Mô phỏng và tối ưu quy trình sản xuất Amoniac từ khí thiên nhiên

Nghiên cứu tiến hành mô phỏng qui trình sản xuất NH3 bằng phần mềm HYSYS. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng của các thông số áp suất và nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất, đồng thời xác định được thông số tối ưu của quá trình sản xuất. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô phỏng và tối ưu quy trình sản xuất Amoniac từ khí thiên nhiên MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƢU QUY TRÌNH SẢN XUẤT AMONIAC TỪ KHÍ THIÊN NHIÊN Hồ Tấn Thành Khoa Công nghệ Hóa học – trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí MinhTÓM TẮTMô phỏng quy trình sản xuất có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá, cải tiến và tối ưu quá trình sảnxuất. Phần mềm HYSYS là một công cụ mô phỏng hiệu quả các qui trình sản xuất. Nghiên cứu tiến hànhmô phỏng qui trình sản xuất NH3 bằng phần mềm HYSYS. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng củacác thông số áp suất và nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất, đồng thời xác định được thông số tối ưu của quátrình sản xuất. Kết quả nghiên cứu cũng dự đoán được các thông số và quy trình sản xuất có hiệu suất cảitiến.Từ khóa: Hiệu suất, lưu lượng, mô phỏng, phần mềm HYSYS, tối ưu hóa.1. GIỚI THIỆUAmoniac là một trong những hợp chất có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp hóa họcbởi vì có rất nhiều ứng dụng trong thực tế. Đặc biệt là trong ngành phân bón, amoniac là nguyên liệu đểsản xuất ra các loại phân đạm, đóng góp cho việc phát triển ngành nông nghiệp, đảm bảo an ninh lươngthực quốc gia [1] [4].Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, các lập trình viên đã góp phầnto lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng. Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rấtnhiều thời gian và khả năng thực hiện dự án đó là khó có thể biết trước được. Bên cạnh đó, việc chạy thửhệ thống để tìm các điều kiện thông số vận hành tối ưu mất rất nhiều thời gian và vật chất.Khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể môphỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi các thông số làm việccủa bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy. Ngoàira, với những tính năng của các phầm mềm mô phỏng chúng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau,tìm được phương án tối ưu, nhanh chóng, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơnnữa là áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hóa học, đảmbảo được tính khả thi cho những dự án lớn sẽ được thực hiện trong tương lai [2].Quy trình sản xuất amoniac từ khí thiên nhiên trải qua nhiều giai đoạn phức tạp cần được kiểm soát chặtchẽ. Việc mô phỏng quá trình sản xuất này cần thiết được thực hiện để nắm bắt được quy trình sản xuất,sự thay đổi các yếu tố ở từng quá trình ảnh hưởng như thế nào đến quá trình sản xuất cũng như đầu ra sảnphẩm từ đó tìm được các điều kiện tối ưu để vận hành dây chuyền sản xuất hoạt động hiệu quả.7412. QUY TRÌNH TỔNG HỢP AMONIAC [3]2.1. Quy trình reforming sơ cấpCác phản ứng xảy ra: CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2 (1); CH4 + 2H2O ⇌ CO2 + 4H2 (2) CO + H2O ⇌ CO2 + H2 (3); CO2 + CH4 ⇌ 2CO + 2H2 (4)Các phản ứng (1), (2), (4) là phản ứng thu nhiệt. Quá trình reforming sơ cấp cần bổ sung một lượng nhiệtrất lớn, phù hợp thực hiện ở áp suất thấp, nhiệt độ cao. Trong công nghiệp phản ứng được thực hiện ở ápsuất cao nhằm mục đích kinh tế, chủ yếu dùng xúc tác để đẩy mạnh có chọn lọc phản ứng (1). Nhiệt độ vàáp suất làm việc như sau:– Nhiệt độ: 700  800oC.– Áp suất: áp suất thường 0,3  0,35 MPa, áp suất cao 1  3,5 Mpa.2.2. Quy trình reforming thứ cấpGiai đoạn này cần bổ sung không khí để cung cấp oxy cho chuyển hóa.Các phản ứng xảy ra: H2 + ½ O2 ⇌ H2O (5); CO + ½ O2 ⇌ CO2 (6); CH4 + ½ O2 ⇌ CO + 2H2 (7)Trong đó chủ yếu là phản ứng (5) giữa H2 và O2 vì tốc độ phản ứng này gấp 103  104 lần các phản ứngkhác. Hiệu suất chuyển hóa theo O2 đạt 99%. Nhiệt độ và áp suất làm việc như sau: Nhiệt độ cao: 1000 1250oC; áp suất: 0,2  0,4 Mpa.2.3. Quy trình chuyển hóa COCO có trong sản phẩm khí phụ thuộc vào công nghệ và nguyên liệu, thường chiếm khoảng 10  50% thểtích. Quá trình tổng hợp NH3 chỉ sử dụng N2 và H2 nên yêu cầu phải chuyển hóa CO và các chất ô nhiễmkhác.Phản ứng chính trong chuyển hóa CO: CO + H2O ⇌ CO2 + H2 (3)Đây là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt. Để tăng hiệu suất chuyển hóa CO, trong công nghiệp thường thựchiện chuyển hóa CO qua 2 giai đoạn: chuyển hóa nhiệt độ cao và chuyển hóa nhiệt độ thấp.– Chuyển hóa CO nhiệt độ cao: Nhiệt độ phản ứng 350 ÷ 500oC và áp suất: 2 ÷ 3 Mpa.– Chuyển hóa CO nhiệt độ thấp: nhiệt độ phản ứng khoảng dưới 350oC, áp suất từ 1 ÷ 3 Mpa.2.4. Quy trình khử CO2CO2 cũng tương tự như khí than ướt cần phải tách ra khỏi hỗn hợp khí. Trong nghiên cứu này, quá trìnhhấp thu CO2 được thực hiện bằng dung dịch C3 = cacbonat nguyên chất với điều kiện áp suất 60,1 atm,nhiệt độ 60oC và nồng độ CO2 đầu vào 20  24%.7422.5. Quy trình methane hóaĐối với quá trình reforming hơi nước, sau khi chuyển h ...