Kjølevann til reaktor - Ntnu fakultet for kjemi og biologi Norges teknisk-naturvitenskapelige Institutt for kjemisk...

Kjølevann til reaktor
CO + 2 H2 CH3OH Hrx1 = -98,501kJ/mol
CO2 + 3 H2 CH3OH + H2O Hrx1 = -58,827kJ/mol
Kjølemengden ble beregnet i to trinn:
Oppvarming av føde til reaktor fra 225 oC til 255 oC.
(B5.5)
Reaksjonsvarme dannet i reaktoren:
(B5.6)
Noe av reaksjonsvarmen varmer opp strømmen, resten må fjernes vha kjølevann.
Kjøling i reaktor: 2,300*1011 J/h
Kjølingen foregår ved at varmen fordamper kokende vann ved 245 oC og 36 barg. Fordampningsvarme ved 245 oC er 31 kJ/mol.
Nødvendig kjølevann for reaktor: (antar at alt vannet fordamper)
I Excel ble kjølingen satt lik endring i entalpi = 2,141011 J/h. Nødvendig kjølevann ble da 124,4 tonn/h.
Varmevekslerne
Det er to likninger for varmestrøm, Q, i en varmeveksler:
1. Q = UATlm (B5.7)
U = varmegjennomgangskoeffisienten W/m2,K
A = arealet av varmeoverføringsoverflaten m2
Tlm= logaritmisk midlere temperaturdifferans K
(B5.8)
der
Ta = Tvarm, inn – Tkald, ut
Tb = Tvarm, ut – Tkald, inn
2. Q = FtotCp T+HvapFv (B5.9)
Cp = varmekapasiteten til total mol strøm J/mol, K
Ftot = total mol strøm for strømmen mol/s
Fv= kondensert gass per varmeveksler [mol/s]
Hvap= fordampningsentalpien [J/mol]
En tenkte seg at prosessen er delt i to, slik at strømmen først blir kjølt ned og deretter blir noe av gassen kondensert.
Cp-verdier varierer med temperatur og måtte derfor beregnes fra likning B5.10 (Yaws,1999).
(B5.10)
Tall for A, B, C, D og E er hentet fra Yaws. Cp-verdier for hver komponent ved de aktuelle temperaturer er gitt i tabell B5.1.
Tabell B5.1: Cp-verdier for hver komponent ved forskjellige temperaturer.
T(K)
|
CH4 (g)
|
CO (g)
|
CO2 (g)
|
Ar (g)
|
H2 (g)
|
N2 (g)
|
CH3OH (g)
|
CH3OH (l)
|
H2O (g)
|
H2O (l)
|
285.2
|
35.86
|
29.05
|
38.00379
|
25.399
|
28.69957
|
29.05374
|
44.44278
|
78.849
|
33.5752
|
75.899
|
300.2
|
36.41
|
29.08
|
38.48179
|
25.399
|
28.77351
|
29.07288
|
45.27646
|
80.099
|
33.6484
|
75.508
|
308.2
|
36.72
|
29.1
|
38.73375
|
25.399
|
28.81024
|
29.08426
|
45.73645
|
80.816
|
33.6903
|
75.348
|
313.2
|
36.92
|
29.12
|
38.89018
|
25.399
|
28.83227
|
29.09178
|
46.02911
|
81.284
|
33.7175
|
75.267
|
339.7
|
38.03
|
29.19
|
39.70601
|
25.399
|
28.93795
|
29.13671
|
47.64186
|
84.08
|
33.8744
|
75.089
|
349.7
|
38.47
|
29.23
|
40.00813
|
25.399
|
28.97328
|
29.15583
|
48.27531
|
85.293
|
33.9388
|
75.14
|
378.2
|
39.79
|
29.33
|
40.85212
|
25.399
|
29.0617
|
29.21654
|
50.14584
|
89.332
|
34.1376
|
75.681
|
383.2
|
40.04
|
29.35
|
40.99762
|
25.399
|
29.07548
|
29.22811
|
50.48301
|
90.14
|
34.1747
|
75.84
|
391.2
|
40.43
|
29.38
|
41.22883
|
25.399
|
29.09654
|
29.24718
|
51.02752
|
91.5
|
34.2353
|
76.137
|
470.17
|
44.58
|
29.75
|
43.41028
|
25.399
|
29.24992
|
29.46978
|
56.66389
|
110.35
|
34.9137
|
82.192
|
498.2
|
46.15
|
29.9
|
44.13926
|
25.399
|
29.28618
|
29.56217
|
58.73302
|
119.89
|
35.1845
|
85.88
|
528.2
|
47.87
|
30.07
|
44.89653
|
25.399
|
29.31824
|
29.66822
|
60.96971
|
132.12
|
35.4901
|
90.859
|
Fordampningsentalpien ved en annen temperatur enn kokepunktet er gitt ved likning B5.11. Ved beregning ble det brukt middeltemperatur. Hvap(T) (Dean, 1999) ble beregnet for både vann og metanol.
Hvap(T)=Hvap(T0)+(Cp(l)-Cp(g))(T0-T) (B5.11)
Beregning for H2O over varmeveksler 2:
Hvap(114oC) = Hvap(100 oC)+(Cp(l)-Cp(g))(100-114)
= 40,66*103 J/mol + (75,98-34,20)J/mol*K(-14K)
= 40,08 kJ/mol
For å beregne Cp-verdier for strømmene ved de enkelte temperaturer måtte en multiplisere fraksjonen for hver komponent med dens tilhørende Cp-verdi.
Cp- verdien for F5:
(Denne verdien er mindre enn den som er brukt i excelarket, da en i excelarket brukte flere desimaler).
Cp-verdien for strømmene som inneholder både væske og gass ble beregnet på tilsvarende måte, med å bruke totalfraksjoner.
Cp-verdien varierer inne i varmeveksleren. En valgte derfor å beregne en midlere Cp-verdi for den varme siden og en midlere Cp for den kalde siden.
(B5.12)
UA-verdiene til varmevekslerne ble funnet ved å kombinere likning B5.7 og B5.9:
(B5.13)
Temperatur inn på varmeveksler 1, dvs T3, var ukjent og ble beregnet ut fra likning B5.14:
(B5.14)
Beregning av Qvarm side for varmeveksler 2, fra likning B5.9:
Da en ikke har oppgitt temperatur på fødestrømmen inn på reaktor, ble den beregnet ut fra likning B5.15.
(B5.15)
For å regne ut nødvendig mengde kjølevann for VV2 og VV3, ble Qvarm side satt lik Qkald side:
(B5.16)
De utregnete verdiene for UA, Cp, Q og mengde kjølevann finner en i tabell B5.2.
Tabell B5.2: Utregnede verdier for varmevekslerne
|
VV1
|
VV2
|
VV3
|
Cp,midlere varmside(J/mol K)
|
34.46
|
34.62
|
34.34
|
Cp,midlere kaldside (J/mol K)
|
31.79
|
75.47
|
75.70
|
Q varm side (J/s)
|
6,973*107
|
8,239*106
|
5,051*107
|
Flow kjølevann (tonn/h)
|
|
109
|
2886
|
UA (kJ/h K)
|
6,33*106
|
8,76*105
|
3,89*106
|
|