Quá trình sản xuất etylen oxit được thực hiện theo các bước sau:
Dòng nguyên liệu bao gồm khí etylen (63% mol) và O2 tinh khiết (37% mol) ở 20oC và 303 kPa, được đưa vào hệ thống thiết bị phản ứng oxi hoá với lưu lượng dòng là 120 kmol/h cộng với dòng hồi lưu khí/dòng hơi (được xác định bởi HYSYS). Phản ứng được tiến hành với xúc tác rắn và trong điều kiện đẳng nhiệt ở
146
230oC. Dòng nguyên liệu phải được gia nhiệt ở pre-heated tới 230oC trước khi đưa vào thiết bị phản ứng oxi hoá.
Phản ứng có tính chọn lọc khá cao, nhưng lại đi kèm với phản ứng phụ đốt cháy etylen trên xúc tác. Hệ số tỷ lượng của các phản ứng như sau:
Phản ứng chọn lọc C2H4 + 0,5O2 C2H4O
Phản ứng phụ C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O
Trong phản ứng chọn lọc, oxy là chất phản ứng chính (key reactant) cơ sở để xác định độ chuyển hoá, là 80%, trong khi ở phản ứng phụ thì độ chuyển hoá của oxy chỉ có 19%. Độ giảm áp trong thiết bị phản ứng là 70 kPa.
Dòng sản phẩm nóng được làm lạnh tới -1oC (trong thực tế sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn như thế này chỉ có thể có được bằng cách trao đổi trực tiếp, tức là bằng hệ thống “tôi”). Độ giảm áp tại Condenser là 50 kPa. Với điều kiện như vậy, dòng sản phẩm có phần hơi (vapour fraction) là 0.8 và bắt đầu được thu hồi bằng cách ngưng tụ etylen oxit. Dòng sản phẩm lạnh được đưa tới tháp tách 3-phase separator và pha lỏng nhẹ được tách ra khỏi chất lỏng nặng và pha hơi. HYSYS thường để nước trong pha lỏng nặng, còn các dòng khác không có nước.
Pha hơi giàu etylen nhưng vẫn chứa một ít etylen oxit. Vì vậy hơi dư này sẽ được tiếp tục làm lạnh tới – 30oC để làm giảm phần hơi (độ giảm áp khi qua làm lạnh là 10 kPa) và dòng lạnh được dẫn tới tháp tách 2 phase separator (flash drum). Dòng lỏng giàu etylen oxit được trộn với dòng hữu cơ-nước (organic-aqueous) từ đáy tháp tách 3-phase separator (áp suất của dòng tổng lấy theo dòng có áp suất thấp nhất) và hỗn hợp được đưa tới tháp chưng luyện. Tháp chưng luyện có ngưng tụ một phần (Partial Condenser) và sản phẩm là dòng etylen oxit tinh khiết (>99% mol). Dòng hơi từ đỉnh tháp tách hai pha (flash drum) được qua van điều chỉnh giảm tới 101 kPa trước khi đưa tới Component Splitter (là tháp đệm có đệm alumina đặc biệt để hấp phụ CO2/O2 từ dòng khí, còn ethylene và ethylene oxide không bị hấp phụ sẽ tiếp tục được dẫn đi. Trong thực tế thiết bị này là tháp hấp phụ có van xoay, tại đó CO2/O2 được rửa sạch khi nhả hấp phụ ở nhiệt độ cao và áp suất thấp). Dòng khí hữu cơ giàu etylen được nén tới 303 kPa và được tuần hoàn lại trộn với dòng nguyên liệu phản ứng. Trong HYSYS yêu cầu sử dụng công cụ Recycle để mô phỏng quá trình có tuần hoàn hỗn hợp khí chưa phản ứng. Công cụ này sẽ tính toán lưu lượng dòng tuần hoàn. Thông thường khi Recycle được cài đặt, ban đầu lưu
147
lượng dòng bằng 0 vì chưa biết. Sau đó HYSYS sẽ tính toán giá trị chính xác bằng phép tính lặp.
Thực hiện mô phỏng
Sử dụng HYSYS tạo flowsheet để mô phỏng quá trình. Đối với bài tập này sử dụng các thông tin sau kết hợp với các thông tin được cung cấp ở trên:
1. Sử dụng NRTL activity model cho pha lỏng và SRK EOS cho pha hơi. 2. Sử dụng Conversion Reactor trong HYSYS để mô phỏng
3. Column có partial condenser và 12 đĩa, đĩa tiếp liệu là đĩa thứ 6. 4. Column có áp suất condenser101 kPa và reboiler 160 kPa.
5. Tính toán tháp theo phương pháp lần lượt theo từng đĩa, khai báo các tham số ban đầu như sau:
a. Toàn bộ nước ở trong sản phẩm lỏng (mole fraction bằng “1”)
b. Trong sản phẩm lỏng đỉnh tháp có 90% etylen oxit (0.9 mol frac). Đây là sản phẩm chính của công nghệ.
c. Trong sản phẩm khí đỉnh tháp có 90% etylen (0.90 mol frac). Kiểm tra chắc chắn rằng degree of freedom bằng “0”.
6. Với component splitter, sử dụng các thông tin sau:
a. Overhead Pressure 101 kPa b. Overhead Vapor fraction “1” c. Bottoms Pressure 101 kPa d. Bottoms Vapor fraction “1”.
7. Với Recycle, flowrate ban đầu bằng “0”. HYSYS sẽ tính toán giá trị chính xác bằng phép tính lặp.
8. Mở Workbook đọc kết quả tính toán.
14.5. Bài tập 5. Chưng cất
Chưng tách hỗn hợp có 5 paraffin thành phân đoạn nhẹ và phân đoạn nặng bằng cách sử dụng tháp chưng có 12 đĩa lý thuyết, ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn, và có reboiler. Dòng nguyên liệu có lưu lượng 1000 lbmol/h, chứa (%mol) 3% etan, 20% propan, 37% n-butan, 35% n-pentan, và 5% n-hexan, ở 225oF và 250 psi, được đưa vào tháp chưng tại đĩa số 7 tính từ trên đỉnh xuống. Áp suất condenser là 248 psi, áp
148
suất reboiler là 252 psi. Tính toán sơ bộ yêu cầu tỷ số hồi lưu là 6,06 và sản phẩm hơi đỉnh tháp là 226 lbmol/h. Yêu cầu trong sản phẩm đỉnh propan 191 lbmol/h, trong sản phẩm đáy butan 365 lbmol/h.
Thực hiện mô phỏng
1. Khởi động HYSYS và chọn SRK cho Fluid Package. Mở cửa sổ Component
và nhập các cấu tử. Đóng cửa sổ Fluid Package.
2. Bấm phím Enter Simulation Environment và chọn Distillation Column
trong Object Palette và đưa vào Process Flow Diagram (PFD). Nhắp đúp vào Distillation Column, và điền tên các dòng năng lượng Condenser là
C-Duty, năng lượng Reboiler là R-Duty, cho dòng nguyên liệu là F, cho dòng Distillate là D và cho dòng Bottom là B. Điền số đĩa là 12, đĩa nạp liệu là đĩa 7. Chọn Condenser type là Full Reflux. Bấm phím Next>.
3. Điền áp suất Condenser và Reboiler như đầu bài đã cho. Bấm Next>. 4. Điền nhiệt độ giả định cho Condenser là 100oF, cho Reboiler là 240o
F, HYSYS sẽ tính toán giá trị nhiệt độ chính xác. Bấm phím Next>.
5. Điền giá trị đầu bài đã cho Vapour Rate là 226 lbmole/h và Reflux Ratio là
6.06. Bấm phím Done.
6. Chuyển sang Worksheet tab và điền giá trị tham số của dòng F như đầu bài đã cho. Đóng cửa sổ này lại.
7. Nhắp đúp vào biểu tượng tháp chưng trong PFD. Bấm phím Run. Nếu các bước trên thực hiện đúng tháp sẽ hội tụ. Đọc kết quả tính toán.
8. Trong đầu bài yêu cầu bảo đảm thu hồi propan trong sản phẩm đỉnh phải là
191 lbmole/h và butan trong sản phẩm đáy là 365 lbmole/h. Bây giờ mở
Monitor page và bấm phím Add Spec ở phía dưới cửa sổ. Chọn Column Component Flow và điền giá trị cho dòng sản phẩm đỉnh D vào cửa sổ hiển thị. Đóng cửa sổ. Lặp lại tương tự cho dòng sản phẩm đáy B.
9. Sau khi đã thêm các tham số cho dòng, danh sách các tham số được kích hoạt đã được cập nhật trong Monitor page, hai tham số mới được kích hoạt và hai tham số khác được bỏ kích hoạt, đảm bảo bậc tự do bằng 0.
10. Mở Workbook đọc kết quả tính toán.
149
TRONG MÔ PHỎNG
Binary Interaction Parameters (BIP) - Hệ số tương tác bậc hai
Case tên gọi chung một bài mô phỏng.
Case Studies công cụ được sử dụng để nghiên cứu các thông số công nghệ, các tính chất của dòng nguyên liệu,…
Converged hội tụ, thông báo cho biết quá trình tính toán đã hoàn thành.
Databook bảng tóm tắt các dữ liệu.
Dynamic Modelling mô phỏng động, mô phỏng thiết bị hoặc công nghệ đang trong quá trình vận hành liên tục có sự thay đổi của các thông số công nghệ theo thời gian.
Flowsheet lưu trình, biểu diễn sơ đồ công nghệ được mô phỏng trong PFD.
Fluid Package hệ nhiệt động.
Heat Exchanger Design (End Point Model) Mô hình thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt tuyến tính, U = const, Cp = const.
Heat Exchanger Design (Weighted Model) Mô hình thiết kế mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt phi tuyến, ngược chiều.
Heat Exchanger Duty Q = UADTLMFt Nhiệt năng trao đổi trong thiết bị trao đổi nhiệt được tính theo công thức, trong đó:
U Overall Heat Transfer Coefficient - hệ số truyền nhiệt chung;
A Surface Area available for Heat Transfer - diện tích bề mặt truyền nhiệt;
UA the proportionality factor - tích số UA là hệ số tỷ lệ (hệ số trao đổi nhiệt);
DTLM log mean temperature difference (LMTD) - logarit chênh lệch nhiệt độ. Ft LMTD correction factor - hệ số hiệu chỉnh.
Hypothetical Component cấu tử giả được xây dựng theo các giả thiết.
Object Palette bảng có biểu tượng các công cụ mô phỏng.
Process Flow Diagram (PFD) sơ đồ công nghệ được mô phỏng trong môi trường
mô phỏng.
Pressure Drop Độ giảm áp.
Reactor Continuously Stirred Tank (CSTR) thiết bị phản ứng khuấy liên tục (thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng).
150
Simulation Basis Manager Giao diện quản lý cơ sở mô phỏng, được sử dụng khi
lựa chọn cấu tử, hệ nhiệt động, hệ phản ứng, đơn vị đo.
Simulation Enviroment môi trường thực hiện mô phỏng PFD.
Steady State Modelling mô phỏng tĩnh, nghiên cứu mô phỏng quá trình công nghệ.
Subflowsheet lưu trình con (của tháp chưng luyện hoặc tháp hấp thụ).
Water Gas Shift (WGS) phản ứng chuyển hoá CO thành CO2 bằng hơi nước.
Workbook bảng tóm tắt các tham số của dòng (tương tự Worksheet).
151
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Elliott and Lira. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. Prentice Hall, 1999.
2. R. Perry, Engineer’s Handbook of Chemical Engineering, Mc. Graw-Hill Book Company Inc, 1999, 2005.
3. Buckley P. S., Luyben W. L., Shunta J. P. Design of distillation column control. Edward Arnold, Instrument Society of America, USA, 1985.
4. Coker A. K. Modeling of Chemical Kinetics and Reactor Design. Boston, Gulf Professional Publishing, 2001.
5. Luyben W. L. Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. Mc. Graw Hill, 1990.
6. Hysys Steady State Modeling Documents.
7. Mohd Kamarudin Abd Hamid. Hysys: An Introduction to Chemical Engineering Simulation. Jonor, Malaysia 2007.