Tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp Mô phỏng bằng phần mềm Hysys

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ
ĐỀ 11: QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP MeOH TỪ KHÍ TỔNG HỢP
Các phản ứng của quá trình tổng hợp MeOH từ khí tổng hợp:
CO + 2H2 → CH3OH
(1)
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O

(2)

Độ chuyển hóa của phản ứng (1) và (2) theo CO và CO2 là 90.6% và 44%.
Khí tổng hợp gồm 16% CO, 9% CO2, 75% H2 ở 30 oC, 1 atm được nén 02 cấp lên
10MPa. Hỗn hợp 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
300kPa, 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 180kPa và
210kPa. MeOH thu được 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. 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 2.
4. Xác định lượng Hydrogene tuần hoàn để thu hồi được lượng MeOH lớn
nhất. Các thiết bị trao đổi nhiệt có Delta P=80Kpa.
Yêu cầu:
Viết và in ra giấy, đóng thành cùng tập với đề thi:
- Biện luận, phân tích quá trình mô phỏng, các lỗi và cách giải quyết
- Phân tích, đánh giá các kết quả nhận được
- Xuất và in báo cáo (PDF và Workbook)

BÁO CÁO
1.

Thuyết minh quá trình
Theo bài ra các phản ứng thực hiện ở 250 oC, áp suất 10MPa, độ chuyển
hóa tính theo chất phản ứng của phản ứng (1) là 90,6 theo CO và của phản ứng (2)
là 44 theo CO2.
Khí tổng hợp với lưu lượng 100kgmol/hr (tự chọn do đề bài không cho
lưu lượng) ở áp suất ban đầu 1atm được nén qua 02 cấp, cấp 1 nén lên 5Mpa, sau
máy nén thứ nhất nhiệt độ tăng cao nên trước khi vào máy nén thứ 2 hỗn hợp khí
cần phải làm lạnh để giảm nhiệt độ trước khi được nén tới áp suất yêu cầu
(10MPa) trong máy nén thứ 2. Hỗn hợp khí trước khi đi vào thiết bị phản ứng
được gia nhiệt tại thiết bị trao đổi nhiệt bằng tận dụng hỗn hợp khí nóng đi ra từ
đỉnh thiết bị phản ứng. Hỗn hợp sau phản ứng được tiếp tục làm lạnh sau khi đi
qua thiết bị trao đổi nhiệt và được đưa vào thiết bị tách 2 pha. Phần sản phẩm ở
dạng lỏng ra ở đáy thiết bị tách được đưa vào tháp chưng cất.
Sử dụng Shortcut Column để tính toán sơ bộ các thông số của tháp
chưng cất. Tại tháp chưng cất, cấu dễ bay hơi (MeOH) ở dạng hơi đi từ dưới lên
tiếp xúc pha với cấu tử lỏng từ trên xuống do áp suất trong tháp chưng cao hơn áp
suất khí quyển nên nhiệt độ sôi của MeOH cũng cao hơn. Hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp
chưng chứa chủ yếu là methanol, phần lỏng dưới đáy tháp chưng chủ yếu là nước.
Hơi Methanol được làm lạnh đến khoảng 40 oC và đưa về áp suất khí quyển trước
khi đưa vào bể chứa.
Phần khí từ thiết bị tách 2 pha chứa chủ yếu là H 2 và CO2 có lẫn lượng
nhỏ MeOH được tuần hoàn trở lại dòng khí vào trước máy nén thứ hai. Do dòng
khí này ở áp suất thấp (300kPa) cần được tăng lên đến áp suất bằng hoặc cao hơn
áp suất đầu ra của máy nén thứ nhất để tránh chênh lệch áp suất bị đẩy ngược về
thiết bị tách 2 pha.

2.

Khai báo cấu tử
Nhập thành phần cấu tử: CO, CO2, H2, CH3OH, H2O như hình 1.

Hình 1. Khai báo lựa chọn cấu tử
3.
Lựa chọn hệ nhiệt động
Sau khi nhập các cấu tử cho mô phỏng, tiếp theo là lựa chọn hệ nhiệt
động (Fluid Package) cho mô phỏng. Hệ nhiệt động được sử dụng để tính toán
dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô
phỏng.
Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson (PR). Hệ nhiệt động PR là hoàn
toàn phù hợp vì gói cấu tử của bài toán toàn là cấu tử hydrocacbon thông thường
không có tính chất gì đặc biệt do đó hệ nhiệt động PR là hoàn toàn phù hợp với bài
toán này.
Thao tác chọn hệ nhiệt động như sau:
Tại giao diện Simulation Basic Manager chọn Fluid Pkgs tab, sẽ hiển
thị của sổ như hình dưới đây:


Hình 1.1. Giao diện Fluid Package
Bấm vào Add sẽ hiển thị cửa sổ như trong hình 1.2 để chọn một Fluid
Pkgs phù hợp. Ở đây ta chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson.

Hình 1.2. Giao diện Fluid Package
4.

Khai báo phản ứng

Đầu bài cho độ chuyển hóa của các phản ứng nên ta lựa chọn kiểu phản
ứng Conversion để khai báo các phản ứng.
Phản ứng của bài mô phỏng gồm:
CO + 2H2 → CH3OH
Với độ chuyển hóa theo CO là 90.6%
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O

Với độ chuyển hóa theo CO2 là 44%

Phản ứng đầu tiên là phản ứng chính với hiệu suất cao lên đến 90.6%
được điều khiển bằng điều kiện và xúc tác. Còn phản ứng thứ 2 là phản ứng phụ
với hiện suất của phản ứng phụ là 44% tính theo CO2.
Chính vì vậy khi thiết lập phản ứng loại Conversion và thiết lập gói phản
ứng của quá trình sản xuất này chúng ta phải tiến hành Ranking phản ứng để cho
phản ứng chính xảy ra trước đạt được độ chuyển hóa cần thiết sau đó mới đến
phản ứng phụ xảy ra. Điều này là hoàn toàn phù hợp trong thực tế công nghệ
người ta cũng phải dùng xúc tác cũng như chế độ vận hành để tăng hiệu xuất phản
ứng chính và giảm hiệu suất phản ứng phụ.
4.1.
Thiết lập phản ứng
Bấm vào Reactions tab trong Simulation Basic Manager sau đó vào
Reactions và bấm Add Rxn chọn Conversion sau đó bấm Add Reaction hiển thị
như hình 1.3 sau đây:

Hình 1.3. Giao diện Reaction tab
Bấm phím Add Rxn, sẽ hiển thị của sổ nhỏ có chứa danh sách các phản
ứng, chọn phản ứng conversion từ danh sách.
Nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.4 sau đây:

Hình 1.4. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1-Stoichimetry
Chuyển sang Basic tab và nhập các thông tin như trong giao diện
hình 1.5 sau đây:

Hình 1.5. Giao diện Conversion Reaction Rxn-1-Basic
Phản ứng thứ hai tương tự bấm phím Add Rxn, sẽ hiển thị của sổ nhỏ có
chứa danh sách các phản ứng, chọn phản ứng conversion từ danh sách.


Nhập các thông tin như trong giao diện hình 1.6 sau đây:

Hình 1.6. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2-Stoichimetry
Chuyển sang Basic tab và nhập các thông tin như trong giao diện
hình 1.7 sau đây:

Hình 1.7. Giao diện Conversion Reaction Rxn-2-Basic


4.2.

Thiết lập Reaction Set
Khi hai phản ứng đã được khai báo đầy đủ thông tin, cần phải thiết lập
Reaction Set cho thiết bị phản ứng chuyển hóa Conversion Reactor.
Vào Reactions tab sau đó vào Reaction Set đặt tên cụm phản ứng là
Global Rxn Set và nhập hai phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 vào. Các phản ứng được
nhập bằng cách chọn các phản ứng cần thiết từ danh sách thả xuống trong
Active List. Giao diện hiển thị như trong hình 1.8 dưới đây khi đã hoàn thành.

Hình 1.8. Giao diện Reaction Set
Quá trình thực hiện Ranking không Hysys như sau:
Các phản ứng chuyển hóa có thể được nhóm lại và phân loại phản ứng
(nối tiếp hoặc song song). Phản ứng nào được xếp hạng thấp nhất sẽ xảy ra đầu
tiên (có thể bắt đầu là 0 hoặc 1).
Để thiết lập cho các phản ứng nối tiếp trong Global Rxn set ở
hình 1.8, bấm vào phím Ranking... và nhập các thông tin cho phản ứng Rxn-1 có
Rank là 0, phản ứng Rxn-2 có Rank là 1, như trong hình 1.9 dưới đây. Điều đó có
nghĩa là phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 là các phản ứng nối tiếp, phản ứng Rxn-1 sẽ
xảy ra trước, phản ứng Rxn-2 sẽ xảy ra sau.




Hình 1.9. Quá trình thực hiện Ranking
Vào môi trường mô phỏng
Add dòng nguyên liệu: Feed với Molar Flow là 100kgmol/hr.



Add máy nén khí Comp Stage 1 với outlet pressure = 5Mpa

5.

Hình 2.0. Comp Stage 1-Connections-Design


Hình 2.1. Comp Stage 1-Parameter-Design

Hình 2.2. Comp Stage 1-Conditions-Worksheet



Add Cooler 1 (để làm lạnh trước khi vào cấp thứ 2) nhiệt độ sau khi làm

lạnh là 70ºC.


Hình 2.3. Cooler 1-Connections-Design

Hình 2.4. Cooler 1-Conditions-Worksheet

 Add Mix-1 để trộn với dòng tuần hoàn từ đỉnh tháp tách.


Hình 2.5. MIX-100-Connections-Design

Hình 2.6. MIX-100-Conditions-Worksheet



Add máy nén khí Comp 2 với áp suất sau cấp 2 là 10MPa.


Hình 2.7. Comp 2-Connections-Design

Hình 2.8. Comp 2-Parameters-Design



Add Heat Exchanger
+ Dòng vào: Compstage 2 Out


+ Dòng ra: To Reactor có nhiệt độ 210oC
+ Dòng năng lượng vào: Hot Gas from Reactor có nhiệt độ 250oC tận
dụng nhiệt từ thiết bị phản ứng.
+ Chênh lệch áp suất giữa dòng vào và ra: 80kPa
+ Chênh lệch áp suất giữa dòng năng lượng vào và ra
(ở bên ngoài ống): 80kPa
+ Lưu ý vào Design/Parameters chọn HE Model là Exchanged
Design (Weighted) nếu không sẽ xuất hiện Ft Correction Factor is low) do cấu
hình trao đổi nhiệt ảnh hưởng đến Ft.

Hình 2.9. HE-Connections-Design


Hình 3.0. HE-Conditions-Worksheet


Add thiết bị phản ứng Reaction

+ Dòng khí ra: Vào Worksheet đặt giá trị dòng khí ra ở đỉnh thiết bị
phản ứng Hot Gas to HE có nhiệt độ 250oC (theo bài ra thiết bị phản ứng làm việc
ở chế độ đẳng nhiệt, duy trì ở 250 oC), cho dòng khí này vào HE để tận dụng nhiệt
gia nhiệt hỗn hợp khí trước khi đưa vào tháp phản ứng.
+ Dòng năng lượng: Reactor Heat
+ Dòng sản phẩm đáy: Reactor Btm Liquid
+ Add phản ứng Conversion Rxn Set

Hình 3.1. Reactor Conversion-Connections-Design

Hình 3.2. Reactor Conversion-Details-Reactions




Add tuốc bin giãn nở khí Expander (khắc phục lỗi liquid inlet stream

trước khi vào expander).

Hình 3.3. K-100-Connections-Design

Hình 3.4. K-100-Parameters-Design



Hình 3.5. K-100-Conditions-Woksheet
Add Cooler 2 để làm lạnh xuống 25oC


Hình 3.6. Cooler 2-Connections-Design

Hình 3.7. Cooler 2-Parameters-Design



Hình 3.8. Cooler 2-Conditions-Worksheet
Add tháp tách Separator 2 pha

Hình 3.9. Separator – Connections – Design

Hình 4.0. Separator – Parameters – Design

6.

Hình 4.1. Separator – Conditions - Worksheet
Xác định các thông số làm việc của tháp




Add Shortcut column T-101 để tính số đĩa lý thuyết và chỉ số hồi lưu tối

thiểu.
+ Cấu tử nhẹ ở đáy tháp là Methanol, có nồng độ mong muốn
là : 0.010
+

Cấu tử nặng ở đỉnh tháp là nước, có nồng độ mong muốn

là : 0.005
+ Áp suất đỉnh tháp: 180 kPa
+ Áp suất đáy tháp: 210 kPa
+ Sản phẩm lấy dưới dạng lỏng
Trong Design Tab/ Parameter chọn chỉ số hồi lưu là 1 Hysys sẽ tính toán
chỉ số hồi lưu tối thiểu là 0.458. Trong Performance tab ta được kết quả tính toán.

Hình 4.2. Shortcut Column-Connections-Design

Hình 4.3. Shortcut Column-Parameters-Design


Hình 4.4. Shortcut Column-Performance

Hình 4.5. Shortcut Column-Conditions-Worksheet


Add tháp chưng Distillation
+
+
+
+

Áp suất đỉnh tháp: 180 kPa
Áp suất đáy tháp: 210 kPa
Chọn chế độ ngưng tụ hoàn toàn, chỉ số hồi lưu là 1
Số đĩa lý thuyết là 14 đĩa, vị trí tiếp liệu là đĩa thứ 6


+ Column Reflux ratio =1, add Specs Column Component Fraction
cho dòng hơi ở đỉnh OVHD MeOH Vapour với phần mol H2O là 0.005.
Sản phẩm đi ra khỏi tháp chưng được làm lạnh bởi Product Cooler
(Cooler 3) xuống 40oC với delta P= 80Kpa xuống áp suất 100Kpa (1atm) rồi mới
được đưa vào thùng chứa Tank.
Kết quả chạy tháp chưng khi chọn N = 14, R = 1, nồng độ cấu tử mong
muốn (H2O) ở đỉnh tháp là 0.005, nồng độ mol fraction của MeOH
là 0.9946

Hình 4.6. Distillation Column-Connections-Design


Hình 4.7. Distillation Column-Specs-Design

Hình 4.8. Distillation Column-Setup-Flowsheet


Hình 4.9. Distillation Column-Profiles-Parameters

Hình 5.0. Distillation Column-Conditions-Worksheet
7.
hai

Tuần hoàn dòng khí từ thiết bị tách hai pha vào trước máy nén thứ
a. Add máy nén khí Comp 3


b. Add Cooler 4 để làm lạnh xuống dòng khí tuần hoàn xuống 100oC
c. Add công cụ logic Recycle tuần hoàn dòng khí về trước máy nén (trộn
qua mixer)
8.
Kiểm tra cân bằng vật chất và năng lượng
Vào Utilities add Property Balance Utility và add mass flow sau đó
insert variable ta được cân bằng vật chất như sau:

Hình 5.1. Property Balance Urtility 1-Meterial Balance
Như vậy cân bằng vật chất đảm bảo tổng khối lượng nguyên liệu vào
bằng tổng sản phẩm ra.