Tổng quan phần mềm

Một phần của tài liệu Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với năng suất 450000 tấn một năm (Trang 96 - 131)

3.1.1. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp. Mô phỏng là một công cụ cho phép tiến hành công việc hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới, phân tích nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.

Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trƣờng hợp hơn trong cùng thời gian với độ chính xác cao hơn so với tính toán bằng tay. Hơn nữa, mô phỏng có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm.

Ứng dụng của thiết kế mô phỏng thƣờng đƣợc sử dụng để:  Thiết kế một quá trình mới;

 Thử lại, kiểm tra lại các quá trình đang tồn tại;  Hiệu chỉnh các quá trình đang vận hành;  Tối ƣu hóa các quá trình vận hành.

Trong ngành công nghệ hóa học, có rất nhiều các phần mềm kỹ thuật đƣợc nghiên cứu xây dựng để hỗ trợ cho quá trình tính toán thiết kế, mô phỏng trạng thái tĩnh/động và tối ƣu hóa dây chuyền công nghệ. Mỗi phần mềm đều có thế mạnh riêng, bao gồm:

 DESIGN II (Chemshare, Mỹ): sử dụng trong công nghệ hóa học nói chung;

 PRO/II (Simsci, Mỹ): sử dụng mô phỏng tĩnh trong công nghệ hóa học, công nghệ lọc hóa dầu ;

 HYSYS (Aspentech, Mỹ): sử dụng trong công nghiệp chế biến khí;  DYNSIM (Simsci, Mỹ): sử dụng mô phỏng động trong công nghệ hóa

Trong các phần mềm kể trên, phần mềm Hysys là phần mềm mô phỏng nổi tiếng nhất, đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Trong đề tài này, phần mềm Hysys đƣợc lựa chọn là phần mềm chính để mô phỏng đơn giản phân xƣởng Amoniac. Bên cạnh đó, đề tài còn sử dụng phần mềm PRO/II. để tham khảo và hỗ trợ cho Hysys.

3.1.2. PHẦN MỀM HYSYS

Hysys là phầm mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ đƣợc dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí đƣợc sử dụng nhiều nhất.

Hysys chạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm này trƣớc đây dùng trên hệ điều hành Dos.

Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech-Canada thuộc công ty AEA Tech- nologie Engineering Software - Hyprotech Ltd. Là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Ngoài thƣ viện có sẵn, Hysys cho phép ngƣời sử dụng tạo các thƣ viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng. Ngoài ra Hy- sys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp ngƣời sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau.

Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng

 Steady Mode: Trạng thái tĩnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quá trình.

 Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông số.

Hình 3.1: Giao diện phần mềm mô phỏng Hysys.

3.1.3. PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PHÂN XƢỞNG AMONIAC AMONIAC

3.1.3.1. Những giả định trong mô hình mô phỏng

Quá trình xây dựng mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac đơn giản đã sử dụng một số giả định sau:

 Mô phỏng tƣợng trƣng quá trình khử lƣu huỳnh cho nguồn khí bằng bình tách (vì giả định khí không có lƣu huỳnh)

 Quá trình mô phỏng chƣa tính đến năng lƣợng của thiết bị.

 Không tính đến quá trình ăn mòn thiết bị trong hệ thống thiết bị phản ứng, đƣờng ống;

 Không tính đến sự giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt do hiện tƣợng đóng cặn;

3.1.3.2. Các công cụ sử dụng trong mô hình mô phỏng

Những thiết bị chính đƣợc sử dụng trong mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac

Máy nén: Máy nén đƣợc sử dụng để nén khí tổng hợp đến áp suất cao trƣớc khi vào thiết bị tổng hợp Amoniac. Máy nén đƣợc thiết lập bằng công cụ Compres-

sor trong phần mềm Hysys, áp suất cửa đẩy của máy nén đƣợc thiết lập theo thông số áp suất yêu cầu;

Máy giãn nở: Máy giãn nở đƣợc sử dụng để giảm áp suất của dòng khí công nghệ xuống áp suất yêu cầu. Máy giãn nở đƣợc thiết lập bằng công cụ Expander

trong phần mềm Hysys, áp suất đầu ra của máy giãn nở đƣợc thiết lập theo thông số áp suất yêu cầu;

Thiết bị trao đổi nhiệt: Thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc sử dụng để trao đổi nhiệt năng giữa dòng lƣu chất nóng và dòng lƣu chất lạnh. Các thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc thiết lập bằng công cụ mô phỏng Heat Exchanger trong phần mềm Hysys, chế độ chuyển động của lƣu chất nóng, lƣu chất lạnh, nhiệt độ đầu vào và đầu ra của dòng lƣu chất, tổn thất áp suất, hệ số trao đổi nhiệt, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, và công suất nhiệt đƣợc tham chiếu theo các giá trị tính toán của nhà chế tạo thiết bị;

Bộ trộn: Bộ trộn đƣợc sử dụng để trộn các dòng lƣu thể trong mô hình mô phỏng. Bộ trộn dòng đƣợc mô phỏng bằng công cụ Mixer trong phần mềm Hysys.

Thiết bị phản ứng chuyển hóa: Thiết bị phản ứng chuyển hóa đƣợc sử dụng để mô phỏng các phản ứng chuyển hóa trong phân xƣởng Amoniac nhƣ phản ứng reforming sơ cấp hydrocarbon bậc cao thành CH4, phản ứng đốt khí tổng hợp của thiết bị reforming thứ cấp, phản ứng methane hóa. Thiết bị phản ứng chuyển hóa đƣợc mô phỏng bằng công cụ Conversion Reactor trong phần mềm Hysys. Hệ phản ứng, áp suất, độ chuyển hóa đƣợc thiết lập theo số liệu thiết kế của nhà cung cấp thiết bị và bản vẽ PFD;

Thiết bị phản ứng cân bằng: Thiết bị phản ứng cân bằng đƣợc sử dụng để mô phỏng các phản ứng cân bằng nhƣ phản ứng reforming của methane và carbon monoxide, phản ứng chuyển hóa CO, phản ứng tổng hợp Amoniac. Thiết bị phản ứng cân bằng đƣợc mô phỏng bằng công cụ Equilibrium Reactor trong phần mềm Hysys. Hệ phản ứng, áp suất, hằng số cân bằng đƣợc thiết lập theo số liệu thiết kế của nhà cung cấp thiết bị, bản vẽ PFD và cơ sở dữ liệu của HYSYS

Bình tách: Bình tách đƣợc sử dụng để mô phỏng quá trình tách pha lỏng-hơi, đƣợc mô phỏng bằng công cụ Saperator trong phần mềm Hysys.

3.1.3.3. Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng

Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac đƣợc thể hiện trong hình theo sau.

Hình 3.2: Phƣơng pháp xây dựng mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac

Đạt Không đạt Bắt đầu Thiết lập hệ cấu tử Thiết lập hệ nhiệt động

Xây dựng sơ đồ công nghệ

Hiệu chỉnh mô hình Chạy mô phỏng Phân tích kết quả Kết quả

3.1.3.3.1. Thiết lập hệ cấu tử

Lựa chọn những cấu tử tham gia vào quá trình từ ngân hàng dữ liệu đã xây dựng trong Hysys, gồm có những cấu tử CH4, C2H6, N2, O2, H2, H2O, CO, CO2, NH3. Hệ cấu tử cho mô hình mô phỏng này đƣợc thiết lập nhƣ hình theo sau.

Hình 3.3: Thiết lập hệ cấu tử cho mô hình mô phỏng

3.1.3.3.2. Thiết lập hệ nhiệt động

Việc lựa chọn hệ nhiệt động thích hợp cho mô hình mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hƣởng rất lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng. Mỗi phƣơng pháp nhiệt động cho phép tính toán các thông số bao gồm hằng số cân bằng K, en- thalpy, entropy và tỷ trọng.

Để lựa chọn một hệ nhiệt động thích hợp, cần dựa vào các yếu tố sau:

 Bản chất của các đặc trƣng nhiệt động của hệ nhƣ: hằng số cân bằng lỏng-hơi (VLE: Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chƣng cất cô đặc bốc hơi hoặc trích ly…;

 Thành phần hỗn hợp;

 Phạm vi nhiệt độ và áp suất;

Hình 3.4: Thiết lập hệ nhiệt động SRK-Twu (mặc định) cho mô hình mô phỏng

3.1.3.3.3. Xây dựng sơ đồ công nghệ

Để thực hiện mô phỏng phân xƣởng Amoniac theo định hƣớng phù hợp với quá trình đánh giá những ảnh hƣởng khi thay đổi thành phần và tính chất nguồn khí nguyên liệu, cần thiết phải thực hiện quá trình mô phỏng với mô hình tƣơng ứng sau:

Xây dựng mô hình mô phỏng phù hợp với quá trình đánh giá tổng quan toàn phân xưởng NH3: tiến hành mô phỏng các cụm riêng lẻ, thực hiện kết nối dữ liệu các cụm và mô phỏng toàn phân xƣởng Amoniac trên cùng một file để đánh giá tổng quan sự thay đổi của toàn phân xƣởng Amoniac khi thay đổi nguồn khí nguyên liệu;

Xây dựng mô hình mô phỏng sát với công nghệ thực tế: xây dựng mô hình mô phỏng theo các thông số cũng nhƣ cấu tạo thiết bị từ bản vẽ PFD

 Mô phỏng các thiết bị trong phân xƣởng sao cho có thể khảo sát đƣợc sự thay đổi của các dòng các thiết bị khi dòng nguyên liệu bị thay đổi: mô phỏng các thiết bị phản ứng dạng cân bằng (equilibrium reactor) với dữ liệu các phản ứng là phản ứng cân bằng, để có thể dễ dàng thấy đƣợc sự thay đổi về nhiệt độ cũng nhƣ thành phần các dòng sản phẩm khi thay đổi nguồn khí nguyên liệu. Đồng thời, các thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc mô phỏng theo nhiệt độ dòng lƣu thể nóng/lạnh, và giá trị công suất nhiệt theo bản vẽ PFD.

Mô phỏng các thiết bị tách tương ứng với thực tế: đối với các thiết bị tách không bị ràng buộc về năng lƣợng, nhiệt độ hay áp suất thì mô phỏng bằng các bình tách với năng lƣợng bằng không, tổn thất áp suất bằng không, nhằm xem xét đƣợc sự thay đổi lƣợng lỏng hơi ở đầu ra thiết bị khi có sự thay đổi ở nguồn khí nguyên liệu;

3.1.3.3.4. Đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng

Để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac và để đảm bảo việc sử dụng mô hình mô phỏng này đánh giá ảnh hƣởng khi thay đổi nguồn khí nguyên liệu, kết quả mô phỏng bao gồm công suất nhiệt của các thiết bị (thiết bị trao đổi nhiệt) và thành phần và tính chất dòng công nghệ (thành phần, nhiệt độ, lƣu lƣợng, áp suất,…) phải nằm trong giới hạn sai số cho phép so với số liệu thiết kế .

3.2. MÔ PHỎNG HOÀN CHỈNH PHÂN XƢỞNG AMONIAC

Các quá trình chính đƣợc xây dựng trong mô hình mô phỏng phân xƣởng Amoniac trong phạm vi đề tài này bao gồm:

 Quá trình khử lƣu huỳnh

 Quá trình reforming sơ cấp và thứ cấp  Quá trình chuyển hóa CO;

 Quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA;  Quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp;

 Quá trình tổng hợp Amoniac và tách thu sản phẩm.

3.2.1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH KHỬ LƢU HUỲNH

Theo số liệu giả sử ban đầu, nguồn khí không chứa lƣu huỳnh, do vậy trong mô hình mô phỏng xây dựng thiết bị hydro hóa R201 và thiết bị hấp thụ R202A/B thành 3 bình tách với năng lƣợng bằng không và tổn thất áp suất theo dữ liệu thiết bị. Mô hình mô phỏng quá trình khử lƣu huỳnh của nguồn khí đƣợc thể hiện trong hình theo sau.

Hình 3.5: Mô hình mô phỏng quá trình khử lƣu huỳnh

3.2.2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH REFORMING SƠ CẤP VÀ THỨ CẤP

Quá trình cấp nhiệt cho thiết bị reforming sơ cấp H201 là cấp nhiệt gián tiếp, nhiệt độ thiết kế của dòng khí sản phẩm ra khỏi thiết bị reforming sơ cấp là 850o

C. Và thiết bị reforming sơ cấp đƣợc mô phỏng thành ba thiết bị phản ứng với thiết lập về hệ phản ứng tƣơng ứng nhƣ sau.

Thiết bị phản ứng Phản ứng xảy ra

PRIREFOR-1

(Thiết bị phản ứng chuyển hóa)

Phản ứng reforming hơi nƣớc của hydro- carbon bậc cao:

C2H6 + H2O CH4 + CO + 2H2 – Q

PRIREFOR-2

(Thiết bị phản ứng chuyển hóa)

Phản ứng reforming hơi nƣớc của me- thane:

CH4 + H2O CO + 3H2 – Q

PRIREFOR-3

(Thiết bị phản ứng chuyển hóa)

Phản ứng reforming hơi nƣớc của carbon monoxide:

CO + H2O CO2+ H2 + Q

Trong khi đó, quá trình cấp nhiệt cho thiết bị reforming thứ cấp chính là nhiệt sinh ra do phản ứng đốt cháy methane ở đỉnh thiết bị, do vậy thiết bị reforming thứ cấp đƣợc mô phỏng 3thành hai thiết bị phản ứng với thiết lập về phản ứng và nhiệt lƣợng nhƣ sau:

Thiết bị phản ứng Phản ứng xảy ra

SEREF-BURNER

(Thiết bị phản ứng chuyển hóa)

Phản ứng đốt cháy methane:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q

SEF-REFORMER (Thiết bị phản ứng cân bằng)

Phản ứng reforming hơi nƣớc của methane và carbon monoxide

CH4 + H2O CO + 3H2 – Q CO + H2O CO2+ H2 + Q Trong mô hình mô phỏng cụm reforming có sử dụng thêm 3 thiết bị trao đổi nhiệt E-101 đặt trƣớc thiết bị reforming sơ và E-102 đặt trƣớc thiết bị reforming thứ cấp để quá trình mô phỏng sát với số liệu thiết kế.

Mô hình mô phỏng của thiết bị reforming sơ cấp và thiết bị reforming thứ cấp đƣợc thể hiện trong hình theo sau.

Hình 3.6: Mô hình mô phỏng thiết bị reforming sơ cấp và thứ cấp

3.2.3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CO

Trong cụm chuyển hóa CO, dòng khí công nghệ trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ, và thực hiện quá trình chuyển hóa CO trong hai thiết bị, thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ cao và thiết bị chuyển hóa CO nhiệt độ thấp. Phản ứng chuyển hóa CO là phản ứng tỏa nhiệt, do vậy mô phỏng hai thiết bị chuyển hóa CO là thiết bị phản ứng dạng chuyển hóa và cân bằng, với năng lƣợng bằng không. Phƣơng trình xảy ra trong thiết bị:

CO + H2O CO2 + H2 + Q

3.2.4. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TÁCH CO2 BẰNG DUNG DỊCH MDEA

Mục đích của quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA là để tách khí CO2 ra khỏi dòng khí công nghệ. Quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA bằng thiết bị Absorber, ở đây chỉ đặt các tiêu chuẩn sản phẩm đúng với số liệu thiết kế. Đồng thời quá trình tách CO2 cũng không ảnh hƣởng nhiều đến các quá trình công nghệ sau.

Mô hình mô phỏng của quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA đƣợc thể hiện trong hình theo sau.

Hình 3.8 : Mô hình mô phỏng quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA

3.2.5. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH METHANE HÓA VÀ NÉN KHÍ TỔNG HỢP HỢP

Hỗn hợp khí công nghệ sau khi tách CO2 vẫn còn chứa một lƣợng dƣ CO và CO2, các khí này sẽ gây ngộ độc xúc tác trong quá trình tổng hợp Amoniac. Do vậy, các khí này cần đƣợc chuyển hóa thành methane và methane đóng vai trò nhƣ khí trơ trong quá trình tổng hợp Amoniac. Quá trình methane hóa diễn ra trong thiết bị methane hóa CRV-102, các phản ứng xảy ra trong thiết bị methane hóa sẽ ngƣợc với thiết bị reforming.

Các phản ứng xảy ra trong thiết bị methane hóa đƣợc thiết lập sẵn trong hệ phản ứng Methanation trong phần mềm mô phỏng Hysys, bao gồm:

(1) CO + 3H2 CH4 + H2O +Q (2) CO + H2O CO2 + H2 + Q

Do phản ứng tỏa nhiệt, nên nhiệt độ của dòng khí sản phẩm ra khỏi thiết bị methane hóa sẽ tăng lên so với khí đầu vào.

Mô hình mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp đƣợc thể hiện trong hình theo sau.

Hình 3.9: Mô hình mô phỏng quá trình methane hóa và nén khí tổng hợp

3.2.6. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP AMONIAC VÀ TÁCH THU SẢN PHẨM SẢN PHẨM

Khí tổng hợp sau khi nén đến áp suất 150atm và nhiệt độ 400oC đƣợc cấp vào thiết bị tổng hợp Amoniac. Trong thiết bị tổng hợp Amoniac, dƣới tác dụng của chất xúc tác, phản ứng tổng hợp Amoniac xảy ra theo phản ứng sau:

N2 + 3H2 2NH3

Thiết bị tổng hợp đƣợc mô phỏng bằng một thiết bị phản ứng chuyển hóa,

Một phần của tài liệu Nguyên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất Amoniac từ khí khô với năng suất 450000 tấn một năm (Trang 96 - 131)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(131 trang)