Đề tài Tổng quan công nghệ và mô phỏng thiết kế nhà máy sản xuất Polypropylene với năng suất 150.000 tấn/năm bằng phần mềm Hysis

MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM .......................5 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PROPYLENE: ............................................................5 1.1.1. Tính chất vật lý [3] ............................................................................6 1.1.2. Tính chất hóa học [4] ........................................................................7 1.1.3. Quá trình phát triển và các nguồn thu nhận chính [5] ........................8 1.2. GIỚI THIỆU VỀ HYDROGENE:[6] ......................................................9 1.2.1. Tính chất vật lý: [7] ...........................................................................9 1.2.2. Tính chất hóa học [8] ......................................................................10 1.2.3. Ứng dụng và sản xuất[9] .................................................................10 1.3. SẢN PHẨM POLYPROPYLEN ..........................................................11 1.3.1. Lịch sử ra đời[10] ............................................................................11 1.3.2. Đặc tính chung[11] ..........................................................................11 1.3.3. Công dụng[12] ................................................................................11 1.3.4. Phân loại Polypropylen[13] .............................................................12 1.3.5. Cấu trúc phân tử[15] .......................................................................13 1.3.6. Hình thái học[17] ............................................................................14 1.3.7. Tính chất nhiệt động học[18] ..........................................................17 1.4. CHẤT XÚC TÁC[21] ............................................................................18 1.4.1. Lịch sử ra đời và phát triển ..............................................................18 1.4.2. Cấu tạo, thành phần của chất xúc tác ..............................................20 1.5. LÝ THUYẾT TRÙNG HỢP PROPYLENE [22] ..................................22 1.5.1. Cơ chế trùng hợp Propylene ............................................................22 1.5.2. Vấn đề điều hòa lập thể và điều hòa vùng trong sự chèn monomer .25 CHƯƠNG 2 [23] ..................................................................................28 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY SẢN XUẤT POLYPROPYLEN . . .28 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYPROPYLENE .....31 3.1. NHỮNG QUÁ TRÌNH POLIMER HÓA PROPYLEN THÔNG DỤNG [24] 31 3.2. QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHUNG[25] ...............................................31 3.2.1. Khu vực xử lý nguyên vật liệu ban đầu: ..........................................32 3.2.2. Khu vực polimer hóa .......................................................................33 3.2.3. Khu vực tách và thu hồi khí ...........................................................33 3.2.4. Khu vực xử lý cặn và khử mùi: ......................................................33 3.2.5. Khu vực ép tao hạt và qui trình xử lý các hạt nhỏ ...........................33 3.2.6. Khu vực đóng bao và đóng thùng: ..................................................33 3.3. MÔ TẢ VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG HIỆN NAY[26] ..33 3.3.1. Công nghệ pha lỏng .......................................................................33 3.3.1.1. Mô tả qui trình công nghệ SPHERIPOL ................................33 3.3.1.2. Mô tả công nghệ HYPOL-II .....................................................38 3.3.2. Công nghệ pha khí: .........................................................................41 3.3.2.1. Mô tả qui trình công nghệ NOVOLEN ....................................41 3.3.2.2. Mô tả chu trình công nghệ "UNIPOL" ....................................45 3.3.2.3. Mô tả qui trình công nghệ của INNOVENE .............................48 3.4. KHÁI QUÁT VỀ PHÁT PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP POLYPROPYPROPYLENE [27] ............................................................................51 3.5. GIẢI TRÌNH VỀ SỰ LỰA CHỘN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PP [28] 51 MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYPROPYLENE BẰNG PHẦN MỀM HYSIS ........................................................55 4.1. Những thông số ban đầu: [29] ................................................................55 4.2. TÍNH CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG ....57 4.3. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH NHỜ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM HYSYS[30] .............................................................................................................63 4.3.1. Giới thiệu về phần mềm Hysys .......................................................63 4.3.2. Các bước mô phỏng sơ đồ công nghệ sản xuất Polypropylene .......64 4.3.2.1. Xây dựng mô hình, điều kiện phản ứng ....................................64 4.3.2.2. Xây dựng thiết bị phản ứng ......................................................69 4.3.2.3. Xây dựng các thiết bị tách loại .................................................72 4.3.3. Kết quả thu được từ quá trình mô phỏng .........................................73 TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH ............................................77 5.1. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CHO THIẾT BỊ CHÍNH .......................77 5.1.1. Các thiết bị phản ứng ......................................................................77 5.1.2. Thiết bị tách loại .............................................................................77 5.1.3. Kết quả thu được từ mô phỏng .......................................................77 5.2. CÁC THIẾT BỊ PHỤ KHÁC .................................................................78 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA QUÁ TRÌNH[31] 83 6.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ....................................83 6.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển ............................83 6.1.1.1. Điều khiển đóng mở .................................................................83 6.1.1.2. Điều khiển quá trình ..............................................................83 6.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy hiện đại ....83 6.1.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ...................................................................84 6.1.3.1. Vai trò của bộ điều khiển PID ................................................84 6.1.4. Lựa chọn khâu tác động và các thông số đặt trưng cho PID ............85 6.1.5. Hệ thống điều khiển trong nhà máy sản xuất POLYPROPYLEN ...86 6.1.5.1. Bộ điều khiển lưu lượng : Gồm các thiết bị điều khiển lưu lượng : ..............................................................................................................87 6.1.5.2. Bộ điều khiển nhiệt độ .............................................................87 6.1.5.3. Bộ điều khiển nồng độ .............................................................87 6.1.5.4. Bộ điều khiển mức ..................................................................88 6.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ THÔNG SỐ DÒNG VẬT CHẤT BẰNG HYSIS .............................................................................................88 6.2.1. Tiến hành và hoàn tất mô phỏng tỉnh quá trình trao đổi nhiệt của dòng Propylen : ....................................................................................................88 6.2.2. Xây dựng hệ thống điều khiển PID cho thiết bị : ............................88 Tài liệu tham khảo của Chương I .....................................................93 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khi chúng ta trở thành thành viên chính thức của WTO thì nền công nghiệp đã có nhiều cơ hội phát triển hơn, trong đó ngành Công nghệ Lọc - Hóa Dầu được ưu tiên phát triển hàng đầu. Đó là một trong những ngành mũi nhọn để phát triển đất nước, phù hợp với tiềm năng Dầu mỏ hiện có của nước ta. Chính điều này đã tạo những tiềm năng rất lớn cho một tương lai về tận dụng những sản phẩm hóa dầu, trong đó tổng hợp các hợp chất Polymer là ngành đang có xu hướng phát triển mạnh ở Việt Nam. Đó là một ngành khoa học nghiên cứu về việc tổng hợp các chất hữu cơ có ứng dụng rộng rãi trong đời sống bằng cách tận dụng nguồn nguyên liệu từ dầu mỏ. Việc sản xuất, sử dụng polymer ngày càng được mở rộng và có quy mô phát triển nhanh. Đặc biệt khi tình hình nguyên liệu thiên nhiên đã và đang ngày càng khan hiếm, sự tiêu thụ các nguồn năng lượng cũng như các hợp chất hóa học có sẵn diễn ra với tốc độ ngày cao đặt ra những vấn đề với các nhà hóa học là phải tìm ra những hợp chất thay thế chúng. Polypropylene cũng là một trong số những polymer được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới vì tính phổ dụng, giá thành monomer thấp, giá thành sản xuất thấp, và các tính chất được ưa chuộng của nó. Hiện nay, nước ta có nhiều dự án xây dựng Nhà máy lọc dầu đã và đang được triển khai. Đây được coi là điểm hứa hẹn cung cấp nguồn Propylene nguyên liệu dồi dào. Việc xây dựng nhà máy sản xuất Polypropylene là yêu cầu rất cần thiết và cấp bách mang tính xã hội, tính kinh tế góp phần cùng với nhịp độ tăng trưởng kinh tế chung cho đất nước. Với sự ra đời Nhà máy lọc dầu số 1 với công suất 6,5 triệu tấn/năm tại Khu Công Nghiệp Dung Quất, tỉnh Quảng Ngãi. Cần thiết phải có nhà máy sản xuất Polypropylene đưa vào vận hành đồng thời. Mặt khác, trong thời đại ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của các tiến bộ khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng vào trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau cũng đã trở nên rất phổ biến. Nhờ có sự xuất hiện của các công cụ đắc lực này mà việc điều khiển, vận hành các quy trình công nghệ ngày càng hiện đại và tối ưu hơn. Bên cạnh đó, các phần mềm chuyên dụng này còn giúp các nhà thiết kế cũng như vận hành có thể tiến hành tính toán, thiết kế và tối ưu các thông số của quá trình. Đó chính là nhờ sự ra đời của các phần mềm mô phỏng. Các phần mềm mô phỏng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với ngành dầu khí nói riêng và các ngành kỹ thuật khác nói chung. Nó cho phép người sử dụng tiến hành các thao tác mô phỏng một quy trình đã có trong thực tế hoặc thiết kế một quy trình mới nhờ có thư viện dữ liệu phong phú và chính xác với từng ngành khác nhau. Một trong số đó chính là phần mềm Hysis Là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa học, đặc biệt trong lĩnh vực lọc - hóa dầu, polymer, hóa dược. Từ những phân tích trên, em quyết định chọn đề tài: “Tổng quan công nghệ và mô phỏng thiết kế nhà máy sản xuất Polypropylene – Năng suất: 150000 Tấn/năm” bằng phần mềm Hysis. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PROPYLENE: Propylen (tên thông thường), có tên quốc tế là Propen là một hydrocacbon không no, thuộc họ alken. - Công thước phân tử: C3H6 - Công thức cấu tạo: Là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất Polypropylene. Các nguồn thu nhận Propylene chính: [1] Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất Polypropylene là Propylene. Sản xuất Propylene là lĩnh vực sản xuất quy mô lớn, có mức tăng trưởng nhanh. Propylene là nguyên liệu cho nhiều sản phẩm hóa dầu quan trọng nhưng cho đến nay nó vẫn được coi là sản phẩm phụ hoặc sản phẩm đồng hành của các nhà máy lọc dầu (NMLD) và các nhà máy sản xuất Ethylene. Về cơ bản, toàn bộ lượng Propylene sử dụng cho công nghiệp hóa chất đều được sản xuất từ các NMLD (cracking xúc tác) hoặc là đồng sản phẩm của Ethylene trong các nhà máy cracking bằng hơi nước. Ngoài ra, còn những lượng Propylene tương đối nhỏ được sản xuất bằng các phương pháp khác như: Tách Hyđrogen khỏi Propane, phản ứng trao đổi Etylene – Butene, chuyển hoá từ Methanol (MeOH - UOP/Hydro MTO hay Lurgi MTP). Trong một báo cáo thị trường của tập chí Nghiên cứu thị trường công nghiệp hoá chất thế giới tháng 11-2003, thì sản lượng Propylene của thế giới khoảng 72 triệu tấn trong đó: 61% từ cracking bằng hơi nước (tỉ lệ Propylene:Ethylene là 3,5:10 đến 6,5:10); 36% từ NMLD; 3% các quá trình còn lại. Hình 1 : Các nguồn thu nhận Propylene[2] 1.1.1. Tính chất vật lý [3] Propylen có công thức phân tử (C3H8), công thức cấu tạo CH2 = CH - CH3 là thành viên đơn giản thứ hai trong họ Alkene. Propylen là một chất khí, không tan trong nước, trong dầu mỡ, dung dịch Amoni Đồng cũng như các chất lỏng phân cực như: Ether, Etanol, Axeton, Fufurol...Do trong phân tử có liên kết pi , nhưng tan tốt trong nhiều sản phẩm hóa dầu quan trọng, và là chất khí dễ cháy nổ. Propylen cũng là nguyên liệu không màu, không mùi, do đó người ta thường pha thêm mercaptan có mùi gần giống như tỏi vào thành phần của nó để dễ dàng nhận biết. − Sau đây là các hằng số vật lý cơ bản của Propylen: − Khối lượng phân tử: 42,08 đvC. − Áp suất tới hạn: Pc = 4.7MPa. − Tỷ trọng ở trạng thái lỏng (15oC, 760mmHg): 0.51. − Tỷ trọng ở trạng thái hơi (15oC,760mmHg): 1.49. − Độ tan (trong nước ở -50oC): 0.61g/m3. − Độ nhớt(20oC): 0.3cSt, (tại 20oC và 1at 8.35.10-6N.s/m2). − Độ nhớt (16,7oC):8,34µ Pa*s. − Nhiệt độ tới hạn: Tc = 92.30C. − Nhiệt nóng chảy: -185.2oC(88K). − Nhiệt độ sôi: -47.6oC (225.5K). − Nhiệt cháy: 10.94 kcal/kg ở 25oC. − Điểm bốc cháy: -108oC. − Giới hạn nồng độ hỗn hợp nổ với không khí: 2.0% ÷ 11,7%. − Độ acid: 43 (44 in DMSO). − Hằng số khí R= 198. 1.1.2. Tính chất hóa học [4] Liên kết pi ở nối đôi của anken kém bền vững nên trong phản ứng dễ bị đứt ra để tạo thành liên kết σ với các nguyên tử khác. Vì thế liên kết đôi C=C là trung tâm phản ứng gây ra những phản ứng hóa học đặc trưng cho anken như phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp và phản ứng oxi hóa. Phản ứng cộng Hydro (Hydro hóa). Khi có mặt của chất xúc tác Ni, Pt, Pd, cùng với nhiệt độ thích hợp thì Propylen cộng Hidro vào nối đôi tạo thành Propan, phản ứng tỏa nhiệt: R1R2C=CR3R4 + H2 R1R2CH-CHR3R4 CH2=CH-CH3 + H2 CH3-CH2-CH3 xt,to xt,to Phản ứng cộng Halogen (Halogen hóa). Clo và Brom dễ cộng hợp với Propylen để tạo thành dẫn xuất đihalogen không màu, do tính chất làm mất màu dung dịch Clo (Brom) nên người ta thường dùng dung dịch nước Clo (brom) để nhận biết anken: CH2 = CH - CH3 + Cl2 ClCH2-CHCl-CH3. (1,2 diclopropan). Phản ứng cộng Acid và cộng nước.  Cộng Acid. Hydrogen halogenua, Acid sunfuric đậm đặc...có thể cộng vào Propylen. CH2=CH-CH3 + Cl-H (khí) CH3 – CHCl - CH3. Phản ứng xảy ra qua 2 giai đoạn liên tiếp: - Phân tử H+-Cl- bị phân cắt, H+ tương tác với liên kết pi tạo thành cacbocation, còn Cl - tách ra. - Cacbocation là tiểu phân trung gian không bền, kết hợp ngay với anion Cl - tạo thành sản phẩm.  Cộng nước (Hidrat hóa). Ở nhiệt độ thích hợp và có xúc tác Acid, Propylen có thể cộng hợp nước: CH2=CH2-CH3 +H-OH CH3 - CH 2 - CH2 - OH (Propanol) Quy tắc cộng hợp tuân theo quy tắc Mac - côp – nhi - côp, (Phần điện tích dương của tác nhân cộng vào cacbon mang nhiều H hơn (tức là cacbon bậc thấp hơn), còn phần mang điện tích âm của tác nhân sẽ cộng vào cacbon mang ít H hơn). Phản ứng trùng hợp. Propylen có khả năng cộng hợp nhiều phân tử lại với nhau tạo thành những phân tử mạch rất dài và có khối lượng rất lớn trong điều kiện nhiệt độ, áp suất, xúc tác thích hợp: n CH2 = CH ( - CH - CH - ) n CH CH PolyPropylen. Phản ứng trùng hợp là quá trình cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử nhỏ giống nhau hoặc tương tự nhau tạo thành những phân tử rất lớn gọi là polymer. Phản ứng Oxi hóa. Propylen cũng như các Hydrocacbon khác khi cháy tạo thành CO2, H2O và tỏa nhiều nhiệt. 2 C3H6 + 9 O2 6 CO2 + 6H2O. Ngoài ra Propylen cũng có khả năng làm mất màu quỳ tím như những Anken khác. 3C3H6 + 2KMnO4 + 4H2O 3CH3-CH(OH)-CH2OH + MnO2 + 2KOH 1.1.3. Quá trình phát triển và các nguồn thu nhận chính [5] Những nguồn thu nhận chính của propylen từ quá trình cracking (crackinh xúc tác hoặc crackinh hơi) các hydrocacbon. Lúc đầu quá trình này được thiết kế để sản xuất những sản phẩm khác, propylen chỉ là sản phụ không mong muốn. Quá trình này sinh ra nhiều sản phẩm phụ, hàm lượng Propylen sinh ra tùy thuộc nguồn nguyên liệu và điều kiện phản ứng. Nguồn nguyên liệu chính là dầu mỏ và etan. Khi dầu mỏ trở thành nguồn nguyên liệu chính thì hàm lượng Propylen sản xuất được tăng lên. Sự tiêu thụ tăng lên dẫn đến tăng độ nghiêm ngặt quá trình cracking xúc tác của nhà máy lọc dầu, kết quả là tăng lượng sản phẩm Propylen. Propylen thu được từ quá trình crackinh xúc tác của nhà máy lọc dầu được làm sạch bằng quá trình chưng cất để loại bỏ Propan và phần không tinh khiết khác. Propylen loại thương mại hóa (xấp xỉ 95% propylen) và loại trùng hợp (>99,5% Propylen) có tạp chất chủ yếu là Propan. Propylen cũng được sản xuất bằng sự chuyển vị giữa buten và etylen . Quá trình này được đưa vào nhà máy lọc dầu hoặc phân xưởng crackinh hơi để tăng sản phẩm propylen. Lúc đầu quá trình này được phát triển bởi Phillip nhưng bây giờ bản quyền là của ABB LUMMUS. Ngoài ra Propylen còn được sản xuất bằng cách khử hydro của Propan dưới tác dụng của xúc tác, quá trình này được dự đoán là quá trình cung cấp Propylen chính ở Trung Đông. Hai quá trình chính đang áp dụng là quá trình Catofin trước đây được phát triển bởi Houdry và giờ cấp phép bởi ABB Lummus và quá trình Oleflex được cấp phép bởi UOP. Khí thiên nhiên có thể được dùng như nguyên liệu cho quá trình sản xuất PP bằng cách thêm quá trình Lugri MTP vào một nhà máy sản xuất methanol thông thường. Nhìn chung, về cơ bản, toàn bộ lượng Propylen sử dụng cho công nghiệp hóa chất đều được sản xuất từ các NMLD (crackinh xúc tác) hoặc là đồng sản phẩm của Etylen trong các nhà máy crackinh bằng hơi. Ngoài ra còn một lượng Propylen tương đối nhỏ được sản xuất bằng phương pháp khác như: Tách Hydro khỏi Propan, phản ứng trao đổi Etylen – Butene, chuyển hóa từ Methanol. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ HYDROGENE:[6] - Công thức phân tử : H2 - Công thức cấu tạo : H – H Hydrogen là khí nhẹ nhất trong tất cả các khí, được tìm thấy trong khí quyển với nồng độ rất thấp, phần lớn thu được từ các quá trình trong nhà máy lọc dầu (Reforming xúc tác chiếm khoảng 70 – 90 % thể tích ), khí thiên nhiên, than cốc, điện phân dung dịch… Hình 2 : Phân xưởng thu hồi Hydrogen trong Nhà máy lọc dầu (PSA) 1.2.1. Tính chất vật lý: [7] Ở nhiệt độ thường, Hydrogen là chất khí không màu, không mùi, không vị, tan ít trong nước (1,6 mg/l) và các dung môi hữu cơ, khả năng cháy nổ cao, không duy trì sự sống và dễ dàng phản ứng với các chất, hợp chất hóa học khác. Bảng 1 : Một số tính chất vật lý của Hydrogen Khối lượng phân tử, (g/mol) 2,016 Khối lượng riêng ở thể lỏng, (g/cm3) 0,06986 Khối lượng riêng ở thể khí, (g/cm3) 0,001312 Nhiệt độ ngưng tụ, (oC) - 252,6 Nhiệt độ kết tinh, (oC) -259 Nhiệt độ tới hạn, (oC) -230,82 Áp suất tới hạn, (bar) 19,29 Giới hạn cháy nổ với không khí, (%V) 4,0 ÷ 75 Độ nhớt ở 15 oC, (cP) 0,00866 Năng lượng liên kết H-H, (kj/mol) 435 Độ dài liên kết, ( oA) 0,74 1.2.2. Tính chất hóa học [8] • Tính bền nhiệt : Phân tử H2 có độ bền nhiệt lớn, nên rất khó phân hủy thành nguyên tử. Quá trình phân hủy thu nhiệt nhiều. H2 → 2H, ΔH = 435 (KJ/mol) • Tính oxy hóa : Ở nhiệt độ thường, Hydrogen rất kém hoạt động nhưng khi đun nóng kết hợp được với nhiều nguyên tố. Khi phản ứng với chất khử mạnh như các kim loại kiềm, kiềm thổ thì Hydrogen thể hiện tính oxy hóa. 2Li + H2 → 2LiH • Tính khử :  Phản ứng với Oxy Ở nhiệt độ thường H2 không phản ứng với Oxy mà bắt đầu phản ứng ở nhiệt độ 550oC. 2 2 22H (K) + O (K) 2H O(K)→ , ∆H = - 241,82(KJ/mol) Khi cháy với Oxy nguyên chất làm nhiệt độ ngọn lửa lên đến 2500oC, nên được ứng dụng trong công nghiệp hàn, cắt kim loại. Tuy nhiên, nếu ở tỉ lệ thích hợp 2:1 thì phản ứng trên trở thành phản ứng nổ rất nguy hiểm.  Phản ứng với kim loại kém hoạt động (trừ các oxyt kim loại hoạt động từ đầu dãy điện hoá đến Al) 2 2 3 4 2 2 CuO H Cu H O; Fe O 4H 3Fe H O; + → + + → +  Phản ứng cộng Tham gia các phản ứng Hydrogen hoá các hợp chất không no, tác nhân ngắt mạch các phản ứng dây chuyền tạo chuỗi polymer. Đặc biệt, Hydrogen có