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 do - Hạnh phúc
KHOA CƠNG NGHỆ HỐ HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ – CN HOÁ & THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH
KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
Họ và tên

: VŨ VĂN THÀNH

Lớp

: QTTB – K49

Đầu đề thiết kế:
Tính thiết bị tổng hợp Methanol: Tháp tổng hợp Methanol được chia làm 3 bậc (3
ngăn), ở mỗi ngăn được đổ đầy chất xúc tác, giữa các ngăn có buồng trộn khí lạnh.
Tháp làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, từng bậc đoạn nhiệt, tức bảo đảm nhiệt độ
vào và ra ở mỗi bậc nằm trong 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 của hỗn hợp phản ứng vào tháp (tính theo mol)

C H = 72 %;

= 13,8 %;

C CH = 4,8 %;

C CO = 0,6 %;

2

4

C N = 8,8 %;
2

2

= 0;

3) Chiều cao cho phép của mỗi lớp xúc tác 1,8m;

4) Nhiệt độ phản ứng tối đa đạt được ở mỗi lớp xúc tác 390oC;
5) Khối lượng riêng của lớp xúc tác trong 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 được lấy là hỗn hợp phản ứng vào tháp ở nhiệt độ t 1 = 20oC
(có cùng thành phần) để hoà trộn;

9) Nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng ra khỏi lớp xúc tác đạt tối thiểu 380oC.

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
1. Mở đầu
2. Dây chuyển cơng nghệ sản xuất Methanol
3. Tính tốn thiết bị tổng hợp Methanol
4. Tính tốn truyền nhiệt
5. Ngơn ngữ lập trình sử dụng để tính tốn tháp tổng hợp Methanol
6. Kết luận
7. Tài liệu tham khảo
Các bản vẽ và đồ thị:
+ Sơ đồ dây chuyền công nghệ khổ A4;
+ Đồ thị sự phụ thuộc hàm nhiệt của Methane vào nhiệt độ;
+ Đồ thị sự phự thuộc hàm nhiệt của Methanol vào nhiệt độ;
+ Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào độ chuyển hoá và nhiệt độ.
Cán bộ hướng dẫn:

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

02/02/2009

Ngày phải hoàn thành:

23/02/2009

Trưởng khoa

Cán bộ hướng dẫn thiết kế

Đánh giá kết quả:

Ngày … tháng … năm 2009

Ngày … tháng … năm 2009

Cán bộ chấm bài

Người nhận

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI NÓI ĐẦU
VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Các q trình hố học là một bộ phận quan trọng của quá trình thiết bị, được
ứng dụng nhiều trong cơng nghệ hố chất, thực phẩm và nhiều quá trình sản xuất liên
quan khác. Song nó xảy rất phức tạp. Thể hiện ở việc hình thành phản ứng hoá học phụ
thuộc vào yếu tố thúc đẩy hay kiềm chế, địi hỏi phải có nguồn năng lượng hoạt hoá.
Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ. Cân bằng hoá học là giới hạn của quá trình
chuyển hố. Hướng của phản ứng hố học được quyết định do điều kiên nhiệt độ, áp
suất, thời gian lưu, … Và trong q trình đó có một lượng nhiệt lớn đựơc phát sinh hay
tiêu thụ.
Trong đó, thiết bị phản ứng là cơng cụ để thực hiện các qúa trình có kèm theo

phản ứng hố học, nhằm tạo ra những sản phẩm khác nhau. Quá trình và thiết bị phản
ứng được xây dựng trên cơ sỏ kiến thức của quá trình thuỷ lực, quá trình chuyển chất
và quá trình truyền nhiệt. Nó được tập hợp kiến thức nhiệt động, động hoá học và trong
một số trường hợp sử dụng cả những kiến thức điện hoá, sinh hoá và quang hoá. Do đó
tính tốn thiệt bị phản ứng địi hỏi phải nắm chắc mơ hình tính tốn khái qt cùng với
những vấn đề liên quan để điều khiển được quá trình, hạn chế sự phát sinh nguồn năng
lượng hoạt hoá, hoặc loại bỏ những 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 cơ học, điện hố,
… tìm điều kiện làm việc thích hợp nhất, có năng suất cao nhất.
Việc tính tốn được tiến hành khi đã xác định được các yếu tố chủ yếu ảnh
hưởng đến q trình chuyển hố như: quan hệ cân bằng hoá học, động hoá học phản
ứng, sự vận chuyển nhiệt, vận chuyển chất, các dòng động lượng, khả năng hấp phụ, …
●

Mục đích của đồ án mơn học tính tốn thiết bị phản ứng: giúp sinh viên

có cái nhìn tồn vẹn và sâu sắc hơn về các q trình hố học, bước đầu làm quen với
việc tính tốn, thiết kế thiết bị phản ứng, và dây chuyền sản xuất kèm theo.
●

Đối tượng tính tốn: Tháp tổng hợp MeOH 3 bậc, làm việc theo nguyên

tắc đẳng nhiệt, trong đó từng bậc làm việc đoạn nhiệt, với nhiệt độ, chiều cao trong
khoảng giới hạn cho phép.
●

Nội dung: tính chiều cao mỗi bậc tháp, bằng việc tính chiều cao của từng

lớp xúc tác trong từng bậc theo độ chuyển hoá đã chọn phù hợp.

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Trong khoảng thời gian 3 tuần em đã hoàn thành bản đồ án này, đã tính được
chiều cao của từng bậc phù hợp với điều kiện đã cho.
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Bin đã tận tình
hướng dẫn em trong quá trình làm đồ án này.
Hà Nội, ngày 23 tháng 2 năm 2009.
Sinh viên
Vũ Văn Thành

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

MỤC LỤC
Lời nói đầu.....................................................................................................................2
MỤC LỤC...................................................................................................................... 4
PHẦN I: TỔNG QUAN.................................................................................................5
I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG............................................................5
II. METHANOL.........................................................................................................6
PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ........................................................8
I. SƠ ĐỒ CƠNG NGHỆ.............................................................................................8
II. THUYẾT MINH....................................................................................................9
PHẦN III: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL.................................10
I. TÍNH HỐN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 1.............................................................10
1. Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH 3

OH/kmol)..............................................................................................................10
2. Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:................................................................10
3. Tính nồng độ mới tương ứng:........................................................................11
4. Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1.........................11
5. Tính lại độ chuyển hố...................................................................................13
6. Tính chiều cao của lớp...................................................................................13
7. Tính lượng khí lạnh........................................................................................17
II. TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 2............................................................18
1. Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH 3
OH/kmol)..............................................................................................................18
2. Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:................................................................18
3. Tính nồng độ mới tương ứng:........................................................................19
4. Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1.........................19
5. Tính lại độ chuyển hố...................................................................................21
6. Tính chiều cao của lớp:..................................................................................21
7. Tính lượng khí lạnh........................................................................................25
III. TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 3...........................................................26
1. Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là  Uch,1 = 0,0023 (kmolCH 3
OH/kmol)..............................................................................................................26
2. Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:................................................................26
3. Tính nồng độ mới tương ứng:........................................................................27
4. Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1.........................27
5. Tính lại độ chuyển hố...................................................................................29
6. Tính chiều cao của lớp:..................................................................................29
PHẦN IV: TÍNH TỐN THIẾT B TRUYN NHIT...............................................33
PHN V : Chơng trình lập trình...................................................................33
PHN 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 chính 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 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 toạ độ không gian. Đối với những phản ứng phức tạp, như phản ứng
nối tiếp hoặc phản ứng song song, bên cạnh độ chuyển hố cịn phải chú ý đến độ chọn
lọc và hiệu suất. Để khắc phục sản phẩm không mong muốn, và độ chuyển hố lớn thì
dùng thiết bị loại tháp. Do đó thiết bị tháp thường được dùng trong sản xuất.
● Tháp phản ứng có chia ngăn đoạn nhiệt
Tháp phản ứng nhiều bậc, làm việc theo nguyên tắc đẳng nhiệt, trong đó từng bậc
đoạn nhiệt làm việc theo nguyên tắc đẩy lý tưởng. Để đảm bảo điều kiện làm việc đoạn
nhiệt ở từng đoạn, thân tháp được bảo ôn bởi lớp cách nhiệt.
Trong thực tế phần lớn các phản ứng là toả nhiệt hoặc thu nhiệt, nên khơng có
khả năng đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt trong tồn tháp. Q trình thu hoặc toả nhiệt
kéo dài trong suốt quá trình phản ứng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ, làm nhiệt độ trong
toàn tháp tăng hoặc giảm so với nhiệt độ phản ứng, nên giảm hiệu suất chuyển hóa. Để
đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ trong tồn tháp khơng q lớn ( không xa quá so với nhiệt
độ phản ứng ), tháp được chia thành nhiều bậc và giữa các bậc có sự trao đổi nhiệt.
Điều này đảm bảo cho tháp làm việc cận với điều kiện đẳng nhiệt, đảm bảo độ chuyển
hoá cao nhất. Như vậy, ở mỗi bậc của tháp làm việc đoạn nhiệt, nhưng trong toàn tháp

đảm bảo điều kiện gần như đẳng nhiệt.
Phản ứng tổng hợp methanol từ cacbonoxit và khí hydro là phản ứng toả nhiệt.
Như vậy nếu hỗn hợp vào tháp ở bậc 1 có nhiệt độ trong khoảng 345 ÷ 360 0C thì khi ra
khỏi bậc 1 hỗn hợp sẽ có nhiệt độ gần bằng 390 0C theo điều kiện làm việc đoạn nhiệt.
Để đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt của tháp phải thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa
các ngăn ( ở đây là quá trình làm lạnh) để đưa hỗn hợp phản ứng tới nhiệt độ phản ứng
ban đầu trước khi đi vào bậc tiếp theo.
VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Q trình làm lạnh có thể tiến hành theo hai cách: hoặc làm lạnh trực tiếp bằng
cách trộn với khí lạnh, hoặc 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 kém thiết bị, thiết bị
hay bị bẩn phải dừng để làm sạch 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 như vậy nên trong thực tế người ta dùng phương pháp trộn hỗn hợp
khí lạnh trực tiếp để điều chỉnh nhiệt độ giữa các ngăn, sẽ tiết kiệm đựoc thiết bị,
nhưng làm thay đổi thành phần của hỗn hợp phản ứng. Nên việc tính tốn phức tạp
hơn. Tức là phải tính lại thành phần của hỗn hợp phản ứng sau khi trộn khí lạnh, tính
nhiệt độ và 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 bằng thiết bị trao đổi nhiệt có hệ số
truyền nhiệt khơng đổi, thì phương pháp hồ khí lạnh có hệ số truyền nhiệt thay đổi,
thông số này là hằng số khi nồng độ các chất trong hỗn hợp không đổi không đổi,
thành phần của khí lạnh và hỗn hợp phản ứng như nhau và sau khi hồ vào nhau có
nồng độ khơng đổi so với lúc đầu, tức là nồng độ của các cấu tử tham gia phản ứng vào
các bậc phản ứng là như nhau.
II. METHANOL

Methanol là một hợp chất hoá học có cơng thức là CH 3 OH (được viết tắt là
MeOH). Nó là rượu đơn giản nhất, là một chất lỏng nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy và rất độc
với một mùi thơm đặc biệt để phân biệt, đó là nhẹ hơn và ngọt hơn ethanol (rượu
etylic). Ở nhiệt độ phịng nó là một chất lỏng phân cực, và được sử dụng như một chất
chống đông, dung môi, nhiên liệu, và có tính chất hố học mạnh hơn rượu ethylic.
MeOH được sản xuất từ than đá hoặc từ khí thiên nhiên ( trong điều kiện áp suất
cao và có chất xúc tác), hoặc chưng phân huỷ gỗ.
MeOH được 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 được sử
dụng cho xe cộ. MeOH tạo ra chất metyl tert – butyl ete ( MTBE), làm tăng chỉ số
octan trong xăng dầu.

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CƠNG NGHỆ
I. SƠ ĐỒ CƠNG NGHỆ

1
2

4

3

Nướ
c

Thơng áp
5

Nướ
c
7
Ngun liệu MeOHu MeOH

6

Khí bổ
xung
1. Tháp tổ ng hợpp
2. 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

5. Thiết bị làm lạnht bị làm lạnh làm lạnhm lạnhnh
6. Phân ly CH3OH
7. Bơm tuần hoànm tuần hoànn hoàm lạnhn


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

II. THUYẾT MINH
Hỗn hợp khí nguyên liêụ (H 2 , CO, CO 2 , N 2 , CH 4 ) sau khi qua thiết bị trao
đổi nhiệt (3), (4), để tận dụng nguồn nhiệt của hỗn hợp khí ra khỏi tháp tổng hợp(1).
Hỗn hợp khí sau khi trao đổi nhiệt xong được đưa vào thiết bị gia nhiệt (2) để nâng
nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 360oC. Ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí

vào tháp bởi lượng khí lạnh bổ xung trước khi vào tháp tổng hợp (1). Trong tháp phản
ứng chia thành 3 bậc, mỗi bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu, mỗi
ngăn chứa một lớp xúc tác. Phản ứng xảy ra :
CO + 2H2 = CH 3 OH + Q
Do phản ứng trên là phản ứng toả nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 có
nhiệt độ trong khoảng (380; 390oC). 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 để hạ nhiệt độ xuống
khoảng 365oC, sau đó đi vào bậc 2. Tưong tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 có
nhiệt độ cao đựoc trao đổi nhiệt độ với một lượng khí lạnh để giảm nhiệt độ xuống
365oC, sau đó vào bậc 3. Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 3 được dẫn ra ngoài tháp và
đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) phía trong ống để hạ nhiệt độ xuống, sau đó vào
thiết bị làm lạnh (5), được làm lạnh bằng nước, MeOH ngưng tụ thành chất lỏng, hỗn
hợp khí - lỏng được chuyển vào thùng phân ly (6). MeOH lỏng được tách ra dẫn đến
các công đoạn tiếp theo. Khí đi ra khỏi thiết bị phân ly là hỗn hợp (H 2, N2, CO, CO2,
CH4 và một phần hơi methanol chưa ngưng tụ ở dạng hơi) được trộn với khí nguyên
liệu bổ sung qua máy nén tuần hồn (7). Hốn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn chia
thành hai phần: một phần đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), qua thiết bị gia nhiệt để
vào tháp phản ứng, một phần không qua thiết bị gia nhiệt có nhiệt độ thấp, trộn lẫn với
hỗn hợp khí có nhiệt độ cao sau khi đi ra khỏi bậc 1 và 2, khống chế nhiệt độ hỗn hợp
khí vào bậc 2 và bậc 3.

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 1
Các số liệu ban đầu:
nh,0 = 5000 (kmol/h)

nCH 3OH ,0 = 0% x 5000 = 0 (kmol/h)
nCO ,0 = 13,8% x 5000 = 690 (kmol/h)
nH 2 ,0 = 72% x 5000 = 3600 (kmol/h)
nN2 ,0 = 8,8% x 5000 = 440 (kmol/h)
nCH 4 ,0 = 4,8% x 5000 = 240 (kmol/h)
nCO2 ,0 = 0,6% x 5000 = 30 (kmol/h)

Giả thiết:
Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 360 0 C
Mỗi lớp có nhiệt độ tăng  T = 5oC
1.

Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH 3

OH/kmol)
2.

Tính số mol hỗn hợp ra 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 3 OH
Ta có: nCO ,1 = nCH OH ,1 = 11 (kmol/h)

3

nH 2 ,1 = 2 x nCH 3OH ,1 = 22 (kmol/h)

Tính số mol ra khỏi lớp 1:
nCH 3OH ,1 = nCH 3OH ,0 + nCH 3OH ,1 = 0 + 11 = 11 (kmol/h)
nCO ,1 = nCO ,0 + nCO ,1 = 690 – 11 = 679 (kmol/h)

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
nH 2 ,1 = nH 2 ,0 + nH 2 ,1 = 3600 – 22 = 3578 (kmol/h)

Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi
nN2 ,1 = nN2 ,0 = 440 (kmol/h)
nCH 4 ,1 = nCH 4 ,0 = 240 (kmol/h)
nCO2 ,1 = nCO2 ,0 = 30 (kmol/h)

Tổng số mol ra khỏi lớp 1:
nh,1 = 4978 (kmol/h)
3.

Tính nồng độ mới tương ứng:
C CH OOH ,1 =

nCH3OH ,1

CH

2 ,1

=

C CO ,1 =
CN

2 ,1

C CH

=

4 ,1

=

C CO ,1 =
2

4.

nH 2 ,1

3578
x 100% = 71,876
4978

%

x 100%=

679
x 100% = 13,640
4978

%

x 100%=

440
x 100% = 8,839
4978

%

nCO ,1
n h,1
nh ,1

11
x 100% = 0,221
4978

x 100%=

n h,1

nN 2 ,1

x 100%=

n h,1

3

nCH 4 ,1
nh,1
nCO2 ,1
nh,1

x 100%=
x 100%=

240
x 100% = 4,821
4978
30
x 100% = 0,603
4978

%

%
%

Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1
Dựa vào hàm nhiệt của hỗn hợp khí khi vào và ra khỏi tháp. Cơng thức tính hàm

nhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử:

h ch = C CH OH h CH OH + C CO h CO + C H h H + C CH h CH + C N h N + C CO h
3

CO2

3

2

2

4

4

2

2

2

(kcal/kmol)
Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suất

dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có cơng thức tính
sau:
h H = 7,1.(T – 273)
2

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49

(kcal/kmol)


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

h CO = 7,25.(T – 473) +1700

(kcal/kmol)

h N = 7,25.( T – 473) +1700 (kcal/kmol)
2

h CO = 13,4.( T – 473) +4050 (kcal/kmol)
2

Hàm nhiệt của metan và metanol được tính dựa vào đồ thị trong phần phụ lục.
Hàm nhiệt của các cấu tử trước khi vào lớp thứ nhất:
Trong đó T = 360 +273 = 6330C
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 633 -273) = 2556 (kcal/kmol)
2

hCO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.(633 – 473) + 1700 = 2860 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 633 – 473) + 1700 = 2860 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 633 – 473) + 4050 = 6194 (kcal/kmol)
h CH = 4531 (kcal/mol)
4

h CH OH = 11014,5 ( kcal/mol)
3

Hàm nhiệt của hỗn hợp:
h ch ,0 = 0,72 x 2556 + 0,138 x 2860 + 0,048 x 4531 + 0,088 x 2860 + 0,006 x
6194 = 2741,332 (kcal/kmol)
Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1:
T = 365 + 273 = 6380C
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 638 -273) = 2591,5 (kcal/kmol)
2

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.(638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 638 – 473 ) + 4050 = 6261 (kcal/kmol)
h CH = 4604,15 (kcal/mol)
4

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

h CH OH = 11050 ( kcal/mol)
3

Hàm nhiệt của hỗn hợp là:
h ch ,1 = 0,0022 x 11050 + 0,71876 x 2591,5 + 0,1364 x 2896,25 + 0,04821 x
4604,15 + 0,08839 x 2896,25 + 0,00603 x 6261= 2797,844 (kcal/kmol)
5.

Tính lại độ chuyển hố
Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là q

trình đoạn nhiệt. Lượng nhiệt được tính theo công thức:
 Q k = n k  1 .(h k - h k  1 )

Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là:
 Q 1 = 5000.(2797,844 – 2741,332) = 282 560 (kcal/kmol)

Tính độ chuyển hố trong lớp 1 dựa vào lượng nhiệt  Q 1
 U* ch ,1 =

n h,0 (h ch,1 - h ch,0 )
h ch,1 - h ch,0
Q1
=
=
nh ,0 ( H R )

nh ,0 ( H R )
( H R )

Coi nhiệt phản ứng H R = 26300 kcal/kmol khơng đổi trong tồn bộ lớp.
 U* ch ,1 =

So sánh sai số:

2797,844  2741,332
26300
U*ch,1 - U ch,1
U ch,1

=

= 0,00215 (kmolCH 3 OH/kmol)

0, 0022  0, 00215
x 100% = 2,27%
0, 0022

*
Giá trị U ch,1 tính được gần bằng giá trị U ch ,1 giả thiết nên có thể chấp nhận giả

thiết ban đầu.
Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là:   U= 0,00215 (kmolCH 3 OH/kmol)
6.

Tính chiều cao của lớp
Trước hết phải tính tải  của lớp xúc tác.  k =

U ch , k
rm.k

(kg xúc tác.h/ kmol)

với rm là tốc độ phản ứng trung bình trong lớp.
Dựa vào phương trình vận tốc phản ứng và thực tế sản xuất người ta đã xây
dựng độ thị rm ,k = f(T m ,k ,U ch ,k ) với áp suất p = 240 at. Nhiệt độ trung bình đựoc tính
theo cơng thức:

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

T m ,k =

Tk Tk  1
2

T m,1 =

360  365
= 362,5oC
2

Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hố ta
thu được vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất là
r m,1 = 0,0735 (kmol CH 3 OH/kg xúc tác)

Tải của lượng xúc tác:
 1 =

0, 00215
= 0,0292 (kg xúc tác.h/ kmol)
0, 0735

Lượng hỗn hợp khí trung bình trong lớp:
n m ,k =

nk  nk  1
(kmol/h)
2

n m ,1 =

5000  4978
= 4989(kmol/h)
2

Và lượng xúc tác trong lớp:
mxt ,k =  k .n m ,k
mxt ,1 = 0,0292 x 4989 = 145,68 (kg)

Tính chiều cao lớp dựa vào đường kính và khối lượng riêng.
H k =

F=

mxt , k

F . xt

(m)

d 2
.0, 62
=
= 0,2826 (m2)
4
4

H1 =

145, 68
= 0,3124 (m)
0, 2826 x1650

Qúa trình tính tốn với các lớp tiếp theo của bậc thứ nhất tương tự như trên, và
được tổng hợp trong bảng số liệu 1 trang bên:

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Bảng 1: Kết quả tính cho bậc 1
0

T

C

360

365

370

375

380

385

388

n CH OH

kmol/h

0

11

21,703

32,855

43,710

55,009

61,122

nH

kmol/h

3600

3578

3556,595

3534,290

3512,579

3489,981

3477,756

n CO

kmol/h

690

679

668,297

657,145

646,289

634,991

628,878

n CH

kmol/h

240

240

240

240

240

240

240

kmol/h

440

440

440

440

440

440

440

n CO

kmol/h

30

30

30

30

30

30

30

Σn

kmol/h

5000

4978

4956,592

4934,290

4912,568

4889,981

4877,756

C CH OH

%

0

0,221

0,438

0,666

0,819

1,125

1,253

CH

%

72

71,876

71,755

71,627

71,502

71,370

71,298

C CO

%

13,8

13,640

13,483

13,318

13,156

12,985

12,893

C CH

%

4,8

4,821

4,842

4,864

4,885

4,908

4,920

%

8,8

8,839

8,877

8,917

8,957

8,998

9,021

3

nN

2

4

2

2

3

CN

2

2

4

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

C CO

2

∆U
Σh
∆h
∆U *
ΣU
rm

%
kmolCH 3OH
kmol
kcal

kmol
kcal
kmol
kmolCH 3OH
kmol
kmolCH 3OH
kmol
kmolCH 3OH
kmol xuctac

0,6

2741,332

0,603

0,605

0,608

0,611

0,613

0,615

0,0022

0,00215

0,00225

0,0022

0,0023

0,00125

2797,844

2853,894

2911,446

2969,088

3028,172

3061,728

56,512

56,050

57,552

57,642

59,083

33,556

0,00215

0,00213

0,00219

0,00219

0,00225

0,00128

0,00215

0,00428

0,00647

0,00866

0,01091

0,01219

0,0735

0,0752

0,0756

0,0747

0,0715

0,068

∆τ

kmolxuctac .h
kmol

0,0292

0,0283

0,0289

0,0293

0,0315

0,0188

nm

kmol/h

4989

4967,297

4945,442

4923,434

4901,280

4883,869

∆m xt

Kg

145,68

140,77

143,150

144,455

153,997

91,637

∆H

M

0,3124

0,3019

0,3070

0,3098

0,3303

0,1965

ΣH

M

0,3124

0,6143

0,9213

1,2311

1,5514

1,7579

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

7.

Tính lượng khí lạnh
● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất:

+

Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất: n h = 4877,756 (kmol/h)

+

Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 388oC

+

Thành phần hỗn hợp khí:
C CH OH = 1,253%
3

Bậc 1c 1

C H = 71,298%
2

n,hch

C CO = 12,893%

Khí lạnhnh

C N = 9,021%
2

C CH =4,920%

Bậc 1c 2

4

ntr,htr

C CO =0,615%
2

+

Nhiệt hàm hỗn hợp khí: h ch

=

3061,728 (kcal/kmol)
+

Chiều cao bậc thứ nhất: ΣH = 1,7579 mH = 1,7579 m

● Tính lượng khí lạnh bổ xung:

+

Chọn nhiệt độ hỗn hợp khí sau khi trộn là: 3600C

+

Hàm nhiệt của hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc 1 ở nhiệt độ 365oC là:
h e = C CH OH h CH OH + C H h H + C CO h CO + C CH h CH + C N h N + C CO h CO
3

3

2

2

4

4

2

2

2

2

= (1,253 x 11050 + 71,298 x 2591,5 + 12,893 x 2896,25 + 4,920 x 4604,15+ 9,021 x

2896,25 + 0,615 x 6261) : 100 = 2885,858

+

Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ xung ở 20oC là:
200 C

h kl
CO2

(kcal/kmol)

=C CH OH h CH OH + C H h H + C CO h CO + C CH h CH + C N h N + C CO h
3

3

2

2

4

4

2

2

2

= 159,416 (kcal/kmol)

+

Hàm nhiệt của khí lạnh bổ xung ở 365oC là
0

C
h 365
= C CH OH h CH OH + C H h H + C CO h CO + C CH h CH + C N h N + C CO h CO
kl
3

3

2

2

4

4

2

2

2

2

= 0 x 11050 + 0,72 x 2591,5 + 0,138 x 2896,25 + 0,048 x 4604,15 + 0,088 x
2896,25 + 0,006 x 6261 = 2778,9977
VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49

(kcal/kmol)


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Cân bằng lượng nhiệt ta có lượng khí lạnh bổ xung được tính theo cơng thức:
n kl =

n ( hch  he )
4877, 756.(3061, 728  2885,858)
=
= 327,416 (kmol/h)
360
20
hkl  hkl
2778,9977  159, 416

II. TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 2
Các số liệu ban đầu:
nh,0 = 4877,756 + 327,416 = 5205,172
nCH 3OH ,0 = 61,122

(kmol/h)

(kmol/h)

nCO ,0 = 628,878 + 0,138 x 327,416 = 674,061

(kmol/h)

nH 2 ,0 = 3477,756 + 0,72 x 327,416 = 3713,495

(kmol/h)

nN2 ,0 = 440 + 0,088 x 327,416= 468,813

(kmol/h)

nCH 4 ,0 = 240 + 0,048 x 327,416= 255,716

(kmol/h)

nCO2 ,0 = 30 + 0,006 x 327,416 = 31,964

(kmol/h)

Giả thiết:
Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 365 0 C
Mỗi lớp có nhiệt độ tăng  T = 5oC
1. Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là  Uch,1 = 0,0022 (kmolCH 3
OH/kmol).
8.

Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:

 Uch,1 =

nCH3OH ,1
nh ,0

 nCH 3OH ,1 = U ch,1 . nh,0

nCH 3OH ,1 = 11,451

(kmol/h)

Theo phương trình phản ứng:
CO + 2H2 = CH 3 OH
Ta có: nCO ,1 = nCH OH ,1 = 11,451
3

(kmol/h)

nH 2 ,1 = 2 x nCH 3OH ,1 = 22,902(kmol/h)

Tính số mol ra khỏi lớp 1:
nCH 3OH ,1 = nCH 3OH ,0 + nCH 3OH ,1 = 72,573
VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49

(kmol/h


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
nCO ,1 = nCO ,0 + nCO ,1 = 662,61(kmol/h)
nH 2 ,1 = nH 2 ,0 + nH 2 ,1 = 3690,593

(kmol/h)

Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi
nN2 ,1 = nN2 ,0 = 468,813 (kmol/h)
nCH 4 ,1 = nCH 4 ,0 = 255,716

(kmol/h)

nCO2 ,1 = nCO2 ,0 = 31,964 (kmol/h)

Tổng số mol ra khỏi lớp 1:
nh,1 = 5182,269 (kmol/h)
9.

Tính nồng độ mới tương ứng:
nCH3OH ,1

C CH OOH ,1 =

n h,1

3

CH

2 ,1

=

C CO ,1 =
CN

2 ,1

C CH

4 ,1

=
=

C CO ,1 =
2

nH 2 ,1
nCO ,1

662,61
x 100% = 12,786 %
5182,269

x 100%=

468,813
x 100% = 9,046 %
5182,269

nCH 4 ,1
nh,1

nCO2 ,1
nh,1

%

x 100% = 71,216 %

x 100%=

n h,1
nh ,1

72,573
x 100% = 1,401
5182,269

3690,593
5182,269

x 100%=

n h,1

nN 2 ,1

x 100%=

x 100%=

255,716

x 100% = 4,934
5182,269

x 100%=

31,964
x 100% = 0,617 %
5182,269

%

10. Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1
Dựa vào hàm nhiệt của hỗn hợp khí khi vào và ra khỏi tháp. Cơng thức tính hàm
nhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử:
h ch = C CH OH h CH OH + C CO h CO + C H h H + C CH h CH + C N h N + C CO h CO
3

3

2

2

4

4

2

2

2

2

Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suất
dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có cơng thức tính
sau:
h H = 7,1.(T – 273)
2

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49


ĐỒ ÁN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

Hàm nhiệt của metan và metanol được tính dựa vào đồ thị trong phần phụ lục.
Hàm nhiệt của các cấu tử trước khi vào lớp thứ nhất:
T = 365 + 273 = 6380C
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 638 -273) = 2591,5 (kcal/kmol)
2

h CO = 7,25.(T – 473) +1700

= 7,25.(638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 638 – 473) + 1700 = 2896,25 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 638 – 473) + 4050 = 6261 (kcal/kmol)
h CH = 4604,15 (kcal/mol)
4

h CH OH = 11050 ( kcal/mol)
3

Hàm nhiệt của hỗn hợp: h ch ,0 = 2879,112 (kcal/kmol)
Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1:
T = 370 +273 = 6430C
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 643 -273) = 2627
2

(kcal/kmol)

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.(643 – 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 643 – 473) + 1700 = 2932,5 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050

2

= 13,4.( 643 – 473 ) + 4050 = 6328 (kcal/kmol)
h CH = 4666
4

(kcal/mol)

h CH OH = 11181( kcal/mol)
3

VŨ VĂN THÀNH QT-TB K49