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

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 s

Luận Văn

bị trao đổi nhiệt loại Kettle

nằm ngang

Mục lục

Phần II Lựa chọn và tính toán thiết bị 12 Phần III Tổn thất áp suất của thiết bị 14

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.

Thiết bị bốc hơi loại Kettel nằm ngang

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

Bảng số liệu

Tổn thất áp suất cho phép (bar) mini 0.2

Hệ số bám bẩn (h 0 C.m 2 /kcal) 0.0004 0.0001

Lỏng

Nhiệt dung riêng (kcal/kg 0 C) 0.45

Hệ số dẫn nhiệt (kcal/h.m 0 C)

Enthalpie (kcal/kg)

Hơi

Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 3.2

Ân nhiệt bay hơi (kcal/kg) 85.5 533.6

Đặc trưng của chùm ống

Hệ số dẫn nhiệt kcal/h.m 0 C) 45

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 vom 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 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 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:

e

i i

D

D

h *

3897.638 (kcal/h.m2.C)

 1/hie = 0.000257

1/he = 0.004762

Hệ số dẫn nhiệt   45kcal/mh0C

Nhiệt trở của thành ống

Rp =



e

= 0.0000466667

Hế sốbám bẩn

Rse = 0.0004 Rsi = 0.0001

Hệ số cặn trong ống bề mặt theo tỉ lệ bên ngoài

i

e D

D Rsi*

0.000128

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

  

2

2

1 Q Q

Ta có:  

Δtt U*

Q

Aest 52.0467 (m2)

Khi đó  

est

A

Q

q 21365.966 (kcal/m2) Dùng hàm Solver chọn chiều dài ống phần thẳng L = 4.3m

Diện tích của một ống thẳng a  de * L * π  0.2572(m2)

Số ống là  

a

A

N est 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 :

Ainst  1.05 * de* π* Nc* L  55.095 (m2)

Rsie Rse λ

e he

1 hie

1 U

1











C t

C t

C

t C

T

C

T

0 1

0 2

0 2

0

5 83

5

83 5

108

5

108



















 Tính toán các hệ số màng sôi

Theo công thức của Mostinski

r

1.2 r

0.17 r 0.7

0.69 C

nb 0.00658*P *q *1.8*P 4*P 10*P

Công thức tính đơn giản

A

Q

* 10

* 3.5492

c

0.7 5











Với Pc là áp suất tới hạn của Cyclohexan









































1 41

14 1

* 8 1

* 10

* 1 41

* 095

55

48 1289952

* 10

* 3.5492

h

17 0 0.69

5 0.7

5 1

= 1455.115 W/m2.0K

Và h b  h nb 1 * F b * F C  h nc

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

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%

Theo công thức Mostinski

0.9 r

0.35 r c max

1

) 1 41

14 1 1 (

* ) 1 41

14 1 (

* 4110

* 367

) P (1

* P

* P

* 367 q









= 419358.2955 W/m2

Theo công thức Forste_Zuber

3

25 0 2 max

1

2 3

* ) 2 3 725 (

* 81 9

* 0178 0

* 10

* 39 357

* 18 0

*

*

*

*

* 18 0







q     

= 385581.6546 W/m2 (Gần bằng)

 

Aest

b b

A

L

D *

*



b  2 2 * b  0.2625

q bmax q1max* b  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

tub V

h

N

* 2

* ρ S*

M

&

V

V L

ρ ρ

* 0.0479

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:

G t V* L  362.5 kg/s.m2

Diện tích ống :

  

t

i t

G

M D S

4

* 2



0.009961686 m2 Đường kính trong của ống dẫn là

D i  S t* 4 /  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

 

L

t

i G D



*

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

fe = 0.0035 + 0.264* Re -0.42

f e= 0.005f5762

Chọn chiều dài đường ống vào L = 18 m

Tổn thất áp suất được tính theo công thức:

  

L i

t e

D

L G f P



* 2

*

*

*

321.9878844 Pa = 0.00322 bar

Tổn thất do ống nối là Pn 0 5 bar

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

P  P e  P n 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   0 8

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng _hơi của H2O

ns  L* L G* ( 1  L) 761.765 kg/m3

Diện tích các ống

 

4

*

i t

D Nc

Xem như vận tốc hai pha là như nhau

  

t ns ns

t

S

M G

V

*



Ta có chuẩn số Reynol