Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, sản lượng tiêu thụ BTX được sản xuất từ than đá trên thế giới ngày càng tăng. Trong quá trình cốc hóa than, không những thu được than cốc cung cấp cho quá trình luyện kim, mà còn thu được nguồn khí cốc chứa: benzen, toluen, xylen (BTX), NH3, khí than sạch,… có giá trị kinh tế cao. Với xu hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày càng phát triển, ngành luyện kim càng đóng vai trò quan trọng đòi hỏi nguồn nguyên liệu cung cấp cho luyện kim càng cao, chính vì thế nên nguồn khí cốc thu được càng nhiều sẽ là điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất BTX. Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu về quy trình công nghệ sản xuất BTX từ khí cốc và thiết bị thu hồi benzen thô (BTX) nhằm cho nâng cao năng suất và giá trị kinh tế cao.
Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn thầy 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 đồ án chuyên ngành này. Xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả thầy cô trong khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm hoàn thành đồ án này. Xin chân thành cảm ơn! Trang 1 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, sản lượng tiêu thụ BTX được sản xuất từ than đá trên thế giới ngày càng tăng. Trong quá trình cốc hóa than, không những thu được than cốc cung cấp cho quá trình luyện kim, mà còn thu được nguồn khí cốc chứa: benzen, toluen, xylen (BTX), NH 3 , khí than sạch,… có giá trị kinh tế cao. Với xu hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày càng phát triển, ngành luyện kim càng đóng vai trò quan trọng đòi hỏi nguồn nguyên liệu cung cấp cho luyện kim càng cao, chính vì thế nên nguồn khí cốc thu được càng nhiều sẽ là điều kiện thuận lợi cho ngành công nghiệp sản xuất BTX. Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu về quy trình công nghệ sản xuất BTX từ khí cốc và thiết bị thu hồi benzen thô (BTX) nhằm cho nâng cao năng suất và giá trị kinh tế cao. Trang 2 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của đồ án Các quy trình công nghệ thu hồi benzen thô từ khí cốc đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế và đang ngày càng được cải tiến, tối ưu hóa các thiết bị trong quá trình sản xuất. Benzen, toluen, xylen (BTX) thu được từ khí cốc là nguồn nguyên liệu tốt đáp ứng cho các lĩnh vực: sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, quốc phòng,… Chính vì vậy, việc thu hồi BTX từ khí cốc (sản phẩm từ quá trình cốc hóa) khá quan trọng và có ý nghĩa kinh tế rất lớn. 1.2. Nguyên liệu 1.2.1. Khí cốc Khí cốc là khí ngưng thu được từ các lò luyện cốc than đá, là hỗn hợp phức tạp của các chất khí và chất bay hơi. Thành phần của khí cốc sau thu hồi gồm: 25% thể tích là methane (CH 4 ), 60% thể tích là hydro (H 2 ), phần còn lại là các khí như CO, CO 2 , NH 3 , N 2 , hơi benzen, toluen, xylen,… Khí cốc sau khi tách khỏi nhựa than đá, benzen thô và nước có nhiệt cháy cao (khoảng 4000 kcal/m 3 ), có thể được dùng làm khí đốt lò. 1.2.2. Dầu hấp thụ Các chất hấp thụ thường là dầu than đá (phân đoạn chưng cất nhựa than đá sôi ở 230 – 300 o C) hoặc từ dầu thô (phân đoạn sôi 300 – 350 o C). 1.3. Sản phẩm benzen thô (BTX) Trang 3 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Benzen thô là một hợp chất phức tạp, phần lớn bay hơi ở 180 o C. Hàm lượng trung bình 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 • Solven (hỗn hợp metylbenzen, etylbenzen,…): 1,6 – 3,4 Muốn tách riêng biệt các cấu tử của benzen thô phải dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của chúng là dùng phương pháp chưng cất. Bảng 1.1. 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 o C 0,879 0,867 0,876 0,86 0,857 0,867 Nhiệt độ nóng chảy o C 5,53 -94,99 -25,2 -48 -13,3 Nhiệt độ sôi o C 80,1 110,6 144,4 139 138,4 Giới hạn nổ trong không khí Dưới – Trên o C 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 o C -11 4,4 17,2 25 25 Tỷ trọng hơi (không khí = 1) 2,77 3,14 3,7 3,7 3,7 Ứng dụng: Trang 4 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông • Benzen được sử dụng chủ yếu cho quá trình alkyl hóa sản xuất etylbenzen; nguyên liệu cho dehydro hóa sản xuất styren; tham gia tổng hợp xyclohexan, tổng hợp nitrobenzen. • Toluen có ứng dụng quan trọng nhất là nâng cấp chất lượng xăng do khả năng làm tăng chỉ số octan của nó. • Xylen được sử dụng làm chất cải thiện chỉ số octan của xăng; sản xuất terephtalic và dimethyl trephtalat, sản xuất sợi và màng polyester, sản xuất nhựa, sợi; tổng hợp chất dẻo. 1.4. Quá trình hấp thụ 1.4.1. 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). Trong công nghiệp hóa chất – thực phẩm, quá trình hấp thụ dùng để: • Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí; • Làm sạch, tách hỗn hợp; Hấp thụ bao gồm quá trình hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học: • Hấp thụ vật lý: có sự chuyển đổi trạng thái. • Hấp thụ hóa học: có xảy ra phản ứng hóa học. Quá trình lựa chọn dung môi thích hợp để hấp thụ đạt hiệu quả cao phụ thuộc các yếu tố: • Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc. • Độ nhớt: độ nhớt bé để giảm trở lực. • Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt cho quá trình hoàn nguyên. Trang 5 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông • Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi chất hòa tan. • 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, thực tế không có dung môi nào đặt 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. 1.4.2. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ Hấp thụ dựa trên cở 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. 1.4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng làm động lực trung bình giảm, số đĩa lý thuyết tăng và chiều cao tháp sẽ tăng; tiêu tốn năng lượng. Áp suất: việc tăng áp suất sẽ kéo theo sự tăng nhiệt độ; tăng áp suất còn gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành thiết bị. Các yếu tố khác: dung môi, dụng cụ đo, chế độ vận hành,… 1.4.4. Ưu – nhược điểm của quá trình hấp thụ Ưu điểm Rẻ tiền; Có thể sử dụng hấp thụ hỗn hợp khí. Nhược điểm Hiệu suất làm sạch không cao; Thiết bị cồng kềnh. 1.5. Quá trình hấp phụ Trang 6 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông 1.5.1. Khái niệm Hấp phụ trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay lỏng bị hút lên trên bề mặt của một chất rắn xốp. Chất khí hay hơi bị hút gọi là chất bị hấp phụ; chất rắn xốp gọi là chất hấp phụ. Có 2 quá trình hấp phụ: vật lý và hóa học. • Hấp phụ vật lý: gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lý và không hình thành liên kết hóa học (ví dụ: hấp phụ hơi nước trên bề mặt silicagen). • Hấp phụ hóa học: gây ra bởi lực có bản chất hóa học, nhiệt hấp phụ khoảng 80 – 400 kJ/mol. 1.5.2. Các chất hấp phụ Các chất hấp phụ thường được sử dụng trong công nghiệp: • Silicagen: dùng làm khô khí và hấp phụ các hydrocacbon nặng từ khí thiên nhiên. • Các Zeolite: dùng làm khô khí, tách khí, xúc tác cho các phản ứng,… 1.5.3. Ưu – nhược điểm của quá trình hấp phụ Ưu điểm Hiệu suất cao. Nhược điểm Chất hấp phụ phải thích hợp; Khó tái sinh chất hấp phụ, một số không thể tái sinh; Phải kiểm soát chặt chẽ điều kiện vận hành. 1.6. Ưu – nhược điểm của các tháp chưng cất Ưu điểm Nhược điểm Tháp chêm Cấu tạo đơn giản; Khó vận hành; Trang 7 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Trở lực thấp; Làm việc được với chất lỏng bẩn. Thiết kế khá nặng nề. Tháp mâm xuyên lỗ Trở lực tương đối thấp; Hiệu suất khá cao; Kết cấu phức tạp. Tháp mâm chóp Khá ổn định; Hiệu suất cao. Có trở lực lớn; Tiêu tốn nhiều vật tự, kết cấu phức tạp. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1. Sơ đồ công nghệ làm lạnh cuối khí cốc 2.1.1. Sơ đồ công nghệ làm lạnh cuối khí cốc (xem hình 2.1) Khí cốc sau thùng bão hòa có nhiệt độ 60 – 70 o C được đưa vào máy làm lạnh cuối tác dụng trực tiếp. Từ giàn làm lạnh 3, nước kỹ thuật được đưa vào từ đỉnh của tháp làm lạnh (kiểu đệm khung gỗ). Khí qua máy làm lạnh cuối được giảm nhiệt độ xuống còn 25 – 30 o C. Trang 8 11 Khí cốc đã loại Benzen Nước kỹ thuật Khí cốc (60 – 70 o C) 9 Hơi nước Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Hình 2.1. Sơ đồ làm lạnh cuối khí cốc sau thùng bão hòa 1. Tháp làm lạnh khí lần cuối; 2. Thùng lắng cơ học tách naphtalen; 3. Giàn làm lạnh; 4. Bơm ly tâm; 5. Thùng chứa naphtalen; 6. Ống dẫn vào xitec; 7. Xitec; 8. Tháp benzen; 9. Khí cốc đã làm lạnh; 10. Naphtalen; 11. Dầu hấp thụ; 12. Dầu đã hấp thụ bão hòa benzen thô. Khí cốc vào tháp làm lạnh cuối từ giữa tháp và tiếp xúc trực tiếp với nước làm lạnh từ trên xuống. Lúc này trong máy sẽ tách ra một lượng đáng kể naphtalen có ở trong khí cốc dưới dạng tinh thể ra cùng với nước kỹ thuật sang thùng lắng cơ học 2 để tách naphtalen. Phần naphtalen này được đưa về chứa trong các xitec cho các mục đích sản xuất khác. Nước kỹ thuật từ thùng lắng cơ học 2 sẽ tự chảy về giàn làm lạnh 3 và cứ như thế tiếp tục chu trình làm lạnh. 2.1.2. Máy làm lạnh lần cuối (hình 2.2) Trang 9 12 10 Hình 2.2. Máy làm lạnh lần cuối Chú thích: 1. Bệ đỡ; 2. Vít cố định; 3. Ống dẫn nước đáy tháp; 4. Phễu hứng; 5. Ống dẫn nước ra; 6. Phễu hứng ở thân tháp; 7. Ống dẫn khí vào; 8. Đệm; 9. Vòi phun; 10. Ống dẫn khí ra. Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Máy làm lạnh lần cuối dùng để làm lạnh khí sau thùng bão hòa sunfat amon. Nó là tháp hình trụ bằng thép (d = 4 – 4,5 m; h 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 đệm là 100 mm. 2.1.3. Thùng lắng tách naphtalen (hình 2.3) Mục đích của thiết bị là để tách liên tục naphtalen từ nước kỹ thuật sau máy làm lạnh cuối cùng. Máy có dạng hình trụ, đáy hình nón (d = 12200 mm; h = 3500 mm) dung tích của máy lắng naphtalen là 50 m 3 , trọng lượng bằng 37 tấn. Trang 10 Hình 2.3. Máy lắng cơ học tách naphtalen Chú thích: 1. Thân máy; 8. Ống xoắn; 2. Máng hình tròn; 9. Động cơ điện; 3. Vách ngăn; 10. Bộ tạo chuyển động; 4. Trụ quay; 11. Ống dẫn naphtalen vào; 5. Cầu quan sát; 12. Ống dẫn naphtalen ra; 6. Dao gạt; 13. Hơi nóng thoát ra; 7. Vách ngăn; 14. Ống ruột gà. [...]... % benzen 2.3 Sơ đồ công nghệ thu hồi benzen thô sau hấp thụ (hình 2.5) Khí cốc chứa Benzen thô Dầu hấp thụ Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ thu hồi benzen thô 1 Dầu hấp thụ bão hòa benzen thô; 2 Dầu bão hòa nóng qua thiết bị gia nhiệt 1; 3 Dầu bão hào nóng qua thiết bị gia nhiệt 3; 4 Dầu tái sinh; 5 Hơi nước áp suất cao; 6 Nước; 7 Dầu hấp thụ; 8 Hơi nước áp suất cao; 9 Polyme; 10 Benzen thô; 11 Nước; 12 Benzen. .. điện 9 và bộ chuyển động 10 tạo chuyển động quay vòng Ưu điểm của máy này là tách naphtalen từ nước kỹ thu t tốt hơn, chi phí thao tác không lớn 2.2 Sơ đồ công nghệ hấp thụ benzen thô từ khí cốc Sử dụng dầu than đá để thu hồi benzen thô Trang 11 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Để thu benzen thô thành sản phẩm tinh khiết, người ta dùng sơ đồ công nghệ mới để tách hai loại benzen nhẹ và nặng... 12 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ thu hồi benzen thô từ khí cốc 1 Thùng chứa dầu; 2, 3, 4, 5 Thùng chứa trung gian; 6, 7, 8, 9, 10 Bơm ly tâm; I, II, III, IV Tháp hấp thụ benzen Hàm lượng benzen trong khí cốc sau tháp thu hồi benzen không vượt quá 2 g/m3 tiêu chuẩn khí, dầu đi ra từ tháp hấp thụ có chứa 1,5 – 2,5 % hydro carbon benzen và trong dầu đi vào tháp... độ của hơi hydrocacbon benzen đi ra từ thiết bị hồi lưu được khống chế bằng cách điều chỉnh lượng nước kỹ thu t ở ngăn trên của thiết bị hồi lưu Từ thiết bị hồi lưu hỗn hợp của hydrocacbon benzen và nước ở nhiệt độ 92 – 95oC 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 thu t lấy đi Tách benzen ra khỏi nước ngưng... độ khí vào là 30oC, áp suất là 860 mmHg Mất mát hydrobenzen theo khí đi ra là 2 g/m3 khí khô Hàm lượng benzene trong khí cốc khô đi vào là: Mức độ thu hồi hydrobenzen là: Lượng các hydrobenzen đã bị hấp thụ là: Trang 24 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Lượng hydrobenzen còn lại trong khí tính theo thể tích là 20 m 3, theo khối lượng là 78 kg Bảng 3.4 Lượng khí đi ra khỏi tháp Lượng khí. .. lên và làm lạnh bằng nước kỹ thu t ở bên ngoài ống, theo đường ống 20 dầu hấp thụ sẽ được đưa về lại tháp hấp thụ benzen Trang 16 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 3.1 Tính toán máy làm lạnh khí cốc lần cuối Dựa vào máy cân bằng vật chất của khí cốc ở nhiệt độ 65 oC và áp suất là 860 mmHg nhiệt độ điểm sương của khí cốc là 45oC Bảng 3.1 Lượng khí vào... hydrocacbon benzen hỗn hợp với hơi nước từ phần hồi lưu phía trên của tháp chưng cất benzen theo ống 10 đi vào thiết bị gia nhiệt I Tại bộ phận trên cùng là hệ thống ngưng tụ, hơi benzen sẽ được ngưng tụ phân đoạn đi từ dưới lên trên vào khoảng không gian giữa các ống của các ngăn ống chùm trong thiết bị gia nhiệt Trong ngăn ống chùm trên cùng của thiết bị hồi lưu, hơi được làm lạnh bằng nước kỹ thu t đưa vào... 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 Dầu than đá sau khi được nhả hấp thụ hơi benzen thô từ tháp chưng cất IV đi qua van thủy lực đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt 2, tại đây nó được làm mát bằng dòng dầu bão hòa đi ngược lại từ. .. hydrocacbon benzene được chia làm 2 pha, pha hơi được đưa vào phần cất của tháp chưng cất và phần lỏng được đưa vào phần chưng của tháp chưng cất benzene IV Dầu bão hòa chảy trong các đĩa từ trên xuống và dòng hơi đi ngược từ dưới lên sẽ thổi các hydrocacbon benzen ra khỏi dầu và lôi cuốn nó lên phần trên của tháp Trang 14 Đồ án công nghệ GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông Theo đường ống 4, dầu hấp thụ từ tháp benzen. .. hấp thụ bị lôi cuốn theo để tận dụng nhiệt của sản phẩm đỉnh – dầu bão hòa benzen được trao đổi nhiệt đạt 70oC Từ thiết bị trao đổi nhiệt I, dầu bão hòa benzen đã được làm nóng theo đường ống 2 vào máy trao đổi nhiệt ống chùm II để tận dụng nhiệt của phần sản phẩm đáy là dầu hấp thụ đã khử benzen – lúc này dầu bão hòa benzen được gia nhiệt đến 90oC Từ thiết bị trao đổi nhiệt dầu bão hòa sẽ đi vào hệ . độ nóng chảy o C 5,53 - 94, 99 -25,2 -48 -13,3 Nhiệt độ sôi o C 80,1 110,6 144 ,4 139 138 ,4 Giới hạn nổ trong không khí Dưới – Trên o C 1 ,4 – 7,1 1,3 – 6,8 1,1 – 6 ,4 1,1 – 6 ,4 1,1 – 6,6 Nhiệt độ chớp cháy. khí cốc là 45 o C. Bảng 3.1. Lượng khí vào máy lạnh Lượng khí đi vào kg/h m 3 /h Khí cốc khô 1 842 5 38386 Hơi nước 2325 2912 Hydrocacbon benzene 1199 316 H 2 S 5 84 386 Tổng cộng 225 34 42000 Nhiệt. máy Lượng khí ra khỏi máy làm lạnh kg/h m 3 /h Khí cốc khô 1 842 5 38386 Hơi nước 1290 15 04 Hydrocacbon benzen 1199 316 H 2 S 5 84 386 Tổng cộng 2 149 8 40 592 3.1.1. Tính toán nhiệt độ mang vào Nhiệt mang