Đồ án chuyên ngành kỹ thuật phản ứng

Do đótính toán thiệt bị phản ứng đòi hỏi phải nắm chắc mô hình tính toán khái quát cùng vớinhững vấn đề liên quan để điều khiển được quá trình, hạn chế sự phát sinh nguồn nănglượng hoạt

NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC B CH KHOA H NÁO D À ỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ – CN HOÁ & THỰC PHẨM

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)

CH2 = 72 %; = 13,8 %; CN2= 8,8 %;

CCH4 = 4,8 %; CCO2= 0,6 %; = 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 t1 = 20 oC(có cùng thành phần) để hoà trộn;

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

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Mở đầu

2 Dây chuyển công nghệ sản xuất Methanol

3 Tính toán thiết bị tổng hợp Methanol

4 Tính toán truyền nhiệt

5 Ngôn ngữ lập trình sử dụng để tính toán 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

LỜI NÓI ĐẦU

Các quá trình hoá học là một bộ phận quan trọng của quá trình thiết bị, đượcứng dụng nhiều trong công nghệ hoá chất, thực phẩm và nhiều quá trình sản xuất liênquan khác Song nó xảy rất phức tạp Thể hiện ở việc hình thành phản ứng hoá học phụthuộc vào yếu tố thúc đẩy hay kiềm chế, đòi 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 trìnhchuyển hoá Hướng của phản ứng hoá học được quyết định do điều kiên nhiệt độ, ápsuất, thời gian lưu, … Và trong quá trình đó có một lượng nhiệt lớn đựơc phát sinh haytiêu thụ

Trong đó, thiết bị phản ứng là công cụ để thực hiện các qúa trình có kèm theophản ứng hoá học, nhằm tạo ra những sản phẩm khác nhau Quá trình và thiết bị phảnứng 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 trongmột số trường hợp sử dụng cả những kiến thức điện hoá, sinh hoá và quang hoá Do đótính toán thiệt bị phản ứng đòi hỏi phải nắm chắc mô hình tính toán khái quát cùng vớinhững vấn đề liên quan để điều khiển được quá trình, hạn chế sự phát sinh nguồn nănglượng 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 hoá,

… tìm điều kiện làm việc thích hợp nhất, có năng suất cao nhất

Việc tính toán được tiến hành khi đã xác định được các yếu tố chủ yếu ảnhhưởng đến quá trình chuyển hoá như: quan hệ cân bằng hoá học, động hoá học phảnứng, sự vận chuyển nhiệt, vận chuyển chất, các dòng động lượng, khả năng hấp phụ, …

● Mục đích của đồ án môn học tính toán thiết bị phản ứng: giúp sinh viên

có cái nhìn toàn vẹn và sâu sắc hơn về các quá trình hoá học, bước đầu làm quen vớiviệc tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng, và dây chuyền sản xuất kèm theo

● Đối tượng tính toán: Tháp tổng hợp MeOH 3 bậc, làm việc theo nguyêntắc đẳng nhiệt, trong đó từng bậc làm việc đoạn nhiệt, với nhiệt độ, chiều cao trongkhoảng giới hạn cho phép

● Nội dung: tính chiều cao mỗi bậc tháp, bằng việc tính chiều cao của từnglớp xúc tác trong từng bậc theo độ chuyển hoá đã chọn phù hợp

Trong khoảng thời gian 3 tuần em đã hoàn thành bản đồ án này, đã tính đượcchiều 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 tìnhhướng dẫn em trong quá trình làm đồ án này

Hà Nội, ngày 23 tháng 2 năm 2009

Sinh viên

Vũ Văn Thành

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 CÔNG NGHỆ 8

II THUYẾT MINH 9

PHẦN III: TÍNH TOÁN 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 (kmolCH3 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 hoá 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 (kmolCH3 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 hoá 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 (kmolCH3 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 hoá 29

6 Tính chiều cao của lớp: 29

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 33

PHẦN V : Ch¬ng tr×nh lËp tr×nh 33

PHẦN VI: PHỤ LỤC 46

PHẦN VII: KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

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 thayđổi của hỗn hợp phản ứng trong không gian thiết bị không phụ thuộc vào thời gian màchỉ phụ thuộc vào toạ độ không gian Đối với những phản ứng phức tạp, như phản ứngnối tiếp hoặc phản ứng song song, bên cạnh độ chuyển hoá còn phải chú ý đến độ chọnlọc và hiệu suất Để khắc phục sản phẩm không mong muốn, và độ chuyển hoá lớn thìdùng 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 bậcđoạn nhiệt làm việc theo nguyên tắc đẩy lý tưởng Để đảm bảo điều kiện làm việc đoạnnhiệt 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 không cókhả năng đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt trong toàn tháp Quá trình thu hoặc toả nhiệtkéo dài trong suốt quá trình phản ứng dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ, làm nhiệt độ trongtoàn tháp tăng hoặc giảm so với nhiệt độ phản ứng, nên giảm hiệu suất chuyển hóa Đểđảm bảo sự thay đổi nhiệt độ trong toàn tháp không quá 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 chuyểnhoá cao nhất Như vậy, ở mỗi bậc của tháp làm việc đoạn nhiệt, nhưng trong toàn thápđảm 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 ÷ 3600C thì khi rakhỏi bậc 1 hỗn hợp sẽ có nhiệt độ gần bằng 3900C theo điều kiện làm việc đoạn nhiệt

Để đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt của tháp phải thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữacác ngăn ( ở đây là quá trình làm lạnh) để đưa hỗn hợp phản ứng tới nhiệt độ phản ứngban đầu trước khi đi vào bậc tiếp theo

Quá trình làm lạnh có thể tiến hành theo hai cách: hoặc làm lạnh trực tiếp bằngcách 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 bịhay bị bẩn phải dừng để làm sạch theo định kỳ thay xúc tác Mặt khác thiết bị gia nhiệttrung gian còn phải có kết cấu hợp lý, gọn nhẹ, dễ dàng vận hành, trang bị tự động Donhiều nhược điểm như vậy nên trong thực tế người ta dùng phương pháp trộn hỗn hợpkhí 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 toán phức tạphơn Tức là phải tính lại thành phần của hỗn hợp phản ứng sau khi trộn khí lạnh, tínhnhiệt độ và lượng khí lạnh cần thiết.Thông thường người ta dùng hỗn hợp phản ứng lúcđầu làm khí lạnh.

Khác với phương pháp làm lạnh trung gian bằng thiết bị trao đổi nhiệt có hệ sốtruyền nhiệt không đổi, thì phương pháp hoà 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 hoà vào nhau cónồng độ không đổi so với lúc đầu, tức là nồng độ của các cấu tử tham gia phản ứng vàocác bậc phản ứng là như nhau

II METHANOL

Methanol là một hợp chất hoá học có công thức là CH3OH (được viết tắt làMeOH) Nó là rượu đơn giản nhất, là một chất lỏng nhẹ, dễ bay hơi, dễ cháy và rất độcvới một mùi thơm đặc biệt để phân biệt, đó là nhẹ hơn và ngọt hơn ethanol (rượuetylic) Ở nhiệt độ phòng nó là một chất lỏng phân cực, và được sử dụng như một chấtchống đông, dung môi, nhiên liệu, và có tính chất hoá học mạnh hơn rượu ethylic

MeOH được sản xuất từ than đá hoặc từ khí thiên nhiên ( trong điều kiện áp suấtcao và có chất xúc tác), hoặc chưng phân huỷ gỗ

MeOH được sử dụng để điều chế formaldehyde để sản xuất chất dẻo, nhựa, gỗdán, sơn, thuốc nổ, thuốc nhuôm,… Nó đựơc sử dụng thêm vào nhiên liệu được sửdụng cho xe cộ MeOH tạo ra chất metyl tert – butyl ete ( MTBE), làm tăng chỉ sốoctan trong xăng dầu

PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

Nướ c Nguyên li u MeOH ệu MeOH

Khí b ổ xung

Thông áp

Nướ c

2 3

II THUYẾT MINH

Hỗn hợp khí nguyên liêụ (H2, CO, CO2, N2, CH4) sau khi qua thiết bị traođổi 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 nângnhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 360oC Ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khívào tháp bởi lượng khí lạnh bổ xung trước khi vào tháp tổng hợp (1) Trong tháp phảnứng chia thành 3 bậc, mỗi bậc có nhiều ngăn để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu, mỗingăn chứa một lớp xúc tác Phản ứng xảy ra :

CO + 2H2 = CH3OH + Q

Do phản ứng trên là phản ứng toả nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 1 cónhiệt độ trong khoảng (380; 390oC) Để đảm bảo độ chuyển hoá tối ưu ở bậc 2 cầngiảm nhiệt độ hỗn hợp khí bằng cách trộn với lượng khí lạnh để hạ nhiệt độ xuốngkhoảng 365oC, sau đó đi vào bậc 2 Tưong tự hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 2 cónhiệt 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 vàđưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) phía trong ống để hạ nhiệt độ xuống, sau đó vàothiết bị làm lạnh (5), được làm lạnh bằng nước, MeOH ngưng tụ thành chất lỏng, hỗnhợp khí - lỏng được chuyển vào thùng phân ly (6) MeOH lỏng được tách ra dẫn đếncác công đoạn tiếp theo Khí đi ra khỏi thiết bị phân ly là hỗn hợp (H2, N2, CO, CO2,CH4 và một phần hơi methanol chưa ngưng tụ ở dạng hơi) được trộn với khí nguyênliệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7) Hốn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn chiathành hai phần: một phần đưa tới thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), qua thiết bị gia nhiệt đểvào tháp phản ứng, một phần không qua thiết bị gia nhiệt có nhiệt độ thấp, trộn lẫn vớihỗn hợp khí có nhiệt độ cao sau khi đi ra khỏi bậc 1 và 2, khống chế nhiệt độ hỗn hợpkhí vào bậc 2 và bậc 3

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL

Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 3600C

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 (kmolCH3



 n CH OH3 ,1 = U ch,1.n h,0

3 ,1

CH OH n

4 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 Công thức tính hàmnhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử:

hH2 = 7,1.(T – 273) (kcal/kmol)

hCO = 7,25.(T – 473) +1700 (kcal/kmol)

hN2 = 7,25.( T – 473) +1700 (kcal/kmol)

hCO2 = 13,4.( T – 473) +4050 (kcal/kmol)

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:

hCH OH3 = 11050 ( kcal/mol)

Hàm nhiệt của hỗn hợp là:

hch,1 = 0,0022 x 11050 + 0,71876 x 2591,5 + 0,1364 x 2896,25 + 0,04821 x4604,15 + 0,08839 x 2896,25 + 0,00603 x 6261= 2797,844 (kcal/kmol)

5 Tính lại độ chuyển hoá

Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là quátrình đoạn nhiệt Lượng nhiệt được tính theo công thức:

 Coi nhiệt phản ứng H R = 26300 kcal/kmol không đổi trong toàn bộ lớp

 tính được gần bằng giá trị U ch,1 giả thiết nên có thể chấp nhận giảthiết ban đầu

Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là: U= 0,00215 (kmolCH3OH/kmol)

6 Tính chiều cao của lớp

Trước hết phải tính tải  của lớp xúc tác.k = ,

.

ch k

m k

U r

 (kg xúc tác.h/ kmol)với r m 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 xâydựng độ thị r m k, = f(Tm k, ,Uch k, ) với áp suất p = 240 at Nhiệt độ trung bình đựoc tínhtheo công thức:

7 Tính lượng khí lạnh

● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất:

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

+ Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 388oC

+ 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:

he = CCH OH3 hCH OH3 + CH2hH2 + CCO hCO + CCH4hCH4 + CN2hN2 + CCO2hCO2

= (1,253 x 11050 + 71,298 x 2591,5 + 12,893 x 2896,25 + 4,920 x 4604,15+ 9,021 x2896,25 + 0,615 x 6261) : 100 = 2885,858 (kcal/kmol)

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

Cân bằng lượng nhiệt ta có lượng khí lạnh bổ xung được tính theo công thức:

Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 3650C

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 (kmolCH3



 n CH OH3 ,1 = U ch,1.n h,0

3 ,1

CH OH n

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 Công thức tính hàmnhiệt hỗn hợp khí theo hàm nhiệt của từng cấu tử:

hch = CCH OH3 hCH OH3 + CCO hCO + CH2hH2 + CCH4hCH4 + CN2hN2 + CCO2hCO2

Trong đó hàm nhiệt của từng cấu tử trong hỗn hợp khí theo nhiệt độ và áp suấtdựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có công thức tínhsau:

hH2 = 7,1.(T – 273)

Hàm nhiệt của hỗn hợp: hch,0 = 2879,112 (kcal/kmol)

Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1:

Hàm nhiệt của hỗn hợp là:

hch,1 = 2936,896 (kcall/kmol)

11 Tính lại độ chuyển hoá

Tính lượng nhiệt sản sinh trong một lớp: coi quá trình xảy ra trong lớp là quátrình đoạn nhiệt Lượng nhiệt được tính theo công thức:

 = 0,0022 0,00219710,0022 x 100% = 0,132 %Giá trị U ch*,1 tính được gần bằng giá trị U ch,1 giả thiết nên có thể chấp nhận giảthiết ban đầu

Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là:

 U = 0,0143795 (kmolCH3OH/kmol)

12 Tính chiều cao của lớp:

Trước hết phải tính tải  của lớp xúc tác.k = ,

.

ch k

m k

U r

 (kg xúc tác.h/ kmol)với r m 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 xâydựng độ thị r m k, = f(Tm k, ,Uch k, ) với áp suất p = 240 at Nhiệt độ trung bình đựoc tínhtheo công thức:

Tm k, = 1

2

T T 

T ,1 = 365 370

2

 = 367,5oCTheo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá thìvận tốc trung bình trong lớp thứ nhất tính được là

2

.0,64