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

Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 1
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 2
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
NỘI DUNG
Chương I: Tổng quan về nguồn nguyên liệu và phương pháp xử lý.
I. Tổng Quan.
1. Quá trình hấp thụ
1.1 Khái niệm hấp thụ
Hấp thụ là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng trong đó vật chất di
chuyển từ pha khí vào pha lỏng, xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào
pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng.
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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 3
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
• 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.
• Ít bay hơi để tránh tổn thất.
• Giá thành thấp, dễ kiếm không gây ăn mòn thiết bị và không độc hại đối với
con người và môi trường.
Tuy nhiên trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả các tiêu chuẩn đã
nêu, vì vậy khi chọn dung môi ta phải dựa vào điều kiện cụ thể của quá trình sản
xuất.
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
*
= P
0
x.
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
P
0
: áp suất hơi bão hòa của cấu tử nguyên chất, có giá trị chỉ thay đổi theo
nhiệt độ
Phương trình cân bằng vật chất:
( ) ( )
tr V R tr R V
M G Y Y L X X
= − = −
Trong đó:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 4
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
M : là lưu lượng chất bị hấp thụ, Kg/s.
G
tr
và L

tr
: 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 tháp,
kg/kg dung môi.
Phương trình cân băng nhiệt lượng:
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
: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg).
Q
0
: 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).
1.2.3 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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 5
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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 m
3
khí/than cốc, khí cốc chứa Hydro, Metan, Etylen, các hydro carbon
khác, Oxyt và Dioxyt carbon, Nito, trong một m
3
khí (ở 0
0
C 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
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 6
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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 180
0
C.

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
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. Thiết bị truyền khối
1.1 Mục đích và yêu cầu:
Thiết bị truyền khối là thiết bị dùng để thực hiện quá trình truyền vật chất trong
nội bộ 1 pha, cũng như từ pha này sang pha khác khi chúng tiếp xúc nhau.
Khi thực hiện truyền khối giữa hai pha, thiết bị cần có bề mặt tiếp xúc pha lớn,
hoạt động ổn định, hiệu suất cao, năng suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành, sữa
chữa và thay thế.
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 tiếp

Theo 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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 7
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
• 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:
• Bề mặt riêng a (m
2
/m
3
).
• Thể tích tự do ε (m
3
/m
3
).
• Đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a.
• Tiết diện tự do S (m2/m3).
Khi chọn đệm cần lưu ý:
• Thấm ướt tốt chất lỏng.
• Trở lực nhỏ, thể tích tự do và và tiết diện ngang lớn có thể làm việc với tải
trọng lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn.
• Khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng;
• Có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 8
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 9
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
2.2 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.
Tháp đệm làm việc ngược chiều có các chế độ thủy động lực:
Chế độ màng
Chế độ nhũ tương

Chế độ cuốn theo: quá giới hạn sặc, nếu tăng tốc độ khí, toàn bộ chất lỏng sẽ bị
giữ lại trong tháp và cuốn ngược trở ra theo dòng khí.
Hiệu ứng thành thiết bị
Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm ra thành thiết bị, gây giảm hiệu suất do tiếp xúc
pha kém.
Khắc phục bằng cách:
Nếu chiều cao đệm lớn hơn 5 lần đường kính đệm thì chia đệm thành từng
đoạn, giữa các đoạn đệm đặt bộ phận phân phối lại chất lỏng.
Chọn d/Φ = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8.
Xếp đệm:
nếu d < 50mm: đổ lộn xộn
d > 50mm: xếp thứ tự
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, ).
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 10
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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 60
0
– 70
0

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
0
C 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
0
C 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
từ máy làm lạnh về thùng lắng tách naphtalen.
Máy làm lạnh lần cuối thường là loại đệm, để tránh tắc đệm do lắng đọng
naphtalen thì khoảng cách giữa các thanh là 100 mm.
1.3 Cấu tạo thùng lắng tách naphtalen.
Hình vẽ (trang sau)
Mục đích là để tách liên tục naphtalen từ nước kĩ thuật sau máy làm lạnh cuối
cùng. Máy có dạng hình trụ, đáy hình nón. Đường kính phần hình trụ là 12200
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 11
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

mm, chiều cao tổng cộng của hình trụ và nón là 3500 mm. Dung tích của máy lắng
naphtalen bằng 2500 m
3
, 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 – 30
0
C 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 – 30
0
C được bơm ly tâm số 6 đưa
lên phần trên của tháp đệm, cuối cùng theo chiều của dòng khí chạy qua đệm gặp
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 12
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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 – 3
0
C.
Hàm lượng Benzene trong khí cốc sau tháp thu hồi Benzene không vượt quá 2
g/m
3
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 m
2
. Trong khi
đó bề mặt một tháp đệm khung gỗ chỉ có 50 m
2
.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 13
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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.
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 14
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
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
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 18000 37500
hơi nước 2795 3500
hydrocacbon benzen 1200 316
H
2
S 590 390
Tổng cộng 22585 41706
Nhiệt độ ra khỏi máy làm lạnh là 27
0
C, áp suất là 855mmHg.
Thể tích nước được xác định là:
2
855
H O CT
p
V V
p
=
−

Áp suất bảo hòa hơi nước ở 27
0
là p = 26,74 mmHg.
Vậy:
2
3
26,74
(41760 3500) 1320 /
855 26,74
H O
V m h
= − =
−
Tính theo trọng lượng là 990 kg/h.
Như vậy lượng nước đã ngưng tụ:
2795 – 990 = 1805 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 18000 37500
Hơi nước 990 1230
Hydrocacbon benzen 1200 316
H
2
S 590 390
Tổng cộng 20780 39436
1.1 Tính toán nhiệt độ mang vào.
Nhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:
Q

1
= 2521000 kcal/h
Nhiệt mang vào bởi nước làm lạnh ở 25
0
C là:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 15
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Q
2
= 25 W
Tổng nhiệt vào là:
Q
v
= 2521000 + 25 W
1.2 Tính toán nhiệt mang ra, lượng tiêu hao nước và cân bằng vật chất.
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
= 18000.0,7.27 = 340000 kcal/h
Nhiệt ra bởi hơi nước là:
q
2
= 990 (595+0,438.27) = 600000 kcal/h
Nhiệt ra bởi hydrocacbon benzene là:
q
3

= 1200.0,246.27 = 8000 kcal/h
Nhiệt ra bởi H
2
S là:
q
4
= 590.0,238.27 = 3800 kcal/h
Vậy tổng nhiệt mang ra bởi khí cốc là:
Q
3
= 951800 kcal/h
Lượng tiêu hao nước.
Nhiệt ra bởi nước làm lạnh và nước ngưng tụ ở 40
0
C.
Q
4
= 40 (W+1805) kcal/h
Tổng nhiệt tiêu hao là:
Q
pacx
= 1024000+40 W
Cân bằng vật chất.
Cân bằng nhiệt vào ra ta tính được tiêu hao nước là:
3
2521100 1024000
100000 100 /
40 25
W kg m h
−

= = <=>
−
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 16
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
1.3 Tính kích thước của tháp làm lạnh của đệm.
Tốc độ khí qua đệm là 1 m/s.
Khi đó tiết diện tưới cần thiết của đệm là:
3600
V
S
=
V: Thể tích trung bình cũa khí.
Thể tích lúc vào:

3
1
273 60 760
4170 45000 /
273 860
V m h
−
= × =
Thể tích lúc ra:
3
1
273 27 760
3943 38500 /
273 855
V m h
−

= × =
Vậy thể tích trung bình là:
3
1
45000 38500
41750 /
2
V m h
+
= =
Bề mặt tưới là:
2
41750
11,6
3600.1
S m
= =
Thừa nhận đệm khung gỗ có bề dày a = 10 mm, khoảng cách b = 100 mm,
chiều cao của thanh là 100 mm.
Tiết diện chung:

2
0
10 100
11,6 12,75
100
a b
S S m
b
+ +

= = =
Đường kính của thiết bị làm lạnh là:
0
4
4.12,75
11,6
3,14
S
D m
π
= =
Vậy tiết diện đệm chiếm:
S
H
= 12,75 – 11,6 = 1,15 m
2
Chiều dài của các thanh trong vòng là:
1,15
115
0,01
H
S
l m
α
= = =
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 17
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Bề mặt của 1 vòng đệm là:
F = 2lc =2.115.0,1 m
2

Hệ số truyền nhiệt được xác định từ phương trình:
0,76 0,33
Re Pr
i T T
K C
=
C: hệ số phụ thuộc mật độ tưới.
Đường kính tương đương của đệm:
d
e
=2b=0,2 m
Khối lượng riêng trung bình của khí:
2
22585 20780
0,518
2.41750
m
γ
−
= =
Độ nhớt của khí cốc ở nhiệt độ trung bình và hàm ẩm trung bình bằng 0,0134.
Khi đó:
1.0,02.0,518
Re 1000 7725,6
0,0134
T
= =
Khi khối lượng riêng trung bình của khí là 0,7 kcal/kg.h và hệ số dẫn nhiệt là :
λ = 0,11 kgcal/m.h.
0

C
307,0
11,0
0134,0.7,0
6,3Pr
==
T
Vì rằng lượng nước đưa vào làm lạnh 100m
3
/h nên mật độ tưới:
3 2
0
100
11,6 / .
12,75
W
H m m h
S
= =
Với mật độ tưới như vậy thì đại lượng mật độ tưới C= 0,193 khi đó chuẩn số
Ki là:

0,76 0,33
Re Pr
i T T
K C
=
Ki = 0,193.7725
0,76
.0,307

0,33
= 118
Hệ số truyền nhiệt độ
65
2,0
11,0
118
===
e
d
KiK
λ

Hệ số nhiệt trung bình logarit:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 18
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
60
0
270 khí
nước
40
0
25
0
0
20 2
7,8
20
2,3lg
2

t
−
∆ = =
Bề mặt nhiệt cần thiết là:
2
2521100 1024000
2960
65.7,8
Q
F m
K t
−
= = =
∆
Vì bề mặt 1 vòng đệm là 23 m
2
nên số vòng đệm là:
2
2960
130
23
m
=
Đặt chúng trong 10 khoang có 13 vòng. Chiều cao tổng của tháp có chứa đệm
là:
H
t
= 10.13.0,12 + 9.0,5 = 20 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 26 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.
2. Tính toán tháp hấp thụ thu hồi benzene.
2.1 Cân bằng vật chất.
Lượng khí đưa vào tháp:
Đưa vào tháp kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 18000 37500
Hơi nước 990 1230
Hydrocacbon benzen 1200 316
H
2
S 590 390
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 19
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Tổng cộng 20780 39436
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:
3
1200.1000
32 /
37500

g m
=
Mức độ thu hồi hydrobenzene là:
2
1 0,9375 93,75%
32
η
= − = ⇔
Lượng các Hydrobenzen đã bị hấp thụ là:

37500.(32 2)
1125 /
1000
G kg h
−
= =
Lượng Hydrobenzen còn lại trong khí tính theo thể tích là 20 m
3
theo khối
lượng là 75 kg.
Lượng khí đi ra:
Khí đi ra kg/h Nm
3
/h
Khí cốc khô 18000 37500
Hơi nước 990 1230
Hydrocacbon benzen 75 20
H
2
S 590 390

Tổng cộng 19655 39140
Hàm lượng thực tế cũa hydrobenzen của khí vào là:
3
1
1200.1000.273.855
31,2 /
39436.300.760
a g m
= =
Và khí đi ra là:
3
2
75.1000.273.825
1,9 /
39140.300.760
a g m
= =
Hàm lượng cực đại của các hydrocacbon benzene trong dầu đưa vào được xác
định gần đúng là:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 20
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
2 2
1
2,24.
Max
h ht
a P
C
P M
=

α
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
td
=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:
83
120

2
106
4
92
21
78
73
100
=
+++
=
tp
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:
Khối lượng của Benzene là:
73.83
0,775
78.100
benzene
m
= =
Khối lượng của Toluen là:

21.83
0,175
92.100
Toluen
m

= =
Khối lượng của Xylen là:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 21
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
4.83
0.033
106.100
Xylen
m
= =
Khối lượng của Solven là:
2.83
0,017
120.100
Solven
m
= =
Khi đó áp suất hơi của hydrobenzen ở 30
0
C là:
P
tp
=m
B
p
B
+m
T
p
T

+m
X
p
X
+m
s
p
s
=0,775.118,4+0,175.39,5+0,033.23,5+0,017.5
P
tp
= 99 mmHg.
Hàm lượng cực đại của hydrobenzen đưa vào:
%22,0
170.99
2.825.24,2
==
Max
C
Hàm lượng thực tế C
1
< hàm lượng cân bằng (hàm lượng cực đại) tính bằng:
n
C
C
max
1
=
n: hệ số chuyển dịch cân bằng,từ 1,1-1,2 ta thừa nhận n =1,1
%2,0

1,1
22,0
1
==
C
Lượng dầu tối thiểu đòi hỏi để hấp thụ:
∞
=
η
η
1
4,22 P
VMp
L
dB
Min
P
B
: áp suất hơi của benzen nguyên chất (mmHg).
V: thể tích của khí cho vào m
3
/h (ở đktc không tính thể tích của hydrobenzen).
η
: 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 trên
đỉnh tháp hoặc khi bề mặt hấp thụ vô cùng lớn.
P
1

: áp suất khí vào, mmHg.
M
d
: khối lượng phân tử của dầu hấp thụ.
Đại lượng:
V= 39120 m
3

η = 0,9375
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 22
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
p
B
=118,4 mmHg
P
1
= 855 mmHg
M
d
= 170
Mức độ hấp thụ khi bề mặt vô cùng lớn xác định theo:
2
1
1
1,1.
a
a
η
∞
= −

2
1 0,9432 94,32%
1,1.32
η
∞
= − ⇔
Khi đó lượng dầu hấp thụ tối thiểu:
118,4.39120.0,9375
40800 /
22,4.855.0,9432
Min
L kg h
= =
Hàm lượng cực đại:
2 1
100
Min
C
C C
L
= +

2 1
1125
100 2,76%
40800
C C
= + =
Lượng dầu thực tế cần lớn hơn lượng dầu tối thiểu xác định theo phương trình:
L

tt
=m.L
Min
m hệ số dư, xác định trong khoảng từ 1,4-1,5 ta thừa nhận m =1,45. Vậy:
L
tt
=40800.1,45=59000 kg/h
Tính cho 1m
3
khí là:
59000
1,57 /
37500
kg h
=
Hàm lượng thực tế của Hydro benzen thô trong dầu ra tháp tính theo phần
trăm:
2 1
100
G
C C
L
= +
Vậy:
2
100.1125
0,2 2,11%
59000
C
= + =

Lượng benzene thô trong dầu đi vào:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 23
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

0,2.59000
118 /
100
kg h
=
Lượng benzene thô trong dầu đi ra:
2,11.59000
1243 /
100
kg h
=
Lượng benzene thô được dầu hấp thụ trong 1 h là: 1243 – 118=1125 kg
Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ:
Đi vào (kg/h) Đi ra (kg/h)
Khí cốc 20780 Khí cốc 19655
Dầu hấp thụ
Dầu 59000
Dầu hấp thụ
dầu 59000
Benzene thô118 Benzene thô:1243
Tổng 79898 Tổng 79898
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:
2,32
.
tb
z
v
d
γ
=
Độ nhớt của khí cốc ở 30
0
C bằng 0,0127 centipoise.
Khối lượng riêng của khí ra khỏi tháp:
3
19655 273 825
0,503 /
39410 303 760
kg m
γ
= × × =
Đường kính tương đương của đệm:
d
e
=2b=0,04 m
Vậy tốc độ tới hạn của khí:

0,0127
0,63 /
0,04.0,503
tt

m s
ν
= =
Tiết diện tưới của tháp đệm tính theo:
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 24
Đồ án quá trình và thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
3600.
V
S
v
=
V: thể tích thực tế của khí ra khỏi tháp hấp thụ
3
39140.303.760
39800 /
825.1,47
V m h
= =
Từ đó ta có:
2
39800
7,52
3600.1,47
S m
= =
Tiết diện tổng của tháp S
0
2
0
0,01 0,02

7,52 11,3
0,02
a b
S S m
b
+ +
= = =
2.3 Tính toán kích thước tháp hấp thụ.
Đường kính tháp hấp thụ:
0
4.
4.11,3
3,8
3,14
S
D m
π
= = =
Xác định bề mặt hấp thụ ta dùng:
tb
G
F
K p
=
∆
G: là lượng HidroBenzen bị hấp thụ (kg/h).
Δp
tb
: động lượng hấp thụ trung bình (mmHg).
K hệ số tốc độ hấp thụ tổng (kg/h.m

2
.mmHg).
Động lượng hấp thụ đỉnh tháp:
Δp
2
=p
r2
– p
bh1
p
r
: áp suất riêng phần của hidro benzene trong khí tháp.
2 2
. 2.825
0,0224 0,0224 0,445
83
r
c
a b
p mmHg
M
δ
= × = × =
p
bh1
: áp suất hơi của hidro benzene trên dầu đưa vào
1
1
0,2.170.99
0,01 0,01 0,405

83
c
bh
c
C M p
p mmHg
M
π
δ
δ
= × = × =
Khi đó: Δp
2
=0,445 – 0,405 =0,04 mmHg
Nhóm 6.Lớp DH08H2 Trang 25