Đồ án chuyên ngành kỹ thuật phản ứng

BỘ GIÁO DO DỤC VÀ ĐÀ O TẠO CỘNG HOÀ XÃ H HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁO DCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA CƠNG NGHỆ HỐ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ – CN HỐ & THỰC PHẨM ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Họ tên : VŨ VĂN THÀNH Lớp : QTTB – K49 Đầu đề thiết kế: Tính thiết bị tổng hợp Methanol: Tháp tổng hợp Methanol chia làm bậc (3 ngăn), ngăn đổ đầy chất xúc tác, ngăn có buồng trộn khí lạnh Tháp làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, bậc đoạn nhiệt, tức bảo đảm nhiệt độ vào bậc nằm giới hạn cho phép (gần với điều kiện đẳng nhiệt) Phương trình phản ứng: CO + H2 = CH3OH Các số liệu ban đầu: 1) Năng suất tính theo hỗn hợp phản ứng vào tháp n = 5000 kmol/h; 2) Nồng độ hỗn hợp phản ứng vào tháp (tính theo mol) C H = 72 %; = 13,8 %; C CH = 4,8 %; C CO = 0,6 %; C N = 8,8 %; 2 = 0; 3) Chiều cao cho phép lớp xúc tác 1,8m; 4) Nhiệt độ phản ứng tối đa đạt lớp xúc tác 390oC; 5) Khối lượng riêng lớp xúc tác khoảng 1600 ÷ 1700 kg/m3; 6) Đường kính ống chứa xúc tác 0,6 m; 7) Áp suất làm việc P = 240 at; 8) Hỗn hợp khí lạnh lấy hỗn hợp phản ứng vào tháp nhiệt độ t = 20oC (có thành phần) để hồ trộn; 9) Nhiệt độ hỗn hợp phản ứng khỏi lớp xúc tác đạt tối thiểu 380oC ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Mở đầu Dây chuyển cơng nghệ sản xuất Methanol Tính tốn thiết bị tổng hợp Methanol Tính tốn truyền nhiệt Ngơn ngữ lập trình sử dụng để tính tốn tháp tổng hợp Methanol Kết luận Tài liệu tham khảo Các vẽ đồ thị: + Sơ đồ dây chuyền công nghệ khổ A4; + Đồ thị phụ thuộc hàm nhiệt Methane vào nhiệt độ; + Đồ thị phự thuộc hàm nhiệt Methanol vào nhiệt độ; + Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào độ chuyển hoá nhiệt độ Cán hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 02/02/2009 Ngày phải hoàn thành: 23/02/2009 Trưởng khoa Cán hướng dẫn thiết kế Đánh giá kết quả: Ngày … tháng … năm 2009 Ngày … tháng … năm 2009 Cán chấm Người nhận (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) LỜI NÓI ĐẦU VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Các q trình hố học phận quan trọng trình thiết bị, ứng dụng nhiều cơng nghệ hố chất, thực phẩm nhiều trình sản xuất liên quan khác Song xảy phức tạp Thể việc hình thành phản ứng hố học phụ thuộc vào yếu tố thúc đẩy hay kiềm chế, đòi hỏi phải có nguồn lượng hoạt hố Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ Cân hoá học giới hạn q trình chuyển hố Hướng phản ứng hoá học định điều kiên nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu, … Và trình có lượng nhiệt lớn đựơc phát sinh hay tiêu thụ Trong đó, thiết bị phản ứng cơng cụ để thực qúa trình có kèm theo phản ứng hoá học, nhằm tạo sản phẩm khác Quá trình thiết bị phản ứng xây dựng sỏ kiến thức trình thuỷ lực, trình chuyển chất trình truyền nhiệt Nó tập hợp kiến thức nhiệt động, động hoá học số trường hợp sử dụng kiến thức điện hoá, sinh hoá quang hố Do tính tốn thiệt bị phản ứng địi hỏi phải nắm mơ hình tính tốn khái quát với vấn đề liên quan để điều khiển trình, hạn chế phát sinh nguồn lượng hoạt hoá, loại bỏ quan hệ cân bất hợp lý thay đổi nhiệt độ, áp suất hệ, dùng xúc tác phương pháp khác học, điện hoá, … tìm điều kiện làm việc thích hợp nhất, có suất cao Việc tính tốn tiến hành xác định yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến q trình chuyển hố như: quan hệ cân hoá học, động hoá học phản ứng, vận chuyển nhiệt, vận chuyển chất, dòng động lượng, khả hấp phụ, … ● Mục đích đồ án mơn học tính tốn thiết bị phản ứng: giúp sinh viên có nhìn tồn vẹn sâu sắc q trình hố học, bước đầu làm quen với việc tính tốn, thiết kế thiết bị phản ứng, dây chuyền sản xuất kèm theo ● Đối tượng tính tốn: Tháp tổng hợp MeOH bậc, làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, bậc làm việc đoạn nhiệt, với nhiệt độ, chiều cao khoảng giới hạn cho phép ● Nội dung: tính chiều cao bậc tháp, việc tính chiều cao lớp xúc tác bậc theo độ chuyển hoá chọn phù hợp VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Trong khoảng thời gian tuần em hoàn thành đồ án này, tính chiều cao bậc phù hợp với điều kiện cho Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Bin tận tình hướng dẫn em trình làm đồ án Hà Nội, ngày 23 tháng năm 2009 Sinh viên Vũ Văn Thành VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG MỤC LỤC Lời nói đầu MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN .5 I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG II METHANOL .6 PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ II THUYẾT MINH PHẦN III: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL .10 I TÍNH HỐN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 10 Chọn thay đổi độ chuyển hoá lớp bậc  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH OH/kmol) 10 Tính số mol hỗn hợp khỏi lớp 1: 10 Tính nồng độ tương ứng: 11 Tính hàm nhiệt phản ứng hỗn hợp tạo lớp thứ .11 Tính lại độ chuyển hố 13 Tính chiều cao lớp 13 Tính lượng khí lạnh 17 II TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 18 Chọn thay đổi độ chuyển hoá lớp bậc  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH OH/kmol) 18 Tính số mol hỗn hợp khỏi lớp 1: 18 Tính nồng độ tương ứng: 19 Tính hàm nhiệt phản ứng hỗn hợp tạo lớp thứ .19 Tính lại độ chuyển hoá 21 Tính chiều cao lớp: 21 Tính lượng khí lạnh 25 III TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 26 Chọn thay đổi độ chuyển hoá lớp bậc  Uch,1 = 0,0023 (kmolCH OH/kmol) 26 Tính số mol hỗn hợp khỏi lớp 1: 26 Tính nồng độ tương ứng: 27 Tính hàm nhiệt phản ứng hỗn hợp tạo lớp thứ .27 Tính lại độ chuyển hố 29 Tính chiều cao lớp: 29 PHẦN IV: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT .33 PHẦN V : Chơng trình lập trình 33 PHẦN VI: PHỤ LỤC 46 PHẦN VII: KẾT LUẬN .48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG PHẦN I: TỔNG QUAN I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ● Thiết bị phản ứng chia thành ba loại 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 làm việc ổn định thay đổi hỗn hợp phản ứng không gian thiết bị không phụ thuộc vào thời gian mà phụ thuộc vào toạ độ không gian Đối với phản ứng phức tạp, phản ứng nối tiếp phản ứng song song, bên cạnh độ chuyển hố cịn phải ý đến độ chọn lọc hiệu suất Để khắc phục sản phẩm không mong muốn, độ chuyển hố lớn dùng thiết bị loại tháp Do thiết bị tháp thường dùng sản xuất ● Tháp phản ứng có chia ngăn đoạn nhiệt Tháp phản ứng nhiều bậc, làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, bậc đoạn nhiệt làm việc theo nguyên tắc đẩy lý tưởng Để đảm bảo điều kiện làm việc đoạn nhiệt đoạn, thân tháp bảo ôn lớp cách nhiệt Trong thực tế phần lớn phản ứng toả nhiệt thu nhiệt, nên khơng có khả đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt tồn tháp Q trình thu toả nhiệt kéo dài suốt trình phản ứng dẫn đến thay đổi nhiệt độ, làm nhiệt độ toàn tháp tăng giảm so với nhiệt độ phản ứng, nên giảm hiệu suất chuyển hóa Để đảm bảo thay đổi nhiệt độ tồn tháp khơng q lớn ( không xa so với nhiệt độ phản ứng ), tháp chia thành nhiều bậc bậc có trao đổi nhiệt Điều đảm bảo cho tháp làm việc cận với điều kiện đẳng nhiệt, đảm bảo độ chuyển hoá cao Như vậy, bậc tháp làm việc đoạn nhiệt, toàn tháp đảm bảo điều kiện gần đẳng nhiệt Phản ứng tổng hợp methanol từ cacbonoxit khí hydro phản ứng toả nhiệt Như hỗn hợp vào tháp bậc có nhiệt độ khoảng 345 ÷ 360 0C khỏi bậc hỗn hợp có nhiệt độ gần 390 0C theo điều kiện làm việc đoạn nhiệt Để đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt tháp phải thực trình trao đổi nhiệt ngăn ( trình làm lạnh) để đưa hỗn hợp phản ứng tới nhiệt độ phản ứng ban đầu trước vào bậc VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Quá trình làm lạnh tiến hành theo hai cách: làm lạnh trực tiếp cách trộn với khí lạnh, 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 thiết bị, thiết bị hay bị bẩn phải dừng để làm theo định kỳ thay xúc tác Mặt khác thiết bị gia nhiệt trung gian cịn phải có kết cấu hợp lý, gọn nhẹ, dễ dàng vận hành, trang bị tự động Do nhiều nhược điểm nên thực tế người ta dùng phương pháp trộn hỗn hợp khí lạnh trực tiếp để điều chỉnh nhiệt độ ngăn, tiết kiệm đựoc thiết bị, làm thay đổi thành phần hỗn hợp phản ứng Nên việc tính tốn phức tạp Tức phải tính lại thành phần hỗn hợp phản ứng sau trộn khí lạnh, tính nhiệt độ lượng khí lạnh cần thiết.Thơng thường người ta dùng hỗn hợp phản ứng lúc đầu làm khí lạnh Khác với phương pháp làm lạnh trung gian thiết bị trao đổi nhiệt có hệ số truyền nhiệt khơng đổi, phương pháp hồ khí lạnh có hệ số truyền nhiệt thay đổi, thông số số nồng độ chất hỗn hợp không đổi khơng đổi, thành phần khí lạnh hỗn hợp phản ứng sau hoà vào có nồng độ khơng đổi so với lúc đầu, tức nồng độ cấu tử tham gia phản ứng vào bậc phản ứng II METHANOL Methanol hợp chất hố học có công thức CH OH (được viết tắt MeOH) Nó rượu đơn giản nhất, chất lỏng nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy độc với mùi thơm đặc biệt để phân biệt, nhẹ ethanol (rượu etylic) Ở nhiệt độ phịng chất lỏng phân cực, sử dụng chất chống đông, dung mơi, nhiên liệu, có tính chất hố học mạnh rượu ethylic MeOH sản xuất từ than đá từ khí thiên nhiên ( điều kiện áp suất cao có chất xúc tác), chưng phân huỷ gỗ MeOH sử dụng để điều chế formaldehyde để sản xuất chất dẻo, nhựa, gỗ dán, sơn, thuốc nổ, thuốc nhm,… Nó đựơc sử dụng thêm vào nhiên liệu sử dụng cho xe cộ MeOH tạo chất metyl tert – butyl ete ( MTBE), làm tăng số octan xăng dầu VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Nướ c Thông áp Nướ c Nguyên liệu MeOHu MeOH Khí bổ xung Tháp tổ ng hợpp Thiết bị làm lạnht bị làm lạnh gia nhiệu MeOHt 3,4 Thiết bị làm lạnht bị làm lạnh gia nhiệu MeOHt VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 Thiết bị làm lạnht bị làm lạnh làm lạnhm lạnhnh Phân ly CH3OH Bơm tuần hoànm tuần hoànn hoàm lạnhn ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG II THUYẾT MINH Hỗn hợp khí nguyên liêụ (H , CO, CO , N , CH ) sau qua thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), để tận dụng nguồn nhiệt hỗn hợp khí khỏi tháp tổng hợp(1) Hỗn hợp khí sau trao đổi nhiệt xong đưa vào thiết bị gia nhiệt (2) để nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 360oC Ta điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp khí vào tháp lượng khí lạnh bổ xung trước vào tháp tổng hợp (1) Trong tháp phản ứng chia thành bậc, bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu, ngăn chứa lớp xúc tác Phản ứng xảy : CO + 2H2 = CH OH + Q Do phản ứng phản ứng toả nhiệt nên hỗn hợp khí sau khỏi bậc có nhiệt độ khoảng (380; 390oC) Để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu bậc cần giảm nhiệt độ hỗn hợp khí cách trộn với lượng khí lạnh để hạ nhiệt độ xuống khoảng 365oC, sau vào bậc Tưong tự hỗn hợp khí sau khỏi bậc có nhiệt độ cao đựoc trao đổi nhiệt độ với lượng khí lạnh để giảm nhiệt độ xuống 365oC, sau vào bậc Hỗn hợp khí sau khỏi bậc dẫn tháp đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) phía ống để hạ nhiệt độ xuống, sau vào thiết bị làm lạnh (5), làm lạnh nước, MeOH ngưng tụ thành chất lỏng, hỗn hợp khí - lỏng chuyển vào thùng phân ly (6) MeOH lỏng tách dẫn đến cơng đoạn Khí khỏi thiết bị phân ly hỗn hợp (H 2, N2, CO, CO2, CH4 phần methanol chưa ngưng tụ dạng hơi) trộn với khí nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7) Hốn hợp khí khỏi máy nén tuần hồn chia thành hai phần: phần đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), qua thiết bị gia nhiệt để vào tháp phản ứng, phần không qua thiết bị gia nhiệt có nhiệt độ thấp, trộn lẫn với hỗn hợp khí có nhiệt độ cao sau khỏi bậc 2, khống chế nhiệt độ hỗn hợp khí vào bậc bậc VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG PHẦN III: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL I TÍNH HỐN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC Các số liệu ban đầu: nh,0 = 5000 (kmol/h) nCH 3OH ,0 = 0% x 5000 = (kmol/h) nCO ,0 = 13,8% x 5000 = 690 (kmol/h) nH ,0 = 72% x 5000 = 3600 (kmol/h) nN2 ,0 = 8,8% x 5000 = 440 (kmol/h) nCH ,0 = 4,8% x 5000 = 240 (kmol/h) nCO2 ,0 = 0,6% x 5000 = 30 (kmol/h) Giả thiết: Nhiệt độ đầu hỗn hợp phản ứng t = 360 C Mỗi lớp có nhiệt độ tăng  T = 5oC Chọn thay đổi độ chuyển hoá lớp bậc  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH OH/kmol) Tính số mol hỗn hợp khỏi lớp 1:  Uch,1 = nCH3OH ,1 nh ,0  nCH 3OH ,1 = U ch,1 nh,0 nCH 3OH ,1 = 5000 x 0,0022 = 11 (kmol/h) Theo phương trình phản ứng: CO + 2H2 = CH OH Ta có: nCO ,1 = nCH OH ,1 = 11 (kmol/h) nH ,1 = x nCH 3OH ,1 = 22 (kmol/h) Tính số mol khỏi lớp 1: nCH 3OH ,1 = nCH 3OH ,0 + nCH 3OH ,1 = + 11 = 11 (kmol/h) nCO ,1 = nCO ,0 + nCO ,1 = 690 – 11 = 679 (kmol/h) VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49