Theo định luật cân bằng nhiệt ta có phơng trình cân bằng nhiệt của thiết bị phản ứng chính nh sau:
T = 220C
Gi : là thành phần cấu tử trong khí tổng hợp, kCal/h Theo cân bằng vật chất ta có: GCO= 22973.97 kg/h GCO2= 26602.03 kg/h GH2= 7554.55 kg/h GCH4= 219.4265 kg/h GH2O= 63132.627 kg/h
Ci là nhiệt dung riêng đẳng áp của từng cấu tử i, kcal/kg tại 2200C và 8MPa + Nhiệt dung riêng của hợp chất khí đợc tính theo công thức :
M.C = n1.C1 + n2.C2 + . . .
M_khối lợng mol của hợp chất . C_nhiệt dung riêng của hợp chất .
N1 , n2 ,n3 _ số nguyên tử của các nguyên tố tơng ứng . C1 , C2 ,C3 _nhiệt dung của các nguyên tố tơng ứng . Tra trong sổ tay hóa công ta có :
CC =11700 J/kg.nhuyên tử .độ CH =18000 J/kg.nhuyên tử .độ CO = 25100 J/kg.nhuyên tử .độ
Ta tình đợc nhiệt dung của CH3OCH3 . 46xCCH3OCH3 =2x11700 +6x18000 + 25100 Vậy CCH3OCH3 =3.402kJ/kgđộ =0.81 kcal/kgđộ.
Bảng 19: Bảng nhiệt dung riêng của các cấu tử
Cấu tử C(Kcal/Kg.độ) C(Kj/Kmol.độ)
CO 0.265 31.07 CO2 0.267 49.20 H2 3.490 29.45 CH4 1.469 98.40 H2O 1.091 82.22 CH3OH 0.390 52.32 CH3OCH3 0.81 156.49
Thay số vào và tính toán ta có:
Q1 = 493( 22973.97x0.265 + 26602.03x0.267
+ 7554.55x3.490 + 63132.627x1.091 + 219.4265x1.469) = 53.616x106 kCal = 244.479x106 kj/h .
II.2. Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành metanol
Trong phần tính toán trớc ta đã giả thiết có 3 phản ứng chính và 2 phản ứng phụ xảy ra. Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng này là rất lớn. Tuy vậy, nếu xét về lợng chất tham gia phản ứng thì chỉ có các phản ứng sau đây là có hiệu ứng nhiệt ảnh hởng đáng kể đến cân bằng nhiệt của quá trình:
CO + 2H2 → CH3OH (1) ∆H300K = −90,77Kj/mol CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O (2) ∆H300K = −49,16Kj/mol
Vì 2 phản ứng này tỏa nhiệt lớn bên cạnh đó chúng lại có lợng tham gia phản ứng lên nên trong quá trình tính toán ta cần xét hiệu ứng nhiệt của 2 phản ứng này.
Hiệu ứng nhiệt của 2 phản ứng trên đợc xác định ở 300K, còn trong điều kiện tổng hợp metanol lại là 2200C, tức là 493K. Do vậy phải quy các hiệu ứng nhiệt này về 493K để tính toán.
Ta có công thức chuyển đổi hiệu ứng nhiệt theo nhiệt độ sau: ∆H2 = ∆H1 + ∆Cp(T2 - T1)
Trong đó:
∆H1, ∆H2: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng tại nhiệt độ T1, T2.
∆CP: Hiệu nhiệt dung riêng đẳng áp của sản phẩm và chất tham gia phản ứng, kcal/kmol. K
T1, T2; Nhiệt độ đầu và cuối của quá trình (K) Xét phản ứng (1) ta có:
∆H1 = - 90,77 Kj/Kmol, T1 = 300K, T2 = 493K
Với sai số trong giới hạn cho phép ta có thể coi nhiệt dung riêng của các sản phẩm và chất tham gia phản ứng là hằng số trong khoảng nhiệt độ từ 300 ữ 400K. từ giả thiết này ta xác định đợc giá trị ∆CP nh sau:
3 2 ( ) CH OH H CO CP C C C ∆ = − − Thay số ta có: ∆CP = 52.32 – ( 2x29,45 - 31,08 ) = -37.66 (Kj/Kmol.độ). Do đó: ∆H493K(1) = ∆H300K + ∆CP(493 - 300) = - 90,77x103 – 37.66(493 - 300) = -98.038 x 103(Kj/Kmol). Dấu trừ có ý nghĩa chỉ sự toả nhiệt của phản ứng, khi tính toán ta chỉ lấy giá trị tuyệt đối.
Vậy nhiệt lợng của phản ứng (1) toả ra trong thiết bị tổng hợp metanol tính theo lợng CO phản ứng là: 820.060x0.98x0.99 = 795.764kmol q1= 98.038x103 x 795.764 = 78.015x106Kj Đối với phản ứng(2): ∆H300K = - 49,16 kj/mol, T1 = 300K, T2 = 493K Tơng tự nh trên ta có: 3 2 2 ( CH OH H ) ( H CO) CP C C C C ∆ = + − − . Thay số: ∆CP = ( 52.32 +82.22 ) - (49,20 + 3x29.45 ) = -3.01(Kj/Kmol,độ). Do đó:
T: Nhiệt độ tại đầu ra của phản ứng. Do thiết bị hoạt động gần nh đẳng nhiệt nên ta có thể coi nhiệt độ tại đầu ra của thiết bị là T = 2200C.
Gi : thành phần sản phẩm, kmol/h.
Ci : nhiệt dung riêng của cấu tử trong sản phẩm, Kj/Kmol.độ Thành phần các cấu tử trong sản phẩm ta đã tính đợc ở phần trớc là: GCH3OH = 975.28 Kmol/h GCH3OCH3 = 2.4114 Kmol/h GCH4 = 5.0285 Kmol/h GCOd = 16.14 Kmol/h GCO2d =426.745 Kmol/h GH2d =1590.6582 Kmol/h GH2O = 3691.44 Kmol/h
Từ các số liệu trên ta tính đợc nhiệt lợng do sản phẩm mang ra trong 1 giờ là: Q3 = 493( 975.28x52.32 + 2.4114x156.49 + 5.0285x46.61 + 16.14x31.08 + 426.745x49.20 + 1590.6582x29.45 + 3691.44x82.22 ) = 208.781x106 kj.
Q3 = 20,864.106 Kj
II.4. Nhiệt lợng mất mát Q5
Vì trong quá trình luôn có sự truyền nhiệt giữa thiết bị phản ứng với môi trờng xung quanh nên có thể xảy ra sự mất mát nhiệt. Lợng nhiệt mất mát này do nhiều nguyên nhân khác nhau, ví dụ:
Nhiệt thất thoát ra ngoài môi trờng, nhiệt thất thoát do bảo ôn không tốt
Nhiệt mất mát do sản phẩm ra theo khí thải
Ta giả thiết rằng lợng nhiệt mất mát chiếm khoảng 5% tổng nhiệt lợng vào, từ đó ta có:
Qmm = Q5 = 0,05Qvào = 0.05x331.741x106Kj =16.587x106 Kj.
II.5. Nhiệt lợng do chất tải nhiệt mang đi Q4
Từ phơng trình cân bằng nhiệt ta có: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Suy ra Q4 = (Q1 +Q2 ) - (Q3 + Q5) Thay số:
Q4 = 331.741x106 - ( 208.78 + 16.587 )x106= 106.373x106Kj
Bảng 20: Bảng cân bằng nhiệt lợng của thiết bị tổng hợp metanol
Đầu vào Q.106, kj/h Đầu ra Q.106 kj/h
Nhiệt lợng do khí tổng
hợp mang vào :Q1 244.479 Nhiệt lợng do sản phẩmphản ứng mang ra. Q
3 208.781
Nhiệt lợng do các phản
ứng tổng hợp toả ra: Q2 86.945 Nhiệt lợng do nớc mang raQ
4 106.373
Nhiệt mất mát Q5 16.587
Chơng iii
tính kích thớc cơ bản cho thiết bị phản ứng chính thiết bị–
tổng hợp metanol
Trong dây chuyền công nghệ đã chọn, thiết bị phản ứng loại ống chùm. Để phù hợp với yêu cầu về tính chất công nghệ và các đặc tính hoá lý của metanol, thiết bị phản ứng cần chế tạo bằng thép không gỉ X18H10T. Loại thiết bị này cho phép tách nhiệt phản ứng tốt, đảm bảo cho quá trình làm việc ở điều kiện gần nh đẳng nhiệt, tránh đợc hiện tợng gây ảnh hởng đến xúc tác của quá trình phản ứng.
Thiết bị phản ứng là thiết bị ống chùm nên cấu tạo của thiết bị đơn giản giá thành đầu t chế tạo rẻ.
Do đã khống chế tốt các điều kiện nhiệt động nên hiệu suất sản phẩm nhận đợc ở thiết bị này tơng đối cao. Quá trình phản ứng tổng hợp metanol từ khí tự nhiên qua giai đoạn tổng hợp khí tổng hợp với xúc tác Cu-ZnO-Al2O3 xảy ra trong các ống, nhiệt độ phản ứng là 220oC. Phản ứng tổng hợp metanol là phản ứng toả nhiệt, để khống chế nhiệt độ của quá trình cho phản ứng gần nh đẳng nhiệt, ngời ta cho nớc sôi đi qua thiết bị tách nhiệt của phản ứng.
Khí tổng hợp đợc đun nóng và đi qua lớp xúc tác đặt trong ống, xúc tác đợc đổ đầy ống, các hạt xúc tác có kích thớc 1,3 ữ 3,5 mm, ống chứa xúc tác có kích thớc d = 30 x 2 mm.
Các yêu cầu tính toán là: xác định số ống, đờng kính thiết bị và chiều cao thiết bị.
Khi tính toán thiết bị ta tính toán ở t = 2200C.