Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học, Đề tài: Design of a Shift reactor unit to Convert CO to CO2, Unit 1300.

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học, Đề tài: Design of a Shift reactor unit to Convert CO to CO2, Unit 1300. Có đính kèm file mô phỏng HYSYS Bao gồm các nội dung: - Tổng quan về công nghệ, phản ứng Water Gas Shift phổ biến trong quy trình sản xuất Khí tổng hợp (Syngas) trong các nhà máy đạm, methanol, ammonia,...để chuyển hóa CO thành H2/CO2 - Mô phỏng, tính toán quy trình công nghệ bằng phần mềm Aspen HYSYS - Tính toán hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt bằng PinchTechnology thông qua phần mềm Aspen Energy Analyzer

GIỚI THIỆU

TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC

1.1 Cấu tạo phân tử và tính chất vật lý

Carbon dioxide, hay còn gọi là khí axit carbonic, carbonic anhydride, carbonic oxit, cacbon oxit hoặc cacbon (IV) oxit, có công thức phân tử là CO2 Đây là một khí không màu, không mùi, thường xuất hiện trong tự nhiên và có vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học và công nghiệp Trong các ứng dụng khác, CO2 còn được gọi là băng khô khi ở dạng rắn, giúp giữ lạnh và bảo quản thực phẩm.

Cấu tạo của CO2 là O=C=O

CO2 là một hợp chất hóa học phổ biến, tồn tại dạng khí trong khí quyển Trái Đất ở điều kiện bình thường, gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy Khi ở dạng rắn, nó được gọi là băng khô Khí CO2 không màu, nhưng khi hít phải ở nồng độ cao có thể gây nguy hiểm do liên quan đến nguy cơ ngạt thở, gây cảm giác chua trong miệng và nhói ở mũi, cổ họng Những tác dụng này xuất phát từ khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo thành dung dịch axít cacbonic yếu.

Carbon dioxide (CO2) là sản phẩm của quá trình cháy và hô hấp, có khả năng hòa tan tốt trong nước và nặng gấp 1,524 lần so với không khí Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn (25°C), mật độ CO2 khoảng 1,98 kg/m³, tương đương khoảng 1,67 lần so với không khí Mole CO2 có dạng tuyến tính với hai liên kết đôi và không có lưỡng cực điện, do đó không hoạt động hóa học mạnh và không cháy Khi nhiệt độ giảm xuống dưới -78°C, khí CO2 ngưng tụ thành tinh thể màu trắng gọi là băng khô Trong điều kiện áp suất trên 5,1 atm, CO2 lỏng có thể được tạo ra, nhưng dưới áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp giữa trạng thái khí và rắn qua quá trình thăng hoa.

Bình, chai co2 Mẫu carbon dioxide rắn hoặc "băng khô" viên

Khí CO2 không cháy và không duy trì sự cháy của nhiều chất, giúp chống cháy hiệu quả Carbon dioxide là một oxit axit, khi tan trong nước tạo thành axit cacbonic, có khả năng phản ứng với dung dịch kiềm để trung hòa axit Đây là những đặc điểm quan trọng của khí CO2 trong các ứng dụng phòng cháy chữa cháy và xử lý môi trường.

CO2 tan trong nước tạo thành axit cacbonic (là một điaxit rất yếu):

CO2 tác dụng với oxit bazơ → muối:

CO2 tác dụng với dung dịch bazơ → muối + (H2O)

CO2 bền, ở nhiệt độ cao bị nhiệt phân một phần và tác dụng được với các chất khử mạnh

CO2 còn được dùng để sản xuất ure

CO2 + 2NH3 → NH4O - CO - NH2 (amoni cacbamat)

NH4O - CO - NH2 → H2O + (NH2)2CO (180 0 C; 200at) Nhận biết: Tạo kết tủa trắng với dung dịch nước vôi trong dư

ỨNG DỤNG CỦA CO 2 TRONG CÔNG NGHIỆP

Carbon dioxide lỏng và rắn đóng vai trò quan trọng trong công nghệ làm lạnh thực phẩm, giúp bảo quản và vận chuyển các sản phẩm như kem và thực phẩm đông lạnh Sử dụng CO2 trong quy trình làm lạnh đảm bảo thực phẩm luôn tươi ngon, an toàn và giữ được chất lượng lâu dài Đặc biệt, carbon dioxide là giải pháp làm lạnh thân thiện với môi trường, phù hợp với các tiêu chuẩn công nghiệp thực phẩm hiện nay.

Nước giải khát thường được sản xuất bằng quá trình cacbonat hóa để tạo cảm giác sảng khoái Truyền thống, quá trình này trong bia và vang nổ thường diễn ra tự nhiên qua quá trình lên men, giúp tạo ra khí CO2 tự nhiên Tuy nhiên, hiện nay, một số nhà sản xuất đã sử dụng phương pháp cacbonat hóa nhân tạo để kiểm soát chất lượng và tăng tính đồng đều của sản phẩm.

Khí CO2 là khí điều áp rẻ tiền, không cháy, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hàn Trong ngành ô tô, khí CO2 thường được dùng để hàn bởi vì chi phí thấp hơn so với các khí trơ như Argon hoặc Heli Tuy nhiên, các mối hàn trong môi trường sử dụng CO2 thường giòn hơn so với các mối hàn trong khí trơ, và theo thời gian, chất lượng các mối hàn này có thể giảm do sự hình thành của axit cacbonic.

CO2 lỏng là một dung môi hiệu quả cho nhiều hợp chất hữu cơ, đặc biệt được sử dụng để loại bỏ caffeine từ cà phê, mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp thực phẩm Ngoài ra, nó đang thu hút sự chú ý của ngành công nghiệp dược phẩm và các ngành chế biến hóa chất khác nhờ tính chất ít độc hại hơn so với các dung môi truyền thống như clorua hữu cơ, góp phần nâng cao độ an toàn và thân thiện với môi trường trong quá trình sản xuất.

CO2 được sử dụng trong nuôi trồng thực vật và các nhà kính để làm giàu bầu khí quyển, giúp kích thích sự tăng trưởng của thực vật Hiện nay, CO2 còn được ứng dụng trong nuôi trồng tảo biển và trong y học, trong đó có tới 5% carbon dioxide bổ sung vào ôxy nguyên chất để hỗ trợ thở sau ngưng thở và duy trì cân bằng oxy-CO2 trong máu.

CO2 trong công nghệ Laser :Một dạng phổ biến của Laser khí công nghiệp là Laser CO2 sử dụng dioxide carbon làm môi trường

CO2 được sử dụng trong công nghệ khai thác dầu để bơm vào các giếng dầu, hoạt động như một tác nhân nén giúp giảm độ nhớt của dầu thô dưới lòng đất Việc hòa tan CO2 trong dầu giúp dầu chảy nhanh hơn vào giếng hút, nâng cao hiệu quả khai thác Trong các mỏ dầu đã hoàn thiện, hệ thống ống lớn được thiết kế để chuyển CO2 đến các điểm bơm, tối ưu hóa quá trình khai thác dầu khí.

SẢN XUẤT CO 2

Carbon dioxide thường được thu bằng phương pháp chưng cất từ không khí, nhưng phương pháp này không hiệu quả Trong công nghiệp, carbon dioxide chủ yếu là một sản phẩm chất thải không thể tái sử dụng, và được sản xuất thông qua các phương pháp khác nhau, có thể thực hiện ở quy mô lớn hoặc nhỏ.

Việc đốt cháy các loại nhiên liệu chứa carbon như khí metan, nhiên liệu dầu mỏ (xăng, dầu diesel, dầu hỏa, propan), than đá, gỗ và các chất hữu cơ đều sinh ra khí carbon dioxide Trong quá trình này, phản ứng hóa học giữa metan và oxy là ví dụ điển hình giúp hiểu rõ quá trình sản sinh CO₂ Tuy nhiên, các nguồn như cacbon tinh khiết hoặc nước không gây ra khí carbon dioxide khi bị đốt cháy, góp phần vào sự gia tăng hiệu quả trong sản xuất năng lượng và ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu.

Vôi sống (oxit canxi CaO) được sản xuất bằng cách phân hủy nhiệt đá vôi CaCO3 khi nung nóng ở khoảng 850°C (1.560°F) Quá trình nung nhiệt này giúp tạo ra hợp chất có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau Vôi sống đóng vai trò quan trọng trong sản xuất xi măng, xử lý nước, và các lĩnh vực xây dựng, nhờ tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng đa dạng của nó.

Trong công nghiệp khí, CO2 được điều chế chủ yếu từ các khí sinh ra trong quá trình lên men rượu bia, phân hủy chất béo hoặc từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất như ammoniac Quá trình này giúp cung cấp nguồn khí carbon dioxide sạch và hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp đa dạng, từ thực phẩm, đồ uống đến sản xuất hóa chất Nhờ vào quy trình này, CO2 trở thành một nguyên liệu quan trọng, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Hợp methanol được sản xuất từ khói thải của các nhà máy công nghiệp đốt than, góp phần giảm khí thải độc hại ra môi trường Khí CO2 sau đó được lưu trữ trong các bình sơn đen có chữ màu vàng để đảm bảo an toàn và dễ nhận diện Khi cần sử dụng với số lượng lớn, khí CO2 được chứa trong các tank chứa siêu lạnh, giúp duy trì trạng thái chất lỏng ổn định và tiện lợi cho quá trình vận chuyển và ứng dụng.

Phản ứng chuyển đổi khí nước (WGS) là quá trình quan trọng trong sản xuất hydro và carbon dioxide từ khí tổng hợp chứa CO và H2 Quá trình này giúp chuyển đổi khí tổng hợp thành các sản phẩm hữu ích như hydro và CO2, góp phần vào ngành công nghiệp năng lượng và phát thải khí nhà kính Ngoài ra, WGS còn được ứng dụng để tạo ra khí đốt có mức cacbon thấp hơn từ khí tổng hợp giàu cacbon, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng.

Khi sử dụng CO2 lỏng, cần lưu ý rằng khí CO2 không độc, không gây cháy nổ, nhưng nồng độ cao có thể gây nguy hại cho sức khỏe do CO2 nặng hơn không khí và dễ tích tụ trong các khu vực kín khí Đặc biệt, khi chuyển từ dạng lỏng sang khí, CO2 cần được cấp nhiệt để duy trì quá trình bình thường; do đó, van điều tiết khí CO2 phải được trang bị bộ phận sấy nhiệt để tránh tình trạng CO2 đóng băng, gây tắc nghẽn đường cấp khí.

PHẢN ỨNG CHUYỂN ĐỔI KHÍ NƯỚC

Phản ứng chuyển đổi nước khí (WGS) là quá trình phản ứng giữa khí carbon monoxide và hơi nước để tạo ra carbon dioxide và hydro, gọi là khí nước Quá trình này diễn ra trong điều kiện có mặt của nước và sử dụng xúc tác từ sắt hoặc đồng Phản ứng WGS là phản ứng tỏa nhiệt, phổ biến nhờ hoạt động ở nhiệt độ thấp, góp phần nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp Phản ứng chính của quá trình này là:

Phản ứng chuyển đổi khí nước (WGS) được nhà vật lý người Ý Felice Fontana phát hiện vào năm 1780 và sau đó trở thành ứng dụng công nghiệp quan trọng Quá trình này chủ yếu dùng để sản xuất hydro từ khí tổng hợp chứa CO và H2, cũng như tạo khí đốt với hàm lượng cacbon thấp từ khí tổng hợp giàu cacbon Do phản ứng tỏa nhiệt nhẹ và đạt giới hạn cân bằng, mức độ phản ứng giảm khi nhiệt độ tăng dọc theo lò phản ứng, đòi hỏi quy trình hai giai đoạn có làm mát trung gian để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi Nhiệt độ cao thúc đẩy tỷ lệ phản ứng cao hơn, trong khi đó, sử dụng chất xúc tác oxit sắt pha chromia trong giai đoạn đầu giúp tăng hiệu quả phản ứng, còn giai đoạn thứ hai vận hành ở nhiệt độ thấp hơn, sử dụng chất xúc tác đồng-kẽm để nâng cao năng suất.

Các trạng thái cân bằng của phản ứng này cho thấy một sự phụ thuộc nhiệt độ đáng kể và sự cân bằng giảm liên tục với sự gia tăng nhiệt độ, tức là chuyển đổi carbon monoxide cao hơn nếu quan sát ở nhiệt độ thấp

Phản ứng thay đổi khí nước là một phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt vừa phải, trong đó nhiệt độ tăng dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn nhưng làm giảm khả năng chuyển đổi của các chất phản ứng thành sản phẩm Do tính chất tỏa nhiệt, phản ứng chuyển đổi carbon monoxide (CO) ở nhiệt độ thấp hơn, vì nó phù hợp về mặt nhiệt động học, trong khi phản ứng này lại thuận lợi hơn về mặt động lực học ở nhiệt độ cao Phản ứng chuyển đổi nước và khí nhạy cảm với nhiệt độ, theo nguyên tắc của Le Chatelier, khi nhiệt độ tăng sẽ ảnh hưởng đến cân bằng chuyển dịch theo hướng phù hợp Trong phạm vi nhiệt độ 600-2000 K, hằng số cân bằng của phản ứng này có mối quan hệ rõ ràng với nhiệt độ, phản ánh ảnh hưởng của điều chỉnh nhiệt độ đến trạng thái cân bằng của phản ứng.

4.3 Mối liên hệ thực tế Để tận dụng lợi thế cả nhiệt động lực học và động học của phản ứng, phản ứng thay đổi khí nước quy mô công nghiệp được thực hiện theo nhiều nhiệt độ bao gồm sự thay đổi nhiệt độ cao (HTS) tiếp theo là sự thay đổi ở nhiệt độ thấp (LTS) với hệ thống làm mát

HTS ban đầu tận dụng tốc độ phản ứng cao, nhưng hạn chế về nhiệt động lực học, mà kết quả dẫn đến chuyển đổi không hoàn toàn của carbon monoxide và một thành phần carbon monoxide thoát ra 2-4% Để thay đổi trạng thái cân bằng theo hướng sản xuất hydro và carbon dioxide, một lò phản ứng thay đổi nhiệt độ thấp tiếp theo được sử dụng để tạo ra thành phần carbon monoxit ít hơn 1% Việc chuyển đổi từ HTS tới các lò phản ứng LTS đòi hỏi hệ phải làm mát hệ thống Do điều kiện phản ứng khác nhau, nên phải sử dụng các chất xúc tác khác nhau ở từng giai đoạn để đảm bảo hoạt động tối ưu

Chất xúc tác HTS thương mại chủ yếu là oxit sắt và crôm oxit, trong khi chất xúc tác LTS chủ yếu là đồng Quá trình phản ứng diễn ra theo trình tự từ nhiệt độ cao đến thấp do tính nhạy cảm của đồng dễ bị nhiễm độc bởi lưu huỳnh, có thể tồn tại sau quá trình cải tạo hơi nước, đòi hỏi phải loại bỏ hợp chất lưu huỳnh trước khi phản ứng LTS bằng lớp bảo vệ để bảo vệ đồng Trái lại, sắt trong phản ứng HTS có tính mạnh hơn và kháng lại nhiễm độc từ hợp chất lưu huỳnh hơn Mặc dù cả hai loại xúc tác này đều có sẵn trên thị trường, nhưng thành phần cụ thể có thể khác nhau tùy nhà cung cấp Tuy nhiên, một hạn chế của xúc tác HTS là tỷ lệ H₂O/CO thấp có thể gây ra các phản ứng phụ như hình thành sắt kim loại, metan hóa, lắng đọng carbon và phản ứng Fischer-Tropsch, ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình.

Sự thay đổi nhiệt độ thấp

Chất xúc tác LTS thương mại chứa các thành phần chính như 32-33% CuO, 34-53% ZnO và 15-33% Al2O3, trong đó CuO là thành phần hoạt động chính ZnO đóng vai trò cung cấp hỗ trợ cấu trúc và ngăn chặn sự nhiễm độc của đồng do lưu huỳnh gây ra Al2O3 giúp ngăn phân tán và giảm co rút hạt, từ đó tối ưu hóa hiệu quả của chất xúc tác Các phản ứng LTS thường diễn ra ở khoảng nhiệt độ từ 200-250°C, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao và ổn định.

Nhiệt độ tối đa là 8°C do đồng nhạy cảm với nhiệt và dễ nung kết Nhiệt độ thấp này giúp giảm thiểu phản ứng phụ trong quá trình Hàn nhiệt nhóm (HTS) Ngoài ra, kim loại quý như bạch kim, được hỗ trợ trên ceria, cũng thường được sử dụng trong công nghệ LTS để nâng cao hiệu suất.

Chất xúc tác thay đổi nhiệt độ cao

Thành phần đặc trưng của mại chất xúc tác HTS thương mại đã được báo cáo là 74,2%

Fe 2 O 3 , 10,0% Cr 2 O 3 , 0,2% MgO (phần trăm còn lại do các thành phần dễ bay hơi) Các crom hoạt động để ổn định oxit sắt và ngăn ngừa quá trình thiêu kết Các hoạt động của chất xúc tác HTS xảy ra trong phạm vi nhiệt độ 310 o C đến 450 o C Nhiệt độ tang dọc theo chiều dài của lò phản ứng do sự tỏa nhiệt tự nhiên của phản ứng Như vậy, nhiệt độ đầu vào được duy trì ở 350 o C để ngăn chặn nhiệt độ thoát khỏi vượt quá 550 o C Các lò phản ứng công nghiệp hoạt động ở một phạm vi từ áp suất khí quyển đến 8375 kPa (82,7 atm).

ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG

PHƯƠNG TRÌNH PHẢN ỨNG

Phản ứng WGS là thuận nghịch và tỏa nhiệt (ΔH o = -41,2 kJ / mol) Do độ tan trung bình, phản ứng WGS không thuận lợi về nhiệt động lực ở độ cao nhiệt độ Điều này được minh họa bởi sự suy giảm liên tục và thay đổi dấu hiệu cuối cùngtrong năng lượng tự do Gibbs như là một hàm của nhiệt độ, và hằng số cân bằng giảm tương ứng khi nhiệt độ tăng lên Tất nhiên, động học của phản ứng xúc tác thuận lợi hơn ở nhiệt độ cao hơn

Cân bằng nhiệt động lực học của phản ứng WGS được mô tả thông qua sự thay đổi năng lượng miễn phí Gibbs và hằng số cân bằng của phản ứng, cả hai đều phụ thuộc vào nhiệt độ Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng, dưới tác động của nhiệt độ, sự biến đổi của năng lượng Gibbs ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tiến tới của phản ứng WGS Đồng thời, hằng số cân bằng của phản ứng cũng biến đổi theo nhiệt độ, phản ánh khả năng tối ưu hóa quá trình để đạt hiệu quả cao nhất Hiểu rõ mối liên hệ giữa nhiệt độ, năng lượng Gibbs và hằng số cân bằng giúp điều chỉnh điều kiện phản ứng phù hợp, nâng cao hiệu suất chuyển đổi nhiên liệu.

Nhiệt động lực học của phản ứng WGS được mô tả qua sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs và hằng số cân bằng phản ứng theo nhiệt độ Hai loại chất xúc tác có thể được sử dụng để thúc đẩy quá trình chuyển đổi, bao gồm chất xúc tác sắt thúc đẩy chromia đã được sử dụng lâu dài cho phản ứng này, và chất xúc tác kẽm đồng mang lại lợi thế về mặt nhiệt động học, giúp phản ứng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tháp của quá trình tỏa nhiệt.

PHƯƠNG TRÌNH VẬN TỐC

Trong quá trình này, tỷ lệ hơi nước/CO có thể được điều chỉnh để ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi CO, với các giá trị tối ưu được xác định qua phân tích kinh tế Việc tăng tỷ lệ hơi nước/CO có thể giảm độ dài tổng thể của lò phản ứng và lượng CO dư thừa, nhưng đồng thời cũng làm tăng chi phí do tiêu thụ hơi nước và yêu cầu lò phản ứng có đường kính lớn hơn để xử lý lưu lượng lớn hơn Bảng 1 trình bày dữ liệu luồng cho quá trình sử dụng tỷ lệ hơi nước/CO 3 (dựa trên tỷ lệ mol).

THIẾT ĐẶT TRONG ASPEN HYSYS

Loại phản ứng được sử dụng trong mô phỏng là Simple rate

Thiết lập các thông số cho 2 thiết bị phản ứng :

Hình: Thiết bị phản ứng 1

Hình: Thiết bị phản ứng 2

MÔ PHỎNG QUY TRÌNH BẰNG ASPEN HYSYS

Miêu tả quá trình

- Nhập liệu: dòng khí tổng hợp được đưa vào lò gia nhiệt FH-100 để gia nhiệt lên đến nhiệt độ 320 o C ( dòng 3) sau đó được trộn với dòng nước đã được gia nhiệt sẵn

Phản ứng diễn ra trong hệ thống gồm nhiều giai đoạn Hỗn hợp đạt nhiệt độ khoảng 320°C được đưa vào thiết bị phản ứng dạng ống PFR-100, nơi diễn ra phản ứng đầu tiên Sau đó, dòng sản phẩm từ PFR-100 được làm mát trong thiết bị trao đổi nhiệt E-100 trước khi tiếp tục vào phản ứng thứ hai tại PFR-101 Dòng hỗn hợp sau hai giai đoạn phản ứng được làm mát qua hai thiết bị E-101 sử dụng hơi nước khí áp thấp và E-102 dùng nước làm mát, đến khi nhiệt độ giảm xuống còn 50°C.

- Phân tách: hỗn hợp sau khi làm mát được đưa vào thiết bị tách V-100 Khí thải từ V-

100 thường được gửi tới quá trình thu hồi hydro hoặc tới một hệ thống đốt Sản phẩm đáy từ V-100 được gửi đến đơn vị xử lý nước thải.

Tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình

Bảng 1: Bảng tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình

Tóm tắt các dòng năng lượng trong quy trình

Các dòng năng lượng được sử dụng cho fire heater và cooler:

Bảng tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình

Tên thiết bị Năng lượng (kJ/h)

Các thiết bị trong quy trình

Thiết kế theo chiều dọc, hiệu suất truyền nhiệt đạt 75%, áp suất tối đa 19 bar

Giá trị các dòng trước và sau lò FH-100

5.2 Các thiết bị trao đổi nhiệt E-100, E-101, E-102

- E-100: dùng để giảm nhiệt độ dòng hỗn hợp giữa 2 giai đoạn phản ứng Thiết bị truyền nhiệt vỏ ống xử lý dòng trong ống Áp suất tối đa: 19 bar Vật liệu: thép carbon

Thông số thiết bị Cooler E-100

E-101 là thiết bị dùng để giảm nhiệt độ dòng hỗn hợp sau hai giai đoạn phản ứng, giúp kiểm soát nhiệt độ tối ưu trong quá trình vận hành Thiết bị truyền nhiệt vỏ ống xử lý dòng chảy trong ống, đảm bảo quá trình truyền nhiệt hiệu quả E-101 có khả năng chịu áp suất tối đa 19 bar, phù hợp cho các hệ thống yêu cầu áp suất cao Vật liệu chế tạo là thép carbon, mang lại độ bền và độ tin cậy trong môi trường công nghiệp.

Thông số thiết bị Cooler E-101

E-102 là thiết bị giảm nhiệt độ dòng hỗn hợp xuống còn khoảng 50°C trước khi tiến hành quá trình tách Thiết bị truyền nhiệt vỏ ống này chủ yếu xử lý dòng chảy trong vỏ, đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả Với áp suất tối đa lên đến 19 bar, E-102 được chế tạo từ thép carbon chắc chắn, phù hợp để chịu áp lực cao và duy trì hoạt động ổn định trong các hệ thống công nghiệp.

Thông số thiết bị Cooler E-102

5.3 Thiết bị phản ứng dạng ống PFR-100, PFR-101

Vật liệu cấu tạo: thép carbon, xúc tác Chromia-promoted iron oxide Fe3O4 – Cr2O3 Chiều dài ống: 2.8 m, đường kính: 0.75m, chiều dài gối xúc tác: 2.8m Áp suất tối đa 19 bar

Nhiệt độ phản ứng: 350 – 400 o C, nhiệt độ tối đa bảo vệ xúc tác : 477 o C

Thông số thiết bị PFR-100

19 Độ chuyển hóa và thông số các dòng vào và ra thiết bị PFR-100

Phân bố suất lượng các chất theo chiều dài thiết bị PFR-100

20 Đồ thị suất lượng mol các chất theo chiều dài thiết bị PFR-100

Vật liệu cấu tạo: thép carbon, xúc tác Copper-zinc oxide

Chiều dài ống: 1.9 m, đường kính: 0.75m, chiều dài gối xúc tác: 1.9 m Áp suất tối đa 19 bar

Nhiệt độ phản ứng: 190 - 260 o C, nhiệt độ tối đa bảo vệ xúc tác : 288 o C

Thông số thiết bị PFR-101 Độ chuyển hóa và thông số các dòng vào và ra thiết bị PFR-101

Phân bố suất lượng các chất theo chiều dài thiết bị PFR-101 Đồ thị suất lượng mol các chất theo chiều dài thiết bị PFR-101

Dùng để trộn 2 dòng nhập liệu 3 và 5 thành dòng 6 trước khi vào thiết bị phản ứng

Thông số các dòng trước ( 3 và 5 ) và sau ( 6) thiết bị MIX-100

Dùng để tách hỗn hợp sau phản ứng

Vật liệu cấu tạo: thép carbon, áp suất tối đa : 19 bar

Hình : Thông số Thiết bị tách V-100

Thông số các dòng vào và ra thiết bị tách V-100

PINCH TECNOLOGY

Tất cả các thông số được chuyển từ phần mềm ASPEN HYSYS sang ASPEN ENERGY

ANALYZER v8.8 để thực hiện phân tích và tính toán

Thông số các dòng nóng, dòng lạnh trong quy trình

Thông số các dòng nóng, dòng lạnh tiện ích

6.1 Nhiệt độ pinch dòng nóng dòng lạnh Đồ thị: đường nhiệt độ pinch của các dòng nóng – dòng lạnh

*Nhận xét: hai đường nhiệt độ pinch của dòng nóng và dòng lạnh không giao nhau

• Bố trí dòng trên sơ đồ pinch

_ Nhiệt độ pinch dòng nóng: 146,3 0 C

_ Nhiệt độ pinch dòng lạnh: 136,3 0 C

• Thông số yêu cầu của quy trình

Số thiết bị trao đổi nhiệt là: 8 thiết bị, bằng với số thiết bị trao đổi nhiệt tối thiểu

Nmin = (số dòng) + (số utility) -1 = 8

Dựa trên mô phỏng bằng phần mềm HYSYS, ta nhận thấy bố trí thiết bị trao đổi nhiệt trong quy trình khá phức tạp, yêu cầu hệ thống đường ống dài và chi phí lắp đặt cao Ngoài ra, nhiệt lượng từ dòng nóng không đủ để cấp nhiệt cho dòng lạnh vào thiết bị phản ứng, dẫn đến việc không thể nâng nhiệt độ đến mức vận hành yêu cầu.

Năng lượng nhiệt được cấp vào hệ thống xuất phát từ quá trình đốt cháy nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG), một trong những loại nhiên liệu phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng Quá trình phản ứng sinh nhiệt này tạo ra năng lượng cần thiết để vận hành hệ thống Nhiệt lượng sinh ra sẽ được truyền qua các thiết bị giải nhiệt, giúp làm mát hệ thống và kiểm soát quá trình vận hành Tuy nhiên, nhiệt năng này không được tái sử dụng trong quy trình, mà thường được loại bỏ sau khi quá trình giải nhiệt kết thúc.

Mô phỏng quy trình sản xuất của Hydro từ Syngas

(nguồn Information for the Preliminary Design of Fifteen Chemical Processes)

Sơ đồ pinch thể hiện nhiệt lượng trao đổi (kJ/h) giữa dòng nhiên liệu đốt cháy (dòng nóng) và dòng khí Syngas nhập liệu (dòng lạnh) trong thiết bị buồng đốt Fired-Heater FH-100 Hỗn hợp Syngas được cấp nhiệt để nâng nhiệt độ lên mức phù hợp trước khi vào thiết bị phản ứng Điều này giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Sơ đồ pinch giữa 2 dòng nóng-lạnh đi qua thiết bị Fired-Heater FH-100

Phản ứng phản ứng tiến hành là phản ứng tỏa nhiệt, yêu cầu các dòng vận hành trong quy trình công nghệ cần được làm mát để đảm bảo hiệu quả Các thiết bị Cooler trong quy trình chủ yếu là thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng dòng lạnh để giải nhiệt cho dòng sản phẩm ra Việc trao đổi nhiệt này giúp thu hồi nguồn năng lượng dưới dạng nhiệt, góp phần tiết kiệm và tận dụng năng lượng đầu ra, có thể sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau trong hoạt động của nhà máy.

Sơ đồ pinch giữa các dòng nóng-lạnh khi đi qua các thiết bị Cooler E-100, E-101 và E-102.