Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Formalin trên xúc tác bạc - Nguyễn Thị Hằng

đ Ag+ + O- Từ O2- có thể xảy ra theo từng bậc để đến O2- là tác nhân nucleophyl mạnh. Mặt khác do cấu tạo của methanol H ẵ H C O H ẵ H Sự phân cực mạnh dẫn tới nguyên tử cacbon bị dương hóa nhiều hơn mà tác nhân O2- là tác nhân nucleophyl mạnh hơn OH- dẫn tới O2- tấn công vào cacbocation theo sơ đồ sau: H ẵ H C O H ẵ H O2- O2- vào rồi đẩy nhóm – OH ra, song do sự chênh lệch độ âm điện không nhiều cho nên khi tạo thành formandehit, nhóm – OH ơ dạng H[CH2O]nOH. Khi O2- tấn công vào phân tử methanol thì cả 3 hydro đều linh động, song hydro ở xa nhất linh động hơn sẽ rơi ra và mang theo một điện tử: H ẵ H C O- ẵ H Lúc này nguyên tử các bon còn một điện tử tự do cùng với oxy tạo liên kết mới là liên kết. H \ C = O Ô H IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng là: Xúc tác, nhịêt độ, tỷ số CH3OH/không khí và độ sạch của methanol IV.1. Xúc tác và chất mang Hiệu suất của HCHO, tính chọn lọc của quá trình phụ thuộc vào chất mang và lượng bạc trên chất mang. Vì phản ứng là dị thể, xảy ra trên bề mặt phân chia pha, để tạo điều kiện tiếp xúc pha tốt, tăng vận tốc phản ứng người ta đưa tinh thể bạc lên chất mang chủ yếu là đá bọt. Chọn chất mang là đá bọt bởi nó có nhiều ưu điểm. - Nhiều lỗ xốp nên có bề mặt riêng lớn, tinh thể bạc dàn đều làm tăng bề mặt tiếp xúc pha, làm tăng vận tốc phản ứng. - Sự dàn đồng đều tinh thể trên bề mặt chất mang tránh cho bạc bị thiêu kết khi tái sinh xúc tác. IV.2. Nhiệt độ Duy trì ở nhiệt độ 650- 720oC. Nếu để nhiệt độ tăng cao sẽ xảy ra quá trình oxy hóa sâu tạo axit formic. Nhiệt độ phản ứng phụ thuộc vào tỷ số CH3OH/O2. Nếu cần nhiệt độ cao thì cần điều chỉnh tỷ số CH3OH/O2 nhỏ để lượng oxy nhiều. Trong thực tế người ta dung không khí sẽ pha loãng hỗn hợp khí, nồng độ formandehyde bi oxy hóa, đồng thời nitơ trong không khí sẽ pha loãng hỗn hợp khí, nồng độ formandehyde trong hỗn hợp giảm, cân bằng chuyển dịch về phía tạo thành formandehyde, phản ứng phụ ít xảy ra hơn. IV.3. Tỷ số methanol/không khí và độ sạch của nguyên liệu Tỷ số methanol/không khí thich hợp nhất ở điều kiện làm việc bình thường là 45- 50%. Methanol nguyên liệu phải được làm sạch khỏi sắt và có oxyt sắt vì nó rất dễ làm ngộ độc xúc tác. Không khí trước khi cho vào oxy hóa cần phải làm sạch bụi vì bụi bám vào bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính của nó. Thiết bị phản ứng chính Phản ứng methanol tạo formandehit trên xúc tác bạc đựoc tiến hành tại nhiệt độ cao nên thiết bị phải chế tạo bằng hợp kim chịu nhiệt. Mặt khác, xúc tác bạc rất dễ ngộ độc bởi sắt vì vậy không nên dùng vật liệu thép cacbon để chế tạo thiết bị phản ứng. Nguyên lý làm việc của thiết bị: Hỗn hợp khí nguyên liệu đi từ trên xuống, nhiệt độ khoảng 130- 150oC đi qua lớp xúc tác được mang trên lớp đá bọt. Lớp đá bọt này được đặt trên một lưới đỡ. Sản phẩm tạo thành để tránh bị oxy hóa sâu hơn do nhiệt độ trong phản ứng quá cao được làm lạnh nhanh bởi thiết bị ống chùm đặt bên dưới thiết bị phản ứng. Tác nhân làm lạnh là nước với nhiệt độ khoảng 20- 25oC. Để kích động phản ứng trong giai đoạn đầu người ta đốt nóng hỗn hợp phản ứng bằng điện. Mồi điện đặt ở đỉnh thiết bị. Trong thiết bị còn có lưới phân phối khí hỗn hơp ban đầu đều khắp tiết diện thiết bị phản ứng, để tránh ảnh hưởng xấu đến chế độ, nhiệt độ, năng suất, hoạt tính xúc tác do phản ứng cục bộ. Thiết bị làm việc ở chế độ đoạn nhiệt. PHầN II : TíNH TOáN CÔNG NGHệ Chương V TíNH TOáN CÔNG NGHệ I. Các số liệu đầu I.1. Các chất tham gia phản ứng Ÿ Methanol kỹ thuật 99,5% trọng lượng. Ÿ Thành phần không khí : O2 = 21% trọng lượng. N2 = 79% trọng lượng. Ÿ Thành phần khí thải: N2 = 81,7% trọng lượng. O2 = 17,3% trọng lượng. CO = 0,8% trọng lượng. CO2 = 0,2% trọng lượng. I.2. Tổn thất của quá trình: 1,2% trọng lượng. I.3. Thành phần sản phẩm: HCHO = 40% trọng lượng. CH3OH = 1% trọng lượng. HCOOH = 0,01% trọng lượng. H2O = 58.99% trọng lượng. Hiệu suất chung của quá trình là: 98%. Hệ số chuyển hoá methanol thành sản phẩm: a = 98%. II. tính toán cân bằng vật chất II.1. Năng suất của dây chuyền. Phân xưởng sản xuất formalin đi từ nguyên liệu mthanol với năng suất 50.000(tấn/năm) làm việc liên tục 24/24 giờ. Để thuận tiện cho việc tính toán, chọn thời gian làm việc cho một năm là 8000 giờ Khi đó năng suất phân xưởng sản xuất tính trong 1 giờ là: Hiệu suất làm việc chung của quá trình là 98%. Năng suất làm việc của nhà máy theo lý thuyết là: II.2. Tính toán thành phần khí thải. Vì N2 là chất không tham gia vào các phản ứng nên lượng N2 trước và sau phản ứng coi như không đổi. Nếu muốn thu được 100kg khí thải thì lượng không khí đưa vào phải là: ã Như vậy thành phần của 103,42(kg) không khí chứa: ỉ Lượng N2 (MN= 28) chiếm 81,7(kg). hay ỉ Lượng O2 (MO = 32) chiếm : 103,42 – 81,7 = 21,72(kg). hay ã Thành phần của 100 (kg) khí thải. ỉ Lượng N2 (MN= 28) chiếm 81,7(kg). ỉ Lượng O2 chiếm 17,3% trọng lượng hay 17,3(kg). hay ỉ Lượng CO2 (MCO= 44) chiếm 0,2% trọng lượng hay 0,2(kg). hay ỉ Lượng CO (MCO = 28) chiếm 0,8% trọng lượng hay 0,8(kg). hay Bảng 8: Kết quả tính toán thành phần các cấu tử chứa trong 103(kg) không khí và 100(kg) khí thải. Cấu tử Khối lượng phân tử 103,42(kg) Khí thải 100(kg) khí thải %khối lượng Khối lượng Kmol %khối lượng Khối lượng Kmol N2 28 79 81,7 2,9179 81,7 81,7 2,9179 O2 32 21 21,72 0,6788 17,3 17,3 0,5406 CO2 44 0,2 0,2 0,0046 CO 28 0,8 0,8 0,0286 Tổng 100 103,42 3,5967 100 100 3,4917 II.3. Tính toán cho các phản ứng. ử Phản ứng chính: CH3OH + 1/2 O2 = CH2O + H2O (1). ử Phản ứng phụ: CH2O + 1/2 O2 = HCOOH (2). CH3OH + 3/2 O2 = CO2 + 2 H2O (3). CH2O + 1/2 O2 = CO + H2O (4). a, Tính lượng CH2O tạo thành. ã Lượng O2 cần thiết cho phản ứng oxi hoá khử là: 21,72-17,3 = 4,42(kg) hay Theo phản ứng (4): Số mol O2 = 1/2 Số mol CO = 0,02857 x 0,5 = 0,01429(kmol). Theo phản ứng (3): Số mol O2 = 3/2 Số mol CO2 = 0,00455 x 1,5 = 0,00682(kmol). Hàm lượng HCOOH rất bé nên có thể coi lượng O2 tham gia phản ứng (2) bằng không. Vì vậy lượng O2 tham gia phản ứng (1) là: 0,13813 - (0,01429 + 0,00682) = 0,11702(kmol). Theo phản ứng (1) lượng CH2O tạo thành là: 0,11702 x 2 =0,23404(kmol). Theo phản ứng (4) lượng CH2O mất đi : 0,02857(kmol). ã Lượng CH2O tạo thành là: Số mol: 0,23404- 0,02857 = 0,20547(kmol). hay 0,20547 x 30 = 6,1641(kg). Suy ra lượng CH2O 40% nhận được là: Vậy lượng HCOOH chứa trong 15,41025(kg) formalin 40% là: đSố mol = ã Lượng CH2O bị oxi hoá thành HCOOH tính theo phản ứng (2) là: 0,00034(kmol) Suy ra lượng CH2O còn lại là: 6,1641- 0,00154 =6,16256(kg) hay ã Trong quá trình sản xuất lượng CH2O bị tổn thất là 1,2%: hay 0,2465.10-2.30 = 0,07395(kg). Vậy lượng CH2O thực tế thu được là: 6,16256 – 0,07395 = 6,0886(kg). Suy ra từ 6,0886(kg) CH2O ta thu được lượng formalin 40% là: b, Lượng CH3OH cần thiết cho phản ứng. Lượng CH3OH tham gia phản ứng (1) là: 2. 0,11702 = 0,23404(kmol). Lượng CH3OH tham gia phản ứng (3) là: 0,00455(Kmol). ã lượng CH3OH cần dùng cho phản ứng là: Số mol CH3OH : 0,23404 + 0,00455 = 0,23859(kmol). Hay 0,23859.32 = 7,63488 (kg). Với độ chuyển hóa a = 98%.suy ra lượng CH3OH cần dùng: Lượng CH3OH còn dư: 7,79069 –7,63488 = 0,15581(Kg). Suy ra lượng CH3OH có trong dung dịch formalin: Vậy methanol kỹ thuật 99,5% cần dùng: c, Tính lượng nước ã lượng nước có trong 15,2215(kg) sản phẩm là: ã lượng nước có trong CH3OH (99,5%): ã lượng nước tạo thành sau các phản ứng: Phản ứng (1): 0,23404(Kmol); Phản ứng (3): 0,0091(kmol); Phản ứng (4): 0,02857(kmol) ỉ Suy ra tổng lượng nước tạo thành sau các phản ứng: 18.(0,23404 + 0,0091 + 0,02857) = 4,89078(kg) ã Để nhận được formalin 40% trọng lượng thì lượng nước cần thêm vào: 8,97812 - (4,89078 + 0,03915) = 4,04619(kg). II.4. Cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng Lượng vào: Methanol kỹ thuật: Không khí: 43331,224(Kg/h). Trong đó: - N2: - O2: Lượng nước thêm vào thiết bị hấp thụ: Tổng lượng đầu vào: 3280,570 + 34230,910 + 9100,311 + 1695,285 = 48308,076 (Kg/h) Lượng ra: Dung dịch formalin 40%: 6377,55(Kg/h) Khí thải: 41898,302(Kg/h). Trong đó: N2: 34230,913(Kg/h) O2: CO: CO2: Lượng CH2O tổn thất: Tổng lượng đầu ra: 6377,55 + 41887,568 + 30,98 = 48306,836(Kg/h). Bảng 9. Cân bằng vật chất cho toàn phân xưởng Lượng vào (Kg/h) Lượng ra (Kg/h) Methanol kỹ thuật : 3280,57 Không khí : 43331,224 - O2 : 9100,311 - N2 : 34230,913 Nước thêm vào : 1695,285 Formalin 40% : 6377,55 Khí thải : 41898,302 - O2 : 7248,406 - N2 : 34230,913 - CO : 335,186 - CO2 : 83,797 CH2O tổn thất : 30,984 Tổng cộng : 48308,076 Tổng cộng : 48306,836 II.5. Cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng chính a. Chất vào thiết bị ã Lượng CH3OH 99,5% cho vào thiết bị phản ứng: 3280,570(Kg/h). Trong đó: - CH3OH : - Nước : ã Không khí : 43331,224(Kg/h). Bao gồm: Tổng lượng vật chất vào thiết bị phản ứng là: GTham gia = 43331,224 + 3280,570 = 46611,794(Kg/h). b. Chất ra khỏi thiết bị ã CH2O tạo thành: ã HCOOH: ã Khí thải: Bao gồm: - N2: - O2: - CO: - CO2: ã Lượng nước tạo ra sau phản ứng: ã Lượng nước trong CH3OH đã tính toán ở phần trên là:16,403(Kg/h). ã Lượng CH3OH dư 1% hay Tổng lượng vật chất ra khỏi thiết bị phản ứng là: GTạo thành = 2582,008 + 0,638 +41898,302 + 2049,754 + 16,403 + 63,776 = 46610,881 (Kg/h). Bảng 10: Cân bằng vật chất của thiết bị phản ứng chính. Chất tham gia Chất tạo thành Tên chất Lượng (kg/h) Tên chất Lượng (kg/h) CH3OH 3264,167 CH2O 2583,088 Không khí 43331,224 Khí thải 41898,302 Nước trong CH3OH 16,403 HCOOH 0,638 Nước sau phản ứng 2049,754 Nước trong CH3OH 16,403 CH3OH dư 63,776 Tổng cộng 46611,794 Tổng cộng 46610,881 II.6. Cân bằng vật chất cho thiết bị bay hơi methanol Bảng 11. Cân bằng vật chất cho thiết bị bay hơi methanol Lượng chất vào(Kg/h) Lượng chất ra(Kg/h) Methanol 3264,167 Methanol 3264,167 Nước 16,403 Nước 16,403 Không khí 43331,224 Không khí 43331,224 Tổng cộng 46611,794 Tổng cộng 46611,794 II.7. Cân bằng vật chất cho thiết bị hấp thụ sản phẩm. Bảng 12. Cân bằng vật chất cho thiết bị hấp thụ sản phẩm Lượng vào(Kg/h) Lượng ra(Kg/h) CH2O(k) 2582,008 Formalin 40% 6377,55 HCOOH 0.638 Khí sau phản ứng 41898,302 Khí sau phản ứng 41898,302 Lượng tổn thất 30,98 Lượng nước tạo ra 2049,754 Lượng nước trong methanol 16,403 Lượng methanol dư 63,776 Lượng nước thêm vào 1695,285 Tổng cộng 48306,166 Tổng cộng 48306,832 iii. tính toán cân bằng nhiệt lượng III.1. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng chính ử Chức năng: thực hiện phản ứng oxi hoá methanol thành formalin trên xúc tác Ag. ử Các thông số của quá trình: Nhiệt độ của hỗn hợp methanol và không khí là 150 0C Nhiệt độ của hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng là 300 0C Nhiệt độ phản ứng 700 0C ử Tính toán Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q1+ Q3 = Q2 + Q4 + Qm Trong đó: Q1: Nhiệt lượng do hỗn hợp hơi methanol và không khí mang vào(KJ/h) Q2 : Nhiệt lượng do hỗn hợp hơi sản phẩm phản ứng mang ra(KJ/h) Q3 : Nhiệt lượng do quá trình oxi hoá sinh ra(KJ/h) Q4 : Nhiệt lượng cần lấy đi(KJ/h) Qm : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh(KJ/h) Qm = 0,05.(Q1+ Q3) a. Tính nhiệt lượng do hỗn hợp methanol và không khí mang vào. Q1 = G1. .t1 Trong đó: G1 : Lượng sản phẩm vào thiết bị,(Kmol,/h). : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu vào, (KJ/KmolOC) Hỗn hợp methanol và không khí vào thiết bị phản ứng ở nhiệt độ 150 0C hay 423 0K gồm: N2, O2, CH3OH và nước. Bảng 13: hệ số của phương trình nhiệt dung riêng các chất tham gia phản ứng Cp = a + b.T + c.T2 STT Tên chất Khoảng nhiệt độ(oK) Phương trình Cp = a + b.T + c.T2 (Cal/mol. 0C) a b.103 c.106 1 N2 273 á 2500 6,66 1,02 - 2 O2 273 á 2000 7,52 0,81 - 3 CO 290 á 2500 6,342 1,836 - 4 CO2 298 á 2500 10,55 2,16 - 5 H2O 273 á 2000 7,20 2,70 - 6 CH2O 291 á 1500 4,498 13,953 - 3,730 7 CH3OH 300 á 700 4,88 24,78 - 5,889 8 HCOOH 300 á 700 7,33 21,32 - 8,255 ã Nhiệt dung riêng của hỗn hợp vào thiết bị phản ứng : N2: = (6,66 + 1,02.10-3.423).4,1868 = 29,6905 (KJ/Kmol. 0C) O2: =(7,52 +0,81.10-3.423).4,1868 =32,29193(KJ/Kmol0C.) CH3OH: = (4,88 + 24,78.10-3.423 - 5,889.10-6.4232 ).4,1868 = 59,9057(KJ/Kmol. 0C) H2O: = (7,2 + 2,7.10-3.423).4,1868 = 34,9267(KJ/Kmol. 0C) ã Tổng lượng Methanol vào thiết bị phản ứng: 102,005(Kmol/h). Tổng lượng hỗn hợp hơi methanol và không khí vào thiết bị phản ứng: 102,005+0,911+1222,533+284,385=1609,834 (Kmol/h). ã Thành phần phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp methanol không khí như sau: N2: O2 : CH3OH: H2O : 1- (0,7594 + 0,1765 + 0,0634) = 0,007 = 0,7594.29,6905+ 0,1765.32,2919+ 0,0634.59,9057+ 0,0007.34,9267 = 32,069(KJ/Kmol. 0C) Q1 =1609,834.32,069.150 = 7743864,982(kj/h) b. Tính nhiệt lượng do quá trình oxi hoá sinh ra ( Q3) Do lượng HCOOH quá nhỏ do vậy ta có thể bỏ qua trong thành phần sản phẩm của quá trình oxi hoá metanol thành formalin. ã Lượng CH3OH tham gia phản ứng = lượng vào – lượng dư = 3264,167 - 63,776 = 3200,3919(Kg/h)hay 100,012(Kmol/h) ã Lượng O2 tham gia phản ứng = 9100,311 - 7248,406 = 1851,905 (Kg/h) hay 57,872 (Kmol/h) ỉ Cân bằng vật chất của quá trình phản ứng: 100,012.CH3OH + 57,872.O2 = 86,067CH2O + 11,971.CO + 1,904.CO2+113,875.H2O Bảng 14: Nhiệt tạo thành của nguyên liệu và sản phẩm ở 298 0K của quá trình oxy hóa Methanol thành formalin(sổ tay hóa lý) Nguyên liệu Sản phẩm Tên Qs , (KJ/Kmol) Tên Qs , (KJ/Kmol) CH3OH 201200 CH2O 115900 O2 0 CO 110500 CO2 393510 H2O 241840 ã Nhiệt tạo thành của nguyên liệu ở 298°K: Qnl = 100,012.201200 =20122414,4(KJ/h) ã Nhiệt tạo thành của sản phẩm ở 298 0 K: Qsp = 86,067.115900+11,971.110500 +1,904.393510 +113,875.241840 = 39586733,84(KJ/h) ỉ Nhiệt tạo thành của phản ứng ở 298 0 K: Q298°K = Qsp - Qnl = 39586733,84 – 20122414,4 = 19464319,44(KJ/h) ã Với nhiệt độ phản ứng là 700 0 C = 973 0 K ta có: Trong đó: : Tổng nhiệt dung phân tử của các chất tham gia phản ứng : Tổng nhiệt dung phân tử các chất tạo thành trong sản phẩm n : số mol của các phân tử Sau khi biến đổi tích phân trên ta có thể đưa phương trình (8) về dạng: Q973 K = Q298 K + n1.(T - 298) + n2.(T2 - 2982) + n3.(T3 - 2983) Trong đó: n1 = n2 = n3 = Với a,b,c là hệ số của phương trình Cp = a + b.T + c.T2 n1 == [(4,88.100,012 + 7,52.57,872) - (4,498.86,067 + 6,342.11,971 + 10,55.1,904 + 7,2. 113,875)].4,1868 = - 1590,0629 n2 == 0,5.10-3[(24,78.100,012 + 0,81.57,872) - ( 13,953. 86,067 + 1,836.11,971 + 2,16.1,904 + 2,7.113,875)].4,1868 = 2,07399 n3 == .10-6.[(-5,889).100,012 - (-3,73).86,067].4,1868 = - 3,7394.10-4 Thay các giá trị vào phương trình trên ta có: Q3 = 19464319,44 – 1590,0629.(973 - 298) + 2,07399.(9732 - 2982) +(-3,7394.10-4). (9733 - 2983) = 19835789,34(KJ/h) c. Tính nhiệt lượng tổn thất( Qm) Nhiệt lượng mất mát: Qm = 0,05.(Q1 + Q3) = 0,05(7743864,982 + 19835789,34) = 1378982,716(KJ/h) d. Tính nhiệt do hỗn hợp hơi sản phẩm phản ứng mang ra (Q2) Nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng t2=3000C=5730K ã Nhiệt dung riêng của các cấu tử trong hỗn hợp sản phẩm ở nhiệt độ t2 N2: = (6,66 + 1,02.10-3.573).4,1868 = 30,3313(KJ/Kmol.0 C) O2: = (7,52 + 0,81.10-3.573).4,1868 = 33,428(KJ/Kmol.0C) CO: = (6,342 + 1,836.10-3.573).4,1868 = 30,9573(KJ/Kmol.0C) CO2: = (10,55 + 2,16.10-3.573).4,1868 = 49,3526(KJ/Kmol.0C ) H2O: = (7,2 + 2,7.10-3573).4,1868= 36,622(KJ/Kmol.0C) CH2O: = (4,498 + 13,953.10-3573 -3,73.10-6.5732 ).4,1868 = = 47,1785(KJ/Kmol.0C) CH3OH: = (4,88 + 24,78.10-3.573 -5,889.10-6.5732 ).4,1868 = = 71,7844(KJ/Kmol.0C) HCOOH: = (7,33 + 21,32.10-3.573 - 8,255.10-6.5732 ).4,1868 = 70,4889(KJ/Kmol.0C) Tổng số mol : 86,067 + 0,014 + 1222,533 + 226,513 + 11,971 +1,904 + 114,786 + 1,993 = 1665,781(Kmol/h) Thành phần hỗn hợp hơi sản phẩm: CH2O: N2: HCOOH: O2: CH3OH: H2O: CO: CO2 Và Gsp = 1665,781(Kmol/h) ã Nhiệt dung riêng của sản phẩm: = 0,0517 . 47,1785 + 8,4.10- 6. 70,4889 + 0,7339.30,3313 + 0,1360.33,428 + 0,0072.30,9573 + 0,0011.49,3526 + 0,0689.36,622 + 11,964.10-4 . 71,7844 = 32,1324(KJ/Kmol.0C) Suy ra Q2=Gsp..t2=1665,781.32,1324.300 = 16057662,42(KJ/h) e. Nhiệt cần lấy đi (Q4). Thay số vào phương trình cân bằng nhiệt lượng (7) ta có: Q4 = ( Q1 + Q3) - (Q2 + Qm) = (7743864,982 +19835789,34) - (16057662,42+ 1378982,716) = 10143009,19(KJ/h) Bảng 15: Bảng cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng chính Nhiệt mang vào Nhiệt mang ra Tên Q (KJ/h) Tên Q (KJ/h) Q1 7743864,982 Q2 16057662,42 Q3 19835789,34 Q4 10143009,19 Qm 1378982,716 Tổng 27579654,322 Tổng 27579654,326 III.2. tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng không khí ã Mục đích sử dụng: Dùng để đun nóng không khí trước khi đưa vào thiết bị bay hơi methanol. Đun nóng không khí có nhiệt độ ban đầu là t1 = 300C. Nhiệt độ của không khí sau khi qua thiết bị đun nóng là t2 = 1000C. ã Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng: Q1 + Q3 = Q2 + Qm Trong đó: Q1: Nhiệt lượng không khí mang vào,(KJ/h). Q2: Nhiệt lượng do không khí mang ra,(KJ/h). Q3: Nhiệt lượng cần phải cung cấp,(KJ/h). Qm: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường (giả sử là 2%),(KJ/h). a. Tính nhiệt lượng không khí mang vào (Q1). Ta có: (2). Trong đó: t1 là nhiệt độ ban đầu của không khí, t1=300C. , là khối lượng của N2, O2 (kg/h). là nhiệt dung riêng của N2 và O2, (KJ/Kg.độ). (KJ/Kg.độ). (KJ/Kg.độ). ã Thay số vào phương trình (2) ta được: Q1 = (34230,913.2488,474+9100,311.2120).30.10-3 = 3134261,889(KJ/h). b. Tính nhiệt lượng không khí mang ra (Q2). nhiệt lượng do không khí mang ra được tính theo công thức sau: (4) Trong đó: t2 : Nhiệt độ lúc không khí đi ra t2=1000C. : nhiệt dung riêng của N2 và O2 tại nhiệt độ t2, (KJ/Kg.độ). ã nhiệt dung riêng của N2: (KJ/Kg.độ). ã nhiệt dung riêng của O2: (KJ/Kg.độ). ã thay các số liệu vào phương trình (4) ta có Q2 = (34230,913.2513,534 + 9100,311.2242,082).100.10-3 = 10644420,72(kj/h). c. Tính nhiệt lượng mất mát ra môi trường (Qm). ã nhiệt mất mát ra môi trường được tính theo công thức: Qm =2%.Q2 ỉ Vậy nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh là: Qm =2%.Q2 =0,02. 10644420,72=212888,414(kj/h). d. Tính nhiệt lượng cần phải cung cấp (Q3). ã theo phương trình (1) ta có :Q3 =(Q2 + Qm) - Q1 ỉ Vậy nhiệt cần phải cung cấp cho không khí là: Q3 = (10644420,72+212888,414) - 3134261,889 = 7723047,245(kj/h). Bảng 16: cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun nóng không khí Nhiệt vào Nhiệt ra Tên Lượng(KJ/h) Tên Lượng(KJ/h) Q1 3134261,889 Q2 10644420,72 Q3 7723047,245 Qm 212888,414 Tổng 10857309,13 Tổng 10857309,134 III.3. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị bay hơi methanol ử Mục đích sử dụng: Thiết bị bay hơi methanol có chức năng tạo hỗn hợp CH3OH với không khí trước khi đưa vào phản ứng. ử Các thông số của quá trình: Nhiệt độ của không khí vào thiết bị bay hơi methanol là: 100°C. Nhiệt độ của methanol khi vào thiết bị bay hơi methanol: 25°C. Nhiệt độ của hỗn hợp hơi Methanol – không khí: 110°C. ửTính toán: Cân bằng nhiệt lượng cho hỗn hợp hơi metanol-nước: Q1hh + Q2hh = Q3hh + Qmhh Q1hh : Nhiệt lượng hỗn hợp metanol-nước mang vào KJ/h Q3hh : Nhiệt lượng hỗn hợp hơi metanol-nước mang ra KJ/h Q2hh : Nhiệt lượng cần cung cấp bay hơi metanol-nước KJ/h Qmhh: Nhiệt lượng mất mát KJ/h Tính Q1hh Q1hh = (Gm . + Gn.).t1 Gm =102,005(Kmol/h) Gn =0,911(Kmol/h) =(4,88+24,78.10 -3.2985,89.10 -6.2982).4,1868 =49,1592(KJ/Kmol.°C) = (7,2 + 2,7.10-3.298).4,1868= 33,5137(KJ/Kmol.°C) Q1hh = (Gm . + Gn.).t1 =(102,005.49,1592 + 0,911.33,5137).25 = 126125,379( KJ/h) Tính Q3hh Q3hh = Gm . .t2 +Gm.rm + Gn..t2 + Gn.rn = ( Gm . + Gn.).t2 +Gm.rm+ Gn.rn Gm =102,005(Kmol/h) Gn =0,911(Kmol/h) rm =32020,646(KJ/Kmol) rn =2260,872(KJ/Kmol) =(4,88+24,78.10-3.383-5,889.10-6.3832).4,1868 =55,6996(KJ/Kmol.°C) = (7,2 + 2,7.10-3.383).4,1868= 34,3615(KJ/Kmol.°C) Q3hh=(102,005.55,6996 + 0,911.34,3615).110 + 102,005.32020646 + 0,911.40695,696 = 3931763,287( KJ/h) Qmhh = 5%. Q3hh = 0,05.3931763,287 = 196588,164( KJ/h) Tính Q2hh Q2hh = Q3hh + Qmhh - Q1hh = 3931763,287 + 196588,164 – 126125379 = 4128351,451( KJ/h) Cân bằng nhiệt lượng cho không khí: Q1kk + Q2kk = Q3kk + Qmkk Q1kk:Nhiệt lượng không khí mang vào KJ/h Q3kk :Nhiệt lượng không khí mang ra KJ/h Q2kk :Nhiệt lượng cần cung cấp không khí KJ/h Qmkk: Nhiệt lượng mất mát KJ/h Tính Q1kk Q1kk = (GN. + GO.).t1 GN = 1222,533(Kmol/h) GO = 284,385 (Kmol/h) = (6,66 + 1,02.10-3.373).4,1868 = 29,477(KJ/Kmol.oC) = (7,52 + 0,81.10-3.373).4,1868 = 32,7497(KJ/Kmol.°C) Q1kk = (1222,533.29,477 + 32,7497).100 = 4535012,8 (KJ/h) Tính Q3kk Q3kk = (GN. + GO.).t2 GN = 1222,533(Kmol/h) GO = 284,385 (Kmol/h) = (6,66 + 1,02.10-3.383).4,1868 = 29,5197(KJ/Kmol.oC) = (7,52 + 0,81.10-3.383).4,1868 = 32,7836(KJ/Kmol.°C) Q3kk = (1222,533.29,5197 + 32,7836).100 = 4995316,8 (KJ/h) Tính Qmkk: Qmkk = 0,05Q3kk = 0,05.4995316,8 = 249765,584 KJ/h Q2kk = Q3kk – Q1kk +Qmkk = 4995316,8 + 249765,584 – 4535012,8 = 710069,5 KJ/h Q1c = Q1hh + Q1kk = 126125,379 + 4535012,8 = 4661138,1 KJ/h Q2c = Q2hh + Q2kk = 710069,5 +4128351,451 = 4838420,9 KJ/h Bảng 17: Cân bằng nhiệt lượng thiết bị bay hơi metanol Nhiệt lượng vào (KJ/h) Nhiệt lượng ra (KJ/h) Q1c 4661138,1 Q3hh 3931763,287 Q2c 4834820,9 Q3kk 4995316,8 Qmhh 196588,164 Qmkk 249765,584 Tổng 9499558,0 Tổng 9499558,0 III.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị hấp thụ. ử Chức năng của thiết bị: Hấp thụ formalin vào nước thành dung dịch formalin ử Các thông số: Khí thải, t = 30oC. Hơi sản phẩm vào thiết bị hấp thụ, t = 150oC. Dung dịch formalin ra có nhiệt độ, t = 90oC. Để nâng cao hiệu suất của quá trình hấp thụ, đồng thời để lấy nhiệt của phản ứng ra cho đảm bảo chế độ làm việc của thiết bị người ta chia tháp hấp thụ thành hai đoạn. ở mỗi đoạn có đặt thiết bị trao đổi nhiệt trung gian ở bên ngoài. Đoạn I : Có nhiệt độ ở đỉnh là 50oC, nhiệt độ ở đáy là 90oC. Nhiệt độ trung bình của đoạn I: Đoạn II : Có nhiệt độ ở đỉnh là 30oC, nhiệt độ ở đáy là 50oC. Nhiệt độ trung bình của đoạn II: Giả thiết: Hiệu suất của tháp là 100%. Giai đoạn I và giai đoạn II lượng formalin hấp thụ là 50%. a. Cân bằng nhiệt lượng đoạn II tháp hấp thụ. Phương trình Cân bằng nhiệt lượng đoạn II tháp hấp thụ: Trong đó: : Nhiệt lượng do nước mềm mang vào,(KJ/h). : Nhiệt hoà tan của formalin trong nước ở đoạn II,(KJ/h). : Nhiệt ngưng tụ của nước ở đoạn II,(KJ/h). QK : Nhiệt do pha khí mang từ đoạn I lên đoạn II,(KJ/h). Qkt : Nhiệt do khí thải mang ra,(KJ/h). Ql : Nhiệt do phần lỏng mang từ đoạn II xuống đoạn I,(KJ/h). : Nhiệt cần làm lạnh ở đoạn II,(KJ/h). + Nhiệt lượng do nước mềm mang vào,(). Nước hấp thụ được đưa vào thiết bị có nhiệt độ là 30oC hay (303oK). Nhiệt dung riêng của nước ở 303oK: = (7,2 + 2,7.10-3.303 ).4,1868= 33,5702(KJ/Kmol.0 C) Lượng nước được thêm vào để hấp thụ formalin: thêm = 94,1825(Kmol/h). =thêm . . t =94,1825.33,5702.30 =94851,761(KJ/h). + Nhiệt hoà tan của formalin trong nước ở đoạn II,( ). Lượng formalin vào thiết bị hấp thụ: 86,067(Kmol/h) Theo giả thiết formalin bị hấp thụ vào thiết bị ở đoạn II là 50% = 86,067.0,5 = 43,034(Kmol/h). = 62802(KJ/kmol) = . =43,034.62802 = 2702558,468(KJ/h). + Nhiệt ngưng tụ của nước ở đoạn II,( ). Tổng lượng khí trơ trong không khí. GKhí trơ = GKhí trơ = 41898,302(Kg/h). Công thức tính hàm ẩm: Trong đó: Pbh: áp suất riêng phần của hơi nước trong khí bão hoà hơi nước, Pbh = 66,57(mmHg). P: áp suất chung của không khí, P = 760(mmHg). Thay số vào phương trình (11) ta được: (Kg nước/ Kg không khí khô) Lượng nước trong không khí ở 50 0 C. 41898,302.0,06 =2513,898(Kg/h) = 139,661(Kmol/h). Nhiệt ngưng tụ của nước ở 50 0 C . rngưng tụ = - rhoá hơi = 2403(KJ/kmol). Nhiệt ngưng tụ của nước ở đoạn II là: = rngưng tụ . 2403. 139,661 = 335605,383(KJ/h). + Nhiệt do pha khí mang từ đoạn I lên đoạn II,( QK) Nhiệt dung riêng của các cấu tử trong hỗn hợp khí ở 50 0 C hay 323 0 K. ã N2: = (6,66 + 1,02.10-3.323).4,1868 = 29,2635(KJ/Kmol. 0 C) ã O2: = (7,52 + 0,81.10-3.323).4,1868 = 32,58013 (KJ/Kmol. 0 C) ã CO: = (6,342 + 1,836.10-3.323).4,1868 = 29,0356(KJ/Kmol. 0 C) ã CO2: = (10,55 + 2,16.10-3.323).4,1868 = 47,0918(KJ/Kmol. 0 C) ã H2O:= (7,2 + 2,7.10-3.323).4,1868 = 33,7963(KJ/Kmol.0C) ã CH2O:= (4,498 + 13,953.10-3.323 - 3,73.10-6.3232 ).4,1868) = 36,0721(KJ/Kmol.0 C) Tổng số mol khí từ đoạn I lên đoạn II: GK =1222,533 + 226,51 + 11,971 + 1,904 + 139,661 + 43,034 = 1646,616(Kmol/h). Thành phần phần mol các cấu tử trong không khí từ đoạn I lên đoạn II: CH2O: N2: CO2: O2: H2O: CO: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí ở 323oK: = 29,2635.0,7425+32,58013.0,1375+29,0356.7,844.10-3 +47,0918.1,156.10-3+33,7963.0,0848+3