Đồ án thiết kế quy trình công nghệ hóa học

1. GIỚI THIỆU 4 1.1 Tính chất vật lí và hoá học: 4 1.2 Sản xuất Dimethyl Ether 4 1.3 Ứng dụng 5 2. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 6 2.1 Phương trình phản ứng 6 2.2 Phương trình vận tốc 6 2.3 Thiết đặt trong Aspen Hysys 6 3. MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS 7 3.2 Sơ đồ quy trình: 8 3.4 Tóm tắt cá dòng năng lượng trong quy trình 10 3.5 Các thiết bị trong quy trình 10 3.5.1 Bơm 10 3.5.2 Thiết bị trộn Mixer 11 3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater và Heat Exchanger 12 3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR 14 3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE 15 v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

- -ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Đề tài: Sản Xuất Dimethyl Ether (DME)

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 4

1.1 Tính chất vật lí và hoá học: 4

1.2 Sản xuất Dimethyl Ether 4

1.3 Ứng dụng 5

2 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 6

2.1 Phương trình phản ứng 6

2.2 Phương trình vận tốc 6

2.3 Thiết đặt trong Aspen Hysys 6

3 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS 7

3.2 Sơ đồ quy trình: 8

3.4 Tóm tắt cá dòng năng lượng trong quy trình 10

3.5 Các thiết bị trong quy trình 10

3.5.1 Bơm 10

3.5.2 Thiết bị trộn Mixer 11

3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater và Heat Exchanger 12

3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR 14

3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE 15

3.5.6 Thiết bị giải nhiệt Cooler 15

3.5.7 Thiết bị phân tách Distillation 17

3.5.8 Van tiết lưu VALVE 22

4 TỔNG KẾT 24

Ở điều kiện thường, DME là một chất khí không màu, có nhiệt độ nóng chảy là

-141oC, nhiệt độ sôi là -24oC, hơi có chất gây mê, không độc hại, khí dễ cháy ởđiều kiện môi trường xung quanh, nhưng có thể xử lý như một chất lỏng khi áplực nhẹ

- Các thuộc tính của DME là tương tự như khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG) DME phânhuỷ trong khí quyển và không phải là một loại khí nhà kính

1.2 Sản xuất Dimethyl Ether

- Dimethyl ether chủ yếu được sản xuất bằng cách chuyển khí tự nhiên, chất thảihữu cơ hoặc sinh khối thành khí tổng hợp (syngas) Các khí tổng hợp sau đóđược chuyển đổi thành DME qua một sự tổng hợp gồm hai hước, đầu tiên là tổnghợp tạo ta methanol có mặt của chất xúc tác ( thường là đồng), Và sau đó do sựmất nước methanol tiếp theo trong sự hiện diện của một chất xúc tác khác ( ví dụbằng aluminosilicate ) thành DME

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn vì quy trình đơn giản, chi phí đầu

tư tương đối thấp, hiệu suất cao

- Ngoài ra, DME có thể được sản xuất thông qua tổng hợp trực tiếp sử dụng một

hệ thống dual-chất xúc tác đó cho phép cả hai quá trình tổng hợp methanol và

1.3 Ứng dụng

- Nhiên liệu: Do chất lượng đánh lửa tốt của nó, với chỉ số cetan cao, Dimethylether có thể được sử dụng trong các động cơ diesel như một thay thế cho nhiênliệu diesel thông thường Tuy nhiên, so với diesel nhiên liệu DME có độ nhớtthấp hơn (không đủ), và bôi trơn kém Giống như LPG cho động cơ xăng, DMEđược lưu trữ trong trạng thái lỏng dưới áp suất tương đối thấp 0.5 Mpa Điều nàygiúp hạn chế sự thay đổi cần thiết cho động cơ Tuy nhiên, một số thay đổi động

cơ nhẹ là cần thiết, chủ yếu liên quan đến việc bơm nhiên liệu và lắp đặt các bình

áp lực, tương tự như đối với LPG Đặc biệt, DME trong động cơ diesel cháy rấtsạch không có bồ hóng

Bảng 1: So sánh các tính chất của nhiên liệu

- Dùng làm môi chất lạnh

- Được dùng làm dung môi trong phòng thí nghiệm

- Còn được dùng trong y học với tác dụng gây mê, giảm đau,

Nhóm 7 Trang 4

- Các hằng số cân bằng cho phản ứng này ở ba nhiệt độ khác nhau như sau:

- Các phản ứng xảy ra trên một chất xúc tác nhôm định hình được xử lý với

10.2% silica Không có phản ứng phụ đáng kể ở mức dưới 400oC Tại cao hơn

250oC phương trình tốc độ được cho bởi Bondiera và Naccache như sau:

0

0

E RT

áp suất riêng phần của methanol (kPa)

2.3 Thiết đặt trong Aspen Hysys

- Hệ nhiệt động được sử dụng trong cho quá trình mô phỏng là UNIQUAC

- Thiết lập các thông số cho phản ứng:

Hình 1: Các thông số phản ứng được thiết đặt trong Hysys

3 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS

Trong quy trình này được yêu cần sản xuất DME với năng xuất 50.000 tấn mỗinăm (8375 h/y) và DME được sản xuất có độ tinh khiết là 99.5 wt% Do đó

lượng Dimethyl ether được sản xuất trên 1h là

- Nhập liệu: Dòng methanol nguyên liệu qua bơm được tăng áp suất đến 1510

kPa (dòng 1), sau đó được trộn với dòng methanol hồi lưu (dòng 17) Hỗn hợpqua heater được gia nhiệt đến nhiệt độ 155oC (dòng 4) sau đó trao đổi nhiệt vớidòng sau phản ứng bằng heat exchanger đến nhiệt độ 250oC nhiệt độ đầu vàođược kiểm soát bằng lưu lượng dòng 7 đồng thời hạ nhiệt độ sau phản ứng (dòng5)

- Phản ứng: Dòng 4 sau khi đạt nhiệt độ 250oC được đưa vào thiết bị phản ứngPFR chuyển đổi methanol có độ chuyển hoá 80% Hoạt động giữa nhiệt độ 250oCđến 370oC Sau khi phản ứng xong dòng sản phẩm (dòng 5) được đem đi gainhiệt cho dòng nhập liêu và làm lạnh trước khi đưa vào hai tháp chưng cất: T-100

và T-101

- Phân tách và hồi lưu: sau khi được giải nhiệt xuống nhiệt độ 95oC (dòng 11)được đưa vào tháp chưng cất T-100 Sản phẩm DME được lấy ở Condenser,nước và methanol chưa phản ứng được thu ở reboiler (dòng 12) Sau đó được đưaqua tháp chưng cất thứ hai T-101, để tách nước khỏi methanol, methanol đượcNhóm 7 Trang 6

thu ở condenser rồi tiếp tục được đưa về hồi lưu và nước được thu ở reboiler sau

đó sẽ được xử lí loại bỏ các chất hữu cơ để thu được nước sạch

3.2 Sơ đồ quy trình:

- Sơ đồ PFD của quy trình HDA để sản xuất 50,000 tấn DME trên năm

Hình 2: Sơ đồ quá trình sản xuất Dimethy ether

3.3 Tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình

- Thành phần các dòng và điều kiện nhiệt độ, áp suất được tóm tắt trong bảng sau:

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

Stream number

Methano l

Temperature ( oC ) 35 46.6 50 35.9 52.2 155 250 365.3Pressure (kPa) 100 1034 103 1550 1550 1510 1470 1390Molar Flow

(Kmol/h) 260 129.8 129.9 260 315.4 315.4 317.2 315.4Mass Flow (kg/h) 8331 5979 2351 8331 10077 10077 10077 10077

Compositions Flowrates (kmol/h)

(Kmol/h) 63.1 252.3 252.3 315.4 315.4 315.4 185.4 185.4Mass Flow (kg/h) 2015 8061 8061

3.4 Tóm tắt cá dòng năng lượng trong quy trình

- Các dòng năng lượng được sử dụng cho heater, cooler, bơm và tháp chưng cất:

- Bơm P-100: Dùng để tăng áp suất dòng hồi lưu bằng với áp suất dòng

nhập liệu rồi đưa vào MIX-100 để đưa đi phản ứng

Hình 4: Các thông số bơm P-100

3.5.2 Thiết bị trộn Mixer

- Thiết bị Mixer MIX-100: trộn dòng hồi lưu và dòng methanol tinh khiết để đưa

vào phản ứng

Hình 5: Giá trị các dòng trước và sau khi qua MIX-100

17: dòng hồi lưu, 1: dòng methanol, 2: dòng ra

- Mixer MIX-101: trộn 2 dòng sau khi đi gia nhiệt cho dòng nhập liệu:

Nhóm 7 Trang 10

Hình 6: Giá trị các dòng trước và sau khi qua MIX-101

8: dòng sau gia nhiệt, 6: dòng không gia nhiệt, 9: dòng ra

3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater và Heat Exchanger

- Heater E-100: Được dùng để gia nhiệt dòng hỗn hợp methanol tinh khiết và dòng

hồi lưu đến nhiệt độ 155oC Với tổn thất áp suất sau khi qua thiết bị là 40kPa

Hình 7: Thông số thiết bị gia nhiệt E-100

- Heat exchanger E-103: Được dùng để gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ phản

ứng là 250oC, lương nhiệt được kiểm soát thông qua thiết bị điều khiển ADJ-2 dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng 7 qua thiết bị truyền nhiệt để dòng nhập liệu đạt đúng nhiệt độ yêu cầu

Hình 8: Độ giảm áp và lượng nhiệt trao đổi E-103

Hình 9: Thông số khích thước thiết bị E-103

Nhóm 7 Trang 12

- Thiết bị điều khiển ADJ-2: Dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng 7 để dòng

4 đạt nhiệt độ 250oC để đưa vào phản ứng

Hình 10: Thiết đặt trong thiết bị điều khiển

Hình 11: kích thước thiết bị phản ứng PFR-100

Hình 12: Độ chuyển hoá và thông số các dòng trong bình phản ứng

3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE

- Thiết bị TEE-100: dùng để tách dòng 5 sau phản ứng có nhiệt độ cao thành dòng

6 và 7, để dòng 7 đi gia nhiệt dòng nhập liệu tỉ lệ giữa 2 dòng được tự động điềuchỉnh bằng ADJ-2 Sao cho dòng 7 đủ để gia nhiệt dòng nhập liệu

Hình 13: Tỉ lệ các dòng được điều chỉnh

3.5.6 Thiết bị giải nhiệt Cooler

- Cooler E-101: Được dùng để hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đến nhiệt độ cần để đưa

vào thiết bị chưng cất Độ giảm áp trong thiết bị là 50kPa

Hình 14: Thông số thiết bị Cooler E-101

Nhóm 7 Trang 14

- Cooler E-102: Dùng để làm nguội dòng nước sau khi được tách ra từ thiết

bị chưng cất T-101

Hình 15: Thông số thiết bị Cooler E-102

3.5.7 Thiết bị phân tách Distillation

- Tháp chưng cất T-100: Được dùng để tách DME có độ tinh khiết là 99,5% từ hỗn

hợp sau phản ứng DME được thu ở condenser Nước và methanol dư được thu ở reboiler

Hình 16: Các thông số của tháp chưng cất T-100

- Ở đây tháp được đặt số mâm là 16 để tháp hoạt động, Số mâm được tăng giảmsao cho thấp nhất để tháp hoạt động ổn định, đồng thời sao cho kích thướcđường kính của 2 tháp là gần bằng nhau để có thể dễ dàng thay thế cho nhaunếu có sự cố xảy ra

- Tháp được nhập liệu ở mâm số 3, vì ở đó nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ ở mâm

số 3 là gần nhau nhất để trách hiện tượng sốc nhiệt cho thiết bị, có thể làm hỏngthiết bị Đồng thời ở vị trí đó thì lượng nhiệt ở reboiler và condenser là thấpnhất, tiết kiệm năng lượng cho hệ thống

Nhóm 7 Trang 16

Hình 17: Thông số nhiệt độ, thành phần các cấu tử trên mỗi mâm

Hình 18: Các Specs được đặt cho tháp

 Ở đây ta chọn cấu tử key là DME vì như vậy ta có thể kiểm soát đượcthành phần dòng DME ở đỉnh cũng như lượng DME thất thoát ở đáy.

Hình 19: Thông số kích thước thiết bị

- Từ Tray sizing ta tính toán được tháp có đường kính 0.92m, chiều cao mỗi mâm

là 0.61, chiều cao tổng là 9.76m

- Tổn thất áp xuất từ đáy tháp lên đỉnh tháp là 6kPa

- Thiết bị điều khiển ADJ-1: Dược dùng để điều khiển suất lượng sản phẩm

Dimethyl ether theo ý muốn bằng cách tăng giảm suất lượng đầu vào

Trang

Hình 20: Thiết đặt trong thiết bị điều khiển ADJ-1

- Tháp chưng cất T-101: Được dùng để tách methanol chưa phản ứng để

đưa về hồi lưu và nước được đưa ra ngoài

Hình 21: Thông số của tháp chưng cất T-101

- Tháp được đặt số mâm là 8, là số mâm tối ưu để tháp hoạt động và cho kíchthước tháp gần bằng nhau là 1m Tháp được nhập liệu ở mâm số 6 có nhiệt độgần bằng với dòng nhập liệu ít tốn nhiệt lượng hơn ở condenser và reboiler Dộgiảm áp từ đáy tháp lên đỉnh tháp là 4kPa

Hình 22: Các giá trị nhiệt độ và thành phần cấu tử trên mỗi mâm

Hình 23: Các Specs được đặt cho tháp

- Ta có 2 specs đó là:

 Ở dòng sản phẩm đỉnh: yêu cầu thu methanol về hồi lưu nên tỉ lệ nướclẫn càng thấp càng tốt, để cân đối giữa chi phí xây dựng tháp và độ tinhkhiết của methanol ta đặt phần trăm nước lẫn vào dòng methanol hổi lưu

là 0.04

Nhóm 7 Trang 20

 Ở dòng sản phẩm đáy: Yêu cầu không cần hồi lưu nhưng ta cần phải để

độ tinh khiết của nước cao vì thứ nhất nếu để lẫn quá nhiều methanol thìlượng methanol thất thoát sẽ lớn làm tăng chi phí mua nguyên liệu, thứhai lượng methanol lẫn vào nước phải ít để ta có thể sử dụng nước đócho những mục đích khác Bên cạnh đó cũng cần cân đối giữa chi phíxây dựng tháp với độ tinh khiết của nước vì vậy ta đặt phần trămmethanol lẫn vào nước là 0.005

 Cấu tử key ở đây là nước là heavy key và methanol là light key

Hình 24: Kích thước tháp chưng cất T-101

3.5.8 Van tiết lưu VALVE

- Valve VLV-100: giảm áp suất dòng sản phẩm đến áp suất phù hợp để đưa vào tháp chưng cất T-100

Hình 24: Thông số dòng vào và ra của VLV-100

- Valve VLV-101: Giảm áp suất dòng sản phẩm đáy của tháp T-100 để tiếp tục đưa vào tháp chưng cất T-101

Hình 25: Thông số dòng vào và ra của VLV-101

Nhóm 7 Trang 22

- Tổng dòng năng Lượng của cả quá trình:

Cấp nhiệt Giải nhiệt Tổng lượng nhiệt

(kJ/h)

32016000 33002000