TÍNH TOÁN THIẾT bị THU hồi BENZEN THÔ

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền
công nghiệp
nước
ta nói riêng và thế giới nói chung. Một trong những ngành có
đóng góp vô cùng to lớn
đó
là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt đó là ngành sản
xuất các hóa chất cơ
bản,phục vụ cho đa số các ngành công nghiệp.
Benzen thô là chất rất có giá trị về mặt kinh tế, nó được coi là một trong những
cấu tử quý trong ngành công nghiệp hóa chất, cũng như ngành công nghiệp hóa dầu.
Đồ Án Công Nghệ là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá
trình học
tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học trong tương lai. Môn học này giúp sinh viên
có
thể
tính toán cụ thể : quy trình công nghệ, kết cấu, của một thiết bị trong sản
xuất
hóa chất - thực phẩm. Giúp sinh viên được vận dụng các kiến thức đã học
để
giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng
hợp.
Trong quá trình thực hiện đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng vì nhiều lý do
chủ quan và khách quan nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm
chúng em rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của Thầy hướng dẫn và Quý
thầy cô giáo.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ý nghĩa kinh tế của đồ án
Trang 1

`
Cùng với việc sử dụng những nguồn nguyên liệu hiện có một cách tiết kiệm
và hợp lý thì việc tái tạo, thu hồi những cấu tử có giá trị là điều rất quan trọng và cần
thiết. Benzen là cấu tử rất có giá trị cả về mặt sản xuất nhiên liệu lẫn nguyên liệu cho
ngành công nghiệp hóa dầu, là một trong 3 cấu tử (benzen, toluen, xylen) quan trọng
nhất của ngành công nghiệp này.
Đặc biệt nước ta là nước có ngành công nghiệp khai thác than khá phát triển và
trữ lượng cũng tương đối lớn, do vậy nguồn benzen từ khí cốc là rất dồi dào. Mặt
khác việc thu hồi benzen cũng không quá phức tạp.
Tất cả những yếu tố trên cho thấy việc thu hồi benzen thông qua dầu hấp thụ ở
Việt Nam là rất khả thi.
Vì những lý do trên, đề tài “thiết kế thiết bị thu hồi benzen thô từ dầu than đá”
hứa hẹn sẽ đem lại hiệu quả cao cho nền kinh tế.
1.1.1. Lợi ích của việc thu hồi benzen
Việc thu hồi benzen từ dầu hấp thụ bão hòa benzen sẽ mang lại lợi ích trên
nhiều phương diện:
- Giảm gánh nặng cho nhập khẩu xăng dầu khi dùng benzen để sản xuất nhiên
liệu;
- Cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp hóa dầu để sản xuất những
sản phẩm có giá trị cho nền kinh tế;
- Giúp đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước;
- Dùng làm nguyên liệu để sản xuất một số chế phẩm trong y học;
- Giảm ô nhiễm môi trường nhờ khép kín sản xuất của các quá trình liên tục.
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT
1.2.1 Quá trình chưng
cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử
khác nhau).

Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
Trang 2
`
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha
nhưng với tỷ lệ khác nhau.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử
có độ bay hơi bé.
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ
bay hơi lớn.
1.2.2. Các phương pháp chưng cất
- Phân loại theo áp suất làm việc:
+ Áp suất thấp
+ Áp suất thường
+ Áp suất cao
- Phân loại theo nguyên lý làm việc:
+ Chưng cất đơn giản
+ Chưng bằng hơi nước trực tiếp
+ Chưng cất
- Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
+ Cấp nhiệt trực tiếp
+ Cấp nhiệt gián tiếp
1.2.3. Nguyên lý làm việc của tháp chưng cất
Để có hiệu quả phân tách tốt, quá trình tiếp xúc pha trong tháp tinh
luyện
phải
xảy ra đồng đều, triệt để. Do vậy, người ta phải trang bị các cơ cấu
bên

trong tháp
nhằm đạt mục đích này. Trong tháp chưng gồm hai phần:
phần
phía trên đĩa nạp
liệu của tháp thực hiện quá trình làm tăng nồng độ của
cấu
tử nhẹ trong pha hơi
nên gọi là phần tinh luyện. Còn phần phía dưới đĩa
nạp
liệu của tháp thực hiện quá
trình làm tăng nồng độ cấu tử nặng trong pha
lỏng
nên gọi là phần chưng. Do vậy
phần đáy tháp phải cung cấp thêm nhiệt
hay
phải đưa thêm tác nhân bay hơi vào.
Mức độ phân tách tốt hay không tốt
phụ
thuộc vào số đĩa được bố trí trong tháp và
lượng hồi lưu. Nếu số đĩa lý
thuyết
quá ít thì tách không triệt để, nhưng nếu số đĩa
quá nhiều thì dẫn đến
chiều
cao của tháp quá lớn, gây khó khăn cho chế tạo và
lắp đặt, tăng vốn đầu
tư.
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau
để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống
nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ

phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Trang 3
`
Trong thực tế có các loại tháp chưng sau:
Tháp đệm:
Tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được
cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Trong tháp đệm người ta bố trí các ngăn chứa đệm với hình dạng
khác
như hình
vành khuyên, hình trụ. Các đệm trong tháp là các vòng bằng
gốm.
Để tăng bề mặt
tiếp xúc trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn. Người
ta
xếp đệm trên các đĩa
có hai loại lỗ lớn khác nhau. Các lỗ nhỏ (phía dưới)
để
chất lỏng chảy vào lỗ lớn (ở
phía trên) cho hơi đi
qua.
Ưu điểm: Các ngăn chứa đệm có hình dạng là hình trụ có tấ
m chắn để tăng bề mặt
tiếp xúc
pha giữa pha lỏng (nhưng khi dùng tháp
có
đường kính nhỏ hơn 1m thì
hiệu quả tháp này không kém tháp đĩa chóp).
Vì
vậy chúng ta thường dùng chưng

luyện gián đoạn với công suất thiết bị
không

lớn.
T

háp

đĩa

chóp:
Tháp chưng cất được sử dụng là loại tháp đĩa chóp. Loại tháp này
được
sử dụng
rộng rãi trong chưng cất dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ. Các đĩa
chóp
có nhiều loại
khác nhau bởi cấu tạo của chóp, cấu tạo của bộ phận chảy
chất
lỏng. Đĩa chóp là các
đĩa kim loại mà trong đó cấu tạo có nhiều lỗ để cho
hơi
đi qua. Theo chu vi các lỗ
người ta bố trí ống có độ cao xác định gọi là
ống
hơi, phía trên các ống hơi là các
chóp có vùng không gian cho hơi đi từ
đĩa

dưới lên đĩa

trên.
Có rất nhiều loại đĩa chóp nhưng được dùng phổ biến là đĩa chóp
hình
máng, đĩa
chóp hình chữ S, đĩa chóp hình tròn, đĩa chóp hình
xupap.
Đĩa chóp hình máng có cấu tạo đơn giản và dễ vệ sinh. Loại này
có
nhược điểm là
diện tích sủi bọt bé (chỉ khoảng 30% diện tích của đĩa) điều
đó
làm tăng tốc độ hơi
và tăng sự cuốn chất lỏng
đi.
Đĩa chóp hình chữ S khác với đĩa chóp hình máng. Đĩa chóp hình chữ
S
chất lỏng
chuyển động theo phương của các chóp còn mỗi chóp của đĩa là
một
lòng máng các
đĩa. Đĩa chóp hình chữ S dùng cho các tháp làm việc ở áp
suất
lớn như áp suất khí
quyển, công suất của đĩa cao, cao hơn các đĩa lòng
máng
là
20%.
Đĩa chóp xupap có hiệu quả làm việc tốt khi mà tỉ trọng thay đổi theo hơi và chất
lỏng và loại này phân chia pha rất triệt để.
 So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Trang 4
`
Tháp đệm
Tháp mâm
xuyên
lỗ
Tháp chóp
Ưu
điểm
− Cấu tạo khá đơn giản.
− Trở lực thấp.
− Làm việc được với các
chất lỏng bẩn, nếu dùng
đệm cầu có p ≈ p của chất
lỏng.
− Trở lực tương
đối thấp.
− Hiệu suất khá
cao.
−
− Trở lực
khá ổn
định.
− Hiệu suất
cao.
Nhượ
c
điểm
− Do có hiệu ứng thành →
hiệu suất truyền khối thấp.

− Độ ổn định không cao, khó
vận hành.
− Do có hiệu ứng thành→
khi tăng suất thì hiệu ứng
thành tăng→ khó tăng
năng suất.
− Thiết bị khá cồng kềnh.
− Không làm
việc được với
chất lỏng bẩn.
− Kết cấu khá
phức tạp.
− Có trợ lực
lớn.
− Tiêu tốn
nhiều vật
tư, kết cấu
phức tạp.
Qua tham khảo các tài liệu và phân tích các số liệu đầu vào đã đi đến chọn
tháp đĩa chóp để chưng cất thu hồi benzene thô từ dầu hấp thụ.
CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ THU HỒI BENZEN THÔ
2.1. Thuyết minh dây chuyền công nghệ tổng quát thu hồi benzen thô:
Hỗn hợp khí than đá gồm có các tạp chất và các thành phần khí naphthalen,
benzene, toluene, xilen… được dẫn vào đường ống số (24) để vào tháp làm lạnh
(XVI). Tại tháp làm lạnh nước dẫn từ đường ống số (26) vào tưới phía trên đỉnh tháp
làm lạnh khí cốc nhằm mục đích cuốn napthalen chứa trong khí cốc. Tại đây khí đi từ
dưới lên và nước đi từ trên xuống giúp cho quá trình tiếp xúc pha hiệu quả, phía bên
dưới tháp hấp thụ hỗn hợp nước-napthalen được tách ra theo đường ống số (23) vào
Trang 5
`

thiết bị tách napthalen (XIII). Tại thiết bị này được cung cấp một nhiệt lượng đủ lớn
để tách napthalen và nước ra khỏi nhau, nước được tách ra dẫn qua thiết bị làm lạnh
bằng không khí (XIV) để tận dụng lại quá trình hấp thụ, còn napthalen được tách ra
dẫn qua bồn chứa (XX) sau đó dẫn qua xe chứa đến các quá trình khác.
Hỗn hợp khí cốc sau khi tách napthalen ra đường ống số (25) được dẫn vào bên dưới
tháp hấp thụ (XVII). Tại tháp hấp thụ kiểu đệm được dầu hấp thụ tưới bên trên đỉnh
tháp nhờ vận chuyển của đường ống số (20) tháp làm việc ở áp suất thường và nhiệt
độ 30
o
C. Hỗn hợp benzene, toluene, xilen được dầu hấp thụ đi ra phía dưới đáy tháp
sau đó vận chuyển vào bồn chứa (XI), còn phía trên tháp là khí sau khi đã loại
napthalen, benzene, toluene, xilen… đi ra đường ống số (27) để qua quá trình khác.
Dầu hấp thụ bão hòa benzen từ tháp theo đường ống (1) đưa đến thiết bị hồi
lưu (I) đi qua trong khoảng không gian giữa các ống tuần tự từ ngăn dưới của máy
hồi lưu. Khi đó dầu hấp thụ 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 đã được đun nóng theo đường ống (2)
đưa vào các máy trao đổi nhiệt ống chùm (II), ở đây nó được gia nhiệt đến 90
0
C nhờ
nhiệt của dầu hấp thụ đã khử benzen đi ra từ tháp chưng benzen.
Từ máy trao đổi nhiệt dầu 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. Từ máy
gia nhiệt (III) dầu đã được đun nóng sẽ đưa vào phần luyện của tháp chưng benzen
(IV).
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. 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), ở đây hơi
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.
Trang 6
`
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 với hơi nước từ phần hồi lưu phía trên của tháp benzen theo
đường ống (10) đi vào thiết bị hồi lưu (I). Ở đây nó sẽ 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).
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.
Hồi lưu từ thiết bị hồi lưu đưa vào thùng phân ly (VII) được tách thành 2 lớp,
lớp nước theo đường ống (18) vào thùng lắng, sau đó vào cống thoát, còn dầu hấp thụ
theo đường ống (19) đưa trở về vào dòng hấp thụ tuần hoàn. Dầu từ cột benzen (IV)
đi qua van thủy lực đưa vào máy gia nhiệt (2), tại đây nó được làm lạnh bằng dòng
dầu 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. 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 (IX) đưa vào giàn làm lạnh X để
làm lạnh dầu đến 30
0
C. Theo đường ống (20) dầu hấp thụ đã được làm lạnh được đưa
vào tháp để thu hồi benzen thô.
2.2 Sơ đồ công nghệ tổng quát:
Trang 7
`
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
3.1. Tính thiết bị làm lạnh
3.1.1.Tính toán máy làm lạnh khí cốc lần cuối:
Dựa vào máy cân bằng vật chất của khí cốc ở nhiệt độ 60 và áp suất là 860 mmHg
nhiệt độ điểm sương của khí cốc là 45
Lượng khí vào máy lạnh theo bảng sau:
Lượng khí đi vào Kg/h N/h
Khí cốc khô 19200 39994
Hơi nước 1900 2379
Hydrocacbon benzen 1220 321

S 590 390
Tổng cộng 22910 43084
Trang 8
`
Nhiệt độ ra khỏi máy làm lạnh là 27, áp suất 855mmHg.
Thể tích nước được xác định là:
=
Áp suất bão hòa hơi nước ở 30 là p=31,82 mmHg.
Vậy: = =1509 /h.
Tính theo trọng lượng là 1207 kg/h.
Như vậy lượng nước đã ngưng tụ là: 1900-1207 = 693 kg/h
Lượng khí ra khỏi máy lạnh theo bảng sau :
Lượng khí ra khỏi máy làm
lạnh
Kg/h N/h
Khí cốc khô 19200 39994
Hơi nước 1207 1509
Hydrocacbon benzen 1220 321
S 590 390
Tộng cộng 22217 42214
3.1.2. Tính toán nhiệt độ mang vào:
Nhiệt vào bởi khí cốc khô:
= 19200.0,7.60 = 806400 kcal/h.
Nhiệt mang vào bởi hơi nước:
= 1900.(595+ 0,438.60) =1180432 kcal/h
Nhiệt vào bởi hydrocacbon là:
=1220.0,246.60 = 18007 kcal/h
Nhiệt vào bởi S là:
= 590.0,238.60 = 8425 kcal/h
Nhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:

= 2013264 kcal/h
Trang 9
`
Nhiệt mang vào bởi nước làm lạnh ở 25 là:
=25.W
Tổng nhiệt vào là:
= 2013264 + 25.W
3.1.3. 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 30.
Nhiệt ra bởi khí cốc khô là:
= 19200.0,7.30 = 403200 kcal/h
Nhiệt ra bởi khí hơi nước là:
= 1207.(595 + 0,438.30) = 734025 kcal/h
Nhiệt ra bởi hydrocacbonbezen là:
= 1220.0,246.30 = 9004 kcal/h
Nhiệt ra bởi S là:
= 590.0,238.30 = 4213 kcal/h
Vậy tổng nhiệt mang ra bởi khí cốc là:
= 1150442 kcal/h
Lượng tiêu hao nước.
Nhiệt ra bởi nước làm lạnh và nước ngưng tụ ở 40.
= 40 (W + 1805) kcal/h
Tổng nhiệt tiêu hao là:
= 1222642 + 40.W
Cân bằng vật chất.
Cân bằng nhiệt vào ra ta tính được tiêu hao nước là:
Trang 10
`
W = = 52708 kg = 52,71 /h.

3.2. Tính tháp hấp thụ benzen
3.2.1. Cân bằng vật chất.
Lượng khí đưa vào tháp:
Đưa vào tháp Kg/h N/h
Khí cốc khô 19200 39994
Hơi nước 1207 1509
Hydrocacbon benzen 1220 321
S 590 390
Tổng cộng 22217 42214
Nhiệt độ khí vào là 30, áp suất 890 mmHg.
Mất mát hydrobenzen theo khí đi ra là 2g/ khí khô.
Hàm lượng trong khí cốc khô đi vào là:
= 30,5 g/
Mức độ thu hồi hydrobenzen là:
= 1- = 0.9344  93,44 %
Lượng các hydrobenzen đã bị hấp thụ là:
G = =1140 kg/h
Lượng hydrobenzen còn lại trong khí tính theo thể tích là 21, theo khối lượng là
80kg.
Lượng khí đi ra:
Khí đi ra Kg/h N/h
Khí cốc khô 19200 39994
Hơi nước 1207 1509
Hydrocacbon benzen 80 21
S 590 390
Tổng cộng 21077 41914
Hàm lượng thực tế của hydrobenzen của khí vào là:
Trang 11
`
= = 30,5 g/

Và khí đi ra là: = = 1,95 g/
Hàm lượng cực đại của các hydrocacbon benzen trong dầu đưa vào được xác định
gần đúng là:
= 2,24.
: hàm lượng hydrobenzen trong khí đi ra g/.
: áp suất của khí ra khỏi tháp (mmHg).
: khối lượng phân tử của dầu hấp thụ.
: áp suất hơi bão hòa hydrobenzen ở dầu đưa vào.
Áp suất khi ra khỏi tháp thừa nhận là 855 mmHg.
Dầu hấp thụ là dầu than đá có khối lượng phân tử = 170
Xác định áp suất hơi của hydrobenzen trên dầu thừa nhận thành phần như sau:
Benzen: 73%, toluene: 21%, xylen: 4%, xolven: 2%
Áp suất hơi của những cấu tử đó ở 30.
Benzen ………………………… 118,4.
Toluene………………………… 39,5.
Xylene……………………………23,5.
Solven…………………………… 5.
Khối lượng phân tử trung bình của benzen thô là:
= = 83
Trong đó 78, 92, 106, 120 là các khối lượng phân tử của các cấu tử benzen, toluene,
xylene, solven.
Phần cấu tử ở trong trọng lượng trung bình của benzen thô như sau:
Khối lượng của benzen là:
= = 0,775
Trang 12
`
Khối lượng của toluene là:
= = 0,175
Khối lượng của xylene là:
= = 0,033

Khối lượng của solven là:
= = 0,017
Khi đó áp suất hơi của hydrobenzen ở 30 là:
= + + + = 0,775.118,4+0,175.39,5+0,033.23,5+0,017.5
= 99 mmHg.
Hàm lượng cực đại hydrobenzen đưa vào:
= 0.23
Hàm lượng thực tế < 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
= = 0,21%
Lượng dầu tối thiểu đòi hỏi để hấp thụ:
=
: Áp suất hơi của benzen nguyên chất (mmHg).
V: thể tích của khí cho vào g/(ở dktc không tính thể tích của hydrobenzen).
: Mức độ thu hồi thực tế của hydrobenzen.
: Mức độ thu hồi hydrobenzen thô từ khí cốc ở điều kiện cân bằng trên đỉnh tháp hoặc
khi bề mặt hấp thụ vô cùng lớn.
: Áp suất khí vào, mmHg.
: Khối lượng phân tử của dầu hấp thụ.
Trang 13
`
Đại lượng;
V = 41893
= 0,9344
= 118,4 mmHg
= 860 mmHg
= 170
Mức độ hấp thụ khi bề mặc vô cùng lớn xác định theo :
= 1 -

= 1 - = 0,94 = 94 %
Khi đó lượng dầu hấp thụ tối thiểu:
= =43511 kg/h
Hàm lượng cực đại:

= + 100 = 2,83 %.
Lượng dầu thực tế cần lớn hơn lượng dầu tối thiểu xác định theo phương trình:

m hệ số dư, xác định trong khoảng từ 1,4- 1,5 ta thừa nhận m=1,45. Vậy :
= 43511.1,45 = 63091 kg/h
Tính cho 1khí là:
=1,58 kg/h
Hàm lượng thực tế của hydrobezen thô trong dầu ra tháp tính theo phần trăm:
= + 100
Vậy:
= 0,21 + =2,02%
Trang 14
`
Lượng benzen thô trong dầu đi vào:
= 133 kg/h
Lượng benzen thô trong dầu đi ra:
=1273 kg/h
Lượng benzen thô được dầu hấp thụ trong 1h là: 1273 -133 = 1140 kg/h
Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ:
Đi vào (kg/h) Đi ra ( kg/h)
Khí cốc 22217 Khí cốc 21077
Dầu hấp thụ Dầu 63091 Dầu hấp thụ Dầu 63091
Benzene thô 133 Benzene thô 1273
Tổng 85441 Tổng 85441
3.3. Máy gia nhiệt dầu hấp thụ

3.3.1. Ý nghĩa và cấu tạo
Máy gia nhiệt dùng để gia nhiệt dầu trước khi đưa vào tháp chưng benzen. Trong quá
trình gia nhiệt dầu sau máy trao đổi nhiệt, nhiệt độ từ 90 đến 135 - 140
o
C. Ở trong
máy gia nhiệt diễn ra sự bốc hơi một phần hydrocacbon benzen hòa tan vào trong dầu
hấp thụ (với lượng khoảng 25% lượng chung của nó trong dầu hấp thụ), còn diễn ra
quá trình bốc hơi nước (nước của dầu) cũng như chuyển nó có sang dạng hơi trong
một phần dầu hấp thụ có trong hỗn hợp với hơi benzen và hơi nước.
Cấu tạo máy gia nhiệt dầu hấp thụ là một chùm ống thông thường đặt trên bệ đỡ bằng
gang. Dầu hấp thụ có nhiệt khoảng 90
o
C sau máy trao đổi nhiệt đưa vào cửa dưới của
chùm ống và đi ở trong ống rồi sau vào buồng trên tại đây sẽ tách pha hơi ra khỏi pha
lỏng, hơi dưới áp suất khoảng 6 – 8 atm đưa vào khoảng không gian giữa ống và cấp
nhiệt cho dầu cần đun nóng.
Nước ngưng tụ từ chùm ống sẽ đưa qua cốc ngưng tụ. Sử dụng hơi tách ra từ dầu hấp
phụ được đưa qua cửa đặt ở phần trên để vào tháp benzen. Người ta đưa vào đây còn
có dầu đã được đun nóng.
Hiện nay người ta đã nghiên cứu loại máy gia nhiệt hấp phụ có hệ số truyền nhiệt cao
bằng cách tăng tốc độ chuyển động của dầu trong ống nhờ vào việc tăng số dòng dầu
trong máy ống chùm (gọi là máy gia nhiệt ống chùm).
3.3.2. Tính toán thiết bị gia nhiệt dầu
Trang 15
`
Cân bằng vật chất
Đưa vào máy gia nhiệt bằng hơi có dầu hấp thụ đã bão hòa benzen từ máy trao
đổi nhiệt với lượng như sau (kg/h):
Dầu hấp thụ 63091
Hydrocacbon benzen 1273

Tổng: 64364
Thừa nhận hàm lượng nước đưa vào bằng 1% tồng lượng dầu, tương ứng 644
kg/h.
Như vậy, tổng lượng dầu, nước, hydrocacbon benzen là 65008 kg/h.
Thành phần benzen thô: benzen – 73%; toluen – 21%; xylen – 4%; solven – 2%.
Vậy khi chưng 1140 kg hydrocacbon benzen từ dầu sẽ tách ra (kg/h):
Benzen 1140 . 0,73 = 832
Toluen 1140 . 0,21 = 239
Xylen 1140 . 0,04 = 46
Solven 1140 . 0,02 = 23
Tổng: 1140
Thừa nhận thành phần hydrocacbon benzen ở trong dầu đã khử benzen là:
benzene – 2,5%; toluen – 19%; xylen – 31% và solven – 47,5%. Khi hàm lượng còn
lại tổng cộng của hydrocacbon benzen trong dầu 133 kg/h thì hàm lượng từng cấu tử
còn lại sẽ là (kg/h) :
Benzen 133 . 0,025 = 3
Toluen 133 . 0,19 = 25
Xylen 133 . 0,31 = 42
Solven 133 . 0,475 = 63
Tổng: 133
Trang 16
`
Như vậy, lượng cấu tử riêng biệt đưa vào máy gia nhiệt (kg/h):
Benzen 835
Toluen 264
Xylen 88
Solven 86
Tổng: 1273
Đưa vào máy gia nhiệt lượng chất sau đây:
kg/h mol/h

Dầu hấp thụ 63091 371
Benzen 835 10,71
Toluen 264 2,87
Xylen 88 0,83
Solven 86 0,72
Nước 644 35,8
Tổng: 65008 421,93
Để xác định lượng sản phẩm chưng cất ở trong máy gia nhiệt khi đun nóng dầu
ta thừa nhận nhiệt độ gia nhiệt đến 135
0
C; áp suất hơi khi ra khỏi máy gia nhiệt là
830 mmHg; toàn bộ nước được chưng khỏi dầu.
Kí hiệu
b
ϕ
,
t
ϕ
,
x
ϕ
,
s
ϕ
,
d
ϕ
,
n
ϕ

là phần benzen, toluen, xylen, solven, dầu và
nước, còn lại ở trong dầu. Những giá trị đó có thể xác định được từ hệ phương trình
sau đây:
(1 )
b b
t
b b b t
p
p p
ϕ
ϕ
ϕ ϕ
=
+ −
;
(1 )
b b
x
b b b x
p
p p
ϕ
ϕ
ϕ ϕ
=
+ −
Trang 17
`
(1 )
b b

s
b b b s
p
p p
ϕ
ϕ
ϕ ϕ
=
+ −
;
(1 )
b b
d
b b b d
p
p p
ϕ
ϕ
ϕ ϕ
=
+ −
0
n
ϕ
=
;
i
i
i i i
i i

G
M
A P
G G
M M
ϕ
ϕ
=
−
∑
∑ ∑

Và
b
b
A
A p
ϕ
=
+
Trong đó:
b
ϕ
,
t
ϕ
,
x
ϕ
,

s
ϕ
,
d
ϕ
,
n
ϕ
- Áp suất hơi của các cấu tử, mmHg.
P - Áp suất chung của hơi khi ra khỏi máy gia nhiệt, mmHg.
G
i
- Lượng cấu tử đưa vào máy gia nhiệt, kg.
M
i
- Khối lượng phân tử của cấu tử.
Để xác định
i
ϕ
cần thiết phải cho trước giá trị
b
ϕ
sau đó ta tính được
t
ϕ
,
x
ϕ
,
s

ϕ
,
d
ϕ
tiếp theo xác định A và kiểm tra
b
ϕ
theo công thức sau:

b
b
A
A p
ϕ
=
+

Áp suất hơi của các cấu tử ở 135
0
C, tính bằng mmHg;
b
p
= 3160;
t
p
= 1600;
x
p
= 720;
s

p
= 346;
d
p
= 78.
Chọn
0,7
b
ϕ
=
; khi đó:
0,7.3160
0,822
0,7.3160 0,3.1600
t
ϕ
= =
+
Trang 18
`
0,7.3160
0,91
0,7.3160 0,3.720
x
ϕ
= =
+
0,7.3160
0,955
0,7.3160 0,3.346

s
ϕ
= =
+
0,7.3160
0,989
0,7.3160 0,3.78
d
ϕ
= =
+
Ʃ =421,93

i i
i
G
M
ϕ
∑
=10,71.0,7+2,87.0,82+0,83.0,980+0,72.0,955+371=382,4
Kiểm tra:
Như vậy trong pha lỏng còn lại:
mol kg/h
Dầu hấp thụ 371 . 0,989 = 367 62390
Benzen 10,71 . 0,7 = 7,5 585
Toluen 2,87 . 0,822 = 2,36 217
Xylen 0,83 . 0,91 = 0,76 81
Solven 0,72 . 0,955 = 0,69 83
Tổng: 378 63356
Thành phần pha hơi:

mol kg/h
Dầu hấp thụ 371 – 367 = 4 680
Trang 19
`
Benzen 10,71 – 7,5 = 3,22 251,2
Toluen 2,87 - 2,36 = 0,51 46,92
Xylen 0,83 - 0,76 = 0,07 7,42
Solven 0,72 – 0,69 = 0,03 3,6
Hơi nước 35,8 644
Tổng: 43,63 1633
Hàm lượng hydrocacbon benzen trong pha lỏng sau máy gia nhiệt là:
của dầu nguyên chất.
Cân bằng vật chất trong máy gia nhiệt được đưa ra trong bảng 3.1
Bảng 3.1
Cấu tử
Vào
Còn lại trong pha
lỏng
Chuyển vào pha hơi
kg/h mol/h kg/h mol/h kg/h mol/h
Dầu hấp thụ
Benzen
Toluen
Xylen
Solven
Nước
63091
835
264
88

86
644
371
10,71
2,87
0,83
0,72
35,8
62390
585
217
81
83
-
367
7,5
2,36
0,76
0,69
-
68
251,2
46,92
7,42
3,6
644
4
3,22
0,51
0,07

0,03
35,8
Tổng 65008 421,93 63356 378 1633 43,63
3.3.3.Tính toán nhiệt của máy gia nhiệt
Nhiệt vào
a. Nhiệt do dầu hấp thụ mang vào ở 90
0
C:
Q
1
=63091. 0,463. 90 = 2629002 kcal/h.
Trong đó tỉ nhiệt của dầu hấp thụ là:
Trang 20
`
(0,403 0,00081. ) (0,403 0,00081.90)
0,463
1,06
d
d
t
C
γ
+ +
= = =
kcal/kg.độ.
b. Nhiệt mang vào bởi hydrocacbon benzen:
Q
2
= 1273 . 0,470 . 90 = 53848 kcal/h .
Trong đó tỉ nhiệt của benzen thô:

C = 0,383 + 0,001043 .t = 0,383 + 0,001043 .90 = 0,47 kcal/kg.độ.
c. Nhiệt mang vào bởi nước có ở trong dầu:
Q
3
= 644 .1.90 = 57960 kcal/h.
d. Nhiệt do hơi nước cung cấp : Q
4
Tổng cộng nhiệt mang vào:
Q
vào
= 2740810 + Q
4
.
Nhiệt tiêu hao
a. Nhiệt mang ra bởi dầu lỏng ở 135
0
C:
Q
5
= 62390 . 0,498.135 = 4194480 kcal/h,
Trong đó:
1
(0,403 0,00081.135) 0,498
1,06
C = + =
kcal/h.độ.
b. Nhiệt mang ra bởi hydrocacbon benzen ở trong dầu:
Q
6
= 966.0,52.135 = 67813 kcal/h,

Trong đó:
C = 0,383+0,001043.135 = 0,52 kcal/h.độ.
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha lỏng 4262293 kcal/h.
c. Nhiệt mang ra bởi hơi dầu hấp thụ:
Q
7
= 680.116,7 = 79356 kcal/h,
Trang 21
`
Trong đó hàm nhiệt của hơi dầu ở 135
0
C:
i
= 62,2+ 0,403.t = 62,2+0,403.135 =116,6 kcal/kg.
d. Nhiệt do hơi hydrocacbon benzen mang ra:
Q
8
= 309. 142,4 = 44002 kcal/h,
Trong đó hàm nhiệt của hơi hydrocacbon benzen:
i
= 103+ C.t kcal/kg,
20,7 0,026.t
C
M
+
=
kcal/kg.độ.
Hay:
20,7 0,026.135
0,292

83
C
+
= =
kcal/kg.độ,
Khi đó:
i
= 103+0,292.135 = 142,4 kcal/kg.
e. Nhiệt mang ra bởi hơi nước bốc hơi từ dầu:
Q
9
= 644.656 = 422464 kcal/h,
Trong đó: 656 – hàm nhiệt của hơi nước, kcal/kg.
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha hơi là 545822 kcal/h.
Tổng cộng nhiệt mang ra bởi pha lỏng và pha hơi là 4808115 kcal/h.
k. Thừa nhận mất mát nhiệt mang ra môi trường xung quanh bằng 0,5% lượng nhiệt
do hơi cung cấp, nghĩa là
10 4
0,005Q Q
=
Tổng tiêu hao nhiệt:
Q
ra
= 4808115 + 0,005Q
4
Cân bằng nhiệt vào và ra ta sẽ thu được lượng nhiệt do hơi nước cung cấp:
2740810 + Q
4
= 4808115 + 0,005Q
4

Trang 22
`
Ta thu được: Q
4
= 2077693 kcal/h
Mất mát nhiệt: Q
10
= 0,005.2077693 = 10388 kcal/h
Tiêu hao hơi cho quá trình gia nhiệt không kể đến sử dụng nhiệt của nước
ngưng:
4
h
Q
G
λ
=
Trong đó
λ
- nhiệt ngưng tụ hơi, kcal/kg.
Thừa nhận hơi bão hòa có áp suất p = 6 atm, nhiệt độ 158,1
0
C,
λ
= 499,9 kcal/kg.
Ta được:
h
G
= = 4156 kg/h.
Cân bằng nhiệt của máy gia nhiệt
Nhiệt vào, kcal/h Nhiệt ra, kcal/h

Nhiệt do dầu mang vào 2740810 Nhiệt mang ra bởi pha lỏng 4262293
Nhiệt do hơi đốt cung cấp 2077693 Nhiệt mang ra bởi pha hơi 545822
Mất mát nhiệt 10388
Tổng: 4818503 Tổng: 4848503
Xác định bề mặt truyền nhiệt và kích thước của máy gia nhiệt
Để chế tạo máy gia nhiệt ta dùng ống có đường kính 21/25 mm.
Tốc độ chuyển động của dầu trong các ống 0,9 m/s.
Độ nhớt của dầu ở nhiệt độ trung bình 112,5
o
C bằng 0,37 cp.
Khối lượng riêng của dầu trung bình ở 112,5
0
C:
15
1 0,000402.(112,5 15)
γ
γ
=
+ −
=
1060
1 0,000402.(112,5 15)+ −
=1020 kg/m
3
.
Thiết diện cần thiết của ống:
Trang 23
`
3600.
d

t
V
S
υ
=
,
Trong đó V
d
– Thể tích của dầu hấp thụ = 64 m
3
/h;
. m
2
Lượng ống cần thiết cho một lượt đi là:

Thừa nhận máy gia nhiệt có 8 luồng, như vậy số ống trong máy gia nhiệt 57.8
= 456 ống.
Xếp trong 12 hình lục giác, thì phải có 479 ống.
Khi đó tiết diện tổng cộng:

2
.n=0,785. 0,02
2
.479=0,166 m
2
Tốc độ thực tế của dầu:
m/s.
Chuẩn số Reynol:
Re = 1000
d

z
υ γ
= 1000. = 49787.
Chuẩn số Pr:
Pr =
3,6Cz
λ
,
Trong đó:
z
= 0,37 cp, là độ nhớt của dầu;
C – Tỉ nhiệt của dầu ở 112,5
0
C tính bằng kcal/kg.độ;
C =
1
1,06
(0,403 + 0,00081.112,5) = 0,48 kcal/kg.độ;
Trang 24
`
λ
- Dẫn nhiệt của dầu ở 112,5
0
C;
λ
= 360(0,000311 + 0,00000342.112,5) = 0,25 kcal/m.h.độ.
Khi đó:

0,48.0,37.3,6
Pr 2,56

0,25
= =
Hệ số cấp nhiệt từ tường cho đến dầu ứng với chuyển động xoáy được xác định
theo phương trình:
2
α
= Nu
d
λ
,
Trong đó:
Nu = 0,023 Re
0,8
Pr
0,4
,
Hay:
Nu = 0,023.51000
0,8
.2,56
0,4
= 196.
Suy ra:
2
α
= Nu
d
λ
=
196.0,25

0,021
=2330 kcal/m
2
.h.độ.
Hệ số cấp nhiệt riêng phần từ hơi đến thành ống thừa nhận:
1
α
= 10000 kcal/m
2
.h.độ.
Hệ số truyền nhiệt tổng cộng từ hơi đến dầu K bằng:
K =
1 2
1
1 1
δ
α λ α
+ +
kcal/m
2
.h.độ.
Hệ số truyền nhiệt tổng cộng có kể đến lớp cặn dày 2 mm và độ dẫn nhiệt là 1
kcal/m.h.độ, khi đó hệ số truyền nhiệt K tổng cộng là:
Trang 25
`