NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ và mô PHỎNG PHÂN XƯỞNG sản XUẤT BENZENE từ TOLUENE BẰNG CÔNG NGHỆ DEHYDROALKYL hóa NĂNG SUẤT 105 KMOLH

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BENZENE TỪ TOLUENE

Phương pháp hydrodealkyl hóa toluene

Hydrodealkyl hóa là quá trình cracking hydrocarbon thơm có mạch nhánh trong môi trường hydrogen, tương tự như hydrocracking, và yêu cầu áp suất riêng phần hydrogen cao Quá trình này chủ yếu nhằm chuyển đổi các metylbenzene và etylbenzene thành benzene, đáp ứng nhu cầu lớn về benzene trong công nghệ tổng hợp hóa dầu Sau khi tách benzene từ sản phẩm reforming, các hydrocarbon thơm cao hơn sẽ được chuyển đến phân xưởng hydrodealkyl hóa Thiết bị phản ứng có cấu trúc tương tự như hydrocracking, nơi các phân nhánh alkyl được bẻ gãy và hydro hóa đồng thời, dẫn đến việc tăng lượng hydrogen tiêu thụ và sản xuất nhiều sản phẩm khí hơn.

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đình Lâm

Trong quá trình hydrodealkyl hóa, phản ứng chính là tách các nhóm alkyl khỏi nhân benzene để tạo ra alkane Nếu quá trình được thực hiện đúng cách và hoàn toàn thông qua việc tuần hoàn hydrocacbon thơm chưa phản ứng, sản phẩm thu được sẽ bao gồm benzene và nhiều hydrocacbon nhẹ, chủ yếu là methane Các hợp chất không phải hydrocacbon thơm trong nguyên liệu, như trong phân đoạn xăng C5+, sẽ bị phân hủy thành các parafin nhẹ (methane) mà không qua giai đoạn chiết dung môi Mục tiêu là thu được benzene có độ tinh khiết cao, tuy nhiên điều này cũng dẫn đến việc tiêu thụ một lượng lớn hydrogen, trong khi các hợp chất lưu huỳnh sẽ chuyển hóa một phần thành H2S.

Nhiệt động học của phản ứng

Các phản ứng trong quá trình này thường tỏa nhiệt mạnh, với nhiệt độ phản ứng hydrocracking khoảng ΔH = -190 ÷ -230 kJ/mol Tuy nhiên, có những phản ứng như tạo hydrocarbon thơm khối lượng phân tử lớn và phân hủy methane thành carbon và hydro, lại thu nhiệt nhẹ Tất cả các phản ứng này diễn ra ở nhiệt độ cao khoảng 650°C và có thể được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh áp suất, với áp suất lý tưởng cho quá trình dao động từ 5 đến 6 MPa.

Các công nghệ hydrodealkyl hóa

Các quá trình hydrodealkyl hóa hiện nay có thể chia làm 2 loại: Hydrodealkyl hóa nhiệt (thermal hydrodealkylation – THDA) và Hydrodealkyl hóa có xúc tác (hydrodealkylation – HDA).

1.3.1 Quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác

Hiện nay, với quá trình hydrodealkyl hóa có xúc tác, các nhà máy đang sử dụng chủ yếu các công nghệ của Shell, UOP, Houdry và BASF. i Xúc tác

Xúc tác được tổng hợp từ dạng tinh thể (hạt) thông qua nhiều phương pháp khác nhau như ngâm tẩm và kết tủa Chất mang thường được sử dụng là nhôm-silic oxide, trong khi các tâm xúc tác bao gồm các đơn phân tử hoặc sự kết hợp giữa các kim loại nhóm B như Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Ir, Rh, Cu, cùng với một số ít oxit khác.

Bài tập lớn - Khống chế và Điều khiển quá trình Lớp: 17H4

Do có mặt xúc tác nên điều kiện phản ứng không khó khăn như hydrodealkyl nhờ tác dụng của nhiệt độ. ii Điều kiện phản ứng

Các điều kiện phản ứng (tùy từng công nghệ với mỗi xúc tác của công ty mà có sự khác nhau):

-Vận tốc dòng: 3-8 thể tích toluen với 1 thể tích xúc tác/1h iii Hiệu suất

Qua thí nghiệm phản ứng hydrodeakylation với các điều kiện:

- Xúc tác: sử dụng chất mang là hỗn hợp MgO – Al 2 O 3

1.3.2 Quá trình hydrodealkyl hóa nhiệt

Các công ty hàng đầu như Atlantic Richfield, Hydrocabron Research Inc, Mitsubishi, Chioda và Gulf Oil đã phát triển và thương mại hóa công nghệ hydrodealkyl hóa nhiệt Điều kiện vận hành của công nghệ này chủ yếu bao gồm các thông số kỹ thuật và môi trường làm việc cụ thể.

• Nhiệt độ dòng vào thiết bị ̣ phản ứng 620 o C nhiệt độ tối đa 730÷750 o C

• Thời gian lưu trung bình 25 ÷ 30 giây

• Tỷ lệ mol H 2 /hydrocarbon trong dòng vào thiết bị ̣ là 4

• Độ tinh khiết tối thiểu của dòng hydro là 50 ÷60%.

Sản phẩm benzene có độ tinh khiết rất cao, và hiệu suất quá trình đạt tới 98%, độ chuyển hóa cũng đạt tới 80%.

1.3.3 Một số công nghệ điển hình của quá trình hydrodealkyl hóa toluene

Cả hai loại quá trình này đều tuân theo một sơ đồ nguyên lý chung, mặc dù có sự khác biệt về điều kiện phản ứng Tùy thuộc vào nguyên liệu, công nghệ có thể chỉ bao gồm một sơ đồ đơn giản hoặc tích hợp thêm bộ phận xử lý phân đoạn xăng nhiệt phân C5+ nhằm loại bỏ các diolefin, hợp chất lưu huỳnh bền vững, hợp chất nitro và oxy thông qua quá trình hydro hóa chọn lọc.

GIỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE BẰNG CÔNG NGHỆ HYDRODEALKYL HÓA TOLUENE

Giới thiệu sơ lược

Hydrodealkyl hóa toluene (HDA) là một quá trình được sử dụng để sản xuất benzene Phản ứng chính trong quá trình là:

Toluene và hydrogen được chuyển đổi thành benzene và methane trong lò phản ứng có chất xúc tác, với độ chuyển hóa đạt khoảng 90% Phản ứng này tỏa nhiệt cao và thường diễn ra ở nhiệt độ từ 500°C đến 660°C, cùng với áp suất từ 20 đến 60 bar Hình 1 minh họa sơ đồ khối của quy trình HDA.

Hình 1 Sơ đồ khối của quy trình dehydroalkyl hóa toluene sản xuất benzene.

Quá trình HDA khởi đầu bằng việc trộn toluene tinh khiết với dòng toluene hồi lưu trong một bể chứa Tiếp theo, toluene được bơm để kết hợp với hỗn hợp hydrogen hồi lưu và khí hydrogen tinh khiết.

Trang | Trước khi đưa vào lò phản ứng, 12 hydrogen và toluene được làm nóng sơ bộ Trong lò, nhiệt độ được nâng lên đến 600 độ C, đây là nhiệt độ cần thiết cho phản ứng chính diễn ra.

Phản ứng này không xảy ra tự nhiên và cần có chất xúc tác để tiến hành Các chất xúc tác có thể bao gồm oxit crom, molypdenum, platinum, oxit platinum, silica hoặc nhôm Ngoài ra, còn có một phản ứng phụ thuận nghịch khác thường được ghi nhận.

Quá trình phản ứng có xúc tác diễn ra ở nhiệt độ thấp, mang lại độ chọn lọc cao nhưng cần tái sinh xúc tác thường xuyên Sau khi sản phẩm được làm lạnh, chúng được đưa vào bình tách để tách hydrogen chưa phản ứng Một phần hydrogen này được néé́n và tái chế về nguồn cấp nguyên liệu và lò phản ứng Các sản phẩm sau khi tách được làm nóng trước khi vào tháp chưng cất, nơi toluene được tách ra và thu hồi về nguồn cấp nguyên liệu, giúp tăng cường độ chuyển hóa Tiếp theo, quá trình tách methane và toluene ra khỏi sản phẩm benzene diễn ra Gia nhiệt được thực hiện bằng hơi nước áp suất thấp, cao và trung bình, trong khi làm mát sử dụng nước ở nhiệt độ 30°C và áp suất 1 bar.

2.2 Xác định các kiểu thiết bị chính sử dụng trong phân xưởng, số lượng từng thiết bị, một số nhận xét đặc biệt (nếu có)

Hình 2 Sơ đồ PFD của quá trình dehydroalkyl hóa toluene sản xuất benzene.

Từ sơ đồ PFD, xác đị ̣nh được các kiểu thiết bị ̣ chính trong phân xưởng:

Bài tập lớn - Khống chế và Điều khiển quá trình

Bảng 1: Các kiểu thiết bị ̣ chính trong phân xưởng

Tên thiết bị (số lượng)

Tháp chưng cất (1) Thiết bị ̣ phản ứng (1) Thiết bị ̣ gia nhiệt (6)

Lò đốt (1) Máy néé́n (2) Bơm (4)

C - Máy néé́n hoặc Tua bin

E - Thiết bị ̣ trao đổi nhiệt

Y - chỉ đị ̣nh một khu vực trong nhà máy

ZZ là ký hiệu số cho mỗi vật phẩm trong một loại trang bị ̣

A / B : xác đị ̣nh các thiết bị ̣ hoạt động song song hoặc dự phòng không được hiển thị ̣ trên PFD

Trong quá trình hoạt động của nhà máy, sẽ có nhiều sửa đổi trong quy trình, dẫn đến việc cần thay thế hoặc loại bỏ thiết bị xử lý Khi thiết bị cũ bị hao mòn và được thay thế bằng thiết bị mới với chức năng tương tự, thiết bị mới thường sẽ kế thừa tên và số của thiết bị cũ, với một chữ cái bổ sung (ví dụ: H-101 có thể trở thành H-101A) Tuy nhiên, nếu có sửa đổi quy trình quan trọng, thiết bị mới sẽ được đặt tên và số mới.

Các nhà vận hành đã báo cáo về những vấn đề thường xuyên xảy ra với thiết bị E-102, và những vấn đề này sẽ được điều tra PFD cho khu vực 100 của nhà máy đã được xem xét, xác định E-102 là "Thiết bị làm mát nước thải của lò phản ứng" Dòng quá trình vào thiết bị làm mát bao gồm hỗn hợp khí ngưng tụ và không ngưng tụ ở nhiệt độ 654 °C, được ngưng tụ để tạo thành hỗn hợp hai pha, với chất làm mát là nước ở 30 °C Những điều kiện này thể hiện một vấn đề truyền nhiệt phức tạp Hơn nữa, áp suất trên E-102 đã giảm và dao động mạnh tại một số thời điểm, gây khó khăn trong việc kiểm soát quá trình.

Trong bài tập lớn về khống chế và điều khiển quá trình của lớp 17H4, cần thay thế thiết bị E-102 bằng hai bộ trao đổi nhiệt riêng biệt Bộ trao đổi nhiệt đầu tiên sẽ làm mát khí thải và tạo ra hơi nước cần thiết cho nhà máy, trong khi bộ trao đổi thứ hai sử dụng nước làm mát để đạt nhiệt độ thoát ra mong muốn là 38 °C Các thiết bị trao đổi này sẽ được ký hiệu là E-107 cho lò hơi nước thải của lò phản ứng và E-108.

(thiết bị ̣ ngưng tụ nước thải của lò phản ứng).

2.3 Xác định số lượng các dòng công nghệ, các kiểu dòng phụ trợ có mặt trong phân xưởng (sử dụng PFD)

Bảng 2: Dòng công nghệ và dòng phụ trợ

Biểu tượng hình kim cương chứa số bên trong: sơ đồ PFD  19 dòng.

Hướng dòng chảy được thể hiện bằng các mũi tên trên đường đi của dòng chảy.

Ký hiệu lps đại diện cho hơi nước áp suất thấp với mức áp suất 3–5 bar tương đối, trong khi mps chỉ hơi nước áp suất trung bình từ 10–15 bar Ký hiệu hps ám chỉ hơi nước áp suất cao với áp suất 40–50 bar Đối với môi trường truyền nhiệt hữu cơ, ký hiệu htm cho biết nhiệt độ có thể lên tới 400°C Nước làm mát, ký hiệu cw, được lấy từ tháp giải nhiệt ở 30°C và trả lại ở nhiệt độ thấp hơn 45°C Ký hiệu rw biểu thị nước sông với nhiệt độ 25°C, trả lại ở mức dưới 35°C Nước lạnh, ký hiệu rb, có nhiệt độ 5°C và được trả lại dưới 15°C Nước muối lạnh, ký hiệu cs, có nhiệt độ -45°C và trả lại dưới 0°C Cuối cùng, ss biểu thị hóa chất nước thải có COD cao.

Nước thải vệ sinh với BOD cao, v.v.

Bài tập lớn - Khống chế và Điều khiển quá trình Lớp: 17H4 el bfw ng fg fo fw

Nước cấp cho nồi hơi

*Các áp suất này được thiết lập trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và các giá trị ̣ điển hình khác nhau trong thời gian thử nghiệm.

† Trên 45°C, hiện tượng đóng cặn đáng kể xảy ra.

2.4 Mô tả hoạt động của phân xưởng (trên cơ sở phân tích các sơ đồ PFD)

Chuẩn bị nguyên liệu cho lò phản ứng :

Quy trình bắt đầu bằng việc kết hợp 108,7 kmol/giờ của dòng toluene tinh khiết ở

25 0 C và 1,9 bar; với dòng hồi lưu của toluene chưa phản ứng trong bể chứa V-101 ở

Toluene được bơm qua máy bơm P-101A/B với áp suất xả 25,5 bar, kết hợp với dòng hydrogen tinh khiết và hydrogen hồi lưu Dòng hai pha sau đó được làm nóng ở E-101 đến 163,9 o C bằng hơi nước áp suất cao 45 o C, tạo ra dòng một pha do toluene đã bị hóa hơi Tiếp theo, dòng này được đưa vào lò đốt H-101, nơi sử dụng không khí để đốt cháy khí nhiên liệu, nâng nhiệt độ dòng lên 600 o C Cuối cùng, nguyên liệu cho lò phản ứng đã được chuẩn bị với áp suất 24,81 bar và nhiệt độ 600 o C, cần thiết cho phản ứng diễn ra.

Dòng chất được đưa vào thiết bị phản ứng R-101, một bình thẳng đứng chứa đầy chất xúc tác, nơi diễn ra phản ứng chính trong quá trình sản xuất benzene.

Phản ứng giữa toluene và hydrogen tạo ra benzene và methane là một quá trình tỏa nhiệt có xúc tác, trong đó hydrogen được bơm vào lò phản ứng với tốc độ 40,4 kmol/giờ, ở nhiệt độ 44,96 oC và áp suất 25,5 bar Dòng thoát ra có áp suất 24,81 bar và nhiệt độ 671 oC, chứa methane, benzene, toluene và hydrogen, với hiệu suất chuyển đổi khoảng 75% Sau đó, quá trình chuyển sang giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị tách, bắt đầu bằng việc đưa dòng vào thiết bị trao đổi nhiệt nước làm mát E-102, giúp làm lạnh sản phẩm xuống 38 oC, từ đó ngưng tụ phần lớn toluene và benzene.

Giai đoạn cuối cùng của quá trình - sự phân tách:

Trong giai đoạn này, sản phẩm cần được tách ra khỏi các thành phần chưa phản ứng, cụ thể là benzene được tách từ toluene, hydrogen không phản ứng và methane - sản phẩm phụ Quá trình này diễn ra trong thiết bị tách pha áp suất cao V-102, nơi hơi và chất lỏng được phân tách Hydrogen và methane chủ yếu thoát ra ở phía trên, trong khi toluene và benzene chủ yếu ở phía dưới Dòng khí tách ra trên cao được chia thành hai nhánh; một nhánh được nén đến 25,5 bar trong máy nén C-101A/B và hồi lưu về nguồn cấp liệu và thiết bị phản ứng, nhánh còn lại là khí nhiên liệu Quá trình phân ly diễn ra ở nhiệt độ 38°C và áp suất 23,9 bar.

Dòng khí được tách ra một phần và đưa vào thiết bị phân tách thứ hai, V-103, nơi chủ yếu tách khí methane và hydrogen Thiết bị này hoạt động ở áp suất thấp, cho phép chất lỏng thoát ra bao gồm toluene, benzene, và một số vết hydrogen và methane hòa tan Quá trình tách tiếp tục bằng cách đun nóng dòng trong thiết bị trao đổi nhiệt E-103, trước khi đưa vào tháp chưng cất T-101 Dòng được làm nóng đến 90°C bằng hơi nước áp suất thấp Tháp chưng cất, với 42 đĩa, được sử dụng để tinh chế benzene bằng cách tách các thành phần không phản ứng và sản phẩm phụ Toluene được thu hồi dưới dạng lỏng ở đáy tháp ở nhiệt độ 112°C và áp suất 2,43 bar, trong khi phần trên chứa benzene cùng các vết hydrogen và methane được ngưng tụ trong E-104.

112 o C và áp suất 2,5 bar Nước làm mát được sử dụng để ngưng tụ hơi thoát ra khỏi cột.

Sau khi tách ra, một lượng hydrogen và methane còn lại được xử lý trong thùng hồi lưu V-104 Dòng hơi này được kết hợp với các dòng khí từ thiết bị phân tách V-102 và V-103, tạo thành khí nhiên liệu Dòng chất lỏng từ đáy thùng hồi lưu được bơm lên áp suất 3,3 bar và chia thành hai dòng: một dòng vào khay một của cột, dòng còn lại được làm lạnh xuống 38°C trong bộ trao đổi nhiệt E-105 Dòng sản phẩm đã được làm lạnh sau đó được đưa đến kho lưu trữ.

2.5 Xây dựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ Hydrodealkyl hóa Toluene.

Dùng phần mềm PRO II, thu được sơ đồ mô phỏng PFD (Hình 3):

Hình 3 PFD mô phỏng cho quá trình hydrodealkyl hóa toluene.

Mô tả hoạt động của phân xưởng (trên cơ sở phân tích các sơ đồ PFD)

Chuẩn bị nguyên liệu cho lò phản ứng :

Quy trình bắt đầu bằng việc kết hợp 108,7 kmol/giờ của dòng toluene tinh khiết ở

25 0 C và 1,9 bar; với dòng hồi lưu của toluene chưa phản ứng trong bể chứa V-101 ở

Toluene được bơm qua máy bơm P-101A/B với áp suất xả 25,5 bar, kết hợp với dòng hydrogen tinh khiết và hydrogen hồi lưu Dòng hai pha này được làm nóng tại E-101 đến 163,9 o C bằng hơi nước áp suất cao ở 45 o C Sau khi hóa hơi, dòng một pha được đưa vào lò đốt H-101, nơi không khí được sử dụng để đốt cháy khí nhiên liệu, tạo đủ nhiệt để nâng nhiệt độ lên 600 o C Cuối cùng, dòng đạt được áp suất 24,81 bar và nhiệt độ 600 o C, sẵn sàng cho phản ứng diễn ra.

Dòng nguyên liệu được đưa vào thiết bị phản ứng R-101, một bình thẳng đứng chứa đầy chất xúc tác, nơi diễn ra phản ứng chính trong quá trình sản xuất benzene.

Phản ứng giữa toluene và hydrogen tạo ra benzene và methane là một quá trình tỏa nhiệt có sự xúc tác, trong đó nhiệt độ được kiểm soát bằng cách bơm hydrogen vào lò phản ứng với lưu lượng 40,4 kmol/giờ, nhiệt độ 44,96 oC và áp suất 25,5 bar Dòng sản phẩm thoát ra có áp suất 24,81 bar và nhiệt độ 671 oC, bao gồm methane, benzene, toluene và hydrogen, với hiệu suất chuyển đổi khoảng 75% Tiếp theo, quá trình chuyển sang giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu cho thiết bị tách, bắt đầu bằng việc đưa dòng sản phẩm vào thiết bị trao đổi nhiệt nước làm mát E-102, giúp làm lạnh dòng sản phẩm xuống 38 oC và ngưng tụ phần lớn toluene và benzene.

Giai đoạn cuối cùng của quá trình - sự phân tách:

Trong giai đoạn này, sản phẩm được tách biệt khỏi các thành phần chưa phản ứng, cụ thể là benzene được tách ra từ toluene, hydrogen không phản ứng và methane - sản phẩm phụ Quá trình tách này diễn ra trong thiết bị tách pha áp suất cao V-102, nơi hơi và chất lỏng được phân chia Ở phần trên, hydrogen và methane chủ yếu thoát ra, trong khi toluene và benzene tập trung ở phần dưới Dòng khí tách ra ở trên được chia thành hai dòng: một dòng được nén đến 25,5 bar trong máy nén C-101A/B để hồi lưu vào nguồn cấp liệu và thiết bị phản ứng, còn dòng còn lại là phần khí nhiên liệu Sự phân li diễn ra ở nhiệt độ 38°C và áp suất 23,9 bar.

Dòng khí được tách một phần và chuyển đến thiết bị phân tách V-103, nơi chủ yếu tách khí methane và hydrogen Thiết bị này hoạt động ở áp suất thấp, cho phép chất lỏng thoát ra bao gồm toluene, benzene và một lượng nhỏ hydrogen, methane hòa tan Quá trình tách tiếp tục khi dòng khí được đun nóng trong thiết bị trao đổi nhiệt E-103 lên đến 90 °C, sử dụng hơi nước áp suất thấp Sau đó, dòng khí được đưa vào tháp chưng cất T-101 để tinh chế benzene, loại bỏ các thành phần không phản ứng và sản phẩm phụ Tháp chưng cất có 42 đĩa, cùng với thiết bị đun sôi lại E-106, bình ngưng tụ E-104, bình hồi lưu V-104 và bơm hồi lưu P-102A/B Toluene được thu hồi dưới dạng lỏng ở đáy tháp ở nhiệt độ 112 °C và áp suất 2,43 bar, trong khi phần trên chứa benzene cùng với một lượng nhỏ hydrogen và methane, được ngưng tụ trong E-104.

112 o C và áp suất 2,5 bar Nước làm mát được sử dụng để ngưng tụ hơi thoát ra khỏi cột.

Sau khi tách ra, một lượng hydrogen và methane còn lại được thu hồi trong thùng hồi lưu V-104 Dòng hơi này sau đó được kết hợp với khí từ phần trên của thiết bị phân tách thứ nhất V-102 và thiết bị phân tách thứ hai V-103 để tạo thành khí nhiên liệu Dòng chất lỏng từ đáy trống hồi lưu được bơm đến áp suất xả 3,3 bar và chia thành hai dòng: một dòng vào khay một của cột, dòng còn lại được làm lạnh xuống 38 oC trong bộ trao đổi nhiệt E-105 Cuối cùng, dòng sản phẩm đã được làm lạnh sẽ được đưa đến kho lưu trữ.

Xây dựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng sản xuất benzene bằng công nghệ

Dùng phần mềm PRO II, thu được sơ đồ mô phỏng PFD (Hình 3):

Hình 3 PFD mô phỏng cho quá trình hydrodealkyl hóa toluene.

MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT BENZENE BẰNG CÔNG NGHỆ DEHYDROALKYL HÓA

Giới thiệu về công cụ mô phỏng

3.1.1 Giới thiệu phần mềm PRO/II

PRO/II là phần mềm mô phỏng công nghệ hàng đầu do công ty SIMSCI phát triển từ năm 1967 Là thành viên của Intelligent Automation Division thuộc Invensys, SIMSCI chuyên cung cấp các giải pháp phần mềm ứng dụng trong các lĩnh vực như hóa dầu, thực phẩm và năng lượng.

Phần mềm PRO/II là công cụ mô phỏng chuyên dụng cho các kỹ sư trong lĩnh vực công nghệ hóa học, dầu khí và polymer Nó hỗ trợ từ việc tách dầu và khí cho đến quy trình chưng cất, kết hợp dữ liệu từ thư viện thành phần hóa học phong phú và áp dụng các phương pháp dự đoán thuộc tính nhiệt động học tiên tiến PRO/II cho phép tính toán dễ dàng các cân bằng vật chất và năng lượng, giúp mô phỏng quy trình ở trạng thái ổn định, đồng thời theo dõi, tối ưu hóa và cải thiện năng suất.

3.1.2 Các bước của quá trình mô phỏng trên PROII

B1: Xác đị ̣nh hệ đơn vị ̣ đo có 3 hệ ( Anh , Méé́t và SI) Tùy vào từng trường hợp để chọn hệ đơn vị ̣ thích hợp.

B2: Xác đị ̣nh thành phần cấu tử có trong hệ: được chọn từ nguồn dữ liệu phong phú các cấu tử của PRO/II.

B3: Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp: trên cơ sở hình thành phần hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ̣.

B4: Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm: xác đị ̣nh thành phần, trạng thái của các dòng.

B5: Xác đị ̣nh dữ liệu về thiết bị ̣ và điều kiện vận hành cho các thiết bị ̣.

Khai báo ban đầu và xác đị ̣nh số liệu đầu vào cho quá trình mô phỏng

3.2 Khai báo ban đầu và xác định số liệu đầu vào cho quá trình mô phỏng

3.2.1 Khai báo ban đầu: a chọn hệ đơn vị ̣ đo:

Nhiệt độ ở ºC nên chọn hệ METRIC, thay đổi đơn vị ̣ áp suất thành bar

(abs) b Cấu tử được sử dụng

STT 1 2 3 4 5 c Mô hình nhiệt động học Ở bài tập này, chúng em dùng mô hình nhiệt động SRK (Soave Roadlich Kwong). c Khai báo phản ứng

Khai báo phản ứng: Sử dụng công cụ trên thanh Standard Tool Bar

Khai báo Reaction Set Name: BZ_PROD

Khai báo Reaction Definition: Name: R1

3.2.2 Xác định các số liệu đầu vào của phân xưởng

Các dòng công nghệ - Process Streams: Lưu lượng, Thành phần, Nhiệt độ, Áp suất

Phân tích sơ đồ PFD và xác địị̣nh các dòng công nghệ cần khai báo đó là các dòng nguyên liệu và các dòng hồi lưu (Các dòng 1, 3, 5,

Lập bảng trình bày các thông số đầu vào của các dòng cần khai báo:

Bảng 3: Các thông số đầu vào của các dòng công nghệ

Lưu lượng cấu tử (Kmol/h)

Nhiệt độ (⁰C) Áp suất (Bar)

3.2.3 Các thiết bị có mặt trong phân xưởng:

Dựa trên phân tích các kiểu thiết bị trong phân xưởng, cần xác định loại thiết bị, số lượng và tiêu chuẩn của từng thiết bị dựa trên mục đích sử dụng và các thông số đầu vào, đầu ra tương ứng.

Lập bảng trình bày các các thông số đầu vào (tiêu chuẩn) của từng loạn thiết bị ̣:

1 Thiết bị ̣ phân tách (Flash)

Bảng 4: Số liệu đầu vào của các thiết bị ̣ phân tách

Tên thiết bị ̣ Tiêu chuẩn

2 Thiết bị ̣ trao đổi nhiệt (Chọn kiểu Simple HX)

Bảng 5: Số liệu đầu vào của các thiết bị ̣ trao đổi nhiệt

Bảng 7: Thông tin của thiết bị ̣ phản ứng

Kiểu thiết bị ̣ phản ứng (Chuyển hóa, cân bằng, khác ) Độ chuyển hóa - Conversion (%)

Bảng 8: Các thông tin của tháp chưng cất

Trở lức toàn bộ tháp P (Bar) hoặc

Kiểu ngưng tụ đỉnh: một phần hay hoàn toàn

Trở lực trên đỉnh tháp P (Bar)

Các tiêu chuẩn của sản phẩm (Specifications – Specs)

Cần bổ sung thông tin về các van trong sơ đồ, vì nhiều van có thể gây tổn thất áp suất do trở lực Các van đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển, giúp người điều khiển điều chỉnh các thông số của dòng chảy dựa vào van điều khiển.

Bảng 9: Các thông tin của các van

Tiêu chuẩn Trở lực qua van (Bar) Áp suất dòng ra (Bar)

Xây dựng sơ đồ mô phỏng và tính toán mô phỏng từng phần và toàn bộ phân xưởng

Ban đầu, các thông số đầu vào cho các dòng công nghệ được khai báo như trong bảng 2 Dòng toluene nguyên liệu (dòng 1) và dòng toluene hồi lưu (dòng 11) được dẫn vào bình V101, sau đó qua bơm P101 với hiệu suất 80% và áp suất 25.8 bar, để bơm vào thiết bị trộn Mixer M2 Trong Mixer M2, dòng Hydro (bao gồm dòng Hydro nguyên liệu - dòng 3 và dòng Hydro hồi lưu - dòng 5) cũng được trộn với toluene Hỗn hợp này sau đó được gia nhiệt qua thiết bị trao đổi nhiệt E101 bằng dòng hơi nước áp suất cao, với trở lực 0.3 bar, nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 225°C Dòng số 4 sau khi ra khỏi E101 được dẫn vào lò hơi H101, nơi có trở lực 0.2 bar, để gia nhiệt lên 600°C, đạt nhiệt độ phản ứng trước khi vào thiết bị phản ứng.

Bình phản ứng R101 hoạt động với hiệu suất 75% theo toluene và có trở lực 1 bar Dòng 6 từ lò gia nhiệt và dòng hydro (dòng 7) đi vào bình Sản phẩm ra từ thiết bị phản ứng (dòng 9) được dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt E102, làm lạnh hỗn hợp xuống 38 °C với tổn thất áp suất 0.1 bar Dòng lỏng sau đó được dẫn vào bình tách V102 để tách thành hai pha lỏng-hơi, không có trở lực Hỗn hợp lỏng tiếp tục qua van V1, điều chỉnh áp suất dòng ra đạt 2.9 bar, rồi vào bình tách V103 Hỗn hợp khí từ V102 được dẫn vào thiết bị tách khí Splitter 1, phân tách thành khí fuel gas và khí hydro Khí hydro qua máy nén C101 với hiệu suất 80% và áp suất ra 25.5 bar, sau đó qua van V2 và vào thiết bị Splitter 2 để tách thành hai dòng 5A và 7A Hỗn hợp lỏng vào bình tách V103 cũng được tách thành hai pha lỏng-hơi, trong đó dòng hơi là sản phẩm fuel gas, và dòng lỏng (dòng 18) được dẫn vào thiết bị gia nhiệt E103 để nâng nhiệt độ lên 90 °C trước khi vào tháp chưng cất, với tổn thất áp suất 0.3 bar khi qua E103.

Dòng nguyên liệu (dòng 10) vào tháp chưng cất T101 tại đĩa nạp liệu số 21, tháp có 42 đĩa với trở lực trung bình từ 5-20 mbar, chọn trở lực là 7 mmbar Sản phẩm ở đáy tháp là toluene, được hồi lưu làm nguyên liệu sản xuất (dòng 11) Sản phẩm ra khỏi đỉnh tháp được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ và đưa vào bình tách để tách khí fuel gas.

Sản phẩm benzene thu được từ quá trình là 26 lỏng, trong đó có dòng benzene hồi lưu về đỉnh tháp để điều chỉnh quy trình Dòng sản phẩm benzene được dẫn qua thiết bị gia nhiệt E105, nâng nhiệt độ lên 38°C với tổn thất áp suất là 0.2 bar Các dòng khí nhiên liệu từ các thiết bị khác được kết nối vào một ống dẫn khí để tạo ra sản phẩm cuối cùng Tính chất của các dòng công nghệ sẽ thay đổi sau khi qua từng thiết bị, và dòng ra sau mỗi thiết bị được tính toán dựa trên dòng vào cùng với tiêu chuẩn của thiết bị, đảm bảo rằng các số liệu được tự động tính toán cho đến dòng cuối cùng.

Sau khi mô phỏng trên ProII, ta có sơ đồ mô phỏng như sau:

Hình 4 Sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh phân xưởng sản xuất Benzene bằng công nghệ dehydroankyl hóa.

Bảng 10: Kết quả số liệu của các dòng thu được từ mô phỏng

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng và xác định độ tin cậy

3.4.1 Xác định các dòng công nghệ, tính chất của các dòng công nghệ để so sánh với số liệu của công nghệ tham khảo, so sánh và xác định sai số tươmg đối

Chúng em đã chọn các thông số nhiệt độ, áp suất và lưu lượng của dòng công nghệ số 5, số 7, số 11, cùng với lưu lượng cấu tử C6H6 và C7H8 của dòng số 15 để thực hiện so sánh.

Các dòng hồi lưu 5, 7 và 11 được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu trong mô phỏng, trong khi các dòng 5A, 7A, 11A là kết quả tính toán từ mô phỏng So sánh các dòng này giúp đánh giá tính chấp nhận của mô phỏng Lưu lượng cấu tử của dòng 15 cho biết độ phù hợp của sản phẩm tính toán từ mô phỏng Nếu sai số nhỏ hơn 5%, kết quả mô phỏng được coi là chấp nhận và đáng tin cậy.

KHAI THÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Xây dựng sơ đồ PFD có hệ thống điều khiển quá trình

Dựa trên bảng số liệu ở mục 4.1 và sơ đồ PFD đã cung cấp, chúng tôi đề xuất sơ đồ PFD cho hệ thống điều khiển quá trình sản xuất benzene từ toluene thông qua công nghệ hydrodealkyl hóa Bản vẽ PFD này sẽ thể hiện toàn bộ hệ thống điều khiển quá trình trong phân xưởng sản xuất.

Hình 5 Sơ đồ PFD đầy đủ cho hệ thống điều khiển quá trình sản xuất benzene bằng công nghệ dehydroankyl hóa.

Bảng 13: Giá trị ̣ cần điều khiển ở các thiết bị ̣

Kết luận

Qua quá trình tìm hiểu và trao đổi trong bài tập lớn này, nhóm em đã tiếp thu nhiều kỹ năng và kiến thức quan trọng về sản xuất benzene từ toluene thông qua công nghệ hydrodeakyl hóa Bên cạnh đó, nhóm em cũng cải thiện khả năng đọc PFDs và thực hiện mô phỏng quy trình.

Bài tập lớn về khống chế và điều khiển quá trình của lớp 17H4 tập trung vào việc trích xuất dữ liệu, xử lý số liệu và tối ưu hóa điều khiển Thực hiện bài tập này không chỉ giúp chúng em nâng cao kỹ năng làm việc nhóm mà còn cải thiện khả năng sử dụng Word, Excel và viết báo cáo hiệu quả.

Định dạng
Số trang	43
Dung lượng	611,67 KB