MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP METHANOL TỪ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHẦN MỀM ASPEN HYSYS

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
------

------

BÁO CÁO THỰC HÀNH
CHUN NGÀNH
ĐỀ TÀI:
MƠ PHỎNG Q 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 - Q 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 dịng 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 cơng nghệ trên.
3. Tính cân bằng vật liệu và cân bằng năng lượng tồn cơng nghệ
4. Dịng khí từ đỉnh tháp tách vẫn lẫn MeOH và nguyên liệu chưa phản ứng. Tuần
hồn lại dịng 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.
Yêu cầu:
1. Viết và gửi file word:
• Trình tự tiến hành mơ phỏng
• Biện luận, phân tích q trình mơ phỏng, các lỗi và cách giải quyết
• Phân tích các kết quả nhận được
• Xuất và in báo cáo (PFD và Workbook)
2. Các case theo yêu cầu của đầu bài. Đặt tên file theo họ tên của sinh viên. Tất cả các
file lưu vào một thư mục ghi rõ STT-họ tên (tiếng Việt không dấu) theo danh sách
lớp (ví dụ: 1-Nguyen Van A), gửi cho thầy trước ngày 23/8/2018


MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .................................................................................................. 2
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................................ 4
BÁO CÁO ............................................................................................................................ 5
1.

Sơ đồ công nghệ và thuyết minh ............................................................................. 5

2.

Quy trình mơ phỏng ................................................................................................ 6

3.

4.

2.1.

Khai báo cấu tử ................................................................................................ 6

2.2.

Lựa chọn hệ nhiệt động .................................................................................... 6

2.3.

Khai báo phản ứng ........................................................................................... 7

2.4.

Vào môi trường mô phỏng (Return to Simulation Enviroment) .................... 11

Kết luận ................................................................................................................. 24
3.1.

Tính tốn thơng số tháp chưng ....................................................................... 24

3.2.

Xây dựng sơ đồ cơng nghệ ............................................................................. 25

3.3.

Tính cân bằng vật chất và năng lượng ........................................................... 25

3.4.

Tính tồn lưu lượng tuần hồn để Methanol thu được lớn nhất .................... 26

Một số lỗi gặp khi mô phỏng ................................................................................ 28
4.1.

Lỗi Ft correction Factor is low ....................................................................... 28

4.2.

Lỗi Liquid in inlet stream ............................................................................... 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 30

1


DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1. Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp.............................. 5

Hình 2. Khai báo cấu tử ........................................................................................................ 6
Hình 3. Giao diện chọn Fluid Package ................................................................................. 7
Hình 4. Giao diện Reaction tab ............................................................................................ 7
Hình 5. Thiết lập phản ứng 1 ................................................................................................ 8
Hình 6. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 1 ................................................................. 8
Hình 7. Thiết lập phản ứng 2 ................................................................................................ 9
Hình 8. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2 ................................................................. 9
Hình 9. Thiết lập gói phản ứng Reaction Sets .................................................................... 10
Hình 10. Giao diện Reaction Sets....................................................................................... 10
Hình 11. Thiết lập thứ tự phản ứng (Rank) cho 2 phản ứng .............................................. 10
Hình 12. Thơng số dịng SynGas ........................................................................................ 11
Hình 13. Comp-1 Parameter Design .................................................................................. 11
Hình 14. Giao diện Cooler-1 Connections ......................................................................... 12
Hình 15. Mixer Connection Design.................................................................................... 12
Hình 16. Comp-2 Connections Design ............................................................................... 13
Hình 17. Comp-2 Parameters Design ................................................................................. 13
Hình 18. Heat Exchanger Connections Design .................................................................. 14
Hình 19. Heat Exchanger Parameters Design .................................................................... 14
Hình 20. Methanol Synthesis Reactor Connections Design............................................... 15
Hình 21. Methanol Synthesis Reactor Reaction Results .................................................... 15
Hình 22. Expander Connections Design ............................................................................ 16
Hình 23. Expander Conditions Worksheet ......................................................................... 16
Hình 24. Cooler-2 Conditions Worksheet .......................................................................... 17
Hình 25. Seperator Conditions Worksheet ......................................................................... 17
Hình 26. Shortcut Column Parameters Design .................................................................. 18
Hình 27. Kết quả giả tính tốn tháp chưng. ........................................................................ 18

2

Hình 28. Distillation Column Connections Design ............................................................ 19
Hình 29. Distillation Column Monitor Design ................................................................... 20
Hình 30. Kết quả tháp chưng .............................................................................................. 20
Hình 31. Cooler-4 Conditions Worksheet .......................................................................... 21
Hình 32. Thơng số dịng sản phẩm Methanol .................................................................... 21
Hình 33. TEE-100 Connections Design ............................................................................. 22
Hình 34. Comp-3 Connections Design ............................................................................... 22
Hình 35. Cooler-3 Connections Design.............................................................................. 23
Hình 36. RCY-1 Connections............................................................................................. 23
Hình 37. Kết quả tính tốn cân bằng vật chất cho cả q trình .......................................... 25
Hình 38. Kết quả tính tốn cân bằng năng lượng cho cả quá trình .................................... 26
Hình 39. Đồ thị quan hệ của lưu lượng hồi lưu ảnh hưởng đến lưu lượng Methanol sản
phẩm và công suất của máy nén Comp-2, Comp-3 và Cooler-3 ........................................ 27
Hình 40. Lỗi Ft Correction Factor Is Low .......................................................................... 28
Hình 41. Khắc phục lỗi Ft Correction is low ..................................................................... 28
Hình 42. Lỗi Liquid in inlet stream .................................................................................... 29

3


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thơng số tính tốn tháp chưng bằng Shortcut Column ........................................ 19

4


BÁO CÁO
1. Sơ đồ cơng nghệ và thuyết minh

Hình 1. Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp Methanol từ khí tổng hợp

Sơ đồ cơng nghệ q trình tổng hợp methano từ khí tổng hợp được thể hiện như Hình 1.
Phản ứng chính:
CO + H2 → CH3OH

(1)

CO2 + H2 → CH3OH + H2O

(2)

Theo đề bài ra các phản ứng được thực hiện ở 250oC, áp suất 10Mpa (100 bar), độ chuyển
hóa của phản ứng (1) là 90.6% theo CO và của phản ứng (2) là 45.1% theo CO2.
Giả định lưu lượng khí tổng hợp ban đầu (Syngas) là 100kgmol/hr và áp suất ban đầu là 1
atm được nén 2 cấp, cấp 1 nén lên 5Mpa ở Comp-1, sau khi nén dịng khí 2 được làm
lạnh xuống 70oC bằng Cooler 1 trước khi trộn với dịng khí hồi lưu (Recycle) bằng MIX100 tới máy nén 2 (Comp-2) ( ở đây nén 2 cấp vì sau khi nén cấp 1 nhiệt độ dịng khí sẽ
tăng rất cao nên cần được làm lạnh để đảm bảo hiệu quả nén ở cấp nén 2 để dịng lên đến
áp suất 10Mpa). Hỗn hợp khí (dịng 4) sau khi được nén ở Comp-2 sẽ được gia nhiệt bởi
dịng khí sau phản ứng của thiết bị tổng hợp Methanol (Methanol Synthesis Reactor)
bằng thiết bị trao đổi nhiệt HE tới 210oC .Thiết bị phản ứng Methanol Synthesis

5


Reactor hoạt động đẳng nhiệt ở 250oC. Dịng khí sau phản ứng Reactor Outlet Gas
được tận dụng nhiệt bởi dòng 4 và tới Expender để giảm áp xuống còn 0.3 Mpa và tiếp
tục được làm lạnh xuống 25oC trước khi đưa vào thiết bị tách pha (Seperator). Tại
Seperator dịng khí chủ yếu là H2 và CO2 sẽ được nén, làm lạnh trước khi hồi lưu để trộn
với dịng khí phản ứng ban đầu. Dòng lỏng sau khi ra khỏi thiết bị tách pha sẽ được đưa
vào tháp chưng cất để chưng Methanol tinh khiết, sau đó được giảm áp và giảm nhiệt
xuống điều kiện môi trường trước khi đưa đi tồn trữ.

Sử dụng Shortcut Column để tính tốn sơ bộ các thông số của tháp chưng cất như số đĩa
lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập liệu.
2. Quy trình mơ phỏng
2.1.

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

Chọn hệ nhiệt động là Peng-Robinson (PR) vì hệ nhiệt động PR có thư viện tính tốn hỗ
trợ hầu hết các hợp chất hydrocacbon và các cấu tử khai báo trong bài hoàn toàn được hỗ
trợ bởi hệ nhiệt động này.
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

6


Hình 3. Giao diện chọn Fluid Package
2.3.

Khai báo phản ứng

Theo đề bài thì phản ứng tổng hợp Methanol là phản ứng chuyển hóa. Do đó thiết lập phản
ứng loại Conversion và thiết lập gói phản ứng với thứ tự phản ứng là phản ứng (1) xảy ra

trước và sau đó là phản ứng (2).
Tại giao diện Simulation Basis Manager chọn tab Reaction như hình 4.

Hình 4. Giao diện Reaction tab

7


Sau đó chọn Add Rxn, chọn loại phản ứng là Conversion. Sau đó giao diện Conversion
Reaction Rxn-1 sẽ hiện lên. Tại Stoichiometry, 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.

8


Hình 7. Thiết lập phản ứng 2

Hình 8. Nhập độ chuyển hóa Co của phản ứng 2
Sau khi thiết lập phản ứng hồn tất, thực hiện thiết lập gói phản ứng bằng cách Add Set và
thêm 2 phản ứng Rxn-1 và Rxn-2 và sắp xếp thứ tự phản ứng tại mục Ranking, đối với
bài này, phản ứng Rxn-1 phản ứng trước nên Rank 0 tiếp theo Rank 1 cho phản ứng Rxn2.

9

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

10


2.4.

Vào mơi trường mơ phỏng (Return to Simulation Enviroment)

Tạo dịng khí tổng hợp đầu vào SynGas với thơng số như hình 12. Với các thơng số theo
u cầu đề bài

Hình 12. Thơng số dịng SynGas
Nhập các thơng số máy nén Comp-1 như hình 13 với dịng vào là SynGas và dịng ra là 2

Hình 13. Comp-1 Parameter Design

11


Sau khi tăng áp nhiệt độ dòng 2 tăng lên 779.2oC và được giảm nhiệt độ xuống 70oC để
đảm bảo hiệu quả nén của Comp-2. Theo yêu cầu đề bài tất cả thiết bị trao đổi nhiệt của
q trình ln có độ giảm áp là 70kPa.

Hình 14. Giao diện Cooler-1 Connections
Sau đó Add Mixer để trộn khí đầu vào với dịng tuần hồn Recycle từ tháp phân tách

Seperator.

Hình 15. Mixer Connection Design

12


Dòng sản phẩm sau khi trộn xong sẽ được đưa đến máy nén Comp-2 để tiếp tục nén lên
đến áp suất 10Mpa (100 bar). Add Compressor, và các thông số được thể hiện như Hình
16 và Hình 17.

Hình 16. Comp-2 Connections Design

Hình 17. Comp-2 Parameters Design
Tiếp tục Add Heat Exchanger để tận dụng nhiệt giúp dịng khí trước khi vào thiết bị phản
ứng tăng lên đến 210oC nhờ vào dòng khí sau phản ứng Reactor Outlet Gas. Chọn Heat

13


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
Thêm thiết bị phản ứng như sau bấm vào General Reactors, Chọn Conversion Reactor.
Theo đề bài thiết bị phản ứng hoạt động đoạn nhiệt ở 250oC nên thêm dịng năng lượng vào
tháp để ổn định nhiệt. Thơng số thiết bị phản ứng được thể hiện như sau:

14


Hình 20. Methanol Synthesis Reactor Connections Design

Hình 21. Methanol Synthesis Reactor Reaction Results
Sau đó giảm áp suất của dịng sản phẩm xuống 3 MPa bằng cách thêm Expander, Add
Expander và thơng số được thể hiện như Hình 22.

15


Hình 22. Expander Connections Design

Hình 23. Expander Conditions Worksheet
Tiếp tục giảm nhiệt độ dịng khí sau phản ứng dịng 5 xuống 25oC trước khi đến tháp tách
pha bằng Cooler-2.

16


Hình 24. Cooler-2 Conditions Worksheet
Thêm thiết bị tách pha để tách dòng lỏng của hỗn hợp chủ yếu gồm Methanol và nước ra
khỏi dịng khí chủ yếu là H2 và CO2. Add Seperator được thơng số như sau

Hình 25. Seperator Conditions Worksheet
Để tính tốn thơng số tháp chưng bao gồm tính số đĩa lý thuyết, số đĩa thực tế, vị trí nhập
liệu và chỉ số hồi lưu tối thiểu, Aspen Hysys cung cấp một thiết bị có tên là Shortcut
Distillation để tính tốn sơ bộ trước khi thêm tháp chưng.

17


Add Shortcut Distillation, sau đó khai báo thơng số như Hình 26.

Hình 26. Shortcut Column Parameters Design

Hình 27. Kết quả giả tính tốn tháp chưng.
Như vậy sau khi nhập thơng số yêu cầu cho tháp chưng, kết quả được thể hiện như Hình
27. Tồn bộ thơng số tháp chưng được thể hiện như bảng dưới đây.

18


Bảng 1. Thơng số tính tốn tháp chưng bằng Shortcut Column
Thơng 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

Tỉ số hồi lưu

1.5

Thông số kết quả

Giá trị

Số đĩa lý thuyết

7.654 (làm tròn thành 8 đĩa)

Số đĩa thực tế

11.581 (làm trịn thành 12 đĩa)

Vị trí nhập liệu

5.317 (Chọn đĩa 6 để tính tốn)

Sau khi tính tốn được các thơng số cần thiết của tháp chưng, thêm tháp chưng vào để tiếp
tục quá trình. Add Distillation Column, và khai báo các thơng số như các hình sau.

Hình 28. Distillation Column Connections Design

19


Hình 29. Distillation Column Monitor Design

Hình 30. Kết quả tháp chưng

20


Sau đó dịng sản phẩm Methanol được đưa đến điều kiện môi trường (nhiệt độ 35oC và áp
suất 1atm) nhờ vào Cooler-4 và được thể hiện như hình dưới đây.

Hình 31. Cooler-4 Conditions Worksheet

Hình 32. Thơng số dịng sản phẩm Methanol

21


Cịn dịng khí tuần hồn Vapour Seperator sẽ được đưa đến TEE-100 để điều chỉnh lưu
lượng tuần hồn.

Hình 33. TEE-100 Connections Design
Dịng khí tuần hồn sau đó được đưa tới máy nén Comp-3 để tăng áp lên 5Mpa và Cooler3 để gảm nhiệt xuống 100oC để phù hợp trộn với dịng sản phẩm đầu vào.

Hình 34. Comp-3 Connections Design
22

Hình 35. Cooler-3 Connections Design
Trước khi đưa về trộn với dịng sản phẩm đầu tại MIX-100, thêm cơng cụ logic Recycle để
ổn định dịng tuần hồn.

Hình 36. RCY-1 Connections

23