Đề tài “ Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại Kettle nằm ngang”

Trong lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin nói riêng, yêu cầu quan trọng nhất của người học đó chính là thực hành. Có thực hành thì người học mới có thể tự mình lĩnh hội và hiểu biết sâu sắc với lý thuyết. Với ngành mạng máy tính, nhu cầu thực hành được đặt lên hàng đầu. Tuy nhiên, trong điều kiện còn thiếu thốn về trang bị như hiện nay, người học đặc biệt là sinh viên ít có điều kiện thực hành. Đặc biệt là với các thiết bị đắt tiền như Router, Switch chuyên dụng

LỜI GIỚI THIỆU

Từ khi được phát hiện đến nay, dầu mỏ và khí tự nhiên đã và đang là nguồn nguyên liệu quý giá, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động kinh tế của mỗi quốc gia Trên thế giới các quốc gia có dầu và ngay cả các quốc gia không có dầu đã xây dựng cho mình nền công nghiệp dầu mỏ và hoá dầu nhằm làm tăng hiệu quả kinh tế trong việc sử dụng dầu mỏ Ngành công nghiệp này có tầm quan trọng đặc biệt trong nền kinh tế quốc dân và quốc phòng các nước Các sản phẩm dầu mỏ đã và đang góp phần quan trọng trong cán cân năng lượng của thế giới , là nguồn nguyên liệu phong phú, trụ cột cho nhiều ngành công nghiệp khác

Việt Nam là một trong những quốc gia trên thế giới có tiềm năng về dầu khí, nước ta đã và đang có những bước tiến quan trọng trong việc khai thác và chế biến dầu mỏ thành các sản phẩm có giá trị kinh tế cao Việc sản xuất và chế biến các sản phẩm thương mại có nguồn gốc từ dầu thô đòi hỏi nhiều quá trình phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng Đây là một trong những vấn đề hàng đầu quyết định đến giá trị kinh tế của nhà máy

Trong nhà máy lọc dầu, các phân xưởng phân tách như phân xưởng chưng cất hay trích ly thì nguồn năng lượng luôn đóng vai trò cần thiết do mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ và các sản phẩm tách Cũng như vậy , các phân xưởng chuyển hoá hoá học như cracking , reforming, đòi hỏi cần cung cấp một lượng nhiệt lớn để đạt tới ngưỡng nhiệt độ cần thiết mà ở đó các phản ứng hoá học có thể xảy ra Để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết cho các phân xưởng hoạt động có hiệu quả thì cần sử dụng các lò cấp nhiệt để đun nóng dòng nguyên liệu lên đến nhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc sử dụng các lò cấp nhiệt sẽ gây tốn kém nhiều chi phí trong khi các sản phẩm đi ra từ các phân xưởng sản xuất đều mang theo một nhiệt lượng đáng kể , nên cần phải có các thiết bị làm mát chúng trước khi đem lưu trữ

Do vậy vấn đề đặt ra là cần sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt đề có thể tận dụng một cách có hiệu quả các nguồn nhiệt kể trên với các thiết bị trao đổi nhiệt

để có thể tận dụng một cách có hiệu quả các nguồn nhiệt kể trên với mục đích nâng nhiệt độ dòng nạp liệu lên đến một nhiệt độ thích hợp và làm giảm nhiệt độ của các sản phẩm trước khi cho vào trong các bồn lưu trữ đồng thời làm giảm đáng kể các chi phí tiêu tốn từ các lò cấp nhiệt và nâng cao tính kinh tế của nhà máy Ngoài việc sử dụng các lưu chất có nguồn gốc từ dầu thô ra thì nước, hơi nước và không khí cũng được sử dụng để đun nóng hay làm sạch các sản phẩm đến một nhiệt độ thích hợp cho việc sản xuất hay lưu trữ

Các thiết bị trao đổi nhiệt luôn được thiết kế sao cho có thể thu được hiệu quả cao Nhìn chung , người ta phân biệt ra làm 3 loại thiết bị với các chức năng khác nhau:

+ Thiết bị trao đổi nhiệt và làm lạnh : Trong trường hợp này không có sản phẩm nào thay đổi pha Loại thiết bị này thường được áp dụng trong các trường hợp thu hồi lượng nhiệt ở các dòng chất lỏng nóng cũng như để làm lạnh các dòng chất lỏng khác

+ Thiết bị ngưng tụ : thiết bị này cho phép ngưng tụ và làm lạnh hơi đỉnh tháp chưng cất bằng 1 sản phẩm lạnh hay 1 chất làm lạnh khác như : nước, không khí, nước muối

+ Thiết bị đun sôi lại : thiết bị này bảo đảm cho sự bay hơi của các sản phẩm ở đáy tháp với sự tuần hoàn của chất lỏng nóng hay hơi nước

Những thông số quan trọng trong các thiết bị trao đổi nhiệt là nhiệt độ của các lưu chất , bề mặt trao đổi nhiệt, tổn thất áp suất, Những thông số này quyết định đến việc thu hồi nhiệt lượng sử dụng và hiệu quả của thiết bị này

Mỗi loại có ứng dụng và tính chất khác nhau Những tính toán thiết kế và quá trình vận hành được trình bày trong đồ án công nghệ I này là thiết bị trao đổi nhiệt loại Kettle nằm ngang nhằm bốc hơi lại Cyclohexan ra từ đáy thiết bị chính

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Quá trình tính toán được tiến hành theo

trình tự sau.

Chọn thiết bị (đầu phân phối, thân

và đáy thiết bị)

Dự đoán hệ số truyền nhiệt: U

Tính bề mặt truyền nhiệt: Aestime

Tính toán thiết kế (số ống,

chiều dài, Ainst )

Tính Uglopbal và Atotal

Tính UVapovà AVapo

Tính UPrechau và

APrechau

Tính tổn thất áp

suất

Kết quả cuối cùng

P > P adm

A total >Ainst

Thiết bị bốc hơi loại Kettel nằm ngang

Bảng số liệu

Các thông số Ngoài

ống Trong ống Cyclohexa

Lưu lượng

Tổn thất áp suất cho

Hệ số bám bẩn

Lỏng

Nhiệt dung riêng (kcal/kg 0 C) 0.45

Hệ số dẫn nhiệt

(kcal/h.m 0 C)

Enthalpie

(kcal/kg)

Hơi

Đặc trưng của chùm ống

Carbon CarbonThép Đường kính

Đường kính

Bề dày thành

Hệ số dẫn

PHẦN I:

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ

I%Mục đích thiết bị bốc hơi Kettel loại nằm ngang

Thiết bị Kettle loại nằm ngang được sử dụng nhằm mục đích tận dụng nhiệt để bốc hơi Cyclohexan

II%Lựa chọn thiết bị

Yêu cầu của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt

Hệ số truyền nhiệt có giá trị lớn để với cùng lượng nhiệt trao đổi thì diện tích thiết bị nhỏ

Trở kháng thủy lực đối với dòng môi chất nóng và lạnh càng nhỏ càng tốt, khi đó công suất bơm, quạt cho sự chuyển động của môi chất sẽ nhỏ Nhưng thường khi tăng tốc độ , hệ số truyền nhiệt tăng và trở kháng tăng , vậy nên cần chọn điều kiện tối ưu

Bề mặt trao đổi nhiệt : ít bị bám bẩn,dể làm sạch ,dễ sửa

Ngăn cách các dòng môi chất nóng và lạnh tốt để tránh hiện tượng 2 dòng môi chất bị hòa trộn vào nhau (trừ loại trao đổi nhiệt hỗn hợp)

Phần lớn các thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, sử dụng trong công nghệ dầu khí đều được chấp nhận trong các tiêu chuẩn “ Standards of Tubular exchanger Manufactuers ” Nó được lựa chọn trong khuôn khổ các tiêu chuẩn cơ bản và loại thiết bị xác định nhờ vào ba đặc trưng sau:

+ Kiểu buồng phân phối

+ Kiểu của thân thiết bị

+ Kiểu buồng đáy ra

Việc lựa chọn thiết bị phù hợp cần thiết phải quan tâm đến các đặc trưng của dòng lưu thể (độ nhớt dễ hay khó đóng cặn ), thông số vận hành thiết bị ( nhiệt độ , áp suất ), tính kinh tế của loại thiết bị rẻ tiền, dễ chế tạo, dễ sử dụng )

Theo tiêu chuẩn TEMA dựa vào các đặc trưng của lưu thể:

1.1 Lựa chọn kiểu buồng phân phối

Buồng phân phối cho phép phân chia dòng lưu chất

trong chùm ống có thể là 1, 2, 4, 6, passe Số passe này giới hạn bởi:

 Tổn thất áp suất có thể chấp nhận được

 Vấn đề giãn nỡ rất ít của các lớp ống ở các passe là bắt buộc khi có

sự chênh lệch của dòng vào và dòng ra

Lưu thể hơi H2O đi vào trong ống, ít phải làm sạch thường xuyên chọn loại đầu phân phối A

Đặc điểm buồng phân phối và đáy voöm kính:

Đáy chủ yếu hình Elipe, có thể là hình bán cầu trong trường hợp là một passe, hình nón cụt hoặc cấu tạo thu gọn một đầu

Loại này có những thuận lợi như sau:

 Chỉ cần một joint ở giữa buồng phân phối và lớp ống do đó hạn chế

được nguy cơ bị rò rỉ ra bên ngoài

 Đáy hình Elipe hoặc hình bán cầu thì chịu áp suất tốt hơn tấm phẳng

mặt khác còn cho phép giảm trọng lượng và giảm chi phí hơn

Tuy nhiên loại này có những hạn chế sau

 Đường vào bên trong các chùm ống để kiểm tra hay là vệ sinh chỉ có

thể khi tháo các ống ra khỏi buồng phân phối và joint

Vì vậy loại này được dùng cho các sản phẩm đặc thù không yêu cầu làm vệ sinh thường xuyên như nước hay các Hydrocacbon nhẹDDT

1.2Lựa chọn kiểu thân

Ống sử dụng kiểu chữ U được tạo thành bằng cách uốn khúc thành hai đoạn song song rồi kết hợp lại.Giá thành thấp, ít có nguy cơ rò rỉ, chịu đựng ở áp suất cao Có khả năng giãn nở đồng đều cho phép chịu dòng nhiệt lớn

Tuy nhiên có những hạn chế của loại ống chữ U:

Nó được dành riêng cho loại sản phẩm đặc thù

đi trong hoặc đi ngoài

ống

Tốc độ lớn tại khúc uốn có thể gây nên mài mòn đặc biệt đối với

dòng có hạt rắn

Vì vậy loại này được thường dùng với áp suất trung bình hoặc cao và nhiệt độ cao trong trường hợp việc gắn kết là quan trọng Chẳng hạn như hơi nước trong ống thiết bị bốc hơi kiểu Kettle

 Loại bốc hơi kiểu KETTLE.

Loại này ứng với kiểu K : kết hợp tốt với chùm thẳng cũng như chùm ống chữ U , đảm bảo một thể tích không gian lớn phía trên của chùm ống

Thuận lợi

Nó tạo được cân bằng lỏng - hơi ( Sự phân tách nguyên liệu thành pha hơi giàu cấu tử nhẹ và một pha lỏng giàu có tử nặng hơn)

Cho phép sản xuất ra một lưu lượng hơi lớn mà không cuốn theo lỏng và ngay cả phân đoạn bốc hơi đòi hỏi đến 30-40% cho phép trích ra pha lỏng ( trong cân bằng với hơi sinh ra ) với thiết bị điều khiển mực lỏng

Nhược điểm

Phức tạp và đắt tiền

Ứng dụng Rộng rãi

 Loại chùm ống chữ U:

Loại này ứng với kiểu chữ U Điểm nổi bật là

được tạo thành bằng cách uốn khúc thành hai đọan song song rồi được kết hợp lại

Thuận lợi

+ Giá thành thấp, chỉ cần môt chùm ống và đầu uốn cong không cần

liên kết

+ Không có Joint ở đáy và ít nguy cơ rò rỉ

+ Chịu đựng ở áp suất khá cao.

+ Có khả năng giãn nở đồng đều cho phép chịu dòng nhiệt lớn

Hạn chế của loại ống này

+ Nó được dành riêng cho loại sản phẩm đặc thù đi trong hoặc đi

ngoài ống

+Tốc độ lớn tại khúc uốn có thể gây nên mài mòn đặc biệt đối với

dòng có hạt rắn

Vì vậy, loại này được thường dùng với áp suất trung bình hoặc cao

và nhiệt độ cao trong trường hợp việc gắn kết là quan trọng Chẳng hạn như hơi nước trong ống, thiết bị đun sôi lại kiểu Kettle

PHẦN II:

LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ.

Để lựa chọn loại thiết bị theo tiêu chuẩn TAME, chúng ta dựa vào đặc trưng của các lưu thể Lưu thể đi ngoài ống là Cyclohexan dễ đóng cặn trên thành ống, thân thiết bị chọn loại thường dùng là loại K đặc trưng cho reboileur Lưu thể đi trong ống chữ U là nước nên không cần làm sạch thường xuyên, nên chọn đầu phân phối loại A chi phi rẻ,chịu lực tốt và ít cần tháo lắp

Vậy thiết bị lựa chọn theo tiêu chuẩn là loại: TAME AKU

Tính hệ số màng của lưu thể đi trong và ngoài ống.

1.Tính cho lưu thể đi trong ống.

Hệ số màng của nước khi bay hơi Chọn giá trị:

hi = 8000 (kcal/h.m2.C)

2.Tính cho lưu thể đi ngoài ống.

Hệ số màng của Cyclohexan phụ thuộc vào nhiệt độ & độ nhớt

Dùng hàm Solver có he tối ưu =2300 (kcal/h.m2.C) phù hợp với tài liệu Eschange

Ta có:

Hệ số màng quy chuẩn về bề mặt ngoài của

ống:

hie = 3897.638 (kcal/h.m2.C) 1/hie = 0.000257

1/he = 0.004762 Hệ số dẫn nhiệt

Nhiệt trở của thành ống

Rp = = 0.0000466667 Hế sốbám bẩn

Rse = 0.0004 Rsi = 0.0001 Hệ số cặn trong ống bề mặt theo tỉ lệ bên ngoài

Hệ số truyền nhiệt được xác định theo công thức

U = 854.638 (kcal/h.m2.C)

Do đẳng nhiệt

Nhiệt do Cyclohexan Q 1 = M 1 *r 1 = 1111500 Kcal/h

Nhiệt do hoá hơi của nước Q 2 = M 2 *r 2 = 1112556 Kcal/h

Lượng nhiệt trao đổi trong quá trình

1112028 Kcal/h 1289952.48 W

Ta có: 52.0467 (m2)

Khi đó 21365.966 (kcal/m2)

Dùng hàm Solver chọn chiều dài ống phần thẳng L = 4.3m

Diện tích của một ống thẳng 0.2572(m2) Số ống là 203 (ống) Nc =204 ống

Theo bảng tra :”Perry’s Chemical Engineers ‘ Handbook ‘ + Chọn xếp ống hình vuông

+ P = 1 inch, 2 passe

Số ống chuẩn cần chọn là 204 ống

Nếu tính Acong= 5%Aest thì diện tích cần thiết :

55.095 (m2)

 Tính toán các hệ số màng sôi

Theo công thức của Mostinski

Công thức tính đơn giản

Với Pc là áp suất tới hạn của Cyclohexan

Vậy

= 1455.115 W/m2.0K

Và

Với sự tuần hoàn tự nhiên ,hệ số truyền nhiệt của Hydrocacbon hnc= 250 W/m2.0K

Nên he=h1*1.5 + 250 = 2432.6727 W/m2.0K

 Kiểm tra tính toán lại toàn bộ các hệ số

Qua bảng tính Excel ta có U*= 956.98137 W/m2.0K

Nên ACần= 53.9176 (m2) < Ainst =55.095 (m2) 2.13% thoả điều kiện <5%

 Sự kiểm tra về nhiệt lượng dòng

Theo công thức Mostinski

= 419358.2955 W/m2

Theo công thức Forste_Zuber

= 385581.6546 W/m2 (Gần bằng)

0.11933

0.2625

110095.7341 W/m2

Vậy qbinst<< qbmax

III.TÍNH THIẾT BỊ

Db =0.46 m = 460 mm

Chọn khoảng cách từ chùm ống chữ U đến thành thiết bị = 0.05 m = 50 mm

Chọn chiều cao của vách ngăn = 0.2 m = 200 mm

Vậy B = 0.71m = 710 mm

Giả sử B =2/3 Dc,sử dụng công thức tính diện tích hình quạt kết hợp với hàm Solver ở bảng tính Excel ta co

Dc = 1.25 m thoả điều kiện Vh< 0.8*Vc (Vận tốc tới hạn) (Hoặc có thể sử dụng bảng thực nghiệm trang

1387 tập V rafinat có kèm ở phụ lục theo công thức S = K*R2 dựa vào tỉ lệ h/Dc)

Ta có = 0.575 (m/s)

& = 0.719 m/s

PHẦN III:

TÍNH TỔN THẤT ÁP SUẤT CỦA THIẾT BỊ

Thiết bị gồm :

 Đường ống dẫn lỏng Cyclohexan vào

 Một cửa hơi H2O vào,một cửa H2O ngưng ra

 Một cửa lỏng Cyclohexan vào,2 cửa hơi Cyclohexan đi ra Vậy tổn thất áp suất ở thiết bị do

+Lưu chất trong chùm ống chữ U

+Lưu chất tại các đường ống dẫn,và tại các cửa ra vào

I.Tổn thất áp suất do masat trong đường ống vào của lưu thể Cyclohexan

Chọn vận tốc của chất lỏng là V = 0.5 m/s

Lưu lượng lỏng vào:

362.5 kg/s.m2

Diện tích ống :

0.009961686 m2

Đường kính trong của ống dẫn là

0.113 m

Chọn bề dày e = 0.006 m = 0.24 inch

Đường kính trong DI = 0.113 m = 4.45 inch

Đường kính ngoài De = 0.125 m = 4.92 inch

Chuẩn số Reynol

102406.25 Chảy xoáy

Vì vậy ta áp dụng công thức sau để tính hệ số masat :

f e= 0.005f5762

Chọn chiều dài đường ống vào L = 18 m

Tổn thất áp suất được tính theo công thức:

321.9878844 Pa = 0.00322 bar

Tổn thất do ống nối là

Nên tổn thất áp suất ở trong đường ống vào là: 0.50322 bar

II Tổn thất masat trong chùm ống

Trong ống tồn tại hai pha lỏng và hơi do hơi nước đi vào chùm ống toả nhiệt ngưng tụ đi ra.Giả thiết lượng hơi nước đi vào được ngưng hoàn toàn thành lỏng đi ra Giả sử để tính toán:

Phần thể tích của lỏng

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng _hơi của

H2O

761.765 kg/m3

Diện tích các ống

0.0353 m2

Xem như vận tốc hai pha là như nhau

0.02153 m/s

Ta có chuẩn số Reynol

1035.476

Chế độ chảy màng.

Vậy tổn thất áp suất do masat trong chùm ống thẳng :

1.2018 Pa = 0.000012 bar

Bỏ qua masat tại miệng chùm ống

Tổn thất masat do phần cong của chùm ống

2.1*10-11 bar

Với n = 2 :số pass

Vậy tổng tổn thất của chùm ống chữ U

= 1.2018*10-5 bar

Nhận xét <<0.2 bar của giả thiết

III.Dòng lỏng ở ngoài chùm ống

Bỏ qua trở lực do các đĩa đỡ

Diện tích Cyclohexan chiếm trong thiết bị ở dạng lỏng

= 0.569816281 m2

Chọn 3 đĩa đỡ chùm ống

Khoảng cách giữa 2 đĩa là B = L/2 = 2.15 m

Khoảng hở giữa những lỗ trống trong chùm ống

lm = (P- de)*(Db-de)/p

= 0.1102375m

Vậy ACT= lm*B = 0.237010625 m2

Do sự đẳng nhiệt Nhiệt độ lưu thể vào = nhiệt độ lưu thể ra,nên chọn nhiệt độ thành là nhiệt độ trung bình của hai lưu thể nóng và lạnh Tp = 960C

IV.Tổn thất áp suất ở cửa vào

Điều kiện được xác định theo đường kính thiết bị là:

Tại cửa vào

2.86476815 m/s

Chọn thoả < 0.5 m/s tại cửa ống vào

Tổn thất tại cửa vào của thiết bị

= 48.94 Pa = 0.00049 bar

Diện tích cửa vào: