BÁO CÁO THỰC HÀNH CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS Sinh viên thực hiện: Lê Đức Tâm Chuyên ngành: Lọc – Hóa Dầu MSSV: 04PPR110013 Lớp: K4LHD Đề 22 - Quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp CO + H2 → CH3OH (1) CO2 + H2 → CH3OH + H2O (2) Độ chuyển hóa của phản ứng (1) và (2) theo CO và CO2 là 90.6% và 45.1%. Khí tổng hợp gồm 16%CO, 9%CO2, 75%H2 ở 30oC, 1 atm được nén hai cấp lên 10 MPa. Hỗn hợp khí trước khi vào thiết bị phản ứng được gia nhiệt bằng dòng khí nóng sau phản ứng lên đến 210oC. Hỗn hợp khí sau phản ứng được giảm áp đến 300 kPa, làm lạnh đến 25oC rồi vào tháp tách. Sản phẩm ra khỏi tháp tách được đưa vào tháp chưng cất MeOH. Áp suất của đỉnh tháp và đáy tháp là 180 kPa và 210 kPa. MeOH thu ở đỉnh tháp được đưa về áp suất khí quyển rồi chuyển vào thùng chứa. Thiết bị phản ứng làm việc trong chế độ đẳng nhiệt, được duy trì ở 250oC. 1. Xác định các thông số làm việc của tháp: số đĩa tối thiểu, số đĩa thực tế, đĩa nạp liệu tối ưu, chỉ số hồi lưu tối thiểu. 2. Xây dựng sơ đồ công nghệ trên. 3. Tính cân bằng vật liệu và cân bằng năng lượng toàn công nghệ 4. Dòng khí từ đỉnh tháp tách vẫn lẫn MeOH và nguyên liệu chưa phản ứng. Tuần hoàn lại dòng khí này vào trước máy nén thứ hai. 5. Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu được lượng MeOH lớn nhất. Các thiết bị trao đổi nhiệt có DeltaP = 70kPa.
Sơ đồ công nghệ và thuyết minh
Hình 1 Sơ đồ công nghệ quá trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp
Sơ đồ công nghệ quá trình tổng hợp methano từ khí tổng hợp được thể hiện như Hình 1
Các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ 250 độ C và áp suất 10 MPa (100 bar), với độ chuyển hóa của phản ứng (1) đạt 90,6% theo CO và phản ứng (2) đạt 45,1% theo CO2.
Giả định lưu lượng khí tổng hợp (Syngas) ban đầu là 100 kgmol/giờ và áp suất ban đầu là 1 atm Dòng khí này được nén qua 2 cấp: cấp 1 nén lên 5 MPa tại Comp-1 Sau khi nén, khí được làm lạnh xuống 70°C bằng Cooler 1 trước khi được trộn với dòng khí hồi lưu (Recycle) qua MIX.
Máy nén 2 cấp (Comp-2) được sử dụng để giảm nhiệt độ dòng khí sau khi nén cấp 1, nhằm đảm bảo hiệu quả nén ở cấp 2 với áp suất đạt 10Mpa Hỗn hợp khí (dòng 4) sẽ được gia nhiệt sau khi trải qua quá trình nén tại Comp-2.
Reactor hoạt động ở nhiệt độ 250 oC, và khí sau phản ứng (Reactor Outlet Gas) được tận dụng nhiệt từ dòng 4 Sau đó, khí này được đưa vào Expender để giảm áp xuống 0.3 Mpa và tiếp tục được làm lạnh xuống 25 oC trước khi vào thiết bị tách pha (Separator).
Dòng khí chính, bao gồm H2 và CO2, sẽ được nén và làm lạnh trước khi được hồi lưu để trộn với dòng khí phản ứng ban đầu Sau khi tách pha, dòng lỏng sẽ được đưa vào tháp chưng cất để sản xuất Methanol tinh khiết Cuối cùng, sản phẩm sẽ được giảm áp và giảm nhiệt xuống điều kiện môi trường trước khi được lưu trữ.
Sử dụng Shortcut Column để tính toán sơ bộ các thông số của tháp chưng cất như số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu.
Quy trình mô phỏng
Khai báo cấu tử
Nhập thành phần cấu tử: CO, CO2, H2, CH3OH và H2O như Hình 2
Hình 2 Khai báo cấu tử 2.2 Lựa chọn hệ nhiệt động
Hệ nhiệt động Peng-Robinson (PR) được lựa chọn vì nó có thư viện tính toán hỗ trợ đa dạng các hợp chất hydrocacbon Tất cả các cấu tử được khai báo trong bài đều tương thích và được hỗ trợ hoàn toàn bởi hệ nhiệt động PR.
Tại giao diện Simulation Basic Manager chọn Fluid Pkgs tab, sao đó bấm Add và chọn hệ nhiệt động cho bài mô phỏng là Peng-Robinson như Hình 3
Hình 3 Giao diện chọn Fluid Package 2.3 Khai báo phản ứng
Phản ứng tổng hợp Methanol được xem là phản ứng chuyển hóa, vì vậy cần thiết lập phản ứng loại Conversion Trong quá trình này, phản ứng (1) sẽ diễn ra trước, sau đó là phản ứng (2), tạo thành một gói phản ứng hợp lý và hiệu quả.
Tại giao diện Simulation Basis Manager chọn tab Reaction như hình 4
Hình 4 Giao diện Reaction tab
Để bắt đầu, chọn "Add Rxn" và chọn loại phản ứng là "Conversion" Tiếp theo, giao diện "Conversion Reaction Rxn-1" sẽ xuất hiện Tại phần "Stoichiometry", bạn cần khai báo hệ số của phương trình phản ứng.
1 và độ chuyển hóa phản ứng 1 là 90.6% là tab Basic
Hình 5 Thiết lập phản ứng 1
Hình 6 Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 1
Phản ứng 2 được thực hiện tương tự như phản ứng 1 chỉ khác thông số
Hình 7 Thiết lập phản ứng 2
Hình 8 Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2
Sau khi thiết lập phản ứng hoàn tất, tiến hành thiết lập gói phản ứng bằng cách thêm Set và thêm hai phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 Để sắp xếp thứ tự phản ứng, cần thực hiện tại mục Ranking, trong đó phản ứng Rxn-1 sẽ được xếp hạng 0 vì nó diễn ra trước, và phản ứng Rxn-2 sẽ được xếp hạng 1.
Hình 9 Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets
Hình 10 Giao diện Reaction Sets
Hình 11 Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho 2 phản ứng
2.4 Vào môi trường mô phỏng (Return to Simulation Enviroment)
Tạo dòng khí tổng hợp đầu vào SynGas với thông số như hình 12 Với các thông số theo yêu cầu đề bài
Hình 12 Thông số dòng SynGas
Nhập các thông số máy nén Comp-1 như hình 13 với dòng vào là SynGas và dòng ra là 2
Sau khi tăng áp, nhiệt độ dòng 2 đạt 779.2 oC và được giảm xuống 70 oC để đảm bảo hiệu quả nén của Comp-2 Theo yêu cầu, tất cả thiết bị trao đổi nhiệt trong quá trình cần duy trì độ giảm áp là 70 kPa.
Hình 14 Giao diện Cooler-1 Connections
Sau đó Add Mixer để trộn khí đầu vào với dòng tuần hoàn Recycle từ tháp phân tách Seperator
Sau khi hoàn tất quá trình trộn, sản phẩm sẽ được chuyển đến máy nén Comp-2 để tiếp tục nén đạt áp suất 10Mpa (100 bar) Thông số của máy nén được thể hiện trong hình minh họa.
Tiếp tục Add Heat Exchanger để tận dụng nhiệt giúp dòng khí trước khi vào thiết bị phản
Exchanger Model là Exchanger Design (Weighted) để tránh bị lỗi Ft Correction Factor is low
Hình 18 Heat Exchanger Connections Design
Hình 19 Heat Exchanger Parameters Design
Để thêm thiết bị phản ứng, hãy chọn mục "General Reactors" và chọn "Conversion Reactor" Theo yêu cầu, thiết bị phản ứng hoạt động ở nhiệt độ 250 độ C, vì vậy cần thêm dòng năng lượng vào tháp để duy trì sự ổn định nhiệt Thông số kỹ thuật của thiết bị phản ứng sẽ được trình bày chi tiết.
Hình 20 Methanol Synthesis Reactor Connections Design
Hình 21 Methanol Synthesis Reactor Reaction Results
Sau đó giảm áp suất của dòng sản phẩm xuống 3 MPa bằng cách thêm Expander, Add Expander và thông số được thể hiện như Hình 22
Tiếp tục giảm nhiệt độ dòng khí sau phản ứng dòng 5 xuống 25 o C trước khi đến tháp tách pha bằng Cooler-2
Thêm thiết bị tách pha để phân tách dòng lỏng từ hỗn hợp chủ yếu gồm Methanol và nước, tách biệt khỏi dòng khí chủ yếu là H2 và CO2 Thiết bị Separator được thiết kế với các thông số cụ thể để tối ưu hóa quá trình tách pha.
The Separator Conditions Worksheet in Aspen Hysys is essential for calculating key distillation tower parameters, including the theoretical number of trays, actual number of trays, feed location, and minimum reflux ratio This tool, known as Shortcut, streamlines the analysis process for efficient distillation design.
Add Shortcut Distillation, sau đó khai báo thông số như Hình 26
Hình 26 Shortcut Column Parameters Design
Hình 27 Kết quả giả tính toán tháp chưng
Như vậy sau khi nhập thông số yêu cầu cho tháp chưng, kết quả được thể hiện như Hình
27 Toàn bộ thông số tháp chưng được thể hiện như bảng dưới đây
Bảng 1 Thông số tính toán tháp chưng bằng Shortcut Column
Thông số nhập Giá trị
Nồng độ cấu tử khóa nhẹ Methanol ở đấy 1%
Nồng độ cấu tử khóa nặng nước ở đỉnh 0.5% Áp suất đỉnh 1.8 bar Áp suất đáy 2.1 bar
Thông số kết quả Giá trị
Số đĩa lý thuyết 7.654 (làm tròn thành 8 đĩa)
Số đĩa thực tế 11.581 (làm tròn thành 12 đĩa)
Để tiếp tục quá trình, hãy thêm tháp chưng sau khi đã tính toán các thông số cần thiết tại vị trí nhập liệu 5.317 (Chọn đĩa 6 để tính toán) Tiến hành khai báo các thông số cho tháp chưng như các hình minh họa.
Hình 29 Distillation Column Monitor Design
Hình 30 Kết quả tháp chưng
Dòng sản phẩm Methanol được đưa vào môi trường với điều kiện nhiệt độ 35 độ C và áp suất 1 atm thông qua Cooler-4, như minh họa trong hình dưới đây.
Hình 32 Thông số dòng sản phẩm Methanol
Còn dòng khí tuần hoàn Vapour Seperator sẽ được đưa đến TEE-100 để điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn
Dòng khí tuần hoàn sau đó được đưa tới máy nén Comp-3 để tăng áp lên 5Mpa và Cooler-
3 để gảm nhiệt xuống 100 o C để phù hợp trộn với dòng sản phẩm đầu vào
Trước khi đưa về trộn với dòng sản phẩm đầu tại MIX-100, thêm công cụ logic Recycle để ổn định dòng tuần hoàn
Khai báo phản ứng
Phản ứng tổng hợp Methanol là một quá trình chuyển hóa, do đó cần thiết lập phản ứng loại Conversion Trong đó, phản ứng (1) sẽ diễn ra trước, tiếp theo là phản ứng (2) để hoàn thành quá trình tổng hợp.
Tại giao diện Simulation Basis Manager chọn tab Reaction như hình 4
Hình 4 Giao diện Reaction tab
Để bắt đầu, chọn "Add Rxn" và chọn loại phản ứng là "Conversion" Giao diện "Conversion Reaction Rxn-1" sẽ xuất hiện, tại đây bạn cần khai báo hệ số của phương trình phản ứng trong phần "Stoichiometry".
1 và độ chuyển hóa phản ứng 1 là 90.6% là tab Basic
Hình 5 Thiết lập phản ứng 1
Hình 6 Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 1
Phản ứng 2 được thực hiện tương tự như phản ứng 1 chỉ khác thông số
Hình 7 Thiết lập phản ứng 2
Hình 8 Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2
Sau khi hoàn tất thiết lập phản ứng, tiến hành thiết lập gói phản ứng bằng cách thêm Set và thêm hai phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 Để sắp xếp thứ tự phản ứng, chọn mục Ranking, trong đó phản ứng Rxn-1 sẽ được xếp hạng 0 vì diễn ra trước, và phản ứng Rxn-2 sẽ được xếp hạng 1.
Hình 9 Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets
Hình 10 Giao diện Reaction Sets
Hình 11 Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho 2 phản ứng
Vào môi trường mô phỏng (Return to Simulation Enviroment)
Tạo dòng khí tổng hợp đầu vào SynGas với thông số như hình 12 Với các thông số theo yêu cầu đề bài
Hình 12 Thông số dòng SynGas
Nhập các thông số máy nén Comp-1 như hình 13 với dòng vào là SynGas và dòng ra là 2
Sau khi tăng áp, nhiệt độ dòng 2 đạt 779,2 °C và được giảm xuống còn 70 °C để đảm bảo hiệu quả nén của Comp-2 Theo yêu cầu, tất cả thiết bị trao đổi nhiệt trong quá trình cần duy trì độ giảm áp là 70 kPa.
Hình 14 Giao diện Cooler-1 Connections
Sau đó Add Mixer để trộn khí đầu vào với dòng tuần hoàn Recycle từ tháp phân tách Seperator
Sau khi hoàn tất quá trình trộn, sản phẩm sẽ được chuyển đến máy nén Comp-2 để nén tiếp lên áp suất 10Mpa (100 bar) Các thông số liên quan đến quá trình này được thể hiện trong hình minh họa.
Tiếp tục Add Heat Exchanger để tận dụng nhiệt giúp dòng khí trước khi vào thiết bị phản
Exchanger Model là Exchanger Design (Weighted) để tránh bị lỗi Ft Correction Factor is low
Hình 18 Heat Exchanger Connections Design
Hình 19 Heat Exchanger Parameters Design
Để thêm thiết bị phản ứng, bấm vào General Reactors và chọn Conversion Reactor Do thiết bị phản ứng hoạt động ở nhiệt độ 250 °C, cần thêm dòng năng lượng vào tháp để ổn định nhiệt Thông số kỹ thuật của thiết bị phản ứng được trình bày rõ ràng.
Hình 20 Methanol Synthesis Reactor Connections Design
Hình 21 Methanol Synthesis Reactor Reaction Results
Sau đó giảm áp suất của dòng sản phẩm xuống 3 MPa bằng cách thêm Expander, Add Expander và thông số được thể hiện như Hình 22
Tiếp tục giảm nhiệt độ dòng khí sau phản ứng dòng 5 xuống 25 o C trước khi đến tháp tách pha bằng Cooler-2
Thêm thiết bị tách pha để phân tách dòng lỏng chủ yếu gồm Methanol và nước ra khỏi dòng khí chủ yếu là H2 và CO2 Thiết bị tách pha này cần được cấu hình với các thông số kỹ thuật phù hợp để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình tách biệt.
The Separator Conditions Worksheet is essential for calculating key distillation tower parameters, including the theoretical number of trays, actual tray count, feed location, and minimum reflux ratio Aspen Hysys offers a tool called Shortcut to facilitate these calculations effectively.
Add Shortcut Distillation, sau đó khai báo thông số như Hình 26
Hình 26 Shortcut Column Parameters Design
Hình 27 Kết quả giả tính toán tháp chưng
Như vậy sau khi nhập thông số yêu cầu cho tháp chưng, kết quả được thể hiện như Hình
27 Toàn bộ thông số tháp chưng được thể hiện như bảng dưới đây
Bảng 1 Thông số tính toán tháp chưng bằng Shortcut Column
Thông số nhập Giá trị
Nồng độ cấu tử khóa nhẹ Methanol ở đấy 1%
Nồng độ cấu tử khóa nặng nước ở đỉnh 0.5% Áp suất đỉnh 1.8 bar Áp suất đáy 2.1 bar
Thông số kết quả Giá trị
Số đĩa lý thuyết 7.654 (làm tròn thành 8 đĩa)
Số đĩa thực tế 11.581 (làm tròn thành 12 đĩa)
Vị trí nhập liệu 5.317 (Chọn đĩa 6 để tính toán) là bước đầu tiên trong quá trình tính toán các thông số cần thiết cho tháp chưng Sau khi hoàn thành tính toán, hãy thêm tháp chưng vào để tiếp tục quy trình Để thực hiện điều này, chọn "Add Distillation Column" và khai báo các thông số theo hướng dẫn trong các hình ảnh minh họa.
Hình 29 Distillation Column Monitor Design
Hình 30 Kết quả tháp chưng
Dòng sản phẩm Methanol được điều chỉnh về điều kiện môi trường với nhiệt độ 35 độ C và áp suất 1 atm thông qua Cooler-4, như minh họa trong hình dưới đây.
Hình 32 Thông số dòng sản phẩm Methanol
Còn dòng khí tuần hoàn Vapour Seperator sẽ được đưa đến TEE-100 để điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn
Dòng khí tuần hoàn sau đó được đưa tới máy nén Comp-3 để tăng áp lên 5Mpa và Cooler-
3 để gảm nhiệt xuống 100 o C để phù hợp trộn với dòng sản phẩm đầu vào
Trước khi đưa về trộn với dòng sản phẩm đầu tại MIX-100, thêm công cụ logic Recycle để ổn định dòng tuần hoàn
Một số lỗi gặp khi mô phỏng
Lỗi Ft correction Factor is low
Xuất hiện khi có các dòng trao đổi nhiệt xuất hiện 1 dòng bị đổi pha trong quá trình trao đổi nhiệt
Hình 40 Lỗi Ft Correction Factor Is Low
Khắc phục: đổi mô hình trao đổi nhiệt từ End Point thành Weighted
Hình 41 Khắc phục lỗi Ft Correction is low
Lỗi Liquid in inlet stream
Lỗi này xuất hiện khi dòng vào của máy nén và Expander không hoàn toàn là pha khí
Hình 42 Lỗi Liquid in inlet stream
Khắc phục: điều chỉnh các thông số khác như nhiệt độ để dòng vào hoàn toàn ở pha khí.
