Tải bản đầy đủ (.pdf) (59 trang)

tính toán thiết bị phản ứng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (356.03 KB, 59 trang )

Tính toán thiết bị phản ứng
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN 5
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METANOL 7
I.T NHÍ TOÁN CHO B CẬ THỨ NH TẤ 7
1. Tính s mol m i c a h n h p khí khi ra kh i l p 1.ố ớ ủ ỗ ợ ỏ ớ 7
2. Thành ph n c a h n h p ra kh i l p 1.ầ ủ ỗ ợ ỏ ớ 8
3. Tính hàm nhi t c a h n h p.ệ ủ ỗ ợ 8
4. T c ph n ng.ố độ ả ứ 10
5. Tr t i c a l p.ở ả ủ ớ 10
6. Kh i l ng xúc tác. ố ượ 10
7. Chi u cao líp.ề 10
B ng I: B ng t ng h p k t qu tính toán b c th nh tả ả ổ ợ ế ả ậ ứ ấ 12
8. H n h p khí ra kh i b c th nh t.ỗ ợ ỏ ậ ứ ấ 15
9. Tính toán n ng su t khí l nh c n tr n.ă ấ ạ ầ ộ 15
II. T NHÍ TOÁN CHO B CẬ THỨ HAI 16
1.Tính sè mol m i c a h n h p khí khi ra kh i l p 1ớ ủ ỗ ợ ỏ ớ 16
2. Thành ph n c a h n h p ra kh i l p 1.ầ ủ ỗ ợ ỏ ớ 17
3. Tính hàm nhi t c a h n h p.ệ ủ ỗ ợ 17
4. T c ph n ng .ố độ ả ứ 18
5. Tr t i c a l p.ở ả ủ ớ 18
6. Kh i l ng xúc tác.ố ượ 19
7. Chi u cao líp.ề 19
B ng II: B ng t ng h p k t qu tính toán b c th hai:ả ả ổ ợ ế ả ậ ứ 20
1. Tính s mol m i c a h n h p khí ra kh i l p 1.ố ớ ủ ỗ ợ ỏ ớ 23
2. Thành ph n c a h n h p ra kh i l p 1.ầ ủ ỗ ợ ỏ ớ 23
3. Tính hàm nhi t c a h n h p.ệ ủ ỗ ợ 24
4. T c ph n ng .ố độ ả ứ 25
5. Tr t i c a l p.ở ả ủ ớ 25
6. Kh i l ng xúc tác:ố ượ 25


7. Chi u cao líp.ề 26
B ng III: B ng t ng h p k t qu tính toán b c th III:ả ả ổ ợ ế ả ậ ứ 27
Mở đầu
Từ trước tới nay ta đã gặp rất nhiều các quá trình như: 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 được các ảnh hưởng của nhiệt động hóa học, động hóa học trong một số
trường 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 như: có khả năng điều khiển quá trình, hạn chế sự phát sinh
nguồn năng lượng 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 phương pháp khác như điện
hóa, quang hóa hoặc cơ học khác. Bản chất của quá trình kỹ thuật là hiện tượng
chuyển hóa. Vì vậy việc tính toán thiết bị được tiến hành khi xác định các yếu tố
ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình chuyển hóa. Để đơn giản trong tính toán, thiết
bị phản ứng được chia 3 loại chủ yếu trong điều kiện lý tưởng :
1. Thiết bị khuấy gián đoạn.
2. Thiết bị khuấy liên tục.
3. Thiết bị đẩy lý tưởng.
Mục tiêu của tính toán thiết bị là tìm những điều kiện làm việc tối ưu, đề suất
các thiết bị mới có năng suất cao và hướng cải tiến các loại thiết bị cũ đang được
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 phụ thuộc vào thời gian mà chỉ phụ thuộc
vào tọa độ không gian.
Tháp phản ứng được chia nhiều lớp đoạn nhiệt làm việc ở áp suất cao theo
nguyên tắc đẩy lý tưởng (không có dòng khuếch tán theo hướng kính, mà chỉ có
dòng khuếch tán theo hướng trục). Trong mỗi lớp đó người ta đổ lớp xúc tác

dưới dạng đệm có chiều cao xác định. Để đảm bảo điều kiện đoạn nhiệt, thân
tháp được 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) người 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 nhưng toàn tháp làm việc đẳng nhiệt.
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 thường là Methyl alcohol CH
3
OH là loại rượu đơn giản
nhất. Nó có thể tạo ra khi chưng phân hủy gỗ, nhưng chủ yếu được 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 trưng và rất độc.
Metanol được 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 được 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.
G
3
G
2
G
1
Sơ Đồ dây chuyền công nghệ tổng hợp methanol.
nớc
Nguyên liệu metanol.
Khí bổ sung.

1- Thiết bị phản ứng. 5 - Làm lạnh khí.
2- Thiết bị đun nóng. 6 - Thiết bị phân ly CH
3
OH
3 - Thiết bị gia nhiệt.
4 - Thiết bị gia nhiệt.
Thông áp
nớc
2
3
1
4
5
6
7
sơ đồ dây chuyền
Nguyên liệu khí (H
2
, CO, N
2
, CO
2
, CH
3
OH) 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 được đưa vào thiết bị đun nóng (2) để
nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 345
o
C ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của

hỗn hợp khí vào tháp bởi lượng khí nguyên liệu lạnh G
1
trước 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 ưu, mỗi ngăn chứa một lớp xúc tác, phản ứng tổng hợp
Methanol xảy ra :
CO + 2H
2
CH
3
OH + Q
Do phản ứng trên tỏa nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 có nhiệt
độ cao 390
o
C. 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 G
2
để hạ nhiệt độ xuống khoảng 348,5
o
C rồi vào bậc 2, tương tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 có nhiệt độ cao lại
được trộn với lượng khí lạnh G
3
để giảm nhiệt độ hỗn hợp khí xuống còn 351,4
o
C sau đó vào bậc 3. Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 3 có nhiệt độ 386,4
o
C
được dẫn ra ngoài tháp và đưa vào thiết bị gia nhiệt (3), (4) phía trong ống, hỗn
hợp khí sau khi hạ nhiệt độ được đưa vào thiết bị làm lạnh(5) bằng nước. Do làm
lạnh lên methanol ở dạng hơi ngưng tụ thành lỏng, hỗn hợp khí – lỏng được

chuyển vào thùng phân ly (6) methanol. Ở đây methanol lỏng được tách ra và
dẫn đi tới các công đoạn tiếp sau. Khí đi ra từ thiết bị phân ly gồm (H
2
, CO, N
2
,
CO
2
và một phần hơi methanol chưa ngưng tụ ỏ dạng hơi) được 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 đưa tới thiết bị gia nhiệt (4), (3) ở phía trong ống, qua thiết bị đun
nóng (2) để nâng nhiệt độ lên khoảng 345
o
C để đi vào tháp phản ứng.
+ Một phần không qua thiết bị gia nhiệt lên có nhiệt độ thấp ( 20
o
C ) dùng để
trộn với lượng khí nóng sau khi ra khỏi bậc 1 là G
2
và ra khỏi bậc 2 la G
3
, khống
chế nhiệt độ đầu vào tháp G
1
.
Tính toán thiết bị tổng hợp Metanol
Các số liệu ban đầu:
- Năng suất theo hỗn hợp đầu: n
ges

= 3300 kmol/h
- Nồng độ hỗn hợp khí vào tháp phản ứng ( phần mol):
C(H
2
)= 72,0%= 0,72
C(CO)= 13,8%= 0,138
C(CH
4
)= 4,8%= 0,048
C(N
2
)= 8,8%= 0,088
C(CO
2
)= 0,6%= 0,006
C(CH
3
OH) = 0
- Nhiệt độ cho phép cao nhất: t = 390 °C
- Khối lượng riêng của xúc tác: ρ
xt
= 1650 (kg/m
3
).
- Đường 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
o

C. Việc
tính toán được tiến hành theo diễn biến nhiệt độ theo từng lớp trong bậc chênh
lệch nhau

t = 5
o
C, bá qua sự khuếch tán theo trục.
I.Tính toán cho bậc thứ nhất .
Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ vào t
0
= 345 °C
Chọn độ chuyển hóa: ∆u
1 ch
= 0,002
1. Tính số mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1.
Lượng metanol tạo thành ở lớp này:
∆n
1
(CH
3
OH)= ∆u
1 ch
.n
ges
= 0,002.3300= 6.6 (kmol/h)
Từ phương trình phản ứng, ta có: ∆n(CO)= ∆n(CH
3
OH)= ∆n(H
2
)/2

Sè mol các cấu tử sau líp 1:
n
1
(CH
3
OH)= n
0
(CH
3
OH) + ∆n
1
(CH
3
OH)= 0 + 6.6= 6.6 (kmol/h)
n
1
(H
2
)= n
0
(H
2
) - ∆n
1
(H
2
)= 0,72.3300- 2.6.6= 2376.0 (kmol/h)
n
1
(CO)= n

0
(CO) - ∆n
1
(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.
n
1
(N
2
)= n
0
(N
2
)= 0,088.3300= 290.4 (kmol/h).
n
1
(CH
4
)= n
0
(CH
4
)= 0,048.3300= 158.4 (kmol/h).
n
1
(CO
2
)= n
0
(CO

2
)= 0,006.3300= 19.8 (kmol/h).
Tổng sè mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
n
1
(ges)= n
1
(CH
3
OH)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(CO)+ n
1
(N
2
)+ n
1
(CH
4
)+ n
1
(CO
2
)
= 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.
C
1
(H
2
)=
88755,71
3286.8
0.2376
)(
)(
1
21
==
gesn
Hn
(%mol)
C
1
(CO)=
65462,13
3286.8
4.455
)(
)(
1
1
==
gesn
COn

(%mol)
C
1
(N
2
)=
8353,8
3286.8
4.290
)(
)(
1
21
==
gesn
Nn
(%mol)
C
1
(CH
4
)=
819,4
3286.8
4.158
)(
)(
1
41
==

gesn
CHn
(%mol)
C
1
(CO
2
)=
60241,0
3286.8
8.19
)(
)(
1
21
==
gesn
COn
(%mol)
C
1
(CH
3
OH)=
200803,0
3286.8
6.6
)(
)(
1

31
==
gesn
OHCHn
(%mol)
3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T
1
= 350+273= 623 (°K) được tính:
h
1
(ges)= C
1
(H
2
).h
1
(H
2
)+ C
1
(CO).h
1
(CO)+ C
1
(N
2
).h
1
(N

2
)+ C
1
(CH
4
).h
1
(CH
4
)+
C
1
(CO
2
).h
1
(CO
2
)+ C
1
(CH
3
OH).h
1
(CH
3
OH)
trong đó: h
1
(H

2
)= 7,1.(T
1
- 273) , kcal/kmol.
h
1
(CO)= h
1
(N
2
)= (T
1
- 473).7,25+ 1700 kcal/kmol.
h
1
(CO
2
)= (T
1
- 473).13,4+ 4050 kcal/kmol.
Tra đồ thị (1) ở t
1
= 350°C ta có h
1
(CH
4
)= 4375 kcal/kmol.
Tra đồ thị (2) ở t
1
= 350°C ta có h

1
(CH
3
OH)= 10593,75 kcal/kmol
Thay số tính được h
1
(ges)= 2681,935 kcal/kmol
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T
0
= 345+ 273= 618(°K) được tính:
h
0
(ges)=C
0
(H
2
).h
0
(H
2
)+ C
0
(CO).h
0
(CO)+ C
0
(N
2
).h
0

(N
2
)+ C
0
(CH
4
).h
0
(CH
4
)+
C
0
(CO
2
).h
0
(CO
2
)+ C
0
(CH
3
OH).h
0
(CH
3
OH)
trong đó: h
0

(H
2
)= 7,1.(T
0
- 273) , kcal/kmol.
h
0
(CO)= h
0
(N
2
)= (T
0
- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol).
h
0
(CO
2
)= (T
0
- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (1) ở t
1
= 345°C ta có h
0
(CH
4
)= 4312,5 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (2) ở t
1

= 345°C ta có h
0
(CH
3
OH)= 10450 (kcal/kmol).
Thay số tính được h
0
(ges)= 2628,3805 kcal/kmol
Hàm nhiệt của phản ứng qua líp 1:
∆h
1
= h
1
(ges)- h
0
(ges)= 2681,935- 2628,3805= 53,55474 (kcal/kmol)
Lượng nhiệt tạo thành ở lớp 1.
∆Q
1
= n
0
(ges).∆h
1
∆Q
1
= 330. 53,55474= 176730.65 (kcal/h)
Độ chuyển hóa:
)H).(ges(n
Q
u

R0
1
1
∆−

=∆
trong đó -∆H
R
= 26300 kcal/kmol là hằng số
0020363,0
26300.3300
65.176730
1
==∆
u
so sánh sai sè
%8151,1
002,0
002,00020363,0
.1
.11
=

=

∆−∆
ch
ch
u
uu

Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này:

0020363,0
1
1
=∆=∆=Σ

=
uuu
k
i
i
(k: chỉ số lớp)
4. Tốc độ phản ứng.
tra đồ thị (3) r= f(t
m
, u) với t
1m
= (t
0
+ t
1
)/2= 347,5 (°C) và ∆u
1
= 0,0020363
ta được r
1
= 0,059 , kmolCH
3
OH/kgxt.h

5. Trở tải của lớp.
03451,0
059,0
0020363,0
1
1
1
==

=∆
r
u
τ
(kgxt.h/kmol)
6. Khối lượng xúc tác.
tb11xt1
n.m
τ∆=∆
trong đó n
1tb
là lưu lượng khí trung bình đi trong líp 1,
2
)ges(n)ges(n
n
10
tb1
+
=
n
ltb

= 3293.4 (kmol/h).
thay sè ta được
=∆
xt1
m
113.655 (kg)
7. Chiều cao líp.
xt
xt1
1
.F
m
H
ρ

=∆
trong đó F là điện tích tiết diện tháp
283,06,0.785,0
4
d
F
2
2
==
π
=
(m
2
)


)(37.24)(2437.0
1650.283,0
655.113
1
cmmH
===∆
Tổng chiều cao:
cm 37.24
1
1
=∆=∆=Σ∆

=
HHH
k
i
i

Quá trình tính toán tương tự đối với các lớp tiếp theo của bậc thứ nhất ta có
kết quả bảng I
Bảng I: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ nhất
9
390
61.335
253.33
390.1
290.4
158.4
19.8
3177.33

70,92
12,40
9,14
4,985
8
385
554.15
2267.69
401.24
290.4
158.4
19.8
3191.67
71,05
12,57
9,10
4,963
7
380
47.094
2281.8
408.3
290.4
158.4
19.8
3205.8
71,177
12,74
9,06
4,94

6
375
40.181
2295.65
415.22
290.4
158.4
19.8
3219.65
71,30
12,897
9,02
4,92
5
370
33.393
2309.23
422.01
290.4
158.4
19.8
3233.23
71,42
13,05
8,98
4,899
4
365
26.57
2322.6

428.8
290.4
158.4
19.8
3246.86
71,54
13,21
8,94
4,878
3
360
19.88
2336.23
435.5
290.4
158.4
19.8
3260.23
71,66
13,36
8,91
4,86
2
355
13.174
2349.65
442.2
290.4
158.4
19.8

3273.65
71,775
13,51
8,87
4,84
1
350
6.60
2362.8
448.8
290.4
158.4
19.8
3286.8
71,887
13,65
8,835
4,82
ban đầu
345
0
2376.0
455.4
290.4
158.4
19.8
3300
72,0
13,8
8,8

4,8
đ.v.

i
°C
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
% mol
% mol
% mol
% mol
kí hiệu
t
i
n
i
(CH
3
OH)
n
i
(H
2
)
n

i
(CO)
n
i
(N
2
)
n
i
(CH
4
)
n
i
(CO
2
)
n
i
(ges)
C
i
(H
2
)
C
i
(CO)
C
i

(N
2
)
C
i
(CH
4
)
tiếp bảng I
9
0,623
1,93
2,25
3136,09
60,123
2,286
19,305
0,0929
0,0246
3184.52
78.34
16.8
174.99
8
0,620
1,697
2,20
3075,97
59,03
2,245

17,018
0,0902
0,0249
3198.75
79.61
17.07
158.19
7
0,618
1,469
2,15
3016,94
57,969
2,204
14,774
0,087
0,0253
3212.72
81.42
17.46
141.12
6
0,615
1,248
2,10
2958,97
56,68
2,155
12,569
0,0836

0,0258
3226.44
83.18
17.84
123.66
5
0,612
1,032
2,10
2902,29
56,20
2,137
10,415
0,0793
0,0269
3240.05
87.34
18.74
105.8
4
0,61
0,818
2,05
2846,09
55,31
2,103
8,2777
0,0747
0,0282
3253.54

91.64
19.65
87.09
3
0,607
0,61
2,05
2790,78
54,85
2,0857
6,1747
0,070
0,0297
3266.94
97.15
20.83
67.44
2
0,605
0,402
2,00
2735,93
53,99
2,053
4,089
0,065
0,0316
3280.25
103.66
22.23

46.60
1
0,602
0,2
2,00
2681,94
53,56
2,036
2,036
0,059
0,0345
3293.4
113.65
24.37
24.37
ban đầu
0,6
0
2628,38
đ.v.

i
% mol
% mol
kmol/kmol
kcal/kmol
kcal/kmol
kmol/kmol
kmol/kmol
kmol/kgxt.h

kgxt.h/kmol
kmol/h
kg
cm
cm
kí hiệu
C
i
(CO
2
)
C
i
(CH
3
OH)
∆u
i ch
.10
3
h
i
(ges)
∆h
i
∆u
i
.10
3
Σ∆u

i
.10
3
r
i
∆τ
i
n
i
tb
∆m
i xt
∆H
i
Σ∆H
i
8. Hỗn hợp khí ra khỏi bậc thứ nhất.
Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất là n
9
(ges)= 3177.33 Kmol/h
Nhiệt độ hỗn hợp đi ra là t
9
= 390°C
Thành phần hỗn hợp đi ra :
C
9
(H
2
)= 70,919%
C

9
(CO)= 12,402%
C
9
(N
2
)= 9,140%
C
9
(CH
4
)= 4,985%
C
9
(CO
2
)= 0,623%
C
9
(CH
3
OH)= 1,930%
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra h
9
(ges)= 3136,09 (kcal/kmol).
Chiều cao bậc thứ nhất
H
Σ∆
= 174.99cm)
9. Tính toán năng suất khí lạnh cần trộn.

Chọn nhiệt độ hỗn hợp sau khi trộn là t
0
= 348,5°C
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí (đi ra bậc một) tại nhiệt độ 348,5°C tính theo công
thức:
h
9
’(ges)= C
9
(H
2
).h
0
(H
2
)+ C
9
(CO).h
0
(CO)+ C
9
(N
2
).h
0
(N
2
)+ C
9
(CH

4
).h
9
(CH
4
)+
C
9
(CO
2
).h
0
(CO
2
)+ C
9
(CH
3
OH).h
0
(CH
3
OH)
h
9
’(ges)= 2811,402 kcal/kmol.
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung ở nhiệt độ 20°C được tính theo
công thức:
h
kl

= C(H
2
).h
20
(H
2
)+ C(CO).h
20
(CO)+ C(N
2
).h
20
(N
2
)+ C(CH
4
).h
20
(CH
4
)+
C(CO
2
).h
20
(CO
2
)
h
kl

(20°C)= 159,4162 kcal/kmol.
Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung tính ở nhiệt độ 348,5°C là:
h
kl
(348,5°C)= 2654,389 kcal/kmol.
Cân bằng nhiệt của quá trình trộn lẫn :
n
9
(ges).[ h
9
’(ges)- h
9
(ges)]+ n
kl
.[ h
kl
(348,5°C)- h
kl
(20°C)]= 0

48.413
4162,159389,2654
402,281109,3136
3177.33
=


=
kl
n

(kmol/h)
II. Tính toán cho bậc thứ hai.
Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ hỗn hợp sau khi trộn lẫn có t
0
= 348,5°C
Chọn độ chuyển hóa: ∆u
1ch
= 0,0021
1. Tính sè mol mới của hỗn hợp khí khi ra khỏi lớp 1
Năng suất vào lớp thứ nhất là n
ges
= 3590.82 (kmol/h).
Lượng metanol tạo thành ở lớp này:
∆n
1
(CH
3
OH)= ∆u
1ch
.n
ges
= 0,0021. 3590.82 = 7.47(kmol/h)
Từ phương trình phản ứng, ta có: ∆n(CO)= ∆n(CH
3
OH)= ∆n(H
2
)/2
Sè mol các cấu tử sau líp 1:
n
1

(CH
3
OH)= n
0
(CH
3
OH) + ∆n
1
(CH
3
OH)=68.80 (kmol/h)
n
1
(H
2
)= n
0
(H
2
) - ∆n
1
(H
2
)=2536.11 (kmol/h)
n
1
(CO)= n
0
(CO) - ∆n
1

(CO)= 443.66 (kmol/h)
Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và số mol không thay đổi.
n
1
(N
2
)= n
0
(N
2
)= 0,091. 3590.82 = 326.79 (kmol/h)
n
1
(CH
4
)= n
0
(CH
4
)= 0,04964. 3590.82 = 178.25 (kmol/h)
n
1
(CO
2
)= n
0
(CO
2
)= 0,0062. 3590.82 = 22.28 (kmol/h)
Tổng sè mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1.

n
1
(ges)= n
1
(CH
3
OH)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(CO)+ n
1
(N
2
)+ n
1
(CH
4
)+ n
1
(CO
2
)
=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.
C
1

(H
2
)=
921,70
3590.82
11.2536
)(
)(
1
21
==
gesn
Hn
(%mol)
C
1
(CO)=
405,12
3590.82
66.443
)(
)(
1
1
==
gesn
COn
(%mol)
C
1

(N
2
)=
138,9
3590.82
79.326
)(
)(
1
21
==
gesn
Nn
(%mol)
C
1
(CH
4
)=
985,4
3590.82
25.178
)(
)(
1
41
==
gesn
CHn
(%mol)

C
1
(CO
2
)=
6231,0
3590.82
28.22
)(
)(
1
21
==
gesn
COn
(%mol)
C
1
(CH
3
OH)=
1926,0
3590.82
80.68
)(
)(
1
31
==
gesn

OHCHn
(%mol)
3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T
1
= 353,5 + 273= 626,5 (°K) được tính:
h
1
(ges)= C
1
(H
2
).h
1
(H
2
)+ C
1
(CO).h
1
(CO)+ C
1
(N
2
).h
1
(N
2
)+ C
1

(CH
4
).h
1
(CH
4
)+
C
1
(CO
2
).h
1
(CO
2
)+ C
1
(CH
3
OH).h
1
(CH
3
OH)
trong đó: h
1
(H
2
)= 7,1.(T
1

- 273)
(kcal/kmol).
h
1
(CO)= h
1
(N
2
)= (T
1
- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol).
h
1
(CO
2
)= (T
1
- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (1) ở t
1
= 353,5°C ta có h
1
(CH
4
)= 4418,75 (kcal/kmol)
Tra đồ thị (2) ở t
1
= 353,5°C ta có h
1
(CH

3
OH)= 10681,25 (kcal/kmol)
Thay số tính được h
1
(ges)= 2850,097 (kcal/kmol).
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T
0
= 348,5+ 273= 621,5(°K) được tính:
h
0
(ges)= C
0
(H
2
).h
0
(H
2
)+ C
0
(CO).h
0
(CO)+ C
0
(N
2
).h
0
(N
2

)+ C
0
(CH
4
).h
0
(CH
4
)+
C
0
(CO
2
).h
0
(CO
2
)+ C
0
(CH
3
OH).h
0
(CH
3
OH)
trong đó: h
0
(H
2

)= 7,1.(T
0
- 273) (kcal/kmol).
h
0
(CO)= h
0
(N
2
)= (T
0
- 473).7,25+ 1700 (kcal/kmol).
h
0
(CO
2
)= (T
0
- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (1) ở t
0
= 348,5°C ta có h
0
(CH
4
)= 4356,25 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (2) ở t
0
= 348,5°C ta có h
0

(CH
3
OH)= 10550,625 (kcal/kmol).
Thay số tính được h
0
(ges)= 2793,322 (kcal/kmol).
Hàm nhiệt của phản ứng qua líp 1:
∆h
1
= h
1
(ges)- h
0
(ges)= 2850,097- 2793,322= 56,776 (kcal/kmol).
Lượng nhiệt tạo thành ở lớp 1.
∆Q
1
= n
0
(ges).∆h
1
∆Q
1
=3590.82. 56,776= 203254.667 (kcal/h).
Độ chuyển hóa:
)H).(ges(n
Q
u
R0
1

1
∆−

=∆
trong đó -∆H
R
= 26300 kcal/kmol là hằng số
0021587,0
26300.3590.82
66.203254
1
==∆
u
so sánh sai sè
%7985,2
0021,0
0021,00021587,0
.1
.11
=

=

∆−∆
ch
ch
u
uu
Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này:


0021587,0
1
1
=∆=∆=Σ

=
uuu
k
i
i
(k: chỉ số lớp)
4. Tốc độ phản ứng .
tra đồ thị (3) r= f(t
m
, u) với t
1m
= (t
0
+ t
1
)/2= 351 (°C) và ∆u
1
= 0,0021587
ta được r
1
= 0,0631 kmolCH
3
OH/kgxt.h
5. Trở tải của lớp.
03422,0

0631,0
0021587,0
1
1
1
==

=∆
r
u
τ
(kgxt.h/kmol)
6. Khối lượng xúc tác.
tb11xt1
n.m
τ∆=∆
trong đó n
1tb
là lưu lượng khí trung bình đi trong líp 1,
2
)()(
10
1
gesngesn
n
tb
+
=
n
ltb

=3583.35 Kmol/h
thay sè ta được
=∆
xt1
m
122.23g
7. Chiều cao líp.
xt
xt1
1
.F
m
H
ρ

=∆
trong đó F là điện tích tiết diện tháp
283,06,0.785,0
4
d
F
2
2
==
π
=
(m
2
)
)(21.26)(2621.0

1650.283,0
23.122
1
cmmH
===∆

Tổng chiều cao:
(cm) 26.21
1
1
=∆=∆=Σ∆

=
HHH
k
i
i

Quá trình tính toán tương tự đối với các lớp tiếp theo của bậc thứ II ta có kết
quả bảng II:
Bảng II: Bảng tổng hợp kết quả tính toán bậc thứ hai:
8
388,5
123.718
2426.3
388.7
326.79
178.25
22.28
3466.0

70,00
11,22
9,43
5,14
7
383,5
115.45
2442.7
396.9
326.79
178.25
22.28
3482.5
70,14
11,40
9,384
5,12
6
378,5
107.39
2458.9
405.09
326.79
178.25
22.28
3498.7
70,28
11,58
9,34
5,09

5
373,5
99.494
2474.7
412.9
326.79
178.25
22.28
3514.4
70,41
11,75
9,30
5,072
4
368,5
91.373
2490.25
420.7
326.79
178.25
22.28
3535.03
70,54
11,92
9,26
5,049
3
363,5
84.071
2505.5

428.39
326.79
178.25
22.28
3545.34
70,67
12,08
9,22
5,03
2
358,5
76.383
2520.9
436.08
326.79
178.25
22.28
3560.72
70,8
12,25
9,18
5,01
1
353,5
68.800
2536.1
443.66
326.79
178.25
22.28

3575.89
70,921
12,41
9,14
4,98
vào bậc 2
348,5
61.33
2551.05
451.13
326.79
178.25
22.28
3590.82
71,043
12,56
9,10
4,96
đ.v.

i
°C
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
kmol/h
% mol

% mol
% mol
% mol
kí hiệu
t
i
n
i
(CH
3
OH)
n
i
(H
2
)
n
i
(CO)
n
i
(N
2
)
n
i
(CH
4
)
n

i
(CO
2
)
n
i
(ges)
C
i
(H
2
)
C
i
(CO)
C
i
(N
2
)
C
i
(CH
4
)
tiếp bảng II
8
0,643
3,569
2,34

3270,83
63,46
2,413
18,156
0,092
0,0262
3474.29
91.37
19.59
176.02
7
0,640
3,318
2,3
3207,37
62,40
2,373
15,743
0,0889
0,0267
3490.63
93.46
20.04
156.43
6
0,637
3,073
2,26
3144,97
61,15

2,325
13,369
0,08589
0,02707
3506.62
94.62
20.29
136.85
5
0,634
2,833
2,22
3083,82
59,72
2,271
11,045
0,0822
0,0276
3522.26
96.94
20.79
116.09
4
0,631
2,599
2,18
3024,09
58,85
2,237
8,774

0,0777
0,02878
3537.68
101.51
21.77
95.30
3
0,628
2,37
2,14
2965,25
57,99
2,205
6,537
0,0732
0,03013
3553.36
107.42
23.04
73.53
2
0,626
2,145
2,1
2907,25
57,157
2,173
4,332
0,0687
0,0316

3568.37
113.23
24.28
50.49
1
0,623
1,926
2,10
2850,10
56,775
2,1587
2,1587
0,0631
0,0342
3583.53
12.23
26.21
26.21
vào bậc 2
0,6205
1,71
2793,32
đ.v.

i
% mol
% mol
kmol/kmol
kcal/kmol
kcal/kmol

kmol/kmol
kmol/kmol
kmol/kgxt.h
kgxt.h/kmol
kmol/h
kg
cm
cm
kí hiệu
C
i
(CO
2
)
C
i
(CH
3
OH)
∆u
i ch
.10
3
h
i
(ges)
∆h
i
∆u
i

.10
3
Σ∆u
i
.10
3
r
i
∆τ
i
n
i
tb
∆m
i xt
∆H
i
Σ∆H
i
III. TÍNH TOÁN CHO BẬC THỨ BA .
Đối với lớp thứ 1 nhiệt độ vào t
0
= 351,4 °C
Chọn độ chuyển hóa : ∆u
1 ch
= 0,00222
1. Tính số mol mới của hỗn hợp khí ra khỏi lớp 1.
Lượng metanol tạo thành ở lớp này:
∆n
1

(CH
3
OH)= ∆u
1 ch
.n
ges
= 0,00222.3882.68 = 123.71 (Kmol/h)
Từ phương trình phản ứng, ta có: ∆n(CO)= ∆n(CH
3
OH)= ∆n(H
2
)/2
Sè mol các cấu tử sau líp 1:
n
1
(CH
3
OH)= n
0
(CH
3
OH) + ∆n
1
(CH
3
OH)= 132.25 (kmol/h)
n
1
(H
2

)= n
0
(H
2
) - ∆n
1
(H
2
)= 2709 (kmol/h)
n
1
(CO)= n
0
(CO) - ∆n
1
(CO)= 437.771 (kmol/h)
Những cấu tử khác không tham gia vào phản ứng và số mol không thay đổi.
n
1
(N
2
)= n
0
(N
2
)= 0,0936. 3882.68 = 363.45 (kmol/h)
n
1
(CH
4

)= n
0
(CH
4
)= 0,051. 3882.68 = 198.24 (kmol/h)
n
1
(CO
2
)= n
0
(CO
2
)= 0,00638. 3882.68 = 24.78 (kmol/h)
Tổng sè mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
n
1
(ges) = n
1
(CH
3
OH)+ n
1
(H
2
)+ n
1
(CO)+ n
1
(N

2
)+ n
1
(CH
4
)+ n
1
(CO
2
)
= 132.25 +2709.836 + 437.771+ 363.45 + 198.249 + 24.788
= 3865.617 (kmol/h)
2. Thành phần của hỗn hợp ra khỏi lớp 1.
C
1
(H
2
)=
083,70
3865.617
2709
)(
)(
1
21
==
gesn
Hn
(%mol)
C

1
(CO)=
322,11
3865.617
71.437
)(
)(
1
1
==
gesn
COn
(%mol)
C
1
(N
2
)=
402,9
3865.617
45.363
)(
)(
1
21
==
gesn
Nn
(%mol)
C

1
(CH
4
)=
128,5
3865.617
24.198
)(
)(
1
41
==
gesn
CHn
(%mol)
C
1
(CO
2
)=
641,0
3865.617
78.24
)(
)(
1
21
==
gesn
COn

(%mol)
C
1
(CH
3
OH)=
423,3
3865.617
25.132
)(
)(
1
31
==
gesn
OHCHn
(%mol)
3. Tính hàm nhiệt của hỗn hợp.
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi ra T
1
= 356,4+ 273= 629,4 (°K) được tính:
h
1
(ges)= C
1
(H
2
).h
1
(H

2
)+ C
1
(CO).h
1
(CO)+ C
1
(N
2
).h
1
(N
2
)+ C
1
(CH
4
).h
1
(CH
4
)+
C
1
(CO
2
).h
1
(CO
2

)+ C
1
(CH
3
OH).h
1
(CH
3
OH)
trong đó: h
1
(H
2
)= 7,1.(T
1
- 273) (kcal/kmol).
h
1
(CO)= h
1
(N
2
)= (T
1
- 473).7,25+1700 (kcal/kmol).
h
1
(CO
2
)= (T

1
- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (1) ở t
1
= 356,4°C ta có h
1
(CH
4
)= 4455 (kcal/kmol)
Tra đồ thị (2) ở t
1
= 356,4°C ta có h
1
(CH
3
OH)= 10753,75 (kcal/kmol)
Thay số tính được h
1
(ges)= 2996,717 (kcal/kmol).
Hàm nhiệt của hỗn hợp đi vào T
0
= 351,4+ 273= 624,4 (°K) được tính:
h
0
(ges)= C
0
(H
2
).h
0

(H
2
)+ C
0
(CO).h
0
(CO)+ C
0
(N
2
).h
0
(N
2
)+ C
0
(CH
4
).h
0
(CH
4
)+
C
0
(CO
2
).h
0
(CO

2
)+ C
0
(CH
3
OH).h
0
(CH
3
OH)
trong đó: h
0
(H
2
)=7,1.(T
0
- 273) (kcal/kmol).
h
0
(CO)= h
0
(N
2
)= (T
0
- 473).7,25+1700 (kcal/kmol).
h
0
(CO
2

)=(T
0
- 473).13,4+ 4050 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (1) ở t
0
= 351,4°C ta có h
0
(CH
4
)= 4392,5 (kcal/kmol).
Tra đồ thị (2) ở t
0
= 351,4°C ta có h
0
(CH
3
OH)= 10628,75 (kcal/kmol).
Thay số tính được h
0
(ges)= 2936,9776 (kcal/kmol).
Hàm nhiệt của phản ứng qua líp 1:
∆h
1
= h
1
(ges)- h
0
(ges)= 2996,717- 2936,9776= 59,74 (kcal/kmol)
Lượng nhiệt tạo thành ở lớp 1:
∆Q

1
= n
0
(ges).∆h
1
∆Q
1
=3865.617. 59,74 = 231260.81 (kcal/h)
Độ chuyển hóa:
)H).(ges(n
Q
u
R0
1
1
∆−

=∆
trong đó -∆H
R
= 26300 kcal/kmol
là hằng số:
002271,0
26300.3865.617
81.231260
1
==∆
u
so sánh sai sè
%319,2

00222,0
00222,0002271,0
.1
.11
=

=

∆−∆
ch
ch
u
uu
Vậy tổng độ chuyển hóa sau lớp này:

002271,0
1
1
=∆=∆=Σ

=
uuu
k
i
i
(k: chỉ số lớp)
4. Tốc độ phản ứng .
tra đồ thị (3) r= f(t
m
, u) với t

1m
= (t
0
+t
1
)/2= 353,9 (°C) và ∆u
1
= 0,002271
ta được r
1
= 0,0664 kmolCH
3
OH/kgxt.h
5. Trở tải của lớp.
03420,0
0664,0
002271,0
1
1
1
==

=∆
r
u
τ
(kgxt.h/kmol)
6. Khối lượng xúc tác:
tbxt
nm

111
.
τ
∆=∆
trong đó n
1tb
là lưu lượng khí trung bình đi trong líp 1,
2
)ges(n)ges(n
n
10
tb1
+
=
n
ltb
=3874.14 (kmol/h).
thay sè ta được
=∆
xt1
m
132.1 (kg)

×