Đồ án tốt nghiệp mô phỏng quy trình sản xuất dimetyl ete từ khí tổng hợp bằng phần mềm hysys

Đồ án tốt nghiệp mô phỏng quy trình sản xuất dimetyl ete từ khí tổng hợp bằng phần mềm hysys

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

//

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT DIMETYL ETE

TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HOÁ DẦU

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh TríMSSV: 07704171

Lớp: ĐHHD3Khóa: 2007-2011Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Mạnh Huấn

Tp Hồ Chí Minh, năm 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

//

-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MÔ PHỎNG QUY TRÌNH SẢN XUẤT DIMETYL ETE

TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HOÁ DẦU

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh TríMSSV: 07704171

Lớp: ĐHHD3Khóa: 2007-2011Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Mạnh Huấn

Tp Hồ Chí Minh, năm 2011

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP T/P

3 Ngày giao đồ án tốt nghiệp: tháng 3 năm 2011

4 Ngày hoàn thành đồ án tốt nghiệp: ngày 30 tháng 6 năm 2011

5 Họ tên người hướng dẫn: Ts Nguyễn Mạnh Huấn

Tp Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2011

BCN KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

I NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:

 Ý thức thực hiện:

 Nội dụng thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ghi rõ họ, tên)

LỜI CÁM ƠN

Sau hơn 3 tháng thực hiện đề tài, tuy đó không phải là một khoảng thờigian dài nhưng em rất vui mừng vì những kết quả đạt được cũng như nhữngkiến thức, kỹ năng hữu ích mà em tích lũy được trong quá trình nghiên cứu

Có được kết quả đó là nhờ sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của TsNguyễn Mạnh Huấn từ định hướng đề tài, đến tài liệu tham khảo, phươngpháp nghiên cứu… trong suốt quá trình thực hiện đề tài, để em có thể hoànthành tốt công việc Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy!

Bên cạnh đó em cũng xin gởi lơi cảm ơn đối với quý thầy cô trong khoaCông Nghệ Hóa nói chung, và trong tổ bộ môn Dầu Khí nói riêng là nhữngngười trong suốt 4 năm qua đã giúp em trang bị nhiều kiến thức bổ ích về lýthuyết cũng như thực tế đời sống, và nay lại còn dành thời gian phản biện đểgiúp bài luận văn này được hoàn thiện hơn

Ngoài ra, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và các bạn trong nhóm,trong lớp là những người luôn bên cạnh, ủng hộ, động viên em trong quátrình thực hiện đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DME VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ 2

1.1 Tổng quan về Dimethyl ether 2

1.1.1 Tính chất của DME 2

1.1.2 Ứng dụng của DME 3

1.1.3 Đánh giá khả năng thay thế của DME với một số loại nhiên liệu thông dụng 5

1.1.3.1 LPG 5

1.1.3.1 Diesel 6

1.2 Tổng hợp DME 7

1.2.1 Nguồn nguyên liệu: khí tổng hợp 7

1.2.2 Phản ứng tổng hợp DME 10

1.2.2.1 Nhiệt động phản ứng: 10

1.2.2.2 Cơ chế và động học phản ứng 11

1.2.3 Quy trình tổng hợp DME 14

1.2.3.1 Các loại thiết bị phản ứng 14

1.2.3.1.1 Thiết bị dạng tầng cố định (Fixed – Bed) 14

1.2.3.1.2 Thiết bị dạng huyền phù 15

1.2.3.2 Các thông số của quá trình 17

1.2.3.2.1 Tỷ lệ nhập liệu 17

1.2.3.2.2 Ảnh hưởng của áp suất 18

1.2.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ 18

1.3 Xúc tác tổng hợp DME 19

1.3.1 Xúc tác cho phản ứng tổng hợp trực tiếp DME từ khí tổng hợp 19

1.3.2 Phương pháp điều chế xúc tác 20

1.3.2.1 Điều chế chất mang 20

1.3.2.2 Điều chế xúc tác trên chất mang 21

1.4 Lựa chọn công nghệ sản xuất DME 22

PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 25

Chương 2: MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DME BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 25

2.1 Tổng quan về mô phỏng và phần mềm Hysys 25

2.1.1 Tầm quan trọng của các phần mềm mô phỏng 25

2.1.2 Giới thiệu về phần mềm Hysys 26

2.1.3 Ứng dụng của Hysys 26

2.2 Mô phỏng quy trình công nghệ 27

2.2.1 Các bước chuẩn bị 27

2.2.2 Những dữ liệu ban đầu 29

2.2.3 Tính toán các giá trị ban đầu cho quá trình mô phỏng 30

2.2.4 Tiến hành mô phỏng 33

2.2.4.1 Xây dựng cơ sở mô phỏng 33

2.2.4.2 Tiến hành mô phỏng 36

2.2.3 Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng 46

PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

3.1 Kết luận 49

3.2 Kiến nghị 49

DANH MỤC CÁC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Sự phụ thuộc áp suất hơi của DME vào nhiệt độ 3

Hình 1.2 Các phương pháp điều chế khí tổng hợp 8

Hình 1.3 Thiết bị phản ứng tấng cố định 15

Hình 1.4 Thiết bị phản ứng huyền phù 16

Hình 1.5: Độ chuyển hóa CO theo thành phần nhập liệu, ở lưu lương 3000 ml/ gxt/h, P=3 Mpa, T =260oC 17

Hình 1.6: Độ chuyển hóa CO theo thành phần áp suất 18

Hình 1.7: Độ chuyển hóa CO theo nhiệt độ 19

Hình 1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phân phối sản phẩm 19

Hình 1.9 Sơ đồ lý thuyết điều chế γ- Al2O3 từ quặng Boxit 20

Hình 1.10 Quy trình sản xuất DME cùa JFE 23

Hình 2.1 Độ chuyển hóa CO dưới ảnh hưởng nhiệt độ trong phản ứng tổng hợp DME và MeOH dưới áp suất 3-5Mpa 30

Hình 2.2 Giao diện Simulation Basic Manager 33

Hình 2.3 Lựa chọn các cấu tử tham gia vào mô phỏng 34

Hình 2.4 Lựa chọn mô hỉnh nhiệt động 34

Hình 2.5 Giao diện reaction tab 35

Hình 2.6 Cửa sổ thiết lập phương trình phản ứng 35

Hình 2.7 Cửa sổ khai báo các tham số của dòng 37

Hình 2.8 Thiết lập máy trộn 38

Hình 2.9 Cài đặt cho thiết bị gia nhiệt 39

Hình 2.10 Cài đặt cho máy nén 40

Hình 2.11 Xây dựng dòng vào- ra và các thuộc tính cho thiêt bị phản ứng 40

Hình 2.12 Xác lập điều kiện phản ứng trong thiết bị phản ứng 41

Hình 2.13 Giao diện thiết kế tháp chưng luyện 42

Hình 2.14 Giao diện thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt 43

Hình 2.15 Tổng quan sơ đồ mô phỏng công nghệ sản xuất DME 45

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất hóa lý tiêu biểu của DME 2Bảng 1.2 So sánh tính chất của DME với các nhiên liệu khác 4Bảng 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chuyển hóa CO2, CH4 và tỷ lệ H2/COcủa phản ứng tri-reforming với CH4:CO2:H2O:O2 = 1:0,475:0,475:0,1 tại1atm 9Bảng 2.1 Mô tả và cách lựa chọn các mô hình nhiệt động trong Hysys 28Bảng 2.2 Độ chuyển hóa- các phản ứng xảy ra trong các thiết bị phản ứng 31Bảng 2.3 Thông số của các dòng nguyên liệu 37Bảng 2.4 Cân bằng vật chất trong các thiết bị 46Bảng 2.5 Tổng kết dòng vào, ra của các thiết bị phản ứng 48

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DME: Dimethyl ether

LPG: Khí dầu mỏ hóa lỏng

MeOH: Methanol

MDR: Methanol Dehydrat Reaction

MSR: Methanol Synthesis Reaction

SynGas: Khí tổng hợp

Synthetic LPG: LPG tổng hợp

WGS: Water Gas Shift

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời điểm hiện nay, nền công nghiệp thế giới trong đó có ViệtNam ngày càng phát triển nhanh chóng, đi kèm theo đó là nhu cầu to lớn vềnăng lượng Việc tìm ra nguồn nhiên liệu mới thay thế cho nhiên liệu hóathạch truyền thống hiện đang là một nhu cầu cấp thiết của thế giới

Trong số các loại nhiên liệu thay thế được đang phát triển hiện nayDME (dimethyl ether) là một loại nhiên liệu sạch và kinh tế DME khôngmàu, dễ hoá lỏng và vận chuyển Trên thế giới, DME đã được sử dụng thaythế cho nhiều nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng trở nên khan hiếm.DME ít gây ảnh hưởng đến môi trường và có thể thay thế được cho nhiềuchất đang sử dụng hiện nay DME có thể sử dụng như nhiên liệu cho máy dầudiesel, máy xăng dầu và động cơ dùng khí đốt, hoặc dùng dưới dạng gas nhưLPG DME còn có tính năng tương tự khí tự nhiên khi dùng trong ngành sảnxuất điện và đã được công nhận bởi các nhà sản xuất như General Electric,Hitachi, Mitsubishi…

Ngoài ra, nguyên liệu để sản xuất DME cũng phong phú, có thể đi từ khíthiên nhiên, than đá, hoặc biomass thông qua các quá trình khác nhau

Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế chung của việc nghiên cứu, triểnkhai quy trình sản xuất các loại nhiên liệu thay thế, và với việc nghiên cứuđiều chế DME từ khí tổng hợp có thể được xem là một hướng đi đúng hiệnnay của chúng ta để đón đầu sự thay đổi về cung cầu năng lượng trong mộttương lai gần Với định hướng chung đó, mục tiêu của đề tài này là tìm ra mộtquy trình sản xuất DME thích hợp với điều kiện thực tế thông qua việc môphỏng bằng phần mềm Hysys

Tuy nhiên do thời gian tiếp cận các phần mềm còn ít, kiến thức thực tếcòn hạn chế do đó chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rấtmong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiệnhơn

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DME VÀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ

1.1 Tổng quan về Dimethyl ether

1.1.1 Tính chất của DME

Dimethyl ether (DME) là một ete mạch thẳng đơn giản có công phân tử

là CH3-O-CH3 (C2H6O) DME là một chất khí không màu, hơi có vị ngọt tạinhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Tính chất vật lý của DME cũng giốngnhư những khí hóa lỏng khác nên có thể phân phối, bảo quản như đối với khíhóa lỏng DME tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ phân cực và khôngphân cực DME cũng tan một phần trong nước (76g trong 1 lít nước tại

180oC)

Bảng 1.1 Tính chất hóa lý tiêu biểu của DME [4]

Áp suất và nhiệt độ tới hạn 5,28 Mpa; 400,29 K (127,1oC)Khối lượng riêng tới hạn 269,9 kg/m3

Nhiệt dung riêng (tại -24oC) 2,26 kJ kg-1 K-1

Nhiệt bay hơi (tại -20oC) 410,2 kJ/kg

Độ tan trong nước 5,7 wt % (tại 20

Hình 1.1 Sự phụ thuộc áp suất hơi của DME vào nhiệt độ [1]

Với chỉ số Cetane cao hơn nhiên liệu Diesel (55- 60 so với 40- 55), lại

dễ hóa lỏng ở điều kiện thường, nên nó có thể thay thế nhiên liệu Diesel Tuycòn một số vấn đề khi sử dụng DME trong động cơ Diesel như độ nhớt thấp,nhiệt trị thấp hơn Diesel, nhưng hướng sử dụng DME thay thế Diesel là mộthướng đi đầy triển vọng, và có thể xem là ứng dụng quan trọng nhất của DME

hiện nay Ngoài ra ứng dụng khác của DME như làm chất đẩy cho các bìnhxịt tóc…có thể sử dụng trong pin nhiên liệu (Fuel Cell), vì nó dễ dàng chuyểnhóa thành methanol.

Bảng 1.2 So sánh tính chất của DME với các nhiên liệu khác

Tính chất DME Metan Propan Butan Metanol DieselNhiệt độ sôi (oC) -25,1 -161,5 -42,0 -0,5 64,6 180-

-1.1.3.1 LPG

DME có thể được phối trộn với LPG (với tỷ lệ trên 20%) dùng cho việcnấu ăn và sưởi ấm Hỗn hợp LPG/DME còn được gọi là LPG tổng hợp(synthetic LPG) Gần đây, tại một số tỉnh của Trung Quốc như Quảng Đông,

An Huy người ta đã sử dụng hỗn hợp 20-30% DME với LPG dùng cho mụcđích sinh hoạt và cho kết quả rất khả quan (theo báo cáo tại hội nghị Coal-To-Liquids thế giới 2008) Theo một nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học

về việc sử dụng DME để thay thế cho LPG trong các thiết bị sinh hoạt giađình, hỗn hợp (15- 20% thể tích) DME/LPG là tối ưu về độ an toàn và tương

4

thích so với sử dụng một mình DME Vẫn có thể sử dụng 100% DME, tuynhiên cần phải có một số hiệu chỉnh về thiết bị so với trường hợp dùng LPGnhư hiệu chỉnh đường kính vòi đốt để đạt được hiệu suất nhiệt tốt nhất Hơnnữa tỷ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu với không khí cũng phải thay đổi để cảithiện sự ổn định của ngọn lửa.

Tóm lại khi đưa DME vào thay thế LPG sẽ có một số thuận lợi như:

 Về mặt thị trường: Khả thi do nhu cầu LPG cao

 Về mặt công nghệ: Khả thi do có thể dùng LPG với các tỷ lệ như sau:+ Trong dân dụng, công nghiệp: không cần cải tạo thiết bị, động cơ khi tỷ lệphối trộn dưới 20% DME Trong trường hợp sử dụng từ 20-100% DME, sẽcần hiệu chỉnh về thiết bị vòi đốt và tỷ lệ hòa trộn với không khí Tuy nhiên,việc hiệu chỉnh này khá đơn giản

+ Trong động cơ giao thông vận tải, tỷ lệ tối đa cho phép của DME là 30%trong hỗn hợp với LPG Về mặt môi trường: DME là loại nhiên liệu sạch,không độc cho người sử dụng, giảm phát thải CO, các hợp chất mạch vòng và

so với LPG Tỷ lệ sử dụng trên quan điểm phát thải là 15-20% DME trongLPG

 Về mặt kinh tế: việc sử dụng nhiên liệu DME thay thế LPG sẽ khả thi

về mặt kinh tế khi giá dầu ở mức trung bình và cao Đây có lẽ là ưu thế lớnnhất của DME so với LPG trước tình hình giá dầu thế giới tăng cao trong thờigian gần đây

1.1.3.1 Diesel

DME là nhiên liệu có thể thay thế cho Diesel trong động cơ nén tự bắtcháy vì nó không có liên kết carbon-carbon nhờ đó hạn chế sự tạo thành bồhóng, trị số cetane cao 55-60 và khả năng tự bắt cháy cao Do DME dễ bắtcháy hơn nên khi dùng nó trong động cơ Diesel thì cần phải có bộ phận dựbáo an toàn hạn chế tối thiểu trường hợp cháy nổ có thể xảy ra

Tuy nhiên, tính chất vật lý của DME lại khác hoàn toàn so với nhiênliệu Diesel như độ nhớt thấp, tính nhờn hầu như không có và áp suất hơi bãohòa cao hơn Vì áp suất hơi bão hòa của DME cao nên hệ thống chứa nhiên

liệu cần phải được điều áp để duy trì ở trạng thái lỏng và cần chú ý tính chấtkhông tương thích với các vật liệu đàn hồi (gây trương nở).

Vì một số tính chất của DME khác với của Diesel nên để dùng DMEthay thế thì cần phải điều chỉnh một số chi tiết trong động cơ Nếu muốn sửdụng DME trong động cơ Diesel một cách tốt nhất mà không phải thay đổicấu trúc động cơ thì việc phối trộn là cần thiết Khi phối trộn DME với Diesel

có thể thu được một loại nhiên liệu vừa đảm bảo tính chất vật lý như khi sửdụng Diesel vừa đảm bảo sự cháy sạch và thân thiện với môi trường hơn Độnhớt của hỗn hợp nhiên liệu DME/Diesel sẽ được cải thiện hơn so với khi sửdụng DME riêng biệt Do đó có thể sử dụng hệ thống bơm và phun nhiên liệucủa Diesel mà ít cần chỉnh sửa lại Tuy nhiên, độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệuDME/Diesel vẫn gây khó khăn trong quá trình sử dụng vì chỉ một lượng vừaphải DME thêm vào cũng sẽ giảm mạnh độ nhớt của hỗn hợp Qua khảo sát[4],người ta thấy rằng nếu thêm 25% (khối lượng) DME vào Diesel thì độ nhớtcủa nhiên liệu thu được sẽ bị giảm xuống dưới mức tiêu chuẩn ASTM củaDiesel Việc nghiên cứu và thêm phụ gia vào DME hoặc hỗn hợpDME/Diesel để đảm bảo độ nhớt và tính bôi trơn của hỗn hợp nhiên liệuDME/Diesel khi sử dụng trong động cơ Diesel là cần thiết

Sau đây là một vài đánh giá về khả năng thay thế Diesel của DMEtrong thực tế :

 Về mặt thị trường: khả thi do nhu cầu Diesel cao

 Về mặt công nghệ: Tỷ lệ sử dụng tối đa DME trong Diesel là 25% vàphải có những hiệu chỉnh thiết bị do sự khác biệt về độ nhớt và áp suất hơibão hòa

 Về mặt môi trường: Là nhiên liệu sạch, giảm phát thải CO (43%), CO2(7,4%), NOx (6%) và muội than (75%);

 Về mặt kinh tế: Việc sử dụng nhiên liệu DME thay thế Diesel sẽ khả thi

về mặt kinh tế khi giá dầu trung bình và cao Ngoài ra, giá nhập khẩu củaDME thấp hơn 64% so với giá nhập khẩu Diesel sẽ mang lại hiệu quả kinh tếcao hơn cho dự án sản xuất DME

6

1.2 Tổng hợp DME

1.2.1 Nguồn nguyên liệu: khí tổng hợp

DME có thể đi từ methanol bằng phản ứng dehydrat hóa Nguồnnguyên liệu chính hiện nay để điều chế DME là khí tổng hợp Khí tổng hợp làhỗn hợp của CO và H2 Tỷ lệ H2 so với CO trong hỗn hợp phụ thuộc vào loạinguyên liệu tổng hợp ra nó, phương pháp điều chế và mục đích sử dụng cuốicùng Khí tổng hợp được điều chế từ nhiều nguồn khác nhau như khí thiênnhiên, các phân đoạn dầu mỏ, than đá, hay từ sinh khối (biomass), gỗ Hai quátrình chính để điều chế là steam reforming và oxi hóa không hoàn toàn(partial oxidation) Hình sau minh họa phương pháp điều chế DME từ khítổng hợp:

Hình 1.2 Các phương pháp điều chế khí tổng hợp

 Phương pháp steam reforming và oxi hoá không hoàn toàn

Phương pháp steam reforming có thể áp dụng cho các phân đoạnhydrocacbon, ở nhiệt độ, áp suất cao và có mặt xúc tác Ni Tuy nhiên, mạchcacbon càng dài, thì càng khó thực hiện phản ứng, và hiệu quả không cao Do

đó, steam reforming áp dụng kinh tế nhất là đối với khí thiên nhiên Mặt khác,khí thiên nhiên có trữ lượng lớn, nên đó là một nguồn cung cấp dồi dào cho

việc tổng hợp khí tổng hợp cũng như các giai đoạn sau đó Phản ứng steamreforming đối với khí thiên nhiên:

lệ H2/CO khoảng 1,5–2,0), phương pháp này còn góp phần loạitrừ CO2 nhờ phản ứng CO2 reforming

Phản ứng tiến hành ờ áp suất môi trường, nhiệt độ phản ứng 700-800oCvới sự có mặt của xúc tác Ni Tri-reforming gồm các phản ứng:

8

Theo các nghiên cứu[9] tỷ lệ nguyên liệu thích hợp cho phản ứng reforming là CH4:CO2:H2O:O2 = 1:0,475:0,475:0,1 tại 1atm.

tri-Bảng 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ chuyển hóa CO2, CH4 và tỷ lệ

H2/CO của phản ứng tri-reforming với CH4:CO2:H2O:O2 = 1:0,475:0,475:0,1 tại 1atm.[9]

Nhiệt độ phản

ứng (oC)

Độ chuyển hóaCH4 (%)

Độ chuyển hóaCO2 (%)

Tỷ lệ molH2/CO

DME có thể được tổng hợp từ khí tổng hợp qua 2 con đường:

 Gián tiếp, với việc sử dụng hai thiết bị phản ứng khác nhau

 Trực tiếp, với hệ xúc tác lưỡng tính, trong cùng một thiết bị phản ứng:

Tuy đi bằng con đường nào, thì bản chất, để tạo ra DME từ khí tổnghợp, cần phải đi qua các giai đoạn sau:

 Tổng hợp methanol

G0 =- 29 kJ/mol H0 = -90,7 kJ/mol

 Dehydrat methanol

2CH3OH CH3OCH3 + H2O (1.8)

G0 =- 4,5 kJ/mol H0 = -23,5 kJ/mol

 Phản ứng tổng

G0 = -62,5 kJ/mol H0 = -205,7 kJ/molTrong trường hợp có phản ứng WGS xảy ra

10

suất của hệ phải cao, đủ để thực hiện phản ứng Áp suất, nói chung được duytrì ở khoảng 3-7 MPa, và áp suất tối ưu là 5 MPa[12] Phản ứng tổng xảy ra phụthuộc rất lớn vào vai trò của phản ứng Water-Gas-Shift (WGS) Do đó ta phảiphân tích điều kiện nhiệt động trong sự ảnh hưởng của phản ứng WGS.

1.2.2.2 Cơ chế và động học phản ứng:

Như đã đề cập ở phần trên, có thể tổng hợp DME theo phương phápgián tiếp nhờ hai giai đoạn riêng rẽ Song gần đây phương pháp truyền thốngnày đã dần được thay thế bằng mô hình trực tiếp nhờ xúc tác lưỡng tính, sẽcho hiệu quả cao cả về độ chuyển hóa và hiệu suất Phương pháp mới này chophép giảm giá thành sản xuất DME và khả năng sử dụng DME thay thế chonhiên liệu truyền thống trở thành hiện thực[5] Do đó, các phần tiếp theo sẽ dựatrên mô hình trực tiếp này

 Cơ chế và động học phản ứng tổng hợp DME trên xúc tác lưỡng tính

Đã có nhiều nghiên cứu về tổng hợp DME, song chủ yếu là trên lĩnhvực xúc tác và quá trình, còn động học phản ứng thì mới chỉ có một số ítnghiên cứu Các dữ liệu động học thu được, chủ yếu là dựa trên mô hình củaphản ứng tạo methanol (Methanol Synthesis Reaction), dehydrat hóa(Methanol Dehydration Reaction) và ảnh hưởng của phản ứng WGS Về cơchế[1]

Giai đoạn tổng hợp Methanol:

Với s1, s2 là 2 tâm hoạt động khác nhau

Giai đoạn Dehydrat hóa:

CH3OH(a) + CH3O(a) ↔ CH3OCH3(g) + OH (1.21) CH3O(a) + CH3O(a) ↔ CH3OCH3(g) + O (1.22) 2OH ↔ H2O(g) + O (1.27)

Với O là oxít bề mặt được cho là che phủ bề mặt xúc tác và “a” có thể

là tâm axít hay kiềm

 Một số phân tích nhiệt động của quá trình:

Ta có hai mô hình để nghiên cứu về mặt động học trong tổng hợpDME, và sự lựa chọn xúc tác hay các điều kiện công nghệ là cũng dựa trênviệc lựa chọn 2 mô hình này

Mô hình A, là hệ phản ứng thuận nghịch gồm phản ứng tổng hợpMethanol (Methanol Synthesis Reaction - MSR) và phản ứng Dehydrate hóaMethanol (Methanol Dehydration reaction - MDR):

Phản ứng tổng sẽ là:

12

Chính các phản ứng Dehydrat hóa và WGS xảy ra trên xúc tác lưỡngtính đã phá giới hạn cân bằng của phản ứng Methanol hóa, loại lượng nướcsinh ra để tạo H2, chuyển dịch cân bằng của phản ứng chính về phía phải.Trong đó, phản ứng MDR đóng vai trò chính để phá vỡ hàng rào cân bằng củaphản ứng MSR Vai trò của phản ứng WGS là phức tạp hơn Nó giúp tăngcường phản ứng MSR về mặt động học bằng việc giữ lượng nước trong hệ ởmức thấp Nó cũng tái điều chỉnh tỷ lệ H2/CO trong quá trình phản ứng.Trong vùng giàu CO, nó sẽ cung cấp tác chất giới hạn là H2 qua phản ứng củaH2O với CO, điều này tăng cường cả về mặt nhiệt động và động học của phảnứng MSR Trong vùng giàu H2, phản ứng WGS sẽ tiêu thụ tác chất giới hạn là

CO, làm kìm hãm về mặt nhiệt động và động học của phản ứng MSR

Độ chọn lọc của DME trong mô hình B là 0,79 và hầu như ít thay đổitheo tỷ lệ nhập liệu

Mô hình B đạt được độ chuyển hóa CO và hiệu suất DME cao nhất, đặcbiệt là khi nồng độ CO trong nhập liệu từ 0,5 đến 0,66 Mô hình B đạt hiệusuất tổng (DME + MeOH) cao hơn mô hình kia[1]

Mô hình B có nhược điểm cần khắc phục: hiệu quả sử dụng cacbon

Mô hình B có độ chuyển hóa CO cao nhất trong khi hiệu quả sử dụng cacbonchỉ đạt 66,7% Một lượng lớn CO2 sinh ra (từ phản ứng WGS) song song với

sự hình thành DME và điều này sẽ làm tăng chi phí tách cũng như độ phứctạp của quá trình bởi vì DME hóa lỏng hòa tan CO2 rất tốt

Vì những ưu điểm của mô hình B đó nên trong những phần tính toántiếp theo sẽ sử dụng mô hình này

khi xúc tác được sử dụng có nhiều thành phần và cũng khá nhạy với nhiệt độ.Ngoài ra, còn có yếu tố khác cần kiểm soát như gradient nhiệt độ và nồng độ,

sự khuếch tán tác chất và sản phẩm, hình dạng và tính chất của xúc tác sửdụng… Việc lựa chọn loại thiết bị phản ứng vừa phụ thuộc vào những yếu tốtrên, nhưng cũng tùy vào quy mô thực hiện việc điều chế, sản xuất DME

Trong thực tế sản xuất quy mô công nghiệp thiết bị phản ứng dạnghuyền phù tỏ ra thích hợp nhất nên thường được ưu tiên sử dụng

1.2.3.1.1 Thiết bị dạng tầng cố định (Fixed – Bed)

Là thiết bị đoạn nhiệt, được sử dụng đầu tiên và rộng rãi cho các phảnứng xúc tác dị thể Tuy nhiên, nó chủ yếu dùng trong nghiên cứu ở quy môphòng thí nghiệm với kích thước bình phản ứng nhỏ Lớp xúc tác được đặttrên một lớp đệm (là các chất độn như thủy tinh, sứ Alumia…) có kích thướclớn hơn kích thước hạt xúc tác Bên trên lớp xúc tác, người ta cũng thường đặtthêm một lớp đệm nhỏ nữa

Hình 1.3 Thiết bị phản ứng tấng cố định[1]

Qua đặc điểm cấu tạo như trên, ta có thể thấy ưu điểm của nó là dễ chếtạo, thao tác sử dụng và chi phí thấp; sự tiếp xúc pha khí - rắn tốt, nên có thểnhận được độ chuyển hóa cao Tuy nhiên, với loại thiết bị này, nhiệt phản ứngchỉ có thể trao đổi qua thành thiết bị Do đó, với dạng này việc tải nhiệt khóhiệu quả, do đó xúc tác sử dụng trong thiết bị dạng này phải đáp ứng nhiềuyêu cầu hơn về độ bền nhiệt Ngoài ra, kích thước xúc tác được sử dụng cần

14

phải được xem xét, nếu sử dụng hạt xúc tác quá nhỏ sẽ gây giảm áp lớn khikhí đi qua, từ đó làm giảm độ chuyển hóa, đặc biệt là với các phản ứng nhanh.

1.2.3.1.2 Thiết bị dạng huyền phù:

Các thiết bị phản ứng có qui mô Pilot trở lên, đều dùng dạng huyền phùnày Cấu tạo của thiết bị khá đơn giản, gồm có bình phản ứng, ống truyềnnhiệt đi bên trong Dung môi trơ có nhiệt dung lớn được sử dụng làm môitrường tải nhiệt Các hạt xúc tác dạng bột mịn sẽ được phân tán vào hệ dungmôi Khí SynGas được sục từ dưới lên với vận tốc thể tích thích hợp

Lò phản ứng dạng huyền phù được ứng dụng rất nhiều trong công nghệhóa học, chủ yếu trong lĩnh vực xúc tác dị thể Với lò phản ứng dạng huyềnphù, vấn đề quan trọng nhất chính là sự tiếp xúc pha giữa các cấu tử trong phakhí cũng như sự phân tán các hạt rắn trong pha lỏng Kích cỡ hạt xúc tácthường nhỏ hơn 200 µm và được giữ lơ lửng nhờ vào dòng chảy rối của phalỏng Đối với các phản ứng xảy ra nhanh và quá trình khuếch tán ảnh hưởngđến độ chọn lọc sản phẩm thì kích cỡ hạt xúc tác được giữ càng nhỏ càng tốt.Nhưng khả năng phân tách các hạt xúc tác sau phản ứng giới hạn kích thướccủa hạt không nhỏ hơn 10 µm

Đối với những quá trình, trong đó xúc tác bị đầu độc nhanh chóng vìnhiệt cục bộ cũng như các quá trình cần có truyền nhiệt hiệu quả thì lò phảnứng dạng huyền phù là sự lựa chọn thích hợp nhất Nó có thể thay thế tốt thiết

bị phản ứng nhiều ống dạng tầng cố định, đặc biệt khi cần khống chế nhiệt độtrong các phản ứng liên quan đến một lượng lớn nhiệt được thải ra hay thuvào

Hình 1.4 Thiết bị phản ứng huyền phù[13]

Với những đặc điểm nêu trên, ta thấy thiết bị phản ứng dạng huyền phù

là một lựa chọn thích hợp trong nhiều quá trình xúc tác dị thể Với các quátrình có sự hiện diện pha lỏng cũng như kích thướt hạt xúc tác càng nhỏ đểkhắc phục hạn chế của khuếch tán thì thiết bị phản ứng huyền phù là ưu tiên

số một và độ giảm áp suất nằm trong khoảng cho phép Bên cạnh đó, với cácphản ứng làm giảm hoạt tính xúc tác nhanh chóng hay cần tránh tối đa cácđiểm quá nhiệt cục bộ cũng như nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, thiết bị phảnứng huyền phù là một lựa chọn thích hợp

Đặc điểm phản ứng tổng hợp trực tiếp DME:

 Tỏa nhiệt mạnh, H0 = -246,9 kJ/mol nên cần loại thiết bị phản ứng cókhả năng cấp nhiệt và giải nhiệt tốt

 Là phản ứng hydro hóa khí CO trên xúc tác dị thể nên cần sự truyềnkhối hiệu quả giữa các pha

Qua đó, ta nhận thấy thiết bị phản ứng dạng huyền phù là thiết bị thíchhợp nhất cho quá trình tổng hợp DME trực tiếp với nhiều ưu điểm công nghệvượt trội so với dạng tầng cố định hay dạng tầng sôi

1.2.3.2 Các thông số của quá trình

Như chúng ta đã biết, phản ứng tổng hợp DME trên xúc tác lưỡng tính

là một quá trình xúc tác dị thể gồm nhiều giai đoạn Đặc điểm chung là phảnứng tỏa nhiệt mạnh và làm giảm số mol khí Do đó phản ứng đòi hỏi xảy ra ở

16

nhiệt độ vừa phải, nhưng áp suất phải đủ lớn, và tăng áp suất sẽ tăng hiệu quảquá trình Vận tốc thể tích tăng, cũng làm giảm hiệu quả quá trình Có nhiềunghiên cứu, đã cho thấy những qui luật chung của phản ứng tổng hợp DME.Mặc dù những điều kiện phản ứng khác nhau, nhưng kết quả khá phù hợpnhau.

1.2.3.2.1 Tỷ lệ nhập liệu

Tỷ lệ H2/CO thích hợp là 1-2 Đồ thị sau cũng cho ta thấy điều này:

Hình 1.5: Độ chuyển hóa CO theo thành phần nhập liệu, ở lưu lượng 3000ml/

gxt/h, P=3 Mpa, T =260oC[11]

Một nhận xét được rút ra là: nếu tăng tỷ lệ H2/CO quá cao thì độchuyển hóa CO sẽ tăng, nhưng độ chọn lọc sẽ giảm Điều này là do tăng tỷ lệH2/CO thì tốc độ phản ứng Methanol hóa tăng, nhưng tốc độ phản ứng WGSgiảm, làm H2O tạo ra trong phản ứng Dehydrate hóa không được tiêu thụ bơiWGSR nên làm giảm độ chọn lọc

1.2.3.2.2 Ảnh hưởng của áp suất:

Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa và độ chọn lọc vào áp suất được thểhiện qua đồ thị sau:

Hình 1.6: Độ chuyển hóa CO theo thành phần áp suất[11]

Nói chung, độ chuyển hóa CO tăng theo sự tăng của áp suất Ta thấyđược độ chuyển hóa CO đạt cao nhất ở khoảng 2600C và 5 Mpa[13]

1.2.3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa và độ chọn lọc vào nhiệt độ được thểhiện qua đồ thị sau:

Hình 1.7: Độ chuyển hóa CO theo nhiệt độ[11]

Nhiệt độ tăng thì độ chuyển hóa và độ chọn lọc tăng do tăng tốc độphản ứng Dehydrat hóa Methanol Tuy nhiên, sự tăng theo nhiệt độ bị giớihạn về mặt nhiệt động của các phản ứng, đặc biệt là phản ứng Methanol hóa

18

do đây là các phản ứng tỏa nhiệt Ngoài ra, còn là do sự giảm hoạt tính xúctác, nên ta có khoảng nhiệt độ tối ưu cho phản ứng là 230 ÷ 3000C[13].

Hình 1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phân phối sản phẩm[11]

1.3 Xúc tác tổng hợp DME[1],[12]

1.3.1 Xúc tác cho phản ứng tổng hợp trực tiếp DME từ khí tổng hợp

Đối với quá trình tổng hợp DME trực tiếp hiện nay, thì về mặt bản chất,xúc tác sử dụng được xem là xúc tác lưỡng tính gồm hai thành phần cơ bản làxúc tác cho phản ứng methanol hóa và phản ứng dehydrat hóa methanol thànhDME Nếu phương pháp điều chế làm cho thành phần tổng hợp methanol chephủ thành phần Dehydrat hóa, thì cũng làm hoạt tính xúc tác trở nên rất thấp.Như vậy, một xúc tác lưỡng tính điều chế DME phải bảo đảm được hai thànhphần là pha tổng hợp Methanol (Cu/Zn, Zn/Cr, Cu/Zn/Al…) và tâm Dehydrathóa (γ-Al2O3 hoặc Zeolite) Hệ xúc tác cơ bản đã được nghiên cứu nhiều là hệCuO-ZnO mang trên γ-Al2O3 hoặc H-ZSM-5 Tính chất các hệ xúc tác nàykhác nhau chủ yếu qua phương pháp điều chế và loại chất mang sử dụng.1.3.2 Phương pháp điều chế xúc tác[1],[12]

1.3.2.1 Điều chế chất mang

 γ-Al 2 O 3 :

Al2O3 có nhiều dạng thù hình như , , -Al2O3… Dạng hình thù thuđược là tùy thuộc vào nhiệt độ, điều kiện nung Al(OH)3 Quy trình chung để

điều chế Al2O3 nói chung và γ- Al2O3 nói riêng là đi từ muối Al Al(OH)3

- Al2O3:

Trong công nghiệp, người ta có thể đi từ quặng Boxit hay từ phènAl2(SO4)3 Quy trình sau đây là đi từ quặng Boxit Al:

Hình 1.9 Sơ đồ lý thuyết điều chế γ- Al2O3 từ quặng Boxit[1]

Về mặt lý thuyết, γ-Al2O3 thu được phải đạt một số tính chất như thểtích lỗ xốp: 50-70 %) có cấu trúc rây phân tử, hạt nhuyễn và mịn; bề mặtriêng khá lớn: 200-450 m2/g Kích thước mao quản khoảng 25Ao; khối lượngriêng chất đống: 0,6-0,9 g/cm3; độ xốp: 0,4-0,7 cm3/g…

 Zeolite:

Zeolite, về mặt bản chất cũng là một Aluminosilicat, có thể có trong tựnhiên hoặc có thể điều chế được Các Zeolite tổng hợp có thể thu được bằngphương pháp tổng hợp thủy nhiệt ở dạng các tinh thể với kích thướcmicromet

1.3.2.2 Điều chế xúc tác trên chất mang

Để tạo xúc tác trên chất mang, có nhiều phương pháp như tẩm pha hoạtđộng lên chất mang, kết tủa, trộn cơ học các thành phần hoạt động, Sol- Gel,

… Quy trình chung là tạo từ nguyên liệu ban đầu, qua các quá trình tạo liênkết các thành phần của xúc tác tùy từng phương pháp, sẽ tạo hệ xúc tác ởdạng dung dịch hay huyền phù, gel Tiếp đó, ta sẽ đem hệ đi làm khô, sấy vànung Xúc tác sau khi nung được đem đi ép, tạo hạt, và được khử để đưa vềdạng hoạt động của nó ba giai đoạn ảnh hưởng lên hiểu quả của phản ứng

20

nhờ xúc tác là phương pháp điều chế, điều kiện nung và điều kiện khử Trong

đó, phương pháp điều chế là quan trọng nhất Có hai phương pháp được sửdụng rộng rãi là tẩm và kết tủa

 Phương pháp tẩm:

Khối tiếp xúc thu được trên cơ sở cho các cấu tử hoạt động dính lênchất mang có nhiều lỗ xốp bằng việc ngâm hay phun dung dịch muối củathành phần hoạt động với anion dễ phân hủy nhiệt như nitrat, cacbonat… lênchất mang rắn Sau thời gian bay hơi, xúc tác được đem đi sấy, nung để thuđược xúc tác cuối cùng với thành phần oxít bám lên chất mang Phương phápnày là đơn giản nhất, nhưng xúc tác thu được sẽ có hoạt tính không cao do takhông kiểm soát được các cấu tử hoạt động có thể bám lên chất mang hoàntoàn hay không và sự phân bố các thành phần đó Ở điều kiện thường, áp suấtmao quản trong chất mang rất lớn, thành phần hoạt động chỉ có thể được tẩm

ở bề mặt bên ngoài chất mang mà thôi Để khắc phục điều này, người ta tẩmkết hợp với hút chân không chất mang; tuy nhiên, nó đòi hỏi kỹ thuật cao vàtốn kém

 Phương pháp kết tủa:

Là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất, vì nó cho phép thực hiệnđược trong giới hạn rộng biến đổi cấu trúc xốp và bề mặt trong của chất xúctác và chất mang Có nhiều phương pháp dựa trên kỹ thuật tủa Nếu việc tủachỉ xảy ra trên hai chất, thì ta có phương pháp tủa thông thường Phương phápđồng kết tủa được thực hiện dưới sự kết tủa đồng thời của hai hay nhiều muối.Ngoài ra, ta có thể kết hợp việc tủa pha hoạt động và lắng đọng pha tủa lênchất mang rắn, được gọi là phương pháp đồng kết tủa lắng đọng Dạng kết tủathu được phải ở dạng các muối dễ phân hủy nhiệt như Cacbonat… Trongphương pháp này, giai đoạn quan trọng nhất là kết tủa với hai giai đoạn quantrọng là tạo mầm tủa và phát triển tinh thể tủa Tủa sau khi tạo ra, cần phảiđược già hóa để tinh thể tủa trở nên bền vững hơn, tạo dạng tinh thể đều Cácyếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tủa, từ đó ảnh hưởng tới tính chất xúc tác

sau này là nhiệt độ tủa, pH, thành phần ban đầu của dung dịch, nồng độ củadung dịch, cường độ khuấy trộn, thứ tự đổ dung dịch vào nhau…

1.4 Lựa chọn công nghệ sản xuất DME

 Nhu cầu thị trường:

Như đã trình bày ở những phần trước việc sử dụng DME nhiên liệuthay thế, đặc biệt là cho LPG là một hướng đi hứa hẹn nhiều tiềm năng đốivới điều kiện thực tế tại nước ta Do DME giá thành thấp, dễ dàng vậnchuyển, tồn chứa và nhất là có thể trộn chung thành hỗn hợp với LPG trongcác thiết bị đã sử dụng cho LPG mà không cần thay đổi nhiều về thiết bị sửdụng

Theo thống kê của PV Gas[6], nhu cầu sử dụng LPG của nước ta trongnhững năm qua là khá cao, với sản lượng tiêu thụ ban đầu của PV Gas chỉ đạttrên 100 ngàn tấn, sau đó tăng lên 350 ngàn tấn vào năm 2005 và trong năm

2010 đã đạt mức 810 ngàn tấn Dự báo nhu cầu tiêu thụ khí hóa lỏng LPG ởnước ta sẽ vượt mức 1 triệu tấn vào năm 2013 Lượng LPG sản xuất trongnước chủ yếu nguồn cung từ nhà máy xử lý khí Dinh Cố (khoảng 230 ngàntấn năm 2010), và từ năm 2009 trở lại đây có thêm nguồn cung mới từ nhàmáy lọc dầu Dung Quất (khoảng 340 ngàn tấn năm 2010), đáp ứng khoảng52% nhu cầu thị nội địa

Trong khuôn khổ đề tài này, xin lấy mức 570 ngàn tấn LPG/năm làtổng lượng LPG sản xuất trong nước năm 2010 làm mức chuẩn để làm cơ sởcho các bước tính toán tiếp theo

Theo một nghiên cứu về việc sử dụng DME để thay thế cho LPG trongcác thiết bị[4], hỗn hợp có tỷ lệ khoảng 20% thể tích DME/LPG là tối ưu về độ

an toàn và tương thích hơn so với sử dụng DME độc lập Vì vậy đề tài sẽ lấymức 20% về thể tích làm tỷ lệ để phối trộn DME vào LPG

 Công nghệ: phỏng theo quy trình trực tiếp của JFE (Nhật Bản)

Như đã trình bày ở trên DME được tổng hợp theo 2 phương pháp giántiếp và trực tiếp Phương pháp tổng hợp trực tiếp mới chỉ được nghiên cứutrong vòng hơn mười năm trở lại đây, nó cho pháp điều chế DME trực tiếp từ

22

cacbon monoxit và hydro trên những loại chất xúc tác đặc biệt Hiện tại, 2hãng Air Product and Topsoe Haldor (EU) và JFE (Nhật Bản) với quy trìnhphản ứng và những bí quyết riêng của mình đang đi đầu trong phương pháptổng hợp mới này.

Hình 1.10 Công nghệ sản xuất DME của JFE[13]

Quy trình công nghệ gồm 3 cụm chính:

1 Reforming khí thiên nhiên sinh khí tổng hợp: công nghệ Reforming[9] Bao gồm các phản ứng CO2 reforming, steam reforming và oxihóa không hoàn toàn

Tri-2 Tổng hợp trực tiếp DME: bao gồm phản ứng hydro hóa CO tạomethanol, dehydrate methanol tạo DME và phản ứng WGS

3 Cụm phân tách sản phẩm: hỗn hợp sau phản ứng sẽ đi qua các thiết bịhấp thụ và chưng cất để tách rời DME, MeOH và nước Hỗn hợp chưa phảnứng sẽ được hoàn lưu trở lại để tăng hiệu suất của quá trình

 Xúc tác:

Chất xúc tác sử dụng cho quá trình tổng hợp DME dùng chất mang Al2O3, đồng kết tủa 3 muối Cu, Zn, Al với tỷ lệ là CuO:ZnO:Al2O3 = 2:1:6[1].Xúc tác sử dụng thích hợp nhất cho tổng hợp DME ở điều kiện 275oC

- Flue gas từ các nhà máy năng lượng sau quá trình xử lý loại bỏ các thànhphần không thích hợp hoặc gây đầu độc xúc tác sẽ có thành phần chính gồmCO2, H2O, O2 Đây là các thành phần phù hợp cho quá trình tổng hợpSyngas[9].

Khi đã có được những dữ kiện căn bản như trên, bước tiếp theo sẽ tiếnhành mô phỏng quy trình công nghệ với sự trợ giúp của phần mềm Hysys vớimục đích tối ưu hoá các quá trình, tìm ra một quy trình công nghệ phù hợp cóthể sử dụng trong thực tế

PHẦN II

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

Chương 2: MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DME BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

2.1 Tổng quan về mô phỏng và phần mềm Hysys [2]

2.1.1 Tầm quan trọng của các phần mềm mô phỏng

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả về sốlượng và chất lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến về công nghệ vàphương pháp sản xuất Vì vậy, các công trình nghiên cứu khoa học, các dự ánthiết kế được tiến hành, và cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành côngnghệ thông tin, với những máy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, cáclập trình viên đã góp phần to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng

24

Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thời gian, vàkhả năng thực hiện dự án đó là khó có thể biết trước được Nhưng khi cácphần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều,chúng ta có thể mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vậnhành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt độngnào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy Ngoài

ra, với những tính năng của các phần mềm mô phỏng ta có thể thiết kế đượccác dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu, nhanh chóng, cho kết quảkhả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là áp dụng được cho hầuhết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hoá học, đảm bảođược tính khả thi cho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai

Một số phần mềm mô phỏng:

- Simsci (PRO/II)

- Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK)

- Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET)

- Winsim (DESIGN II for Windows)

- IDEAS Simulation

- Simulator 42

- RSI

- Chemstations

Trong đó phổ biến nhất là PRO/II, DYNSIM và HYSYS

2.1.2 Giới thiệu về phần mềm Hysys

Hysys là phần mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng côngnghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chếbiến khí được sử dụng nhiều nhất

Hysys chạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm nàytrước đây dùng trên hệ điều hành MS Dos

Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech - Canada thuộc công ty AEATechnologie Engineering Software - Hyprotech Ltd Là một phần mềm có khảnăng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp

nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảosát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí Ngoài thư viện

có sẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiệncho việc sử dụng Ngoài ra Hysys còn có khả năng tự động tính toán cácthông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đây chính là điểm mạnh của Hysysgiúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữliệu ban đầu khác nhau

2.1.3 Ứng dụng của Hysys

Nhờ có cơ sở nhiệt động học vững chắc và đầy đủ, khả năng thiết kếlinh hoạt với độ chính xác cao và tính thiết thực của các hệ nhiệt động chophép thực hiện các mô hình tính toán rất gần với thực tế

Hysys là công cụ mô phỏng công nghệ mạnh phục vụ cho nghiên cứu,tính toán thiết kế công nghệ của các kỹ sư trên cơ sở hiểu biết về các quá trìnhcông nghệ hóa học Hysys đáp ứng các yêu cầu công nghệ nền tảng cơ bảncho

mô hình hóa và mô phỏng các quá trình công nghệ từ khai thác tới chế biếntrong nhà máy xử lý khí và nhà máy làm lạnh sâu, cho đến các quá trình côngnghệ lọc hóa dầu và công nghệ hóa học

Sử dụng Hysys giúp giảm chi phí chi qui trỉnh công nghệ do có thể tối

ưu các thiết bị trong dây chuyền mà vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng sảnphẩm Hysys cho phép tính toán vấn đề về tận dụng nhiệt, tối ưu được vấn đềnăng lượng trong quá trình sản xuất, tuần hoàn nguyên liệu nhằm tăng hiệusuất quá trình

2.2 Mô phỏng quy trình công nghệ

2.2.1 Các bước chuẩn bị:

 Chuẩn bị sơ đồ qui trình công nghệ:

Chuẩn bị sẵn sơ đồ công nghệ và các thông số đầu vào, đầu ra cần thiết(tên gọi, lưu lượng, áp suất…) các dòng chảy cũng như các thông số vận hànhcủa thiết bị (nhiệt độ, áp suất, dòng chảy vào, ra…)

 Các khai báo ban đầu:

26

Hysys là chương trình tính toán rất đa năng và thông minh tuy nhiên đểgiúp chương trình chạy chuẩn xác thì phải khai báo về phương pháp tính toánnhiệt động, các chất, các cấu tử Hai khai báo trên là bắt buộc, ngoài ra chúng

ta còn có thể có các khai báo khác như khai báo về hệ đơn vị sử dụng, khaibáo tính chất (khi cần sử dụng cấu tử mới) v.v Trong những trường hợp nàychúng ta nên khai báo lại hệ đơn vị sử dụng là SI nếu chương trình đang mặcđịnh hệ đơn vị khác

Chương 1 Lựa chọn mô hình nhiệt động:

Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóngmột vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả môphỏng

Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :

- Hằng số cân bằng pha K: thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điềukiện cân bằng

- Enthalpy của các pha lỏng và pha hơi: xác định năng lượng cần thiết đểchuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác

- Enthalpy của các pha lỏng và pha hơi: nhằm phục vụ việc tính toán các máynén, thiết bị giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng

- Tỷ trọng của pha lỏng và pha hơi: để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực

lỏng Thành phần của hỗn hợp

- Phạm vi nhiệt độ và áp suất

- Tính sẵn có của các thông số hoạt động của các thiết bị

Trong bài mô phỏng này sẽ sử dụng mô hình PRSV là mô hình nhiệtđộng thích hợp nhất

Bảng 2.1 Mô tả và cách lựa chọn các mô hình nhiệt động trong Hysys[7]

2.2.2 Những dữ liệu ban đầu

Như đã trình bày trong những phần trước mức 570 ngàn tấn LPG/năm

là tổng lượng LPG sử dụng trong một năm và, hỗn hợp synthetic LPG có tỷ lệkhoảng 20% là mức sử dụng để tính toán trong những phần kế tiếp

Khối lượng riêng của LPG và DME (tấn/m3, 200C):

(m3/năm)Sản lượng DME của nhà máy là:

x 0,67 = 180141 (tấn/năm)Giả sử nhà máy hoạt động 50 tuần/năm (2 tuần để dự phòng sự cố hoặcsửa chữa bảo trì thiết bị)

Đặc tính và điều kiện của nguyên liệu được chỉ ra dưới đây:

2.2.3 Tính toán các giá trị ban đầu cho quá trình mô phỏng

Dựa theo các nghiên cứu[12] thì điều kiện thuận lợi nhất để tiến hànhphản ứng tổng hợp trực tiếp DME là ở nhiệt độ từ 230-300oC và áp suất tối ưu

là khoảng 5Mpa

Hình 2.1 Độ chuyển hóa CO dưới ảnh hưởng nhiệt độ trong phản ứng tổng

hợp DME và MeOH dưới áp suất 3-5Mpa[12]

Bảng 2.2 Độ chuyển hóa và các phản ứng diễn ra trong từng thiết bị phản

ứng[9],[13]

Tri- CO2 reforming CO2 + CH4 = 2CO + 2H2 CO2: 87%

Steam reforming H2O + CH4 = CO + 3H2 H2O: 77%

30