Nghiên cứu tính toán thiết bị phản ứng để chế tạo metanol

Đó chỉ là các quá trình vật lý thuần túy nênđối với những quá trình có sự tham gia của phản ứng hóa học không thể phản ánhđợc các ảnh hởng của nhiệt động hóa học, động hóa học trong một

Mục lục Mở đầu Sơ đồ dây chuyền công nghệ Tính toán thiết bị tổng hợp Metanol I.Tính toán cho bËc thø nhÊt TÝnh sè mol míi hỗn hợp khí khỏi lớp Thành phần hỗn hợp khỏi lớp Tính hàm nhiệt hỗn hợp Tốc ®é ph¶n øng Trë t¶i cđa líp Khối lợng xúc tác Chiều cao lớp Bảng I: Bảng tổng hợp kết tính toán bậc thứ 11 Hỗn hợp khí khỏi bậc thứ Tính toán suất khí lạnh cần trộn 13 II TÝnh to¸n cho bËc thø hai 14 1.TÝnh sè mol hỗn hợp khí khỏi lớp 14 Thành phần hỗn hợp khỏi lớp 14 Tính hàm nhiệt hỗn hợp Tốc độ phản ứng 16 Trở tải lớp Khối lợng xúc tác Chiều cao líp 10 10 10 13 15 16 16 16 Bảng II: Bảng tổng hợp kết tÝnh to¸n bËc thø hai: 17 III TÝnh to¸n cho bËc thø Ba TÝnh sè mol míi cđa hỗn hợp khí khỏi lớp Thành phần hỗn hợp khỏi lớp 19 Tính hàm nhiệt hỗn hợp Tốc độ phản ứng 21 Trở tải lớp Khối lợng xúc tác: Chiều cao lớp Bảng III: Bảng tổng hợp kết tính toán bậc thứ ba 22 Tính to¸n trun nhiƯt KÕt ln Phơ lơc 19 19 20 21 21 21 26 27 28 Mở đầu Từ trớc tới ta đà gặp nhiều trình nh: trình thủy lực, trình chuyển khối truyền nhiệt Đó trình vật lý túy nên trình có tham gia phản ứng hóa học phản ánh đợc ảnh hởng nhiệt động hóa học, động hóa học số trờng hợp điện hóa, quang hóa sinh hóa lên trình chung Để giải vấn đề việc nghiên cứu, tính toán thiết bị phản ứng cho ta kiến thức toàn diện Thiết bị phản ứng công cụ để thực công việc kỹ thuật nh: có khả điều khiển trình, hạn chế phát sinh nguồn lợng hoạt hóa, quan hệ cân bất hợp lý thay đổi nhiệt độ, áp suất hệ dùng xúc tác phơng pháp khác nh điện hóa, quang hóa học khác Bản chất trình kỹ thuật tợng chuyển hóa Vì việc tính toán thiết bị đợc tiến hành xác định yếu tố ảnh hởng chủ yếu đến trình chuyển hóa Để đơn giản tính toán, thiết bị phản ứng đợc chia loại chủ yếu điều kiện lý tởng : Thiết bị khuấy gián đoạn Thiết bị khuấy liên tục Thiết bị đẩy lý tởng Mục tiêu tính toán thiết bị tìm điều kiện làm việc tối u, đề suất thiết bị có suất cao hớng cải tiến loại thiết bị cũ đợc sử dụng Chọn thiết bị phản ứng: Trong đồ án em chọn thiết bị phản ứng loại tháp 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 tọa độ không gian Tháp phản ứng đợc chia nhiều lớp đoạn nhiệt làm việc áp suất cao theo nguyên tắc đẩy lý tởng (không có dòng khuếch tán theo hớng kính, mà có dòng khuếch tán theo hớng trục) Trong lớp ngời ta đổ lớp xúc tác dới dạng đệm có chiều cao xác định Để đảm bảo điều kiện đoạn nhiệt, thân tháp đợc bao bọc lớp bảo ôn có khả cách nhiệt tốt đồng thời để bảo đảm nhiệt độ toàn tháp (đạt độ chuyển hóa cao nhất) ngời ta chia tháp làm nhiều bậc sau bậc thực trình truyền nhiệt Nh bậc tháp làm việc đoạn nhiệt nhng toàn tháp làm việc đẳng nhiệt Trong tháp thực trình truyền nhiệt sau bậc việc dùng khí lạnh để điều khiển nhiệt độ bậc Nguyên liệu Methanol: Metanol tên thông thờng Methyl alcohol CH3OH loại rợu đơn giản Nó tạo chng phân hủy gỗ, nhng chủ yếu đợc hình thành từ than đá từ khí thiên nhiên (trong điều kiện áp suất cao) dạng tinh khiết Metanol chất lỏng, không màu, dễ cháy, có mùi đặc trng độc Metanol đợc dùng để sản xuất formaldehid (sử dụng ngành sản xuất kẹo chất dẻo), Methyl-ter-buty (MTB, chất thay làm tăng số octan xăng dầu) Vinyl acetate (sử dụng ngành sơn) xăng dầu Ngoài Methanol đợc sử dụng làm dung môi cho chất béo, dầu, chất dẻo tổng hợp, nguyên liệu để sản xuất thuốc nhuộm, chất chống đông đặc cho dung dịch đặc biệt nhiên liệu chất dẻo Sơ Đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp methanol G1 G2 G3 nớc Thông áp nớc Nguyên liệu metanol Khí bổ sung 1- Thiết bị phản ứng 2- Thiết bị đun nóng - Thiết bÞ gia nhiƯt - ThiÕt bÞ gia nhiƯt - Làm lạnh khí - Thiết bị phân ly CH3OH sơ đồ dây chuyền Nguyên liệu khí (H2, CO, N2, CO2, CH3OH) sau qua thiÕt bÞ gia nhiƯt (3) (4) để tận dụng nguồn nhiệt hỗn hợp khí sau khỏi thiết bị phản ứng (1) Hỗn hợp khí sau gia nhiệt xong đợc đa vào thiết bị đun nóng (2) để nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 345 oC ta điều chỉnh nhiệt độ hỗn hợp khí vào tháp lợng khí nguyên liệu lạnh G1 trớc vào tháp phản ứng (1) Trong tháp phản ứng chia làm bậc, bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối u, ngăn chứa lớp xúc tác, phản ứng tổng hợp Methanol xảy : CO + 2H2 CH3OH + Q Do ph¶n øng tỏa nhiệt nên hỗn hợp khí sau khỏi bậc có nhiệt độ cao 390 oC Để đảm bảo độ chuyển hoá tối u bậc cần giảm nhiệt độ hỗn hợp khí cách trộn với lợng khí lạnh G2 để hạ nhiệt độ xuống khoảng 348,5 oC vào bậc 2, tơng tự hỗn hỵp khÝ sau khái bËc cã nhiƯt độ cao lại đợc trộn với lợng khí lạnh G3 để giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống 351,4 oC sau vào bậc Hỗn hợp khí sau khái bËc cã nhiƯt ®é 386,4 oC đợc dẫn tháp đa vào thiết bị gia nhiệt (3), (4) phía ống, hỗn hợp khí sau hạ nhiệt độ đợc đa vào thiết bị làm lạnh(5) nớc Do làm lạnh lên methanol dạng ngng tụ thành lỏng, hỗn hợp khí lỏng đợc chuyển vào thùng phân ly (6) methanol methanol lỏng đợc tách dẫn tới công đoạn tiếp sau Khí từ thiết bị phân ly gồm (H2, CO, N2, CO2 phần methanol cha ngng tụ ỏ dạng hơi) đợc trộn với khí nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7), hỗn hợp khí khỏi máy nén tuần hoàn (7) chia làm phần: + Một phần ®a tíi thiÕt bÞ gia nhiƯt (4), (3) ë phÝa ống, qua thiết bị đun nóng (2) để nâng nhiệt độ lên khoảng 345 oC để vào tháp phản ứng + Một phần không qua thiết bị gia nhiệt lên có nhiệt độ thấp ( 20 oC ) dùng để trộn với lợng khí nóng sau khái bËc lµ G2 vµ khái bËc 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) = - NhiƯt ®é cho phÐp cao nhất: t = 390 C - Khối lợng riêng xúc tác: xt= 1650 (kg/m3) - Đờng 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 khỏi tháp phản ứng, hỗn hợp khí có nhiệt độ tối thiểu 380 oC Việc tính toán đợc tiến hành theo diễn biến nhiệt độ theo lớp bậc chênh lệch  t = oC, bá qua sù khuÕch t¸n theo trục I.Tính toán cho bậc thứ Đối với lớp thứ nhiệt độ vào t0= 345 C Chän ®é chun hãa: u1 ch= 0,002 TÝnh sè mol hỗn hợp khí khỏi lớp Lợng metanol tạo thành lớp này: n1(CH3OH)= u1 ch.nges= 0,002.3300= 6.6 (kmol/h) Từ phơng trình phản ứng, ta cã: n(CO)= n(CH3OH)= n(H2)/2 Sè mol c¸c cÊu tư sau líp 1: n1(CH3OH)= n0(CH3OH) + n1(CH3OH)= + 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) Nh÷ng cÊu tư khác không tham gia vào phản ứng 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) Tæng số mol hỗn hợp khỏi lớp 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) Thành phần hỗn hợp khỏi lớp C1(H2)= n1 ( H 2) 2376.0  71,88755 n1 ( ges) 3286.8 (%mol) C1(CO)= n1 (CO) 455.4  13,65462 n1 ( ges) 3286.8 (%mol) C1(N2)= n1 ( N 2) 290.4  8,8353 n1 ( ges ) 3286.8 (%mol) C1(CH4)= n1 (CH 4) 158.4   4,819 n1 ( ges ) 3286.8 C1(CO2)= n1 (CO ) 19.8  0,60241 (%mol) n1 ( ges ) 3286.8 C1(CH3OH)= (%mol) n1 (CH 3OH ) 6.6  0,200803 (%mol) n1 ( ges) 3286.8 Tính hàm nhiệt hỗn hợp Hàm nhiệt hỗn hợp T1= 350+273= 623 (K) đợc 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) ®ã: 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) t1= 350C ta có h1(CH4)= 4375 kcal/kmol Tra đồ thị (2) ë t1= 350C ta cã h1(CH3OH)= 10593,75 kcal/kmol Thay sè tính đợc h1(ges)= 2681,935 kcal/kmol Hàm nhiệt hỗn hợp vào T0= 345+ 273= 618(K) đợc 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) ®ã: 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 Tra đồ thị (1) t1= 345C ta có h0(CH4)= 4312,5 (kcal/kmol) (kcal/kmol) Tra đồ thị (2) t1= 345C ta cã h0(CH3OH)= 10450 (kcal/kmol) Thay sè tÝnh đợc h0(ges)= 2628,3805 kcal/kmol Hàm nhiệt phản ứng qua líp 1: h1= h1(ges)- h0(ges)= 2681,935- 2628,3805= 53,55474 (kcal/kmol) Lỵng nhiệt tạo thành lớp Q1= n0(ges).h1 Q1= 330 53,55474= 176730.65 (kcal/h) §é chun hãa: u  u1  Q1 n (ges).(  H R ) ®ã -HR= 26300 kcal/kmol lµ h»ng sè 176730.65 0,0020363 3300.26300 so s¸nh sai sè u1  u1.ch 0,0020363  0,002  1,8151% u1.ch 0,002 VËy tỉng ®é chun hãa sau líp nµy: k u  ui u1 0,0020363 (k: chØ số lớp) i Tốc độ phản ứng tra ®å thÞ (3) r= f(tm, u) víi t1m= (t0+ t1)/2= 347,5 (C) u1 = 0,0020363 ta đợc r1= 0,059 , kmolCH3OH/kgxt.h Trë t¶i cđa líp   u1 0,0020363  0,03451 (kgxt.h/kmol) r1 0,059 Khèi lỵng xúc tác m1xt n 1tb n1tb lu lợng khí trung bình lớp 1, n 1tb  n (ges)  n1 (ges) nltb = 3293.4 (kmol/h) thay số ta đợc m1xt 113.655 (kg) ChiỊu cao líp H1  m1xt F. xt F điện tích tiết diện tháp F d 0,785.0,6 0,283 H  (m2) 113.655 0.2437( m)  24.37(cm) 0,283.1650 k Tỉng chiỊu cao: H   H i  H1  24.37 cm i Quá trình tính toán tơng tự c¸c líp tiÕp theo cđa bËc thø nhÊt ta cã kÕt qu¶ b¶ng I