Tài liệu Mô phỏng quá trình tổng hợp methanol từ khí tổng hợp bằng phần mềm aspen hysys

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM ------ ------ BÁO CÁO THỰC HÀNH CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS Sinh viên thực hiện: Lê Đức Tâm Chuyên ngành: Lọc – Hóa Dầu MSSV: 04PPR110013 Lớp: K4LHD Đề 22 - Quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Độ chuyển hóa của phản ứng (1) và (2) theo CO và CO2 là 90.6% và 45.1%. Khí tổng hợp gồm 16%CO, 9%CO2, 75%H2 ở 30oC, 1 atm được nén hai cấp lên 10 MPa. Hỗn hợp khí trước khi vào thiết bị phản ứng được gia nhiệt bằng dòng khí nóng sau phản ứng lên đến 210oC. Hỗn hợp khí sau phản ứng được giảm áp đến 300 kPa, làm lạnh đến 25oC rồi vào tháp tách. Sản phẩm ra khỏi tháp tách được đưa vào tháp chưng cất MeOH. Áp suất của đỉnh tháp và đáy tháp là 180 kPa và 210 kPa. MeOH thu ở đỉnh tháp được đưa về áp suất khí quyển rồi chuyển vào thùng chứa. Thiết bị phản ứng làm việc trong chế độ đẳng nhiệt, được duy trì ở 250oC. 1. Xác định các thông số làm việc của tháp: số đĩa tối thiểu, số đĩa thực tế, đĩa nạp liệu tối ưu, chỉ số hồi lưu tối thiểu. 2. Xây dựng sơ đồ công nghệ trên. 3. Tính cân bằng vật liệu và cân bằng năng lượng toàn công nghệ 4. Dòng khí từ đỉnh tháp tách vẫn lẫn MeOH và nguyên liệu chưa phản ứng. Tuần hoàn lại dòng khí này vào trước máy nén thứ hai. 5. Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu được lượng MeOH lớn nhất. Các thiết bị trao đổi nhiệt có DeltaP = 70kPa. Yêu cầu: 1. Viết và gửi file word: • Trình tự tiến hành mô phỏng • Biện luận, phân tích quá trình mô phỏng, các lỗi và cách giải quyết • Phân tích các kết quả nhận được • Xuất và in báo cáo (PFD và Workbook) 2. Các case theo yêu cầu của đầu bài. Đặt tên file theo họ tên của sinh viên. Tất cả các file lưu vào một thư mục ghi rõ STT-họ tên (tiếng Việt không dấu) theo danh sách lớp (ví dụ: 1-Nguyen Van A), gửi cho thầy trước ngày 23/8/2018 MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1 DANH SÁCH HÌNH ẢNH .................................................................................................. 2 DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................................ 4 BÁO CÁO ............................................................................................................................ 5 1. Sơ đồ công nghệ và thuyết minh ............................................................................. 5 2. Quy trình mô phỏng ................................................................................................ 6 3. 4. 2.1. Khai báo cấu tử ................................................................................................ 6 2.2. Lựa chọn hệ nhiệt động .................................................................................... 6 2.3. Khai báo phản ứng ........................................................................................... 7 2.4. Vào môi trường mô phỏng (Return to Simulation Enviroment) .................... 11 Kết luận ................................................................................................................. 24 3.1. Tính toán thông số tháp chưng ....................................................................... 24 3.2. Xây dựng sơ đồ công nghệ ............................................................................. 25 3.3. Tính cân bằng vật chất và năng lượng ........................................................... 25 3.4. Tính toàn lưu lượng tuần hoàn để Methanol thu được lớn nhất .................... 26 Một số lỗi gặp khi mô phỏng ................................................................................ 28 4.1. Lỗi Ft correction Factor is low ....................................................................... 28 4.2. Lỗi Liquid in inlet stream ............................................................................... 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 30 1 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1. Sơ đồ công nghệ quá trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp.............................. 5 Hình 2. Khai báo cấu tử ........................................................................................................ 6 Hình 3. Giao diện chọn Fluid Package ................................................................................. 7 Hình 4. Giao diện Reaction tab ............................................................................................ 7 Hình 5. Thiết lập phản ứng 1 ................................................................................................ 8 Hình 6. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 1 ................................................................. 8 Hình 7. Thiết lập phản ứng 2 ................................................................................................ 9 Hình 8. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2 ................................................................. 9 Hình 9. Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets .................................................................... 10 Hình 10. Giao diện Reaction Sets....................................................................................... 10 Hình 11. Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho 2 phản ứng .............................................. 10 Hình 12. Thông số dòng SynGas ........................................................................................ 11 Hình 13. Comp-1 Parameter Design .................................................................................. 11 Hình 14. Giao diện Cooler-1 Connections ......................................................................... 12 Hình 15. Mixer Connection Design.................................................................................... 12 Hình 16. Comp-2 Connections Design ............................................................................... 13 Hình 17. Comp-2 Parameters Design ................................................................................. 13 Hình 18. Heat Exchanger Connections Design .................................................................. 14 Hình 19. Heat Exchanger Parameters Design .................................................................... 14 Hình 20. Methanol Synthesis Reactor Connections Design............................................... 15 Hình 21. Methanol Synthesis Reactor Reaction Results .................................................... 15 Hình 22. Expander Connections Design ............................................................................ 16 Hình 23. Expander Conditions Worksheet ......................................................................... 16 Hình 24. Cooler-2 Conditions Worksheet .......................................................................... 17 Hình 25. Seperator Conditions Worksheet ......................................................................... 17 Hình 26. Shortcut Column Parameters Design .................................................................. 18 Hình 27. Kết quả giả tính toán tháp chưng. ........................................................................ 18 2 Hình 28. Distillation Column Connections Design ............................................................ 19 Hình 29. Distillation Column Monitor Design ................................................................... 20 Hình 30. Kết quả tháp chưng .............................................................................................. 20 Hình 31. Cooler-4 Conditions Worksheet .......................................................................... 21 Hình 32. Thông số dòng sản phẩm Methanol .................................................................... 21 Hình 33. TEE-100 Connections Design ............................................................................. 22 Hình 34. Comp-3 Connections Design ............................................................................... 22 Hình 35. Cooler-3 Connections Design.............................................................................. 23 Hình 36. RCY-1 Connections............................................................................................. 23 Hình 37. Kết quả tính toán cân bằng vật chất cho cả quá trình .......................................... 25 Hình 38. Kết quả tính toán cân bằng năng lượng cho cả quá trình .................................... 26 Hình 39. Đồ thị quan hệ của lưu lượng hồi lưu ảnh hưởng đến lưu lượng Methanol sản phẩm và công suất của máy nén Comp-2, Comp-3 và Cooler-3 ........................................ 27 Hình 40. Lỗi Ft Correction Factor Is Low .......................................................................... 28 Hình 41. Khắc phục lỗi Ft Correction is low ..................................................................... 28 Hình 42. Lỗi Liquid in inlet stream .................................................................................... 29 3 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1. Thông số tính toán tháp chưng bằng Shortcut Column ........................................ 19 4 BÁO CÁO 1. Sơ đồ công nghệ và thuyết minh Hình 1. Sơ đồ công nghệ quá trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp Sơ đồ công nghệ quá trình tổng hợp methano từ khí tổng hợp được thể hiện như Hình 1. Phản ứng chính: CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Theo đề bài ra các phản ứng được thực hiện ở 250oC, áp suất 10Mpa (100 bar), độ chuyển hóa của phản ứng (1) là 90.6% theo CO và của phản ứng (2) là 45.1% theo CO2. Giả định lưu lượng khí tổng hợp ban đầu (Syngas) là 100kgmol/hr và áp suất ban đầu là 1 atm được nén 2 cấp, cấp 1 nén lên 5Mpa ở Comp-1, sau khi nén dòng khí 2 được làm lạnh xuống 70oC bằng Cooler 1 trước khi trộn với dòng khí hồi lưu (Recycle) bằng MIX100 tới máy nén 2 (Comp-2) ( ở đây nén 2 cấp vì sau khi nén cấp 1 nhiệt độ dòng khí sẽ tăng rất cao nên cần được làm lạnh để đảm bảo hiệu quả nén ở cấp nén 2 để dòng lên đến áp suất 10Mpa). Hỗn hợp khí (dòng 4) sau khi được nén ở Comp-2 sẽ được gia nhiệt bởi dòng khí sau phản ứng của thiết bị tổng hợp Methanol (Methanol Synthesis Reactor) bằng thiết bị trao đổi nhiệt HE tới 210oC .Thiết bị phản ứng Methanol Synthesis 5 Reactor hoạt động đẳng nhiệt ở 250oC. Dòng khí sau phản ứng Reactor Outlet Gas được tận dụng nhiệt bởi dòng 4 và tới Expender để giảm áp xuống còn 0.3 Mpa và tiếp tục được làm lạnh xuống 25oC trước khi đưa vào thiết bị tách pha (Seperator). Tại Seperator dòng khí chủ yếu là H2 và CO2 sẽ được nén, làm lạnh trước khi hồi lưu để trộn với dòng khí phản ứng ban đầu. Dòng lỏng sau khi ra khỏi thiết bị tách pha sẽ được đưa vào tháp chưng cất để chưng Methanol tinh khiết, sau đó được giảm áp và giảm nhiệt xuống điều kiện môi trường trước khi đưa đi tồn trữ. Sử dụng Shortcut Column để tính toán sơ bộ các thông số của tháp chưng cất như số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu. 2. Quy trình mô phỏng 2.1. Khai báo cấu tử Nhập thành phần cấu tử: CO, CO2, H2, CH3OH và H2O như Hình 2. Hình 2. Khai báo cấu tử 2.2. Lựa chọn hệ nhiệt động Chọn hệ nhiệt động là Peng-Robinson (PR) vì hệ nhiệt động PR có thư viện tính toán hỗ trợ hầu hết các hợp chất hydrocacbon và các cấu tử khai báo trong bài hoàn toàn được hỗ trợ bởi hệ nhiệt động này. Tại giao diện Simulation Basic Manager chọn Fluid Pkgs tab, sao đó bấm Add và chọn hệ nhiệt động cho bài mô phỏng là Peng-Robinson như Hình 3 6 Hình 3. Giao diện chọn Fluid Package 2.3. Khai báo phản ứng Theo đề bài thì phản ứng tổng hợp Methanol là phản ứng chuyển hóa. Do đó thiết lập phản ứng loại Conversion và thiết lập gói phản ứng với thứ tự phản ứng là phản ứng (1) xảy ra trước và sau đó là phản ứng (2). Tại giao diện Simulation Basis Manager chọn tab Reaction như hình 4. Hình 4. Giao diện Reaction tab 7 Sau đó chọn Add Rxn, chọn loại phản ứng là Conversion. Sau đó giao diện Conversion Reaction Rxn-1 sẽ hiện lên. Tại Stoichiometry, khai báo hệ số của phương trình phản ứng 1 và độ chuyển hóa phản ứng 1 là 90.6% là tab Basic. Hình 5. Thiết lập phản ứng 1 Hình 6. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 1 Phản ứng 2 được thực hiện tương tự như phản ứng 1 chỉ khác thông số. 8 Hình 7. Thiết lập phản ứng 2 Hình 8. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2 Sau khi thiết lập phản ứng hoàn tất, thực hiện thiết lập gói phản ứng bằng cách Add Set và thêm 2 phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 và sắp xếp thứ tự phản ứng tại mục Ranking, đối với bài này, phản ứng Rxn-1 phản ứng trước nên Rank 0 tiếp theo Rank 1 cho phản ứng Rxn2. 9 Hình 9. Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets Hình 10. Giao diện Reaction Sets Hình 11. Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho 2 phản ứng 10 2.4. Vào môi trường mô phỏng (Return to Simulation Enviroment) Tạo dòng khí tổng hợp đầu vào SynGas với thông số như hình 12. Với các thông số theo yêu cầu đề bài Hình 12. Thông số dòng SynGas Nhập các thông số máy nén Comp-1 như hình 13 với dòng vào là SynGas và dòng ra là 2 Hình 13. Comp-1 Parameter Design 11 Sau khi tăng áp nhiệt độ dòng 2 tăng lên 779.2oC và được giảm nhiệt độ xuống 70oC để đảm bảo hiệu quả nén của Comp-2. Theo yêu cầu đề bài tất cả thiết bị trao đổi nhiệt của quá trình luôn có độ giảm áp là 70kPa. Hình 14. Giao diện Cooler-1 Connections Sau đó Add Mixer để trộn khí đầu vào với dòng tuần hoàn Recycle từ tháp phân tách Seperator. Hình 15. Mixer Connection Design 12 Dòng sản phẩm sau khi trộn xong sẽ được đưa đến máy nén Comp-2 để tiếp tục nén lên đến áp suất 10Mpa (100 bar). Add Compressor, và các thông số được thể hiện như Hình 16 và Hình 17. Hình 16. Comp-2 Connections Design Hình 17. Comp-2 Parameters Design Tiếp tục Add Heat Exchanger để tận dụng nhiệt giúp dòng khí trước khi vào thiết bị phản ứng tăng lên đến 210oC nhờ vào dòng khí sau phản ứng Reactor Outlet Gas. Chọn Heat 13 Exchanger Model là Exchanger Design (Weighted) để tránh bị lỗi Ft Correction Factor is low. Hình 18. Heat Exchanger Connections Design Hình 19. Heat Exchanger Parameters Design Thêm thiết bị phản ứng như sau bấm vào General Reactors, Chọn Conversion Reactor. Theo đề bài thiết bị phản ứng hoạt động đoạn nhiệt ở 250oC nên thêm dòng năng lượng vào tháp để ổn định nhiệt. Thông số thiết bị phản ứng được thể hiện như sau: 14 Hình 20. Methanol Synthesis Reactor Connections Design Hình 21. Methanol Synthesis Reactor Reaction Results Sau đó giảm áp suất của dòng sản phẩm xuống 3 MPa bằng cách thêm Expander, Add Expander và thông số được thể hiện như Hình 22. 15 Hình 22. Expander Connections Design Hình 23. Expander Conditions Worksheet Tiếp tục giảm nhiệt độ dòng khí sau phản ứng dòng 5 xuống 25oC trước khi đến tháp tách pha bằng Cooler-2. 16 Hình 24. Cooler-2 Conditions Worksheet Thêm thiết bị tách pha để tách dòng lỏng của hỗn hợp chủ yếu gồm Methanol và nước ra khỏi dòng khí chủ yếu là H2 và CO2. Add Seperator được thông số như sau Hình 25. Seperator Conditions Worksheet Để tính toán thông số tháp chưng bao gồm tính số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu và chỉ số hồi lưu tối thiểu, Aspen Hysys cung cấp một thiết bị có tên là Shortcut Distillation để tính toán sơ bộ trước khi thêm tháp chưng. 17 Add Shortcut Distillation, sau đó khai báo thông số như Hình 26. Hình 26. Shortcut Column Parameters Design Hình 27. Kết quả giả tính toán tháp chưng. Như vậy sau khi nhập thông số yêu cầu cho tháp chưng, kết quả được thể hiện như Hình 27. Toàn bộ thông số tháp chưng được thể hiện như bảng dưới đây. 18