MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS

BÁO CÁO THỰC HÀNH CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS Sinh viên thực hiện: Lê Đức Tâm Chuyên ngành: Lọc – Hóa Dầu MSSV: 04PPR110013 Lớp: K4LHD Đề 22 - Quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Độ chuyển hóa của phản ứng (1) và (2) theo CO và CO2 là 90.6% và 45.1%. Khí tổng hợp gồm 16%CO, 9%CO2, 75%H2 ở 30oC, 1 atm được nén hai cấp lên 10 MPa. Hỗn hợp khí trước khi vào thiết bị phản ứng được gia nhiệt bằng dòng khí nóng sau phản ứng lên đến 210oC. Hỗn hợp khí sau phản ứng được giảm áp đến 300 kPa, làm lạnh đến 25oC rồi vào tháp tách. Sản phẩm ra khỏi tháp tách được đưa vào tháp chưng cất MeOH. Áp suất của đỉnh tháp và đáy tháp là 180 kPa và 210 kPa. MeOH thu ở đỉnh tháp được đưa về áp suất khí quyển rồi chuyển vào thùng chứa. 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. Tính cân bằng vật liệu và cân bằng năng lượng toàn công nghệ 4. Dòng khí từ đỉnh tháp tách vẫn lẫn MeOH và nguyên liệu chưa phản ứng. Tuần hoàn lại dòng khí này vào trước máy nén thứ hai. 5. Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu được lượng MeOH lớn nhất. Các thiết bị trao đổi nhiệt có DeltaP = 70kPa.

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM BÁO CÁO THỰC HÀNH CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG Q TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS Sinh viên thực hiện: Lê Đức Tâm Chuyên ngành: Lọc – Hóa Dầu MSSV: 04PPR110013 Lớp: K4LHD Đề 22 - Quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Độ chuyển hóa phản ứng (1) (2) theo CO CO2 90.6% 45.1% Khí tổng hợp gồm 16%CO, 9%CO2, 75%H2 30oC, atm nén hai cấp lên 10 MPa Hỗn hợp khí trước vào thiết bị phản ứng gia nhiệt dịng khí nóng sau phản ứng lên đến 210oC Hỗn hợp khí sau phản ứng giảm áp đến 300 kPa, làm lạnh đến 25oC vào tháp tách Sản phẩm khỏi tháp tách đưa vào tháp chưng cất MeOH Áp suất đỉnh tháp đáy tháp 180 kPa 210 kPa MeOH thu đỉnh tháp đưa áp suất khí chuyển vào thùng chứa Thiết bị phản ứng làm việc chế độ đẳng nhiệt, trì 250oC Xác định thông số làm việc tháp: số đĩa tối thiểu, số đĩa thực tế, đĩa nạp liệu tối ưu, số hồi lưu tối thiểu Xây dựng sơ đồ cơng nghệ Tính cân vật liệu cân lượng tồn cơng nghệ Dịng khí từ đỉnh tháp tách lẫn MeOH nguyên liệu chưa phản ứng Tuần hồn lại dịng khí vào trước máy nén thứ hai Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu lượng MeOH lớn Các thiết bị trao đổi nhiệt có DeltaP = 70kPa Yêu cầu: Viết gửi file word: • Trình tự tiến hành mơ • Biện luận, phân tích q trình mơ phỏng, lỗi cách giải • Phân tích kết nhận • Xuất in báo cáo (PFD Workbook) Các case theo yêu cầu đầu Đặt tên file theo họ tên sinh viên Tất file lưu vào thư mục ghi rõ STT-họ tên (tiếng Việt không dấu) theo danh sách lớp (ví dụ: 1-Nguyen Van A), gửi cho thầy trước ngày 23/8/2018 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU BÁO CÁO Sơ đồ công nghệ thuyết minh Quy trình mô 2.1 Khai báo cấu tử 2.2 Lựa chọn hệ nhiệt động 2.3 Khai báo phản ứng 2.4 Vào môi trường mô (Return to Simulation Enviroment) 11 Kết luận 24 3.1 Tính tốn thơng số tháp chưng 24 3.2 Xây dựng sơ đồ công nghệ 25 3.3 Tính cân vật chất lượng 25 3.4 Tính tồn lưu lượng tuần hoàn để Methanol thu lớn 26 Một số lỗi gặp mô 28 4.1 Lỗi Ft correction Factor is low 28 4.2 Lỗi Liquid in inlet stream 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp Hình Khai báo cấu tử Hình Giao diện chọn Fluid Package Hình Giao diện Reaction tab Hình Thiết lập phản ứng Hình Nhập độ chuyển hóa Co phản ứng Hình Thiết lập phản ứng Hình Nhập độ chuyển hóa Co phản ứng Hình Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets 10 Hình 10 Giao diện Reaction Sets 10 Hình 11 Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho phản ứng 10 Hình 12 Thơng số dịng SynGas 11 Hình 13 Comp-1 Parameter Design 11 Hình 14 Giao diện Cooler-1 Connections 12 Hình 15 Mixer Connection Design 12 Hình 16 Comp-2 Connections Design 13 Hình 17 Comp-2 Parameters Design 13 Hình 18 Heat Exchanger Connections Design 14 Hình 19 Heat Exchanger Parameters Design 14 Hình 20 Methanol Synthesis Reactor Connections Design 15 Hình 21 Methanol Synthesis Reactor Reaction Results 15 Hình 22 Expander Connections Design 16 Hình 23 Expander Conditions Worksheet 16 Hình 24 Cooler-2 Conditions Worksheet 17 Hình 25 Seperator Conditions Worksheet 17 Hình 26 Shortcut Column Parameters Design 18 Hình 27 Kết giả tính tốn tháp chưng 18 Hình 28 Distillation Column Connections Design 19 Hình 29 Distillation Column Monitor Design 20 Hình 30 Kết tháp chưng 20 Hình 31 Cooler-4 Conditions Worksheet 21 Hình 32 Thơng số dòng sản phẩm Methanol 21 Hình 33 TEE-100 Connections Design 22 Hình 34 Comp-3 Connections Design 22 Hình 35 Cooler-3 Connections Design 23 Hình 36 RCY-1 Connections 23 Hình 37 Kết tính tốn cân vật chất cho trình 25 Hình 38 Kết tính tốn cân lượng cho trình 26 Hình 39 Đồ thị quan hệ lưu lượng hồi lưu ảnh hưởng đến lưu lượng Methanol sản phẩm công suất máy nén Comp-2, Comp-3 Cooler-3 27 Hình 40 Lỗi Ft Correction Factor Is Low 28 Hình 41 Khắc phục lỗi Ft Correction is low 28 Hình 42 Lỗi Liquid in inlet stream 29 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Thơng số tính tốn tháp chưng Shortcut Column 19 BÁO CÁO Sơ đồ công nghệ thuyết minh Hình Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp methano từ khí tổng hợp thể Hình Phản ứng chính: CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Theo đề phản ứng thực 250oC, áp suất 10Mpa (100 bar), độ chuyển hóa phản ứng (1) 90.6% theo CO phản ứng (2) 45.1% theo CO2 Giả định lưu lượng khí tổng hợp ban đầu (Syngas) 100kgmol/hr áp suất ban đầu atm nén cấp, cấp nén lên 5Mpa Comp-1, sau nén dịng khí làm lạnh xuống 70oC Cooler trước trộn với dịng khí hồi lưu (Recycle) MIX100 tới máy nén (Comp-2) ( nén cấp sau nén cấp nhiệt độ dịng khí tăng cao nên cần làm lạnh để đảm bảo hiệu nén cấp nén để dòng lên đến áp suất 10Mpa) Hỗn hợp khí (dịng 4) sau nén Comp-2 gia nhiệt dịng khí sau phản ứng thiết bị tổng hợp Methanol (Methanol Synthesis Reactor) thiết bị trao đổi nhiệt HE tới 210oC Thiết bị phản ứng Methanol Synthesis Reactor hoạt động đẳng nhiệt 250oC Dịng khí sau phản ứng Reactor Outlet Gas tận dụng nhiệt dòng tới Expender để giảm áp xuống 0.3 Mpa tiếp tục làm lạnh xuống 25oC trước đưa vào thiết bị tách pha (Seperator) Tại Seperator dịng khí chủ yếu H2 CO2 nén, làm lạnh trước hồi lưu để trộn với dịng khí phản ứng ban đầu Dòng lỏng sau khỏi thiết bị tách pha đưa vào tháp chưng cất để chưng Methanol tinh khiết, sau giảm áp giảm nhiệt xuống điều kiện môi trường trước đưa tồn trữ Sử dụng Shortcut Column để tính tốn sơ thơng số tháp chưng cất số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu Quy trình mơ 2.1 Khai báo cấu tử Nhập thành phần cấu tử: CO, CO2, H2, CH3OH H2O Hình Hình Khai báo cấu tử 2.2 Lựa chọn hệ nhiệt động Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson (PR) hệ nhiệt động PR có thư viện tính tốn hỗ trợ hầu hết hợp chất hydrocacbon cấu tử khai báo hoàn toàn hỗ trợ hệ nhiệt động Tại giao diện Simulation Basic Manager chọn Fluid Pkgs tab, bấm Add chọn hệ nhiệt động cho mơ Peng-Robinson Hình Hình Giao diện chọn Fluid Package 2.3 Khai báo phản ứng Theo đề phản ứng tổng hợp Methanol phản ứng chuyển hóa Do thiết lập phản ứng loại Conversion thiết lập gói phản ứng với thứ tự phản ứng phản ứng (1) xảy trước sau phản ứng (2) Tại giao diện Simulation Basis Manager chọn tab Reaction hình Hình Giao diện Reaction tab Sau chọn Add Rxn, chọn loại phản ứng Conversion Sau giao diện Conversion Reaction Rxn-1 lên Tại Stoichiometry, khai báo hệ số phương trình phản ứng độ chuyển hóa phản ứng 90.6% tab Basic Hình Thiết lập phản ứng Hình Nhập độ chuyển hóa Co phản ứng Phản ứng thực tương tự phản ứng khác thông số Hình 22 Expander Connections Design Hình 23 Expander Conditions Worksheet Tiếp tục giảm nhiệt độ dịng khí sau phản ứng dòng xuống 25oC trước đến tháp tách pha Cooler-2 16 Hình 24 Cooler-2 Conditions Worksheet Thêm thiết bị tách pha để tách dòng lỏng hỗn hợp chủ yếu gồm Methanol nước khỏi dịng khí chủ yếu H2 CO2 Add Seperator thông số sau Hình 25 Seperator Conditions Worksheet Để tính tốn thơng số tháp chưng bao gồm tính số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu số hồi lưu tối thiểu, Aspen Hysys cung cấp thiết bị có tên Shortcut Distillation để tính tốn sơ trước thêm tháp chưng 17 Add Shortcut Distillation, sau khai báo thơng số Hình 26 Hình 26 Shortcut Column Parameters Design Hình 27 Kết giả tính tốn tháp chưng Như sau nhập thông số yêu cầu cho tháp chưng, kết thể Hình 27 Tồn thơng số tháp chưng thể bảng 18 Bảng Thơng số tính tốn tháp chưng Shortcut Column Thông số nhập Giá trị Nồng độ cấu tử khóa nhẹ Methanol 1% Nồng độ cấu tử khóa nặng nước đỉnh 0.5% Áp suất đỉnh 1.8 bar Áp suất đáy 2.1 bar Tỉ số hồi lưu 1.5 Thông số kết Giá trị Số đĩa lý thuyết 7.654 (làm tròn thành đĩa) Số đĩa thực tế 11.581 (làm trịn thành 12 đĩa) Vị trí nhập liệu 5.317 (Chọn đĩa để tính tốn) Sau tính tốn thơng số cần thiết tháp chưng, thêm tháp chưng vào để tiếp tục trình Add Distillation Column, khai báo thơng số hình sau Hình 28 Distillation Column Connections Design 19 Hình 29 Distillation Column Monitor Design Hình 30 Kết tháp chưng 20 Sau dịng sản phẩm Methanol đưa đến điều kiện môi trường (nhiệt độ 35oC áp suất 1atm) nhờ vào Cooler-4 thể hình Hình 31 Cooler-4 Conditions Worksheet Hình 32 Thơng số dịng sản phẩm Methanol 21 Cịn dịng khí tuần hồn Vapour Seperator đưa đến TEE-100 để điều chỉnh lưu lượng tuần hồn Hình 33 TEE-100 Connections Design Dịng khí tuần hồn sau đưa tới máy nén Comp-3 để tăng áp lên 5Mpa Cooler3 để gảm nhiệt xuống 100oC để phù hợp trộn với dịng sản phẩm đầu vào Hình 34 Comp-3 Connections Design 22 Hình 35 Cooler-3 Connections Design Trước đưa trộn với dòng sản phẩm đầu MIX-100, thêm cơng cụ logic Recycle để ổn định dịng tuần hồn Hình 36 RCY-1 Connections 23 Kết luận Như q trình mơ hồn tất Với lưu lượng khí ban đầu giả định 100 kgmole/hr tương ứng với 3.205 m3/hr (995.5kg/hr) với dòng lưu lượng hồi lưu 150 kgmole/hr thu Methanol tương ứng 0.907 m3/hr (722.1kg/hr) Và số thông số quan trọng khác trình thể mục sau 3.1 Tính tốn thơng số tháp chưng Như trình phần Quy trình mơ phỏng, tháp chưng tính tốn nhờ vào cơng cụ Shortcut Distillation có kết Bảng Thơng số nhập Nồng độ cấu tử khóa nhẹ Methanol Giá trị 1% Nồng độ cấu tử khóa nặng nước đỉnh 0.5% Áp suất đỉnh 1.8 bar Áp suất đáy 2.1 bar Tỉ số hồi lưu 1.5 Thông số kết Giá trị Số đĩa lý thuyết 7.654 (làm tròn thành đĩa) Số đĩa thực tế 11.581 (làm trịn thành 12 đĩa) Vị trí nhập liệu 5.317 (Chọn đĩa để tính tốn) 24 3.2 Xây dựng sơ đồ công nghệ Sơ đồ công nghệ xây dựng mục dựa theo đề Hình Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp 3.3 Tính cân vật chất lượng Sử dụng công cụ Property Balance Utility Uilities để thực tính tốn cân cho hệ Hình 37 Kết tính tốn cân vật chất cho trình 25 Cân vật chất thể Hình 37 với sai số trình 0.12% (chấp nhận) Hình 38 Kết tính tốn cân lượng cho q trình Cân lượng thể Hình 38 với sai số trình 0.49% (chấp nhận) 3.4 Tính tồn lưu lượng tuần hồn để Methanol thu lớn Thực chạy Case Study, với biến thay đổi lưu lượng dòng Recycle biến phụ thuộc lưu lượng Methanol to tank thực khảo sát thêm Công suất (P) máy nén Comp-3, Comp-2 Cool-3 để chọn điều kiện tối ưu Sau chạy Case Study xong kết hợp Excel để xử lý số liệu kết Hình 39 26 900 2500 2000 700 600 1500 500 400 1000 Công suất kW Lưu lượng Methanol kg/hr 800 300 200 500 100 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180 198 216 234 252 270 288 306 324 342 360 378 396 414 432 450 468 486 Lưu lượng dòng hồi lưu kgmole/hr lưu lượng Methanol Công Cooler-3 Công suất Comp-2 Công suất Comp-3 Hình 39 Đồ thị quan hệ lưu lượng hồi lưu ảnh hưởng đến lưu lượng Methanol sản phẩm công suất máy nén Comp-2, Comp-3 Cooler-3 Từ đồ thị dễ dàng nhận thấy lưu lượng hồi lưu lớn lưu lượng Methanol thu lớn kèm theo cơng suất u cầu máy nén thiết bị làm lạnh lớn Từ đồ thị cho thấy lưu lượng hồi lưu tăng lên khoảng 150 kgmole/hr dịng lưu lượng Methanol sản phẩm thay đổi ít, nên chọn lưu lượng 150 kgmole/hr lưu lượng hồi lưu điều kiện tối ưu cơng suất tiêu tốn tương đối phù hợp 27 Một số lỗi gặp mô 4.1 Lỗi Ft correction Factor is low Xuất có dòng trao đổi nhiệt xuất dòng bị đổi pha trình trao đổi nhiệt Hình 40 Lỗi Ft Correction Factor Is Low Khắc phục: đổi mô hình trao đổi nhiệt từ End Point thành Weighted Hình 41 Khắc phục lỗi Ft Correction is low 28 4.2 Lỗi Liquid in inlet stream Lỗi xuất dịng vào máy nén Expander khơng hồn tồn pha khí Hình 42 Lỗi Liquid in inlet stream Khắc phục: điều chỉnh thông số khác nhiệt độ để dịng vào hồn tồn pha khí 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Aspen HYSYS Operations Guide, 2005 Dr Ruhul Amin cộng sự, Simulation of Methanol Production from Synthesis Gas, Department of Chemical EngineeringBangladesh University of Engineering and Technology, Dhaka-1000, Bangladesh 30 ... Sơ đồ cơng nghệ thuyết minh Hình Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp methano từ khí tổng hợp thể Hình Phản ứng chính: CO + H2 → CH3OH (1)...Đề 22 - Q trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Độ chuyển hóa phản ứng (1) (2) theo CO CO2 90.6% 45.1% Khí tổng hợp gồm 16%CO, 9%CO2,... nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp 3.3 Tính cân vật chất lượng Sử dụng công cụ Property Balance Utility Uilities để thực tính tốn cân cho hệ Hình 37 Kết tính tốn cân vật chất cho trình