Thiết kế phân xưởng thu hồi ben zen thô trong tháp hấp thụ dạng đĩa với năng suất 54000

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ hóa học là một ngành đóng góp rất lớn trong sự phát triển công
nghiệp nước ta. Nhu cầu về sử dụng benzen thô (benzen,toluen,xylen) ngày càng
cao : trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp hóa dầu.
Ngày nay, có nhiều phương pháp thu hồi benzen thô như phương pháp
chưng cất, phương pháp hấp thụ,… Tùy theo đặc tính và ưu nhược điểm của từng
phương pháp trong từng trường hợp nhất định mà ta lựa chọn phương pháp thích
hợp. Và nhóm chúng tôi đã lựa chọn thu hồi ben zen thô từ khí cốc bằng phương
pháp hấp thụ dạng đĩa.
Đồ án môn quá trình và thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kĩ sư hóa học - thực phẩm trong tương lai. Môn học giúp
sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá
thành,… của một thiết bị trong sản xuất hóa chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên
vận dụng những kiến thức đã học nhiều môn học và giải quyết những vấn đề kỹ
thuật thực tế một cách tổng hợp.
Đồ án của nhóm sinh viên chúng tôi là “ Thiết kế phân xưởng thu hồi ben
zen thô trong tháp hấp thụ dạng đĩa với năng suất 54000Nm
3/
h”.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Thông và các thầy
cô bộ môn quá trình và thiết bị, các bạn sinh viên giúp chúng tôi hoàn thành đồ án
này. Tuy nhiên trong quá trình hoàn thành đồ án không thể không thiếu sót, chúng
tôi rất mong được thầy cô góp ý và chỉ dẫn. Xin chân thành cảm ơn !
Page 1
Mục lục
Chương I :Tổng quan 3
1. Ý nghĩa kinh tế kĩ thuật của dồ án 3
2. Cơ sỡ lí thuyết của quá trình hấp thụ 4
3. Nguyên liệu của quá trình 18
Chương II :Tính toán thiết bị 19
1. Mô tả sơ đồ công nghệ 19

2. Tính toán máy lạnh khí cốc lần cuối 23
2.1 Tính toán vật chất 24
2.2 Tính toán nhiệt 25
3.Tính toán tháp hấp thụ 27
3.1 Đường kính tháp hấp thụ 27
3.2 Đường kính,diện tích ống chảy truyền 27
3.3 Chiều cao thiết bị 29
4.Máy gia nhiệt trong dầu hấp thụ 33
4.1 Ý nghĩa và cấu tạo của máy gia nhiệt 33
4.2 Tính toán thiết bị gia nhiệt dầu 34
5.Tính toán thiết bị chưng cất 44
5.1 Cân bằng vật chất toàn tháp 51
5.2 Cân bằng nhiệt của tháp 51
5.3 Xác định đường kính tháp 54
Chương III: Kết luận và tài liệu tham khảo 56
Page 2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1. Ý nghĩa kinh tế của đồ án
a. Tính thực tiễn của đồ án
Như chúng ta đã biết, chúng ta đang sống trong một giai đoạn lịch sử mới
của trái đất – kỷ nguyên loại người – với sự bùng nổ mạnh mẽ của các nghành
công nghiệp hiện đại. Cùng với sự bùng nổ mạnh mẽ về công nghiệp như thế
chúng ta cũng đang phải đối mặt với sáu vấn đề có liên quan tới nhau và rất cấp
bách đó là: lương thực, nước, đa dạng sinh học, biến đổi khí hậu, đặc biệt là vấn đề
năng lượng và sự ô nhiễm môi trường.
Như trên đã nêu, năng lượng và ô nhiễm là hai vấn đề quan trọng cấp bách
cần giải quyết nhanh chóng.
Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền đại công nghiệp
thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn. Trong khi đó
nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt, theo như dự báo của các nhà

khoa học thì trữ lượng xăng dầu của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa.
Vì vậy 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 đưa chúng tôi đến việc tim hiểu về việc “ Thiết kế
phân xưởng thu hồi ben zen thô trong tháp hấp thụ dạng đĩa với năng suất
54000Nm
3/
h” hứa hẹn sẽ gải quyết phần nào những khó khăn của nền kinh tế đang
trong giai đoạn phát triển.
b. Lợi ích của việc thu hồi benzen
Việc thu hồi 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.
Page 3
– 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
2. Cơ sở lí thuyết của quá trình hấp thụ
a. Khái niệm
Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng rất nhiều
trong các công nghệ khác, hấp thụ dựa trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa

là có sự vận chuyển từ pha này vào pha khác. Phụ thuộc vào bản chất của sự tương
tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí, hấp thụ được chia làm hai
loại: hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học. Hấp thụ vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu
tử pha khí trong pha lỏng. Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp
thụ và chất hấp thụ hoặc cấu tử trong pha lỏng.
Quá trình hấp thụ tách hay bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí
thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng).Lúc này hỗn hợp khí được
cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan có chọn lọc một hay nhiều cấu
tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.
- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ
- Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thụ)
- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thụ được dùng để:
- Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí
- Làm sạch pha khí
- Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt
- Tạo thành một dung dịch sản phẩm
Page 4
Nếu quá trình hấp thụ khí với mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp
khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có 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 của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ
hấp thụ và có lợi cho quá trình chuyển khối.
- Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi.
- Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu
tử ra khỏi dung môi.
- Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc
và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn.
- Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm, không độc hại với người và không ăn mòn

thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả các chỉ tiêu
đã nêu, Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản
xuất.
b. Cơ chế 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, được mô tả và
tính toán dựa vào phân chia 2 pha (cân bằng pha, khuếch tán).
Cơ chế quá trình có thể chia thành 3 bước:
+ Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt
của chất lỏng hấp thụ. Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện
tượng khuếch tán:
Page 5
Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khối
khí.
Khuếch tán phân tử: làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên.
Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự thế:
Khuếch tán rối: đuợc hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong
toàn bộ khối chất lỏng
Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển các phân tử đến lớp biên hoặc từ lớp
biên đi vào pha khí.
+ Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ
+ Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt nhãn cách vào sâu trong lòng
chất lỏng hấp thụ.
Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị
hấp thụ trong pha khí.
c. Quá trình trao đổi chất
Khi chất ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ các phân tử được trao đổi
qua vùng ranh giới gọi là lớp biên (màng, phim), các phân tử đi qua lớp biên từ cả
2 phía, một số từ phía chất khí, một số từ phía chất lỏng.

Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp
suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hòa tan của phân tử. Cường độ trao đổi sẽ tăng nếu
giữa pha lỏng và pha khí có diễn ra phản ứng hóa học hay các phân tử khí không
hể quay trở về khối khí khi có tác động của các quá trình vật lý.
Quá trình hấp thụ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống.
Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng
lượng của cấu tử pha khí bị giảm. Hiện tượng này xảy ra là do sự chuyển động hỗn
loạn của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn từ đó dẫn tới sự cân
bằng năng lượng giữa hai pha. Nhờ có chuyển động này mà sự khác biệt cục bộ về
Page 6
nồng độ chất khí trong hỗn hợp sẽ được giảm dần ngay cả khi không có sự can
thiệp của ngoại lực như khuấy, lắc.
Mặt khác tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ cũng bị giảm do
thể tích pha khí giảm. Theo Nguyên lý Le Chartelier: độ hòa tan của khí trong chất
lỏng tăng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt độ của quá trình.
Trong thực tế có 2 hiện tượng hấp thụ:
 Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng
thiết bị truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ. Nếu nồng độ ban đầu
không lớn hoặc khi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của
chất lỏng không đáng kể.
 Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi không có sự trao đổi với môi trường bên
ngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hóa nhưng điều kiện cân
bằng không tốt.
d. Cân bằng vật chất trong quá trình hấp thụ
Xét một quá trình xảy ra với một pha ký hiệu là L và pha ký hiệu là G.
Trong thiết bị hai pha tiếp xúc nhau và chỉ có dung chất A khuếch tán giữa hai pha.
Cấu tử không khuếch tán giữa hai pha gọi là cấu tử trơ. Ký hiệu:
L
đ
, L

c
: Suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi thiết bị.(kmol/h)
G
đ
, G
c
: Suất lượng mol tổng cộng của pha G vào và ra khỏi thiết bị. (kmol/h)
L
tr
, G
tr
: Suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ) trong pha lỏng, pha
khí. (kmol/h)
x
đ
, x
c
: Phần mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết bị.(kmol/kmol)
y
đ
, y
c
: Phần mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết bị. (kmol/kmol)
X
đ
, X
c
: Tỉ số mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết bị. (kmol/kmol)
Y
đ

, Y
c
: Tỉ số mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết bị. (kmol/kmol)
Page 7
Lđ xđ
Ltr xđ
Gc Gtr
Yc yc
x L
x Ltr
G y
Gtr y
Lc Ltr
xc xc
Gđ Gtr
yđ yđ
Hình 1.1: Trình bày quá trình tiếp xúc nghịch dòng cho một tháp bất kỳ.
Gọi G : suất mol tổng cộng/h (m
2
tiết diện tháp)
y: phần mol của dung chất khuếch tán A
p : áp suất riêng phần
Y : tỉ số mol
G
tr
: suất lượng mol của cấu tử trơ/h.m
2
Tại một vị trí bất kỳ trong tháp:
(1.1) Y = =
(1.2) G

tr
= G( 1 - y ) =
Tương tự cho pha lỏng:
Page 8
Hình 1.1. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu
(1.3) X =
(1.4) L
tr
= L( 1 - x ) =
Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có suất lượng không đổi khi đi
qua tháp nên ta viết phương trình cân bằng vật chất trên căn bản cấu tử trơ. Cân
bằng dung chất cho phần dưới tháp đến vị trí bất kỳ (bao hình 1) là:
(1.5) G
tr
(Y
1
- Y ) = L
tr
(X
1
– X )
Đây là phương trình đường thẳng (đường làm việc) trên tọa độ X, Y, hệ số
góc là L
tr
/G
tr
và đi qua điểm (X
1
/Y
1

). Nếu thay X, Y bằng X
2
/Y
2
thì đường biểu diễn
cũng đi qua điểm (X
2
/Y
2
). Đường làm việc là đường thẳng khi vẽ theo tọa độ tỉ số
mol X,Y hoặc tỉ số khối lượng ,. Nếu biểu diễn theo phần mol hoặc áp suất riêng
phần, đường làm việc sẽ là đường cong, phương trình khi đó là:
(1.6) G
tr
( - ) = G
tr
(

- ) = L
tr
( - )
Với P
t
là áp suất tổng được xem như không đổi trong suốt cả tháp.
e. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thụ
Trong việc tính toán quá trình hấp thu, ta thường biết trước các đại lượng sau:
− Suất lượng pha khí G hay G
tr
− Nồng độ hai đầu pha khí Y
1

và Y
2
nồng độ của pha lỏng ban đầu X
2

Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượng trên.
Page 9
Y
X
Đường cân bằng
Hình 1.2. Đường làm việc cho quá trình hấp thu
Đường làm việc Ltr/Gtr
Đỉnh
Đáy
Y1
0
Y2
X2
X1
Hình 1.3a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại đường có
tung độ Y
1
. Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ
pha lỏng trong dòng ra sẽ là X
1
. Nếu lượng dung môi sử dụng ít hơn, thành phần
pha lỏng đi ra sẽ lớn hơn (điểm F) nhưng động lực khuếch tán sẽ nhỏ hơn, quá
trình thực hiện khó hơn, thời gian tiếp xúc pha sẽ lâu hơn, do đó thiết bị hấp thụ
phải cao hơn. Đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu khi tiếp xúc với
đường cân bằng tại P. Tại P động lực khuếch tán bằng không, thời gian tiếp xúc

pha không xác định và tháp có chiều cao không xác định. Điều này là điệu kiện
giới hạn cho lượng dung môi sử dụng.
Page 10
Y
X
Đường cân bằng
Hình 1.3. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu
E
Y1
0
Y2
X2
X1max
Y1
X2
X1max
X
Đường cân bằng
Ltrmin/Gtr
X1
F
M
D
P
Y2
0
a)
b)
Thường thì đường cân bằng lõm như hình 1.3b, đường làm việc ứng với
lượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dòng lỏng ra cân bằng với nồng

độ dòng khí vào. Như vậy ta có:
L
tr min
= G
tr


(1.7)
Với X
1max
là nồng độ ra của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay
nồng độ ra của pha lỏng cân bằng với nồng độ vào của pha khí.
Trong thực tế, lượng dung môi sử dụng luôn lớn hơn lượng dung môi tối
thiểu và nồng độ ra của pha lỏng nhỏ hơn nồng độ cực đại.
f. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình hấp thụ
Phương trình cân bằng 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
Page 11
Y
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
: Entalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg)
C
đ
, C
c
: Tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg độ)
Q
0
: Nhiệt mất mát, (kJ/h)
Q
s
: Nhiệt phát sinh do hấp thu khí, (kJ/h)
g. Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu. Cụ thể
là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi các điều kiện khác không đổi nếu nhiệt độ tăng thì giá trị của hệ số
Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung. Giả sử đường làm việc
PQ không đổi, nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độ
truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những
động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình củng không thực hiện được theo
đường làm việc PQ cho trước. Mặt khác nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vì
làm độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ
yếu nằm trong pha lỏng).

Page 12
t1 t2 t3 t4
P
Q
y
x
t1 > t2 > t3 > t4
P1 P2 P3 p4
P
Q
y
x
P1 < P2 < P3 < P4
Hình 1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình hấp thụHình 1.5. Ảnh hưởng của áp suất lên quá trình hấp thụ
Ảnh hưởng của áp suất
Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất của hỗn hợp khí thì
hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục
hoành. Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì động lực tốt
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 vận hành của tháp hấp thu.
Các yếu tố khác
Tính chất của dung môi, loại thiết bị, 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
h. Thiết bị hấp thụ
Page 13
Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng
càng lớn càng tốt. Có nhiều dạng tháp hấp thụ:
+ Tháp phun: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất
trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị

và cho dòng khí đi qua. Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có
chứa hạt rắn.
+ Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước lỏng.
+ Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất
lỏng. Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp,
tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học.
+ Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra
bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. Tháp đệm thường
được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng/khí lớn, khí không
chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng.
+ Tháp đĩa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh
tế hơn những tháp khác, được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và
môi trường không ăn mòn.
Tháp hấp thụ phải thõa mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng
cho khí đi qua, trở lực thấp (< 3000 Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện,
khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. Khi
đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp
thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha
xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối.
3. Nguyên liệu quá trình:
3.1 Khí cốc:
Page 14
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
hơi nước và các hạt rắn. Khí cốc sau khi đã làm sạch amiac được đưa đi tách
Benzene thô.
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.
Page 15
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Mô tả sơ đồ công nghệ
a. Sơ đồ công nghệ làm lạnh cuối khí cốc sau thùng bão hòa.
Hình 2: 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.
b. Sơ đồ công nghệ thu hồi 1 loại benzen thô ( hình 3 )
Dầu hấp thụ bão hòa benzen từ các 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
Page 16
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.
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. 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
Page 17
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 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.
Hình 3: Sơ đồ công nghệ thu một loại benzen thô ( xem bản vẽ )
Trong sơ đồ này các vị trí, thiết bị được kí hiệu như sau:
1. Dầu đưa vào máy hồi lưu
2. Dầu đưa vào máy trao đổi nhiệt
3. Hơi benzen đi vào tháp
4. Dầu đưa vào máy tái sinh
5. Đường dẫn hơi
6. Bộ phận gia nhiệt trong máy tái
sinh đối với dầu
7. Hơi từ máy tái sinh đưa vào
tháp
8. Đường dẫn hơi

9. Để tháo polyme
10. Hơi đưa và máy hồi lưu
11. Nước kỹ thuật lạnh
12. Hơi đưa vào máy ngưng tụ
13. Nước kỹ thuật lạnh
14. Nước kỹ thuật nóng từ máy
ngưng tụ
15. Tháo nước ngưng tụ lấy trong
máy ngưng tụ
16. Tháo benzen thô từ thùng phân
ly của máy ngưng tụ
17. Xả khí không ngưng tụ ra
ngoài trời
18. Tháo nước từ thùng phân ly
19. Tháo nước từ thùng phân ly
20. Dầu đưa vào tháp
I. Máy hồi lưu
II. Trao đổi nhiệt
III. Gia nhiệt dầu
IV. Tháp benzen
V. Tái sinh dầu bằng hơi
VI. Ngưng tụ - làm lạnh
VII. Phân ly hồi lưu
VIII. Thùng chưa dầu hấp thụ
IX. Bơm chân không
X. Máy làm lạnh kiểu tưới
XI.
Page 18
XII. c. Sơ đồ thu hồi benzene thô từ khí cốc (hình 4)
XIII. 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.
XIV. 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 dòng khí, sau đó qua van thủy lực. Và từ đây được
bơm vào tháp Benzene tiếp theo.
XV. 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.
XVI. 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.
XVII.
2. Tính toán máy làm lạnh khí cốc lần cuối.
2.1 Tính toán vật chất
XVIII. 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.
XIX. Lượng khí vào máy lạnh theo bảng sau:
XX. Lượng khí đi vào XXI. Kg/h XXII. m
3
/h
XXIII. Khí cốc khô XXIV. 18000 XXV. 37500
XXVI. Hơi nước XXVII. 27600 XXVIII. 34400
XXIX. Hydrocacbon benzen XXX. 1200 XXXI. 316
XXXII. H
2
S XXXIII. 600 XXXIV. 396
XXXV. Hơi nhựa XXXVI. 1050 XXXVII. 139
XXXVIII. Amiac XXXIX. 360 XL. 475
XLI. Tổng cộng XLII. 48800 XLIII. 73226
XLIV.
XLV. Nhiệt độ ra khỏi máy làm lạnh là 30
0
C, áp suất là 893mmHg.
XLVI. Trong máy ngưng tụ một lượng nhựa là 1050 kg/h
XLVII. Thể tích hơi nước ra khỏi máy được xác định là:
XLVIII.
Page 19
XLIX. Áp suất bảo hòa hơi nước ở 30
0
là p = 33,11 mmHg.
L. Áp suất khí ra khỏi máy P = 893 mmHg
LI. -thể tích khí khô ra khỏi máy
LII. 6 + 475 = 38687 m

3
/h
LIII. Vậy : .
LIV. Tính theo trọng lượng là 1197 kg/h.
LV. Như vậy lượng nước đã ngưng tụ: 27600– 1197 = 26403 kg/h
hơi nước
LVI. Lượng nước trên nhựa khi chế biến : 12000 1197 = 10803 kg/h
LVII. 12000 : Lượng nước thoát ra từ than đá
LVIII. Thừa nhận thành phần của nước trên nhựa gồm : = 7g/kg ,=
2g/kg
LIX.
LX.
LXI. Lượng khí ra khỏi máy lạnh theo bảng sau:
LXII. Lượng khí ra khỏi máy làm lạnh LXIII. Kg/h LXIV. m
3
/h
LXV. Khí cốc khô LXVI. 18000 LXVII. 37500
LXVIII. Hơi nước LXIX. 1197 LXX. 1490
LXXI. Hydrocacbon benzen LXXII. 1200 LXXIII. 316
LXXIV. H
2
S LXXV. 578 LXXVI. 381
LXXVII. Amiac LXXVIII. 284 LXXIX. 374
LXXX. Tổng cộng LXXXI. 21259 LXXXII. 4006
1
LXXXIII.
2.2 Tính toán nhiệt
2.2.1 Tính toán nhiệt mang vào.
– Nhiệt mang vào khí cốc từ thùng bảo hòa theo tính toán là:
LXXXIV. Q

1
= 18000.0,7.80=1008000 kcal/h
LXXXV. Tỷ nhiệt của không khí khô ở là 0,7 kcal/kg.độ
– Nhiệt mang vào bởi hơi nước :
LXXXVI. Q
2
= = 27600.(595 + 0,438.80)
LXXXVII. =17389104 kcal/h
LXXXVIII.
LXXXIX. Tỷ nhiệt của hơi nước ở là 0,438 kcal/kg.độ
– Nhiệt mang vào hơi nhựa:
XC. 1050.(100 + 0,336.80) = 133224 kcal/h
XCI.
Page 20
XCII. : Tỷ nhiệt của nhựa ở là 0,336 kcal/kg.độ
– Nhiệt mang vào bởi hydrocacbon benzen thô:
XCIII. 1200.0,248.80 = 23808 kcal/h
XCIV. Tỷ nhiệt của benzen thô ở là 0,248 kcal/kg.độ
– Nhiệt mang vào bởi :
XCV. = 600.0,238.80 = 11424 kcal/h
XCVI. Tỷ nhiệt của ở là 0,238 kcal/kg.độ
– Nhiệt mang vào bởi amiac :
XCVII. 360. 0,503.80 = 14486 kcal/h
XCVIII. Tỷ nhiệt của ở là 0,503 kcal/kg.độ
– Tổng nhiệt do khí cốc mang vào: =18580046 kcal/h
– Nhiệt do nước làm lạnh mang vào :
XCIX. = 25.W
C. : Lượng nước làm lạnh đưa vào tháp kg/h
CI. Nhiệt độ vào của nước làm lạnh =
– Lượng nhiệt mang vào tổng cộng là :

CII. 18580046 + 25.W kcal/h
2.2.2 Tính toán nhiệt tiêu hao
 Nhiệt mang ra bởi khí cốc
• Nhiệt mang ra bởi khí khô :
CIII. 18000.0,681.30 = 367740 kcal/h
CIV. 0,681 kcal/kg.độ : Tỷ nhiệt của khí khô ở
• Nhiệt mang ra bởi hơi nước:
CV. 1197.(595 + 0,4.30) = 727800 kcal/h
CVI. O,4 kcal/kg.độ : Tỷ nhiệt của hơi nước ở
• Nhiệt mang ra bởi benzen thô:
CVII. 1200.0,227.30 = 8155 kcal/h
CVIII. kcal/kg.độ : Tỷ nhiệt benzen thô ở
• Nhiệt mang ra bởi H
2
S:
CIX. 578. 0,217.30 = 3763 kcal/h
CX. 0,217 kcal/kg.độ: Tỷ nhiệt của H
2
S ở 30
o
C
• Nhiệt mang ra bởi amiac:
CXI. Q
5
= 284.0,459.30 = 3911 kcal/h
CXII. 0,493 kcal/kg.độ : Tỷ nhiệt của NH
3
ở 30
o
C

• Tổng nhiệt lượng mang ra bởi khí:
CXIII. Nhiệt mang ra do hơi nước và nước ngưng ở bể ra ở 70
o
C
:
CXIV. 70.(W + 26403 +1050.0,349) = 70W + 1873862 kcal/h
Page 21
CXV. Với tỷ nhiệt của nhựa lỏng
CXVI. 0,327 + 0,0031.t = 0,327 + 0,0031.70 = 0,349 kcal/kg.độ
CXVII. Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi máy:
CXVIII. 2985231 + 70.W
CXIX. Cân bằng nhiệt lượng: Q
vào
= Q
ra
CXX. 18580046 + 30.W = 2985231 + 70.W
CXXI. Suy ra: W= 389870 kg
CXXII. Theo lưu lượng thể tích là ≈ 380 m
3
/h, tương ứng cho
1000m
3
/h khí khô là: 10
CXXIII. Trên cơ sở cân bằng nhiệt, tính toán trao đổi nhiệt vào ra
máy làm lạnh (kcal/h):
CXXIV. Vào Ra
CXXV. Khí 18580046
CXXVI. Nước 9746750
30276131
CXXVII. ________________ ________________

CXXVIII. 28326796 4171172
CXXIX.
CXXX. 3.Tính toán tháp hấp thụ:
CXXXI. 3.1Đường kính tháp hấp thụ:
– Tính toán tốc độ khí trong tháp:
CXXXII.
4 X
Y Be
−
=
CXXXIII. Trong đó:
CXXXIV.
( )
1/4
1/8
/ ( / )X L G y x
ρ ρ
=
CXXXV.
0,16
2
3 2
.
y
x
c x y
Y
gd F
ρ
ω µ

ρ µ
 
=
 ÷
 ÷
 
CXXXVI. F
c
: phần tiết diện tự do của đĩa(m
2
/ m
2
)
CXXXVII.
,
x y
µ µ
: là độ nhớt của dầu và nước ở 20
0
C
Page 22
CXXXVIII.
1/4
1/8
16,44 0,464
0,498
5,577 1060
X
 
 

= =
 ÷
 ÷
 
 
CXXXIX. Giá trị của B nằm trong khoảng 2,95-10. Chọn B=8. Ta có:
CXL.
4.0,489
8.2,72 1,092Y
−
= =
CXLI.
0,16
2 3
2 3
0,464 16,5.10
. . 1,092
9,8.0,012.0,2 1060 10
Y
ω
−
−
 
= =
 ÷
 
CXLII. Từ đó suy ra:
2,74( / )m s
ω
=

– Đường kính tháp hấp thụ:
CXLIII.
( )
5
5
0 0
273 30
1,013.10
4. . .
4.13,9. .
273 1,119.10
2,47( )
. 3,14.2,74
T P
G
T P
d m
π ω
+
= = =
CXLIV. Theo thực tế, đường kính tháp được chọn bằng 2,6 (m).
CXLV. Vận tốc thực tế trong tháp là:
CXLVI.
2
2,47
2,74. 2,47( / )
2,6
m s
ω
 

= =
 ÷
 
3.2 Đường kính, diện tích mặt cắt ống chảy chuyền
– Đường kính ống chảy chuyền
CXLVII. d
ch
= (m)
CXLVIII. Trong đó :
CXLIX. G
x
lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h
CL. ρ
x
khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3
CLI. z số ống chảy chuyền
CLII. w
c
tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, w
c
=0,1 ÷ 0,2 m/s
Page 23
–
Lượng dung môi tối thiểu:
CLIII.
min
0,0864 0,0045
5,58. 16,44 / 59184 /
0.0293 0,0015

d c
tr tr
c d
Y Y
L G kg s kg h
X X
−
−
= = = =
− −

CLIV. Trong đó:
CLV.
(1 ) 5,58( / )
tr d d
G G y kg s= − =
CLVI.
3
3
35.10
0,864 /
0,44 35.10
d
d
kc d
y
Y kgBT kgKC
y
ρ
−

−
= = =
− −
3
3
2.10
0,0045 /
0,44 2.10
c
c
kc c
y
Y kgBT kgKC
y
ρ
−
−
= = =
− −
0,15
0,0015 / D
100 100 0,15
d
d
d
x
X kgBT kgDT
x
= = =
− −

0,0239 /
c
X kgBT kgDTD
=
CLVII. Do lượng dung môi thực tế nhiều hơn lượng dung môi tối thiểu 20% nên
CLVIII. L
tr
= 1,2.L
tr min
= 1,2.59184 =71920,8 (kg/h)
CLIX. Lưu lượng lỏng đi trong tháp:
CLX. G
x
= L
tr
.18 = 71920,8.120 = 1278374,4 (kg/h)
CLXI. Vì lưu lượng trung bình đi vào tháp lớn nên ta dùng 4 tháp hấp thụ. Khi đó
CLXII. d
ch
=
4.1278374,4 / 4
0,73( )
3600.3,14.1055.0,2.1
m=
(m)
CLXIII. => Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền
Page 24
CLXIV. S
ch
=

=
2
3,14.0,73
0,42
4
=

(m
2
)
CLXV. Khoảng cách thân thiết bị đến gờ chảy tràn
CLXVI. L = D - d
ch
=2,72 – 0,42 = 2,3(m)
– Diện tích làm việc của đĩa
CLXVII. Chọn đĩa làm bằng thép không rỉ để chế tạo thiết bị ( đĩa lỗ)
CLXVIII. Kí hiệu thép: X18H10T (C ≤ 0,12%, Cr 18%, N10%, T nằm trong khoảng
( 1 - 1,5%)
CLXIX. Giới hạn bền σ
K
= 550.10
6
(N/m
2
)
CLXX. Giới hạn chảy: σ
c
= 220.10
6

(N/m
2
)
CLXXI. Chiều dày tấm thép: b = 4 – 25 (mm)
CLXXII. Độ dãn tương đối δ = 38%
CLXXIII. Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/m.
0
C)
CLXXIV. Khối lượng riêng của thép: ρ = 7850 (kg/m
3
)
CLXXV. Đường kính lỗ: d
l
= 5(mm)
CLXXVI. Bề dày đĩa: δ = 0,8.d
l
= 0,8.5 = 4(mm)
CLXXVII. Diện tích của đĩa:
CLXXVIII. f =

- 2.S
ch
=
2
2
3,14.2,72
2.0,42 4,97( )
4
m− =

CLXXIX. Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12% diện tích làm việc
CLXXX. S
1
= 0,12.f = 4,97.0,12 = 0,6(m
2
)
CLXXXI. Thể tích của đĩa : V
d
= (f - S
1
)δ = (4,97 – 0,6).0,004 = 0,0175(m
3
)
CLXXXII. Khối lượng đĩa : m
d
= V
d
.ρ = 0,0175.7850 = 137 (kg)
CLXXXIII. Số lỗ trên một mâm :
1
2
2
1
4.0,6
30573
3,14.0,005
4
S
n

d
π
= = =
(lỗ)
3.3 Chiều cao của thiết bị
Page 25