II. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG:
5. Cõn bằng nhiệt lượng giai đoạn tổng hợp amoniac:
5.1. Nhiệt lượng vào:
* Nhiệt do hỗn hợp khớ mang vào:
Tổng lượng nhiệt do khớ mang vào được tớnh theo cụng thức: Qvào = ΣGi.Ci.Ti
Trong đú:
Q1 : Tổng lượng nhiệt do khớ mang vào (kcal/h). Gi : Lượng cấu tử i cú trong hỗn hợp (kmol/h).
Ci : Nhiệt dung riờng của cấu tử i trong hỗn hợp (kcal/mol.K). Ti : Nhiệt độ cấu tử i đi vào quỏ trỡnh (K), t0 = 3500C.
Nhiệt dung của mỗi cấu tử trong hỗn hợp khớ phụ thuộc vào nhiệt độ như sau: 4 CH Cp =4,598+1,245.10-2.T+2,860.10-6.T2 - 2,703.10-9.T3 (cal/mol.K). 2 N Cp = 7,440 - 0,324.10-2.T+6,400.10-6.T2 - 2,790.10-9.T3 (cal/mol.K). 2 H Cp =6,483+2,215.10-3.T - 3,298.10-6.T2+1,826.10-9.T3 (cal/mol.K). 3 NH Cp = 7,129 + 0,779.10-3 .T + 0,399.105.T-2 (cal/mol.K). Ta lấy nhiệt độ trung bỡnh của quỏ trỡnh là: 350 0C
Từ đú ta tớnh được lượng nhiệt do khớ mang vào là: Qvào = 405508872,8 (kcal/h).
* Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:
Quỏ trỡnh xảy ra với phản ứng chủ yếu: N2 + 3H2 2NH3
Nhiệt phản ứng hay hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xỏc định bằng hiệu của nhiệt sinh sản phẩm và của chất tham gia.
Qpu = Qsp - Qtg (kcal/h). Trong đú: Q = ΣGi . Qi (kcal/h).
Gi : Lượng cấu tử i trong hỗn hợp khớ, kmol/h. Qi: Nhiệt sinh của cấu tử i, kcal/kmol.
Qi được xỏc định theo cụng thức: =∆ +∫T i i H i Cdt Q 298 298 0 ( ) Trong đú: ) ( 298 0 i H
∆ : Nhiệt sinh của cấu tử i tại nhiệt độ 250C; 1at, (kcal/h). Ci : Nhiệt dung riờng của cấu tử i trong hỗn hợp, (kcal/mol.K).
T : Nhiệt độ phản ứng, (K), Ở đõy T=273+ 350 = 623 K. Từ đú ta tớnh đươc hiệu ứng nhiệt của phản ứng là:
Qpu = - 177081785,8 (kcal/h). Như vậy đõy là quỏ trỡnh toả nhiệt. Tổng nhiệt lượng đi vào là:
Q=Qvào+ Qpu = 405508872,1 + 177081785,8 = 582590657,9 (kcal/h).
5.2. Nhiệt lượng ra:
* Lượng nhiệt theo khớ ra ngoài:
Tương tự ở trờn ta tớnh được lượng nhiệt do hỗn hợp khớ mang ra là: Qra = ΣGi.Ci.Ti
Ở đõy nhiệt độ ra là T = 551 + 273 = 714K. Qra = 571980154,1 (kcal/h).
* Lượng nhiệt tạo ra:
Lượng nhiệt tạo ra là:
Q - Qra = 582590657,9 – 571980154,1 = 10610503,8 (kcal/h).
Bảng 19. Bảng cõn bằng nhiệt lượng giai đoạn tổng hợp amoniac.
Lượng vào ( kcal/h) Lượng ra ( kcal/h )
Khớ mang vào 405508872,1 Khớ mang ra 57198154,1 Nhiệt phản ứng 177081785,8 Nhiệt cần lấy ra 10610503,8
Thỏp tổng hợp amoniac chọn để tớnh toỏn ở đõy là loại thỏp cú 4 lớp xỳc tỏc sau cỏc lớp xỳc tỏc cú cỏc đường bổ xung khớ lạnh trực tiếp.
* Hoạt động của thỏp:
Hỗn hợp khớ vào thỏp ở đỏy đi từ dưới lờn theo khe hở giữa vỏ thỏp và dọ xỳc tỏc. Hỗn hợp khớ qua thiết bị trao đổi nhiệt phớa trờn thực hiện trao đổi nhiệt với khớ đó phản ứng làm giảm nhiệt độ của khớ đó phản ứng và tăng nhiệt độ của hỗn hợp khớ chưa phản ứng lờn. Sau đú hỗn hợp khớ tiếp tục đi vào lần lượt từng lớp xỳc tỏc theo chiều từ trờn xuống
thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac. Qua lớp xỳc tỏc thứ nhất hỗn hợp khớ sản phẩm ra với nhiệt độ tăng cao. Để giảm nhiệt độ hỗn hợp khớ xuống nhiệt độ hoạt tớnh thớch hợp của xỳc tỏc ta bổ xung khớ lạnh trực tiếp sau đú hỗn hợp khớ đi vào lớp xỳc tỏc thứ hai. Tương tự như vậy cho đến khi hỗn hợp khớ ra khỏi lớp xỳc tỏc thứ tư và đi vào ống trung tõm theo chiều từ dưới lờn rồi qua thiết bị trao đổi nhiệt với phớa trờn thực hiện quỏ trỡnh trao đổi nhiệt với khớ chưa phản ứng. Ta thu được hỗn hợp khớ đó phản ứng ở đỉnh thỏp.
Bảng 19. Cỏc kớch thước của thỏp ta chọn theo tiờu chuẩn sau.
Đường kớnh trong của thỏp, (mm) 1800
Đường kớnh ngoài dỏ xỳc tỏc, (mm) 1650
Đường kớnh trong dỏ xỳc tỏc, (mm) 1600
Đường kớnh ngoài ống trung tõm 200