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.
Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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 1 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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. 2 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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. 3 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Quá trình tính toán được tiến hành theo trình tự sau. 4 Chọn thiết bị (đầu phân phối, thân và đáy thiết bị) Dự đoán hệ số truyền nhiệt: U Tính bề mặt truyền nhiệt: A estime Tính toán thiết kế (số ống, chiều dài, A inst . . ) Tính U glopbal và A total Tính U Vapo và A Vapo Tính U Prechau và A Prechau Tính tổn thất áp suất Kết quả cuối cùng P > P adm A total >A inst Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ Thiết bị bốc hơi loại Kettel nằm ngang Bảng số liệu Các thông số Ngoài ống Trong ống Cyclohexa ne Hơi nước Lưu lượng (kg/h) 13000 5 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ Vào Ra Vào Ra Hơi (kg/h) 2085 Lỏng (kg/h) 13000 2085 Nhiệt độ ( o C) 83.5 83.5 108.5 108.5 Aps suất (bar) 1.14 1.37 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 Khối lượng riêng (kg/m 3 ) 725 952 Độ nhớt (cP) 0.4 0.128 0.262 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 Độ nhớt (cP) 0.009 Ân nhiệt bay hơi (kcal/kg) 85.5 533.6 Thể tích riêng (m3/kg) 1.275 1051.5 Đặc trưng của chùm ống Đặc trưng Đơn vị đo Chùm ống Vỏ Loại BWG 14 Vật liệu Thép Carbon Thép Carbon Đường kính ngoài De mm 19.05 Đường kính trong Di mm 14.85 Bề dày thành ống mm 2.1 6 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ e Hệ số dẫn nhiệt kcal/h.m. 0 C) 45 Chiều dài L max m 5 Bố trí ống Tự chọn 7 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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 8 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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 H 2 O 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 9 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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: 10 [...]... 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 11 Nguyễn Quốc Dũng –CNKTD1 PHẦN II: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ I LỰA CHỌN THIẾT BỊ Để lựa chọn loại thiết bị theo tiêu chuẩn TAME, chúng ta dựa vào đặc trưng của các lưu thể Lưu... kiến thức để hiểu hơn về thiết bị trao đổi nhiệt Đồng thời qua tìm hiểu , nghiên cứu chúng em nhận thấy rằng : Cùng sự phát triển khoa học kỹ thuật và sự ứng dụng tin học vào trong công nghiệp dầu khí đã giúp cho quá trình tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản hơn Nhưng các phần mềm này chỉ có tính chất kiểm tra và xây dựng bước đầu trong tính toán thiết kế còn để tính toán chính... xét:Tổn thất áp suất nhỏ KẾT LUẬN Được sự hướng dẫn của giáo viên cùng với sự nỗ lực của nhóm , chúng em đã hoàn thành đề tài “ Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại Kettle nằm ngang Qua quá trình tiến hành , chúng em đã nắm được phương pháp tính toán dựa trên các số liệu được cho ban đầu là : Lưu lượng và đặc trưng lưu thể đi trong và ngoài ống Nhiệt độ đầu và cuối của lưu thể Tổn... 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 II TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT: Tính hệ số màng của lưu thể đi trong và ngoài ống 1.Tính cho lưu thể đi... 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: ρ *υ 2 < 5950 → υ = 5950 ρ Tại cửa vào υ = 2.86476815 m/s Chọn υ = 0.3 m / s thoả < 0.5 m/s tại cửa ống vào Tổn thất tại cửa vào của thiết bị ∆Pe = 1.5 * ρ * υ2 2 20 Nguyễn... đi trong và ngoài ống Nhiệt độ đầu và cuối của lưu thể Tổn thất áp suất cho phép Hệ số bám bẩn Và các bước tính toán như sau : Lựa chọn thiết bị Tính bề mặt truyền nhiệt Tính thiết bị Tính tổn thất áp suất Cùng với các bước sử dụng vòng lặp và Solver trong Excell tính được : Loại thiết bị theo tiêu chuẩn TEMA kiểu AKU 22 Nguyễn Quốc Dũng –CNKTD1 Số ống , số passe , đường kính ống ,... công thức S = K*R2 dựa vào tỉ lệ h/Dc) Ta có Vh = M = 0.575 (m/s) S* ρ V * 2 * N tub & VC = 0.0479 * ρL − ρV = 0.719 m/s ρV 16 Nguyễn Quốc Dũng –CNKTD1 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... –CNKTD1 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. .. * Φb = 110095.7341 W/m2 Vậy qbinst . 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. Tự chọn 7 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ 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. Kettle. 11 Nguy n Qu c D ng CNKTD1–ễ ố ũ PHẦN II: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ. I. LỰA CHỌN THIẾT BỊ. Để lựa chọn loại thiết bị theo tiêu chuẩn TAME, chúng ta dựa vào đặc trưng của các lưu thể. Lưu thể