Đồ án thiết kế quy trình công nghệ hóa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
----------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
Đề tài: Sản Xuất Dimethyl Ether (DME)

Trang 1


MỤC LỤC

1.

GIỚI THIỆU

1.1 Tính chất vật lí và hoá học:
-

Dimethyl ether (DME), còn được gọi là Methoxymethane, là hợp chất hữu cơ có
công thức CH3OCH3, là ether đơn giản nhất.

-

Công thức hoá học:

-

Ở điều kiện thường, DME là một chất khí không màu, có nhiệt độ nóng chảy là

-141oC, nhiệt độ sôi là -24oC, hơi có chất gây mê, không độc hại, khí dễ cháy ở
điều kiện môi trường xung quanh, nhưng có thể xử lý như một chất lỏng khi áp
lực nhẹ.

-

Các thuộc tính của DME là tương tự như khí dầu mỏ hoá lỏng (LPG). DME phân
huỷ trong khí quyển và không phải là một loại khí nhà kính.

1.2 Sản xuất Dimethyl Ether
-

Dimethyl ether chủ yếu được sản xuất bằng cách chuyển khí tự nhiên, chất thải
hữu cơ hoặc sinh khối thành khí tổng hợp (syngas). Các khí tổng hợp sau đó
được chuyển đổi thành DME qua một sự tổng hợp gồm hai hước, đầu tiên là tổng
hợp tạo ta methanol có mặt của chất xúc tác ( thường là đồng), Và sau đó do sự
mất nước methanol tiếp theo trong sự hiện diện của một chất xúc tác khác ( ví dụ
bằng aluminosilicate ) thành DME.
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn vì quy trình đơn giản, chi phí đầu
tư tương đối thấp, hiệu suất cao.
Các phản ứng xảy ra:
2 H 2 + CO ⇔ CH 3OH
2CH 3OH ⇔ CH 3OCH 3 + H 2O
CO + H 2O ⇔ CO2 + H 2

- Ngoài ra, DME có thể được sản xuất thông qua tổng hợp trực tiếp sử dụng một
hệ thống dual-chất xúc tác đó cho phép cả hai quá trình tổng hợp methanol và
Nhóm 7

Trang 2

mất nước trong cùng một quá trình, không có chia methanol trung gian, bằng
cách loại bỏ các giai đoạn tổng hợp methanol trung gian.

1.3 Ứng dụng
- Nhiên liệu: Do chất lượng đánh lửa tốt của nó, với chỉ số cetan cao, Dimethyl
ether có thể được sử dụng trong các động cơ diesel như một thay thế cho nhiên
liệu diesel thông thường. Tuy nhiên, so với diesel nhiên liệu DME có độ nhớt
thấp hơn (không đủ), và bôi trơn kém. Giống như LPG cho động cơ xăng, DME
được lưu trữ trong trạng thái lỏng dưới áp suất tương đối thấp 0.5 Mpa. Điều này
giúp hạn chế sự thay đổi cần thiết cho động cơ. Tuy nhiên, một số thay đổi động
cơ nhẹ là cần thiết, chủ yếu liên quan đến việc bơm nhiên liệu và lắp đặt các bình
áp lực, tương tự như đối với LPG. Đặc biệt, DME trong động cơ diesel cháy rất
sạch không có bồ hóng.
Bảng 1: So sánh các tính chất của nhiên liệu

- Dùng làm môi chất lạnh
- Được dùng làm dung môi trong phòng thí nghiệm
- Còn được dùng trong y học với tác dụng gây mê, giảm đau,..

Nhóm 7

Trang 3


2.

ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG

2.1 Phương trình phản ứng
-

Việc sản xuất Dimethyl ether thông qua tình trạng mất nước của methanol trên
chất xúc tác Zeolite acid. Phản ứng chính là:
250O C −370O C
1470 kPa

2CH 3OH → CH 3OCH 3 + H 2O
-

Phản

ứng

đạt

độ

chuyển

∆H reac ( 25o C ) = −11770kJ / kmol

hoá

khoảng

80%

và

toả

nhiệt

mạnh

, trong khoảng nhiệt độ của phản ứng không có

phản ứng phụ đáng kể xảy ra.

2.2 Phương trình vận tốc
-

Các hằng số cân bằng cho phản ứng này ở ba nhiệt độ khác nhau như sau:

-

Các phản ứng xảy ra trên một chất xúc tác nhôm định hình được xử lý với 10.2%
silica. Không có phản ứng phụ đáng kể ở mức dưới 400 oC. Tại cao hơn 250oC
phương trình tốc độ được cho bởi Bondiera và Naccache như sau:

− rmethanol = k0 e
Trong đó:

 − E0 
 RT 



pmethanol

k0 = 1.21×106 kmol / ( m3cat.h.kPa )

E0 = 80.48kJ / mol

pmethanol =

áp suất riêng phần của methanol (kPa)

2.3 Thiết đặt trong Aspen Hysys
-

Hệ nhiệt động được sử dụng trong cho quá trình mô phỏng là UNIQUAC

-

Thiết lập các thông số cho phản ứng:

Nhóm 7

Trang 4


Hình 1: Các thông số phản ứng được thiết đặt trong Hysys

3.

MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS
Trong quy trình này được yêu cần sản xuất DME với năng xuất 50.000 tấn mỗi

năm (8375 h/y) và DME được sản xuất có độ tinh khiết là 99.5 wt%. Do đó

50000 ×103
= 129.8kmol / h
lượng Dimethyl ether được sản xuất trên 1h là 46 × 8375
3.1 Miêu tả quá trình
-

Nhập liệu: Dòng methanol nguyên liệu qua bơm được tăng áp suất đến 1510 kPa
(dòng 1), sau đó được trộn với dòng methanol hồi lưu (dòng 17). Hỗn hợp qua
heater được gia nhiệt đến nhiệt độ 155oC (dòng 4) sau đó trao đổi nhiệt với dòng
sau phản ứng bằng heat exchanger đến nhiệt độ 250oC. nhiệt độ đầu vào được
kiểm soát bằng lưu lượng dòng 7 đồng thời hạ nhiệt độ sau phản ứng (dòng 5).

-

Phản ứng: Dòng 4 sau khi đạt nhiệt độ 250 oC được đưa vào thiết bị phản ứng
PFR chuyển đổi methanol có độ chuyển hoá 80%. Hoạt động giữa nhiệt độ 250 oC
đến 370oC. Sau khi phản ứng xong dòng sản phẩm (dòng 5) được đem đi gai
nhiệt cho dòng nhập liêu và làm lạnh trước khi đưa vào hai tháp chưng cất: T-100
và T-101.

-

Phân tách và hồi lưu: sau khi được giải nhiệt xuống nhiệt độ 95 oC (dòng 11)
được đưa vào tháp chưng cất T-100. Sản phẩm DME được lấy ở Condenser, nước
và methanol chưa phản ứng được thu ở reboiler (dòng 12). Sau đó được đưa qua

Nhóm 7

Trang 5


tháp chưng cất thứ hai T-101, để tách nước khỏi methanol, methanol được thu ở
condenser rồi tiếp tục được đưa về hồi lưu và nước được thu ở reboiler sau đó sẽ
được xử lí loại bỏ các chất hữu cơ để thu được nước sạch.

3.2 Sơ đồ quy trình:
-

Sơ đồ PFD của quy trình HDA để sản xuất 50,000 tấn DME trên năm.

Hình 2: Sơ đồ quá trình sản xuất Dimethy ether
3.3 Tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình

Thành phần các dòng và điều kiện nhiệt độ, áp suất được tóm tắt trong bảng sau:
Bảng 1: Bảng tóm tắt các dòng vật chất trong quy trình
Stream number
Vapour Fraction
Temperature ( oC )
Pressure (kPa)
Molar Flow

Nhóm 7

Methano
l
0
35
100

260

DiMether
0
46.6
1034
129.8

Water
0
50
103
129.9

1
0
35.9
1550
260

2
0
52.2
1550
315.4

3
1
155
1510

315.4

4
1
250
1470
317.2

5
1
365.3
1390
315.4

Trang 6


(Kmol/h)
Mass Flow (kg/h)
8331
5979
Compositions Flowrates (kmol/h)
Methanol
260
0.7
DiM-ether
0
129.3
Water
0

0
Stream number
6
7
Vapour Fraction
1
1
o
Temperature ( C )
365.3
365.3
Pressure (kPa)
1390
1390
Molar Flow
(Kmol/h)
63.1
252.3
Mass Flow (kg/h)
2015
8061
Compositions Flowrates (kmol/h)
Methanol
10.9
43.6
DiM-ether
25.9
103.5
Water
26.3

105.2
Stream number
14
15
Vapour Fraction
0
0
o
Temperature ( C )
165.8
125
Pressure (kPa)
730
724
Molar Flow
(Kmol/h)
129.9
55.4
Mass Flow (kg/h)
2351
1747
Compositions Flowrates (kmol/h)
Methanol
0.7
55.2
DiM-ether
0
0.1
Water
129.2

2.2

Nhóm 7

2351

8331

10077

10077

10077

10077

0.7
0
129.3
8
1
256.1
1390

260
0
0
9
1
278.7

1390

313.1
0.1
2.2
10
0
96.2
1340

313.1
0.1
2.2
11
0
94.9
1040

313.1
0.1
2.2
12
0
156.1
1040

54.4
129.4
131.6
13

0.042
142.3
730

252.3

315.4

315.4

185.4

185.4

8061

315.4
1007
7

10077

10077

4097

4097

43.6
103.5

105.2
16
0
125
1550

54.4
129.4
131.6
17
0
125.4
1550

54.4
129.4
131.6

54.4
129.4
131.6

53.8
0.1
131.5

53.8
0.1
131.5

55.4
1747

55.4
1747

55.2
0.1
2.2

55.2
0.1
2.2

Trang 7


3.4 Tóm tắt cá dòng năng lượng trong quy trình
- Các dòng năng lượng được sử dụng cho heater, cooler, bơm và tháp chưng cất:
Bảng 2: Bảng tóm tắt các dòng năng lượng
Tên thiết bị
Bơm
Heater
Cooler
Reboiler
Condenser

Năng lượng (kJ/h)
P-101: Q1

25690

P-100: Q8

3892

E-100: Q2

12450000

E-101: Q3

12320000

E-102:Q9

1154000

T-100: Q5

4876000

T-101: Q7

14690000

T-100: Q4

4708000

T-101: Q6

14820000

3.5 Các thiết bị trong quy trình
3.5.1 Bơm
-

Bơm P-101: Dùng để tăng áp suất dòng nguyên liệu đến áp suất 1550kPa.

Hình 3: Các thông số bơm P-101
-

Nhóm 7

Bơm P-100: Dùng để tăng áp suất dòng hồi lưu bằng với áp suất dòng
nhập liệu rồi đưa vào MIX-100 để đưa đi phản ứng.

Trang 8


Hình 4: Các thông số bơm P-100

3.5.2 Thiết bị trộn Mixer
- Thiết bị Mixer MIX-100: trộn dòng hồi lưu và dòng methanol tinh khiết để đưa
vào phản ứng.

Hình 5: Giá trị các dòng trước và sau khi qua MIX-100
17: dòng hồi lưu, 1: dòng methanol, 2: dòng ra

- Mixer MIX-101: trộn 2 dòng sau khi đi gia nhiệt cho dòng nhập liệu:

Nhóm 7

Trang 9


Hình 6: Giá trị các dòng trước và sau khi qua MIX-101
8: dòng sau gia nhiệt, 6: dòng không gia nhiệt, 9: dòng ra

3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater và Heat Exchanger
- Heater E-100: Được dùng để gia nhiệt dòng hỗn hợp methanol tinh khiết và dòng
hồi lưu đến nhiệt độ 155oC. Với tổn thất áp suất sau khi qua thiết bị là 40kPa.

Hình 7: Thông số thiết bị gia nhiệt E-100

Nhóm 7

Trang 10


- Heat exchanger E-103: Được dùng để gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ phản
ứng là 250oC, lương nhiệt được kiểm soát thông qua thiết bị điều khiển ADJ-2
dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng 7 qua thiết bị truyền nhiệt để dòng nhập liệu
đạt đúng nhiệt độ yêu cầu.

Hình 8: Độ giảm áp và lượng nhiệt trao đổi E-103

Hình 9: Thông số khích thước thiết bị E-103

Nhóm 7

Trang 11


-

Thiết bị điều khiển ADJ-2: Dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng 7 để dòng
4 đạt nhiệt độ 250oC để đưa vào phản ứng.

Hình 10: Thiết đặt trong thiết bị điều khiển
3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR
-

Thiết bị phản ứng PFR: dạng ống thẳng, độ giảm áo trên ống là 80kPa. Hoạt
động ở nhiệt độ cao.

-

ở đây thể tích thiết bị ảnh hưởng đến độ chuyển hoá của phản ứng, khi tăng thể
tích bình thì thời gian lưu sẽ tăng lên do đó độ chuyển hoá cũng tăng. Vì vậy bình
phản ứng cần thể tích đủ lớn để đạt độ chuyển hoá tối ưu của phản ứng là 80%.

Hình 11: kích thước thiết bị phản ứng PFR-100

Nhóm 7

Trang 12

-

Ở đây ta chọn ống có thể tích 6,912×10-3 m3 gồm 1 ống có đường kính 0.1m và
chiều dài là 0.88m.

Hình 12: Độ chuyển hoá và thông số các dòng trong bình phản ứng

3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE
- Thiết bị TEE-100: dùng để tách dòng 5 sau phản ứng có nhiệt độ cao thành dòng
6 và 7, để dòng 7 đi gia nhiệt dòng nhập liệu. tỉ lệ giữa 2 dòng được tự động điều
chỉnh bằng ADJ-2. Sao cho dòng 7 đủ để gia nhiệt dòng nhập liệu.

Hình 13: Tỉ lệ các dòng được điều chỉnh
3.5.6 Thiết bị giải nhiệt Cooler
- Cooler E-101: Được dùng để hạ nhiệt độ dòng sản phẩm đến nhiệt độ cần để đưa
vào thiết bị chưng cất. Độ giảm áp trong thiết bị là 50kPa.

Nhóm 7

Trang 13


Hình 14: Thông số thiết bị Cooler E-101
-

Cooler E-102: Dùng để làm nguội dòng nước sau khi được tách ra từ thiết
bị chưng cất T-101

Hình 15: Thông số thiết bị Cooler E-102

Nhóm 7

Trang 14


3.5.7 Thiết bị phân tách Distillation
-

Tháp chưng cất T-100: Được dùng để tách DME có độ tinh khiết là 99,5% từ hỗn
hợp sau phản ứng. DME được thu ở condenser. Nước và methanol dư được thu ở
reboiler.

Hình 16: Các thông số của tháp chưng cất T-100
-

Ở đây tháp được đặt số mâm là 16 để tháp hoạt động, Số mâm được tăng giảm
sao cho thấp nhất để tháp hoạt động ổn định, đồng thời sao cho kích thước
đường kính của 2 tháp là gần bằng nhau để có thể dễ dàng thay thế cho nhau
nếu có sự cố xảy ra.

-

Tháp được nhập liệu ở mâm số 3, vì ở đó nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ ở mâm
số 3 là gần nhau nhất để trách hiện tượng sốc nhiệt cho thiết bị, có thể làm hỏng
thiết bị. Đồng thời ở vị trí đó thì lượng nhiệt ở reboiler và condenser là thấp
nhất, tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.

Nhóm 7

Trang 15

Hình 17: Thông số nhiệt độ, thành phần các cấu tử trên mỗi mâm

Hình 18: Các Specs được đặt cho tháp
- Ở đây ta đặt 2 Specs đó là:
Nhóm 7

Trang 16


+ Dòng sản phẩm đỉnh thu Dimethyl ether yêu cầu là đạt độ tinh khiết
99.5% nên ta phải đặt phần trăm mole của DME là 0.995.
+ Dòng sản phẩm đáy thu mước và methanol dư nên yêu cầu lượng DME
lẫn vào càng ít càng tốt, vì vậy để tối ưu hoá giữa số mâm và phần trăm
DME lẫn vào đáy ta chọn phần trăm DME là 0.0004
+ Ở đây ta chọn cấu tử key là DME vì như vậy ta có thể kiểm soát được
thành phần dòng DME ở đỉnh cũng như lượng DME thất thoát ở đáy.

Hình 19: Thông số kích thước thiết bị
- Từ Tray sizing ta tính toán được tháp có đường kính 0.92m, chiều cao mỗi mâm
là 0.61, chiều cao tổng là 9.76m.
- Tổn thất áp xuất từ đáy tháp lên đỉnh tháp là 6kPa
- Thiết bị điều khiển ADJ-1: Dược dùng để điều khiển suất lượng sản phẩm
Dimethyl ether theo ý muốn bằng cách tăng giảm suất lượng đầu vào.

Nhóm 7

Trang 17

Hình 20: Thiết đặt trong thiết bị điều khiển ADJ-1
-

Tháp chưng cất T-101: Được dùng để tách methanol chưa phản ứng để
đưa về hồi lưu và nước được đưa ra ngoài.

Hình 21: Thông số của tháp chưng cất T-101
-

Tháp được đặt số mâm là 8, là số mâm tối ưu để tháp hoạt động và cho kích
thước tháp gần bằng nhau là 1m. Tháp được nhập liệu ở mâm số 6 có nhiệt độ
gần bằng với dòng nhập liệu. ít tốn nhiệt lượng hơn ở condenser và reboiler. Dộ
giảm áp từ đáy tháp lên đỉnh tháp là 4kPa

Nhóm 7

Trang 18


Hình 22: Các giá trị nhiệt độ và thành phần cấu tử trên mỗi mâm

Hình 23: Các Specs được đặt cho tháp
- Ta có 2 specs đó là:
+ Ở dòng sản phẩm đỉnh: yêu cầu thu methanol về hồi lưu nên tỉ lệ nước
lẫn càng thấp càng tốt, để cân đối giữa chi phí xây dựng tháp và độ tinh
khiết của methanol ta đặt phần trăm nước lẫn vào dòng methanol hổi lưu
là 0.04
Nhóm 7

Trang 19


+ Ở dòng sản phẩm đáy: Yêu cầu không cần hồi lưu nhưng ta cần phải để
độ tinh khiết của nước cao vì thứ nhất nếu để lẫn quá nhiều methanol thì
lượng methanol thất thoát sẽ lớn làm tăng chi phí mua nguyên liệu, thứ
hai lượng methanol lẫn vào nước phải ít để ta có thể sử dụng nước đó
cho những mục đích khác. Bên cạnh đó cũng cần cân đối giữa chi phí
xây dựng tháp với độ tinh khiết của nước vì vậy ta đặt phần trăm
methanol lẫn vào nước là 0.005.
+ Cấu tử key ở đây là nước là heavy key và methanol là light key.

Hình 24: Kích thước tháp chưng cất T-101
3.5.8

Van tiết lưu VALVE

- Valve VLV-100: giảm áp suất dòng sản phẩm đến áp suất phù hợp để đưa vào
tháp chưng cất T-100.

Nhóm 7

Trang 20


Hình 24: Thông số dòng vào và ra của VLV-100
-

Valve VLV-101: Giảm áp suất dòng sản phẩm đáy của tháp T-100 để tiếp tục
đưa vào tháp chưng cất T-101.

Hình 25: Thông số dòng vào và ra của VLV-101

Nhóm 7

Trang 21


4. TỔNG KẾT
-

Dòng đầu vào và Sản phẩm của cả quá trình:
Nhập liệu

Sản Phẩm
Dimethyl ether
- Nhiệt độ: 46.6oC
- Áp suất:1034kPa

Methanol

- Suất lượng: 129.8kmol/h

- Nhiệt độ: 35oC

- Thành phần: 99.5% (pha lỏng)

- Áp suất: 100kPa

Water

- Suất lượng: 260kmol/h

- Nhiệt độ: 50oC

- Thành phần: 100% (pha lỏng)

- Áp suất: 103kPa
- Suất lượng: 129.9kmol/h
- Thành phần:99.5% (pha lỏng)

- Tổng dòng năng Lượng của cả quá trình:

Tổng lượng nhiệt
(kJ/h)

Nhóm 7

Cấp nhiệt

Giải nhiệt

32016000

33002000

Trang 22