Đồ án Nghiên cứu, mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch phụ gia Formaldehyde của Phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ

87 trang thiennha21 22/04/2022 3570

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu, mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch phụ gia Formaldehyde của Phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_nghien_cuu_mo_phong_cong_nghe_san_xuat_dung_dich_phu_g.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch phụ gia Formaldehyde của Phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DUNG DỊCH PHỤ GIA FORMALDEHYDE CỦA PHÂN XƯỞNG UFC85/FORMALDEHYDE NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ Trình độ đào tạo : Đại học chính quy Ngành : Công nghệ kỹ thuật hóa học Chuyên ngành : Hóa dầu Cán bộ hướng dẫn: ThS. Hoàng Mạnh Hùng KS. Nguyễn Thanh Phương Sinh viên thực hiện: Lý Hoàng Thanh MSSV: 12030205 Lớp: DH12HD Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2016
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN PHÂN XƯỞNG UFC85/FORMALDEHYDE NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ, NGUYÊN LIỆU MEOH VÀ SẢN PHẨM FORMALDEHYDE, UFC85 3 1.1. Tổng quan phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ [1] 3 1.1.1. Tổng quan Nhà máy Đạm Phú Mỹ và phân xưởng UFC85/Formaldehyde 3 1.1.2. Vai trò của phân xưởng UFC85/Formaldehyde 5 1.1.3. Công nghệ phân xưởng UFC85/Formaldehyde 5 1.2. Tổng quan về nguyên liệu sản xuất 6 1.2.1. Tổng quan nguyên liệu MeOH [2] 6 1.2.1.1. Tính chất vật lý 6 1.2.1.2. Tính chất hóa học 7 1.2.1.3. Ứng dụng của MeOH 8 1.2.1.4. Phương pháp sản xuất MeOH 8 1.2.2. Tổng quan sản phẩm Formaldehyde [3] 10 1.2.2.1. Giới thiệu 10 1.2.2.2. Tính chất vật lý 10 1.2.2.3. Tính chất hóa học 11 1.2.2.4. Ứng dụng của Formaldehye 11 1.2.3. Các phương pháp sản xuất Formaldehyde 14 1.2.4. Công nghệ sản xuất Formaldehyde [3], [4],[5] 15 1.2.4.1. Công nghệ dehydro hóa và oxy hóa đồng thời MeOH 15 1.2.4.2. Công nghệ oxy hóa MeOH thành Formaldehyde 17 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ THIẾT KẾ, CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP DUNG DỊCH FORMALDEHYDE TỪ MEOH CỦA PHÂN XƯỞNG FORMALDEHYDE/UFC85 NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 20 2.1. Thông số thiết kế cơ sở 20 2.1.1. Nguyên liệu 20 2.1.1.1. Nguyên liệu MeOH [6] 20 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang i
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.1.1.2. Dung dịch Urê [6] 21 2.1.1.3. Nước nguyên liệu [7] 22 2.1.1.4. Dòng hơi thấp áp [7] 22 2.1.1.5. Dòng HTO 22 2.1.1.6. Xúc tác sử dụng 23 2.1.2. Sản phẩm phân xưởng [6] 23 2.1.2.1. Sản phẩm Formaldehyde 23 2.1.2.2. Sản phẩm UFC85 24 2.1.3. Nghiên cứu cơ chế tổng hợp Formaldehyde 25 2.1.3.1. Cơ chế phản ứng tổng hợp Formaldehyde [8] 25 2.1.3.2. Động học quá trình tổng hợp Formaldehyde [4],[9] 26 2.1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Formaldehyde 27 2.1.4. Sơ đồ khối quá trình sản xuất của xưởng Fomaldehyde/UFC85 29 2.1.5. Sơ đồ khối 29 2.1.6. Thuyết minh sơ đồ khối công nghệ 29 2.2. Quy trình công nghệ PFD 30 2.2.1. Sơ đồ công nghệ [10] 30 2.2.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ [7] 31 2.3. Các thiết bị chính trong phân xưởng 33 2.3.1. Cụm chuẩn bị nguyên liệu [11] 33 2.3.2. Cụm tiền gia nhiệt 33 2.3.2.1. Thiết bị hóa hơi MeOH, 20-E-2101-1,2 [12] 34 2.3.2.2. Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào, 20-E-2102 [13] 36 2.3.2.3. Thiết bị làm nguội (After Cooler 20-E-2104) [13] 38 2.3.3. Cụm thiết bị phản ứng [14] 40 2.3.4. Cụm thiết bị hấp thụ [15],[16] 43 CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FORMALDEHYDE PHÂN XƯỞNG UFC85/FORMALDEHYDE NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 47 3.1. Phương pháp luận xây dựng sơ đồ mô phỏng 47 3.2. Giới thiệu về Aspen Hysys [17] 48 3.3. Nghiên cứu, mô phỏng phân xưởng UFC85/Formaldehyde nhà máy Đạm Phú Mỹ bằng phần mềm Aspen Hysys. 49 3.4. Xây dựng trường hợp mô phỏng công nghệ sản xuất phân xưởng UFC85/Formaldehyde 50 3.4.1. Thiết lập hệ nhiệt động (Fluid Package) 50 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang ii
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.2. Thông số thiết lập đầu vào ban đầu phân xưởng 52 3.4.3. Thiết lập dòng vật chất và cấu tử trong hệ. 53 3.4.4. Thiết lập các thiết bị trao đổi nhiệt 55 3.4.4.1. Thiết bị phản ứng 20-E-2101 55 3.4.4.2. Các thiết bị trao đổi nhiệt khác 55 3.4.5. Thiết lập các phản ứng và thiết bị phản ứng [17], [18] 56 3.4.6. Tháp hấp thụ Formaldehyde [19] 60 3.4.7. Công cụ lô-gic Recycle 61 3.4.8. Kết quả mô phỏng 63 3.4.9. Nhận xét và so sánh kết quả mô phỏng thu được 64 3.4.9.1. Cân bằng vật chất cụm chuẩn bị nguyên liệu 64 3.4.9.2. Cân bằng vật chất cụm gia nhiệt nguyên liệu 65 3.4.9.3. Cân bằng vật cụm thiết bị phản ứng 66 3.4.9.4. Cân bằng vật chất cụm thiết bị hấp thụ. 67 3.4.9.5. Nhận xét kết quả thu được 71 3.4.9.6. Cân bằng năng lượng 72 3.4.9.7. Thông số thiết kế các thiết bị chính trong sơ đồ công nghệ 73 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang iii
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất vật lý MeOH 6 Bảng 1.2. Tính chất vật lý Formaldehyde 10 Bảng 1.3. So sánh đặc điểm chính 3 phương pháp chuyển hóa 19 Bảng 2.1. Tiêu chuẩn MeOH nguyên liệu 20 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn hạt Urê nguyên liệu 21 Bảng 2.3. .Tiêu chuẩn dung dịch Urê 71% dùng trong phân xưởng 21 Bảng 2.4. Tiêu chuẩn nước khử khoáng 22 Bảng 2.5. Tính chất dòng dầu HTO 22 Bảng 2.6. Xúc tác sử dụng tại phân xưởng 23 Bảng 2.7. Tiêu chuẩn Formaldehyde sản phẩm 23 Bảng 2.8. Tiêu chuẩn UFC85 sản phẩm 24 Bảng 2.9. Cơ chế phản ứng tổng hợp Formaldehyde 25 Bảng 2.10. Danh mục các thiết bị chính 32 Bảng 2.11. Tiêu chuẩn thiết kế và lắp đặt bồn chứa MeOH 33 Bảng 2.12. Thông số thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101,1 34 Bảng 2.13. Thông số thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101,2 35 Bảng 2.14. Thông số thiết bị gia nhiệt khí đầu vào 20-E-2102 37 Bảng 2.15. Thông số thiết bị làm nguội 20-E-2104 38 Bảng 2.16. Thông số thiết bị phản ứng Formaldehyde 20-E-2101 [13] 42 Bảng 2.17. Thông số tháp hấp thụ Formaldehyde 20-T-2101 [14] 45 Bảng 3.1. Các hệ nhiệt động đề xuất cho quá trình mô phỏng 50 Bảng 3.2. Thông số thiết kế đầu vào phân xưởng 52 Bảng 3.3. Thành phần dòng nguyên liệu MeOH 53 Bảng 3.4. Thành phần dòng không khí 54 Bảng 3.5. Thành phần dòng khí hoàn lưu 54 Bảng 3.6. Cân bằng vật chất cụm chuẩn bị nguyên liệu 65 Bảng 3.7. Cân bằng vật chất cụm thiết bị phản ứng Formaldehyde 67 Bảng 3.8. Cân bằng vật chất cụm thiết bị hấp thụ 68 Bảng 3.9. Bảng so sánh dòng sản phẩm Formalin thu được 71 Bảng 3.10. So sánh hiệu suất chuyển hóa 71 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang iv
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Bảng 3.11. Bảng so sánh lưu lượng nước sử dụng tại Tháp hấp thụ 72 Bảng 3.12. Bảng so sánh lưu lượng khí hoàn lưu tại đỉnh tháp 72 Bảng 3.13. Cân bằng nhiệt sử dụng trong phân xưởng sản xuất Formaldehyde 72 Bảng 3.14. Thông số chính thiết bị phản ứng Formaldehyde 73 Bảng 3.15. Thông số chính tháp hấp thụ Formaldehyde 73 Bảng 3.16. Thông số chính thiết bị trao đổi nhiệt 74 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang v
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ các phân xưởng Nhà máy đạm Phú Mỹ 4 Hình 1.2. Một góc phân xưởng UFC85/Formaldehyde 4 Hình 1.3. Tổng quan công nghệ xưởng Formaldehyde/UFC85 5 Hình 1.4. Ứng dụng chính của MeOH 8 Hình 1.5. Nhựa polyme Urea-Formaldehyde 12 Hình 1.6. Cấu trúc hạt nhựa tổng hợp Phenol-Formaldehyde 13 Hình 1.7. Cấu trúc polyme Trimetilolmelamin-Formaldehyde 13 Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ tổng hợp Formaldehyde theo quá trình BASF 16 Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ oxy hóa MeOH thành Formaldehyde – Quá trình Formol 18 Hình 2.1. Xúc tác FK-2 28 Hình 2.2. Sơ đồ khối công nghệ sản xuất Formaldehyde 29 Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ phân xưởng UFC85/Formaldehyde 30 Hình 2.4. Sơ đồ PFD tháp hấp thụ 31 Hình 2.5. Thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101 34 Hình 2.6. Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào, 20-E-2102 37 Hình 2.7. Thiết bị làm nguội 20-E-2104 39 Hình 2.8. Cấu trúc thiết bị phản ứng Formaldehyde 20-E-2101 41 Hình 2.9. Tháp hấp thụ Formaldehyde 20-T-2101 44 Hình 3.1. Giao diện mô phỏng phần mềm Hysys 49 Hình 3.2. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động 51 Hình 3.3. Tính chất dòng không khí, MeOH (Trích xuất từ Hysys) 54 Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng thiết bị 20-E-2101 55 Hình 3.5. Thiết lập mô phỏng thiết bị 20-E-2102 56 Hình 3.6. Mô hình hóa phản ứng dạng PFR 57 Hình 3.7. Vận tốc phản ứng tại mặt cắt dV 57 Hình 3.8. Thiết lập mô hình thiết bị phản ứng 59 Hình 3.9. Thiết lập các tiêu chuẩn chạy tháp 60 Hình 3.10. Mô hình mô phỏng tháp hấp thụ 61 Hình 3.11. Công cụ Recycle trong quá trình mô phỏng 61 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang vi
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 3.12. Trường hợp mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch Formaldehyde 37% 63 Hình 3.13. Sơ đồ mô phỏng cụm chuẩn bị nguyên liệu 64 Hình 3.14. Sơ đồ mô phỏng cụm gia nhiệt nguyên liệu 66 Hình 3.15. Kết quả thu được từ mô hình mô phỏng PFR 66 Hình 3.16. Kết quả mô phỏng tháp hấp thụ 68 Hình 3.17. Sự thay đổi T, P theo chiều cao tháp 69 Hình 3.18. Dữ liệu thông số biến thiên theo chiều cao tháp 70 Hình 3.19. Biến thiên nồng độ cấu tử theo chiều cao tháp 70 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang vii
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Chú thích 1 STT Số thứ tự 2 kl Khối lượng 3 tt Thể tích 4 BFW (Boiler Feed Water) Nước cấp lò hơi 5 PFR (Plug Flow Reactor) Dạng thiết bị phản ứng đẩy 6 HTO (Heat Transfer Oil) Dòng dầu nóng 7 LPS ( Low Pressure Steam) Dòng hơi thấp áp 8 MeOH Methanol 9 UFC85 Dung dịch Urê-Formaldehyde 10 Formaldehyde Formanđêhyt 11 RON Chỉ số Octane nghiên cứu 12 MTBE Phụ gia tăng chỉ số RON, methylter-butyl ether 13 PVFCCo Tổng Công ty hóa chất và Phân bón Dầu khí Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang viii
Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành đến các anh, chị Phòng Công nghệ Lọc dầu thuộc Trung tâm NC&PT Chế biến Dầu khí (PVPro) đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu để thực hiện đề tài này. Cảm ơn quý thầy, cô khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm, trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu đã dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức hữu ích để giúp em trang bị kiến thức cần thiết trong thời gian em học tập tại trường. Xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô trong hôi đồng chấm đồ án tốt nghiệp đã dành chút thời gian quý báu để đọc và đưa những lời nhận xét giúp em hoàn thiện hơn về đồ án này. Cám ơn gia đình và bạn bè đã tiếp thêm niềm tin, nghị lực và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016 SVTH Lý Hoàng Thanh Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang ix
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, Formaldehyde và UFC85 là những hợp chất hóa học quan trọng, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp hóa chất phụ trợ, ngành tổng hợp hữu cơ và nhiều ngành khác. Đặc biệt, đối với công nghiệp sản xuất phân bón, các dung dịch này là phụ gia cho quá trình tạo hạt Urê nhằm chống kết khối, gia tăng độ cứng sản phẩm, giảm tỷ lệ vỡ hạt, tránh hiện tượng cháy lá khi bón phân hóa học cho cây trồng. Tính đến thời điểm cuối Quý IV/2015, tất cả các nhà máy sản xuất phân đạm tại Việt Nam đều phải nhập khẩu toàn bộ các phụ gia này từ nước ngoài. Với những lý do trên, việc nghiên cứu đầu tư xây dựng dây chuyền sản xuất sản phẩm Formaldehyde và dung dịch UFC85 là rất cần thiết nhằm giúp các nhà máy đạm giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, tăng lợi thế cạnh tranh đồng thời giúp Việt Nam chủ động được nguồn cung phụ gia cung cấp cho các đơn vị trong nước và xuất khẩu các nước khu vực. Ngày 12/12/2015, Tổng Công ty Phân bón và Hóa chất Dầu khí (PVFCCo), đơn vị thành viên của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã tổ chức khánh thành và đưa vào hoạt động phân xưởng sản xuất UFC85/Formaldehyde với công suất thiết kế 15 ngàn tấn/năm UFC85 hoặc 25 ngàn tấn/năm Formaldehyde nồng độ 37% (hay còn gọi là Formalin). Phân xưởng sử dụng công nghệ hiện đại và phổ biến hiện nay để sản xuất Formaldehyde là công nghệ oxy hóa MeOH có sử dụng xúc tác do nhà bản quyền công nghệ Haldor Topsoe cung cấp. Quá trình tập trung chủ yếu vào lượng không khí dùng để oxy hóa MeOH với sự có mặt của các dạng xúc tác rắn. Nhằm tìm hiểu rõ hơn về công nghệ, quá trình sản xuất dung dịch Formaldehyde từ MeOH, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến vận hành và chất lượng sản phẩm của xưởng UFC85 Nhà máy đạm Phú Mỹ, tác giả tiến hành nghiên cứu thực hiện Đề tài “Nghiên cứu, mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch phụ gia Formaldehyde của Phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ”. Nội dung nghiên cứu và phạm vi công việc thực hiện của Đề tài bao gồm các phần chính về: Tổng quan các công nghệ sản xuất Formaldehyde đi từ MeOH; Tổng quan về nguyên liệu MeOH và chỉ tiêu kỹ thuật MeOH dùng trong công nghiệp tổng hợp UFC85/Formaldehyde; Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 1
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Tổng quan về sản phẩm Formaldehyde, dung dịch Formalin và UFC85; Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất Formaldehyde; Nghiên cứu công nghệ xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy đạm Phú Mỹ; Nghiên cứu các tài liệu thiết kế cơ sở, thiết kế cơ khí, phụ trợ xưởng công nghệ sản xuất UFC85/Formaldehyde như các bản vẽ công nghệ (PFD và P&ID), Data Sheet làm cơ sở cho mô phỏng tĩnh trong Hysys; Xây dựng mô hình mô phỏng, sử dụng phần mềm Hysys mô phỏng tĩnh phần công nghệ của phân xưởng UFC85/Formaldehyde; Đánh giá kết quả nhận được và đưa ra kiến nghị. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 2
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN PHÂN XƯỞNG UFC85/FORMALDEHYDE NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ, NGUYÊN LIỆU MEOH VÀ SẢN PHẨM FORMALDEHYDE, UFC85 1.1. Tổng quan phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ [1] 1.1.1. Tổng quan Nhà máy Đạm Phú Mỹ và phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ sử dụng công nghệ của Haldor Topsoe (Đan Mạch) để sản xuất Amoniac và công nghệ Snamprogetti (Ý) để sản xuất phân Urê. Đây là các công nghệ hàng đầu trên thế giới với dây chuyền khép kín, nguyên liệu chính đầu vào là khí thiên nhiên, không khí và đầu ra là amoniac và urê. Chu trình công nghệ khép kín cùng với việc tự tạo điện năng và hơi nước giúp Nhà máy hoàn toàn chủ động trong sản xuất kể cả khi lưới điện quốc gia có sự cố hoặc không đủ điện cung cấp. Công nghệ nhà máy gồm có 4 phân xưởng chính là xưởng Amoniac, xưởng Urê, xưởng phụ trợ, xưởng sản phẩm và các phòng/xưởng chức năng khác. Phân xưởng Amoniac: Phân xưởng Amoniac của Nhà máy Đạm Phú Mỹ sử dụng công nghệ Haldor Topsoe đi từ khí thiên nhiên được thiết kế cho hai trường hợp vận hành chính: 1350 tấn NH3/ngày và 1650 tấn CO2/ngày, hoặc; 1350 tấn NH3/ngày, 1790 tấn CO2/ngày. Phân xưởng Urê theo công nghệ Snamprogetti của Italia, sản phẩm Urê của Nhà máy có các thông số kỹ thuật chính như sau: Công suất: 2200 tấn/ngày; Cỡ hạt: 1,4 – 2,8 mm (> 90%); Hàm lượng N: > 46,3%; Độ ẩm: < 0,4%. Phân xưởng phụ trợ sử dụng nguồn khí thiên nhiên để sản xuất hơi nước (từ nguồn nước sông Thị Vải) và điện cung cấp cho quá trình vận hành của nhà máy và phụ vụ sinh hoạt; Phân xưởng sản phẩm và các Phòng, Ban chức năng khác. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 3
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Nguồn: Nhà máy Đạm Phú Mỹ Hình 1.1. Sơ đồ các phân xưởng Nhà máy đạm Phú Mỹ Năm 2015, PVFCCo đã tiến hành đầu tư xây dựng thêm phân xưởng sản xuất UFC85/Formaldehyde (nằm trong phần diện tích mở rộng của khuôn viên Nhà máy đạm hiện hữu) với công suất thiết kế 15.000 tấn UFC85/năm hoặc 25.000 tấn Formaldehyde/năm. Nguồn: Technical Proposal, PVFCCo, 2015 Hình 1.2. Một góc phân xưởng UFC85/Formaldehyde Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 4
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.1.2. Vai trò của phân xưởng UFC85/Formaldehyde Phân xưởng UFC85/Formaldehyde được thiết kế với mục đích sản xuất các phụ gia quan trọng, bao gồm UFC85, dung dịch Formalin 37% sử dụng trong quá trình tạo hạt Urê nhằm chống lại hiện tượng kết khối phân bón, gia tăng độ cứng của hạt, giảm tỷ lệ vỡ hạt Bên cạnh đó, trong tương lai, các sản phẩm của phân xưởng cũng góp phần chủ động được nguồn cung cho Nhà máy đạm Cà Mau (do PVN đầu tư xây dựng) và các nhà máy đạm khác (đạm Ninh Bình, đạm Hà Bắc ) tại Việt Nam. 1.1.3. Công nghệ phân xưởng UFC85/Formaldehyde Công nghệ sản xuất UFC85/Formaldehyde hiện đang sử dụng tại phân xưởng UFC85/Formaldehyde là công nghệ oxy hóa MeOH có sử dụng xúc tác oxit kim loại được cung cấp bởi hãng công nghệ bản quyền Haldor Topsoe (Đan Mạch). Nguồn nguyên liệu MeOH được nhập từ nước ngoài. Sản phẩm của phân xưởng là dung dịch Formaldehyde hoặc dung dịch UFC85 với công suất tương ứng 25.000 tấn Formaldehyde/năm hoặc 15.000 tấn UFC85/năm, cung cấp trực tiếp đến phân xưởng Urê, xưởng phụ trợ hoặc xuất khẩu (tương lai). Hình 1.3. Tổng quan công nghệ xưởng Formaldehyde/UFC85 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 5
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.2. Tổng quan về nguyên liệu sản xuất 1.2.1. Tổng quan nguyên liệu MeOH [2] 1.2.1.1. Tính chất vật lý Methanol, công thức phân tử CH3OH, là chất lỏng không màu, có tính độc, có mùi tương tự Ethanol. Về tính hòa tan, MeOH tan nhiều trong nước, rượu, benzen, các ester và trong nhiều dung môi hữu cơ khác. MeOH hòa tan tốt được các loại nhựa nhưng ít hòa tan trong các chất béo và dầu. Một số tính chất vật lý quan trọng của hợp chất MeOH được trình bày chi tiết trong Bảng 1.1: Bảng 1.1. Tính chất vật lý MeOH STT Tính chất Đơn vị Giá trị 1 Khối lượng phân tử đv.C 32,00 2 Nhiệt độ tới hạn oC 239,49 3 Áp suất tới hạn Mpa 8,10 4 Thể tích tới hạn g/mol 117,90 5 Độ nén tới hạn - 0,22 6 Nhiệt độ sôi (tại 101,3kPa) oC 64,70 7 Nhiệt độ nóng chảy (tại 101,3kPa) oC -97,60 8 Nhiệt bốc hơi (tại 101,3kPa) KJ/kg 1128,80 9 Tỷ trọng: Ở 0 oC g/cm3 0,81 Ở 25 oC 0,79 Ở 50 oC 0,76 10 Hàm nhiệt tiêu chuẩn: Ở 25oC ( 101,3 kPa ), pha khí KJ/mol -162,24 Ở 25oC ( 101,3 kPa), pha lỏng -166,64 11 Nhiệt dung riêng: Ở 25oC (tại 101,3 kPa ), pha khí J/moloK 44,06 Ở 25oC (tại 101,3 kPa), pha lỏng 81,05 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 6
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Tính chất Đơn vị Giá trị 12 Độ nhớt: Pha lỏng mPa.s 0,55 Pha hơi 9,68.10-3 13 Điểm chớp cháy (DIM51755) 6,50 Bình hở oC 15,60 Bình kín 12,20 Tại nhiệt độ phòng, MeOH là một chất lỏng phân cực và được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu và cũng là một chất biến tính cho dung dịch ethanol. 1.2.1.2. Tính chất hóa học MeOH là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức (CnH2n+1OH), do vậy, hóa tính của MeOH được quyết định chủ yếu bởi nhóm chức hydroxyl [–OH]. Một số phản ứng tiêu biểu của MeOH như sau: Phản ứng cộng NaOH tạo muối ancolat: CHOH3 NaOH CHONa 3 HO 2 Phản ứng cộng axit tạo este: CH3 OH CH 3 COOH CH 3 COOCH 3 H 2 O CH3 OH C 2 H 5 COOH C 2 H 5 COOCH 3 H 2 O Oxi hóa hoàn toàn tạo khí cacbonic và nước: 3 CH OH O CO H O 32 2 2 2 Oxi hóa không hoàn toàn tạo Formaldehye: 1 CH OH O HCHO H O 32 2 2 Qua các tính chất hóa lý của MeOH, có thể thấy khả năng bốc cháy và tạo thành hỗn hợp hơi cháy nổ của MeOH là một trong những vấn đề cần quan tâm về sự an toàn khi sử dụng và bảo quản. Ngọn lửa bốc cháy của MeOH hầu như không nhìn thấy được dưới ánh sáng ban ngày, điều này gây nên những khó khăn trong vấn đề phát hiện sự bốc cháy của MeOH, đồng thời, ngọn lửa của MeOH không sinh ra bồ hóng mặc dù có Formaldehyde và CO sinh ra trong quá trình bốc cháy. Do vậy, trong thực Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 7
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP tế, để đánh giá hợp chất MeOH, người phân tích phải xem xét đến các tính chất về giới hạn điểm sôi, tỷ trọng, số Permanganat, chỉ số màu, chỉ số axít, hàm lượng nước và phần khô cặn. 1.2.1.3. Ứng dụng của MeOH MeOH là một trong những nguồn nguyên liệu được ứng dụng rộng rãi cho việc sản xuất Formaldehyde, dimetyl terephtalat, metyl methacrylat, cao su tổng hợp. Ngoài ra, MeOH còn nguyên liệu cho các quá trình sản xuất các sản phẩm như amin polyvinyl clorit, nhựa trao đổi ion, sản phẩm nhuộm. Theo số liệu của Tổng Cục Thống kê, năm 2014, tại Việt Nam, khoảng 25% MeOH được ứng dụng như một loại dung môi cho ngành công nghiệp sơn, 6% MeOH là dung môi cho ngành điện tử và 3% MeOH còn lại là dung môi cho các ngành khác như ngành công nghiệp giấy, mực in, chất tẩy rửa kim loại, dung môi phòng thí nghiệm Hình 1.4. Ứng dụng chính của MeOH MeOH còn là nguyên liệu sản xuất MTBE, đây là chất phụ gia cho sản phẩm xăng nhằm tăng khả năng chống kích nổ cho xăng, thay thế chất phụ gia có chứa chì trước đây nhằm bảo vệ sức khỏe, môi trường. 1.2.1.4. Phương pháp sản xuất MeOH Công nghiệp sản xuất MeOH hiện nay trên thế giới tập trung vào hai phương pháp cơ bản sau: Phương pháp thu MeOH tự nhiên; Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 8
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Phương pháp thu MeOH tổng hợp. Các phương pháp sản xuất MeOH tự nhiên bao gồm quá trình chưng cất gỗ hoặc tiến hành lên men. Về cơn bản, phương pháp này có nhiều điểm tương đồng với phương pháp sản xuất cồn etyllic (ethanol), tuy nhiên phương pháp này rất ít được sử dụng vì cho hiệu suất thấp và sản phẩm MeOH có độ tinh khiết không cao, chứa nhiều các tạp chất hữu cơ. Hướng công nghệ mới hiện nay sản xuất MeOH đi từ khí tổng hợp theo phương trình phản ứng sau: 200atm ,300o C CO H2  CH 3 OH Với sự phát triển của hoạt động tìm kiếm, thăm dò dầu khí, các nguồn khí thiên nhiên ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa dầu. Các hãng công nghệ trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển phương pháp sản xuất MeOH từ khí đồng hành và khí tự nhiên thu được từ các mỏ dầu và mỏ khí theo phương trình phản ứng sau: P,, T xt 2CH4 O 2  2 CH 3 OH Công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành MeOH đã được thương mại hóa rộng rãi trên thế giới. Các nhà cung cấp bản quyền tiêu biểu trong lĩnh vực này là Haldor Topsoe, Toyo, Air Liquid (GmbH), Casale, Johnson Matthey Davy Technologies và Kellogg Brown & Root (KBR). Công nghệ sản xuất MeOH tổng hợp trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Sản xuất khí tổng hợp (H2 + CO); Giai đoạn 2: Chuyển hóa khí tổng hợp thành MeOH. Trong trường hợp cần sản xuất hydro, khí tổng hợp (H2 + CO) được tạo ra từ giai đoạn 1 có thể được trích ra một dòng rồi đem qua phân xưởng tinh chế để tách loại CO. Khí hydro thu được có độ tinh khiết lên đến 99%. Các phương pháp trên là được sử dụng rộng rãi nhất, bên cạnh đó còn các phương pháp sản xuất MeOH khác như: Oxy hóa trực tiếp Hydrocacbon; Xà phòng hóa Methylclorua; Hydrat hóa Dimethylete. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 9
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.2.2. Tổng quan sản phẩm Formaldehyde [3] 1.2.2.1. Giới thiệu Formaldehyde là một trong những hóa chất công nghiệp cơ bản, có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ, phụ gia phân bón. Sản lượng Formaldehyde thế giới hiện nay khoảng 20 triệu tấn/năm và tăng hàng năm khoảng 5%, đứng thứ 4 trong bảng xếp hạng các loại hóa chất thông dụng. 1.2.2.2. Tính chất vật lý Formaldehyde, công thức phân tử là CH2O. Tại điều kiện thường, Formaldehyde là chất khí có mùi hắc, là loại khí độc mạnh và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Tại nhiệt độ thấp Formaldehyde dễ dàng tan trong các dung môi không phân cực như nước, Toluene, ether, Ethyl acetate Dung dịch chứa 37-50% khối lượng HCHO trong nước gọi là Formalin. Một hiện tượng khá phổ biến khi bảo quản Formalin là nó dễ bị polyme hóa và kết tủa. Để khống chế quá trình polyme hóa sâu và kết tủa của Formalin, trong công nghiệp, người ta thường bổ sung thêm 7 - 12 %kl MeOH trong sản phẩm Formalin đóng vai trò như chất ổn định. Khí HCHO rất dễ cháy, có thể tạo thành hỗn hợp cháy nổ với O2 không khí ở điều kiện áp suất thường trong giới hạn từ 7,5-72 %tt và hỗn hợp HCHO với không khí từ 65 – 70 %tt. So với hyđrocacbon có cùng số nguyên tử C trong phân tử (CH4), nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của Formaldehyde cao hơn. Nhưng so với anlcol đơn chức (1 nhóm [OH]) có cùng số nguyên tử C (CH3OH) thì nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của HCHO lại thấp hơn. Một số tính chất vật lý quan trọng của Formaldehyde được thể hiện tại Bảng 1.2: Bảng 1.2. Tính chất vật lý Formaldehyde STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Khối lượng phân tử đvC 30,03 2 Nhiệt độ sôi oC -21,00 3 Nhiệt độ nóng chảy oC -92,00 4 Nhiệt độ hóa lỏng oC -19,20 5 Nhiệt độ đóng rắn oC -118,00 6 Nhiệt trị cháy, 25oC KJ/mol 561,50 7 Nhiệt hóa hơi, 19,2oC KJ/mol 23,32 9 Tỷ trọng: Ở -20 oC kg/m3 0,81 Ở -80 oC 0,79 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 10
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.2.2.3. Tính chất hóa học Liên kết [–CHO] trong công thức phân tử quyết định các tính chất hóa học của Formaldehyde. Các phản ứng hóa học điển hình mà Formaldehyde tham gia gồm các phản ứng oxy hóa khử, phản ứng cộng hydrogen Phản ứng cộng H2: Ni, to C HCHO H2  CH 3 OH Phản ứng oxi hóa hoàn toàn: HCHO O2 CO 2 H 2 O Phản ứng tráng gương: NH3 HCHO AgO2  HCOOH 2 Ag  Phản ứng khử với Cu(OH)2/NaOH: HCHO 4 CuOH 2 NaOH NaCO 2 CuO 6 HO 2 2 3 2 2 Phản ứng với O2 không hoàn toàn: Phản ứng này chủ yếu được sử dụng để điều chế axít hữu cơ: 1 2 HCHO O  Mn HCOOH 2 2 Với các dung dịch oxi hóa khác: HCHO KMnO4 HSO 2 4 HCOOH KSO 2 4 MnSO 4 HO 2 Phản ứng trùng ngưng: Đây là phản ứng các phân tử monome tự kết hợp tạo ra polyme đồng thời xảy ra đồng tời tách các phân tử nhỏ như H2O OH OH OH OH xt, axit + nH O nHCHO 2 n - 2 1.2.2.4. Ứng dụng của Formaldehye Formaldehyde có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, các ngành y tế, thực phẩm và đặc biệt là trong ngành tổng hợp hữu cơ, sản xuất phụ gia. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 11
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Formaldehyde dùng làm chất sát trùng, diệt khuẩn. Ngoài ra, do có khả năng làm đông tụ protit, làm protit không thối rửa nên Formaldehyde được ứng dụng rộng rãi làm chất ướp thơm, chất bảo quản xác động thực vật. Khi cho Formaldehyde tác dụng với ammoniac ở điều kiện 70 oC và áp suất 350 mmHg thu được metylen-tetramin còn gọi là Urotropin. Chất Urotropin được dùng để sản xuất chất dẻo và dược phẩm. Đặc biệt, hiện nay phần lớn Formaldehyde được dùng trong công nghiệp chất dẻo. Một số loại nhựa tổng hợp được đi từ dẫn xuất Formaldehyde là: Đa tụ Formaldehyde với Urê tạo thành nhựa Urê-formaldehyde: Nhựa Urê- formaldehyde được ứng dụng làm dán ép, trong đánh cá và đặc biệt đóng vai trò như một phụ gia quan trọng trong quá trình chống kết khối phân bón, tăng độ cứng hạt, giảm tỷ lệ vỡ hạt vì tại điều kiện thường phân bón bị oxy hóa làm cho sản phẩm vón cục, kết khối, ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm; OH OH + CH NHCONH H2NCONH2 CH2OH 2 2 O H O H O H O H C H O H C H C H 2O H C H 2O H + 2 2 n O H C H 2N H C O N H CH 2O H O H O H + C H 2O CH 2N H C O N H 2 H 2NC O N H C H 2O H C H O H 2 O H H O C H 2 C H 2N H C O N H 2 Hình 1.5. Nhựa polyme Urea-Formaldehyde Đa tụ Formaldehyde với Phenol ta được nhựa Phenolformadehyde: đây là loại nhựa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Từ nhựa Phenolformaldehyde, người ta có thể chế tạo các loại vật liệu khác như vật liệu Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 12
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP tạo hình, đây là loại vật liệu khi đóng rắn vật phẩm thì không cần dùng áp suất cao như faolit, giấy tẩm vải, tẩm sợi thủy tinh Vật liệu grafit, than không thấm, grafit không thấm và antegơmit là loại vật liệu than grafit, các chất này có khả năng chịu hóa chất cao. Ngoài ra, còn được sử dụng làm nhựa đúc, keo dán, sơn; OH OH CH 2 CH 2 H H 3O + C O H OH H C 2 CH 2 CH 2 CH 2 OH C H 2 CH 2 OH H C 2 Hình 1.6. Cấu trúc hạt nhựa tổng hợp Phenol-Formaldehyde Đa tụ Formaldehyde với amin để tạo nhựa Melaminformaldehyde: Cũng như nhựa Phenolformaldehyde, nhựa melaminformaldehyde dùng để sản xuất lột ép, chất dẻo tấm, sơn, keo dán Ngoài ra nhựa Melamin còn dùng để làm giấy bền nước, làm giảm độ co nhăn của vải; CH OH CH2OH HOH2C 2 N HN NH2 3 3 H2O H2O N N N N N N HOH2C CH2OH N N N HN N NH H2N N NH2 HOH2C CH2OH CH2OH CH2OH Hình 1.7. Cấu trúc polyme Trimetilolmelamin-Formaldehyde Đa tụ Formaldehyde với anilin tạo thành nhựa Anilinformadehyde. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 13
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.2.3. Các phương pháp sản xuất Formaldehyde Hiện nay, trong công nghiệp Formaldehyde chủ yếu được sản xuất từ hai phương pháp sau: Phương pháp thực hiện dehydro hóa và oxy hóa đồng thời nguyên liệu MeOH; Phương pháp oxy hóa trực tiếp MeOH. Cả hai phương pháp này đều sử dụng nguyên liệu của là MeOH và oxy không khí. Tỷ lệ nguyên liệu đầu vào (MeOH/O2), loại xúc tác sử dụng cũng như các điều kiện công nghệ tiến hành làm cho hai quá trình này khác nhau. Mỗi quá trình điều có ưu, nhược điểm khác nhau, tùy vào mục đích sử dụng mà có thể lựa chọn quy trình phù hợp với điều kiện thực tiễn. Phương trình phản ứng chính sản xuất Formaldehyde : O CH3 OH HCHO H 2 H 85,3 KJ / mol 1 CHOH O  HCHO HO HO 156,3 KJmol / 32 2 2 Khi điều chế Formaldehyde, ngoài các phản ứng cơ bản trên còn xảy ra các phản ứng phụ oxy hóa, dehydro hóa tạo thành axit hữu cơ HCOOH. CHOH3 O 2 HCOOH HO 2 Hoặc bị oxy hóa hoàn toàn tạo thành khí CO2 và H2O: 3 CH OH O CO 2 H O 32 2 2 2 Đồng thời MeOH có thể bị khử tại điều kiện nhiệt độ, áp suất cáo tạo thành khí CO và H2 theo phản ứng: CH3 OH CO 2 H 2 Do vậy, trong quá trình sản xuất Formalin cần phải có phương pháp hạn chế đến mức thấp nhất việc các phản ứng phụ xảy ra hoặc có cách xử lý để tách chúng ra khỏi dòng sản phẩm. Bên cạnh đó, những năm gần đây người ta sản xuất Formaldehyde bằng cách dùng tác nhân oxy hóa khí tự nhiên dưới sự có mặt của oxít nitơ ở 400 ÷ 600 oC. Quá trình xảy ra như sau: CH4 O 2 HCHO H 2 O (Phản ứng chính ) 2CH4 O 2 2 CH 3 OH (Phản ứng phụ ) Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 14
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Ngoài ra còn một số phương pháp sản xuất Formaldehyde như oxy hóa etylen, thủy ngân cloruametyl. Tuy nhiên, các phương pháp này rất ít được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. 1.2.4. Công nghệ sản xuất Formaldehyde [3], [4],[5] 1.2.4.1. Công nghệ dehydro hóa và oxy hóa đồng thời MeOH Phản ứng chính xảy ra trong quá trình: O CHOH3 HCHO H 2 H 85,3 kJmol / O CH3 OH O 2 HCHO H 2 O H 156,3 kJ / mol Ngoài ra, còn xảy ra các phản ứng phụ: 1 CH OH O HCOOH 32 2 1 HCOOH O CO H O 2 2 2 2 CH3 OH H 2 CH 4 H 2 O CO2 H 2 CO H 2 O Trong 2 phản ứng chính, có thể lựa chọn tỷ lệ của các phản ứng sao cho phản ứng tổng cộng là toả nhiệt và để tận dụng nhiệt lượng nhiệt này, trong công nghiệp có thể tuần hoàn tận dụng nhiệt phản ứng để gia nhiệt dòng nguyên liệu ban đầu đến nhiệt độ phản ứng hoặc sản xuất hơi nước thấp áp, gia nhiệt nước cấp lò hơi. Thực nghiệm các phản ứng trong phòng thí nghiệm cho thấy: khi quá trình có độ chuyển hóa khoảng 55% đối với quá trình oxy hóa và 45% đối với quá trình dehydro hóa thì có thể sử dụng thiết bị phản ứng dạng đoạn nhiệt. Theo tỷ lệ này, hỗn hợp nguyên liệu không khí ban đầu chứa khoảng 45 %tt MeOH nhằm nằm trên giới hạn nổ của MeOH trong không khí là 34,7 %tt. Trong phương pháp này có 2 công nghệ chính: Dehydro oxy hóa bằng không khí với sự có mặt của xúc tác Ag, hơi nước và lượng dư CH3OH ở nhiệt độ 680 – 720°C. Độ chuyển hóa của CH3OH là 97 - 98%. Quá trình này gọi là quá trình BASF; Dehydro oxy hóa bằng không khí với sự có mặt của xúc tác Ag, hơi nước và lượng dư CH3OH ở nhiệt độ 600 – 650°C và thu hồi CH3OH bằng chưng cất. Độ chuyển hóa của CH3OH là 77 - 87%.  Công nghệ quá trình BASF Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 15
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Sơ đồ công nghệ và mô tả của quá trình BASF được mô tả như Hình 1.8. Nguồn: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2008 Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ tổng hợp Formaldehyde theo quá trình BASF Danh mục các thiết bị công nghệ: a. Thiết bị bốc hơi e. Thiết bị trao đổi nhiệt b. Máy nén khí f. Thiết hấp thụ c. Thiết bị phản ứng g. Thiết bị sản xuất hơi nước d. Thiết bị làm lạnh h. Thiết bị làm lạnh i. Thiết bị trao đổi nhiệt dùng hơi nước Nhiệt độ sản xuất cho quá trình BASF khoảng 700°C, quá trình BASF có độ chuyển hóa cao hơn so với quá trình sản xuất đi từ MeOH dằn. Sản phẩm thu được chứa từ 40 đến 55% kl formaldehyde, hàm lượng methanol ít hơn 1,3% kl. MeOH bị chuyển hóa cho quá trình BASF nằm giữa 97 và 98% với sản lượng 89,5-90,5%. Các sản phẩm phụ chính cho cả hai quá trình là Methyl formate và Acid formic được loại bỏ bằng phương pháp trao đổi anion. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 16
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 1.2.4.2. Công nghệ oxy hóa MeOH thành Formaldehyde Đây là quá trình tổng hợp HCHO mới bằng phương pháp oxy hóa MeOH với lượng dư không khí cùng với sự có mặt của xúc tác Fe cải tiến - Molybden - Vanadi o oxit [Fe2(MoO4)3 - V2O5] làm việc ở điều kiện nhiệt độ 250 - 350 C cho độ chuyển hóa cao từ 98 - 99%. Thuyết minh: Công nghệ vận hành với hàm lượng MeOH thấp nằm trong khoảng 6,5 %tt để đảm bảo an toàn cháy nổ. Bên cạnh đó, thể tích không khí sử dụng lớn khoảng 15 tấn không khí/1 tấn Formalin 100% sản phẩm. Với những điều kiện công nghệ khắt khe như trên thì việc lựa chọn thiết bị là rất quan trọng đối với phân xưởng có ảnh hưởng đến sự an toàn và chất lượng sản phẩm. Các đặc điểm của công nghệ của quá trình Formol như sau: Máy nén khí A loại ly tâm với áp suất đẩy 0,16 MPa ; Bộ chế hòa khí B nói chung là 1 thiết bị đun nóng bốc hơi mà trong đó MeOH lỏng được tán sương trong khí; Hỗn hợp sau đó tiếp tục được gia nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt E bởi dòng sản phẩm của thiết bị phản ứng; Để đạt được nhiệt độ phản ứng hỗn hợp hơi nguyên liệu cần phải qua thiết bị gia nhiệt F bằng hơi nước áp suất cao hoặc hơi nước quá nhiệt; Phản ứng Oxy hóa MeOH tỏa nhiệt mạnh, cần khống chế tốt nhiệt độ để đạt sự chuyển hóa hoàn toàn; Trong thiết bị phản ứng R, xúc tác (oxit Fe và oxit Molipden) được bố trí trong các ống dọc với đường kính gần 20mm, làm lạnh ngoài bởi sự tuần hoàn hay bay hơi bởi một dòng tải nhiệt, năng lượng thu được bởi dòng mang nhiệt cho phép sản xuất hơi nước trong nồi hơi C; Lượng xúc tác sử dụng lớn, xấp xỉ 200 kg cho 1000 tấn/năm Formol 100%. Xúc tác phân bố trong khoảng 1000 ống và nhiệt độ làm việc thay đổi từ 250 oC - 350oC, tuổi thọ của loại xúc tác này có thể kéo dài từ 1 đến 2 năm; Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 17
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Nguồn: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2008 Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ oxy hóa MeOH thành Formaldehyde – Quá trình Formol Danh mục thiết bị: A. Máy nén khí T. Tháp hấp thụ HCHO B. Thiết bị bốc hơi E,F. Thiết bị trao đổi nhiệt C. Nồi hơi sản xuất hơi H2O R. Thiết bị phản ứng Trong quá trình này sự chọn lựa kết hợp xúc tác - thiết bị phản ứng là rất quan trọng, cần có một sự kết hợp tối ưu để đáp ứng; Hoạt tính của xúc tác cần thiết để đạt được sự chuyển hóa hoàn toàn, hoạt tính này tăng cùng với nhiệt độ trong 1 phạm vi nhất định; Độ chọn lọc xúc tác giảm theo nhiệt độ; Sự thu hồi năng lượng nhiệt phản ứng trên một đơn vị thể tích xúc tác, lượng nhiệt này không phải hằng số, nó rất lớn trong 15cm đầu lớp xúc tác, nơi thực hiện 85% chuyển hóa MeOH, tại vị trí này dễ xuất hiện các điểm nóng quá nhiệt cục bộ, vì vậy sự trao đổi nhiệt là không hoàn toàn, sự hạn chế của điểm quá nhiệt là rất lớn vì trên 425oC xúc tác mất đi bởi sự thăng hoa của tác nhân hoạt hóa Molipden; Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 18
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Những đặc trưng khác của xúc tác như hình dạng, độ bền cơ, tạo điều kiện cho việc truyền nhiệt sinh ra do phản ứng. Quá trình thu được có độ chuyển hóa khoảng 98% với độ chọn lọc 95% và năng suất 93,3%. Sản phẩm khí tạo thành sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng sẽ được làm lạnh xuống còn 145 oC nhờ thiết bị trao đổi nhiệt (E) và đưa qua đáy tháp hấp thụ (T). HCHO trong khí sản phẩm sẽ được ngưng tụ ở đáy thiết bị hấp thụ, một phần đưa đi làm lạnh để sử dụng làm dòng hồi lưu, phần lớn còn lại được đưa đi qua thiết bị trung hòa nhằm làm giảm độ chua do acid formic tồn tại trong sản phẩm. Sản phẩm cuối cùng của quá trình có thể đạt 55 %kl HCHO với hàm lượng nhỏ 0,5 - 1,5 %kl MeOH. Kết quả của sự chuyển hóa MeOH đạt từ 95 - 99% mol và phụ thuộc vào độ chọn lọc, hoạt tính và nhiệt độ của xúc tác. Đối với quá trình này, khí thoát ra khỏi tháp hấp thụ không được sử dụng làm khí đốt vì thành phần của nó bao gồm N2 (78,3 %tt), O2 (17,1 %tt), CO2 (0,35 %tt), và hàm lượng nhỏ các thành phần dễ cháy như dimetyl ete, CO, MeOH và HCHO. Do vậy việc đốt cháy khí này nhằm cung cấp nhiệt cho quá trình sản xuất hơi nước không có hiệu quả kinh tế. Bảng 1.3. So sánh đặc điểm chính ba phương pháp chuyển hóa Chuyển hóa Oxy hóa STT Đặc điểm BASF truyền thống MeOH 1 Độ chuyển hóa, % 77 – 88 97 – 98 99 2 Hiệu suất thu hồi, % 86 – 90 89,5 – 90,5 ≤ 92,5 3 Formaldehyde, %kl 42 40 – 55 ≤ 55 4 MeOH trong sản phẩm, % ≤ 1 ≤ 1,3 0,5 – 1,5 Nguồn: Department of Chemical Engineering, Lund University, 2015 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 19
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ THIẾT KẾ, CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP DUNG DỊCH FORMALDEHYDE TỪ MEOH CỦA PHÂN XƯỞNG FORMALDEHYDE/UFC85 NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 2.1. Thông số thiết kế cơ sở 2.1.1. Nguyên liệu Nguyên liệu đầu vào chuẩn bị cho phân xưởng tổng hợp Formaldehyde/UFC85 bao gồm: Dung dịch MeOH; Dung dịch Urê (chuẩn bị từ hạt Urê); Nước nguyên liệu; Dòng hơi thấp áp; Phụ trợ khác: dòng dầu HTO, khí điều kiển, xúc tác 2.1.1.1. Nguyên liệu MeOH [6] Nguồn nguyên liệu MeOH cung cấp cho phân xưởng được nhập từ nước ngoài và được lưu chứa tại bồn chứa nguyên liệu 20-TK-2901 đặt ở khu vực ngoại vi phân xưởng. MeOH nguyên liệu bơm đến phân xưởng có các thông số kỹ thuật, điều kiện như sau: Áp suất: 4 barG; Nhiệt độ: 25 – 30°C; Thành phần: chủ yếu hàm lượng MeOH và các tạp chất khác. Bảng 2.1. Tiêu chuẩn MeOH nguyên liệu STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Hình dạng - Không màu, trong suốt 2 Mùi - Đặc trưng 3 Hàm lượng MeOH %kl ≥ 99,85 ÷ 99,90 4 Hàm lượng nước %kl ≤ 0,10 ÷ 0,15 5 Hàm lượng aceton và andehyt mg/kg ≤ 30,00 6 Hàm lượng acid axetic mg/kg ≤ 30,00 7 Tỷ trọng, 20oC g/cm3 0,79 8 Khoảng nhiệt độ sôi (1.013 mbar) oC 64,60 ÷ 0,10 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 20
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Đơn vị Giá trị 9 Độ bay hơi ppm ≤ 10,00 10 Độ kềm ppm ≤ 5,00 11 Độ acid ppm ≤ 30,00 12 Hàm lượng cacbonin ppm ≤ 3,00 13 Hàm lượng cặn mg/l 10,00 14 Hàm lượng clo ppm ≤ 0,50 2.1.1.2. Dung dịch Urê [6] Dung dịch urê được chuẩn bị sẵn trong xưởng chuẩn bị Urê và được bơm tới tháp hấp thụ. Quá trình chuẩn bị dung dịch Urê được tiến hành khi phân xưởng chuyển sang chế độ vận hành sản xuất dung dịch UFC85. Thành phần hạt Urê cung cấp cho công đoạn chuẩn bị có các tính chất được thể hiện tại Bảng 2.2: Bảng 2.2. Tiêu chuẩn hạt Urê nguyên liệu STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Hình dạng - Rắn, trong suốt 2 Hàm lượng N2 %kl ≥ 46,00 3 Hàm lượng nước %kl ≤ 0,30 ÷ 0,50 4 Hàm lượng sắt ppm ≤ 2,00 5 Hàm lượng cặn %kl ≤ 0,002 6 Điểm chảy oC ≤ 129,00 ÷ 133,00 Bên cạnh đó thì dung dịch Urê sử dụng trong phân xưởng cần chuẩn bị riêng, tính chất của nó phải đạt yêu cầu sau: Bảng 2.3. Tiêu chuẩn dung dịch Urê 71% dùng trong phân xưởng STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Áp suất barG 6 2 Nhiệt độ oC 93 3 Hàm lượng Urê %kl 69,00 – 73,00 4 Hàm lượng nước %kl 27,00 – 31,00 5 Hàm lượng NH3 ppm ≤ 100,00 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 21
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.1.1.3. Nước nguyên liệu [7] Nước khử khoáng (Demineralised Water) được sử dụng như nước nguyên liệu cung cấp cho quá trình và phục vụ cho hai mục đích: làm dung môi cho quá trình hấp thụ Formaldehyde và nguyên liệu cho quá trình chuẩn bị dung dịch Urê 71%. Tiêu chuẩn nước khử khoáng sử dụng tại phân xưởng UFC85 được cấp từ xưởng phụ trợ Nhà máy Đạm Phú Mỹ và đáp ứng các điều kiện, tiêu chuẩn sau: Áp suất: 8 barG; Nhiệt độ: 130°C. Bảng 2.4. Tiêu chuẩn nước khử khoáng STT Thông số Giá trị 1 pH 6,5 - 7 2 Độ dẫn, µS/cm ≤ 0,2 3 Hàm lượng Silica SiO2, ppm kl ≤ 0,02 4 Hàm lượng Sodium Na+, ppm kl ≤ 0,02 5 Hàm lượng Chloride, Cl-, ppm kl ≤ 0,1 2.1.1.4. Dòng hơi thấp áp [7] Dòng hơi thấp áp sử dụng trong phân xưởng được cấp từ xưởng phụ trợ. LPS được sử dụng để cung cấp lượng nhiệt nhất định cho dòng nguyên liệu MeOH lỏng ban đầu và có các thông số vận hành như sau: Áp suất: 5,5 barG; Nhiệt độ: 151°C. 2.1.1.5. Dòng HTO Dòng HTO được sử dụng trong phân xưởng có nhiệm vụ chính là tải nhiệt từ thiết bị phản ứng chính 20-R-2101. Bên cạnh đó, tác nhân này còn đóng vai trò trao đổi nhiệt với các thiết bị nhiệt, đồng thời là dòng tuần hoàn nhiệt chính trong phân xưởng. Dòng HTO được sử dụng trong phân xưởng có thông số vận hành như sau: Bảng 2.5. Tính chất dòng dầu HTO STT Thông số Đơn vị Giá trị C6H5-C6H5 1 Thành phần - C6H5-O-C6H5 2 Nhiệt độ oC 15 – 400oC Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 22
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Đơn vị Giá trị 3 Áp suất barG 0,60 4 Tỷ trọng chất lỏng kg/m3 828 5 Độ nhớt chất lỏng cP 0,22 6 Khối lượng phân tử khí kg/kmol 165,97 7 Nhiệt dung riêng chất lỏng kcal/kg/oC 0,55 2.1.1.6. Xúc tác sử dụng Xúc tác được sử dụng là xúc tác hỗn hợp oxit kim loại của Sắt và Molipđen. Lớp xúc tác được bố trí đều trong ống xúc tác đặt trong thiết bị phản ứng và đóng vai trò làm tăng tốc độ phản ứng cũng như giảm các điều kiện khắc nghiệt của của quá trình. Tùy theo mục đích sử dụng mà lớp xúc tác có nhiều kích thước khác nhau và được đặt khác nhau. Trong phân xưởng Formaldehyde/UFC85 thì xúc tác được bố trí hai lớp: Lớp đầu là xúc tác FK-2 với kích thước 4,5 x 5,6mm và lớp thứ hai có dạng vòng kích thước 5mm. Bảng 2.6. Xúc tác sử dụng tại phân xưởng Thiết bị Loại xúc tác Kích thước, mm 20-R-2101, Thiết bị phản ứng Formaldehyde FK-2 4,5 × 5,6 20-R-2101, Thiết bị phản ứng Formaldehyde Sứ 5 × 5 20-R-2201, Thiết bị đốt CK-304 Hạt, 3 -5 20-R-2201, Thiết bị đốt CK-302 Hạt, 3 -5 2.1.2. Sản phẩm phân xưởng [6] Sản phẩm phân xưởng phụ thuộc vào chế độ vận hành và nhu cầu theo từng giai đoạn vận hành của Nhà máy đạm. Cụ thể, phân xưởng sản xuất 25.000 tấn/năm dung dịch Formaldehye 37% hoặc 15.000 tấn/năm dung dịch UFC85. 2.1.2.1. Sản phẩm Formaldehyde Sản phẩm Formaldehyde, sau quá trình hấp thụ với nước tại tháp hấp thụ thu được dạng dung dịch Formaldehyde 37% và có các tiêu chuẩn kỹ thuật thể hiện tại Bảng 2.7. Bảng 2.7. Tiêu chuẩn Formaldehyde sản phẩm STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Trạng thái - Dung dịch Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 23
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Đơn vị Giá trị 2 Nồng độ %kl 37,00 ± 0,50 Chất lỏng không màu, có 3 Đặc trưng - cặn trong quá trình tồn trữ hay vận chuyển 4 Hàm lượng MeOH %kl ≤ 0,40 5 Acid formic %kl ≤ 0,03 6 Hàm lượng sắt ppm ≤ 1,00 7 Hàm lượng N2 + Ar ppm 10,00 8 Hàm lượng O2 ppm 1,00 9 Độ nhớt, 400C cP ≤ 1,50 10 pH - 3,00 ÷ 4,50 2.1.2.2. Sản phẩm UFC85 Sản phẩm UFC85 chứa 60 % kl Formaldehye và 25 %kl dung dịch Urê. Sau quá trình hấp thụ, sản phẩm thu được đáp ứng được tiêu chuẩn kỹ thuật sau đây: Bảng 2.8. Tiêu chuẩn UFC85 sản phẩm STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 Nhận dạng - Không màu, trong suốt 2 Hàm lượng Formaldehyde %kl 60,00 ± 0,50 3 Hảm lượng Urê %kl 25,00 ± 0,50 4 Tỷ số mol Formaldehye/urê - 4,80 5 Hàm lượng MeOH %kl ≤ 0,50 6 Hàm lượng axit fomic %kl ≤ 0,04 7 Hàm lượng N2 + Ar ppm 7,00 8 Hàm lượng O2 ppm 1,00 9 Độ pH - 7,00 ± 8,00 10 Tỷ trọng, 25°C g/cm3 1,30 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 24
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.1.3. Nghiên cứu cơ chế tổng hợp Formaldehyde 2.1.3.1. Cơ chế phản ứng tổng hợp Formaldehyde [8] Theo hai tác giả Sukunya Arreeyah và Paisan Kittisupakorn thuộc Trung tâm kỹ thuật hóa học trường Đại học Chulalongkom chỉ ra các phản ứng tổng hợp Formaldehyde từ MeOH cũng như cơ chế tạo thành sản phẩm như sau: Phản ứng tổng hợp Formaldehyde xảy ra các phản ứng sau đây: 1 CHOH O  HCHO HO (2.1) 32 2 2 CH3 OH HCHO H 2 (2.2) 2CH3 OH 3 O 2  2 CO 2 4 H 2 O (2.3) HCHO O2  CO 2 H 2 O (2.4) HCHO CO H 2 (2.5) HCHO H2 O  CH 3 O 2 H (2.6) HCHO HO CH2 O ; n 8 10 (2.7) Sản phẩm Formaldehyde, nước được thể hiện ở phản ứng (2.1) và quá trình dehydro hóa được thể hiện ở phản ứng (2.2). Bên cạnh đó, một lượng nhỏ các sản phẩm phụ sẽ hình thành từ các phản ứng (2.3), (2.4), (2.5). Sản phẩm Formaldehyde ở pha khí từ thiết bị phản ứng sẽ được làm nguội nhanh nhằm giảm sự phân hủy sản phẩm (2.5). Sản phẩm hấp thụ nước được thể hiện ở phản ứng (2.6) được gọi là Fomalin. Tuy nhiên, sản phẩm Formalin ở nhiệt độ phòng có khả năng hình thành các polyme dạng paraformadehyde ở phản ứng số (2.7). Cơ chế phản ứng tổng hợp Formaldehyde: cơ chế phản ứng xảy ra theo 11 bước như sau. Bảng 2.9. Cơ chế phản ứng tổng hợp Formaldehyde Bước Cơ chế phản ứng * 1 CH3OH(k) + *  CH3OH * 2 O2 (k) + *  O2 * * 3 O2  2O * * * * 4 2CH3OH + O  CH3O + H2O * * * * 5 CH3O +  H2CO + H Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 25
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Bước Cơ chế phản ứng * 6 H2CO  H2CO(k) + * * * 7 2H  H2 (k) + 2 * 8 H2O  H2O (k) + * * * * * 9 H2CO + O  H + HCOO * * * 10 HCOO + *  H + CO2 * 11 CO2  CO2 + * 2.1.3.2. Động học quá trình tổng hợp Formaldehyde [4],[9] Dựa trên mô hình phân tích thực nghiệm của Ruhul Amin và các cộng sự chỉ ra rằng tốc độ phản ứng tổng hợp Formaldehyde, đặc tính hoạt động của các xúc tác được thể hiện như sau: Tốc độ phản ứng của phản ứng oxy hóa MeOH tạo thành Formaldehyde: O CH3 OH O 2 HCHO H 2 O H 156,3 kJ / mol k1 m rm1 mol/./ g xt h 1 k2 m 8 7 7 4 lnk 1 2 , 5 0 1 T 7439 lnk 17, 29 2 T E k k o exp (2.8) RT Trong đó: là áp suất riêng phần m là MeOH Hằng số tốc độ phản ứng k được tính theo công thức (8) trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối; K và R là các hằng số trong pha khí; E là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Đối với phản ứng dehydro hóa thì hằng số tốc độ phản ứng xảy ra như sau: Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 26
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP O CHOH3 HCHO H 2 H 85,3 kJmol / k1 m rm2 (/./) mol g xt h 1 k2 m 12500 lnk ' 16, 9 1 T 1 5 7 2 4 lnk ' 2 5 , 0 2 T 2.1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Formaldehyde Dựa trên động học phản ứng tổng hợp và cơ chế phản ứng tạo Formaldehyde từ MeOH, các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hóa và cân bằng phản ứng bao gồm: Nhiệt độ; Áp suất vận hành; Xúc tác cho quá trình; Tỷ lệ nguyên liệu đầu vào. 2.1.3.3.1 Nhiệt độ Phản ứng tổng hợp Formaldehyde từ MeOH là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt o mạnh ( H 298 = -85,3 kJ/mol) nên phản ứng thực hiện dưới điều kiện nhiệt độ thấp sẽ có lợi cho quá trình. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng sẽ giảm khi nhiệt độ quá thấp. Để tăng hiệu suất quá trình tổng hợp Formaldehyde, nhiệt độ phải được khống chế ở mức tối ưu mà đảm bảo về mặt nhiệt độ, động học phản ứng cũng như vấn đề bảo vệ xúc tác. Qua thực nghiệm cho thấy khoảng nhiệt độ phù hợp cho quá trình tổng hợp Formaldehyde từ MeOH là nằm trong khoảng nhiệt độ 300 - 400 °C. 2.1.3.3.2 Áp suất Phản ứng tổng hợp Formaldehyde từ MeOH là phản ứng tăng số mol. Vì vậy, theo nguyên lý dịch chuyển cân bằng hóa học Le Chatelier’s, sự hoạt động ở áp suất thấp sẽ có lợi cho quá trình tổng hợp. Trong thực tế, thì trong phân xưởng Formaldehyde/UFC85 áp suất thường hoạt động trong khoảng 0,1 – 2,0 barG 2.1.3.3.3 Xúc tác [1] Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 27
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Xúc tác ảnh hưởng lớn đến quá trình tổng hợp Formaldehyde vì mức độ chuyển hóa của MeOH phụ thuộc vào hoạt tính của xúc tác. Hình 2.1. Xúc tác FK-2 Nguồn: Haldor Topsoe Xúc tác sử dụng trong quá trình tổng hợp Formaldehyde từ MeOH là dạng xúc tác oxit kim loại. Với tỷ lệ Mo/Fe là 1,5 – 2,0, xúc tác làm cho quá trình chuyển hóa MeOH đạt đến 95- 99%. Bên cạnh đó, nhiệt độ xúc tác gây ảnh hưởng quan trọng đến sự chuyển hóa và độ chọn lọc của sản phẩm. Nhiệt độ xúc tác được duy trì nằm trong khoảng 260 – 300 oC, nếu: Hoạt động ở nhiệt độ thấp quá thì độ chuyển hóa MeOH không hoàn toàn, tuy nhiên có hàm lượng sản phẩm phụ tạo thành ít làm cho chất lượng sản phẩm cao; Hoạt động ở nhiệt độ cao thì sự chuyển hóa MeOH có lợi nhưng hàm lượng sản phẩm phụ cũng tăng theo một cách đáng kể. 2.1.3.3.4 Tỷ lệ nguyên liệu đầu vào [1] Tỷ lệ của hỗn hợp không khí với MeOH là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cũng như chất lượng, độ chọn lọc của quá trình tổng hợp Formaldehyde. Bên cạnh đó thì yếu tố này cũng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác cũng như vấn đề an toàn bởi nó liên quan đến nguy cơ cháy nổ giữa hỗn hợp MeOH và không khí. Trong công nghiệp, để bảo vệ xúc tác, nồng độ oxy trong không khí phản ứng phải luôn luôn cao hơn ít nhất 1% tt nồng độ MeOH. Nếu không, thì xúc tác có khả năng bị phá hủy vì sự giảm hoạt tính xúc tác. Để hạn chế nguy cơ cháy của MeOH thì nồng độ oxy trong dòng nguyên liệu đầu vào không nên vượt quá 11% tt và nồng độ MeOH cao hơn hoặc thấp hơn 6% tt. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 28
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Từ các kết quả trên, tỷ lệ phù hợp của nguyên liệu không khí và MeOH trong thiết bị phản ứng là: 10,4% tt oxy và 4,5% tt MeOH hoặc 10,0% tt oxy và 8,4% tt. 2.1.4. Sơ đồ khối quá trình sản xuất của xưởng Fomaldehyde/UFC85 2.1.5. Sơ đồ khối Sơ đồ khối BFD (Block Flow Diagram) sản xuất Formaldehyde từ MeOH của phân xưởng được xây dựng từ cơ sở tham khảo số liệu thiết kế, bản vẽ công nghệ của phân xưởng và được trình bày tại Hình 2.2. Các cụm công nghệ chính của phân xưởng bao gồm: Cụm chuẩn bị nguyên liệu: MeOH và oxy không khí, cùng với lượng khí tuần hoàn từ tháp hấp thụ; Cụm tiền gia nhiệt nguyên liệu: các thiết bị phản ứng dạng ống chùm (Shell- Tube), dạng Kettel; Cụm thiết bị phản ứng: thiết bị chuyển hóa MeOH thành Formaldehyde; Cụm hấp thụ sản phẩm: tháp hấp thụ sản xuất dung dịch UFC85 hoặc dung dịch Formalin 37%. Hình 2.2. Sơ đồ khối công nghệ sản xuất Formaldehyde 2.1.6. Thuyết minh sơ đồ khối công nghệ Nguyên liệu (MeOH, không khí) từ cụm chuẩn bị nguyên liệu được đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt để nâng nhiệt độ lên nhiệt độ phản ứng. Lượng MeOH lỏng ban đầu cũng được hóa hơi hoàn toàn trước khi đi vào thiết bị phản ứng chính. Tại thiết bị phản Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 29
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP ứng, xảy ra quá trình oxy hóa MeOH tạo sản phẩm chính Formaldehye và các sản phẩm phụ khác. Hỗn hợp sản phẩm và nguyên liệu chưa phản ứng hết được chuyển đến thiết bị hấp thụ. Trước khi đưa vào thiết bị bị hấp thụ thì được làm nguội. Hỗn hợp nhập liệu ở đáy tháp, dung môi hấp thụ là nước đưa vào ở trên đỉnh tháp. Tại đây, xảy ra quá trình hấp thụ, sự tiếp xúc pha của dòng lỏng đi từ trên xuống và dòng khí đi từ dưới lên. Sau quá trình hấp thụ, các thành phần nhẹ sẽ bay lên trên đỉnh tháp và bay ra ngoài, trong khi đó các thành phần nặng được hình thành và được lấy ra ở đáy tháp. Chế độ vận hành của phân xưởng sẽ quyết định hoặc dung dịch UFC85, hoặc dung dịch Formalin 37% được sản xuất (tùy vào loại dung môi hấp thụ là nước hay dung dịch Urê). Sản phẩm sau quá trình hấp thụ đạt chất lượng theo yêu cầu và được làm nguội về nhiệt độ môi trường. 2.2. Quy trình công nghệ PFD 2.2.1. Sơ đồ công nghệ [10] Sơ đồ công nghệ PFD cụm chuẩn bị nguyên liệu, cụm phản ứng của phân xưởng Formaldehye/UFC85 được thể hiện tại Hình 2.3. Nguồn: PVFCCo, PVPro/VPI Hình 2.3. Sơ đồ công nghệ phân xưởng UFC85/Formaldehyde Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 30
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Sơ đồ thiết kế, thông số vận hành tháp hấp thụ dung dịch Formaldehyde sản xuất hoặc sản phẩm Formalin 37% (dung môi hấp thụ là nước), hoặc sản phẩm UFC85 (sử dụng dung môi dung dịch Urê) được thể hiện tại Hình 2.4. 2.2.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ [7] Sản phẩm của quá trình là UFC85 (60% khối lượng Formaldehyde và 25% khối lượng Urê) hoặc Formaldehyde 37% Công suất thiết kế ban đầu là 15.000 tấn/năm UFC85 hoặc 25.000 tấn/năm dung dịch Formaldehyde 37%. Dòng không khí với lưu lượng khoảng 3.440 Nm3/h được dẫn qua bộ lọc, 20-FL- 2101 nhằm loại bỏ các tạp chất cơ học trước khi nó được trộn với dòng khí hoàn lưu có lưu lượng 6.796 Nm3/h. Dòng không khí và hỗn hợp khí hoàn lưu có tổng lưu lượng 10.236 Nm3/h, áp suất 0,53 barG, nhiệt độ 97 °C đi qua quạt tuần hoàn (Recirculation blower), 20-K-2101A/B. Hình 2.4. Sơ đồ PFD tháp hấp thụ Dòng MeOH lỏng tại nhiệt độ môi trường ở bồn chứa, 20-TK-2901 với lưu lượng khoảng 1.331 kg/h được dẫn qua thiết bị hóa hơi MeOH (MeOH Evaporator), 20-E- Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 31
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2101, ở đây dòng nguyên liệu được hóa hơi hoàn toàn. Dòng hỗn hợp khí MeOH này được trộn với dòng khí đi ra từ quạt tuần hoàn. Vì tránh giới hạn nỗ của hỗn hợp, cho nên dòng khí công nghệ này phải đảm bảo được 10% mol Oxi và 8,4% mol MeOH trong thành phần nguyên liệu trước khi đi vào thiết bị phản ứng. Tiếp theo, dòng khí công nghệ (Process Gas) được chuyển tới thiết bị phản ứng Formaldehyde (Formaldehyde Reactor), 20-R-2101, sau khi được gia nhiệt lên đến 209 °C thông qua thiết bị gia nhiệt khí đầu vào (Process Gas Heater), 20-E-2102. Trong thiết bị phản ứng, 20-R-2101, dòng công nghệ đi trong ống có chứa sẵn xúc tác oxit kim loại. Tại đây, MeOH được oxy hóa để tạo thành Formaldehyde. Bên cạnh đó, một phần nhỏ các sản phẩm phụ cũng hình thành như: Cacbon monoxit (CO), Acid formic (HCOOH), Dimethylete (C2H6O). Bản chất của phản ứng là tỏa nhiệt mạnh, và để duy trì điều kiện nhiệt độ tối ưu nhất và hạn chế tối đa sự hình thành các sản phẩm phụ thì nhiệt của phản ứng phải được lấy ra liên tục trong quá trình phản ứng. Điều này được xử lý bằng cách cho tuần hoàn dòng HTO bảo hòa (Heat stable boiling boil) bên ngoài ống. Sản phẩm Formaldehyde được lấy ra ở đáy tháp thiết bị phản ứng đi qua tháp hấp thụ (Formaldehyde absorber), 20-T-2201, tại đây Formaldehyde sẽ được hấp thụ bằng dung dịch Urê tạo sản phẩm UFC85 hay dung môi nước tạo sản phẩm Formaldehyde 37%. Dòng sản phẩm Formaldehyde được làm nguội về nhiệt độ khoảng 130°C tại thiết bị làm nguội, 20-E-2104, trước khi đi vào tháp hấp thụ, 20-T-2101. Sản phẩm cuối cùng sẽ được tồn trữ ở nhiệt độ 40oC, áp suất 5 barG. Bảng 2.10. Danh mục các thiết bị chính STT Danh mục thiết bị Số lượng Nhiệm vụ 1 20-E-2101 2 Hóa hơi MeOH 2 20-K-2101 2 Quạt tuần hoàn 3 20-E-2102 1 Gia nhiệt dòng nguyên liệu 4 20-R-2101 1 Thiết bị phản ứng 5 20-E-2104 1 Làm nguội sản phẩm 6 20-T-2101 1 Tháp hấp thụ 7 20-V-2101 1 Bình tách dầu 8 20-V-2102 1 Bình tách khí hoàn lưu 9 20-E-2103 1 Nồi hơi nhiệt thừa 10 20-P-2102 2 Bơm tuần hoàn dòng HTO Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 32
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.3. Các thiết bị chính trong phân xưởng 2.3.1. Cụm chuẩn bị nguyên liệu [11] Cụm chuẩn bị nguyên liệu có nhiệm vụ lưu chứa và chuẩn bị nguyên liệu MeOH, nước cấp lò hơi, không khí cho quá trình tổng hợp. Nguyên liệu MeOH từ phân xưởng ngoại vi được bơm đến bồn chứa được đặt tại khu bể chứa nguyên liệu. Thông số kỹ thuật thiết kế bồn chứa MeOH được trình bày tại Bảng 2.11. Bảng 2.11. Tiêu chuẩn thiết kế và lắp đặt bồn chứa MeOH Tiêu chuẩn Đơn vị Giá trị Tổng thế tích chứa, lớn nhất m3 706 Áp suất làm việc barG 0,0012 Nhiệt độ làm việc oC Nhiệt độ môi trường Sản phẩm lưu chứa - MeOH Vật liệu chế tạo - Thép không gỉ Nguồn: Process Datasheet of MeOH Tank 20-TK-2901, 2014 2.3.2. Cụm tiền gia nhiệt Cụm thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ hóa hơi hoàn toàn dòng nguyên liệu MeOH lỏng ban đầu, nâng nhiệt độ của dòng quá trình lên nhiệt độ phản ứng và làm nguội dòng quá trình khi sản phẩm được tạo thành. Nhằm tận dụng nhiệt lượng cao do quá trình tổng hợp sản phẩm tỏa ra, cụm thiết bị trao đổi nhiệt được trao đổi nhiệt gián tiếp với dòng HTO từ thiết bị phản ứng. Đối với thiết bị trao đổi nhiệt, do đặc điểm của quá trình làm việc ở nhiệt độ cao nên dòng lưu thế nóng đi trong ống nhằm giảm thất thoát nhiệt cũng như dễ chế tạo hơn. Sự hóa hơi MeOH trong thiết bị hóa hơi Metanol, 20-E-2101, nâng nhiệt của dòng khí công nghệ ở thiết bị gia nhiệt khí đầu vào, 20-E-2102, và làm lạnh ở thiết bị làm lạnh 20-E-2104, được trao đổi nhiệt gián tiếp với dòng HTO bằng bơm tuần hoàn, 20-P-2102A/B. Dòng HTO có nhiệt độ 240 oC sau khi trao đổi nhiệt với thiết bị làm nguội, được làm lạnh về 146 oC ở nhiệt bị gia nhiệt khí đầu vào và về đến 100 oC ở thiết bị hóa hơi Metanol. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 33
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.3.2.1. Thiết bị hóa hơi MeOH, 20-E-2101-1,2 [12] Thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101 của phân xưởng UFC85/Formaldehyde có dạng Common Kettle, công suất thiết kế 0,18 Gcal/h cho dòng hơi thấp áp và 0,34 Gcal/h cho dòng HTO, dòng MeOH lỏng ban đầu sẽ được hóa hơi hoàn toàn sau khi đi qua thiết bị. Hình 2.5. Thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101 Nguồn: Datasheet for Shell and Tube Heat Exchanger 20-E-2101-1,2, 2014 Các thông số, thiết kế của thiết bị hóa hơi MeOH được đề cập trong các Bảng 2.12 và Bảng 2.13: Dòng MeOH lỏng nhập liệu ở nhiệt độ 30°C được bơm tới thiết bị hóa hơi MeOH, dòng MeOH đi ngoài ống lần lượt trao đổi nhiệt với dòng HTO và dòng hơi thấp ấp (LP Steam). Sau khi đi ra khỏi thiết bị thì dòng MeOH lỏng bị hóa hơi hoàn toàn và có nhiệt độ 95°C. Bảng 2.12. Thông số thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101,1 STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 1 Dòng lưu chất MeOH Dòng dầu nóng 2 Tổng lưu lượng lỏng, kg/h 620 8.815 3 Lưu lượng khí, kg/h 620 4 Lưu lượng lỏng, kg/h 620 8.815 8.815 5 Nhiệt độ, °C 30 95 146 100 6 Áp suất, barG 2,0 2,1 7 Tỷ trọng pha khí, kg/m³ 3,29 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 34
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 8 Độ nhớt pha khí, cP 0,012 Khối lượng phân tử pha 9 32,01 khí, kg/kmol Nhiệt dung riêng pha khí, 10 0,393 kcal/kg/oC Thất thoát nhiệt pha khí, 11 0,021 kcal/m/h/oC 12 Tỷ trọng pha lỏng, kg/m³ 783 995 994 13 Độ nhớt pha lỏng, cP 0,51 0,61 1,01 14 Sức căng bề mặt, dyn/cm 22 26 30 Nhiệt dung riêng pha lỏng, 15 0,61 0,46 0,43 kcal/kg/oC Thất thoát nhiệt pha lỏng, 16 0,17 0,10 0,11 kcal/m/h/oC 17 Nhiệt độ hóa hơi, oC 95 Nhiệt độ chuyển pha, 18 247,60 kcal/kg Nguồn: Datasheet for Shell and Tube Heat Exchanger 20-E-2101-1,2, 2014 Ngoài ra thông số thiết kế thiết bị hóa hơi MeOH được thể hiện tại Bảng 2.13 vận hành cho dòng hơi thấp áp (LP Steam) từ phân xưởng phụ trợ. Bảng 2.13. Thông số thiết bị hóa hơi MeOH 20-E-2101,2 STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 1 Dòng lưu chất MeOH Hơi nước thấp áp 2 Tổng lưu lượng, kg/h 1.145 661 3 Lưu lượng pha khí, kg/h 1.145 661 Lưu lượng pha lỏng, 1.145 661 4 kg/h 5 Nhiệt độ, oC 30 95 161 152 6 Áp suất, barG 2,00 4,10 7 Tỷ trọng pha khí, kg/m³ 3,29 3,27 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 35
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 8 Độ nhớt pha khí, cP 0,01 0,01 Khối lượng phân tử pha 32,01 18,02 9 khí, kg/kmol Nhiệt dung riêng pha khí, 0,39 0,57 10 kcal/kg/°C Nhiệt thất thoát pha khí, 0,02 0,03 11 kcal/m/h/ oC 12 Nhiệt độ điểm sương, oC 152 13 Tỷ trọng pha lỏng, kg/m³ 783 915 14 Độ nhớt pha lỏng, cP 0,51 0,18 15 Sức căng bề mặt, dyn/cm 22 48 Nhiệt dung riêng pha 0,61 1,03 16 lỏng, kcal/kg/ oC Nhiệt thất thoát pha lỏng, 0,17 0,59 17 kcal/m/h/ oC 18 Nhiệt độ hóa hơi, oC 95 19 Nhiệt độ chuyển pha 247,60 497,90 Nguồn: Datasheet for Shell and Tube Heat Exchanger 20-E-2101-1,2, 2014 2.3.2.2. Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào, 20-E-2102 [13] Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào được thiết kế với công suất 0,39 Gcal/h với mục đích cung cấp nhiệt cho dòng công nghệ trước khi đi vào thiết bị phản ứng bằng tác nhân dầu nóng HTO. Cấu tạo chi tiết của thiết bị được thể hiện ở Hình 2.6. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 36
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 2.6. Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào, 20-E-2102 Nguồn: Datasheet for cross flow heat exchanger 20-E, 2102, 2014 Các thông số thiết bị gia nhiệt khí đầu vào được trình bày trong Bảng 2.14. Dòng khí công nghệ bao gồm không khí và MeOH được trộn với nhau và trao đổi nhiệt với dòng dầu nóng. Dòng công nghệ đi ngoài ống lúc đầu có nhiệt độ là 106 oC và ra khỏi thiết bị có nhiệt độ 209 oC. Bảng 2.14. Thông số thiết bị gia nhiệt khí đầu vào 20-E-2102 STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 1 Dòng lưu chất Dòng công nghệ Dòng dầu nóng 2 Tổng lưu lượng, kg/h 14.110 8.815 3 Lưu lượng pha khí, kg/h 14.110 14.110 4 Lưu lượng pha lỏng, kg/h 8.815 8.815 5 Nhiệt độ, oC 106 209 240 146 6 Áp suất, barG 0,48 2,30 7 Tỷ trọng pha khí, kg/m³ 1,34 1,02 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 37
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 8 Độ nhớt pha khí, cP 0,02 0,024 Khối lượng phân tử pha 9 28,32 28,32 khí, kg/kmol Nhiệt dung riêng pha khí, 10 0,264 0,275 kcal/kg/ oC Nhiệt thất thoát pha hí, 11 0,026 0,032 kcal/m/h/ oC 12 Nhiệt độ điểm sương, oC 13 Tỷ trọng pha lỏng, kg/m³ 869 955 14 Độ nhớt pha lỏng 0,29 0,608 15 Sức căng bề mặt, dyn/cm 18 26 Nhiệt dung riêng pha 16 0,52 0,46 lỏng, kcal/kg/oC Nhiệt thất thoát pha lỏng, 17 0,08 0,10 kcal/m/h/oC 2.3.2.3. Thiết bị làm nguội (After Cooler 20-E-2104) [13] Thiết bị làm nguội được thiết kế với công suất 0,61 Gcal/h, nhằm mục đích làm lạnh sản phẩm Formaldehyde sau khi phản ứng. Các thông số thiết bị làm nguội 20-E-2104 được trình bày tại Bảng 2.15. Dòng sản phẩm Formaldehyde ra khỏi thiết bị phản ứng có hiệt độ 285 oC để tránh sự phân hủy của sản phẩm nên cần phải làm lạnh nhanh. Dòng sản phẩm được đưa vào đáy thiết bị làm nguội 20-E-2104 trong khi đó thì dòng dầu nóng đi trong ống. Sản phẩm được làm lạnh xuống còn 130 oC và được chuyển đến tháp hấp thụ. Bảng 2.15. Thông số thiết bị làm nguội 20-E-2104 STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 1 Dòng lưu chất Dòng công nghệ Dòng dầu nóng 2 Tổng lưu lượng, kg/h 14.110 8.815 3 Lưu lượng pha khí, kg/h 14.110 14.110 4 Lưu lượng pha lỏng, kg/h 8.815 8.815 5 Nhiệt độ, °C 285 130 100 240 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 38
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 6 Áp suất, bar g 0,27 2,50 7 Tỷ trọng pha khí, kg/m³ 0,75 0,999 8 Độ nhớt pha khí, cP 0,026 0,02 Khối lượng phân tử pha 9 27,14 27,14 khí, kg/kmol Nhiệt dung riêng pha khí, 10 0,283 0,271 kcal/kg/°C Nhiệt thất thoát pha hí, 11 0,035 0,026 kcal/m/h/°C 12 Nhiệt độ điểm sương, °C 13 Tỷ trọng pha lỏng, kg/m³ 994 869 14 Độ nhớt pha lỏng 1,005 0,29 15 Sức căng bề mặt, dyn/cm 30 18 Cấu tạo của thiết bị làm nguội 20-E-2104 được thể hiện chi tiết tại Hình 2.7. Hình 2.7. Thiết bị làm nguội 20-E-2104 Nguồn: Datasheet for cross flow heat exchanger, 20-E-2014 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 39
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.3.3. Cụm thiết bị phản ứng [14] Thiết bị phản ứng Formaldehyde phân xưởng UFC85/Formaldehyde được thiết kế bởi hãng công nghệ Haldor Topsoe, công suất nhiệt thiết kế 1,34 Gcal/h, hiết bị sử dụng lớp xúc tác cố định, xúc tác được đặt trong ống. Chất tải nhiệt HTO đi ngoài ống nhằm mục đích giải nhiệt cho phản ứng. Bên cạnh đó, nhiệt động học của quá trình oxi hóa MeOH tạo Formaldehyde là quá trình tỏa nhiệt mạnh nên lượng nhiệt tỏa ra phải lấy ra trong quá trình phản ứng nhằm tăng độ chuyển hóa cho quá trình. Có nhiều phương pháp để giải nhiệt cho phản ứng, tác nhân giải nhiệt có thể sử dụng dòng nước tuần hoàn bên ngoài hay dòng dầu nóng bảo hòa. Tuy nhiên, nếu sử dụng dòng nước tuần hoàn thì sau khi giải nhiệt phản ứng thì áp suất làm việc của thiết bị có thể tăng cao điều này dẫn đến các yêu cầu về bề dày thiết bị cũng như vật liệu chế tạo dẫn đến làm tăng chi phí đầu tư. Trong khi đó dòng dầu nóng (Heat Transfer Oil) có khoảng nhiệt độ hoạt động rất tốt, áp suất thấp nên rất thích hợp cho giải pháp giải nhiệt trong những năm gần đây. Để đảm bảo vận hành an toàn cũng như việc chuyển hóa đạt hiệu suất cao thì ở thiết bị phản ứng Formaldehyde, 20-R-2101 ta phải lưu ý đến vấn đề thành phần dòng khí trước khi vào thiết bị phản ứng, tốc độ chảy và nhiệt độ của xúc tác. Thành phần dòng khí trước khi vào thiết bị phản ứng: Thật sự quan trọng khi duy trì chính xác lượng thành phần dòng khí trước khi đi vào thiết bị phản ứng nhằm bảo vệ sự giảm hoạt tính xúc tác và để giảm nguy cơ cháy, nổ đến mức độ nhỏ nhất. Vì vậy, lượng MeOH tại đầu vào thiết bị phản ứng, 20-R-2101 được kiểm tra thường xuyên. Để bảo vệ xúc tác, nồng độ oxy tại đầu vào của thiết bị phản ứng phải luôn luôn cao hơn ít nhất 1% (tổng lưu lượng dòng) so với nồng độ MeOH, nếu không thì xúc tác có thể bị phá hủy một cách nhanh chóng. Để giảm như cơ cháy nổ đến mức độ nhỏ nhất thì nồng độ oxy trong dòng khi nhập liệu không nên được phép tăng quá 11,0 %tt khi thành nồng độ MeOH cao hơn 6,0 %tt. Như kết quả trên, nồng độ oxy thích hợp trước khi đi vào thiết bị phản ứng là 10,4 %tt tại nồng độ MeOH là 4,5 %tt và 10,0 %tt tại nồng độ MeOH là 8,4 %tt. Tốc độ chảy: Tốc độ chảy quá cao chảy qua thiết bị phản ứng sẽ làm cho dòng chảy khí công nghệ bị rối. Bên cạnh đó, xúc tác có chứa MoO3, thời gian sống Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 40
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP của xúc tác sẽ bị giảm theo chiều dài của lớp xúc tác và càng ở cuối lớp xúc tác thì độ giảm áp sẽ tăng một cách đột ngột. Bằng việc điều khiển tốc độ chảy của dòng khí công nghệ và việc phân bố điều các lớp xúc tác trong chiều dài thiết bị phản ứng thì sẽ độ giảm áp sẽ giữ được ở mức thay đổi nhỏ nhất. Nhiệt độ xúc tác: Như đã trình bày ở Chương I thì nhiệt độ xúc tác ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ xúc tác, việc tìm cho khoảng nhiệt độ tối ưu cho xúc tác là điều quan trọng. Qua thực nghiệm, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 260 – 300 oC và khoảng nhiệt độ này nên giữ ở mức dưới 400 oC để đảm bảo sự lựa chọn và tuổi thọ xúc tác. Bên cạnh đó, thì thành phần CO chứa trong dòng khi cần nên kiểm tra một cách thường xuyên vì đây cũng là tác nhân chính làm cho nhiệt độ phản ứng tăng một cách bất thường. Cấu trúc chi tiết thiết bị phản ứng 20-E-2101 thể hiện ở Hình 2.8. Hình 2.8. Cấu trúc thiết bị phản ứng Formaldehyde 20-R-2101 Nguồn: Datasheet for Tubular Reactor 20-R-2101,2014 Các thông số của thiết bị phản ứng Formaldehyde 20-R-2101 được đề cập trong Bảng 2.16: Dòng khí công nghệ đi từ trên đỉnh tháp nhiệt độ 209 ºC trước khi vào tháp Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 41
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP sẽ trao đổi nhiệt với dòng dầu nóng đi ngoài ống. Độ chuyển hóa đạt 90-95% sau khi kết thúc quá trình và nhiệt độ dòng sản phẩm đạt 285oC. Bảng 2.16. Thông số thiết bị phản ứng Formaldehyde 20-R-2101 [13] STT Thông số Ngoài ống (Shell side) Trong ống (Tube Side) 1 Dòng lưu chất Dòng dầu nóng Dòng công nghệ 2 Tổng lưu lượng, kg/h 196.860 14.110 3 Lưu lượng khí, kg/h 19.686 14.110 14.110 4 Lưu lượng lỏng, kg/h 196.860 177.174 5 Nhiệt độ, °C 280 280 209 285 6 Áp suất, barg 0,60 0,43 7 Tỷ trọng pha khí, kg/m³ 6,00 1,00 0,80 8 Độ nhớt pha khí, cP 0,01 0,024 0,026 Khối lượng phân tử khí, 165,97 28,32 27,14 9 kg/kmol Nhiệt dung riêng khí, 0,432 0,275 0,28 10 kcal/kg/°C Nhiệt thất thoát pha khí, 0,02 0,03 0,03 11 kcal/m/h/°C Nhiệt độ điểm sương, 280 12 °C Tỷ trọng chất lỏng, 828 828 13 kg/m³ 14 Độ nhớt chất lỏng, cP 0,22 0,22 Sức căng bề mặt, 14 15 dyn/cm Nhiệt dung riêng lỏng, 0,55 0,55 16 kcal/kg/°C Nhiệt thất thoát pha 0,08 0,08 17 lỏng, kcal/m/h/°C Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 42
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 2.3.4. Cụm thiết bị hấp thụ [15],[16] Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút được gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là chất hấp thụ hay còn gọi là dung môi hấp thụ, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. Quá trình hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong công nghệ hóa học, được ứng dụng nhằm mục đích: Thu hồi cấu tử quí; Làm sạch khí; Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng; Tạo sản phẩm cuối cùng. Nguyên tắc của quá trình hấp thụ là cho dòng khí tiếp xúc với dòng lỏng trong tháp đĩa hoặc tháp đệm, khí thổi từ dưới lên, lỏng từ trên xuống và quá trình hấp thụ xảy ra. Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay không phần lớn do tính chất dung môi quyết định. Tháp hấp thụ Formaldehyde phân xưởng UFC85/Formaldehyde dung môi hấp thụ là nước, sự hoạt động của thiết bị hấp thụ, cũng như lượng dung môi quyết định chất lượng sản phẩm thu được. Tháp có thể hoạt động linh hoạt để sản xuất UFC85 hoặc Formaldehyde 37% tùy mục đích sử dụng. Để đảm bảo tháp vận hành một cách hiệu quả thì tháp được thiết kế bao gồm 17 đĩa có tổng chiều cao là 8,40m, có ba lớp đệm được đặt ở vị trí đáy tháp, giữa tháp và trên đỉnh tháp với chiều cao lần lượt là 3,0;6,0;3,0m, bên cạnh đó thì các thiết bị bơm tuần hoàn cũng thiết lập nhằm mục đích tăng quá trình trao đổi. Lớp đệm đáy tháp (Bottom packed bed): Dòng khi công nghệ nhập liệu ở đáy tháp 20-T-2101 có nhiệt độ khoảng 130 oC, áp suất 0,07 barG, tại đây nó đi qua lớp đệm đáy tháp. Một phần dung dịch Formaldehyde được làm lạnh bởi thiết bị làm lạnh sản phẩm, 20-E-2203 và được tuần hoàn lên trên đỉnh lớp đệm đáy tháp. Một phần của dung dịch Formaldehyde được làm lạnh về nhiệt độ 40 oC tại thiết bị làm lạnh sản phầm, 20-E-2204 và chuyển đến bồn chứa, 20-TK-2902. Lớp đệm giữa tháp (Middle packed bed): Ở lớp đệm giữa tháp, dung dịch được lấy ra từ đáy của lớp đệm thì quay ngược lại đỉnh của lớp đệm giữa bằng bơm tuần hoàn, 20-P-2202A/B, sau khi được làm lạnh tại thiết bị làm lạnh tuần hoàn hấp thụ, 20-E-2202. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 43
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Phần đĩa (Tray section): Phần đĩa của tháp hấp thụ được thiết kế trên lớp đệm giữa. Tại đây, Formaldehyde và MeOH được tách ra bởi dung môi nước chảy từ trên xuống trong khi đó dòng khí công nghệ đi từ dưới lên. Lớp đệm đỉnh tháp (Top packed bed): Nhiệm vụ chính của lớp đệm đỉnh tháp là hấp thụ phần còn lại Formaldehyde từ dòng khí hoàn lưu. Dung dịch được lấy ra từ đáp lớp đệm được quay trở lại đỉnh của lớp đệm trên bằng bơm tuần hoàn hấp thụ, 20-P-2201A/B, sau khi được làm lạnh bởi thiết bị làm lạnh tuần hoàn. Nồng độ của sản phẩm được điều kiển bằng hỗn hợp dung dịch với dòng dung môi nước trước khi quay trở lại lớp đệm trên đỉnh tháp. Cấu trúc tháp hấp thụ được thể hiện ở Hình 2.9. Hình 2.9. Tháp hấp thụ Formaldehyde 20-T-2101 Nguồn: Datasheet for Tray Column 20-T-2101, 2014 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 44
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Các thông số của tháp hấp thụ Formaldehyde được thể hiện trong Bảng 2.17. Dòng sản phẩm Formaldehyde được làm lạnh đến nhiệt độ 130°C sẽ được đưa vào đáy tháp hấp thụ. Bên cạnh đó thì dung dịch nước đã khử khoáng hoặc dung dịch Urê được đưa từ trên đỉnh tháp (tùy mục đích sử dụng). Sau quá trình tiếp xúc pha giữa các dòng thì sản phẩm sẽ được tháo ra ở đáy tháp. Trên đỉnh tháp một phần khí chưa phản phản ứng sẽ hoàn lưu và phần còn lại là các khí thải được đốt. Bảng 2.17. Thông số tháp hấp thụ Formaldehyde 20-T-2101 [15] Khí nhập liệu Nhiệt độ, °C 130,00 Áp suất, barG 0,22 1 Lưu lượng pha khí, kg/h 13.924 Tỉ trọng pha khí, kg/m³ 1,00 Độ nhớt pha khí, cP 0,02 Khối lượng phân tử pha khí, kg/kmol 27,14 Dung dịch Urê Nhiệt độ, °C 57,00 Áp suất, bar g 0,25 2 Lưu lượng pha lỏng, kg/h 593 Tỉ trọng pha lỏng, kg/m³ 1.097 Độ nhớt pha lỏng, cP 0,87 Sức căng bề mặt pha lỏng, dyn/cm 12,00 Nước khử khoáng Nhiệt độ, °C 46,00 Áp suất, barG 2,00 3 Lưu lượng pha lỏng, kg/h 473 Tỉ trọng pha lỏng, kg/m³ 992 Độ nhớt pha lỏng, cP 0,55 Sức căng bề mặt pha lỏng, dyn/cm 67,00 Sản phẩm đáy Nhiệt độ, °C 73,00 Áp suất, barG 0,22 4 Lưu lượng pha lỏng, kg/h 63.595 Tỉ trọng pha lỏng, kg/m³ 1. 272 Độ nhớt pha lỏng, cP 17,25 Sức căng bề mặt pha lỏng, dyn/cm 5,00 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 45
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Sản phẩm đỉnh Nhiệt độ, °C 37,00 Áp suất, barG 0,07 5 Lưu lượng pha khí, kg/h 11.951 Tỉ trọng pha khí, kg/m³ 1,00 Độ nhớt pha khí, cP 0,02 Khối lượng phân tử pha khí, kg/kmol 27,84 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 46
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT FORMALDEHYDE PHÂN XƯỞNG UFC85/FORMALDEHYDE NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ 3.1. Phương pháp luận xây dựng sơ đồ mô phỏng Nghiên cứu công nghệ phân Thu thập số liệu xúc tác, xưởng UFC85/Formaldehyde động học phản ứng tổng hợp nhà máy Đạm Phú Mỹ (Sổ Formaldehyde từ MeOH tay vận hành, PFD, P&ID) Triển khai lần Xây dựng mô hình sơ đồ Xây dựng mô lượt sơ đồ khối công nghệ (Block phỏng bằng khối, sơ đồ Flow Diagram) sản xuất phần mềm mô chi tiết cho Formaldehyde từ nguyên phỏng Hysys các cụm công liệu thô ban đầu MeOH nghệ sản xuất Kết hợp phần mềm Hysys để mô phỏng, tính toán thiết bị, cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt, hiệu suất thu hồi Formaldehyde Kết luận: Kết quả thu nhận từ Chuyến đề; Phạm vi và hướng áp dụng mô hình mô phỏng đã xây dựng. Mô phỏng phân xưởng UFC85/Formaldehyde sản xuất Formaldehyde đi từ quá trình oxi hóa MeOH có sử dụng xúc tác oxit kim loại được thực hiện qua các bước sau: Tìm hiểu phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ: thu thập các số liệu thiết kế, thông số vận hành, tính chất nguyên liệu đầu vào MeOH, tính chất dòng không khí ; Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 47
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Quá trình oxi hóa MeOH sản xuất Formaldehyde có sử dụng xúc tác oxit kim loại: tìm hiểu cơ chế động học phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình, xúc tác sử dụng; Sơ đồ khối BFD: từ cơ sở dữ liệu phân tích và sơ đồ công nghệ phân xưởng, triển khai xây dựng sơ đồ khối BFD cho các cụm công nghệ chính; Thiết lập cơ sở và phương pháp luận phục vụ mô phỏng dựa trên sơ đồ công nghệ của phân xưởng và sơ đồ BFD hiệu chỉnh. Mô phỏng phân xưởng bằng phần mềm mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng Hysys để xem xét, đánh giá, tối ưu sơ đồ công nghệ sản xuất của phân xưởng; Kết luận. 3.2. Giới thiệu về Aspen Hysys [17] Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến dầu và khí thay đổi một cách nhanh chóng. Từ nguồn nguyên liệu quá trình cũng như nhu cầu sản phẩm thị trường. Nhằm mục đích nghiên cứu các kết quả, đề xuất các giải pháp thay thế thì phần mềm mô phỏng được ứng dụng một cách rộng rãi. Từ phần mềm mô phỏng, có thể nghiên cứu một các nhanh chóng và kiểm tra các thông số thiết kế mới trước khi vận hành thực tế bên cạnh đó phần mềm mô phỏng cũng đánh giá sự khác nhau giữa các giải pháp đề xuất và đưa ra lựa chọn tối ưu. Hysys là phầm mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến dầu, khí được sử dụng nhiều nhất. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 48
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 3.1. Giao diện mô phỏng phần mềm Hysys Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech thuộc công ty AEA Technologies Engineering Software-Hyprotech Ltd. Hiện tại, Hysys đã được mua lại bởi hãng AspenTech (Hoa Kỳ), nằm trong gói phần mềm công nghệ Aspen One. Hysys là phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán trợ giúp trong tính toán công nghệ và khảo sát các thông số trong thiết kế phân xưởng, công nghệ nhà máy hóa chất. Ngoài thư viện có sẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng. Ngoài ra, Hysys còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau. Hiện nay, các công ty thiết kế công nghệ lớn trên thế giới như Technip, PVE, PTT đều có sử dụng Hysys để tính toán và thiết kế. 3.3. Nghiên cứu, mô phỏng phân xưởng UFC85/Formaldehyde nhà máy Đạm Phú Mỹ bằng phần mềm Aspen Hysys. Việc thiết lập sơ đồ mô phỏng phân xưởng UFC85/Formaldehyde Nhà máy Đạm Phú Mỹ để sản xuất Formaldehyde nhằm nghiên cứu, phân tích các thông số ảnh hưởng đến quá trình cũng như chất lượng của sản phẩm tạo thành. Ngoài ra, qua quá trình mô phỏng còn giúp so sánh, đánh giá được sản phẩm đầu ra trên tính chất nguồn nguyên liệu đầu vào thay đổi, qua đó tìm giải pháp tối ưu cho quá trình oxi hóa nguyên Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 49
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP liệu MeOH có sử dụng xúc tác oxit kim loại. Đồng thời nhằm tái khẳng định lại các cơ sở lý thuyết của quá trình tổng hợp Formaldehyde bằng con đường oxi hóa MeOH có sử dụng xúc tác oxit kim loại đã được trình bày tại các mục trên của báo cáo. 3.4. Xây dựng trường hợp mô phỏng công nghệ sản xuất phân xưởng UFC85/Formaldehyde 3.4.1. Thiết lập hệ nhiệt động (Fluid Package) Hệ nhiệt động được sử dụng để tính toán dòng và các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng (ví dụ như enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng - hơi ). Vì thế việc lựa chọn hệ nhiệt động phù hợp có ý nghĩa rất quan trọng, là cơ sở để tính toán mô phỏng cho kết quả đúng. Bảng 3.1. Các hệ nhiệt động đề xuất cho quá trình mô phỏng Hệ nhiệt động phù hợp được Hệ tiêu biểu Ghi chú đề nghị sử dụng Sấy khí bằng TEG PR Nước chua PR, Sour PR Xử lý khí nhiệt độ thấp PR, PRSV PR = Peng- Tách không khí PR, PRSV Robinson; Tháp chưng cất dầu thô áp PR, PR Options, GS PRSV = Peng- suất khí quyển Robinson Stryjek- Tháp chưng cất chân không PR, PR Options, GS (<10 Vera; mmHg), Braun K10, Esso K GS = Grayson- Tháp Ethylene Lee Kesler Plocker Streed; Hệ H áp suất cao PR, ZJ hoặc GS 2 ZJ = Zudkevitch Các thùng chứa Steam Package, CS hoặc GS Joffee; Ức chế tạo hydrat PR CS = Chao-Seader; Các hệ hoá học ctivity Models, PRSV NRTL = Non- Alkyl hoá xúc tác HF PRSV, NRTL Random-Two- Sấy bằng TEG có mặt các PR Liquid. hợpchất thơm MBWR = Modified Các hệ hydrocacbon trong Kabadi Danner Benedict Webb đó độ tan của nước trong các Rubin. hydrocacbon là quan trọng Các hệ có một vài khí và các MBWR hydrocacbon nhẹ Nguồn: Hướng dẫn sử dụng phần mềm Hysys, N.T.M. Hiền, 2010 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 50
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Lựa chọn mô hình nhiệt động phù hợp rất quan trọng, quyết định đến kết quả tính toán của toàn bộ quá trình. Đây là một thủ tục đầu tiên để bắt đầu mô phỏng. Năm 1999, hai tác giả Elliott và Lira đã đề xuất sơ đồ hình cây như mô tả tại dưới đây. Phân loại các cấu tử trong hệ: khí,chất lỏng phân cực, ngưng tụ,solvat hóa và điện ly. Khí hoặc chất rắn Đúng Thử chọn, PR, SRK, API phân cực? Sai Đúng Thử chọn NRTL, Pitzer, hoặc Chất điện ly? Bromley Sai Khí (NH3,CO2)? Sai Biết BIP Đúng Thử NRTL, UNIQUAC, FH hoặc P> 10 bars Sai Thử UNIQUAC, nếu có thể giả định Đúng BIP của các cấu tử Polimers? Thử chọn SAFT, ESD Sai Đúng Thử Henry's Law P < 10 bars? Sai Thử ESD, SAFT, MHW2, WONG-SANDLER Nguồn: BKSim, 2014 Hình 3.2. Sơ đồ lựa chọn mô hình nhiệt động Hệ nhiệt động NRTL có thể mô tả phản ứng cân bằng khí-lỏng hay phản ứng cân bằng lỏng lỏng của hợp chất không lý tưởng. Bên cạnh đó thì hệ nhiệt động cũng có thể giải quyết các hợp chất phân cực và không phân cực. Trên thực tế, thì hợp chất Formaldehyde và nước là hợp chất phân cực và không phân cực rất rõ ràng. Vì lý do đó, nên nhóm tác giả chọn hệ nhiệt động NRTL cho quá trình mô phỏng tháp hấp thụ Formaldehyde. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 51
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.2. Thông số thiết lập đầu vào ban đầu phân xưởng Bảng 3.2. Thông số thiết kế đầu vào phân xưởng STT Thiết bị Mô tả Chứa nguyên liệu thô MeOH ban đầu. 1 20-TK-2901 Nhiệt độ tồn trữ 30ºC. Lưu lượng 1.331 kg/h. 2 20-P-2901 Áp suất đầu ra của MeOH đạt 3,2 BarG. Thiết bị chia lưu lượng hóa hơi MeOH. 3 TEE-101 Lưu lượng 711 kg/h cho 20-E-2101A . Lưu lượng 620 kg/h cho 20-E-2101B. Nâng nhiệt độ từ 30°C lên 95°C. 4 Áp suất giảm từ 3,2 BarG về 2,0 barG. 20-E-2101A Hóa hơi hoàn toàn. Tác nhân trao đổi nhiệt: Dòng hơi thấp áp. Hóa hơi hoàn toàn. 5 Tác nhân trao đổi nhiệt: Dòng dầu nóng tuần 20-E-2101B hoàn. Nhiệt độ tăng từ 30°C lên đến 95°C. Áp suất giảm từ 3,2 barG về 2,0 barG. Trộn dòng không khí ban đầu với dòng khí 6 tuần hoàn. Mix-100 Nhiệt độ môi trường, áp suất khí quyển. Lưu lượng 456,6 kmol/h. Nén dòng không khí ban đầu và hoàn lưu. 7 20-K-2101A,B Nhiệt độ đầu vào 38°C và áp suất 0,02 barG. Nhiệt độ đầu ra 88°C và áp suất 0,53 barG. Lưu lương đầu vào và ra: 456,6 kmol/h. Trộn dòng không khí và MeOH. 8 Nhiệt độ sau khi trộn 95°C. Mix-101 Thành phần mol MeOH: 8.4% mol. Thành phần mol Oxi: 10.0% mol. Thiết bị gia nhiệt khí đầu vào. Nhiệt độ đầu ra 209°C. 9 Áp suất đầu ra 0,43 barG 20-E-2102 Tác nhân trao đổi nhiệt: Dòng dầu nóng tuần Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 52
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP STT Thiết bị Mô tả hoàn Thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định. Chiều dài thiết bị 1,9m; đường kính thiết bị 10 20-R-2101 2,670m. Số ống: 5490. Chiều dày: 1m . Thiết bị làm nguội. 11 Giảm nhiệt độ xuống còn 130°C. 20-E-2104 Áp suất đầu ra 0,22 barG. Thiết bị hấp thụ Formaldehyde Dung môi hấp thụ: nước Tổng số đĩa 21 đĩa. 12 20-T-2101 Áp suất làm việc: 0,07 barG trên đỉnh tháp và 0,22 dưới đáy tháp. Nhập liệu dung môi nước ở trên đỉnh thấp. Dòng Formaldehyde đi từ dưới đáy tháp. Thiết bị làm nguội sản phẩm. 13 20-E-2204 Giảm nhiệt độ xuống 40°C. Áp suất đạt 5 barG. Bồn chứa sản phẩm Fomalin. Nhiệt độ tồn trữ: 40°C. 14 20-TK-2902 Áp suất làm việc: 5 barG. Lưu lượng: 3.158 kg/h. 3.4.3. Thiết lập dòng vật chất và cấu tử trong hệ. Nguyên liệu cho quá trình là dòng MeOH lỏng ban đầu được chuẩn bị sẵn, dòng không khí, dòng khí hoàn lưu. Thành phần của các dòng được trình bày như sau: Bảng 3.3. Thành phần dòng nguyên liệu MeOH Cấu tử Phần mol Phần khối Phần thể Lưu lượng Lưu lượng lượng tích mol khối lượng kg/h CH3OH 0,9985 0,9992 0,9993 41,5043 1.329,8 H2O 0,0015 0,0008 0,0007 0,0623 1,1232 Khác 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 53
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Bảng 3.4. Thành phần dòng không khí Cấu tử Phần mol Phần khối Phần thể Lưu lượng Lưu lượng lượng tích mol khối lượng kg/h N2 0,7386 0,7349 0,7928 113,3570 3175,4699 O2 0,1963 0,2231 0,1706 30,1272 964,0717 H2O 0,0648 0,0415 0,0361 9,9452 179,1640 CO2 0,0003 0,0005 0,0005 0,0460 2,2063 Khác 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Bảng 3.5. Thành phần dòng khí hoàn lưu Cấu tử Phần mol Phần khối Phần thể Lưu lượng Lưu lượng lượng tích mol khối lượng kg/h N2 0,8696 0,8786 0,9071 263,5843 7383,7874 O2 0,0720 0,0831 0,0608 21,8270 698,4625 H2O 0,0580 0,0377 0,0314 17,5659 316,4518 CO2 0,0004 0,0006 0,0006 0,0170 4,7070 HCHO 0,0001 0,0001 0,0001 0,0192 0,5752 Khác 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 Sau khi hoàn thành việc thiết lập dòng nguyên liệu trong môi trường mô phỏng, phần mềm Hysys sẽ tự động tính toán và cung cấp đầy đủ, chi tiết về thành phần, điều kiện và các tính chất của dòng. Hình 3.3. Tính chất dòng không khí, MeOH (Trích xuất từ Hysys) Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 54
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.4. Thiết lập các thiết bị trao đổi nhiệt Nguyên tắc xây dựng mô phỏng các thiết bị trao đổi nhiệt trong phân xưởng Formaldehyde/UFC8 bao gồm các thiết bị trao đổi nhiệt chính sau. 3.4.4.1. Thiết bị phản ứng 20-E-2101 Do cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt 20-E-2101 phức tạp, có sự kết hợp giữa dòng các tác nhân nóng dòng hơi thấp áp và dòng HTM nên tác giả tiến hành mô phỏng như sau: Thiết bị trao đổi nhiệt 20-E-2101 sẽ được mô phỏng bằng 2 thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm song song với nhau. Dòng nguyên liệu MeOH được chia làm 2 nhánh có lưu lượng bằng nhau và đi vào 2 thiết bị phản ứng 20-E-2101A và 20-E-2101B. Sau khi được nâng nhiệt và đi ra khỏi 2 thiết bị này, dòng nóng sẽ kết hợp lại và đi vào thiết bị phản ứng 20-R-2101. Tác giả chọn các thiết bị phản ứng dạng ống chùm (Shell-Tube) để mô phỏng lần lượt các thiết bị 20-E-2101A và 20-E-2101B. Phần trở lực phía vỏ ống (Shell-Side), tác giả cài đặt giá trị 120 kPa, phần mềm Hysys sẽ tự động tính toán giá trị trở lực bên trong ống (Tube-Side). Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng thiết bị 20-E-2101 3.4.4.2. Các thiết bị trao đổi nhiệt khác Thiết lập các thiết bị trao đổi nhiệt khác, về nguyên tắc, không cần thay đổi hoặc hiệu chỉnh mô hình mô phỏng cần xây dựng. Tác giả cung cấp các thông tin về các dòng vật chất vào/ra thiết bị, điều kiện vận hành các dòng công nghệ và công suất Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 55
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP nhiệt. Hysys sẽ tiến hành tính toán các giá trị còn lại bằng cách tính toán vòng lặp nhất định sao cho kết quả (Output) hội tụ với dữ liệu đầu vào (Input). Hình 3.5. Thiết lập mô phỏng thiết bị 20-E-2102 3.4.5. Thiết lập các phản ứng và thiết bị phản ứng [17], [18] Phản ứng tổng hợp Formaldehyde từ con đường oxi hóa MeOH có sử dụng xúc tác oxit kim loại là một phản ứng thuận nghịch. Phản ứng tổng hợp Formaldehyde cũng như cơ chế được trình bày ở các phần trên. Việc bổ sung xúc tác cho quá trình phản ứng làm nhiệt độ phản ứng giảm, tốc độ phản ứng tăng. Các yếu tố này ảnh hưởng tích cực đến quá trình tổng hợp sản phẩm. Thực tế thiết bị phản ứng là thiết bị dạng xuyên tâm, nhưng vì Hysys chỉ giới hạn ở việc mô phỏng thiết bị đẩy lý tưởng với các ống phản ứng. Tuy nhiên, qua thực nghiệm nếu giả sử thay thế thiết bị phản ứng đẩy PFR cho thiết bị dạng xuyên tâm thì kết quả thu được gần như tương đồng. Vì lý do đó nhóm tác giả lựa chọn thiết bị phản ứng đẩy PFR để tiến hành mô phỏng. Thiết bị phản ứng PFR là thiết bị phản ứng dòng đẩy, thường để mô phỏng thiết bị phản ứng dạng hình trụ hoặc nhiều ống (ống chùm) rất phổ biến trong công nghệ hóa học và hóa dầu. PFR là mô hình được sử dụng để mô phỏng các phản ứng hóa học trong thiết bị phản ứng dạng ống, dự đoán hoạt động của các lò phản ứng hóa học khi Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 56
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP thiết kế, ước tính các thông số quan trọng của thiết bị phản ứng như kích thước lò phản ứng. Hình 3.6. Mô hình hóa phản ứng dạng PFR Hỗn hợp phản ứng qua PFR được mô hình hóa như một dòng chảy qua một loạt các vi phân thể tích dV rất mỏng, trong mỗi dV đó như một CSTR có thành phần đồng đều, theo hướng dọc theo trục ống phản ứng, với mỗi dV khác nhau có thành phần khác nhau. Giả định là dòng đẩy này qua PFR, dòng đẩy ở trạng thái ổn định (steady state), các chất phản ứng được trộn hoàn hảo trong mỗi vi phân thể tích dV, có tỷ trọng không đổi và đẳng hướng xuyên tâm, dọc trục không đáng kể, không có dòng theo chiều ngược lại, phản ứng là một chiều. Fi(x) – Fi(x + dx) + Atdxvir = 0 (3.1) Hình 3.7. Vận tốc phản ứng tại mặt cắt dV Trong đó, x : vị trí dọc trục của ống phản ứng, dx: vi phân chiều dày dòng chất lỏng Fi(x): lưu lượng mol tại phần tử thể tích thứ i ở vị trí x, mol/s D: dường kính ống, m 2 At: tiết diện ngang của ống, m vi: hệ số tỷ lượng trong phương trình phản ứng, không thứ nguyên r : tốc độ phản ứng, mol/m3s Trong PFR, sự phân bố thời gian lưu trong các dV có giá trị bằng nhau. Các thông số trong PFR được tính toán bởi các phương trình tích phân, các tính toán sẽ được thực hiện khi cung cấp đầy đủ các điều kiện biên thích hợp. Khi đó cân bằng vật Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 57
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP liệu trong phần tử vi phân thể tích thứ i trong PFR có chiều dài dọc trục dx tại vị trí x + dx được biểu diễn bằng biểu thức sau: Vận tốc dòng chảy u (m/s) và nồng độ của phần tử thể tích thứ i được biểu diễn 3 bằng Ci (mol/m ) có thể được xác định bằng các biểu thức sau: . . v 4v u 2 (3.2) At D Fi AtuCi (3.3) Áp dụng biểu thức (1) tính cân bằng khối lượng tại phần tử thể tích thứ i: Atu[Ci(x) –Ci(x + dx)] + Atdxvir = 0 (3.4) Khi chấp nhận các giả thiết gần đúng trên và dx → 0, biểu thức (3.4) trở thành: dC u i v r (3.5) dx i Sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng r vào nhiệt độ có thể được tính gần đúng bằng phương trình Arrhenius. Coi phản ứng xảy ra ở điều kiện đẳng nhiệt (k là hằng số), một chiều và bậc 1, tức là r = kCA. Sau khi tính tích phân biểu thức (3.5) ở trên, thu được: k C A (x) C A0e (3.6) Trong đó, CA0 là nồng độtại phần tử thứ A tại đầu vào của ống phản ứng, từ điều kiện biên của phép tính tích phân. Trong Hysys thiết bị phản ứng loại PFR thường thực hiện đối với các phản ứng Kinetic, Heterogenous Catalytic và Simple Rate. Chiều dài của ống phản ứng được chia thành các đoạn nhỏ (giống như một loạt các CSTR liên tiếp nhau). Mặc định là 20 phần, có thể xem ở Tab Performance trong giao diện thuộc tính của PFR. Ví dụ, ống phản ứng có chiều dài 10m chia thành 20 đoạn sẽ có các giá trị bắt đầu từ 0,25m và bằng cách tăng 0,5m mỗi lần (bằng kích thước của một đoạn nhỏ), kết thúc với 9,75 m. Khi đó profile ống phản ứng sẽ hiển thị các giá trị 0,25 và 9,75m thay thế cho các giá trị đã nhập vào là 0 và 10m. Mô hình PFR cho phép nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng (kích thước ống phản ứng, số ống phản ứng ) cho phép xác định điều kiện làm việc tối ưu của thiết bị phản ứng. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 58
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 3.8. Thiết lập mô hình thiết bị phản ứng Dùng phần mềm Hysys để mô phỏng thiết bị phản ứng này ta có lựa chọn thiết bị phản ứng cân bằng (Equilibrium Reator), với việc thiết lập các chất phản ứng và các hệ số của nó ta được phương trình phản ứng, tiếp tục lựa chọn phương thức tính toán K cân bằng theo phương trình năng lượng tự do Gibbs (Gibbs free energy) ở Tab Basis, Hysys với cơ sở dữ liệu có sẵn của nó sẽ tính toán được sản phẩm đầu ra của phản ứng. Giai đoạn cài đặt thiết bị phản ứng 20-R-2101 yêu cầu các thông số về dòng vào/ra, thiết lập phản ứng xảy ra, công suất nhiệt (Duty) cho phản ứng như Hình 3.8. Các phép tính toán cho phản ứng dựa trên số liệu thí thuyết được lấy từ các thí nghiệm Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 59
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP ở điều kiện nghiêm ngặt và dữ liệu cung cấp, vì vậy khi mô phỏng mang tính thực tế khá cao. 3.4.6. Tháp hấp thụ Formaldehyde [19] Thiết bị hấp thụ mặc định trong HYSYS là loại tháp đĩa (Tray Section), có dòng sản phẩm hơi từ đỉnh tháp, và dòng sản phẩm lỏng từ đáy tháp. Không có sẵn các thông số cho tháp hấp thụ, mà dựa trên cấu hình chung của tháp. Điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu, cũng như áp suất làm việc sẽ xác định sự hội tụ của tháp. Khi tính toán tháp hội tụ, kết quả nhận được bao gồm điều kiện và thành phần của các dòng sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng. Mặt khác, tháp hấp thụ Formaldehyde cấu tạo có chứa các lớp đệm với mục đích làm tăng hiệu suất quá trình tạo sản phẩm. Tuy nhiên, tháp hấp thụ trong Hysys chỉ đáp ứng được mô phỏng trên số đĩa thực tế. Vì vậy, nhóm tác giả cũng đã tiến hành hiệu chỉnh số đĩa của tháp để phù hợp với quá trình mô phỏng bằng cách quy đổi các lớp đệm thành số đĩa thực tế tương ứng. Đồng thời, điều kiện và thành phần của dòng nguyên liệu vào tháp, cũng như áp suất làm việc, sẽ xác định giải pháp cho kết quả hội tụ. Kết quả tính toán hội tụ là điều kiện và thành phần cấu tử của các dòng sản phẩm hơi và lỏng. Hình 3.9. Thiết lập các tiêu chuẩn chạy tháp Khi tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng tháp hấp, các tác giả đặt ra một số giả thiết, thiết lập như sau: Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 60
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP - Hiệu suất sử dụng đĩa chung cho cả tháp là tuyệt đối, bằng 100% và không phụ thuộc vào số đĩa: µ1 = µ2 = = µN = 1, với N là số đĩa lý thuyết của tháp hấp thụ; - Các điều kiện chạy của tháp gồm: lưu lượng dòng lỏng và công suất nhiệt của các bơm tuần hoàn PA_1, PA_2 và PA_3; Kết quả của bước xây dựng mô hình mô phỏng tháp hấp thụ hỗn hợp sản phẩm bằng dung môi hấp thụ là nước để sản xuất dung dịch Formalin 37% trong phần mềm Hysys được thể hiện tại Hình 3.10. Hình 3.10. Mô hình mô phỏng tháp hấp thụ 3.4.7. Công cụ lô-gic Recycle Trong Hysys, công cụ Recycle cho phép Flowsheet mô phỏng, tính toán các vòng tuần hoàn công nghệ với tin cậy và hiệu quả rất cao. Dòng tuần hoàn vật liệu trong sơ đồ công nghệ sản xuất Formaldehyde tại phân xưởng là dòng khí hồi lưu từ đỉnh tháp hấp thụ trở về cụm phản ứng, do đó, cần phải sử dụng công cụ lô-gic Recycle để tính toán. Quá trình tính toán sẽ lặp lại cho đến khi các giá trị dòng tính toán phù hợp với giá trị dòng giả định trong phạm vi sai số cho phép đã được thiết lập ban đầu. Hình 3.11. Công cụ Recycle trong quá trình mô phỏng Một số giá trị thiết lập khi cài đặt công cụ Recycle trong trường hợp mô phỏng: Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 61
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Sai số tuyệt đối: 0,1; Bội số của sai số: 10; Số vòng lặp: 10; Phương pháp tính toán: Wegstein Acceleration (phương pháp vòng lặp của Recycle trước một bước tăng tốc được áp dụng khi tính tới giá trị tuần hoàn giả định tiếp theo). Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 62
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.8. Kết quả mô phỏng Hình 3.12. Trường hợp mô phỏng công nghệ sản xuất dung dịch Formaldehyde 37% Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 63
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.9. Nhận xét và so sánh kết quả mô phỏng thu được Trong phần này, tác giả sẽ tiến hành tính toán và đưa ra các cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng, qua đó so sánh kết quả mô phỏng thu được từ phần mềm Hysys so với kết quả thực tế vận hành tại phân xưởng Formaldehyde/UFC85, từ đó, đưa ra các kết luận cũng như một số hiệu chỉnh để tiến tới tối ưu, xem xét công nghệ sản xuất của xưởng. 3.4.9.1. Cân bằng vật chất cụm chuẩn bị nguyên liệu Sơ đồ mô phỏng của cụm trao đổi nhiệt được thể hiện tại Hình 3.13 Hình 3.13. Sơ đồ mô phỏng cụm chuẩn bị nguyên liệu Cân bằng vật chất các dòng công nghệ của cụm chuẩn bị nguyên liệu như sau. Không khí CỤM Khí toàn hoàn CHUẨN Hơi nguyên liệu BỊ MeOH NGUYÊN LIỆU Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 64
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Cân bằng vật chất của các thiết bị và các dòng công nghệ được thể hiện chi tiết tại Bảng 3.6. Bảng 3.6. Cân bằng vật chất cụm chuẩn bị nguyên liệu Dòng Không khí Khí tuần hoàn MeOH Mô tả Phần pha hơi 1,00 1,00 0,00 Nhiệt độ (°C) 38,00 37,00 30,15 Áp suất (barG) 0,02 0,07 3,2 Lưu lượng mol (kmol/h) 3.440 6.793 41,59 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 4.320 8.404 1.331 Lưu lượng thể tích (m3/h) 4,97 10,09 1,672 Thành phần, phần mol CH3OH 0,0000 0,0000 0,9973 O2 0,1963 0,0720 0,0000 HCHO 0,0000 0,0001 0,0000 H2O 0,0648 0,0580 0,0027 Axit Fomic 0,0000 0,0000 0,0000 CO 0,0000 0,0000 0,0000 N2 0,7386 0,8696 0,0000 Đimetyl-ete 0,0000 0,0000 0,0000 DTRM-A 0,0000 0,0000 0,0000 CO2 0,0003 0,0004 0,0000 3.4.9.2. Cân bằng vật chất cụm gia nhiệt nguyên liệu Đối với cụm gia nhiệt nguyên liệu, các đại lượng cần quan tâm là giá trị công suất nhiệt của các dòng nóng/dòng lạnh trong các thiết bị trao đổi nhiệt. Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 65
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 3.14. Sơ đồ mô phỏng cụm gia nhiệt nguyên liệu Các thông số chính của các dòng công nghệ được thể hiện tại phần cân bằng năng lượng của phân xưởng sẽ được trình bày tại các mục tiếp theo. 3.4.9.3. Cân bằng vật cụm thiết bị phản ứng Kết quả thu được từ mô hình mô phỏng PFR thiết bị phản ứng 20-R-2101 được thể hiện như sau. Hình 3.15. Kết quả thu được từ mô hình mô phỏng PFR Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 66
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Dòng nguyên liệu vào thiết bị phản ứng là hỗn hợp của ba dòng MeOH, không khí và dòng khí hồi lưu. Sản phẩm đi ra từ thiết bị gồm phần MeOH đã chuyển hóa thành sản phẩm Formaldehyde, nguyên liệu chưa phản ứng và các sản phẩm phụ của quá trình. Bảng 3.7. Cân bằng vật chất cụm thiết bị phản ứng Formaldehyde Dòng Nguyên liệu vào Hỗn hợp sản phẩm Mô tả Phần pha hơi 1,00 1,00 Nhiệt độ (°C) 209,00 293,87 Áp suất (barG) 0,43 0,27 Lưu lượng mol (kmol/h) 11.166 11.631 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 14.056 14.056 Lưu lượng thể tích (m3/h) 16,73 16,83 Dòng nhiệt (kcal/h) -2.906.018 -4.096.235 Thành phần, phần mol CH3OH 0,083 0,000 O2 0,104 0,060 HCHO 0,000 0,080 H2O 0,055 0,133 Axit Fomic 0,000 0,000 CO 0,000 0,000 N2 0,757 0,726 Đimetyl-ete 0,000 0,000 DTRM-A 0,000 0,000 CO2 0,000 0,000 3.4.9.4. Cân bằng vật chất cụm thiết bị hấp thụ. Mô hình tháp hấp thụ và các kết quả chính hoạt động của tháp được thể hiện tại Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 67
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Hình 3.16. Kết quả mô phỏng tháp hấp thụ Cân bằng vật chất của tháp như sau: Bảng 3.8. Cân bằng vật chất cụm thiết bị hấp thụ Dòng 13 Nước Vapor Liq_Prod Mô tả Phần pha hơi 1,00 0,00 1,00 0,00 Nhiệt độ (°C) 130,03 45,00 37,09 68,55 Áp suất (barG) 0,22 8,20 0,07 0,22 Lưu lượng mol (kmol/h) 11.631 1.448 9.718 3.361 Lưu lượng khối lượng (kg/h) 14.056 1.164 12.020 3.199 Lưu lượng thể tích (m3/h) 405.226 27.992 346.510 86.708 Dòng nhiệt (kcal/h) -4.743.866 -4.375.963 -1.432.054 -8.616.813 Phần mol Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 68
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Dòng 13 Nước Vapor Liq_Prod CH3OH 0,000 0,000 0,000 0,000 O2 0,060 0,000 0,072 0,000 HCHO 0,080 0,000 0,000 0,389 H2O 0,133 1,000 0,058 0,611 Axit Fomic 0,000 0,000 0,000 0,000 CO 0,000 0,000 0,000 0,000 N2 0,726 0,000 0,869 0,000 Đimetyl-ete 0,000 0,000 0,000 0,000 DTRM-A 0,000 0,000 0,000 0,000 CO2 0,000 0,000 0,000 0,000 Ngoài ra, để hiểu rõ hơn về sự biến thiên thông số hoạt động của tháp, tác giả cũng tiến hành trích xuất các dữ liệu về: Sự biến thiên dữ liệu về áp suất, nhiệt độ vận hành của tháp theo chiều cao của tháp (thể hiện qua vị trí các đĩa). Hình 3.17. Sự thay đổi T, P theo chiều cao tháp Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 69
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP Đường cong thể hiện sự biến thiên nhiệt độ và áp suất vận hành tháp theo sự thay đổi số đĩa của tháp. Hình 3.18. Dữ liệu thông số biến thiên theo chiều cao tháp Dữ liệu về sự biến thiên thành phần các cấu tử và theo vị trí đĩa tính từ đáy tháp hấp thụ. Hình 3.19. Biến thiên nồng độ cấu tử theo chiều cao tháp Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 70
Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Khoa Hóa Học và CNTP 3.4.9.5. Nhận xét kết quả thu được Quá trình mô phỏng được tiến hành theo các số liệu trong bản vẽ PFD của phân xưởng, nên số liệu kết quả mô phỏng so với thực tế là tương đối chính xác, tuy nhiên vẫn có những sai số nhất định trong quá trình mô phỏng. Nguyên nhân chính là do chọn một số thiết bị mô phỏng chưa sát với thực tế và trong thiết bị phản ứng, chưa thể khai báo hết được các phản ứng phụ khác. Cách tính toán sai số kết quả mô phỏng như sau : ε là sai số giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế. KQmp là kết quả thu được từ mô hình mô phỏng. KQtt là thông số, điều kiện thực tế. KQ KQ  mp tt 100% KQtt Bảng 3.9. Bảng so sánh dòng sản phẩm Formalin thu được So sánh Đơn vị KQtt KQmp ε oC 40,00 40,00 0,00% Trạng thái barG 5,00 5,00 0,00% Lưu lượng Formalin kg/h 3.158 3.199 +1,30% Thành phần 37,00 38,92 +4,90% %kl HCHO 62,86 61,08 -2,80% H2O Ghi chú Dấu âm (-): Kết quả mô phỏng thấp hơn kết quả PFD; Dấu dướng (+): Kết quả mô phỏng lớn hơn kết quả PFD. Bên cạnh đó việc đánh giá kết quả chuyển hóa tại thiết bị phản ứng 20-R-2101 cũng quan trọng, vì ở thiết bị này có thể rút ra hiệu suất chuyển hóa của các dòng lưu chất. Bảng 3.10. So sánh hiệu suất chuyển hóa So sánh Đơn vị KQtt KQmp ε oC 130 131 1,00% Trạng thái barG 0.22 0.22 0,00% Lưu lượng kg/h 11651 11630 -0,18% Hiệu suất chuyển hóa 100 +0,40% Đồ Án Tốt Nghiệp Khóa 2012 - 2016 Trang 71