Mô phỏng và tối ưu qui trình sản xuất methylamine bằng phần mềm hysys - Hồ Tấn Thành

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 24 MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU QUI TRÌNH SẢN XUẤT METHYLAMINE BẰNG PHẦN MỀM HYSYS Hồ Tấn Thành, Bùi Thu Hà Trường Đại Học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM Ngày gửi bài: 10/5/2016 Ngày chấp nhận đăng: 10/6/2016 TÓM TẮT Phần mềm HYSYS là một công cụ mô phỏng hiệu quả các qui trình sản xuất. Chúng tôi đã ứng dụng phần mềm này để mô phỏng qui trình sản xuất methylamin và khảo sát ảnh hưởng của các thông số: tỉ lệ nguyên liệu, áp suất và nhiệt độ phản ứng đến qui trình sản xuất. SIMULATING AND OPTIMIZING THE METHYLAMINES MANUFACTURING PROCESS BY HYSYS SOFTWARE ABSTRACT HYSYS simulation software is an effective tool to help simulate the production process. We have simulated methylamine production process and examine the influence of the ratio of raw materials, pressure and temperature of the reaction to the product yield. 1. GIỚI THIỆU Một số methylamine như: monomethylamin (MMA), dimethylamin (DMA) và trimethylamin (TMA) là những nguyên liệu quan trọng cơ bản trong hóa học hữu cơ. Các nguyên liệu này được áp dụng rộng rãi trong những ngành công nghiệp như: thuốc trừ sâu, dược phẩm, công nghiệp thuộc da, nhuộm, sợi hóa học và chất hoạt hóa bề mặt. Với thời đại hội nhập hiện nay, các quá trình tối ưu đã được số hóa bằng các phần mềm có khả năng tính toán và tối ưu gấp nhiều lần so với phương pháp thủ công. Vì vậy nhóm nghiên cứu chọn phần mềm mô phỏng HYSYS để mô phỏng qui trình sản xuất methylamine và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất để tìm điều kiện vận hành tối ưu. 2. PHẢN ỨNG TẠO METHYLAMINE TỪ METHANOL VÀ AMMONIA 2.1. Cơ chế phản ứng Phản ứng tạo thành methylamine tuân theo nguyên tắc N-ankyl hóa, là quá trình thay thế một hay nhiều nguyên tử H hoạt động trong hợp chất nitơ bằng một hay nhiều nhóm ankyl. Ở đây hợp chất nitơ là (NH3) và nhóm ankyl là (CH3) [1]. Phương pháp áp dụng trong sản xuất là phương pháp Leonard, dựa trên các phản ứng pha hơi giữa methanol và ammonia có sự hiện diện của chất xúc tác. Xúc tác thường dùng là Al2O3, có tác dụng dehydrat hóa methanol và amin hóa methanol. Trong quá trình phản ứng, luôn tạo ra cả 3 sản phẩm methylamine là monomethylamine (MMA), dimethylamine (DMA) và trimethylamine (TMA) [4]. Các phản ứng chính (phản ứng chuyển hóa hoàn toàn) [1], [2], [4]: NH3 + CH3OH  CH3NH2 + H2O (1) CH3NH2 + CH3OH  (CH3)2NH + H2O (2) (CH3)2NH + CH3OH  (CH3)3N + H2O (3) Các phản ứng phụ (phản ứng thuận nghịch) [4]: KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 25 2CH3NH2 k1 → (CH3)2NH + NH3 (5) 2(CH3)2NH k2 → CH3NH2 + (CH3)3N (6) (CH3)3N +NH3 k3 → CH3NH2 + (CH3)2NH (7) 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Các thông số của quá trình được thực hiện như sau [2]: - Tỉ lệ nguyên liệu theo mol: 1,2÷4. - Nhiệt độ phản ứng: 350÷500oC. - Áp suất phản ứng: 14÷17bar. - Độ chuyển hóa của các phản ứng chính theo methanol [4]: Phản ứng (1): 50÷80%, Phản ứng (2): 30÷60%, Phản ứng (3): 30÷60% 3. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 3.1. Các bước thực hiện Bước 1: Chọn cấu tử: methanol, ammonia, methylamine (MMA), dimethylamine (DMA), trimethylamine (TMA), H2O. Bước 2: Chọn hệ nhiệt động phù hợp. Ở đây chọn hệ nhiệt động PRSV (Peng- Robinson Stryjek Vera) là hệ nhiệt động sử dụng phổ biến khi mô phỏng các qui trình sản xuất mà nguyên liệu và sản phẩm tuân theo phương trình phản ứng với độ chuyển hóa không lý tưởng (không đạt 100%). Bước 4: Thiết lập phản ứng (Reaction), chọn phản ứng chuyển hóa (Conversion) Bước 5: Tạo 2 dòng nguyên liệu với tỉ lệ mol methanol:ammonia = 2:1. Bước 6: Thực hiện phản ứng với thiết bị phản ứng tại điều kiện thích hợp. Bước 7: Tinh chế sản phẩm. Bước 8: Hồi lưu các dòng nguyên liệu còn dư trở lại qui trình. 3.2. Qui trình sản xuất methylamin Methanol nguyên liệu (S1) sau khi được trộn với methanol dư ở thiết bị (1), sẽ hóa hơi ở thiết bị (2), rồi trộn với ammonia và các nguyên liệu hoàn lưu với tỉ lệ hợp lý ở thiết bị (3), duy trì áp suất từ 14÷17bar ở thiết bị (4), nhiệt độ từ 400÷500oC. Hỗn hợp hơi ra được dẫn qua thiết bị phản ứng (5) có chứa xúc tác. Hỗn hợp sản phẩm thô ra khỏi thiết bị (5) được giải áp về áp suất khí quyển tại thiết bị (6), ngưng tụ tại thiết bị (7) và đưa qua thiết bị tách pha (8). Phía trên đỉnh (8) là pha hơi gồm sản phẩm và ammonia dư, phía dưới (8) là pha lỏng gồm methanol dư và nước. Hỗn hợp lỏng ra khỏi (8) được dẫn qua tháp chưng cất (9) để thu hồi methanol trở lại hệ phản ứng. Hỗn hợp hơi ra khỏi (8) được dẫn qua tháp chưng cất (10). Trên đỉnh tháp (10), NH3 được tách ra, hoàn lưu trở lại, pha lỏng dẫn sang tháp chưng cất (11). Ở tháp chưng cất (11) tách MMA, tháp chưng cất (12) tách TMA và DMA. Toàn bộ sản KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 26 phẩm không tinh chế được (rất ít) cùng với các nguyên liệu còn dư sẽ được hồi lưu trở về hệ phản ứng qua thiết bị (13) và (14). Sơ đồ qui trình được trình bày theo hình 1 dưới đây: Hình 1. Qui trình sản xuất methylamine sau khi mô phỏng Bảng 1. Số liệu các dòng và tỉ lệ phần mol của các chất 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ BÀN LUẬN 4.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ methanol:ammonia đến suất lượng sản phẩm trên mô hình đã mô phỏng Theo lý thuyết tỉ lệ mol methanol:ammonia = (1,0÷4,0):1. Chúng tôi cố định áp suất 15,5bar, nhiệt độ phản ứng 400oC và thay đổi tỉ lệ mol methanol:ammonia trong khoảng trên. Kết quả mô phỏng khi thay đổi tỉ lệ giữa methanol và ammonia được trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ methanol:ammonia đến suất lượng Tỉ lệ MMA (kmol/h) DMA (kmol/h) TMA (kmol/h) Methan ol (kmol/h) NH3 (kmol/h) H2O (kmol/h) 1,0:1 70,245 34,666 34,727 34,648 350,660 242,540 1,5:1 173,260 35,355 35,343 35,340 152,740 247,380 2,0:1 237,650 40,346 40,354 40,344 0 270,610 2,5:1 193,230 48,731 48,737 48,728 0 262,170 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 27 3,0:1 0 149,850 122,030 63,597 0 247,670 3,5:1 0 27,179 237,550 76,593 0 237,550 4,0:1 0 0,000 245,900 104,040 0 210,900 Hình 2. Biểu đồ quan hệ giữa các dòng sản phẩm và tỉ lệ nguyên liệu Tỉ lệ mol methanol: ammonia thay đổi làm suất lượng sản phẩm thay đổi như sau: - Methanol: ammonia = (1÷2,5):1 thu được cả 3 amine, nhiều nhất là MMA và dư cả 2 nguyên liệu. - Methanol: ammonia = 3:1 chỉ thu DMA và TMA, trong đó nhiều nhất là DMA và chỉ dư methanol. - Methanol: ammonia = (3,5÷4,0):1 thu được sản phẩm duy nhất là TMA (hoặc rất ít DMA, còn lại là TMA) và chỉ dư methanol. Qua bảng số liệu tổng hợp và đồ thị cho thấy tỉ lệ mol methanol: ammonia tương ứng 2:1 sẽ cho phản ứng tối ưu tạo ra sản phẩm chính methylamine (MMA). 4.2. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất phản ứng đến suất lượng sản phẩm trên mô hình mô phỏng Mô phỏng quá trình với thông số cố định là tỉ lệ mol methanol: ammonia là 2:1 và nhiệt độ phản ứng là 450oC; áp suất phản ứng thay đổi trong khoảng từ 14 đến 17bar. Kết quả mô phỏng khi thay đổi thay đổi áp suất được trình bày ở bảng 3: Bảng 3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất phản ứng đến suất lượng sản phẩm Áp Suất (bar) MMA (kmol/h) DMA (kmol/h) TMA (kmol/h) Methanol (kmol/h) NH3 (kmol/h) H2O (kmol/h) 14,0 222,900 37,770 37,770 37,764 56,355 264,350 14,5 223,640 37,749 37,748 37,743 55,820 264,200 15,0 224,030 37,708 37,706 37,701 55,846 263,900 15,5 224,380 37,663 37,662 37,656 55,966 263,590 16,0 225,040 37,640 37,638 37,632 55,530 263,420 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 28 Hình 3. Biểu đồ quan hệ giữa các dòng sản phẩm và áp suất phản ứng Qua bảng số liệu và đồ thị cho thấy áp suất 15,5bar sẽ cho phản ứng tối ưu tạo ra sản phẩm chính methylamine (MMA) và lượng sản phẩm phụ sinh ra là ít nhất. 4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến suất lượng sản phẩm Mô phỏng quá trình với thông số cố định là tỉ lệ mol methanol:ammonia là 2:1 và áp suất phản ứng là 15,5bar; nhiệt độ phản ứng được thay đổi trong khoảng: 350÷500oC, Kết quả mô phỏng khi thay đổi nhiệt độ được trình bày ở bảng 4 như sau: Bảng 4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến suất lượng sản phẩm Nhiệt độ ( o C) MMA (kmol/h) DMA (kmol/h) TMA (kmol/h) Methanol (kmol/h) NH3 (kmol/h) H2O (kmol/h) 350 235,090 46,675 40,728 37,701 32,855 263,900 400 243,140 37,708 37,707 37,701 36,742 263,900 450 224,030 37,708 37,706 37,701 55,846 263,900 500 175,650 37,871 37,866 37,863 102,620 265,040 Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa các dòng sản phẩm và nhiệt độ phản ứng Qua bảng số liệu và đồ thị cho thấy nhiệt độ tương ứng 400oC sẽ cho phản ứng tối ưu tạo ra sản phẩm chính methylamine (MMA). 4.4. Kết quả Khi thay đổi các thông số phản ứng (tỉ lệ nguyên liệu, nhiệt độ và áp suất phản ứng) thì suất lượng sản phẩm của quá trình thay đổi rõ rệt. Tổng hợp các kết quả khảo sát trên mô hình mô phỏng rút ra được các thông số tối ưu để vận hành quy trình như sau: KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & THỰC PHẨM SỐ 09/2016 29 Bảng 5. Thông số tối ưu của quá trình sản xuất methylamine Thông số Kết quả Tỉ lệ mol methanol:ammonia 2:1 Áp suất phản ứng 15,5 bar Nhiệt độ phản ứng 400oC 5. KẾT LUẬN Tối ưu hóa các quá trình sản xuất là một việc làm thường xuyên và là bắt buộc của các nhà máy. Tuy nhiên vận hành trên quy trình thực sẽ tốn rất nhiều thời gian và chi phí. Do đó việc ứng dụng phần mềm mô phỏng Hysys để mô hình hóa và tối ưu hóa quy trình sản xuất sẽ giúp các nhà máy rút ngắn được thời gian và tiết kiệm chi phí trong quá trình xác định điều kiện vận hành tối ưu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS,TSKH Phan Đình Châu (2008), Các quá trình cơ bản tổng hợp hữu cơ, NXB Khoa học & Kỹ thuật. [2]. Phạm Thanh Huyền, Nguyễn Hồng Liên (2006), Công nghệ tổng hợp hữu cơ – hóa dầu, NXB Khoa học & Kỹ thuật. [3]. Nguyễn Thị Minh Hiền (2012), Mô phỏng công nghệ hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. [4]. Seyed Soheil Masouri, Muhammad Imran Ismall (2012), A systematic approach for conceptual and sustainable process design: Production of methylamines from methanol and ammonia, Technical University of Denmark. [5]. HYSYS 2006 Simulation Basis, Aspentech driving process profitability.