Đồ án kỹ thuật phản ứng

Đồ án kỹ thuật phản ứng

Đồ án kỹ thuật phản ứng MỤC LỤC Lời nói đầu 3

I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG: 4

1 Thiết bị phản ứng: 4

2 So sánh và lựa chọn thiết bị : 4

3 Tháp phản ứng có chia ngăn đoạn nhiệt: 4

II METHANOL 6

PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 7

I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ: 7

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL 8

I.TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC I: 8

1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hóa lớp 1 bậc 1 là: =0.002 (kmolCH3OH/kmol) 9

2.Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: 9

3.Tính nồng độ mới tương ứng: 10

4.Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 : 10

5 Tính lại độ chuyển hoá 12

6.Tính chiều cao của lớp 13

II.TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 2: 20

1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là Uch,1 = 0,00208 (kmolCHOH/kmol) 21

2.Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: 21

3.Tính nồng độ mới tương ứng: 21

4.Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 22

5.Tính lại độ chuyển hoá 23

6.Tính chiều cao của lớp: 24

7.Tính lượng khí lạnh bổ sung: 29

III.TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 3 31

1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là Uch,1 = 0,0022 (kmolCHOH/kmol) 32

2.Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1: 32

3.Tính nồng độ mới tương ứng: 32

4.Tính hàm nhiệt phản ứng của hỗn hợp tạo ra trong lớp thứ 1 33

5.Tính lại độ chuyển hoá 34

6.Tính chiều cao của lớp: 35

PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 40

1 Phía lưu thể lạnh: 40

2.Phía lưu thể nóng : 40

PHẦN V: PHỤ LỤC 42

PHẦN VI: KẾT LUẬN 45

Đồ án kỹ thuật phản ứng

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

Đồ án kỹ thuật phản ứng

Lời nói đầu

Các quá trình hoá học là một bộ phận quan trọng của quá trình thiết bị, được ứng dụng nhiều trong công nghệ hoá 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, 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 trình chuyển hoá Hướng của phản ứng hoá học được quyết định do điều kiên nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu, … Và trong quá trình đó có một lượng nhiệt lớn đựơc phát sinh hay tiêu thụ

Việc tính toán được tiến hành khi đã xác định được các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình chuyển hoá 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 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 với việc 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 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

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 7 tháng 1/2010

Sinh viên

- Thiết bị khuấy gián đoạn,

- Thiết bị khuấy liên tục,

- Thiết bị đẩy lý tưởng,

Mục tiêu của việc tính toán thiết bị là tìm những điều kiện làm việc thích hợp nhất, kiểu , loại thiết bị mới có năng suất cao hoặc đưa ra hướng cải tiến đối với loại thiết bị đang dùng

Khi tính toán, thiết bị phản ứng còn được phân theo hỗn hợp phản ứng , như dùng cho hệ đồng thể ( gồm khí, lỏng) hoặc hệ dị thể (gồm khí – lỏng, lỏng – lỏng và khí – lỏng – rắn) Đối với loại thiết bị dùng cho hệ đồng thể chỉ cần nghiên cứu chế độ thủy động và động hóa học của quá trình Còn đối với thiết bị dùng cho hệ dị thể, ngoài việc nghiên cứu chế độ thủ động, động hóa học, còn phải nghiên cứu thêm ảnh hưởng của quá trình truyền chất và truyền nhiệt

2 So sánh và lựa chọn thiết bị :

Thiết bị dạng 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 Đối với những phản ứng phức tạp, như phản ứng nối tiếp hoặc song song, bên cạnh độc huyển hóa còn phải chú ý tới độ chọn lọc và hiệu suất để khắc phục sản phẩm không mong muốn, và độ chuyển hóa cao thì dùng thiết bị loại tháp Do đó, thiết bị loại tháp tường được dùng trong sản xuất

3 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 lớp cách nhiệt

Đồ án kỹ thuật phản ứng

Trong thực tế, phần lớn những phản ứng là tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt, nên không có khả năng đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt trong toàn tháp Quá trình thu hoặc tỏa nhiệt kéo dài trong suốt quá trình phản ứng dẫn đến sự thay đổi nhiệt

độ, làm nhiệt độ trong toàn tháp tăng lên hoặc giảm đi so với nhiệt độ phản ứng, nên giảm hiệu suất chuyển hóa Để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ trong toàn tháp không quá lớn (không quá xa 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 hóa 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 hidro là phản ứng tỏa nhiệt Như vậy, nếu hỗn hợp vào tháp có nhiệt độ trong khoảng 345÷360oC thì khi ra khỏi bậc 1 hỗn hợp sẽ có nhiệt độ gần 390oC theo điều kiện đoạn nhiệt

Để đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt của tháp phải thực hiện quá rình 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

Quá trình làm lạnh có thể được tiến hành theo 2 cách:

- 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 hoạt động để làm sạch theo định kỳ thay xúc tác Mặt khác, thiết bị gia nhiệt trung gian còn phải có kết cấu hợp lý, gọn nhé, dễ dàng vận hành, trang bị tự động do có 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 độgiữa các ngăn, sẽ tiết kiệm được tb, nhưng sẽ làm thay đổi thành phần của hỗn hợp phản ứng, nên việc tính toán 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

Thông thường, người ta dùng hỗn hợp phản ứng lúc đầu làm khí lạnh

Đồ án kỹ thuật phản ứng

Khác với phương pháp làm lạnh trung gian bằng thiết bị trao đổi nhiệt có

hệ số truyền nhiệt không đổi, thì phương pháp hòa 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, thành phần của khí lạnh và hỗn hợp phản ứng là như nhau và sau khi hòa vào nhau có nồng độ không đổi so với lúc ban 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 hóa học có công thức là CH3OH (thường 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 dễ phân biệt , nhẹ hơn, ngọt hơn

so với ethanol (rượu etylic) ở nhiệt độ phòng, nó là một chất lỏng phân cực, và được sử dụng như một chất chống đông, dung môi, nhiên liệu, có tính chất hóa học mạnh hơn rượu etylic

MeOH được sản xuất một cách tự nhiên trong quá trình trao đổi chất của các vi sinh vật yếm khí Một lượng MeOH sẽ bay hơi ở áp suất khí quyển, trong thời gian khoảng vài trăm ngày trong khí quyển MeOH bị oxy hóa bởi oxy, với

sự có mặt của ánh sáng mặt trời tạo ra CO2 và H2O

MeOH cháy cho ngọn lửa không màu, vì vậy rất nguy hiểm khi để MeOh cháy

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 cất thủy phân gỗ

MeOH được sử dụng để điều chế formaldehyde để sản xuất chất dẻo, nhựa, gỗ, sơn, thuốc nổ, thuốc nhuộm… nó được 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, vinyl acetate dùng trong ngành sơn và xăng dầu Ngoài ra, MeOH 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 cho dung dịch đặc biệt là nguyên liệu và chất dẻo

23

Đồ án kỹ thuật phản ứng

Nguyên liệu khí( H2, CO, N2, CH4) sau khiqua thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4), để tận dụng nguồn nhiệt của hỗn hợp khía ra khỏi tháp tổng hợp (1) Hỗn hợp khí sau khí trao đổi nhiệt xong được đưa vào thiết bị gia nhiệt (2) để nâng nhiệt độ hỗn hợp khí lên khoảng 345oC ta có thể điều chỉnh nhiệt độ của hỗn hợp khí vào tháp bởi lượng khí lạnh bổ sung 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 hóa tối ưu, mỗi ngăn có một lớp xúc tác Phản ứng xảy ra:

độ xuông còn khoảng 355oC, sau đó đi vào bậc 3 Hỗn hợp khí sau khi ra khỏi bậc 3được dẫn ra ngoài tháp và đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (3), (4) phía trong ống để hạ nhiệt độ xuống, sau đó đi 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) Tại đây, MeOH lỏng được tách ra dẫn tới các công đoạn tiếp theo Khí 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 nguyên liệu bổ sung qua máy nén tuần hoàn (7) Hỗn hợp khí ra khỏi máy nén tuần hoàn chia thành 2 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 ra khỏi bậc 1 và bậc 2, không chế nhiệt độ hỗn hợp khí vào bậc 2 và bậc 3

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TỔNG HỢP METHANOL

I.TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC I:

Các số liệu ban đầu:

Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng là t = 345 oC

Mỗi lớp có nhiệt độ tăng VT = 5oC

1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hóa lớp 1 bậc 1 là: VU ch,1 =0.002

h

n U

n x 100%= 18

2988 x 100% = 0,602409 %

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

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

(kcal/kmol)

Đồ án kỹ thuật phản ứng

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 công thức tính sau:

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

hH2 = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 350 + 273 -273) = 2485 (kcal/kmol)

hCO = 7,25.(T – 473) +1700

= 7,25.(350+ 273 – 473) + 1700 = 2787.5 (kcal/kmol)

5 Tính lại độ chuyển hoá

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

−

x 100% = 1.8%

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:Σ ∆U= 0,0020363 (kmolCH3OH/kmol)

Đồ án kỹ thuật phản ứng

6.Tính chiều cao của lớp

Trước hết phải tính tải ∆τ của lớp xúc tác.∆τk = ,

.

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 xây dựng độ thị r m k, = f(Tm k, ,Uch k, ) với áp suất p = 240 at Nhiệt độ trung bình đựoc tính theo công thức:

Tính chiều cao tháp dựa vào đường kính và khối lượng riêng

Khối lượng riêng của xúc tác nằm trong khoảng 1600 – 1700 kg/m3

m

F ρ (m)

Qúa trình tính toán với các lớp tiếp theo của bậc thứ nhất tương tự như trên,

và được tổng hợp trong bảng số liệu 1 trang bên:

0.00210298

Năng suất ra khỏi bậc là= 2888.486217

Nhiệt độ hôn hợp ra khỏi bậc = 390

Nồng độ %hidro chidro = 70.919

Nồng độ %CO cco = 12.4024

Nồng độ %N2 cnito = 9.13973

● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất:

+ Năng suất ra khỏi bậc thứ nhất: nh = 2888.4862 (kmol/h)

+ Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 390oC

− = 375.898 (kmol/h)

Đồ án kỹ thuật phản ứng

II.TÍNH HỖN HỢP PHẢN ỨNG Ở BẬC 2:

Các số liệu ban đầu:

Lượng hỗn hợp khí đi vào bậc 2 sẽ bằng tổng của lượng hỗn hợp khí ra khỏi bậc 1, cộng với lượng khí lạnh bổ sung

n

n x100% = 55.756

Giả thiết:

Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 348.50C

Mỗi lớp có nhiệt độ tăng ∆T = 5oC

n n

n x 100%= 0.6230 %

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 hàm nhiệt 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 suất dựa vào các phương trình gần đúng, trong khoảng nhiệt độ 300 ÷ 400 có công thức tính sau:

Đồ án kỹ thuật phản ứng

hCH OH3 = 11638.8889 ( kcal/mol)

Hàm nhiệt của hỗn hợp: hch,0 = 2793.321668 (kcal/kmol)

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

5.Tính lại độ chuyển hoá

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

∆Qk = nk− 1.(hk - hk− 1)

Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là:

∆Q1= 3250.805.( 2849.925581–2793.321668) = 184776.96559(kcal/kmol)

Tính độ chuyển hoá trong lớp 1 dựa vào lượng nhiệt ∆Q1

giả thiết ban đầu

Tổng độ chuyển hoá sau lớp này là:

Σ ∆U = 0.021176 + 0,0021522 =0.233282 (kmolCH3OH/kmol)

6.Tính chiều cao của lớp:

Trước hết phải tính tải ∆τ của lớp xúc tác.∆τk = ,

.

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 xây dựng độ thị r m k, = f(Tm k, ,Uch k, ) với áp suất p = 240 at Nhiệt độ trung bình đựoc tính theo công thức:

F ρ (m)Diện tích tiết diện ngang của tháp:

Qúa trình tính toán với các lớp tiếp theo của bậc thứ hai tương tự như trên,

và được tổng hợp trong bảng số liệu sau:

Đồ án kỹ thuật phản ứng

KẾT QUẢ CỦA BẬC 2

Năng suất ra khỏi bậc là= 3150.979

Nhiệt độ hôn hợp ra khỏi bậc = 385.5Nồng độ %hidro chidro = 70.0001

Đồ án kỹ thuật phản ứng

7.Tính lượng khí lạnh bổ sung:

Trước khi tính sang bậc thứ 3, cần trộn thêm khí lạnh để đưa nhiệt

độ hỗn hợp phản ứng xuống tương xứng với nhiệt độ ban đầu

lượng khí lạnh được trộn là hỗn hợp đầu của phản ứng, nên có chung thành phần với hỗn hợp phản ứng

Chọn nhiệt độ của hỗn hợp khí sau khi trộn là 351.5oC, Nhiệt độ khí lạnh ban đầu trước khi trộn là : 20oC,Hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc thứ 2 có nhiệt độ là :388.5oC

n x100% = = 3.388%

Giả thiết:

Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 351.50C

Mỗi lớp có nhiệt độ tăng ∆T = 5oC