Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Tên đề tài: Tính toán, thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt loại “ Shell and Tube ” – Ứng dụng trong nhà máy công nghiệp hóa chất các nhà máy hóa học, đạm Ninh Bình… 2.. Hà Văn Hảo tiến

BỘ QUỐC PHÒNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

KHOA: Hóa – Lý kỹ thuật

CHỦ NHIỆM KHOA

NHIỆM VỤ TIỂU LUẬN

Họ và tên: Cao Hồng Quân, Nguyễn Anh Sơn, Lê Quang Dương, Phùng Thị ThuTrang, Vũ Bá Ngọc Lớp: CNKTHH12 Khóa: 12

Ngành: Công nghệ hóa học Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1 Tên đề tài: Tính toán, thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt loại “ Shell and Tube ” – Ứng dụng trong nhà máy công nghiệp hóa chất (các nhà máy hóa học, đạm Ninh Bình…)

2 Nội dung bản thuyết minh: giới thiệu về thiết bị trao đổi nhiệt và tính toán,thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt trong một số nhà máy công nghiệp

3 Số lượng, nội dung các bản vẽ (ghi rõ loại, kích thước và cách thực hiện cácbản vẽ) và các sản phẩm cụ thể (nếu có): 5 bản vẽ

4 Cán bộ hướng dẫn (ghi rõ họ tên, cấp bậc, chức vụ, đơn vị, hướng dẫn toàn bộhay từng phần): Hà Văn Hảo, Đại úy, Giáo viên, Bộ môn Công nghệ hóa học, hướng dẫn toàn bộ

Ngày giao: 11/9/2017 Ngày hoàn thành: 9/11/2017

Hà Nội, ngày 9 tháng 11 năm 2017

(Ký, ghi rõ họ tên, học hàm, học vị)

Học viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày 10 tháng 11 năm 2017

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa nên một sốngành công nghiệp đang từng bước phát triển và hứa hẹn sẽ có nhiều đột phá vàđem lại nhiều lợi ích trong tương lai Một trong số đó là ngành công nghiệp hóahọc Các sản phẩm hóa học ở quy mô công nghiệp luôn đi kèm với sự cải tiến, ápdụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm từ đó có thểđáp ứng được nhu cầu cao của người tiêu dùng Các loại máy móc và thiết bị sảnxuất luôn là ưu tiên hàng đầu của các nhà máy, vì chúng phải đảm bảo yêu cầu rấtchặt chẽ về khả năng vận hành cũng như độ an toàn Chính vì điều đó, các kỹ sưluôn phải đưa ra ý tưởng và cố gắng thiết kế các loại thiết bị khác nhau đáp ứngmục đích, yêu cầu đề ra trong ngành công nghiệp phát triển này

Nắm bắt được tình hình đó, nhóm chúng tôi duới sự hướng dẫn tận tình của

Thầy ThS Hà Văn Hảo tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Tính toán, thiết kế các thiết

bị trao đổi nhiệt loại “ Shell and Tube ” – Ứng dụng trong nhà máy công nghiệp hóa chất (các nhà máy hóa học, đạm Ninh Bình…)” nhằm cụ thể hóa vấn đề thiết

kế máy và thiết bị trong ngành công nghệ hóa học hiện nay

Đề tài của chúng tôi chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt

Chương 2: Nội dung và thực nghiệm

Chương 3: Kết luận

Chúng tôi đã cố gắng rất nhiều nhưng do điều kiện và với kiến thức còn hạnchế, rất khó tránh khỏi những sai sót, rất mong được nhận những ý kiến góp ý từphía Thầy, Cô và các bạn để bài tiểu luận sẽ hoàn thiện hơn

TẬP THỂ NHÓM.

hạ nhiệt độ môi chất hoặc sưởi ấm.

Chất gia công và môi chất thường là ở pha lỏng hoặc hơi, gọi chung là chấtlỏng Các chất này có nhiệt độ khác nhau.[1]

Những thiết bị này thường được sử dụng trong thiết bị sưởi ấm, tủ

lọc dầu, khu chế tạo khí thiên nhiên, và xử lý chất thải

Và trong bài tiểu luận này, chúng tôi cũng tìm hiểu về một số thiết bị traođổi nhiệt trong các nhà máy công nghiệp lớn ở Việt Nam

II Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt :

2.1 Phân Loại Theo Nguyên Lý Làm Việc Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt :

2.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc (hay hỗn hợp)

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt trong đó chất gia công và môi chất tiếp xúcnhau, thực hiện cả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, tạo ra một hỗn hợp [1]

Ví dụ: bình gia nhiệt nước bằng cách sục 1 dòng hơi

2.1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt:

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt có mặt trao đổi nhiệt được quay, khi tiếp xúcchất lỏng 1 mặt nhận nhiệt, khi tiếp xúc chất lỏng 2 mặt toả nhiệt Quá trình traođổi nhiệt là không ổn định và trong mặt trao đổi nhiệt có sự dao động nhiệt [1]

Ví dụ: bộ sấy không khí quay trong lò hơi nhà máy nhiệt điện

2.1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt vách ngăn:

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách rắn ngăn cách chất lỏng nóng và chấtlỏng lạnh và 2 chất lỏng trao đổi nhiệt theo kiểu truyền nhiệt Loại thiết bị trao đổinhiệt vách ngăn bảo đảm độ kín tuyệt đối giữa hai chất, làm cho chất gia công đượctinh khiết và vệ sinh, an toàn, do đó được sử dụng rộng rãi trong mọi công nghệ [1]

2.1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt:

Là loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt để truyền tải nhiệt từ chất lỏngnóng đến chất lỏng lạnh Môi chất trong các ống nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1, sôi

và hoá hơi thành hơi bão hoà khô, truyền đến vùng tiếp xúc chất lỏng 2, ngưngthành lỏng rồi quay về vùng nóng để lặp lại chu trình Trong ống nhiệt, môi chấtsôi, ngưng và chuyển động tuần hoàn, tải 1 lượng nhiệt lớn từ chất lỏng 1 đến chấtlỏng 2. [1]

2.2 Phận Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Sơ Đồ Chuyển Động Chất Lỏng (Với Loại Thiết Bị Có Vách Ngăn ):

- Sơ đồ song song cùng chiều

- Sơ đồ song song ngược chiều

- Sơ đồ song song đổi chiều

- Sơ đồ giao nhau 1 lần

- Sơ đồ giao nhau nhiều lần

2.3 Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Thời Gian:

Phân làm 2 loại

- Thiết bị liên tục: Như bình ngưng , calorifer

- Thiết bị làm việc theo chu kỳ: như nồi thanh trùng , thiết bị sấy theo mẻ

2.4 Phân Loại Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Theo Công Dụng:

- Thiết bị gia nhiệt dùng để gia nhiệt cho sản phẩm : như nồi nấu lò hơi

- Thiết bị làm mát để làm nguội sản phẩm đến nhiệt độ môi trường : nhưtháp giải nhiệt, bình làm mát dầu

- Thiết bị lạnh để hạ nhiệt độ sản phẩm đến nhiệt độ nhở hơn nhiệt độ môitrường : như tủ lạnh, tủ đông

III Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt làm việc gián tiếp

Dựa vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt ta có thể chia thiết bị trao đổi nhiệtgián tiếp thánh các loại chính sau đây:

Lớp vỏ bọc ngoài 2 được ghép chắc vào lớp vỏ thiết bị 1 bằng mặt bích 3(hoặc hàn bền) Giữa hai lớp vỏ tạo thành khoảng trống kín sẽ chứa chất tải nhiệt

- Đặt cánh khuấy để tăng tốc độ tuần hoàn.

- Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ bọc ngoài cần phải có cấu tạo đặcbiệt (áp suất ở đây có thể lên đến 75 at) Để truyền nhiệt từ ống xoắn vào vỏ thiết bịđược, ta lót them miếng lót kim loại để tăng bề mặt tiếp xúc, hoặc đúc ống xoắnvào trong vỏ thiết bị Đôi khi ống xoắn thường được bổ đôi rồi hàn vào thiết bị,hoặc lấy thép góc hàn vào vỏ thiết bị Mục đích điều chỉnh áp suất hơi trong ốngxoắn

Hình 3.2: Thiết bị có ống xoắn bên trong vỏ bọc 3.1.3 Ưa điểm và nhược điểm - ứng dụng[3]

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dưỡng và sửa chữa

- Nhược điểm: Hệ số truyền nhiệt không cao, thiết bị cồng kềnh

- Ứng dụng:

+ Truyền nhiệt gián tiếp qua lớp vỏ thiết bị

+ Sử dụng khi đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng, đặc biệt là cácthiết bị bên trong không đặt được ống xoắn

3.2 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống

Loại này bề mặt truyền nhiệt có dạng hình ống, căn cứ vào tính chất làmviệc và cấu tạo của thiết bị có thể xếp thành 2 kiểu sau:

Hình 3.3: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống [2]

* Nguyên lý làm việc

1 – ống trong; 2 – ống ngoài; 3 – khuỷu nối;

4 – ống nối; 5 – mối hàn

- Chất tải nhiệt II đi trong ống trong từ dưới lên còn chất tải nhiệt I đi trongống từ trên xuống

- Khi năng suất lớn ta đặt nhiều dãy làm việc song song

Hình 3.4: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống làm việc song song

* Ưu điểm và nhược điểm Ứng dụng

- Ưu điểm: có hệ số truyền nhiệt lớn, dễ điều chỉnh tốc độ môi chất, chế tạođơn giản

- Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao, khó vệ sinh khoảng trống giữa 2ống, khó sửa chữa

- Ứng dụng: Dùng để ngưng tụ hoặc bay hơi môi chất lạnh, làm quá lạnhmôi chất lạnh ở thể lỏng, hay dung đun nóng nước, làm mát dầu…

3.2.2 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống trùm[3]

* Cấu tạo:

Gồm có vỏ hình trụ 1, hai đầu

hàn hai lưới ống 2, các ống truyền

nhiệt 3 được ghép chắc và kín vào

lưới ống Các ống lắp trên lưới ống

cần phải kín bằng cách nong hoặc

hàn, đôi khi người ta dùng cả đệm

để ghép kín Đáy và nắp có ghép

với vỏ 1 bằng mặt bích 4 có

bulong ghép chắc Trên vỏ, nắp và

đáy có cửa (ống nối) để dẫn chất

tải nhiệt Thiết bị được lắp vào giá

đỡ bằng tai treo hàn vào vỏ. [2]

Hình 3.4 Thiết bị trao đổi nhiệt loại

ống chùm [2]

1 – vỏ thiết bị truyền nhiệt;

2 – lưới đỡ ống; 3 - ống truyền nhiệt;

4 – đáy thiết bị

Hình 3.5a, b: Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm trong thực tế

- Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố trí theo hình lục giác đều, hìnhtròn đồng tâm, hình vuông

- Hai môi chất trao đổi nhiệt với nhau thông qua vách ống.

- Môi chất lỏng thường đi trong ống, mối chất khí và hơi thường đi ngoàiống Môi chất nóng cũng thường được bố trí đi trong ống

- Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống trùm khi lắp chắc vào lưới đỡ ống chỉ làmviệc ổn định khi hiệu số nhiệt giữa vỏ và ống thiết bị không quá 50oC, nếu vượtquá giới hạn này, ống hoặc vỏ thiết bị bị biến dạng do sự giãn nở không đều nhau.Khi thiết bị làm việc có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vỏ và ống thiết bị, cần cấutạo them bộ phận bù giãn nở

* Ưu điểm và nhược điểm Ứng dụng

- Ưu điểm: Kết cấu gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bềmặt truyền nhiệt lớn, dễ vệ sinh, sửa chữa

- Nhược điểm: Khó chế tạo bằng vật liệu giòn, giá thành cao

- Ứng dụng: dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất (dùng làm bìnhngưng tụ và hơi môi chất, bình bốc hơi cho máy lạnh, làm bình quá lạnh)

3.3 Thiết bị trao đổi nhiệt loại tấm

Phân loại:

Vật liệu thường là chất không rỉ.

Hình 3.6 Thiết bị truyền nhiệt dạng tấm

* Nguyên lý hoạt động[3]

- Khi chất lỏng lưu động qua các khe rãnh, môi chất sẽ chuyển động dướidạng màng mỏng nên tạo ra hệ số trao đổi nhiệt rất cao tạo điều kiện tốt để đốtnóng hay làm lạnh môi chất

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý làm việc TBTĐN dạng tấm [2]

- Các tấm thường đặt song song với nhau tạo ra các khoảng không gian hẹptạo nên các kênh dẫn riêng biệt cho các môi chất khác nhau

* Ưu điểm và nhược điểm Ứng dụng

- Ưu điểm:

+ Đảm bảo hệ số truyền nhiệt cao với hiệu số trở kháng thủy lực thấp

+ Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp

+ Làm việc đáng tin cậy , không bị rò rỉ

+ Kết hợp hài hòa giữa lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị

- Nhược điểm: Chế tạo tấm truyền nhiệt thường phải qua xử lý nhiệt và giacông phức tạp

- Ứng dụng:

+ Bộ phận gia nhiệt, làm nóng và thông gió

+ Các hệ thống điều hòa không khí và gia nhiệt năng lượng mặt trời

+ Các hệ thống cung cấp nhiệt và bơm nhiệt

+ Các hệ thống làm mát xăng nhiên liên liệu và dầu thủy lực.

Hình 3.8 Hệ thống TBTĐN trong nhà máy giấy

* Cấu tạo:

Thiết bị gồm hai tấm kim loại 1 và 2 cuống theo dạng xoắn ốc Đầu trongcủa hai tấm kim loại được hàn vào tấm ngăn 3, giữa hai tấm 1 và 2 tạo thành mộtkhe có tiết diện hình chữ nhật Hai đầu thiết bị được ghép kín bằng nắp 4

Hình 3.9 Thiết bị truyền nhiệt loại xoắn ốc [2]

* Nguyên lý làm việc

Chất tải nhiệt sẽ đi vào lỗ hổng giữa hai khe của tấm 1 và tấm 2

* Ưu điểm và nhược điểm:

- Ưu điểm: thiết bị truyền nhiệt kiểu xoắn ốc có ưu điểm là gọn và có vậntốc lớn, hai chất tải nhiệt có thể chuyển động ngược chiều nhau hoàn toàn, trở lựcthủy lực nhỏ hơn trong ống chùm

- Khuyết điểm: chế tạo và sửa chữa phức tạp, không làm việc ở áp suất caotrên 6 at (cấu tạo đặc biệt có thể làm việc được ở 10 at)

* Cấu tạo:

Thiết bị truyền nhiệt loại ống có gân thường có hai kiểu (hình 3.10): gândọc 1 và gân ngang 2 Đôi khi truyền nhiệt giữa hai chất khí, người ta thường cấutạo gân cả hai bên

Hình 3.10 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống có gân

1 – gân dọc; 2 – gân ngang; 3 – gân hình kim

* Nguyên lý làm việc

Khi truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt mà hệ số cấp nhiệt một phía thì rấtnhỏ so với phía còn lại, ta cần tăng bề mặt truyền nhiệt ở phía có α nhỏ để tăng hiệuquả truyền nhiệt bằng cách thêm các gân lên bề mặt truyền nhiệt

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ THỰC NGHIỆM

I Dây chuyền sản xuất HNO 3 96% (Nhà máy Z195)

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất HNO3 96%

1.2 Thuyết minh lưu trình

HNO3 60% cùng với hơi nước được cho vào thiết bị gia nhiệt đung nóngE206 tới 1600C rồi đưa vào tháp chưng luyện D201 sử dụng H2SO4 85% đưa vào từđỉnh tháp, nồng độ axit thu được ở đáy tháp là khoảng 70% Tháp chưng có cấu tạođặc biệt là tháp thủy tinh, lớp trong được chế tạo bằng thủy tinh đặc biệt nên có khảnăng chịu ăn mòn hóa học

Hơi HNO3 thu được ở đỉnh tháp có nồng độ 96% được đưa vào thiết bịngưng tụ làm lạnh thu được dung dịch axit HNO3 sau đó được tẩy trắng khi qua

1.3 Tính toán và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt E206

1.3.1 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt

Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 8.8 để tính toán cân bằng vật chất

Bước 1: Khởi động chương trình Aspen Hysys

Bước 2: Xây dựng cơ sở mô phỏng

+ Cấu tử: H2O, HNO3

+ Chọn hệ nhiệt động: PRSV

Bước 3: Lưu case vào thư mục sau đó vào môi trường mô phỏng

1.3.2 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Sử dụng phần mềm Aspen Exchanger Design and Rating V8.8 để thiết kếthiết bị trao đổi nhiệt dạng Shell and Tube

Bước 1: Khởi động chương trình Aspen Exchanger Design and Rating

Bước 2: Lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt Shell & Tube

Bước 3: Thiết lập dòng vật chất (Process Data)

Bảng 1.2 Thông số cần thiết lập cho thiết bị E206

Lưu lượng (kg/h) 1500

Bước 4: Thiết lập đặc tính (Property Data)

+ Thiết lập dòng nóng (Hot stream)

+ Thiết lập dòng lạnh (Cold Stream).

Bước 5: Lựa chọn hình dạng cấu tạo thiết bị (Exchanger Geometry)

Bước 6: Lựa chọn vật liệu (Materials of Contruction)

Bước 7: Ấn Run để chạy chương trình.

1.3.3 Bản vẽ thiết kế

Hình 1.2 Bản vẽ chi tiết của thiết bị E206

II DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT CUMENE (Nhà máy nhựa và hóa chất Phú Mỹ)

2.1 Lưu trình công nghệ

2.1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất Cumene 99,9%

Hình 2.1: sơ đồ khối quá trình sản xuất cumene

1-Thiết bị gia nhiệt, 2-Thiết bị phản ứng, 3-Mixer, 4-Thiết bị trao đổi nhiệt,5-Van giảm áp, 6-Tháp tách, 7-Thiết bị gia nhiệt, 8-Van Giảm áp, 9-Thùng chứa

2.1.2 Thuyết minh lưu trình

Nguyên liệu ban đầu là Prolylene và Benzen ban đầu ở 250C, áp suất 2,5MPa và có tỉ lệ molar flow Benzen/Propylene = 2,1/1 Sau đó được đưa qua thiết bịgia nhiệt và được gia nhiệt lên đến 2600C, rồi sau đó đưa vào thiết bị phản ứng, sau

đó sản phẩm được trộn lẫn (bao gồm cả phần hơi và phần lỏng) Sau đó được đưuvào thiết bị trao đổi nhiệt để gia nhiệt sơ bộ cho dòng nguyên liệu vào và làm giảm

2.2 Tính toán, thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt số 4 trong sơ đồ sản xuất Cumene 99,9%

2.2.1 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt.

Sử dụng phần mềm Aspen Hysys để tính toán cân bằng vật chất

Bước 1: Khởi động phần mềm Aspen Hysys

Bước 2: Xây dựng quá trình mô phỏng

Nhập cấu tử: proplene, Benzen, Cumene

Bước 3: Chọn hệ nhiệt động Peng-Robinson.

Bước 4: Lưu case vào thư mục sau đó vào môi trường mô phỏng Bước 5: Thiết lập dòng vật chất.

Bước 6: Thiết lập mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt

2.2.2 Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt

Sử dụng phần mềm Aspen Exchanger Design and Rating V8.8 để thiết kếthiết bị trao đổi nhiệt dạng Shell and Tube

Bước 1: Khởi động chương trình Aspen Exchanger Design and Rating

Bước 2: Lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt Shell & Tube

Bước 5: Chọn vật liệu phù hợp cho thiết bị.

Bước 6: Bắt đầu chạy chương trình “Run”

Bước 7 : Chạy xong ta sẽ có 1 số lưu ý

Bước 8 : Kết quả

2.2.3 Bản vẽ thiết kế

Hình 2.2 Bản vẽ chi tiết thiết bị trao đổi nhiệt