Tính thiết bị tổng hợp Methanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ – CN HOÁ & THỰC PHẨM ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Họ và tên : VŨ VĂN THÀNH Lớp : QTTB – K49 Đầu đề thiết kế: Tính thiết bị tổng hợp Methanol: Tháp tổng hợp Methanol được chia làm 3 bậc (3 ngăn), ở mỗi ngăn được đổ đầy chất xúc tác, giữa các ngăn có buồng trộn khí lạnh. Tháp làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, từng bậc đoạn nhiệt, tức bảo đảm nhiệt độ vào và ra ở mỗi bậc nằm trong giới hạn cho phép (gần với điều kiện đẳng nhiệt). Phương trình phản ứng: CO + H2 = CH3OH. Các số liệu ban đầu: Năng suất tính theo hỗn hợp phản ứng vào tháp n = 5000 kmol/h; Nồng độ của hỗn hợp phản ứng vào tháp (tính theo mol) C = 72 %; C = 13,8 %; C= 8,8 %; C = 4,8 %; C= 0,6 %; C = 0; Chiều cao cho phép của mỗi lớp xúc tác 1,8m; Nhiệt độ phản ứng tối đa đạt được ở mỗi lớp xúc tác 390oC; Khối lượng riêng của lớp xúc tác trong khoảng 1600 ÷ 1700 kg/m3; Đường kính ống chứa xúc tác 0,6 m; Áp suất làm việc P = 240 at; Hỗn hợp khí lạnh được lấy là hỗn hợp phản ứng vào tháp ở nhiệt độ t1 = 20oC (có cùng thành phần) để hoà trộn; Nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng ra khỏi lớp xúc tác đạt tối thiểu 380oC. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Mở đầu Dây chuyển công nghệ sản xuất Methanol Tính toán thiết bị tổng hợp Methanol Tính toán truyền nhiệt Ngôn ngữ lập trình sử dụng để tính toán tháp tổng hợp Methanol Kết luận Tài liệu tham khảo Các bản vẽ và đồ thị: Sơ đồ dây chuyền công nghệ khổ A4; Đồ thị sự phụ thuộc hàm nhiệt của Methane vào nhiệt độ; Đồ thị sự phự thuộc hàm nhiệt của Methanol vào nhiệt độ; Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào độ chuyển hoá và nhiệt độ. Cán bộ hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 02/02/2009 Ngày phải hoàn thành: 23/02/2009 Trưởng khoa Cán bộ hướng dẫn thiết kế Đánh giá kết quả: Ngày … tháng … năm 2009 Cán bộ chấm bài (Họ tên và chữ ký) Ngày … tháng … năm 2009 Người nhận (Họ tên và chữ ký) LỜI NÓI ĐẦU Các quá trình hoá học là một bộ phận quan trọng của quá trình thiết bị, được ứng dụng nhiều trong công nghệ hoá chất, thực phẩm và nhiều quá trình sản xuất liên quan khác. Song nó xảy rất phức tạp. Thể hiện ở việc hình thành phản ứng hoá học phụ thuộc vào yếu tố thúc đẩy hay kiềm chế, đòi hỏi phải có nguồn năng lượng hoạt hoá. Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ. Cân bằng hoá học là giới hạn của quá trình chuyển hoá. Hướng của phản ứng hoá học được quyết định do điều kiên nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu, … Và trong quá trình đó có một lượng nhiệt lớn đựơc phát sinh hay tiêu thụ. Trong đó, thiết bị phản ứng là công cụ để thực hiện các qúa trình có kèm theo phản ứng hoá học, nhằm tạo ra những sản phẩm khác nhau. Quá trình và thiết bị phản ứng được xây dựng trên cơ sỏ kiến thức của quá trình thuỷ lực, quá trình chuyển chất và quá trình truyền nhiệt. Nó được tập hợp kiến thức nhiệt động, động hoá học và trong một số trường hợp sử dụng cả những kiến thức điện hoá, sinh hoá và quang hoá. Do đó tính toán thiệt bị phản ứng đòi hỏi phải nắm chắc mô hình tính toán khái quát cùng với những vấn đề liên quan để điều khiển được quá trình, hạn chế sự phát sinh nguồn năng lượng hoạt hoá, hoặc loại bỏ những quan hệ cân bằng bất hợp lý bằng sự thay đổi nhiệt độ, áp suất trong hệ, hoặc dùng xúc tác và các phương pháp khác như cơ học, điện hoá,… tìm điều kiện làm việc thích hợp nhất, có năng suất cao nhất. Việc tính toán được tiến hành khi đã xác định được các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình chuyển hoá như: quan hệ cân bằng hoá học, động hoá học phản ứng, sự vận chuyển nhiệt, vận chuyển chất, các dòng động lượng, khả năng hấp phụ, … ● Mục đích của đồ án môn học tính toán thiết bị phản ứng: giúp sinh viên có cái nhìn toàn vẹn và sâu sắc hơn về các quá trình hoá học, bước đầu làm quen với việc tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng, và dây chuyền sản xuất kèm theo. ● Đối tượng tính toán: Tháp tổng hợp MeOH 3 bậc, làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, trong đó từng bậc làm việc đoạn nhiệt, với nhiệt độ, chiều cao trong khoảng giới hạn cho phép. ● Nội dung: tính chiều cao mỗi bậc tháp, bằng việc tính chiều cao của từng lớp xúc tác trong từng bậc theo độ chuyển hoá đã chọn phù hợp. Trong khoảng thời gian 3 tuần em đã hoàn thành bản đồ án này, đã tính được chiều cao của từng bậc phù hợp với điều kiện đã cho. Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Bin đã tận tình hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án này. Hà Nội, ngày 23 tháng 2 năm 2009. Sinh viên Vũ Văn Thành MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ● Thiết bị phản ứng chia thành ba loại chính sau: Thiết bị khuấy gián đoạn Thiết bị khuấy liên tục Thiết bị đẩy lý tưởng ● So sánh lựa chọn thiết bị: Thiết bị loại tháp luôn làm việc ổn định và sự thay đổi của hỗn hợp phản ứng trong không gian thiết bị không phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc vào toạ độ không gian. Đối với những phản ứng phức tạp, như phản ứng nối tiếp hoặc phản ứng song song, bên cạnh độ chuyển hoá còn phải chú ý đến độ chọn lọc và hiệu suất. Để khắc phục sản phẩm không mong muốn, và độ chuyển hoá lớn thì dùng thiết bị loại tháp. Do đó thiết bị tháp thường được dùng trong sản xuất. ● Tháp phản ứng có chia ngăn đoạn nhiệt Tháp phản ứng nhiều bậc, làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, trong đó từng bậc đoạn nhiệt làm việc theo nguyên tắc đẩy lý tưởng. Để đảm bảo điều kiện làm việc đoạn nhiệt ở từng đoạn, thân tháp được bảo ôn bởi lớp cách nhiệt. Trong thực tế phần lớn các phản ứng là toả nhiệt hoặc thu nhiệt, nên không có khả năng đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt trong toàn tháp. Quá trình thu hoặc toả nhiệt kéo dài trong suốt quá trình phản ứng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ, làm nhiệt độ trong toàn tháp tăng hoặc giảm so với nhiệt độ phản ứng, nên giảm hiệu suất chuyển hóa. Để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ trong toàn tháp không quá lớn ( không xa quá so với nhiệt độ phản ứng ), tháp được chia thành nhiều bậc và giữa các bậc có sự trao đổi nhiệt. Điều này đảm bảo cho tháp làm việc cận với điều kiện đẳng nhiệt, đảm bảo độ chuyển hoá cao nhất. Như vậy, ở mỗi bậc của tháp làm việc đoạn nhiệt, nhưng trong toàn tháp đảm bảo điều kiện gần như đẳng nhiệt. Phản ứng tổng hợp methanol từ cacbonoxit và khí hydro là phản ứng toả nhiệt. Như vậy nếu hỗn hợp vào tháp ở bậc 1 có nhiệt độ trong khoảng 345 ÷ 3600C thì khi ra khỏi bậc 1 hỗn hợp sẽ có nhiệt độ gần bằng 3900C theo điều kiện làm việc đoạn nhiệt. Để đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt của tháp phải thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa các ngăn ( ở đây là quá trình làm lạnh) để đưa hỗn hợp phản ứng tới nhiệt độ phản ứng ban đầu trước khi đi vào bậc tiếp theo. Quá trình làm lạnh có thể tiến hành theo hai cách: hoặc làm lạnh trực tiếp bằng cách trộn với khí lạnh, hoặc làm lạnh gián tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt trung gian. Tuy nhiên dùng thiết bị làm lạnh trung gian có nhược điểm: tốn kém thiết bị, thiết bị hay bị bẩn phải dừng để làm sạch theo định kỳ thay xúc tác. Mặt khác thiết bị gia nhiệt trung gian còn phải có kết cấu hợp lý, gọn nhẹ, dễ dàng vận hành, trang bị tự động. Do nhiều nhược điểm như vậy nên trong thực tế người ta dùng phương pháp trộn hỗn hợp khí lạnh trực tiếp để điều chỉnh nhiệt độ giữa các ngăn, sẽ tiết kiệm đựoc thiết bị, nhưng làm thay đổi thành phần của hỗn hợp phản ứng. Nên việc tính toán phức tạp hơn. Tức là phải tính lại thành phần của hỗn hợp phản ứng sau khi trộn khí lạnh, tính nhiệt độ và lượng khí lạnh cần thiết.Thông thường người ta dùng hỗn hợp phản ứng lúc đầu làm khí lạnh. Khác với phương pháp làm lạnh trung gian bằng thiết bị trao đổi nhiệt có hệ số truyền nhiệt không đổi, thì phương pháp hoà khí lạnh có hệ số truyền nhiệt thay đổi, thông số này là hằng số khi nồng độ các chất trong hỗn hợp không đổi không đổi, thành phần của khí lạnh và hỗn hợp phản ứng như nhau và sau khi hoà vào nhau có nồng độ không đổi so với lúc đầu, tức là nồng độ của các cấu tử tham gia phản ứng vào các bậc phản ứng là như nhau. II. METHANOL Methanol là một hợp chất hoá học có công thức là CHOH (được viết tắt là MeOH). Nó là rượu đơn giản nhất, là một chất lỏng nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy và rất độc với một mùi thơm đặc biệt để phân biệt, đó là nhẹ hơn và ngọt hơn ethanol (rượu etylic). Ở nhiệt độ phòng nó là một chất lỏng phân cực, và được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, và có tính chất hoá học mạnh hơn rượu ethylic. MeOH được sản xuất từ than đá hoặc từ khí thiên nhiên ( trong điều kiện áp suất cao và có chất xúc tác), hoặc chưng phân huỷ gỗ. MeOH được sử dụng để điều chế formaldehyde để sản xuất chất dẻo, nhựa, gỗ dán, sơn, thuốc nổ, thuốc nhuôm,… Nó đựơc sử dụng thêm vào nhiên liệu được sử dụng cho xe cộ. MeOH tạo ra chất metyl tert – butyl ete ( MTBE), làm tăng chỉ số octan trong xăng dầu. PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Nước Nguyên liệu MeOH Khí bổ xung Thông áp Nước 2 3 1 4 5 6 7 1. Tháp tổng hợp 5. Thiết bị làm lạnh 2. Thiết bị gia nhiệt 6. Phân ly CH3OH 3,4. Thiết bị gia nhiệt 7. Bơm tuần hoàn II. THUYẾT MINH Hỗn hợp khí nguyên liêụ (H, CO, CO, N, CH) sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), để tận dụng nguồn nhiệt của hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp(1). Hỗn hợp khí sau khi trao đổi nhiệt xong được đưa vào thiết bị gia nhiệt (2) để nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 360oC. Ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí vào tháp bởi lượng khí lạnh bổ xung trước khi vào tháp tổng hợp (1). Trong tháp phản ứng chia thành 3 bậc, mỗi bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu, mỗi ngăn chứa một lớp xúc tác. Phản ứng xảy ra : CO + 2H2 = CHOH+ Q Do phản ứng trên là phản ứng toả nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 có nhiệt độ trong khoảng (380; 390oC). Để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu ở bậc 2 cần giảm nhiệt độ hỗn hợp khí bằng cách trộn với lượng khí lạnh để hạ nhiệt độ xuống khoảng 365oC, sau đó đi vào bậc 2. Tưong tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 có nhiệt độ cao đựoc trao đổi nhiệt độ với một lượng khí lạnh để giảm nhiệt độ xuống 365oC, sau đó vào bậc 3. Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 3 được dẫn ra ngoài tháp và đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) phía trong ống để hạ nhiệt độ xuống, sau đó vào thiết bị làm lạnh (5), được làm lạnh bằng nước, MeOH ngưng tụ thành chất lỏng, hỗn hợp khí - lỏng được chuyển vào thùng phân ly (6). MeOH lỏng được tách ra dẫn đến các công đoạn tiếp theo. Khí đi ra khỏi thiết bị phân ly là hỗn hợp (H2, N2, CO, CO2, CH4 và một phần hơi methanol chưa ngưng tụ ở dạng hơi) được trộn với khí nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7). Hốn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn chia thành hai phần: một phần đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), qua thiết bị gia nhiệt để vào tháp phản ứng, một phần không qua thiết bị gia nhiệt có nhiệt độ thấp, trộn lẫn với hỗn hợp khí có nhiệt độ cao sau khi đi ra khỏi bậc 1 và 2, khống chế nhiệt độ hỗn hợp khí vào bậc 2 và bậc 3. PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL I. TÍNH HỐN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 1 Các số liệu ban đầu: = 5000 (kmol/h) = 0% x 5000 = 0 (kmol/h) = 13,8% x 5000 = 690 (kmol/h) = 72% x 5000 = 3600 (kmol/h) = 8,8% x 5000 = 440 (kmol/h) = 4,8% x 5000 = 240 (kmol/h) = 0,6% x 5000 = 30 (kmol/h) Giả thiết: Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 360C Mỗi lớp có nhiệt độ tăng T = 5oC Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là Uch,1 = 0,0022 (kmolCHOH/kmol) Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: Uch,1 = = . = 5000 x 0,0022 = 11 (kmol/h) Theo phương trình phản ứng: CO + 2H2 = CHOH Ta có: = = 11 (kmol/h) = 2 x = 22 (kmol/h) Tính số mol ra khỏi lớp 1: = + = 0 + 11 = 11 (kmol/h) = + = 690 – 11 = 679 (kmol/h) = + = 3600 – 22 = 3578 (kmol/h) Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi = = 440 (kmol/h) = = 240 (kmol/h) = = 30 (kmol/h) Tổng số mol ra khỏi lớp 1: nh,1 = 4978 (kmol/h) Tính nồng độ mới tương ứng: C = x 100%= x 100% = 0,221 % C = x 100%= x 100% = 71,876 % C = x 100%= x 100% = 13,640 % C = x 100%= x 100% = 8,839 % C = x 100%= x 100% = 4,821 % C = x 100%= x 100% = 0,603 % Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 Dựa vào hàm nhiệt của hỗn hợp khí khi vào và ra khỏi tháp. Công thức tính hàm nhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch (kcal/kmol) Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suất dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có công thức tính sau: h = 7,1.(T – 273) (kcal/kmol) h = 7,25.(T – 473) +1700 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của metan và metanol được tính dựa vào đồ thị trong phần phụ lục. Hàm nhiệt của các cấu tử trước khi vào lớp thứ nhất: Trong đó T = 360 +273 = 6330C h = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 633 -273) = 2556 (kcal/kmol) hCO = 7,25.(T – 473) +1700 = 7,25.(633 – 473) + 1700 = 2860 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 = 7,25.( 633 – 473) + 1700 = 2860 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 = 13,4.( 633 – 473) + 4050 = 6194 (kcal/kmol) h = 4531 (kcal/mol) h = 11014,5 ( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp: h = 0,72 x 2556 + 0,138 x 2860 + 0,048 x 4531 + 0,088 x 2860 + 0,006 x 6194 = 2741,332 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1: T = 365 + 273 = 6380C h = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 638 -273) = 2591,5 (kcal/kmol) h = 7,25.(T – 473) +1700 = 7,25.(638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 = 7,25.( 638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 = 13,4.( 638 – 473 ) + 4050 = 6261 (kcal/kmol) h = 4604,15 (kcal/mol) h = 11050 ( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp là: h = 0,0022 x 11050 + 0,71876 x 2591,5 + 0,1364 x 2896,25 + 0,04821 x 4604,15 + 0,08839 x 2896,25 + 0,00603 x 6261= 2797,844 (kcal/kmol) Tính lại độ chuyển hoá Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là quá trình đoạn nhiệt. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Q = n.(h - h) Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là: Q = 5000.(2797,844 – 2741,332) = 282 560 (kcal/kmol) Tính độ chuyển hoá trong lớp 1 dựa vào lượng nhiệt Q U* = = = Coi nhiệt phản ứng = 26300 kcal/kmol không đổi trong toàn bộ lớp. U* = = 0,00215 (kmolCHOH/kmol) So sánh sai số: = x 100% = 2,27% Giá trị tính được gần bằng giá trị giả thiết nên có thể chấp nhận giả thiết ban đầu. Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là:U= 0,00215 (kmolCHOH/kmol) Tính chiều cao của lớp Trước hết phải tính tải của lớp xúc tác. = (kg xúc tác.h/ kmol) với là tốc độ phản ứng trung bình trong lớp. Dựa vào phương trình vận tốc phản ứng và thực tế sản xuất người ta đã xây dựng độ thị = f(T,U) với áp suất p = 240 at. Nhiệt độ trung bình đựoc tính theo công thức: T = T = = 362,5oC Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá ta thu được vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất là r = 0,0735 (kmol CHOH/kg xúc tác) Tải của lượng xúc tác: = = 0,0292 (kg xúc tác.h/ kmol) Lượng hỗn hợp khí trung bình trong lớp: n = (kmol/h) n = = 4989(kmol/h) Và lượng xúc tác trong lớp: = .n = 0,0292 x 4989 = 145,68 (kg) Tính chiều cao lớp dựa vào đường kính và khối lượng riêng. = (m) F = = = 0,2826 (m2) = = 0,3124 (m) Qúa trình tính toán với các lớp tiếp theo của bậc thứ nhất tương tự như trên, và được tổng hợp trong bảng số liệu 1 trang bên: Bảng 1: Kết quả tính cho bậc 1 T 0C 360 365 370 375 380 385 388 n kmol/h 0 11 21,703 32,855 43,710 55,009 61,122 n kmol/h 3600 3578 3556,595 3534,290 3512,579 3489,981 3477,756 n kmol/h 690 679 668,297 657,145 646,289 634,991 628,878 n kmol/h 240 240 240 240 240 240 240 n kmol/h 440 440 440 440 440 440 440 n kmol/h 30 30 30 30 30 30 30 Σn kmol/h 5000 4978 4956,592 4934,290 4912,568 4889,981 4877,756 C % 0 0,221 0,438 0,666 0,819 1,125 1,253 C % 72 71,876 71,755 71,627 71,502 71,370 71,298 C % 13,8 13,640 13,483 13,318 13,156 12,985 12,893 C % 4,8 4,821 4,842 4,864 4,885 4,908 4,920 C % 8,8 8,839 8,877 8,917 8,957 8,998 9,021 C % 0,6 0,603 0,605 0,608 0,611 0,613 0,615 ∆U 0,0022 0,00215 0,00225 0,0022 0,0023 0,00125 Σh 2741,332 2797,844 2853,894 2911,446 2969,088 3028,172 3061,728 ∆h 56,512 56,050 57,552 57,642 59,083 33,556 ∆U 0,00215 0,00213 0,00219 0,00219 0,00225 0,00128 ΣU 0,00215 0,00428 0,00647 0,00866 0,01091 0,01219 r 0,0735 0,0752 0,0756 0,0747 0,0715 0,068 ∆τ 0,0292 0,0283 0,0289 0,0293 0,0315 0,0188 n kmol/h 4989 4967,297 4945,442 4923,434 4901,280 4883,869 ∆m Kg 145,68 140,77 143,150 144,455 153,997 91,637 ∆H M 0,3124 0,3019 0,3070 0,3098 0,3303 0,1965 ΣH M 0,3124 0,6143 0,9213 1,2311 1,5514 1,7579 Tính lượng khí lạnh ● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất: Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất: n = 4877,756 (kmol/h) Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 388oC Thành phần hỗn hợp khí: Bậc 1 n,hch Bậc 2 ntr,htr Khí lạnh C = 1,253% C = 71,298% C = 12,893% C = 9,021% C =4,920% C =0,615% Nhiệt hàm hỗn hợp khí: h = 3061,728 (kcal/kmol) Chiều cao bậc thứ nhất: ΣH = 1,7579 m ● Tính lượng khí lạnh bổ xung: Chọn nhiệt độ hỗn hợp khí sau khi trộn là: 3600C Hàm nhiệt của hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc 1 ở nhiệt độ 365oC là: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch = (1,253 x 11050 + 71,298 x 2591,5 + 12,893 x 2896,25 + 4,920 x 4604,15+ 9,021 x 2896,25 + 0,615 x 6261) : 100 = 2885,858 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ xung ở 20oC là: h =Ch + Ch + Ch+ Ch + Ch + Ch = 159,416 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của khí lạnh bổ xung ở 365oC là h= Ch + Ch + Ch+ Ch + Ch + Ch = 0 x 11050 + 0,72 x 2591,5 + 0,138 x 2896,25 + 0,048 x 4604,15 + 0,088 x 2896,25 + 0,006 x 6261 = 2778,9977 (kcal/kmol) Cân bằng lượng nhiệt ta có lượng khí lạnh bổ xung được tính theo công thức: n = = = 327,416 (kmol/h) II. TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 2 Các số liệu ban đầu: = 4877,756 + 327,416 = 5205,172 (kmol/h) = 61,122 (kmol/h) = 628,878 + 0,138 x 327,416 = 674,061 (kmol/h) = 3477,756 + 0,72 x 327,416 = 3713,495 (kmol/h) = 440 + 0,088 x 327,416= 468,813 (kmol/h) = 240 + 0,048 x 327,416= 255,716 (kmol/h) = 30 + 0,006 x 327,416 = 31,964 (kmol/h) Giả thiết: Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 365C Mỗi lớp có nhiệt độ tăng T = 5oC Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là Uch,1 = 0,0022 (kmolCHOH/kmol). Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: Uch,1 = = . = 11,451 (kmol/h) Theo phương trình phản ứng: CO + 2H2 = CHOH Ta có: = = 11,451 (kmol/h) = 2 x = 22,902 (kmol/h) Tính số mol ra khỏi lớp 1: = + = 72,573 (kmol/h = + = 662,61(kmol/h) = + = 3690,593 (kmol/h) Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi = = 468,813 (kmol/h) = = 255,716 (kmol/h) = = 31,964 (kmol/h) Tổng số mol ra khỏi lớp 1: nh,1 = 5182,269 (kmol/h) Tính nồng độ mới tương ứng: C = x 100%= x 100% = 1,401 % C = x 100%= x 100% = 71,216 % C = x 100%= x 100% = 12,786 % C = x 100%= x 100% = 9,046 % C = x 100%= x 100% = 4,934 % C = x 100%= x 100% = 0,617 % Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 Dựa vào hàm nhiệt của hỗn hợp khí khi vào và ra khỏi tháp. Công thức tính hàm nhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suất dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có công thức tính sau: h = 7,1.(T – 273) h = 7,25.(T – 473) +1700 h = 7,25.( T – 473) +1700 h = 13,4.( T – 473) +4050 Hàm nhiệt của metan và metanol được tính dựa vào đồ thị trong phần phụ lục. Hàm nhiệt của các cấu tử trước khi vào lớp thứ nhất: T = 365 + 273 = 6380C h = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 638 -273) = 2591,5 (kcal/kmol) h = 7,25.(T – 473) +1700 = 7,25.(638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 = 7,25.( 638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 = 13,4.( 638 – 473) + 4050 = 6261 (kcal/kmol) h = 4604,15 (kcal/mol) h = 11050 ( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp: h = 2879,112 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1: T = 370 +273 = 6430C h = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 643 -273) = 2627 (kcal/kmol) h = 7,25.(T – 473) +1700 = 7,25.(643 – 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 = 7,25.( 643 – 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 = 13,4.( 643 – 473 ) + 4050 = 6328 (kcal/kmol) h = 4666 (kcal/mol) h = 11181( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp là: h = 2936,896 (kcall/kmol) Tính lại độ chuyển hoá Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là quá trình đoạn nhiệt. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Q = n.(h - h) Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là: Q= 5205,172.( 2936,896 – 2879,112)= 300775,659 (kcal/kmol) Tính độ chuyển hoá trong lớp 1 dựa vào lượng nhiệt Q U* = = = Coi nhiệt phản ứng = 26300 kcal/kmol không đổi trong toàn bộ lớp. U* = = 0,0021971 (kmolCHOH/kmol) So sánh sai số: = x 100% = 0,132 % Giá trị tính được gần bằng giá trị giả thiết nên có thể chấp nhận giả thiết ban đầu. Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là: U = 0,0143795 (kmolCHOH/kmol) Tính chiều cao của lớp: Trước hết phải tính tải của lớp xúc tác. = (kg xúc tác.h/ kmol) với là tốc độ phản ứng trung bình trong lớp. Dựa vào phương trình vận tốc phản ứng và thực tế sản xuất người ta đã xây dựng độ thị = f(T,U) với áp suất p = 240 at. Nhiệt độ trung bình đựoc tính theo công thức: T = T = = 367,5oC Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá thì vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất tính được là r = 0,0617 (kmol CHOH/kg xúc tác) Tải của lượng xúc tác: = = 0,0356 (kg xúc tác.h/ kmol) Lượng hỗn hợp khí trung bình trong lớp: n = (kmol/h) n = = 5193,7205(kmol/h) Và lượng xúc tác trong lớp: = .n = 0,0356 x 5193,7205 = 184,896(kg) Tính chiều cao tháp dựa vào đường kính và khối lượng riêng. = (m) F = = = 0,2826 (m2) = = 0,3965(m) Qúa trình tính toán với các lớp tiếp theo của bậc thứ hai tương tự như trên, và được tổng hợp trong bảng số liệu sau: Bảng 2: Kết quả tính cho bậc 2 T 0C 365 370 375 380 385 386 n kmol/h 61,122 72,573 83,982 95,646 107,464 109,765 n kmol/h 3713,495 3690,593 3669,061 3645,732 3622,098 3617,495 n kmol/h 674,061 662,61 651,448 639,783 627,966 625,665 n kmol/h 255,716 255,716 255,716 255,716 255,716 255,716 n kmol/h 468,813 468,813 468,813 468,813 468,813 468,813 n kmol/h 31,964 31,964 31,964 31,964 31,964 31,964 Σn kmol/h 5205,172 5182,269 5161,234 5137,904 5114,021 5109,418 C % 1,174 1,401 1,627 1,861 2,101 2,148 C % 71,342 71,216 71,089 70,958 70,823 70,797 C % 12,950 12,786 12,622 12,452 12,279 12,245 C % 4,913 4,934 4,956 4,979 5,002 5,006 C % 9,007 9,046 9,086 9,128 9,170 9,178 C % 0,614 0,617 0,620 0,622 0,625 0,626 ∆U 0,0022 0,0022 0,00226 0,0023 0,00045 Σh 2879,112 2936,896 2995,325 3054,843 3115,281 3127,262 ∆h 57,784 58,429 59,518 60,438 11,981 ∆U 0,002197 0,0022216 0,0022630 0,0022980 0,0004556 ΣU 0,01219 0,014379 0,0166006 0,0188636 0,0211616 0,0216172 r 0,0617 0,0602 0,057 0,055 0,054 ∆τ 0,0356 0,0369 0,0397 0,0418 0,0084 n kmol/h 5193,721 5172,643 5149,573 5126,092 5111,973 ∆m Kg 184,896 190,893 204,449 214,181 43,125 ∆H M 0,3965 0,4094 0,4385 0,4593 0,09248 ΣH M 0,3965 0,8059 1,2443 1,7036 1,7960 Tính lượng khí lạnh ● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất: Năng suất ra khỏi bậc thứ hai: n = 5109,418 (kmol/h) Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 386oC Thành phần hỗn hợp khí: C = 2,148% C = 70,797% C = 12,245% C = 9,178% C =5,006% C =0,626% Nhiệt hàm hỗn hợp khí: h = 3127,262 (kcal/kmol) Chiều cao bậc thứ nhất: ΣH = 1,7960 m ● Tính lượng khí lạnh bổ xung: Chọn nhiệt độ hỗn hợp khí sau khi trộn là: 3700C Hàm nhiệt của hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc 1 ở nhiệt độ 370oC là: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch = 3001,439 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ xung ở 20oC là: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch = 159,416 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của khí lạnh bổ xung ở 370oC là h= Ch + Ch + Ch+ Ch + Ch + Ch = 2816,121 (kcal/kmol). Cân bằng lượng nhiệt ta có lượng khí lạnh bổ xung được tính theo công thức: n = = = 241,997 (kmol/h). III. TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 3 Các số liệu ban đầu: = 5109,418 + 241,997 = 5351,415 (kmol/h) = 109,765 (kmol/h) = 625,665 + 0,138 x 241,997 = 659,060 (kmol/h) = 3617,495 + 0,72 x 241,997 = 3791,733 (kmol/h) = 468,813 + 0,088 x 241,997 = 490,109 (kmol/h) = 255,716 + 0,048 x 241,997 = 267,332 (kmol/h) = 31,964 + 0,006 x 241,997 = 33,416 (kmol/h) Giả thiết: Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 370C Mỗi lớp có nhiệt độ tăng T = 5oC Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là Uch,1 = 0,0023 (kmolCHOH/kmol). Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: Uch,1 = = . = 12,308 (kmol/h) Theo phương trình phản ứng: CO + 2H2 = CHOH Ta có: = = 12,308 (kmol/h) = 2 x = 24,616 (kmol/h) Tính số mol ra khỏi lớp 1: = + = 122,073 (kmol/h = + = 646,752 (kmol/h) = + = 3767,117 (kmol/h) Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi = = 490,109 (kmol/h) = = 267,332 (kmol/h) = = 33,416 (kmol/h) Tổng số mol ra khỏi lớp 1: nh,1 = 5326,799 (kmol/h) Tính nồng độ mới tương ứng: C = x 100%= x 100% = 2,292 % C = x 100%= x 100% = 70,720 % C = x 100%= x 100% = 12,141 % C = x 100%= x 100% = 9,201 % C = 100%= x 100% = 5,019 % C = 100%= x 100% = 0,627 % Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 Dựa vào hàm nhiệt của hỗn hợp khí khi vào và ra khỏi tháp. Công thức tính hàm nhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử: h = Ch + Ch + Ch + Ch + Ch + Ch Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suất dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có công thức tính sau: h = 7,1.(T – 273) h = 7,25.(T – 473) +1700 h = 7,25.( T – 473) +1700 h = 13,4 ( T – 473) +4050 Hàm nhiệt của metan và metanol được tính dựa vào đồ thị trong phần phụ lục. Hàm nhiệt của các cấu tử trước khi vào lớp thứ nhất: T = 370 + 273 = 7430C h = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 743 -273) = 2627 (kcal/kmol) h = 7,25.(T – 473) +1700 = 7,25.( 743– 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol) h = 7,25.( T – 473) +1700 = 7,25.( 743– 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol) h = 13,4.( T – 473) +4050 = 13,4.( 743– 473) + 4050 = 6328 (kcal/kmol) h = 4666 (kcal/mol) h = 11181 ( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp: h = 2993,059 (kcal/kmol) Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1: T = 375 + 273 = 6480C h = 7,1 (T – 273) = 7,1 (648-273) = 2662,5 (kcal/kmol) h = 7,25 (T – 473) +1700 = 7,25 (648 – 473) + 1700 = 2968,75 (kcal/kmol) h = 7,25 ( T – 473) +1700 = 7,25 (648– 473) + 1700 = 2968,75 (kcal/kmol) h = 13,4 ( T – 473) +4050 = 13,4 (648– 473 ) + 4050 = 6395(kcal/kmol) h = 4730 (kcal/mol) h = 11312,5 ( kcal/mol) Hàm nhiệt của hỗn hợp là: h = 3053,299 (kcall/kmol) Tính lại độ chuyển hoá Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là quá trình đoạn nhiệt. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Q = n.(h - h) Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là: Q= 5351,415 x 60,24= 322369,239 (kcal/kmol) Tính độ chuyển hoá trong lớp 1 dựa vào lượng nhiệt Q U* = = = Coi nhiệt phản ứng = 26300 kcal/kmol không đổi trong toàn bộ lớp. U* = = 0,0022905 (kmolCHOH/kmol) So sánh sai số: = x 100% = 0,413 % Giá trị tính được gần bằng giá trị giả thiết nên có thể chấp nhận giả thiết ban đầu. Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là: U = 0,0239082 (kmolCHOH/kmol) Tính chiều cao của lớp: Trước hết phải tính tải của lớp xúc tác. = (kg xúc tác.h/ kmol) với là tốc độ phản ứng trung bình trong lớp. Dựa vào phương trình vận tốc phản ứng và thực tế sản xuất người ta đã xây dựng độ thị = f(T,U) với áp suất p = 240 at. Nhiệt độ trung bình đựoc tính theo công thức: T = T = = 372,5oC Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá thì vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất tính được là r = 0,05 (kmol CHOH/kg xúc tác) Tải của lượng xúc tác: = = 0,0458093 (kg xúc tác.h/ kmol) Lượng hỗn hợp khí trung bình trong lớp: n = (kmol/h) n = = 5339,107 (kmol/h) Và lượng xúc tác trong lớp: = .n = 0,0458093 x 5339,107= 244,581 (kg) Tính chiều cao tháp dựa vào đường kính và khối lượng riêng. = (m) F = = = 0,2826 (m2) = = 0,5245 (m) Qúa trình tính toán với các lớp tiếp theo của bậc thứ ba tương tự như trên, và được tổng hợp trong bảng số liệu sau: Bảng 3: Kết quả tính bậc 3 T 0C 370 375 380 385 386 n kmol/h 109,765 122,073 134,326 146,787 149,162 n kmol/h 3791,733 3767,117 3742,611 3717,689 3712,939 n kmol/h 659,060 646,752 634,499 622,038 619,663 n kmol/h 267,332 267,332 267,417 267,417 267,417 n kmol/h 490,109 490,109 490,265 490,265 490,265 n kmol/h 33,416 33,416 33,427 33,427 33,427 Σn kmol/h 5351,415 5326,799 5302,546 5277,623 5272,873 C % 2,292 2,291 2,533 2,781 2,828 C % 70,720 70,720 70,581 70,442 70,416 C % 12,141 12,141 11,966 11,787 11,752 C % 5,019 5,021 5,043 5,067 5,072 C % 9,201 9,019 9,246 9,289 9,298 C % 0,627 0,627 0,631 0,634 0,634 ∆U 0,0023 0,0023 0,00235 0,00045 Σh 2993,059 3053,299 3114,111 3175,959 3188,106 ∆h 60,24 60,812 61,848 12,147 ∆U 0,0022905 0,0023122 0,0023516 0,0004619 ΣU 0,0216172 0,0239077 0,0262299 0,0285805 0,0290424 r 0,05 0,047 0,0425 0,0487 ∆τ 0,0458093 0,0491968 0,0553327 0,0094842 n kmol/h 5339,107 5314,799 5290,086 5275,250 ∆m kg 244,581 261,471 292,714 50,032 ∆H m 0,5245 0,5607 0,6278 0,1073 ΣH m 0,5245 1,0852 1,7130 1,8203 PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ● Tính bề mặt truyền nhiệt cần thiết để làm nóng hỗn hợp đầu vào tháp theo các số liệu sau: Phía lưu thể lạnh Hỗn hợp khí lạnh vào: t = 20oC, Hỗn hợp khí lạnh ra: t = 360oC. Chênh lệch nhiệt độ: t = 340oC Phía lưu thể nóng Sản phẩm khí nóng vào: t = 386oC Sản phẩm khí nóng ra: t = 360oC. Chênh lệch nhiệt độ: t = 26oC Bề mặt truyền nhiệt F = 500 m2 Hệ số truyền nhiệt trong khoảng 200 – 300 kcal/m2.h.độ. Phương trình tính hệ số truyền nhiệt: Q = F.K.t Ngoài ra Q = n.C.t = t.n = n.h Vậy K = Giá trị h và n lấy từ giá trị ra khỏi tháp tổng hợp, tức là ra khỏi bậc thứ 3: n ._.