THIẾT kế hệ THỐNG TRAO đổi NHIỆT CHO QUY TRÌNH sản XUẤT BENZENE từ TOLUENE

TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong giới hạn của luận văn, phần mềm Aspen Hysys được sử dụng để mô phỏng quy trình sản xuất benzene từ toluene với hệ thống trao đổi nhiệt giúp tiết kiệm lượng tiện íc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

CHO QUY TRÌNH SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE

GVHD: ThS NGUYỄN KIM TRUNG

MSSV: 1710534

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

CHO QUY TRÌNH SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE

GVHD: ThS NGUYỄN KIM TRUNG

MSSV: 1710534

TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 08 NĂM 2021

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Số:……./BKDT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

I TÊN ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT CHO QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

BENZENE TỪ TOLUENE

II NHIỆM VỤ:

- Tìm hiểu quy trình sản xuất Benzene và cơ sở lý thuyết về quá trình hydrodealkyl

hóa nhiệt

- Mô phỏng quy trình sản xuất trong môi trường tĩnh bằng phần mềm Aspen Hysys

- Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phần mềm Aspen Energy Analyzer

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH:

V HỌ TÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Kim Trung

TP Hồ Chí Minh, Ngày…tháng…năm 2021

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt:

Đơn vị:

Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày…tháng…năm 2021 (GV ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

Ngày…tháng…năm 2021

LỜI CẢM ƠN

Bằng tất cả lòng biết ơn, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy hướng dẫn của mình là thầy Nguyễn Kim Trung Mặc dù luận văn của em vẫn chưa đi đến cuối cùng như thầy trò đã kì vọng, tuy nhiên bằng sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy mà đề tài của em cơ bản đã hoàn thành Cảm ơn thầy đã quan tâm và hỗ trợ về mặt tinh thần, cùng với những lời khuyên hết sức quý giá đã giúp em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô trong bộ mộ Kỹ thuật hóa học nói riêng và thầy cô trường Đại học Bách Khoa nói chung đã trang bị cho em những hành trang kiến thức vững chắc, những bài học kinh nghiệm thực tế của thầy cô Cảm ơn thầy cô đã luôn tâm huyết với nghề, cống hiến hết mình cho công cuộc giảng dạy và đào tạo nên những con người thành công

Cảm ơn những người bạn của tôi suốt những năm học vừa qua, đã cùng nhau học tập, cùng nhau ôn thi và cùng nhau trưởng thành Cảm ơn những người bạn, những người anh, từ những người không quen biết nhưng đã hết sức giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Cảm ơn mọi người đã cho mình những kỷ niệm và dấu

ấn thời sinh viên

Có được ngày hôm nay, tất cả là nhờ sự chăm sóc, nuôi nấng của bố mẹ Dù con

có lớn, nhưng trong mắt của bố mẹ, con vẫn luôn là một đứa trẻ, luôn luôn được bố mẹ quan tâm Con cảm ơn bố mẹ! những người đã hy sinh rất nhiều để cho con được như ngày hôm nay, con cảm ơn bố - một người bố đã lắng nghe con trong bất cứ hoàn cảnh nào, luôn luôn tin tưởng và kỳ vọng vào con, con cảm ơn mẹ - người hay nói nhiều và nói những điều “con biết rồi!” thế nhưng đó là những lời quan tâm chân thành nhất của một người mẹ Cảm ơn một người đặc biệt của tôi, người đã bên tôi suốt một năm qua, trải qua bao nhiêu chuyện thăng trầm, nhưng vẫn luôn luôn tin tưởng, quan tâm hết mực

và vẫn ở bên tôi đến hiện tại và cho đến tận sau này

Cuối cùng, cảm ơn mái trường Bách Khoa, nơi mơ ước, cũng là nguyện vọng ngày cấp ba của tôi đã cho tôi hơn cả tri thức, mà còn là những tình cảm, những kỉ niệm đáng nhớ Để sau này khi ra trường, tôi vẫn luôn tự hào: Mình là sinh viên Bách Khoa!

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày…tháng…năm 2021

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong giới hạn của luận văn, phần mềm Aspen Hysys được sử dụng để mô phỏng quy trình sản xuất benzene từ toluene với hệ thống trao đổi nhiệt giúp tiết kiệm lượng tiện ích, giảm chi phí vận hành Luận văn được thực hiện qua các nội dung sau:

● Trình bày tổng quan đề tài với các vấn đề xung quanh đề tài, ý nghĩa của đề tài

● Trình bày cơ sở lý thuyết, về nguyên vật liệu, sản phẩm, mô tả lý thuyết về quá trình sản xuất và lý thuyết về thiết kế Pinch; sơ lược về phần mềm Aspen Hysys và Aspen Energy Analyzer

● Thiết lập Case mô phỏng hội tụ bằng việc chọn cấu tử, hệ nhiệt động, thực hiện phản ứng hóa học; thiết lập các dòng vật chất, dòng năng lượng; thiết lập các thiết bị, đồng thời liên kết các thiết bị với nhau để Case mô phỏng được hội tụ

● Sử dụng phần mềm Aspen Energy Analyzer để thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt (HEN), sau đó thiết kế lại quy trình trên Aspen Hysys để quy trình tiệm kiệm lượng tiện ích sử dụng, giảm chi phí vận hành Đồng thời khảo sát các khía cạnh như vốn đầu tư, giá vận hành và thời gian hoàn vốn của thiết kế so với thiết kế khác, để người kỹ sư, chủ đầu tư có thể cân nhắc chọn lựa

Case mô phỏng đã hội tụ, cho lượng benzene có độ tinh khiết rất cao (99,99%) với sản lượng 75,76 tấn/h so với đầu vào 92,14 tấn/h toluene và 10,08 tấn/h hydrogen Khả năng thu hồi nhiệt của quy trình rất đáng kể, lên đến 3.169E+008 kJ/h, bằng 96,027% mục tiêu ban đầu Đề tài cũng đã khảo sát được vấn đề kinh tế và tính khả thi của quy trình

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3

1.3 Ý NGHĨA 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 5

2.1.1 Nguyên liệu 5

2.1.2 Sản phẩm benzene [4] 6

2.2 QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HÓA TOLUENE 8

2.2.1 Hydrodealkyl hóa có xúc tác 8

2.2.2 Hydrodealkyl hóa nhiệt [6] 9

2.2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ [7] 9

2.3 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PINCH 10

2.3.1 Khái niệm Pinch [8] 10

2.3.2 Xây dựng đường cong tổng hợp cho các dòng nóng và nguội [9] 11

2.3.3 Đường cong tổng hợp lớn (Grand Composite Curve) [10] 13

2.3.4 Nguyên tắc Pinch [11] 14

2.3.5 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch [12] 15

2.3.6 Aspen Energy Analyzer (AEA) [13] 15

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 17

3.1 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 17

3.1.1 Cấu tử - Hệ nhiệt động – Các phản ứng 17

3.1.2 Xây dựng cụm quy trình 19

3.2 TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT – PHÂN TÍCH PINCH 22

3.2.1 Trích xuất và phân tích dữ liệu 23

3.2.2 Thiết kế HEN [22] 30

3.2.3 Lựa chọn phương án tối ưu 34

3.2.4 Thiết kế quy trình cuối cùng 38

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

4.1 KẾT QUẢ CÁC DÒNG VẬT CHẤT 43

4.2 KẾT QUẢ CÁC DÒNG NĂNG LƯỢNG 47

4.3 ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ HEN 48

4.3.1 Khả năng thu hồi nhiệt 48

4.3.2 Đánh giá kinh tế 49

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

5.1 KẾT LUẬN 54

5.2 KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Nhu cầu benzene tại thị trường trung quốc các năm qua từ 2016-2020 [5] 8

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ THDA nhà máy Axens sử dụng [7] 10

Hình 2.3: Xây dựng đường gộp 12

Hình 2.4: Giản đồ (T-ΔH) với các đường gộp 12

Hình 2.5: Xây dựng đường cong tổ hợp lớn [10] 13

Hình 2.6: Sử dụng đường cong tổng hợp lớn cho mục tiêu nhiều tiện ích [10] 14

Hình 2.7: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch 15

Hình 3.1: Case mô phỏng quy trình sản xuất benzene từ toluene khi chưa tối ưu nhiệt 22

Hình 3.2: Các dòng nóng, lạnh và tiện ích được AEA trích xuất từ quy trình 24

Hình 3.3: Ảnh hưởng của DTmin đến tổng chi phí của quy trình 26

Hình 3.4: Thiết lập các mục tiêu năng lượng bằng giản đồ đường tổng hợp nóng, lạnh 27

Hình 3.5: Sử dụng đường cong tổ hợp lớn của quy trình để lựa chọn dòng tiện ích tối ưu ứng với DTmin = 12 oC 29

Hình 3.6: Sơ đồ lưới thiết kế HEN 33

Hình 3.7: Thiết kế HEN được đề xuất từ AEA 34

Hình 3.8: Cấu tạo thiết bị truyền nhiệt kiểu vỏ và ống 38

Hình 3.9: Case mô phỏng quy trình sản xuất Benzene từ Toluene có tận dụng nhiệt 41

Hình 3.10: Trao đổi nhiệt với dòng To Reboiler ở tháp T-100 (a) và To Reboiler ở tháp T-101 (b) 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các cấu tử trong quy trình 17

Bảng 3.2: Các thông số nguyên liệu 19

Bảng 3.3: Các thông số của dòng hỗn hợp nguyên liệu 20

Bảng 3.4: Thông số cài đặt thiết bị phản ứng 20

Bảng 3.5: Thông số cài đặt thiết bị tháp chưng cất 21

Bảng 3.6: Các dòng tiện ích của thiết kế chưa được tối ưu nhiệt 23

Bảng 3.7: Thông số các dòng nóng, lạnh và tiện ích được trích xuất để thiết kế Pinch24 Bảng 3.8: Giá trị DTmin theo kinh nghiệm của Linnhoff March [18] 26

Bảng 3.9: Mục tiêu thu hồi nhiệt 27

Bảng 3.10: Các dòng công nghệ còn lại được giải nhiệt 32

Bảng 3.11: Chi phí và hiệu quả của thiết kế khi chưa được tối ưu nhiệt 36

Bảng 3.12: Đánh giá chi phí và hiệu quả thiết kế HEN ban đầu 36

Bảng 3.13: Đánh giá chi phí và hiệu quả thiết kế AEA đề xuất 37

Bảng 3.14: Thông số cài đặt cho các thiết bị trong thiết kế HEN 39

Bảng 4.1: Thông số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị phản ứng 43

Bảng 4.2: Thông số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị tách 2 pha 44

Bảng 4.3: Thông số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị chưng cất T-100 45

Bảng 4.4: Thông số tính chất và lưu lượng mole dòng vào và ra thiết bị chưng cất T-101 46

Bảng 4.5: Thông số tính chất và lưu lượng mole các dòng hoàn lưu và dòng khí purge 47

Bảng 4.8: Mức sử dụng và chi phí vận hành của các dòng tiện ích 51Bảng 4.9: Các giá trị để tính chi phí mua thiết bị 52Bảng 4.10: Ước tính chi phí mua các thiết bị trao đổi nhiệt 52

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Quá trình tổng hợp benzene là một trong những quá trình được tiến hành rộng rãi nhất trên thế giới Là hydrocarbon thơm đơn giản nhất cũng là một trong những chất hóa dầu cơ bản, benzene có những ứng dụng đa dạng vào đời sống con người như: chế tạo thuốc nổ, các hóa chất nhiếp ảnh, thuốc nhuộm, keo dán, sơn, chất tẩy rửa,…

Thử thách mà người kỹ sư phải giải quyết khi nghiên cứu quy trình sản xuất benzene nói riêng và hóa chất nói chung đó là ba vấn đề: kinh tế, năng suất và ổn định Tính toán trên lý thuyết là không đủ để đáp ứng các yêu cầu trên Vì thế, thiết kế quy trình công nghệ hóa học với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng có thể cho người kỹ

sư hóa học một cái nhìn tổng quan và chi tiết về một quy trình cụ thể Phần mềm mô phỏng động giúp ta lên kế hoạch cho một dự án, dự đoán được kết quả và những khó khăn để từ đó người kỹ sư có những thay đổi phù hợp với từng mục đích

Mô hình mô phỏng được sử dụng hàng ngày và vì vậy mô phỏng là một khái niệm không xa lạ với chúng ta Mô phỏng có thể hiểu là sự phỏng theo (trên máy tính) của một hệ khi nó diễn bến theo thời gian Người ta sử dụng phần mềm mô phỏng vì nhiều mục đích [1]:

● Đạt sự thấu hiểu hoạt động hệ thống: Một số hệ thống phức tạp đến mức khó

có thể hiểu được hoạt động và các tương tác trong hệ thống mà không có mô hình động Nói cách khác, có thể không thể nghiên cứu hệ thống bằng cách dừng nó hoặc kiểm tra các thành phần riêng lẻ

● Phát triển hệ thống điều hành hoặc tài nguyên để cải thiện hiệu năng hệ thống:

Có hai cách cơ bản để làm điều này là thay đổi hệ thống điều hành hoặc tài nguyên

● Thử nghiệm ý tưởng hoặc hệ thống mới trước khi thực thi: Nếu chưa có hệ thống hoặc bạn đang xem xét việc mua các hệ thống mới, một mô hình mô phỏng có thể giúp cung cấp thông tin xem hệ thống đó có hoạt động tốt hay

● Đạt được thông tin mà không làm nhiễu loạn hệ thống thực tế: Các mô hình

mô phỏng có thể là phương pháp duy nhất để thử nghiệm với các hệ thống mà không làm hệ thống bị nhiễu loạn Một số hệ thống rất quan trọng hoặc nhạy cảm đến mức không thể thực hiện bất kỳ loại thay đổi nào liên quan tới nguyên liệu hoặc vận hành nào để phân tích hệ thống

Từ những mục đích trên, ta có thể thấy tầm quan trọng của mô phỏng đối với việc thiết kế, từ đó mà nó mang lại cho người kỹ sư nhiều lợi ích:

● Thử nghiệm trong thời gian được rút ngắn

● Giảm các yêu cầu phân tích

● Các mô hình dễ dàng được trình diễn

Trong lĩnh vực công nghệ hóa học hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng của các công ty phần mềm được phát triển và sử dụng rộng rãi trong thiết kế công nghệ như: Hysys (AspenTech), Unisim (Honeywell-UOP), Dynsim (Simsci),… Tuy nhiên, phần mềm mô phỏng trong luận văn này được sử dụng là Hysys, đây là phần mềm mô phỏng công nghê hóa học đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, đồng thời đang được sử dụng ở khoa Kỹ Thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM phục vụ cho việc học và giảng dạy

Năng lượng luôn là một vấn đề quan trọng, tiết kiệm năng lượng vẫn tiếp tục là một thành phần quan trọng của chiến lược kinh doanh trong ngành công nghiệp lọc dầu

và hóa chất Được thúc đẩy trên toàn cầu bởi nhu cầu tăng biên lợi nhuận hoạt động hoặc đáp ứng các nhiệm vụ của chính phủ (ví dụ: tài nguyên thiên nhiên ở Ả Rập Xê-út hoặc tiêu chuẩn khí thải châu Âu), các công ty vận hành đang tìm kiếm các giải pháp mới để cải thiện hiệu suất năng lượng Hiệu quả năng lượng là một lĩnh vực tối ưu hóa hoạt động trưởng thành trong các nhà máy lọc dầu và các tổ hợp hóa dầu

Có 5 cách để nâng cao hiệu quả năng lượng:

● Giảm thiểu lãng phí và thất thoát: Thường xuyên bảo trì và giám sát để phát hiện tổn thất và sau đó áp dụng các hành động khắc phục

● Tối ưu hóa hoạt động của quy trình: Có thể cải thiện hoạt động thông qua điều chỉnh thủ công, các phương pháp hay nhất hoặc bằng hệ thống điều khiển tự động

● Thu hồi nhiệt tốt hơn: Nâng cấp mạng lưới trao đổi nhiệt, tận dụng nhiệt thải (thu hồi nhiệt từ khói lò của lò nung)

● Công nghệ mới: Thay thế thiết bị tiên tiến, quy trình mới

● Tối ưu hóa hệ thống cung cấp năng lượng: Tạo ra và sử dụng hơi nước và điện một cách hiệu quả, phương pháp tiết kiệm năng lượng chi phí thấp Trong các giải pháp trên, em chọn giải pháp thu hồi nhiệt cho đề tài luận văn Thu hồi nhiệt là một khía cạnh quan trọng của thiết kế quy trình hóa học, không chỉ vì

lý do kinh tế mà còn vì lý do môi trường, khi mức độ tích hợp năng lượng tăng, chi phí vận hành sẽ giảm, đồng thời nhiên liệu sử dụng ít đi sẽ đảm bảo vấn đề về môi trường

Từ những vấn đề đó, đề tài luận văn “Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt cho quy trình sản xuất Benzene từ Toluene” ứng dụng phần mềm Hysys với mục đích thiết kế

và xây dựng quy trình công nghệ, đồng thời tối ưu hóa nhiệt của quy trình

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Trên cơ sở đặc điểm và tính chất của nguyên vật liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật sản phẩm, từ đó xây dựng quy trình sản xuất Benzene từ phương pháp Dealkylation Toluene Quy trình phải đạt được các yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm

Tiếp theo, xây dựng một quy trình có tích hợp nhiệt sử dụng phân tích Pinch do phần mền Aspen Energy Analyzer đề xuất từ mô hình Hysys đã xây dựng từ đầu

Sau đó, đánh giá khả năng thu hồi nhiệt và hiệu quả kinh tế mà quy trình có tích hợp nhiệt đã xây dựng so với quy trình ban đầu, từ đó đưa ra những giải pháp tối ưu và kiến nghị cần thiết để cải thiện quy trình

1.3 Ý NGHĨA

Từ đề tài này, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về thiết kế một quy trình sản xuất cho

Được tiếp cận và sử dụng phần mềm Aspen Hysys để có thể thiết kế cho các quy trình khác nhau, phục vụ cho mục đích sau này

Ứng dụng mô hình mô phỏng để thực hiện quy trình tính toán một cách nhẹ nhàng hơn, tìm ra những phương án tối ưu cho kết quả khả quan, đạt hiệu quả kinh tế và đáp ứng nhu cầu của khách hàng

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

2.1.1 Nguyên liệu

2.1.1.1 Toluene [2]

Toluene (C6H5CH3) là một chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi giống benzene Nó là một hydrocarbon thơm, với các nguyên tử carbon được sắp xếp thành một vòng Các hợp chất thơm có cấu trúc dựa trên cấu trúc của benzene (C6H6) Toluene được phát hiện vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Pháp Pierre Joseph Pelletier (1788–1842) Pelletier đã tìm thấy hợp chất trong khí do vỏ cây thông Pinus maritima phát ra

Sản xuất: Toluene xuất hiện tự nhiên trong dầu mỏ và được chiết xuất trong quá

trình catalytic reforming của phân đoạn naphtha của dầu mỏ Catalytic reforming là một quá trình mà các hydrocacbon trong dầu mỏ được đốt nóng, tiếp xúc với chất xúc tác,

để thay đổi thành phần phân tử của chúng Phân đoạn naptha của dầu mỏ bao gồm một hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có điểm sôi từ khoảng 50 °C đến 200 °C Toluene được tách khỏi các hydrocarbon khác được tạo ra trong quá trình reforming bằng cách thêm dung môi, chẳng hạn như sulfolan hoặc tetraetylen Toluene cũng được sản xuất bằng một quy trình tương tự bắt đầu từ dầu hắc ín than đá, chất lỏng còn lại khi than mềm được nung nóng trong điều kiện không có không khí để tạo than cốc

Ứng dụng: Toluene thường được xếp hạng trong số ba mươi hợp chất hàng đầu

được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ Năm 2002, các nhà máy hóa chất của Mỹ đã sản xuất 330 triệu lít (87 triệu gallon) toluene để sử dụng trong nước và xuất khẩu Khoảng một nửa lượng đó được sử dụng trong sản xuất benzene và khoảng 20% để sản xuất xylen (C6H4(CH3)2) 18% khác được sử dụng để sản xuất các hóa chất hữu cơ khác, một trong những chất quan trọng nhất trong số đó là toluene diisocyanat (CH3C6H3(NCO)2) được sử dụng chủ yếu để sản xuất bọt polyurethane và các sản phẩm cao su nhân tạo Các ứng dụng chính khác của toluene là làm dung môi cho sơn và các chất phủ khác, gôm, dầu, các sản phẩm cao su tự nhiên và nhân tạo, chất kết dính và chất dẻo Một số

2.1.1.2 Hydrogen [3]

Sản xuất: Steam reforming là một phương pháp để tạo ra hydrogen Khí tự nhiên

là nhiên liệu phổ biến nhất được sử dụng trong quá trình steam reforming Để tạo ra hydrogen bằng cách sử dụng quá trình steam reforming, khí thiên nhiên được phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ rất cao trong buồng đốt Nhiệt độ có thể từ 800 °C đến 1700 °C Chất xúc tác thường được làm bằng kim loại Chất xúc tác giúp phân hủy khí tự nhiên thành methane Khi methane và nước phản ứng, hydro được tạo ra Các carbon oxide như carbon monoxide và carbon dioxide được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ Trong một số quá trình, carbon monoxide lại phản ứng để tạo thành nhiều hydro và carbon dioxide hơn

Hydrogen có thể được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước Tuy nhiên, việc sản xuất hydrogen trên quy mô lớn bằng phương pháp điện phân trở nên rất tốn kém vì điện được sử dụng để tạo ra các dòng điện

Ứng dụng: Ứng dụng phổ biến nhất được nghiên cứu và phát triển nhất của việc

sử dụng hydrogen làm nguồn nhiên liệu là kết hợp với pin nhiên liệu hydrogen Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách trộn hydro và oxy để tạo ra nước và điện Sau đó, điện

có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho gia đình, trường học và thậm chí cả các cơ sở kinh doanh hoặc cung cấp năng lượng cho ô tô và các phương tiện khác Hydrogen có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho giao thông vận tải bằng cách tạo ra động cơ đốt trong cho các phương tiện chạy bằng hỗn hợp nhiên liệu hydrogen hoặc hydrogen Đồng thời hydrogen được sử dụng trong các nhà máy hóa dầu như một nguồn nguyên liệu

2.1.2 Sản phẩm benzene [4]

Tính chất: Benzene (C6H6) là một chất lỏng trong suốt, không màu, rất dễ cháy

và có mùi đặc trưng rõ rệt Nó có điểm đóng băng 5,5 °C, điểm sôi 80,1 °C và mật độ 0,8787 g/mL Nó chỉ hòa tan nhẹ trong nước (0,18 g/100 mL ở 25 °C), nhưng hoàn toàn

có thể trộn lẫn với rượu, cloroform, ete, carbon disulfide, carbon tetrachloride và các dung môi hữu cơ khác

Sản xuất: Bốn quá trình hóa học góp phần vào việc sản xuất benzene công

nghiệp: catalytic reforming, toluene hydrodealkylation, toluene disproportionation, và steam cracking

Ứng dụng: Benzene được sử dụng chủ yếu làm chất trung gian để tạo ra các hóa

chất khác, trên hết là etylbenzene, cumene, xyclohexan, nitrobenzene và alkylbenzene Hơn một nửa toàn bộ sản lượng benzene được chế biến thành ethylbenzene, tiền thân của styrene, được sử dụng để sản xuất polyme và chất dẻo như polystyrene và EPS Khoảng 20% sản lượng benzene được sử dụng để sản xuất cumene, cần thiết để sản xuất phenol và axeton cho nhựa và chất kết dính Cyclohexanetiêu thụ khoảng 10% sản lượng benzene của thế giới; nó chủ yếu được sử dụng trong sản xuất sợi nylon, được chế biến thành hàng dệt và nhựa kỹ thuật Một lượng nhỏ benzene được sử dụng để sản xuất một

số loại cao su, chất bôi trơn, thuốc nhuộm, chất tẩy rửa, thuốc, chất nổ và thuốc trừ sâu

Hiện tại, Trung Quốc là thị trường nhập khẩu benzene lớn nhất thế giới, vượt qua

cả Mỹ

Hình 2.1: Nhu cầu benzene tại thị trường trung quốc các năm qua từ 2016-2020 [5]

2.2 QUÁ TRÌNH HYDRODEALKYL HÓA TOLUENE

Hydrodealkyl hóa là phản ứng cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh Giống như hydrocracking, phản ứng này tiêu thụ hydrogen và thuận lợi ở điều kiện áp suất riêng phần hydrogen cao Quá trình này được thiết kế để hydrodealkyl hóa các metylbenzene, etylbenzene và các alkyl benzene C9+ thành benzene Quá trình này được thiết kế để hydrodealkyl hóa các metylbenzene, etylbenzene C9+ thành benzene Nó xuất phát từ nhu cầu benzene trong công nghệ tổng hợp hóa dầu lớn hơn nhiều so với các hợp chất này cũng như với toluen và các xylen (sản phẩm BTX)

Các quá trình hydrodealkyl hóa hiện nay chia làm 2 loại:

● Hydrodealkyl hóa nhiệt (Thermal hydrodealkylation –THDA)

● Hydrodealkyl hóa có xúc tác ( Hydrodealkylation – HDA)

2.2.1 Hydrodealkyl hóa có xúc tác

Xúc tác sử dụng được tổng hợp dưới dạng tinh thể (hạt) bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp ngâm tẩm, phương pháp kết tủa,… thường sử dụng chất mang là nhôm – silic oxit với tâm xúc tác là các kim loại nhóm B như Fe, Co, Pd, Pt,…

Điều kiện phản ứng (tùy thuộc từng công nghệ với mỗi xúc tác khác nhau):

● Nhiệt độ: 520 – 620 oC

● Áp suất: 5 – 30 bar

● Tỷ lệ hydro/toluene: 3 – 8

2.2.2 Hydrodealkyl hóa nhiệt [6]

Với các quá trình hydrodealkyl hóa nhiệt, các công ty chính đã phát triển và thương mại hóa công nghệ này là Atlantic Richfield và Hydrocacbon Researche Inc, Mitsubishi và Chioda, Gulf Oil…

Điều kiện làm việc:

● Nhiệt độ dòng vào thiết bị phản ứng 680 oC, nhiệt độ tối đa 730 ÷ 750 oC, để ngăn lượng hydrocracking đáng kể

● Áp suất: 500 psia

● Tỷ lệ mole H2/toluene trong dòng vào thiết bị ít nhất nhất là 5 để tránh tạo coke

Sản phẩm benzene có độ tinh khiết rất cao (khoảng 99%)

Tuy hai phương pháp có độ chuyển hóa tương tự nhau, tuy nhiên khó khăn trong việc chọn xúc tác, cũng như phụ thuộc nhiều vào hoạt tính xúc tác và chi phí cho việc

sử dụng xúc tác tốn kém hơn nhiều so với điều kiện nhiệt độ, do đó, em chọn phương pháp THDA (Thermal hydrodealkyl) cho đề tài của em

2.2.3 Sơ đồ quy trình công nghệ [7]

Sơ đồ quy trình công nghệ hydrodealkyl hóa được nhà máy Axens sử dụng

Ứng dụng: Sản xuất benzene thông qua quá trình hydrodealkyl hóa C7 – C11aromatics

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ THDA nhà máy Axens sử dụng [7]

Mô tả: Dòng nguyên liệu C7 – C8+ được trộng với dòng hydrogen hoàn lưu Hỗn hợp trộn được làm nóng bằng cách trao đổi nhiệt (1) với dòng sau thiết bị phản ứng và bằng lò nung (2) Nhiệt độ được kiểm soát chặt chẽ trong lò phản ứng (3) Bằng cách hoàn lưu dòng diphenyl (5), tổng sản lượng của nó được giảm thiểu để có lợi cho việc tăng sản lượng benzene Dòng sau phản ứng được làm mát bằng cách trao đổi nhiệt với dòng nguyên liệu, sau đó được làm mát bằng nước hoặc không khí (6) Sau đó được đưa đến thiết bị tách hai pha (7) nơi khí giàu hydro tách ra khỏi chất lỏng ngưng tụ Pha khí được nén (8) và quay trở lại thiết bị phản ứng Tháp chưng (11) loại các sản phẩm sáng, chủ yếu là methane và ethane Dòng lỏng sau đó được đưa đến cột chưng cất (12), thu được benzene có độ tinh khiết cao tại đỉnh tháp Dòng đáy chứa Toluene chưa phản ứng

và hợp chất thơm nặng hơn được bơm đến cột tái chế (13) nơi toluene, chất thơm nặng

và diphenyl được chưng cất trên đầu và tái chế vào lò phản ứng, một luồng khí purge nhỏ ngăn không cho các thành phần nặng tích tụ trong quá trình này

2.3 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT PINCH

2.3.1 Khái niệm Pinch [8]

Pinch là kỹ thuật phân tích hệ thống để đưa ra phương pháp tiết kiệm năng lượng trong một cụm hay toàn bộ quá trình công nghệ

Pinch dựa trên phương trình cân bằng vật chất và năng lượng Sau khi cân bằng vật chất và năng lượng được thiết lập, Pinch sẽ phân tích và tính toán tổng lượng nhiệt tối đa có thể thu hồi, chi phí cho các quá trình đun nóng và làm nguội cũng như chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống trao đổi nhiệt qua đó lựa chọn những giá trị thích hợp bằng cách cân bằng giữa chi phí năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu

Kỹ thuật Pinch áp dụng vào hệ thống trao đổi nhiệt được bắt đầu bằng việc xây dựng giản đồ đường tổ hợp của các dòng nòng và dòng nguội

2.3.2 Xây dựng đường cong tổng hợp cho các dòng nóng và nguội [9]

Các đường cong tổng hợp là một công cụ nhanh chóng và hữu ích để ước tính mục tiêu năng lượng cho một bài toán tích hợp nhiệt mà chưa cần phải thiết kế Các đường cong tổng hợp được xây dựng bằng cách tách dòng quá trình nóng và lạnh và chia phạm vi nhiệt độ thành các khoảng Khoảng nhiệt độ được thiết lập dựa trên nguồn cung cấp và nhiệt độ mục tiêu cho các dòng quy trình Sự thay đổi nhiệt độ của mỗi khoảng thời gian được vẽ như một hàm của sự thay đổi entanpi trong khoảng thời gian tương ứng Vì chỉ quan tâm đến sự thay đổi enthalpy ở đây, nên enthalpy cho các dòng nóng và lạnh có thể được xác định riêng lẻ Tiêu chí duy nhất là đường cong nóng phải

có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ lạnh trong mọi khoảng thời gian để truyền nhiệt Tiêu chí này làm phát sinh điểm Pinch - là điểm mà đường cong nóng và lạnh gần nhất về nhiệt

độ Sự chênh lệch nhiệt độ tối thiểu được gọi là DTmin

Chúng ra xây dựng đường cong tổ hợp cho các dòng nóng và nguội trên đồ thị T-ΔH với các giả thiết sau:

● Nhiệt dung riêng của lưu chất là một hằng số trong một khoảng nhiệt độ

● Không có sự mất mát nhiệt

● Lượng nhiệt dòng nóng trao hay dòng nguội nhận được tính theo công thức:

ΔH = CP |Tđầu - Tcuối| với: CP là nhiệt dung riêng lưu lượng, CP = m.Cp (m: lưu lượng khối lượng, kg/s; Cp: nhiệt dung riêng của lưu chất, kJ/kgoC), kW/oC

Hình 2.3: Xây dựng đường gộp

Phương pháp này chia hệ thống thành 2 hệ thống riêng biệt dựa trên cách tiếp cận DTmin bởi điểm Pinch, đó là “phía trên Pinch (vùng Sink)” và “phía dưới Pinch (vùng Source)” Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được:

● Mức thu hồi nhiệt tối đa: Vùng chồng lấn giữa đường tổ hợp nóng và đường

tổ hợp lạnh thể hiện mức thu hồi nhiệt tối đa

● Mức tiêu thụ tiện ích nóng và lạnh: Vùng không có chồng lấn thể hiện mức tiêu thụ tiện ích nóng tối thiểu (QH,min, bên tay phải), và mức tiêu thụ tiện ích lạnh tối thiểu (QC,min, bên tay trái)

Hình 2.4: Giản đồ (T-ΔH) với các đường gộp

2.3.3 Đường cong tổng hợp lớn (Grand Composite Curve) [10]

Công cụ được sử dụng giúp ta lựa chọn nhiều loại tiện ích phù hợp với quy trình được gọi là Grand Composite Curve, cấu trúc của nó được minh họa trong Hình 2.5 Để xây dựng được giản đồ này, ta bắt đầu với các đường cong tổng hợp như trong Hình 2.5 (a) Bước đầu tiên là điều chỉnh nhiệt độ của các đường cong hỗn hợp như trong Hình 2.5 (b) Ta thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ hỗn hợp lạnh lên ½ DTmin và giảm nhiệt

độ hỗn hợp nóng đi ½ DTmin

Sự thay đổi nhiệt độ này của các dòng quy trình và các mức tiện ích liên quan đến ½ DTmin đảm bảo rằng ngay cả khi các mức tiện ích chạm vào đường cong tổng hợp lớn, sự chênh lệch nhiệt độ tối thiểu của DTmin vẫn được duy trì giữa các mức tiện ích và dòng quy trình Do đó, sự thay đổi nhiệt độ làm cho việc xác định mục tiêu cho nhiều tiện ích dễ dàng hơn Kết quả của sự thay đổi nhiệt độ này, các đường cong hỗn hợp tiếp xúc với nhau tại điểm Pinch

Hình 2.5: Xây dựng đường cong tổ hợp lớn [10]

Đường cong tổng hợp lớn cung cấp một công cụ thuận tiện để thiết lập các mục tiêu cho nhiều mức tiện ích, nhằm giảm chi phí các dòng tiện ích

Hình 2.6: Sử dụng đường cong tổng hợp lớn cho mục tiêu nhiều tiện ích [10]

Hình 5 (a) cho thấy một ví dụ, trong đó hơi nước HP được sử dụng để sưởi ấm

và làm lạnh được sử dụng để làm mát quy trình Để giảm chi phí tiện ích, các tiện ích trung gian MP hơi nước và nước làm mát (CW) được sử dụng Mục tiêu cho hơi nước

MP được thiết lập bằng cách vẽ một đường ngang ở mức nhiệt độ hơi nước MP, bắt đầu

từ trục thẳng đứng (nhiệt độ được dịch chuyển) cho đến khi nó chạm vào đường cong tổng hợp lớn Sau đó, nhiệm vụ gia nhiệt còn lại sẽ được đáp ứng bởi hơi nước HP, điều này tối đa hóa mức tiêu thụ MP trước khi sử dụng hơi nước HP và do đó giảm thiểu tổng chi phí tiện ích

2.3.4 Nguyên tắc Pinch [11]

Nguyên tắc khi thiết kế Pinch:

● Nhiệt không truyền xuyên qua điểm Pinch

● Phần trên Pinch và dưới Pinch được thiết kế độc lập

▪ Phần trên Pinch: Chọn cặp dòng nóng – lạnh sao cho CPH ≤ CPC, không

sử dụng tiện ích lạnh cho phần trên Pinch

▪ Phần dưới Pinch: Chọn cặp dòng nóng – lạnh sao cho CPH ≥ CPC, không

sử dụng tiện ích nóng cho phần dưới Pinch

Tổn thất khi không tuân theo nguyên tắc Pinch: Dẫn đến sự truyền nhiệt qua Pinch và làm tăng chi phí sử dụng năng lượng

2.3.5 Thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch [12]

Để tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp Pinch ta cần thực hiện những bước sau:

Hình 2.7: Các bước tiến hành thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt bằng phương pháp

Pinch

2.3.6 Aspen Energy Analyzer (AEA) [13]

Aspen Energy Analyzer (AEA) là một phần mềm quản lý năng lượng để thực hiện thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt tối ưu nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của quá trình Đây là một phần mềm thương mại nổi tiếng được phát triển bởi AspenTech Vì nó là một phần của Aspen Engineering nên nó có thể dễ dàng được tích hợp với Aspen Hysys/Plus Do đó, dữ liệu dòng chính xác có thể được sử dụng trong giai đoạn thiết kế mạng trao đổi nhiệt từ mô phỏng trạng thái ổn định AEA được cho là giải pháp tối ưu nhất cho các vấn đề HEN

Phần mềm này cho phép giảm thiểu chi phí năng lượng cả trong thiết kế ban đầu

cho chương trình rất toàn diện khi sử dụng Ngoài ra, giao diện khá thân thiện và không cần hướng dẫn sử dụng chi tiết

Phần mềm này có thể tính toán nhiều vấn đề trong nghiên cứu tích hợp năng lượng, cụ thể là:

• Xây dựng đường cong tổng hợp và đường cong tổng hợp lớn

• Ước tính mức tiêu thụ năng lượng và chi phí năng lượng

• Ước tính diện tích truyền nhiệt và chi phí đầu tư vốn

• Xác định DTmin tối ưu

• Thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt kiểu Grassroot (mới) (HEN)

• Tối ưu hóa và trang bị thêm HEN

Do những lý do trên, em chọn phần mềm này để phục vụ cho mục đích thiết kế Pinch cho đề tài luận văn của em

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

3.1 MÔ PHỎNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Phần mềm được sử dụng để mô phỏng là Aspen Hysys Hysys có thể thực hiện nhiều phép tính thuộc chuyên ngành kỹ thuật hóa học, bao gồm những tính toán liên quan đến cân bằng khối lượng, cân bằng năng lượng, cân bằng lỏng - hơi, sự truyền nhiệt, sự truyền khối, động học hóa học, sự phân đoạn và sự giảm áp suất Hysys được

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong học thuật nhằm mô phỏng các trạng thái

ổn định và cân bằng động, thiết kế quy trình, mô hình hiệu suất và tối ưu hóa chúng với thời gian được tiết kiệm hơn nhiều

Mục tiêu của mô phỏng này là cung cấp dữ liệu tải nhiệt cần thiết cho Aspen Energy Analyzer cho mạng trao đổi nhiệt (HEN), phân tích Pinch và tổng kết kinh tế

Mô phỏng một quy trình công nghệ trong phần mềm Aspen Hysys cơ bản cần phải xác định được 3 yếu tố:

● Các cấu tử tạo nên thành phần trong dòng nguyên liệu và sản phẩm

● Hệ nhiệt động là cơ sở để tính toán hằng số cân bằng lỏng hơi, các tính chất nhiệt động, vật lý,

● Các thiết bị để thực hiện một hoặc một số biến đổi đối với các dòng trong quy trình

3.1.1 Cấu tử - Hệ nhiệt động – Các phản ứng

Được khai báo trong cửa sổ Properties trong phần mềm Aspen Hysys

3.1.1.1 Cấu tử (Component Lists)

Các hợp chất có mặt trong quy trình được trình bày trong bảng dưới đây:

Bảng 3.1: Các cấu tử trong quy trình

3 Benzene C6H6

3.1.1.2 Hệ nhiệt động (Fluid Packages)

Phần mềm mô phỏng sử dụng hệ nhiệt động làm cơ sở để tính toán những thông

số như tính chất nhiệt động học, tính chất vật lý,… cho một cấu tử hoặc hỗn hợp Do vậy những tính chất như nhiệt dung riêng, tỷ trọng, độ nhớt, thể tích riêng, và quan trọng nhất là hằng số cân bằng lỏng hơi K đều được tính toán dựa trên cơ sở là hệ nhiệt động

Trong quá trình mô phỏng, hai loại hệ nhiệt động được sử dụng trong Aspen Hysys bao gồm:

● Hệ nhiệt động sử dụng phương trình trạng thái – EOS (Equations Of State)

● Hệ nhiệt động sử dụng mô hình Activity Models

Tuy nhiên hệ nhiệt động sử dụng mô hình Activity Models chưa được tiếp cận

và làm quen, do đó em chọn hệ nhiệt động sử dụng phương trình trạng thái

Phương trình trạng thái đơn giản nhất là PV = n.R.T Tuy nhiên khi tăng tính phức tạp của hệ các cấu tử, hoạt động ở điều kiện áp suất cao thì phương trình này không còn chính xác nữa

Một số tác giả qua khảo sát một lượng lớn các số liệu thực nghiệm đã bổ sung các hệ số tương quan giữa các cấu tử để đề ra phương trình trạng thái mới có thể áp dụng với khoảng rộng các cấu tử cũng như điều kiện làm việc Một trong số hệ nhiệt động đó được sử dụng trong đề tài luận văn là Peng – Robinson, hệ được sử dụng cho các hydrocarbon, phổ biến trong công nghệ dầu khí

3.1.1.3 Các phản ứng (Reactions) [14]

Ta lựa chọn loại phản ứng Kinetic trong Hysys

Hai phương trình phản ứng dùng trong mô phỏng:

Phản ứng chính:

C H CH +H ⎯⎯→C H +CH ; ΔH (1150 F) = -2,096.104 BTU/lbmole

Nguyên liệu ban đầu vào của quá trình gồm toluene và hydrogen

Bảng 3.2: Các thông số nguyên liệu

STT Tên dòng Thành phần Trạng thái Thông số cài đặt

Áp suất: 100 kPa Lưu lượng: 1000 kgmole/h

Qua bơm và các thiết bị gia nhiệt, dòng toluene và hydrogen được đưa tới nhiệt

độ và áp suất phản ứng thích hợp và được trộn lẫn với nhau trước khi đưa và thiết bị phản ứng, có các thông số sau:

Bảng 3.3: Các thông số của dòng hỗn hợp nguyên liệu

Tên dòng Thành phần Trạng thái Thông số

M1 1/6 toluene, 5/6 hydrogen Khí và hơi Nhiệt độ: 680 oC

Áp suất: 3500 kPa Lưu lượng: 6000 kgmole/h

3.1.2.2 Cụm phản ứng

Thiết bị phản ứng được sử dụng là thiết bị phản ứng dòng chảy (PFR) Trong thiết bị phản ứng dòng chảy, nhập liệu được đưa vào một đầu của ống hình trụ, còn sản phẩm ra ở đầu kia của ống Thiết bị dạng này thường hoạt động ở trạng thái ổn định, do

đó tính chất của hỗn hợp tại một vị trí trong thiết bị không đổi theo thời gian Do không

có sự khuấy trộn theo phương dọc trục nên tính chất của dòng chảy thay đổi từ điểm này đến điểm khác chỉ do quá trình phản ứng [15]

Đây là phản ứng tỏa nhiệt, do đó sau khi phản ứng, nhiệt độ của dòng rất cao, lên đến 785 oC Đây sẽ là nguồn nhiệt chính để trao đổi với các dòng cần cấp nhiệt trong quy trình, tuy nhiên do nhiệt độ quá cao sẽ dẫn đến việc khó kiểm soát, do đó sẽ cần 1 dòng khí Purge đi cùng với dòng nguyên liệu để giảm bớt nhiệt độ của dòng khí sau phản ứng

Bảng 3.4: Thông số cài đặt thiết bị phản ứng

Tên Thiết bị Loại thiết bị Thông số cài đặt

3Đường kính: 0,5 m

Độ giảm áp: 0 kPa

3.1.2.3 Cụm phân tách

Dòng sau phản ứng có nhiệt độ rất cao, cần được làm nguội để tách cấu tử nặng

và nhẹ, do đó dòng được làm nguội xuống 30 oC, sau đó dùng thiết bị tách hai pha (Saparator) để tách phần khí nhẹ gồm hydrogen và methane (có lẫn benzene), và phần lỏng gồm chủ yết toluene, benzene và diphenyl (có lẫn sản phẩm nhẹ) Trong phần khí nhẹ chứa hydrogen cần được tái chế, tuy nhiên methane, đi vào như một tạp chất trong dòng nạp hydrogen và cũng được tạo ra bởi phản ứng, sẽ tích tụ trong vòng tuần hoàn khí Do đó cần phải có một dòng Purge để loại bỏ cả khí methane trong nguyên liệu và trong sản phẩm ra khỏi quy trình [16]

Ta cần thu hồi tối đa benzene với độ tinh khiết cao nên sử dụng dòng lỏng cho qua hai tháp chưng cất (Distillation Column) với trình tự phân tách như sau:

● Tháp 1: Không phải tất cả hydrogen và methane đều có thể được tách khỏi sản phẩm trong thiết bị tách hai pha, do đó cần loại bỏ hầu hết lượng còn lại trong cột chưng cất để ngắn chúng làm ô nhiễm sản phẩm benzene Tháp làm việc ở áp suất cao, tiếp tục tách các cấu tử nhẹ là hydrogen và methane ra khỏi hỗn hợp lỏng Sản phẩm đỉnh gồm: hydrogen và methane, sản phẩm đáy gồm: benzene, toluene và diphenyl Dòng sản phẩm đỉnh chứa lượng lớn hydrogen

sẽ được hoàn lưu, đồng thời dòng sản phẩm đỉnh cũng chứa methane có tác dụng giảm bớt nhiệt độ của dòng sau phản ứng và ngăn không cho các thành phần nặng tích tụ trong quá trình này

● Tháp 2: Tháp làm việc ở áp suất cao, tách benzene ra khỏi hai sản phẩm còn lại với độ tinh khiết cao Sản phẩm đỉnh là benzene, sản phẩm đáy là toluene

và diphenyl Dòng sản phẩm đáy tuy chiếm lượng ít toluene để hoàn lưu nhưng có diphenyl, nên ta sẽ hoàn lưu dòng này, phản ứng theo chiều nghịch tạo ra benzene

Bảng 3.5: Thông số cài đặt thiết bị tháp chưng cất

STT Tên thiết Loại thiết bị Thông số cài đặt

Số mâm: 10 Nhập liệu tại mâm số: 5 Nồng độ mole benzene tại condenser: 1.000E-

002 Nồng độ mole methane tại reboiler: 1.000E-

004

cất Áp suất tại condenser: 280 kPa Áp suất tại reboiler: 320 kPa

Số mâm: 30 Nhập liệu tại mâm số: 15 Nồng độ mole toluene tại condenser: 1.000E-

005 Nồng độ mole benzene tại reboiler: 1.000E-

004 Sau khi thiết lập cấu tử, lựa chọn thiết bị và thiết lập các thông số của thiết bị, ta được case mô phỏng ban đầu khi chưa thiết kế HEN

Hình 3.1: Case mô phỏng quy trình sản xuất benzene từ toluene khi chưa tối ưu nhiệt

3.2 TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT – PHÂN TÍCH PINCH

Quy trình trên chưa tận dụng nguồn nhiệt từ các dòng nóng, do đó ta cần tận dụng nguồn nhiệt này để cung cấp cho các dòng cần gia nhiệt Đồng thời, việc sử dụng hoàn toàn các dòng tiện ích tốn kém như Fired Heat hay Hot Oil là không cần thiết

Để thực hiện tận dụng lượng nhiệt này, ta thêm vào các bộ trao đổi nhiệt Bộ trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi để truyền nhiệt từ quá trình này sang quá trình khác, cũng như cung cấp quá trình sưởi ấm hoặc làm mát Việc thiết kế một mạng lưới trao đổi nhiệt để thu hồi nhiệt có thể là một công việc phức tạp nếu có nhiều dòng nóng và nhiều dòng lạnh trong một quá trình Phân tích Pinch được giới thiệu trong phần “Cơ sở

lý thuyết” là một phương pháp có hệ thống để đơn giản hóa vấn đề này

Bảng 3.6: Các dòng tiện ích của thiết kế chưa được tối ưu nhiệt

STT Tiện ích Tên dòng Loại tiện ích Năng lượng (kJ/h)

1

Nóng

3.2.1 Trích xuất và phân tích dữ liệu

3.2.1.1 Dữ liệu được trích xuất

Thiết kế ban đầu sẽ được AEA trích xuất dữ liệu để thực hiện thiết kế HEN

Hình 3.2: Các dòng nóng, lạnh và tiện ích được AEA trích xuất từ quy trình

Trong hình, các dòng tiện ích nóng và lạnh là các dòng tương ứng màu đỏ và xanh ở trên cùng và dưới cùng của sơ đồ lưới, ở giữa là các dòng nóng và lạnh trong quy trình, tương ứng với màu đỏ và xanh Các điểm màu đỏ là Heater và các điểm màu xanh là Cooler

Dữ liệu quan trọng nhất cho một nghiên cứu Pinch là tải nhiệt độ cho tất cả các dòng quy trình và tiện ích Các yêu cầu khác nhau đôi chút tùy thuộc vào phần mềm đang sử dụng, nhưng nói chung, dữ liệu trích xuất cung cấp một cách đơn giản về nhiệm

vụ nhiệt và nhiệt độ đầu vào và đầu ra liên quan đến các heater, cooler và heat exchanger Bất kỳ dữ liệu nào không có khả năng hữu ích cho mục đích tích hợp nhiệt đều bị bỏ qua

Bảng 3.7: Thông số các dòng nóng, lạnh và tiện ích được trích xuất để thiết kế Pinch

STT Loại

dòng

độ vào ( o C)

Nhiệt

độ ra ( o C)

MCp (kJ/ o C.h)