Hình 2.8. Sơ đồ cụm chuyển hóa thành Metan
Hỗn hợp khí sau khi tách CO2 (chủ yếu N2, H2, khoảng 0,3% CO, 0,05% CO2, khí trơ, Cacbua Hydro, hơi nước) được gia nhiệt từ 500C đến 3000C bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-3011, E-2011, áp suất 26.6 barg trước khi đi vào thiết bị phản ứng chuyển hóa thành Metan R-3001 (P/ứ 6,7- mục 2.2.3) trên nền xúc tác Ni.
Thành phần CO + CO2 trong hỗn hợp khí sau khi đã chuyển hóa Metan phải nhỏ hơn 10 ppm. Quá trình này thực hiện nhằm chuyển hóa hoàn toàn CO, CO2 thành CH4 vì các hợp chất Cacboxyl làm ngộ độc xúc tác, phá huỷ máy nén khí tổng hợp (tạo hợp chất Cacbarmat) trong quá trình tổng hợp Amoniac.
2.2.4.6. Chu trình tổng hợp Amoniac (PFD – 2240420, 2240421)
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 25 SVTH :Cầm Quang Chiến
Hình 2.9. Sơ đồ chu trình tổng hợp Amoniac
Dòng khí từ thiết bị R-3001 (chủ yếu N2, H2, khí trơ, HC, CO +CO2 < 10 ppm, một ít hơi nước) được làm lạnh đến nhiệt độ 74.4OC bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-3011 và giảm nhiệt đến nhiệt độ khoảng 43.30C bằng thiết bị làm lạnh cuối E-3012 được đưa vào thiết bị tách nước V-3011, tại đây dịch ngưng tụ sẽ tách hoàn toàn ra khỏi dòng khí hoặc hồi lưu về bình tách V-3004 bởi bơm P-7005 A/B.
Dòng khí từ thiết bị V-3011, áp suất 25.5 barg và dòng khí H2 thu hồi từ PK- 5001 được nén lên áp suất 132barg (hệ thống nén 3 cấp) và lạnh đến nhiệt độ 220C bằng thiết bị làm lạnh E-5009. Hỗn hợp khí qua bình tách lỏng V-5009, tại đây nước được tách ra, dòng khí được tiếp tục làm lạnh xuống đến -50C bằng thiết bị làm lạnh E- 5008 và được tách nước tại V-5001. Hỗn hợp khí sau đó được nâng lên 370C bởi các thiết bị trao đổi nhiệtdòng sản phẩm E-5007, E-5005 trước khi tuần hoàn lại máy nén K-4031 và được nén đến 138 barg và nung nóng lên 2540C bằng nhiệt thừa dòng sản phẩm E-5003 trước khi đi vào thiết bị tổng hợp Amoniac R-5001 trên nền xúc tác Fe, tại đây quá trình tổng hợp Amoniac xãy ra (P/ứ 8- mục 2.2.3)
Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi thiết bị tổng hợp R-5001, trong đó NH3 chiếm 17,1% thể tích có áp suất khoảng 135 barg, nhiệt độ 4410C làm nhiệt thừa cấp nhiệt cho nồi hơi và cấp nhiệt cho khí tổng hợp bởi thiết bị trao đổi nhiệt E-5001, E-5002, E-5003, E-5004, E-5005, E-5007 và được làm lạnh tại thiết bị trao đổi nhiệt E-5006, E-5008 xuống nhiệt độ -50C, NH3 lỏng sản phẩm sẽ được tách ra khỏi dòng nguyên liệu tại bình V-5001 đưa sang công đoạn làm lạnh. Khí hỗn hợp đỉnh V-5001 gồm khí nguyên liệu, N2 dư, H2 dư...của dòng sản phẩm tuần hoàn trở lại nhằm làm tăng hiệu suất chuyển hóa.
Dòng sản phẩm sau thiết bị E-5007 được trích lấy phần hơi (chủ yếu khí không ngưng) sang thiết bị làm lạnh E-5014 sau đó tách khí không ngưng tại bình V-5014 chuyển đến công đoạn thu hồi H2, phần NH3 ngưng tụ được đưa về bình tách V-5001.
Các thiết bị làm lạnh sử dụng tác nhân lạnh là NH3 trong chu trình làm lạnh dòng sản phẩm.
Amoniac lỏng sau khi tổng hợp đươc chuyển đến bình giảm áp V-5002.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 26 SVTH :Cầm Quang Chiến
2.2.4.7. Công đoạn làm lạnh bằng Amoniac (PFD - 2240422)
Amoniac lỏng được cấp cho các thiết bị làm lạnh khí công nghệ tại các thiết bị trao đổi nhiệt E-5008, E-5014 sau khi bốc hơi thành khí NH3 ở áp suất khoảng 2 barg, nhiệt độ khoảng -90C được đưa vào cấp 1 của máy nén K-4041. Khí NH3 ra ở cấp 1 máy nén K-4041 có áp suất khoảng 7 barg, nhiệt độ khoảng 83.80C, được đưa vào thiết bị làm lạnh bằng nước để giảm nhiệt độ xuống còn khoảng 470C, trộn với khí NH3 bốc hơi tại các thiết bị E-5006, E-5009 đi vào cấp 2 máy nén K-4041. Khí NH3 ra ở cấp 2 máy nén K-4041 có áp suất khoảng 16.8 barg, nhiệt độ khoảng 108 0C được làm lạnh bằng nước tại thiết bị E-5010 A/B đến nhiệt độ khoảng 41,50C, khí NH3 ngưng tụ thành lỏng được chứa tại bình V-5004 và tuần hoàn trở lại các thiết bị E-5006, E-5009, E-5008, E-5014 để làm lạnh các khí công nghệ theo chu trình khép kín.
Một phần nhỏ khí trơ (gồm H2, N2, CH4, Ar, một ít khí NH3) tại bình chứa V- 5004 được đưa về cụm thu hồi NH3 V-5005 để thu hồi lại khí NH3.
Amoniac lỏng tại bình V-5002, một phần sẽ gia nhiệt đến nhiệt độ khoảng 250C bằng thiết bị E-5012 để đưa đến phân xưởng sản xuất Urê. Một phần được giảm áp tại bình V-5003 đến áp suất 0.05 barg, nhiệt độ NH3 lỏng đạt -32.90C trước khi bơm về bồn chứa bởi bơm P-5001 A/B.
2.2.4.8. Công đoạn thu hồi khí NH3 và H2 (PFD - 2240423)
Khí thải từ chu trình tổng hợp NH3 tại bình V-5014 có áp suất khoảng 131 barg, nhiệt độ khoảng -50C, có hàm lượng H2= 64,12%, NH3 = 4,15% được đưa vào tháp hấp thụ cao áp T-5051 bằng nước để thu hồi khí NH3, khí ra ở đỉnh tháp được đưa vào hệ thống thiết bị tách H2 PK-5001. Phần khí giàu H2 từ PK-5001 (khoảng 95% H2) được hồi lưu về máy nén khí tổng hợp K-4031 để làm khí nguyên liệu sản xuất NH3, phần khí có hàm lượng H2 thấp được đưa về làm khí nguyên liệu cho thiết bị Reformer sơ cấp H-2001.
Các khí thải khác có chứa khí NH3 từ các bình chứa V-5002, V-5005 được đưa vào tháp hấp thụ bằng nước trung áp T-5052 để hấp thụ khí NH3, khí ra khỏi T-5052 được đưa đến thiết bị Reformer sơ cấp H-2001 làm khí nguyên liệu. Nước sau khi hấp thụ NH3 từ đáy thiết bị hấp thụ T-5051 và T-5052 được đưa sang tháp chưng cất NH3
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 27 SVTH :Cầm Quang Chiến
T-5053, khí từ đỉnh tháp chưng cất có hàm lượng NH3 đạt 99% được làm lạnh và ngưng tụ thành NH3 lỏng chuyển về bình chứa V-5002.
Dung dịch từ đáy tháp chưng cất T-5053 có hàm lượng NH3 nhỏ được làm lạnh bằng nước lạnh đến nhiệt độ khoảng 470C sau đó bơm vào tháp hấp thụ T-5051 và T- 5052 bởi bơm P-5054 và P-5051 A/B để hấp thụ NH3 trong khí thải.
2.2.4.9. Hệ thống sản xuất hơi nước (PFD-2240424)
Hơi nước sử dụng để cung cấp cho các quá trình công nghệ (cung cấp cho phân xưởng Reforming sơ cấp, thức cấp,...) cấp cho hệ thống turbine hơi dẫn động các máy nén, bơm. Hệ thống hơi nước được chia làm 3 cấp áp suất ở các nhiệt độ khác nhau: Hơi nước siêu cao áp KS 108 barg và 5100C, Hơi nước cao áp HS 39 barg, Hơi thấp áp LS 3.4 barg
2.2.4.9.1.Hơi siêu cao áp KS 108 barg và 510oC
Hơi siêu cao áp được quá nhiệt trong E-2009, E-2003-2/1 trước khi đi vào tuốc bin hơi STK-4031.
Tuốc bin hơi STK-4031 là loại trích và ngưng tụ với đầu vào là hơi siêu cao áp và trích ra là hơi cao áp (39 barg và 370oC) được đưa vào mạng hơi cao áp. Phần còn lại được ngưng tụ trong E-4001.
2.2.4.9.2.Hơi nước cao áp HS 39.0 barg
Hơi cao áp được sản xuất bằng trích từ STK-4031, trong công đoạn 900 và trong công đoạn 800 của xưởng phụ trợ.
Hơi cao áp được dùng để thoả mãn yêu cầu các thiết bị sau: STK-1001 Tuốc bin hơi cho máy nén CO2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
STK-4021 Tuốc bin hơi cho máy nén không khí công nghệ STK-4041 Tuốc bin hơi cho máy nén NH3
STK-2001 Tuốc bin hơi cho quạt khói thải STP-8001 Tuốc bin hơi cho bơm cao áp STP-8002 Tuốc bin hơi cho bơm trung áp
B-8001/STK-1 Tuốc bin hơi cho quạt không khí cấp lò hơi Xưởng NH3 Hơi công nghệ đến reforming
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 28 SVTH :Cầm Quang Chiến
….
2.2.4.9.3.Hơi thấp áp LS 3.4 barg
Hơi cao áp được dùng để thoả mãn yêu cầu các thiết bị sau: V-8001/10-PK-8004 Chuẩn bị nước cấp lò hơi Xưởng NH3 Lượng nhỏ
Hệ thống khí nhiên liệu Gia nhiệt vỏ ống …..
Thông thường các hộ tiêu thụ hơi không sử dụng hết lượng hơi thấp áp, cho nên hơi thấp áp thừa sẽ cấp vào các tuốc bin hơi STK-4021 và STK-4041.
CHƯƠNG III
ỨNG DỤNG HYSYS MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT AMONIAC TẠI NHÀ
MÁY ĐẠM PHÚ MỸ
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 29 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.1.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 cách 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.
3.2.Các quá trình mô phỏng
Gồm các quá trình chính sau:
• Khử lưu huỳnh trong nguyên liệu khí thiên nhiên (PFD-2240415)
• Chuyển hoá khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2 (PFD -2240415, 2240416)
• Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp (PFD - 2240417)
• Tách CO2 từ hỗn hợp khí sau R-2005 (PFD - 2240418)
• Chuyển hóa thành Metan (PFD - 2240419)
• Chu trình tổng hợp Amoniac (PFD – 2240420, 2240421)
• Công đoạn làm lạnh bằng Amoniac (PFD - 2240422)
• Công đoạn thu hồi khí NH3 và H2 (PFD - 2240423)
• Hệ thống hơi nước (PFD-2240424)
3.3. Các thiết bị chính
Gồm các thiết bị phản ứng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
R-2001 (HYDRO-GENATOR), R-2002 A/B (SULPHUR ABSORBER) H-2001 (PRIMARY REFORMER), R-2003 (SECONDARY REFORMER) R-2004 (HT CO-CONVERTER), R-2005 (LT CO-CONVERTER)
T-3002 (CO2 ABSORBER)
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 30 SVTH :Cầm Quang Chiến
R-3001 (METHANATOR)
R-5001 (SYNTHESIS CONVERTER)
Các tháp chưng cất và hấp thụ: T-5051 (PURGE GAS ABSORBER), T-5052 (OFF GAS ABSORBER) T-5053 (DISTILLATION COLUMN) Các hệ thống trao đổi nhiệt : cấp nhiệt, làm lạnh
Bình tách
Bơm vận chuyển Máy nén khí …..
3.4.Tiến hành mô phỏng tính toán bằng Hysys 3.4.1.Chọn hệ đơn vị đo
Vào Tools\Preferences.
Click vào Variables ⇒ chọn Units. Trong mục Available Unit Sets ⇒ Field ⇒ Close
• Áp suất: barg
• Nhiệt độ: 0C
• Lưu lượng mol: Nm3/h (00C 760 mmHg)
• Lưu lượng khối lượng: kg/h
• Công suất: kW
• Năng suất nhiệt: GJ/h
3.4.2. Chọn mô hình nhiệt động
Nguyên liệu là hệ gồm các cấu tử hydrocacbon nhẹ, nên hệ nhiệt động thường dùng trong mô phỏng là hệ SRK.
Để bắt đầu quá trình mô phỏng click vào biểu tượng New Case trên công cụ toolbar và tiếp tục nhấp chọn vào nút Add trong hộp thoại Simulation Basis Manager.
Chọn phương trình nhiệt động SRK trong hộp thoại Fluid Package.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 31 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.4.3.Nhập cấu tử cho hệ
Chọn tab Component để thiết lập các cấu tử có mặt trong thành phần dòng khí nguyên liệu từ thư viện các cấu tử có sẵn.
Bảng 3.1. Thành phần, lưu lượng các dòng nguyên liệu vào quá trình(PFD 2240415)
COMPOSITION NATURAL GAS FEED PROCESS AIR RECYCLE H2
Cấu tử Nm3/h MOL% Nm3/h MOL% Nm3/h MOL%
O2 11147 20.99 H2 1311 73.97 N2 83 0.26 41446 78.04 438 24.68 CO CO2 5 0.01 16 0,03 Ar 499 0,94 6 0.35 CH4 26223 83.31 18 1.00 C2H6 4585 14.57 C3H8 503 1.60 nC4H10 34 0.11 iC4H10 34 0.11 C5+ 9 0.03 H20 419 4 Σ DRY 31476 100 53108 100 1773 100 TOTAL 31476 53527 1777 Mole Weight 18.68 28.88 8.73 Áp suất (barg) 24.5 31.4 43.6
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 32 SVTH :Cầm Quang Chiến
Nhiệt độ (0C) 36 550 47 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4.4.Thiết đặt phản ứng cho quá trình
Chọn tab Reactions để thiết lập các phản ứng xảy ra trong quá trình mô phỏng, đồng thời phân thành từng gói nhỏ chứa các phản ứng riêng của mỗi quá trình đơn lẻ. nC5H12+ 2H2O ↔ 3CH4 + 2CO + 2H2 REF1 iC4H10 + 3H2O ↔ CH4 + 3CO + 6H2 REF2 nC4H10+ 3H2O ↔ CH4 + 3CO + 6H2 REF3 C3H8 + 2H2O ↔ CH4 + 2CO + 4H2 REF4 C2H6 + H2O ↔ CH4 + CO + 2H2 REF5 CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 REF6 CO + H2O ↔ CO2 + H2 REF7
9.95CH4 + 7.155O2 ↔ CO2 + 8.9CO + 3.5H2O + 16H2 REF TC CO + H2O ↔ CO2 + H2 HT CO-CO2 CO + H2O ↔ CO2 + H2 LT CO-CO2 CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O + Q METHANATOR 1 CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O METHANATOR 2 3/2H2 + 1/2N2 ↔ NH3 + Q TỔNG HỢP NH3
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 33 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.4.5. Vào môi trường mô phỏng
Đóng cửa sổ trên lại để quay trở lại hộp thoại Basis Manager và nhấn vào
Enter Simulation Environment để thiết lập sơ đồ mô phỏng.
3.4.6. Thiết lập dòng nguyên liệu
Tiếp tục chọn Composition, thì màn hình xuất hiện hộp thoại Input Composition for Stream và ta nhập thành phần lưu lượng mol của các cấu tử vào
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 34 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.5. Các công đoạn của quá trình
3.5.1.Công đoạn xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu 3.5.1.1.Mục đích
Phần lớn khí thiên nhiên nguyên liệu có chứa một lượng nhỏ lưu huỳnh tồn tại ở dạng hợp chất.
Xúc tác dùng cho công nghệ reforming bằng hơi nước thì rất nhạy cảm với hợp chất chứa lưu huỳnh, bởi vì chúng sẽ gây mất hoạt tính hoặc là nhiễm độc xúc tác. Do đó các hợp chất lưu huỳnh phải được khử bỏ trước khi đi vào công đoạn reforming. Điều này được thực hiện trong công đoạn khử lưu huỳnh của phân xưởng NH3.
Việc rò lưu huỳnh vào reformer từ các nguồn (khí nguyên liệu, khí tuần hoàn, hơi nước) phải nhỏ hơn 0,05 phần triệu khối lượng. Cần phải ngăn ngừa nồng độ lưu huỳnh cao hơn 0,05 phần triệu khối lượng sẽ khử hoạt tính của xúc tác reforming.
3.5.1.2. Nguyên liệu
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.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 35 SVTH :Cầm Quang Chiến
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.
Trong mô phỏng, thay 2 thiết bị p/ứ này bởi một thiết bị tách Flash để mô tả quá trình.
Nguyên liệu cho quá trình khử lưu huỳnh kí hiệu: NATURAL GAS-4(NG-4). 3.5.1.3.Nguyên tắc
Xem mục 2.2.4.1 (chương 2)
Nguồn H2 cung cấp cho quá trình, được cấp từ máy nén khí tổng hợp K-4031
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 36 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.5.1.4.Mô phỏng
Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng cụm xử lý lưu huỳnh trong nguyên liệu
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 37 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.5.1.5.Kết quả
Dòng khí NATURAL GAS-5 ( NG-5 (deS) đi ra khỏi thiết bị khử lưu huỳnh như sau:
3.5.1.6.So sánh với thực tế (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.2. So sánh thành phần, lưu lượng của dòng H2 hồi lưu Số liệu thiết kế Số liệu mô phỏng
RECYCLE H2 RECYCLE H2
COMP Nm3/h MOL% Nm3/h MOL%
H2 1311 73.97 1316.6 74.09 N2 438 24.68 435.99 24.54 Ar 6 0.35 6.2033 0.35 CH4 18 1.00 13.27 0.75 H20 4 0.23 4.8956 0.28 Σ DRY 1773 100 1772.1044 100