Để bắt đầu tiến hành mô phỏng tính toán cho một quy trình công nghệ của một nhà máy nào đó thì yêu cầu người thực hiện mô phỏng trước tiên phải nắm rõ toàn bộ quy trình công nghệ, cũng như am hiểu toàn bộ các thông số thiết kế của tất cả các thiết bị, các thông số về nguyên liệu liên quan đến quá trình mô phỏng trong nhà máy,… để từ đó tiến hành mô phỏng và đưa ra ý tưởng về thông số công nghệ, chế độ vận hành. Dựa vào kết quả thu được từ Hysys để so sánh và đánh giá,… trên cơ sở đó sẽ đưa ra chế độ vận hành tối ưu nhất cho quy trình công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy.
Để bắt đầu tiến hành thiết kế mô phỏng cho một quy trình công nghệ, sau khi khởi động phần mềm ứng dụng Hysys ta thực hiện các bước sau:
Bước 1: Thiết lập hệ đơn vị sử dụng: Từ Menu Bar chọn Tools\Preferences để hiện ra cửa sổ Preferences và sau đó lựa chọn Variable Tab.
Hình 4- : Chọn hệ đơn vị
Bước 2: Trong bước này chúng ta có hai trường hợp lựa chọn:
Bước 3:(Bước 3 chỉ thực hiện khi bước 2 chọn thiết lập một quy trình mới)
Tạo New Fluid Package hoặc chọn một Fluid Package đã có sẵn từ trước. Khi tạo New Fluid Package cần cung cấp thông tin về hệ nhiệt động dùng để tính toán trong tab
Prog Pkg và thành phần các cấu tử có mặt trong toàn bộ quá trình mô phỏng trong tab
Components. Việc xác định hệ nhiệt động có ý nghĩa quan trọng vì điều này sẽ quyết định đến phương pháp tính toán và kết quả của quá trình. Thông thường lựa chọn hệ nhiệt động Peng - Robinson hoặc SRK cho các hệ dầu và khí.
Hình 4- : Chọn hệ phương trình nhiệt động
Ngoài việc lựa chọn thành phần các cấu tử có sẵn, Hysys còn cho phép người sử dụng lựa chọn các hệ giả định, đây là những hệ không bao gồm từng cấu tử riêng lẻ mà được xác định thông qua các thông tin về tính chất hoá lý như đường cong ASTM, TBP,...
Hình 4- : Lựa chọn cấu tử
Bước 4: Nhấn phím Enter Simulation Environment để vào môi trường mô phỏng, ở đây ta có thể thiết lập các dòng và thiết bị cần thiết cho quy trình công nghệ. Trong môi trường mô phỏng, ta nhấn F4 sẽ xuất hiện Case (Main) gồm tất cả các thiết bị có thể có trong nhà máy chế biến khí như: Tháp chưng cất, bình tách, thiết bị trao đổi nhiệt, máy nén, bơm, thiết bị giản nở, van, và một số thiết bị điều khiển,… Ta tiến hành lựa chọn thiết bị và nhập các thông số cần thiết cho thiết bị đó, sau đó là lắp ghép chúng lại với nhau theo đúng sơ đồ quy trình công nghệ của nhà máy.
Bước 5: Xuất kết quả của quá trình mô phỏng dưới dạng dữ liệu thông qua Report (chọn Tool/Reports) hoặc bằng đồ thị (Graph) hoặc dưới dạng bảng (Table).
Chương 5
MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG AMMONIA NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ BẰNG PHẦN MỀN PRO/II, HYSSYS
VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ THỰC TẾ 5.1 Mục đích mô phỏng:
Mô phỏng là một cách hữu hiệu để kiểm tra các thông số vận hành của nhà máy trước khi đi vào thực tế, quá trình mô phỏng có thể tìm được các thông số cần thiết cho quá trình của nhà máy. Để tối ưu một thông số của nhà máy thì cần phải có quá trình mô phỏng trước khi đưa vào thực tế để vận hành, giúp cho người làm thực hiện một nhanh chóng và khá chính xác, tiết kiệm được thời gian và chi phí nguyên cứu.
Việc mô phỏng lại phân xưởng amoniac của nhà máy Đạm Phú Mỹ có ý nghĩa lớn khi mà nhà máy vừa mới đưa vào vận hành từ năm 2005, các thông số hiện chỉ đang tối ưu trong lý thuyết, quá trình vận hành các thông số nhà máy đang được kiểm tra để đi đến các điều kiện tối ưu của quá trình, nâng cao hiệu suất thu sản phẩm, và giảm chi phí cung cấp nhiệt cho một đơn vị sản phẩm.
5.2 Mô hình nhiệt động:
Việc lựa chọn mô hình nhiệt động cho bài toán là rất quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn đến kết quả mô phỏng.
Để lựa chọn một mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau: - Bản chất của các đặc trưng của hệ như: hằng số cân bằng lỏng-hơi - Thành phần hỗn hợp
- Phạm vi nhiệt độ, áp suất
Ta có thể dựa vào sơ đồ sau:
5.3 Quá trình mô phỏng bằng Pro/II:
Sơ đồ mô phỏng phân xưởng ammoni nhà máy Đạm Phú Mỹ bao gồm 9 quá trình chính:
• Quá trình xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu
• Quá trình reforming xúc tác
• Quá trình chuyển hóa CO
• Quá trình tách CO2 bằng dung dịch MDEA
• Quá trình methan hóa
• Quá trình nén khí tổng hợp và điều chỉnh tỷ lệ H2/N2
• Vòng tổng hợp amoniac và các thiết bị tách thu sản phẩm
• Quá trình thu hồi amoniac
• Chu trình lạnh
5.3.1 Quá trình xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình xử lý lưu huỳnh trên Pro/II
Nguyên liệu của nhà máy Đạm Phú Mỹ lấy từ phân đoạn khí sales gas của nhà máy Dinh Cố nên hàm lượng lưu huỳnh trong nguyên liệu là rất thấp (vì đã qua quá trình xử lý tách lưu huỳnh), khoảng 15 – 20 ppm, tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu của
nguyên liệu trước khi vào quá trình Reforming xúc tác thì nguyên liệu này phải được xử lý để tách loại H2S đến nồng độ dưới 0.05 ppm.
Trong nhà máy thì quá trình này được thực hiện bởi các thiết bị hydrogenator R- 2001 và thiết bị hấp thụ R-2002A/B. R-2001 sẽ chuyển hóa các dạng hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh về H2S rồi sau đó R-2002A/B hấp thụ H2S này.
5.3.2 Quá trình Reforming:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình Reforming trên Pro/II
a. Reforming sơ cấp H-2001:
Mục đích của thiết bị là chuyển hóa các hydrocacbon nặng về CH4 và chuyển một phần CH4 thành CO, CO2 và H2 dưới tác dụng của hơi nước và xúc tác.
Thiết bị phản ứng gồm 180 ống có chứa xúc tác đặt theo hướng thẳng đứng. Vì phản ứng là thu nhiệt rất lớn nên chung quanh hai hang ống có bố trí các béc đốt để cung cấp nhiệt cho phản ứng.
Khí nguyên liệu đi từ trên xuống tiếp xúc với lớp xúc tác và xảy ra phản ứng. Xúc tác trong ống gồm 3 lớp khác nhau, nhằm đảm bảo không hỏng xúc tác và đạt được độ chuyển hóa cho phép.
Trong phần mềm không thể mô phỏng thiết bị phản ứng ống chùm và xúc tác được, thay vào đó là đơn vị Reactor Conversion. Các phản ứng xảy ra trong H-2001 như sau: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 (1) CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2 (2) C2H6 + H2O ↔ CH4 + CO + 2H2 C3H8 + H2O ↔ CH4 + 2CO + 4H2 n-C4H10 + 3H2O ↔ CH4 + 3CO + 6H2 i-C4H10 + 3H2O ↔ CH4 + 3CO + 6H2 C5H12 + 4H2O ↔ CH4 + 4CO + 8H2
Tuy nhiên để đơn giản mà không thay đổi bản chất, ta có thể mô phỏng bằng một phản ứng duy nhất: 10173CH4 + 4585C2H6 + 503C3H8 + 34i-C4H10 + 34n-C4H10 + 9C5H12
+ 32715 H2O → 69225H2 + 9630CO + 11524CO2.
Vì trong mô phỏng không thể có quá trình cung cấp nhiệt cho phản ứng Reforming hơi nên nhiệt độ của sản phẩm sau phản ứng sẽ giảm rất nhiều (xuống nhiệt độ âm) vì vậy để khắt phục vấn đề này ta đặt giá trị cho mục “temperature rise” là 248 oC, sau khi phản ứng thì nhiệt độ sản phẩm ra đúng bằng nhiệt độ thực tế. Khi đó duty của thiết bị H-2001 chính là lượng nhiệt cần cung cấp cho phản ứng, và nâng cao nhiệt độ sản phẩm.
c. Reforming thứ cấp R-1003:
Nhiệm vụ của thiết bị R-2003 là chuyển hóa phần CH4 còn lại trong nguyên liệu thành H2, CO, CO2 dưới tác dụng của không khí, trong điều kiện có xúc tác ở các điều kiện nhiệt động khắt khe.
Không khí ở nhiệt độ cao 550 0C cho vào hòa trộn cùng với nguyên liệu được đưa vào thiết bị phản ứng và tự bốc cháy. Ở đây việc cung cấp nhiệt được điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh lưu lượng không khí đưa vào. Lượng không khí đưa vào phải đảm bảo hai nhiệm vụ là cung cấp đủ nhiệt cho phản ứng, và cung cấp đủ hàm lượng N2 cho phản ứng tổng hợp NH3 trong giai đoạn sau (cụ thể là sao cho tỷ lệ H2/N2 xấp xỉ 3:1).
Phản ứng xảy ra trong thiết bị:
11147O2 + 15020CH4 → 24257H2 + 13526CO+ 1494CO2 + 5782H2O
Tỷ lệ giữa các phản ứng được điều chỉnh dựa trên thành phần của các cấu tử trong sản phẩm. Trong đó hiệu suất chuyển hóa tổng của CH4 là 94.97%, và không khí coi như chuyển hóa 100%.
Trong R-2003 không có quá trình nhận nhiệt từ bên ngoài nên ta đặt duty của thiết bị bằng 0 là đúng với thực tế. Các thông số vận hành giống với thông số của nhà máy.
5.3.3 Chuyển hóa CO:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình chuyển hóa CO trên Pro/II
a. Chuyển hóa ở nhiệt độ cao R-2004:
Sản phẩm sau quá trình Reforming là gồm hỗn hợp CO và CO2 với một tỷ lệ nhất định, vì vậy cần phải có quá trình chuyển hóa CO thành CO2 để cung cấp cho phân xưởng sản xuất Urê.
Yêu cầu của công nghệ là chuyển hóa gần như hoàn toàn CO thành CO2 , tuy quá trình chuyển hóa đã có mặt của xúc tác, nhưng hiệu suất vẫn chưa đạt, vì vậy cần phải có hai thiết bị chuyển hóa CO, một thiết bị chuyển hóa chính, chuyển hầu hết CO thành CO2
ở điều kiện nhiệt độ cao và một thiết bị chuyển hóa CO ở điều kiện ở nhiệt độ thấp nhằm chuyển gần như hoàn toàn CO thành CO2 (tránh gây quá tải cho thiết bị methan hóa sau này).
Trong thực tế thì xúc tác của thiết bị R-2004/5 rất nhạy với nước ngưng tụ, nên trong hai thiết bị này thì nhiệt độ của nguyên liệu đưa vào phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương một khoảng đủ lớn, tránh nước ngưng tụ gây phá hủy xúc tác.
Phản ứng xảy ra trong R-2004 là:
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Thực tế thì với điều kiện nhiệt độ áp suất của thiết bị (3600C và 30.2barg), và sự có mặt của xúc tác thì hiệu suất phản ứng là 73.307% theo CO.
Vì phản ứng chuyển hóa la tỏa nhiệt nên trong quá trình vận hành cần khống chế nhiệt độ của thiết bị, vì nếu nhiệt độ tăng đột ngột thì sẽ phá hủy xúc tác. Việc này được điều chỉnh thông qua điều chỉnh hiệu suất phản ứng.
b. Chuyển hóa ở nhiệt độ thấp R-2005:
Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp nhằm nâng cao hiệu suất của quá trình chuyển hóa CO, vì có sự cân bằng giữa CO và CO2 như sau:
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái nếu như nhiệt độ giảm, áp suất không ảnh hưởng nhiều đến sự cân bằng này. Vì vậy cần hạ nhiệt độ càng thấp càng tốt để thu được CO2 nhiều hơn trong sản phẩm. Tuy nhiên quá trình hạ nhiệt độ bị giới hạn bởi nhiệt độ điểm sương của dòng khí nguyên liệu.
Với nhiệt độ là 1900C thì hiệu suất của phản ứng chuyển hóa CO là 92.671% tính theo CO.
5.3.4 Quá trình tách CO2 bằng MDEA:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình hấp thụ CO2 bằng MDEA trên Pro/II
Khí sản phẩm sau khi ra khỏi quá trình chuyển hóa CO cần phải qua quá trình tách CO2 ra khỏi hỗn hợp khí, để thu được khí tổng hợp chuẩn bị cho quá trình tổng hợp NH3
và cung cấp CO2 cho phân xưởng sản xuất Urê.
Trước khi khí nguyên liệu vào quá trình tách CO2 thì qua thiết bị tách nước V3004, nhằm loại bỏ nước ra khỏi hỗn hợp khí.
Quá trình tách CO2 được thực hiện trong tháp T3002. Khí nguyên liệu vào ở đáy tháp, dung dịch MDEA thuần và bán thuần (vào ở gần đỉnh và giữa tháp) đi từ trên xuống sẽ hấp thụ CO2, sau đó sản phẩm đáy qua các thiết bị phân tách để thu được CO2 nguyên chất, và dung môi thì tuần hoàn lại tháp T3002.
Trong mô phỏng thì quá trình tách CO2 thay thế bởi đơn vị stream calculator, ở đây chỉ đặt các tiêu chuẩn sản phẩm cho đúng với thực tế, đảm bảo cho các quá trình mô phỏng sau là chính xác.
Khí sản phẩm sau khi ra khỏi quá trình chuyển hóa CO cần phải qua quá trình tách CO2 ra khỏi hỗn hợp khí, để thu được khí tổng hợp chuẩn bị cho quá trình tổng hợp NH3
và cung cấp CO2 cho phân xưởng sản xuất Urê.
Trước khi khí nguyên liệu vào quá trình tách CO2 thì qua thiết bị tách nước V3004, nhằm loại bỏ nước ra khỏi hỗn hợp khí.
Quá trình tách CO2 được thực hiện trong tháp T3002. Khí nguyên liệu vào ở đáy tháp, dung dịch nghèo và bán nghèo (vào ở gần đỉnh và giữa tháp) đi từ trên xuống sẽ hấp thụ CO2, sau đó sản phẩm đáy qua các thiết bị phân tách để thu được CO2 nguyên chất, và dung môi thì tuần hoàn lại tháp T3002.
Trong mô phỏng thì quá trình tách CO2 thay thế bởi đơn vị stream calculator, ở đây chỉ đặt các tiêu chuẩn sản phẩm cho đúng với thực tế, đảm bảo cho các quá trình mô phỏng sau là chính xác.
5.3.5 Quá trình Methan hóa:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình methan hóa trên Pro/II
Hỗn hợp khí sau khi tách CO2 cần qua quá trình methan hóa, vì trong hỗn hợp khí vẫn còn một lượng dư CO2, và CO. Khí này sẽ gây ngộ độc xúc tác của tháp tổng hợp NH3, chúng cần chuyển hóa thành một loại khí khác trơ với quá trình tổng hợp NH3, vì vậy chúng được chuyển hóa thành CH4 không gây ngộ độc xúc tác.
Trước khi vào thiết bị R-3001 thì hỗn hợp khí cần qua thiết bị trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ của hỗn hợp khí đến 3000C.
Quá trình methan hóa là quá trình ngược lại của quá trình reforming, nên thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn, và áp thấp hơn (26.6 barg).
Hiệu suất chuyển hóa của thiết bị này là gần như 100% theo CO, CO2. Phản ứng tỏa nhiệt mạnh, nên nếu lượng CO, CO2 còn dư quá nhiều trong hỗn hợp khí nguyên liệu thì sẽ làm nhiệt độ thiết bị tăng cao, và có thể gây phá hủy xúc tác. Vì vậy trong thực tế vận hành của nhà máy tránh hàm lượng CO, CO2 quá nhiều trong nguyên liệu (<5.%).
Quá trình mô phỏng chọn đơn vị reactor conversion R-3001, với các thông số nhập vào giống với thông số thực tế, các phản ứng xảy ra trong thiết bị R-3001 là:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + H2O
Vì thực tế R-3001 không nhận nhiệt từ bên ngoài nên ta đặt duty bằng 0, nhiệt độ của sản phẩm ra sẽ tăng lên so với nguyên liệu vào, tuy nhiên phải không vượt quá 5000C. Sau đó hỗn hợp khí sản phẩm sẽ qua thiết bị tách nước V-4031 để loại bỏ nước khỏi hỗn hợp. Trước đó nó cần qua thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ hỗn hợp xuống nhằm làm ngưng tụ nước. Hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị này gọi là khí make up synthesis.
5.3.6 Quá trình nén khí tổng hợp:
Hình 5- : Mô phỏng quá trình nén khí tổng hợp trên Pro/II
Khí make up synthesis gas trước khi vào máy nén thì được hòa trộn với dòng H2
hồi lưu ( recovered H2 thu hồi từ các khí trích), nhằm làm giàu thêm nồng độ của H2. Tuy nhiên lượng H2 này vẫn không đảm bảo điều chỉnh được tỷ lệ của khí tổng hợp, vì vậy trước khi hòa trộn với H2 thì có một dòng khí trích excess gas từ khí make up synthesis, đưa vào làm nhiên liệu cho H-2001.
Việc điều chỉnh tỷ lệ H2/N2 = 3:1 là tối ưu đối với quá trình công nghệ, tuy nhiên do sự hấp thụ H2 và N2 của sản phẩm NH3 lỏng không theo tỷ lệ 3:1 mà là nhỏ hơn, nên