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

Mục lục

Mở đầu
Sơ đồ dây chuyền công nghệ
Tính toán thiết bị tổng hợp Metanol
7
I.Tính toán cho bậc thứ nhất .
1. Tính số mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1.
7
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
8
3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
4. Tốc độ phản ứng.
9
5. Trở tải của lớp.
6. Khối lợng xúc tác.
7. Chiều cao lớp.
Bảng I: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ nhất.
11
8. Hỗn hợp khí ra khỏi bậc thứ nhất.
9. Tính toán năng suất khí lạnh cần trộn.
13
II. TÝnh to¸n cho bËc thø hai.
14
1.TÝnh sè mol míi cđa hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1
14
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
14
3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
4. Tốc độ phản ứng .
16

5. Trở tải của lớp.
6. Khối lợng xúc tác.
7. Chiều cao lớp.

2
6

7

8

10
10
10

13

15

16
16
16


Bảng II: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thø hai:
17
III. TÝnh to¸n cho bËc thø Ba .
1. TÝnh số mol mới của hỗn hợp khí ra khỏi lớp 1.
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
19

3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
4. Tốc độ phản ứng .
21
5. Trở tải của lớp.
6. Khối lợng xúc tác:
7. Chiều cao lớp.
Bảng III: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bËc thø ba
22
TÝnh to¸n trun nhiƯt
KÕt ln
Phơ lơc

19
19

20

21
21
21

26
27
28


Mở đầu
Từ trớc tới nay ta đà gặp rất nhiều các quá trình nh: quá trình thủy lực, quá
trình chuyển khối và truyền nhiệt... Đó chỉ là các quá trình vật lý thuần túy nên
đối với những quá trình có sự tham gia của phản ứng hóa học không thể phản ánh

đợc các ảnh hởng của nhiệt động hóa học, động hóa học trong một số trờng hợp
cả về điện hóa, quang hóa và sinh hóa lên quá trình chung.
Để giải quyết vấn đề này việc nghiên cứu, tính toán thiết bị phản ứng sẽ cho ta
một kiến thức toàn diện hơn. Thiết bị phản ứng là công cụ để thực hiện những
công việc kỹ thuật nh: có khả năng điều khiển quá trình, hạn chế sự phát sinh
nguồn năng lợng hoạt hóa, hoặc quan hệ cân bằng bất hợp lý bằng sự thay đổi
nhiệt độ, áp suất trong hệ hoặc dùng xúc tác và các phơng pháp khác nh điện hóa,
quang hóa hoặc cơ học khác. Bản chất của quá trình kỹ thuật là hiện tợng chuyển
hóa. Vì vậy việc tính toán thiết bị đợc tiến hành khi xác định các yếu tố ảnh hởng
chủ yếu đến quá trình chuyển hóa. Để đơn giản trong tính toán, thiết bị phản ứng
đợc chia 3 loại chủ yếu trong điều kiện lý tởng :
1.
Thiết bị khuấy gián đoạn.
2.
Thiết bị khuấy liên tục.
3.
Thiết bị đẩy lý tởng.
Mục tiêu của tính toán thiết bị là tìm những điều kiện làm việc tối u, đề suất
các thiết bị mới có năng suất cao và hớng cải tiến các loại thiết bị cũ đang đợc sử
dụng.
Chọn thiết bị phản ứng: Trong đồ án này em chọn thiết bị phản ứng loại
tháp do thiết bị loại tháp luôn làm việc ổn định và sự thay đổi của hỗn hợp phản
ứng trong không gian thiết bị không phơ thc vµo thêi gian mµ chØ phơ thc
vµo täa độ không gian.
Tháp phản ứng đợc chia nhiều lớp đoạn nhiệt làm việc ở áp suất cao theo
nguyên tắc đẩy lý tởng (không có dòng khuếch tán theo hớng kính, mà chỉ có
dòng khuếch tán theo hớng trục). Trong mỗi lớp đó 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 bởi lớp bảo ôn có khả năng cách nhiệt tốt đồng thời để bảo đảm nhiệt độ
trong toàn tháp (đạt độ chuyển hóa cao nhất) ngời ta chia tháp làm nhiều bậc sau

mỗi bậc thực hiện quá trình truyền nhiệt. Nh vậy mỗi bậc của tháp làm việc đoạn
nhiệt nhng toàn tháp làm việc ®¼ng nhiƯt.


Trong tháp thực hiện quá trình truyền nhiệt sau mỗi bậc bằng việc dùng khí
lạnh để điều khiển nhiệt độ giữa các bậc.
Nguyên liệu Methanol:
Metanol tên thông thờng là Methyl alcohol CH3OH là loại rợu đơn giản nhất.
Nó có thể tạo ra khi chng phân hủy gỗ, nhng chủ yếu đợc hình thành từ than đá
hoặc từ khí thiên nhiên (trong điều kiện áp suất cao). ở dạng tinh khiết Metanol
là chất lỏng, không màu, dễ cháy, có mùi đặc trng và rất độc.
Metanol đợc dùng để sản xuất formaldehid (sử dụng trong ngành sản xuất kẹo
và chất dẻo), Methyl-ter-buty (MTB, chất thay thế chỉ làm tăng chỉ số octan trong
xăng dầu). Vinyl acetate (sử dụng trong ngành sơn) và xăng dầu. Ngoài ra
Methanol còn đợc sử dụng làm dung môi cho chất béo, dầu, chất dẻo tổng hợp, là
nguyên liệu để sản xuất thuốc nhuộm, chất chống đông đặc cho dung dịch đặc
biệt là nhiên liệu và chất dẻo.


Sơ Đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp methanol.

G1

1
2

4

G2

3

G3

nớc

Thông áp
5

nớc
7
6
Nguyên liệu metanol.

Khí bổ sung.

1- Thiết bị phản ứng.
2- Thiết bị ®un nãng.
3 - ThiÕt bÞ gia nhiƯt.
4 - ThiÕt bÞ gia nhiệt.

5 - Làm lạnh khí.
6 - Thiết bị phân ly CH3OH


sơ đồ dây chuyền
Nguyên liệu khí (H2, CO, N2, CO2, CH3OH) sau khi qua thiết bị gia nhiệt (3)
và (4) để tận dụng nguồn nhiệt của hỗn hợp khí sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng
(1). Hỗn hợp khí sau khi gia nhiệt xong đợc đa vào thiết bị đun nóng (2) để nâng
nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 345 oC ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp

khí vào tháp bởi lợng khí nguyên liệu lạnh G1 trớc khi vào tháp phản ứng (1).
Trong tháp phản ứng chia làm 3 bậc, mỗi bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ
chuyển hoá tối u, mỗi ngăn chứa một lớp xúc tác, phản ứng tổng hợp Methanol
xảy ra :
CO +
2H2
CH3OH + Q
Do phản ứng trên tỏa nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 có nhiệt độ
cao 390 oC. Để đảm bảo độ chuyển hoá tối u ở bậc 2 cần giảm nhiệt độ hỗn hợp
khí bằng cách trộn với lợng khí lạnh G2 để hạ nhiệt độ xuống khoảng 348,5 oC rồi
vào bậc 2, tơng tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 có nhiệt độ cao lại đợc trộn
với lợng khí lạnh G3 để giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống còn 351,4 oC sau đó
vào bậc 3. Hỗn hợp khÝ sau khi ra khái bËc 3 cã nhiƯt ®é 386,4 oC đợc dẫn ra
ngoài tháp và đa vào thiết bị gia nhiệt (3), (4) phía trong ống, hỗn hợp khí sau khi
hạ nhiệt độ đợc đa vào thiết bị làm lạnh(5) bằng nớc. Do làm lạnh lên methanol ở
dạng hơi ngng tụ thành lỏng, hỗn hợp khí lỏng đợc chuyển vào thùng phân ly
(6) methanol. ở đây methanol lỏng đợc tách ra và dẫn đi tới các công đoạn tiếp
sau. Khí đi ra từ thiết bị phân ly gồm (H2, CO, N2, CO2 và một phần hơi methanol
cha ngng tụ ỏ dạng hơi) đợc trộn với khí nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần
hoàn (7), hỗn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn (7) chia làm 2 phần:
+ Một phần đa tới thiết bị gia nhiệt (4), (3) ở phía trong ống, qua thiết bị đun
nóng (2) để nâng nhiệt độ lên khoảng 345 oC để đi 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 khi ra khái bËc 1 lµ G2 vµ ra khái bËc 2 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 ( phÇn 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) =
0
- NhiƯt ®é cho phÐp cao nhÊt:
t = 390 C
- Khối lợng riêng của 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 ra khỏi tháp phản ứng, hỗn hợp khí có nhiệt độ tối thiểu là 380 oC. Việc
tính toán đợc tiến hành theo diễn biến nhiệt ®é theo tõng líp trong bËc chªnh
lƯch nhau  t = 5 oC, bá qua sù khch t¸n theo trơc.
I.TÝnh toán cho bậc thứ nhất .
Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ vào t0= 345 C
Chọn độ chuyển hóa: u1 ch= 0,002
1. Tính số mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1.
Lợng metanol tạo thành ở 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)= 0 + 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)

Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và 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).
Tổng số mol hỗn hợp ra khái líp 1.
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)
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
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 2 )
19.8

0,60241 (%mol)
n1 ( ges )
3286.8

C1(CH3OH)=

(%mol)

n1 (CH 3OH )
6.6

0,200803 (%mol)
n1 ( ges)
3286.8

3. TÝnh hµm nhiƯt của hỗn hợp.
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra 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)
trong ®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) ở t1= 350C ta có h1(CH4)= 4375
kcal/kmol.
Tra đồ thị (2) ở t1= 350C ta có h1(CH3OH)= 10593,75 kcal/kmol
Thay số tính đợc h1(ges)= 2681,935 kcal/kmol
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T0= 345+ 273= 618(K) ®ỵc tÝnh:
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)
trong ®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) ở t1= 345C ta có h0(CH4)= 4312,5

(kcal/kmol).
(kcal/kmol).

Tra đồ thị (2) ở t1= 345C ta có h0(CH3OH)= 10450 (kcal/kmol).
Thay số tính đợc h0(ges)= 2628,3805 kcal/kmol
Hàm nhiệt của phản ứng qua lớp 1:
h1= h1(ges)- h0(ges)= 2681,935- 2628,3805= 53,55474 (kcal/kmol)
Lợng nhiệt tạo thành ở lớp 1.
Q1= n0(ges).h1
Q1= 330. 53,55474= 176730.65 (kcal/h)
§é chun hãa:
u 1 

u1 

Q1
n 0 (ges).(  H R )

trong ®ã -HR= 26300 kcal/kmol là hằng số

176730.65
0,0020363
3300.26300

so sánh sai số

u1 u1.ch 0,0020363 0,002

1,8151%
u1.ch
0,002

Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này:
k

u ui u1 0,0020363

(k: chỉ số lớp)

i 1

4. Tốc độ phản ứng.
tra ®å thÞ (3) r= f(tm, u) víi t1m= (t0+ t1)/2= 347,5 (C) và u1 = 0,0020363
ta đợc r1= 0,059 , kmolCH3OH/kgxt.h
5. Trë t¶i cđa líp.
 1 

u1 0,0020363

0,03451 (kgxt.h/kmol)
r1
0,059

6. Khèi lợng xúc tác.
m1xt 1 .n 1tb

trong đó n1tb là lu lợng khí trung bình đi trong lớp 1,
n 1tb 

n 0 (ges)  n1 (ges)
2

nltb = 3293.4 (kmol/h).
thay sè ta đợc


m1xt 113.655

(kg)

7. Chiều cao lớp.
H1

m1xt
F. xt

trong đó F là ®iƯn tÝch tiÕt diƯn th¸p
F

d 2
0,785.0,6 2 0,283
4
H 1 

(m2)

113.655
0.2437( m)  24.37(cm)
0,283.1650
k

Tỉng chiỊu cao:

H   H i  H1 24.37 cm
i 1

Quá trình tính toán tơng tự ®èi víi c¸c líp tiÕp theo cđa bËc thø nhÊt ta cã kÕt
qu¶ b¶ng I


350

345
0

C

kmol/h

3300 3286.8 3273.65 3260.23 3246.86 3233.23 3219.65

72,0 71,887 71,775

13,8
8,8
4,8

% mol

% mol

% mol

% mol

4,82

8,835

13,65

4,84

8,87

13,51

19.8

4,86

8,91

13,36

71,66

19.8

4,878

8,94

13,21

71,54

19.8

158.4

71,30

19.8

158.4

4,899

8,98

4,92

9,02

13,05 12,897

71,42

19.8

158.4

290.4

19.8

158.4

19.8

158.4

290.4

4,94

9,06

12,74

71,177

4,963

9,10

12,57

71,05

4,985

9,14

12,40

70,92

3205.8 3191.67 3177.33

19.8

158.4

290.4

kmol/h

19.8

158.4

290.4

290.4

19.8

158.4

290.4

390.1

kmol/h

158.4

290.4

428.8 422.01 415.22

158.4

290.4

435.5

kmol/h

290.4

442.2

290.4

448.8

kmol/h

390

9

408.3 401.24

385

8

455.4

380

7

kmol/h

375

6

2281.8 2267.69 253.33

370

5

kmol/h 2376.0 2362.8 2349.65 2336.23 2322.6 2309.23 2295.65

365

4

47.094 554.15 61.335

19.88

360

3

26.57 33.393 40.181

355

2

6.60 13.174

1

i ban đầu

đ.v.

Bảng I: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ nhất


0,402
2,00

0,2
2,00

0
2,05

0,61

0,607

3

2,05

0,818

0,61

4

2,10

1,032

0,612

5

2,10

1,248

0,615

6

2,15

1,469

0,618

7

2,20

1,697

0,620

8

2,25

1,93

0,623

9

0,087 0,0902 0,0929

2,286

20.83

22.23
46.60

24.37
24.37

67.44

97.15

113.65 103.66

87.09

19.65

91.64

17.84

83.18

17.46

81.42

17.07

79.61

16.8

78.34

105.8 123.66 141.12 158.19 174.99

18.74

87.34

3293.4 3280.25 3266.94 3253.54 3240.05 3226.44 3212.72 3198.75 3184.52

0,0345 0,0316 0,0297 0,0282 0,0269 0,0258 0,0253 0,0249 0,0246

0,070 0,0747 0,0793 0,0836

2,245

0,065

2,204

0,059

2,155

59,03 60,123

4,089 6,1747 8,2777 10,415 12,569 14,774 17,018 19,305

2,137

56,68 57,969

2,036

2,103

56,20

2,053 2,0857

55,31

2,036

54,85

53,99

53,56

2628,38 2681,94 2735,93 2790,78 2846,09 2902,29 2958,97 3016,94 3075,97 3136,09

0,605

0,602

0,6

2

1

ban đầu

tiếp bảng I

Ci(CH4)

Ci(N2)

Ci(CO)

Ci(H2)

ni(ges)

ni(CO2)

ni(CH4)

ni(N2)

ni(CO)

ni(H2)

ni(CH3OH)

ti

kí hiệu


% mol
kmol/kmol
kcal/kmol
kcal/kmol
kmol/kmol
kmol/kmol
kmol/kgxt.h
kgxt.h/kmol
kmol/h
kg
cm
cm

Ci(CH3OH)
ui ch.103
hi(ges)
hi
ui.103
ui.103
ri
i
nitb
mi xt
Hi
Hi

i
% mol

®.v.

Ci(CO2)

kÝ hiƯu


8. Hỗn hợp khí ra khỏi bậc thứ nhất.
Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất là n9(ges)= 3177.33 Kmol/h
Nhiệt độ hỗn hợp đi ra là t9= 390C
Thành phần hỗn hợp ®i ra :
C9(H2)= 70,919%
C9(CO)= 12,402%

C9(N2)= 9,140%
C9(CH4)= 4,985%
C9(CO2)= 0,623%
C9(CH3OH)= 1,930%
Hµm nhiƯt của hỗn hợp đi ra h9(ges)= 3136,09 (kcal/kmol).
Chiều cao bậc thứ nhất H = 174.99cm)
9. Tính toán năng suất khí lạnh cần trộn.
Chọn nhiệt độ hỗn hợp sau khi trộn là t0 = 348,5C
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí (đi ra bậc một) tại nhiệt độ 348,5C tính theo công
thức:
h9(ges)= C9(H2).h0(H2)+ C9(CO).h0(CO)+ C9(N2).h0(N2)+ C9(CH4).h9(CH4)+
C9(CO2).h0(CO2)+ C9(CH3OH).h0(CH3OH)
h9(ges)= 2811,402 kcal/kmol.
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung ở nhiệt độ 20C đợc tính theo công
thức:
hkl= C(H2).h20(H2)+ C(CO).h20(CO)+ C(N2).h20(N2)+ C(CH4).h20(CH4)+
C(CO2).h20(CO2)
hkl(20C)= 159,4162 kcal/kmol.
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung tính ở nhiệt độ 348,5C là:
hkl(348,5C)= 2654,389 kcal/kmol.
Cân bằng nhiệt của quá trình trén lÉn :
n9(ges).[ h9’(ges)- h9(ges)]+ nkl.[ hkl(348,5C)- hkl(20C)]= 0
nkl 3177.33

3136,09  2811,402
 413.48
2654,389  159,4162

(kmol/h)

II. TÝnh to¸n cho bËc thø hai.
Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ hỗn hợp sau khi trén lÉn cã t0= 348,5C


Chän ®é chun hãa: u1ch= 0,0021
1. TÝnh sè mol míi của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1
Năng suất vào lớp thứ nhất là nges = 3590.82
Lợng metanol tạo thành ở lớp này:

(kmol/h).

n1(CH3OH)= u1ch.nges= 0,0021. 3590.82 = 7.47(kmol/h)
Từ phơng trình phản ứng, ta có: n(CO)= n(CH3OH)= n(H2)/2
Số mol các cÊu tư sau líp 1:
n1(CH3OH)= n0(CH3OH) + n1(CH3OH)=68.80 (kmol/h)
n1(H2)= n0(H2) - n1(H2)=2536.11 (kmol/h)
n1(CO)= n0(CO) - n1(CO)= 443.66
(kmol/h)
Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và số mol không thay ®ỉi.
n1(N2)= n0(N2)= 0,091. 3590.82 = 326.79
(kmol/h)
n1(CH4)= n0(CH4)= 0,04964. 3590.82 = 178.25
(kmol/h)
n1(CO2)= n0(CO2)= 0,0062. 3590.82 =
22.28
(kmol/h)
Tổng số mol hỗn hợp ra khái líp 1.
n1(ges)= n1(CH3OH)+ n1(H2)+ n1(CO)+ n1(N2)+ n1(CH4)+ n1(CO2)
=68.800 + 2536.11 + 443.664 + 326.790 + 178.25 + 22.28
= 2575.89

(kmol/h)
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
C1(H2)=

n1 ( H 2) 2536.11

70,921
n1 ( ges) 3590.82

(%mol)

C1(CO)=

n1 (CO)
443.66

12,405
n1 ( ges) 3590.82

(%mol)

C1(N2)=

n1 ( N 2)
326.79

9,138
n1 ( ges) 3590.82

C1(CH4)=

n1 (CH 4)
178.25

 4,985
n1 ( ges)
3590.82

C1(CO2)=

n1 (CO 2 )
22.28

0,6231
n1 ( ges)
3590.82

C1(CH3OH)=

(%mol)
(%mol)

n1 (CH 3OH )
68.80

0,1926
n1 ( ges)
3590.82

(%mol)

(%mol)


3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T1= 353,5 + 273= 626,5 (K) đợc tÝnh:
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)
trong ®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) ở t1= 353,5C ta có h1(CH4)= 4418,75
Tra đồ thị (2) ở t1= 353,5C ta có h1(CH3OH)= 10681,25
Thay số tính đợc h1(ges)= 2850,097 (kcal/kmol).

(kcal/kmol)
(kcal/kmol)

Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T0= 348,5+ 273= 621,5(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)
trong đó:
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
(kcal/kmol).

Tra ®å thÞ (1) ë t0= 348,5C ta cã h0(CH4)= 4356,25 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (2) ở t0= 348,5C ta có h0(CH3OH)= 10550,625 (kcal/kmol).
Thay số tính đợc h0(ges)= 2793,322 (kcal/kmol).
Hàm nhiệt của ph¶n øng qua líp 1:
h1= h1(ges)- h0(ges)= 2850,097- 2793,322= 56,776 (kcal/kmol).
Lợng nhiệt tạo thành ở lớp 1.
Q1= n0(ges).h1
Q1=3590.82. 56,776= 203254.667
Độ chuyÓn hãa:
u 1 

u1 

Q1
n 0 (ges).(  H R )

(kcal/h).

trong đó -HR= 26300 kcal/kmol là hằng số

203254.66
0,0021587
3590.82.26300

so sánh sai sè

u1  u1.ch 0,0021587  0,0021

2,7985%
u1.ch

0,0021

VËy tỉng ®é chun hãa sau líp nµy:


k

u  ui u1 0,0021587

(k: chØ sè líp)

i 1

4. Tèc độ phản ứng .
tra đồ thị (3) r= f(tm, u) với t1m= (t0+ t1)/2= 351 (C) và u1= 0,0021587
ta đợc r1= 0,0631 kmolCH3OH/kgxt.h
5. Trë t¶i cđa líp.
 1 

u1 0,0021587

0,03422
r1
0,0631

(kgxt.h/kmol)

6. Khối lợng xúc tác.
m1xt 1 .n 1tb

trong đó n1tb là lu lợng khí trung bình đi trong lớp 1, n1tb 

n0 ( ges )  n1 ( ges)
2

nltb =3583.35 Kmol/h
thay số ta đợc m1xt 122.23g
7. Chiều cao lớp.
H1

m1xt
F. xt

trong đó F là điện tích tiết diện tháp
H1

F

d 2
0,785.0,6 2 0,283
4

(m2)

122.23
0.2621( m)  26.21(cm)
0,283.1650
k

Tỉng chiỊu cao:

H   H i H1 26.21 (cm)
i 1

Quá trình tính toán tơng tự đối với các lớp tiếp theo của bËc thø II ta cã kÕt
qu¶ b¶ng II:


kmol/h

kmol/h 3590.82 3575.89 3560.72 3545.34 3535.03

% mol

% mol

% mol

% mol

ni(ges)

Ci(H2)

Ci(CO)

Ci(N2)

Ci(CH4)

4,96

9,10

12,56

71,043

22.28

4,98

9,14

12,41

70,921

22.28

178.25

5,01

9,18

12,25

70,8

22.28

178.25

5,03

9,22

12,08

70,67

22.28

178.25

326.79

5,049

9,26

11,92

70,54

22.28

178.25

326.79

420.7

ni(CO2)

178.25

326.79

428.39

kmol/h

326.79

436.08

ni(CH4)

326.79

443.66

kmol/h

451.13

ni(N2)

91.373

2505.5 2490.25

84.071

368,5

4

kmol/h

2520.9

76.383

363,5

3

ni(CO)

2536.1

68.800

358,5

2

kmol/h 2551.05

61.33

353,5

1

ni(H2)

kmol/h

ni(CH3OH)

348,5

i vào bậc 2
C

đ.v.

ti

kí hiệu

5,072

9,30

11,75

70,41

3514.4

22.28

178.25

326.79

412.9

2474.7

99.494

373,5

5

5,09

9,34

11,58

70,28

3498.7

22.28

178.25

326.79

405.09

2458.9

107.39

378,5

6

388,5

8

5,12

9,384

11,40

70,14

3482.5

22.28

178.25

326.79

396.9

2442.7

5,14

9,43

11,22

70,00

3466.0

22.28

178.25

326.79

388.7

2426.3

115.45 123.718

383,5

7

Bảng II: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ hai:


0,6205
1,71

% mol
% mol

i vµo bËc 2

2,10

1,926

0,623

1

2,1

2,145

0,626

2

2,14

2,37

0,628

3

2,18

2,599

0,631

4

2,22

2,833

0,634

5

2,26

3,073

0,637

6

2,3

3,318

0,640

7

2,34

3,569

0,643

8

2,1587
0,0631
0,0342

kmol/kmol

kmol/kgxt.h

kgxt.h/kmol

0,0732

6,537

2,205

57,99

0,0777

8,774

2,237

58,85

0,0316 0,03013 0,02878

0,0687

4,332

2,173

57,157

13,369

2,325

61,15

0,0276 0,02707

0,0822 0,08589

11,045

2,271

59,72

0,0267

0,0889

15,743

2,373

62,40

0,0262

0,092

18,156

2,413

63,46

12.23
26.21
26.21

kg
cm
cm

50.49

24.28

113.23

73.53

23.04

107.42

95.30

21.77

101.51

116.09

20.79

96.94

136.85

20.29

94.62

156.43

20.04

93.46

176.02

19.59

91.37

3583.53 3568.37 3553.36 3537.68 3522.26 3506.62 3490.63 3474.29

2,1587

kmol/kmol

kmol/h

56,775

kcal/kmol

kcal/kmol 2793,32 2850,10 2907,25 2965,25 3024,09 3083,82 3144,97 3207,37 3270,83

kmol/kmol

đ.v.

tiếp bảng II


Hi

Hi

mi xt

nitb

i

ri

ui.103

ui.103

hi

hi(ges)

ui ch.103

Ci(CH3OH)

Ci(CO2)

kÝ hiÖu