Nghiên cứu tiến hành mô phỏng qui trình sản xuất NH3 bằng phần mềm HYSYS. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số áp suất và nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất, đồng thời xác định được thông số tối ưu của quá trình sản xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!
MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƢU QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMONIAC TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN Hồ Tấn Thành Khoa Cơng nghệ Hóa học – trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh TĨM TẮT Mơ quy trình sản xuất có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá, cải tiến tối ưu trình sản xuất Phần mềm HYSYS công cụ mô hiệu qui trình sản xuất Nghiên cứu tiến hành mơ qui trình sản xuất NH3 phần mềm HYSYS Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng thông số áp suất nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất, đồng thời xác định thông số tối ưu trình sản xuất Kết nghiên cứu dự đốn thơng số quy trình sản xuất có hiệu suất cải tiến Từ khóa: Hiệu suất, lưu lượng, mơ phỏng, phần mềm HYSYS, tối ưu hóa GIỚI THIỆU Amoniac hợp chất có ý nghĩa đặc biệt quan trọng ngành cơng nghiệp hóa học có nhiều ứng dụng thực tế Đặc biệt ngành phân bón, amoniac nguyên liệu để sản xuất loại phân đạm, đóng góp cho việc phát triển ngành nông nghiệp, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia [1] [4] Ngày nay, với phát triển vượt bậc ngành công nghệ thông tin, lập trình viên góp phần to lớn cho đời phần mềm mô Trước để lên kế hoạch cho dự án đòi hỏi nhiều thời gian khả thực dự án khó biết trước Bên cạnh đó, việc chạy thử hệ thống để tìm điều kiện thông số vận hành tối ưu nhiều thời gian vật chất Khi phần mềm mơ đời, cơng việc trở nên nhẹ nhàng nhiều, mơ hoạt động nhà máy chế độ vận hành khác nhau, thay đổi thông số làm việc đơn vị hoạt động mà khơng ảnh hưởng đến q trình hoạt động chung nhà máy Ngồi ra, với tính phầm mềm mơ thiết kế dự án khác nhau, tìm phương án tối ưu, nhanh chóng, cho kết khả quan đạt hiệu kinh tế, quan trọng áp dụng cho hầu hết lĩnh vực ngành dầu khí ngành cơng nghệ hóa học, đảm bảo tính khả thi cho dự án lớn thực tương lai [2] Quy trình sản xuất amoniac từ khí thiên nhiên trải qua nhiều giai đoạn phức tạp cần kiểm soát chặt chẽ Việc mơ q trình sản xuất cần thiết thực để nắm bắt quy trình sản xuất, thay đổi yếu tố trình ảnh hưởng đến trình sản xuất đầu sản phẩm từ tìm điều kiện tối ưu để vận hành dây chuyền sản xuất hoạt động hiệu 741 QUY TRÌNH TỔNG HỢP AMONIAC [3] 2.1 Quy trình reforming sơ cấp Các phản ứng xảy ra: CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2 (1); CH4 + 2H2O ⇌ CO2 + 4H2 (2) CO + H2O ⇌ CO2 + H2 (3); CO2 + CH4 ⇌ 2CO + 2H2 (4) Các phản ứng (1), (2), (4) phản ứng thu nhiệt Quá trình reforming sơ cấp cần bổ sung lượng nhiệt lớn, phù hợp thực áp suất thấp, nhiệt độ cao Trong công nghiệp phản ứng thực áp suất cao nhằm mục đích kinh tế, chủ yếu dùng xúc tác để đẩy mạnh có chọn lọc phản ứng (1) Nhiệt độ áp suất làm việc sau: – Nhiệt độ: 700 800oC – Áp suất: áp suất thường 0,3 0,35 MPa, áp suất cao 3,5 Mpa 2.2 Quy trình reforming thứ cấp Giai đoạn cần bổ sung không khí để cung cấp oxy cho chuyển hóa Các phản ứng xảy ra: H2 + ½ O2 ⇌ H2O (5); CO + ½ O2 ⇌ CO2 (6); CH4 + ½ O2 ⇌ CO + 2H2 (7) Trong chủ yếu phản ứng (5) H2 O2 tốc độ phản ứng gấp 103 104 lần phản ứng khác Hiệu suất chuyển hóa theo O2 đạt 99% Nhiệt độ áp suất làm việc sau: Nhiệt độ cao: 1000 1250oC; áp suất: 0,2 0,4 Mpa 2.3 Quy trình chuyển hóa CO CO có sản phẩm khí phụ thuộc vào cơng nghệ nguyên liệu, thường chiếm khoảng 10 50% thể tích Quá trình tổng hợp NH3 sử dụng N2 H2 nên yêu cầu phải chuyển hóa CO chất nhiễm khác Phản ứng chuyển hóa CO: CO + H2O ⇌ CO2 + H2 (3) Đây phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt Để tăng hiệu suất chuyển hóa CO, cơng nghiệp thường thực chuyển hóa CO qua giai đoạn: chuyển hóa nhiệt độ cao chuyển hóa nhiệt độ thấp – Chuyển hóa CO nhiệt độ cao: Nhiệt độ phản ứng 350 ÷ 500oC áp suất: ÷ Mpa – Chuyển hóa CO nhiệt độ thấp: nhiệt độ phản ứng khoảng 350oC, áp suất từ ÷ Mpa 2.4 Quy trình khử CO2 CO2 tương tự khí than ướt cần phải tách khỏi hỗn hợp khí Trong nghiên cứu này, q trình hấp thu CO2 thực dung dịch C3 = cacbonat nguyên chất với điều kiện áp suất 60,1 atm, nhiệt độ 60oC nồng độ CO2 đầu vào 20 24% 742 2.5 Quy trình methane hóa Đối với q trình reforming nước, sau chuyển hóa CO tách CO2 cịn sót lại CO CO2 hỗn hợp khí Để tránh gây ngộ độc xúc tác cho trình tổng hợp NH3 cần loại bỏ chất Phương trình phản ứng: CO + 3H2 CH4 + H2O (8); CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O (9); H2 + ½ O2 ⇌ H2O (5) Đây phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt độ làm việc thường từ 250 350oC Hàm lượng CO, CO2 giảm xuống 10 ppm Áp suất làm việc MPa, thường dùng xúc tác niken 2.6 Quy trình tổng hợp NH3 Phản ứng tổng hợp NH3: N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 (10) Đây phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, nên giảm nhiệt độ tăng áp suất làm chuyển dịch cân theo chiều thuận phía tạo sản phẩm NH3 Thực nghiệm xác định nồng độ NH3 cân tăng lên nhiệt độ thấp Nhiệt độ cao làm giảm nồng độ cân bằng, cịn làm giảm nhanh hoạt tính xúc tác Tuy nhiên, nhiệt độ thấp vận tốc phản ứng không đủ lớn Trong công nghiệp, thường tiến hành phản ứng điều kiện: nhiệt độ: 300 400oC; áp suất: 100 200 bar; xúc tác: K2O, Al2O3, CaO, SiO2 MƠ PHỎNG Q TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 3.1 Các bƣớc thực Bước 1: Khai báo cấu tử mô H2O, H2, CH4, C2H6, C3H8, CO, CO2, O2, NH3, N2, Ar, C3=cacbonat Bước 2: Chọn hệ nhiệt động phù hợp Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson Bước 3: Khởi tạo dòng vật chất Bước 4: Khởi tạo thiết bị hệ thống: reforming sơ cấp, reforming thứ cấp, methane hóa, khử CO2 tổng hợp NH3 Bước 5: Thay đổi thơng số thiết bị để tìm điều kiện vận hành tối ưu 3.2 Mơ Phỏng Bước 1: Khai báo cấu tử mô Bước khởi tạo sở mô nhập cấu tử (đơn chất hợp chất) có mặt chương trình mơ Các cấu tử chọn methane (CH4), H2O, CO, CO2, hydrogen (H2), oxygen (O2), nitrogen (N2), ammonia (NH3), C2H6, C3H8, air, C3 = cacbonat Bước 2: Chọn hệ nhiệt động phù hợp (FluidsPackage) Trong hệ thống phần lớn cấu tử dạng khí, ngồi ứng dụng với dầu, khí hóa dầu phương trình trạng thái Peng-Robinson ứng dụng phổ biến phù hợp Bước 3: Khởi tạo dòng vật chất 743 – Khởi tạo khai báo dịng khơng khí với thơng số sau: Bảng Dữ liệu dịng khơng khí Bảng Dữ liệu dịng Methane Khởi tạo khai báo dịng khí nguyên liệu chứa Methane (CH4): Bước 4: Khởi tạo thiết bị 744 Thiết bị Reforming sơ cấp Thiết bị Reforming thứ cấp Bảng Dữ liệu thiết bị Reforming sơ cấp Bảng Dữ liệu thiết bị Reforming thứ cấp Thiết bị chuyển hóa CO Thiết bị khử CO2 (Absorber) Bảng Dữ liệu thiết bị chuyển hóa CO Bảng Dữ liệu cho tháp khử CO2 Thiết bị methane hóa Bảng Dữ liệu thiết bị Methane hóa Thiết bị tổng hợp NH3 Bảng Dữ liệu cho thiết bị tổng hợp NH3 Quy trình sản xuất Amoniac mơ HYSYS Hình Quy trình sản xuất amoniac mô phần mềm HYSYS 745 KHẢO SÁT TÌM ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH TỐI ƢU 4.1 Quá trình reforming sơ cấp Nhiệt độ reforming Thay đổi nhiệt độ reforming sơ cấp từ 500oC đến 1000oC theo khoảng nhiệt độ hoạt động xúc tác với bước nhảy 50oC Bảng Ảnh hưởng nhiệt độ reforming sơ cấp đến lưu lượng sản phẩm STT Nhiệt độ reforming (oC) Lƣu lƣợng (kmol/h) STT Nhiệt độ reforming (oC) Lƣu lƣợng (kmol/h) 500 1112 800 1233 550 1139 850 1236 600 1165 900 1236 650 1189 10 950 1236 700 1209 11 1000 1236 750 1224 Kết khảo sát (bảng 9) cho thấy, tăng nhiệt độ lưu lượng dịng sản phẩm tăng đến 800oC tăng nhiệt độ lưu lượng sản phẩm không đổi Áp suất Reforming Thực thay đổi áp suất trình reforming sơ cấp từ 400 4000 kPa theo khoảng hoạt động xúc tác với bước nhảy 400 kPa Bảng 10 Ảnh hưởng áp suất lượng sản phẩm STT Áp suất reforming (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) STT Áp suất reforming (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) 400 1334 2400 1324 800 1334 2800 1321 1200 1334 3200 1319 1600 1330 3600 1317 2000 1326 10 4000 1316 Kết khảo sát bảng 10 cho thấy, thay đổi áp suất trình reforming sơ cấp lưu lượng dịng sản phẩm thay đổi khơng đáng kể Chọn áp suất 400 kPa để thực trình reforming sơ cấp 746 4.2 Quá trình reforming thứ cấp Lƣu lƣợng dịng khơng khí nhập liệu Thay đổi lưu lượng nhập liệu dịng khơng khí từ 1000 kmol/h đến 2500 kmol/h làm thay đổi lưu lượng dòng NH3 sản phẩm (bảng 11, hình 4) Kết cho thấy điểm tối ưu cho dịng nhập liệu khơng khí 2000 kmol/h giá trị lưu lượng dòng NH3 lớn 2440 kmol/h Bảng 11 Ảnh hưởng lưu lượng dòng khơng khí nhập liệu đến lượng sản phẩm STT Lƣu lƣợng khơng khí (kmol/h) Lƣu lƣợng NH3 (kmol/h) STT Lƣu lƣợng khơng khí (kmol/h) Lƣu lƣợng NH3 (kmol/h) 1000 1243 1800 2254 1100 1384 10 1900 2349 1200 1486 11 2000 2445 1300 1588 12 2100 1545 1400 1686 13 2200 1537 1500 1787 14 2300 1518 1600 1883 15 2400 1510 1700 2158 16 2500 1502 Nhiệt độ reforming thứ cấp Thay đổi nhiệt độ reforming khoảng 800 1600oC theo khoảng hoạt động xúc tác thu kết lưu lượng dòng sản phẩm (bảng 12, hình 5) Bảng 12 Ảnh hưởng nhiệt độ reforming thứ cấp đến lưu lượng sản phẩm STT Nhiệt độ reforming (oC) Lƣu lƣợng (kmol/h) STT Nhiệt độ reforming (oC) Lƣu lƣợng (kmol/h) 800 931 1300 1316 900 1177 1400 1317 1000 1379 1500 1317 1100 1312 1600 1317 1200 1315 Điểm tối ưu kết khảo sát (bảng 12) 1000oC cho lưu lượng dòng sản phẩm 1379 kmol/h Áp suất reforming thứ cấp Thay đổi áp suất trình reforming thứ cấp khoảng 2500 3500 kPa nhận thấy lưu lượng sản phẩm không thay đổi đáng kể (bảng 13) Vì chọn áp suất reforming sơ cấp 2500 kPa Bảng 13 Ảnh hưởng nhiệt độ reforming thứ cấp tới lưu lượng sản phẩm 747 STT Áp suất reforming (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) STT Áp suất reforming (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) 2500 1160 3100 1161 2600 1160 3200 1162 2700 1160 3300 1162 2800 1161 10 3400 1162 2900 1161 11 3500 1162 3000 1161 4.3 Quá trình tổng hợp NH3 Nhiệt độ tổng hợp NH3 Dựa theo nhiệt độ hoạt động xúc tác từ 350 600oC thay đổi nhiệt độ tổng hơp NH3 với bước nhảy 20oC lưu lượng dòng sản phẩm đầu thay đổi (bảng 14, hình 6) Bảng 14 Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp NH3 tới lưu lượng sản phẩm STT Nhiệt độ (oC) Lƣu lƣợng sản phẩm (kmol/h) STT Nhiệt độ (oC) Lƣu lƣợng sản phẩm (kmol/h) 350 1509 490 1500 370 1496 510 1487 390 1480 10 530 1473 410 1471 11 550 1460 430 1458 12 570 1447 450 1473 13 590 1507 470 1513 Kết xác định điểm tối ưu 470oC cho lưu lượng sản phẩm 1513 kmol/h Áp suất tổng hợp NH3 Thay đổi áp suất trình tổng hợp NH3 từ 5000 60000 kPa theo khoảng hoạt động xúc tác thu giá trị lưu lượng dòng sản phẩm bảng 15 748 Bảng 15 Ảnh hưởng áp suất tổng hợp NH3 đến lưu lượng sản phẩm STT Áp suất (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) STT Áp suất (kPa) Lƣu lƣợng (kmol/h) 5000 1446 35000 1451 10000 1465 40000 1448 15000 1462 45000 1445 20000 1459 10 50000 1442 25000 1457 11 55000 1435 30000 1454 12 60000 1436 Theo bảng 15, khoảng áp suất làm việc xúc tác, trình tổng hợp NH3 áp suất 10000 kPa cho lưu lượng NH3 sản phẩm lớn 1465 kmol/h 4.4 Kết Sau khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến q trình tổng hợp NH3 chúng tơi xác định thông số tối ưu để vận hành q trình sau (bảng 16): Bảng 16 Các thơng số tối ưu cho trình vận hành tổng hợp NH3 từ khí thiên nhiên STT Q trình Reforming sơ cấp Reforming thứ cấp Tổng hợp NH3 Thông số vận hành Nhiệt độ: 800oC Áp suất : 400 kPa Nhiệt độ: 1000oC Áp suất: 2500 kPa Nhiệt độ: 470oC Áp suất: 10000 kPa KẾT LUẬN Kết đề tài giúp nhà máy: – Kiểm sốt thơng số vận hành (nhiệt độ, áp suất) trình sản xuất – Tìm điều kiện vận hành tối ưu thực đơn nguyên liệu ban đầu thay đổi – Điều chỉnh chế độ vận hành để tạo sản phẩn yêu cầu đặt hàng Tối ưu hóa q trình sản xuất việc làm thường xuyên bắt buộc nhà máy Tuy nhiên, vận hành quy trình thật tốn nhiều thời gian chi phí Do đó, việc ứng dụng phần mềm mơ HYSYS để mơ hình hóa tối ưu hóa quy trình sản xuất giúp nhà máy rút ngắn thời gian tiết kiệm chi phí trình xác định điều kiện vận hành tối ưu 749 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Toàn, Lê Thị Mai Hương: Công nghệ hợp chất vô nitơ, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội(2005) [2] Nguyễn Thị Minh Hiền: Mơ cơng nghệ hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội(2012) [3] Nguyễn Thị Diệu Vân: Kỹ thuật hóa học đại cương, NXB Bách khoa, Hà Nội(2013) [4] Max Appl: Ammonia - principles and industrial practice, Wiley-VCH, New York(1999) [5] Gary R Maxwell: Synthetic nitrogen products - A practical guide to the products and processes, Kluwer Academic Publishers, New York(2004) 750 ... liệu cho thiết bị tổng hợp NH3 Quy trình sản xuất Amoniac mơ HYSYS Hình Quy trình sản xuất amoniac mô phần mềm HYSYS 745 KHẢO SÁT TÌM ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH TỐI ƢU 4.1 Quá trình reforming sơ cấp Nhiệt... độ, áp suất) trình sản xuất – Tìm điều kiện vận hành tối ưu thực đơn nguyên liệu ban đầu thay đổi – Điều chỉnh chế độ vận hành để tạo sản phẩn yêu cầu đặt hàng Tối ưu hóa q trình sản xuất việc... xuyên bắt buộc nhà máy Tuy nhiên, vận hành quy trình thật tốn nhiều thời gian chi phí Do đó, việc ứng dụng phần mềm mơ HYSYS để mơ hình hóa tối ưu hóa quy trình sản xuất giúp nhà máy rút ngắn