Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT
Bộ môn Lọc Hoá Dầu



ĐỒ ÁN MÔN HỌC:
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH THU HỒI CO
2
TỪ KHÍ LÒ THẢI SỬ
DỤNG DUNG DỊCH MEA HẤP THỤ
Giáo viên hướng dẫn: Ks. Đoàn Huấn
Nhóm sinh viên thực hiện:
Nhóm 1
LỚP: LỌC - HÓA DẦU K55
1
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Hà Nội
Nội dung chính:
Chương 1 : tổng quan quá trình hấp thụ
Chương 2 : cơ sở thiết kế tính toán
Chương 3: mô phỏng quá trình thu hồi CO
2
từ khí lò thải sử dụng phần
mềm Hysys
Chương 4: phụ lục
Tài liệu tham khảo
2

thì nó lại có nhiều ứng dụng
trong thực tế :
Đặc tính đặc biệt của carbon dioxide là tính trơ và độ hòa tan trong nước cao nên
CO2 là một khí hỗ trợ lý tưởng đa dạng trong cuộc sống hằng ngày và trong công
nghệ môi trường.
3
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Trong công nghệ thực phẩm, CO2 được dùng để tạo gas cho nhiều thức uống, rất
hữu dụng trong việc điều hòa nước uống và trung hòa nước thải. Ở thể lỏng được
làm lạnh hoặc ở thể rắn (đá khô), CO2 được sử dụng như một môi trường làm lạnh
ở nhiệt độ -79 °C.
• Làm lạnh thực phẩm: được dùng giống như Nitơ lỏng, và phù hợp nhất cho
các ứng dụng trộn lạnh sử dụng tuyết đá khô.
• Đóng gói thức uống.
• Dầu phục hồi tăng cường: độ hòa tan của hydrocarbon lỏng được dùng để
làm tăng sự lưu thông của dầu bằng cách giảm độ nhớt, tăng thể tích và kích
thích sự lưu thông. CO
2
là một sản phẩm tất yếu của các nhà máy chế biến
dầu.
• Sơn: carbon dioxide siêu hạn được sử dụng như một chất pha lỏng dùng
trong sơn phun, làm giảm 80% dung môi hữu cơ.
• Chiết xuất thực phẩm: supercritical carbon dioxide được sử dụng trong
việcchiết xuất màu và hương vị trong thực phẩm nhằm loại bỏ dầu và chất
béo.
• Tách và chiết xuất trong công nghiệp: carbon dioxide siêu hạn được dùng
trong các qui trình dược phẩm và hóa chất, hoặc là chất thay thế cho dung
môi gốc hydrocarbon trong việc tẩy nhờn kim loại.
• Tinh chế và nung chảy kim loại: dùng trong việc đổ khuôn và đúc, tuyết

S và CO
2
5
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
• độ ổn định hóa học cao
• dễ tái sinh
• công nghệ đơn giản
nhược điểm:
• mức độ bão hòa của dung dịch thấp
• không loại được COS, CS
2
, HCN
• thuật toán lớn dẫn tăng chi phí
1.4.2 quá trình tương tác của MEA với CO
2
:
Phương trình phản ứng:
CO
2
+ HOCH
2
CH2 NH
2
↔ CO
3
(CH
2
CH
2

O ↔ 2RNH
3
HCO
3
Chương 2 : cơ sở thiết kế tính toán:
Trong chương này đưa ra cách tính toán những thông số thiết kế của các thiết
bị chính trong sơ đồ mô phỏng . các thiết bị cơ bản được tính toán như dưới đây
2.1.Tính toán các thông số cơ bản của tháp hấp thụ CO2 dùng MEA
Bước 1: Cụ thể hóa các yếu tố đầu vào
● Nguyên liệu :3-Fuel oil
Thành phần khí nguyên liệu: 3-Fuel oil với thành phần mol là:CO2 0,037,
H2O 0,07, N2 0,893.
Nhiệt độ: 39,5
o
C , Áp suất :1,03at.
● Hàm lượng CO2 trong khí đầu ra là : 0,00487%mol.
●Chất hấp thụ là dòng Amine nghèo 21-lean amine với nhiệt độ là 40
o
C, áp
suất 1,01 at, lưu lượng khối lượng là 3,6.10^6 kg/h.
Bước 2: Tính áp suất làm việc của tháp hấp thụ
Áp suất làm việc của tháp hấp thụ : P ≥ P
CO2
/b
Trong đó :
P
CO2
là áp suất hơi riêng phần của CO2 trong dung dịch amin nghèo tại nhiệt
độ làm việc của tháp. Có thể được tính theo phương trình Antoine:
6

rich amin
= 3,7.10^6 kg/h.
Bước 4: tính lưu lượng của khí ngọt ra ở đỉnh tháp
m
(khí ra)
= m
(fuel oil)
- m
CO2(h.thụ)
= 6,63.10^6 kg/h.
Bước 5: tính nhiệt độ dòng amin giàu ra ở đáy tháp T(dựa trên định luật baot
toàn năng lượng Q
thu
= Q
tỏa
).
● Nhiệt tỏa : là nhiệt tỏa ra khi xảy ra phản ứng giữa amin MEA và CO2
Q
tỏa
= m
CO2(h.thụ)
.q
CO2
q
CO2
là nhiệt tỏa ra khi 1kg CO2 tác dụng với MEA và = 1917 kj/kg
 Q
tỏa
= 3.10^8 kJ.
● Nhiệt thu vào bao gồm:

)
7
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Trong đó: C
p(CO2)
= 0,8778 (kj/kg.
o
C).
. Nhiệt để đun nóng CO2 có sẵn trong dòng lean amin
Q
3
= n
CO2(lean amin)
.C
p(CO2)
.(T – T
lean amin
)
. Nhiệt thất thoát ra bên ngoài: lấy băng 5% nhiệt tỏa
Q
4
= 5%.Q
tỏa
= 1,5.10^7 kJ
 Q
thu
= Q
1
+ Q

N
thực
= N
lt
/φ trong đó φ là hiệu suất đĩa (chọn φ = 0,35)
 N
thực
= 17 đĩa.
Bước 8: tính đường kính của tháp
D= 0,0114.[(0,1.Q.T)/(ω.P)]
1/2
Trong đó : D đường kính tháp(m)
8
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Q lưu lượng dòng fuel oil (m
3
/h)
T nhiệt độ dòng fuel oil (
o
K)
P áp suất làm việc (Mpa)
Ω vận tốc tuyến tính của khí trong tháp (chọn = 0,13m/s)
 D = 16 m.
Bước 9: tính chiều cao tháp
H = N
thực
.d +h
d là khoảng cách giữa các đĩa (chọn d=0,5m)
h là chiều cao bổ trợ (gồm chop trên và chop dưới chọn h = 1,5m)

2
O: 0.855
CO
2
: 0.030
MEA: 0.115
T
1
: 120,2
o
C  T
2
= 54
o
C
P
1
: 700 KPa P
2
= 400 KPa
Lưu lượng hỗn hợp : 3.496.10
6
kg/h
 Hỗn hợp đi ngoài ống : dòng amin giàu
Thành phần hỗn hợp:
H
2
O: 0.837
CO
2

5
/ 41.67 = 35.28 ( m
3
/h)
Tương tự ta cũng tính toán các thông số như trên của dòng amin nghèo ra
khỏi thiết bị trao đổi nhiệt
Với dòng amin giàu vào vỏ trao đổi nhiệt :
10
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp = 24.14
Lưu lượng mol = lưu lượng khối lượng / khối lượng phân tử trung bình
= 3.691.10
6
/ 24.14= 1.53.10
5
kmol/h
Ta có tỷ trọng trung bình hỗn hợp = 43.69
 lưu lượng thể tích dòng amin giàu = 1.53.10
5
/ 43.69 = 38.52 ( m
3
/h)
Tương tự ta cũng tính toán các thông số như trên của dòng amin giàu ra
khỏi thiết bị trao đổi nhiệt
 Tính nhiệt độ trung bình 2 lưu thể ; với 2 lưu thể đi ngược chiều như
120
o
C 54
o

0.8
Pr
0.43
(
Pr/Prt
)
0.25
→ = 0.021 (l/d)
ɛk Re 0.8 Pr 0.43 (Pr/Prt
)
0.25
Trong đó:
11
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Pr
t
: chuẩn số Prandtl tính theo nhiệt độ trung bình của vỏ, còn các thông số khác
tính theo nhiệt độ trung bình của dòng.
ɛk : hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài l và đường kính d
của ống.
Tính Pr theo công thức ;
Pr= C
p
. /
Trong đó :
Cp: nhiệt độ riêng hỗn hợp ở t
tb
µ : độ nhớt hỗn hợp ở t
tb

= 50600 W/m
2
độ.
Tương tự ta cũng tính được
2 =
45682 W/m
2
độ.
Vậy hệ số truyền nhiệt
U= với thép là hệ số dẫn nhiệt của
thép =45W/m độ.
Thay số ta có U= 1.6.10
6

12
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
 Tính bề mặt truyền nhiệt
F= = 60.65 m
2
 Tính số ống truyền nhiệt :
n= = = 161 ống
nếu chọn tổng số óng và cách sắp xếp theo hình lục giác ta quy chuẩn là n =169
, số ống trên đường xuyên tâm là 15 ống
 Tính đường kính trong của thiết bị đun nóng
D= t(b-1) =4d
t: bước ống, t = 50mm
b : số ống trên đường xuyên tâm lục giác đều
D = 50(15-1) + 4.0,02
D = 0.7 m = 700 mm

C
Áp suất: P=103 kPa
Lưu lượng khối lượng: 6.058×10
6
kg/h
Khối lượng phân tử: 18,02
—>lưu lượng mol =lưu lượng khối lượng/ khối lượng phân tử
=6.058×10
6
/ 18,02=3.612×10
6
kmol/h
Tỷ trọng của nước: 55.23
—>lưu lượng thể tích = 3.612×10
6
/55.23=65399 m
3
/h
 Bể chứa thông trực tiếp:
Nhiệt độ vào của nguyên liệu:t
2
= 123.7
0
C
Áp suất: P=121kPa
Lưu lượng khối lượng: 3.073×10
6
kg/h
Khối lượng phân tử trung bình: 27.95
Lưu lượng mol=lưu lượng khối lượng/khối lượng phân tử trung bình

6
(T-30)
Nhiệt mà dòng nguyên liệu mang vào là
Q
nglieu
=m
2
c
2
(123.7-T)= 3.073×10
6
×1.386(123.7-T)=4.259×10
6
(123.7-T)
Nhiệt dòng ra là:
Q
ra
=m
3
c
3
T=6.501×10
6
×1.123T=7.301×10
6
T
Ta có phương trình cân bằng nhiệt như sau:
Q
nglieu
- Q

[(ρ
1
– ρ
g
)/ρ
g
]
0,5
ρ
1
khối lượng riêng pha lỏng ở điều kiện bình tách làm việc Kg/m
3
ρ
g
khối lượng riêng pha khí ở điều kiện bình tách làm việc Kg/m
3
V là vận tốc cho phép của dòng khí m/s
K
s
hệ số bình tách m/s hệ số này phụ thuộc vào kích cỡ giọt lỏng có thể tách,
kiểu bình tách, thiết bị bên trong bình.
Mức độ phân ly Thiết bị phân ly thẳng
đứng Ho >=0.6m
Thiết bị phân ly nằm
ngang Lo >=3
Sạch 0.03 0.075
15
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Trung bình 0.047 0.117

Stream name Flue gas-1
Temperature (
o
C) 100
17
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Pressure ( kpa) 101
Mass flow (kg/h) 3.073e+6
Component/mole faction
CO
2
0.0375
MEAmin 0.0
H
2
O 0.0667
N
2
0.8958
b. Quạt vận chuyển khí:
Chúng ta nhập một máy nén khí compressor với các thông số:
connection
Name Fan 101
Inlet Flue gas 1
Outlet 2-flue gas
Energy E fan1
Parameter
Adiabatic Efficiency 80
Operading mode centrifugal

Delta P tube side 198
wordsheet
Tempature(
o
C)/ CU-4 30
• Thiết bị điều khiển hồi lưu
Chọn loại Recycler:
Inlet CU-4
outlet water
Chuyển sang mục parameter và điền các thông số sau:
d. Tháp hấp thụ:
Nhập một dòng amin với thông số sau:
name 21-lean amin
Temperature (
o
C) 40
Pressure ( Kpa) 101
Molar flow(kgmol/h) 1.529e+5
Composition/ mole fraction
CO
2
0.0291
MEAmine 0.1106
H
2
O 0.8602
nitrogen 0
Sau đó nhập phải tháp hấp thụ với các thông số sau:
Design/conections
name Adsorber

f. Tháp giải hấp:
name De-adsorber
Inlet steams/inlet stage Rich amin 8/ 1_mair
Condenser Energy stream Condenser11
Vapour outlet CO2 recover
Bottom liquid outlet Lean amin to pump 2
P cond (kPa) 200
P reb (kPa) 200
T cond(
o
C) 90.5
T reb(
o
C) 125
Number stages 12
Delta P 0
Design/monitor
Add spec/comp fraction/reb/liquid/ Mole fraction=3.01e-002
Add spec/reflux radio 0.6
g. Thiết bị trao đổi nhiệt dòng amin giàu và nghèo:
20
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
name heat exchanger 1
Tube inlet Lean amin to heat exchanger
Tube outlet Lean amin out heat exchanger
Shell inlet 6-rich amin
Shell outlet rich amin 7
Worksheet
Lean amin to heat exchanger 700 (kPa)

Inlet Amin fresh
Water fresh
16-lean amin
outlet Lean amin 19
i. Làm lạnh tách thu hồi CO2:
Thiết kế với thông số sau:
name V-101
inlets 10-CO2 recover
21
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Vapour outlet 11-CO2 recover
Liquid outlet 12-Water make up
3.2 tối ưu hóa :
Quá trình thực hiện tối ưu hóa dùng Databook và spreadsheet
3.2.1 khảo sát trong castudy ảnh hưởng của lưu lượng khí nguyên liệu tới nồng
độ CO
2
trong khí đi ra tháp hấp thụ:
Thiết lập trên case study chúng ta có kết quả sau:
Như vậy với một lượng amin không đổi trong điều kiện tháp làm việc ổn định
thì khi tăng lưu lượng nồng đầu vào nồng độ của CO
2
trong khí sau khi đi qua tháp
hấp thụ tăng lên.
3.2.1 khảo sát ảnh hưởng của áp suất đáy tháp hấp thụ tới hiệu suất tách CO
2
Khi chúng ta thay đổi áp suất của đáy tháp hấp thụ tức là thay đổi áp suất qua
từng đĩa với số đĩa của tháp không đổi chúng ta thu được sự ảnh hưởng như sau:


amin
được lấy từ dòng amin đi ra đáy tháp giải hấp.
tổng năng lượng của toàn bộ quá trình tính cho một tấn CO
2
được sản xuất ra sẽ
phụ thuộc vào tỷ số này. Như ta thấy khi mà lệ số mol n
co2
/n
amin
tăng thì năng lượng
cần thiết để sản xuất 1 tấn CO
2
giảm trong khoảng khảo sát. Tuy nhiên độ giảm
năng lượng nhỏ dần khi nồng độ CO
2
tăng. Năng lượng cung luôn đòi hỏi nhỏ nhất
tuy nhiên chúng ta cũng cần cân đối với thời gian sản xuất được 1 tấn CO
2
vì mặc
dù năng lượng giảm nhưng thời gian để sản suất 1 tấn CO2 lại tăng
3.2.3 khảo sát sự ảnh hưởng của lệ số mol n
co2
/n
amin
tới thời gian sản xuất 1 tấn
CO
2
:
22
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5

nCO
2
/nAmin= 0,27. Khi đó điều kiện làm việc của tháp giải hấp sẽ là độ hồi lưu
đỉnh là 1.27 và nồng độ CO
2
đáy tháp hấp thụ là 0,03.
3.3 so sánh kết quả mô phỏng và kết quả tính toán:
Nhìn chung tuy có sai lệch do phương pháp tính và sai số trong quá trình tính
toán. Nhưng kết quả nhìn chung có thể chấp nhận được tức là mô phỏng hysys tính
toán gần sát với kết quả tính được trong chương 2. Để thấy rõ hơn có thể so sánh
kết quả phụ lục chương 4 và kết quả tính toán chương 2.
Chương 4 phụ lục
23
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Hình 1: PFD của quá trình hấp thụ CO
2
được mô phỏng trong Aspen
Hysys

Hình 2 : Tháp hấp thụ khí dùng MEA
24
Thiết kế mô hình thu hồi CO2 từ khí lò thải Lhdk5
5
Hình 3: Tháp tái sinh MEA
25