Lựa chọn và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt loại kettle nằm ngang

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.

LỜI GIỚI THIỆU

Từ khi được phát hiện đến nay, dầu mỏ và khí tự nhiên đã và đang là nguồnnguyên liệu quý giá, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người, ảnhhưởng 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 côngnghiệp 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 trọngtrong cán cân năng lượng của thế giới , là nguồn nguyên liệu phong phú, trụ cộtcho nhiều ngành công nghiệp khác

Việt Nam là một trong những quốc gia trên thế giới có tiềm năng về dầukhí, nước ta đã và đang có những bước tiến quan trọng trong việc khai thác và chếbiến dầu mỏ thành các sản phẩm có giá trị kinh tế cao Việc sản xuất và chế biếncác 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 địnhđến giá trị kinh tế của nhà máy

Trong nhà máy lọc dầu, các phân xưởng phân tách như phân xưởng chưngcất hay trích ly thì nguồn năng lượng luôn đóng vai trò cần thiết do mối quan hệchặt chẽ giữa nhiệt độ và các sản phẩm tách Cũng như vậy , các phân xưởngchuyển hoá hoá học như cracking , reforming, đòi hỏi cần cung cấp một lượngnhiệt lớn để đạt tới ngưỡng nhiệt độ cần thiết mà ở đó các phản ứng hoá học có thểxảy ra Để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết cho các phân xưởng hoạt động cóhiệu quả thì cần sử dụng các lò cấp nhiệt để đun nóng dòng nguyên liệu lên đếnnhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc sử dụng các lò cấp nhiệt sẽ gây tốn kém nhiềuchi phí trong khi các sản phẩm đi ra từ các phân xưởng sản xuất đều mang theomột 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 cóthể tận dụng một cách có hiệu quả các nguồn nhiệt kể trên với các thiết bị trao đổinhiệt để có thể tận dụng một cách có hiệu quả các nguồn nhiệt kể trên với mục đíchnâng nhiệt độ dòng nạp liệu lên đến một nhiệt độ thích hợp và làm giảm nhiệt độcủa các sản phẩm trước khi cho vào trong các bồn lưu trữ đồng thời làm giảmđáng kể các chi phí tiêu tốn từ các lò cấp nhiệt và nâng cao tính kinh tế của nhàmáy Ngoài việc sử dụng các lưu chất có nguồn gốc từ dầu thô ra thì nước, hơinước và không khí cũng được sử dụng để đun nóng hay làm sạch các sản phẩm đếnmột 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 hiệuquả cao Nhìn chung , người ta phân biệt ra làm 3 loại thiết bị với các chức năngkhác nhau:

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

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

+ Thiết bị đun sôi lại : thiết bị này bảo đảm cho sự bay hơi của các sảnphẩm 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 củacác lưu chất , bề mặt trao đổi nhiệt, tổn thất áp suất, Những thông số này quyếtđịnh 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 áncông nghệ I này là thiết bị trao đổi nhiệt loại Kettle nằm ngang nhằm bốc hơi lạiCyclohexan 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 AtotalTính UVapovà AVapoTính 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 ne

Hơi nước

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 đểbốc 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 diệntích 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 Nhưngthường khi tăng tốc độ , hệ số truyền nhiệt tăng và trở kháng tăng , vậy nên cầnchọn 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 dòngmôi 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 khíđều được chấp nhận trong các tiêu chuẩn “ Standards of Tubular exchangerManufactuers ” Nó được lựa chọn trong khuôn khổ các tiêu chuẩn cơ bản và loạithiết 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 củadòng 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 loạiđầu 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 mộtpasse, 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 vệsinh 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 đoạnsong song rồi kết hợp lại.Giá thành thấp, ít có nguy cơ rò rỉ, chịu đựng ở áp suấtcao 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 độcao trong trường hợp việc gắn kết là quan trọng Chẳng hạn như hơi nước trongống 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 hơigiàu 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 cânbằng 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 cầnliên 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 hơinước trong ống, thiết bị đun sôi lại kiểu Kettle

đi trong ống chữ U là nước nên không cần làm sạch thường xuyên, nên chọn đầuphân 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

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

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

Q 1112028 Kcal/h 1289952.48 W

Ta có:  

Δtt U*

Q

Aest 52.0467 (m2)

Rsie Rse λ

e he

1 hie

1 U

C t

C

t C

0 2

0 2

0

5 83

5

83 5

108

5

0.17 r 0.7

0.69 C

* 3.5492

c

0.7 5

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

 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

0.35 0.9

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

25 0 2 max

1

2 3

* ) 2 3 725 (

* 81 9

* 0178 0

* 10

* 39 357

* 18 0

Vậy B = 0.71m = 710 mm

Giả sử B =2/3 Dc,sử dụng công thức tính diện tích hình quạt kết hợp với hàmSolver ở bảng tính Excel ta co Dc = 1.25 m thoả điều kiện Vh< 0.8*Vc (Vận tốc tớihạn)

(Hoặc có thể sử dụng bảng thực nghiệm trang 1387 tập V rafinat có kèm ởphụ lục theo công thức S = K*R2 dựa vào tỉ lệ h/Dc)

Ta có

tub V

h

N

* 2

* ρ S*

ρ

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

G

M D S

Đường kính trong DI = 0.113 m = 4.45 inch

Đường kính ngoài De = 0.125 m = 4.92 inch

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

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 đira

D Nc

Xem như vận tốc hai pha là như nhau

  

t ns ns

t

S

M G

 

L

t

i G D

N L G f P

ns i

t t

*

* 144 2

Bỏ qua masat tại miệng chùm ống

Tổn thất masat do phần cong của chùm ống

  

ns

t cong

G n P



* 10

* 741 2

*

* 2 6

2

2.1*10-11 bar Với n = 2 :số pass

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

Khoảng hở giữa những lỗ trống trong chùm ống

S S

S

Sloíng  tb håi tube

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   0 3m / s thoả < 0.5 m/s tại cửa ống vào

Tổn thất tại cửa vào của thiết bị

Chọn đường kính cửa ra bằng đường kính cửa vào

 Của hơi Cyclohexan = 33.984375 m/s

Công thức tính trở lực tại mỗi cửa ra:

 Do H2O ngưng = 3.196E-06 bar

 Do hơi Cyclohexan = 0.0092395 bar

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 nằmngang”

Qua quá trình tiến hành , chúng em đã nắm được phương pháp tính toándựa 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

Cùng với các bước sử dụng vòng lặp và Solver trong Excell tính được :

 Loại thiết bị theo tiêu chuẩn TEMA kiểu AKU

 Số ống , số passe , đường kính ống , chiều dài ống, bước ống

Qua thời gian thực hiện đồ án chúng em đã có thêm một số kiến thức để hiểuhơn về thiết bị trao đổi nhiệt Đồng thời qua tìm hiểu , nghiên cứu chúng em nhậnthấy rằng : Cùng sự phát triển khoa học kỹ thuật và sự ứng dụng tin học vào trongcông nghiệp dầu khí đã giúp cho quá trình tính toán thiết kế các thiết bị trao đổinhiệt đơn giản hơn Nhưng các phần mềm này chỉ có tính chất kiểm tra và xâydựng bước đầu trong tính toán thiết kế còn để tính toán chính xác ta vẫn phải tínhtoán bằng tay , sử dụng phương pháp lặp

Do còn những hạn chế về mặt tài liệu và kiến thức, quá trình tính toán còngặp nhiều sai sot ,chúng em rất mong được sự chỉ dẫn của quý thầy cô

PHỤ LỤC

1.Échanges Thermiques A.Grange Technip

2.Raffinage et génie chimique _tome I,II_Pierre Wuithier _19723.Perry Pro Hand Book