Bài tập lớn số 2 mô phỏng, mô hình hóa và tối Ưu hóa trong công nghệ hóa học mô phỏng các quá trình trên hysys

- Lưu lượng của dòng Water sẽ phụ thuộc vào lưu lượng dòng E-Benzene.- Nhiệt độ của dòng 4 và 6 được xác định tại 600oC... Sự phụ thuộc của lượng Styrene vào thể tích bình phản ứng- Từ C

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

🙞···☼···🙞

BÀI TẬP LỚN SỐ 2

MÔ PHỎNG, MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MÔ PHỎNG CÁC QUÁ TRÌNH TRÊN HYSYS

Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Phan Hoàng Chiêu Lớp: L02 Nhóm: 2

Sinh viên thực hiện:

TP HCM, tháng 10, năm 2024

PHỤ LỤC

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE TỪ ETHYLBENZEN 3

I ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 3

II MÔ PHỎNG BẰNG ASPEN HYSYS 4

1 Properties 4

1.1 Component Lists 4

1.2 Fuid Packages 4

1.3 Reactions 4

2 Simulation 6

2.1 Xử lí trước phản ứng 6

2.2 Phản ứng 7

2.3 Phân tách 13

2.4 Hồi lưu và kết thúc quy trình 18

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMMONIATỪ NITROGEN VÀ HYDROGEN 21

I Mô tả các thông số 21

II Phương trình động học phản ứng 21

III Thực hiện khảo sát nhiệt động và quy trình nhiệt động 22

3.1 Khảo sát nhiệt động 22

3.2 Quy trình phân tách NH3 trong hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng 25

3.3 Điều chỉnh lưu lượng đầu vào để phù hợp với đầu ra NH3 mong muốn và hồi lưu 26

IV Hệ động học 27

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH HYDROCLO HÓA ETHYLENE 28

I Mô tả tổng quan về quá trình 28

II Trình tự mô phỏng trên Hysys 28

2.1 Thiết lập các thông số Properties 28

2.2 Tiến hành mô phỏng dòng quá trình chính 30

2.3 Tiến hành mô phỏng dòng hồi lưu 35

III Kết quả mô phỏng 38

CHƯƠNG 4 : QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC DUNG DỊCH 40

I Mô tả tổng quan về quá trình 40

II Trình tự mô phỏng trên Hysys 40

2.1 Thiết lập các thông số Properties 40

2.2 Tiến hành mô phỏng dòng quá trình chính 42

43

III Kết quả mô phỏng 50

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT STYRENE TỪ

r – mol/m3.s

R = 1.987 cal/mol.K

T – Kelvin

P – bar

II MÔ PHỎNG BẰNG ASPEN HYSYS

Mục tiêu: sản suất 1000 kgmole/h styrene với độ tinh khiết 99%

Phản ứng Rxn-1

Phản ứng Rxn-2

Phản ứng Rxn-3

2 Simulation

2.1 Xử lí trước phản ứng

Quy trình xử lý trước phản ứng

Thông số các dòng như sau:

Thông số các dòng giai đoạn trước phản ứng

- Lưu lượng của dòng Water sẽ phụ thuộc vào lưu lượng dòng E-Benzene.

- Nhiệt độ của dòng 4 và 6 được xác định tại 600oC

- Nhiệt độ dòng 5 sẽ phụ thuộc vào dòng 4 và 6 do nhiệt độ dòng 6 cần xác định để đưa

vô bình phản ứng và lưu lượng dòng 5 dự tính sẽ dùng nhiều hơn dòng 4, khi đó nhiệt độ dòng 5 sẽ chỉ dao động xung quanh 600oC

Sự phụ thuộc của lượng Styrene vào thể tích bình phản ứng

- Từ Case Study 1 và 2 có thể thấy lưu lượng styrene đều tăng theo khi nhiệt độ và thể tích bình phản ứng tăng Vì vậy, sẽ khó tìm được nhiệt độ và thể tích bình tối ưu do càng tăng 2 thông số đó, lượng styrene sinh ra cũng tăng

- Cố định nhiệt độ phản ứng tại 600oC và thể tích bình phản ứng 10 m3, sau đó sẽ khảo sátSET-Multiplier để tìm ra tỉ lệ hơi nước và ethylbenzene tối ưu cho phản ứng

Sự phụ thuộc của lượng Styrene vào tỉ lệ hơi nước: E-Benzene

- Từ Case Study 3 có thể thấy rằng khi tăng khi tăng lượng hơi nước, lượng Styrene sinh

ra tăng do hơi nước có tác dụng làm loãng nguyên liệu, cân bằng chuyển sang bên phải theo Le Chatelier và độ chuyển hóa sẽ tăng lên

- Tuy nhiên, sau đó lượng Styrene giảm do thể tích PFR có giới hạn, khi đó hơi hơi chiếmcác không gian để phản ứng trong bình

SET-1 – Multiplier tối ưu

Như vậy, tỉ lệ hơi nước: E-Benzene tối ưu cho phản ứng là 22:1 Chọn multiplier bằng 22

Độ chuyển hóa của các phản ứng trong bình PFR

Trước khi sang giai đoạn phân tách sản phẩm, để giữ được độ chuyển hóa và độ chọn lọc của phản ứng khi thay đổi lượng ethylbenzene nhập liệu, ta sẽ tiến hành thay bình PFR bằng Conversion Reactor ứng với độ chuyển hóa như trên

Conversion Reaction: Rxn-4

2.3 Phân tách

Giai đoạn phân tách sản phẩm phản ứng

- Dòng 8 không có lượng sản phẩm cho sản phẩm sau phản ứng chỉ ở pha khí

- Sản phẩm dòng 7 sẽ qua thiết bị Cooler để giảm nhiệt độ xuống 40oC (giải nhiệt bằng nước) sau đó cho qua 3 Phase Separator để tách 3 pha: pha khí, pha hữu cơ và pha nước

- Dòng 10 sẽ tiếp tục cho qua tháp chưng cất tinh chế Styrene

- Dòng sản phẩm đáy 13 sẽ tiến hành giảm nhiệt độ xuống 40oC và áp suất 1 bar để đưa vào bể chứa

- Condenser chọn Partial do trên đỉnh tháp sẽ có 2 dòng: khí (Hydrogene, Methane và Ethylene) và lỏng (H2O, Benzene, Toluene và E-Benzene)

- Số mâm tháp tạm thời là 40 do nhiệt độ E-Benzene và Styrene chỉ cách nhau 9oC

- Áp suất tại Reboiler và Condenser tạm thời bằng 100 kPa, ta sẽ tìm chênh lệch áp suất đỉnh và đáy sau

- 3 thông số bậc tự do:

+ Vapour Rate = Hydrogene + Ethylene + Methane = 0.7565 kgmole/h

+ Liquid Rate = H2O + Benzene + Toluene + E-Benzene = 513.2735 kgmole/h

+ Light key: Mole Fraction E-Benzene ở Reboiler = 0.01 để độ tinh khiết Styrene sản phẩm đáy đạt 99%

Tiếp theo sẽ tiến hành tìm chênh lêch áp suất đỉnh và đáy:

Internals

Section Pressure Drop

Như vậy, chênh lệch áp suất đỉnh và đáy là 551.5 mbar = 55.15 kPa Chọn áp suất tại Condenser là 120 kPa Điều chỉnh lại áp suất như sau:

Thông số tháp chưng cất

Như vậy, chỉ Reflux Ratio hiện tại là 8.738 Bỏ 2 thông số bậc tự do Ovhd Vap Rate và Distillate Rate thay bằng Reflux Ratio là 8.738 và nhiệt độ đỉnh tháp hiện tại là 85.09oC do khi hồi lưu E-Benzene và thay đổi lượng nhập liệu, 2 thông số đó sẽ bị thay đổi

Thông số lưu lượng, thành phần của đầu vào và ra tháp chưng cất

2.4 Hồi lưu và kết thúc quy trình

Hồi lưu E-Benzene

- Dòng 12 (98.8%) sẽ được qua P-102 để nâng áp suất lên 2 bar bằng với dòng 1 và được hồi lưu vào MIX-100

- Thay đổi SET-1: lúc này lưu lượng của dòng Water sẽ phụ thuộc vào dòng 2

Quy trình Thermodynamics

- Điều chỉnh dòng E-Benzene đi vào hệ thống là 1020 kgmole/h để lưu lượng dòng Styrene sản phẩm sau cùng đạt 1000 kgmole/h như dự kiến ban đầu.

Như vậy đến đây ta đã hoàn thành xong phần thiết kế quy trình Thermodynamics.

Tiếp theo ta sẽ tiến thành thiết kế phần Kinetics Thay bình phản ứng Conversion bằng bình PFR sao cho lượng sản phẩm sau phản ứng bằng với bình Conversion

Composition dòng sản phẩm bình Conversion

Thay đổi thể tích bình PFR và so sánh với sản phẩm bình Conversion

Vậy, tại thể tích bình PFR 20.5 m3 thì thành phần sản phẩm gần giống với bình Conversion.

Đến đây ta kết thúc thiết kế quy trình Kinetics.

Quy trình Kinetics

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMMONIATỪ NITROGEN

VÀ HYDROGEN

I Mô tả các thông số

Dòng 1-Nitrogen: là dòng nhập liệu nitrogen cho quy trình với Composition: 100%nitrogen, khí nitrogen được trữ ở nhiệt độ thường 30 độ C, khí nén áp cao 50 bar, lưulượng nitrogen đầu vào chưa xác định được nên tạm thời đặt ở 1000kmol/h

Dòng 2-Hydrogen: là dòng nhập liệu hydrogen cho quy trình với Composition: 100%hydrogen, khí hydrogen được trữ ở nhiệt độ thường 30 độ C, áp suất 5 bar, lưu lượnghydrogen đầu vào phụ thuộc vào bộ định tỉ lệ SET-1

Bộ định tỉ lệ SET-1 được đặt là N2:H2 = 1:3

Dòng 1-Nitrogen sẽ cho đi vào máy nén, thông số áp suất của dòng 1a sau khi qua máynén sẽ do dòng số 3 xác định Dòng 1a tiếp tục qua thiết bị trao đổi nhiệt (deltaP = 0) vớidòng ra là 1b với nhiệt độ 340 độ C

Dòng 2-Hydrogen tương tự như dòng 1-Nitrogen tuy nhiên áp suất của dòng 2a saukhi ra khỏi máy nén sẽ được xác định 80bar và nhiệt độ của dòng 2b sau thiết bị trao đổinhiệt (deltaP = 0) sẽ do dòng số 3 xác định

Dòng 1b và 2b sẽ cho qua MIX-100 trước khi cho vào thiết bị phản ứng, dòng số 3 sauMIX-100 sẽ định nhiệt độ 340 độ C, áp suất 80 bar

Toàn bộ thông số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng đầu vào N2, bộ tỉ lệ SET-1 cần thực hiệnkhảo sát nhiệt động để cho ra thông số tối ưu

Nhóm cần thiết kế hệ thống quy trình để thu được lưu lượng NH3 đầu ra sau khi phântách là khoảng 500kmole/h

Với −r N 2 là tốc độ N2 mất đi (kmol

m3 s), nhiệt độ T (K), áp suất riêng phần P i (atm), năng lượng hoạt hóa E (KJ//kmol)1

Hình 1: Tạo gói Kinectic reaction trong Properties

III Thực hiện khảo sát nhiệt động và quy trình nhiệt động

3.1 Khảo sát nhiệt động

Dòng 3 sẽ đưa vào bình PFR thực hiện phản ứng và khảo sát nhiệt động Thông sốchạy khảo sát gồm: Nhiệt độ và áp suất dòng số 3, bộ tỉ lệ SET-1 và thể tích bình phảnứng Thông số phụ thuộc là lưu lượng NH3 (kmol/h) đầu ra của bình phản ứng (dòng 4)

Hình 2: Các thông số chạy khảo sát

Sau khi thực hiện khảo sát, nhóm thu được kết quả ở dạng đồ thị sau:

Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lưu lượng Amonia ở dòng 4 vào bộ tỉ lệ SET-1

Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lưu lượng Amonia ở dòng 4 vào áp suất

Hình 5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lưu lượng Amonia ở dòng 4 vào nhiệt độ

Hình 6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lưu lượng Amonia ở dòng 4 vào thể tích bình

Hình 7: Lưu lượng dòng sản phẩm sau phản ứng (kmole/h)

Sau khi xác định được độ chuyển hóa tối ưu, ta tiến hành tháo bình PFR ra và đặt bìnhConversion vào nhằm cố định độ chuyển hóa của tác chất giới hạn ở 22.54% và tiến hànhcác quá trình phân tách thu NH3

Hình 8: Cố định Co = 22.54 trong gói Conversion Reaction

3.2 Quy trình phân tách NH3 trong hỗn hợp sản phẩm sau phản ứng

Sản phẩm thu được sau phản ứng (dòng 4) gồm N2, H2 không phản ứng và NH3 vớilưu lượng mol được thể hiện ở hình 7 Dựa vào khoảng nhiệt độ hóa lỏng khác nhau: N2hóa lỏng ở −159℃; H2 hóa lỏng ở −259℃ và NH3 hóa lỏng ở −33℃, nhóm sẽ tiếnhành làm lạnh hỗn hợp để có thể tách NH3 ở thể lỏng ra khỏi hỗn hợp khí

Đầu tiên, dòng số 4 ( dòng sau thiết bị phản ứng) sẽ được làm nguội từ 434℃ xuốngcòn khoảng 45℃ Sau đó, hỗn hợp sẽ được làm lạnh xuống −33℃.

Hình 9: Lưu lượng các chất ở pha lỏng và pha khí sau khi được làm lạnh

Từ bảng số liệu được trình bày ở Hình 9, nhóm xác định có khoảng 86.6949450.8 =19 %NH3 còn sót lại ở pha khí cùng với khí N2 và H2 Trong khi đó, pha lỏng với lưu lượngmol khoảng 365 kmole/h có lẫn chỉ 0.043% N2 và 0.40% H2 trong hỗn hợp lỏng Nhómđưa ra giải pháp rằng: Hỗn hợp lỏng khí sẽ được cho qua tháp tách V-100, pha khí đi lênvới lượng N2,H2 và NH3 sẽ được hoàn lưu lại thiết bị phản ứng, pha lỏng sẽ được xả đáythu sản phẩm NH3 với lượng N2, H2 lẫn vào không đáng kể

3.3 Điều chỉnh lưu lượng đầu vào để phù hợp với đầu ra NH3 mong

muốn và hồi lưu

Để đáp ứng đầu ra NH3 là khoảng 500 kmole/h, ta xác định được lưu lượng dòng tácchất N2 cần cung cấp cho bình phản ứng là 255 kmole/h, lưu lượng mole dòng H2 sẽ do

bộ tỉ lệ SET-1 xác định

Dòng khí số 7 sau khi qua tháp tách sẽ chia làm 2 dòng: 1 dòng Purge và 1 dòng hoànlưu số 8 ( tỉ lệ 50:50) Trước khi trả về hoàn lưu, dòng số 8 sẽ được đưa về trạng thái ápsuất và nhiệt độ giống dòng 1-Nitrogen.

Hình 10: Quy trình sản xuất Amonia từ N2 và H2 hệ nhiệt động

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH HYDROCLO HÓA ETHYLENE

I Mô tả tổng quan về quá trình

Etyl clorua được sản xuất từ HCl và etylen, phản ứng thực hiện trong pha khí trên xúc tác clorua đồng mang trên silica:

C2H4+HCl →C2H5Cl

Dòng nguyên liệu có thành phần gồm 50 % mol HCl, 48 % mol C2H4, và 2 % mol N2 với lưu lượng dòng 100 kmol /h, nhiệt độ 25℃, và áp suất 1atm Phản ứng đạt độ chuyển hóa 90 % mol, etyl clorua được tách khỏi hỗn hợp khí chưa phản ứng, và sau đó được tuần hoàn lại Quá trình tách sản phẩm sử dụng tháp chưng luyện, giả định là quá trình tách triệt để Quá trình tiến hành ở áp suất khí quyển, và độ giảm áp được bỏ qua Để ngăn ngừa sự tích tụ của khí trơ trong hệ thống, dòng khí thải W có lưu lượng là

10 kmol /h Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí thải W đến dòng tuần hoàn R và thành phần hỗn hợp khí phản ứng.

II Trình tự mô phỏng trên Hysys

2.1 Thiết lập các thông số Properties

Bước 1: Thiết lập các cấu tử cho môi trường mô phỏng bằng cách vào mục Component Lists để thêm các

cấu tử cho hệ bao gồm Ethylene, HCl, ClC2, Nitrogen

Hình 3.1 Thêm các cấu tử vào hệ mô phỏng trong Component Lists

Bước 2: Chọn gói Peng-Robinson cho Fluid Packages.

Hình 3.2 Chọn gói Peng-Robinson cho Fluid Packages

Bước 3: Nhập các thông số cho phương trình phản ứng bằng cách tạo Reaction Set – 1 ở mục Reactions

Sau đó, nhấn Add Reaction Rxn – 1 và chọn loại phản ứng là Conversion.

Hình 3.3 Tạo Active Reactions cho hệ mô phỏng

Nhấn đúp chuột vào Rxn – 1 để mở cửa sổ để nhập các thông số của phản ứng Ở cột Component, ta nhập các cấu tử ethylene, hydrogen chloride, và ethyl chloride Ở cột Stoich Coeff , ta nhập các thông số lần lượt (-1, -1, 1) Cuối cùng, ta nhập hiệu suất phản ứng Co là 90 ở tab Basis.

Hình 3.4 Thiết lập các thông số cho phản ứng

2.2 Tiến hành mô phỏng dòng quá trình chính

Bước 1: Ta vào tab Model Palette để tạo các dòng quá trình và các thiết bị cho quá trình mô phỏng Hệ

mô phỏng bao gồm MIX – 100, CRV – 100, X – 100, TEE – 100, RCY – 1 và các dòng quá trình.

Bước 2: Nhập ba thông số mô phỏng cho dòng nhập liệu Feed với nhiệt độ đầu vào 25℃, áp suất 1 atm,

và suất lượng mol là 100 kgmole /hr Cuối cùng, ta điền thành phần cấu tử ở tab Composition.

Hình 3.5 Nhập các thông số của dòng Feed

Hình 3.5 Nhập thành phần cấu tử có trong dòng Feed

Bước 3: Nhập các dòng quá trình vào và ra khỏi MIXER – 100 Dòng vào bao gồm Feed và dòng hồi lưu R* Dòng ra là S2.

Hình 3.6 Nhập dòng quá trình cho MIX – 100

Bước 4: Nhập dòng quá trình cho CRV – 100 Dòng vào là dòng S2, và dòng ra pha hơi là S3 và ở pha

lỏng là Liq Nhập dòng năng lượng cho Reactor là R-Duty.

Hình 3.7 Nhập dòng quá trình cho CRV - 100

Nhập các thông số phản ứng ở tab Reactions với gói Set – 1 và phản ứng Rxn – 1.

Hình 3.8 Nhập Conversion Reaction Details cho CRV – 100

Bước 5: Nhập dòng quá trình cho X – 100 Dòng vào là dòng S3, và dòng ra Overhead Outlet là S4 và Bottom Outlet là S5 Nhập dòng năng lượng cho X - 100 là S-Duty.

Hình 3.9 Nhập dòng quá trình cho X - 100

Nhập các thông số cho dòng S4 và dòng P mong muốn ở tab Parameters

Hình 3.10 Nhập thông số đầu ra mong muốn cho X – 100

Bước 6: Sau khi qua thiết bị X – 100, ở dòng sản phẩm đỉnh S4, ta sẽ thu được C2H5Cl nguyên chất với

suất lượng mol 44.98 kmole/h.

Hình 3.11 Thông số tính toán của dòng S4

Hình 3.12 Thành phần của dòng S4

2.3 Tiến hành mô phỏng dòng hồi lưu

Ngoài ra, ở đáy tháp ta thu được dòng S5 với một lượng lớn tác chất chưa phản

ứng hết bao gồm 30,14% Ethylene, 50% HCl và 19,86% Nitrogen Ta tiến hành chi dòng S5 bằng TEE – 100 thành 2 dòng là Purge và dòng hoàn lưu R Mục đích của việc này là

để tận dụng lại tác chất chưa phản ứng hết, đồng thời thải ra ngoài quá trình một lượng Nitrogen tạp chất

Hình 3.13 Các thông số của dòng quá trình S5

Hình 3.14 Thành phần cấu tử của dòng S5

Bước 1: Nhập dòng vào và dòng ra cho TEE – 100, với dòng vào là S5 và dòng ra là Purge và dòng hoàn

lưu R Chọn lưu lượng dòng Purge là 10 kmole/h ở Worksheet.

Hình 3.15 Nhập dòng quá trình cho TEE – 100

Hình 3.16 Bảng các thông số quá trình được tính toán ở Worksheet

Bước 2: Nhập dòng quá trình cho RCY – 1 với dòng vào là R và dòng ra là R* Dòng R* được trộn vào

dòng Feed để tiếp tục thực hiện quá trình phản ứng thông qua MIX-100.

Hình 3.17 Nhập dòng quá trình cho RCY-1

III Kết quả mô phỏng

Sau khi kết thúc quá trình mô phỏng, ta sẽ thu được một bản vẽ Process Flow Diagram (PFD) mô tả thiết

bị và các dòng quá trình Hình 3.18 Ngoài ra, ta còn thu được một bản kết quả tính toán quá trình trong

Workbook được mô tả ở Hình 3.19

Hình 3.18 Process Flow Diagram của quá trình hydroclo hóa ethylene

Hình 3.19 Bảng kết quả tính toán các dòng quá trình sau khi kết thúc mô phỏng