Tự động hóa trong quá trình sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn

Khí tổng hợp là hỗn hợp của khí CO và H2. Tỷ lệ H¬2CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp và mục đích sử dụng. Trong chiến tranh thế giới II, khí tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp khí hóa than, và được dùng ở Đức để sản xuất hỗn hợp hydrocacbon lỏng theo công nghệ FischerTropsch dùng cho xăng. Công nghệ khí hóa than hiện nay hầu như không được ứng dụng vì giá thành sản phẩm cao, tuy nhiên nó vẫn được duy trì ở một số nước có nguồn đá dồi dào và rẻ. (Nam Phi). Quá trình steam reforming khí tự nhiên được áp dụng ở những nước có nguồn khí lớn như Mỹ, Ảrập Xêut. Trong khi ở Châu Âu thường sử dụng quá trình steam reforming phân đoạn Naphta (chứa các hydrocacbon từ C5 C10). Khi khối lượng phân tử tăng (tỷ lệ HC giảm) thì tỷ lệ H2CO trong sản phẩm giảm. Quá trình oxy hóa không hoàn toàn không sử dụng xúc tác cũng có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, nhưng tỷ lệ H2CO thấp hơn so với quá trình steam reforming. Khí tổng hợp là sản phẩm trung gian quan trọng. Hỗn hợp CO và H2 có thể được sử dụng để sản xuất Metanol, tổng hợp hydrocacbon theo công nghệ FischerTropsch, tổng hợp andehit và rượu theo công nghệ Oxo. Khí tổng hợp là nguồn chính để sản xuất H2 dùng để sản xuất ammoniac. Ammoniac lại là nguyên liệu đầu quan trọng để tổng hợp ra ure, nitrat amon và hydrazine. Quá trình tổng hợp methanol và amoniac là quá trình xúc tác đầu tiên được áp dụng quy mô lớn vào đầu thế kỷ 20.

MỞ ĐẦU

Nói đến sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thì không thể không nói đến sự tự động hóa Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào các quá trình công nghệ hóa học là một yếu

tố quan trọng để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành hóa chất Bởi tự động hóa là việc ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị, các máy điều khiển Những phương tiện kỹ thuật này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình đã tạo dựng, phù hợp với các tiêu chuẩn (diều kiện) cho trước, mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người Những hiệu quả mà tự động hóa mang lại cho sự phát triển của kinh tế xã hội là không thể phủ nhận được, đó là:

 Năng suất thiết bị công nghệ tăng trên cơ sở duy trì các thống số tối ưu của công nghệ

 Chất lượng sản phẩm ổn định

 Giảm tổn thất, chi phí nguyên, nhiên, vật liệu trong sản xuất

 Cho phép sử dụng công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao

 Năng suất lao động tăng

 Giảm kích thước nhà xưởng, tiết kiệm mặt bằng

 Cải thiện môi trường lao động, nhất là những công việc mang tính độc hại, nặng nhọc

Trong các phân xưởng, các nhà máy của ngành công nghệ hóa học, việc điều khiển

và tối ưu hóa quá trình công nghệ là hai nhiệm vụ mà người kỹ sư luôn phải quan tâm Hiện nay, việc nắm bắt những công nghệ mới, đặc biệt là phần tự động hóa còn gặp rất nhiều khó khăn

Môn học Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động các quá trình công nghệ hóa

và thực phẩm đã trang bị cho học viên các kiến thức cơ bản, cách thức, trình tự, nguyên

lý của các phép đo để tiến hành tự động hóa các quá trình công nghệ

Bài tiểu luận này, em xin trình bày về đề tài “ Tự động hóa trong quá trình sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn”

CHƯƠNG I

MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP

I Giới thiệu chung về quá trình sản xuất khí tổng hợp

Khí tổng hợp là hỗn hợp của khí CO và H2 Tỷ lệ H2/CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp và mục đích sử dụng

Trong chiến tranh thế giới II, khí tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp khí hóa than, và được dùng ở Đức để sản xuất hỗn hợp hydrocacbon lỏng theo công nghệ Fischer-Tropsch dùng cho xăng Công nghệ khí hóa than hiện nay hầu như không được ứng dụng vì giá thành sản phẩm cao, tuy nhiên nó vẫn được duy trì ở một số nước có nguồn đá dồi dào và rẻ (Nam Phi)

Quá trình steam reforming khí tự nhiên được áp dụng ở những nước có nguồn khí lớn như Mỹ, Ảrập Xêut Trong khi ở Châu Âu thường sử dụng quá trình steam reforming phân đoạn Naphta (chứa các hydrocacbon từ C5 - C10) Khi khối lượng phân tử tăng (tỷ

lệ H/C giảm) thì tỷ lệ H2/CO trong sản phẩm giảm Quá trình oxy hóa không hoàn toàn không sử dụng xúc tác cũng có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, nhưng tỷ lệ H2/CO thấp hơn so với quá trình steam reforming

Khí tổng hợp là sản phẩm trung gian quan trọng Hỗn hợp CO và H2 có thể được sử dụng để sản xuất Metanol, tổng hợp hydrocacbon theo công nghệ Fischer-Tropsch, tổng hợp andehit và rượu theo công nghệ Oxo Khí tổng hợp là nguồn chính để sản xuất H2 dùng để sản xuất ammoniac Ammoniac lại là nguyên liệu đầu quan trọng để tổng hợp ra ure, nitrat amon và hydrazine Quá trình tổng hợp methanol và amoniac là quá trình xúc tác đầu tiên được áp dụng quy mô lớn vào đầu thế kỷ 20

Các phương pháp sản xuất khí tổng hợp: có 3 phương pháp chính

- Steam reforming khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ

- Oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ

- Khí hòa than

II Quá trình sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn

II.1 Nguyên liệu

Về lý thuyết, quá trình này có thể dùng cho bất kỳ dạng nguyên liệu nào từ khí, lỏng hay rắn, tuy nhiên quá trình thường sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có như: khí tự nhiên, hydrocacbon nặng (phân đoạn FO), than đá… Đôi khi quá trình này được gọi là quá trình khí hóa (gasification)

II.2 Hóa lý của quá trình

Phản ứng cháy không hoàn toàn : xảy ra ở nhiệt độ cao, tạo ra sản phẩm là CO: sản phẩm chính

CH4 + 3/2 O2 CO + 2H2O ∆H= -519,5 kJ/mol Phản ứng của CO với hơi nước (hơi nước được tạo ra trong phản ứng cháy hoặc được đưa thêm vào)

CO + H2O CO2 + H2 ∆H= -41,2kJ/mol Phản ứng phân hủy hydrocacbon

CH4 C (khí) + 2H2 ∆H= 74,8kJ/mol Với sự có mặt của hơi nước và CO2, C tạo thành sẽ tiếp tục tham gia các phản ứng sau

CO2 + C 2CO

Tổng quát: đối với quá trình sử dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên, phản ứng tổng quát là

CH4 + 1/2O2 CO + 2H2 Trong trường hợp, nguyên liệu đầu là các hydrocacbon năng hơn, phản ứng xảy ra như sau:

CnHm + (2n+m)/4O2 nCO + m/2H2O

Vì tỷ lệ H/C trong nguyên liệu giảm, nên phản ứng có xu hướng tạo thành nhiều CO hơn, lượng H2O tạo ra trong phản ứng cháy giảm, nên cần phải thêm hơi nước vào

Trong trường hợp sử dụng nguyên liệu đầu là khí tự nhiên, sản phẩm thu được có tỷ

lệ H2/CO =2 rất thích hợp cho quá trình tổng hợp F-T và tổng hợp methanol

II.3 Thiết bị của quá trình

Quá trình tỏa nhiệt, do vậy năng lượng tiêu thụ thấp hơn trong phản ứng steam reforming Tốc độ phản ứng lớn, nên thiết bị phản ứng nhỏ Chi phí cho thiết bị chỉ bằng 30% so với các phương pháp truyền thống

Phản ứng oxy hóa là phản ứng đa dạng, do đó trong công nghiệp cũng như trong phòng thí nghiệm nó có nhiều loại thiết bị khác nhau, nhưng nói chung vẫn dùng được các thiết bị có sẵn trong công nghiệp hóa học

Vật liệu của thiết bị không có quy định một cách cứng nhắc nhưng thường thiết bị ống phản ứng làm bằng thép Oxy hóa là loại phản ứng tỏa nhiệt mạnh, do đó lúc thiết kế cần chú ý đến vấn đề làm lạnh và nung nóng hiệu quả để tránh tình trạng oxy hóa quá sâu Thông thường để giải quyết vấn đề này, người ta không chế tạo thiết bị có thể tích quá lớn àm tạo hệ thống nhiều thiết bị có thể tích nhỏ để tiện lợi gia nhiệt và thu nhiệt

II.4 Kỹ thuật an toàn của quá trình

Phản ứng oxy hóa thường là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, do đó vấn đề đưa hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ khởi động phản ứng là rất quan trọng Kế đó là hiệu quả của việc làm lạnh và tốc độ cho chất cần oxy hóa (nạp liệu), với các yếu tố này có thể khống chế được nhiệt độ phản ứng

Vấn đề an toàn được chú ý kế tiếp là đặc tính nguy hiểm của từng loại tác nhân oxy hóa Vấn đề quan trọng tiếp theo về kỹ thuật an toàn là giá trị về tỷ lệ tạo hỗn hợp nổ của chất đem oxy hóa và oxy không khí hoặc khí oxy kỹ thuật ở những điều kiện nhiệt độ tương ứng

II.5 Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất khí tổng hợp bằng phương pháp oxy hóa không hoàn toàn.

Trên thề giới hiện nay có 2 hãng chính trực tiếp sản xuất khí tổng hợp là hãng Shell

và Texaco Đặc điểm của quá trình này là không sử dụng xúc tác Nhiệt độ của phản ứng

là t > 10000C Áp suất của phan ứng từ 20-30at Em lựa chọn sơ đồ công nghệ sản xuất khí tổng hợp của hãng Shell

Sơ đồ công nghệ được trình bày ở hình 1

Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ:

Nguyên liệu ban đầu bao gồm nhiên liệu FO được gia nhiệt lên nhiệt độ cao cùng với dòng nước cung cấp cho nồi hơi cũng được gia nhiệt đi vào thiết bị phản ứng chính oxy hóa không hoàn toàn với sự có mặt của dòng khí oxy hoặc không khí Toàn bộ sản phẩm thu được sau phàn ứng oxy hóa đếu được đưa qua hệ thống thiết bị sản xuất hơi nước Tại đây tiếp tục cung cấp một lượng nước đã được gia nhiệt cho nối hơi thông qua thiết bị bơm ly tâm Sau quá trình sản xuất hơi nước, ta thu được hơi nước áp suất cao Toàn bộ sản phẩm khí thu được dưới đáy tháp và một phần nguyên liệu ban đầu được tiếp tục đưa sang thiết bị lọc cacbon Tại đây tiến hành công đoạn lọc cacbon bằng cách rửa với nước Sau đó tiến hành thu hồi cacbon cũng bằng nước, trích ly phần bùn bằng naphta Tiếp theo, phần trích được trộn với nguyên liệu đầu và đưa vào thiết bị oxy hóa Nước thu được từ phân đoạn thu hồi cacbon, một phần được thải ra ngoài, còn lại đưa qua hệ thống bơm, cùng với lương nước bổ sung thêm đi vào thiết bị rửa khí sau quá trình lọc cacbon Đây là công đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất khí Từ đỉnh của tháp rửa khí sẽ thu được khí sản phẩm chủ yếu là CO và một phần H2 Lượng nước còn lại sau quá trình rửa khí và một phân khí lẫn sẽ được tách ra làm hai dòng Một dòng qua hệ thống gia nhiệt quay trở lại tháp rửa khí, để quá trình tách khí còn lẫn diễn ra triệt để Một dòng thì quay lại thiết bị lọc cacbon để tận dung nước cho quá trình lọc cacbon

III Phân tích quá trình công nghệ với tư cách là đối tượng tự động điều chỉnh

Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động

Y Z

X

ε µ

ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N: Nguồn; BĐK:

Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều chỉnh; Y: Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; Y PV : Giá trị thực tế của thông số Y; Y SV : Giá trị đặt của thông số Y.

Dưới tác động của nhiễu Z hoặc tác động đầu vào X thay đổi, làm cho thông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo được YPV thay đổi, dẫn đến giá trị sai lệch ε thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh μ thay đổi, và do đó thiết bị chấp hành sẽ đưa ra tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vào sai lệch làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường

Yêu cầu điều khiển:

Đảm bảo các thông số kỹ thuật của phản ứng như nhiệt độ, áp suất để thu được sản phẩm mong muốn, với chất lượng đạt yêu cầu

Đảm bảo tình an toàn cho quá trình sản xuất

Các tác động điều chỉnh của các thiết bị chính thường được dùng là lưu lượng nguyên liệu đi vào tháp oxy hóa, lượng nước cấp thêm cho nồi hơi, lượng naphta đưa vào

để thu hồi cacbon, lượng nước mới bổ sung thêm

Các thông số điều chỉnh có thể chọn là nhiệt độ phản ứng, áp suất trong tháp oxy hóa, tỷ lệ lưu lượng nguyên liệu

Phân tích mối quan hệ tương quan giữa các thông số điều chỉnh với các tác động điều chỉnh để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp.

 Nhiệt độ

Đặc điểm của phản ứng oxy hóa là tỏa nhiệt mạnh Ngay từ đầu cần phải gia nhiệt

để đạt nhiệt độ mà phản ứng có thể xảy ra (nhiệt độ mồi cho phản ứng), đối với phản ứng này là 10000C Khi phản ứng bắt đầu xảy ra sẽ tiếp tục tỏa nhiệt mạnh làm cho nhiệt độ trong tháp phản ứng tăng lên liên tục Nhiệt độ tăng là cho phản ứng xảy ra nhanh hơn, tỏa nhiệt mạnh hơn, nhiệt độ trong tháp lại tăng lên cao hơn, nếu không có biện pháp không chế nhiệt độ trong tháp sẽ gây ra hiện tượng quá nhiệt, không tạo được sản phẩm mong nuốn, thậm chí còn gây nổ tháp Do vậy, trong tháp phản ứng chính cần có nhiệt kế

đo nhiệt độ, và tốt nhất là dùng loại ghi tự động có cảnh báo để theo dõi liên tục và có tác động điều chỉnh kịp thời

Nhiệt độ phản ứng trong tháp chính khoảng 10000C Do đó, miền giá trị để đặt (YSV)

để so sánh là khoảng 985 – 9950C Nếu giá trị thực đo được (YPV) bé hơn ngưỡng dưới giá trị đặt thì sẽ đưa ra tác động điều chỉnh là gia nhiệt bằng cách tăng thêm nhiệt độ của

2 dòng nguyên liệu là nước cho nồi hơi và FO Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được cao hơn ngưỡng trên của giá trị đặt thì phải đưa ra tác đông điều chỉnh làm giảm nhiệt độ 2 dòng nguyên liệu trên vào tháp phản ứng

Vì tôc độ phản ứng lớn, thiết bị phản ứng nhỏ, nên ta không cần chia nhỏ tháp ra từng đoạn để theo dõi nhiệt độ

 Áp suất

Đặc điểm của công nghệ này là cả dây chuyền công nghệ xảy ra ở điều kiện áp suất cao 20 – 30 at Khi áp suất trong tháp oxy hóa tăng lên là dấu hiệu của lượng oxy (không khí) cấp vào thừa, không phản ứng hết Nếu không có biện pháp điều chỉnh, giảm áp suất

có thể gây nổ thiết bị Do đó, yêu cầu đặt ra là phải lắp thiết bị đo áp suất để theo dõi áp suất của hệ thồng, nếu áp suất tăng quá ngưỡng cho phép thì tác đông điều chỉnh kịp thời bằng cách: giảm lượng không khí cấp vào, hoặc mớ van tăng lượng khí thu được sau phản ứng

 Tỷ lệ lưu lượng các dòng nguyên liệu

Cần phải đảm bảo được tỷ lệ lưu lượng của các dòng nguyên liệu cấp vào từng loại thiết bị một cách chính xác để tránh giới hạn nổ Ta có thể điều chỉnh bằng cách thông qua việc đóng hoặc mở các van dẫn nguyên liệu vào các tháp để kiểm soát lưu lượng đưa vào

CHƯƠNG II THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP

I Thiết lập sơ đồ chức năng đo và điều khiển tự động

 Đo và điều khiển nhiệt độ

Trong tháp phản ứng chính oxy hóa được lắp đặt tại chỗ một khí cụ đo nhiệt độ, điểm đo trong thiết bị, truyền xa tín hiệu Tín hiệu này được truyền đến một khí cụ khác lắp đặt tại tủ điều khiển để thuận lợi cho người thao tác điều khiển quá trình công nghệ Khí cụ này sẽ chỉ thị và đưa ra tác động điều chỉnh lên hệ thống thiết bị gia nhiệt dòng nước cho nối hơi, để đảm bảo nhiệt độ trong tháp luôn nằm trong khoảng cho phép

Nếu giá trị đo được lớn hơn giá trị đặt, tức là nhiệt độ trong tháp cao hơn nhiệt độ cho phép thì sẽ điều chỉnh giảm nhiệt cấp cho dòng nước, đưa dòng nước lạnh vào Ngược lại, nếu nhiệt độ đo được nhỏ hơn giá trị đặt thì điều chỉnh tăng nhiệt cấp cho dòng nước nồi hơi

Nếu ε = 0 thì không cần điều chỉnh nhiệt độ dòng nguyên liệu vào, vẫn duy trì giá trị đang cấp cho tháp phản ứng

Khi nhiệt độ đo được, nằm ngoài khoảng giá trị đặt thì bên cạnh đưa ra tác động điều chỉnh, còn đưa ra cảnh báo để gây sự chú ý cho người vận hành

 Đo áp suất của hệ thống

Trên đường ống dẫn khí thu được sau phán ứng oxy hóa, lắp đặt tại chỗ thiết bị đo

áp suất của tháp phản ứng, điều chỉnh và cảnh báo Nếu áp suất trong tháp vượt ngưỡng cho phép thí sẽ tác động điều chỉnh mở van dẫn khí thoát ra để pha loãng nồng độ khí trong tháp phản ứng

 Điều chỉnh quá trình cấp oxy cho phản ứng

Van cấp khí oxy cho tháp phản ứng được điều khiển tự động theo một chương trình định trước Khi ban đầu nhiệt độ của tháp bắt đầu tăng, hai dòng nguyên liệu FO và nước cấp nồi hơi được gia nhiệt và đưa vào tháp, thì van được mở để dẫn khí Oxy vào trong tháp Khi nhiệt độ tăng dần lên thì mở rộng van Tuy nhiên, lượng khí đưa vào phải từ từ

và tăng dần theo thời gian, theo nhiệt độ

Ngoài ra, khi áp suất trong tháp phản ứng tăng lên, có thể điều chỉnh bằng cách làm giảm lượng Oxy cấp vào tháp

 Điều chỉnh hỗn hợp dòng nguyên liệu FO và lượng nước cấp cho nồi hơi

Tương tự như van cấp Oxy cho thiết bị phản ứng, van cấp dòng nguyên liệu này cũng được điều khiển tự động theo một chương trình cho trước Khi dòng nguyên liệu bắt đầu đưa vào tháp thì van cũng bắt đầu mở to để tăng lưu lượng dòng vào Tuy nhiên, lượng nguyên liệu đưa vào phải tỷ lệ với dòng khí Oxy đưa vào để tránh giới hạn nổ của phản ứng

 Điều chỉnh lượng nước cấp thêm cho nồi hơi

Trên đường ống dẫn nước sau khi ra khỏi bơm 1 lắp đặt tại chỗ thiết bị đo lưu lượng, điểm đo trong thiết bị, truyền xa tín hiệu Tín hiệu này được truyền đến một khí cụ khác lắp đặt tại tủ điều khiển để thuận lợi cho người thao tác điều khiển quá trình công nghệ Khí cụ này sẽ chỉ thị và đưa ra tác động điều chỉnh lên công suất của máy bơm dòng nước cho nồi hơi, để điều chỉnh lưu lượng dòng nước đưa vào nồi hơi

Nếu lưu lượng dòng nước đưa vào nồi hơi thấp hơn so với dòng khí đưa vào tháp sản xuất hơi nước, thì sẽ đưa ra tác động điều chỉnh tăng công suất của máy bơm để tăng lượng nước đưa vào

 Điều chỉnh lượng Naphta vào thiết bị thu hồi cacbon

Trên đường ổng dẫn dòng Naphta vào thiết bị thu hồi cacbon lắp đặt một khí cụ đo lưu lượng, điểm đo trong thiết bị, truyền xa tín hiệu Khí cụ này sẽ đo và đưa ra tác động điều chỉnh lên van đóng, mở dòng Naphta vào thiết bị Khi lưu lượng dòng Naphta thấp,

sẽ đưa ra tác động điều chỉnh mở to van dẫn dòng Naphta để tăng lưu lượng sao cho phù hợp với lượng sản phẩm lỏng đi từ thiết bị lọc cacbon vào thiết bị thu hồi cacbon cùng với dòng Naphta

 Điều chỉnh lưu lượng dòng vào thiết bị lọc cacbon

Trên đường ổng dẫn nguyên liệu vào thiết bị lọc cacbon lắp đặt tại chỗ một khí cụ

đo lưu lượng Khí cụ này có khả năng truyền xa tín hiệu về tủ điều khiển đế người vận