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

1


Đồ án kỹ thuật phản ứng
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................46

2


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

3



Đồ án kỹ thuật phản ứng
PHẦN I: TỔNG QUAN
I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG:
1. Thiết bị phản ứng:
Trong tính toán thiết bị phản ứng, để đơn giản ngưới ta chia ra thành 3
loại chính sau:
- 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.

4


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 390 oC 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.

5


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 CH 3OH (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.

6


Đồ án kỹ thuật phản ứng
PHẦN II: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ:

1
2

4

3

Nước

Thông áp
5

Nước
7

Nguyên liệu MeOH

6

Khí bổ xung
1. Tháp tổng hợp
2. Thiết bị gia nhiệt
3,4. Thiết bị gia nhiệt

5. Thiết bị làm lạnh
6. Phân ly CH3OH
7. Bơm tuần hoàn

II.THUYẾT MINH SƠ ĐỒ

7


Đồ án kỹ thuật phản ứng
Nguyên liệu khí( H2, CO, N2, CH4) sau khi qua 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 345 oC. 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:
CO + 2H2 € CH3OH + Q

(1)


Do phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt nên hỗn hợp khí sau khi ra khỏi
bậc 1 có nhiệt độ trong khoảng (380 ÷ 390oC). Để đảm bảo độ chuyển hóa 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 350oC, sau đó đi vào bậc 2. Tương tự, hỗn hợp khí sau
khi ra khỏi bậc 2 có nhiệt độ cao được trao đổi nhiệt với khí lạnh để giảm nhiệt
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 (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 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:

8


Đồ án kỹ thuật phản ứng
Năng suất tính theo hỗn hợp phản ứng vào tháp: nh,0 =3000 (kmol/h)
Thành phần % các cấu tử trong hỗn hợp :
CH 2 ,0 = 72% ,


CCO ,0 = 13.8% ,

CCH 4 ,0 = 4.8% ,

C N2 ,0 =8.8%

CCO2 ,0 = 0.6% ,

CCH3OH ,0 = 0%

Số mol các cấu tử khi chưa tham gia phản ứng:
nCH3OH ,0 = 0 % × 3000 = 0
nCO ,0 = 13.8% × 3000 = 414

(kmol/h)
(kmol/h)

nH 2 ,0 = 72% × 3000 =2160 (kmol/h)
nN2 ,0 =8.8% × 3000 = 264 (kmol/h)
nCH 4 ,0 = 4.8% × 3000 = 144 (kmol/h)
nCO2 ,0 = 0.6% × 3000 = 18 (kmol/h)

Giả thiết:
Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng là t = 345 oC
Mỗi lớp có nhiệt độ tăng V T = 5oC
1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hóa lớp 1 bậc 1 là:
(kmolCH3OH/kmol)
2.Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:
VU ch,1 =


VnCH 3OH ,1
nh ,0

⇒ VnCH3OH ,1 =VU ch ,1.nh ,0
Vnch ,1 = 0.002 × 3000 = 6 (kmol/h)

Theo phương trình phản ứng:
CO + 2H2 = CH3OH
Ta có: V nCO,1 =

VnCH3OH ,1 = 6 (kmol/h)

VnH 2 ,1 = 2 × VnCH3OH ,1 = 2 × 6 =12 (kmol/h)

Tính số mol ra khỏi lớp 1:
nCH 3OH ,1 = nCH 3OH ,0 + ∆nCH 3OH ,1 = 0 +6 = 6 (kmol/h

9

VU ch ,1

=0.002


Đồ án kỹ thuật phản ứng
nCO ,1 = nCO ,0 + ∆nCO ,1 = 414-6 = 408 (kmol/h)
nH 2 ,1 = nH 2 ,0 + ∆nH 2 ,1 =2160-12 = 2148 (kmol/h)

Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi:
nN2 ,1 = nN2 ,0 =264 (kmol/h)

nN2 ,1 = nCH 4 ,0 = 144 (kmol/h)
nCO2 ,1 = nCO2 ,0 = 18 (kmol/h)

Tổng số mol ra khỏi lớp 1:
nh,1 = nCH OH ,1 + nCO ,1 + nH
3

2 ,1

+ nN ,1 + nN ,1 + nCO ,1
2

2

2

2988 = (kmol/h)
3.Tính nồng độ mới tương ứng:
C CH OOH ,1 =

nCH 3OH ,1
n h,1

3

CH

2 ,1

=


C CO ,1 =
CN

2 ,1

C CH

=

4 ,1

=

C CO ,1 =
2

n h,1
nCO ,1

x 100%=

408
x 100% = 13,6546
2988

%

x 100%=


264
x 100% = 8,88353
2988

%

n h,1
nh ,1

%

2148
x 100%= 2988 x 100% = 718875%

nH 2 ,1

nN 2 ,1

6
x 100%= 2988 x 100% = 0,2008

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

x 100%=

144
x 100% = 4,812977

2988

x 100%=

18
x 100% = 0,602409 %
2988

%

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:
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

(kcal/kmol)

10

2

4

4


2

2

2

2


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:
h H = 7,1.(T – 273)

(kcal/kmol)

h CO = 7,25.(T – 473) +1700

(kcal/kmol)

2

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:
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 345 + 273 -273) = 2449.5 (kcal/kmol)
2

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.(345+ 273 – 473) + 1700 = 2751.25 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 345 + 273 – 473) + 1700 = 2751.25 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 345 + 273 – 473) + 4050 = 5993 (kcal/kmol)
h CH = 4321.5 (kcal/mol)
4

h CH OH = 10450 ( kcal/mol)
3

Hàm nhiệt của hỗn hợp:
h ch ,0 = 0,72 x 2449.5+ 0,138 x 2751.25 + 0,048 x 43215 + 0,088 x
2751.25 + 0,006 x 5993 + 0 x 10450 = 2628.38 (kcal/kmol)
* Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1:
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 350 + 273 -273) = 2485 (kcal/kmol)
2

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


11


Đồ án kỹ thuật phản ứng
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 350 + 273 – 473) + 1700 = 2787.5 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 350 + 273 – 473 ) + 4050 = 6060 (kcal/kmol)
h CH = 4375 (kcal/mol)
4

h CH OH = 10593 ( kcal/mol)
3

Hàm nhiệt của hỗn hợp là:
h ch ,1 = 0,002 x 10593+ 0.718875x 2485 + 0,1364 x 2787.5 + 4,812977x
4375 + 0,0884 x 2787.5 + 0,006 x 6060 = 2681.935 (kcall/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:
∆ Q k = n k −1 .(h k - h k −1 )

Cụ thể lượng nhiệt tạo ra trong lớp 1 là:
∆ Q 1 = 3000 . (2681.935 – 2628.38) = 160665(kcal/kmol)


Tính độ chuyển hoá 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 không đổi trong toàn bộ lớp.
∆ U* ch ,1 =

So sánh sai số:

2681.935 − 2628.38
= 0,002036(kmolCH 3 OH/kmol)
26300
∆U*ch,1 - ∆U ch,1
∆U ch,1

=

0, 002 − 0, 002036
x 100% = 1.8%
0, 002


*
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 (kmolCH 3 OH/kmol)

12


Đồ án kỹ thuật phản ứng
6.Tính chiều cao của lớp
Trước hết phải tính tải ∆τ của lớp xúc tác. ∆τ 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 công thức:

T m ,k =

Tk +Tk −1
2

T m ,1 =


345 + 350
= 347.5oC
2

Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá ta
thu được vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất là
r m ,1 = 0,05900 (kmol CH 3 OH/kg xúc tác)
Tải của lượng xúc tác:
∆τ 1 =

0, 002036
= 0,034510 (kg xúc tác.h/ kmol)
0, 05900

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

nk + nk −1
(kmol/h)
2

n m,1 =

3000 + 2988
= 2994 (kmol/h)
2

Và lượng xúc tác trong lớp:
∆mxt , k = ∆τ k .n m ,k
∆mxt ,1 = 0,03451 x 2994 = 103.323 (kg)


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.
Lấy ρ xt =1650 kg/m3
∆H k =

mxt , k
F .ρ xt

(m)

13


Đồ án kỹ thuật phản ứng
Diện tích tiết diện ngang của tháp:
F=

Πd 2
Π.0, 62
=
= 0,282743 (m2)
4
4

Chiều cao lớp xúc tác thứ nhất của bậc 1 là:
∆H1 =

103.323
= 0,221586

0, 282743x1650

(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:

14


Đồ án kỹ thuật phản ứng

T
nCHOH3
nH 2
nCO
nCH 4
nN 2
nCO2

∑n
CCH3OH
CH 2
CCO
CCH 4
CN2
CCO2
VU
hch


o

C
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h
Kmol/h

345
0
2160
414.00
144.00
264.00
18.000
3000

350
6
2148
408
144
264
18
2988

355

11.976
2316
402.024
144
264
18
2976.048

360
18.0768
2123.846
395.923
144
264
18
2963.846

365
24.152
2111.694
389.847
144
264
18
2951.694

370
30.3513
2099.279
383.648

144
264
18
2939.2973

375
36.523
2086.952
377.476
144
264
18
2926.952

380
42.816
2074.366
371.183
144
264
18
2914.366

385
49.228
2061.54
364.771
144
264
18

2901.543

390
55.756
2048.468
358.243
144
264
18
2888.486

%
%

0
72

0.2008
71.88875

0.40241
71.77464

0.60991
71.6584

0.81000
71.54176

1.0326

71.42117

1.2478
71.3012

1.469
71.13768

1.6966
71.0498

1.9303
70.919

13.6546
4.81927
8.83534
0.60240

8
13.50865
4.83863
8.87082
0.60482

13.33584
4.85855
8.91309
0.6073


13.2075
4.8785
8.94401
0.609819

13.052
4.899
8.9817
0.61239

12.896
4.91979
9.01962
0.61495

12.736
4.94103
9.0585
0.61762

12.5716
4.9628
9.0986
0.62035

12.402465
4.9853
9.1397
0.62316


0.002085

2
0.002102

0.00203

0.00213

0.00215

0.00224

0.002244

98
2846.088

2902.29

2926.952

3016.935

3075.96

313690

%
%

%
%

13.8
4.8
8.8
0.6

kmolCH 3OH
kmol
kcal
kmol

2628.308

0.00203

0.002052

2681.935

8
7
2735.926 2790.78

9

15



Đồ án kỹ thuật phản ứng

Vhch
VU *

∑U
rm
∆τ

nm
Vmxt
VH
∑H

kcal
kmol
kmolCH 3OH
kmol

53.55

53.9910

54.8542

55.3084

56.2026

56.675


57.9687

59.031

60.122

0.00203

0.00205

0.002085

0.002032

0.00213

0.002154

0.00224

0.0022445

0.002286

kmolCH 3OH
kmol

0.002036


0.0123

9
0.01347

0.01665

5
0.0188945

0.021176

kmolCH 3OH
kmol xuctac
kmolxuctac .h
kmol

0.05900

0.06496

0.07013

0.07466

0.07927

0.08358

0.08697


5
0.0901

0.0929

0.03451

0.03160

0.02973

0.02816

0.02695

0.02578

0.025341

0.02488

0.0242

Kmol/h

2994.00

2982.022


2969.947

2957.777

2945.495

2933.12

2920.65

2907.954

2895.014

103.323
0.22158
0.22158

4
94.2320
0.20208
0.42366

88.318
0.18940
0.61306

83.3118
0.17866
0.79175


79.395
0.17027
0.962

75.617
0.1621
1.1241

74.01
0.15872
1.28293

72.3725
0.15509
1.43812

71.222
0.1579

kg
m
m

0.00408

KẾT QUẢ CỦA BẬC 1
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

16

0.00688

0.008100

1.590872


Đồ án kỹ thuật phản ứng

Nồng độ %metan cch4 = 4.9853
Nồng độ %CO2 cco2 = 0.62316
Nồng độ %metanol cmetanol = 1.93031

17


Đồ án kỹ thuật phản ứng
7.Tính lượng khí lạnh cần trộn:

Trước khi tính sang bậc thứ 2 cần trộn khí lạnh để giảm nhiệt độ xuống

tương ứng 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 .
● Hốn hợp khí ra khỏi bâc thứ nhất:
+

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

+

Nhiệt độ hỗn hợp khí đi ra: t = 390oC

+

Thành phần hỗn hợp khí:
C CH OH = 1.93031
3

CH

= 70.919%

2

C CO

= 12.4024%

CN

= 9.13973%


2

C CH

4

Bậc 1
n,hch
Khí lạnh

= 4.9853%

Bậc 2
ntr,htr

C CO =0.62316%
2

+

Nhiệt hàm hỗn hợp khí ra khỏi bậc 1: h ch = 313690 (kcal/kmol)

+

Chiều cao bậc thứ nhất: ΣH = 1,6975 m

● Tính lượng khí lạnh bổ sung:
+


Chọn nhiệt độ hỗn hợp khí lạnh ban đầu là 20 oC, sau khi trộn là:

+

Tính hàm nhiệt hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc 1 ở 348.5oC:

348.50C

Cấu tử
CH3OH
Nồng độ 0.0193031

H2
0.708703

CO
0.12402

Ci

18

N2
0.091397

CH4
0.049853

CO2
0.00623



Đồ án kỹ thuật phản ứng
Hàm

11668.756

nhiệt

2485

2787.5

2787.5

4875.000

6060

1761.127

344.034

255.183

220.542

37.825

hi


(kcal/km
ol)
C i x hi

Như vậy hàm nhiệt của hỗn hợp khí đi ra khỏi bậc 1 ở nhiệt độ 348.5oC là:
h e = 2867.59 (kcal/kmol)
+

Hàm nhiệt của hỗn hợp khí lạnh bổ sung ở 20oC là:
h

200 C
kl

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

3

2

2

4

4

2


2

2

h CO = 159,4162 (kcal/kmol)
2

+

Hàm nhiệt của khí lạnh bổ xung ở 348.5oC là:

Cấu tử
CH3OH
Nồng độ Ci
0
Hàm nhiệt hi 10638.889
(kcal/kmol
C i x hi

0

H2
0.72
2485
1789.2

CO
0.138
2787.5
384.675


N2
0.088
2787.5

CH4
0.048
4416.66

CO2
0.006
6060

Tổng

245.3

7
212.0

36.36

2667.535

Vậy hàm nhiệt của khí lạnh bổ sung ở 348.5oC là :
0

C
h 350
= 2811.4019 (kcal/kmol)

kl

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

n (hch − he )
2888.46.(3136.90 − 2811.40)
=
= 375.898 (kmol/h)
350
20
hkl − hkl
2867.59 − 159, 4162

19


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.
nh ,0 = 2888.487 + 375.898 = 3264.385

(kmol/h)

Từ đó ta tính dược
nCH 3OH ,0 = 55.75689
nCO ,0 = 410.11714


(kmol/h)
(kmol/h)

nH 2 ,0 =2319.133358 (kmol/h)
nN2 ,0 = 297.079095 (kmol/h)
nCH 4 ,0 = 162.04314

(kmol/h)

nCO2 ,0 = 20.2553928

(kmol/h)

Thành phần từng cấu tử đi vào bậc thứ 2:
CH 2 ,0 =
CCO ,0 =
C N2 ,0 =
CCH 4 ,0 =
CCO2 ,0 =

nH 2 ,0
nh ,0

x 100%=

nCO ,0

x 100%=

410.117

x 100% = 12.563% ,
3264.385

x 100% =

297.079
x 100% = 9.10 %
3264.385

nh ,0
nN2 ,0
nh ,0
nCH 4 ,0
nh ,0
nCO2 ,0
nh ,0

CCH3OH ,0 =

2319.133
x 100% = 71.043 % ,
3264.385

x 100% =

162.043
x 100% =4.963 % ,
3264.385

x100% =


20.255
x 100% =0.619 % ,
3264.385

nCH3OH ,0
nh ,0

x100% =

55.756
x 100% =1.70%
3264.385

Giả thiết:
Nhiệt độ đầu của hỗn hợp phản ứng t = 348.5 0 C
Mỗi lớp có nhiệt độ tăng ∆ T = 5oC

20


Đồ án kỹ thuật phản ứng
1.Chọn sự thay đổi độ chuyển hoá lớp 1 bậc 1 là ∆ Uch,1 = 0,00208
(kmolCH 3 OH/kmol).
2.Tính số mol hỗn hợp ra khỏi lớp 1:
∆ Uch,1 =

∆nCH 3OH ,1
nh ,0


⇒ ∆nCH 3OH ,1 = ∆U ch ,1 . nh ,0
∆nCH 3OH ,1 = 0.00208 x 3264.385= 6.7899

(kmol/h)

Theo phương trình phản ứng:
CO + 2H2 = CH 3 OH
Ta có: ∆nCO ,1 = ∆nCH OH ,1 = 6.7899

(kmol/h)

∆nH 2 ,1 = 2 x ∆nCH 3OH ,1 = 13.5798

(kmol/h)

3

Tính số mol ra khỏi lớp 1:
nCH 3OH ,1 = nCH 3OH ,0 + ∆nCH 3OH ,1 = 62.546

(kmol/h

nCO ,1 = nCO ,0 + ∆nCO ,1 = 403.327

(kmol/h)

nH 2 ,1 = nH 2 ,0 + ∆nH 2 ,1 = 2305.553

(kmol/h)


Các cấu tử khác không tham gia vào phản ứng nên số mol không thay đổi
nN2 ,1 = nN2 ,0

= 297.079

(kmol/h)

nCH 4 ,1 = nCH 4 ,0 = 162.043

(kmol/h)

nCO2 ,1 = nCO2 ,0 = 20.255

(kmol/h)

Tổng số mol ra khỏi lớp 1:
nh,1 = 3250.805 (kmol/h)
3.Tính nồng độ mới tương ứng:
C CH OOH ,1 =

nCH 3OH ,1

3

CH

2 ,1

=


C CO ,1 =

nH 2 ,1
n h,1
nCO ,1
n h,1

n h,1

x 100%=

68.4357
x 100% = 2.054998
3330.2076

x 100%= 70.922%
x 100%= 12.406 %

21

%


Đồ án kỹ thuật phản ứng
CN

=

2 ,1


C CH

4 ,1

=

C CO ,1 =
2

nN 2 ,1
nh ,1

x 100%= 9.1386 %

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

x 100%= 4.9847

%

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:

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 công
thức tính sau:
h H = 7,1.(T – 273)
2

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:
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 348.5 + 273 -273) = 2485 (kcal/kmol)
2

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.(348.5 + 273 – 473) + 1700 =2787.5 (kcal/kmol)
h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 348.5 + 273 – 473) + 1700 = 2787.5 (kcal/kmol)
h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 348.5+ 273 – 473) + 4050 = 6060 (kcal/kmol)
h CH = 4416.6667 (kcal/mol)
4

22


Đồ án kỹ thuật phản ứng
h CH OH = 11638.8889 ( kcal/mol)

3

Hàm nhiệt của hỗn hợp: h ch ,0 = 2793.321668
*

(kcal/kmol)

Hàm nhiệt của các cấu tử khi ra khỏi lớp 1:
h H = 7,1.(T – 273) = 7,1.( 353.5 + 273 -273) = 2520.5
2

(kcal/kmol)

h CO = 7,25.(T – 473) +1700
= 7,25.( 353.5 + 273 – 473) + 1700 = 2823.75

(kcal/kmol)

h N = 7,25.( T – 473) +1700
2

= 7,25.( 353.5 + 273 – 473) + 1700 = 2823.5

(kcal/kmol)

h CO = 13,4.( T – 473) +4050
2

= 13,4.( 353.5 + 273 – 473 ) + 4050 = 6127.0
h CH = 4472.2222


(kcal/kmol)

(kcal/mol)

4

h CH OH = 10777.7777

( kcal/mol)

3

Hàm nhiệt của hỗn hợp là:
h ch ,1 = 2849.925581

(kcall/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:
∆ Q k = n k −1 .(h k - h k −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 ∆ 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 không đổi trong toàn bộ lớp.
∆ U* ch ,1 =

2849.925581-2793.321668
= 0,0021522 (kmolCH 3 OH/kmol)
26300

23


Đồ án kỹ thuật phản ứng
So sánh sai số:


∆U*ch,1 - ∆U ch,1
∆U ch,1

=

0, 00208 − 0,0021522
x 100% = 0.034%
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:
Σ ∆ U = 0.021176 + 0,0021522 =0.233282

(kmolCH 3 OH/kmol)

6.Tính chiều cao của lớp:
Trước hết phải tính tải ∆τ của lớp xúc tác. ∆τ 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 công thức:

T m ,k =

Tk +Tk −1
2

T m ,1 =

348.5 + 353.5
= 351oC
2

Theo đồ thị sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nhiệt độ và độ chuyển hoá thì
vận tốc trung bình trong lớp thứ nhất tính được là
r m ,1 = 0,06309 (kmol CH 3 OH/kg xúc tác)
Tải của lượng xúc tác:
∆τ 1 =

0.0021522
= 0.03411 (kg xúc tác.h/ kmol)
0,06309

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

nk + nk −1
(kmol/h)
2

n m,1 =


3250.805+3264.385
= 3257.5951 (kmol/h)
2

Và lượng xúc tác trong lớp:
∆mxt , k = ∆τ k .n m ,k

24


Đồ án kỹ thuật phản ứng
∆mxt ,1 = 0.03411 x 3257.5951 = 111.118(kg)

Tính chiều cao tháp dựa vào đường kính và khối lượng riêng.
∆H k =

mxt ,k
F .ρ xt

(m)

Diện tích tiết diện ngang của tháp:
F=

Πd 2
Π.0, 62
=
= 0,282743 (m2)
4
4


∆H1 =

111.118
= 0.2383(m)
0, 282743x1650

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:

25