Khoa học kĩ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là sự phát triển không ngừng đa ngành của các ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hơn hầu hết các ngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh thiết của các hóa chất. Có rất nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, cô đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù hợp để đạt hiệu quả cao. Bộ môn quá trình thiết bị cũng như đồ án 1 là một trong những môn học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học. Bởi nó giúp phần nào các kĩ sư thực phẩm trong tương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể: công nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu và nguyên lí làm việc của một thiết bị trong quá trình sản xuất hóa thực phẩm.
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4
1.1 TỔNG QUAN VỀ CỒN 4
1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn 4
1.1.2 Tính chất và ứng dụng của cồn 5
1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN 6
1.2.1 Khái quát về công nghệ cồn etanol 6
1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn 8
1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất 9
1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 10
1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm 15
1.2.6 Lưu ý về kỹ thuật 25
1.2.7 Một số yêu cầu kỹ thuật khác 27
1.2.8 Bố trí dòng chảy trong thiết bị 29
CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 30
2.1 TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT 30
2.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình 31
2.1.2 Xác định hệ số dẫn nhiệt phía nước α 2 32
2.1.3 Tính tổng nhiệt trở 34
2.1.4 Hệ số cấp nhiệt phía hơi α 1 35
2.1.5 Nhiệt tải riêng q1 (W/m2) 35
2.2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 38
2.2.1 Số ống truyền nhiệt 38
2.2.2 Chia ngăn trong thiết bị 39
2.2.3 Cách sắp xếp vỉ ống 39
2.2.4 Đường kính trong của thiết bị 40
2.2.5 Xác định độ dày vỏ ngoài của thiết bị 40
Trang 22.3 TÍNH TOÁN CÁC BỘ PHẬN KHÁC 40
2.3.1 Mặt bích 40
2.3.2 Đáy và nắp thiết bị 41
2.3.3 Kích thước trong của ống dẫn nước 43
2.3.4 Ống dẫn hơi cồn vào 43
2.3.5 Đường kính của ống cồn lỏng ra 43
2.3.6 Ống tháo khí không ngưng 44
KẾT LUẬN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kĩ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là sự phát triểnkhông ngừng đa ngành của các ngành công nghiệp, để phát triển vượt bậc hơn hầu hết cácngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh thiết của các hóa chất Có rất nhiều cách như:kết tinh, chưng cất, cô đặc, kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phươngpháp phù hợp để đạt hiệu quả cao
Bộ môn quá trình thiết bị cũng như đồ án 1 là một trong những môn học phục vụ tốtcho việc học tập, nghiên cứu khoa học Bởi nó giúp phần nào các kĩ sư thực phẩm trongtương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể: công nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểukết cấu và nguyên lí làm việc của một thiết bị trong quá trình sản xuất hóa thực phẩm
Dưới sự hướng dẫn của thầy Phan Minh Thụy, em đã hoàn thành đề tài “Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 30000kg/ngày” Em chọn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm
ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại phù hợp với chưng cất cồn Trong ngành sản xuất rượu cồn,giai đoạn ngưng tụ hơi cồn là một trong những giai đoạn quan trọng để có được sản phẩmcồn nguyên chất Đa số các nhà máy đều sử dụng thiết bị ngưng tụ dạng ống chum nằmngang với ưu điểm là có khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi công suất trong mọi điềukiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, ápsuất khác nhau ở phía trong và ngoài ống
Trong quá trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng nhưng về kiến thức chuyên môn cònchưa sâu, do việc khảo sát thực tế không có, bên cạnh đó còn là sự hạn chế về tài liệu nênkhó thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy em mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè đểbản thân rút ra kinh nghiệm và củng cố thêm kiến thức để hoàn thiện đồ án một cách tốtnhất
Trang 41 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về cồn
1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn
Cồn rượu được con người xem là sản phẩm thực phẩm nhưng cũng lại là sản phẩm cónguy cơ độc hại đối với cơ thể con người Tuy nhiên, sản lượng cồn rượu mà thế giới sảnxuất ra hàng năm vẫn ngày càng tăng thêm Chứng tỏ sản phẩm cồn chiếm một vai trò hếtsức quan trọng trong tất cả các ngành công nghiệp khác nhau, nhất là công nghiệp thựcphẩm
Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các nhu cầu khácnhau như: y tế (VD: sát trùng, sát khuẩn dụng cụ y tế,vệ sinh, ), nhiên liệu và nguyên liệucho các ngành công nghiệp khác(VD: nhiên liệu cho động cơ, xăng sinh học, sản xuất cồnkhô, làm dung môi, sản xuất nước hoa, giấm ăn, …) Tùy theo tình hình phát triển kinh tế,khoa học kỹ thuật khác nhau của mỗi nước mà ứng dụng của sản phẩm cồn dùng trong cácngành rất đa dạng và khác nhau
Rượu – một sản phẩm quen thuộc với tất cả mọi người và là sản phẩm chiếm một vị tríđáng kể trong ngành công nghiệp thực phẩm Chúng rất đa dạng, tùy theo truyền thống vàthị hiếu của người tiêu dùng mà các nhà sản xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau.Tuy nhiên có thể chia rượu thành 3 loại chính: rượu mạnh cao có nồng độ trên 30 %V, rượuthông thường có nồng độ từ 15 đến 30 %V và rượu nhẹ có nồng độ dưới 15%V
Ở các nước có công nghiệp rượu vang phát triển như Italia, Pháp, Tây Ban Nha, Bồ ĐàoNha, … cồn được sử dụng để tăng thêm nồng độ rượu Một lượng khá lớn cồn được sử dụng
để pha chế các loại rượu mạnh, cao độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum, …đồng áng quanh năm Nghề nấu rượu thủ công đã có từ ngàn đời xưa và chưa có tài liệu nàocho ta biết chính xác điểm khởi đầu Từ nguyên liệu gạo, ngô, … qua quá trình nấu cơm, ủmen, chưng thu sản phẩm đã cho ra những chai rượu đậm chất làng quê Việt Nam Có rấtnhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của rượu thủ công như nguyên liệu là gạo nếp haygạo tẻ, hay ngô, khoai, sắn, … nấu chín thành “cơm rượu” bị khô hay nhão, men tốt hay xấu,nhiệt độ ủ và lên men như thế nào, cũng như cách tiến hành chưng thư sản phẩm Quan trọng
Trang 5nhất là men giống – nguyên liệu và cách làm men giống rất đa dạng Mỗi nơi, mỗi vùng đều
có bài thuốc làm men khác nhau Đồng bào dân tộc còn đưa các loại lá rừng vào làm mengiống Tất cả đều là kinh nghiệm “cha truyền, con nối” do đó hương vị rượu của mỗi vùngmiền để lại những ấn tượng khác nhau cho ngườ thưởng rượu Sản phẩm rượu thủ công nấutheo phương pháp cổ truyền xuất phát điểm từ những người nông dân mang cái tên “rượunút lá chuối khô” hoặc “rượu quốc lủi” đều còn rất nhỏ và manh mún, chưa thể đạt tiêuchuẩn chất lượng nhưng về hương vị thì không thua kém bất kỳ các loại rượu nào trên thếgiới như Martin, Whisky, Sake, …
Sản xuất cồn rượu theo quy mô công nghiệp ở nước ta chỉ bắt đầu từ năm 1989 do ngườiPháp thiết kế và xây dựng Trước cách mạng Tháng Tám nước ta có xây dựng các nhà máyrượu Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán, … Tất cả sản xuất từ ngô, gạotheo phương pháp amylo Sau này có xây dựng thêm các nhà máy khác sử dụng rỉ đườnglàm nguyên liệu tận dụng từ các nhà máy sản xuất đường Hiện nay rượu của Việt Nam đãđạt được TCVN-71 về cồn rượu tuy nhiên TCVN-71 về cồn rượu này thuộc loại thấp nếu sosánh với các tiêu chuẩn hiện nay của thế giới về cồn rượu
Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành rượu bia nướcgiải khát” theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 2005 nước ta nên có khoảng 180 đến
200 triệu lít rượu các loại tương đương, khoảng 50 triệu lít cồn tinh thiết Muốn có công tinhthiết và chất lượng cao chúng ta phải biết áp công công nghệ khoa học kĩ thuật, phải có hệthống chưng luyện, ngưng tụ tốt và biết cách sử dụng nó Ngày nay sản xuất cồn đang là mộtthị yếu trên thị trường trong và ngoài nước bởi nó dần được thay thế nguyên liệu xăng trênhầu hết các nước trên thế giới
1.1.2 Tính chất và ứng dụng của cồn
Cồn etanol có công thức cấu tạo CH3CH2OH (khối lượng phân tử 46,07 g/mol), còn đượcbiết đến như là rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc …, là một hợp chất hữu cơ, nằm trongdãy đồng đẳng của methanol Cồn etanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm
dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 789kg/m3), dễ bay hơi (sôi ởnhiệt độ 78,39 ), hóa rắn ở -114,15 , tan vô hạn trong nước và một vài chất hữu cơ khác℃ ℃theo bất kỳ tỉ lệ nào Tan trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói vàngọn lửa có màu xanh da trời Sở dĩ cồn etanol tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao
Trang 6hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kếthydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước
Cồn dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic, dietyl ete, etyl axetat, Do
có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên etanol được dùng để pha vecni, dượcphẩm, nước hoa, Trong đời sống hàng ngày etanol được dùng để pha chế các loại đồ uốngvới độ cồn khác nhau Ngoài ra cồn còn được dung trong công nghiệp để làm chất đốt, cao
su tổng hợp, sát trùng, sản xuất, chữa bệnh, chế biến thức ăn, chế biến các loại hương hoaquả, …
Cồn nói chung có rất nhiều ứng dụng trong thực tế tuy nhiên không chỉ là sản phẩm thựcphẩm mà còn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống Tuy vậy cồnđược coi là 1 sản phẩm có nguy cơ độc hại cao đối với sức khỏe và cơ thể con người Vì vậychúng ta phải biết khai thác và sử dụng có mục đích hợp lý
1.2 Quy trình sản xuất cồn
1.2.1 Khái quát về công nghệ cồn etanol
Công nghệ cồn etanol là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến các nguyên liệuchứa tinh bột đường, cellulose, ethene thành sản phẩm etanol Công nghệ sản xuất cồn thựcphẩm sử dụng các kiến thức về lý hóa học, hóa keo, hóa công và nhất là hóa sinh và vi sinhvật học
Quy trình công nghệ sản xuất cồn etanol có thể chia thành các công đoạn chính gồm:chuẩn bị dịch đường lên men, gây men giống, lên men dịch đường và xử lý dịch lên menChuẩn bị dịch lên men: Nếu nguyên liệu chứa tinh bột thì công đoạn này gồm nghiền,nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ lên men Nếu nguyên liệu là mật rỉ thì chuẩn bịdịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lí mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn rồi phaloãng tới nồng độ gây men và lên men
Gây men giống và lên men: Muốn lên men trước hết cần phát triển men giống tới chấtlượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích thùng lên men Sau đó đưa men giống
và dịch đường vào thùng lên men rồi khống chế ở điều kiện xác định để nấm men chuyểnhóa đường thành rượu và CO2 Dịch nhận được sau lên men gọi là giấm chín
Trang 7Xử lý dịch lên men: Công đoạn này có liên quan tới kiến thức lý học và thiết bị công nghệ
sử dụng (thiết bị chuyển khối) Thực chất là dung hệ thống chưng luyện phù hợp để táchrượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm chín, sau đó đem tinh luyện để nhận được cồn sảnphẩm, thỏa mãn tiêu chuẩn và yêu cầu tiêu dùng Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồnthực phẩm, cồn dầu, dầu fusel hoặc alcol cao phân tử
Ngoài các sản phẩm kể trên chúng ta còn thu nhận nhiều sản phẩm phụ khác của quá trìnhsản xuất cồn Đó có thể là những nguyên liệu cho những chu trình sản xuất sản phẩm từ phụphẩm công nghệ sản xuất cồn rượu Điều này cần được nghiên cứu định hướng những sảnphẩm mới, giảm tối thiểu phụ phẩm trong công nghệ sản xuất, nâng cao giá trị kinh tế củasản phẩm và đổi mới quy trình sản xuất để tránh lãng phí trong quá trình sản xuất sản phẩmrượu cồn
Trang 81.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn
Chú thích:
1 Thùng chứa hỗn hợp dầu 7 Thiết bị làm sạch sản phẩm đỉnh
4 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 Thùng chứa sản phẩm đáy
5 Tháp chưng luyện 11 Thiết bị tháo nước ngưng
Trang 96 Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất
Hỗn hợp cồn – nước nồng độ thấp được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơmlên thùng cao vị (3) Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất của thùng cao vị được khống chếbởi của chảy tràn Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị tự đun nóng hỗn hợpđầu (4) quá trình này được theo dõi bởi đồng hồ lưu lượng Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu(4) (sử dụng dùng hơi nước bão hòa) gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt nhiệt độ hỗn hợpđược đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5)
Trong tháp hơi đi từ dưới lên trên tiếp xúc với chất lỏng đi từ tên xuống, tại đây xảy raquá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa phalỏng và pha hơi, 1 phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và 1 phần ít hơnchuyển từ pha hơi vào pha lỏng Theo chiều cao của tháp càng lên cao nhiệt độ càng thấpnên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao Trên đỉnh ta thu được hỗn hợp hơi gồmetanol chiếm tỷ lệ cao
Hơi đi vào thiết bị bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chấtlàm lạnh là nước với nhiệt độ vào 20 - 30℃ nhiệt độ ra là 40- 50 Một phần chất lỏng℃được ngưng đi qua thiết bị làm nguội (7) còn một phần được hồi lưu về tháp chưng luyện ởđĩa trên cùng
Chất lỏng đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độsôi thấp: etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càngtăng, do đó ở đáy tháp hầu hết thu được hầu hết chất lỏng là nước Dung dịch lỏng ra khỏiđáy tháp một phần đưa vào thiết bị nồi để đun bốc hơi cung cấp cho tháp qua thiết bị gianhiệt đáy tháp (9), một phần được qua thiết bị làm nguội sau đó đưa vào thùng chứa sảnphẩm đáy (10), nước ngưng của cấc thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng(11)
Hệ thống chưng luyện làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp và thu được sản phẩm cồnetanol tại thùng chứa sản phẩm đỉnh (8) Cồn etanol thu được có nồng độ theo yêu cầu
Trang 101.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt
ốc và loại ống gân
Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn và tiến hànhtheo hai giai đoạn nối tiếp nhau: đầu tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn(đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chấttải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh Loại trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau
Trong phần này sẽ đề cập tới các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản loại gián tiếp thường sửdụng, về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu, nhược điểm của từng thiết bị Thiết bị gián tiếpthường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm với nhiều ưu điểm: lưu thểkhông tiếp xúc với nhau, chỉ tiếp xúc qua bể mặt truyền nhiệt của 2 lưu thể, không bị giảmnồng độ (khi sử dụng hơi nước trực tiếp), không bị bẩn, nhiễm tạp chất ( tiếp xúc với loạiđệm), khả năng truyền nhiệt lớn, kết cấu thiết bị làm việc liên tục, không bị gián đoạn , dễdàng tháo lắp và thay thế khi có sự cố hay vệ sinh thiết bị, thích hợp cho nhiều loại lưu thể
Cụ thể:
a, Ống ruột gà
Trang 11Gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gắp khúc hoặc các ốnguốn cong theo hình ren ốc khi làm việc một chất tải đi trong ống còn một chất tải khác đibên ngoài ống.
- Đường kính của ống xoắn ruột gà thường không quá 100 mm
- Ống 2 có tác dụng giảm dung tích của thiết bị để tăng vận tốc của lưu thể chuyển độngbên ngoài ống xoắn ruột gà
Ưu điểm:
o Đơn giản, dễ chế tạo;
o Có thể dùng trao đổi nhiệt lỏng-lỏng, lỏng-hơi;
o Có thể dễ dàng điều chỉnh bề mặt truyền nhiệt bằng cách lắp nhiều cụm ốngxoắn có
Cùng đường kính hay đường kính khác nhau;
Cấu trúc xoắn nên có tính đàn hồn nên khắc phục sự cố giãn nở tốt;
Làm việc với áp suất khá lớn mà thành ống không cần dày lắm;
Dễ dàng kiểm tra và sửa chữa
Nhược điểm:
Trang 12o Khó làm sạch bên trong của ống ruột gà nên chất lỏng đi trong đó phải làloại không;
o Gây bám bẩn;
o Năng suất thiết bị không lớn lắm;
o Cấu trúc xoắn gây cản trở dòng lưu thể đi phía ngoài ống;
o Lưu thể đi bên trong phải sạch hơn lưu thể bên ngoài
b, Nồi hai vỏ
Gồm 2 vỏ trong và ngoài lắp ghép với nhau tạo thành 1 không gian giữa 2 vỏ và khônggian ở vỏ trong Có 2 loại tháo rời và không tháo rời khi làm việc 1 lưu thể đi bên trong 1lưu thể đi bên ngoài, quá trình truyền nhiệt xảy ra ở bề mặt vỏ trong bị vỏ ngoài bao bọc
Ưu điểm:
Ứng dụng rộng rãi trong quá trình vừa gia nhiệt vừa khuấy
Có thể làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt ở không gian 2 vỏ bằng cơ học (loại tháo rời)
Nhược điểm:
- Việc bịt kín khó khăn và đắt tiền (loại tháo rời)
- Không chịu áp suất lớn, tối đa là 3MN/m2
Trang 13- Bề mặt trao đổi nhiệt hạn chế.
- Chỉ phù hợp cho trao đổi nhiệt lỏng – hơi
c, Ống lồng ống
Gồm nhiều đoạn nối tiếp vào nhau, mỗi đoạn có 1 ống lồng vào, ống trong này nối với ốngtrong kia, ống ngoài này nối với ống ngoài kia Khi làm việc 1 lưu thể đi phần giữa 2 ống, sựtrao đổi nhiệt giữa 2 lưu thể xảy ra qua bề mặt ống trong bị bọc bởi ống ngoài
Ưu điểm:
- Chịu được áp suất lớn
- Cấu tạo đơn giản
- Có khả năng làm sạch bề mặt truyền nhiệt trong ống
- Đa dạng lưu thể lỏng – lỏng, lỏng – hơi, độ nhớt, cặn bẩn
Nhược điểm:
- Chiếm nhiều không gian hơn so với ống chùm
- Chỉ phù hợp truyền nhiệt liên tục
d, Ống chùm
Một lưu thể đi trong ống trong (có nhiều cặn hơn), một lưu thể đi ở không gian giữa ống và
vỏ Hai lưu thể truyền nhiệt cho nhau qua bề mặt của các ống
Ưu điểm:
Trang 14- Bề mặt truyền nhiệt lớn, không gian gọn.
- Dễ dàng làm sách bề mặt truyền nhiệt bên trong ống
- Chịu được áp suất khá lớn
Nhược điểm:
- Khó (không) làm sạch được bề mặt giữa ống và vỏ
- Chỉ phù hợp nhất cho truyền nhiệt có một lưu thể chuyển pha
- Tính thiết kế và kết cấu phức tạp
e, Tấm bản mỏng
Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản được ghép từ nhiều tấm kim loại ép chặt với nhau nhờ hainắp kim loại có độ bền cao Các tấm được dập gợn sóng Môi chất làm lạnh và nước giảinhiệt được bố trí đi xen kẽ nhau Cấu tạo gợn sóng có tác dụng làm rối dòng chuyển độngcủa môi chất và tăng hệ số truyền nhiệt đồng thời làm tăng độ bền của nó Các tấm bản cóchiều dày khá mỏng nên nhiệt trở dẫn nhiệt bé, trong khi diện tích trao đổi rất lớn Thường
cứ 2 tấm được hàn ghép với nhau thành 1 panel khi lắp đặt
Ưu điểm:
- Do được ghép từ các tấm bản mỏng nên diện tích tảo đổi nhiệt khá lớn, cấu tạo gọn
Trang 15- Dễ dàng tháo lắp để vệ sinh sửa chữa và thay thế Có thể thêm bớt một số panel để thay đổicông suất giải nhiệt một cách dễ dàng, đáp ứng được cho năng suất lớn.
- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao
Nhược điểm:
- Chế tạo khó khăn Cho đến nay chỉ có các hãng nước ngoài là có khả năng chế tạo các dànngưng kiểu tấm bản Do đó các phụ tùng thay thế và sữa chữa không sẵn có
- Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn
- Chịu được áp lực không lớn
- Không dùng được cho những chất nhiều cặn bẩn
1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
1.2.5.1 Tổng quan
Các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp cơ bản đã được đề cập ở phần trước, về cấu tạo, nguyên
lý những ưu nhược điểm của từng thiết bị trao đổi nhiệt Có rất nhiều thiết bị trao đổi nhiệt
có thể sử dụng để ngưng tụ hơi cồn: ống chùm, ống lồng ống, dàn ống,… Tuy nhiên hiết bịtrao đổi nhiệt kiểu ống chùm là một trong những dạng thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụngrộng rãi nhất trong tất cả các ngành công nghiệp, ước tính có tới 60% số thiết bị trao đổinhiệt hiện nay trên thế giới là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Thiết bị trao đổi nhiệtdạng ống chùm có khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi công suất, trong mọi điều kiệnhoạt động từ chân không đến siêu cao áp, từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ rất cao và cho tất
cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía trong và ngoài ống Vật liệu để chếtạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phépthiết kế để đáp ứng được các yêu cầu khác như độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể cónhững tính chất đóng cặn, chất có độ nhớt cao, có tính xâm thực, tính ăn mòn, tính độc hại
và hỗn hợp nhiều thành phần Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có thể được chế tạo từ vậtliệu là các loại kim loại, hợp kim cho tới các vật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100.000 m2 Tuy nhiên, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có một nhược điểm là
bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so với các dạng thiết bịtrao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy, cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi
Trang 16nhiệt kiểu ống chùm thường có kích thường lớn hơn nhiều Trong phần này chúng ta sẽ đisâu vào lựa chọn thiết bị cho công nghệ ngưng tụ hơi cồn hiện nay đang sử dụng rất rộng rãi
đó là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
Nhiệm vụ chính khi thiết kế các thiết bị truyền nhiệt là xác định bề mặt truyền nhiệt theo đềbài đã cho Dựa vào các số liệu ban đầu đã cho là năng suất, và điều kiện nhiệt độ của quátrình Trong lúc thiết kế các thiết bị truyền nhiệt cần chú ý nhất đó là việc chọn thiết bị ốngchùm loại nằm ngang hay ống chùm thẳng đứng
Đối với “ngưng tụ hơi cồn” thì thông thường người ta sẽ sử dụng thiết bị trao đổi nhiệtdạng ống chùm nằm ngang Vì như đã biết, nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùmthẳng đứng thì sẽ có nhiều bất lợi xảy ra trong quá trình truyền nhiệt cho thiết bị Cụ thể là,
sẽ xuất hiện hiện tượng ngưng tụ màng Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp bề mặt thiết
bị hoàn toàn bị thấm ướt bởi hơi ngưng tụ, trong trường hợp này là hơi cồn ngưng tụ (hơihoàn toàn đồng nhất và bề mặt ngưng tụ rất sạch) Khi hơi ngưng tụ trên thành ống thẳngđứng, hơi cồn ngưng tạo ta một màng chất lỏng bao phủ trên thành và chảy dọc từ trênxuống Chiều dày của màng hơi cồn ngưng tăng dần từ trên xuống do lượng hơi cồn ngưngmới sẽ bổ sung thêm vào, do đó làm mất nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt Còn đối vớiống chùm ngang thì hiện tượng đó ít hơn, và khi tạo màng nước trên bề mặt ống sẽ nhanhchóng chảy xuống, đỡ hao phí trong quá trình truyền nhiệt so với ống đứng
Ngoài ra khi chọn thiết bị có những điểm cần lưu ý như sau:
Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ hơi – lỏng ta dùng loại ống chùm có nhiều ngăn vàtùy theo điều kiện nhiệt độ của quá trình mà chọn cơ cấu lắp ghép khác nhau
Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ lỏng – lỏng hoặc khí – khí thì tốt nhất dùng loại ghép
bộ Nếu loại này quá cồng kềnh thì có thể dùng loại ống chùm có nhiều ngăn
Nếu điều kiện truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt khác nhau ta nên sử dụng thiết bịtruyền nhiệt loại gân
Nếu cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt, người ta thườngchia thiết bị ra làm nhiều ngăn
Ngoài ra người ta cũng hay dùng biện pháp chia lối trong bài toán thiết kế thiết bị ốngchùm với mục đích tăng vận tốc dòng đi trong ống trụ nhỏ, từ đó tăng hệ số nhiệt đốilưu…
Trang 171.2.5.2 Giới thiệu thiết bị
Thiết bị trao đổi nhiệt loại này được dùng phổ biến trong công nghiệp thực phẩm và một sốngành công nghiệp khác Ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là: có diện tích truyềnnhiệt lớn, có thể tới hàng trăm hàng nghìn mét vông, hệ số trao đổi nhiệt cao, kết cấu gọn,chắc chắn
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nói chung đều tuân theo một nguyên tắc cấu tạo là:gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được bọc ngoài bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy Trongthiết bị có hai không gian riêng biệt: một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không
bị ống chiếm chỗ (gọi là khoảng không gian giũa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng
ở trong các ống và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (gọi là không gian trongống) Trong mỗi không gian có một lưu thể chuyển động, chúng trao đổi nhiệt với nhau quacác thành ống truyền nhiệt
Nếu căn cứ vào vị trí của chúng thì chúng ta có thể chia thành các loại: ống chùm nằmngang, thẳng đứng hay nằm ngiêng Nhưng nếu dựa vào kết cấu cụ thể ta có thể chia làm cácloại: loại nắp cứng (ống lắp vào vỉ bằng phương pháp hàn), loại nắp mềm (ống lắp vào vỉbằng đệm ghép), loại nửa cứng (loại có đai bù giãn nở, loại chữ U) và loại ghép (các chi tiếtlắp ghép vào với nhau bằng chi tiết phụ)
1.2.5.3 Nguyên lý hoạt động
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưuthể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt Để tăng cường hiệu quả trao đổi
Trang 18nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theo phương vuônggóc hoặc chéo dòng Để phân phối lưu thể trong và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang đểphân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong
vỏ trụ còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong lòng ống Toàn bộ
bó ống được đặt trong vỏ trụ
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Trang 191.2.5.4 Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt
Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Ống trao đổi nhiệt
Là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của chúng chính là bềmặt truyền nhiệt giữa hai lưu thể trong và ngoài ống Các ống trao đổi nhiệt được gắn vàomặt sang bằng phương pháp nong hay hàn ống trao đổi nhiệt thường bằng đồng hoặc bằngthép hợp kim Ngoài ra trong một số trường hợp ống trao đổi nhiệt được chế tạo từ hợp kimNiken, Titanium hoặc hợp kim nhôm
Khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn nhiều so với chất kia Chọn thiết bị có ốngtrao đổi nhiệt trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh Với kết cấu ống này cótăng bề mặt trao đổi nhiệt so với ống trơn từ 2 đến 4 lần cho phép bù lại hệ số truyền nhiệt ởphía ngoài ống
Trang 20 Mặt sàng ống
Mặt sàng ống Mặt sàng ống kép
Các ống được định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ trên mặt sàng ống gắn trên mặt sàng bằngphương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc phương pháp hàn tùy theo dạng vật liệuchế tạo ống và mặt sàng, điều kiện hoạt động của thiết bị
Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình tròn, được khoan lỗ theo kiểu bố tríthích hợp va soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong mặt bích …
Trong quá trình gia công phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng kín tránh rò rỉ trộn lẫnhai lưu thể trong và ngoài ống để tránh hiện tượng này người ta thiêt kế mặt sàng kép Theothiết kế này phần không gian giữa hai mặt sàng được thông với môi trường bên ngoài, khixảy ra rò rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện trong trường hợp ngay cả lưu chất rò rỉ ra bênngoài cũng không được phép trộn lẫn vào nhau thì sử dụng 3 mặt sàng nối tiếp nhau Khi đó,các chất nếu các lưu chất rò rỉ là các chất độc hại hay quý hiếm thì cần được thu hồi hay xử
lý đúng quy trình
Ngoài ra mặt sàng phải đáp ừng được yêu cầu chống mòn với cả lưu chất trong và ngoàiống vật liệu chế tạo mặt sàng ống phải có tính chất tương đồng với vật liệu chế tạo ống vàkhoang chứa lưu chất trong lòng ống nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mòn điện hóa do sựkhác biệt vật liệu chế tạo các bộ phận của thiết bị gây ra
Vỏ và cửa lưu chất vào ra
Trang 21Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận chứa lưu chất bên ngoài ống trao đổi nhiệt.cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngoài ống vào và ra khỏi thiết bị, chúngthường có tiết diện tròn được chế tạo từ thép tấm các thiết bị trao đổi nhiệt chúng có kíchthước lớn, chế tạo từ thép có lượng C thấp nếu điều kiện cho phép để giảm giá thành, vậtliệu hợp kim cũng được sử dụng khi thiết bị họa động trong điều liện ăn mòn và nhiệt độcao
Tại cửa vào lưu chất, thường có 1 tấm chắn dòng đặt sát ngay dưới cửa vào nhằm mục đích:chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh hưởng đến phầnđầu của ống trao đổi nhiệt các ảnh hưởng của dòng có vận tốc lớn đập trực tiếp vào phầnđầu ống trao đổi nhiệt gây ra hiện tượng xói mòn cơ học, hiện tượng khí xâm thực và gâyrung động thiết bị để đủ không gian lắp đặt tấm chắn và không làm tổn thất áp suất dòngchảy lớn do việc lắp tấm chắn gây ra, một số ống ở vị trí này có thể được loại bỏ để dànhkhông gian thích hợp bố trí lắp đặt
Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào ra phía trong ống
Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào ra đơn giản là việc kiểm soát dònglưu chất chảy chạy phía trong ống thường là các chất có tính ăn mòn cao hơn, vì vậy khoangđầu và đầu dẫn lưu chất thườngđược chế tạo từ vật liệu hợp kim Để giảm chi phí chế tạo, có
Trang 22thể chỉ tráng 1 lớp hợp kim bên ngoài các bộ phận này mà không nhất thiết phải chế tạo toàn
bộ chi tiết bằng hợp kim
Nắp
Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình tròn (có thể là 1 chỏm cầu) được lắp vớimặt bích của khoang đầu bằng bulong Nắp có thể được tháo dễ dàng để kiểm tra ống traođổi nhiệt hoặc vệ sinh bảo dưỡng thiết bị định kỳ mà không làm ảnh hưởng tới chất lượngchùm ống
Tấm chia khoang
Khi thiết bị dùng 2 ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang
Yêu cầu: đảm bảo số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu chênh lệch áp giữacác khoang (giảm hiện tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt chịu nén là thích hợp lắp đặt vòng đệm,không quá gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh hưởng đến chi phí chế tạo, vậnhành và bảo dưỡng Một số dạng tấm chia khoang tiêu biểu:
Vách ngăn
Chức năng:
- Tạo cơ cấu để định vị ống tra đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi lắp đặt cũng như khi vận hành,giữ cho bó ống không bị rung do chuyển động xoáy củ lưu chất