ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa Kỹ thuật hoá học
Bộ môn Kỹ thuật hoá dầu
*****
Đề cương luận văn Thạc sĩ
Đề tài
MÔ PHỎNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẢO DÒNG
SỬ DỤNG XÚC TÁC Ni/Al
2
O
3
ĐỂ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HOÁ RIÊNG PHẦN KHÍ METHANE
(MODELLING REVERSE FLOW REACTOR USING Ni/αAl2O3
AS CATALYST FOR PRODUCTION OF SYNGAS
BY PARTIAL OXIDATION OF METHANE)
Giảng viên hướng dẫn: TS. THÁI NGUYỄN HUY CHÍ
ThS. TRẦN HẢI ƯNG
Học viên: Phan Thị Dạ Thảo
Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá dầu
Khoá: 2010
Thời gian thực hiện: 2/2011 – 6/2011
-----------
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 2
Phần 1. MỞ ĐẦU
1.1- Cơ sở khoa học và thực tiễn
Việc khai thác khí tự nhiên hiện nay đang được chú trọng bởi nhiều lý do.
Trong tự nhiên, khí tự nhiên khá dồi dào, chứa chủ yếu là khí methane (90%) đã trở
thành nguồn tài nguyên đầy tiềm năng như một loại nguyên liệu thô cho rất nhiều quá
trình sản xuất hóa chất, bởi nó có sẵn và rất khả thi về mặt kinh tế. Những nghiên cứu
dựa trên methane như steam reforming, cacbon dioxide reforming và oxy hóa methane
(trực tiếp hay gián tiếp) tạo ra sự chú ý đặc biệt. Đây là một nguồn tài nguyên mới đầy
tiềm năng để cung cấp năng lượng, nhiên liệu và nguyên liệu đầu vào cho thế giới
trong một tương lai gần. Bên cạnh đó, khí methane là một trong khí gây ra hiệu ứng
nhà kính, tác hại chỉ đứng sau CO2.
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của khí thiên nhiên là để sản xuất
khí tổng hợp (syngas). Khí tổng hợp là hỗn hợp của cacbon monoxide và khí hydro
với những tỉ lệ mol khác nhau. Khí tổng hợp có thể được sử dụng như một nguồn sản
xuất khí hydro (bằng cách loại bỏ cacbon monoxide trong syngas). Ngoài ra, khí tổng
hợp còn dùng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp ammonia/urea, quá trình tổng
hợp methanol, quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch. Trong khi giá nhiên liệu từ nguồn
dầu mỏ truyền thống hiện tăng cao thì quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch được đánh
giá là một quá trình rất tiềm năng, đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của thế giới
về việc sử dụng nhiên liệu hydrocacbon lỏng bằng cách tổng hợp từ các hydrocacbon
dạng khí giống như khí thiên nhiên. Ở góc độ kinh tế và kỹ thuật, rõ ràng khí thiên
nhiên nên được chuyển hóa thành chất lỏng.
Một số quy trình sản xuất khí tổng hợp từ khí thiên nhiên gồm steam
reforming, CO2 reforming, và oxy hóa riêng phần. Trong đó, quá trình steam
reforming và quá trình oxy hóa riêng phần có sử dụng xúc tác đã được đưa vào thương
mại hóa với nhiều mức độ khác nhau, trong khi CO2 reforming vẫn đang trong quá
trình nghiên cứu phát triển. Tất cả các quá trình sản xuất syngas từ methane hay khí
thiên nhiên thường xảy ra ở nhiệt độ khá cao, khoảng hơn 800ºC. Do đó, một lượng
năng lượng lớn được sử dụng để duy trì nhiệt độ cao cho phản ứng đã trở thành một
vấn đề khi ứng dụng các quá trình này vào công nghiệp.
Điều quan trọng trong khi thực hiện phản ứng Fisher-Tropsch là điều chỉnh tỉ lệ
H2/CO. Khi sản xuất khí tổng hợp thực tế, những quá trình reforming như reforming
khí methane dùng hơi nước – Steam-reforming of methane (SRM) hoặc reforming khí
methane dùng khí CO2 – Carbon dioxide reforming of methane (CRM) đều gặp những
trở ngại lớn vì cả hai phản ứng reforming trên đều cần phải qua quá trình điều chỉnh tỉ
lệ H2/CO. Trong khi đó, phương pháp oxy hoá riêng phần methane – partial oxidation
of methane (POM) là một quá trình tỏa nhiệt nhẹ, lại có ưu thế hơn nhờ tạo ra H2 và
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 3
CO có tỷ lệ phù hợp cho phản ứng Fisher-Tropsch. Do đó, quá trình oxy hóa riêng
phần methane thành syngas có thể giảm đáng kể phí cho quá trình thiết kế, chế tạo và
vận hành của thiết bị khi so sánh với syngas sản xuất từ các quá trình khác. Tuy nhiên,
khó khăn ở đây là việc điều khiển quá trình oxy hoá riêng phần methane để khắc phục
hiện tượng quá nhiệt cục bộ và nguy cơ cháy nổ.
Trong phản ứng oxy hoá riêng phần methane, dòng nhập liệu gồm khí tự nhiên
và không khí cần phải gia nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ vận hành của thiết bị để đạt được
hiệu suất thu khí tổng hợp cao hơn do đó bộ phận trao đổi nhiệt sử dụng nhiệt thu hồi
được đánh giá là cần thiết cho quá trình oxy hoá riêng phần. Việc bổ sung một thiết bị
truyền nhiệt có chi phí khá cao, do đó bộ trao đổi nhiệt thu hồi sẽ thích hợp hơn để
thực hiện ngay bên trong bình phản ứng, và điều này hoàn toàn có thể đạt được khi sử
dụng thiết bị phản ứng đảo dòng – reverse flow reactor (RFR).
Từ quan điểm này, quá trình oxy hóa riêng phần khí thiên nhiên thực sự có tính
khả thi trong việc áp dụng cho các thiết bị tự điều nhiệt (Autothermal reactor), đặc biệt
trong thiết bị phản ứng đảo dòng tự điều nhiệt. Tuy nhiên việc ứng dụng của thiết bị
phản ứng đảo dòng tự điều nhiệt vào công nghiệp vẫn còn rất hạn chế. Hiện nay, chỉ
có một vài phân xưởng oxy hóa riêng phần methane bằng xúc tác dùng không khí và
khí thiên nhiên được sử dụng.
Việc mở rộng phát triển thiết bị phản ứng đảo dòng oxy hóa riêng phần khí
thiên nhiên thành syngas có những trở ngại nhất định: (1) Phải phát triển xúc tác mang
tính kinh tế với chi phí thấp, hoạt tính và độ chọn lọc cao, chống hình thành coke tốt,
nhiệt độ làm việc thấp; (2) Phải tạo ra xúc tác monolith bằng phương pháp phủ hiệu
quả, với độ chống ăn mòn cao, tuổi thọ cao và độ ổn định tốt; (3) Cần phát triển các
thiết bị phản ứng thích hợp có cấu trúc đơn giản, tổn thất áp suất nhỏ, chống gia nhiệt
cục bộ, hoạt động lâu dài và ổn định, thích hợp với chi phí làm việc thấp; (4) Đòi hỏi
phải tách oxy tinh khiết từ không khí trong trường hợp oxy hóa dùng oxy tinh khiết
hay là quá trình phân tách nitơ khỏi sản phẩm trong trường hợp sử dụng không khí
như một tác nhân oxy hóa.
Sự phát triển của thiết bị phản ứng đảo dòng để sản xuất syngas bằng cách oxy
hóa riêng phần methane vẫn đang còn ở những bước đầu, vì có khá nhiều cản trở về
mặt kỹ thuật như việc chuẩn bị xúc tác, thiết kế thiết bị, mô phỏng thiết bị và tiến
hành sản xuất. Hơn nữa, việc sử dụng xúc tác trong thiết bị phản ứng đảo dòng đang
được nghiên cứu để khắc phục những trở ngại được đề cập ở trên. Cấu trúc thích hợp
của thiết bị phản ứng đảo dòng sử dụng xúc tác Ni/α-Al2O3 và điều kiện vận hành
thích hợp cũng được nghiên cứu và hoàn thiện để làm rõ tiềm năng của thiết bị. Do đó
những nghiên cứu về vấn đề này đóng một vai trò hết sức quan trọng.
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 4
1.2- Ý nghĩa của nghiên cứu
Quá trình oxy hóa riêng phần khí methane để sản xuất khí tổng hợp đặc biệt áp
dụng trong thiết bị phản ứng đảo dòng sử dụng xúc tác là một nghiên cứu thách thức
và đầy hứa hẹn, thích hợp cho việc áp dụng cho khí thiên nhiên có hàm lượng
methane cao như ở Việt Nam.
Chúng ta nên khảo sát nghiên cứu quá trình sản xuất syngas theo hướng oxy
hóa riêng phần khí thiên nhiên bởi sản phẩm của quá trình này có giá trị cao và có thể
áp dụng vào nhiều mảng sản xuất sau như là tổng hợp ammonia/urea, pin nhiên liệu,
sản xuất methanol, những hydrocacbon dạng lỏng bằng quá trình tổng hợp Fischer-
Tropsch.
Có khá nhiều lợi ích kinh tế và cả về mặt kĩ thuật nếu thiết bị phản ứng đảo
dòng tự điều nhiệt được áp dụng thành công. Quá trình sản xuất khí tổng hợp sẽ nhận
được nhiều thuân lợi nếu loại thiết bị này được phát triển. Đầu tiên, thiết bị này sẽ tiết
kiệm nhiều năng lượng vận hành hơn những thiết bị hiện dùng bởi không cần cung
cấp nhiệt để duy trì nhiệt độ cao trong thiết bị phản ứng. Do đó, việc đầu tư cho toàn
bộ hệ thống sẽ giảm xuống đáng kể. Nhìn từ quan điểm của chi phí vận hành, các thiết
bị được giảm bớt, tiết kiệm được nhiều chi phí hơn. Bằng việc sử dụng xúc tác thích
hợp, hiệu quả sản xuất có thể được tăng lên bằng cách tăng lưu lượng dòng tăng bởi vì
loại thiết bị này có độ giảm áp thấp và thời gian tiếp xúc ngắn.
Vì thế, nghiên cứu này sẽ đóng góp cho kiến thức về sản xuất khí tổng hợp
bằng cách nghiên cứu, làm rõ những điều kiện thích hợp cho các quá trình đặc biệt:
ứng dụng của xúc tác Ni/αAl2O3 với những điều kiện nhiệt độ thuận lợi, việc sử dụng,
việc sử dụng thiết bị phản ứng đảo dòng tự điều nhiệt, đặc biệt trong quá trình oxy hóa
riêng phần. Kết quả của nghiên cứu này được mong đợi là có thể áp dụng và phát triển
trong công nghiệp để sản xuất khí tổng hợp từ nguồn nguyên liệu dồi dào là khí thiên
nhiên. Các sản phẩm lỏng có giá trị được chuyển hoá từ khí thiên nhiên với giá rẻ hơn
khi sử dụng thiết bị phản ứng đảo dòng so với công nghệ hiện giờ là đang sử dụng quá
trình steam reforming.
Kết quả của quá trình nghiên cứu được hy vọng sẽ thúc đẩy cả kĩ thuật và hiệu
quả kinh tế trong lĩnh vực sản xuất khí tổng hợp.
1.3- Nội dung nghiên cứu
Khảo sát điều kiện vận hành và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đảo dòng để
sản xuất syngas bằng việc oxi hóa riêng phần khí methane trên cơ sở dữ liệu động học
của xúc tác Ni/αAl2O3 nhờ mô phỏng và khảo sát các thông số ảnh hưởng lên thiết bị
đảo dòng tự điều nhiệt bằng phần mềm MATLAB.
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 5
Phần 2: PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1- Phạm vi nghiên cứu
Luận văn chỉ khảo sát quá trình oxy hóa riêng phần khí methane thành syngas
bằng quá trình sử dụng thiết bị phản ứng đảo dòng tự điều nhiệt. Nghiên cứu này được
hoàn thành nằm trong các phạm vi sau:
- Xúc tác được khảo sát và áp dụng cho thiết bị phản ứng đảo dòng tự điều
nhiệt cho phản ứng oxy hoá riêng phần methane là Ni/αAl2O3 . Phương trình động học
của phản ứng trên xúc tác này sẽ được sử dụng từ các kết quả nghiên cứu có từ trước
cho hệ xúc tác này và kết quả nghiên cứu động học thực của xúc tác Ni/αAl2O3 tự điều
chế.
- Mô hình của thiết bị phản ứng đảo dòng được phát triển và theo dõi bằng quá
trình đồng thể hay dị thể. Động học của quá trình oxy hóa riêng phần được xem xét
trong báo cáo này chỉ áp dụng những xúc tác tương tự như xúc tác Ni/αAl2O3 vì cho
đến bây giờ chưa có một công bố nào về động lực học của một loại xúc tác cụ thể.
Việc mô phỏng được nghiên cứu để tìm ra thông số thích hợp của thiết bị, điều kiện
vận hành cho thiết kế, chế tạo, và vận hành thiết bị thực tế.
2.2- Phương pháp nghiên cứu
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công
ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay
biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với
những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Với thư viện
Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong
thực tế và kỹ thuật.
Với các tính năng nổi bật đó, MATLAB được đánh giá là công cụ hữu ích cho
việc mô phỏng nói chung và thiết bị đảo dòng tự nhiều nhiệt nói riêng, dựa trên cơ sở
lý thuyết của cân bằng vật chất, lý thuyết động học và nhiệt động học của quá trình
oxy hoá riêng phần methane.
Để giải hệ phương trình vi phân riêng phần mô phỏng cho thiết bị đảo dòng,
chúng ta có thể sử dụng hàm số và chương trình có sẵn của phần mềm MATLAB là
pde (partial differential equation) hoặc pede (parabollic elliptic partial differential
equation)