thiết kế tháp thu hồi Benzene từ khí cốc

Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
Trang
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Thông 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
Công nghệ 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
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
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
quá trình mới khác cũng được xem như một nguồn cung cấp BTX quan trọng,
đó là quá trình Cyclar. Nguyên liệu của quá trình này là khí dầu mỏ hóa lỏng
(chứa chủ yếu C3 và C4). Xúc tác của quá trình là dạng zeolite có khả năng xúc
tiến phản ứng dehydro hóa nguyên liệu, polyme hóa sản phẩm mới hình thành
để tạo nên các oligomer không no, và tiếp tục dehydro vòng hóa các oligomer
này tạo thành các hydrocacbon thơm. Hiệu suất Benzen từ quá trình Cycler
thường lớn hơn các quá trình reforming xúc tác.
Tuy nhiên người ta cho rằng, trong tương lai không xa, khi nguồn dầu mỏ
cạn kiệt, người tiêu dùng sẽ quay sang những nguồn cung cấp mới, khi đó,
nguồn nguyên 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 cốc cung 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), NH
3
, 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
đoạn trong những năm tiếp theo. Do đó, nguồn khí cốc thu được là hết sức dồi
dào, tạo điều kiện thuận lợi để cho ngành công nghiệp sản xuất BTX từ khí cốc
phát triển và ngày 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 công
nghệ sản xuất BTX từ khí cốc và thiết kế thiết bị hấp thụ Benzen thô (BTX)
bằng dầu than đá trong tháp hấp thụ kiểu đệm nhằm cho năng suất và giá trị kinh
tế cao.
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 trong việc phát triển nền kinh tế, đang ngày càng được nghiên cứu sâu
và tối ưu hóa các thiết bị trong quá trình sản xuất. 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. Hiện nay, khi nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, hơn nữa,
phần lớn 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 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 từ khí cốc ( sản phẩm từ
quá trình cốc hóa, cung cấp than cốc cho ngành luyện kim) 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.
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
phức tạp các chất khí và chất bay hơi (nước ngưng, ammoniac, nhựa than đá, các
hidrocacbon, benzen).
Khí cốc có thành phần gồm 25% thể tích là Metan (CH
4
), 60% là thể tích
Hydro (H
2
), phần còn lại là các khí như CO,CO
2
, NH
3
, N
2
, hơi Benzen, toluene,
xylen…
Khí cốc sau khi tách khỏi nhựa than đá, benzen thô và nước có nhiệt cháy

cao, khoảng 4000 kcal/m
3
.
1.1.2. Dầu than đá
Để thu hồi benzene thô, ta hấp thụ chúng bằng các dầu than đá, được hấp
thụ ở 20-25
0
C 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
0
C) hoặc là dầu thô ( phân
đoạn sôi ở 300-350
0
C).
1.2. Sản phẩm Benzen thô (BTX)
Benzen thô là hợp chất phức tạp, phần lớn là bay hơi ở 180
0
C
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
khác nhau 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 Benzen Toluen o- Xylen m-Xylen p-Xylen
Khối lượng
phân tử
đvC 78,11 92,13 106,16 106,16 106,16

Tỷ trọng ở
20
0
C
0,879 0,867 0,876 0,86 0,857 0,867
Nhiệt độ nóng
0
C 5,53 -94,99 -25,2 -48 -13,3
Chương 1: Tổng quan Trang 7
chảy
Nhiệt độ sôi
0
C 80,1 110,6 144,4 139 138,4
Giới hạn nổ
trong không khí
Dưới
Trên
% thể
tích
1,4
7,1
1,3
6,8
1,1
6,4
1,1
6,4
1,1
6,6
Nhiệt độ chớp

cháy cốc kín
0
C -11
0
C 4,4 17,2 25 25
Tỷ trọng hơi
(không khí = 1)
2,77 3,14 3,7 3,7 3,7
Giới hạn tiếp
xúc (ppm; giờ)
5; 8 50; 8 100; 8 100; 8 100;8
Ứng dụng:
• Benzen được sử dụng chủ yếu cho quá trình alkyl hóa sản xuất
etulbenzen, nguyên liệu cho dehydro hóa để sản xuất styren. Bên cạnh
đó còn sản xuất phenol và aceton, tham gia phản ứng hydro hóa tổng
hợp xyclohexan, nguyên liệu quan trọng cho quá trình sản xuất axit
adipic, tổng hợp nitrobenzen, hợp chất trung gian cho quá trình sản
xuất anilin phục vụ công nghiệp nhuộm.
• Ứng dụng quan trọng nhất của Toluen là nâng cấp chất lượng xăng
nhờ khả 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
thành benzene, khoảng 16% được dùng làm dung môi. Các ứng dụng
khác của toluene 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
số octan của xăng. Các ứng dụng trong công nghiệp hóa chất của các
đồng phân 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 xuất terephtalic và dimethyl terephtalat, các nguyên liệu đầu cho
sản xuất sợi và màng polyester. Với o-xylen, hầu như toàn bộ đồng
phân này được ứng dụng trong sản xuất anhydrite phtalic, nguyên liệu

cho tổng hợp chất dẻo, nhựa alkyt và nhựa polyester. m- xylen là
đồng phân ít quan trọng nhất và chỉ những lượng nhỏ được sử dụng
cho sản xuất axit isophtalic, ứng dụng trong sản xuất chất dẻo.
Chương 1: Tổng quan Trang 8
1.3.Quá trình hấp thụ
1.3.1. Khái niệm
Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha
lỏng hoặc rắn do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng (rắn).
• Mục đích: hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một
dung dịch (hỗn hợp) các cấu tử trong chất lỏng (chất rắn). Các quá trình
xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng (rắn). Quá trình này cần sự
truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng (rắn). Nếu quá trình xảy ra ngược
lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng (rắn) vào pha hơi, ta có quá
trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau.
• Hấp thụ vật lý: về thực chất chỉ là sự hòa tan các chất bị hấp thụ vào
trong dung môi hấp thụ, chất khí hòa tan không tạo ra hợp chất hóa học với
dung môi, 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
số phản ứng hóa học với dung môi hấp thụ. Chất khí độc hại sẽ biến đổi về bản
chất hóa học và trở thành chất khác.
• Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của
dung môi và các chất ô nhiễm trong khí thải. Như vậy để hấp thụ được
một số chất nào đó ta phải dựa vào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong
dung môi để chọn 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 xấu phần 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 rất

nhiều quá trình khác. Hấp thụ trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa là phân
chia hai pha. Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ
trong pha khí.
1.3.2.2. Phương trình cân bằng vật chất của quá trình hấp thụ
Chương 1: Tổng quan Trang 9

)()(
VRtrRVtr
XXLYYGM −=−=
Trong đó:
M: lượng chất bị hấp thụ, kg/s
trtr
LG ,
: theo thứ tự là suất lượng cấu tử trơ trong pha khí và pha lỏng,
kg/s
V
Y
,
R
Y
: nồng độ của dung chất trong pha khí ở đáy và đỉnh của tháp
hấp thụ, kg/kg khí trơ.
V
X
,
R
X
: nồng độ của chất bị hấp thụ trong pha lỏng ở đáy và đỉnh
của tháp, kg/kg dung môi.
1.3.2.3. Phương trình cân bằng nhiệt lượng của quá trình hấp thụ

G
đ
I
đ
+

L
đ
C
đ
T
đ
+Q
s
= G
c
I
c
+L
c
C
c
T
c
+ Q
0
Trong đó:
G
đ
, G

c
: hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)
L
đ
, L
c
: lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
T
đ
, T
c
: nhiệt độ khí ban đầu và cuối (
0
C)
I
đ
, I
c
: entapi hỗn hợp khí đầu và cuối (kJ/kg)
Q
o
: nhiệt mất mát (kJ/h)
Q
s
: nhiệt phát sinh do hấp thụ khí (kJ/h)
C
đ
, C
c
: 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 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 lý thuyêt
sẽ tăng 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 là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng.
Chương 1: Tổng quan Trang 10
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
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 lý 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 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 của
dụng 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
 Ưu điểm
+ Rẻ tiền, nhất là khi sử dụng H
2
O làm dung môi hấp thụ các hợp chất khí,
có thể được xử lí rất tốt với phương pháp này với dung môi nước và các dung
môi thích hợp.
+ Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải có

chứa cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong
nước rửa.
• Nhược điểm
+ Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm sạch giảm khi nhiệt độ dòng khí
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 và vận hành hệ thống thiết
bị hấp thụ xử lí khí thải nhiều trường hợp ta phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi
nhiệt trong tháp hấp thụ để làm nguội thiết bị, tăng hiệu quả của quá trình xử lí.
Như vậy, thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh, vận hành phức tạp.
+ Khi làm việc, hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi ta khống chế, điều chỉnh
mật độ tưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụi
lớn.
Chương 1: Tổng quan Trang 11
+ 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 và môi trường hay
không? Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toán hóc búa mang tính kinh tế
và kĩ thuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả
xử lý.
+ Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi xử dụng dung môi đắt
tiền. Chất thải gây ô nhiễm nguồn nước hệ thống càng trở nên cồng 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
và lỏng ra vào.
• Để phân phối đều chất lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta
dùng bộ phận phân phối dạng: lưới phân phối lỏng.

• Các phần tử đệm được đặc trưng bằng dường kính d, chiều cao h,
bề dày 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
màng nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm.
Ưu điểm – Nhược điểm:
• Ưu: Cấu tạo đơn giản, trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ
màng/quá độ) nhỏ.
Chương 1: Tổng quan Trang 12
• Nhược: Hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp, dễ bị sặc, khó tách
nhiệt, khó thấm ướt.
Chương 1: Tổng quan Trang 13
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
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, khí cốc được đưa từ dưới lên và tiếp xúc ngược chiều với dòng nước lạnh đi
từ trên xuống, làm tăng khả năng tiếp xúc giữa hai pha. Khí cốc sau khi được
làm nguội sẽ được được đưa vào tháp hấp thụ ( XV) bằng dầu than đá, phần
nước làm nguội sẽ được đưa ra khỏi tháp làm nguội. Trong quá trình làm nguội
khí cốc, một phần hơi napthalen sẽ bị ngưng tụ và đi ra cùng với nước làm mát,
xuống thùng chứa. Tại đây, napthalen được tách ra, đưa vào bồn chứa riêng và
được bơm vào Xitec. Phần nước 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 30
0
C, tại đây xảy ra quá trình truyền
khối. Khí cốc sẽ được đi lên từ đáy tháp và tiếp xúc với dầu than đá được đi từ
trên đỉnh tháp xuống, các khí benzene thô (BTX) được hấp thụ trong dầu than
đá, các khí 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 khỏi dầu và nước. Dầu bão hòa được đi trong khoảng không gian của
các ống , khi đó sẽ được đun nóng nhờ nhiệt vật lí của hơi ngưng tụ của dầu và
nước từ 30 – 70
0
C.
Từ máy hồi lưu, dầu bão hòa đã được đun nóng theo đường ống 2 đưa vào
các máy trao đổi nhiệt ống chùm (II) để tận dụng nhiệt của phần dầu hấp thụ đã
khử benzen đi ra khỏi tháp chưng cất. Ở đây dầu bão hòa được gia nhiệt đến
90
0
C.
Chương 2: Quy trình công nghệ Trang 14
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
Từ máy trao đổi nhiệt dầu bão hòa sẽ đưa vào máy gia nhiệt (III), tại đây
nó được đun nóng đến 135
0
C nhờ nhiệt ngưng tụ của hơi đi ở khoảng không
gian giữa các ống. Hơi hydrocacbon benzen, dầu và nước thoát ra ở trong máy
gia nhiệt, với số lượng là 20 – 30% so với hàm lượng chung của nó trong dầu
hấp thụ, theo đường ống 3 mà đi lên phần trên của tháp.

Từ máy gia nhiệt (III) dầu đã được đun nóng, sẽ đưa vào phần luyện của
tháp chưng cất benzen (IV). Tháp chưng cất là dạng tháp đĩa, dầu bão hòa chảy
trong 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%
liên tục được lấy ra đưa vào máy tái sinh bằng hơi (V). Đây là thiết bị hình trụ
đứng, ở phần dưới của máy, người ta đặt một máy gia nhiệt bằng hơi nằm ngang,
có bề mặt nung nóng tổng cộng 36-50 m
2
. Hơi nước trực tiếp liên tục được đưa
vào, đi qua dầu cần tái sinh. Ngoài hơi nước trực tiếp đưa vào máy tái sinh còn
đưa thêm hơi nước gián tiếp, áp suất 10 atm được đưa vào máy gia nhiệt 6, sao
cho nhiệt độ gia nhiệt của dầu hấp thụ đem tái sinh đạt khoảng 170 – 180
0
C.
Khi đưa hơi trực tiếp vào máy tái sinh sẽ bốc hơi khoảng 80 – 90% lượng
dầu. Hỗn hợp hơi nước và dầu sẽ đi theo ống 7 vào tháp benzen ở phần chưng.
Một phần hơi có thể vào tháp benzen qua ống dẫn hơi 8 cần thiết để điều chỉnh
tốc độ chưng 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
bằng hơi một cách liên tục hoặc gián đoạn.
Hơi hydrocacbon benzen hỗn hợp với hơi nước từ phần hồi lưu phía trên
của tháp benzen theo đường ống 10 đi vào thiết bị hồi lưu (I). Tại đây, hơi
benzene sẽ được được ngưng tụ phân đoạn đi từ dưới lên phía trên vào khoảng
không gian giữa các ống của các ngăn ống chùm trong thiết bị hồi lưu. Trong
ngăn ống chùm trên cùng 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
Chương 2: Quy trình công nghệ Trang 15
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn

Thông
nước đưa vào máy phân ly đặt dưới 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 chu trình để tái sử dụng cùng với dầu hấp
thụ sau tháp, còn nước sẽ theo ống 18 đưa sang thùng chứa khác.
Nhiệt độ của hơi hydrocacbon benzen đi ra từ thiết bị hồi lưu được khống
chế 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 – 95
0
C theo đường ống 12 đi vào tháp ngưng tụ (VI), tại đây diễn ra quá trình
làm lạnh 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
dưới thiết bị hồi lưu. Nước ngưng tụ từ đây liên tục được đưa đi theo đường ống
15. Còn benzen thô theo đường ống 16 đưa vào các thùng đong, từ đó được bơm
đưa vào kho. 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 dòng
dầu bão hòa đi ngược lại từ thiết bị hồi lưu và đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt có
nhiệt độ từ 18 – 115
0
C (tùy theo sơ đồ trao đổi nhiệt mà ta sử dụng). Sau đó dầu
hấp thụ đi qua thùng chứa VIII, tại đây nó sẽ tách nước ra khỏi thùng hấp thụ.
Từ thùng chứa (VIII), dầu hấp thụ nhờ bơm ly tâm (IV) đưa vào thiết bị làm
lạnh kiểu tưới (X) để làm lạnh dầu đến 30
0
C. Dầu hấp thụ sẽ được đưa vào các
ống ở phía dưới của thiết bị rồi đi theo ống chùm đi lên và làm lạnh bằng nước
kỹ thuật ở bên ngoài ống. Theo đường ống 20 dầu hấp thụ đã được làm lạnh
được đưa vào tháp để thu 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)
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
Chương 2: Quy trình công nghệ Trang 16
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
V Máy tái sinh
VI Ngưng tụ làm lạnh
VII Thiết bị phân ly
VIII Bồn chứa
IX Bơm
X Thiết bị làm lạnh kiều tưới
XI Xitec
XII Thiết bị tách napthalen
XIII Thiết bị giải nhiệt
XIV Tháp làm nguội khí cốc
XV Tháp hấp thụ benzene thô
Các dòng:
Ký hiệu Tên dòng Ký hiệu Tên dòng
1,2,3 Dầu bão hòa 17 Khí thải
4 Dầu tái sinh 19 Nước lạnh
5,8 Hơi áp suất cao 21 Hơi nước
6,14,15,18,26 Nước 22 Napthalen nóng chảy
7,20 Dầu hấp thụ 23 Nước và Napthalen

9 Polyme 24 Khí cốc
10,12 Hơi BTX 25 Khí cốc làm nguội
13 Nước lạnh 26 Nước làm nguội khí cốc
16 BTX lỏng 27 Khí sau khi hấp thụ benzen thô
Chương 2: Quy trình công nghệ Trang 17
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
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
0
C và áp suất là
860 mmHg nhiệt độ điểm sương cũa khí cốc là 45
0
C.
Lượng khí vào máy lạnh theo bảng sau:
Lượng khí đi vào Kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 19200 40000
Hơi nước 1900 2379
Hydrocacbon benzene 1220 321
H
2
S 590 390
Tổng cộng 22910 43090
Nhiệt độ ra khỏi máy làm lạnh là 27
0
C
Lượng hơi nước ra khỏi thiết bị làm lạnh

2
H O KCK
p
V = V .
P-p
Trong đó:
p: áp suất của hơi nước ở 27
0
C
P: áp suất của khí ra khỏi tháp (P= 860mmHg)
Ta có: p = 0,0367.760 = 28,576 (mmHg)
2
H O
28,576
V = 4000.
860-28,576
(m
3
/h)
Lượng hơi nước ra khỏi thiết bị làm lạnh tính theo trọng lượng
2
H O
1235.18
G = 986
22,4
=
(kg/h)
Lượng nước ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh
V
nt

= V
V
– V
r
= 2379 – 1235 = 1144 (m
3
/h)
Tính theo trọng lượng:

2
H O
1144.18
G = 914
22,4
=
( kg/h)
Lượng khí ra khỏi máy lạnh theo bảng sau:
Lượng khí ra khỏi máy làm lạnh Kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 19200 40000
Hơi nước 986 1235
Hydrocacbon benzene 1220 321
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 18
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
H
2
S 590 390
Tổng cộng 21996 41946

3.1.1. Tính toán nhiệt lượng mang vào.
Nhiệt mang vào bởi hơi nước
2 2
1 H O H O
q = G .(r + C )
Trong đó:

2
H O
G
: khối lượng nước đưa vào, kg/h

r
: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 60
0
C, kcal/kg

2
H O
C
: nhiệt độ vào của hơi nước (t=60
0
C)

1
q
= 1900.(595+0,438.60) = 1180432 (kcal/h)
Ta có: q = G
i
.C

i
.t
Trong đó:
G
i
: khối lượng chất mang vào, kg/h
C
i
: nhiệt dung riêng của chất mang vào ở tại nhiệt độ 60
0
C, kcal/độ
t: nhiệt độ của chất đó,
0
C (t=60
0
C)
Nhiệt mang vào bởi khí cốc khô
q
2
= 19200.0,7.60 = 806400 (kcal/h)
Nhiệt mang vào bởi Hydrocacbon
q
3
= 1220.0,246.60 = 18007 kcal/h
Nhiệt mang vào bởi H
2
S
q
4
= 590.0,238.60 = 8425 (kcal/h)

Nhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:
Q
1
= q
1
+ q
2
+ q
3
+q
4
= 2013264 (kcal/h)
Nhiệt mang vào bởi nước làm lạnh ở 25
0
C
Gọi W là lượng nước lạnh mang vào, kg/h
Nhiệt độ của nước vào là 25
0
C
Ta có: Q
2
=
2
H O
W.C .t
Trong đó:
2
H O
C
= 1 kcal/kg.độ

Q
2
= 25W
Tổng lượng nhiệt vào là:
Q
v
= 2013264 + 25 W
3.1.2. Tính toán nhiệt lượng và cân bằng vật chất.
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 19
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
Tổng nhiệt mang ra bởi khí cốc.
Nhiệt ra bởi khí cốc ở 27
0
C.
Nhiệt ra bởi khí cốc khô là:
q
1
= 19200.0,7.27 = 362880 (kcal/h)
Nhiệt ra bởi hơi nước là:
q
2
= 986 (595+0,438.27) = 598330 (kcal/h)
Nhiệt ra bởi hydrocacbon benzene là:
q
3
= 1220.0,246.27 = 8103 (kcal/h)
Nhiệt ra bởi H
2
S là:

q
4
= 590.0,238.27 = 3791 (kcal/h)
Vậy tổng nhiệt mang ra bởi khí cốc là:
Q
3
= 973104 (kcal/h)
Nhiệt lượng do nước làm lạnh và nước ngưng tụ mang ra.
Ta có:
2
4 nt H O
Q = (W + G ).C .t
Trong đó:

nt
G
: lượng nước ngưng tụ

2
H O
C
: nhiệt dung riêng của nước,
2
H O
C
=1 kcal/kg.độ
t: nhiệt độ ra của nước làm lạnh và nước ngưng tụ, t = 40
Nhiệt ra bởi nước làm lạnh và nước ngưng tụ ở 40
0
C.

Q
4
= 40 (W+1144) (kcal/h )
Tổng nhiệt tiêu hao là:
Q
4
= 45600+40 W
Tổng nhiệt lượng ra: Q
r
= Q
3
+ Q
4
= 973104 + 45600 + 40W, kcal/h
Cân bằng giữa nhiệt vào và nhiệt ra
Q
v
= Q
r
1018704 + 40W = 2013264 + 25W

( )
3
2013264-1018704
W = = 73330kg <=> 73,3 m / h
40- 25
3.1.3. Tính kích thước của tháp làm lạnh của đệm.
Tốc độ khí qua đệm là 1 m/s (v
k
=1 m/s).

Khi đó tiết diện tưới cần thiết của đệm là:
V
S =
3600
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 20
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
V: Thể tích trung bình của khí.
Thể tích lúc vào:

v
273-60 760
V =43090 . =29710
273 860
(m
3
/h)
Thể tích lúc ra:
R
273-27 760
V =39418 . =31573
273 855
(m
3
/h)
Vậy thể tích trung bình là:
v R
1
V + V
29710 + 31573

V = = = 30642
2 2
(m
3
/h)
Bề mặt tưới là:
1
30642
8,5
3600. 3600.1
k
V
S
v
= = =
(m
2
)
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:

0
0.01 0.1
8,5 9,35
0.1
a b
S S
b
+ +

= = =
(m
2
)
Đường kính của thiết bị làm lạnh là:
0
4
4.9,35
8,37
3,14
S
D
π
= =
(m)
Vậy tiết diện đệm chiếm:
S
H
= S
0
– D= 9,35 – 8,37 = 0,98 (m
2
)
Chiều dài của các thanh trong vòng là:
0.98
98 ( )
0.01
S
H
l m

α
= = =
Bề mặt của 1 vòng đệm là:
F = 2.l.c = 2.98.0,1 = 19,6 (m
2
)
Hệ số truyền nhiệt được xác định từ phương trình:
0,76 0,33
i T T
K = C.Re .Pr
C: hệ số phụ thuộc mật độ tưới.
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 21
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
Đường kính tương đương của đệm:
d
e
=2.b= 2.0,1 =0,2 (m)
Khối lượng riêng trung bình của khí:
m 22910 - 21996
γ = = = 0,357
V 2.30642
(m
2
)
Độ nhớt ( µ) của khí cốc ở nhiệt độ trung bình và hàm ẩm trung bình bằng
0,0134.
Khi đó:
T
v .d.γ

1.0,2.0,357
k
Re =1000 =1000 = 5324,3
μ 0,0134
Khi khối lượng riêng trung bình của khí (ρ
k
) là 0,7 kcal/kg.h và hệ số dẫn
nhiệt là : λ = 0,11 (kgcal/m.h.
0
C)
T
k
ρ .μ
0,7.0,0134
Pr = 3,6 = 3,6 = 0,307
λ 0,11
Vì rằng lượng nước đưa vào làm lạnh 73,3m
3
/h nên mật độ tưới:
0
W 73,3
H = = = 7,84
S 9,35
(m
3
/m
2
/h)
Với mật độ tưới như vậy thì đại lượng mật độ tưới C= 0,193 khi đó chuẩn số
K

i
là:

0,76 0,33
i T T
K = C.Re .Pr
K
i
= 0,193.7725
0,76
. 0,307
0,33
= 118
Hệ số truyền nhiệt độ
i
e
λ 0,11
K = K =118 = 65
d 0,2

Hệ số nhiệt trung bình logarit:
60
0
khí 27
40
0
nước 25
0
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 22
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn

Thông
( )
0
d c
d
c
C
Δt -Δt
20-2
Δt = = = 7,8
Δt 20
2,3log
2,3log
2
Δt

Bề mặt nhiệt cần thiết là:

2013264 1024000
1951,2
65.7,8
Q
F
K t
−
= = =
∆
(m
2
)

Vì bề mặt 1 vòng đệm là 23 m
2
nên số vòng đệm là:
N =
1951,2
85
23
=
Đặt chúng trong 10 khoang có 13 vòng. Chiều cao tổng của tháp có chứa
đệm là:
H
t
= 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
đệm lên trên nó.
3.2. Tính toán tháp hấp thụ thu hồi benzene.
3.2.1 Cân bằng vật chất.
Lượng khí đưa vào tháp:
Đưa vào tháp kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 19200 40000
Hơi nước 986 1235
Hydrocacbon benzen 1220 316
H
2

S 590 390
Tổng cộng 21996 41946
Nhiệt độ khí vào là 27
0
C, 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:
1220.1000
30,5
40000
=
(g/m
3
)
Mức độ thu hồi hydrobenzene là:
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 23
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
2
1 93,4
30,5
η
= − =
Lượng các Hydrobenzen đã bị hấp thụ là:
40000.(30,5-2)
G = =1140
1000
(kg/h)

Lượng Hydrobenzen còn lại trong khí tính theo thể tích là 20 m
3
theo khối lượng
là 80 kg.
Lượng khí đi ra:
Khí đi ra kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 19200 40000
Hơi nước 986 1235
Hydrocacbon benzen 80 20
H
2
S 590 390
Tổng cộng 20851 41645
Hàm lượng thực tế của hydrobenzen của khí vào là:
1
1
1 0
M .1000.273.P
a =
V .T.P
Trong đó:
M
1
: lượng hydrocacbon benzene trong khí vào tháp, kg/h
V
1
: tổng thế tích của khí vào, m
3

/h
1
1220.1000.273.855
29,48
41946.303.760
a
= =
( kg/h)
Hàm lượng thực tế của hydrobenzen của khí vào là:
2
2
2 0
M .1000.273.P
a =
V .T.P
Trong đó:
M
2
: lượng hydrocacbon benzene trong khí ra tháp, kg/h
V
2
: tổng thế tích của khí ra, m
3
/h
2
80.1000.273.825
1,88
41645.303.760
a
= =

( kg/h)
Hàm lượng cực đại của các hydrocacbon benzene trong dầu đưa vào được xác
định gần đúng là:
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 24
Đồ án công nghệ Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Văn
Thông
C
1Max
=
2 2
h ht
22,4.a .P
P .M
Trong đó:
a
2
: hàm lượng hydrobenzen trong khí đi ra g/m
3
.

P
2
: áp suất của khí ra khỏi tháp (mmHg).
M
ht
: khối lượng phân tử của dầu hấp thụ.
P
h
: 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 M
ht
=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 30
0
C.
Benzene………………………… 118,4
Toluene……………………………39,5
Xylen………………………………23,5
Solven…………………………… 5
Khối lượng phân tử trung bình của benzen thô là:
100
83
73 21 4 2
78 92 106 120
tb
M
= =
+ + +
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:
Phần mol của Benzene là:
Benzen

73.83
X = = 0,777
78.100
Phần mol của Toluen là:

Toluen
X
21.83
= =0,175
92.100
Phần mol của Xylen là:
Chương 3: Tính toán công nghệ Trang 25