1.1.Các thiết bị chính trong dây chuyền.
1.1.1. Thiêt bị hấp thụ và nhả hấp thụ.
1.1.1.1.Tháp đệm.
a) Sơ đồ cấu tạo.
Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm,...) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo,...); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra.
Hình 4. Sơ đồ cấu tạo tháp hấp thụ kiểu đệm.
Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ);...
Các đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối với đệm trụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích.
Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự do ε (m3/m3); đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a;
tiết diện tự do S (m2/m3).
Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thể tích tự do và và tiết diện ngang lớn; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn;
khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm...
Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ.
Nguyên lý hoạt động:
Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm.
Tháp đệm làm việc ngược chiều có các chế độ thủy động lực sau:
+ Chế độ màng OA: khi mật độ tưới không lớn, tốc độ khí nhỏ, chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt đệm, khí đi ở khe giữa các màng.
+ Chế độ hãm AB: từ A tăng tốc độ khí sẽ làm tăng ma sát của dòngkhí với bề mặt lỏng và kìm hãm sự chảy của màng lỏng, lượng lỏng giữ lại trong đệm tăng.
Khi tăng tốc độ khí làm tăng xoáy đảo màng lỏng trên đệm nên tăng cường quá trình truyền khối.
+ Chế độ nhũ tương BC: Khí-lỏng tạo thành hệ nhũ tương không bền 2 pha liên tục-gián đoạn của khí-lỏng đổi vai trò cho nhau liên tục, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha và cường độ truyền khối lên cực đại, đồng thời trở lực thủy lực cũng tăng nhanh; chế độ này duy trì rất khó mặc dù cường độ truyền khối lớn.
+ Chế độ cuốn theo: quá giới hạn sặc, nếu tăng tốc độ khí, toàn bộ chất lỏng sẽ bị giữ lại trong tháp và cuốn ngược trở ra theo dòng khí.
Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect)
+Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm ra thành thiết bị, gây giảm hiệu suất do tiếp xúc pha kém. Khắc phục bằng cách:
+ Nếu chiều cao đệm lớn hơn 5 lần đường kính đệm thì chia đệm thành từng đoạn; giữa các đoạn đệm đặt bộ phận phân phối lại chất lỏng.
+ Chọn d/Φ = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8.
+ Xếp đệm: nếu d < 50mm: đổ lộn xộn,d > 50mm: xếp thứ tự + Tưới lỏng và phun khí ngay từ đầu.
b) Ưu – nhược điểm - ứng dụng:
Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ.
Nhược: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt.
Ứng dụng:
+ dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất,...
+ dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không,...).
1.1.1.2. Tháp đĩa.
a) Sơ đồ cấu tạo:
Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy thuộc cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảy qua.
Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới,...Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên.
Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục vào pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa.
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khi đó khí (hơi hay lỏng) và lỏng đi qua cùng một lỗ trên đĩa.
Hình 5. Sơ đồ cấu tạo tháp hấp thụ loại đĩa
b) Ưu – nhược điểm và ứng dụng:
Tháp đĩa lỗ: ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao. Tuy nhiên không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp hơn tháp chóp (về lưu lượng khí).
Tháp chóp : có thể làm việc với tỉ trọng của khí, lỏng thay đổi mạnh, khá ổn định. Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp. Nói chung tháp chóp có hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ, tháp xupap: dùng trong chưng cất dầu mỏ.
1.1.2. Thiết bị trao đổi nhiệt.
1.1.2.1. Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản.
a. Giới thiệu
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và đứng thứ hai về thị phần thiết bị trao đổi nhiệt nói chung. Tuy nhiên, trong công nghiệp chế biến dầu khí dạng thiết bị này cũng được sử dụng tương đối khiêm tốn do một số đặc điểm về cấu tạo. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản nhìn bên ngoài có kết cấu như là một máy lọc ép khung bản, bao gồm nhiều bản mỏng có dập gân nổi được ép sát vào nhau, giữa các tấm trao đổi nhiệt hình thành không gian để các lưu thể chảy qua. Các lưu thể thường được bố trí chảy ngược chiều nhau để tăng hiệu quả quá trình truyền nhiệt. Nhờ kết cấu này mà thiết bị có bề mặt trao đổi nhiệt tương đối lớn khi có cùng kích thước với thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống. Ưu điểm của thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản là không giống với các dạng thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống và các dạng thiết bị trao đổi nhiệt khác, thiết bị dạng này có thể cho phép tăng bề mặt truyền nhiệt thiết bị một cách dễ dàng trong quá trình sử dụng mà không cần phải sửa chữa nâng cấp.
b. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản về cơ bản có thể chia thành hai phần chính:
- Phần khung;
- Phần bề mặt trao đổi nhiệt.
Sơ đồ cấu tạo chung của thiết bị được trình bày trong hình vẽ H-10A.
Phần khung
Phần khung thiết bị có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ các tấm trao đổi nhiệt, lượng chất lỏng chứa trong thiết bị, tạo ra kết cấu để định vị và ép chặt các tấm trao đổi nhiệt vào nhau thành một khối các tấm trao đổi nhiệt vững chắc không cho các lưu thể rò rỉ ra bên ngoài. Khung thiết bị bao gồm các chi tiết chính sau: đầu cố định, đầu di động, khung đỡ, các thanh đỡ và định vị tấm trao đổi nhiệt phía dưới và phía trên, các thanh bu lông để xiết chặt các tấm trao đổi nhiệt áp sát vào nhau.
Hình 6. Sơ đồ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt khung bản.
Nguyên lý hoạt động
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản là tạo ra các dòng chảy của các lưu thể ngược chiều nhau trong trên bề mặt của các tấm trao đổi nhiệt để tăng cường quá trình truyền nhiệt. Các tấm trao đổi nhiệt khi ép chặt vào nhau hình thành các khe hẹp để cho các lưu thể đi xen kẽ nhau. Trong một thiết bị trao đổi nhiệt có thể bố trí một dòng chảy đơn (hướng chảy của một lưu thể trong thiết bị khi đi qua các tấm chỉ theo một hướng, hoặc dòng chảy kép (dòng chảy của lưu thể trong thiết bị có thể phân thành nhiều hướng).Theo mỗi hướng chảy của một lưu thể lại bao gồm nhiều dòng song song nhau. Sơ đồ nguyên lý hoạt động chung của thiết bị trao đổi nhiệt và dòng chảy của các lưu thể trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng khung bản được minh họa trong các hình.
Hình 7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng quát của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản.
Hình 8. Sơ đồ dòng chảy trên tấm trao đổi nhiệt (dòng chảy đều)
Hình 9. Sơ đồ dòng chảy trên tấm trao đổi nhiệt (dòng chảy không đều)
Hình 10. Sơ đồ bố trí dòng chảy trong thiết bị (dòng chảy đơn)
Hình 11. Sơ đồ bố trí dòng chảy trong thiết bị (dòng chảy kép)
Dòng chảy của các lưu thể trên bề mặt tấm trao đổi nhiệt có thể được phân bố đồng đều (hình H-13A) hoặc cũng có thể được phân bố không đều nhau (hình H-13B) tùy thuộc vào khả năng đóng cặn của các lưu thể.
c. Phạm vi áp dụng
Ứng dụng
Thiết bị trao đổi nhiệt khung bản có khoảng ứng dụng rộng rãi đặc biệt là quá trình gia nhiệt và làm mát như:
- Quá trình trao đổi nhiệt pha lỏng- lỏng - Quá trình nưng tụ;
- Quá trình bay hơi.
Trong công nghiệp chế biến dầu khí thiết bị này được sử dụng làm mát sản phẩm Kerosene, Isoparaffin,...
Điều kiện hoạt động
Giới hạn điều kiện hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt khung bản có sự khácbiệt đôi chút giữa các nhà chế tạo. Tuy nhiên thông thường nhiệt độ vận hành thiết bị trong khoảng-35oC± 200oC. Áp suất hoạt động có thể đạt tới 14Kg/cm2(trong điều kiện thử áp tới 40Kg/cm2). Diện tích trao đổi nhiêt của một tấm dao động trong khoảng 0,02 m2÷ 4,45 m2. Lưu lượng của lưu thể có thể đạt tới 3500m3/giờ đối với thiết bị tiêu chuẩn và có thể đạt tới 5000m3/giờ cho thiết bị có hai cửa dẫn lưu thể vào (cho 1 lưu thể).
Ưu điểm và nhược điểm . Ưu điểm:
- Do được ghép từ các tấm bản mỏng nên diện tích trao đổi nhiệt khá lớn, cấu tạo gọn.
- Dễ dàng tháo lắp để vệ sinh sửa chữa và thay thế. Có thể thêm bớt một số panel để thay đổi công suất giải nhiệt một cách dễ dàng.
- Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, tương đương bình ngưng ống vỏ amôniắc,
Nhược điểm:
- Chế tạo khó khăn. Cho đến nay chỉ có các hãng nước ngoài là có khả năng chế tạo các dàn ngưng kiểu tấm bản. Do đó thiếu các phụ tùng có sẵn để thay thế sửa chữa.
- Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn do số đệm kín nhiều.
1.1.2.2. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm.
a) Giới thiệu
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm là một trong những dạng thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi nhất trong tất cả các ngành công nghiệp ước tính có tới 60% số thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay trên thế giới là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có khoảng áp dụng rất rộng, gần như ở mọi công suất, trong mọi điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu cao áp, từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ rất cao và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía trong và ngoài ống. Vật liệu để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm chỉ phụ thuộc vào điều kiện hoạt động, vì vậy cho phép thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu khác nhƣ độ rung, khả năng sử dụng cho các lưu thể có những tính chất đóng cặn, chất có độ nhớt cao, có tính xâm thực, tính ăn mòn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần. Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có thể được chế tạo từ vật liệu là các loại kim loại, hợp kim cho tới các vật liệu phi kim với bề mặt truyền nhiệt từ 0,1m2 đến 100.000m2. Tuy nhiên, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm có một nhược điểm là bề mặt trao đổi nhiệt tính trên một đơn vị thể tích của thiết bị thấp so với các dạng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới, vì vậy, cùng một bề mặt trao đổi nhiệt như nhau, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm thường có kích thường lớn hơn nhiều.
Trong ngành công nghiệp chế biến dầu khí, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được sử dụng tương đối rộng rãi ở nhiều quá trình khác nhau và được sử dụng phối hợp với các thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khác.
b) Phân loại
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm được chia thành nhiều dạng khác nhau.
Có nhiều phương pháp để phân chia như căn cứ vào kiểu dạng cấu tạo, dòng chảy của
khoang đầu (Tube Side Channel) hoặc căn cứ vào cấu tạo, kiểu phân bố dòng chảy trong vỏ (Shell) của thiết bị trao đổi nhiệt. Theo tiêu chuẩn của hội các Nhà chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt Hoa kỳ (TEMA), thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm căn cứ theo đặc điểm của phần vỏ ngoài (Shell), và kiểu dòng chảy được chia thành các dạng chính sau đây:
Hình 12. Các dạng cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
c) Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng Nguyên lý hoạt động
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lưu thể chuyển động bên trong và bên ngoài ống trao đổi nhiệt. Để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt, người ta tạo ra chiều chuyển động của lưu thể trong và ngoài ống theo phương vuông góc hoặc chéo dòng. Tùy theo ứng dụng cụ thể mà bố trí kiểu dòng chảy khác nhau (vấn đề này sẽ được đề cập trong trong phần cấu tạo thiết bị). Để phân phối lưu thể trong và ngoài ống người ta tạo ra hai khoang để phân phối lưu chất trong và ngoài ống khác nhau. Lưu chất chảy ngoài ống được chứa trong vỏ trụ (Shell) còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa khoang đầu và trong long ống. Toàn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được minh họa trong hình vẽ 13, 14.
Hình 13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Hình 14. Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi
d) Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiêt ống chùm
Trong khi có rất nhiều kiểu dạng khác nhau nhưng số các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt lại có rất ít khác biệt. Các bộ phận chính của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được mô tả trong các mục dưới đây. Sơ đồ cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được mô tả trong hình vẽ 15.
Hình 15. Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
• Ống trao đổi nhiệt
Ống trao đổi nhiệt là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của ống trao đổi nhiệt chính là bề mặt truyền nhiệt giữa lưu thể chảy bên trong ống và bên ngoài ống. Các ống trao đổi nhiệt có thể được gắn vào mặt sàng bằng phương pháp nong ống hay phương pháp hàn. Ống trao đổi nhiệt thường được làm bằng đồng hoặc thép hợp kim, trong một số ứng dụng, đặc biệt ống trao đổi nhiệt có thể được chế tạo từ hợp kim Niken, Titanium hoặckim nhôm.
Ống trao đổi nhiệt có thể là ống trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt bằng các cánh (Fin Tube- như dạng thiết bị trao đổi nhiệt không khí) khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn rất nhiều so với lưu chất kia. Với kết cấu ống này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với dạng ống trơn từ 2 tới 4 lần cho phép bù lại hệ số truyền nhiệt ở phía ngoài ống.
• Cấu tạo và ứng dụng một số dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm được trình bày ở trên, tuy nhiên, tùy theo ứng dụng cụ thể mà các bộ phận của thiết bị có kết cấu khác nhau.
Dưới đây trình bày cấu tạo các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm được sử dụng phổ biến nhất hiện nay theo phân loại của tiêu chuẩn TEMA. Các dạng thiết bị này được mô tả trong hình H-19, sơ bộ về cấu tạo và ứng dụng của từng dạng này được tóm tắt như dưới đây: