Tính cấp thiết của đề tài
Sản xuất methanol có thể sử dụng các cách sau:
1.Sản xuất từ khí tổng hợp:
2.Sản xuất trực tiếp từ CO2
Methanol, một loại hoá chất công nghiệp quan trọng, là thành phần chính trong nhiều sản phẩm như chất dẻo, chất kết dính và dung môi, đồng thời cũng được xem là nhiên liệu tiềm năng cho giao thông vận tải Từ năm 2004 đến 2009, nhu cầu tiêu thụ methanol (CH3OH) tại thị trường Việt Nam đã ghi nhận mức tăng trưởng ấn tượng, đạt trung bình 41% mỗi năm.
Dự báo nhu cầu methanol sẽ tăng từ 10.000 đến 35.000 tấn mỗi năm Công nghệ sản xuất methanol chủ yếu dựa vào khí tổng hợp, bao gồm CO, H2 và một lượng nhỏ CO2 Nhờ vào nguồn nguyên liệu đầu vào phong phú và giá thành thấp như nước và CO2, việc sản xuất methanol có thể được thực hiện trong nước Nếu có điều kiện tiếp cận các nguồn khí tự nhiên hoặc than, cùng với khả năng sản xuất điện tái tạo, việc chiết xuất CO2 từ không khí cũng trở nên khả thi.
Công nghệ sản xuất methanol từ khí tổng hợp mang lại năng suất cao, giúp giảm chi phí sản xuất và đồng thời góp phần bảo vệ môi trường.
Giới thiệu về methanol
Methanol hay còn gọi là rượu metylic, rượu gỗ, có công thức hóa học là
CH3OH, khối lượng phân tử M = 32.042 là một trong những nguyên liệu thô rất quan trọng.
1.2.1 Cấu tạo và đặc tính chung
- Methanol là chất đầu tiên của dãy đồng đẳng ancol no, đơn chất.
-Công thức phân tử : CH3OH
● Một số tính chất vật lý của Methanol:
TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA METHANOL
Cháy với ngọn lửa không màu Tan vô hạn trong nước
Dễ bay hơi, không màu, mùi nhẹ Rất độc: gây mù mắt, tử vong
Nhiệt độ đông đặc Tđđ = -97.68 0 C Điểm chớp cháy 11 0 C– 12 0 C Điểm tự phát cháy 385 0 C Độ nhớt(0 0 C) 87 NS/m 2
Khối lượng riêng 789 kg/m 3 Áp suất hơi (20 0 C) 13.02 kPa Áp suất tới hạn 8.097 MPa
Tỷ trọng chất lỏng (0 0 C, 101,3 Kpa) 0.81000 g/cm 2
Tỷ trọng chất lỏng (25 0 C, 101,3 Kpa) 0.78664 g/cm 2
Entanpi tiêu chuẩn (khí 25 0 C, 101.3kPa) -200.94 KJ/mol
Entanpi tiêu chuẩn (lỏng 25 0 C, 101.3kPa) 239.88 J.mol -1 K -1
Giới hạn nổ trong không khí 5.5 - 44%V
Methanol (CH3OH) là một rượu no đơn chức, với đặc điểm nổi bật là khả năng phản ứng nhờ vào nhóm chức (-OH) Các phản ứng của methanol chủ yếu diễn ra thông qua việc phân chia liên kết C-O và O-H, thường dẫn đến sự thay thế bởi các nhóm (-H) hoặc (-OH).
Tính axit và phản ứng tạo muối.
Methanol là một axit yếu, với khả năng phân ly kém hơn cả nước do ảnh hưởng của gốc alkyl với hiệu ứng +1 Hiệu ứng này dẫn đến sự giảm thiểu tính phân cực của liên kết O-.
H Khi thay thế nguyên tử H trong nhóm -CH3 của methanol cũng thay đổi. Methanol có tính axit yếu, nó tác dụng được với kim loại kiềm
Phản ứng tạo thành ether.
Methanol có thể phân hủy khi có mặt H2SO4 đặc sẽ tạo thành ether.
Phản ứng tạo dẫn xuất halogen
Methanol có thể tác dụng với hydrohalogen tạo thành methylhalogenua.
CH3OH + HBr CH3OBr + H2O
Phản ứng dehydrat hóa tạo thành anken
Methanol có thể bị dehydrat hóa theo phản ứng
2CH3OH C2H2 +2H2O Để thực hiện phản ứng trên, người ta cho hơi methanol đi qua Al2O3 nung nóng hoặc đun methanol với axitsunfuric đặc.
Phản ứng oxi hóa chỉ dùng trong công nghiệp, trong điều kiện thí nghiệm người ta dùng các chất oxi hóa KMnO4 + H2SO4 hoặc K2Cr2O7 + H2SO4, khi đó:
Hơi methanol đi qua cột chứa xúc tác đồng (Cu) ở nhiệt độ 300 o C, sẽ bị tách hydro tạo thành andehyt:
Methanol là loại rượu đơn giản nhất, tồn tại dưới dạng lỏng phân cực ở nhiệt độ phòng Nó được ứng dụng rộng rãi như một chất chống đông, dung môi và nhiên liệu, đồng thời cũng được sử dụng để biến tính etanol Ngoài ra, methanol còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất diesel sinh học thông qua phản ứng este hóa.
Ngày nay, methanol ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hóa chất và đời sống hàng ngày Methanol đang dần thay thế dầu mỏ trong nhiều ứng dụng, bao gồm làm dung môi cho sơn và vecni, chất kết dính, cũng như trong việc điều chế phẩm nhuộm và dược phẩm, bên cạnh nhiều sản phẩm khác.
Methanol được sản xuất tự nhiên bởi quá trình chuyển hóa của nhiều loại vi khuẩn kỵ khí và thường có mặt trong môi trường Nghiên cứu cho thấy, một lượng nhỏ methanol tồn tại trong bầu khí quyển Sau vài ngày, methanol trong không khí sẽ bị oxy hóa dưới tác động của ánh sáng Mặt Trời, chuyển đổi thành khí carbonic và nước.
Methanol dùng làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp hóa học
Methanol serves as a crucial feedstock in chemical synthesis, with approximately 70% of its production dedicated to the manufacturing of formaldehyde, MTBE, acetic acid, methyl methacrylate, and dimethyl terephthalate.
Methanol là nguyên liệu quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ, bao gồm formaldehyde (HCHO), các metyleste của axit vô cơ, trimetylphotphua, natri metoxit (CH3ONa), metyl halogenua (CH3X) và etylen.
Methanol được sử dụng như một nguồn năng lượng
Methanol sử dụng làm nguyên liệu cho động cơ xăng:
Việc sử dụng methanol làm nhiên liệu cho động cơ ô tô đã được nhắc đến từ những năm 1920, nhưng chủ yếu giới hạn ở các động cơ cao cấp như xe đua và máy bay Quá trình cháy của methanol trong động cơ đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong thời gian dài, khiến methanol trở thành nguyên liệu lý tưởng cho nhiều loại động cơ Với nhiệt hóa hơi cao và năng suất tỏa nhiệt thấp, methanol rất thuận lợi cho hoạt động của các loại mô tô.
Methanol có thể được ứng dụng trong nhiều hỗn hợp với sản phẩm dầu mỏ thông thường.
Một bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng methanol là quy trình Lurgi octamix, trong đó sử dụng xúc tác bôi trơn cùng với các điều kiện hỗ trợ như nhiệt độ cao và nồng độ thích hợp.
Trong quá trình tổng hợp methanol, nồng độ CO2 thấp và CO cao cho phép tạo ra hỗn hợp có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu động cơ Sự hiện diện của các ancol cao hơn không chỉ không làm tăng chỉ số octan mà còn đóng vai trò như chất hòa tan methanol Tuy nhiên, quy trình này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp quy mô lớn.
Methanol có khả năng hoạt động như một tác nhân hấp phụ trong thiết bị rửa khí, giúp tách CO2 và H2S ở nhiệt độ thấp Ưu điểm này của methanol trong quá trình tinh chế khí cho phép thực hiện mà không cần các quá trình chuyển hóa sâu hơn.
Một lượng lớn methanol được sử dụng làm chất bảo vệ đường ống dẫn khí tự nhiên chống lại sự hình thành hydrat ở nhiệt độ thấp
Methanol được thêm vào khí tự nhiên tại các trạm bơm để tạo thành dạng lỏng trong hệ thống ống dẫn, giúp thu hồi hiệu quả ở cuối đường ống Mặc dù methanol có ứng dụng hạn chế như một dung môi, nhưng các hỗn hợp chứa methanol lại có thể được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% khối lượng vật chất thông thường và hơn 90% số lượng nguyên tử Nguyên tố này có mặt nhiều trong các ngôi sao và hành tinh khí khổng lồ, nhưng chỉ chiếm một lượng rất nhỏ trong khí quyển Trái Đất (1 ppm theo thể tích) Nguồn chủ yếu của hydro trên Trái Đất là nước (H2O), với hai phần hydro và một phần oxy Ngoài ra, hydro cũng có mặt trong các chất hữu cơ, than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên, trong đó metan (CH4) là một nguồn quan trọng.
Tính chất vật lý Tính chất hóa học
Hidro là chất khí , không màu , không mùi , không vị, nhẹ hơn không khí 14.5 lần, tan rất ít trong nước.
H2 có tính khử, có thể chiếm oxi của oxit các kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động hóa học VD: FeO+ H2→Fe +H2O
Tác dụng với O2 tạo thành
H2O, với tỷ lệ thích hợp có thể gây nổ VD: 2H2 + O2 2H2O Tỷ lệ 2:1 sẽ gây nổ mạnh.
Tác dụng với Halogen tạo
VD: H2+ Cl2 2HCl. b) Cacbon đioxit (CO2)
Cacbon điôxit (CO2), còn được gọi là than khí, anhydride cacbonic hay khí cacbonic, là một hợp chất hóa học phổ biến trong khí quyển Trái Đất ở trạng thái khí, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxy Ở dạng rắn, cacbon điôxit được biết đến với tên gọi băng khô.
Cấu trúc phân tử của cacbon đioxit:
Tỷ trọng riêng (25 0 C) : 1.98 kg/m -3 , nặng hơn không khí khoảng 1.5 lần.
Ở nhiệt độ dưới -78 °C, cacbon đioxit chuyển hóa thành băng khô, một dạng tinh thể màu trắng Để tạo ra cacbon đioxit lỏng, cần áp suất trên 5.1 bar; ở điều kiện áp suất khí quyển, cacbon đioxit thăng hoa trực tiếp từ trạng thái khí sang rắn và ngược lại.
Nước có khả năng hấp thụ cacbon đioxit, đặc biệt là khi khí bị nén, với khoảng 1% cacbon đioxit hòa tan chuyển hóa thành axit cacbonic Axit cacbonic sau đó phân ly thành các ion bicacbonat (HCO3 -) và cacbonat (CO3 2-).
Cacbon đioxit (CO2) được sinh ra từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm khí thải từ núi lửa, sản phẩm cháy của hợp chất hữu cơ và quá trình hô hấp của sinh vật hiếu khí Một số vi sinh vật cũng sản xuất CO2 qua sự lên men và hô hấp tế bào Thực vật hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp, sử dụng cacbon và oxy để tạo ra cacbohyđrat, đồng thời giải phóng oxy trở lại khí quyển, phục vụ cho quá trình hô hấp của sinh vật dị dưỡng, tạo thành một chu trình khép kín CO2 hiện diện trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và đóng vai trò như một khí gây hiệu ứng nhà kính, là thành phần chính trong chu trình cacbon.
Monoxit cacbon (CO) là một khí không màu, không mùi, dễ cháy và có độc tính cao Chất này hình thành chủ yếu từ quá trình cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon.
Cấu trúc phân tử CO được giải thích rõ ràng qua thuyết quỹ đạo phân tử, với độ dài liên kết hóa học là 0.111 nm, cho thấy nó có đặc trưng liên kết ba một phần Phân tử này có momen lưỡng cực nhỏ, khoảng 0.112 Debye (3.74x10 -31 C.m), và thường được biểu diễn qua ba cấu trúc cộng hưởng khác nhau.
Lưu ý rằng quy tắc octet (quy tắc bộ tám) bị vi phạm đối với nguyên tử cacbon trong hai cấu trúc thể hiện bên phải.
Nó thể hiện tính khử khi phản ứng với các ôxít kim loại có độ hoạt động hóa học yếu ở nhiệt độ cao, như ôxít đồng (II).
1.3.2 Quá trình phản ứng tổng hợp methanol.
Quá trình tổng hợp methanol dựa trên hai phản ứng tỏa nhiệt sau:
CO+ 2H 2 ↔ CH 3 OH ; -∆H = 110,8 KJ(26,5 kcal/mol)
Phản ứng thứ hai là hệ quả của phản ứng thứ nhất và phản ứng thuận nghịch trong quá trình chuyển hóa CO thông qua hóa hơi nước.
Trong quá trình tổng hợp methanol từ khí tổng hợp, phản ứng chính sẽ tạo thành methanol.
Phản ứng CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O là phản ứng tỏa nhiệt, do đó, việc tăng áp suất và giảm nhiệt độ sẽ thúc đẩy quá trình này Ở điều kiện áp suất thấp, vốn đầu tư và giá thành sản phẩm sẽ giảm, giúp dễ dàng lựa chọn quy mô nhà máy phù hợp.
Nguồn hyđro cho quá trình tổng hợp methanol được cung cấp từ máy điện phân nước hoặc sản xuất xút, trong khi CO2 được thu thập từ khí thải của nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhà máy xi măng, quá trình lên men và không khí.
Để tăng tốc độ phản ứng của CO2, cần nâng cao nhiệt độ, tuy nhiên, nhiệt độ không được quá cao vì sẽ làm giảm đáng kể độ chọn lọc sản phẩm CH3OH.
1.3.2.1 Xúc tác của quá trình
Hai loại xúc tác chính được sử dụng trong công nghiệp:
Xúc tác Zn – Cr đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất methanol công nghiệp cho đến cuối những năm 1960 Đây là một hỗn hợp oxit kẽm và oxit crom, nhưng có hoạt tính tương đối thấp, yêu cầu nhiệt độ từ 300 đến 400 độ C và áp suất 30-40 MPa để đảm bảo chuyển hóa Tuy nhiên, điều này không kinh tế, dẫn đến việc hệ xúc tác này dần được thay thế bởi hệ xúc tác cơ sở Cu.
Xúc tác trên cơ sở đồng (Cu) có hoạt tính cao nhưng nhạy cảm với các chất độc như hợp chất lưu huỳnh và halogen Hệ xúc tác này mang lại độ chọn lọc cao hơn, ít sản phẩm phụ, và thời gian sống dài hơn, hoạt động hiệu quả ở điều kiện mềm với nhiệt độ từ 240-270 độ C và áp suất 5-10 MPa.
1.3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình
Nếu tăng nhiệt độ thì cân bằng dịch chuyển về phía phân ly MeOH, hiệu suất quá trình giảm.
Khi tăng áp suất cân bằng dịch chuyển về phía tạo thành MeOH
Thường chọn áp suất từ 5-35MPa.
Hiệu suất chuyển hóa của quá trình và thời gian tiếp xúc:
Chuyển hóa thực tế chỉ khoảng 15-20% trong thời gian tiếp xúc của các chất phản ứng từ 10-40 giây.
1.3.4 Thiết bị chính của quá trình
Các thiết bị phản ứng để tổng hợp methanol rất đa dạng, tùy thuộc vào phương pháp giải nhiệt và quy trình phản ứng được sử dụng.
Thiết bị phản ứng dạng ống
Thiết bị phản ứng đẳng áp
Thiết bị phản ứng để tổng hợp trong pha lỏng (hệ ba pha)
Giới thiệu chung về mô phỏng
2.1.1 Mô phỏng – mục đích của mô phỏng
Mô phỏng, hay còn gọi là Simulation, là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc thiết lập mô hình số, thường được gọi là Digital Simulation Đây là công cụ mạnh mẽ để giải quyết các biểu thức toán học liên quan đến các quá trình công nghệ hóa học Để thực hiện mô phỏng một quá trình thực tế, trước tiên cần thiết lập mô hình nguyên lý và xác định mối quan hệ giữa các thông số liên quan Sau đó, các công cụ toán học được sử dụng để mô tả mô hình nguyên lý và lựa chọn các thuật toán cần thiết.
Cuối cùng là tiến hành xử lý các biểu thức với các điều kiện ràng buộc
Trong thực tế, việc tính toán gặp hai khó khăn
- Thứ nhất đó là giải hệ các phương trình đại số phi tuyến tính (thường phải sử dụng phương pháp tính lặp)
Phép tính tích phân của các biểu thức vi phân giúp xấp xỉ các biểu thức vi phân liên tục bằng cách sử dụng các biểu thức vi phân hữu hạn rời rạc Các mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong mọi giai đoạn, từ nghiên cứu triển khai đến cải tiến phát triển nhà máy, và cũng trong việc nghiên cứu các khía cạnh thương mại và kinh tế của quá trình công nghệ.
Mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong mọi giai đoạn, từ nghiên cứu và triển khai đến cải tiến trong phát triển nhà máy, bao gồm cả việc phân tích các khía cạnh thương mại và kinh tế của quy trình công nghệ.
Trong nghiên cứu công nghệ, việc phân tích dữ liệu về cơ chế và động học của phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc tại các phân xưởng pilot là rất quan trọng Điều này giúp đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tiến hành quá trình, từ đó tối ưu hóa và kiểm soát quy trình hiệu quả hơn Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng bao gồm việc tính toán mở rộng quy mô sản xuất để đảm bảo tính khả thi và hiệu suất trong ứng dụng thực tế.
Trong nghiên cứu thiết kế, việc tính toán kích thước và các thông số của thiết bị cùng toàn bộ dây chuyền công nghệ là rất quan trọng Cần đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố động học và nghiên cứu sự tương tác giữa các công đoạn trong công nghệ, đặc biệt khi có sự tuần hoàn nguyên liệu hoặc trao đổi nhiệt, nhằm tối ưu hóa nhiệt của quá trình.
Mô phỏng tính toán điều khiển quá trình là một công cụ quan trọng trong việc khởi động và dừng nhà máy, cũng như xử lý các sự cố và tình huống phát sinh trong quá trình vận hành Việc áp dụng mô phỏng giúp tăng cường hiệu quả quản lý và đảm bảo an toàn cho quá trình sản xuất.
Quá trình công nghệ hóa học là một hệ thống phức tạp với nhiều yếu tố tương tác như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng dòng, và thành phần hỗn hợp phản ứng Sự gia tăng độ phức tạp đồng nghĩa với việc cần xử lý nhiều thông số, biến số và phương trình toán học hơn Việc giải quyết đồng thời các vấn đề này yêu cầu khối lượng tính toán lớn, khiến cho việc tính toán bằng tay trở nên tốn thời gian và khó đạt được độ chính xác cần thiết.
Hiện nay, sự phát triển của công nghệ phần mềm và các phần mềm mô phỏng đã làm cho việc nghiên cứu và thiết kế công nghệ thông qua phương pháp mô phỏng trở nên phổ biến và ưu việt Việc sử dụng phần mềm mô phỏng với sự hỗ trợ của máy vi tính không chỉ mang lại giải pháp hiệu quả mà còn đảm bảo kết quả đáng tin cậy, thể hiện xu hướng tất yếu trong ngành công nghệ.
In the field of chemical engineering, numerous simulation software have been developed and widely adopted for technology calculations, including Design II (Winsim), IDEAS Simulation, and Simulator 42 Among these, the most popular tools are PRO/II, Dynsim (Simsci), HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (AspenTech), PROSIM, and TSWEET (Bryan Research & Engineering), with PRO II, Dynsim, and HYSYS being the most prominent.
2.1.2 Vai trò của mô phỏng
Trong ngành công nghệ hóa học, mô phỏng là yếu tố then chốt giúp nghiên cứu và thiết kế công nghệ, cũng như phân tích, vận hành và tối ưu hóa hệ thống Nó cho phép điều khiển các quá trình công nghệ một cách gần gũi với thực tế, đồng thời hỗ trợ trong các nghiên cứu tính toán tối ưu hóa kinh tế cho các quy trình công nghệ.
Mô phỏng đã hỗ trợ các kỹ sư trong việc hiểu và quan sát các quá trình mà khó có thể nhận biết và xác định phương thức diễn ra của chúng.
Mô phỏng giúp các kĩ sư nhanh chóng đưa ra kết quả tính toán, thiết kế các quá trình công nghệ vào thực tế sản xuất.
Mô phỏng đóng vai trò quan trọng giúp kỹ sư hình dung rõ ràng về toàn bộ quá trình Nếu quá trình mô phỏng diễn ra thành công, kết quả sẽ được coi là đáng tin cậy, mặc dù vẫn cần thực hiện thêm một số bước để áp dụng vào thực tế.
Mô phỏng đánh giá hoạt động ổn định của các quá trình công nghệ trong nhà máy là rất quan trọng sau một thời gian vận hành hoặc trong quá trình cải tiến công nghệ Việc này giúp đảm bảo hiệu suất và tối ưu hóa quy trình sản xuất, đồng thời phát hiện và khắc phục kịp thời các vấn đề tiềm ẩn, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy.
Trong ngành công nghệ hóa học, mô phỏng là một công cụ thiết yếu cho nghiên cứu và thiết kế công nghệ, giúp phân tích, vận hành và tối ưu hóa hệ thống Nó cho phép điều khiển các quá trình công nghệ gần gũi với thực tế và thực hiện các nghiên cứu tính toán tối ưu hóa về mặt kinh tế Mô phỏng không chỉ kiểm chứng lý thuyết mà còn tiên đoán kết quả thực nghiệm, mang lại hiệu quả nhanh chóng và tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp thí nghiệm truyền thống.
Mô phỏng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều lĩnh vực Việc áp dụng công nghệ mô phỏng không chỉ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, mà còn giảm thiểu số lần thử nghiệm cần thiết Hơn nữa, mô phỏng còn giúp giảm thiểu rủi ro cho tính mạng con người và bảo vệ tài sản.
Phần mềm HYSYSv10
HYSYS, sản phẩm của công ty AspenTech tại Canada, là phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng và tính toán trong lĩnh vực chế biến dầu khí và công nghệ hóa học Với khả năng tính toán đa dạng và độ chính xác cao, HYSYS cung cấp nhiều thuật toán hữu ích, hỗ trợ quá trình thiết kế nhà máy chế biến dầu khí và tổng hợp hóa dầu.
HYSYS không chỉ cung cấp thư viện có sẵn mà còn cho phép người dùng tạo thư viện riêng và kết nối với các phần mềm khác như Microsoft Visual Basic, Excel, Visio, và C++ Một trong những tính năng nổi bật của HYSYS là khả năng tự động tính toán các thông số còn lại khi người dùng cung cấp đủ thông tin, giúp giảm thiểu sai sót và linh hoạt trong việc thay đổi điều kiện cũng như sử dụng các dữ liệu đầu vào khác nhau.
HYSYS được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng là :
Steady Model: sử dụng cho trạng thái tĩnh, dùng trong thiết kế một quy trình công nghệ.
Mô hình động (Dynamic Model) được áp dụng để mô phỏng quy trình công nghệ thực tế đang hoạt động ngoài nhà máy, cho phép khảo sát sự thay đổi của các thông số và điều chỉnh các giá trị mong muốn thông qua các thiết bị thực thi như van, bơm và thiết bị gia nhiệt Hysys mang lại nhiều ưu điểm trong việc tối ưu hóa quy trình này.
Sử dụng phần mềm HYSYS giúp tối ưu hóa thiết bị trong dây chuyền công nghệ, từ đó giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.
HYSYS là phần mềm hỗ trợ tính toán hiệu quả năng lượng trong sản xuất, giúp tối ưu hóa việc tận dụng nhiệt và tuần hoàn nguyên liệu, từ đó nâng cao hiệu suất của quá trình sản xuất.
HYSYS sở hữu một thư viện phong phú về thiết bị và cấu tử, đồng thời cung cấp khả năng kết nối với các cơ sở dữ liệu khác, cho phép mở rộng khả năng của chương trình, gần gũi với công nghệ thực tế.
HYSYS cung cấp nhiều công cụ mô phỏng hữu ích, hỗ trợ hiệu quả cho nghiên cứu mô phỏng Giao diện của HYSYS rất thân thiện và dễ sử dụng, đặc biệt phù hợp cho những người mới bắt đầu làm quen với phần mềm này.
Dữ liệu của quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp
2.3.1 Các thông số đầu vào
Các phản ứng của quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp:
Độ chuyển hóa của phản ứng (1) và (2) theo CO và CO2 là 90% và 40%.
Khí tổng hợp có lưu lượng dòng là 5298 kgmole/h, gồm 16% CO, 9% CO2, 75% H2 ở 25 o C, 101.3 kPa, dòng khí được trộn với dòng hồi lưu sản phẩm rồi được gia nhiệt lên 70 o C , 200 kPa.
Hỗn hợp sau đó được đưa vào máy nén tăng áp suất lên 5500 kPa với nhiệt độ 770.5 o C.
Trước khi vào thiết bị phản ứng, nhiệt độ được làm lạnh xuống khoảng 250 oC Thiết bị phản ứng hoạt động trong chế độ đẳng nhiệt, duy trì ở nhiệt độ từ 250 oC đến 300 oC và áp suất 5300 kPa.
Sản phẩm lỏng và khí sau phản ứng được đưa qua máy mixer để trộn đều, sau đó qua thiết bị làm mát để giảm áp suất xuống 4700 kPa và nhiệt độ xuống 35 độ C, trước khi vào tháp tách để tách riêng lỏng và khí.
Sản phẩm sau khi ra khỏi tháp tách sẽ được đưa vào thiết bị gia nhiệt để đạt nhiệt độ 60 oC, rồi tiếp tục đi qua van giảm áp để giảm áp suất xuống 110 kPa.
Sau khi rời khỏi van giảm áp, sản phẩm sẽ được chuyển vào thiết bị chưng cất Áp suất tại đỉnh tháp là 180 kPa, trong khi áp suất ở đáy tháp đạt 210 kPa.
Hơi MeOH thu được ở đỉnh tháp được làm lạnh về nhiệt độ phòng và áp suất
1 atm trước khi chuyển vào thùng chứa dưới dạng lỏng H2O được lấy ra ở đáy của tháp chưng cất.
2.3.2 Thông số hoạt động của các thiết bị theo thiết kế
Các thông số hoạt động của thiết bị trong quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp có sự biến đổi nhẹ, phụ thuộc vào hệ nhiệt động học được áp dụng trong quy trình.
Quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp được thực hiện thông qua phần mềm Hysys, sử dụng hệ nhiệt động học Peng-Robinson Bài viết này trình bày các điều kiện hoạt động cụ thể, bao gồm các dòng và thông số làm việc của các thiết bị trong quy trình sản xuất methanol.
Các phản ứng trong quá trình là :
●Khai báo các cấu tử CO, CO2, H2, CH3OH, H2O tại tab Fluid Pkg và hệ nhiệt động học Peng-Robinson giao diện Simulation Basic Manager.
Khai báo các phản ứng tại tab Reaction Add Rxn Equilibrium
Quay lại tab Reaction Reaction set khai báo 2 phản ứng trong mục active list như sau :
Thoát cửa sổ Reaction Set:Set-1 tại tab Reaction Set chọn Set-1 Add to
Sau đó Enter Basic Simulation Environment
Trong môi trường mô phỏng các thành phần thiết bị được thiết lập như sau : Khai báo dòng nguyên liệu theo hình sau:
Dòng nguyên liệu đầu vào được phối trộn cùng với dòng hồi lưu từ đỉnh tháp tách
Dòng khí sau khi đã được phối trộn được đưa vào thiết bị gia nhiệt tới nhiệt độ
70 o C để đảm bảo không có lỏng trong dòng khi đưa vào máy nén để tránh lỗi
Liquid inlet stream khi thiết lập máy nén.
Dòng khí sau khi đã gia nhiệt được đưa vào máy nén để nén lên áp suất là 5500 kPa , nhiệt độ dòng khí là 770.5 o C.
●Cooler 1 (máy làm lạnh số 1)
Sau khi qua máy nén, dòng khí được làm lạnh về nhiệt độ 250 o C để phù hợp với nhiệt độ phản ứng, áp suất dòng khí còn 5300 kPa.
Methanol Reactor(thiết bị phản ứng)
Dòng khí được dẫn vào thiết bị phản ứng thiết lập các thông số như sau:
Trong tab Reactions tại mục Reaction set add phản ứng Set
Hai dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được phối trộn lại với nhau trước khi vào tháp tách
●Cooler 2( máy làm lạnh số 2)
Dòng khí sau khi được phối trộn sẽ được đưa vào thiết bị làm lạnh về nhiệt độ
●Separator (tháp tách lỏng – hơi)
Dòng khí sau khi được làm nguội được đưa vào tháp tách pha , set up tháp như sau:
●Heater 2 (thiết bị gia nhiệt )
Dòng sản phẩm lỏng khi ra khỏi tháp tách được gia nhiệt lên nhiệt độ 60 o C để phù hợp với nhiệt độ làm việc tối ưu của tháp chưng cất.
Dòng sản phẩm sau đó được đưa vào van giảm áp để giảm áp xuống 110 kPa
Distillation Column (tháp chưng cất methanol-nước)
Dòng sản phẩm được dẫn vào tháp chưng cất
Tính toán sơ bộ các thông số làm việc của tháp chưng cất bằng Shortcut
Distillation, số đĩa làm việc là 32 , đĩa nạp liệu 15 từ đỉnh, tỉ lệ hồi lưu 0.518, lưu lượng dòng MeOH là 1373 Kmole/h
Trong môi trường làm việc của tháp, set up như đã tính toán sau đó nhấn Run các thông số tháp hiển thị như hình sau:
●Dòng MeOH ra khỏi tháp được làm lạnh về 35 o C và 100.6 kPa để lưu trữ
●Cooler 3 (thiết bị làm lạnh số 3)
Dòng sản phẩm từ đỉnh tháp tách hồi lưu được làm lạnh xuống 25 oC và 101.3 kPa, nhằm đảm bảo các thông số phù hợp cho dòng nguyên liệu trước khi đưa vào thiết bị phối trộn.
●RCY-1 (thiết bị hồi lưu khí)
Add công cụ logic Recycle tuần hoàn dòng khí về trước máy nén (trộn qua mixer).
Sau khi khai báo các thành phần thiết bị và thông số cần thiết, bạn chỉ cần nhấn vào biểu tượng Solver Active để bắt đầu quá trình mô phỏng Hệ thống sẽ chạy và cung cấp cho bạn các thông số sản phẩm trong phần tiếp theo.
Sản phẩm của quá trình:
• Methanol thu được ở dạng lỏng với:
Nhiệt độ 35 o C Áp suất 100.6 kPa.
Lưu lượng mol là 1373 kgmole/h.
Mô phỏng trên hysys với các hệ nhiệt động khác nhau
Sau khi tính toán và chạy thử nhiều lần trên Hysys ta có được mô phỏng Hysys hội tụ dưới đây:
●Kết quả thu được của quá trình từ mô phỏng Hysys:
FEED (dòng nguyên liệu đầu vào)
MIX FEED (dòng nguyên liệu đã được trộn với dòng khí hồi lưu lại)
HEATER 1 (gia nhiệt cho dòng nguyên liệu vào máy nén)
COMP 1 (máy nén dòng nguyên liệu )
COOLER 1 (hỗn hợp nguyên liệu được làm lạnh trước khi vào thiết bị phản ứng)
VAP PRODUCT, LIQUIQ PRODUCT (dòng sản phẩm hơi và lỏng thoát ra ở đỉnh và đáy của thiết bị phản ứng)
MIX PRODUCT (2 dòng sản phẩm đưa vào máy mix)
COOLER 2 (dòng sản phẩm được làm lạnh trước khi vào tháp tách)
VAP OUT, LIQUID OUT (Dòng sản phẩm hơi và lỏng ở đỉnh và đáy tháp tách)
HEATER LIQUID (dòng sản phẩm lỏng được gia nhiệt để đưa vào van giảm áp )
VAN OUT (dòng sản phẩm được giảm áp qua van)
MeOH VAP (dòng methanol hơi ra khỏi đỉnh tháp chứng cất)
MeOH LIQ (dòng sản phẩm methanol lỏng thu được từ việc làm lạnh dòng methanol hơi ra ở đỉnh tháp chưng cất)
H2O (dòng nước ra ở đáy tháp chưng cất)
COOLER RECYCLE STREAM (là dòng Vap out - khí được lấy ra và làm lạnh để hồi lưu lại máy trộn).
Ta có dữ liệu kết quả của các dòng ứng với các hệ động học như sau:
2.4.1 Hệ nhiệt động học Peng-Robinson (PR)
Flow FEED MIX FEED HEATER 1 COMP 1 COOLER 1
LIQUID HEATER VAN OUT MEOH
Std Ideal Liq Vol Flow
Liq Vol Flow @Std Cond
Std Ideal Liq Vol Flow
Liq Vol Flow @Std Cond
2.4.2 Hệ nhiệt động học SRK
Tương tự như hệ động học PR, nên chỉ xét kết quả của các dòng sản phẩm chính :
LIQUID LIQUID HEATER VAN OUT MEOH
Std Ideal Liq Vol Flow
Liq Vol Flow @Std Cond
2.4.3 Hệ nhiệt động học Sour PR
Tương tự như hệ động học PR, nên chỉ xét kết quả của các dòng sản phẩm chính:
Flow FEED MIX FEED HEATER 1 COMP 1 COOLER 1
LIQUID HEATER VAN OUT MEOH
Std Ideal Liq Vol Flow (m 3 /h) 63.28 63.28 63.28 53.47
Liq Vol Flow @Std Cond
Std Ideal Liq Vol Flow
2.4.4 So sánh kết quả thu được từ mô phỏng trên Hysys
Kết quả thu được từ quá trình sản xuất methanol hoàn toàn đáp ứng yêu cầu thực tiễn, với độ tinh khiết cao lên đến 99% Nhiệt độ đầu ra của methanol không quá cao, cho phép dễ dàng làm lạnh bằng quạt để thu được sản phẩm ở dạng lỏng.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng việc thay đổi các hệ nhiệt động học trong quy trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp không tạo ra sự khác biệt đáng kể trong kết quả cuối cùng.
=>Có thể sử dụng một trong ba hệ nhiệt động trên để mô phỏng quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp.
Các vấn đề an toàn
- Sự rò rỉ methanol có thể gây cháy nổ do methanol là chất lỏng dễ cháy, có thể cháy mà không nhìn thấy ngọn lửa.
Methanol tinh khiết có mùi hăng và rất độc, có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng Tiếp xúc qua da có thể dẫn đến phát ban và viêm da, trong khi chỉ 10ml có thể gây mù mắt Khi ingested, methanol có thể chuyển hóa thành acid formic, gây ngộ độc với liều lượng cao hơn Nồng độ 20mg/dL có thể đe dọa tổn thương thần kinh, và từ 100ml trở lên có thể dẫn đến tử vong.
Cần tránh tiếp xúc với nhiệt, ngọn lửa, tia lửa, nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời trực tiếp Không sử dụng các vật liệu chứa HCl, axit anhydrite, chất oxi hóa và kim loại kiềm để đảm bảo an toàn.
Khi bố trí vị trí kho chứa, cần xem xét hướng gió chủ đạo và đặt kho ở cuối hướng gió, cách xa nguồn nước và khu dân cư Xung quanh kho phải có hàng rào bảo vệ, đồng thời bên ngoài cần treo biển cấm lửa và cấm hút thuốc để đảm bảo an toàn.
- Xây tường đê bao quanh khu lưu chứa methanol đề phòng ngăn chặn sự cố tràn.
Lắp đặt hệ thống phòng cháy chữa cháy hóa chất cần sử dụng bọt chống cháy dạng phun nước hoặc sương Chỉ nên dùng bột hóa chất khô, cacbon dioxit, cát hoặc đất cho các vụ hỏa hoạn nhỏ Tránh sử dụng vòi phun nước áp lực, vì lượng nước quá nhiều có thể làm ngọn lửa methanol lan rộng; thay vào đó, nên sử dụng nước lạnh để dập lửa hiệu quả hơn.
Để đảm bảo an toàn khi làm việc với các chất độc hại, cần trang bị đầy đủ phương tiện bảo vệ cá nhân như mặt nạ chống độc, quần áo chống hóa chất và thiết bị bảo vệ mắt đạt tiêu chuẩn NIOSH (Mỹ) hoặc EN 166 (EU) Găng tay cũng phải được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi sử dụng, tuân thủ theo tiêu chuẩn EU Directive 89/686/EEC và tiêu chuẩn EN 374, với yêu cầu cao su butyl có độ dày tối thiểu 7,3mm và thời gian sử dụng tối đa là 8 giờ.
- Tại khu vực kho lưu trữ hóa chất phải có biển cảnh báo, phải đảm bảo không phát sinh tia lửa trong quá trình hoạt động.
Xe vận chuyển hóa chất lỏng dễ cháy như methanol cần được trang bị dây tiếp đất và biển cấm lửa Trong quá trình vận chuyển, tuyệt đối không được dừng đỗ ở những nơi công cộng đông người, tránh xa các khu vực có nguồn nhiệt và không để xe dừng lâu dưới ánh nắng mặt trời.
- Không sử dụng các thiết bị viễn thông để liên lạc như điện thoại di động, thay vào đó phải dùng bộ đàm để thay thế.
- Khi rò rỉ ở diện rộng cần:
+ Mang mặt nạ bảo vệ đường hô hấp, tránh hít phải khí
+Dập tắt nguồn gây cháy
+Đảm bảo thông khí đầy đủ, tránh sự tích tụ về hơi, có thể gây cháy, nổ.
+ Ngăn chặn rò rỉ thêm, tránh để methanol chảy vào cống thoát nước
+Dùng máy hút chất lỏng trên sàn, rồi cho vào bình chứa
- Hidro là chất khí nhẹ nhất, không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí 14.5 lần, tan rất ít trong nước
Hydro là một loại khí dễ cháy, với ngọn lửa màu nhạt khi cháy, và có thể bùng phát ngay cả khi nồng độ chỉ còn 4% Nếu nồng độ hydro cao hơn mà không được kiểm soát, nguy cơ nổ mạnh là rất cao.
Chất này phản ứng mạnh mẽ với Clo và Flo, dẫn đến sự hình thành các axit hydrohalic, có khả năng gây hại cho phổi và các cơ quan khác trong cơ thể Khi kết hợp với ôxy, nó có thể tạo ra những tác động nguy hiểm.
Hydro nổ khi bắt lửa, hoặc Hydro nổ khi có dòng điện đi qua, tốc độ cháy của
Khi rò rỉ hydro với lượng lớn, nó có thể trở thành một khí gây ngạt, tiềm ẩn nguy hiểm cho con người Do hydro thường được bảo quản trong điều kiện lạnh, nên việc rò rỉ có thể dẫn đến nguy cơ bị bỏng lạnh.
- Lắp đặt các thiết bị cảm biến cảnh bảo khi rò rỉ hydro.
- Đảm bảo kho chứa phải có điều kiện thoáng mát, đường ống đảm bảo kỹ thuật để không rò rỉ Hydro.
- Đảm bảo không có tia lửa hay bất cứ 1 nguồn nhiệt cao nào trong khu chứa
Để xử lý rò rỉ khí Hydro, cần làm thoáng khu vực bị rò rỉ và nếu nồng độ khí quá cao, có thể xả khí Nitơ để giảm nồng độ Hydro Trước khi vào khu vực rò rỉ, hãy đảm bảo đã đo nồng độ khí để xác định an toàn.
Không nên dập tắt đám cháy cho đến khi nguồn cung cấp Hydro được ngắt, vì khí Hydro rò rỉ có thể gây nổ Hãy xịt nước lên các thiết bị xung quanh để làm mát khu vực.
- Không cố gắng dập lửa Hydro trừ khi ở ngoài trời hoặc trong khu vực thông thoáng, không có chất dễ cháy và nguồn đánh lửa.
- Không cố gắng phá hủy 1 thiết bị chứa Hydro đang cháy Giữ cho nó và các thiết bị xung quanh mát bằng cách phun nước.
Khi nhiều thiết bị đang bốc cháy, hãy dập lửa từ khoảng cách an toàn để bảo vệ bản thân khỏi mảnh vỡ có thể bay ra khi xảy ra vụ nổ.
- Là một chất khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao.
Khí CO là một chất độc hại, khi tiếp xúc có thể gây ra nhiều triệu chứng nghiêm trọng, bắt đầu từ nhức đầu, chóng mặt, nôn mửa, cho đến tê liệt thần kinh, khó thở, ngạt thở và có thể dẫn đến tử vong nếu nồng độ hít phải tăng cao.
- Cần có các thiết bị cảm biến rò rỉ khí CO.
- Kho chứa cần phải ở nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc nguồn nhiệt.
- Khi rò rỉ cần tiến hành làm loãng nồng độ khí CO, ngăn chặn sự rò rỉ thêm của khí CO
- Tuyệt đối phải có mặt nạ phòng độc khi tiến vào khu vực phát hiện rò rỉ khí CO.
- Khi phát hiện đám cháy cần tiến hành dập lửa an toàn
- Là một chất khí không màu, khi tiếp xúc với lưỡi có vị chua, không duy trì sự cháy.
Khí CO2 không độc hại như CO, nhưng do khó phát hiện và dễ gây ngạt, nên việc rò rỉ khí này có thể dẫn đến những tình huống rất nguy hiểm.
- Tiến hành lắp các cảm biến hồng ngoại cảnh báo rò rỉ CO2
- Khi vào khu vực rò rỉ cần phải có các thiết bị bảo hộ như mặt nạ , thiết bị dưỡng khí.
- Khi rò rỉ cần tiến hành làm thoáng nơi rò rỉ, tiến hành ngắn nguồn rỏ rỉ.
