Đang tải... (xem toàn văn)
1. GIỚI THIỆU 4 1.1 Tính chất vật lí và hoá học: 4 1.2 Sản xuất Dimethyl Ether 4 1.3 Ứng dụng 5 2. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 6 2.1 Phương trình phản ứng 6 2.2 Phương trình vận tốc 6 2.3 Thiết đặt trong Aspen Hysys 6 3. MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS 7 3.2 Sơ đồ quy trình: 8 3.4 Tóm tắt cá dòng năng lượng trong quy trình 10 3.5 Các thiết bị trong quy trình 10 3.5.1 Bơm 10 3.5.2 Thiết bị trộn Mixer 11 3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater và Heat Exchanger 12 3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR 14 3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE 15 v
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 CƠNG NGHỆ HỐ HỌC Đề tài: Sản Xuất Dimethyl Ether (DME) Trang MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tính chất vật lí hố học: - Dimethyl ether (DME), gọi Methoxymethane, hợp chất hữu có cơng thức CH3OCH3, ether đơn giản - Cơng thức hố học: - Ở điều kiện thường, DME chất khí khơng màu, có nhiệt độ nóng chảy -141oC, nhiệt độ sơi -24oC, có chất gây mê, khơng độc hại, khí dễ cháy điều kiện mơi trường xung quanh, xử lý chất lỏng áp lực nhẹ - Các thuộc tính DME tương tự khí dầu mỏ hố lỏng (LPG) DME phân huỷ khí khơng phải loại khí nhà kính 1.2 Sản xuất Dimethyl Ether - Dimethyl ether chủ yếu sản xuất cách chuyển khí tự nhiên, chất thải hữu sinh khối thành khí tổng hợp (syngas) Các khí tổng hợp sau chuyển đổi thành DME qua tổng hợp gồm hai hước, tổng hợp tạo ta methanol có mặt chất xúc tác ( thường đồng), Và sau nước methanol diện chất xúc tác khác ( ví dụ aluminosilicate ) thành DME Phương pháp sử dụng rộng rãi quy trình đơn giản, chi phí đầu tư tương đối thấp, hiệu suất cao Các phản ứng xảy ra: H + CO ⇔ CH 3OH 2CH 3OH ⇔ CH 3OCH + H 2O CO + H 2O ⇔ CO2 + H - Ngồi ra, DME sản xuất thông qua tổng hợp trực tiếp sử dụng hệ thống dual-chất xúc tác cho phép hai q trình tổng hợp methanol Nhóm Trang nước q trình, khơng có chia methanol trung gian, cách loại bỏ giai đoạn tổng hợp methanol trung gian 1.3 Ứng dụng - Nhiên liệu: Do chất lượng đánh lửa tốt nó, với số cetan cao, Dimethyl ether sử dụng động diesel thay cho nhiên liệu diesel thông thường Tuy nhiên, so với diesel nhiên liệu DME có độ nhớt thấp (khơng đủ), bôi trơn Giống LPG cho động xăng, DME lưu trữ trạng thái lỏng áp suất tương đối thấp 0.5 Mpa Điều giúp hạn chế thay đổi cần thiết cho động Tuy nhiên, số thay đổi động nhẹ cần thiết, chủ yếu liên quan đến việc bơm nhiên liệu lắp đặt bình áp lực, tương tự LPG Đặc biệt, DME động diesel cháy khơng có bồ hóng Bảng 1: So sánh tính chất nhiên liệu - Dùng làm môi chất lạnh - Được dùng làm dung mơi phòng thí nghiệm - Còn dùng y học với tác dụng gây mê, giảm đau, Nhóm Trang ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 2.1 Phương trình phản ứng - Việc sản xuất Dimethyl ether thơng qua tình trạng nước methanol chất xúc tác Zeolite acid Phản ứng là: 250O C −370O C 1470 kPa 2CH 3OH → CH 3OCH + H 2O - Phản ứng đạt độ chuyển ∆H reac ( 25o C ) = −11770kJ / kmol hoá khoảng 80% toả nhiệt mạnh , khoảng nhiệt độ phản ứng khơng có phản ứng phụ đáng kể xảy 2.2 Phương trình vận tốc - Các số cân cho phản ứng ba nhiệt độ khác sau: - Các phản ứng xảy chất xúc tác nhơm định hình xử lý với 10.2% silica Khơng có phản ứng phụ đáng kể mức 400 oC Tại cao 250oC phương trình tốc độ cho Bondiera Naccache 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 methanol (kPa) 2.3 Thiết đặt Aspen Hysys - Hệ nhiệt động sử dụng cho q trình mơ UNIQUAC - Thiết lập thông số cho phản ứng: Nhóm Trang Hình 1: Các thơng số phản ứng thiết đặt Hysys MÔ PHỎNG QUY TRÌNH HDA BẰNG Aspen HYSYS Trong quy trình yêu cần sản xuất DME với xuất 50.000 năm (8375 h/y) DME sản xuất có độ tinh khiết 99.5 wt% Do 50000 ×103 = 129.8kmol / h lượng Dimethyl ether sản xuất 1h 46 × 8375 3.1 Miêu tả q trình - Nhập liệu: Dòng methanol ngun liệu qua bơm tăng áp suất đến 1510 kPa (dòng 1), sau trộn với dòng methanol hồi lưu (dòng 17) Hỗn hợp qua heater gia nhiệt đến nhiệt độ 155oC (dòng 4) sau trao đổi nhiệt với dòng sau phản ứng heat exchanger đến nhiệt độ 250oC nhiệt độ đầu vào kiểm soát lưu lượng dòng đồng thời hạ nhiệt độ sau phản ứng (dòng 5) - Phản ứng: Dòng sau đạt nhiệt độ 250 oC đưa vào thiết bị phản ứng PFR chuyển đổi methanol có độ chuyển hoá 80% Hoạt động nhiệt độ 250 oC đến 370oC Sau phản ứng xong dòng sản phẩm (dòng 5) đem gai nhiệt cho dòng nhập liêu làm lạnh trước đưa vào hai tháp chưng cất: T-100 T-101 - Phân tách hồi lưu: sau giải nhiệt xuống nhiệt độ 95 oC (dòng 11) đưa vào tháp chưng cất T-100 Sản phẩm DME lấy Condenser, nước methanol chưa phản ứng thu reboiler (dòng 12) Sau đưa qua Nhóm Trang tháp chưng cất thứ hai T-101, để tách nước khỏi methanol, methanol thu condenser tiếp tục đưa hồi lưu nước thu reboiler sau xử lí loại bỏ chất hữu để thu nước 3.2 Sơ đồ quy trình: - Sơ đồ PFD quy trình HDA để sản xuất 50,000 DME năm Hình 2: Sơ đồ trình sản xuất Dimethy ether 3.3 Tóm tắt dòng vật chất quy trình Thành phần dòng điều kiện nhiệt độ, áp suất tóm tắt bảng sau: Bảng 1: Bảng tóm tắt dòng vật chất quy trình Stream number Vapour Fraction Temperature ( oC ) Pressure (kPa) Molar Flow Nhóm Methano l 35 100 260 DiMether 46.6 1034 129.8 Water 50 103 129.9 35.9 1550 260 52.2 1550 315.4 155 1510 315.4 250 1470 317.2 365.3 1390 315.4 Trang (Kmol/h) Mass Flow (kg/h) 8331 5979 Compositions Flowrates (kmol/h) Methanol 260 0.7 DiM-ether 129.3 Water 0 Stream number Vapour Fraction 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 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 0.1 Water 129.2 2.2 Nhóm 2351 8331 10077 10077 10077 10077 0.7 129.3 256.1 1390 260 0 278.7 1390 313.1 0.1 2.2 10 96.2 1340 313.1 0.1 2.2 11 94.9 1040 313.1 0.1 2.2 12 156.1 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 10077 10077 4097 4097 43.6 103.5 105.2 16 125 1550 54.4 129.4 131.6 17 125.4 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 3.4 Tóm tắt cá dòng lượng quy trình - Các dòng lượng sử dụng cho heater, cooler, bơm tháp chưng cất: Bảng 2: Bảng tóm tắt dòng 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 quy trình 3.5.1 Bơm - Bơm P-101: Dùng để tăng áp suất dòng ngun liệu đến áp suất 1550kPa Hình 3: Các thơng số bơm P-101 - Nhóm Bơm P-100: Dùng để tăng áp suất dòng hồi lưu với áp suất dòng nhập liệu đưa vào MIX-100 để đưa phản ứng Trang Hình 4: Các thơng số bơm P-100 3.5.2 Thiết bị trộn Mixer - Thiết bị Mixer MIX-100: trộn dòng hồi lưu dòng methanol tinh khiết để đưa vào phản ứng Hình 5: Giá trị dòng trước sau qua MIX-100 17: dòng hồi lưu, 1: dòng methanol, 2: dòng - Mixer MIX-101: trộn dòng sau gia nhiệt cho dòng nhập liệu: Nhóm Trang Hình 6: Giá trị dòng trước sau qua MIX-101 8: dòng sau gia nhiệt, 6: dòng khơng gia nhiệt, 9: dòng 3.5.3 Thiết bị gia nhiệt Heater Heat Exchanger - Heater E-100: Được dùng để gia nhiệt dòng hỗn hợp methanol tinh khiết dòng hồi lưu đến nhiệt độ 155oC Với tổn thất áp suất sau qua thiết bị 40kPa Hình 7: Thơng số thiết bị gia nhiệt E-100 Nhóm Trang 10 - Heat exchanger E-103: Được dùng để gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt độ phản ứng 250oC, lương nhiệt kiểm sốt thơng qua thiết bị điều khiển ADJ-2 dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng qua thiết bị truyền nhiệt để dòng nhập liệu đạt nhiệt độ yêu cầu Hình 8: Độ giảm áp lượng nhiệt trao đổi E-103 Hình 9: Thơng số khích thước thiết bị E-103 Nhóm Trang 11 - Thiết bị điều khiển ADJ-2: Dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng để dòng đạt nhiệt độ 250oC để đưa vào phản ứng Hình 10: Thiết đặt thiết bị điều khiển 3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR - Thiết bị phản ứng PFR: dạng ống thẳng, độ giảm áo ống 80kPa Hoạt động nhiệt độ cao - thể tích thiết bị ảnh hưởng đến độ chuyển hố phản ứng, tăng thể tích bình thời gian lưu tăng lên độ chuyển hố tăng Vì bình phản ứng cần thể tích đủ lớn để đạt độ chuyển hố tối ưu phản ứng 80% Hình 11: kích thước thiết bị phản ứng PFR-100 Nhóm Trang 12 - Ở ta chọn ống tích 6,912×10-3 m3 gồm ống có đường kính 0.1m chiều dài 0.88m Hình 12: Độ chuyển hố thơng số dòng bình phản ứng 3.5.5 Thiết bị tách dòng TEE - Thiết bị TEE-100: dùng để tách dòng sau phản ứng có nhiệt độ cao thành dòng 7, để dòng gia nhiệt dòng nhập liệu tỉ lệ dòng tự động điều chỉnh ADJ-2 Sao cho dòng đủ để gia nhiệt dòng nhập liệu Hình 13: Tỉ lệ dòng 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 thiết bị 50kPa Nhóm Trang 13 Hình 14: Thơng số thiết bị Cooler E-101 - Cooler E-102: Dùng để làm nguội dòng nước sau tách từ thiết bị chưng cất T-101 Hình 15: Thơng số thiết bị Cooler E-102 Nhóm Trang 14 3.5.7 Thiết bị phân tách Distillation - Tháp chưng cất T-100: Được dùng để tách DME có độ tinh khiết 99,5% từ hỗn hợp sau phản ứng DME thu condenser Nước methanol dư thu reboiler Hình 16: Các thông số tháp chưng cất T-100 - Ở tháp đặt số mâm 16 để tháp hoạt động, Số mâm tăng giảm cho thấp để tháp hoạt động ổn định, đồng thời cho kích thước đường kính tháp gần để dễ dàng thay cho có cố xảy - Tháp nhập liệu mâm số 3, nhiệt độ đầu vào nhiệt độ mâm số gần để trách tượng sốc nhiệt cho thiết bị, làm hỏng thiết bị Đồng thời vị trí lượng nhiệt reboiler condenser thấp nhất, tiết kiệm lượng cho hệ thống Nhóm Trang 15 Hình 17: Thơng số nhiệt độ, thành phần cấu tử mâm Hình 18: Các Specs đặt cho tháp - Ở ta đặt Specs là: Nhóm Trang 16 + Dòng sản phẩm đỉnh thu Dimethyl ether yêu cầu đạt độ tinh khiết 99.5% nên ta phải đặt phần trăm mole DME 0.995 + Dòng sản phẩm đáy thu mước methanol dư nên yêu cầu lượng DME lẫn vào tốt, để tối ưu hoá số mâm phần trăm DME lẫn vào đáy ta chọn phần trăm DME 0.0004 + Ở ta chọn cấu tử key DME ta kiểm sốt thành phần dòng DME đỉnh lượng DME thất đáy Hình 19: Thơng số kích thước thiết bị - Từ Tray sizing ta tính tốn tháp có đường kính 0.92m, chiều cao mâm 0.61, chiều cao tổng 9.76m - Tổn thất áp xuất từ đáy tháp lên đỉnh tháp 6kPa - Thiết bị điều khiển ADJ-1: Dược dùng để điều khiển suất lượng sản phẩm Dimethyl ether theo ý muốn cách tăng giảm suất lượng đầu vào Nhóm Trang 17 Hình 20: Thiết đặt thiết bị điều khiển ADJ-1 - Tháp chưng cất T-101: Được dùng để tách methanol chưa phản ứng để đưa hồi lưu nước đưa ngồi Hình 21: Thơng số tháp chưng cất T-101 - Tháp đặt số mâm 8, số mâm tối ưu để tháp hoạt động cho kích thước tháp gần 1m Tháp nhập liệu mâm số có nhiệt độ gần với dòng nhập liệu tốn nhiệt lượng condenser reboiler Dộ giảm áp từ đáy tháp lên đỉnh tháp 4kPa Nhóm Trang 18 Hình 22: Các giá trị nhiệt độ thành phần cấu tử mâm Hình 23: Các Specs đặt cho tháp - Ta có specs là: + Ở dòng sản phẩm đỉnh: u cầu thu methanol hồi lưu nên tỉ lệ nước lẫn thấp tốt, để cân đối chi phí xây dựng tháp độ tinh khiết methanol ta đặt phần trăm nước lẫn vào dòng methanol hổi lưu 0.04 Nhóm Trang 19 + Ở dòng sản phẩm đáy: Yêu cầu không cần hồi lưu ta cần phải để độ tinh khiết nước cao thứ để lẫn nhiều methanol lượng methanol thất lớn làm tăng chi phí mua nguyên liệu, thứ hai lượng methanol lẫn vào nước phải để ta sử dụng nước cho mục đích khác Bên cạnh cần cân đối chi phí xây dựng tháp với độ tinh khiết nước ta đặt phần trăm methanol lẫn vào nước 0.005 + Cấu tử key nước heavy key methanol 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 Trang 20 Hình 24: Thơng số dòng vào VLV-100 - Valve VLV-101: Giảm áp suất dòng sản phẩm đáy tháp T-100 để tiếp tục đưa vào tháp chưng cất T-101 Hình 25: Thơng số dòng vào VLV-101 Nhóm Trang 21 TỔNG KẾT - Dòng đầu vào Sản phẩm 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 Lượng q trình: Tổng lượng nhiệt (kJ/h) Nhóm Cấp nhiệt Giải nhiệt 32016000 33002000 Trang 22 ... chất hữu để thu nước 3.2 Sơ đồ quy trình: - Sơ đồ PFD quy trình HDA để sản xuất 50,000 DME năm Hình 2: Sơ đồ trình sản xuất Dimethy ether 3.3 Tóm tắt dòng vật chất quy trình Thành phần dòng điều... (kPa) 2.3 Thiết đặt Aspen Hysys - Hệ nhiệt động sử dụng cho q trình mơ UNIQUAC - Thiết lập thơng số cho phản ứng: Nhóm Trang Hình 1: Các thơng số phản ứng thiết đặt Hysys MƠ PHỎNG QUY TRÌNH HDA... phản ứng Hình 10: Thiết đặt thiết bị điều khiển 3.5.4 Thiết bị phản ứng PFR - Thiết bị phản ứng PFR: dạng ống thẳng, độ giảm áo ống 80kPa Hoạt động nhiệt độ cao - thể tích thiết bị ảnh hưởng