Tài liệu Mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị phản ứng tổng hợp amoniắc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA O VŨ TIẾN DŨNG MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP AMONIẮC Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu Mã số: 60520330 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. HCM, tháng 01 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Tuấn Anh ThS. Nguyễn Kim Trung Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Thành Duy Quang Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lưu Xuân Cường Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách khoa – ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thác sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ 2. TS. Nguyễn Thành Duy Quang 3. TS. Lưu Xuân Cường 4. TS. Võ Thành Phước 5. TK. TS. Phạm Hồ Mỹ Phương CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Vũ Tiến Dũng MSHV: 13401157 Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1969 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu Mã số: 60520330 I. TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP AMONIẮC II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát quá trình tổng hợp NH3 dựa trên phản ứng kết hợp H2 với N2 trong thiết bị phản ứng có mặt xúc tác, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. - Xây dựng mô hình toán, dựa trên cân bằng vật chất, năng lượng, điều kiện ban đầu và các yếu tố ràng buộc. Lập và giải hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống, kèm theo các điều kiện ràng buộc ban đầu và giới hạn kỹ thuật của quá trình và thiết bị, tính toán hàm mục tiêu. - Giải bài toán tối ưu hàm nhiều biến (khác với các nghiên cứu trước) bằng 2 phương pháp: sử dụng phương pháp luân phiên từng biến kết hợp lát cắt vàng và sử dụng phương pháp giải thuật di truyền. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/2018 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN TUẤN ANH Tp. HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LỜI CÁM ƠN - Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Tuấn Anh, ThS. Nguyễn Kim Trung, TS. Đào Thị Kim Thoa – trưởng bộ môn Kỹ thuật Hóa dầu, những người đã trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Nhờ có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô nên tôi có thể hoàn thành luận văn này. - Tiếp theo, tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua, mà chính những kiến thức này đã giúp tôi có thể vận dụng trong quá trình thực hiện luận văn cũng như trong công việc. - Và cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và những người bạn đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi có động lực hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2018 Học viên thực hiện luận văn Vũ Tiến Dũng TÓM TẮT - Việt Nam là một nước nông nghiệp, trên 70% dân số sông dựa vào nông nghiệp, phân bón là mặt hàng thiết yếu đáp ứng nhu cầu của cây trồng, góp phần quan trọng cho phát triển kinh tế nước nhà, từ những năm đầu của thập niên trước, chúng ta từ một quốc gia nhập khẩu phân bón, đến nay đã sản xuất đủ đáp ứng nhu cầu trong nước và thừa để xuất khẩu, đặc biệt là phân đạm ure. Đạt được kỳ tích này, nhờ vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đem lại. - Amoniắc là sản phẩm chính cho sản xuất đạm ure, trong vòng 20 năm qua chúng ta đã tăng công suất sản xuất đạm ure từ 180 nghìn tấn (nhà máy đạm Hà Bắc) lên trên 2 triệu tấn (thêm nhà máy đạm Phú Mỹ, Cà Mau và Ninh Bình), đồng nghĩa với việc tăng sản lượng amoniắc. Như vậy việc nâng cao hiệu quả sản xuất amoniắc là vô cùng quan trọng, góp phần giảm giá sản phẩm đạm ure, góp phần tích cực giảm chi phí sản xuất nông nghiệp, thúc đẩy xuất khẩu nông sản sang các nước và khu vực, đưa Việt nam trở thành quốc gia phát triển nông nghiệp bền vững, riêng về lúa gạo thì chúng ta đã là nước đứng số 1 thế giới về xuất khẩu sản phẩm truyền thống này. - Nguyên liệu sản xuất amoniắc là từ năng lượng như than đá, dầu mỏ và khí, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch có một ý nghĩa rất lớn không chỉ là kinh tế mà còn là môi trường và phát triển bền vững của hành tinh chúng ta, tính toán chi phí sản xuất thấp nhất không những đem lại hiệu quả cho doanh nghiệp mà còn đảm bảo sự phát triển lâu bền cho nhà sản xuất. Kể từ khi khoa học máy tính ra đời, đã đem đến cho các nhà khoa học rất nhiều tiến bộ trong áp dụng tính toán xử lý các bài toán không chỉ kỹ thuật mà cả giải quyết bài toán kinh tế, đó là áp dụng phát triển các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình sản xuất. Trong luận văn này tác giả đã áp dụng giải bài toán tối ưu hóa dựa trên phần mềm Matlab và một số thuật toán sao cho hiệu quả đầu tư, chi phí sản xuất là thấp nhất. ABSTRACT - Vietnam is an agricultural country, with more than 70% of its population relying on agriculture. Fertilizers are an essential commodity to meet the needs of the crop, contributing significantly to the economic development of the country, from the early years. In the past decade, we have come from a fertilizer importing country that has produced enough to meet domestic demand and surplus for export, especially urea fertilizer. Achieving this feat, thanks to the industrialization and modernization brought. - Ammonia is the main product for urea fertilizer. In the last 20 years, we have increased the production capacity of urea fertilizer from 180 thousand tons (Ha Bac Fertilizer Plant) to over 2 million tons (Phu My Fertilizer Plant, Ca Mau and Ninh Binh), which means increased production of ammonia. Thus raising the efficiency of production of ammonia is extremely important, contributing to the reduction of urea nitrogen products, contributing to the reduction of agricultural production costs, promoting the export of agricultural products to countries and regions, Making Vietnam a sustainable agricultural developing country, especially rice, we are the number one country in exporting this traditional product. - The production of ammonia is from energy such as coal, oil and gas, and the efficient use of fossil fuels is not only an economic one but also an environmental and sustainable development. Calculating the cost of production is not only effective for the enterprise, but also guarantees durable development for the manufacturer. Since the introduction of computer science, scientists have made many advances in the application of computing to solve not only technical problems but also economic problems. Develop specialized software to simulate and optimize production processes. In this thesis, the author has applied optimization problem based on matlab software and some algorithms such that the efficiency of investment, production cost is the lowest. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện và các số liệu, kết quả trong luận văn này là trung thực, chính xác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2018 Vũ Tiến Dũng MỤC LỤC TÓM TẮT ......................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................... II MỤC LỤC ......................................................................................................................III DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... V DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... VI TỔNG QUAN....................................................................................... 1 1.1 Amoniắc................................................................................................................. 1 1.2 Lịch sử ngành công nghiệp sản xuất amoniắc ....................................................... 2 1.3 Tình hình nghiên cứu ............................................................................................. 3 1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................... 6 1.4.1 Mục tiêu ............................................................................................................................ 6 1.4.2 Nhiệm vụ ........................................................................................................................... 6 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 8 2.1 Tính chất vật lý và hoá học của NH3 ..................................................................... 8 2.1.1 Tính chất vật lý ................................................................................................................. 8 2.1.2 Tính chất hóa học ............................................................................................................. 9 2.2 Phương pháp tổng hợp NH3 ................................................................................ 11 2.2.1 Các phương pháp tổng hợp NH3 .................................................................................... 11 2.2.2 Tổng hợp NH3 đi từ phản ứng trực tiếp H2 với N2 ......................................................... 11 2.3 Công nghệ sản xuất NH3 từ phản ứng trực tiếp cho H2 kết hợp với N2 .............. 12 2.3.1 Công nghệ tổng hợp NH3 áp suất cao của hãng Kellogg ............................................... 12 2.3.2 Công nghệ tổng hợp NH3 áp suất trung bình của hãng Krupp Uhde ............................ 13 2.3.3 Công nghệ tổng hợp NH3 ở áp suất thấp của hãng Haldor Topsoe ............................... 15 2.4 Lựa chọn công nghệ sản xuất NH3: ..................................................................... 17 2.5 Một số ưu điểm nổi bật của Công nghệ Haldor Topsoe ...................................... 17 2.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị phản ứng tổng hợp amoniắc ......... 18 2.6.1 Cấu tạo thiết bị ............................................................................................................... 18 2.6.2 Nguyên lý hoạt động ....................................................................................................... 19 2.7 Giải hệ phương trình vi phân bằng phương pháp Runge – Kutta bậc 4 .............. 20 iii 2.8 Giải bài toán tối ưu nhiều biến bằng phương pháp luân phiên từng biến (cyclic coordinate method) .......................................................................................................... 20 2.9 Phương pháp hàm phạt (penalty method)............................................................ 22 2.10 Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp lát cắt vàng (giải bài toán tối ưu hàm một biến) 22 2.11 Giải thuât di truyền .............................................................................................. 23 2.11.1 Tìm hiểu chung về GAs............................................................................................... 23 2.11.2 Các toán tử của giải thuật di truyền .......................................................................... 26 2.11.3 Các tham số của giải thuật di truyền. ........................................................................ 27 2.11.4 Công thức của Giải thuật Di truyền ........................................................................... 27 2.11.5 Các thành phần của thuật giải di truyền .................................................................... 28 THIẾT LẬP VẤN ĐỀ ....................................................................... 31 3.1 Mô phỏng thiết bị phản ứng tổng hợp amoniắc .................................................. 31 3.2 Hàm mục tiêu ...................................................................................................... 32 3.3 Các ràng buộc đẳng thức ..................................................................................... 33 3.4 Các ràng buộc bất đẳng thức ............................................................................... 35 3.5 Sơ đồ thuật toán ................................................................................................... 36 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 40 4.1 Kết quả mô phỏng thiết bị phản ứng ................................................................... 40 4.2 Kết quả tính toán hàm mục tiêu ........................................................................... 43 4.3 Kết quả tối ưu sử dụng phương pháp luân phiên từng biến ................................ 44 4.3.1 Kết quả tối ưu ứng với nhiệt độ đỉnh 694K .................................................................... 44 4.3.2 Kết quả tối ưu đồng thời hai biến nhiệt độ đỉnh và chiều dài thiết bị ............................ 45 4.4 Kết quả tối ưu sử dụng phương pháp giải thuật di truyền ................................... 45 KẾT LUẬN ........................................................................................ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 48 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nhu cầu sử dụng NH3 trên thế giới [1] .............................................................. 2 Bảng 2.1 Các thông số vật lý đặc trưng của NH3 .............................................................. 8 Bảng 4.1 Kết quả tối ưu khi nhiệt độ đỉnh là 694K ......................................................... 44 Bảng 4.2 Kết quả tối ưu đồng thời hai biến nhiệt độ đỉnh và chiều dài thiết bị .............. 45 Bảng 4.3 Kết quả tối ưu ................................................................................................... 46 v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Công nghệ tổng hợp NH3 ở áp suất thấp của hãng Kellogg ............................ 13 Hình 2.2 Công nghệ tổng hợp NH3 ở áp suất trung bình của hãng Krupp Uhde ........... 15 Hình 2.3 Công nghệ tổng hợp NH3 của hãng Haldor Topsoe ........................................ 16 Hình 2.4 Tháp tổng hợp NH3 của hãng Haldor Topsoe S – 200 .................................... 18 Hình 2.5 Quá trình tìm kiếm điểm tối ưu M(0,0) theo phương pháp luân phiên từng biến [15]........................................................................................................................... 21 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc thuật toán di truyền [19] .......................................................... 25 Hình 3.1 Quá trình Haber-Bosch tổng hợp ammonia..................................................... 32 Hình 4.1. Cấu tạo thiết bị phản ứng tổng hợp amoniắc được mô phỏng ....................... 40 Hình 4.2 Sự thay đổi các thông số dọc theo chiều dài thiết bị ở các nhiệt độ đầu vào T0f=600 K (a) và T0f=650 K (b) ............................................................................... 41 Hình 4.3 Sự thay đổi các thông số dọc theo chiều dài thiết bị ở các nhiệt độ đầu vào T0f=694 K (a) và T0f=800 K (b) ............................................................................ 42 Hình 4.4 Hàm mục tiêu ứng với nhiệt độ đỉnh là 694 K ................................................ 43 Hình 4.5 Hàm mục tiêu ứng với nhiệt độ đỉnh là 800 K ................................................ 44 Hình 4.6 Hàm mục tiêu cực đại qua các thế hệ .............................................................. 46 vi Luận văn Thạc sỹ HVTH: Vũ Tiến Dũng TỔNG QUAN 1.1 Amoniắc Amoniắc (NH3) là một trong những hợp chất hoá học có ý nghĩa đặc biệt trong quan trọng ngành công nghiệp hoá học vì nó có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế: - Trong công nghiệp sản xuất phân bón, amoniắc dùng để sản xuất ra các loại đạm, đảm bảo sự ổn định và cung cấp đạm cho việc phát triển phát triển nông nghiệp, góp phần bảo đảm an ninh lương thực, thực hiện công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. - Trong công nghiệp thuốc nổ, amoniắc có vai trò quyết định trong việc sản xuất ra thuốc nổ. Từ NH3 có thể điều chế HNO3 để sản xuất các hợp chất như: di, tri nitrotoluen, nitroglyxerin, nitroxenlulo, pentaerythrytol tetryl, và amoni nitrat dùng để chế tạo thuốc nổ. - Trong ngành dệt, sử dụng NH3 để sản xuất các loại sợi tổng hợp như cuprammonium rayon và nilon. - Trong công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp, NH3 được dùng làm xúc tác và là chất điều chỉnh pH trong quá trình polyme hóa của phenol-formaldehyt và urêformaldehyt tổng hợp nhựa. - Trong công nghiệp dầu mỏ, NH3 được sử dụng làm chất trung hòa để tránh sự ăn mòn trong các thiết bị ngưng tụ axit, thiết bị trao đổi nhiệt, của quá trình chưng cất. NH3 dùng để trung hòa HCl tạo thành do quá trình phân hủy nước biển lẫn trong dầu thô. NH3 cũng dùng để trung hòa các vết axit trong dầu bôi trơn đã axit hóa. - Trong quá trình cracing xúc tác lớp sôi, NH3 thêm vào dòng khí trước khi đưa vào thiết bị kết tủa cottrell để thu hồi xúc tác đã sử dụng. - NH3 dùng để điều chế aluminu silicat tổng hợp làm xúc tác trong thiết bị cracking xúc tác lớp cố định. Trong quá trình hydrat hóa silic, NH 3 kết tủa với nhôm sunfat (Al2(SO4)3) để tạo một dạng gel. Sau đó rửa tạp chất Al2(SO4)3 được sấy khô và tạo hình. 1 Luận văn Thạc sỹ - HVTH: Vũ Tiến Dũng Trong công nghiệp sản xuất thuốc trị bệnh, NH3 là một chất độn quan trọng để sản xuất các dạng thuốc như sunfanilamide, sunfaliazole, sunfapyridine. Nó cũng được sử dụng để sản xuất các loại thuốc vitamin. - Ngoài ra, NH3 còn được sử dụng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường để chuyển hoá SO2 và NOx từ khí ống khói. Dung dịch NH3 21% còn dùng làm dung môi rất tốt. Amoniắc tạo được các nitrua để tôi cứng bề mặt thép, sử dụng amoniắc làm tác nhân lạnh trong các thiết bị lạnh. Bảng 1.1 Nhu cầu sử dụng NH3 trên thế giới [1] ĐVT: Triệu tấn Stt Mục đích sử dụng 2010 2015 2020 2025 2010-25 TĐTT* 2010-20 TĐTT* 1. Sản xuất phân bón 127.2 137.3 148.5 154.3 +1.3% +1.6% 2. Bón trực tiếp cho cây trồng 5.2 5.3 4.6 4.4 -1.1% -1.2% 3. Dùng trong các lĩnh vực khác 28.7 40.0 45.6 48.1 +3.5% +4.7% Tổng nhu cầu 161.1 182.7 198.7 206.8 +1.7% +2.1% TĐTT*: Tỷ lệ tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm. 1.2 Lịch sử ngành công nghiệp sản xuất amoniắc Sau đây là một số mốc thời gian của ngành công nghiệp ammoniac [2] - NH3 được phát hiện vào đầu thế kỷ 18, để thu được NH3, người ta thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao. - Năm 1821 phản ứng được tiến hành trên xúc tác, nhưng các phương pháp này đều không thành công. - Năm 1860 bằng phương pháp hồ quang điện người ta tiến hành tổng hợp NH3 từ N2 và H2, tuy nhiên phương pháp này không sử dụng trong công nghiệp, do quy mô sản xuất bé và tiêu tốn nhiều điện năng, giá thành cao. 2 Luận văn Thạc sỹ - HVTH: Vũ Tiến Dũng Sau đó Vanhốp đã xây dựng lý thuyết cho cân bằng tổng hợp NH 3 trên cơ sở động học, dù đã có lý thuyết nhưng thực tế các nghiên cứu cũng đều thất bại. - Cuối thế kỷ XIX nhu cầu sử dụng NH3 tăng mạnh. Năm 1901 các nhà khoa học đã tiến hành tổng hợp được NH3 trên xúc tác Fe ở nhiệt độ cao thu được sản phẩm NH3 nồng độ 0,1%. - Năm 1906 tiến hành tổng hợp NH3 ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao người ta thu được NH3 nồng độ 1%. Việc nâng cao năng suất và hoàn thiện xúc tác có ý nghĩa quan trọng cho hiệu suất tổng hợp NH3. - Từ năm 30 của thế kỷ trước trở lại đây, công nghiệp tổng hợp NH3 trên thế giới đã có bước phát triển mạnh mẽ do tiến bộ về vật liệu mới, nghành công nghiệp luyện kim và chế tạo máy có thể chế tạo ra thiết bị đòi hỏi làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Ngoài ra, khoa học công nghệ máy tính đã hỗ trợ tích cực trong nghiên cứu về công nghệ hóa học, góp phần tự động hóa việc điều khiển và vận hành các quá trình một cách dễ dàng, nhanh chóng và an toàn mà trước đây con người khó có thể làm được. Cùng tiến bộ chung của các ngành khoa học và kỹ thuật, các nhà máy sản xuất NH3 quy mô lớn và hiện đại ra đời, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng cao của sản phẩm này. 1.3 Tình hình nghiên cứu - Amoniắc được sử dụng với khối lượng rất lớn và trong nhiều lĩnh vực, hiểu rõ công nghệ sản xuất NH3 sẽ giúp cho các nhà sản xuất có khả năng tăng quy mô sản xuất, giảm giá thành sản phẩm và đem lại lợi nhuận cao nhất. Các nhà khoa học và kỹ sư của các nhà máy đã bỏ rất nhiều thời gian, công sức và chi phí để nghiên cứu cải tiến công nghệ, tìm phương pháp tổng hợp NH3 mới để giảm chi phí đầu tư và vận hành nhằm hạ giá thành sản phẩm. Để hỗ trợ và giảm chi phí nghiên cứu thực nghiệm, ứng dụng nghiên cứu bằng công cụ máy tính và các phần mền chuyên dụng đã góp phần đáng kể để các nhà khoa học đánh giá, định hướng và khoanh vùng nghiên cứu, từ đó giảm thời gian và chi phí cho việc tiến hành thực nghiệm trên các quy trình và mô hình thực tế. Kể từ cuối thế kỷ XX, khi máy tính trở thành công cụ phổ biến và ngày càng hoàn thiện đã giúp các nhà khoa học đưa ứng dụng nghiên cứu theo hướng sử dụng phương pháp số. 3 Luận văn Thạc sỹ - HVTH: Vũ Tiến Dũng Với những tiến bộ không ngừng của khoa học máy tính, nhiều bài toán của khoa học kỹ thuật, kinh tế phức tạp đã được giải quyết một cách thỏa đáng bằng công cụ máy tính trên các phần mền chuyên dụng. Mấu chốt để giải quyết các bài toán tối ưu là phải lập ra các mô hình toán mô tả quá trình phản ứng dựa trên cân bằng vật chất và năng lượng trong các điều kiện và ràng buộc cụ thể, đặc biệt là những biến có ảnh hưởng và chi phối chính đến quá trình. - Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung tìm hiểu mô phỏng và tối ưu quá trình và thiết bị phản ứng tổng hợp NH3 từ phản ứng kết hợp trực tiếp khí Hydro (H2) với Nitơ (N2). Đến nay, chúng ta đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu liên quan đến quá trình tổng hợp NH3: Annable [3], Murase, et al. [4], Singh and Saraf [5], Babu and Angira [6], và nhiều nhà khoa học khác. - Amoniắc được sản xuất dựa vào quá trình Haber – Bosch theo phản ứng trực tiếp N2 (lấy từ không khí) với H2 (được chuyển hóa từ khí thiên nhiên, dầu mỏ và than đá), phản ứng ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao với sự có mặt của xúc tác sắt (Fe), phương trình phản ứng như sau: 𝑇°, 𝑃, 𝐹𝑒 N2 + 3H2 ⇔ - 2NH3 + Q Đây là phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt mạnh. Hiệu suất quá trình phản ứng tổng hợp amoniắc phục thuộc vào chiều dài thiết bị phản ứng, nhiệt độ khí nguyên liệu (đầu vào), nhiệt độ hỗn hợp khí phản ứng (ở đầu ra thiết bị) và tốc độ khối của dòng Nitơ. Bài toán tối đa lợi nhuận được xác lập dựa vào các phương trình cân bằng năng lượng và vật chất của phản ứng chi phối cùng với các điều kiện ràng buộc ban đầu và biên. Chúng ta tiến hành xây dựng hệ phương trình vi phân (ODE) và các ràng buộc bất đẳng thức. Đã có nhiều báo cáo khoa học thảo luận về mô hình và mô phỏng thiết bị tổng hợp amoniắc tự cấp nhiệt. Murase, et al. [4] áp dụng nguyên lý tối đa của Pontryagin để tính đường nhiệt độ tối ưu theo chiều dài thiết bị phản ứng. Edgar, et al. [7] sử dụng phương pháp Gradien rút gọn để tìm chiều dài thiết bị tối ưu ứng với nhiệt độ đỉnh thiết bị phản ứng ở 694K. Dù sao thì họ đã bỏ qua một yếu tố trong công thức của Murase, liên quan đến chi phí của NH3 đã có trong khí nguyên liệu, trong hàm mục tiêu. Như trong công thức của Murase, biểu thức áp suất riêng phần của N2, H2, NH3 dùng để mô phỏng nhiệt độ và tốc độ dòng đi qua chiều dài thiết bị, đã không đúng. Upreti and Deb [8] sử dụng công thức của Murase với hàm mục tiêu đúng và biểu thức cân bằng hóa 4 Luận văn Thạc sỹ HVTH: Vũ Tiến Dũng học đúng theo áp suất riêng phần (H2, N2 và NH3). Tác giả đã sử dụng thuật toán di truyền đơn giản (GA) kết hợp với gói GEAR của thư viện con NAG, DO2EJF, cho việc tối ưu hóa của thiết bị tổng hợp amoniắc. Tuy nhiên, Babu and Angira [6] đã tìm thấy kết quả trái ngược nhiệt độ và tốc độ dòng khí, dữ liệu thu được từ công việc của Upreti và Deb và khẳng định giải thuật tiến hóa (DE) là một phiên bản cải tiến đơn giản GA, nó nhanh hơn, mạnh hơn tối ưu toàn cục của hàm. Tác giả lựa chọn thuật toán lồng DE trong việc chọn kết hợp phải của tham số chìa khóa DE. Sau này, Babu và Angira [4] mở rộng nghiên cứu này bằng việc mở rộng phương pháp DE để giải 3 cặp phương trình vi phân sử dụng hàm con của thư viện NAG, DO2EJF trong Matlab. Phương pháp Quasi – Newton được sử dụng kết hợp với hàm con ở trên. Yusup, et al. [9] trình bầy cách tiếp cận luân phiên sử dụng phương pháp bắn để xác định chiều dài tối ưu của thiết bị phản ứng. Hàm mục tiêu và giá trị chiều dài thiết bị phản ứng tương đồng với nghiên cứu của Babu sử dụng phương pháp DE. Tác giả cũng chỉ ra rằng việc thực hiện phép bắn đa cấp sẽ tốt hơn phép bắn đơn, thậm chí với cả những suy đoán trước không chuẩn xác về chiều dài thiết bị phản ứng. Ksasy, et al. [10] áp dụng code thật GA cho việc tối ưu hóa chiều dài thiết bị phản ứng, kết hợp với hàm solver ode45 trong Matlab, để giải 3 cặp phương trình vi phân tại mỗi bước nhẩy 0,0001 m theo toàn bộ chiều dài thiết bị phản ứng (10 m). GA tiến hành độc lập với nhiều tham số (kích thước mẫu, xác xuất lai tạo, xác xuất đột biến, cách thức đưa biến của mình, …) và mã hóa có thể sử dụng chuỗi nhị phân. Mã hóa nhị phân để giải bài toán tối ưu cho các hàm được hiểu là giảm trừ nhờ hiện tượng Hamming Cliff [10]. Với một vài biến đổi của toán tử đạo hàm, biến thực GAs cho kết quả tốt hơn biến nhị phân GA cho bài toán [10]. - Ở nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp luân phiên từng biến và lát cắt vàng kết hợp phương pháp hàm phạt để giải quyết bài toán tối ưu. Hàm mục tiêu cùng với các điều kiện ràng buộc ban đầu và biên dựa trên các báo cáo khoa học của các tác giả đã nghiên cứu trước [11], sử dụng toán tin và hàm không đạo hàm được để giải quyết vấn đề. Do đó mà thuật toán không cần đạo hàm được thế để tìm tối ưu toàn cục. Sự hội tụ toàn cục của thuật toán này đối với điểm tới hạn đã được chứng minh ở điều kiện thông thường. Kết quả thu được từ thuật toán này sẽ cho cả tối ưu và tính khả thi, trong khi các nghiên cứu trước chỉ tập trung vào giải hàm tối ưu, nhưng chưa xem xét tính khả thi của vấn đề. 5 Luận văn Thạc sỹ - HVTH: Vũ Tiến Dũng Các nghiên cứu đều tập trung tìm hiểu và khám phá mối quan hệ và ràng buộc các thông số nhiệt động và động học quá trình: nhiệt độ, áp suất, thành phần hỗn hợp nguyên liệu, tốc độ nạp liệu, xúc tác, … để phản ứng đạt tốc độ và hiệu suất cao, song song đó là nghiên cứu cải tiến thiết bị, tính toán hiệu quả kinh tế giữa chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành để giảm giá thành sản phẩm NH3. Suy cho cùng, tất cả các nghiên cứu khoa học đều nhắm đến mục tiêu đạt tối đa về hiệu quả qua đó đem lại lợi nhuận cao, ngoài ra các nghiên cứu cũng còn đáp ứng các yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao về đảm bảo an toàn và môi trường và hướng tới nền công nghiệp xanh, sạch và thân thiện trong tương lai. - Các nghiên cứu quá trình tổng hợp NH3 trước đây đều giả thiết dòng nguyên liệu đi vào lớp xúc tác có nhiệt độ được xác định trước, sau đó tính chiều dài tối ưu thiết bị phản ứng. Trong đề tài này, tác giả sẽ xem xét ảnh hưởng nhiệt độ dòng khí nguyên liệu và chiều dài thiết bị phản ứng tổng hợp NH3 sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. 1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu Đề tài sẽ nghiên cứu để xác định chiều dài tối ưu của thiết bị tổng hợp NH3, nhiệt độ phù hợp nhất của dòng nguyên liệu và tốc độ khối dòng N2 khi đi vào thiết bị. Dựa trên kết quả tính toán, giải hệ phương trình vi phân với các điều kiện ban đầu và ràng buộc bằng công cụ máy tính và phần mền Matlab sẽ có nhận xét, đánh giá kết quả, từ đó đề xuất biện pháp xử lý và hướng nghiên cứu tiếp theo. 1.4.2 Nhiệm vụ - Khảo sát quá trình tổng hợp NH3 dựa trên phản ứng kết hợp H2 với N2 trong thiết bị phản ứng có mặt xúc tác, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. - Tìm mối liên hệ của các tham số: Nhiệt độ, áp suất, thành phần nguyên liệu, tốc độ nạp liệu, … đến nhiệt động học phản ứng. Xây dựng mô hình toán, dựa trên cân bằng vật chất, năng lượng, điều kiện ban đầu và các yếu tố ràng buộc vật lý để tính toán điều kiện tối ưu quá trình tổng hợp NH3, chiều dài thiết bị cũng như vốn đầu tư, ... 6 Luận văn Thạc sỹ - HVTH: Vũ Tiến Dũng Lập hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống, kèm theo các điều kiện ràng buộc ban đầu và giới hạn kỹ thuật của quá trình và thiết bị. - Giải hệ phương trình vi phân để mô phỏng hệ thống và tính toán hàm mục - Các phương pháp số để giải bài toán cực trị. - Phương pháp lát cắt vàng (golden section search). - Phương pháp luôn phiên từng biến, áp dụng giải bài toán có nhiều biến - Phương pháp hàm phạt (penalty method) để gộp các ràng buộc với hàm tối tiêu. ưu thành một bài toán tối ưu duy nhất để giải. - Phương pháp giải thuật di truyền. - Xây dựng thuật toán để giải bài toán mô phỏng hệ thống bằng phương pháp Runge – Kutta bậc 4 (Runge – Kutta 4th) kết hợp sử dụng phần mềm Matlab. - Giải bài toán tối ưu hàm nhiều biến (khác với các nghiên cứu trước) bằng 2 phương pháp: sử dụng phương pháp luân phiên từng biến kết hợp lát cắt vàng và sử dụng phương pháp giải thuật di truyền. - So sánh kết quả tính toán của các phương pháp từ đó đưa ra ý kiến nhận xét và đánh giá để lựa trọn phương pháp giải tốt nhất cho bài toán tính toán tối ưu phản ứng tổng hợp NH3. 7 Luận văn Thạc sỹ HVTH: Vũ Tiến Dũng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính chất vật lý và hoá học của NH3 2.1.1 Tính chất vật lý Dựa theo tài liệu [12] - Amoniắc có công thức phân tử là NH3. Ở điều kiện thường nó là một chất khí không màu, nhẹ hơn không khí, và có mùi hăng đặc trưng. - Ở áp suất khí quyển, NH3 hóa lỏng tại -33,34oC, có trọng lượng riêng 682 g/l tại 4oC, hóa rắn tại -77,73oC, ở nhiệt độ thường NH3 được lưu trữ ở dạng lỏng và dưới áp suất cao (khoảng trên 10 atm tại 25,7oC). - NH3 lỏng có entalpy (nhiệt bay hơi) ∆H thay đổi lớn (23,35 kJ/mol) nên cũng được dùng làm môi chất làm lạnh. Bảng 2.1 Các thông số vật lý đặc trưng của NH3 Tính chất STT Giá trị và đơn vị 1 Khối lượng phân tử 17,3 g/mol 2 Thể tích phân tử (0oC; 101,3 kPa) 2,08 l/mol 3 Khối lượng riêng pha lỏng (33,3oC) 0,681 g/cm3 4 Khối lượng riêng pha khí (20oC;1atm) 0,717 kg/m3 5 Áp suất tới hạn 11,28 MPa 6 Nhiệt độ tới hạn 132,4oC 7 Thể tích tới hạn 4,225 cm3/g 8 Độ dẫn nhiệt tới hạn 0,522 kJ.K-1.h-1.m-1 9 Độ nhớt (-40oC) 0,276 cP 10 Điểm nóng chảy -77,71 oC 11 Nhiệt nóng chảy 332,3 kJ/kg 8 Luận văn Thạc sỹ HVTH: Vũ Tiến Dũng 12 Áp suất hóa hơi 6,077 Pa 13 Điểm sôi -33,43 oC 14 Nhiệt hóa hơi 1370 kJ/kg 15 Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn -45,72 kJ/mol 16 Entropi tiêu chuẩn 192,731 J.mol-1.K-1 17 Enthanpi (nhiệt tạo thành tiêu chuẩn) -16,391 kJ/mol Giới hạn nổ: 18 - Hỗn hợp NH3-O2(20oC, 101,3KPa) 15 - 17% V NH3 Hỗn hợp NH3-KK(20oC, 101,3KPa) 16 - 27% V NH3 Hỗn hợp NH3-KK(100oC, 101,3KPa) 15,5- 28% V NH3 NH3 lỏng là một dung môi hòa tan tốt nhiều chất và là một trong những dung môi ion hóa không nước quan trọng nhất. Nó có thể hòa tan các kim loại kiềm, kiềm thổ và một số kim loại đất hiếm để tạo ra các dung dịch kim loại (có màu), dẫn điện và có chứa các electron solvat hóa. 2.1.2 Tính chất hóa học Dựa theo tài liệu [12] - Về mặt hoá học NH3 là một chất khá hoạt động. Với cặp electron tự do ở nitơ, amoniắc có khả năng kết hợp dễ dàng với nhiều chất. - Khi tan trong nước, NH3 kết hợp với ion H+ của nước tạo thành ion NH4+ và dung dịch trở nên có tính bazơ. NH3 + H+ = NH4+ H2 O (1) H+ + OH- (2) và phản ứng tổng quát có thể viết là: NH3 (dd) + H2O NH4+ + OH- Hằng số phân ly của NH3 trong dung dịch ở 25oC là: 9 (3)