thiết kế hệ thống thiết bị thu hồi benzene thô từ khí cốc

Như chúng ta đã biết việc thu hồi Benzene thô từ khí cốc là một phương pháp để thu hồi benzene và các hợp chất Benzene phổ biến trên thế giới hiện nay. Do nhu cầu năng lượng và tiêu dùng hiện nay mà các nhà sản xuất ngày càng cải tiến các công nghệ chế biến và thu hồi Benzene từ khí cốc bằng phương pháp hấp thụ. Benzene là một nguyên liệu rất quan trọng trong công nghiệp hoá chất. Những nguyên tử hydro trong Benzen dễ bị thay thế bằng Clo và các Halogen khác bằng các nhóm Sunfo, Amino, Nitro và các nhóm định chức khác. Clobenzen, Hexaclobenzen, Phenol, Anilin, Nitrobenzen… đấy mới chỉ là một số dẫn suất của Benzene dùng trong công nghiệp hoá chất để sản xuất chất dẻo và thuốc nhuộm, bột giặt và dược phẩm, sợi nhân tạo, chất nổ, hoá chất bảo vệ thực vật, sản xuất nước hoa,…

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết việc thu hồi Benzene thô từ khí cốc là một phương pháp

để thu hồi benzene và các hợp chất Benzene phổ biến trên thế giới hiện nay Do nhu cầu năng lượng và tiêu dùng hiện nay mà các nhà sản xuất ngày càng cải tiến các công nghệ chế biến và thu hồi Benzene từ khí cốc bằng phương pháp hấp thụ Benzene là một nguyên liệu rất quan trọng trong công nghiệp hoá chất Những nguyên tử hydro trong Benzen dễ bị thay thế bằng Clo và các Halogen khác bằng các nhóm Sunfo-, Amino-, Nitro- và các nhóm định chức khác Clobenzen, Hexaclobenzen, Phenol, Anilin, Nitrobenzen… đấy mới chỉ là một số dẫn suất của Benzene dùng trong công nghiệp hoá chất để sản xuất chất dẻo và thuốc nhuộm, bột giặt và dược phẩm, sợi nhân tạo, chất nổ, hoá chất bảo vệ thực vật, sản xuất nước hoa,…

Bài đồ án môn học của nhóm sinh viên thực hiện với nhiệm vụ thiết kế hệ thống thiết bị thu hồi Benzene thô từ khí cốc nhằm mang lại hiệu quả về mặt kinh

tế phương pháp hấp thụ trong tháp đệm theo sơ đồ các tháp hấp thụ nối tiếp nhau

Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN

Kĩ thuật thu hồi Benzene từ khí cốc đóng vai trò to lớn trong nền kinh tế xã hội

và trong các ngành kĩ thuật đặc biệt là các ngành chế biến và lọc hóa dầu Đất nước

ta có nền kinh tế công nghiệp ngày càng phát triển mạnh và ngày càng có nhiều ngành công nghiệp khác đang định hình và phát triển, đòi hỏi có những dây chuyền công nghệ và những phương pháp xử lý chế biến mang tính khoa học kỹ thuật và hiện đại, sao cho mang lại hiệu quả cao nhất tiết kiệm nhất Trong đó ngành dầu khí đang có vai trò quyết định đến tất cả lĩnh vực sản xuất khác Hiện nay vấn đề năng lượng là một vấn đề thật sự khó khăn nan giải trên thế giới khi các nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt, vì vậy ngoài việc tìm tòi, khai thác những nguồn năng lượng trong tự nhiên và tạo ra nguồn nguyên liệu thay thế thì việc thu hồi lại và tận dụng một cách triệt để nguồn năng lượng đã khai thác là rất cần thiết và ngày càng trở nên phổ biến Chính vì thế mà việc thu hồi Benzene thô hầu như đã trở nên rất quan trọng Nó góp phần tạo ra những sản phẩm có chất lượng và có giá trị cho nền kinh tế nước nhà Góp phần đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước và tiến lên để trở thành nước công nghiệp hiện đại Phương pháp hấp thụ là phương pháp đơn giản, chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành bảo trì, mang lại hiệu quả kinh tế

và dễ áp dụng nhất đối với các nước đang phát triển như nước ta

Khí được hấp thụ được gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.

Mục đích:

Hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng, quá trình này có sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng nếu quá trình xảy ra ngược lại nghĩa là có sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha hơi, khi đó ta có quá trình nhả khí

Trong công nghiệp hóa chất thực phẩm quá trình hấp thụ dùng để:

• Thu hồi các cấu tử quí trong pha khí

• Làm sạch pha khí

• Tách hỗn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt

• Tạo thành một dung dịch sản phẩm

Hấp thụ bao gồm quá trình hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học:

• Hấp thụ vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

• Hấp thụ hóa học: dựa trên cơ sở hoà tan giữa hỗn hợp khí và dung môi

có xảy ra phản ứng hóa học

Quá trình lựa chọn dung môi để hấp thụ đạt hiệu quả cao phụ thuộc các yếu tố sau:

• Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọng nhất

• Độ nhớt: Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thủy học càng nhỏ và có lợi cho quá trình chuyển khối

• Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt cho quá trình hoàn nguyên dung môi

• Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi chất hòa tan để tách các cấu tử ra khỏi dung môi sau khi hấp thụ.

• Nhiệt độ đóng rắn thấp và không tạo thành kết tủa khi hòa tan để tránh làm tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn

1.2 Cơ sở lí thuyết của quá trình hấp thụ

1.2.1 Cơ sở vật lí của quá trình hấp thụ

Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lí khí và ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác Hấp thụ trên cở sở của quá trình truyền khối, nghĩa là có sự dịch chuyển hai pha khí lỏng vào nhau Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí

1.2.2 Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thụ

Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ: được xác lập trên cơ sở lí thuyết hai lớp màn đó là lớp màng ngăn cách giữa pha lỏng và pha khí qua lớp màng đó khí trong hỗn hợp sẽ khuếch tán vào pha lỏng Có dạng tổng quát là Y=AX + B

Định luật cân bằng pha cho dung dịch lý tưởng:

Tuân theo định luật Henry p* = Hx và định luật Raoult : p* = P0x

p*: áp suất riêng phần của cấu tử trong pha khí cân bằng với pha lỏng

H: hệ số Henry phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của khí và lỏng

x: phần mol của cấu tử trong pha lỏng

P0: áp suất hơi bão hòa của cấu tử nguyên chất, có giá trị chỉ thay đổi theo nhiệt độ

Lđ, Lc : lượng dung dịch đầu và cuối, (kg/h).

Tđ, Tc : nhiệt độ khí ban đầu và cuối, (0C)

Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg)

Q0 : nhiệt mất mát, (kJ/h)

Qs : nhiệt phát sinh do hấp thụ khí, (kJ/h)

Cđ, Cc: tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg.độ)

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng, kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếu các đường làm việc không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lí thuyết sẽ tăng

và chiều cao thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá cao so với yêu cầu kĩ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho

độ nhớt của hai pha khí và lỏng giảm

Ảnh hưởng của áp suất:

Nếu các điều kiện giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng

sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành

Khi đường làm việc không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quá trình chuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa lí thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấp hơn

Tuy nhiên việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ

Mặt khác sự tăng áp suất cũng gây khó trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ

Các yếu tố khác:

Tính chất của dung môi, loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác của dụng

cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thụ

1.3 Nguyên liệu quá trình:

1.3.1 Khí cốc:

Khí cốc là hỗn hợp khí thu được từ quá trình luyện cốc, sản lượng khoảng 310 đến 340 m3 khí/than cốc, khí cốc chứa Hydro, Metan, Etylen, các hydro carbon khác, Oxyt và Dioxyt carbon, Nito, trong một m3 khí (ở 00C và 760 mmHg) còn chứa 80-130 g nhựa, 8-13 g amiac, 30-40 g hydro carbon mạch Benzene, 6-25 g Sunfua hydro và các hợp chất chứa lưu huỳnh, 0.5-1.5 Xianua hydro, 250- 450 g

hơi nước và các hạt rắn Khí cốc sau khi đã làm sạch amiac được đưa đi tách Benzene thô

1.3.2 Benzene thô:

Benzene thô là hợp chất phức tạp phức tạp, phần lớn là bay hơi ở 1800C

Hàm lượng trung bình của các cấu tử chính (%):

• Sunfocarbon và các hydro carbon dễ sôi: 1,6 – 3,4

• Benzene: 59,5 – 78,3

• Đồng đẳng của benzene: 12 – 21

• Xolven (hỗn hợp tri metyl benzene, etylmetyl benzene và …): 3-10.Muốn tách các cấu tử riêng biệt của benzene thô phải dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của chúng và dùng phương pháp chưng cất

II Phương pháp sử lí

Để thu hồi Benzen thô ta hấp thụ chúng bằng các dầu hấp thụ ở 20-25 0C trong các thiết bị truyền khối Các chất hấp thụ thường là dầu than đá (phân đoạn chưng cất nhựa than đá sôi ở 230-300 0C) hoặc là dầu thô (phân đoạn sôi ở 300-350 0C)

1 Thiết bị truyền khối

1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại TB truyền khối:

Theo nguyên tắc làm việc: có thể chia thiết bị truyền khối thành thiết bị làm việc liên tục, gián đoạn và bán liên tục

Theo áp suất làm việc: thiết bị làm việc ở áp suất thường, thấp và cao

Theo phương pháp cấp nhiệt: cho quá trình đun nóng trực tiếp và gián tiếpTheo chiều chuyển động của các dòng pha: thiết bị làm việc xuôi chiều, ngược chiều và chéo chiều

Theo dạng bề mặt tiếp xúc pha: tiếp xúc pha liên tục, tầng bậc

Theo kết cấu:

• Thiết bị hấp thụ bề mặt: được dùng khi hấp thụ một lượng nhỏ khi có tính hòa tan tốt

• Thiết bị hấp thụ loại đệm: được sử dụng phổ biến nhất khi chất lỏng

và chất khí tinh khiết có mật độ lớn

• Thiết bị hấp thụ loại sủi bọt: được dùng khi tháp có năng suất cao và cần thoát ra một lượng nhiệt lớn

• Thiết bị hấp thụ loại phun thành tia và thiết bị hấp thụ cơ khí

Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thụ được gọi là thiết bị hấp thụ hoặc cột hấp thụ hoặc tháp hấp thụ Trong thực tế có thể phân loại và gọi tên thiết

bị truyền khối theo phương pháp hỗn hợp

2 Tháp đệm

2.1 Sơ đồ cấu tạo:

Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm, ) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo, ), lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra

Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng:

• Lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống, lỏng và khí đi trong cùng ống)

• Màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe)

• Bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ)…

Các phần tử đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ Đối với đệm trụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích

Sơ đồ như hình sau:

Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước:

• Khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng;

• Có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm

Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.

Tưới lỏng và phun khí ngay từ đầu.

2.3 Ưu – nhược điểm - ứng dụng.

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ

Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt

Ứng dụng: dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không, )

Chương II: Quy trình công nghệ

1 Sơ đồ công nghệ làm lạnh cuối khí cốc.

1.1 Sơ đồ công nghệ làm lạnh cuối khí cốc sau thùng bão hòa.

Hình 26: hình vẽ (trang sau)

Khí cốc sau thùng bão hòa có nhiệt độ 600 – 700 C đưa vào máy làm lạnh cuối tác dụng trực tiếp Về cấu trúc máy này tương tự máy làm lạnh trực tiếp đã miêu tả trong sơ đồ công nghệ làm lạnh sơ bộ khí cốc

Từ giàn làm lạnh 3 nước kĩ thuật có nhiệt độ từ 20-25 0C được đưa vào phần trên đệm khung gỗ của máy làm lạnh khi đi qua máy làm lạnh khí có nhiệt độ từ 25-30 0C sau đó tiếp tục được đưa vào tháp Benzene 8

Khi làm lạnh khí cốc trong máy làm lạnh cuối cùng, sẽ tách ra một lượng đáng

kể naphtalen có ở trong khí cốc dưới dạng huyền phù đi ra khỏi máy làm lạnh cùng với nước kĩ thuật sang thùng lắng cơ học 2 để tách naphtalen

Nước kĩ thuật từ thùng lắng cơ học 2 tự chảy về giàn làm lạnh 3 Nước kĩ thuật làm lạnh từ dưới thùng chứa giàn làm lạnh được bơm li tâm 4 đưa quay về tháp làm lạnh cuối cùng

1.2 Cấu trúc của máy làm lạnh lần cuối.

Bản vẽ (trang sau)

Máy làm lạnh khí lần cuối dùng để làm lạnh sau thùng bão hòa sunfat amon, nó

là tháp hình trụ bằng thép, đường kính 4 - 4,5 m chiều cao chưng 35 m Phần khí của máy làm lạnh cuối được nâng cao 8 – 10 m nhằm đảm bảo sự tự chảy của nước

mm, chiều cao tổng cộng của hình trụ và nón là 3500 mm Dung tích của máy lắng naphtalen bằng 2500 m3, trọng lượng bằng 37 tấn.

Chu vi của thân máy 1, có một máng hình tròn 2 Trên máng 2 có một vành ngăn 3, qua đó nước kĩ thuật lắng naphtalen được đưa vào đó và đi ra ở 12 Bao nhiêu naphtalen được dao gạt 6 gạt vào ống xoắn 8, một năm hai lần nước kĩ thuật thoát ra

Naphtalen tích dưới đáy, nhờ vào ống ruột gà 14, có hơi nước làm nóng chảy, thoát ra ngoài ra cửa 13 Động cơ điện 9 và bộ chuyển động 10 tạo chuyển động quay vòng

Ưu điểm của máy này là tách naphtalen từ nước kĩ thuật tốt hơn, chi phi thao tác không lớn

2 Sơ đồ công nghệ điển hình thu hồi benzene thô từ khí cốc.

Sơ đồ công nghệ điển hình thu hồi benzene thô từ khí cốc khác với những sơ

đồ đã dùng trước đây bởi một loạt những cải tiến hoàn thiện làm tăng mạnh chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật sản xuất Benzene thô Sự biến đổi đó như sau:

Sử dụng dầu than đá thu hồi Benzene thô

Tái sinh dầu than đá người ta dùng máy tái sinh bằng hơi có khả năng làm tăng liên tục chất lượng dầu hấp thụ

Nhằm để chế biến hợp lí benzene tho thành sản phẩm tinh khiết,người ta dùng

sơ đồ công nghệ mới để tách hai loại benzene nhẹ và nặng Để đạt được mục đích

đó người ta đặt thêm vào sơ đồ một tháp chưng cất phân đoạn

2.1 Mô tả sơ đồ công nghệ.

Thu hồi benzene thô từ khí cốc được mô tả ở hình trang bên

Khí cốc được làm lạnh trong máy làm lạnh cuối cùng đến 25 – 300C được đưa vào những tháp thu hồi Benzene lần lượt đi từ tháp này sang tháp khác, sau đó khí cốc đã khử hết Benzene theo đường ống đến nơi tiêu thụ khác hoặc lò cốc

Dầu hấp thụ đi qua những tháp đệm theo nguyên tắc ngược chiều với dòng khí Dầu hấp thụ đã khử hết Benzene có nhiệt độ 27 – 300C được bơm ly tâm số 6 đưa lên phần trên của tháp đệm, cuối cùng theo chiều của dòng khí chạy qua đệm gặp

dòng khí, sau đó qua van thủy lực Và từ đây được bơm vào tháp Benzene tiếp theo.

Dầu đã bão hòa Benzene (đi đến tháp cuối) từ tháp đầu tiên theo dòng chảy của khí bằng bơm ly tâm đưa vào máy để chưng cất Benzene Để tránh nước ngưng tụ vào trong dầu hấp thụ trong tháp đặc biệt là mùa đông Do việc ngưng tụ hơi nước

từ khí cốc cần thiết phải giữ cho nhiệt độ dầu trong tháp cao hơn 2 – 30C

Hàm lượng Benzene trong khí cốc sau tháp thu hồi Benzene không vượt quá 2 g/m3 tiêu chuẩn khí, dầu đi ra từ tháp có chứa 1,5 – 2,5 % hydro carbon benzene và trong dầu đi vào tháp chứa 0.2 – 0.4 % benzene

2.2 Tháp thu hồi benzene thô.

Cấu tạo của tháp và đặc trưng của đệm:

Để thu hồi benzene thô từ khí cốc, phần lớn nhà máy dùng tháp đệm là những tháp hình trụ bằng thép, đường kính 6 m, cao 42 m (có 4 tháp như vậy), để đảm bảo sự tiếp xúc của khí cốc và dầu hấp thụ được tốt tháp chất đầy đệm khung gỗ dày 10 – 12 mm, cao 100 – 120 mm nó được ghép lại với nhau nhờ những bulông bằng thép

Khoảng cách giữa các thanh đệm là 15 – 20 mm những thanh đệm đó xếp lại thành một vòng đệm có đường kính 50 mm nhỏ hơn đường kính tháp, các đệm xếp lại với nhau tạo thành từng khoang trong tháp, mỗi khoang gồm 20 – 24 vòng Các khoang đệm được giữ bởi những thanh tựa hai đầu lên những thanh thép góc Nó gắn chặt lên thành bên trong thân tháp, được mô tả ở hình (xem trang sau)

Thân tháp được cấu tạo từ những tấm thép CT3 và hàn điện với nhau, đáy tháp

có hình nón để khắc phục những chất lắng đọng Để giảm chiều cao của tháp và chi phí năng lượng điện khi đưa vào tháp gần đây người ta thay đệm khung gỗ bằng đệm kim loại Đó là những dây xoắn kim loại có đường kính 19 mm, bước xoắn 25 mm, chiều dày 0.25 mm, bề mặt một tháp đệm thép là 130 m2 Trong khi

đó bề mặt một tháp đệm khung gỗ chỉ có 50 m2

Những đệm xoắn kim loại trong tháp xếp thành từng khoang đệm kim loại, mỗi khoang cao 3 m Trong quá trình xếp đặt do trọng lượng thân đệm sẽ nén lại làm giảm thể tích của nó đi 10 – 15%

Đệm xoắn kim loại được đặt trên một lưới đỡ, lưới đỗ đặt trên thanh đỡ, thanh

đỡ đặt trên một cái vành bằng sắt góc được hàn chặt bằng điện vào thành trong của tháp Thực tế chỉ ra rằng khi sử dụng tháp đệm kim loại cần những điều kiện sau:

• Khí cốc phải sạch hết nhựa naphtalen

• Dầu than đá hấp thụ đã được tái sinh cần phải chứa lượng naphtalen và các hỗn hợp khác nhỏ nhất

Nếu không đảm bảo điều kiện như vậy thì đệm kim loại sẽ bị tắc trong quá trình hoạt động và gây khó khăn trong quá trình thu hồi Benzene Mặc dù có một loạt ưu điểm như vậy nhưng việc thay thế đệm gỗ bằng đệm kim loại vẫn chưa được phổ biến

Chương III: Tính toán thiết bị chính.

1 Tính toán máy làm lạnh khí cốc lần cuối.

Dựa vào máy cân bằng vật chất của khí cốc ở nhiệt độ 60 0C và áp suất là 860 mmHg nhiệt độ điểm sương cũa khí cốc là 450C

Lượng khí vào máy lạnh theo bảng sau:

Lượng khí ra khỏi máy lạnh theo bảng sau:

1.1 Tính toán nhiệt độ mang vào.

Nhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:

Q1 = 2521000 kcal/h

Nhiệt mang vào bởi nước làm lạnh ở 250 C là:

Lượng tiêu hao nước.

Nhiệt ra bởi nước làm lạnh và nước ngưng tụ ở 400C