Đồ án Qúa trình thiết bị

u
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Công Nghệ Sinh Học và Công Nghệ Thực Phẩm

Đồ Án I – Quá Trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Thực Phẩm
Đề tài: Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ
hơi cồn nồng độ 90% khối lượng, lưu lượng 10 000kg/ngày.

Hà Nội, tháng 7 năm 2022


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kĩ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là
sự phát triển không ngừng đa ngành của các ngành công nghiệp, để phát
triển vượt bậc hơn hầu hết các ngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh
thiết của các hóa chất. Có rất nhiều cách như: kết tinh, chưng cất, cô đặc,
kết tinh, sấy, … Tùy theo yêu cầu sản phẩm mà ta chọn phương pháp phù
hợp để đạt hiệu quả cao.


Bộ mơn q trình thiết bị cũng như đồ án 1 là một trong những môn
học phục vụ tốt cho việc học tập, nghiên cứu khoa học. Bởi nó giúp phần
nào các kĩ sư thực phẩm trong tương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính
tốn cụ thể: cơng nghệ, thiết kế, chế tạo, tìm hiểu kết cấu và nguyên lí làm
việc của một thiết bị trong q trình sản xuất hóa thực phẩm.
Dưới sự hướng dẫn của thầy Phan Minh Thụy, em đã hoàn thành đề
tài “Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn
nồng độ 90% khối lượng, lưu lượng 10 000kg/ngày”. Em chọn thiết kế

thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang, vừa có nhiều ưu điểm lại
phù hợp với chưng cất cồn. Trong ngành sản xuất rượu cồn, giai đoạn
ngưng tụ hơi cồn là một trong những giai đoạn quan trọng để có được sản
phẩm cồn nguyên chất. Đa số các nhà máy đều sử dụng thiết bị ngưng tụ
dạng ống chùm nằm ngang với ưu điểm là có khoảng áp dụng rất rộng, gần
như ở mọi cơng suất trong mọi điều kiện hoạt động từ chân không đến siêu
cao áp và cho tất cả các dạng lưu thể ở nhiệt độ, áp suất khác nhau ở phía
trong và ngồi ống.
Trong q trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng nhưng về kiến thức
chun mơn cịn chưa sâu, do việc khảo sát thực tế khơng có, bên cạnh đó
cịn là sự hạn chế về tài liệu nên khó thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy
em mong được sự góp ý của thầy cơ và bạn bè để bản thân rút ra kinh
nghiệm và củng cố thêm kiến thức để hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về cồn
1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn

Cồn rượu được con người xem là sản phẩm thực phẩm nhưng cũng lại là
sản phẩm có nguy cơ độc hại đối với cơ thể con người. Tuy nhiên, sản
lượng cồn rượu mà thế giới sản xuất ra hàng năm vẫn ngày càng tăng thêm.


Chứng tỏ sản phẩm cồn chiếm một vai trò hết sức quan trọng trong tất cả
các ngành công nghiệp khác nhau, nhất là công nghiệp thực phẩm.
Hầu hết các nước trên thế giới đều dùng cồn để pha chế rượu và cho các
nhu cầu khác nhau như: y tế (VD: sát trùng, sát khuẩn dụng cụ y tế,vệ sinh,
...), nhiên liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác(VD: nhiên
liệu cho động cơ, xăng sinh học, sản xuất cồn khô, làm dung môi, sản xuất
nước hoa, giấm ăn, …) Tùy theo tình hình phát triển kinh tế, khoa học kỹ

thuật khác nhau của mỗi nước mà ứng dụng của sản phẩm cồn dùng trong
các ngành rất đa dạng và khác nhau.
Rượu – một sản phẩm quen thuộc với tất cả mọi người và là sản phẩm
chiếm một vị trí đáng kể trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chúng rất đa
dạng, tùy theo truyền thống và thị hiếu của người tiêu dùng mà các nhà sản
xuất làm ra nhiều loại rượu mang tên khác nhau. Tuy nhiên có thể chia
rượu thành 3 loại chính: rượu mạnh cao có nồng độ trên 30 %V, rượu thơng
thường có nồng độ từ 15 đến 30 %V và rượu nhẹ có nồng độ dưới 15%V.
Ở các nước có cơng nghiệp rượu vang phát triển như Italia, Pháp, Tây
Ban Nha, Bồ Đào Nha, … cồn được sử dụng để tăng thêm nồng độ rượu.
Một lượng khá lớn cồn được sử dụng để pha chế các loại rượu mạnh, cao
độ như Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum, …đồng áng quanh năm.
Nghề nấu rượu thủ cơng đã có từ ngàn đời xưa và chưa có tài liệu nào cho
ta biết chính xác điểm khởi đầu. Từ nguyên liệu gạo, ngơ, … qua q trình
nấu cơm, ủ men, chưng thu sản phẩm đã cho ra những chai rượu đậm chất
làng quê Việt Nam. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của rượu
thủ công như nguyên liệu là gạo nếp hay gạo tẻ, hay ngô, khoai, sắn, …
nấu chín thành “cơm rượu” bị khơ hay nhão, men tốt hay xấu, nhiệt độ ủ và
lên men như thế nào, cũng như cách tiến hành chưng thư sản phẩm. Quan
trọng nhất là men giống – nguyên liệu và cách làm men giống rất đa dạng.
Mỗi nơi, mỗi vùng đều có bài thuốc làm men khác nhau. Đồng bào dân tộc
còn đưa các loại lá rừng vào làm men giống. Tất cả đều là kinh nghiệm
“cha truyền, con nối” do đó hương vị rượu của mỗi vùng miền để lại những


ấn tượng khác nhau cho ngườ thưởng rượu. Sản phẩm rượu thủ công nấu
theo phương pháp cổ truyền xuất phát điểm từ những người nông dân
mang cái tên “rượu nút lá chuối khơ” hoặc “rượu quốc lủi” đều cịn rất nhỏ
và manh mún, chưa thể đạt tiêu chuẩn chất lượng nhưng về hương vị thì
khơng thua kém bất kỳ các loại rượu nào trên thế giới như Martin, Whisky,

Sake,…
Sản xuất cồn rượu theo quy mô công nghiệp ở nước ta chỉ bắt đầu từ
năm 1989 do người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước cách mạng Tháng
Tám nước ta có xây dựng các nhà máy rượu Hà Nội, Hải Dương, Nam
Định, Bình Tây, Chợ Quán, … Tất cả sản xuất từ ngơ, gạo theo phương
pháp amylo. Sau này có xây dựng thêm các nhà máy khác sử dụng rỉ
đường làm nguyên liệu tận dụng từ các nhà máy sản xuất đường. Hiện nay
rượu của Việt Nam đã đạt được TCVN-71 về cồn rượu tuy nhiên TCVN-71
về cồn rượu này thuộc loại thấp nếu so sánh với các tiêu chuẩn hiện nay
của thế giới về cồn rượu.
Trong hội thảo “Dự án chiến lược phát triển khoa học công nghệ ngành
rượu bia nước giải khát” theo đề nghị của các chuyên gia đến năm 2005
nước ta nên có khoảng 180 đến 200 triệu lít rượu các loại tương đương,
khoảng 50 triệu lít cồn tinh thiết. Muốn có cơng tinh thiết và chất lượng
cao chúng ta phải biết áp công công nghệ khoa học kĩ thuật, phải có hệ
thống chưng luyện, ngưng tụ tốt và biết cách sử dụng nó. Ngày nay sản
xuất cồn đang là một thị yếu trên thị trường trong và ngồi nước bởi nó dần
được thay thế ngun liệu xăng trên hầu hết các nước trên thế giới.
1.1.2 Tính chất và ứng dụng của cồn
Cồn etanol có cơng thức cấu tạo CH3CH2OH (khối lượng phân tử 46,07
g/mol), còn được biết đến như là rượu êtylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc …,
là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của methanol. Cồn
etanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc
trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 789kg/m3), dễ bay hơi (sôi ở


nhiệt độ 78,39℃), hóa rắn ở -114,15℃, tan vơ hạn trong nước và một vài
chất hữu cơ khác theo bất kỳ tỉ lệ nào. Tan trong ete và clorofom, hút ẩm,
dễ cháy, khi cháy khơng có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời. Sở dĩ
cồn etanol tan vơ hạn trong nước và có nhiệt độ sơi cao hơn nhiều so với

este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết
hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước.
Cồn dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic, dietyl ete,
etyl axetat, ... Do có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên
etanol được dùng để pha vecni, dược phẩm, nước hoa, ... Trong đời sống
hàng ngày etanol được dùng để pha chế các loại đồ uống với độ cồn khác
nhau. Ngoài ra cồn cịn được dung trong cơng nghiệp để làm chất đốt, cao
su tổng hợp, sát trùng, sản xuất, chữa bệnh, chế biến thức ăn, chế biến các
loại hương hoa quả,…
Cồn nói chung có rất nhiều ứng dụng trong thực tế tuy nhiên khơng chỉ
là sản phẩm thực phẩm mà cịn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau của đời sống. Tuy vậy cồn được coi là 1 sản phẩm có nguy cơ
độc hại cao đối với sức khỏe và cơ thể con người. Vì vậy chúng ta phải biết
khai thác và sử dụng có mục đích hợp lý.
1.2 Quy trình sản xuất cồn
1.2.1 Khái qt về cơng nghệ cồn etanol
Công nghệ cồn etanol là khoa học về phương pháp và quá trình chế biến
các nguyên liệu chứa tinh bột đường, cellulose, ethene thành sản phẩm
etanol. Công nghệ sản xuất cồn thực phẩm sử dụng các kiến thức về lý hóa
học, hóa keo, hóa cơng và nhất là hóa sinh và vi sinh vật học.
Quy trình cơng nghệ sản xuất cồn etanol có thể chia thành các cơng đoạn
chính gồm: chuẩn bị dịch đường lên men, gây men giống, lên men dịch
đường và xử lý dịch lên men
Chuẩn bị dịch lên men: Nếu nguyên liệu chứa tinh bột thì công đoạn này


gồm nghiền, nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ lên men. Nếu
nguyên liệu là mật rỉ thì chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lí
mật rỉ, bổ sung nguồn dinh dưỡng, tách cặn rồi pha loãng tới nồng độ gây
men và lên men.

Gây men giống và lên men: Muốn lên men trước hết cần phát triển men
giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích thùng
lên men. Sau đó đưa men giống và dịch đường vào thùng lên men rồi
khống chế ở điều kiện xác định để nấm men chuyển hóa đường thành rượu
và CO2. Dịch nhận được sau lên men gọi là giấm chín.
Xử lý dịch lên men: Cơng đoạn này có liên quan tới kiến thức lý học và
thiết bị công nghệ sử dụng (thiết bị chuyển khối). Thực chất là dung hệ
thống chưng luyện phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi dấm
chín, sau đó đem tinh luyện để nhận được cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu
chuẩn và yêu cầu tiêu dùng. Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồn
thực phẩm, cồn dầu, dầu fusel hoặc alcol cao phân tử.
Ngoài các sản phẩm kể trên chúng ta còn thu nhận nhiều sản phẩm phụ
khác của quá trình sản xuất cồn. Đó có thể là những ngun liệu cho những
chu trình sản xuất sản phẩm từ phụ phẩm công nghệ sản xuất cồn rượu.
Điều này cần được nghiên cứu định hướng những sản phẩm mới, giảm tối
thiểu phụ phẩm trong công nghệ sản xuất, nâng cao giá trị kinh tế của sản
phẩm và đổi mới quy trình sản xuất để tránh lãng phí trong q trình sản
xuất sản phẩm rượu cồn.
1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn


Chú thích:
1
Thùng chứa hỗn hợp dầu
2
3
4
5

Bơm

Thùng cao vị
Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp
đầu
Tháp chưng luyện

6

Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

7
8
9
1
0
1
1

Thiết bị làm sạch sản phẩm
đỉnh
Thùng chứa sản phẩm đỉnh
Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
Thùng chứa sản phẩm đáy
Thiết bị tháo nước ngưng


1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất
Hỗn hợp cồn – nước nồng độ thấp được chứa trong thùng chứa (1) và
được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp
nhất của thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ
thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị tự đun nóng hỗn hợp đầu (4) q trình

này được theo dõi bởi đồng hồ lưu lượng. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
(4) (sử dụng dùng hơi nước bão hòa) gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt
nhiệt độ hỗn hợp được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp
đệm (5).
Trong tháp hơi đi từ dưới lên trên tiếp xúc với chất lỏng đi từ tên xuống,
tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Trên mỗi đĩa xảy ra
quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi, 1 phần cấu tử dễ bay hơi
chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và 1 phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha
lỏng. Theo chiều cao của tháp càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên phần
dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh ta thu được hỗn hợp hơi
gồm etanol chiếm tỷ lệ cao.
Hơi đi vào thiết bị bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị
ngưng tụ với chất làm lạnh là nước với nhiệt độ vào 20 - 30 ℃ nhiệt độ ra
là 40- 50℃. Một phần chất lỏng được ngưng đi qua thiết bị làm nguội (7)
còn một phần được hồi lưu về tháp chưng luyện ở đĩa trên cùng.
Chất lỏng đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần
cấu tử có nhiệt độ sơi thấp: etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử
khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng, do đó ở đáy tháp hầu hết thu
được hầu hết chất lỏng là nước. Dung dịch lỏng ra khỏi đáy tháp một phần
đưa vào thiết bị nồi để đun bốc hơi cung cấp cho tháp qua thiết bị gia nhiệt
đáy tháp (9), một phần được qua thiết bị làm nguội sau đó đưa vào thùng
chứa sản phẩm đáy (10), nước ngưng của cấc thiết bị gia nhiệt được tháo
qua thiết bị tháo nước ngưng (11).
Hệ thống chưng luyện làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp và thu


được sản phẩm cồn etanol tại thùng chứa sản phẩm đỉnh (8). Cồn etanol
thu được có nồng độ theo yêu cầu.

1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt

1.2.4.1 Vai trò
Thiết bị trao đổi nhiệt là phương tiện để tiến hành các quá trình trao đổi
nhiệt giữa các chất tải nhiệt có nhiệt độ khác nhau.
1.2.4.2 Phân loại
Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác
qua bề mặt phân cách (bề mặt truyền nhiệt). Dựa vào cấu tạo của bề mặt
truyền nhiệt, ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại
chính sau: loại có vỏ bọc, loại ống, loại tấm, loại xoắn ốc và loại ống gân.
Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của
vật rắn và tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau: đầu tiên cho chất tải
nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên
đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho
chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh.
Loại trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau.
Trong phần này sẽ đề cập tới các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản loại gián
tiếp thường sử dụng, về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu, nhược điểm
của từng thiết bị. Thiết bị gián tiếp thường được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp thực phẩm với nhiều ưu điểm: lưu thể không tiếp xúc với
nhau, chỉ tiếp xúc qua bể mặt truyền nhiệt của 2 lưu thể, không bị giảm
nồng độ (khi sử dụng hơi nước trực tiếp), không bị bẩn, nhiễm tạp chất
( tiếp xúc với loại đệm), khả năng truyền nhiệt lớn, kết cấu thiết bị làm việc
liên tục, không bị gián đoạn , dễ dàng tháo lắp và thay thế khi có sự cố hay
vệ sinh thiết bị, thích hợp cho nhiều loại lưu thể. Cụ thể:


a, Ống ruột gà

Gồm các đoạn ống thẳng nối với nhau bằng ống khuỷu gọi là xoắn gắp
khúc hoặc các ống uốn cong theo hình ren ốc. khi làm việc một chất tải đi
trong ống còn một chất tải khác đi bên ngồi ống.

-

Đường kính của ống xoắn ruột gà thường khơng q 100 mm.
Ống 2 có tác dụng giảm dung tích của thiết bị để tăng vận tốc của lưu
thể chuyển động bên ngoài ống xoắn ruột gà.
● Ưu điểm:
͍

Đơn giản, dễ chế tạo;
͍

Có thể dùng trao đổi nhiệt lỏng-lỏng, lỏng-hơi;
͍

Có thể dễ dàng điều chỉnh bề mặt truyền nhiệt bằng cách lắp
nhiều cụm ống xoắn có
▪ Cùng đường kính hay đường kính khác nhau;
▪ Cấu trúc xoắn nên có tính đàn hồn nên khắc phục sự cố giãn

nở tốt;
▪ Làm việc với áp suất khá lớn mà thành ống không cần dày

lắm;
▪ Dễ dàng kiểm tra và sửa chữa.
● Nhược điểm:


͍

Khó làm sạch bên trong của ống ruột gà nên chất lỏng đi trong

đó phải là loại khơng;
͍

Gây bám bẩn;
͍

Năng suất thiết bị không lớn lắm;
͍

Cấu trúc xoắn gây cản trở dịng lưu thể đi phía ngồi ống;
͍

Lưu thể đi bên trong phải sạch hơn lưu thể bên ngoài.

b, Nồi hai vỏ

Gồm 2 vỏ trong và ngoài lắp ghép với nhau tạo thành 1 không gian giữa
2 vỏ và không gian ở vỏ trong. Có 2 loại tháo rời và không tháo rời. khi
làm việc 1 lưu thể đi bên trong 1 lưu thể đi bên ngồi, q trình truyền
nhiệt xảy ra ở bề mặt vỏ trong bị vỏ ngoài bao bọc.
● Ưu điểm:

Ứng dụng rộng rãi trong quá trình vừa gia nhiệt vừa khuấy.
Có thể làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt ở không gian 2 vỏ bằng cơ học (loại tháo
rời).
● Nhược điểm:
͍ Việc bịt kín khó khăn và đắt tiền (loại tháo rời).


͍ Không chịu áp suất lớn, tối đa là 3MN/m2.

͍ Bề mặt trao đổi nhiệt hạn chế.
͍ Chỉ phù hợp cho trao đổi nhiệt lỏng – hơi.

c, Ống lồng ống

Gồm nhiều đoạn nối tiếp vào nhau, mỗi đoạn có 1 ống lồng vào, ống trong
này nối với ống trong kia, ống ngoài này nối với ống ngoài kia. Khi làm
việc 1 lưu thể đi phần giữa 2 ống, sự trao đổi nhiệt giữa 2 lưu thể xảy ra
qua bề mặt ống trong bị bọc bởi ống ngoài.
● Ưu điểm:
-

Chịu được áp suất lớn.

-

Cấu tạo đơn giản.

-

Có khả năng làm sạch bề mặt truyền nhiệt trong ống

-

Đa dạng lưu thể lỏng – lỏng, lỏng – hơi, độ nhớt, cặn bẩn.
● Nhược điểm:

-

Chiếm nhiều không gian hơn so với ống chùm.

-

Chỉ phù hợp truyền nhiệt liên tục.
d, Ống chùm

Một lưu thể đi trong ống trong (có nhiều cặn hơn), một lưu thể đi ở không


gian giữa ống và vỏ. Hai lưu thể truyền nhiệt cho nhau qua bề mặt của các
ống.
● Ưu điểm:
-

Bề mặt truyền nhiệt lớn, không gian gọn.

-

Dễ dàng làm sách bề mặt truyền nhiệt bên trong ống.

-

Chịu được áp suất khá lớn.
● Nhược điểm:

-

Khó (khơng) làm sạch được bề mặt giữa ống và vỏ.

-

Chỉ phù hợp nhất cho truyền nhiệt có một lưu thể chuyển pha.

-

Tính thiết kế và kết cấu phức tạp.
e, Tấm bản mỏng

Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản được ghép từ nhiều tấm kim loại ép chặt
với nhau nhờ hai nắp kim loại có độ bền cao. Các tấm được dập gợn sóng.
Mơi chất làm lạnh và nước giải nhiệt được bố trí đi xen kẽ nhau. Cấu tạo
gợn sóng có tác dụng làm rối dịng chuyển động của môi chất và tăng hệ số
truyền nhiệt đồng thời làm tăng độ bền của nó. Các tấm bản có chiều dày
khá mỏng nên nhiệt trở dẫn nhiệt bé, trong khi diện tích trao đổi rất lớn.
Thường cứ 2 tấm được hàn ghép với nhau thành 1 panel khi lắp đặt.
● Ưu điểm:
-

-

Do được ghép từ các tấm bản mỏng nên diện tích tảo 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, đáp ứng được
cho năng suất lớn.
Hiệu quả trao đổi nhiệt cao.
● Nhược điểm:

-

Chế tạo khó khăn. Cho đến nay chỉ có các hãng nước ngồi là có khả
năng chế tạo các dàn ngưng kiểu tấm bản. Do đó các phụ tùng thay thế


-

và sữa chữa khơng sẵn có.
Khả năng rị rỉ đường nước khá lớn.
Chịu được áp lực không lớn.
Không dùng được cho những chất nhiều cặn bẩn.

1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm
1.2.5.1 Tổng quan
Các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp cơ bản đã được đề cập ở phần trước, về
cấu tạo, nguyên lý những ưu nhược điểm của từng thiết bị trao đổi nhiệt. Có rất
nhiều thiết bị trao đổi nhiệt có thể sử dụng để ngưng tụ hơi cồn: ống chùm, ống
lồng ống, dàn ống,… Tuy nhiên hiết 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 như 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 mịn, 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 0,1 m2 đến 100.000 m2. 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 phần này chúng ta sẽ đi sâu
vào lựa chọn thiết bị cho công nghệ ngưng tụ hơi cồn hiện nay đang sử dụng
rất rộng rãi đó là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm.


Nhiệm vụ chính khi thiết kế các thiết bị truyền nhiệt là xác định bề mặt
truyền nhiệt theo đề bài đã cho. Dựa vào các số liệu ban đầu đã cho là năng
suất, và điều kiện nhiệt độ của quá trình. Trong lúc thiết kế các thiết bị
truyền nhiệt cần chú ý nhất đó là việc chọn thiết bị ống chùm loại nằm
ngang hay ống chùm thẳng đứng.
Đối với “ngưng tụ hơi cồn” thì thơng thường người ta sẽ sử dụng thiết bị
trao đổi nhiệt dạng ống chùm nằm ngang. Vì như đã biết, nếu sử dụng thiết
bị trao đổi nhiệt ống chùm thẳng đứng thì sẽ có nhiều bất lợi xảy ra trong
quá trình truyền nhiệt cho thiết bị. Cụ thể là, sẽ xuất hiện hiện tượng ngưng
tụ màng. Hiện tượng này xảy ra trong trường hợp bề mặt thiết bị hoàn toàn
bị thấm ướt bởi hơi ngưng tụ, trong trường hợp này là hơi cồn ngưng tụ
(hơi hoàn toàn đồng nhất và bề mặt ngưng tụ rất sạch). Khi hơi ngưng tụ
trên thành ống thẳng đứng, hơi cồn ngưng tạo ta một màng chất lỏng bao
phủ trên thành và chảy dọc từ trên xuống. Chiều dày của màng hơi cồn
ngưng tăng dần từ trên xuống do lượng hơi cồn ngưng mới sẽ bổ sung
thêm vào, do đó làm mất nhiệt trong q trình trao đổi nhiệt. Cịn đối với
ống chùm ngang thì hiện tượng đó ít hơn, và khi tạo màng nước trên bề
mặt ống sẽ nhanh chóng chảy xuống, đỡ hao phí trong q trình truyền
nhiệt so với ống đứng.
Ngồi ra khi chọn thiết bị có những điểm cần lưu ý như sau:
● Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ hơi – lỏng ta dùng loại ống chùm có

nhiều ngăn và tùy theo điều kiện nhiệt độ của quá trình mà chọn cơ
cấu lắp ghép khác nhau.
● Khi dùng để truyền nhiệt cho hệ lỏng – lỏng hoặc khí – khí thì tốt
nhất dùng loại ghép bộ. Nếu loại này q cồng kềnh thì có thể dùng
loại ống chùm có nhiều ngăn.
● Nếu điều kiện truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt khác nhau ta nên
sử dụng thiết bị truyền nhiệt loại gân.
● Nếu cần tăng vận tốc của chất tải nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt,
người ta thường chia thiết bị ra làm nhiều ngăn.


● Ngoài ra người ta cũng hay dùng biện pháp chia lối trong bài toán

thiết kế thiết bị ống chùm với mục đích tăng vận tốc dịng đi trong
ống trụ nhỏ, từ đó tăng hệ số nhiệt đối lưu….
1.2.5.2 Giới thiệu thiết bị

Thiết bị trao đổi nhiệt loại này được dùng phổ biến trong công nghiệp thực
phẩm và một số ngành công nghiệp khác. Ưu điểm của thiết bị trao đổi
nhiệt ống chùm là: có diện tích truyền nhiệt lớn, có thể tới hàng trăm hàng
nghìn mét vơng, hệ số trao đổi nhiệt cao, kết cấu gọn, chắc chắn.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm nói chung đều tuân theo một nguyên
tắc cấu tạo là: gồm chùm ống lắp vào vỉ ống được bọc ngồi bằng vỏ hình
trụ, hai đầu có nắp đậy. Trong thiết bị có hai khơng gian riêng biệt: một
không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị ống chiếm chỗ (gọi là
khoảng không gian giũa các vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở trong
các ống và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (gọi là không gian
trong ống). Trong mỗi khơng gian có một lưu thể chuyển động, chúng trao
đổi nhiệt với nhau qua các thành ống truyền nhiệt.
Nếu căn cứ vào vị trí của chúng thì chúng ta có thể chia thành các loại: ống

chùm nằm ngang, thẳng đứng hay nằm ngiêng. Nhưng nếu dựa vào kết cấu
cụ thể ta có thể chia làm các loại: loại nắp cứng (ống lắp vào vỉ bằng
phương pháp hàn), loại nắp mềm (ống lắp vào vỉ bằng đệm ghép), loại nửa
cứng (loại có đai bù giãn nở, loại chữ U) và loại ghép (các chi tiết lắp ghép


vào với nhau bằng chi tiết phụ).
1.2.5.3 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 vng góc hoặc chéo
dịng. 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 còn lưu chất chảy trong lòng ống được chứa
khoang đầu và trong lịng ống. Tồn bộ bó ống được đặt trong vỏ trụ.

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm


Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống
chùm.

1.2.5.4 Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt

Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
● Ống trao đổi nhiệt

Là thành phần cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm, bề mặt của

chúng chính là bề mặt truyền nhiệt giữa hai lưu thể trong và ngoài ống.
Các ống trao đổi nhiệt được gắn vào mặt sang bằng phương pháp nong hay
hàn. ống trao đổi nhiệt thường bằng đồng hoặc bằng thép hợp kim. Ngoài
ra trong một số trường hợp ống trao đổi nhiệt được chế tạo từ hợp kim
Niken, Titanium hoặc hợp kim nhơm.
Khi một lưu chất có hệ số truyền nhiệt thấp hơn nhiều so với chất kia.
Chọn thiết bị có ống trao đổi nhiệt trơn hoặc ống được tăng cường bề mặt
bằng các cánh. Với kết cấu ống này có tăng bề mặt trao đổi nhiệt so với
ống trơn từ 2 đến 4 lần cho phép bù lại hệ số truyền nhiệt ở phía ngồi ống
● Mặt sàng ống

Mặt sàng ống

Mặt sàng ống kép

Các ống được định vị cố định nhờ gắn chặt vào lỗ trên mặt sàng. ống gắn
trên mặt sàng bằng phương pháp làm biến dạng ống (nong ống) hoặc
phương pháp hàn tùy theo dạng vật liệu chế tạo ống và mặt sàng, điều kiện
hoạt động của thiết bị.
Mặt sàng ống thường là một tấm kim loại phẳng hình trịn, được khoan lỗ
theo kiểu bố trí thích hợp va soi rãnh để cố định ống, lắp mặt đệm, bulong
mặt bích …
Trong q trình gia cơng phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng kín
tránh rị rỉ trộn lẫn hai lưu thể trong và ngoài ống để tránh hiện tượng này


người ta thiêt kế mặt sàng kép. Theo thiết kế này phần không gian giữa hai
mặt sàng được thông với mơi trường bên ngồi, khi xảy ra rị rỉ sẽ nhanh
chóng được phát hiện. trong trường hợp ngay cả lưu chất rị rỉ ra bên ngồi

cũng khơng được phép trộn lẫn vào nhau thì sử dụng 3 mặt sàng nối tiếp
nhau. Khi đó, các chất nếu các lưu chất rị rỉ là các chất độc hại hay quý
hiếm thì cần được thu hồi hay xử lý đúng quy trình.
Ngồi ra mặt sàng phải đáp ừng được yêu cầu chống mòn với cả lưu chất
trong và ngoài ống. vật liệu chế tạo mặt sàng ống phải có tính chất tương
đồng với vật liệu chế tạo ống và khoang chứa lưu chất trong lòng ống
nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mòn điện hóa do sự khác biệt vật liệu chế
tạo các bộ phận của thiết bị gây ra.
● Vỏ và cửa lưu chất vào ra

Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
Vỏ thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là bộ phận chứa lưu chất bên ngoài
ống trao đổi nhiệt. cửa lưu chất là nơi đưa lưu chất trao đổi nhiệt phía ngồi
ống vào và ra khỏi thiết bị, chúng thường có tiết diện trịn được chế tạo từ
thép tấm. các thiết bị trao đổi nhiệt chúng có kích thước lớn, chế tạo từ
thép có lượng C thấp nếu điều kiện cho phép để giảm giá thành, vật liệu


hợp kim cũng được sử dụng khi thiết bị họa động trong điều liện ăn mòn và
nhiệt độ cao.
Tại cửa vào lưu chất, thường có 1 tấm chắn dịng đặt sát ngay dưới cửa
vào nhằm mục đích: chuyển hướng chuyển động của dịng lưu thể vào có
vận tốc lớn có thể ảnh hưởng đến phần đầu của ống trao đổi nhiệt. các ảnh
hưởng của dịng có vận tốc lớn đập trực tiếp vào phần đầu ống trao đổi
nhiệt gây ra hiện tượng xói mịn cơ học, hiện tượng khí xâm thực và gây
rung động thiết bị. để đủ không gian lắp đặt tấm chắn và không làm tổn
thất áp suất dòng chảy lớn do việc lắp tấm chắn gây ra, một số ống ở vị trí
này có thể được loại bỏ để dành khơng gian thích hợp bố trí lắp đặt.
● Khoang đầu và đầu đưa chất lỏng vào ra phía trong ống

Khoang đầu và các đầu dẫn lưu chất phía trong ống vào ra đơn giản là việc
kiểm sốt dịng lưu chất chảy chạy phía trong ống thường là các chất có
tính ăn mịn cao hơn, vì vậy khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thường được
chế tạo từ vật liệu hợp kim. Để giảm chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng 1 lớp
hợp kim bên ngồi các bộ phận này mà không nhất thiết phải chế tạo toàn
bộ chi tiết bằng hợp kim
● Nắp

Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình trịn (có thể là 1 chỏm
cầu) được lắp với mặt bích của khoang đầu bằng bulong. Nắp có thể được
tháo dễ dàng để kiểm tra ống trao đổi nhiệt hoặc vệ sinh bảo dưỡng thiết bị
định kỳ mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng chùm ống.
● Tấm chia khoang

Khi thiết bị dùng 2 ngăn trở lên ta dùng ống chia khoang
Yêu cầu: đảm bảo số lượng ống ở mỗi khoang là như nhau để giảm thiểu
chênh lệch áp giữa các khoang (giảm hiện tượng rò rỉ), đảm bảo bề mặt
chịu nén là thích hợp lắp đặt vịng đệm, khơng q gây khó khăn cho việc
chế tạo và khơng làm ảnh hưởng đến chi phí chế tạo, vận hành và bảo
dưỡng. Một số dạng tấm chia khoang tiêu biểu:


● Vách ngăn
⮚ Chức năng:
-

Tạo cơ cấu để định vị ống tra đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi lắp đặt cũng
như khi vận hành, giữ cho bó ống khơng bị rung do chuyển động xốy của
lưu chất.

-

Định hướng chuyển động của lưu chất phía ngồi ống truyền nhiệt qua lại
theo phương vng góc với chùm ống làm tăng vận tốc chuyển động của
lưu chất và hệ số truyền nhiệt. hình dạng chủ yếu là hình viên phân, các
vách ngăn này là tâm tròn, phần cắt đi phải nhỏ hơn bán kính hình trịn ban
đầu nằm đảm bảo rằng vùng chồng lấn nhau giữa các vách ngăn gần nhất
phải chứa ít nhất một hàng ống truyền nhiệt
Nếu lưu thể thiết kế với lưu thể lỏng chảy ngoài ống truyền nhiệt thì phần
cắt của viên phân thường vào 20%-25% của đường kính cịn lưu thể là
dạng khí làm việc ở áp suất thẩm thấu thì phần cắt khoảng 40%-45% nhằm
giảm tối đa tổn thất áp suất của dòng chảy thiết bị.
Khoảng cách giữa 2 vách ngăn kế tiếp phải được lựa chọn sao cho diện tích
dịng chảy tự do qua cửa sổ giữa vách ngăn và vỏ ngoài phải sắp xỉ bằng
tiết diện dịng chảy vng góc chùm ống tạo ra giữa hai vách ngăn liên


tiếp. với dịng chảy vận tốc lớn, cấu hình vách ngăn đơn thường gây tổn
thất áp suất lớn, vì vậy cấu hình với vách ngăn kép sẽ được sử dụng trong
trường hợp này. Cấu hình bố trí vách ngăn kép cho phép giảm tốc độ do đó
giảm được tổn thất dịng chảy phía ngồi.

Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thơng dụng
(dạng hình viên phân đơn và viên phân kép)
Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn và chùm ống sẽ làm thay đổi tốc độ
cục bộ và hướng dịng chảy ngồi ống. Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng
với kiểu và cách bố trí vách ngăn thơng dụng được minh họa trong hình vẽ
sau:

1.2.6 Lưu ý về kỹ thuật
1.2.6.1 Ứng suất nhiệt
Các lưu thể chuyển động trong thiết bị trao đổi nhiệt thường có nhiệt độ
khác nhau tương đối lớn, vì vậy mà nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết của
thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc với các lưu thể này cũng khác xa nhau đặc
biệt là giữa các ống trao đổi nhiệt và vỏ thiết bị.
Nhiệt độ của các bộ phận, chi tiết trong thiết bị khác nhau do đó độ dẫn độ
nhiệt cũng khác nhau. Điều này dẫn tới sự di chuyển tương đối giữa các bộ
phận với vị trí ban đầu và sinh ra các ứng suất dư cục bộ. các chi tiết có
chiều dài lớn là vỏ và ống trao đổi nhiêt bị ảnh hưởng của nhiệt độ càng
lớn. ứng suất nhiệt càng lớn khi nhiệt độ giữa 2 bộ phận này có chênh lệch
càng lớn.
Trong một số trường hợp hậu quả của ứng suất nhiệt gây ra là vỏ bình sẽ bị
uốn cong hoặc các ống trao đổi nhiệt sẽ bị tuột ra khỏi mặt sàng ống. vấn
đề đặt ra là
Cần có giải pháp kỹ thuật để khắc phục ứng suất nhiệt do sự giãn nở nhiệt
không đồng đều giữa ống chùm và vỏ thiết bị. Dưới đây trình bày một số
giải pháp đã được ứng dụng trong thực tế nhằm giảm ứg suất nhiệt gây ra.