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
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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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:
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) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• 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
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
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
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 38 SVTH :Cầm Quang Chiến
TOTAL 1777 1777
PRESS (barg) 43.6 43.6
TEMP(oC) 47 47
Nhận xét
Kết quả mô phỏng cho thấy dòng khí H2 hồi lưu có thành phần gần đúng so với thực tế, thể hiện kết quả mô phỏng quá trình khá chính xác.
3.5.2.Công đoạn chuyển hóa khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2
3.5.2.1.Mục đích
Trong công đoạn Reforming, khí đã qua khử lưu huỳnh sẽ chứa các thành phần cần thiết chuẩn bị thành khí tổng hợp nhờ quá trình Reforming xúc tác của hỗn hợp hydrocacbon với hơi nước và không khí.
Reforming sơ cấp: chuyển hóa các hydrocacbon nặng về CH4 và chuyển hoá một phần CH4 thành CO, CO2, H2 dưới tác dụng của hơi nước và xúc tác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Reforming thứ cấp: chuyển hóa hoàn toàn CH4 còn lại trong hỗn hợp khí thành CO2, CO và H2 dưới tác dụng của không khí, hơi nước trong điều kiện có xúc tác.
3.5.2.2.Nguyên liệu
Nguyên liệu sau khi được khử lưu huỳnh, bổ sung dòng hơi nước để cung cấp cho quá trình Reforming.
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.
3.5.2.3.Nguyên tắc
Xem mục 2.2.4.2 (chương 2)
Dòng hơi nước (hơi siêu áp) cấp cho quá trình Reforming sơ cấp, sau khi mô phỏng như sơ đồ PFD có thành phần như sau
Nhiệt độ: 345.40C Áp suất: 36.81 barg Flow: 87110 kg/h
Thành phần: 100% H2O
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 39 SVTH :Cầm Quang Chiến
Dòng không khí nóng đưa vào cấp cho quá trình Reforming thứ cấp 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 Nhiệt độ: 5500C
Áp suất: 31.4 barg Flow: 53527 Nm3/h
Thành phần: 20,825% O2 77.43% N2 0,03% CO2 0,93% Ar
3.5.2.4.Mô phỏng
Hình 3.2. Sơ đồ mô phỏng cụm chuyển hóa khí thiên nhiên thành CO, CO2, H2
3.5.2.5.Phản ứng - Độ chuyển hóa
Trong phần mềm không hề có chất xúc tác để tăng hiệu suất phản ứng được, nếu ta để cho phần mềm tự tính hiệu suất chuyển hóa của các phản ứng thì nó không thể đạt được hiệu suất giống trong thực tế, mà là nhỏ hơn rất nhiều, vì vậy để cho thiết bị phản ứng mô tả đúng với quá trình thực tế thì ta nên tính hiệu suất chuyển hóa nhất định cho từng phản ứng cụ thể dựa theo hiệu suất chuyển hóa trong thực tế.
a.Phản ứng xảy ra trong Reforming sơ cấp
C5H12 + 2H2O ↔ 3CH4 + 2CO + 2H2 REF1
iC4H10 + 3H2O ↔ CH4 + 3CO + 6H2 REF2
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 40 SVTH :Cầm Quang Chiến
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
Trong đó thì hiệu suất của các phản ứng chuyển từ C2+ về CH4 đều đạt 100%, riêng phản ứng REF6 hiệu suất đạt 48.8% tính theo CH4 và REF7 đạt 54.5% tính theo CO.
b.Phản ứng xảy ra trong Reforming thứ cấp
7.14Air + CH4 ↔ CO + 2H2O + 5.6N2 + 0.05Ar 9.52Air + CH4 ↔ CO2 + 2H2O + 7.48N2 + 0.06Ar Để mô phỏng thiết bị reforming thứ cấp ta dùng thiết bị phản ứng chuyển hóa với phản ứng tổng quát là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
9.95CH4 + 7.155O2 ↔ CO2 + 8.9CO + 3.5H2O + 16H2 REF TC
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 41 SVTH :Cầm Quang Chiến