Tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp Mô phỏng bằng phần mềm Hysys

Mô phỏng quá trình MeOH đi từ khí tổng hợp bằng phần mềm Hysys. Mô phỏng quá trình MeOH đi từ khí tổng hợp bằng phần mềm Hysys. Mô phỏng quá trình MeOH đi từ khí tổng hợp bằng phần mềm Hysys. Mô phỏng quá trình MeOH đi từ khí tổng hợp bằng phần mềm Hysys.

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

Thiết bị phản ứng làm việc trong chế độ đẳng nhiệt, được duy trì ở 250oC

1 Xác định các thông số làm việc của tháp, số đĩa tối thiểu, số đĩa thực tế,đĩa nạp liệu tối ưu, chỉ số hồi lưu tối thiểu

2 Xây dựng sơ đồ công nghệ trên

3 Dòng khí từ đỉnh tháp tách vẫn lẫn MeOH và nguyên liệu chưa phản ứngtuần hoàn lại dòng khí này vào trước máy nén thứ 2

4 Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu hồi được lượng MeOH lớnnhất Các thiết bị trao đổi nhiệt có Delta P=80Kpa

Yêu cầu:

Viết và in ra giấy, đóng thành cùng tập với đề thi:

- Biện luận, phân tích quá trình mô phỏng, các lỗi và cách giải quyết

- Phân tích, đánh giá các kết quả nhận được

- Xuất và in báo cáo (PDF và Workbook)

BÁO CÁO

1 Thuyết minh quá trình

Theo bài ra các phản ứng thực hiện ở 250oC, áp suất 10MPa, độ chuyểnhóa tính theo chất phản ứng của phản ứng (1) là 90,6 theo CO và của phản ứng (2)

là 44 theo CO2

Khí tổng hợp với lưu lượng 100kgmol/hr (tự chọn do đề bài không cholưu lượng) ở áp suất ban đầu 1atm được nén qua 02 cấp, cấp 1 nén lên 5Mpa, saumáy nén thứ nhất nhiệt độ tăng cao nên trước khi vào máy nén thứ 2 hỗn hợp khícần phải làm lạnh để giảm nhiệt độ trước khi được nén tới áp suất yêu cầu(10MPa) trong máy nén thứ 2 Hỗn hợp khí trước khi đi vào thiết bị phản ứngđược gia nhiệt tại thiết bị trao đổi nhiệt bằng tận dụng hỗn hợp khí nóng đi ra từđỉnh thiết bị phản ứng Hỗn hợp sau phản ứng được tiếp tục làm lạnh sau khi điqua thiết bị trao đổi nhiệt và được đưa vào thiết bị tách 2 pha Phần sản phẩm ởdạng lỏng ra ở đáy thiết bị tách được đưa vào tháp chưng cất

Sử dụng Shortcut Column để tính toán sơ bộ các thông số của thápchưng cất Tại tháp chưng cất, cấu dễ bay hơi (MeOH) ở dạng hơi đi từ dưới lêntiếp xúc pha với cấu tử lỏng từ trên xuống do áp suất trong tháp chưng cao hơn ápsuất khí quyển nên nhiệt độ sôi của MeOH cũng cao hơn Hỗn hợp hơi ở đỉnh thápchưng chứa chủ yếu là methanol, phần lỏng dưới đáy tháp chưng chủ yếu là nước.Hơi Methanol được làm lạnh đến khoảng 40oC và đưa về áp suất khí quyển trướckhi đưa vào bể chứa

Phần khí từ thiết bị tách 2 pha chứa chủ yếu là H2 và CO2 có lẫn lượngnhỏ MeOH được tuần hoàn trở lại dòng khí vào trước máy nén thứ hai Do dòngkhí này ở áp suất thấp (300kPa) cần được tăng lên đến áp suất bằng hoặc cao hơn

áp suất đầu ra của máy nén thứ nhất để tránh chênh lệch áp suất bị đẩy ngược vềthiết bị tách 2 pha

2 Khai báo cấu tử

Nhập thành phần cấu tử: CO, CO2, H2, CH3OH, H2O như hình 1

Hình 1 Khai báo lựa chọn cấu tử

3 Lựa chọn hệ nhiệt động

Sau khi nhập các cấu tử cho mô phỏng, tiếp theo là lựa chọn hệ nhiệt

động (Fluid Package) cho mô phỏng Hệ nhiệt động được sử dụng để tính toán

dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình môphỏng

Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson (PR) Hệ nhiệt động PR là hoàntoàn phù hợp vì gói cấu tử của bài toán toàn là cấu tử hydrocacbon thông thườngkhông có tính chất gì đặc biệt do đó hệ nhiệt động PR là hoàn toàn phù hợp với bàitoán này

Thao tác chọn hệ nhiệt động như sau:

Tại giao diện Simulation Basic Manager chọn Fluid Pkgs tab, sẽ hiển

thị của sổ như hình dưới đây:

Hình 1.1 Giao diện Fluid Package

Bấm vào Add sẽ hiển thị cửa sổ như trong hình 1.2 để chọn một Fluid Pkgs phù hợp Ở đây ta chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson.

Hình 1.2 Giao diện Fluid Package

4 Khai báo phản ứng

Đầu bài cho độ chuyển hóa của các phản ứng nên ta lựa chọn kiểu phảnứng Conversion để khai báo các phản ứng.

Phản ứng của bài mô phỏng gồm:

CO + 2H2→ CH3OH Với độ chuyển hóa theo CO là 90.6%

CO2 + 3H2→ CH3OH + H2O Với độ chuyển hóa theo CO2 là 44% Phản ứng đầu tiên là phản ứng chính với hiệu suất cao lên đến 90.6%được điều khiển bằng điều kiện và xúc tác Còn phản ứng thứ 2 là phản ứng phụvới hiện suất của phản ứng phụ là 44% tính theo CO2

Chính vì vậy khi thiết lập phản ứng loại Conversion và thiết lập gói phảnứng của quá trình sản xuất này chúng ta phải tiến hành Ranking phản ứng để chophản ứng chính xảy ra trước đạt được độ chuyển hóa cần thiết sau đó mới đếnphản ứng phụ xảy ra Điều này là hoàn toàn phù hợp trong thực tế công nghệngười ta cũng phải dùng xúc tác cũng như chế độ vận hành để tăng hiệu xuất phảnứng chính và giảm hiệu suất phản ứng phụ

4.1 Thiết lập phản ứng

Bấm vào Reactions tab trong Simulation Basic Manager sau đó vào Reactions và bấm Add Rxn chọn Conversion sau đó bấm Add Reaction hiển thị

như hình 1.3 sau đây:

Hình 1.3 Giao diện Reaction tab

Bấm phím Add Rxn, sẽ hiển thị của sổ nhỏ có chứa danh sách các phản ứng, chọn phản ứng conversion từ danh sách.

Nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.4 sau đây:

Hình 1.4 Giao diện Conversion Reaction Rxn-1-Stoichimetry

Chuyển sang Basic tab và nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.5 sau đây:

Hình 1.5 Giao diện Conversion Reaction Rxn-1-Basic

Phản ứng thứ hai tương tự bấm phím Add Rxn, sẽ hiển thị của sổ nhỏ có chứa danh sách các phản ứng, chọn phản ứng conversion từ danh sách.

Nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.6 sau đây:

Hình 1.6 Giao diện Conversion Reaction Rxn-2-Stoichimetry

Chuyển sang Basic tab và nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.7 sau đây:

Hình 1.7 Giao diện Conversion Reaction Rxn-2-Basic

4.2 Thiết lập Reaction Set

Khi hai phản ứng đã được khai báo đầy đủ thông tin, cần phải thiết lập

Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hóa Conversion Reactor.

Vào Reactions tab sau đó vào Reaction Set đặt tên cụm phản ứng là Global Rxn Set và nhập hai phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 vào Các phản ứng được

nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong

Active List Giao diện hiển thị như trong hình 1.8 dưới đây khi đã hoàn thành.

Hình 1.8 Giao diện Reaction Set

Quá trình thực hiện Ranking không Hysys như sau:

Các phản ứng chuyển hóa có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng(nối tiếp hoặc song song) Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầutiên (có thể bắt đầu là 0 hoặc 1)

Để thiết lập cho các phản ứng nối tiếp trong Global Rxn set ở

hình 1.8, bấm vào phím Ranking và nhập các thông tin cho phản ứng Rxn-1 có

Rank là 0, phản ứng Rxn-2 có Rank là 1, như trong hình 1.9 dưới đây Điều đó cónghĩa là phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 là các phản ứng nối tiếp, phản ứng Rxn-1 sẽxảy ra trước, phản ứng Rxn-2 sẽ xảy ra sau

Hình 1.9 Quá trình thực hiện Ranking

5 Vào môi trường mô phỏng

 Add dòng nguyên liệu: Feed với Molar Flow là 100kgmol/hr

 Add máy nén khí Comp Stage 1 với outlet pressure = 5Mpa

Hình 2.0 Comp Stage 1-Connections-Design

Hình 2.1 Comp Stage 1-Parameter-Design

Hình 2.2 Comp Stage 1-Conditions-Worksheet

 Add Cooler 1 (để làm lạnh trước khi vào cấp thứ 2) nhiệt độ sau khi làmlạnh là 70ºC

Hình 2.3 Cooler 1-Connections-Design

Hình 2.4 Cooler 1-Conditions-Worksheet

 Add Mix-1 để trộn với dòng tuần hoàn từ đỉnh tháp tách

Hình 2.5 MIX-100-Connections-Design

Hình 2.6 MIX-100-Conditions-Worksheet

 Add máy nén khí Comp 2 với áp suất sau cấp 2 là 10MPa

Hình 2.7 Comp 2-Connections-Design

Hình 2.8 Comp 2-Parameters-Design

 Add Heat Exchanger

+ Dòng vào: Compstage 2 Out

+ Dòng ra: To Reactor có nhiệt độ 210oC+ Dòng năng lượng vào: Hot Gas from Reactor có nhiệt độ 250oC tậndụng nhiệt từ thiết bị phản ứng.

+ Chênh lệch áp suất giữa dòng vào và ra: 80kPa+ Chênh lệch áp suất giữa dòng năng lượng vào và ra (ở bên ngoài ống): 80kPa

+ Lưu ý vào Design/Parameters chọn HE Model là ExchangedDesign (Weighted) nếu không sẽ xuất hiện Ft Correction Factor is low) do cấuhình trao đổi nhiệt ảnh hưởng đến Ft

Hình 2.9 HE-Connections-Design

Hình 3.0 HE-Conditions-Worksheet

 Add thiết bị phản ứng Reaction

+ Dòng khí ra: Vào Worksheet đặt giá trị dòng khí ra ở đỉnh thiết bịphản ứng Hot Gas to HE có nhiệt độ 250oC (theo bài ra thiết bị phản ứng làm việc

ở chế độ đẳng nhiệt, duy trì ở 250oC), cho dòng khí này vào HE để tận dụng nhiệtgia nhiệt hỗn hợp khí trước khi đưa vào tháp phản ứng

+ Dòng năng lượng: Reactor Heat + Dòng sản phẩm đáy: Reactor Btm Liquid+ Add phản ứng Conversion Rxn Set

Hình 3.1 Reactor Conversion-Connections-Design

Hình 3.2 Reactor Conversion-Details-Reactions

 Add tuốc bin giãn nở khí Expander (khắc phục lỗi liquid inlet streamtrước khi vào expander).

Hình 3.9 Separator – Connections – Design

Hình 4.0 Separator – Parameters – Design

Hình 4.1 Separator – Conditions - Worksheet

6 Xác định các thông số làm việc của tháp

 Add Shortcut column T-101 để tính số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu tốithiểu.

+ Cấu tử nhẹ ở đáy tháp là Methanol, có nồng độ mong muốn

là : 0.010

+ Cấu tử nặng ở đỉnh tháp là nước, có nồng độ mong muốn

là : 0.005

+ Áp suất đỉnh tháp: 180 kPa+ Áp suất đáy tháp: 210 kPa+ Sản phẩm lấy dưới dạng lỏngTrong Design Tab/ Parameter chọn chỉ số hồi lưu là 1 Hysys sẽ tính toánchỉ số hồi lưu tối thiểu là 0.458 Trong Performance tab ta được kết quả tính toán

Hình 4.2 Shortcut Column-Connections-Design

Hình 4.3 Shortcut Column-Parameters-Design

Hình 4.4 Shortcut Column-Performance

Hình 4.5 Shortcut Column-Conditions-Worksheet

 Add tháp chưng Distillation

+ Áp suất đỉnh tháp: 180 kPa

+ Áp suất đáy tháp: 210 kPa

+ Chọn chế độ ngưng tụ hoàn toàn, chỉ số hồi lưu là 1+ Số đĩa lý thuyết là 14 đĩa, vị trí tiếp liệu là đĩa thứ 6

+ Column Reflux ratio =1, add Specs Column Component Fractioncho dòng hơi ở đỉnh OVHD MeOH Vapour với phần mol H2O là 0.005.

Sản phẩm đi ra khỏi tháp chưng được làm lạnh bởi Product Cooler (Cooler 3) xuống 40oC với delta P= 80Kpa xuống áp suất 100Kpa (1atm) rồi mớiđược đưa vào thùng chứa Tank

Kết quả chạy tháp chưng khi chọn N = 14, R = 1, nồng độ cấu tử mongmuốn (H2O) ở đỉnh tháp là 0.005, nồng độ mol fraction của MeOH

là 0.9946

Hình 4.6 Distillation Column-Connections-Design

Hình 4.7 Distillation Column-Specs-Design

Hình 4.8 Distillation Column-Setup-Flowsheet

b Add Cooler 4 để làm lạnh xuống dòng khí tuần hoàn xuống 100oC

c Add công cụ logic Recycle tuần hoàn dòng khí về trước máy nén (trộnqua mixer)

8 Kiểm tra cân bằng vật chất và năng lượng

Vào Utilities add Property Balance Utility và add mass flow sau đóinsert variable ta được cân bằng vật chất như sau:

Hình 5.1 Property Balance Urtility 1-Meterial Balance

Như vậy cân bằng vật chất đảm bảo tổng khối lượng nguyên liệu vàobằng tổng sản phẩm ra

Cân bằng năng lượng như sau:

Hình 5.2 Property Balance Urtility 1-Energy Balance

Hình 5.3 Property Balance Urtility-1

9 Xác định lượng Hydro tuần hoàn để thu được lượng Metanol lớn nhất

Để xác định lượng Hydrogen tuần hoàn phải biết lưu lượng dòngtuần hoàn, muốn vậy thì phải thay đổi dòng khí tuần hoàn bằng cách sử dụng bộchia để chia thành 2 dòng, 01 dòng tuần hoàn (Recycle Stream) còn 01 dòng xả rakhỏi hệ thống (Relieve Stream) Sử dụng case Study: vàoTool/ Databook/ biểudiễn sự phụ thuộc của lưu lượng Hydrogen và lưu lượng methanol thu được vào

sự thay đổi tỉ lệ phân chia dòng tại Tee-100

Hình 5.4 Case Study

Nhìn vào biểu đồ trên ta thấy rằng, lưu lượng methanol thu được tăngdần theo chiều tăng của dòng hydrogen tuần hoàn tại tỷ lệ dòng tuần hoàn là 1.0( 100% tuần hoàn)

Hình 5.5 TEE-100-Parameters-Design

Hình 5.6 Recycle Stream-Composition-Worksheet

Như vậy khi tuần hoàn 100% tương đương 3173.6197 kg/h Hydrogenthì thu hồi được lượng MeOH lớn nhất với lượng 25.76kmol/h tương đương823.4kg/h

10 Xuất PFD và báo cáo

 Xuất PFD: Trong PFD của HYSYS, click chuột phải, bấmPrint PDF hoặc Print Setup, chọn máy in Adobe Acrobat Professional in luônthành file *pdf

 Xuất báo cáo: Vào Tool/Report create report chọn main case

để in workbook cho main case hoặc Bấm Ctrl+W chon main case/view màn hìnhhiện ra work book, click chuột phải chọn lệnh in và xuất ra file pdf

11 Các lỗi và cách giải quyết

 Lỗi khai báo model cho Heat Exchanger: chuyển sang loạiExchange Design (Weighted)

 Khi làm lạnh khí nén sau cấp 1 xuống nhiệt độ quá thấp sẽ dẫnđến nhiệt độ của khí nén sau cấp thứ 2 xuống thấp, sau khi trao đổi nhiệt với khí từđỉnh thiết bị phản ứng để tận dụng nhiệt sẽ xảy ra hiện tượng gây ngưng tụ lỏngtrước Expander và sẽ gặp lỗi “Liquid in inlet Stream”: khắc phục bằng cách tăngnhiệt độ làm lạnh cấp 1 lên 70oC

 Shortcut column: Nếu để Top Product là liquid thì nhiệt độcondenser sẽ rất thấp (-267.4 oC), sử dụng thông số này để chạy tháp chưng cất thìtháp không hội tụ được, xử lý bằng cách chọn đúng sản phẩm ra ở đỉnh dạng hơi.

 Khi tuần hoàn khí từ thiết bị tách, lỗi điền sai thông số áp suấtđầu ra của máy nén dẫn đến hệ thống không hội tụ được

12 Kết quả và biện luận

Như vậy, với sơ đồ công nghệ trên ta thấy khi tăng áp suất cân bằngchuyển dịch về phía tạo MeOH vì các phản ứng xảy ra theo chiều giảm áp suất, đểthu được methanol có độ tinh khiết cao hơn ta có thể tăng chỉ số hồi lưu, tăng sốđĩa của tháp chưng cất và như vậy sẽ tốn nhiều năng lượng hơn, vì vậy chọn độtinh khiết của methanol có nồng độ nước là 0.005 mol fraction là có thể chấp nhậnđược Trong công nghiệp người ta thường đi trực tiếp từ khí tự nhiên sau đó đi quaquá trình Reforming hơi nước tạo ra khí tổng hợp, khí tổng hợp được làm sạchtrước khi vào thiết bị phản ứng sử dụng xúc tác Cu-ZnO hoặc Cu-Zn-Al Ngoài 02 phản ứng chính nêu trên còn có các phản ứng phụ khác tạokhí metan và các sản phẩm khác Bài toán này chỉ dừng lại ở việc xét một thiết bịchưng cất và nhiệt độ và áp suất làm việc của hệ thiết bị và hệ chưng luyện là khácao Hiện nay, để tinh chế trên thực tế thường kết hợp 02 tháp chưng cất sơ bộ làmviệc ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn để tách phần khí nhẹ sau đó chưng cất ở thápchưng cất áp suất cao hơn để tách ra Methanol có độ tinh khiết cao hơn (đến99,88% khối lượng) Cấu trúc đĩa bên trong của các tháp chưng cũng có thể thayđổi để tăng khả năng tiếp xúc, tách methanol có hiệu quả cao hơn tạo ra sản phẩm

có độ tinh khiết cao

Khi thực hiện Study case nghiên cứu lượng Hydrogen tuần hoàn để thuđược lượng MeOH lớn nhất ta thấy khi tuần hoàn toàn bộ dòng khí không ngưng( chủ yếu là Hydro chiếm đến 95.25%mol sẽ thúc đẩy tăng phản ứng theo chiềutạo MeOH nên thu được nhiều MeOH hơn