BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Bài tập 1:
Tính toán và lựa chọn van điều khiển áp dụng cho hệ thống bơm nước qua một hệ
thống đường ống với tổng trở lực là 150 psi với các số liệu sau:
- Nhiệt độ của nước là 70°F.
- Lưu lượng thiết kế tối đa: 150 gpm,
- Lưu lượng vận hành: 110 gpm,
- Lưu lượng tối thiểu: 25 gpm. Đường kính ống là 3 inch. Tỷ trọng của nước ở
70oF là 1.
Bài Làm
* Bước 1: Xác định hệ thống
Theo đề bài ta có:
+ Áp suất rơi của toàn hệ thống: ΔP∑ = 150psi.
+ Lưu lượng thiết kế tối đa của bơm: Qmax = 150 gpm (gallon per minute).
+ Lưu lượng hoạt động của bơm: Qop = 110 gpm.
+ Lưu lượng tối thiểu của bơm: Qmin = 25 gpm.
+ Đường kính ống: 3 inch.
+ Tỷ trọng của lưu chất: Lưu chất ở đây là nước có tỷ trọng ở 70 oF là: dH2O = 1
g/ml.
* Bước 1: Xác định trở lực tối đa cho phép của van (ΔPmax).
Thường thì trở lực của van nên tính toán thiết kế từ 15-25% tổng trở lực trong hệ
thống (0.7-1.7 bar - 10-25 psi).
Trong bài này, ta tính:

∆Pmax = 15%∆P∑ = 15% ×150 = 22.5

psi.

* Bước 2: Tính toán các đặc trưng của van (Cvmin, Cvmax, Cvop).
Cv = Q ×

G
∆P

, trong đó:

Q: Lưu lượng thiết kế

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

G: Tỷ trọng chuẩn so với nước
ΔP: Trở lực cho phép
Thay số liệu đề bài vào ta tính được:
Cv min = Qmin ×

G
1
= 25 ×
= 5.27
∆P
22.5


Cv max = Qmax ×

G
1
= 150 ×
= 31.622
∆P
22.5

Cvop = Qop ×

G
1
= 110 ×
= 23.19
∆P
22.5

* Bước 3: Lựa chọn sơ bộ loại van (1 inch = 25,4 mm)
Từ giá trị Cvmax = 31.622 và Cvmin = 5.27 ta tính toán được ở trên tra từ bảng số liệu
từ nhà sản xuất ở dưới, ta chọn được van 3 với đường kính van là 2 inch, vì ta thấy
rằng:
+ Kích thước van là 2 inch lớn hơn 1/2 đường kính ống (0.5x3 = 1.5 inch).
+ Khi Cvmin thì độ mở khoảng 10-20%, độ mở khi C vmax thì độ mở 80-90% (thỏa
mãn).
* Bước 4: Kiểm tra sự bổ trợ (Gain) thông qua lưu lượng sử dụng:
Gain =

Tối thiểu

Hoạt động
Tối đa

∆Flow
∆stroke

Lưu lượng
(Flow) (gpm)

Độ mở
(Stroke)
(%)

Hiệu số lưu
lượng

Hệ số độ mở

Gain

25
110
150

10
80
100

85


70

1.214

40

20

2

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Tiêu chuẩn: Sự chênh lệch giữa 2 giá trị Gain 1 và Gain2 phải nhỏ hơn 50% giá trị

lớn nhất. Kiểm tra:

G1 − G2
1.21 − 2
=
= 0.395 < 0.5
max(G1 , G2 )
2


(thõa mãn).

Bài tập 2:
Từ các giá trị [%O2] và [%N2] thu được trong khói thải. Chứng minh công thức
tính hệ số dư lượng không khí (e).
ExcessAir(e) =

3,76.(% O 2 )
(% N 2 − 3,76.% O 2 )

Bài làm
Giả thiết rằng trong không khí hàm lượng khí N2 là 79% và hàm lượng khí O2 là
29%. Trong quá trình đốt cháy nhiên liệu thì hàm lượng khí N2 là không thay đổi.
Gọi F là lượng không khí cần sử dụng để đốt cháy nhiên liệu (Nm3/h).
x là lượng không khí sử dụng dư (Nm3/h).
T là tổng lượng không khí cho vào lò đốt (Nm3/h).
T’ là lượng khói thải đi ra từ lò đốt (Nm3/h).

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

ExcessAir(e) =

Ta có:

x

F

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

⇒ x = e.F

T = F + x = (1 + e).F

Lượng N2 có trong khói thải:
Lượng O2 có trong khói thải:

0,79.T = 0,79.( F + x ) = 0,79.(1 + e).F
0, 21.x = 0, 21.e.F

% N2 =

0,79.(1 + e).F
.100
T'

%O2 =

0, 21.e.F
.100
T'

Nồng độ N2 có trong khói thải:

Nồng độ O2 có trong khói thải:


Ta có tỷ lệ sau:
⇒e=

0,79.(1 + e).F
.100
% N2
0,79.(1 + e)
1
T'
=
=
= 3,76.( + 1)
0, 21.e.F
%O2
0, 21.e
e
.100
'
T

3,76.(%O2 )
(% N 2 − 3,76.%O2 )

ExcessAir(e) =

Vậy

3,76.(% O 2 )
(% N 2 − 3,76.% O 2 )


Bài tập 5: Thiết kế tháp chưng cất cùng các thiết bị phụ trợ để tách C3 ra khỏi hỗn
hợp khí thu được từ phân xưởng FCC có các số liệu như sau:
Thành phần
C2H4

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

%mol
2

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

C2H6
C3H6
C3H8
iC4=
nC4=
iC4
nC4
nC6

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

1
30
17
15

10
10
10
5

Áp suất: P = 1.2 bar
Lưu lượng: F = 100000 tấn/năm
T = 45oC
1. Biện luận và xây dựng sơ đồ công nghệ của phân xưởng để thu hồi 98% C 3= và
C3 trong sản phẩm đỉnh và 95% tổng C4 tổng trong sản phẩm đáy.
2. Dựa trên kết quả mô phỏng để thiết kế thiết bị trong sơ đồ công nghệ vừa mô
phỏng được ở câu 1.
BÀI LÀM
I.

Thiết kế sơ bộ tháp chưng cất khí quyển từ yêu cầu sản phẩm
Trình tự các bước tiến hành

a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
II.

Xây dựng sơ đồ công nghệ sơ bộ
Lựa chọn áp suất làm việc
Tính toán Shortcut

Kiểm tra giả thiết
Tính toán tháp chưng cất và tối ưu vị trí đĩa nạp liệu
Xây dựng sơ đồ công nghệ hoàn chỉnh
Kết luận
Thiết kế chi tiết
Trình tự các bước tiến hành
a) Thiết kế Rating và Sizing cho tháp chưng.
b) Thiết kế HX cho reboiler.
c) Thiết kế HX gia nhiệt cho dòng nguyên liệu.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

d) Thiết kế Air Cooler cho Condenser.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM


I. Thiết kế sơ bộ tháp chưng cất khí quyển
a) Sơ đồ công nghệ của phân xưởng gồm có:
 Một tháp chưng cất.
 Máy nén chuyển từ dạng khí sang lỏng.
 Bình Flash phân tách 2 pha lỏng-hơi.
 Các thiết bị trao đổi nhiệt (thường tích hợp cùng máy nén).
 Bơm để tăng áp suất.
 Valve để điều chỉnh lưu lượng.

Sơ đồ công nghệ sơ bộ của phân xưởng
b) Lựa chọn áp suất làm việc
• Trước khi ta lựa chọn áp suất, ta cần tính toán sự phân bố nồng độ các cấu
•
•
•
•

tử ở đỉnh và đáy:
Giả thiết sự phân bố nồng độ là lý tưởng.
Một năm có 8000 giờ.
Lưu lượng khối lượng là 12500 kg/h.
Ta có bảng phân bố nồng độ nguyên liệu, các cấu tử ở đỉnh và đáy (màu
vàng là 2 cấu tử khóa):

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ


SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Chọn áp suất làm việc tại bình ngưng tụ: Giả sử dùng không khí làm tác
nhân làm lạnh, chọn nhiệt độ tại bình hồi lưu là 40°C, ta xác định được áp
suất tại bình hồi lưu là 17.866 bar.
• Xác định áp suất làm việc tại đỉnh tháp: Giả sử trở lực qua thiết bị ngưng tụ
là 0,5 bar (thực tế là 0,2 – 0,6 bar), ta xác định được áp suất tại đỉnh tháp là
18.366 bar.
• Xác định áp suất làm việc tại đáy tháp: Áp suất tại đáy tháp bằng áp suất tại
đỉnh cộng thêm tổn thất áp suất qua các đĩa. Giả thiết tháp có 20 đĩa, và trở
lực qua mỗi đĩa là 10 mbar (thực tế từ 6-15 mbar). Áp suất ở đáy là 18.566
bar, và nhiệt độ ở đáy là 106.745°C (thỏa mãn ràng buộc nhỏ hơn 110°C).
•

Bình ngưng tụ
Đỉnh tháp
Đáy tháp

Áp suất (bar)
17.866

18.366
18.566

c) Tính toán Shortcut

Mục đích:
•
•
•

Kiểm tra lại nhiệt độ.
Xác định tỷ số hồi lưu và vị trí đĩa nạp liệu.
Sử dụng bảng phân bố nồng độ cùng các số liệu về áp suất, nhiệt
độ ở trên để tính Shortcut.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Với dòng nguyên liệu, giả sử áp suất vào tháp là 18.4, tổn thất áp suất khi vào tháp
có thể bỏ qua và trạng thái nạp liệu là lỏng bão hòa.
Các thông số đầu vào của Shortcut:

Kết quả:


SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Ta có đĩa nạp liệu ứng với 20 đĩa lý thuyết là đĩa số 9.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

d) Kiểm tra giả thiết

 Nhiệt độ của Condenser nhỏ hơn so với giá trị giả thiết ban đầu, nhưng giá

trị chênh lệch khá nhỏ, chứng tỏ quá trình tách không hoàn toàn lý tưởng,
các cấu tử nặng hơn C3- vẫn bị lẫn vào trong sản phẩm đỉnh. Tương tự,
nhiệt độ của Reboiler cao hơn so với giá trị giả thiết, nhưng chênh lệch
không nhiều, chứng tỏ các cấu tử nhẹ hơn iC4 vẫn bị lẫn trong sản phẩm
đáy.
e) Xây dựng tháp chưng cất, tối ưu đĩa nạp liệu và kiểm tra số đĩa lý thuyết

• Sau khi biết được vị trí đĩa nạp liệu là sô 9, ta thiết lập được tháp chưng với
số đĩa lý thuyết là 20, áp suất và nồng độ tương tự như trên.
• Từ đó, ta dùng optimizer để xác định vị trí đĩa nạp liệu tối ưu sao cho năng
suất của reboiler là tối thiểu:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

•

Có 2 vị trí đĩa nạp liệu (7,8), ta lần lượt cho tháp chạy tương ứng từng đĩa:

•

Vậy đĩa số 8 là đĩa nạp liệu tối ưu.

Kiểm tra giả thiết số đĩa lý thuyết: = 18<20 (phù hợp)

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ


f)

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Xây dựng sơ đồ hoàn chỉnh

Trạng thái dòng nguyên liệu:
Các dữ liệu khác:
HX
Pressure drop

COMPRESSOR
0.4

Pressure Ratio

VALVE
3.5

Pressure drop

1

Giá trị tổn thất qua valve chọn từ 0.7-1.7 bar.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5



BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Kết quả:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Kết luận: Ta thấy các dòng sản phẩm đều đáp ứng tiêu chuẩn đề ra, ta tiếp tục tính
toán các phần sau.
II. Thiết kế chi tiết
a) Thiết kế Sizing và Rating
Mục đích: Thiết kế đĩa cho tháp, bao gồm đoạn chưng và đoạn luyện.

Nguyên tắc:
 Ban đầu, ta thiết kế Sizing, sau đó kiểm tra lại bằng

Rating.
 Cần chú ý đến FF (Flooding Factor), đường kính đĩa, ∆p,
Downcomer Backup, và Downcomer.
 FF khi thiết kế (80-85%), thực tế 70-90%.

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

 Đường kính đĩa chọn dựa vào FF.
 ∆p = 0.003-0.02 bar.
 Downcomer Backup: 30-60.

Thiết kế Sizing:
•

Ta thiết lập các thông số như hình, chọn FF = 85%.

•
•

Sau đó ta chạy lấy kết quả Detail Report.

Đầu tiên, ta xác định chiều rộng Downcomer:

•

Sau đó, ta xác định đường kính theo FF, đồng thời với ∆p và
Downcomer Backup:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

•

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Ta chọn đường kính đoạn chưng: 914.
đường kính đoạn luyện: 1067.

Thiết kế Rating:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ


GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Ta có kết quả:

Vì FF không thỏa, ta cần chia thêm vùng trong tháp: Từ đĩa số 12-19, ta lấy:
D = 1219
Kết quả:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Kết luận: Hệ số FF không thỏa mãn, dù ta đã thử các đường kính có thể, ta
tạm thời chấp nhận kết quả này.
b) Thiết kế HX cho Reboiler

Chuẩn bị:
Gọi T1, T2, F1, p1 là nhiệt độ, lưu lượng và áp suất dòng LPS.
LPS

T1

T2

F1


p1

Gọi t1, t2, F2, p2 là nhiệt độ, lưu lượng và áp suất dòng cần gia nhiệt (19).

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Ta có:
t1 (oC)
101.846

t2 (oC)
106.601

F2 (kg-mol/h)
517.879

p2 (bar)
18.536

Duty của Reboiler là: 1.3936.106 KCal/h.
Tính các thông số cho dòng LPS:
Ta chọn dòng LPS có áp suất p1 = 4 bar, cho 100 kg-mol/h dòng LPS vào bình

Flash (Bubble point), ta có Duty của 100 kg-mol LPS là 0.9231.106 KCal/h.

Từ đó ta tính được lưu lượng dòng hơi nước: F1 =

= 150.97 (kg-mol/h).

Kết quả:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

T1 (oC)
143.613

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

T2 (oC)
-

F1 (kg-mol/h)
150.97

P1 (bar)
4

Để có được LMTD, ta dùng Simple HX như hình sau:


Ta có LMTD = 38.0031 oC.
Tổn thất áp suất giả sử khi vào HX (đã thay đổi trong quá trình lặp):
Dòng
∆p

Hot Side
0.2

Chọn U = 400 kCal.m-2.h-1.C-1, tính được bề mặt truyền nhiệt A =
91.6767(m2).

Cold Side
0

==

Bắt đầu thiết kế chi tiết Rigorous HX:
Thiết lập các thông số như hình vẽ:

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Sau đó ta chạy và xem các kết quả: ∆p, T, U và Ft.

Vì lần đầu nên sẽ không thỏa mãn, ta tiến hành chạy lặp nhiều lần, thay đổi các
thông số: Số Passes, Baffles nếu ∆p, U không thỏa, A nếu U, T không thỏa.
Ta cũng có thể thay đổi lưu lượng và áp suất dòng hơi nước (<5%).
Chú ý khi thay đổi lưu lượng hay ∆p thì LMTD sẽ thay đổi.

Kết quả:
SHELL SIDE CONDITIONS:
TEMPERATURE, C
PRESSURE, BAR

INLET
101.846
18.536

OUTLET
106.565
18.522

INLET

OUTLET

TUBE SIDE CONDITIONS

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5


BÀI TẬP THIẾT BỊ DẦU KHÍ


TEMPERATURE, C
PRESSURE, BAR

GVHD: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

143.613
4

134.235
3.807

REQUIREMENTS:

Nhận xét: U có sai số: = 1.625%
Giá trị thiết lập
So sánh

Dòng
∆p

A
Cao hơn

U
Sai số 1.625%

Ft
Cao hơn 0.8


Hot Side
0.193

T
Nhỏ hơn 0.01

Cold Side
0.014

Kết luận: Ta bỏ qua sự chênh lệch nhiệt độ (0.01), tuy tổn thất áp suất dòng
nóng <0.2 nhưng khi vận hành thực tế sẽ có một lượng tổn thất nữa, nên ta
chấp nhận kết quả thiết kế này.
c) Thiết kế Rigorous HX gia nhiệt cho dòng nguyên liệu

Nguyên tắc: Sau khi xác định các thông số đầu vào (T, p, F,…), dùng Simple
HX xác định LMTD, chú ý ∆p Shell của thiết bị AES cao hơn Kettle. Sau đó

SVTH: TRƯƠNG NGUYÊN QUÂN

LỚP: 13H5