I. Đặt vấn đề Trong ngành công nghệ hóa học, thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều quá trình như hấp thu, chưng cất, chế biến khí… Thiết bị trao đổi nhiệt là những thiết bị (cụm thiết bị) được dùng để trao đổi nhiệt giữa hai dòng quá trình (process stream), hoặc giữa dòng quá trình và dòng hữu ích (utility stream) (có thể là nước, không khí hoặc một loại môi chất lạnh nào đó), hoặc để đun nóng (hay làm nguội) một dòng quá trình đơn giản nào đó. Thiết bị trao đổi nhiệt được mô phỏng trong PROII sử dụng một trong 4 dạng cơ bản sau: Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX) Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX) Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX) Thiết bị trao đổi nhiệt dùng không khí làm mát (Air Cooled HX). Mục tiêu của báo cáo là phân tích ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản trong các trường hợp cụ thể, từ đó đề ra phương pháp sử dụng thiết bị trong thực tế. II. Giới thiệu chung 1 Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản (Simple HX) Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản trong PROII được dùng để mô phỏng sự truyền nhiệt giữa hai dòng quá trình, giữa dòng quá trình và dòng chức năng, hoặc để đun nóng hay làm nguội một dòng quá trình đơn giản nào đó. Thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản không đánh giá các thông số phức tạp, như độ tổn thất áp suất, hệ số truyền nhiệt phía ống và phía vỏ, … Phương trình truyền nhiệt cơ bản: (2.1) Trong đó: Q : năng suất nhiệt tổng cộng , Wh Uom : hệ số truyền nhiệt tổng quát trung bình , Wh.m2.K Aom : diện tích bề mặt truyền nhiệt , m2 ΔTm : chênh lệch nhiệt độ trung bình , K Khi có sự trao đổi nhiệt giữa hai dòng chuyển động ngược chiều thì ΔTm trở thành: (2.2) Nếu 2 dòng chuyển động xuôi chiều thì ΔTm trở thành: (2.3) Ngoài ra, khi thực hiện qúa trình trao đổi nhiệt, theo định luật bảo toàn năng lượng thì: Trong đó: Q1 là nhiệt lượng do dòng nóng tỏa ra ; Wh Q2 là nhiệt lượng do dòng lạnh thu vào ; Wh Q là nhiệt lượng trao đổi tổng; Wh 2 Thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp (Rigorous HX) a) Giới thiệu: Rigorous HX dùng để mô phỏng hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt vỏ ống khi xử lý với dòng một pha:dòng hơi hoặc lỏng.Tuy nhiên, các cân bằng pha giữa lỏnghơi (hai pha) hay hơilỏnglỏng (ba pha) cũng được hỗ trợ. Ở đây, hệ số truyền nhiệt vỏống, độ hụt áp suất và các yếu tố gây cáu bẩn cũng được xét đến. Hệ thống thiết bị có thể có nhiều vỏ được sắp xếp nối tiếp, song song hoặc vừa nối tiếpsong song. Tất cả vỏ đều có hình dạng giống nhau. b ) Tính toán truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt của hai pha có thể được xác định bằng một trong hai phương pháp: Phương pháp Modified Chen Vaporization. Phương pháp HEX5. Trong đó, phương pháp Modified Chen Vaporization được PROII sử dụng. Phía vỏ: Hệ số truyền nhiệt được tính theo các quan hệ: Trong đó: W=lưu lượng khối lượng dòng chảy trong vỏ L=chiều dài đặc trưng của vỏ. C=nhiệt dung riêng củalưu chất. F=độ rỗng của vỏ. Ds=đường kính trong của vỏ. Lb=khoảng cách mỗi vách ngăn trong vỏ. μb= độ nhớt tại nhiệt độ trung bình. k= hệ số dẫn nhiệt của vỏ. Hideal=hệ số truyền nhiệt chung của vỏ trong trường hợp lý tưởng không rò rỉ. Để tính h khi kể đến sự rò rỉ dòng chảy thì phải theo phương pháp BellDelaware với các hệ số hiệu chính: h=hidealJc.Jl.Jb.JsJr Với: Jc= hệ số hiệu chỉnh đối với khoảng cách giữa các tấm ngăn. Jl= hệ số hiệu chỉnh đối với sự rò rỉ ở tấm ngăn. Jb= hệ số hiệu chỉnh khi dòng chảy chảy qua các chặng của chùm ống Js= hệ số hiệu chỉnh đối với khoảng cách tấm ngăn phía trong và ngoài vỏ Jr= hệ số hiệu chỉnh đối với sự tổ hợp các vec tơ gradient nhiệt. Phía ống: Đối với dòng chảy tầng trong ống tròn, hệ số truyền nhiệt của ống xác định theo phương trình SiederTate : Trong đó: μw: độ nhớt lưu chất tại nhiệt độ thành ống. L: chiều dài ống. D: đường kính hiệu dụng của ống. W: lưu lượng khối lượng của dòng trong ống. c)Yếu tố bẩn do cáu cặn (fouling factors): Trong hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt, lớp cáu cặn khi thành ống bị bào mòn hoặc bị các hydrat của dòng chảy bám vào sẽ ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt (tạo ra nhiệt trở) cũng như tổn thất áp suất (tạo ra trở áp). Nhiệt trở này không thể tính chính xác bằng phương pháp phân tích được mà phải dựa vào các thiết bị tiêu chuẩn mà suy ra, ví dụ trong Perry’s handbook . Đối với trở áp, ProII có thể xác định khi người dùng cung cấp bề dày của lớp cặn. 3 Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng (LNG HX) Thiết bị trao đổi nhiệt đa dòng dùng để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa một số dòng nóng và một số dòng lạnh xác định. Thiết bị được chia thành các vùng nhỏ hơn để thực hiện trao đổi nhiệt, được gọi là cell. Nguyên tắc làm việc của thiết bị này dựa theo định luật bảo toàn năng lượng: Trong đó: Q1: nhiệt lượng do tất cả các dòng nóng tỏa ra (được quy ước là âm); Wh Q2: nhiệt lượng do tất cả các dòng lạnh thu vào (được quy ước là dương); Wh Q: nhiệt lượng trao đổi tổng cộng giữa các cell; Wh Đối với LNG HX, cần có ít nhất một cell thực hiện quá trình làm nguội (đối với hot stream, tương ứng là hot type) và một cell thực hiện quá trình đun nóng (đối với cold stream, tương ứng là cold type). Có ít nhất một cell sẽ không có khai báo thông số sản phẩm (với LNG HX đó là năng suất trao đổi nhiệt của cell đó hoặc nhiệt độ dòng sản phẩm). Điều này có thể giải thích như sau: giả sử có n cell bất kì, các thông số sản phẩm hoặc năng suất nhiệt của (n1) cell đa được khai báo; trên cơ sở đó, theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng trên thì năng suất nhiệt của cell còn lại đa được tính và do đó, bài toán trở về dạng cho biết duty của thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản, nên dĩ nhiên cell này không cần phải khai báo thông số sản phẩm nữa.