Đang tải... (xem toàn văn)
Khí tổng hợp là hỗn hợp của khí CO và H2. Tỷ lệ H¬2CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp và mục đích sử dụng. Trong chiến tranh thế giới II, khí tổng hợp được sản xuất bằng phương pháp khí hóa than, và được dùng ở Đức để sản xuất hỗn hợp hydrocacbon lỏng theo công nghệ FischerTropsch dùng cho xăng. Công nghệ khí hóa than hiện nay hầu như không được ứng dụng vì giá thành sản phẩm cao, tuy nhiên nó vẫn được duy trì ở một số nước có nguồn đá dồi dào và rẻ. (Nam Phi). Quá trình steam reforming khí tự nhiên được áp dụng ở những nước có nguồn khí lớn như Mỹ, Ảrập Xêut. Trong khi ở Châu Âu thường sử dụng quá trình steam reforming phân đoạn Naphta (chứa các hydrocacbon từ C5 C10). Khi khối lượng phân tử tăng (tỷ lệ HC giảm) thì tỷ lệ H2CO trong sản phẩm giảm. Quá trình oxy hóa không hoàn toàn không sử dụng xúc tác cũng có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, nhưng tỷ lệ H2CO thấp hơn so với quá trình steam reforming. Khí tổng hợp là sản phẩm trung gian quan trọng. Hỗn hợp CO và H2 có thể được sử dụng để sản xuất Metanol, tổng hợp hydrocacbon theo công nghệ FischerTropsch, tổng hợp andehit và rượu theo công nghệ Oxo. Khí tổng hợp là nguồn chính để sản xuất H2 dùng để sản xuất ammoniac. Ammoniac lại là nguyên liệu đầu quan trọng để tổng hợp ra ure, nitrat amon và hydrazine. Quá trình tổng hợp methanol và amoniac là quá trình xúc tác đầu tiên được áp dụng quy mô lớn vào đầu thế kỷ 20.
MỞ ĐẦU Nói đến tiến khoa học kỹ thuật không nói đến tự động hóa Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa vào trình công nghệ hóa học yếu tố quan trọng để thúc đẩy tiến kỹ thuật ngành hóa chất Bởi tự động hóa việc ứng dụng dụng cụ, thiết bị, máy điều khiển Những phương tiện kỹ thuật cho phép thực trình công nghệ theo chương trình tạo dựng, phù hợp với tiêu chuẩn (diều kiện) cho trước, mà không cần tham gia trực tiếp người Những hiệu mà tự động hóa mang lại cho phát triển kinh tế xã hội phủ nhận được, là: Năng suất thiết bị công nghệ tăng sở trì thống số tối ưu công nghệ Chất lượng sản phẩm ổn định Giảm tổn thất, chi phí nguyên, nhiên, vật liệu sản xuất Cho phép sử dụng công nghệ tiên tiến có độ phức tạp cao Năng suất lao động tăng Giảm kích thước nhà xưởng, tiết kiệm mặt Cải thiện môi trường lao động, công việc mang tính độc hại, nặng nhọc Trong phân xưởng, nhà máy ngành công nghệ hóa học, việc điều khiển tối ưu hóa trình công nghệ hai nhiệm vụ mà người kỹ sư phải quan tâm Hiện nay, việc nắm bắt công nghệ mới, đặc biệt phần tự động hóa gặp nhiều khó khăn Môn học Kỹ thuật đo lường điều khiển tự động trình công nghệ hóa thực phẩm trang bị cho học viên kiến thức bản, cách thức, trình tự, nguyên lý phép đo để tiến hành tự động hóa trình công nghệ Bài tiểu luận này, em xin trình bày đề tài “ Tự động hóa trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn” CHƯƠNG I MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP I Giới thiệu chung trình sản xuất khí tổng hợp Khí tổng hợp hỗn hợp khí CO H Tỷ lệ H2/CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp mục đích sử dụng Trong chiến tranh giới II, khí tổng hợp sản xuất phương pháp khí hóa than, dùng Đức để sản xuất hỗn hợp hydrocacbon lỏng theo công nghệ Fischer-Tropsch dùng cho xăng Công nghệ khí hóa than không ứng dụng giá thành sản phẩm cao, nhiên trì số nước có nguồn đá dồi rẻ (Nam Phi) Quá trình steam reforming khí tự nhiên áp dụng nước có nguồn khí lớn Mỹ, Ảrập Xêut Trong Châu Âu thường sử dụng trình steam reforming phân đoạn Naphta (chứa hydrocacbon từ C5 - C10) Khi khối lượng phân tử tăng (tỷ lệ H/C giảm) tỷ lệ H2/CO sản phẩm giảm Quá trình oxy hóa không hoàn toàn không sử dụng xúc tác sử dụng để sản xuất khí tổng hợp, tỷ lệ H2/CO thấp so với trình steam reforming Khí tổng hợp sản phẩm trung gian quan trọng Hỗn hợp CO H sử dụng để sản xuất Metanol, tổng hợp hydrocacbon theo công nghệ Fischer-Tropsch, tổng hợp andehit rượu theo công nghệ Oxo Khí tổng hợp nguồn để sản xuất H dùng để sản xuất ammoniac Ammoniac lại nguyên liệu đầu quan trọng để tổng hợp ure, nitrat amon hydrazine Quá trình tổng hợp methanol amoniac trình xúc tác áp dụng quy mô lớn vào đầu kỷ 20 Các phương pháp sản xuất khí tổng hợp: có phương pháp - Steam reforming khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Khí hòa than II Quá trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn II.1 Nguyên liệu Về lý thuyết, trình dùng cho dạng nguyên liệu từ khí, lỏng hay rắn, nhiên trình thường sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có như: khí tự nhiên, hydrocacbon nặng (phân đoạn FO), than đá… Đôi trình gọi trình khí hóa (gasification) II.2 Hóa lý trình Phản ứng cháy không hoàn toàn : xảy nhiệt độ cao, tạo sản phẩm CO: sản phẩm CH4 + 3/2 O2 CO + 2H2O ∆H= -519,5 kJ/mol Phản ứng CO với nước (hơi nước tạo phản ứng cháy đưa thêm vào) CO + H2O CO2 + H2 ∆H= -41,2kJ/mol Phản ứng phân hủy hydrocacbon CH4 C (khí) + 2H2 ∆H= 74,8kJ/mol Với có mặt nước CO2, C tạo thành tiếp tục tham gia phản ứng sau CO2 + C 2CO C +H2O CO + H2 Tổng quát: trình sử dụng nguyên liệu đầu khí tự nhiên, phản ứng tổng quát CH4 + 1/2O2 CO + 2H2 Trong trường hợp, nguyên liệu đầu hydrocacbon hơn, phản ứng xảy sau: CnHm + (2n+m)/4O2 nCO + m/2H2O Vì tỷ lệ H/C nguyên liệu giảm, nên phản ứng có xu hướng tạo thành nhiều CO hơn, lượng H2O tạo phản ứng cháy giảm, nên cần phải thêm nước vào Trong trường hợp sử dụng nguyên liệu đầu khí tự nhiên, sản phẩm thu có tỷ lệ H2/CO =2 thích hợp cho trình tổng hợp F-T tổng hợp methanol II.3 Thiết bị trình Quá trình tỏa nhiệt, lượng tiêu thụ thấp phản ứng steam reforming Tốc độ phản ứng lớn, nên thiết bị phản ứng nhỏ Chi phí cho thiết bị 30% so với phương pháp truyền thống Phản ứng oxy hóa phản ứng đa dạng, công nghiệp phòng thí nghiệm có nhiều loại thiết bị khác nhau, nói chung dùng thiết bị có sẵn công nghiệp hóa học Vật liệu thiết bị quy định cách cứng nhắc thường thiết bị ống phản ứng làm thép Oxy hóa loại phản ứng tỏa nhiệt mạnh, lúc thiết kế cần ý đến vấn đề làm lạnh nung nóng hiệu để tránh tình trạng oxy hóa sâu Thông thường để giải vấn đề này, người ta không chế tạo thiết bị tích lớn àm tạo hệ thống nhiều thiết bị tích nhỏ để tiện lợi gia nhiệt thu nhiệt II.4 Kỹ thuật an toàn trình Phản ứng oxy hóa thường phản ứng tỏa nhiệt mạnh, vấn đề đưa hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ khởi động phản ứng quan trọng Kế hiệu việc làm lạnh tốc độ cho chất cần oxy hóa (nạp liệu), với yếu tố khống chế nhiệt độ phản ứng Vấn đề an toàn ý đặc tính nguy hiểm loại tác nhân oxy hóa Vấn đề quan trọng kỹ thuật an toàn giá trị tỷ lệ tạo hỗn hợp nổ chất đem oxy hóa oxy không khí khí oxy kỹ thuật điều kiện nhiệt độ tương ứng II.5 Sơ đồ công nghệ trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn Trên thề giới có hãng trực tiếp sản xuất khí tổng hợp hãng Shell Texaco Đặc điểm trình không sử dụng xúc tác Nhiệt độ phản ứng t > 10000C Áp suất phan ứng từ 20-30at Em lựa chọn sơ đồ công nghệ sản xuất khí tổng hợp hãng Shell Sơ đồ công nghệ trình bày hình Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ: Nguyên liệu ban đầu bao gồm nhiên liệu FO gia nhiệt lên nhiệt độ cao với dòng nước cung cấp cho nồi gia nhiệt vào thiết bị phản ứng oxy hóa không hoàn toàn với có mặt dòng khí oxy không khí Toàn sản phẩm thu sau phàn ứng oxy hóa đếu đưa qua hệ thống thiết bị sản xuất nước Tại tiếp tục cung cấp lượng nước gia nhiệt cho nối thông qua thiết bị bơm ly tâm Sau trình sản xuất nước, ta thu nước áp suất cao Toàn sản phẩm khí thu đáy tháp phần nguyên liệu ban đầu tiếp tục đưa sang thiết bị lọc cacbon Tại tiến hành công đoạn lọc cacbon cách rửa với nước Sau tiến hành thu hồi cacbon nước, trích ly phần bùn naphta Tiếp theo, phần trích trộn với nguyên liệu đầu đưa vào thiết bị oxy hóa Nước thu từ phân đoạn thu hồi cacbon, phần thải ngoài, lại đưa qua hệ thống bơm, với lương nước bổ sung thêm vào thiết bị rửa khí sau trình lọc cacbon Đây công đoạn cuối trình sản xuất khí Từ đỉnh tháp rửa khí thu khí sản phẩm chủ yếu CO phần H Lượng nước lại sau trình rửa khí phân khí lẫn tách làm hai dòng Một dòng qua hệ thống gia nhiệt quay trở lại tháp rửa khí, để trình tách khí lẫn diễn triệt để Một dòng quay lại thiết bị lọc cacbon để tận dung nước cho trình lọc cacbon III Phân tích trình công nghệ với tư cách đối tượng tự động điều chỉnh Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tự động ĐT: Đối tượng tự động hóa; CB: Cảm biến; SS: So sánh; BĐ: Bộ đặt; N: Nguồn; BĐK: Bộ điều khiển; CCCH: Cơ cấu chấp hành; X: Tác động điều chỉnh; Y: Thông số điều chỉnh; Z: Các thông số nhiễu; YPV: Giá trị thực tế thông số Y; YSV: Giá trị đặt thông số Y Dưới tác động nhiễu Z tác động đầu vào X thay đổi, làm cho thông số công nghệ Y thay đổi, hay giá trị đo YPV thay đổi, dẫn đến giá trị sai lệch ε thay đổi, kéo theo giá trị tác động điều chỉnh μ thay đổi, thiết bị chấp hành đưa tác động điều chỉnh yếu tố đầu vào để bù vào sai lệch làm cho thông số công nghệ Y trở lại bình thường Yêu cầu điều khiển: Đảm bảo thông số kỹ thuật phản ứng nhiệt độ, áp suất để thu sản phẩm mong muốn, với chất lượng đạt yêu cầu Đảm bảo tình an toàn cho trình sản xuất Các tác động điều chỉnh thiết bị thường dùng lưu lượng nguyên liệu vào tháp oxy hóa, lượng nước cấp thêm cho nồi hơi, lượng naphta đưa vào để thu hồi cacbon, lượng nước bổ sung thêm Các thông số điều chỉnh chọn nhiệt độ phản ứng, áp suất tháp oxy hóa, tỷ lệ lưu lượng nguyên liệu Phân tích mối quan hệ tương quan thông số điều chỉnh với tác động điều chỉnh để đưa tác động điều chỉnh phù hợp • Nhiệt độ Đặc điểm phản ứng oxy hóa tỏa nhiệt mạnh Ngay từ đầu cần phải gia nhiệt để đạt nhiệt độ mà phản ứng xảy (nhiệt độ mồi cho phản ứng), phản ứng 10000C Khi phản ứng bắt đầu xảy tiếp tục tỏa nhiệt mạnh làm cho nhiệt độ tháp phản ứng tăng lên liên tục Nhiệt độ tăng cho phản ứng xảy nhanh hơn, tỏa nhiệt mạnh hơn, nhiệt độ tháp lại tăng lên cao hơn, biện pháp không chế nhiệt độ tháp gây tượng nhiệt, không tạo sản phẩm mong nuốn, chí gây nổ tháp Do vậy, tháp phản ứng cần có nhiệt kế đo nhiệt độ, tốt dùng loại ghi tự động có cảnh báo để theo dõi liên tục có tác động điều chỉnh kịp thời Nhiệt độ phản ứng tháp khoảng 10000C Do đó, miền giá trị để đặt (YSV) để so sánh khoảng 985 – 9950C Nếu giá trị thực đo (YPV) bé ngưỡng giá trị đặt đưa tác động điều chỉnh gia nhiệt cách tăng thêm nhiệt độ dòng nguyên liệu nước cho nồi FO Ngược lại, nhiệt độ đo cao ngưỡng giá trị đặt phải đưa tác đông điều chỉnh làm giảm nhiệt độ dòng nguyên liệu vào tháp phản ứng Vì tôc độ phản ứng lớn, thiết bị phản ứng nhỏ, nên ta không cần chia nhỏ tháp đoạn để theo dõi nhiệt độ • Áp suất Đặc điểm công nghệ dây chuyền công nghệ xảy điều kiện áp suất cao 20 – 30 at Khi áp suất tháp oxy hóa tăng lên dấu hiệu lượng oxy (không khí) cấp vào thừa, không phản ứng hết Nếu biện pháp điều chỉnh, giảm áp suất gây nổ thiết bị Do đó, yêu cầu đặt phải lắp thiết bị đo áp suất để theo dõi áp suất hệ thồng, áp suất tăng ngưỡng cho phép tác đông điều chỉnh kịp thời cách: giảm lượng không khí cấp vào, mớ van tăng lượng khí thu sau phản ứng • Tỷ lệ lưu lượng dòng nguyên liệu Cần phải đảm bảo tỷ lệ lưu lượng dòng nguyên liệu cấp vào loại thiết bị cách xác để tránh giới hạn nổ Ta điều chỉnh cách thông qua việc đóng mở van dẫn nguyên liệu vào tháp để kiểm soát lưu lượng đưa vào CHƯƠNG II THIẾT LẬP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP I Thiết lập sơ đồ chức đo điều khiển tự động Đo điều khiển nhiệt độ Trong tháp phản ứng oxy hóa lắp đặt chỗ khí cụ đo nhiệt độ, điểm đo thiết bị, truyền xa tín hiệu Tín hiệu truyền đến khí cụ khác lắp đặt tủ điều khiển để thuận lợi cho người thao tác điều khiển trình công nghệ Khí cụ thị đưa tác động điều chỉnh lên hệ thống thiết bị gia nhiệt dòng nước cho nối hơi, để đảm bảo nhiệt độ tháp nằm khoảng cho phép Nếu giá trị đo lớn giá trị đặt, tức nhiệt độ tháp cao nhiệt độ cho phép điều chỉnh giảm nhiệt cấp cho dòng nước, đưa dòng nước lạnh vào Ngược lại, nhiệt độ đo nhỏ giá trị đặt điều chỉnh tăng nhiệt cấp cho dòng nước nồi Nếu ε = không cần điều chỉnh nhiệt độ dòng nguyên liệu vào, trì giá trị cấp cho tháp phản ứng Khi nhiệt độ đo được, nằm khoảng giá trị đặt bên cạnh đưa tác động điều chỉnh, đưa cảnh báo để gây ý cho người vận hành Đo áp suất hệ thống Trên đường ống dẫn khí thu sau phán ứng oxy hóa, lắp đặt chỗ thiết bị đo áp suất tháp phản ứng, điều chỉnh cảnh báo Nếu áp suất tháp vượt ngưỡng cho phép thí tác động điều chỉnh mở van dẫn khí thoát để pha loãng nồng độ khí tháp phản ứng Điều chỉnh trình cấp oxy cho phản ứng Van cấp khí oxy cho tháp phản ứng điều khiển tự động theo chương trình định trước Khi ban đầu nhiệt độ tháp bắt đầu tăng, hai dòng nguyên liệu FO nước cấp nồi gia nhiệt đưa vào tháp, van mở để dẫn khí Oxy vào tháp Khi nhiệt độ tăng dần lên mở rộng van Tuy nhiên, lượng khí đưa vào phải từ từ tăng dần theo thời gian, theo nhiệt độ Ngoài ra, áp suất tháp phản ứng tăng lên, điều chỉnh cách làm giảm lượng Oxy cấp vào tháp Điều chỉnh hỗn hợp dòng nguyên liệu FO lượng nước cấp cho nồi Tương tự van cấp Oxy cho thiết bị phản ứng, van cấp dòng nguyên liệu điều khiển tự động theo chương trình cho trước Khi dòng nguyên liệu bắt đầu đưa vào tháp van bắt đầu mở to để tăng lưu lượng dòng vào Tuy nhiên, lượng nguyên liệu đưa vào phải tỷ lệ với dòng khí Oxy đưa vào để tránh giới hạn nổ phản ứng Điều chỉnh lượng nước cấp thêm cho nồi Trên đường ống dẫn nước sau khỏi bơm lắp đặt chỗ thiết bị đo lưu lượng, điểm đo thiết bị, truyền xa tín hiệu Tín hiệu truyền đến khí cụ khác lắp đặt tủ điều khiển để thuận lợi cho người thao tác điều khiển trình công nghệ Khí cụ thị đưa tác động điều chỉnh lên công suất máy bơm dòng nước cho nồi hơi, để điều chỉnh lưu lượng dòng nước đưa vào nồi Nếu lưu lượng dòng nước đưa vào nồi thấp so với dòng khí đưa vào tháp sản xuất nước, đưa tác động điều chỉnh tăng công suất máy bơm để tăng lượng nước đưa vào Điều chỉnh lượng Naphta vào thiết bị thu hồi cacbon Trên đường dẫn dòng Naphta vào thiết bị thu hồi cacbon lắp đặt khí cụ đo lưu lượng, điểm đo thiết bị, truyền xa tín hiệu Khí cụ đo đưa tác động điều chỉnh lên van đóng, mở dòng Naphta vào thiết bị Khi lưu lượng dòng Naphta thấp, đưa tác động điều chỉnh mở to van dẫn dòng Naphta để tăng lưu lượng cho phù hợp với lượng sản phẩm lỏng từ thiết bị lọc cacbon vào thiết bị thu hồi cacbon với dòng Naphta Điều chỉnh lưu lượng dòng vào thiết bị lọc cacbon Trên đường dẫn nguyên liệu vào thiết bị lọc cacbon lắp đặt chỗ khí cụ đo lưu lượng Khí cụ có khả truyền xa tín hiệu tủ điều khiển đế người vận hành dễ dàng đưa thao tác điều chỉnh Khí cụ tác động điều chỉnh lên van đóng mở dòng nguyên liệu vào thiết bị lọc cacbon cho lưu lượng dòng vào tháp không thấp không cao, để trình lọc cacbon diễn với hiệu suất lọc cao Điều chỉnh lượng nước bổ sung vào thiết bị rửa khí Lượng nước bổ sung vào thiết bị rửa khí bao gồm nước thu từ thiết bị thu hồi cacbon, nước bổ sung nước thu từ thiết bị rửa khí Trên đường ống dẫn dòng nguyên liệu lắp đặt khí cụ đo lưu lượng, điểm đặt đường ống dẫn, truyền xa tín hiệu Tín hiệu truyền tủ điều khiển Khí cụ tác động điều chỉnh lên công suất máy bơm để thay đổi lưu lượng dòng nước, cho lưu lượng dòng nước đưa vào tương đồi đồng nhau, vào thiết bị trộn dòng Điều chỉnh lượng nước vào thiết bị gia nhiệt Trên đường ống dẫn nước, lắp đặt khí cụ đo lưu lượng, điểm đặt chỗ, truyền xa tín hiệu Tín hiệu truyền tủ điều khiển Khí cụ tác động điều chỉnh đóng mở van dẫn dòng nước vào thiết bị gia nhiệt để đảm bảo tốc độ chảy dòng nước dòng nước gia nhiệt đồng Điều chỉnh lưu lượng dòng khí sản phẩm Trên đường ống dẫn khí sản phẩm thoát ra, lắp đặt khí cụ đo lưu lượng dòng khí sản phẩm, điểm đặt chỗ, truyền xa tín hiệu Khí cụ tác động điều chỉnh đóng mở van dẫn dòng khí cho tốc độ dòng khí thu thoát không nhanh, để đảm bảo cho trình rửa khí diễn hoàn toàn Điều chỉnh lưu lượng dòng nước áp suất cao Trên đường ống dẫn nước áp suất cao, lắp đặt khí cụ đo lưu lượng dòng nước, điểm đặt chỗ, truyền xa tín hiệu Khí cụ tác động điều chỉnh đóng mở van dẫn dòng nước cho tốc độ nước thoát không nhanh Sơ đồ điều khiển trình công nghệ sản xuất khí tổng hợp KẾT LUẬN Trên toàn sơ đồ mô tự động hóa em trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn Với hạn chế kiến thức, làm nhiều sơ sót, em mong nhận thông cảm ý kiến giáo viên để em rút kinh nghiệm cho thân TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Minh Hệ, Kỹ thuật đo lường điều khiển tự động trình công nghệ hóa thực phẩm PGS.TS Phạm Thanh Huyền, PGS.TS Nguyễn Hồng Liên, Công nghệ tổng hợp hữu – hóa dầu PGS.TS Nguyễn Thị Minh Hiền, Mô HYSYS trình công nghệ hóa dầu Phần mềm HYSYS ... Steam reforming khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Khí hòa than II Quá trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn II.1 Nguyên... MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP I Giới thiệu chung trình sản xuất khí tổng hợp Khí tổng hợp hỗn hợp khí CO H Tỷ lệ H2/CO thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương pháp mục... II.5 Sơ đồ công nghệ trình sản xuất khí tổng hợp phương pháp oxy hóa không hoàn toàn Trên thề giới có hãng trực tiếp sản xuất khí tổng hợp hãng Shell Texaco Đặc điểm trình không sử dụng xúc tác