4 |
3,575 |
200,2 |
0,094 |
0,335 |
C3H8 |
490 |
1,0216 |
44,968 |
0,090 |
0,092 |
C3H6 |
510 |
2,88 |
121,04 |
0,082 |
0,237 |
C5H12 |
602 |
0,511 |
36,79 |
0,025 |
0,0013 |
H2O |
983 |
0,836 |
15,05 |
0,018 |
0,016 |
Tổng |
|
|
7188,368 |
0,630 |
13,037 |
Vậy: C0 = 3,2797 (kmol/m3).
Cấu tử |
Lượng ra | ||||
,kg/m3 |
Kmol/h |
Kg/h |
Thể tích mol (l/mol) |
V(m3/h) | |
isoC4H8 |
587,9 |
8,552 |
478,912 |
0,095 |
0,815 |
Metanol |
736,7 |
12,792 |
409,334 |
0,043 |
0,536 |
MTBE |
730,4 |
34,15 |
3010,304 |
0,127 |
4,121 |
isoC4H10 |
540 |
46,48 |
2695,04 |
0,107 |
6,00 |
nC4H10 |
573 |
3,065 |
177,71 |
0,101 |
0,310 |
nC4H8 |
598,4 |
3,575 |
200,2 |
0,094 |
0,335 |
C3H8 |
490 |
1,0216 |
44,968 |
0,090 |
0,092 |
C3H6 |
510 |
2,88 |
121,04 |
0,082 |
0,237 |
C5H12 |
602 |
0,511 |
36,79 |
0.025 |
0,013 |
H2O |
983 |
0,836 |
15,05 |
0,018 |
0,016 |
Tổng |
|
|
7188,368 |
|
12,127 |
Vậy:
Thay vào (**) ta được:
Vậy thể tích làm việc của thiết bị là:
Vr =m. v.
Trong đó:
m: hệ số dự trữ (lấy m = 1,5)
v: Thể tích hỗn hợp dòng vào, m3/h
: Thời gian lưu, h
Vậy: Vr = 1,5.0,056.13,037 = 1, 095 (m3)..
Vr = 1,095 (m3) = 1,1 (m3)
III.2. Tính kích thước thiết bị phản ứng: [4]
Thiết bị phản ứng là thiết bị ống chùm đoạn nhiệt, bên trong chứa xúc tác nhựa trao đổi ion. Hỗn hợp nguyên liệu được đưa vào thiết bị ở đỉnh và tự chảy trong ống chứa xúc tác. Phản ứng xảy ra trong ống ở t0= 60-800C. Đây là phản ứng tỏa nhiệt, để đảm bảo nhiệt độ không tăng cao ta cần cho nước làm lạnh đi ngoài ống để lấy nhiệt ra khỏi thiết bị phản ứng .
Tốc độ dòng trong thiết bị lấy = 0,03 m/s
Vậy chiều cao của thiết bị là:
h= . = 0,03. 0,056.3600 = 6,04 (m).
h = 6 (m)
Đường kính của thiết bị phản ứng được xác định dựa trên thể tích làm việc của thiết bị, chiều cao ống và dạng thiết bị.
Đường kính của thiết bị ống chùm là D được xác định theo công thức sau :
D = t(b-1) + 4d (m) [4]
Trong đó :
d : đường kính ngoài của ống (m)
t : bước ống , chọn t = (1,2 - 1,5 )d (m)
b : số ống trên hình 6 cạnh
Thể tích hỗn hợp đầu đi vào thiết bị là :
Vt = H . S
Trong đó :
H : chiều cao thiết bị (m)
S : diện tích bề mặt ngang của thiết bị phản ứng (m2) :
S = n. s
n: số ống của thiết bị phản ứng
s : tiết diện ngang của một ống
s = 3,14 . d2t / 4
dt : đường kính trong của ống , dt = (25 - 50 ) mm
Chọn dt = 50 mm = 0,05 m
Do đó ta có :
Vt = H . S = H .n .s
Suy ra
n = Vt / (H. s) = 1,1x 4 / (5,04x3,14x0,0482 ) = 121 (ống )
n = 3a(a-1) + 1
b = 2a - 1
Trong đó
n : tổng số ống
b : Số ống trên đường chéo chính
a: số ống trên một cạnh của hình lục giác
Thay số vào ta có :
121 = 3a2 - 3a + 1
3a2 - 3a – 120 = 0
giải phương trình ta được : a = 6,82 và a = - 5,82 < 0 loại
Quy chuẩn a = 7 (ống)
Suy ra : b = 2x7 - 1 = 13 (ống )
Thay với a = 7 , ta được n = 3x7x(7-1) + 1 = 121 (ống)
Bước ống t = (1,2 - 1,5 )dn
Với dn = 0,048 + 0,0025x2 = 0,053 (m)
Do đó t = 1,3 x 0,053 = 0,070(m)
Từ đó ta có
D = t(b-1) + 4d = 70(13 -1 ) + 4x53 = 1052 ( mm)
Quy chuẩn lấy D = 1100 (mm)
Trong đó:
D1: đường kính trong của thiết bị, m.
: hệ số bền thành hình trụ theo phương trục dọc.
C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m.
: ứng suất cho phép của vật liệu.
Với thiết bị hàn dọc, màn tay bằng hồ quang điện ứng với thép CT3 vào 2 lớp thì =0,95.
pt: áp suất trong của thiết bị, N/m2.
+ áp suất trong của thiết bị được tính theo công thức:
pt = plv + ptt , N/m2
Trong đó:
plv: áp suất làm việc của thiết bị N/m2.
plv = 1,6 Mpa = 1,6.106 (N/m2).
ptt: áp suất thủy tĩnh của nước.
ptt = .g.Ht , N/m2
Trong đó:
g : gia tốc trọng trường, g= 9,81 , m/s2
Ht : là chiều cao của cột chất lỏng.
là khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp chất lỏng, = 676 kg/m3.
Do đó:
Vậy áp suất ở trong thiết bị là:
pt = 1,6.106 + 39789,36 =16,39789.105 (N/m2).= 1,64.10-6 (N/m2)
+ Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn, dung sai và chiều dày.
C = C1 + C2 + C3 , m2
Với: C1: bổ sung ăn mòn: với thép CT3 tốc độ gỉ là 0,06 mm/năm, thời gian làm việc từ 1520 năm.
C1 = 1mm
C2: bổ sung do bào mòn, C2 = 0.
C3: Dung sai về chiều dày, C3 = 0,8 mm.
Do đó: C = 1 + 0 + 0,8 = 1,8 mm
+ ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền được xác định.
, N/m2.
Trong đó:
: hệ số điều chỉnh.
nk: hệ số an toàn theo giới hạn bền.
kt: ứng suất giới hạn bền, N/m2.
Thiết bị sản xuất ở áp suất cao nên thuộc loại I và các chi tiết không bị đốt nóng trực tiếp bằng ngọn lửa, vì vậy:
Tra bảng XIII.2 ta được = 0,9.
Tra bảng XIII.3 ta được nK = 2,6.
Tra bảng XII.4 ta được kt = 380.106 N/m2.
Do đó: 131,54.106 (N/m2).
+ ứng suất cho phép theo giới hạn chảy xác định:
, N/m2.
Trong đó:
ct: giới hạn chảy ở nhiệt độ t,
ct = 240.106 N/m2.
nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy.
Tra bảng XIII.3 nC = 1,5.
Để đảm bảo ta lấy giá trị bé nhất trong hai kết qủa trên, tức là:
[] = [k] = 1,3154.108 N/m2.
Trường hợp ở đây đường kính thiết bị Dt = 1,1 (m), với hàn tay bằng hồ quang và cách hàn giáp mỗi hai bên.
Chọn = 0,95 77,8599 > 50
Do đó có thể bỏ qua đại lượng p ở mẫu số trong công thức tính chiều dày thân tháp [17-360].
4,816426.10-3 + 0,0018 (m) = 6,6 (mm)
Lấy S = 7 (mm)
2. Tính chiều dày đáy và nắp tháp:[4]
Đáy và nắp tháp cũng được làm từ vật liệu cùng loại với thân tháp. Ta dùng loại đáy, nắp elíp có gờ cho thân hàn.
Chiều dày của đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong được tính như sau.
Trong đó:
h: hệ số bền của mối hàn hướng tâm (nếu có).
hb: chiều cao phần lồi của đáy, m.
k: hệ số không thứ nguyên.
hb= 200 mm.
h = 0,95
Hệ số k được xác định theo công thức sau.
.
Trong đó d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng d= 0,15m. Đáy và nắp được hàn từ hai phía bằng tay, hàn từ hai nửa tấm với nhau.
Do đó đại lượng p ở mẫu số của công thức tính chiều dày đáy, nắp ở trên có thể bỏ qua.
0,0055329 + C (m)
S = 0,005533 + C ,m.
Đại lượng bổ sung C:
S - C = 0,005533 (m) = 5,533 (mm)
Vì S - C < 10.
Nên ta tăng thêm 2mm so với giá trị C tính ở thân tháp
Vậy: C = 0,0018 + 2. 10-3 = 0,0038 m).
S = 0,005533 + 0,0038 = 0.009333 (m) = 9,333 (mm)
Quy chuẩn chiều dày của đáy và nắp elíp có gờ là S = 10 (mm).
Chiều cao gờ h = 40 mm.
Chiều cao phần lồi hb= 200 mm.
3. Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm:[4]
+ ống dẫn nguyên liệu:
dđỉnh
Trong đó:
w: vận tốc trung bình của hỗn hợp dòng chọn w= 0,2 m/s
V: lưu lượng thể tích của hỗn hợp , m3/s.
hh: khối lượng riêng của hỗn hợp nguyên liệu.
hh = = 552 (kg/m3).
Với lượng nguyên liệu vào tháp:
GP = 7188,368 (kg/h) = 1,998 (kg/s)= 2(kg/s.)
= 0,00362 (m3/s).
dđỉnh = = 0,150 (m)
Ta chọn dđỉnh = 150 mm.
+ ống dẫn sản phẩm:
hh: khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm.
hh= = 592,8 kg/m3
Lượng sản phẩm ra khỏi tháp.
Gp = 7188,368(kg/h) = 2 (kg/s).
dđáy = (m).
Chọn dđáy = 150 mm.
Cũng tương tự ta chọn ống nối sang thiết bị trao đổi nhiệt trung gian bằng kích thước ống dẫn nguyên liệu và sản phẩm là 150 (mm).
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Ta chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống dẫn.
Dựa vào bảng 24 ta chọn kiểu bích 1 ứng với kích thước như sau [17 - 409];
Chọn bích liền bằng thép để nối nắp và đáy tháp với thân thiết bị. Tra bảng 25 ta được bảng sau: [17 - 147]
Bảng 25. Kích thước bích để nối nắp và đáy tháp với thân thiết bị.
Py.10-6 N/m2 |
Dy mm
|
Kích thước nối |
h | |||||
D |
Db |
D1 |
D0 |
Bulông | ||||
db |
z | |||||||
mm |
Cái | |||||||
1,6 |
1100 |
1210 |
1140 |
1080 |
1019 |
M36 |
28 |
40 |
Ta gọi:
ống 2 là ống dẫn sản phẩm.
ống 3 là ống dẫn chất tải nhiệt.
ống dẫn |
Dy mm
|
ống |
Kích thước nối |
h | ||||
Dn |
D |
Db |
D1 |
Bulông |
| |||
mm |
Db, mm |
z, cái |
Cái | |||||
1 2 3 |
150 150
150 |
159 159
159 |
300 300
300 |
250 250
250 |
218 218
218 |
M22 M22
M22 |
8 8 8 |
28 28 28 |
Tổ hợp lọc hoá dầu số 2 tại khu công nghiệp Nghi Sơn - Thanh Hoá là một dự án lớn. Trong nhà máy ngoài phần lọc dầu được thiết kế sử dụng nguyên liệu là dầu Trung Dông, còn có rất nhiều phân xưởng Hoá Dầu sản xuất nhiều loại hoá chất thiết yếu cho con người. Tại đây tập chung nhiều kỹ sư Việt Nam.
Tuy nhiên do trình độ kỹ thuật Việt Nam còn thấp, khi xây dựng và vận hành vẫn cần có một số chuyên gia nước ngoài. Nguồn công nhân chủ yếu là các kỹ sư tốt nghiệp các trường đại học trong nước, như Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, Đại Học Mỏ.v.v.
I.2. Các yêu cầu về khu đất xây dựng:[7]
1.Về địa hình:
-Khu đất có hình dạng chữ nhật (180x 250), rất thuận tiện cho xây dựng và bố trí mặt bằng sản xuất
-Khu đất tương đối bằng phẳng, có độ dốc tự nhiên 0,7o, do đó chi phí cho san lấp là không đáng kể, mặt khác lại thuận lợi cho việc cấp thoát nước trong mùa mưa.
-Khu đất nằm trên một vị trí cao ráo, tránh được ngập lụt trong mùa mưa.
Khu đất nằm trên vùng đất ruộng (đất sét) được san lấp nên giảm tối đa chi phí gia cố nền móng các hạng mục công trình.
+ Dễ dàng quản lý theo các xưởng, công đoạn của dây chuyền sản xuất.
+ Đảm bảo được các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp, dễ dàng xử lý các bộ phận phát sinh các điều kiện bất lợi trong quá trình sản xuất. Điều này đặc biệt quan trọng trong các nhà máy sản xuất các chất dễ cháy nổ như MTBE.
+ Dễ dàng bố trí hệ thống giao thông trong nhà máy.
+ Thuận lợi trong quá trình phát triển nhà máy.
+ Phù hợp với đặc điểm khí hậu Việt Nam.
+ Hệ số xây dựng, sử dụng đất thấp.
+ Vùng 2: Bố trí dây chuyền sản xuất của nhà máy, đây là khu vực được bố trí khu đất ưu tiên về địa hình, địa lý, địa chất.
+ Vùng 3: Vùng kho tàng và phục vụ giao thông. Do đặc điểm của nhà máy, nơi đây chỉ bố trí các nhà sản xuất MTBE , gara ôtô, nhà cơ khí, nhà xe cứu hoả, nhà kho,...
+ Vùng 4: Nơi bố trí các công trình phụ bao gồm trạm điện và xử lý nước thải.
2) Các dữ liệu kinh tế kỹ thuật:
Khu đất xây dựng có dạng chữ nhật gồm:
Tổng diện tích 45000m2
Diện tích chiếm đất của nhà và công trình 9702m2
Diện tích cho kho bãi lộ thiên 1692m2
Diện tích chiếm đất của đường sắt, bộ, hè, rãnh thoát nước 18454m2
III. THIẾT KẾ NHÀ SẢN XUẤT:[7]
Phân xưởng sản xuất được xây dựng trên khu đất được ưu tiên đặc biệt về địa hình, địa thế, đảm bảo có độ chịu lực cho phép khi xây dựng và vận hành, nền tương đối cao , thuận tiện cho cấp thoát nước và tránh ngập lụt trong mùa mưa lũ.
Do quy mô dây chuyền khá lớn gồm 2 giai đoạn dehydro hóa và ete hoá nối tiếp nhau nên tiềm lực lao động của phân xưởng bao gồm:
Một quản đốc
Một phó quản đốc
6 kỹ sư về công nghệ hoá học
4 kỹ sư về điện, điện tử
20 công nhân lành nghề
Tổng số 32 người làm việc chia làm 3 ca.
Với dây chuyền sản xuất phức tạp, thiết bị phản ứng đa dạng, ta chọn hình thức xây dựng lộ thiên. Đây là hình thức xây dựng trong đó các thiết bị được bố trí chủ yếu trên khung sàn lộ thiên, không tường, mái.
Giảm thời gian thiết kế ,chuẩn bị và thi công công trình.
Nâng cao tính linh hoạt của công trình, dễ dàng bố trí, sắp xếp và sửa chữa thiết bị, đồng thời tạo điều kiện mở rộng và cải tạo này.
Ít phải quan tâm đến điện chiếu sáng, giảm nguy cơ cháy nổ.
Từ những ưu điểm trên, phân xưởng sản xuất có thể giảm xây dựng 5-20% so với dạng công trình kín giảm giá thành 50% , do đó giảm giá thành sản phẩm từ 8-18%.
III.2. Các nguyên tắc cơ bản khi xây dựng lộ thiên[7]
Trong các phân xưởng lộ thiên do chịu tác động trực tiếp nên các thiết bị
chịu được sự ăn mòn, phá huỷ của khí hậu Việt Nam.
Quá trình sản xuất phải được cơ giới ,tự động hoá tới một phòng điều khiển trung tâm , hạn chế tối đa làm việc ngoài trời , khi đó phải có mái che.
Nhà điều khiển trung tâm phải có kết cấu chống gió, chống ồn , đầy đủ tiện nghi và an toàn nhất ,được đặt tại nơi có quan xưởng khi cần thiết .
Do yêu cầu lắp đặt các thiết bị có kích cỡ khác nhau, đông dựng và vận hành, ta chọn phân xưởng gồm 3 nhịp nhà ( 6+6+6 ) độ cao khác nhau ( hình vẽ )
Toàn bộ phân xưởng sử dụng cột chính , dầm chính là cái chữ I ghép và các thanh dầm phụ thép I cán được lắp đặt vuông sao cho thuận lợi khi lắp đặt các thiết bị xuyên sàn.
Các mối ghép chân cột với móng , dầm với cột , cột với dầm , đều được cố định bằng bulông , vít neo, kết hợp với các kết cấu.
Do nhu cầu chịu lực tại sàn 4 & 5 là không đáng kể ta chỉ dùng cột mà dựa vào các tháp lắp đặt dàn thao tác, ngoại trừ khung sinh xúc tác.
Do sự ăn mòn là không đáng kể, nên sàng đỡ các tháp gồm bê tông cốt thép #100 có tác dụng làm chỗ dựa cho thiết bị, dàn thao tá chắn.
Toàn bộ phân xưởng được bố trí 3 dàn cầu thang thép đặt tại các vị trí thích hợp.
III. 4. Giải pháp bố trí thiết bị trên mặt bằng phân xưởng :
Trong nhà 2 tầng các thiết bị được lắp đặt thành hai tầng ở hai bên dãy cột B tạo hai hành lang 4m và 2m.
+ Tầng 1: Một số thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm và các thiết bị đun sôi đáy tháp được đặt trên một dàn thép cao 1,5m, các lò đốt được lắp đặt trên các hệ thống bê tông cao 0,3m.
+ Tầng 2: Lắp đặt các thiết bị xuyên sàn , một số thiết bị trao đổi nhiệt và một phòng điều khiển trung tâm 6x12x4,8m.
Toàn bộ bơm và máy nén được tập trung trong nhà khung thép có mái che 6x12 đặt riêng ở phía ngoài .
Trong nhà nhịp 6m, lắp đặt một tháp tái sinh cao 18m, 3 tháp chưng cất cao 16m , một số thùng lắng và thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp .