Mô phỏng trên hysys quá trình sản xuất amoniac từ methane

Mô phỏng trên hysys quá trình sản xuất amoniac từ methane

Đề tài: Mô phỏng trên Hysys quá trình sản xuất amoniac

từ methane

I. Phân tích quá trình mô phỏng:

Quá trình sản xuất Amoniac từ metan đi qua hai giai đoạn chính là SteamReforming và tổng hợp NH3,được thực hiện trong 6 thiết bị phản ứng cân bằngchính: reforming sơ cấp, reforming thứ cấp, chuyển hóa CO nhiệt độ cao,chuyển hóa CO nhiệt độ thấp, metan hóa, tổng hợp NH3 Dựa theo tìm hiểu vềchế độ công nghệ của các phản ứng trong công nghiệp để thực hiện mô phỏng,

em xin đưa ra điều kiện công nghệ của các thiết bị phản ứng trong hysys nhưsau:

Nhiệt độ đầu vào 8000C, nhiệt độ đầu ra 900÷10000C

Mô phỏng hysys: thiết lập Equilibrium reactor với nhiệt độ đầu vào 8000Cphản ứng xảy ra ở 10000C; 2070 kPa

3.Phản ứng chuyển hóa CO nhiệt độ cao ( high temperature shift ) :

water-gas-CO + H2O ↔ H2 + CO2

Phản ứng trong công nghiệp với nhiệt độ phản ứng 350÷5000C, P=2÷3Mpa

1

Mô phỏng hysys: thiết lập Equilibrium reactor với phản ứng xảy ra ở 4000C;

ở phần trên

Ngoài ra khi thực hiện quá trình nhận thấy có thể tận dụng nhiệt của dòngsản phẩm nên em đưa thêm Heat Exchanger vào để tận dụng nhiệt này đunnóng sơ bộ cho nguyên liệu ban đầu

II. Trình tự tiến hành mô phỏng:

1. Nhập các cấu tử và chọn hệ nhiệt động:

Vào môi trường mô phỏng:

Xây dựng các phản ứng trong reactions:

3

Add to FP các phản ứng:

Thiết lập dòng Feed: CH4 với các tham số như đề bài:

Ban đầu tạo dòng hơi nước ở 8000C; 2070 kPa, lưu lượng 200Kgmole/h (tỉ

Add phản ứng cho thiết bị:

Reforming sơ cấp không tự động tính nhiệt độ dòng ra mà phải chọn nhiệt độ dòng

ra để tính duty nên nhập nhiệt độ dòng ra la 8000C:

Qui trình thiếp lập dòng, add phản ứng cho các Reactor khác tương tự như trên

Hỗn hợp sản phẩm từ đầu ra Reactor1 đưa vào Reactor2 reforming thứ cấp,nguyên liệu đưa vào là dòng không khí qua qui trình gia nhiệt và nén lên áp suấtcao để đạt trạng thái 8000C; 2070kPa, ban đầu cho lưu lượng của nó là100kgmole/h , dựa vào tỉ lệ N2/H2 lúc sau ta điều chỉnh sau.

nhiệt độ dòng sản phẩm ra khỏi 2 -R2-Vap rất lớn(10000C) nên ta cho qua trao đổinhiệt để đun nóng sơ bộ lượng nước đưa vào reforming, ở đây em sử dụng nước tựnhiên ở điều kiện thường 250C, 1atm dùng nhiệt quá trình để đun nóng sơ bộ rồinén lên áp suất cao:

9

Dòng từ Reac2 tiếp tục được làm lạnh đến 4000C đi vào chuyển hóa CO ởnhiệt độ cao(Reac3), dòng ra khỏi Reac3 được làm lạnh đến 2000C rồi vào chuyểnhóa CO nhiệt độ thấp (Reac4).

Hơi sau cùng ra khỏi quá trình reforming còn lẫn H2O , ta cho tuần hoàn lạibằng cách làm lạnh xuống 200C cho nước ngưng tụ rồi đưa vào tháp phân tách pha:

Nước thu được đem tuần hoàn lại trộn với dòng nước ban đầu tạo thành chutrình kín:

11

Như vậy ta có được chu trình reforming, dùng nước tự nhiên gia nhiệt nhờnhiệt của sản phẩm quá trình Có sự tuần hoàn lại lượng nước chưa phản ứng đểtiết kiệm chi phí.

Dòng ra khỏi reforming sẽ được hấp thụ CO2 bằng C3=Carbonate Hơi từreforming đã tách nước được nén lên 8000 kPa, rồi làm lạnh đến 350C đưa vàotháp hấp thụ:

Tháp hấp thụ ở đây tuần hoàn dung môi C3=Carbonate em sử dụng chu trìnhgiống như chu trình làm ngọt khí bằng DEA trong Gas8:

Khí sau khi qua tách CO2 được đem đi metan hóa để tinh chế giảm lượng

CO xuống cỡ ppm:

Hỗn hợp được nâng lên áp suất 3Mpa, 3000C để thực hiện phản ứng metan hóa.Khí sau metan hóa được nén lên 2.5e4 kPa, sau nén hạ nhiệt độ xuống để đi tổnghợp NH3

Ban đầu chưa có tuần hoàn lượng N2,, H2, sau đó ta cho tuần hoàn lại:

13

III. Tối ưu hóa các điều kiện hoạt động của chu trình:

Sử dụng công cụ Adjust và Set để hiệu chỉnh chế độ công nghệ,trong PFD:ADJ1: điều chỉnh lưu lượng dòng C3=carbonate sao cho khí ra khỏi tháp hấpthụ có nồng độ CO2 <2/1000

ADJ2: Điều chỉnh nhiệt độ nước qua trao đổi nhiệt sao cho nhiệt độ hơi nướccấp vào Reactor1 ở 8000 C

ADJ3: Điều chỉnh lưu lượng H2O-feed cấp sao cho tỉ lệ H2O/C=2:1 vàoReforming sơ cấp (Reactor1) như điều kiện công nghệ đã chọn:

15

ADJ4:Điều chỉnh nhiệt độ dòng vào TB chuyển hóa CO nhiệt độ thấp sao chonhiệt độ phản ứng ổn định ở 2300 C

ADJ5: Điều chỉnh t0 dòng vào TBPU metan hóa sao cho nhiệt độ phản ứng ổnđịnh ở 365 C0

ADJ6: Điều chỉnh nhiệt độ đầu vào sao cho nhiệt độ phản ứng tổng hợpamoniac ổn định ở 4500 C

ADJ7: Điều chỉnh nhiệt độ làm lạnh sao cho nồng độ mol NH3 ra khỏi tháp táchđạt 98%

17

SET-1: Điều chỉnh cân bằng áp suất hơi dòng C3 tuần hoàn và C3 vào tháp hấpthụ:

IV. Các lỗi xảy ra và hướng giải quyết:

1 Lỗi ở heat exchanger:

- Lỗi over specific : thừa các dữ kiện dẫn đến thiết bị không cân bằng đượcnhiệt lượng trao đổi giữa các dòng Khắc phục: xóa bớt nhiệt độ dòng để thiết bị tựtính toán ra giá trị theo nhiệt độ các dòng còn lại

- Lỗi temperature cross: lưu lượng và nhiệt độ các dòng không đáp ứng đượcgiá trị nhiệt độ cần trao đổi Khắc phục: chọn lại giá trị nhiệt độ cho hợp lí, sử dụngbalance để tính cân bằng nhiệt lượng

2.Công cụ Adjust không hoạt động:

Có thể tăng số vòng lặp lên 20 hoặc tăng mức sai số lên

19

3.Recycle không hội tụ:

Xem lại điều kiện của dòng tuần hoàn có tương tự dòng feed không, thửchỉnh lại cho hai dòng có các thông số áp suất như nhau

Lỗi xảy ra với Recycle RCY2 tuần hoàn N2, H2 chưa phản ứng: nếu tuầnhoàn cả dòng N2, H2 lại thì Recycle lỗi, đồng thời lưu lượng dòng đi vào tháptổng hợp NH3 tăng vọt lên gấp nhiều lần dòng đầu:

Ở đây lưu lượng dòng tăng vọt lên giá trị ảo là 2691 kgmole/h mặc dù dòngban đầu chưa tuần hoàn là 458 kgmole/h

Khắc phục: ta chỉ cho tuần hoàn một phần bằng cách lắp thêm TEE chiadòng tuần hoàn rồi mới recycle:

4 Không thu được NH3 tinh khiết trên 98%:

Nguyên nhân: trong dòng hơi đi tổng hợp NH3 còn lẫn nước nên sản phẩm bị lẫnlượng nhỏ nước:

Để thu được NH3 tinh khiết cần tách nước trước khi vào tổng hợp hoặc tách nướcsản phẩm trước khi làm lạnh để phân tách pha Việc tách này có thể dùng hấp phụhoặc hấp thụ, ở đây em dùng công cụ tách trên lý thuyết là component splitter:

21

V. Đánh giá kết quả quá trình:

1.Nhiệt độ cần làm lạnh để thu được NH3 tinh khiết 99%:

Có thể dùng ADJ7: tính giá trị nhiệt độ cần làm lạnh để thu được NH3 99%:

Kết quả thu được: nhiệt độ cần lạnh tới là -182.60 C

2.Đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng mole dòng hơi nước đến tỷ lệCO+CO2/H2 của hỗn hợp khí thu được sau phản ứng reforming hơi nước:Dùng spread sheet và case study để tính toán:

Add spread sheet, import các giá trị cần tính toán, ở đây là dòng mole củaCO,CO2,H2

23

Ở đây gán biến A1, A2, A3 cho lưu lượng mole H2, CO, CO2 trong dòng rakhỏi reforming, lập công thức tính:

(+A2+A3)/+A1 cho ra giá trị tỷ lệ CO+CO2/H2, gán giá trị này vào mộtdòng mới đặt tên là CO+CO2/H2

Dùng case study nghiên cứu sự phụ thuộc lưu lượng mole dòng Feed vào lưu lượng mole dòng CO+CO2/H2 ta được giá trị cần tìm Ở đây đểcho đơn giản em cắt bỏ lưu trình đoạn sau, chỉ lấy đến phần sản phẩmreforming để nghiên cứu

H2O-Nhận thấy khi tăng dòng H2O thì tỷ lệ giảm hay lượng H2 tạo ra tăng lên, tuynhiên đến giá trị khoảng hơn 200 kgmole/h thì tỷ lệ hầu như khôngđổi,lượng tăng không mạnh Khi tăng lưu lượng H2O thì lượng H2 sản ranhiều hơn, tuy nhiên lại tốn năng lượng cho việc đun nóng,tăng áp hơi nướctrong cụm thiết bị Nhìn đồ thị thấy khi lưu lượng ở 230Kgmole/h thì hầunhư tỷ lệ H2 không tăng lên nữa nên ta dừng ở đây, việc thêm H2O vào chỉtốn thêm năng lượng.

3.Đánh giá ảnh hưởng lưu lượng mole dòng không khí đến tỷ lệ H2/N2 củahỗn hợp khí sau tháp hấp thụ CO2:

Làm tương tự như trên:

25

Khi tăng lưu lượng dòng không khí thì tỷ lệ giảm hay lượng N2 tăng lên,

NH3 thu được nhiều hơn Tỷ lệ tối ưu cho phản ứng là 2.8, tuy nhiên trongcông nghiệp, như ở nhà máy đạm Hà Bắc thì tỷ lệ này là 4 ở TBPU

27