Thiết kế phân xưởng sản xuất NH3 từ khí tự nhiên

ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % N2 H2 NH3 570,357 1068,638 25000,000 2,141 4,012 93,847 89,212 2351,334 6217,615 1,006 26,382 72,612 Tổng cộng 26638,995 100,000 8657,615 100,000 Bảng VII.21. Cân bằng vật chất của tháp tách NH3. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % N2 H2 NH3 570,357 1068,638 25000,000 2,141 4,012 93,847 449,550 11780,641 32877,428 1,006 26,382 72,612 Tổng cộng 26638,995 100,000 45107,619 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - NH3 sản phẩm - Khí tuần hoàn N2 H2 25000,000 570,357 1068,638 93,847 2,141 4,012 29359,383 402,762 10549,808 72,612 1,006 26,382 Tổng cộng 26638,995 100,000 40311,952 100,000 Bảng VII.22. Cân bằng vật chất cho toàn bộ hệ thống. Dòng vào Tên nguyên liệu Kg/h % m3/h % - Khí tự nhiên - Hơi nước - Không khí 13721,853 38003,531 27100,167 17,408 48,212 34,380 18917,300 47293,250 21043,226 21,681 54,202 24,117 Tổng cộng 78825,551 100,000 87253,776 100,000 Dòng ra Tên sản phẩm Kg/h % m3/h % - Nước ngưng tụ - CO2 bị hấp thụ - CH4 - NH3 sản phẩm - khí tuần hoàn 16866,097 34522,370 797,175 25000,157 1638,995 21,397 43,796 1,011 31,716 2,080 20988,934 17575,117 1116,121 32941,451 12425,072 24,679 20,665 1,312 38,733 14,611 Tổng cộng 78824,794 100,000 85046,695 100,000 B. CÂN BằNG NHIệT LƯợNG. Bảng VII.23. Nhiệt dung đẳng áp của các cấu tử phụ thuộc vào nhiệt độ. Cấu tử Cp (Kcal/mol.K) CH4 C2H6 H2 N2 O2 CO CO2 H2O (h) NH3 (k) 6,73 + 10,2.10-3.T - 1,118.105.T-2 3,89 + 29,6.10-3.T 6,95 - 0,2.10-3.T + 0,48.10-6.T2 6,66 + 1,02.10-3.T 7,52 + 0,81.10-3 - 0,9.105.T-2 6,342 + 1,836.10-3.T 10,55 + 2,16.10-3.T - 2,04.105.T-2 7,2 + 2,7.10-3.T 7,12 + 6,09.10-3.T - 0,398.105.T-2 VII.6. Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chuyển hóa khí tự nhiên thành khí tổng hợp. VII.6.1. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming sơ cấp: a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi-khí tự nhiên mang vào. Kcal/h. Trong đó: G1: Khối lượng hỗn hợp hơi - khí tự nhiên, kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi - khí tự nhiên, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ hỗn hợp hơi - khí mang vào, 0C. Với G1 = 129775,419 kg/h. TV = 773 K. * Tính C1: Bảng VII.24. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 773 K (500 0C). Cấu tử Cp (Kcal/mol.K) Cp (Kcal/kg.K) CH4 C2H6 N2 H2O 14,428 26,771 7,449 9,287 0,902 0,893 0,260 0,516 C1 = Cpi.mi Với: Cpi - tỉ nhiệt của các cấu tử, Kcal/kg.K mi - % khối lượng của các cẩu tử (theo bảng 10). Vậy: Kcal/kg.K Kcal/h. Nhiệt do đốt cháy x (kg/h) khí tự nhiên toả ra: Trong đó: Q: nhiệt cháy thấp của khí đốt cháy với không khí trong đèn đốt, Kcal/kg Với lần lượt là lượng CH4, C2H6 trong hỗn hợp khí tự nhiên, m3/h. Suy ra: Kcal/kg Vậy Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: (Q3) Hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xác định bằng chênh lệch nhiệt tạo thành các hợp chất ở thời điểm cuối và của hỗn hợp ban đầu. Bảng VII.25. Nhiệt tạo thành của các cấu tử ở điều kiện chuẩn. Cấu tử Kcal/mol Kcal/m3 Kcal/kg H2O CO2 CO CH4 C2H6 H2 N2 O2 NH3 57798,000 94052,000 26416,000 17889,000 20236,000 0,000 0,000 0,000 2580,268 4198,750 1179,286 798,616 903,393 0,000 0,000 0,000 3211,000 2137,545 943,429 1118,063 1190,353 0,000 0,000 0,000 Kcal/h. Giá trị Q3 âm chứng tỏ phản ứng thu nhiệt. Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang ra (Q4) Trong đó: G4: Lượng hỗn hợp hơi khí mang ra, G4 = 51725,572 kg/h. C4: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí mang ra, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ hỗn hợp hơi khí mang ra, K Tr = 1123 K (850 0C) * Tính C4: Bảng VII.26. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1123 K (850 0C) Cấu tử Cp (Kcal/mol.K) Cp (Kcal/kg.K) CO2 CO H2O CH4 N2 H2 12,814 8,404 10,232 18,096 7,805 7,331 0,291 0,300 0,568 1,131 0,279 3,666 Kcal/kg.K Kcal/h Nhiệt do khói lò mang ra (Q5) Trong đó: Gk: khối lượng của khói lò, kg/h . x: lượng sản phẩm cháy, kg/h. Ck: tỉ nhiệt của khói lò, Kcal/kg.K Tk: nhiệt độ khói lò, K Các phản ứng cháy của hyđrô cacbon: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O C2H6 + 3,5O2 2CO2 + 3H2O +.Tiêu hao lý thuyết của O2, không khí khi đốt cháy khí, m3/m3 Tiêu hao, m3/m3 Lượng sản phẩm cháy Cấu tử O2 Không khí CO2 H2O N2 CH4 C2H6 2 3,5 9,52 16,66 1 2 2 3 7,52 13,16 +. Tiêu hao thực tế x sản phẩm cháy tạo thành khi đốt cháy 1m3 khí. Cấu tử CO2 H2O N2 CH4 C2H6 0,98 0,008 1,96 0,016 7,373 0,105 0,016 Tổng 0,988 1,976 7,494 Tổng cọng 10,458 %V 9,447 18,895 71,658 Đổi đơn vị ra khối lượng: Cấu tử m3/h %V Kg/h % m CO2 H2O N2 0,988 1,976 7,494 9,447 18,895 71,658 1,941 1,588 9,368 15,050 12,313 72,637 Tổng cộng 10,458 100,000 12,897 100,000 Bảng VII.27. Tỉ nhiệt của các cấu tử sản phẩm cháy ở nhiệt độ khói lò Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 H2O N2 13,638 11,177 8,162 0,310 0,621 0,292 Tỉ nhiệt của khói lò: Kcal/kg.K Vậy Kcal/h. Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (Q6) Phương trình cân bằng nhiệt: Hay Giải ra ta có: kg/h. Bảng VII.28. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming sơ cấp. Nhiệt vào Kcal/h Nhiệt ra Kcal/h Q1 Q2 129775,419 1215870,452 Q3 Q4 Q5 Q6 134318,790 227225,799 916818,931 67282,351 Tổng cộng 1345645,871 Tổng cộng 1345645,291 VII.6.2. Cân bằng nhiệt ở thiết bị reforming thứ cấp: a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang vào (Q1) Trong đó: G1: khối lượng hỗn hợp hơi - khí mang vào, kg/h. G1 = 273,430 kg/h. C1 : Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K C1 = 0,740 Kcal/kg.K Tv : nhiệt độ vào của hỗn hợp, K Tv = 1123 K Kcal/h. Nhiệt do không khí mang vào (Q2) Kcal/h. Trong đó: G2: lượng không khí cấp vào thiết bị, kg/h. G2 = 143,256 kg/h (79% N2 và 21% O2) Tv: Nhiệt độ đầu không khí vào, Tv = 966 K (6930C). C1: Tỉ nhiệt trung bình cua không khí, Kcal/kg.K * Tính C1: Bảng VII.29. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 693 K. Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) N2 O2 7,645 8,206 0,273 0,250 Suy ra: Kcal/kg.K Vậy Kcal/h. Hiệu ứng nhiệt (Q3) Kcal/h. Kcal/h. b.Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang ra (Q4) Kcal/h. Trong đó: G4: Khối lượng hỗn hợp đi ra, G4 = 416,680 kg/h. C4: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi - khí , Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ khí ra, Tr = 1273 K (1000 0C) * Tính C1: Bảng VII.30. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 1273 K (1000 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 13,174 8,679 7,473 19,646 7,958 10,637 0,299 0,310 3,736 1,228 0,284 0,591 Suy ra: Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (Q5) Kcal/h. Bảng VII.31. Cân bằng nhiệt ở thiết bị reforming thứ cấp Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 Q3 227225,799 37087,259 54739,926 Q4 Q5 316668,883 2384,101 Tổng cộng 314284,782 Tổng cộng 314284,782 VII.7. Cân bằng nhiệt ở hệ thống chuyển hóa và tinh chế khí tổng hợp: VII.7.1. Cân bằng nhiệt ở thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao. a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang vào (Q1) Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp khí mang vào, G1 = 416,680 kg/h. TV: nhiệt độ đầu vào, TV = 593 K (320 0C) C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp khí, Kcal/kg.K * Tính C1: Bảng VII.32. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 11,251 7,431 7,000 12,461 7,265 8,801 0,256 0,265 3,500 0,779 0,259 0,489 Suy ra: Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt phản ứng (Q2) Kcal/h. Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp khí mang ra. Kcal/h. Trong đó: G3: Lượng hỗn hợp khí mang ra, G1 = 416,680 kg/h. Tr: nhiệt độ đầu ra, Tr = 693 K (420 0C) C3: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp khí, Kcal/kg.K Tính C3: Bảng VII.33. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 593 K (320 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 11,616 7,616 7,042 13,568 7,634 9,072 0,264 0,272 3,521 0,848 0,263 0,504 Cp(Kcal/kg.K) Vậy Kcal/h. Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh. Kcal/h. Bảng VII.34. Cân bằng nhiệt ở thiết bị chuyển hoá CO nhiệt độ cao. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 129969,992 27940,771 Q3 Q4 156796,644 1114,119 Tổng cộng 157910,763 Tổng cộng 157910,763 VII.7.2. Cân bằng nhiệt ở thiết bị chuyên hoá CO nhiệt độ thấp: a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang vào (Q1): Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 416,681 kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 473 K (200 0C). * Tính C1: Bảng VII.35. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 473 K (200 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 10,660 7,210 6,963 11,055 7,142 8,177 0,242 0,258 3,482 0,691 0,255 0,471 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt phản ứng (Q2): Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang ra (Q3): Kcal/h. Trong đó: G3: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 416,681 kg/h. C3: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 493 K (220 0C). * Tính C3: Bảng VII.36. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 493 K (220 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 CH4 N2 H2O 10,776 7,247 6,968 11,299 7,163 8,531 0,245 0,259 3,484 0,706 0,256 0,474 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát (Q4): Kcal/h. Bảng VII.37. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hoá nhiệt độ thấp. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 102683,949 12775,917 Q3 Q4 108874,578 6585,288 Tổng cộng 115459,866 Tổng cộng 115459,866 VII.7.3. Cân bằng nhiệt ở thiết bị tách CO2: a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang vào (Q1): Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp hơi - khí mang vào, G1 = 330,505 kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi - khí, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 298 K (25 0C). * Tính C1: Bảng VII.38. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 298 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 N2 CH4 8,807 6,880 6,933 6,959 8,416 0,200 0,246 3,466 0,249 0,526 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang ra (Q3): Kcal/h. Trong đó: G2: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 148,014 kg/h. C2: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 298 K (25 0C). * Tính C2: Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát (Q3): Kcal/h. Nhiệt hấp thụ Q4: Kcal/h. Bảng VII.39. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị tách CO2. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 50722,602 Q2 Q3 Q4 39829,679 1521,678 9375,245 Tổng cộng 50722,602 Tổng cộng 50722,602 VII.7.4. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị mêtan hoá: a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang vào (Q1): Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 148,014 kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 563 K (290 0C). * Tính C1: Bảng VII.40. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 298 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) CO2 CO H2 N2 CH4 11,122 7,376 6,990 7,234 12,120 0,253 0,263 3,495 0,258 0,757 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt phản ứng (Q2): Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang ra (Q3): Kcal/h. Trong đó: G3: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 148,014 kg/h. C3: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ ra của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 603 K (330 0C). * Tính C3: Bảng VII.41. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 293 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) H2 CH4 N2 H2O 7,004 12,573 7,275 8,828 3,502 0,786 0,260 0,490 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát (Q4) Kcal/h. Bảng VII.42. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị mêtan hoá. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 76582,000 7916,183 Q3 Q4 81576,732 2921,451 Tổng cộng 84498,183 Tổng cộng 84498,183 VII.8. Cân bằng nhiệt ở hệ thống tổng hợp NH3 VII.8.1. Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3. a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang vào (Q1): Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 140,818 kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 673 K (400 0C). * Tính C1: Bảng VII.43. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 293 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) H2 N2 7,033 7,346 3,516 0,262 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt phản ứng (Q2): Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi khí mang ra (Q3): Kcal/h. Trong đó: G3: Lượng hỗn hợp hơi - khí mang vào, G1 = 140,819 kg/h. C3: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 803 K (530 0C). * Tính C3: Bảng VII.44. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 293 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) H2 N2 NH3 7,099 7,479 11,949 3,549 0,267 0,703 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát (Q4) Kcal/h. Kcal/h. Bảng VII.45. Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 88231,349 8582,278 Q3 Q4 91366,747 5446,880 Tổng cộng 96813,627 Tổng cộng 96813,627 VII.8.2. Cân bằng nhiệt ở tháp tách NH3. a. Lượng nhiệt mang vào: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang vào (Q1): Kcal/h. Trong đó: G1: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 140,819 kg/h. C1: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K TV: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tv = 268 K (-5 0C). * Tính C1: Bảng VII.46. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 293 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) H2 N2 NH3 6,931 6,933 7,906 3,465 0,248 0,465 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. b. Lượng nhiệt mang ra: Nhiệt do hỗn hợp hơi - khí mang ra (Q2): Kcal/h. Trong đó: G2: Lượng hỗn hợp hơi khí mang vào, G1 = 140,819 kg/h. C2: Tỉ nhiệt trung bình của hỗn hợp hơi khí, Kcal/kg.K Tr: Nhiệt độ vào của hỗn hợp hơi - khí, Tr = 240 K (-33 0C). * Tính C1: Bảng VII.57. Tỉ nhiệt của các cấu tử ở 293 K (25 0C). Cấu tử Cp(Kcal/mol.K) Cp(Kcal/kg.K) H2 N2 NH3 6,930 6,905 8,211 3,465 0,247 0,483 Kcal/kg.K Vậy: Kcal/h. Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (Q3) Kcal/h. Bảng VII.48. Cân bằng nhiệt ở thiết bị tách NH3. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 21926,645 Q2 Q3 20176,546 1750,099 Tổng cọng 21926,645 Tổng cọng 21926,645 VII.9. Hiệu chỉnh cân bằng nhiệt lượng theo năng suất: Bảng VII.52. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming sơ cấp Nhiệt vào Kcal/h Nhiệt ra Kcal/h Q1 Q2 24550005,338 230009861,016 Q3 Q4 Q5 Q6 25409488,461 42984986,074 173437387,634 12728004,186 Tổng cộng 25455986,355 Tổng cộng 25455986,355 Bảng VII.53. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị reforming thứ cấp Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 Q3 42984986,074 7015908,047 1035516,021 Q4 Q5 59905202,973 451007,349 Tổng cộng 60356210,142 Tổng cộng 60356210,142 Bảng VII.54. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 24586813,297 5285639,472 Q3 Q4 29661691,535 210761,234 Tổng cộng 29872452,769 Tổng cộng 29872452,769 Bảng VII.55. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 19425030,684 2416858,547 Q3 Q4 20596130,544 1245758,687 Tổng cộng 21841889,231 Tổng cộng 12841889,231 Bảng VII.56. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị tách CO2. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 9434351,106 Q2 Q3 Q4 7408412,889 283030,616 1742907,601 Tổng cộng 9434351,106 Tổng cộng 9434351,106 Bảng VII.57. Cân bằng nhiệt lượng ở thiết bị mêtan hóa Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 14487246,686 1497528,087 Q3 Q4 15432115,123 552659,650 Tổng cộng 15984774,773 Tổng cộng 15984774,773 Bảng VII.58. Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 Q2 315484458,314 307129038,767 Q3 Q4 3269689141,112 194924355,968 Tổng cộng 3464613497,080 Tổng cộng 3464613497,080 Bảng VII.59. Cân bằng nhiệt lượng ở tháp tổng hợp NH3. Nhiệt vào Nhiệt ra Tên gọi Kcal/h Tên gọi Kcal/h Q1 784676213,389 Q2 Q3 722046428,492 62629784,897 Tổng cộng 784676213,389 Tổng cộng 784676213,389 Chương VIII. Tính toán thiết kế thiết bị VIII.1. Tính tháp tổng hợp NH3. Chọn tháp tổng hợp loại có 2 lớp xúc tác, có trao đổi nhiệt ở đỉnh tháp. Các kích thước cơ bản của tháp như sau: Đường kính trong tháp: 1200 mm Đường kính trong của giỏ xúc tác: 1050 mm. Đường kính ngoài của giỏ xúc tác: 1100 mm. Đường kính thiết bị trao đổi nhiệt: 400 mm. Đường kính trong ống trung tâm: 120 mm VIII.1.1. Tính chiều dày thân tháp tổng hợp. Thiết bị làm việc ở áp suất 150 atm và nhiệt độ trung bình 500 0C. Chiều dày thân tháp hình trụ làm việc chịu áp suất trong Pt được tính như sau: m Trong đó: Dt: Đường kính trong của tháp, m. Chọn Dt = 1,2 m j: Hệ số bền hàn thành hình trụ theo phương dọc. Thiết bị hàn bằng tay bằng hồ quang điện, chọn j = 0,95 Pt: áp suất trong thiết bị, Pt = 150 atm (15.106 N/m2). C: Đại lượng bổ sung phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng này tính theo công thức: m. Trong đó: C1: Hệ số bổ sung độ ăn mòn, với thép CT3 vận tốc gỉ là 0,06 mm/năm, thời gian làm việc từ 15 ¸ 20 năm. Ta có thể lấy C1 = 1 mm. C2: Hệ số bổ sung do bào mòn. ở đây xem độ bào mòn rất nhỏ có thể bỏ qua, nên C2 = 0. C3: Hệ số bổ sung do dung sai âm của chiếu dày. Chọn C3 = 0,6 mm. Như vậy: C = 1 + 0 + 0,6 = 1,6 mm. [sk]: ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền kéo, xác định theo công thức: N/m2 Trong đó: sk: ứng suất giới hạn bền kéo. ở đây chọn thép CT3 nên sk = 380.106 N/m2. hk: Hệ số an toàn theo giới hạn bền. Chọn hk = 2,6 h: Hệ số điều chỉnh, chọn h = 1 [sc]: ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền chảy, xác định theo công thức: N/m2 Trong đó: sc: ứng suất giới hạn bền kéo. ở đây chọn thép CT3 nên sc = 240.106 N/m2. hc: Hệ số an toàn theo giới hạn bền. Chọn hc = 1,5 h: Hệ số điều chỉnh, chọn h = 1 Thay số: N/m2 N/m2 ứng suất cho phép của vật liệu: N/m2 Vậy chiều dày thân tháp: m. Chọn S = 80 mm. Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử. N/m2 Trong đó: Po: áp suất thử tính toán, được xác đinh theo công thức: N/m2 Với: : áp suất thử thuỷ lực, N/m2 N/m2 : áp suất thuỷ tĩnh của nước, N/m2 N/m2 N/m2. Thay các giá trị vào công thức kiểm tra ứng suất: N/m2 Ta thấy: N/m2 , cho nên thoả mãn điều kiện bền trên. Do đó ta chọn S = 80 mm. VIII.1.2. Tính nắp, đáy thiết bị: Với thiết bị hình trụ hàn đặt thẳng đứng làm việc ở áp suất cao, chọn đáy bán cầu. Chiều dày đáy bán cầu xác định theo công thức: Đáy có lỗ (đường kính lỗ dt = 200 ,mm) hàn từ hai nửa tấm. Vật liệu chế tạo là thép CT3 có [ú] = 146.106 (N/m2). ,(m) Trong đó: Dt : Đường kính trong của thiết bị phản ứng (m) P : áp suất làm việc, N/m : Hệ số bền hàn của mối hàn hướng tâm C : Hệ số bổ sung : giới hạn bền khi kéo. k : Hệ số không thứ nguyên và được tính theo công thức: áp suất làm việc P = 15.106 (N/m2) Vì Nên đại lượng P ở mẫu số của công thức tính chiều dày đáy không thể bỏ qua được. Do đó chiều dày tính theo công thức:Vì Dt = 2.hb nên ,m ,m Chọn: C1 = 1(mm) C2 = 0(mm) C3 = 0,22(mm) Vậy S = 0,042.103 + 1,220 = 46,150 (mm) Chiều dày quy chuẩn S =50 (mm) Theo tính toán ở trên, chiều dày thân thiết bị là 80mm. Để đảm bảo cho tháp làm việc an toàn ta chọn chiều dày nắp là 160 mm. VIII.1.3. Đường kính ống dẫn nguyên liệu vào, ra: * Đường kính ống dẫn được tính theo công thức [V-369] (m) Trong đó: Tốc độ trung bình của khí đi trong ống, (m/s). Giá trị w thường lấy w = 20 m/s. V: Lưu lượng thể tích, (m3/s). Theo bảng VII.20. ta có V =1286,832 m3/h. Do vậy: m. Qui chuẩn d = 50 mm. * Chọn đường kính ống dẫn sản phẩm ra: Chọn d = 50 mm. VIII.1.4. Tính số ống của thiết bị trao đổi nhiệt đỉnh tháp. Ta có: n =3.a.(a +1) + 1 Trong đó: n : là tổng số ống. a : là số hình 6 cạnh. b : là số ống trên đường xuyên tâm, b = 2.a + 1. Đường kính phần trao đổi nhiệt tính theo công thức: ,m Với d: là đường kính ngoài của ống, Chọn ống truyền nhiệt có d = 40 mm. ( dtrong= 30 mm) t: bước ống, chọn t =1,4.d. D = 0,4 m Suy ra: b = 5,286 (ống) Qui chuẩn b = 7 (ống) Suy ra: a = 3 (ống) Vậy n = 37 (ống). VIII.1.5. Tính chiều cao của tháp tổng hợp: 5.1. Thể tích từng lớp xúc tác: Giả thiết: Nồng độ NH3 vào tháp là 3,5% và nồng độ NH3 ra khỏi tháp là 17,3% và nồng độ NH3 ra khỏi lớp xúc tác thứ nhất là 10%. Ta có lượng hỗn hợp khí vào tháp theo bảng là: 1286,832 m3/h. + Năng suất riêng của tháp tính bằng kg NH3/m3 xúc tác.h, tính theo công thức: Trong đó: * g: Năng suất riêng của tháp. * V: Tốc độ không gian, h-1 Trong công nghiêp thường duy trì tốc độ không gian khoảng 20000 đến 50000 m3/m3.h, chọn V = 25000 m3/m3.h * a: Phần NH3 tạo thành tính theo công thức: Với y0: nồng độ NH3 vào tháp, % y1: nồng độ NH3 ra khỏi tháp, % * d: Độ giảm thể tích hỗn hợp khí do phản ứng, xác định theo công thức: + Thể tích lớp xúc tác tính theo công thức: m3 G là lượng NH3 tạo thành qua quá trình, kg/h. *Với lớp xúc tác thứ nhất: Suy ra: kg NH3/m3 xúc tác.h + Lượng NH3 tạo thành qua lớp xúc tác thứ nhất: kg/h. + Thể tích lớp xúc tác thứ nhất: m3 * Với lớp xúc tác thứ 2: Suy ra: kg NH3/m3 xúc tác.h Lượng NH3 tạo thành: kg/h. Vậy thể tích lớp xúc tác thứ 2: m3 5.2. Chiều cao từng lớp xúc tác: + Diện tích mặt cắt ngang lớp xúc tác thứ nhất: Với R: Bán kính trong giỏ xúc tác, R = 525 mm r1: Bán kính ngoài của thiết bị trao đổi nhiệt, r = 225 mm. Vậy: m2. + Diện tích mặt cắt ngang của lớp xúc tác thứ hai: Với r2: bán kính ngoài ống trung tâm, r2 = 65 mm. Vậy: m2 + Chiều cao lớp xúc tác thứ nhất: m. + Chiều cao lớp xúc tác thứ hai: m. 5.3. Chiều cao toàn tháp: m. Trong đó: hxt1: Chiều cao lớp xúc tác thứ nhất, m. Chọn chiều cao của lớp xúc tác thứ nhất: 2,5 m. hxt2: chiều cao của lớp xúc tác thứ hai, m. Chọn chiều cao của lớp xúc tác thứ hai: 3 m. l1: Khoảng cách giữa hai lớp xúc tác, chọn l = 0,2 m. l2: Khoảng cách giữa giỏ xúc tác và nắp, chọn l2 = 0,2 m. hđ: Chiều cao đáy, hđ = 1,2 m. hn: Chiều cao nắp, hn = 0,16 m. Vậy m. VIII.2. Tính toán thiết kế lò Reforming hơi nước: VIII.2.1. Tính đường kính ống dẫn khí vào. Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào tính theo công thức: Trong đó: Vkhí : Lưu lượng thể tích hỗn hợp khí vào, (m3/h) Theo bảng VII.14. Vkhí = 4605,767 m3/h Wtb : Tốc độ trung bình của khí, (m/s) Vì hỗn hợp khí đi vào được nén nên chọn Wtb = 15 ữ 25 (m/s). Ta chọn Wtb =20(m/s) Thay số vào công thức ta được: ,m Quy chuẩn theo bảng XIII-26 [V-416] ta có dống =300 mm chọn bích có kích thước như sau. Dy = 300(mm) Dn = 325(mm) Dú = 585(mm) DI = 500(mm) D = 445(mm) Bulông: db = M42 Z = 8(cái) h = 36(mm) VIII.2.2. Tính các thông số của ống Reforming. VIII.2.2.1. Tính số ống của thiết bị. Quá trình Reforming sơ cấp chuyển hoá khoảng 35% lượng khí tự nhiên nên ta có lượng khí thực tế cần chuyển hoá là : m3/h. Ta chọn cách bố trí ống xúc tác như trong thiết bị truyền nhiệt theo kiểu hình 6 cạnh, ống đứng. Đường kính ống phản ứng ( 75150 ,mm), ta chọn 100 ,mm Chiều cao ống lò (1012) ,m ta chọn 10 (m) Tổng số ống trong lò: n =3.a.(a +1) + 1 Trong đó: n : là tổng số ống. a : là số ống trên một cạnh. b : là số ống trên đường xuyên tâm, b = 2.a + 1. Vì chỉ chuyển hoá một phần khí tự nhiên vào nên chọn số ống trong khoảng 100200 ống. Tra sổ tay [V-48] ta được : b =13 a = 7. Từ đó, ta có: (ống). Lượng khí chuyển hoá trong một ống là: ,m3/h Ta dùng xúc tác Ni tẩm trên chất mang dưới dạng vòng Raschig vách dày với đường kính và chiều cao 16 (mm), lỗ giữa 68 (mm).Từ đó dựa vào sổ tay ta chọn xúc tác có khối lượng riêng xốp [V-193] ,Kg/m3 Khối lượng xúc tác : Trong đó: dong: Đường kính ống phản ứng ,m H: Chiều cao ống phản ứng ,m 0,3: Khoảng chừa ra để hàn giá đỡ xúc tác (m) mxt: Khối lượng xúc tác cần trong mỗi ống (kg) ,kg Hệ số tỷ lệ giữa lưu lượng khí nguyên liệu trên mxt là: Do thiết bị làm việc ở áp suất P=4 MPa, nhiệt độ t =1000 0C và chịu sự ăn mòn của các oxit axit nên chọn vật liệu làm ống là CT3 ứng với chiều dày trong khoảng 1118 (mm), chọn 15 (mm). Đường kính thiết bị Reforming xác định theo công thức: ,m Với: d: là đường kính ngoài của ống reforming dong=0,13 (m). t: bước ống, chọn t =1,4.d. ,m Quy chuẩn theo bảng XIII-6 [V-359], Dt = 3 ,m VIII.2.2.2. Tính chiều dày thân thiết bị: Thiết bị làm việc ở áp suất 40 atm và nhiệt độ trung bình 1000 0C. Chiều dày thân tháp hình trụ làm việc chịu áp suất trong Pt được tính như sau: m Tính toán tương tự như ở thiết bị tổng hợp NH3 ta tính được S = 50 mm. VIII.2.23. Chọn đáy và nắp cho thiết bị. Nắp và đáy thiết bị dạng elip có cùng một kích thước, có chiều dàyđược chọn theo đường kính trong của thiết bị. Nắp và đáy đều có lỗ đường kính 350(mm), hàn từ hai nửa tấm, có , , P=4.106(N/m2). t D b h h Theo bảng XIII-10 [V-382] có hb=1000 (mm) Chọn đáy và nắp thiết bị có kích thước như sau: Dt = 4000 (mm) S = 60 (mm) hb = 1000 (mm) h = 60 (mm) VIII.3. Tính toán thiết kế lò Reforming tự nhiệt: VIII.3.1.Tính đường kính ống dẫn nguyên liệu vào: Đường kính ống dẫn được tính theo công thức [V-369] (m) Trong đó: Tốc độ trung bình của khí đi trong ống, (m/s). Giá trị w thường lấy w = 25 m/s. V: Lưu lượng thể tích, (m3/s). Theo bảng VII.15. ta có V = 10963,848 m3/h. Do vậy: m. Qui chuẩn d = 400 mm. VIII.3.2. Đường kính ống dẫn sản phẩm ra: Chọn d = 400 mm. VIII.3.3. Tính đường kính trung bình của lò: Vì thời gian lưu của tác nhân trong thiết bị rất ngắn ( bé hơn 10s ) nên chọn: Từ đó suy ra thể tích không gian trống của lò là: ,m3 Lượng khí chuyển hoá của lò này là: ,m3/h Suy ra lượng chất xúc tác cần ở đây là: Ta có: Tổng thể tích lò: ,m3 Chọn chiều cao của lò 10 (m) Vậy đường kính trung bình của lò là: ,m Ta chọn được đường kính của lò là D = 3200 ,(mm) Chiều cao của lớp xúc tác sẽ là: phần III. XÂYdựNG VIII.1. Chọn địa điểm xây dựng: Địa điểm xây dựng của các nhà máy nói chung và của một nhà máy hoá chất nói riêng có ảnh hưởng lớn đến sự hoạt động của nó. Chính vì vậy việc chọn địa điểm xây dựng cho một nhà máy là rất quan trọng. VIII.1.1. Các yêu cầu chung. Nhà máy muốn hoạt động được cần phải có đủ nguyên vật liệu, năng lượng, ...do đó yêu cầu đầu tiên đối với địa điểm xây dựng là phải gần nơi có nguyên liệu hoặc phải thuận tiện cho việc cung cấp nguyên liệu, năng lượng, nước, ... Thứ hai là phải chú ý đến khả năng cung ứng nhân công trong quá trình xây dựng nhà máy cũng như vận hành của nhà máy sau này. Do vậy trong quá trình thiết kế, cần chú ý xác định số công nhân của nhà máy và khả năng cung cấp nhân công ở địa phương, ngoài ra cần tính đến khả năng cung cấp nhân công ở các địa phương lân cận trong quá trình đô thị hoá. Tiếp đến phải thuận tiện trong việc giao thông vận chuyển nguyên liệu sản phẩm, đảm bảo mối liên hệ tốt với các nhà máy có liên quan. Có như vậy mới đảm bảo hoạt động liên tục của nhà máy. Địa điểm xây dựng phải gần nguồn cung cấp vật liệu xây dựng. Cần nghiên cứu khả năng cung cấp nguyên vật liệu xây dựng của địa phương để chọn phương án thiết kế nhà máy cho thích hợp, đở phải vận chưyển vật liệu xây dựng từ xa đến, tiết kiệm được vốn đần tư xây dựng cơ bản. Bên cạnh đó địa điểm xây dựng cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: VIII.1.2. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng: *Về địa hình: - Khu đất phải cao ráo, tránh ngập lụt trong mùa mưa lũ, có mức nước ngầm thấp tạo điều kiện thuận lợi cho việc tháo nước thải và nước mưa dễ dàng. - Khu đất phải tương đối bằng phẳng, có độ dốc thoát nước tốt nhất là I = 0,5 ¸ 1% để hạn chế tối đa kinh phí cho việc san lấp mặt bằng. * Về địa chất: - Khu đất không được nằm trên vùng có mỏ khoáng sản hoặc địa chất không ổn định (như hiện tượng động đất, xói mòn đất, hiện tượng cát chảy...) - Cường độ khu đất xây dựng là 1,5 ¸ 2,5 kg/cm3. Nên xây dựng trên đất sét, sét pha cát, đất đá ong, đất đồi, ... để giảm tối đa chi phí gia công nền móng của các hạng mục công trình nhất là các hạng mục công trình tải trọng bản thân và tải trọng động lớn. VIII.1.3. Các yêu cầu về môi trường và vệ sinh công nghiệp. Khi địa điểm xây dựng nhà máy được chọn, cần xét đến mối quan hệ mật thiết giữa khu dân cư đô thị và khu công nghiệp. Bởi vì, trong quá trình sản xuất của nhà máy không tránh khỏi việc thải ra các chất độc hại như: khí độc, nước bẩn, khói bụi, tiếng ồn, ... hoặc các yếu tố bất lợi khác như: hiện tượng dễ cháy nổ, ô nhiễm moi trường, ... Địa điểm xây dựng nhà máy phải thoả mãn các yêu cầu quy phạm, quy định về bảo vệ môi trường, vệ sinh công nghiệp. Chú ý khoảng cách bảo vệ, vệ sinh công nghiệp. Tuyệt đối không được xây dựng các công trình công cộng hoặc công viên. Phải trồng cây xanh để hạn chế tác hại do khu công nghiệp gây nên. Vị trí xây dựng nhà máy thường cuối hướng gió chủ đạo, nguồn nước thải của nhà máy phải được xử lý. Ngoài ra địa điểm xây dựng cần phải gần nơi tiêu thụ sản phẩm, thuận lợi cho việc cung cấp nhân công và đảm bảo về mặt an ninh quốc phòng. Tóm lại, chọn địa điểm xây dựng nhà máy là một công tác quan trọng phức tạp đòi hỏi tổng hợp các kiến thức chung của nhiều ngành. Công tác chọn địa điểm xây dựng cần có sự tham gia của các kiến trúc sư, kĩ sư xây dựng, địa chất, kinh tế, kĩ sư công nghệ và các ngành có liên quan. Trên cơ sở những yêu cầu đặt ra em chọn địa điểm xây dựng phân xưởng sản xuất NH3 tại khu công nghiệp Dinh Cố (Bà rịa – Vũng Tàu ). Đây là một khu công nghiệp lớn, vấn đề giao thông khá thuận tiện, gần vùng nguyên liệu khí tự nhiên. VIII.2. Nguyên tắc thiết kế mặt bằng nhà máy: Trong bản đò án này thiết kế mặt bằng nhà máy theo nguyên tắc phân vùng. VIII.2.1. Vùng cạnh nhà máy Nơi bố trí các nhà hành chính quản lý, nhà phục vụ sinh hoạt, cổng ra vào, nhà gữi xe, ... Đối với các nhà máy có quy mô nhỏ mức độ hợp khối lớn. Vùng trước nhà máy hầu như dành riêng cho các bãi đỗ xe, bản tin, và cây xanh cảnh quan. Diện tích vùng này có thể chiếm 4 ¸ 20% diện tích toàn nhà máy. VIII.2.2. Vùng sản suất. Nơi bố trí các nhà và dây chuyền sản suất chính của nhà máy như các phân xưởng sản xuất chính, phụ, sản xuất phụ trợ, ... Tuỳ theo đặc điểm sản xuất của nhà máy mà các khu này có thể chiếm từ 22 ¸ 25% diện tích của nhà máy. Đây là vùng quan trong nhất của nhà máy, nên khi bố trí cần chú ý một số điểm sau: - Khu đất được ưu tiên về điều kiện địa hình, địa chất cũng như về hướng. - Các nhà sản xuất chính, phụ, phụ trợ có nhiều công nhân nên bố trí gần phía cổng hoặc gần phía trục giao thông chính của nhà máy và đặc biệt ưu tiên về hướng. - Các phân xưởng trong quá trình sản xuất sẽ gây ra tiếng động xấu như: Tiếng ồn lớn, lượng bụi, nhiệt thải ra hoặc có nhiều sự cố (dễ cháy nổ hoặc rò rỉ hoá chất) nên đặt ở cuối hướng gió và luôn tuân thủ chặt chẽ các qui đinh về an toàn và vệ sinh công nghiệp. VIII.2.3. Các công trình phụ: Là nơi đặt các nhà và các công trình cùng cấp điện , nước, xử lý nước thải và các công trình bảo quản khác. Tuỳ theo mức độ của công nghiệp yêu cầu mà vùng này có diện tích khoảng 14 ¸ 28% diện tích nhà máy. Khi bố trí các công trình này thì cần chú ý: Tận dụng các khu đất không có lợi cho hướng gió hoặc trục giao thông để bố trí các công trình phụ, các công trình thải ra nhiều bụi và chất thải bất lợi đều phải bố trí cuối hướng gió chủ đạo. VIII.2.4. Vùng kho tàng và phục vụ giao thông: Trên đó bố trí các hệ thống kho tàng bến bãi, các cầu bốc dỡ hàng hoá, sân ga, ... Tuỳ theo đặc điểm và qui mô sản xuất, vùng này thường chiếm 23 ¸ 37% diện tích nhà máy, khi bố trí cần chú ý sao cho thuận lợi cho việc đi lại để thao tác xuất nhập nguyên liệu, sản phẩm được dễ dàng. Đồng thời hệ thống kho tàng nên gắn liền với bộ phận sản xuất. Do vậy nên bố trí hệ thống kho tàng ngay trong khu vực sản xuất. III.25. Các hạng mục công trình: TT Tên công trình Kích thước Số lượng Chiều rộng Chiều dài DT ,m2 1 Nhà hành chính 12 24 288 2 tầng 2 Hội trường 12 24 288 1 3 Căn tin 9 12 108 1 4 Nhà để xe đạp, xe máy 9 12 108 1 5 Nhà để ôtô 9 18 162 1 6 Phòng thường trực 5 10 50 1 7 Phòng bảo vệ 4 6 24 1 8 Phòng thí nghiệm 10 15 150 1 9 Phân xưởng cơ khí 10 15 150 1 10 Nhà sản xuất chính 30 50 1500 1 11 Nhà sản xuất phụ trợ 20 30 600 1 12 Nhà sản xuất khí tổng hợp 30 50 1500 1 13 Bể chứa sản phẩm 15 25 375 1 14 Bể chưa nguyên liệu 15 25 375 1 15 Trạm điện 9 12 108 1 16 Bộ phận cứu hoả 9 12 108 1 17 Phân xưởng nước 15 25 375 1 18 Trạm xử lý nước 15 25 375 1 19 Nhà vệ sinh 9 12 108 1 20 ống khói 5 5 25 1 21 Khu đất dự trữ 30 120 3600 1 Tổng cộng 10487 Tổng nhân viên nhà máy khoảng 100 người, trong đó công nhân tực tiếp tham gia sản xuất là50 người. Nhà máy hoạt động liên tục 24/24 h, chia làm 3 ca, mỗi ca hơn 20 người làm việc. Trong đó phân xưởng sản xuất khoảng 15 người. Nhà máy sản xuất NH3 đi từ nguyên liệu khí tự nhiên, năng suất 200.000 tấn/năm. Diện tích tổng mặt bằng nhà máy: 30.000 m2. Diện tích chiếm đất trên mặt bằng của các đường ống kỹ thuật, các khu đất trồng cây xanh và đường đi trong tổng mặt bằng là: 8500 m2. Hệ số xây dựng: . Hệ số sử dụng: %. Phần IV: TíNH TOáN KINH Tế. Tính toán kinh tế là một khâu quan trọng không thể thiếu trong việc thiết kế xây dựng một nhà máy. Đặc biệt trong hoàn cảnh kinh tế nước ta hiện nay cơ sở vật chất còn nhỏ bé, vì vậy, lựa chọn được một phương án thiết kế cho phù hợp là rất cần thiết. Một bản đồ án đưa ra chỉ có thể trở thành hiện thực khi nó vừa đảm bảo về yêu cầu kĩ thuật (sản phẩm làm ra có chất lượng tốt) vừa đảm bảo tính kinh tế. Điều đó có nghĩa là nếu nhà máy đưa vào xây dựng thì phải làm ăn có lãi. Chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật khá quan trọng được chú ý nhiều, đó là thời gian thu hồi vốn đầu tư cho xây dựng nhà máy. Trên cơ sở kết quả của việc tính toán kinh tế có thể đánh giá phương án thiết kế là tốt hay chưa, từ đó mà lựa chọn một phương án tốt nhất, phù hợp nhất với điều kiện thực tế của mình. Đó chính là nhiệm vụ của một kĩ sư công nghệ. Phần tính toán này nhằm xác định một số chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của nhà máy sản xuất NH3. IV.1. Yêu cầu. Để thiết kế và xây dựng nhà máy cần tính toán đảm bảo 3 yêu cầu chính sau: - Đảm bảo yêu cầu kĩ thuật. - Đảm bảo mang lại hiệu quả kinh tế. - Đảm bảo nhu cầu lao động và vệ sinh môi trường. IV.2. Nội dung tính toán: IV.2.1. Chế độ làm việc của phân xưởng. Dây chuyền làm việc liên tục 24/24 h. Một năm làm việc 8000 giờ. Năng suất nhà máy 200.000 tấn/năm. IV.2.2. Nhu cầu: IV.2.2.1. Nhu cầu về nguyên vật liệu: Tính nhu cầu về nguyên liệu trong một giờ sản xuất. Năng suất của quá trình: 25000 kg/h. Lượng khí tự nhiên: 13721,853 kg/h. Lượng hơi nước: 38003,351 kg/h. IV.2.2.2. Nhu cầu về năng lượng: Điện dùng cho chạy máy công nghiệp được tính theo công thức: Trong đó: W: Điện năng dùng trong một năm. Pi: Công suất động cơ loại i, KWh. n: Số động cơ, cái. K1: Hệ số phụ tải, thường lấy 0,75 K2: Hệ số tổn thất, thường lấy 1,05 Ti: Thời gian sử dụng trong năm: 8000 h. Tổng chi phí điện năng trong công nghiệp được lập trong bảng sau: Bảng IV.1. Tên thiết bị Pi n K1 K2 Ti W Máy nén 2000 4 0,75 1,05 8000 50400000 Bơm nước 8 10 0,75 1,05 8000 504000 Bơm chân không 6 2 0,75 1,05 8000 75600 Bơm dung môi 6 8 0,75 1,05 8000 302400 Tổng cộng 51282000 Điện dùng thắp sáng cho phân xưởng xác đinh theo công thức: Trong đó: Ws: Điện năng dùng trong một năm, KWh. P: Công suất đèn loại i, KWh. ni: Số bóng đèn loại i, cái n: Số loại bóng đèn K1: Hệ số phụ tải, thường lấy 0,75. K2: Hệ số tổn thất, thường lấy 1,05 Ti: Thời gian sử dụng trong năm: 8000 h. Tổng chi phí điện thắp sáng được lập trong bảng sau: Bảng IV.2. Tên công trình Loại bóng W- V ni Ti Ws Nhà sản xuất chính 150 - 220 76 8000 71820000 Nhà sản xuất phụ 150 - 220 40 8000 37800000 Nhà bảo vệ 150 - 220 6 8000 5670000 Khu cấp nguyên liệu 150 - 220 14 8000 13230000 Khu xử lý nước thải 150 - 220 14 8000 13230000 Nhà để xe 150 - 220 30 8000 28350000 Nhà kho 150 - 220 20 8000 18900000 Khu vệ sinh 150 - 220 7 8000 6615000 Tổng 182385000 Vậy lượng điện tiêu thụ trong cả năm của toàn bộ phân xưởng là: 51282000 + 182385000.10-3 = 51464385 KWh. Lượng điện tiêu thụ cho 1 kg sản phẩm là: KW.h IV.2.3. Chi phí nguyên vật liệu, nhiên liệu, năng lượng: Bảng IV.3. Tổng chi phí cho nguyên vật liệu, nhiên liệu, năng lượng cho 1 năm. Tên Đơn vị Lượng dùng trong 1 năm. Đơn giá (đ) Thành tiền (đ) Khí tự nhiên m3 151338400 5000 756692.106 Nước m3 378346000 2000 756692. 106 Xúc tác cho chuyển hoá CO. kg 200000 20000 4000. 106 Xúc tác cho khí tổng hợp. kg 500000 20000 10000. 106 Xúc tác cho NH3. kg 500000 50000 25000. 106 Điện KW 51464385 1000 51464,385. 106 Tổng 160384,385. 106 Chi phí nguyên liệu và năng lượng cho 1 kg sản phẩm: đ. IV.2.4. Tính vốn đầu tư cố định. 4.1. Tính vốn đầu tư xây dựng (Vxd) Đơn giá xây dựng nhà lộ thiên khung bê tông cốt thép toàn khối, kết cấu bao che nhẹ: 1200000 đ/m2. Tổng diện tích xây dựng: 18987 m2. Vậy: đ. 4.2. Vốn đầu tư cho thiết bị máy móc.(Vtb) Tổng chi phí cho thiết bị bao gồm chi phí cho: Máy bơm, máy nén, thiết bị hấp thụ, thiết bị phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt. Sau khi tính toán ước tính khoảng chi phí của chúng là: Vtb = 1.550.200.000 đ. 4.3. Nhu cầu lao động. Do đặc điểm của quản lý sản xuất liên tục, được tiến hành trong thiết bị kín, tự động hoá trong sản xuất. Cho nên nhiệm vụ chủ yếu của công nhân là kiểm tra, quan sát chế độ làm việc của máy móc và chất lượng của sản phẩm để điều chỉnh cho thích hợp. Bảng IV.4. Bảng phân bố lương công nhân trực tiếp sản xuất: Nơi làm việc Số lượng thiết bị Số công nhân trong một ca Tổng số công nhân trong một ngày Bộ phận phân xưởng 5 5 15 Bộ phận lọc khí 1 1 3 Bộ phận làm mềm nước 1 1 3 Bộ phận hoá hơi nước 1 1 3 Bộ phận tách CO, CO2 2 2 6 Bộ phận tách NH3 1 3 6 Bộ phận hấp thụ ,nhả 2 1 3 Bộ phận trao đổi nhiệt 10 2 6 Máy nén, bơm, điện 8 2 6 Tổng 18 51 Số cán bộ nhân viên: Cán bộ kỹ thuật quản lý: 6 người Thư ký văn phòng : 1 người Hành chính : 2 người Bảo vệ : 8 người Vệ sinh : 5 người Đầu bếp : 3 người Vậy tổng số người làm việc trong nhà máy: 76 người. IV.2.5. Quỹ lương công nhân và nhân viên trong nhà máy. Bảng IV.5. Thống kê quỹ lương: Chức vụ Số người Lương tháng ( đ/người) Lương tháng toàn bộ(đ) Lương cả năm (đ) Công nhân trực tiếp 51 2.106 102. 106 1224. 106 Quản đốc 4 2,4.106 9,6. 106 115,200. 106 Giám đốc 1 3. 106 3. 106 36,000. 106 Phó giám đốc 1 2,5. 106 2,5. 106 30,000. 106 Thư ký 1 1,5. 106 1,5. 106 18,000. 106 Hành chính 2 1,5. 106 3. 106 36,000. 106 Bảo vệ, bếp, vệ sinh 16 1,2. 106 19,2. 106 230,400. 106 Tổng 76 140,800.106 16896,600. 106 - Lương bồi dưỡng ca đêm lấy bằng 2% tổng lương cả năm: đ. - Lương bồi dưỡng độc hại lấy bằng 3% tổng lương cả năm: đ. Vậy tổng quỹ lương cả năm: đ. - Chi phí của quỹ lương cả năm cho 1 kg sản phẩm: đ. - Chi phí bảo hiểm cho những người làm trong phân xưởng: đ. (Với 25000 đ. là bảo hiểm xã hội của 1 người/năm). Chi phí bảo hiểm cho 1 kg sản phẩm: đ. IV.2.6. Tính toán khấu hao. Khấu hao của thiết bị nhà xưởng như sau: - Nhà sản xuất có thời gian khấu hao là 20 năm. Mức khấu hao là: đ/năm. - Thiết bị máy móc lấy thời gian khấu hao là 10 năm. Mức khấu hao là: đ/năm. - Khấu hao toàn bộ phân xưởng là: đ/năm. - Khấu hao sữa chữa lấy bằng 50% khấu hao cơ bản. đ/năm. - Tổng khấu hao cả năm: đ/năm. - Mức khấu hao trên một đơn vị sản phẩm: đ/tấn. IV.2.7. Các khoản chi phí khác: Chi phí quản lý doanh nghiệp, lấy bằng 5% tổng chi phí(nguyên liệu, năng lượng + vốn đầu tư cố định + quỹ lương): đ/năm. Chi phí bán hàng lấy bằng 8% tổng chi phí( nguyên liệu, năng lượng + vốn đầu tư cố định + quỹ lương): đ/năm Thuế doanh thu lấy bằng 10% tổng doanh thu. IV.2.8. Tính giá thành sản phẩm. Khoản mục Chi phí cho một đơn vị sản phẩm. Thành tiền (đ) Nguyên liệu và năng lượng Tiền lương Bảo hiểm xã hội Khấu hao Quản lý doanh nghiệp Bán hàng Giá thành toàn bộ Giá bán 801,922 88,707 0,010 9,707 100,808 80,646 1081,800 1300,000 16384,385.106 17741,430.106 1,900.106 1941,36.106 20161,559.106 16129,247.106 216360,000.106 260000.106 - Tổng doanh thu của phân xưởng trong một năm: 260000.106 đ. - Thuế doanh thu bằng 10% tổng doanh thu: đ. - Lợi nhuận trong một năm sản xuất: đ. + Vốn đầu tư cố định: đ. + Vốn lưu động bao gồm toàn bộ các khoản chi phí khác mà doanh nghiệp phải chi phí: Chi phí nguyên liệu và năng lượng: đ. Chi phí lương và bảo hiểm xã hội : đ. Chi phí quản lý doanh nghiệp : đ. Chi phí bán hàng : đ. Tổng vốn lưu động: đ. Tổng vốn đầu tư : đ. Doanh lợi vốn đầu tư: IV.2.9. Thời gian thu hồi vốn: năm. Vậy thời gian thu hồi vốn là khoảng 5 năm. IV.3. Kết luận: Qua phần tính toán kinh tế trên đã giúp em cơ bản hiểu biết thêm về vấn đề đầu tư vào một phân xưởng sản xuất nói chung và phân xưởng sản xuất NH3 nói riêng. Với thời gian thu hồi vốn là 5 năm hoàn toàn thích hợp về mặt kinh tế. Phần V AN TOàN LAO ĐộNG. Trong các nhà máy nói chung và các nhà máy hoá chất nói riêng thì vấn đề an toàn lao động được quan tâm hàng đầu. Để đảm bảo thực hiện tốt quy trình lao động ta cần chú ý các yêu cầu sau: V.1. Thiết kế mặt bằng nhà máy: Sự an toàn của toàn bộ xí nghiệp phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn vùng đất và bố trí đúng công trình đó. V.1.1. Những yêu cầu chung khi thiết kế: Những yêu cầu cần chú ý trong khi thiết kế như sau: - Kích thước thể tích, diện tích, chiều cao phân xưởng bố trí diện tích làm việc, máy móc thiết bị dụng cụ, nguyên liệu, sản phẩm phải hợp lý và an toàn. - Cao ráo, sạch sẽ, thoáng mát, lợi dụng được ánh sáng tự nhiên. - Cách âm, cách rung, ngăn cản được tiếng ồn hoặc từ phòng sản xuất khác. - Cách nhiệt tốt, chống nóng về mùa hè và giữ nhiệt vào mùa đông. - Các kết cấu xây dựng phải bền chắc về mặt chịu lực trong phân xưởng có nhiệt độ cao và phân xưởng hoá chất thì nên bền vững cả về mặt chịu lực và chống ăn mòn. V.1.2. Cấp thoát nước và làm sạch nước thải: Nước là một dung môi hoà tan và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất. Nước cung cấp cho nồi hơi, làm nguội máy và thiết bị, rửa và tinh chế thành phẩm, nước sau khi sử dụng trong sản xuất nó chứa nhiều tạp chất hữu cơ và vô cơ. Do đó cần phải được làm sạch trước khi thải ra vùng dân cư và sông hồ để đảm bảo vệ sinh cho các nguồn nước và sức khoẻ của nhân dân. Biện pháp làm sạch nước thải của nhà máy có thể áp dụng phương pháp làm sạch bằng hoá học, phương pháp hoá lý, phương pháp sinh học. V.2. Kỹ thuật an toàn khi thiết kế sử dụng máy móc thiết bị : Máy móc ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Máy móc đưa vào sử dụng sẽ giảm nhẹ sức lao động, cải thiện điều kiện làm việc, năng suất lao động tăng lên, nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên nếu chưa sử dụng thành thạo sẽ dẫn đến tai nạn. V.2.1. Những nguyên nhân gây ra chấn thương khi sử dụng máy móc thiết bị: Những nguyên nhân gây ra chấn thương trong lao động do máy móc thiết bị thì rất khác nhau và phức tạp: + Do trong thiết kế xuất phát từ điều kiện làm việc thực tế của thiết bị đưa vào các yêu cầu kĩ thuật. Người thiết kế cần tính toán về độ bền, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu nhiệt sao cho máy có thể làm việc ổn định và an toàn. Nếu máy móc không thoả mãn các yêu càu trên thì dễ xảy ra tai nạn. + Do chế độ máy móc được tính toán tỉ mỉ, thiết kế chính xác nhưng quá trình chế tạo lại không tốt cũng không thể cho máy móc làm việc bình thường được. + Do chế độ bảo quản và sử dụng: Muốn máy móc sử dụng ổn định, có hiệu quả lâu bền phải thường xuyên kiểm tra, điều chỉnh các cơ cấu an toàn cho phù hợp với chế độ làm việc của nhà máy. Nếu vi phạm quy trình công nghệ, không thường xuyên bảo dưỡng và duy trì chế độ làm việc hợp lý thì sẽ dễ dẫn đến tai nạn. V.2.2. Những biện pháp an toàn chủ yếu: + Cơ cấu che chắn và cơ cấu bảo vệ nhằm cách ly không nên ra vùng nguy hiểm, để bảo đảm an toàn sản xuất. + Cơ cấu phòng ngừa nhằm đề phòng sự cố của thiết bị có liên quan đến điều kiện an toàn của công nhân. + Tín hiệu an toàn. + Cơ khí hoá, tự động điều khiển từ xa. + Kiểm tra máy móc trước khi vận hành. V.2.3. An toàn khi vận chuyển: Thiếu hiểu biết về chuyên môn, kinh nghiệm trong quá trình nâng hạ khi vận chuyển có thể gây tai nạn. Nơi làm việc không bằng phẳng hoặc thiếu ánh sáng cũng dễ gây tai nạn trong khi vận chuyển. Tất cả các máy móc, thiết bị nâng, vận chuyển nhất thiết phải tiến hành kiểm tra tại chổ sau khi lắp ráp, sau khi sửa chữa qua một quá trình làm việc quy định. V.3. An toàn điện: An toàn điện là một trong những vấn đề quan trọng của công tác an toàn. Thiếu hiểu biết về mạng điện, không tuân thủ các nguyên tắc về điện sẽ gây ra tai nạn. Nhất là điện, nhiều khi khó phát hiện trước bằng giác quan mà cần phải hiểu biết về điện. Một số yêu cầu cơ bản về thiết bị điện : 1. Dây dẫn phải được bọc kỉ bằng vỏ nhựa hoặc cao su và có thể lồng vào ống kim loại để tránh bị dập. 2. Cầu dao phải lắp ráp sao cho dễ điều khiển. V.4. An toàn trong lao động: Theo các số liệu từ ngành xây dựng, một trong các ngành sản xuất chiếm tỉ lệ cao trong tổng số các trường hợp tai nạn lao động xảy ra hàng năm, nhưng nguyên nhân chính thường xảy ra có thể phân loại như sau: + Đi lại vấp ngã, sa hố. + Người ngã từ trên cao xuống. + Va đập, kẹt tay chân khi mang vác các nguyên liệu cồng kềnh. + Tai nạn gây ra do máy móc xây dựng. + Chiếu sáng chổ làm việc không đủ. + Đảm bảo thi công an toàn công tác xây dựng, lắp ghép để không xảy ra hoặc không có nguy cơ tai nạn. + Bố trí các máy móc xây dựng với tính toán đảm bảo tính an toàn. + Các thiết bị biện pháp phòng ngừa tai nạn điện trong khu sản xuất nói chung và máy móc thiết bị dùng điện nói riêng. + Các biện pháp bốc xếp, dở, vận chuyển các vật liệu cấu kiện nặng, cồng kềnh. + Quy định những vùng nguy hiểm. + Hình thức hàng rào bảo vệ khu công trường. V.5. Biện pháp phòng chống cháy nổ trong nhà máy. Đối với các nhà máy có chứa các chất dễ cháy như khí xăng cần có nhà cứu hoả và bộ phận cứu hoả thường trực. Nhà cứu hoả là nơi cất giữ các phương tiện, dụng cụ chữa cháy nổ, nhà cứu hoả phải ở vị trí thuận lợi để khi có sự cố xảy ra đột ngột có thể xử lý nhanh và tránh thiệt hại cho nhà máy và tránh tai nạn cho công nhân làm việc trong nhà máy. Kết luận Về nội dung bản đồ án, phần tổng quan đã nêu ra một cách tóm tắt các công nghệ hiện đại sản xuất NH3 trên thế giới, từ đó chọn công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế của nước ta hiện nay để thiết kế công nghệ sản xuất NH3 đi từ khí tự nhiên. Phần tổng quan đã trình bày các vấn đề hoá học, hoá lý, xúc tác của quá trình sản xuất NH3. Ngoài ra phần tổng quan cũng đưa ra một số tính chất của NH3 cần thiết cho tính toán công nghệ. Phần tính toán đã tính được cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng, tính chất và kích thước cơ bản của thiết bị phản ứng từ đó vẽ được thiết bị chính. Phần thiết kế xây dựng đã chọn được địa điểm xây dựng nhà máy sản xuất NH3, vẽ được mặt bằng nhà máy (bố trí các hạng mục công trình trong nhà máy). Phần kinh tế đã tính được tổng doanh thu của nhà máy, từ đó tính được lợi nhuận trong năm, doanh lợi vốn đầu tư và thời gian thu hồi vốn. Phần an toàn đã nêu ra những nguyên nhân và biện pháp phòng chống tai nạn trong quá trình sản xuất. Bản đồ án này đã đưa ra một phương hướng tính toán thiết kế phù hợp với trình độ khoa học kĩ thuật ở nước ta hiện nay nên có thể sử dụng để tham khảo cho việc tính toán cụ thể hơn trước khi đưa vào xây dựng một nhà máy sản xuất NH3. Tài liệu tham khảo 1. PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hiền - Giáo trình chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành - NXB khoa học kĩ thuật - 2002. 2. Lê Mậu Quyền - Hoá học vô cơ, tập hai - NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp. 3. Lê Thị Tuyết - Công nghệ sản xuất các hợp chất Nitơ - Trường ĐHBK Hà Nội - 2000. 4. Cơ sở lý thuyết và tổng hợp NH3 - NXB Kiev - 1969 (Dịch từ bản tiếng Nga). 5. P.V Đưbina, A.X Xolovena, Y.U.I Visniak. Tính toán công nghệ sản xuất các hợp chất vô cơ - Tập 1 - NXB khoa học kĩ thuật -Nguyễn An Ninh dịch. 6. Hướng dẫn tính toán các quá trình chế bién khí tự nhiên - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội - Bộ môn nhiên liệu xuất bản 1978. 7. Sổ tay hoá lý - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội - Khoa tại chức - 1972. 8. Tập thể tác giả - Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất - Tập 1 -NXB Khoa học kĩ thuật - 1998. 9. Tập thể tác giả - Sổ tay quá trình và thiét bị công nghệ hoá chất - Tập 2 -NXB Khoa học kĩ thuật - 1999. 10. Bộ môn xây dựng công nghiệp. Nguyên lý thiết kế xây dựng nhà máy hoá chất - Trường ĐHBK Hà Nội, 1974. 11. Ngô Bình - Hướng dẫn thiết kế đồ án tồt nghiệp phần xây dựng. 12. Hướng dẫn thiết kế tốt nghiệp phần kinh tế. Trường ĐHBK Hà Nội, 1973. 13. Ngô Bình - Cơ sơ xây dựng nhà công nghiệp- Trường ĐHBK Hà Nội, 1997. 14. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol A2. 15. Encyclopedia of Chemical Technology. Vol A1. 16. F.J. Brykowski - Ammonia and synthesis gas- Park Ridge, New Jersey, USA, 1981. 17. Handbook of Petrochemicals and Processes. 18. Hydrocacbon processing, 2003. 19. chapter4/steamreform.htm 20. Applied Catalysis A: General 201(2000)p 71-80. 21. http:// www.haldortopsoe.com/site.nsf/all. 22. http:// www.bnl.gov/bnlweb/admindex.asp 23. http:// www.cheresources.com/premium_content.shtml 24. http:// www.ausetute.com.au/enthchan.html 25. http:// www.efma.org/Publications/BAT95/Bat01/section01.asp