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
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.
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:
9.95CH4 + 7.155O2 ↔ CO2 + 8.9CO + 3.5H2O + 16H2 REF TC
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 41 SVTH :Cầm Quang Chiến
Tỷ lệ giữa các phản ứng được điều chỉnh dựa trên thành phần của các cấu tử trong sản phẩm và không khí coi như chuyển hóa 100%.
3.5.2.6.Kết quả và So sánh thực tế
Nguyên liệu cho quá trình Reforming sơ cấp kí hiệu: NATURAL GAS-7.
Sản phẩm sau khi Reforming sơ cấp kí hiệu: PROCESS GAS TO R-2003. Nguyên liệu cho quá trình Reforming thứ cấp kí hiệu: PROCESS GAS-1.
Sản phẩm sau khi Reforming thứ cấp kí hiệu: PROCESS GAS-2. a.Reforming sơ cấp
Bảng 3.3. So sánh thành phần, lưu lượng dòng nguyên liệu, sản phẩm của quá trình Reforming sơ cấp
Số liệu thiết kế Số liệu mô phỏng
NATURAL GAS-7 PROCESS GAS
TO R-2003 NATURAL GAS-7
PROCESS GAS TO R-2003
COMP Nm3/h Mol % Nm3/h Mol % Nm3/h Mol % Nm3/h Mol %
H2 1324 0.94 70549 38.365 1316.6 0.9296 70447 38.3 N2 524 0.37 524 0.285 518.99 0.361 518.99 0.2822 CO 0 0.0 9630 5.237 0 0.0 9621.2 5.2310 CO2 74 0.05 11616 6.317 5 0.0035 11529 6.2684 Ar 6 0.004 6 0.0033 6.2033 0.0044 6.2033 0.0034 CH4 26241 18.54 16068 8.738 26236 18.523 16087 8.7462 C2H6 4585 3.24 4585 3.2372 C3H8 503 0.352 503 0.3551 n-C4H10 34 0.024 34 0.024
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 42 SVTH :Cầm Quang Chiến
i-C4H10 34 0.024 34 0.024 C5+ 9 0.006 9 0.0064 H20 108210 76.45 75495 41.06 108390 76.525 75718 41.167 Σ DRY 33334 100 108393 100 33245.87 100 108209 100 TOTAL 141544 183888 141635.8 183927 PRESS (barg) 34.8 30.9 34.8 30.9 TEMP (oC) 535 783 535 783
Các thông số thiết kế của thiết bị H-2001 được mô tả trong bảng sau:
Bảng 3.4. Các thông số vận hành của thiết bị Reforming sơ cấp
Tên thiết bị H-2001 PRIMARY REFORMER
Nhiệt độ vào 5350C
Áp suất vào 34.8 barg
Nhiệt độ ra 7830C
Áp suất ra 30.9 barg
Duty (thực tế) 259.4 GJ/h
Duty (mô phỏng) 254.67 GJ/h hay 2.5467e+8 KJ/h
Nhận xét
Sản phẩm ra sau khi mô phỏng gần giống so với sản phẩm thực tế theo bảng thiết kế của nhà máy.
Nhiệt độ sản phẩm ra của quá trình đúng bằng 7830C, khi đó duty của thiết bị phản ứng chính là nhiệt cung cấp cho thiết bị phản ứng. Từ số liệu này cho ta thấy duty của thiết bị là rất lớn, vì vậy trong nhà máy có riêng một hệ thống đốt (chính là H-2001)đặt ngay trước khí nguyên liệu để cung cấp nhiệt cho thiết bị này.
Hàm lượng các C2+ đều bằng 0 là đúng với thực tế của quá trình.
Quá trình mô phỏng thể hiện được các thiết bị trong nhà máy, tính cân bằng vật chất chính xác, và các điều kiện nhiệt động hợp lý.
b.Reforming thứ cấp
Bảng 3.5. So sánh thành phần, lưu lượng dòng sản phẩm của quá trình Reforming thứ cấp
Số liệu thiết kế Số liệu mô phỏng
PROCESS GAS-2 PROCESS GAS-2
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 43 SVTH :Cầm Quang Chiến
COMP Nm3/h Mol % Nm3/h Mol % H2 94806 36.989 95374 37.167 N2 41970 16.375 41965 16.3537 CO 23156 9.034 23487 9.1528 CO2 13126 5.121 13103 5.1063 Ar 505 0.197 505.2 0.1969 CH4 1048 0.409 585.25 0.2281 H20 81696 31.875 81950 32.7953 Σ DRY 174611 100 174658.85 100 TOTAL 256307 256608.85 PRESS (barg) 30.4 30.4 TEMP (oC) 958 966.2
Các thông số mô phỏng của thiết bị R-2003 được mô tả trong bảng sau:
Bảng 3.6. Các thông số vận hành của thiết bị Reforming thứ cấp
Tên thiết bị R-2003 SECONDARY REFORMER
Nhiệt độ vào (mô
phỏng) 738.50C
Áp suất vào 30.9 barg
Nhiệt độ ra (mô phỏng) 966.20C
Áp suất ra 30.4 barg
Nhận xét
Sản phẩm ra của thiết bị tương đối giống với thực tế, đáp ứng được hai nhiệm vụ của thiết bị, quá trình chuyển hóa của thiết bị đúng bằng trong thực tế.
Nhiệt độ sản phẩm ra là 966.20C cao hơn so với thực tế, tuy nhiên nó cũng thể hiện phần nào gần đúng với quá trình thực tế khi mà sản phẩm ra của quá trình có nhiệt độ 9580C.
Tỷ lệ H2/N2 là hợp lý, việc này thực hiện được nhờ vào điều chỉnh lưu lượng dòng không khí vào.
Hàm lượng khí Ar tăng lên nhờ vào đặt hệ số cho phản ứng cháy của không khí có tạo ra Ar.
Tỷ lệ CO và CO2 giống như trong thực tế, nhờ vào việc điều chỉnh các hệ số của các phản ứng trong thiết bị.
3.5.3.Công đoạn chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 44 SVTH :Cầm Quang Chiến
3.5.3.1.Mục đích
Chuyển hóa khí CO có trong nguyên liệu thành CO2 để cung cấp cho quá trình tổng hợp urê, theo phương trình phản ứng sau: CO + H2O ↔ CO2 + H2
- Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao: Mục đích của thiết bị này là chuyển phần lớn CO trong hỗn hợp khí sau khi qua quá trình reforming thành CO2
- Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp: Mục đích của thiết bị này là chuyển hóa hoàn toàn phần CO còn lại trong khí nguyên liệu sau khi qua quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao. Quá trình chuyển hóa càng triệt để càng tốt.
3.5.3.2.Nguyên liệu
Nguyên liệu của thiết bị này đảm bảo trên nhiệt độ điểm sương một khoảng nhất định để tránh tình trạng hơi nước ngưng tụ sẽ làm phá hủy xúc tác một cách trầm trọng và không thể tái sinh được. Trong quá trình phản ứng thì nhiệt độ của thiết bị sẽ tăng (vì phản ứng tỏa nhiệt), do đó phải điều chỉnh hiệu suất phản ứng sao cho nhiệt độ của sản phẩm ra nhỏ hơn nhiệt độ cho phép.
Nhiệt độ sản phẩm ra cũng phải quan tâm, vì xúc tác cũng bị lão hóa một cách nhanh chóng hoặc bị phá hủy nếu như nhiệt độ của thiết bị cao hơn ngưỡng cho phép.
Phản ứng thuận lợi ở điều kiện nhiệt độ thấp và lượng hơi nước tăng nhưng phải cao hơn nhiệt độ điểm sương để tránh lỏng ngưng.
3.5.3.3.Nguyên tắc
Xem mục 2.2.4.3 (chương 2)
3.5.3.4.Mô phỏng
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 45 SVTH :Cầm Quang Chiến
Hình 3.3. Sơ đồ mô phỏng cụm chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao và thấp 3.5.3.5.Phản ứng - Độ chuyển hóa
a.Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao: R-2004
Phản ứng xảy ra trong R-2004 là:
CO + H2O ↔ CO2 + H2 HT CO-CO2
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 73.3% theo CO.
Thiết bị này không hề nhận nhiệt cung cấp từ bên ngoài nên ta đặt Duty của thiết bị bằng 0.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 46 SVTH :Cầm Quang Chiến
Vì phản ứng chuyển hóa là 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 CO 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 LT CO-CO2
Cân bằng sẽ dịch chuyển sang phải 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 92.67% tính theo CO.
3.5.3.6.Kết quả và So sánh thực tế
Nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao kí hiệu: PROCESS GAS-4.
Sản phẩm sau khi chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao kí hiệu: PROCESS GAS-5.
Nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp kí hiệu: PROCESS GAS- 11.
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 47 SVTH :Cầm Quang Chiến
Sản phẩm sau khi chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp kí hiệu: PROCESS GAS-12. a.Chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao R-2004
Bảng 3.7. So sánh thành phần, lưu lượng dòng nguyên liệu, sản phẩm của quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao
Số liệu thiết kế Số liệu mô phỏng
PROCESS GAS-4 PROCESS GAS-5 PROCESS GAS-4 PROCESS GAS-5
COMP Nm3/h Mol % Nm3/h Mol % Nm3/h Mol % Nm3/h Mol %
H2 94806 36.989 111782 43.613 95347 37.167 112590 43.876 N2 41970 16.375 41970 16.375 41965 16.353 41965 16.353 CO 23156 9.034 6181 2.412 23487 9.153 6271 2.4438 CO2 13126 5.121 30101 11.744 13103 5.1 30319 11.8153 Ar 505 0.197 505 0.197 505.2 0.1969 505.2 0.1969 CH4 1048 0.409 1048 0.409 585.15 0.228 585.15 0.228 H20 81696 31.875 64720 25.251 81590 31.79 64374 25.086 Σ DRY 174611 100 191587 100 175018.66 100 192234.66 100 TOTAL 256307 256307 256608.66 256608.66 PRESS (barg) 30.2 29.7 30.2 29.7 TEMP (oC) 360 432 360 434.9 Nhận xét
Nhiệt độ nguyên liệu vào là 3600C cao hơn so với nhiệt độ điểm sương của nguyên liệu, đảm bảo không ngưng tụ nước trong quá trình phản ứng.
Nhiệt độ sản phẩm ra là 434.90C cao hơn so với thực tế, tuy nhiên vẫn nằm trong nhiệt độ cho phép của quá trình.
Hiệu suất của phản ứng đúng bằng hiệu suất trong thực tế.
Thành phần, lưu lượng sản phẩm ra đảm bảo gần giống với số liệu thực tế. Quá trình mô phỏng đã diễn tả được thiết bị chuyển hóa CO ở nhiệt độ cao trong nhà máy, cả về các thông số vận hành lẫn cân bằng vật chất của thiết bị. Tuy nhiên không thể hiện sự ảnh hưởng của các thông số nhiệt động đến hiệu suất chuyển hóa.
b.Chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp R-2005
GVHD: TS. Nguyễn Thị Thanh Xuân 48 SVTH :Cầm Quang Chiến
Bảng 3.8. So sánh thành phần, lưu lượng dòng nguyên liệu, sản phẩm của quá trình chuyển hóa CO ở nhiệt độ thấp
Số liệu thiết kế Số liệu mô phỏng
PROCESS GAS-11 PROCESS GAS-12 PROCESS GAS-11 PROCESS GAS-12