Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
CHƢƠNG 1
MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
POLYPROPYLENE BẰNG PHẦN MỀM
HYSIS
1.1. Những thông số ban đầu: [29]
- Công suất của nhà máy : 150.000 (tấn/năm);
- Dải công suất hoạt động của nhà máy : (50 ÷ 100)% công suất thiết kế;
- Nhà máy hoạt động : 8000 (giờ / năm);
- Xúc tác hiệu suất cao, tiêu thụ tối đa đạt (0,033 ÷ 0,05) kg/tấn sản phẩm;
Yêu cầu đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu Propylen
Nguyên liệu propylen từ phân xưởng thu hồi propylen (PRU) của Nhà máy lọc
dầu sẽ được chuyển đến phân xưởng PP bằng đường ống. Phần propylen nhập sẽ được
chuyển đến các bể chứa đặt tại khu bể chứa sản phẩm của Nhà máy . Các đặc tính và
điều kiện biên của nguyên liệu được chỉ ra dưới đây:
Áp suất : 26 kg/cm
2
g
Nhiệt độ : Môi trường
Trạng thái: Lỏng
Bảng 1 : Thành phần của nguyên liệu từ nhà máy lọc dầu
Tinh khiết
Propylen, % thể tích, tối thiểu
99,5
Hyđrô, phần triệu thể tích, tối đa
20
Loại
0,5
CO, phần triệu thể tích, tối đa
0,03
COS, phần triệu thể tích, tối đa
0,02
Lưu huỳnh tổng số, phần triệu khối lượng tối
đa,
1
Metanol, phần triệu thể tích, tối đa
5
Isopropanol, phần triệu thể tích, tối đa
15
Nước, phần triệu khối lượng, tối đa
2
Asen, phần triệu thể tích, tối đa
0,03
Phosphin, phần triệu tểh tích, tối đa
0,03
Ammonia, phần triệu khối lượng, tối đa
5
Cyclopentadien, phần triệu thể tích, tối đa
0,05
Đặt tính kỹ thuật khí chứa Hydrogen:
Khí chứa hydro từ phân xưởng Reforming của Nhà máy lọc dầu được đưa đến
phân xưởng PP có đặc tính kỹ thuật như sau:
Áp suất: 50 kg/cm
2
g
Nhiệt độ: Môi trường
, tối đa
2
Acetylen (từ cracking), phần triệu thể tích, tối đa
10
Ammonia (từ n/m đạm), phần triệu khối lượng, tối đa
5
1.2. TÍNH CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG
(Thực tế nhà máy có hệ thống điều khiển lưu lượng từng dòng nhưng trong
mô phỏng tỉnh ta phải tính toán các số liệu ban đầu để đưa vào mô phỏng)
Giả thiết : Dòng sản phẩm ra trong mỗi thiết bị phản ứng hầu như không chứa
hydro.
Lượng tiêu thụ xúc tác thấp nhất trong 1 h
Độ chuyển hóa Propylen tổng : 50 %
Bảng 3 : Độ chuyển hóa của Propylen và Hydro trong từng thiết bị phản ứng
TBPƯ preR
C% H2
100%
C% C3H6
5%
TBPƯ R1
C% H2
100%
C% C3H6
50%
TBPƯ R2
C% H2
100%
C% C3H6
40%
= 37312.5 ( kg/h )
Gọi :
X : Tổng lượng propylene đưa vào đầu quá trình ( propylene make-up
và dòng propylen hồi lưu)
X
1
lượng propylene vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết bị
PreR
X
2
là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị preR
X3 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R1
X4 là lượng propylene vào trực tiếp thiết bị R2
→ X1 + X2 + X3 + X4 = 37312.5 ( kg / h) ( a )
Tính :
Xét cả quá trình :
Lượng propylen phản ứng là ; =
100
50*5.37312
= 18656.25 ( kg/h)
PƯ :
2500 C
3
H
6
+ H
2
= PP
105200 2.016 105200.016
X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h)
Ví độ tinh khiết của Propylen là 99.5 % nên
→ Lưu Lượng propylene thực vào thiết bị hòa trộn xúc tác trước khi vào thiết
bị PreR :
F
pro1
= 1000 (kg/h)
Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị preR :
F
pro2
= 4035.043 (kg/h)
Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị R1 :
F
pro3
= 6845.017 (kg/h)
Lưu lượng propylene thực vào trực tiếp thiết bị R2 :
F
pro4
= 6845.017 (kg/h)
Lượng propylen tham gia phản ứng tại PreR là : 251.752
→ Lượng propylen tham gia phản ứng tại R1 là : 5814.154
→ Lượng propylen tham gia phản ứng tại R2 là : 12500.638 Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Tại thiết bị PreR:
PƯ:
2500 C
3
H
X X*2.016/105200 X*105200.016/105200 (kg/h)
15200.638 0.23956 12055.877 (kg/h)
Lượng PP trong thiết bị PreR : 251.757 (kg/h)
Lượng PP trong thiết bị R1: 251.757 + 5814.265 = 6066.022 (kg/h)
Lượng PP trong thiết bị R2: 6066.022 + 12055.877 = 18658.606 (kg/h)
Lượng hydro ( tinh khiết )vào thiết bị preR là : 0.0482 ( kg/h)
Lượng hydro vào thiết bị R1 là : 0.11142 ( kg/h)
Lượng hydro vào thiết bị R2 là : 0.23956 ( kg/h)
Vì độ tinh khiết của hydro là 99.5 % nên ta có :
Lưu lượng hydro thực vào thiết bị preR là : 0.0485 ( kg/h)
Lưu lượng hydro thực vào thiết bị R1 là : 0.11198( kg/h)
Lưu lượng hydro thựcvào thiết bị R2 là : 0.24076 ( kg/h)
Tổng Lượng hydro đưa vào là : 0.358 ( kg/h)
Bảng cân bằng vật chất các dòng vào ra của các thiết bị :
( vì qua bơm và tb trao đổi nhiệt thành phần và lưu lượng các dòng vật chất
xem như không đổi nên ta chỉ lập bảng cho các thiết bị PreR, R1, R2, tb tách )
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Bảng 4 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị PreR
Thiết bị PreR
Vào (kg/h)
Ra(kg/h)
Propylen
5009
4758
Hydro
Ra(kg/h)
Propylen
11569
5755
Hydro
0,11
0
Catalyst
0,62
0,62
Propan lẫn trong Propylen
59,6
59,6
Metan lẫn trong H2
3,5.10
-4
3,5.10
-4
N2 lẫn trong H2
2,34.10
-4
2,34.10
-4
PP
251.7
6066
Tổng
11881
7,15.10
-4
7,15.10
-4
PP
6066
18656
Tổng
37319
37409
Bảng 7 : Bảng cân bằng vật chất của thiết bị tách PP
Thiết bị tách PP
Vào (kg/h)
Ra (kg/h)
đỉnh( kg/h)
đáy(kg/h)
Propylen
18564
18564
0
Hydro
0
0
0
Catalyst
0,616
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 1.3. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHỜ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM
HYSYS[30]
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả về số lượng và chất
lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến về công nghệ và phương pháp sản xuất. Vì
vậy, các công trình nghiên cứu khoa học, các dự án thiết kế được tiến hành, và cùng
với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, với những máy tính tốc độ
cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên đã góp phần to lớn cho sự ra đời của
các phần mềm mô phỏng.
Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thời gian, và khả
năng thực hiện dự án đó là khó có thể không thể biết trước được. Nhưng khi các phần
mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể
mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau, thay đổi
các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào mà không ảnh hưởng đến quá
trình hoạt động chung của nhà máy. Ngoài ra, với những tính năng của các phần mềm
mô phỏng ta có thể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưu,
nhanh, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọng hơn nữa là áp dụng
được cho hầu hết các lĩnh vực của ngành dầu khí và các ngành công nghệ hoá học,
đảm bảo được tính khả thi cho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai.
Một số phần mềm mô phỏng:
- Simsci (PRO//II).
- Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK).
- Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET).
- Winsim (DESIGN II for Windows).
- IDEAS Simulation.
- Simulator 42.
- RSI.
- Chemstations.
Hình 1 : Chọn mô hình nhiệt động cho quá trình
Trong phần Components ta chọn các cấu tử cho trong quá trình.
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Hình 2 : Chọn cấu tử trong thƣ viện Hysys cho quá trình
Riêng đối với cấu tử Polypropylene, trong thư viện Hysys không có, do vậy ta
phải xây dựng một cấu tử giả. Các bước làm như sau:
Chọn Hypothetical, click vào Quick Create A Solid Hypo…và đặt tên là PP.
Double Click vào PP, đưa vào một số dữ liệu cần thiết như: Khối lượng phân tử, khối
lượng riêng, %C, %H, nhiệt phản ứng. Sau đó Click Estimate Unknown Props để
Hysys tự động tìm những dữ liệu còn lại Hình 3 : Xây dựng cấu tử giả cho quá trình Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 Hình 4 : Quá trình xây dựng cấu tử giả PP
Hình 8 : Xác lập nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng cho dòng Hình 9 : Xác lập thành phần cho từng cấu tử trong dòng
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Trong phần composition ta nhập thành phần ( phần mol hoặc phần khối lượng )
của các cấu tử trong dòng nguyên liệu. Khi dòng chuyển sang màu xanh đậm là đã
thực hiện đúng quá trình.
Các dòng vật chất cho Hydrogen và Xúc tác cũng được xây dựng tương tự.
1.3.2.2. Xây dựng thiết bị phản ứng
Trên thanh công cụ Case (Main) Click vào Conversion Reaction. Double
click vào thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt
- trong phần Connections Hình 10 : Xây dựng các dòng vào – ra và các thuộc tính cho TBPƢ
Trong phần Parameters xác định các điều kiện, thông số hoạt động của tháp
như số pha, tổn thất áp suất, thể tích thiết bị, cung cấp nhiệt hay làm lạnh…
Conversion
Reaction
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 Sau khi thực hiện xong các thao tác xây dựng trên, ta được một sơ đồ mô phỏng
chung cho dây chuyền sản xuất của phân xưởng Polypropylene như hình
sauHình 16 : TỔNG QUAN SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN
XUẤT POLYPROPYLENE THEO CÔNG NGHỆ Hypol II
1.3.3. Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng
Sau khi chạy mô phỏng, thu được kết quả cân bằng vật chất của quá trình như
sau:
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Bảng 8 : Cân bằng vật chất của các thiết bị
Thiết bị PreR
Vào (kg/h)
Ra(kg/h)
Propylen
5029
4778
Hydro
0,05
0
Catalyst
Hydro
0.066
0
Catalyst
0,77
0,77
Propan lẫn trong Propylen
59,68
59.68
Metan lẫn trong H2
3,44.10
-4
3,44.10
-4
N2 lẫn trong H2
2,26.10
-4
2,26.10
-4
PP
252
6066
Tổng
11926
11926
7,16.10
-4
PP
6066
18656
Tổng
37491
37491 Thiết bị tách PP
Vào (kg/h)
Ra(kg/h)
đỉnh( kg/h)
đáy(kg/h)
Propylen
18647
18647
0
Hydro
0
0
0
Catalyst
0,77
0,77
0
Bảng 9 : Bảng tổng kết các dòng vào ra của quá trình mô phỏng
Nhiệt
độ
(
o
C)
Áp
suất
(bar)
Lưu
lượng
(kg/h)
Nhiệt lượng
(kJ/h)
Phần
hơi
Propylene
26
25
18750
3,931.10
6
0
Hydrogen
26
49,03
0,359
4,318
1
vào
26
1,5
8,275.10
4
-3,127.10
8
0
Nước làm mát thiết bị R
2
vào
26
1,5
3,176.10
5
-5,021.10
9
0
H
2
O làm lạnh Pro vào tb trộn
6
1
2200
-3,497.10
7
7
1
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 CHƢƠNG 2
TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
2.1. TÍNH TOÁN KÍCH THƢỚC CHO THIẾT BỊ CHÍNH
2.1.1. Các thiết bị phản ứng
Trong Hysys không hỗ trợ việc tự động tính toán thể tích thiết bị phản ứng khi
mô phỏng ở trạng thái tĩnh (với tháp chưng cất thì có) mà chỉ hỗ trợ việc tính toán các
giá trị còn lại như đường kính, bề dày vỏ thiết bị,…khi đã xác lập một giá trị thể tích
nào đó.
Theo tính chất của quá trình như: Phản ứng ở pha lỏng, xúc tác được hoà trộn
trong dòng vật chất, cho nên khi tính toán giá trị kích thước các thiết bị phản ứng phải
thông qua các giá trị như: Lưu lượng thể tích thực (F
v
) và thời gian lưu (T
R
) của lưu
chất trong thiết bị phản ứng.
Các giá trị từ Hysys như sau:
TBPƯ
0,975
28,
74
56,9
76
2.1.2. Thiết bị tách loại
Đối với thiết bị loại khí Propylen và rắn Polypropylen với lưu lượng 246.4
(m3/h) thì Hysic có thể tính toán được tất cả các thông số về kích thước thiết bị.
2.1.3. Kết quả thu được từ mô phỏng
Sau khi ta tính toán được các giá trị thể tích của các thiết bị nói trên. Tiến hành
chạy Hysys để hiệu chỉnh các kích thước trên mang tính kinh tế hơn và các kích thước
về bơm, thiết bị trao đổi nhiệt cũng được xác lập. Ta được kết quả sau: Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 TBPƯ
p
reR
R
1
R
2
V (m
3
)
0
14,2
Đường kích hạt (mm)
1
Diện tích túi (m2 )
1,48
Đường kính túi (m)
0,3
Số túi / ngăn
78
Tốc độ dòng khí(m/s)
0,005
Bước túi(m)
0,02
2.2. CÁC THIẾT BỊ PHỤ KHÁC
Các máy bơm
Có 3 máy bơm kí hiệu lần lượt P-100, P-101, dùng bơm dòng Propylene
nguyên liệu, và xúc tác.Với độ tăng áp qua các bơm là 11 bar. Khi chạy Hysic ta thu
được các thông số kĩ thuật của bơm như sau.
Thiết bị
P-100
P-101
Phan Duy Dương BKĐN - 05h5
Năng suất (m
3
/s)
73,4
38,5.10
-5
thiết bị để nhập tên cho dòng nguyên liệu vào, dòng sản phẩm ra, dòng nhiệt - trong
phần Connections.
Dòng vật chất đi trong ống là dòng Propylen, dòng đi ngoài ống là dòng nước
gia nhiệt (Chọn dòng vật chất đi trong ống hay ngoài ống phụ thuộc nhiều yếu tố: nhiệt
độ, loại lưu chất… Nhưng thông thường dòng đi trong ống là dòng lạnh, dòng đi ngoài
ống là dòng nóng). Phan Duy Dương BKĐN - 05h5 Hình 17 : Xây dựng thiết bị trao đổi nhiệt
Trong phần Parameters chọn cách thức trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Model
)là trong phạm vi mô phỏng tĩnh (Steady state rating). Nhập tổn thất áp suất cho dòng
đi trong ống và ngoài ống.
Hình 18 : Xác lập tổn thất áp suất trong thiết bị trao đổi nhiệt
Trong phần Worksheet nhập lưu lượng hơi thấp áp trao đổi nhiêt.
Copyright: Tài liệu đại học ©