Tin học ứng dụng trong công nghệ hóa học C2 fundamentals of steady state flowsheeting vn 42

Chương CƠ SỞ TÍNH TỐN CHO Q TRÌNH ỔN ĐỊNH (Steady State) Mục lục I Tiếp cận tổng quát - Thí dụ dẫn nhập A Mô tả trình B Phân tích toán: Các dòng đầu vào/đầu ra; Phân tích thiết bị phản ứng; Hệ thống TBPU-Phân tách-Hoàn lưu; Hệ thống phân tách; Điều khiển thông số sơ đồ flowsheet; Chuyển đổi thiết bị thực sang thiết bị mô phỏng; Phân tích bậc tự do; Các vấn đề nhiệt động học; Tiến trình tính toán C Qui trình mô II Các thiết bị: Thiết bị trộn dòng phân dòng; Thiết bị phân tách cân pha Flash; Thiết bị trao đổi nhiệt (a Biến đổi lượng; b Thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ-ống; c Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng); Thiết bị chưng cất tính toán nhanh (shortcut); Thiết bị chưng cất chi tiết (a Tháp phân tách đa mục đích; b Tháp kết nối toàn thể Inter-linked; c Tháp lọc dầu; Chưng cất gián đoạn); Thiết bị trích ly; Thiết bị phản ứng (a TBPU tỉ lượng; b TBPU cân bằng; c Các mô hình động học; d TBPU hoạt động gián đoạn); Thay đổi áp suất (a Bơm; b Thiết bị nén khí/giãn khí; c Van); Module giảm áp III Nhiệt động học: Các cấu tử; Các phương án nhiệt động học; Các thông số tương tác hỗn hợp IV Tóm tắt I Tiếp cận tổng quát - Thí dụ dẫn nhập Mô tả trình Quá trình tách nhóm alkyl hydrogen HDA (hydro-dealkylation alkyl-benzenes alkylnaphtalenes thành hợp chất vòng thơm tương ứng chúng, benzene hay naphtalene) chuyển đổi toluene thành benzene với diện lượng dư dồi hydrogen Cách tiếp cận đơn giản xem xét hai phản ứng: - Phản ứng : dealkylation để toluene thaønh benzene vaø methane: C6H5CH3 + H2  C6H6 + CH4 (1) - Phản ứng thứ cấp: tạo thành naphtalene sản phẩm phụ: 2C6H6  C12H10 + H2 (2) Phản ứng này, nói chung tỏa nhiệt, xảy thiết bị phản ứng dạng ống (PFR) đoạn nhiệt áp suất 25 đến 35 bar nhiệt độ 620 720oC Một lượng dư dồi hydrogen, điển hình tỉ lệ mol 5:1,ngăn ngừa tạo thành than cốc Độ chuyển hoá phản ứng điển hình 60-80%, 3ở giá trị cao độ chọn lọc giảm nhanh chóng A Mô tả trình Hình 1: Quá trình HDA để sản xuất benzene công nghệ UOP (Mowry, 1986) FEHE: thiết bị trao đổi nhiệt cho dòng nhập liệu (feed effluent heat exchanger) A Mô tả trình Toluene nhập liệu (Fresh Toluene) toluene hoàn lưu (Recycled Toluene) trộn với hydrogen áp suất nhánh phản ứng Sau bay gia nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt cho dòng nhập liệu (FEHE), hỗn hợp đun nóng buồng đốt (Furnace) nhiệt độ đủ cao để khởi phát phản ứng, cấp vào thiết bị phản ứng (Reactor) Dòng nhúng (quench) với chất lỏng hoàn lưu (không thể hình) đề ngăn ngừa phân huỷ nhiệt Sau hỗn hợp phản ứng vào nhánh thu hồi nhiệt, mà TBTĐN, nhánh có thiết bị sinh nước (Steam Generation) Sau qua thiết bị làm nguội (Cooler), hỗn hợp phản ứng đưa phân tách bồn chứa phân tách cân pha flash Pha khí bao gồm hỗn hợp hydrogen/methane với lượng nhỏ benzene toluene Pha lỏng bao gồm benzene toluene, nghư cấu tử nặng thành phần nhẹ hoà tan Phần khí hoàn lưu TBPU thông qua máy nén (Compressor) sau trộn lẫn với makeup hydrogen Để ý make-up hydrogen hoàn lưu qua phần làm giàu hydrogen (Hydrogen Enrichment) Pha lỏng vào phần tách lỏng Sau giảm áp, khí hoà tan tách tháp ổn định (Stabilisation Column) Các cấu tử có phân tử lượng cao làm tắc phần bên tháp chưng cất tách tháp đất sét (Clay Tower) Cuối cùng, thiết bị chưng cất chi tiết tên tháp hoàn lưu tiến hành phân tách cấu tử nhẹ đỉnh thành phần nhẹ (Lights), benzene tinh chế toluene không bị chuyển đổi dòng sản phẩm trung gian (side-streams), cấu tử nặng khác đáy thành phần nặng (Heavies) B Phân tích toán Các dòng đầu vào/đầu Các dòng nhập liệu gồm toluene tinh khiết 100% hydrogen có 5% CH4 Phân tích đầu vào/đầu phải khẳng định cân vật chất phù hợp Qui tắc vàng tính toán flowsheeting trạng thái ổn định phát biểu rằng, vật chất vào tạo TBPU phải khỏi trình, không xảy tích lũy hệ thống Khi kiểm tra hệ thống Hình ta thấy dòng đầu sau: benzene sản phẩm, khí nhẹ từ tháp ổn định, thành phần nặng từ tháp chưng cất Toluen trung gian dòng hoàn lưu không cần tính đến Tuy nhiên thiếu chất hình nói trên! Một xét đoán cân vật chất định tính đơn giản cho thấy đầu cho methane tạo thành phản ứng, mà cấp vào tạp chất với hydrogen nhập liệu Như vậy, ta phải xem xét dòng khí làm purge Cuối cùng, cấu trúc đầu vào/đầu trình HDA trình bày H Để ý có hai đầu vào, dòng nhập liệu Hydrogen Toluene, bốn đầu ra, Purge, Benzene, Các thành phần nhẹ (Lights) Các thành phần nặng (Heavies) B Phân tích toán Phân tích TBPU Việc mô hình hóa TBPU tính toán flowsheeting phải cung cấp mô tả tin cậy việc chuyển đổi chất tham gia phản ứng thành sản phẩm chính, sản phẩm phụ, tạp chất Cách tiếp cận theo kiểu tỉ lượng đơn giản đủ cho mục đích cân vật chất Trong thí dụ này, mô hình hóa theo kiểu tỉ lượng cần biết (1) độ chuyển hóa phản ứng (2) độ chọn lựa phản ứng phụ Như vậy, lần thử đầu tiên, ta mô hình TBPU mô hình TBPU tỉ lượng Nếu có sẵn liệu động học xác, có tương tác đáng kể hệ thống phản ứng phần lại flowsheet xem xét mô hình động học Dạng TBPU, TBPU với cánh khuấy liên tục (CSTR) hay TBPU dạng ống (PFR), cần thiết lập Tuy nhiên TBPU công nghiệp phức tạp nhiều so với mô hình lý tưởng Vì lý này, không nên sử dụng mô hình động học tính toán flowsheeting trạng thái ổn định, giai đoạn đầu, trừ mục tiêu cao cấp hơn, vận hành hay điều khiển toàn phân xưởng Trong trường hợp này, việc kết hợp mô hình động học tỉ lượng hợp lý Mô hình động học xét đến trình sản xuất xác định tốc độ phản ứng chính, mà phụ thuộc vào thể tích TBPU lưu lượng thành phần dòng hoàn lưu Mô hình tỉ lượng mô tả tạo thành sản phẩm phụ tạp chất cần thiết để mô xác thiết bị phân tách B Phân tích toán Hệ thống TBPU-TBPT-Hoàn lưu Việc mô flowsheet phức tạp nên bắt đầu cách nhận diện cấu trúc Một cấu trúc hệ thống TBPUTBPT-Hoàn lưu, minh họa H 3, trình HDA Các chất phản ứng nhập liệu hoàn lưu vào thiết bị trộn Mix Để ý dòng lạnh TBTĐN buồng đốt gộp lại thành TBTĐN tên HX1 Tương tự, dòng nóng TBTĐN, thiết bị sinh nước thiết bị làm nguội gộp lại thành TBTĐN tên HX2 Theo cách này, nỗ lực tập trung vào hoạt động TBPU, mà không vào vấn đề hội tụ nhánh phản ứng kết hợp nhiệt Thiết bị phân tách cân pha (Flash) nơi pha khí lỏng tách rời Mô hình cân lỏng/hơi mô hoạt động Để mô dòng purge, ta đặt thiết bị phân dòng Split mô hình Stream Splitter Sau dòng khí hoàn lưu thông qua máy nén Comp mô Compressor Việc mô hệ thống phân tách lỏng phức tạp Cách tiếp cận đơn giản gộp hạng mục vào thiết bị hộp đen (black-box unit) tên Separation, mô mô đun Separator Điều thiết lập dạng thu hồi cấu tử mong muốn Theo cách này, ta tập trung ý đến ảnh hưởng dòng hoàn lưu vào hệ phản ứng ý đến vấn đề mô thiết bị phân tách B Phân tích toán Hình 3: Cấu trúc TBPU-TBPT-Hoàn lưu trình HDA B Phân tích toán Hệ thống phân tách Việc phân tích hệ thống phân tách cần xác định mô hình mô thích ứng Việc mô chuỗi tháp chưng cất nghiên cứu flowsheet riêng rẽ (H 4) Sau giảm áp thông qua van V1, hỗn hợp lỏng vào thiết bị ổn định (stab) khí hoà tan tách Một mô hình phù hợp Rigorous Distillation với sản phẩm chưng cất Sau giảm áp lần hai thông qua van V2, việc phân tách benzene, toluene thành phần nặng xảy ta tháp thứ hai (Dist), mô hình tháp Rigorous Distillation Hình 4: Phần phân tách lỏng trình HDA 10