Tính toán thiết bị hấp thụ benzen thô từ khí cốc bằng dầu than đá

LỜI CẢM ƠNĐược sự quan tâm và sự phân công của Khoa Hóa học và Công nghệ thựcphẩm, nhóm sinh viên chúng em có cơ hội tìm hiểu và thiết kế đồ án công nghệ “Tính toán thiết bị hấp thụ benz

Trang

LỜI CẢM ƠN

Được sự quan tâm và sự phân công của Khoa Hóa học và Công nghệ thựcphẩm, nhóm sinh viên chúng em có cơ hội tìm hiểu và thiết kế đồ án công nghệ

“Tính toán thiết bị hấp thụ benzen thô từ khí cốc bằng dầu than đá”.Qua đó, nhóm

chúng em đã được vận dụng các kiến thức chuyên ngành mà các thầy cô truyền đạt

ở trên lớp, áp dụng vào đồ án chuyên ngành Bên cạnh đó, nhóm chúng em cònnâng cao kỹ năng sử dụng thành thạo trong việc thiết kế dây chuyền công nghệ với

sự hỗ trợ của phần mềm Autocad, hiện nay đang rất cần thiết đối với các kỹ sư

Đặc biệt, xin được gửi lời cám ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Thông, người

đã luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ nhóm chúng em trong thời gian làm đồ án để

có thể hoàn thành tốt đồ án chuyên ngành này

Xin được gửi lời cám ơn đến tất cả các thầy cô trong khoa Hóa học và Côngnghệ thực phẩm, đã hỗ trợ cho nhóm sinh viên chúng em những kiến thức bổ trợ,tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu đồ án này Xin chân thành cảm ơn!

i

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp, nguồn cung cấp benzene, toluene, xylen (BTX) chủ yếu

là sản phẩm của quá trình reforming xúc tác Naptha, Cracking xúc tác Một quátrình mới khác cũng được xem như một nguồn cung cấp BTX quan trọng, đó là quátrình Cyclar Nguyên liệu của quá trình này là khí dầu mỏ hóa lỏng (chứa chủ yếuC3 và C4) Xúc tác của quá trình là dạng zeolite có khả năng xúc tiến phản ứngdehydro hóa nguyên liệu, polyme hóa sản phẩm mới hình thành để tạo nên cácoligomer không no, và tiếp tục dehydro vòng hóa các oligomer này tạo thành cáchydrocacbon thơm Hiệu suất Benzen từ quá trình Cycler thường lớn hơn các quátrình reforming xúc tác

Tuy nhiên người ta cho rằng, trong tương lai không xa, khi nguồn dầu mỏcạn kiệt, người tiêu dùng sẽ quay sang những nguồn cung cấp mới, khi đó, nguồnnguyên liệu hóa thạch phi truyền thống sẽ là một giải pháp đầy tiềm năng

Ngày nay, sản lượng BTX được tiêu thụ trên thế giới được sản xuất từ than

đá ngày càng tăng Trong quá trình cốc hóa than, không những thu được than cốccung cấp cho nhu cầu luyện kim, thu được các sản phẩm hóa học như: phenol,naphtalen, … mà còn thu được nguồn khí cốc chứa: benzene, toluene, xylen (BTX),

NH3, khí than sạch,…có giá trị kinh tế cao

Trong giai đoạn Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa, ngành luyện kim đã, đang

và sẽ đóng vai trò ngày càng then chốt và phát triển mạnh mẽ qua các giai đoạntrong những năm tiếp theo Do đó, nguồn khí cốc thu được là hết sức dồi dào, tạođiều kiện thuận lợi để cho ngành công nghiệp sản xuất BTX từ khí cốc phát triển vàngày càng cải tiến công nghệ công nghệ, thu được năng suất cao

Trong đồ án này, nhóm chúng em xin được nghiên cứu về quy trình côngnghệ sản xuất BTX từ khí cốc và thiết kế thiết bị hấp thụ Benzen thô (BTX) bằngdầu than đá trong tháp hấp thụ kiểu đệm nhằm cho năng suất và giá trị kinh tế cao

ii

ii

Ý NGHĨA KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA ĐỒ ÁN

Các quy trình công nghệ thu hồi Benzene từ khí cốc đóng vai trò to lớn trongviệc phát triển nền kinh tế, đang ngày càng được nghiên cứu sâu và tối ưu hóa cácthiết bị trong quá trình sản xuất Đất nước ta có nền kinh tế công nghiệp ngày càngphát triển mạnh và ngày càng có nhiều ngành công nghiệp khác đang định hình vàphát triển, đòi hỏi có những dây chuyền công nghệ và những phương pháp xử lýchế biến mang tính khoa học kỹ thuật và hiện đại, sao cho mang lại hiệu quả caonhất tiết kiệm nhất Hiện nay, khi nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, hơn nữa, phầnlớn các nguồn dầu mỏ lại tập trung ở một số ít vùng bất ổn định trên thế giới,những lo ngại này đang tác động lên giá dầu thế giới Do đó, ngoài việc tìm tòi,khai thác những nguồn năng lượng trong tự nhiên và tạo ra nguồn nguyên liệu thaythế 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 từ khí cốc ( sản phẩm từ quá trình cốchóa, cung cấp than cốc cho ngành luyện kim) hầu như đã trở nên rất quan trọng Nógóp phần tạo ra những sản phẩm có chất lượng và có giá trị cho nền kinh tế nướcnhà Góp phần đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước và tiến lên để trởthành 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 dụngnhất đối với các nước đang phát triển như nước ta

iii

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nguyên liệu

1.1.1 Khí cốc

Khí cốc là khí ngưng thu được từ các lò luyện cốc than đá, là hỗn hợp phứctạp các chất khí và chất bay hơi (nước ngưng, ammoniac, nhựa than đá, cáchidrocacbon, benzen)

Khí cốc có thành phần gồm 25% thể tích là Metan (CH4), 60% là thể tíchHydro (H2), phần còn lại là các khí như CO,CO2, NH3, N2, hơi Benzen, toluene,xylen…

Khí cốc sau khi tách khỏi nhựa than đá, benzen thô và nước có nhiệt cháycao, khoảng 4000 kcal/m3

1.1.2 Dầu than đá

Để thu hồi benzene thô, ta hấp thụ chúng bằng các dầu than đá, được hấp thụ

ở 20-250C trong các thiết bị truyền khối Các chất hấp thụ thường là dầu than đá(phân đoạn chưng cất nhựa than đá sôi ở 230-3000C) hoặc là dầu thô ( phân đoạnsôi ở 300-3500C)

1.2 Sản phẩm Benzen thô (BTX)

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

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

• Sunfocacbon và các hợp chất cacbon dễ sôi: 1.6 – 3.4

• Benzen: 59.5 – 78.3

• Đồng đẳng của Benzen: 12 – 21

• Xolven( hỗn hợp metylbenzen, etylbenzen, ): 1.6 – 3.4

Muốn tách các cấu tử riêng biệt của bezen thô phải dựa vào nhiệt độ sôi khácnhau của chúng là dùng phương pháp chưng cất

Bảng 1: Một số thông số tính chất kỹ thuật đặc trưng của BTX

Thông số Đơn vị Benze

n

Toluen o- Xylen m-Xylen p-Xylen

Khối lượng phân

1,47,1

1,36,8

1,16,4

1,16,4

1,16,6Nhiệt độ chớp

• Ứng dụng quan trọng nhất của Toluen là nâng cấp chất lượng xăng nhờkhả năng là tăng chỉ số octan của nó Trong công nghiệp hóa chất, 54%tổng sản lượng toluene của thế giới được sử dụng để chuyển hóa thànhbenzene, khoảng 16% được dùng làm dung môi Các ứng dụng khác củatoluene là sản xuất caprolactam, phenol, phụ gia cho xăng,…

• Với các xylen, con đường tiêu thụ lớn nhất đó là làm chất cải thiện chỉ sốoctan của xăng Các ứng dụng trong công nghiệp hóa chất của các đồngphân xylen chủ yếu là sản xuất nhựa, sợi Trong số các đồng phân, p-

xylen là loại quan trọng nhất được sử dụng trong công nghiệp sản xuấtterephtalic và dimethyl terephtalat, các nguyên liệu đầu cho sản xuất sợi

và màng polyester Với o-xylen, hầu như toàn bộ đồng phân này đượcứng dụng trong sản xuất anhydrite phtalic, nguyên liệu cho tổng hợp chấtdẻo, nhựa alkyt và nhựa polyester m- xylen là đồng phân ít quan trọngnhất và chỉ những lượng nhỏ được sử dụng cho sản xuất axit isophtalic,ứng dụng trong sản xuất chất dẻo

• Hấp thụ vật lý: về thực chất chỉ là sự hòa tan các chất bị hấp thụ vào trongdung môi hấp thụ, chất khí hòa tan không tạo ra hợp chất hóa học với dungmôi, nó chỉ thay đổi trạng thái vật lý từ thể khí biến thành dung dịch lỏng(quá trình hòa tan đơn thuần của chất khí trong chất lỏng)

• Hấp thụ hóa học: trong quá trình này chất bị hấp thụ sẽ tham gia vào một sốphản ứng hóa học với dung môi hấp thụ Chất khí độc hại sẽ biến đổi về bảnchất hóa học và trở thành chất khác

• Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dungmôi và các chất ô nhiễm trong khí thải Như vậy để hấp thụ được một số chấtnào đó ta phải dựa vào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong dung môi đểchọn lọc dung môi cho thích hợp hoặc chọn dung dịch thích hợp (trong

trường hợp hấp thụ hóa học) Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấuphần lớn là do tính chất dung môi quyết định.

1.3.2 Cơ sở thiết bị

1.3.2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rấtnhiều quá trình khác Hấp thụ trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghĩa là phânchia hai pha Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trongpha khí

1.3.2.2 Phương trình cân bằng vật chất của quá trình hấp thụ

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

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

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

Qo: 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)

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ

1.3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽtăng Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếucác đường làm việc không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đĩa lý thuyêt sẽtăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làm việc được

vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi làlàm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng

1.3.3.2 Ảnh hưởng của áp suất

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ sốcân 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 trìnhchuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấphơn

Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác, sựtăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vân hành của tháp hấp thụ

1.3.3.3 Các yếu tố khác

Tính chất của dung môi , loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác củadụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu.1.3.4 Ưu - Nhược điểm của quá trình hấp thụ

+ Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khíthải có chứa cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả nănghòa tan tốt trong nước rửa.

• Nhược điểm

+ Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm sạch giảm khi nhiệt độ dòngkhí cao nên không thể dùng xử lí các dòng khí thải có nhiệt độ cao,quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng vàvận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lí khí thải nhiều trường hợp taphải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làmnguội thiết bị, tăng hiệu quả của quá trình xử lí Như vậy, thiết bị sẽtrở nên cồng kềnh, vận hành phức tạp

+ Khi làm việc, hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi ta khống chế, điềuchỉnh mật độ tưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải

có hàm lượng bụi lớn

+ Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khi chất khí cần xử

lí không có khả năng hòa tan trong nước Lựa chọn dung môi hữu cơ

sẽ nảy sinh vấn đề: các dung môi này có độc hại cho người sử dụng vàmôi trường hay không? Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toánhóc búa mang tính kinh tế và kĩ thuật, giá thành dung môi quyết địnhlớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý

+ Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp ) khi xử dụng dungmôi đắt tiền Chất thải gây ô nhiễm nguồn nước hệ thống càng trở nêncồng kềnh phức tạp

1.3.5 Thiết bị hấp thụ

 Tháp đệm

• Cấu tạo gồm: Thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu

khác nhau ( gỗ nhựa, kim loại, gôm, …) với những hình dạng khá

nhau ( trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo …) , lưới đỡ đệm, ống dẫn khí vàlỏng ra vào.

• Để phân phối đều chất lỏng lên khối đệm chứa trong tháp , người tadùng bộ phận phân phối dạng : lưới phân phối ( lỏng đi trong ống –khí ngoài ống ; lỏng và khí trong cùng ống ); màng phân phối , vòiphun 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 dường kính d, chiều cao h , bềdày δ khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước : bề mặt riêng a ,thể tích tự do, đường kính tương đương , tiết diện tự do S

• Khi chọn đệm cần lưu ý : thấm ướt tốt chất lỏng ; trở lực nhỏ , thể tích

tự do và tiết diện ngang lớn ; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng

và khí , khối lượng riêng nhỏ ; phân phối đều chất lỏng ; có tính chịu

ăn mòn cao; rẻ tiền; dễ kiếm…

Nguyên lý hoạt động: Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng máng

nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm

Ưu – nhược điểm - ứng dụng

• Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độmàng/quá độ) nhỏ

Nhược: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó táchnhiệt, khó thấm ướt.

Ứng dụng

• Dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, thápchưng cất,

• Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không, )

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Thuyết minh sơ đồ công nghệ.

Khí cốc sau khi đi ra từ thùng bão hòa ở nhiệt độ cao, trước khi được hấp thụ

để tách benzene thô, phải được làm nguội trong tháp làm nguội (XVI) Tại đây, khícốc được đưa từ dưới lên và tiếp xúc ngược chiều với dòng nước lạnh đi từ trênxuống, làm tăng khả năng tiếp xúc giữa hai pha Khí cốc sau khi được làm nguội sẽđược được đưa vào tháp hấp thụ ( XV) bằng dầu than đá, phần nước làm nguội sẽđược đưa ra khỏi tháp làm nguội Trong quá trình làm nguội khí cốc, một phần hơinapthalen sẽ bị ngưng tụ và đi ra cùng với nước làm mát, xuống thùng chứa Tạiđây, napthalen được tách ra, đưa vào bồn chứa riêng và được bơm vào Xitec Phầnnước làm mát sau khi được tách napthalen, sẽ được đưa vào tháp giải nhiệt ( XIII)

và bơm tuần hoàn trở lại tháp làm nguội khí cốc

Tháp hấp thụ hoạt động trong khoảng 300C, tại đây xảy ra quá trình truyềnkhối Khí cốc sẽ được đi lên từ đáy tháp và tiếp xúc với dầu than đá được đi từ trênđỉnh tháp xuống, các khí benzene thô (BTX) được hấp thụ trong dầu than đá, cáckhí còn lại sẽ được đưa ra từ đỉnh tháp theo đường ống 27

Dầu hấp thụ bão hòa benzen đi ra từ đáy tháp hấp thụ sẽ được bơm đến thiết

bị hồi lưu (I) Thiết bị hồi lưu được cấu tạo gồm các thiết bị tra đổi nhiệt ống chùm,tao đổi nhiệt lượng của dầu bão hòa với hơi benzene, nhằm tách hơi benzene khỏidầu và nước Dầu bão hòa được đi trong khoảng không gian của các ống , khi đó sẽđược đun nóng nhờ nhiệt vật lí của hơi ngưng tụ của dầu và nước từ 30 – 700C

Từ máy hồi lưu, dầu bão hòa đã được đun nóng theo đường ống 2 đưa vàocác máy trao đổi nhiệt ống chùm (II) để tận dụng nhiệt của phần dầu hấp thụ đãkhử benzen đi ra khỏi tháp chưng cất Ở đây dầu bão hòa được gia nhiệt đến 900C

Từ máy trao đổi nhiệt dầu bão hòa sẽ đưa vào máy gia nhiệt (III), tại đây nóđược đun nóng đến 1350C nhờ nhiệt ngưng tụ của hơi đi ở khoảng không gian giữacác ống Hơi hydrocacbon benzen, dầu và nước thoát ra ở trong máy gia nhiệt, với

Chương 2: Quy trình công nghệ

số lượng là 20 – 30% so với hàm lượng chung của nó trong dầu hấp thụ, theođường ống 3 mà đi lên phần trên của tháp.

Từ máy gia nhiệt (III) dầu đã được đun nóng, sẽ đưa vào phần luyện củatháp chưng cất benzen (IV) Tháp chưng cất là dạng tháp đĩa, dầu bão hòa chảytrong các đĩa từ trên xuống và dòng hơi đi ngược lại, sẽ thổi hydrocacbon benzene

ra khỏi dầu và cuốn nó lên phần trên của tháp

Theo đường ống 4 dầu hấp thụ từ tháp benzen với số lượng từ 1 – 1,5% liêntục được lấy ra đưa vào máy tái sinh bằng hơi (V) Đây là thiết bị hình trụ đứng, ởphần dưới của máy, người ta đặt một máy gia nhiệt bằng hơi nằm ngang, có bề mặtnung nóng tổng cộng 36-50 m2 Hơi nước trực tiếp liên tục được đưa vào, đi quadầu cần tái sinh Ngoài hơi nước trực tiếp đưa vào máy tái sinh còn đưa thêm hơinước gián tiếp, áp suất 10 atm được đưa vào máy gia nhiệt 6, sao cho nhiệt độ gianhiệt của dầu hấp thụ đem tái sinh đạt khoảng 170 – 1800C

Khi đưa hơi trực tiếp vào máy tái sinh sẽ bốc hơi khoảng 80 – 90% lượngdầu Hỗn hợp hơi nước và dầu sẽ đi theo ống 7 vào tháp benzen ở phần chưng Mộtphần hơi có thể vào tháp benzen qua ống dẫn hơi 8 cần thiết để điều chỉnh tốc độchưng của benzen khỏi dầu ở trong tháp

Polyme ở trong máy tái sinh (nhựa) hỗn hợp với một ít dầu và ăngtraxen kể

cả hydrocacbon vòng cao phân tử khác theo ống 9 đưa ra khỏi máy tái sinh bằnghơi một cách liên tục hoặc gián đoạn

Hơi hydrocacbon benzen hỗn hợp với hơi nước từ phần hồi lưu phía trên củatháp benzen theo đường ống 10 đi vào thiết bị hồi lưu (I) Tại đây, hơi benzene sẽđược được ngưng tụ phân đoạn đi từ dưới lên phía trên vào khoảng không gian giữacác ống của các ngăn ống chùm trong thiết bị hồi lưu Trong ngăn ống chùm trêncùng của thiết bị hồi lưu, hơi được làm lạnh bằng nước kỹ thuật đưa vào bằng ống

11 Nước ngưn từ máy hồi lưu là hỗn hợp của dầu và nước đưa vào máy phân ly đặtdưới máy hồi lưu Trong máy phân ly sẽ phân ly thành 2 lớp theo khối lượng riêng.Dầu sau khi lắng sẽ đưa ra khỏi máy phân ly theo ống 19, một lần nữa sẽ đưa vào

Chương 2: Quy trình công nghệ

chu trình để tái sử dụng cùng với dầu hấp thụ sau tháp, còn nước sẽ theo ống 18đưa sang thùng chứa khác.

Nhiệt độ của hơi hydrocacbon benzen đi ra từ thiết bị hồi lưu được khốngchế bằng cách điều chỉnh lượng nước kỹ thuật ở ngăn trên của thiết bị hồi lưu

Từ thiết bị hồi lưu hỗn hợp của hydrocacbon benzen và nước ở nhiệt độ 92 –

950C theo đường ống 12 đi vào tháp ngưng tụ (VI), tại đây diễn ra quá trình làmlạnh hơi benzen thô, dầu và nước, nhiệt độ tỏa ra được nước kỹ thuật lấy đi

Tách benzen ra khỏi nước ngưng tụ tiến hành ở trong thùng phân ly ở dướithiết bị hồi lưu Nước ngưng tụ từ đây liên tục được đưa đi theo đường ống 15 Cònbenzen thô theo đường ống 16 đưa vào các thùng đong, từ đó được bơm đưa vàokho Khí không ngưng tụ theo đường ống 17 thải ra ngoài môi trường

Dầu than đá sau khi được nhả hấp thụ hơi benzene thô từ tháp chưng cất (IV)

đi qua van thủy lực đưa vào máy gia nhiệt 2, tại đây nó được làm lạnh bằng dòngdầu bão hòa đi ngược lại từ thiết bị hồi lưu và đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt cónhiệt độ từ 18 – 1150C (tùy theo sơ đồ trao đổi nhiệt mà ta sử dụng) Sau đó dầuhấp thụ đi qua thùng chứa VIII, tại đây nó sẽ tách nước ra khỏi thùng hấp thụ Từthùng chứa (VIII), dầu hấp thụ nhờ bơm ly tâm (IV) đưa vào thiết bị làm lạnh kiểutưới (X) để làm lạnh dầu đến 300C Dầu hấp thụ sẽ được đưa vào các ống ở phíadưới của thiết bị rồi đi theo ống chùm đi lên và làm lạnh bằng nước kỹ thuật ở bênngoài ống Theo đường ống 20 dầu hấp thụ đã được làm lạnh được đưa vào tháp đểthu hồi benzen thô từ khí cốc

2.2 Sơ đồ công nghệ.

Hình 1: Sơ đồ công nghệ thu benzen thô từ khí cốc ( xem bản vẽ )

Chương 2: Quy trình công nghệ

Trong sơ đồ này các dòng, thiết bị được kí hiệu như sau:

Các thiêt bị:

Ký hiệu Tên thiết bị

I Trao trao đổi nhiệt

II Thiết bị làm nguội

III Gia nhiệt bằng hơi nước

IV Tháp chưng cất dầu than đá bão hòa benzen thô

XII Thiết bị tách napthalen

XIII Thiết bị giải nhiệt

XIV Tháp làm nguội khí cốc

XV Tháp hấp thụ benzene thô

Các dòng:

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

3.1 Thiết bị làm lạnh.

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

3.1.1. Tính toán nhiệt độ mang vào

Nhiệt mang vào bởi khí cốc khô

q1 = 19200.0,7.60 = 806400 kcal/hNhiệt mang vào bởi hơi nước

q2 = 1900.(595+0,438.60) = 1180432 kcal/hNhiệt mang vào bởi Hydrocacbon

q3 = 1220.0,246.60 = 18007 kcal/h

Nhiệt mang vào bởi H2S

q4 = 590.0,238.60 = 8425 kcal/hNhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:

Q1 = 2013264 kcal/hNhiệt mang vào bởi nước làm lạnh ở 250 C là:

Q2 = 25 W

Tổng nhiệt vào là:

Qv = 2013264 + 25 W

3.1.2. Tính toán nhiệt mang ra, lượng tiêu hao nước và cân bằng vật chất

Tổng nhiệt mang ra bởi khí cốc.

Lượng tiêu hao nước.

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

Q4 = 40 (W+1805) kcal/h

Tổng nhiệt tiêu hao là:

Qpacx = 1024000+40 W

Cân bằng vật chất.

Cân bằng nhiệt vào ra ta tính được tiêu hao nước là:

3.1.3. Tính kích thước của tháp làm lạnh của đệm

Tốc độ khí qua đệm là 1 m/s (vk=1 m/s)

Khi đó tiết diện tưới cần thiết của đệm là:

Thừa nhận đệm khung gỗ có bề dày a = 10 mm, khoảng cách b = 100 mm,

chiều cao (c) của thanh là 100 mm.

Tiết diện chung:

Đường kính của thiết bị làm lạnh là:

Vậy tiết diện đệm chiếm:

Đường kính tương đương của đệm:

de =2.b= 2.0,1 =0,2 (m)

Khối lượng riêng trung bình của khí:

Độ nhớt ( µ) của khí cốc ở nhiệt độ trung bình và hàm ẩm trung bình bằng0,0134

Khi đó:

Khi khối lượng riêng trung bình của khí (ρk) là 0,7 kcal/kg.h và hệ số dẫn nhiệt

là :

λ = 0,11 (kgcal/m.h 0 C)

Vì rằng lượng nước đưa vào làm lạnh 73,3m3/h nên mật độ tưới:

Với mật độ tưới như vậy thì đại lượng mật độ tưới C= 0,193 khi đó chuẩn số Ki

Bề mặt nhiệt cần thiết là:

Vì bề mặt 1 vòng đệm là 23 m 2 nên số vòng đệm là:

N =Đặt chúng trong 10 khoang có 13 vòng Chiều cao tổng của tháp có chứa đệmlà:

Ht = 10.13.0,12 + 5.0,5 = 18 m

0,12: chiều cao thanh đỡ

0,5: khoảng cách giữa các ngăn

Khoảng cách từ đệm trên cùng đến nắp là 3 m khoảng cách từ đáy tới đệm là

3m vậy tổng cộng của tháp là 24 m nếu không kể chân đế.

Cấu tạo của tháp là hình trụ bên trong có gắn các thanh đỡ để đặt các vòng đệmlên trên nó

3.2 Tính toán tháp hấp thụ thu hồi benzene.

Nhiệt độ khí vào là 270C, áp suất là 855 mmHg.

Mất mát Hydrobenzen theo khí đi ra là 2 g/ m 3 khí khô

Hàm lượng trong khí cốc khô đi vào là:

Mức độ thu hồi hydrobenzene là:

α2: hàm lượng hydrobenzen trong khí đi ra g/m3

P2: áp suất của khí ra khỏi tháp (mmHg)

Mht: khối lượng phân tử của dầu hấp thụ

Ph: áp suất hơi của hydrobenzen ở dầu đưa vào

Áp suất khi ra khỏi tháp thừa nhận là 825 mmHg.

Dầu hấp thụ là dầu than đá có khối lượng phân tử Mtd =170

Xác định áp suất hơi của hydrobenzen trên dầu thừa nhận thành phần như sau:Benzene: 73%, Toluene: 21%, Xylen: 4%, Xolven: 2%

Áp suất hơi của những cấu tử đó ở 300C.

Benzene……… 118,4

Toluene………39,5

Xylen………23,5

Solven……… 5

Khối lượng phân tử trung bình của benzen thô là:

Trong đó 78, 92, 106, 120 là các khối lượng phân tử của các cấu tử Benzene,Toluene, Xylen, Solven

Phần cấu tử ở trong trọng lượng phân tử trung bình của benzene thô như sau:Khối lượng của Benzene là:

Khối lượng của Toluen là:

Khối lượng của Xylen là:

Khối lượng của Solven là:

Khi đó áp suất hơi của hydrobenzen ở 270C là:

Ptp=mBpB+mTpT+mXpX+msps=0,775.118,4+0,175.39,5+0,033.23,5+0,017.5

Ptp = 99 mmHg

Hàm lượng cực đại của hydrobenzen đưa vào:

Hàm lượng thực tế C1< hàm lượng cân bằng (hàm lượng cực đại) tính bằng:

n: hệ số chuyển dịch cân bằng,từ 1,1-1,2 ta thừa nhận n =1,1

Lượng dầu tối thiểu đòi hỏi để hấp thụ:

PB: áp suất hơi của benzen nguyên chất (mmHg)

V: thể tích của khí cho vào m3/h (ở đktc không tính thể tích của hydrobenzen).: mức độ thu hồi thực tế của Hydrobenzen

η∞: Mức mức độ thu hồi hidro benzen thô từ khí cốc ở điều kiện cân bằng trênđỉnh tháp hoặc khi bề mặt hấp thụ vô cùng lớn

Mức độ hấp thụ khi bề mặt vô cùng lớn xác định theo:

Khi đó lượng dầu hấp thụ tối thiểu:

Hàm lượng cực đại:

Lượng dầu thực tế cần lớn hơn lượng dầu tối thiểu xác định theo phương trình:

Lượng benzene thô trong dầu đi vào:

Lượng benzene thô trong dầu đi ra:

Lượng benzene thô được dầu hấp thụ trong 1 h là: 1239 – 118=1121 kg

Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ:

3.2.2 Xác định bề mặt tưới.

Chọn tháp đệm khung gỗ có đặc trưng như sau:

Bề dày: a = 0.01m

Khoảng cách giữa hai đệm: b = 0,02 m

Chiều cao: c = 0.1 m

Tốc độ tới hạn của khí:

Độ nhớt của khí cốc ở 270C bằng 0,0127 centipoise

Khối lượng riêng của khí ra khỏi tháp:

Đường kính tương đương của đệm:

de=2b=0,04 mVậy tốc độ tới hạn của khí:

Tiết diện tưới của tháp đệm tính theo:

pr: áp suất riêng phần của hidro benzene trong khí tháp.

pbh1: áp suất hơi của hidro benzene trên dầu đưa vào

Khi đó: Δp 2=0,464 – 0,405 = 0,06 mmHg

Động lượng hấp thụ ở đáy tháp:

Δp1=pr1 – pbh2 pr1 là áp suất riêng phần của hidro benzene trong khí vào tháp

pbh2 là áp suất hơi của hidro benzene trên dầu hấp thụ đi ra

Hệ số tốc độ riêng phần qua màng khí xác định theo:

Trong đó:

Chuẩn số Pr:

Dr: Hệ số khuếch tán của hidro benzene trong khí cốc

Mr: khối lượng phân tử khí cốc, Mr=22,4.ϒr

ϒr: khối lượng riêng trung bình của khí kg/m3

Khối lượng riêng trung bình của khí lúc vào:

Khối lượng riêng của khí đi ra:

Khối lượng riêng trung bình của khí:

Khi đó :

Mr = 22,4.0,512 =11,47

Đưa hệ số khuếch tán về điều kiện thực tế theo:

Áp suất thì trung bình tháp P tb = 840 mmHg.

Độ nhớt động học của khí ở điều kiện trung bình

Vì khối lượng riêng trung bình của ϒr khí là:

U là chu vi chuyển dịch chất lỏng trong 1 vòng đệm, m.

ϒrp khối lượng riêng của chất hấp thụ, kg/m 3

Chu vi chuyển động trong một vòng đệm tính theo:

U= 2.l l: chiều dài của thanh trong vòng đệm.

Độ nhớt của dầu hấp thụ ở 300C là 16,5 centipoise chuyển sang độ nhớt độnghọc là:

Hoặc là:

Khi đó:

Chuẩn số Pr đối với dầu hấp thụ:

Drp: Hệ số khuếch tán của Hydrobenzene

Hệ số khuếch tán khuếch tán của chất lỏng tính theo:

T: Nhiệt độ chất hấp thụ = 3030F

ϒrp: khối lượng riêng chất hấp thụ = 1055 kg/m 3

vrp: độ nhớt động học, m 2 /h.

ϒc.δ: khối lượng riêng trung bình của hidro benzene = 880 kg/m 3

Mc.δ: khối lượng riêng trung bình là 83