Tài liệu Tính toán thiết bị phản ứng

Tính toán thiết bị phản ứng MỤC LỤC MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................................2 SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN ...........................................................................................................................................5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METANOL..............................................................................................7 I.TÍNH TOÁN CHO BẬC THỨ NHẤT ...........................................................................................................................7 1. Tính số mol mớ i củ a hỗ n hợ p khí khi ra khỏ i lớ p 1...........................7 2. Thành phầ n củ a hỗ n hợ p ra khỏ i lớ p 1.................................................8 3. Tính hàm nhiệt củ a hỗ n hợ p..................................................................8 4. Tố c độ phả n ứ ng....................................................................................10 5. Trở tả i củ a lớ p........................................................................................10 6. Khố i lượ ng xúc tác. ...............................................................................10 7. Chiề u cao líp..........................................................................................10 Bả ng I: Bả ng tổ ng hợ p kế t quả tính toán bậ c thứ nhấ t......................12 8. Hỗ n hợ p khí ra khỏ i bậ c thứ nhất......................................................15 9. Tính toán nă ng suấ t khí lạ nh cầ n trộ n..............................................15 II. TÍNH TOÁN CHO BẬC THỨ HAI..........................................................................................................................16 1.Tính sè mol mớ i củ a hỗ n hợ p khí khi ra khỏ i lớ p 1..........................16 2. Thành phầ n củ a hỗ n hợ p ra khỏ i lớ p 1...............................................17 3. Tính hàm nhiệt củ a hỗ n hợ p................................................................17 4. Tố c độ phả n ứ ng ...................................................................................18 5. Trở tả i củ a lớ p........................................................................................18 6. Khố i lượ ng xúc tác.................................................................................19 7. Chiề u cao líp..........................................................................................19 Bả ng II: Bả ng tổ ng hợ p kế t quả tính toán bậ c thứ hai:......................20 1. Tính số mol mớ i củ a hỗ n hợ p khí ra khỏ i lớ p 1...............................23 2. Thành phầ n củ a hỗ n hợ p ra khỏ i lớ p 1...............................................23 3. Tính hàm nhiệt củ a hỗ n hợ p................................................................24 4. Tố c độ phả n ứ ng ...................................................................................25 5. Trở tả i củ a lớ p........................................................................................25 6. Khố i lượ ng xúc tác:................................................................................25 7. Chiề u cao líp..........................................................................................26 Bả ng III: Bả ng tổ ng hợ p kế t quả tính toán bậ c thứ III:.....................27 Mở đầu Từ trước tới nay ta đã gặp rất nhiều các quá trình như: quá trình thủy lực, quá trình chuyển khối và truyền nhiệt... Đó chỉ là các quá trình vật lý thuần túy nên đối với những quá trình có sự tham gia của phản ứng hóa học không thể phản ánh được các ảnh hưởng của nhiệt động hóa học, động hóa học trong một số trường hợp cả về điện hóa, quang hóa và sinh hóa lên quá trình chung. Để giải quyết vấn đề này việc nghiên cứu, tính toán thiết bị phản ứng sẽ cho ta một kiến thức toàn diện hơn. Thiết bị phản ứng là công cụ để thực hiện những công việc kỹ thuật như: có khả năng điều khiển quá trình, hạn chế sự phát sinh nguồn năng lượng hoạt hóa, hoặc 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 điện hóa, quang hóa hoặc cơ học khác. Bản chất của quá trình kỹ thuật là hiện tượng chuyển hóa. Vì vậy việc tính toán thiết bị được tiến hành khi xác định các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình chuyển hóa. Để đơn giản trong tính toán, thiết bị phản ứng được chia 3 loại chủ yếu trong điều kiện lý tưởng : 1. Thiết bị khuấy gián đoạn. 2. Thiết bị khuấy liên tục. 3. Thiết bị đẩy lý tưởng. Mục tiêu của tính toán thiết bị là tìm những điều kiện làm việc tối ưu, đề suất các thiết bị mới có năng suất cao và hướng cải tiến các loại thiết bị cũ đang được sử dụng. Chọn thiết bị phản ứng: Trong đồ án này em chọn thiết bị phản ứng loại tháp do 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 tọa độ không gian. Tháp phản ứng được chia nhiều lớp đoạn nhiệt làm việc ở áp suất cao theo nguyên tắc đẩy lý tưởng (không có dòng khuếch tán theo hướng kính, mà chỉ có dòng khuếch tán theo hướng trục). Trong mỗi lớp đó người ta đổ lớp xúc tác dưới dạng đệm có chiều cao xác định. Để đảm bảo điều kiện đoạn nhiệt, thân tháp được bao bọc bởi lớp bảo ôn có khả năng cách nhiệt tốt đồng thời để bảo đảm nhiệt độ trong toàn tháp (đạt độ chuyển hóa cao nhất) người ta chia tháp làm nhiều bậc sau mỗi bậc thực hiện quá trình truyền nhiệt. Nh vậy mỗi bậc của tháp làm việc đoạn nhiệt nhưng toàn tháp làm việc đẳng nhiệt. Trong tháp thực hiện quá trình truyền nhiệt sau mỗi bậc bằng việc dùng khí lạnh để điều khiển nhiệt độ giữa các bậc. Nguyên liệu Methanol: Metanol tên thông thường là Methyl alcohol CH3OH là loại rượu đơn giản nhất. Nó có thể tạo ra khi chưng phân hủy gỗ, nhưng chủ yếu được hình thành từ than đá hoặc từ khí thiên nhiên (trong điều kiện áp suất cao). ở dạng tinh khiết Metanol là chất lỏng, không màu, dễ cháy, có mùi đặc trưng và rất độc. Metanol được dùng để sản xuất formaldehid (sử dụng trong ngành sản xuất kẹo và chất dẻo), Methyl-ter-buty (MTB, chất thay thế chỉ làm tăng chỉ số octan trong xăng dầu). Vinyl acetate (sử dụng trong ngành sơn) và xăng dầu. Ngoài ra Methanol còn được sử dụng làm dung môi cho chất béo, dầu, chất dẻo tổng hợp, là nguyên liệu để sản xuất thuốc nhuộm, chất chống đông đặc cho dung dịch đặc biệt là nhiên liệu và chất dẻo. S¬ §å d©y chuyÒn c«ng nghÖ tæng hîp methanol. G1 1 2 4 G2 3 G3 n­íc 5 n­íc Th«ng ¸p 7 6 Nguyªn liÖu metanol. KhÝ bæ sung. 1- ThiÕt bÞ ph¶n øng. 2- ThiÕt bÞ ®un nãng. 3 - ThiÕt bÞ gia nhiÖt. 4 - ThiÕt bÞ gia nhiÖt. 5 - Lµm l¹nh khÝ. 6 - ThiÕt bÞ ph©n ly CH3OH sơ đồ dây chuyền Nguyên liệu khí (H2, CO, N2, CO2, CH3OH) sau khi qua thiết bị gia nhiệt (3) và (4) để tận dụng nguồn nhiệt của hỗn hợp khí sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng (1). Hỗn hợp khí sau khi gia nhiệt xong được đưa vào thiết bị đun nóng (2) để nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 345 oC ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí vào tháp bởi lượng khí nguyên liệu lạnh G1 trước khi vào tháp phản ứng (1). Trong tháp phản ứng chia làm 3 bậc, mỗi bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu, mỗi ngăn chứa một lớp xúc tác, phản ứng tổng hợp Methanol xảy ra : CO + 2H2 CH3OH + Q Do phản ứng trên tỏa nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 có nhiệt độ cao 390 oC. 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 G2 để hạ nhiệt độ xuống khoảng 348,5 o C rồi vào bậc 2, tương tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 có nhiệt độ cao lại được trộn với lượng khí lạnh G 3 để giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống còn 351,4 o C sau đó vào bậc 3. Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 3 có nhiệt độ 386,4 oC được dẫn ra ngoài tháp và đưa vào thiết bị gia nhiệt (3), (4) phía trong ống, hỗn hợp khí sau khi hạ nhiệt độ được đưa vào thiết bị làm lạnh(5) bằng nước. Do làm lạnh lên methanol ở dạng hơi ngưng tụ thành lỏng, hỗn hợp khí – lỏng được chuyển vào thùng phân ly (6) methanol. Ở đây methanol lỏng được tách ra và dẫn đi tới các công đoạn tiếp sau. Khí đi ra từ thiết bị phân ly gồm (H 2, CO, N2, CO2 và một phần hơi methanol chưa ngưng tụ ỏ dạng hơi) được trộn với khí nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7), hỗn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn (7) chia làm 2 phần: + Một phần đưa tới thiết bị gia nhiệt (4), (3) ở phía trong ống, qua thiết bị đun nóng (2) để nâng nhiệt độ lên khoảng 345 oC để đi vào tháp phản ứng. + Một phần không qua thiết bị gia nhiệt lên có nhiệt độ thấp ( 20 oC ) dùng để trộn với lượng khí nóng sau khi ra khỏi bậc 1 là G 2 và ra khỏi bậc 2 la G3, khống chế nhiệt độ đầu vào tháp G1. Tính toán thiết bị tổng hợp Metanol Các số liệu ban đầu: - Năng suất theo hỗn hợp đầu: nges = 3300 kmol/h - Nồng độ hỗn hợp khí vào tháp phản ứng ( phần mol): C(H2)= 72,0%= 0,72 C(CO)= 13,8%= 0,138 C(CH4)= 4,8%= 0,048 C(N2)= 8,8%= 0,088 C(CO2)= 0,6%= 0,006 C(CH3OH) = 0 t = 390 °C - Nhiệt độ cho phép cao nhất: - Khối lượng riêng của xúc tác: ρxt= 1650 (kg/m3). - Đường kính tháp d = 0,6 m - Áp suât làm việc p = 240 at - Nhiệt độ khí lạnh vào tháp t = 20 °C (Thành phần khí lạnh giống hỗn hợp khí vào tháp.) Khi ra khỏi tháp phản ứng, hỗn hợp khí có nhiệt độ tối thiểu là 380 oC. Việc tính toán được tiến hành theo diễn biến nhiệt độ theo từng lớp trong bậc chênh lệch nhau ∆t = 5 oC, bá qua sự khuếch tán theo trục. I.Tính toán cho bậc thứ nhất . Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ vào t0= 345 °C Chọn độ chuyển hóa: ∆u1 ch= 0,002 1. Tính số mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1. Lượng metanol tạo thành ở lớp này: ∆n1(CH3OH)= ∆u1 ch.nges= 0,002.3300= 6.6 (kmol/h) Từ phương trình phản ứng, ta có: ∆n(CO)= ∆n(CH3OH)= ∆n(H2)/2 Sè mol các cấu tử sau líp 1: n1(CH3OH)= n0(CH3OH) + ∆n1(CH3OH)= 0 + 6.6= 6.6 (kmol/h) n1(H2)= n0(H2) - ∆n1(H2)= 0,72.3300- 2.6.6= 2376.0 (kmol/h) n1(CO)= n0(CO) - ∆n1(CO)= 0,138.3300- 6.6= 455.4 (kmol/h) Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và số mol không thay đổi. n1(N2)= n0(N2)= 0,088.3300= 290.4 (kmol/h). n1(CH4)= n0(CH4)= 0,048.3300= 158.4 (kmol/h). n1(CO2)= n0(CO2)= 0,006.3300= 19.8 (kmol/h). Tổng sè mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1. n1(ges)= n1(CH3OH)+ n1(H2)+ n1(CO)+ n1(N2)+ n1(CH4)+ n1(CO2) = 6.6 + 2376.0 + 455.4 + 290.4 + 158.4 + 19.8 = 3286.8 (kmol/h) 2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1. n (H ) 2376.0 n (CO ) 455.4 1 2 C1(H2)= n ( ges) = 3286.8 = 71,88755 (%mol) 1 1 C1(CO)= n ( ges) = 3286.8 = 13,65462 1 n (N ) 290.4 1 2 C1(N2)= n ( ges) = 3286.8 = 8,8353 1 n (CH ) 158.4 n (CO ) 19.8 1 4 C1(CH4)= n ( ges) = 3286.8 = 4,819 1 (%mol) (%mol) (%mol) 1 2 C1(CO2)= n ( ges) = 3286.8 = 0,60241 (%mol) 1 C1(CH3OH)= n1 (CH 3OH ) 6 .6 = = 0,200803 (%mol) n1 ( ges) 3286.8 3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp. Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T1= 350+273= 623 (°K) được tính: h1(ges)= C1(H2).h1(H2)+ C1(CO).h1(CO)+ C1(N2).h1(N2)+ C1(CH4).h1(CH4)+ C1(CO2).h1(CO2)+ C1(CH3OH).h1(CH3OH) trong đó: h1(H2)= 7,1.(T1- 273) , kcal/kmol. h1(CO)= h1(N2)= (T1- 473).7,25+ 1700 kcal/kmol. h1(CO2)= (T1- 473).13,4+ 4050 kcal/kmol. Tra đồ thị (1) ở t1= 350°C ta có h1(CH4)= 4375 kcal/kmol. Tra đồ thị (2) ở t1= 350°C ta có h1(CH3OH)= 10593,75 kcal/kmol Thay số tính được h1(ges)= 2681,935 kcal/kmol Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T0= 345+ 273= 618(°K) được tính: h0(ges)=C0(H2).h0(H2)+ C0(CO).h0(CO)+ C0(N2).h0(N2)+ C0(CH4).h0(CH4)+ C0(CO2).h0(CO2)+ C0(CH3OH).h0(CH3OH) trong đó: h0(H2)= 7,1.(T0- 273) , kcal/kmol. h0(CO)= h0(N2)= (T0- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol). h0(CO2)= (T0- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol). Tra đồ thị (1) ở t1= 345°C ta có h0(CH4)= 4312,5 (kcal/kmol). Tra đồ thị (2) ở t1= 345°C ta có h0(CH3OH)= 10450 (kcal/kmol). Thay số tính được h0(ges)= 2628,3805 kcal/kmol Hàm nhiệt của phản ứng qua líp 1: ∆h1= h1(ges)- h0(ges)= 2681,935- 2628,3805= 53,55474 (kcal/kmol) Lượng nhiệt tạo thành ở lớp 1. ∆Q1= n0(ges).∆h1 ∆Q1= 330. 53,55474= 176730.65 (kcal/h) Độ chuyển hóa: ∆u 1 = ∆Q1 n 0 (ges).(−∆H R ) ∆u1 = 176730.65 = 0,0020363 3300.26300 trong đó -∆HR= 26300 kcal/kmol là hằng số so sánh sai sè ∆u1 − ∆u1.ch 0,0020363 − 0,002 = = 1,8151% ∆u1.ch 0,002 Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này: k Σu = ∑∆ui = ∆u1 = 0,0020363 i =1 (k: chỉ số lớp) 4. Tốc độ phản ứng. tra đồ thị (3) r= f(tm, u) với t1m= (t0+ t1)/2= 347,5 (°C) và ∆u1 = 0,0020363 ta được r1= 0,059 , kmolCH3OH/kgxt.h 5. Trở tải của lớp. ∆τ 1 = ∆u1 0,0020363 = = 0,03451 (kgxt.h/kmol) r1 0,059 6. Khối lượng xúc tác. ∆m1xt = ∆τ1 .n 1tb trong đó n1tb là lưu lượng khí trung bình đi trong líp 1, n1tb = n 0 (ges) + n1 (ges) 2 nltb = 3293.4 (kmol/h). thay sè ta được ∆m1xt = 113.655 (kg) 7. Chiều cao líp. ∆H1 = ∆m1xt F.ρxt trong đó F là điện tích tiết diện tháp F= πd 2 = 0,785.0,6 2 = 0,283 4 ∆H1 = (m2) 113.655 = 0.2437(m) = 24.37(cm) 0,283.1650 k Tổng chiều cao: Σ∆H = ∑ ∆H i = ∆H1 = 24.37 cm i =1 Quá trình tính toán tương tự đối với các lớp tiếp theo của bậc thứ nhất ta có kết quả bảng I 72,0 71,887 71,775 13,8 8,8 4,8 % mol % mol % mol 4,82 8,835 13,65 4,84 8,87 13,51 4,86 8,91 13,36 71,66 4,878 8,94 13,21 71,54 19.8 71,30 19.8 4,899 8,98 4,92 9,02 13,05 12,897 71,42 19.8 158.4 19.8 158.4 19.8 158.4 290.4 4,94 9,06 12,74 71,177 4,963 9,10 12,57 71,05 4,985 9,14 12,40 70,92 3205.8 3191.67 3177.33 19.8 158.4 290.4 % mol 19.8 158.4 290.4 290.4 3300 3286.8 3273.65 3260.23 3246.86 3233.23 3219.65 19.8 158.4 290.4 390.1 kmol/h 19.8 158.4 290.4 428.8 422.01 415.22 19.8 158.4 290.4 435.5 kmol/h 158.4 290.4 442.2 158.4 290.4 448.8 kmol/h 390 9 290.4 385 8 kmol/h 380 7 408.3 401.24 375 6 455.4 370 5 kmol/h 365 4 2281.8 2267.69 253.33 19.88 360 3 kmol/h 2376.0 2362.8 2349.65 2336.23 2322.6 2309.23 2295.65 6.60 13.174 355 2 47.094 554.15 61.335 0 kmol/h 350 1 26.57 33.393 40.181 345 i ban đầu °C đ.v. Bảng I: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ nhất 0,402 2,00 0,2 2,00 0 2,05 0,61 0,607 3 2,05 0,818 0,61 4 2,10 1,032 0,612 5 2,10 1,248 0,615 6 2,15 1,469 0,618 7 2,20 1,697 0,620 8 2,25 1,93 0,623 9 0,087 0,0902 0,0929 2,286 20.83 22.23 46.60 24.37 24.37 67.44 97.15 113.65 103.66 87.09 19.65 91.64 17.84 83.18 17.46 81.42 17.07 79.61 16.8 78.34 105.8 123.66 141.12 158.19 174.99 18.74 87.34 3293.4 3280.25 3266.94 3253.54 3240.05 3226.44 3212.72 3198.75 3184.52 0,0345 0,0316 0,0297 0,0282 0,0269 0,0258 0,0253 0,0249 0,0246 0,070 0,0747 0,0793 0,0836 2,245 0,065 2,204 0,059 2,155 59,03 60,123 4,089 6,1747 8,2777 10,415 12,569 14,774 17,018 19,305 2,137 56,68 57,969 2,036 2,103 56,20 2,053 2,0857 55,31 2,036 54,85 53,99 53,56 2628,38 2681,94 2735,93 2790,78 2846,09 2902,29 2958,97 3016,94 3075,97 3136,09 0,605 0,602 0,6 2 1 ban đầu tiếp bảng I Ci(CH4) Ci(N2) Ci(CO) Ci(H2) ni(ges) ni(CO2) ni(CH4) ni(N2) ni(CO) ni(H2) ni(CH3OH) ti kí hiệu % mol kmol/kmol kcal/kmol kcal/kmol kmol/kmol kmol/kmol kmol/kgxt.h kgxt.h/kmol kmol/h kg cm cm Ci(CH3OH) ∆ui ch.103 hi(ges) ∆hi ∆ui.103 Σ∆ui.103 ri ∆τi nitb ∆mi xt ∆Hi Σ∆Hi i % mol đ.v. Ci(CO2) kí hiệu 8. Hỗn hợp khí ra khỏi bậc thứ nhất. Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất là n9(ges)= 3177.33 Kmol/h Nhiệt độ hỗn hợp đi ra là t9= 390°C Thành phần hỗn hợp đi ra : C9(H2)= 70,919% C9(CO)= 12,402% C9(N2)= 9,140% C9(CH4)= 4,985% C9(CO2)= 0,623% C9(CH3OH)= 1,930% Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra h9(ges)= 3136,09 (kcal/kmol). Chiều cao bậc thứ nhất Σ∆H = 174.99cm) 9. Tính toán năng suất khí lạnh cần trộn. Chọn nhiệt độ hỗn hợp sau khi trộn là t0 = 348,5°C Hàm nhiệt của hỗn hợp khí (đi ra bậc một) tại nhiệt độ 348,5°C tính theo công thức: h9’(ges)= C9(H2).h0(H2)+ C9(CO).h0(CO)+ C9(N2).h0(N2)+ C9(CH4).h9(CH4)+ C9(CO2).h0(CO2)+ C9(CH3OH).h0(CH3OH) h9’(ges)= 2811,402 kcal/kmol. Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung ở nhiệt độ 20°C được tính theo công thức: hkl= C(H2).h20(H2)+ C(CO).h20(CO)+ C(N2).h20(N2)+ C(CH4).h20(CH4)+ C(CO2).h20(CO2) hkl(20°C)= 159,4162 kcal/kmol. Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung tính ở nhiệt độ 348,5°C là: hkl(348,5°C)= 2654,389 kcal/kmol. Cân bằng nhiệt của quá trình trộn lẫn : n9(ges).[ h9’(ges)- h9(ges)]+ nkl.[ hkl(348,5°C)- hkl(20°C)]= 0 nkl = 3177.33 3136,09 − 2811,402 = 413.48 2654,389 −159,4162 (kmol/h) II. Tính toán cho bậc thứ hai. Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ hỗn hợp sau khi trộn lẫn có t0= 348,5°C Chọn độ chuyển hóa: ∆u1ch= 0,0021 1. Tính sè mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1 Năng suất vào lớp thứ nhất là nges = 3590.82 (kmol/h). Lượng metanol tạo thành ở lớp này: ∆n1(CH3OH)= ∆u1ch.nges= 0,0021. 3590.82 = 7.47(kmol/h) Từ phương trình phản ứng, ta có: ∆n(CO)= ∆n(CH3OH)= ∆n(H2)/2 Sè mol các cấu tử sau líp 1: n1(CH3OH)= n0(CH3OH) + ∆n1(CH3OH)=68.80 (kmol/h) n1(H2)= n0(H2) - ∆n1(H2)=2536.11 (kmol/h) n1(CO)= n0(CO) - ∆n1(CO)= 443.66 (kmol/h) Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và số mol không thay đổi. n1(N2)= n0(N2)= 0,091. 3590.82 = 326.79 (kmol/h) n1(CH4)= n0(CH4)= 0,04964. 3590.82 = 178.25 n1(CO2)= n0(CO2)= 0,0062. 3590.82 = 22.28 (kmol/h) (kmol/h) Tổng sè mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1. n1(ges)= n1(CH3OH)+ n1(H2)+ n1(CO)+ n1(N2)+ n1(CH4)+ n1(CO2) =68.800 + 2536.11 + 443.664 + 326.790 + 178.25 + 22.28 = 2575.89 (kmol/h) 2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1. n (H ) 2536.11 n (CO ) 443.66 1 2 C1(H2)= n ( ges) = 3590.82 = 70,921 1 1 C1(CO)= n ( ges) = 3590.82 = 12,405 1 n (N ) 326.79 1 2 C1(N2)= n ( ges) = 3590.82 = 9,138 1 n (CH ) 178.25 n (CO ) 22.28 (%mol) (%mol) (%mol) 1 4 C1(CH4)= n ( ges) = 3590.82 = 4,985 1 (%mol) 1 2 C1(CO2)= n ( ges) = 3590.82 = 0,6231 1 C1(CH3OH)= (%mol) n1 (CH 3OH ) 68.80 = = 0,1926 n1 ( ges ) 3590.82 (%mol) 3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp. Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T1= 353,5 + 273= 626,5 (°K) được tính: h1(ges)= C1(H2).h1(H2)+ C1(CO).h1(CO)+ C1(N2).h1(N2)+ C1(CH4).h1(CH4)+ C1(CO2).h1(CO2)+ C1(CH3OH).h1(CH3OH) trong đó: h1(H2)= 7,1.(T1- 273) (kcal/kmol). h1(CO)= h1(N2)= (T1- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol). h1(CO2)= (T1- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol). Tra đồ thị (1) ở t1= 353,5°C ta có h1(CH4)= 4418,75 (kcal/kmol) Tra đồ thị (2) ở t1= 353,5°C ta có h1(CH3OH)= 10681,25 (kcal/kmol) Thay số tính được h1(ges)= 2850,097 (kcal/kmol). Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T0= 348,5+ 273= 621,5(°K) được tính: h0(ges)= C0(H2).h0(H2)+ C0(CO).h0(CO)+ C0(N2).h0(N2)+ C0(CH4).h0(CH4)+ C0(CO2).h0(CO2)+ C0(CH3OH).h0(CH3OH) trong đó: h0(H2)= 7,1.(T0- 273) (kcal/kmol). h0(CO)= h0(N2)= (T0- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol). h0(CO2)= (T0- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol). Tra đồ thị (1) ở t0= 348,5°C ta có h0(CH4)= 4356,25 (kcal/kmol). Tra đồ thị (2) ở t0= 348,5°C ta có h0(CH3OH)= 10550,625 (kcal/kmol). Thay số tính được h0(ges)= 2793,322 (kcal/kmol). Hàm nhiệt của phản ứng qua líp 1: ∆h1= h1(ges)- h0(ges)= 2850,097- 2793,322= 56,776 (kcal/kmol). Lượng nhiệt tạo thành ở lớp 1. ∆Q1= n0(ges).∆h1 ∆Q1=3590.82. 56,776= 203254.667 (kcal/h). Độ chuyển hóa: ∆u 1 = ∆Q1 n 0 (ges).(−∆H R ) ∆u1 = 203254.66 = 0,0021587 3590.82.26300 so sánh sai sè trong đó -∆HR= 26300 kcal/kmol là hằng số ∆u1 − ∆u1.ch 0,0021587 − 0,0021 = = 2,7985% ∆u1.ch 0,0021 Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này: k Σu = ∑ ∆ui = ∆u1 = 0,0021587 i =1 (k: chỉ số lớp) 4. Tốc độ phản ứng . tra đồ thị (3) r= f(tm, u) với t1m= (t0+ t1)/2= 351 (°C) và ∆u1= 0,0021587 ta được r1= 0,0631 kmolCH3OH/kgxt.h 5. Trở tải của lớp. ∆τ 1 = ∆u1 0,0021587 = = 0,03422 r1 0,0631 (kgxt.h/kmol) 6. Khối lượng xúc tác. ∆m1xt = ∆τ1 .n 1tb trong đó n1tb là lưu lượng khí trung bình đi trong líp 1, n1tb = n0 ( ges) + n1 ( ges) 2 nltb =3583.35 Kmol/h thay sè ta được ∆m1xt = 122.23g 7. Chiều cao líp. ∆H1 = ∆m1xt F.ρxt trong đó F là điện tích tiết diện tháp ∆H1 = F= πd 2 = 0,785.0,6 2 = 0,283 4 (m2) 122.23 = 0.2621( m) = 26.21(cm) 0,283.1650 k Tổng chiều cao: Σ∆H = ∑ ∆H i = ∆H1 = 26.21 (cm) i =1 Quá trình tính toán tương tự đối với các lớp tiếp theo của bậc thứ II ta có kết quả bảng II: 2536.1 443.66 ni(H2) kmol/h 2551.05 ni(CO) % mol 4,96 4,98 9,14 5,01 9,18 5,03 9,22 12,08 5,049 9,26 11,92 5,072 9,30 11,75 Ci(CH4) 9,10 12,25 70,54 % mol 12,41 70,67 Ci(N2) 12,56 70,8 % mol 70,921 Ci(CO) 178.25 70,41 71,043 22.28 178.25 % mol 22.28 178.25 326.79 412.9 Ci(H2) 22.28 178.25 326.79 420.7 3514.4 22.28 ni(CO2) kmol/h 178.25 326.79 428.39 2474.7 99.494 373,5 5 ni(ges) kmol/h 3590.82 3575.89 3560.72 3545.34 3535.03 178.25 ni(CH4) kmol/h 326.79 91.373 368,5 4 2505.5 2490.25 84.071 363,5 3 22.28 326.79 ni(N2) kmol/h 436.08 2520.9 76.383 358,5 2 22.28 451.13 kmol/h 326.79 68.800 61.33 ti 353,5 1 ni(CH3OH) kmol/h i vào bậc 2 348,5 đ.v. °C kí hiệu 5,09 9,34 11,58 70,28 3498.7 22.28 178.25 326.79 405.09 2458.9 107.39 378,5 6 388,5 8 5,12 9,384 11,40 70,14 3482.5 22.28 178.25 326.79 396.9 2442.7 5,14 9,43 11,22 70,00 3466.0 22.28 178.25 326.79 388.7 2426.3 115.45 123.718 383,5 7 Bảng II: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ hai: