Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen LỜI MỞ ĐẦU Etylen chất có nhiều ứng dụng đời sống cơng nghiệp hố học, etylen đƣợc dùng làm nguyên liệu tổng hợp hợp chất hữu Qua thời kỳ phát triển, có nhiều cơng nghệ sản xuất etylen đƣợc áp dụng với nhiều nguyên liệu khác với mục đích khác Tuy nhiên phƣơng pháp sản xuất etylen từ etan hiệu nhất, việc sử dụng etan cho phép giảm đầu tƣ cho sản xuất etylen Phƣơng pháp nhiệt phân từ etan cho hiệu suất sản phẩm cao, tiêu tốn nguyên liệu, tạo cốc bề mặt thiết bị… Công nghệ sản xuất etylen từ dầu khí chủ yếu khí thiên nhiên đƣợc biết từ lâu, nguồn nguyên liệu có sẳn Cơng nghệ có tính kinh tế cao, khơng gây ô nhiễm môi trƣờng hợp cho xu Etylen đƣợc sản xuất cracking nƣớc từ hợp chất hydrocacbon bao gồm: etan, propan, butan, Naphtan khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) dầu gasoil… Sự phát triển gần tập trung chủ yếu vào việc điều khiển vi tính thiết kế lị phản ứng, sản lƣợng Etylen phƣơng pháp cracking nhiệt độ cao, số lần phản ứng phụ ít, hệ thống làm nguội nhanh Sinh viên Nguyễn Xuân Yên SVTH: Nguyễn Xuân Yên Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Chƣơng I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG I GIỚI THIỆU CHUNG Khí thiên nhiên hỗn hợp hydrocacbon nhƣ: metan, etan, propan n-butan, iso-butan, H2S, CO2 … Khí thiên nhiên khai thác từ mỏ khí khí thiên nhiên thành phần chủ yếu metan (chiếm từ 84  99% thể tích) Các mỏ khí thiên nhiên túi khí nằm sâu dƣới mặt đất Khí thiên nhiên đƣợc hình thành suốt nhiều kỷ nguyên trái đất tích tụ lại, sau di chuyển từ nơi suất xứ tới lớp bề mặt mỏ tầng đá xốp khe ƣớt nhiều tầng địa chất hình thành nên dầu khí Khí tự nhiên đƣợc thu hồi cách khoan khai thác, hàng năm giới khai thác khoảng 2.1012 m3 khí thiên nhiên Thành phần cấu tử khí thiên nhiên thay đổi phạm vi rộng tùy thuộc theo mỏ khí khai thác Ngồi ra, thành phần khí tự nhiên cịn có khí chua nhƣ H2S CO2 Mặtë dù lƣợng CO2 khơng đáng kể khí tự nhiên nhƣng điều khơng mong muốn, vận chuyển khí tự nhiên địi hỏi chi phí lớn, làm giảm nhiệt cháy khí gây ăn mịn đƣờng ống vận chuyển khí Khí tự nhiên nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng cho cơng nghiệp hóa dầu, đặc biệt hóa học Ví dụ: Mỹ từ khí etan chế biến 40% etylen phục vụ cho sản xuất nhựa tổng hợp, chất sản phẩm bề mặt nhiều sản phẩm bán sản phẩm khác Hiện nay, ngƣời ta đánh giá mức độ phát triển công nghiệp tổng hợp hữu theo tổng sản lƣợng nhu cầu etylen Ở nƣớc Tây Âu sau tìm mỏ khí tự nhiên lớn tăng cƣờng quan tâm đến nguyên liệu nhiệt phân nhẹ, sử dụng etan cơng nghiệp hóa học hóa dầu hiệu có đƣợc cân sản xuất nhu cầu etylen Bảng1: Thành phần khí tự nhiên Thành phần hydrocacbon Metan Etan Propan n-butan SVTH: Nguyễn Xuân Yên Phần mol 0,75÷ 0,99 0,01÷0,15 0,01÷0,1 0,00÷0,01 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen iso-butan n-pentan iso-pentan Heptan hydrocacbon cao N2 CO2 H2 S He 0,00÷0,01 0,00÷0,01 0,00÷0,01 0,00÷0,001 0,00÷0,015 0,00÷0,1 0,00÷0,30 0,00÷0,05 Thành phần khí tự nhiên khai thác từ vài mỏ CHLB Nga Việt Nam Bảng 2: Thành phần khí tự nhiên khí đồng hành khai thác từ vài mỏ CHLB Nga (% thể tích) Các cấu tử Khí tự nhiên Tây Siberi Uzbekistan CH4 C2H6 C3H8 C4H10(n izo) C5H12 cao CO2 H2 S N2 99,00 0,05 0,01 0,003 0,001 0,50 0,40 87,2 1,99 0,32 0,13 0,15 3,60 5,50 1,11 Khí đồng hành Quybisep Volgarad 39,91 23,32 17,72 5,78 1,1 0,46 0,35 11,36 76,25 8,13 8,96 3,54 3,33 0,83 1,25 Bảng 3: Thành phần hóa học trung bình khí tự nhiên khí đồng hành khai thác vài mỏ Việt Nam Khí đồng hành Khí tự nhiên Đại Tiền Rồng Bạch Hổ Rồng Hùng Hải Tự Do CH4 73,0 77,0 78,0 87,6 84,0 C2H6 13,0 10,0 3,0 3,1 6,0 C3H8 7,0 5,0 2,0 1,2 4,0 C4H10(n izờ) 2,9 3,3 1,0 1,0 2,0 C5H12 vàcao 2,5 1,2 1,0 0,8 2,0 CO2 0,5 0,5 13,0 3,3 10,0 N2 0,7 3,0 2,0 3,0 4,0 II CHẾ BIẾN SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN TRÊN THẾ GIỚI Các cấu tử Ở Mỹ sử dụng etylen với hiệu cao vào cuối năm 60 kỷ trƣớc nên sản xuất etan tăng 24 ÷ 31% Ở Mỹ canada, để vận chuyển etan ngƣời ta xây dựng hệ thống đƣờng ống dẫn khổng lồ Ví dụ: Năm 1977 hoàn thành việc xây dựng đƣờng ống dài gần 3000 km để vận chuyển etan, etylen, propan từ miền tây sang miền đông Canada sang Mỹ (cơng suất đƣờng ống lị từ 2,2÷2,4 triệu tấn/ năm, áp suất làm việc 10Mpa) Bởi sử dụng etan cơng nghiệp hóa dầu hóa học hiệu có cân sản xuất nhu cầu etylen nên việc sử dụng etan cho phép giảm đầu tƣ vào sản xuất etylen, rút ngắn thời gian SVTH: Nguyễn Xuân Yên Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen xây dựng dây chuyền công nghiệp hóa học hóa dầu khép kín (etylenpolyetylen, etylen-rƣợu etylic…) Hiệu suất etylen từ etan 70%, từ benzin 27%, từ gasoil 15% Thực tế nhiều nƣớc giới cho thấy rằng, với trữ lƣợng dầu khí tự nhiên lớn, tổ chức quy mơ lớn, có lợi nhuận cao từ sản phẩm nhƣ: etan, khí hố lỏng (LPG, LNG), khí hydrocacbon khác làm nhiên liệu cho động Do hiệu nhiên liệu khí quan tâm ngày tăng đến sản phẩm thị trƣờng giới III CHẾ BIẾN VÀ SỬ DỤNG KHÍ THIÊN NHIÊN Ở VIỆT NAM - Cho đến Việt Nam khai thác mỏ dầu, mỏ khí, hình thành cụm khai thác dầu khí quan trọng - Cụm thứ nằm vùng đồng Bắc Bộ với trữ lƣợng khoảng 250 tỷ m3 khí - Cụm thứ hai thuộc vùng biển Cửu Long với trữ lƣợng 450 triệu m3 khí phụ vụ cơng nghiệp cho địa phƣơng - Cụm thứ ba vùng biển Nam Côn Sơn gồm mỏ Đại Hùng khai thác mỏ khí khác -Cụm thứ tƣ thềm lục địa Tây Nam Nói chung khí tự nhiên khí đồng hành Việt Nam chứa H2S (0,02g/m3) nên loại khí sạch, thuận lợi cho chế biến sử dụng an tồn thiết bị, khơng gây nhiễm mơi trƣờng Với tiềm khí phong phú nhƣ vậy, nƣớc ta có điều kiện phát triển cơng nghiệp dầu khí tồn lãnh thổ Khai thác sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá này, tƣơng lai ngành cơng nghiệp dầu khí ngành cơng nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào phát triển đất nƣớc Bảng 4: Hằng số vật lý hydrocacbon từ C1÷ C4 số khí EMR Cấu tử 14,19 24,37 34,63 44,74 44,24 9,71 C1 C2 C3 iso-C4 n-C4 N2 Khối lƣợng phân tử Zc 16,043 30,070 44,097 58,124 58,124 28,016 0,29 0,29 0,28 0,28 0,27 0,29 SVTH: Nguyễn Xuân Yên Nhiệt độï tới hạn R 343 550 666 734 765 227 Aùp suất tới hạn K psi MPa 191 305 370 408 425 126 666 707 617 528 551 493 4,60 4,88 4,25 3,65 3,80 3,40 Thừa số acentriew 0,0104 0,0979 0,1522 0,1852 0,1995 0,0372 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp 14,44 20,28 8,69 CO2 H2 S O2 Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen 44,010 34,076 32,000 SVTH: Nguyễn Xuân Yên 0,28 548 0,28 672 0,29 278 304 373 155 1011 1300 731 7,38 8,96 5,04 0,2667 0,0948 0,0216 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Chƣơng II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ETYLEN I SƠ LƢỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ETYLEN TRÊN THẾ GIỚI Etylen hợp chất olefin đơn giản nhất, có khả phản ứng cao đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp hữu cơ- hoá dầu nguồn nguyên liệu hàng đầu cho ngành cơng nghiệp polyme Ngƣời ta đánh giá mức độ phát triển công nghiệp tổng hợp hữu cơ- hoá dầu theo tổng sản lƣợng nhu cầu etylen số etylen (lƣợng etylen tạo thành/ dầu đem chế biến) Từ năm 1930, châu âu etylen bắt đầu đƣợc thu hồi từ khí lị cốc nguồn ngun liệu khác Những năm 50, etylen lên nhƣ sản phẩm trung gian đƣợc ứng dụng rộng rãi toàn giới, phổ biến mà U.S oil số cơng ty hố chất khác bƣớc đầu tách sản xuất đƣợc từ sản phẩm phụ q trình chế biến dầu Từ với phát triển cơng nghiệp dầu khí- hố dầu, etylen hồn tồn thay đƣợc axetylen nhiều q trình tổng hợp Năm 1984, giới sản xuất đƣợc 47.565.000 tấn, sản lƣợng Mỹ 17.543.000 Ở Mỹ etan nguồn nguyên liệu chủ yếu để tổng hợp etylen etan có ƣu điểm rẻ, khơng phức tạp với q trình hoạt động, sản phẩm phụ Số liệu đến ngày 1/4/2001 cho biết tổng cơng suất etylen tồn giới đạt 101,5 triệu tấn/ năm Hiện nay, etylen sản phẩm hóa học có mức độ tăng trƣởng lớn giới (chỉ đứng sau amoniac sản lƣợng) Theo CMAI, polyetylen dẫn suất etylen, chiếm tới 57% nhu cầu etylen năm 2000 chiếm tới 60% nhu cầu vào năm 2015 Bảng 5: Công suất etylen theo khu vực(1000 tấn/năm) Khu vực Châu Á-TBD Đông Aâu/ SNG Trung Đông Châu Phi Bắc Mỹ Nam Mỹ Tây Âu 1/2001 25504 7065 8582 33742 3918 21788 1/2000 23749 7337 6612 31715 3456 21174 % 7,4 -3,7 29,8 6,4 13,4 3,0 II TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA ETYLEN Tính chất vật lý etylen Etylen (CH2= CH2) hydrocacbon khơng no đơn giản có khối lƣợng phân tử M=28.052 Ở điều kiện thƣờng etylen chất khí, hóa lỏng -1050C, không màu, không mùi, hầu nhƣ không tan nƣớc SVTH: Nguyễn Xuân Yên Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Etylen có nhiều khí dầu mỏ, khí hóa cốc than Trong khơng khí etylen cháy với lửa cháy lửa metan Etylen bị hóa lỏng nhiệt độ thấp, áp suất cao làm lạnh NH3 Khi so sánh etylen với parafin tƣơng ứng ta thấy nhiệt độ sơi etylen thấp etan 150C Tính chất có ý nghĩa quan trọng q trình tinh chế etylen khỏi hydrocacbon tƣơng ứng phƣơng pháp chƣng cất phân đoạn Một điều đáng ý trình sản xuất sử dụng etylen cần phải quan tâm tới an tồn lao động etylen dễ tạo với khơng khí, phản ứng đốt cháy tỏa nhiệt nhiều gây nổ mạnh, nguy hiểm khoảng giới hạn nổ rộng Khi hít phải etylen nhƣ olefin thấp khác gây tƣợng mê mang có tác hại lâu dài sau Do trình sản xuất, vận chuyển bảo quản etylen cần phải ý đến đặc điểm nhằm đảm bảo an toàn cháy nổ Nồng độ cho phép etylen khơng khí nơi sản xuất sử dụng cần đƣợc quy định chặt chẽ kiểm tra nghiêm ngặt SVTH: Nguyễn Xuân Yên Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Bảng 6: Các số vật lý etylen Nhiệt độ sôi: Nhiệt độ đông đặc: Nhiệt độ tới hạn: Aùp suất tới hạn: ts =-103,71(0C) tđ =-169,15( C) Tth = 9,90(0C) Nhiệt độ riêng (kj /kg k) Ở pha lỏng -169,150C: 2,63 Ở 00C : 1,55 Pth = 5,117(MPa) Nhiệt tạo thành: Tỷ trọng tới hạn: d = 0,21 (g/cm3) H = 52,32 (kJ/ Kmol) Etropi (S) (kj/mol) :0,22 Tỷ -169,10C: 00 C : d = 0,58 (g/cm3) d = 0,34 (g/cm3) Tỷ trọng pha khí (đktc):d = 1,2603(g/cm3) So với khơng khí : D = 0,968 (g/cm3) Thể tích Đktc: V= 22,258(l) Sức căng bề mặt: + Ơû – 169,15 0C :  = 16,5(mN/m) + Ơû 00C : Nhiệt độ nóng chảy:  = 1,1(mN/m) 119,5 (kJ/kg) Nhiệtcháy: Nhiệt hoá hơi: + Ơû -169,150C + Ơû 00C 47,183(kj/kg) 488 (kj/kg) 191 (kj/kg) Hệ số dẫn nhiệt , m-1.K-1: + Ơû 00C: 117.10-4 + Ơû 1000C: 294.10-4 + Ơû 4000C: 805.10-4 Độ nhớt pha lỏng , Mpa.s: + Tại ts=-103,710C: 0,17 + Tại tđ=-169,150C: 0,73 + Tại 00C: 0,07 Độ nhớt trạng thái khí:(Mpa.s) + Tại ts=-169,150C: 36.10-4 + Tại 00C: 93.10-4 + Tại 1500C: 143.10-4 Giới hạn nổ với khơng khí û200C, P =0,1 Mpa Aùp suất Pv, Mpa: + Giới hạn dƣới: 2,75 34,6 + Tại -1500C: 0,02 + Giới hạn trên: 28,6 360,1 + Tại ts=-103,71 C: 0,102 + Tại 00C: 4,24 Nhiệt bốc cháy: 425 ÷ 527 (0C) Tính chất hoá học etylen Etylen có tất tính chất hoá học alken Trong phân tử etylen có liên kết  (C=C) tạo nên từ hai nguyên tử cacbon theo kiểu lai hóa Sp2, góc liên kết 1200, độ dài liên kết 23,14A0 Trong cacbon có obitan lai hóa Sp tham gia xen phủ trục với obitan S hydro obitan Sp cacbon lại tạo thành liên kết  hướng đỉnh tam giác đều, hai obitan p không lai hoá lại xen phủ với hình thành liên kết , mặt phẳng  với mật độ SVTH: Nguyễn Xn n Hố dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen electron dàn hai phía liên kết  (C-C) Tất nguyên tử C, H phân tử etylen nằm mặt phẳngvà mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng  tạo nên khung C=C cứng nhắc Tâm hoạt động etylen liên kết đôi Etylen olefin khác có khả tham gia phản ứng cộng phá vỡ liên kết  nhanh Do mật độ electron nối đôi cao nên olefin kết hợp dễ dàng với tác nhân điện tử (electrophyl) axit mạnh, halogen tác nhân oxi hóa Chúng không phản ứng với tác nhân nucleophyl, tác nhân Grignard bazơ a Phản ứng cộng Các phản ứng cộng đặc trưng etylen phản ứng cộng vào liên kêùt đôi Phản ứng cộng vào nối đôi etylen xảy theo chế ion, chế cộng điện tử (electrophyl) Cơ chế phản ứng cộng electrophyl tiến hành qua hai giai đoạn Ở giai đoạn I tác nhân electrophyl kết hợp với cacbon mang nối đôi giàu electron  tạo ion cacboni Sau giai đoạn II ion cacboni kết hợp với phần lại tác nhân tích điện âm: Giai đoạn I: Y–X + C=C chậm X – C –+C + Y- Giai đoạn II: X – C –+C + Y- X–C– C–Y Etylen tham gia phản ứng hydro hoá nhiệt độ thƣờng dƣới áp suất hydro thấp, xúc tác bột Pt(Pd) mịn Tuy nhiên, điều kiện hydro hoá tốt etylen nhiệt độ 150 ÷ 2000C, áp suất cao có mặt xúc tác Ni: Ni CH = CH + H  H = -30 kcal  CH – CH 2 Etylen phản ứng cộng với halogen phản ứng Cl2 > Br2 > I2: CH2 = CH2 + Cl2 CH2 = CH2 + Br2 CH2 = CH2 + I2 nhiệt độ thấp dicloetan với khả CH2Cl – CH2Cl CH2 Br– CH2Br CH2I – CH2I n SVTH: Nguyễn Xuân Yên Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Etylen tác dụng với hydrohalogen tạo etylhalogen tƣơng ứng Khả phản ứng là: HI > HBr > HCl CH2 = CH2 + HI CH3 – CH2I CH2 = CH2 + HCl CH3 – CH2Cl Sự có mặt oxy q trình hydro hố etylen: CH2 = CH2 + 3HCl + O2 CHCl = CCl2 + 3H2O Các phản ứng alkyl hóa Friede - Crafis phản ứng cộng axyl hóa tiến hành có mặt xúc tác ionic (axit Lewis) Xúc tác có tác dụng phân cực hóa ion hóa tác nhân: CH2 = CH2 + (CH3)3CCl (CH3)3CCH2CH2Cl CH2 = CH2 + C2H5COCl C2H5COCH2CH2Cl CH2 = CH2 + (CH3)3CH (CH3)2CHCH(CH3)2 Xúc tác alkyl hóa Friedel – Crafis có ảnh hƣởng phản ứng etylen với benzen tạo thành etylbenzen hợp chất trung gian trình sản xuất Styren CH2 = CH2 + C6H6 C6H5CH2CH3 C6H5CH=CH2 + H2 b Phản ứng oxy hố Các hydrocacbon chứa liên kết đơi nhạy cảm nhiều chất oxy hoá Khi điều kiện tiến hành phản ứng với tác nhân oxy hoá khác sản phẩm phản ứng tạo khác Oxy hoá etylen đến axetaldehit dung dịch HCl pha loãng chứa PdCl2 đồng Thuỷ phân phức chất cho ta axetaldehyt kim loại Pd O H2 O C2H4 + PdCl2  [C2H4.PdCl2]   CH3 – C – H + Pd + 2H2+ + 2Cl- Pd + 2CuCl2 2CuCl + PdCl2 Để có CuCl2 ta oxy hố CuCl khơng khí: 2CuCl2 + 2HCl + O2  2CuCl2 + H2O Phản ứng tổng quát: O C2H4 + O2  CH3 – C – H Δ H298  562kcal / mol Etylen oxy hoá cho nhiều loại sản phẩm khác tuỳ thuộc vào điều kiện phản ứng tác nhân oxy hoá: SVTH: Nguyễn Xuân Yên 10 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen (kj/ kg0K) (kj/ kg) (kj/ KG0K) (kj/ kg) C2H6 - 2800,00 1,7493 4,2711 -406,891 C2H4 1871,43 1,5315 3,4919 3868,232 CH4 -4662,5 2,2309 4,8517 -1847,167 14,418 15,418 H2 Bảng 34: Tính tốn giá trị H1,H2 H S0.1093 Cấu tử (kj/ kg) Nguyên liệu Phần mol Nhiệt tạo (mol/mol) thành riêng phần(kj/kg) Sản phẩm nhiệt phân Hiệusuất Nhiệt tạo thành riêng (mol/mol phần(kj/kg) ng.liệu) C2H6 C2H4 CH4 -406,891 3868,232 -1847,167 1,00 0 -406,891 0 0,3399 0,5531 0,0937 -138,30 2139,52 -173,08 H2 0 0,0562 Tổng - 1,00 H1=-406,891 1,4929 H2=1828,14 H  H  H1 = 1828,14 – (-406,891) = 2234,89 (kj/ kg) Q  H.G CV H = 2234,89.14027,542 = 31350013,34 (Kj/ h) b) Tính nhiệt lƣợng tiêu hao để đun nóng hỗn hợp khí từ 6500C đến 8200C Q  (G  Z).(q 820  q 650 ) Trong đó: G: lƣợng nguyên liệu vào G  GCV H  14027,542 (Kg/ h) Z: lƣợng nƣớc vào Z  GHV O  4208,262 (Kg/ h) q650 : hàm nhiệt hỗn hợp – khí 6500C (nguyên liệu nƣớc) q820: hàm nhiệt hỗn hợp – khí 8200C (sản phẩm nhiệt phân nƣớc) SVTH: Nguyễn Xuân Yên 80 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Các giá trị q650 q820 đƣợc tính tốn bảng 35, số liệu hàm nhiệt đƣợc lấy tài liệu [5-106] Bảng 35: Tính tốn giá trị q650 q820 C2H6 C2H4 t1 = 6500C (Nguyên liệu Hơi nƣớc) Hàm Phần Hàm nhiệt nhiệt qi trọng riêng phần (kj/ kg) lƣợng (kj/ kg) 1890,3 0,769 1453,6 1616,2 0 t2 = 8200C (Sản phẩm nƣớc) Hàm Phần Hàm nhiệt nhiệt qi trọng riêng phần (kj/ kg) lƣợng (kj/ kg) 2573,1 0,308 792,5 2180,3 0,397 865,6 CH4 H2 2118,0 9454,7 0 0 2876,2 0,038 11940,4 0,026 109,3 310,5 H2 O Tổng 1266,6 - 0,231 1,000 292,6 1746,2 1475,4 - 340,8 2418,7 Cấu tử Vậy ta có: 0,231 1,000 q1 = 2418,7 (kj/ kg) q2 = 1746,2 (kj/ kg) Suy ra: Q2 = (G + Z).(q820 – q650) = (14027,542 + 4208,262).(2418,7 – 1746,2) = 12263578,19 (kj/ h) QP = Q1 + Q = 31350013,34 + 12263578,19 = 43613591,53 (kj/ kg) Theo công thức xác định bề mặt đun nóng ống xoắn phản ứng: FP  QP qP qP: Cƣờng độ nhiệt bề mặt đun nóng ống xoắn phản ứng (ống xạ), ta chọn: qP = 40.000 (kcal/ m2.h) = 167440(kj/ m2.h) Vây: FP  43613591,53  652(m) 167440 Một số kích thƣớc buồng đốt Tƣơng ứng vơi cƣờng độ nhiệt chọn, ta dùng ống có đƣờng kính dH=0,127 (m) chiều dày ống (mm) Khi chiều dài làm việc chung ống là: SVTH: Nguyễn Xuân Yên 81 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen L0LV  FP 260   652 (m)  d H 3,14.0,127 Số dòng ống song song vùng xạ lị khơng đƣợc dùng lớn Ta chọn m = 3, chiều dài làm việc ống dòng là: LdLV  L0LV 652   217 (m) m Chọn chiều dài làm việc ống LLV = 9,5(m) Khi ta có số ống bực xạ là: LdLV 217 NP    22 (ống) L LV 9,5 Nếu chiều dài toàn ống L = 10 (m) Khi chiều dài chung ốngtrong dòng là: LCh = NP L = 22.10 = 220 (m) Theo tài liệu chuẩn, ngƣời ta dùng bƣớc ống xạ S = 0,25 (m) Khi đó, khoảng cách hàng thẳng đứng ống xạ là: ST  S 0,25   0,215 (m) 2 Khi đó, chiều cao buồng xạ (buồng đốt) là: hT = (NP – 1).S + 0,5.S + lB +lT đó: NP: số ống hàng thẳng đứng (trong dòng) lB, lT : lần lƣợt khoảng cách ống đáy ống đỉnh dãy thẳng đứng so với bệ lòvà đỉnh buồng đối lƣu, ta chọn: lB = lT = 215 (mm) = 0,215 (m) Vậy: hT = (22 – 1).0,25 + 0,5.0,25 + 2.0,25 = 5,88 (m) Chiều rộng buồng xạ: bT = 2.aT + ST Theo tài liệu [5-255]: khoảng cách từ buồng xạ đến ống aT dao động khoảng 0,6  1,0 (m), đây, ta lấy aT = m Vậy bT = 2.1 + 0,215 = 2,215 (m) Thể tích buồng xạ: VT = bT.hT.lT = 2,215.5,88.9,5 = 124 (m3) SVTH: Nguyễn Xuân Yên 82 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen II.2 Tính bề mặt đối lƣu đun nóng lị kích thƣớc số bng đốt đối lƣu Giả sử hỗn hợp hơi- khí (nguyên liệu + nƣớc) vào vùng đối lƣu có nhiệt độ 350C Ở đây, chúng đƣợc trao đổi nhiệt với khói lò đạt nhiệt độ 6500C sau khỏi vùng đơi lƣu Xác định bề mặt dun nóng ống đối lƣu Bề mặt đun nóng ống đối lƣu đƣợc xác dịnh theo công thức: FK  QK qK Trong đó: qk: Là cƣờngg độ nhiệt trung bình bề mặt đun nóng ống đối lƣu (thƣờng thấp ống xạ),ta chọn: qk = 25.000 Kcal/ m2.h = 104650 KJ/ m2.h Qk: Lƣợng nhiệt tiêu hao để đun nóng hỗn hợp khí (nguyên liệu nƣớc) vùng đối lƣu từ 350C  6500C Q  (G  Z ).(q650  q35 ) G: Là lƣợng nguyên liệu GG V C2H  14027,542 (Kg/h) Z: Là lƣợng nƣớc Z GG V H 2O  4208,262 (Kg/h) q650: Hàm nhiệt hỗn hợp hơi-khí 6500C q35: Hàm nhiệt hỗn hợp hơi-khí 350C Hàm nhiệt cấu tử riêng biệt cho tài iệu (Bộ mơn nhiên liệu, tính tốn cơng nghệ q trình chế biến dầu mỏ) Bảng Tính tốn giá trị q35 q650 Nguyên liệu + Hơi nƣớc vào vùng đối lƣu (350C) Cấu tử Hàm Phần Hàm nhiệt nhiệt trọng riêng qi(KJ/Kg) lƣợng phần(kJ/Kg) C2H6 64,46 0,769 49,57 H2 O 65,72 0,231 15,18 Tổng 1,000 64,75 Suy Nguyên liệu cộng nƣớc khỏi vùng đối lƣu(6500C) Hàm nhiệt Phần Hàm nhiệt qi(KJ/ Kg) trọng riêng phần lƣợng (KJ/Kg) 1890,3 0,769 1453,6 1266,6 0,231 292,6 1,000 1746,2 QK  (G  Z ).(q650  q35 ) = (14027,542 + 4208,262).(1746,2 – 64,75) SVTH: Nguyễn Xuân Yên 83 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen = 30662592,64 (KJ/Kg) Vậy, bề mặt đun nóng ống đối lƣu FK  QK 30662592 ,64   293 (m ) qK 104650 Một số kích thƣớc buồng đốt đối lƣu: Trong buồn đối lƣu ta đặt ống có chiều dài hữu ích lk = 9,5 m, đƣờng kính ngồi dH = 102 mm chiều dày thành ống mm -Xác định số ống vùng đối lƣu NK  FK  96 (ống)  d H l K Vùng đói lƣu đƣợc chia thành hai buồng đối xứng với trục lị, só ống vùng đối lƣu : N ,K  N K 96   48 (ống) 2 Trong hàng nằm nhang cử buồng đốt, ta đặt số ống n1 = ống Các ống đối lƣu đƣợc đặt theo thứ tự bàn cờ Theo kích thƣớc ống nói , ta chọn bƣớc ống S = 172 mm Do ống đặt theo thứ tự bàn cờ nên khoảng cách trục ống (hay bƣớc ống theo chiều sâu chùm ống) là: ST  S 172   149 (mm) 2 Số dãy ống theo chiều thẳng đứng buồng : m N K 48   12 (ống) nT Khi bƣớc ống theo chiều sâu chùm ống đối lƣu S1 = 0,149 (m) chiều cao đặt ống buồng đối lƣu là: H K  (m  1).ST  (12  1).0,149  1,639 (m) Chiều cao buồng đối lƣu là: H  H K  2l Trong đó: l khoảng cách từ ống đáy ống đỉnh dãy thẳng đứng so với đáy đỉnh buồng đối lƣu, ta chọn l=250 (mm) H  1,639  2.0,25  2,139 (m) Chiều rộng buồng đối lƣu là: bK  2.[( nT  1).ST  0,25  SK ] = [(4-1) 0,149 + 0,25 + SVTH: Nguyễn Xuân Yên 84 0,2 ] Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen = 1,594 (m) SVTH: Nguyễn Xuân Yên 85 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen PHẦN III TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ XÂY DỰNG I.Chọn địa điểm xây dựng Hiện việt nam chƣa có nhà máy sản xuất etylen Tuy nhiên, chọn địa điểm xây dựng nhà máy gần khu công nghiệp lọc dầu hay nhà máy chế biến khí vũng tàu Bởi phân đoạn dầu mỏ nguồn nguyên liệu lý tƣởng để sản xuất etylen (từ etan đến naphta dầu thô) Khi hệ thống vận chuyển nguyên liệu giảm tối thiểu, đặt biệt trình sản xuất từ nguyên liệu khí Chọn khu đất xây dựng có địa hình phẳng, có khoảng cách an tồn khu dân cƣ: II.Thiết kế tổng mặt nhà máy Nhiệm vụ, yêu cầu: Thiết kế tổng mặt nhà máy giai đoạn quan trọng Nhiệm vụ nghiên cứu, phân tích, tổng hợp liệu dự án cụ thể Các giải pháp bố trí dự án địa hình khu đất cụ thể dã đƣọac lựa chọn làm sở cho việc tổ chức xây dựng công nghiệp Giải pháp thiết kế xây dựng: a Căn vào: -Những yêu cầu chung thiết kế tổng mặt nhà máy công nghiệp nói chung, nhƣ đặt điểm riêng nhà máy sản xuất etylen -Dây chuyên công nghệ loại máy móc thiết bị lựa chọn -Điều kiện thực tế địa hình xây dựng nhƣ: khí hậu, địa hình, sinh thái * Chọn giải pháp thiết kế theo nguyên tác phâ vùng Thực chất biện pháp phân chia phận chức nhà máy thành nhóm theo đặc điểm sản xuất, khối lƣợng đặc điểm vận chuyển hàng hóa, đặc điểm phân bố nhân lực, đặc điểm yêu cầu vệ sinh công nghiệp ngƣ đặc thù cố công đoạn sản xuất III Ƣu nhƣợc điểm nguyên tắc phân vùng III.1 Ƣu điểm: -Dễ dàng quản lý theo ngành, theo phân xƣởng, theo công đoạn dây chuyền sản xuất nhà máy, hợp lý hóa sản xuất đảm bảo mỹ quan, cân đối nhà máy lân cận - Đảm bảo đƣợc yều cầu vệ sinh công SVTH: Nguyễn Xuân Yên 86 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen nghiệp, dễ dàng xử lý phận phát sinh, điều kiện bất lợi trìng sản xuất nhƣ: + Dễ dàng bố trí hệ thống giao thơng nhà máy +Thuận lợi q trình mở rộng nhà máy + Phù hợp với đặc điểm khí hậu nƣớc ta III.2 Nhƣợc điểm - Dây chuyền sản xuất phải kéo dài - Thuận lợi trình mở rộng nhà máy - Phù hợp với đặc điểm khí hậu nƣớc ta Vùng trƣớc nhà máy : Là nơi bố trí nhà máy : hành quản lý phục vụ sinh hoạt đƣợc xâ dựng riêng biệt, gần cổng nhà máy đầu hƣớng gió chủ đạo Bao gồm: -Nhà hành -Trạm xá -Trung tâm thơng tin, thƣ viện -Trung tâm nghiên cứu – thí nghiệm cơng nghiệp -Nhà văn hóa – hội trƣờng -Nhà ăn ca – nghỉ trƣa -Nhà thay quân áo – tắm rửa -Gara xe ôtô -Nhà để xe máy – xe đạp Vùng sản xuất Là nơi bố trí nhà cơng trìng nằm dây chuyền sản xuất nhà máy bao gồm nhà sản xuất (phân xƣởng nhiệt phân – tơi hóa phân xƣởng tách sản phẩm), kho chứa nguyên liệu sản phẩm đƣợc bố trí sát nhà sản xuất vùng sản xuất đựơc bố trí cuối hƣớng gió 3.Vùng cơng trình phụ Là nơi dặt nhà cơng trình cung cấp lƣợng, nƣớc, hơi, cơng trình bảo quản kỹ thuật khác Vùng kho tàng phục vụ giao thông -Vùng vận tải – Gara xe tải, xe cứu hỏa -Kho thành phẩm -Kho may móc- thiết bị, phụ tùng -Trạm cấp xăng dầu- kho xăng dầu CÁC HẠNG MỤC CƠNG TRÌNH SVTH: Nguyễn Xn Yên 87 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen STT Tên cơng trình Số lƣợng Kích thƣớc Diện tích Phòng bảo vệ 6x6 108 Nhà để xe đạp - xe máy 10 x 20 400 Trạm xá- y tế Nhà hành 1 x 10 10 x 24 80 240 Nhà văn hóa- hội trƣờng- CLB Nhà ăn ca - nhà nghỉ 1 16 x 24 12 x 24 384 288 Nhà khách Đội vận tải – cứu hỏa Nhà thay quần áo – tắm rửa 1 10 x 14 12 x 20 12 x 16 140 240 192 10 trạm biến x 10 60 11 12 13 14 Phòng điều khiển Nhà sản xuất Kho máy móc – khí Trung tâm nghiên cứu – TN 1 1 x 12 20 x 40 10 x 15 10 x 15 72 800 150 150 15 16 Kho chứa sử lý nguyên liệu Kho chứa nguyên liệu đốt 1 14 x 24 16 x 16 336 256 17 18 19 Kho chứa xử lý sản phẩm Bể nƣớc Trạm bơm 1 16 x 24 14 x 16 x 10 384 224 60 20 Khu vực xử lý khí thải 16 x 24 384 21 22 Khu vực xử lý nƣớc thải Khu đất dự phòng 1 16 x 124 10 x 40 384 800 Tổng diện tích nhà máy: F = 6132 = 24528 (m2) Tổng diên tích xây dựng: 6132 (m2) Chiều rộng phân xƣởng: 150 m Chiều dài phân xƣởng: 163,52 m * Chỉ tiêu kính tế kỹ thuật: AB 100 % - hệ số xây dựng: KXD = F A + B = 6131 (m2) A: Diện tích đất nhà cơng trình (m2) B: Diện tích kho bãi lộ thiên (m2) 6132 KXD = = 25% 24528 SVTH: Nguyễn Xuân Yên 88 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen - Hệ số sử dụng: A B C KSD = 100% F Trong đó: C diện tích đất chiếm đƣờng lộ thiên, hệ thống thoát nƣớc: C = 11037 m2 11037  6132 Khi đó: KSD = 100% = 70% 24528 SVTH: Nguyễn Xuân Yên 89 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen PHẦN IV TÍNH TỐN KINH TẾ MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ CỦA VIỆC TÍNH TỐN KINH TẾ Tính tốn kinh tế phần quan trọng đồ án thiết kế, định xem phƣơng án thiết kế có tính khsr thi hsy khơng Với nhiệm vụ chính: - Xác định chi phí cho phƣơng án sản xuất - Xác định giá bán sản phẩm - Xác đinh hiệu kinh tế phƣơng án kỹ thuật đƣa lại để đánh giá tính khả thi mặt kinh tế phƣơng án kỹ thuật I CÁC LOẠI CHI PHÍ I.1 Chi phí dài hạn 1.1 Chi phí đầu tƣ xây dựng Chi phí xây dựng nhà xƣởng: 800 (m2) x 1,20 (triệu đồng) = 960 (triệu đồng) Chi phí xây dựng cơng trình phụ trợ (cầu cống, đƣờng xá,…): 554 (m2) x o,5 (triệu đồng) = 277 (triệu đồng) Chi phí khảo sát thiết kế xây dựng đƣợc tính 1% chi phí xây dựng : (960 + 277).1% = 12.37 (triệu đồng) tổng chi phí xây dựng: 960 + 277 + 12,37 = 1249,37 (triệu đồng) 1.2 Chi phí mua máy móc thiết bị Mua máy móc thiết bị hãng UOP (đổi theo tỷ giá 1$ = 15000 đồng) - Tháp tách: 200000 $ x = 24000 (triệu đồng) - Thiết bị gia nhiệt: 220000 $ x = 3300 (triệu đồng) - Lò đốt: 296000 $ x = 4440 (triệu đồng) - Bơm: 44000 $ x = 1980(triệu đồng) - Thiết bị hydro hóa 100000 $ x 3299000 $ = 49485(triệu đồng) - Thùng, bình 34000 $ 510 (triệu đồng) 1.3 Tính khấu hao - Nhà kƣởng cơng trình phụ trợ khấu hao 20 năm Khấu hao năm nhà xƣởng cơng trình phụ trợ là: 960,4  277  61,85 (triệu đồng) 20 khấu hao năm: 61,85 = 185,55 (triệu đồng) SVTH: Nguyễn Xuân Yên 90 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen -Chi phí khao sát thiết kế đƣợc khấu hao năm đầu bàng 30,3 (triệu đồng) Vậy khấu hao cho đầu tƣ xây dựng là:61,85 + 30,3 = 92,15 (triệu đồng) - Thiêt bị phản ứng, thiết bị gia nhiệt, lị tái sinh, tháp tách đƣơc tính khấu hao 10 năm: 24000  3300  4440  3000  49485  8422,5 (triệu đồng) 10 -Thùng chứa khấu hao năm:102 (triệu đồng) -Bơm khấu hao hai năm:330 (triệu đồng) Vậy chi phí dài hạn là: Thành tiền(triệu đồng) Khấu hao (triệu đồng) Đầu tƣ xây dựng 2056,9 131,5 Mua may móc thiết bị Chi phí khác 69679 18712,8 7274,48 1871,28 Tổng 90448,7 9277,26 Chi phí I.2 Chi phí lưu động Chi phí mua nguyên vật liệu Phân xưởng hoạt động 24h/ ngày, 335 ngày/ năm Do nguyên liệu, nhiên liệu cần dùng năm - Etan: 14027,542.24.335 = 112781437(kg) = 112781 (tấn) - Nhiên liệu: 818,313.24.335 = 6579236(kg) = 6579 (tấn) - Hơi nước: 4208,262.24.335 = 33834426(kg) = 33834(tấn) Ngun-nhiên liệu Etan Nguyên liệu Hơi nƣớc Đơn giá (triệu đồng) 4,5 3,5 1,5 Số lƣợng 112781 9579 33834 Tổng Thành tiền(triệu đồng) 507514,5 33526,5 50751 591792 Chi phí lượng (điện, lầm lạnh, máy nén,…): 50.000 (triệu đồng) 3.Nhân công sản xuất trực tiếp: Nhân viên Số lƣợng Quản đốc SVTH: Nguyễn Xuân Yên Mức lƣơng (triệu đồng) 3,5 91 Tành tiền (triệu đồng 3,5 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Phó quản đốc 2,5 Kỷ sƣ 2,0 12 Thợ điện 1,5 7,5 Thợ khí Cơng nhân 30 1,5 1,5 45 Nhân viên văn phòng 1,2 88 Tổng Chi trả lƣơng năm: 88.12=1054 (triệu đồng) Bảo hiểm xá hội 17% lƣơng, phúc lợi xã hội 10% lƣơng 1054.(17% + 10%) = 284 (triệu đồng) Tổng chi phí cho cơng nhân viên sản xuất trực tiếp là: 1054 + 284 = 1338 (triệu đồng) - chi phí biến đổi Chi phí Thành tiền (triệu đồng) Nguyên liệu, nhiên liệu 591792 Năng lƣợng Nhân công Tổng 50000 1338 643130 Các chi phí chung -Chi phí bảo dưỡng sửa chữa máy hàng năm 60 triệu đồng -Chi phí văn phòng: + chi phí điên thoại 100 triệu đồng + Bảo vệ 5.12.0,7= 42 triệu đồng + Quản lý hành 70 triệu đồng -Lãi vay đầu tư: p dụng lãi vay dài hạn ngân hàng để đầu tư phát triển 5,6% Vốn đầu tư ban đầu = chi phí cố định + chi phí biến đổi Chi phí biến đổi tính quý với giả thiết có doanh thu sau quý trình sản xuất: Vốn đầu tư ban đầu cho nguyên liệu, nhiên liệu (cho quý) 782,4  195,6 (triệu đồng) Vốn đầu tƣ cho công nhân sản xuất trực tiếp SVTH: Nguyễn Xuân Yên 92 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen 1338  334,5 (triệu đồng) Vốn đầu tƣ để trả tiền điện, lƣợng làm lạnh, máy nén 50000  12500 (triệu đồng) Vốn đầu tƣ cho quản lý chung 215,6  195,6 (triệu đồng) Vậy vốn đầu tƣ ban đầu Vốn Cố định Nguyên, nhiên liệu Thành tiền (triệu đồng) 90448,7 147948 Năng lƣợng 12500 Nhân công Quản lý chung Tổng 195,6 782,4 251486,8 - Lãi vay trả: 251486,8 5,6% = 14083 (triệu đồng) Ngoài trình sản xuấtcòn có chế phẩm, có lãng phí nguyên liệu=5% 643130 = 32156 (triệu đồng) Vậy : Chi phí sản xuất 50000 sản phẩm tính theo bảng sau: Thành tiền (triệu đồng) 9277,26 591792 195,6 14083 32156 647503,86 Chi phí Khấu hao Chi phí biến đổi Chi phí quản lý chung Lãi Phế phẩm Tổng -Giá thành sản phẩm nơi sản xuất 647503 ,86  13 (triệu đồng) 50 -Giá thành sản phẩm: giá sản xuất + chi phí bán hàng + thuế + lãi -VAT = 10% giá bán -Lãi dự kiến 5% giá bán GB = GT + (5% + 10% + 5%).GB GB = 16 (triệu/ tấn) II XÁC ĐỊNH HIỆU QUẢ KINH TẾ Xác định điểm hồn vốn SVTH: Nguyễn Xn n 93 Hố dầu - K44 ĐHBK HN Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng sản xuất etylen Q0 : sản lƣợng hoàn vốn Q.GB = V0 + C1 + Q0 C C :chi phí biến đổi cho đơn vị sản phẩm: 643130  12,86 (triệu đồng) 50000 C1:chi phí chung C1 = 195,6 + 14083 + 32156 = 46434,6 (triệu đồng) V0: khấu hao tài sản Lƣợng sản phẩm hoàn vốn năm: Q0  V0  C1 46434 ,6  9277,26   17742 ,63 (tấn) GB  C (16  12,86) Vậy năm:53227,89 (tấn) Thời gian thu hồi vốn: Q0 53227,89.48   năm Q 50.000 Phƣơng án đƣợc coi khả thi thời gian hoàn vốn nhỏ thời gian khấu hao Vậy thời gian hoàn vốn năm SVTH: Nguyễn Xuân Yên 94 Hoá dầu - K44 ĐHBK HN