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.