Design of a Shift Reactor Unit to Convert CO to CO2

Giới thiệu .......................................................................... 3 2. Mô tả cơ bản ...................................................................... 3 3. Nguyên liệu ....................................................................... 3 4. Sơ đồ khối quy trình ........................................................... 4 5. Quy trình công nghệ ........................................................... 4 5.1. Giai đoạn 1 (High Temperature Shift) ............................. 5 5.2. Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift) .............................. 5 6. Các thiết bị ........................................................................ 6 6.1. Thiết bị phản ứng R1301 .............................................. 6 6.2. Thiết bị phản ứng R1302 .............................................. 7 6.3. Thiết bị trao đổi nhiệt E1301 ........................................Giới thiệu .......................................................................... 3 2. Mô tả cơ bản ...................................................................... 3 3. Nguyên liệu ....................................................................... 3 4. Sơ đồ khối quy trình ........................................................... 4 5. Quy trình công nghệ ........................................................... 4 5.1. Giai đoạn 1 (High Temperature Shift) ............................. 5 5.2. Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift) .............................. 5 6. Các thiết bị ........................................................................ 6 6.1. Thiết bị phản ứng R1301 .............................................. 6 6.2. Thiết bị phản ứng R1302 .............................................. 7 6.3. Thiết bị trao đổi nhiệt E1301 ........................................Giới thiệu .......................................................................... 3 2. Mô tả cơ bản ...................................................................... 3 3. Nguyên liệu ....................................................................... 3 4. Sơ đồ khối quy trình ........................................................... 4 5. Quy trình công nghệ ........................................................... 4 5.1. Giai đoạn 1 (High Temperature Shift) ............................. 5 5.2. Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift) .............................. 5 6. Các thiết bị ........................................................................ 6 6.1. Thiết bị phản ứng R1301 .............................................. 6 6.2. Thiết bị phản ứng R1302 .............................................. 7 6.3. Thiết bị trao đổi nhiệt E1301 ........................................Giới thiệu .......................................................................... 3 2. Mô tả cơ bản ...................................................................... 3 3. Nguyên liệu ....................................................................... 3 4. Sơ đồ khối quy trình ........................................................... 4 5. Quy trình công nghệ ........................................................... 4 5.1. Giai đoạn 1 (High Temperature Shift) ............................. 5 5.2. Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift) .............................. 5 6. Các thiết bị ........................................................................ 6 6.1. Thiết bị phản ứng R1301 .............................................. 6 6.2. Thiết bị phản ứng R1302 .............................................. 7 6.3. Thiết bị trao đổi nhiệt E1301 ........................................

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa Kỹ thuật Hóa học

Môn học: Thiết kế hệ thống quy trình công nghệ hóa học

Project: Design of a Shift Reactor Unit to Convert CO to CO 2

GVHD: Nguyễn Thành Duy Quang

Nhóm sinh viên:

Lê Tấn Vũ 1414740

Võ Đức Trọng 1414267

Nguyễn Tấn Tài 1413376

Nguyễn Minh Nhựt 1412776

Nguyễn Thị Ngọc Ánh 1410155

Thành phố Hồ Chí Minh – 11/2016

Mục lục

1 Giới thiệu 3

2 Mô tả cơ bản 3

3 Nguyên liệu 3

4 Sơ đồ khối quy trình 4

5 Qu y t r ình công ngh ệ 4

5 1 Giai đoạn 1 (High Temperature Shift) 5

5 2 Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift) 5

6 Các thiết bị 6

6 1 Thiết bị phản ứng R-1301 6

6 2 Thiết bị phản ứng R-1302 7

6 3 Thiết bị trao đổi nhiệt E -1301 8

6 4 Thiết bị trao đổi nhiệt E -1302 9

6 5 Thiết bị trao đổi nhiệt E -1303 10

6 6 Thiết bị tách V-1301 11

Da nh mụ c b ản g 12

B ản g 1: Th ông s ố c á c dòn g 12

B ản g 2: Th ông s ố c á c th i ết b ị c ơ b ả n: 12

B ản g 2 1 Th i ết b ị p hản ứ ng 12

B ản g 2 2 Th i ết b ị tr ao đ ổ i nhi ệt 12

B ản g 2 3 Th i ết b ị tá ch ph a 13

1 Giới thiệu

The Water-Gas Shift Reaction (WGSR) – Phản ứng chuyển đổi nước và khí Thường được

sử dụng để tổng hợp khí H 2 từ khí tổng hợp (gồm hỗn hợp của 𝐶𝑂 và 𝐻2𝑂) Với ưu điểm mang lại hiệu suất tốt do phản ứng gần đạt được trạng thái cân bằng để giảm thiểu sự thất thoát khí CO giúp mang lại hiệu quả cao về kinh tế nên rất được ưa chuộng để sản suất nhiên liệu cho các ngành công nghiệp khác

Phương trình ph ản ứng chính:

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (∆H = -41.1 KJ.mol-1)

2 Mô tả cơ bản

Đây là một phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt với độ chuyển hóa cao, nhiệt độ thấp, tỷ lệ hơi cao Gồm 2 giai đoạn chính:

cao để giúp phản ứng xảy ra

so với giai đoạn 1 Mục đích là để tách các dòng khí ra để đạt được sự tinh khiết của các khí cần thu hồi Vì thế cần được làm lạnh ở bước trung gian ở 2 giai đoạn nhằm đạt được độ chuyển hóa mong muốn

Mục tiêu của quy trình là đạt được độ chuyển hóa 90% CO

3 Nguyên liệu

Nguyên liệu đầu vào là khí tổng hợp (Syngas) với thành phần chính là CO, CO 2 , H 2 và một

lượng nhỏ H 2 O lấy từ quá trình tổng hợp dầu nặng và khí thiên nhiên Như vậy, cần có một đường

nhập liệu khác để đưa hơi H2O vào hỗn hợp khí trước khi đưa vào bình phản ứng

Tỉ lệ của hơi H 2 O/CO ảnh hưởng tới kích thước thiết bị, độ chuyển hóa và lượng dư CO sau

phản ứng Được xác định thông qua các bài toán về kinh tế cho các dòng nhập liệu và sản phẩm,

qua tham khảo một số tài liệu, ở đây chọn tỉ lệ H 2 O/CO trước phản ứng là 3 nhằm đạt hiệu quả

phù hợp với mục tiêu của quy trình

4 Sơ đồ khối quy trình

5 Quy trình công nghệ

Nhập liệu:

Dòng khí tổng hợp (Syngas) [1] đầu vào, lưu lượng 100 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ tương ứng thành phần:

31.3 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ CO 27.7 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ CO2

40.2 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ H2

0.8 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ H2O

Nhiệt độ 𝟏𝟏𝟓𝟎𝑪, áp suất 𝟏𝟔 𝟕 𝒃𝒂𝒓

Để tỉ lệ 𝐻2𝑂/𝐶𝑂 = 3, dòng hơi nước nhập liệu có lưu lượng = 93.2𝑘𝑚𝑜𝑙/𝑙,

Thông tin các dòng được cho trong bảng 1 [thông số các dòng]

5.1 Giai đoạn 1 (High Temperature Shift)

Phản ứng với xúc tác oxit của Fe-Cr ở nhiệt độ cao Các chất xúc tác có tác dụng

tăng cường hoạt động và hoạt động hiệu quả hơn với tỷ lệ carbon thấp Cr 2 O 3 sẽ hoạt động như một chất ổn định và ngăn chặn quá trình kết tinh oxit sắt và hàm lượng tối ưu được đưa ra là

được đưa vào ở tỷ lệ thấp sẽ dễ dẫn đến sự hình thành sắt kim loại, methane và carbon lắng đọng

Qua tham khảo, ở đây chọn nhiệt độ phản ứng cho tính toán là 320 O C Như vậy,

dòng hơi nước nhập liệu vào nên gia nhiệt ở nhiệt độ khoảng 325 o C

Dòng [1] cần 1 thiết bị gia nhiệt [H-1301] tăng nhiệt lên 320 o C Sau khi qua

còn 203 o C trước khi vào [R-1302] Dòng ra khỏi [R-1302] có nhiệt độ 250 0 C, cần được trao đổi

nhiệt để đưa về nhiệt độ 50 0 C trước khi qua thiết bị tách [V-1301], để đạt hiệu quả tối ưu

5.2 Giai đoạn 2 (Low Temperature Shift)

Ở giai đoạn này phản ứng cần xảy ra ở nhiệt độ thấp từ 500𝐶 – 2500𝐶 và các chất

xúc tác là hỗn hợp các oxit ZnO, CuO, Cr 2 O 3 /Al 2 O 3 và các thành phần khác Tỷ lệ thành phần xúc

tác được gợi ý là: 68 – 73% ZnO, 15 – 20% CuO, 9 – 14% Cr 2 O 3 , 2 – 5% Mn, Al và MgO hoặc ta có

thể dùng tỷ lệ khác: 32 – 33% CuO, 34 – 53% ZnO, 15 – 33% Al 2 O 3

Các loại xúc tác hoạt động mạnh là tinh thể đồng ZnO và Cr 2 O 3 được dùng như một chất hỗ trợ cấu trúc cho các chất xúc tác khác và Al2O3 cũng không hẳn là một chất xúc tác bởi vì

nó được dùng để hạn chế sự co rút của thiết bị khi nhiệt độ giảm xuống Lợi thế của quá trình này

là nó ít chọn lọc, ít xảy ra phản ứng phụ và thời gian tồn tại của các chất xúc tác từ 2 – 3 năm

Khi các phản ứng bắt đầu xảy ra và tỏa nhiệt, các chất xúc tác chỉ nên tiếp xúc với

nhiệt độ cao nhất là 230 0 C vì với nhiệt độ cao hơn thì chất xúc tác sẽ bị mất đi tính chất của nó

Hơn nữa, các dòng nên cùng chứa cả hơi nước lẫn H2 không phải dạng ngưng tụ cũng sẽ ảnh hưởng đến chất xúc tác Và cuối cùng thì chất xúc tác chính vẫn là đồng

Dòng [8] được trao đổi nhiệt qua 2 thiết bị [E-1302 và E-1303], thiết bị tách sẽ tách

được phần lớn hơi nước sang dạng lỏng, để thu được khí đã phản ứng dùng cho các quá trình tổng hợp kế tiếp

6 Các thiết bị

6.1 Thiết bị phản ứng R-1301

Hỗn hợp đầu vào ở 320 o C, 15.2 bar, có lưu lượng mol: 193.2 kmol/h, tương

ứng:

 31.3 kmol/h CO y=0.162, áp suất riêng phần P=2.46 bar

 27.7 kmol/h CO2 y= 0.143 P=2.17 bar

 40.2 kmol/h H2 y= 0.208 P= 3.16 bar

 94 kmol/h H2O y= 0.487 P= 7.41 bar

Giai đoạ n 1 với xúc tác oxit Fe -Cr:

Đạt độ chuyển hóa CO yêu cầu: 𝑿 = 𝟎 𝟔𝟑

Phương trình v ận tốc:

E 0 = 40739 kJ/kmol

Ke q=𝑒−4.33+4577.9𝑇 , với T= 320oC = 593 K

K e q = 29.66

-r C O = 1434.96*𝑒8.314∗593−40739 *(2.46*7.41 - 2.17∗3.16

29.66 ) = 6 6 6 k mo l m

-3 h - 1

Phương trình thi ết kế:

𝑽

𝑭𝑪𝑶 =

𝑿

−𝒓𝑪𝑶

Cần thiết bị có thể tích V=2.96 m 3

Chọn thiết bị phản ứng dạng elip, t ỉ lệ giữa L/D= 3

D=1.08 m, L=3.24m

Chọn thiết bị D= 1.1 m, L=3.3 m

6.2 Thiết bị phản ứng R-1302

Hỗn hợp đầu vào ở 203 o C, 14.2 bar, có lưu lượng mol: 193.2 kmol/h, tương

ứng:

 11.6kmol/h CO phần mol y=0.060, áp suất riêng phần P=0.852

bar

 47.4kmol/h CO 2 y= 0.245 P=3.479 bar

 59.9kmol/h H 2 y= 0.310 P= 4.402 bar

 74.3 kmol/h H 2O y= 0.385 P= 5.467 bar

Giai đoạ n 2 với xúc tác Cu-Zn, đạt độ chuyển hóa CO yêu cầu: X=0 73

Phương trình v ận tốc:

E 0 = 15427 kJ/kmol

Ke q=𝑒−4.72+4800

𝑇 , với T= 203oC= 476 K

K e q = 213.58

-r C O = 35.64*𝑒8.314∗476−15427 *(0.852*5.467 - 3.479∗4.402

213.58 ) = 3 3 2 5 k m o l m

-3 h - 1

Phương trình thi ết kế:

𝑭𝑪𝑶 =

𝑿

−𝒓𝑪𝑶

Chọn thiết bị phản ứng dạng elip, để quá trình thi ết kế và gia công đồng nhất, chọn đường kính thi ết bị bằng với đường kính

bình phản ứng R-1301

Chọn thiết bị D= 1.1 m, L= 2.8 m

6.3 Thiết bị trao đổi nhiệt E-1301

ngoài

Chọn điều ki ện nhiệt độ của quá trình : với nhiệt độ cuối của nước

là 950C

425.10𝐶 → 2030𝐶

950𝐶 ← 250𝐶

Δ𝑡1 = 330.20𝐶

Δ𝑡2 = 1780𝐶

Δ𝑡𝑡𝑏 = Δ𝑡1− Δt2

lnΔ𝑡1

Δ𝑡 2

= 246.30𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 = 3140𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑙ạ𝑛ℎ = 67.80𝐶 Nhiệt lượng truyền đi trong thi ết bị trao đổi nhiệt

𝑞𝑖 = 𝐺𝑖 𝐶𝑝𝑖 Δ𝑡

𝑄 = 𝑞𝐻2+ 𝑞𝐶𝑂+ 𝑞𝐶𝑂2+ 𝑞𝐻2𝑂

= 𝐺𝐻2 𝐶𝑝𝐻2 Δ𝑡 + 𝐺𝐶𝑂 𝐶𝑝𝐶𝑂 Δ𝑡 + 𝐺𝐶𝑂2 𝐶𝑝𝐶𝑂2 Δ𝑡 + 𝐺𝐻2𝑂 𝐶𝑝𝐻2𝑂 Δ𝑡

= 310862.5𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑀𝐽 ℎ

𝜌 = 𝜌𝑜.𝑃.𝑇𝑜

𝑃 𝑜 𝑇 Kg/m3

𝜇 =∑ 𝑚𝑖 𝜇𝑖.√𝑀 𝑖 𝑇𝐾𝑖

∑ 𝑚𝑖.√𝑀 𝑖 𝑇𝐾𝑖 (cP)

Với {

𝜇𝑖 104 ∶ 𝐻ệ 𝑠ố độ 𝑛ℎớ𝑡 độ𝑛𝑔𝑙ự𝑐

𝑀𝑖: 𝑃ℎâ𝑛𝑡ử 𝑘ℎố𝑖

𝐾𝑖 ∶ 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 độ 𝑡ớ𝑖 ℎạ𝑛

λ = ∑ λ𝑖 𝑥 𝑖.3√𝑀 𝑖

∑ 𝑥𝑖. √𝑀𝑖3

Với {𝑥𝑖 ∶ 𝑇ỉ 𝑙ệ 𝑝ℎâ𝑛𝑚𝑜𝑙𝑐ủ𝑎𝑐ấ𝑢𝑡ử

λ𝑖: 𝐻ệ 𝑠ố 𝑑ẫ𝑛𝑛ℎ𝑖ệ𝑡𝑐ủ𝑎𝑐ấ𝑢𝑡ử

67.8℃ ( nước)

𝛼𝑇 = 𝑁𝑢𝑛ướ𝑐 λ 𝐻2𝑂

𝑑

ở nhiệt độ 314℃

𝛼𝑁 = 𝑁𝑢ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 𝑘ℎí λℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 𝑘ℎí

𝑑

𝛼𝑁+

1

𝛼𝑇+

𝛿

λ +2.𝑟 𝑐á𝑢

= 24 kcal/m2.h.℃

𝐾.∆𝑡𝑡𝑏 = 52.6 m2

6.4 Thiết bị trao đổi nhiệt E-1302

ngoài

Chọn điều ki ện nhiệt độ của quá trình : với nhiệt độ cuối của nước

là 800C

2500𝐶 → 1850𝐶

800𝐶 ← 250𝐶

Δ𝑡1 = 1700𝐶

Δ𝑡2 = 1600𝐶

Δ𝑡𝑡𝑏 = Δ𝑡1− Δt2

lnΔ𝑡1

Δ𝑡 2

= 1650𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 = 2170𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑙ạ𝑛ℎ = 52.50𝐶

Tương t ự như thi ết bị trao đổi nhiệt E-1301, ta có :

𝑄 = 𝑞𝐻2 + 𝑞𝐶𝑂 + 𝑞𝐶𝑂2 + 𝑞𝐻2𝑂 = 104328𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑀𝐽 ℎ

𝛼 𝑁+ 1

𝛼 𝑇+𝛿

𝜆+ 2 𝑟𝑐á𝑢 = 10.27 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚

2 ℎ ℃

𝐾 ∆𝑡𝑡𝑏 = 41.22 𝑚2

6.5 Thiết bị trao đổi nhiệt E-1303

ngoài

Chọn điều kiện nhiệt độ của quá trình : với nhiệt độ cuối của nước

là 800C

1850𝐶 → 500𝐶

700𝐶 ← 250𝐶

Δ𝑡1 = 1150𝐶

Δ𝑡2= 250𝐶

Δ𝑡𝑡𝑏 = Δ𝑡1− Δt2

lnΔ𝑡1

Δ𝑡 2

= 58.980𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑛ó𝑛𝑔 = 117.50𝐶

𝑡𝑡𝑏 𝑑ò𝑛𝑔 𝑙ạ𝑛ℎ = 58.50𝐶

𝑄 = 𝑞𝐻2 + 𝑞𝐶𝑂 + 𝑞𝐶𝑂2 + 𝑞𝐻2𝑂 = 842501.5𝐾𝑐𝑎𝑙

𝑀𝐽 ℎ

𝛼𝑁+ 1

𝛼𝑇+𝛿

𝜆+ 2 𝑟𝑐á𝑢 = 251 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚

2 ℎ ℃

𝐾 ∆𝑡𝑡𝑏 = 56.8𝑚2

6.6 Thiết bị tách V-1301

Tại 50oC, 12,8 bar khối lượng riêng các khí như sau: [kg/m 3 ]

 CO 2 : 22.237

 CO : 14.064

 H 2 : 1.074

 H 2 O : 9.706

Từ thành phần hỗn hợp suy ra khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu vào là: 2.655

Ứng với suất lượng khối lượng: 3869.5 kg/h Suy ra suất lượng thể tích: V = 1457.4 m 3 /h = 0.405 m 3 /s

Khối lượng riêng của H 2 O lỏng sau khi ngưng tụ ở 50 0C: 988.1 kg/m 3

Giả thiết hiệu suất thiết bị tách sẽ tách được ngưng tụ được 98% lượng nước trong

hỗn hợp khí, ta thu được lượng H 2 O lỏng là 64.5 kmol/h, ứng với thể tích 1.175

Thiết bị hoạt động liên tục, nhập và tháo liệu liên tục nên ứng với lưu lượng thể

tích: V = 0.405+0.00033= 0.40533 m 3 /s

Kích thước thiết bị cần đảm bảo chứa được lưu lượng trên

Qua tham khảo, ở đây chọn tỉ lệ chiều cao/đường kính thiết bị tách là 3

Suy ra: 𝑉 = 𝐿𝜋𝐷2

4 =0.75𝜋𝐷3= 0.40533 m3

Suy ra D = 0.56 m

Thiết bị thiết kế lấy 𝐷𝑡 = 𝑘 𝐷𝑡í𝑛ℎ 𝑡𝑜á𝑛 để đảm bảo thiết bị hoạt động thõa mãn được năng suất và không bị quá tải, chọn 𝑘 = 1.1

Vậy 𝑫𝒕 = 𝟎 𝟔𝟐 𝒎

𝑳𝒕 = 𝟏 𝟖𝟔 𝒎

Chọn thiết b ị

𝑫𝒕 = 𝟎 𝟕 𝒎

𝑳𝒕 = 𝟐 𝒎

Danh mục bảng

Bảng 1: Thông số các dòng

Thông số các dòng Tên

dòng

Nhiệt độ

( o C)

áp suất (bar)

Lưu lượng mol (kmol/h)

Thành phần (kmol/h)

CO CO 2 H 2 O H 2 O

Bảng 2: Thông số các thiết bị cơ bản:

Bảng 2.1 Thiết bị phản ứng

Thiết bị phản ứng

Ký

hiệu

Loại thiết

bị

Nhiệt độ ( o C)

áp suất (bar)

đường kính (m)

Chiều cao (m)

Bảng 2.2 Thiết bị trao đ ổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt

Ký hiệu

Nhiệt lượng trao đổi (Mj/h)

Diện tích trao đổi nhiệt (m 2 )

Loại thiết bị

ống chùm

ống chùm

ống chùm

Bảng 2.3 Thiết bị tách pha

Thiết bị tách pha

Ký hiệu

Loại thiết

bị

đường kính (m)

Chiều dài (m)