Bài giảng Thiết kế quá trình công nghệ hóa học (lọc dầu) - Phạm Trung Kiên

a, cần xem xét đến sự khác nhau trong nhiệt độ đông đặc.  Nếu là chưng cất, liên quan đến độ bay hơi tương đối của các chất hay hệ số hoạt động . Nếu độ bay hơi của các chất khác xa nhau thì dự đoán khả năng tách các chất sẽ dễ dàng hơn và chi phí sẽ thấp. 105 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Nếu quá trình là phân tách màng, thì cần xem xét đến độ thấm và khuếch tán phân tử.  Cần xem xét đến kích thước của thiết bị phản ứng và thiết bị tách. Kích thước của thiết bị phản ứng yêu cầu phải lớn khi quá trình tách không liên tục.  Đối với các phản ứng tỏa nhiệt, các chất trơ sẽ hấp thụ một phần nhiệt của phản ứng tỏa ra, do đó có thể làm giảm nhiệt độ đầu ra của thiết bị phản ứng. 106 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Xem xét ví dụ sau: 107 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Solution (Giải pháp) 108 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Đánh giá 109 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Xem xét ví dụ sau: 110 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Heuristic 4: Tạo ra một số dòng làm sạch (tách) cho các tạp chất trong nguyên liệu hoặc được tạo ra do các phản ứng phụ khi các chất này ở lượng vết hay khó phân tách khỏi các chất khác. Các chất nhẹ sẽ ra ở dòng hơi, các chất nặng sẽ ra ở dòng lỏng.  Xem xét phản ứng tổng hợp amoniac như sau: 111 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Nguyên liệu cho tổng hợp amoniac:  Nitơ (lẫn Ar)  Hidro (lẫn CH4) Khi tổng hợp, ngoài phản ứng: Còn có phản ứng: 112 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Xem xét tỷ lệ Dòng Ra/Dòng Tuần Hoàn  Nếu tỷ lệ này lớn, khả năng mất H2 và N2 là lớn, cùng với việc giảm sản lượng NH3  Nếu tỷ lệ này nhỏ, khả năng tách các tạp chất sẽ kém  Cần phải có các tính toán cân bằng để giảm tỷ lệ tuần hoàn này dùng phương pháp Heuristic với sự hỗ trợ của mô phỏng để tối ưu hóa.  Cần chú ý rằng, có nhiều phương pháp để tách loại các tạp chất này: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất nhiệt độ thấp, công nghệ màng,song có thể sẽ đắt hơn.  Cuối cùng thì việc tách CH4 và Ar khả thi hơn khi sử dụng các dòng tuần hoàn hơi (các quá trình khác thì có thể là dòng lỏng). 113 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Nghiên cứu, mô phỏng quá trình tổng hợp NH3 và tách CH4+Ar ra khỏi hỗn hợp Điều kiện phản ứng: 114 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Mô hình mô phỏng trên Aspen Plus 115 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Kết quả mô phỏng, nghiên cứu mô hình 116 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Phân tích kết quả:  Số mol CH4và Ar ra khỏi quá trình lớn hơn đáng kể so với đầu vào.  Khi giảm tỷ lệ Dòng Ra/Dòng Tuần Hoàn, dòng hơi ra sẽ giàu CH4 và Ar, nghèo N2 và H2 hơn. Tuy nhiên điều này sẽ làm tăng đáng kể tốc độ tuần hoàn và chi phí tuần hoàn cũng như thể tích thiết bị phản ứng.  Cần ước tính chi phí và tối ưu hóa quá trình này (với sự hỗ trợ của mô phỏng) 117 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Heuristic 5: Không thải loại các chất có giá trị hoặc những chất độc hại, nguy hiểm ra môi trường, thậm chí với hàm lượng nhỏ (theo tiêu chuẩn). Thêm thiết bị tách để thu hồi các chất có giá trị và nếu có thể, thêm thiết bị phản ứng để xử lý (loại bỏ) các chất độc hại, nguy hiểm.  Xem xét quá trình sau: 118 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Heuristic 6: Sản phẩm phụ được tạo ra ở các phản ứng thuận nghịch (một lượng nhỏ), thường không được thu hồi ở thiết bị tách hay làm sạch. Thay vào đó, chúng thường được tuần hoàn để loại bỏ.  Đối với phản ứng phụ (không thuận nghịch): các sản phẩm phụ phải được loại bỏ ngay lập tức (phân tách hay làm sạch), nếu không chúng sẽ tích tụ trong suốt quá trình và có thể làm quá trình shutdown  Đối với phản ứng phụ (thuận nghịch): có thể đạt được độ chuyển hóa cân bằng ở trạng thái tĩnh, bằng cách tuần hoàn chúng mà không cần loại bỏ, khi mà quá trình phân tách có thể làm mất các sản phẩm giá trị hoặc quá trình phân tách tốn kém.  Quá trình này tỏ ra hiệu quả khi mà các phản ứng phụ có hằng số cân bằng phụ thuộc nhiệt độ và áp suất. 119 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Xét ví dụ: sản xuất benzen từ toluen. Phản ứng phụ tạo diphenyl là phản ứng thuận nghịch. Do vậy trong lưu đồ sản xuất, ta có thể bớt đi một tháp chưng cất cuối (tuần hoàn diphenyl). 120 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Heuristic 7: Đối với các phản ứng cạnh tranh (nối tiếp hoặc song song), thay đổi nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác để thu được hiệu suất cao các sản phẩm mong muốn. Ban đầu giả thiết rằng, các điều kiện đã thỏa mãn. Sau đó kiểm tra lại giả thiết bằng các dữ liệu động học.  Xét ví dụ: sản xuất allyl clorua (B), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình: nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ nguyên liệu, thời gian lưu.  Các loại phản ứng có thể xảy ra: nối tiếp, song song, vừa nối tiếp và song song.  Trong hệ thống phản ứng này, gồm 3 phản ứng tỏa nhiệt bậc 2 121 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Phản ứng hóa học: 122 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Dữ liệu động học  Chú ý rằng: E1/E2>1 và E1/E3<1 nên độ chuyển hóa đối với allyl clorua là lớn nhất tại nhiệt độ trung bình. Một khi độ chọn lọc quyết định thành công của quá trình thiết kế, cần phải mở rộng phân tích quá trình phản ứng, sử dụng mô phỏng, mô hình hóa tối ưu quá trình để đạt được mục đích về kinh tế. 123 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Hằng số tốc độ phản ứng (theo nhiệt độ) của 3 phản ứng trong quá trình sản xuất allyl clorua: 124 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Để đạt được độ chọn lọc thích hợp, không đơn thuần chỉ thay đổi nhiệt độ và áp suất, yếu tố xúc tác đóng vai trò rất quan trọng.  Cần phải thiết kế được chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mong muốn, giảm nhiệt độ phản ứng và giảm thiểu đáng kể các phản ứng phụ.  Các chất xúc tác hay gặp: zeolit, kim loại quý (Pt, Pd, Rh)  Các kỹ sư thiết kế quá trình cần dành nhiều thời gian tìm hiểu các thông tin (các bằng sáng chế và các bài báo khoa học) về tốc độ của các phản ứng cạnh tranh để tìm được các chất xúc tác thích hợp.  Để tìm hiểu về thiết kế thiết bị phản ứng để đạt được độ chọn lọc mong muốn, có thể tham khảo: Elements of Chemical Reaction Engineering (Fogler, 1986); The Engineering of Chemical Reactions (Schmidt, 1998) 125 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Heuristic 8: Đối với các phản ứng thuận nghịch, xem xét thực hiện chúng ở một thiết bị tách, để loại bỏ các sản phẩm và điều khiển phản ứng chính. Các hoạt động này sẽ mang tới một sự phân bố các chất hóa học rất khác biệt.  Xem xét quá trình sản xuất Metyl Axetat từ Metanol và Axit axetic (Phản ứng thuận nghịch), thực hiện chưng cất phản ứng.  Sản phẩm phản ứng sẽ lấy ra dưới dạng hơi và lỏng, do đó làm cho phản ứng diễn ra theo chiều thuận và không cần dùng dư chất phản ứng hay điều chỉnh áp suất.  Vì Metanol dễ bay hơi hơn axit axetic nên nó được cho vào bên dưới vùng phản ứng và Axit Axetic cho vào ở phần trên vùng phản ứng (lỏng).  Sản phẩm: Metyl Axetat (Hơi) ra khỏi đỉnh tháp chưng cất phản ứng và Nước (Lỏng) ra khỏi đáy tháp (Hầu như tinh khiết) 126 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC Ví dụ về chưng cất phản ứng 127 PHÂN BỐ CÁC CHẤT HÓA HỌC  Chuyển hóa tối ưu:  Xem xét các phản ứng hóa học đơn lẻ, với các hằng số cân bằng hóa học, có thể thu được một độ chuyển hóa hoàn toàn.  Tuy nhiên, độ chuyển hóa tối ưu có thể không phải là một độ chuyển hóa hoàn toàn (và thường là như vậy). Thay vào đó, một sự cân bằng về kinh tế giữa chi phí về thiết bị phản ứng cao với độ chuyển hóa cao và chi phí phân tách cao ở độ chuyển hóa thấp sẽ xác định điều kiện tối ưu (và một số yếu tố khác như kéo dài thời gian phản ứng để đạt được độ chuyển hóa cao).  Thật không may mắn là, tính toán thử nghiệm cho chuyển hóa tối ưu là khó thực hiện vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. 128 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH Heuristic 9: Phân tách hỗn hợp lỏng sử dụng: chưng cất, stripping, chưng cất tăng cường (chiết, phản ứng, đẳng phí), chiết lỏng – lỏng, tinh thể hóa, hấp phụ. Heuristic 10: Ngưng tụ hoặc ngưng tụ một phần hỗn hợp hơi, với nước làm mát hoặc tác nhân làm lạnh. Sau đó, sử dụng Heuristic 9. Heuristic 11: Phân tách hỗn hợp hơi sử dụng ngưng tụ một phần, chưng cất đông lạnh, hấp thụ, hấp phụ, phân tách màng, thăng hoa. 129 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH Sơ đồ tách với sản phẩm là LỎNG 130 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH Sơ đồ tách với sản phẩm là HƠI 131 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH Sơ đồ tách với sản phẩm là LỎNG-HƠI 132 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN) Đối với một số dòng tồn tại các hạt rắn (tinh thể hóa hay kết tủa) Khi muốn loại bỏ các hợp chất vô cơ trong dung dịch, dòng công nghệ (sản phẩm) sẽ được làm lạnh hay bay hơi một phần để thu hồi chất rắn bằng việc tinh thể hóa, sau đó là lọc, ly tâm và làm khô. Dùng cyclone cho việc tách hỗn hợp khí-rắn Tinh thể hóa có thể xuất hiện dưới ba dạng: 1) Tinh thể hóa dung dịch 2) Kết tủa 3) Tinh thể hóa điểm chảy (nóng chảy) 133 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN) Tinh thể hóa dung dịch: áp dụng đối với các chất vô cơ được tinh thể hóa từ dung môi, với nhiệt độ hoạt động thấp hơn nhiều điểm chảy của các hạt tinh thể. Kết tủa: là phương pháp tinh thể hóa dung dịch nhanh tạo ra rất nhiều các tinh thể nhỏ (tạo ra các hạt rắn ít hòa tan, như AgCl). Tinh thể hóa theo nhiệt độ nóng chảy: hai hay ba chất hóa học có nhiệt độ tinh thể hóa khác nhau, được phân tách tại nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ nóng chảy. 134 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN) Heuristic 12: Tinh thể hóa các chất vô cơ từ dung dịch bằng làm lạnh. Giữ nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa 1-2oF. Dùng tinh thể hóa bằng phương pháp bay hơi khi tính chất dung dịch không thay đổi nhiều theo nhiệt độ. Heuristic 13: Tốc độ hình thành tinh thể bằng nhau theo mọi hướng song các hạt tinh thể không phải hình cầu. Tốc độ hình thành tinh thể và kích thước hạt bị giới hạn bởi độ quá bão hòa: S=C/Cbão hòa ; C là nồng độ; 1.02<S<1.05; Tốc độ hình thành tinh thể phụ thuộc bởi các tạp chất và các chất thêm vào. 135 HOẠT ĐỘNG PHÂN TÁCH (CÓ HẠT RẮN) Heuristic 14: Phân tách các chất hữu cơ bằng tinh thể hóa theo điểm chảy với việc làm lạnh sử dụng tinh thể hóa huyền phù, sau đó lọc, ly tâm. Heuristic 15-20: Đọc thêm 136 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Heuristic 21: Để loại bớt nhiệt tỏa ra từ phản ứng, xem xét việc sử dụng thừa chất phản ứng, một chất pha loãng trơ hoặc chất làm lạnh. Heuristic 22: Đối với phản ứng tỏa nhiệt ít, tuần hoàn chất lỏng trong thiết bị phản ứng ra thiết bị làm lạnh ngoài, sử dụng ống xoắn ruột gà hoặc bình có vỏ bọc. Xem xét việc sử dụng thiết bị làm lạnh trung gian giữa các giai đoạn phản ứng đoạn nhiệt. 137 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG  Ví dụ: Cho phản ứng hóa học sau: CO + 2H2 = CH3OH Tính toán nhiệt của phản ứng và nhiệt độ phản ứng đoạn nhiệt. Nguyên liệu tại 200C và 1 atm. Solution: Dùng Aspen Plus (Hysys), Hệ nhiệt động PSRK, chuyển hóa hoàn toàn CO. Ta có ∆H=-38.881 Btu/lbmol CO (tỏa nhiệt) Nhiệt độ phản ứng: 1.158oC (cao hơn nhiều so với sức chịu đựng của xúc tác Cu và vật liệu chế tạo thiết bị). Nguyên tắc: phải tìm ra chiến lược giảm nhiệt độ phản ứng và loại nhiệt tỏa ra. 138 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Để đạt được nhiệt độ phản ứng thấp hơn, có thể dùng một số cách sau: 1. Sử dụng dư chất phản ứng để hấp thụ nhiệt, chất dư sẽ được thu hồi từ thiết bị tách và tuần hoàn lại thiết bị phản ứng. Nhiệt sẽ bị loại bỏ trong thiết bị tách hay các dòng làm lạnh. 2. Sử dụng chất pha loãng trơ. 3. Sử dụng các chất phản ứng lạnh. 4. Thực hiện phản ứng trong thiết bị phản ứng có các hệ thống làm lạnh. 5. Sử dụng phương pháp làm lạnh trung gian. 139 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về dùng dư chất phản ứng: CO+2H2 = CH3OH Tỷ lệ H2/CO=10; tính toán nhiệt độ phản ứng? Theo Aspen Plus, nhiệt độ dòng ra là 3370C. Có thể tính toán nhiệt độ dòng ra là hàm của tỷ lệ H2/CO 140 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về sử dụng chất pha loãng trơ (Dodecan) cho phản ứng: CO+2H2 = CH3OH  Thêm 5 lbmol/hr Dodecan vào phản ứng (1 lbmol/hr CO và 2 lbmol/hr H2). Tính nhiệt độ dòng ra??  Trong trường hợp này, nhiệt độ giảm xuống còn 77.6oC; 141 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về việc sử dụng các chất phản ứng lạnh: 142 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về các phản ứng có hệ thống làm lạnh 143 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về các phản ứng có hệ thống làm lạnh 144 LOẠI BỚT NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG Ví dụ về các phương pháp làm lạnh trung gian 145 THÊM NHIỆT VÀO PHẢN ỨNG Heuristic 23: Để điều khiển nhiệt độ của phản ứng thu nhiệt, xem xét việc sử dụng thừa chất phản ứng, chất pha loãng trơ và chất làm nóng. Heuristic 24: Đối với các phản ứng thu nhiệt ít, tuần hoàn dòng lỏng đến một thiết bị đun nóng ngoài, hoặc sử dụng ống xoắn hay thiết bị có vỏ bọc để cấp nhiệt. Hoặc sử dụng trao đổi nhiệt trung gian giữa các giai đoạn đoạn nhiệt. 146 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT  Trao đổi nhiệt sử dụng cho quá trình phản ứng và phân tách (thay đổi nhiệt độ, pha). Khi tính toán trao đổi nhiệt, cần lưu ý đến các phương pháp trao đổi nhiệt: 1. Trao đổi nhiệt giữa hai dòng lỏng sử dụng: double pipe, shell and tube, compact heat exchanger. 2. Trao đổi nhiệt giữa một dòng lỏng và một dòng tác nhân trao đổi nhiệt (nước làm mát, hơi) sử dụng double pipe, shell and tube, compact heat exchanger 3. Gia nhiệt cho dòng quá trình ở nhiệt độ cao sử dụng nhiệt tỏa ra từ quá trình đốt cháy (furnace hay fired heater) 4. Trao đổi nhiệt trong thiết bị phản ứng hay bình tách thay vì trao đổi nhiệt bên ngoài như shell and tube heat exchanger hay furnace 5. Trực tiếp trao đổi nhiệt bằng việc trộn hai dòng 6. Trao đổi nhiệt có sự tham gia của các hạt rắn. 147 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT  Heuristic 25: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt cho các thiết bị tách và phản ứng để đun nóng hay làm lạnh các dòng quá trình có thể dùng các phương pháp khác nhau. Nếu dòng quá trình yêu cầu gia nhiệt lớn hơn 750oF thì cần dùng lò đốt trong trường hợp dòng quá trình không bị phân hủy hóa học.  Heuristic 26: Sử dụng phương pháp nhiệt độ tối ưu tối thiểu trong thiết bị trao đổi nhiệt phụ thuộc vào mức nhiệt độ như sau:  10 F hoặc thấp hơn đối với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ môi trường.  20 F đối với nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường và đến 300 F  50 F đối với nhiệt độ cao  250-350 F nếu là lò đốt 148 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ LÒ ĐỐT  Xét ví dụ sau: Trao đổi nhiệt giữa Toluen (lưu lượng 25,000lb/hr tại 100 F và 90 psia) và Styren (lưu lượng 25,000lb/hr tại 300F và 50 psia). Với các điều kiện trên các chất đều là lỏng. Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt shell and tube heat exchanger. Dùng phương pháp nhiệt độ tối thiểu 20F. Nhiệt dung riêng trung bình của Toluen 0.43 Btu/lb-F và 0.44 Btu/lb-F đối với Styren.  Giả sử phương pháp nhiệt độ tối thiểu 20 F áp dụng cho nhiệt độ Toluen đầu vào. Khi đó nhiệt độ Styren ra là 100 F+20F=120F.  Lượng nhiệt tải của Styren: Q=25,000x(0.44)x(300-120)=1,980,000 Btu/hr  Lượng nhiệt tải của Toluen: Q=1,980,000=25,000x(0.43)x(Ttoluen