“ Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
PHẦN 1 : TỔNG QUAN CHUNG

LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày nay đang ngày càng phát triển cùng với đó là sự phát
triển không ngừng đa ngành của các ngành công nghệp, để phát triển vượt bậc hơn
hầu hết các ngành đều muốn đạt hiệu quả cao về độ tinh thiết của các loại hóa chất.
Có rất nhiều cách như : trích ly ,kết tinh ,cô đặc,chưng cất,sấy…. Tùy theo yêu cầu
sản phẩm mà ta lựa chon phương pháp phù hợp để đạt hiệu quả cao.
Bộ môn quá trình và thiết bị truyền khối cũng như đồ án 1 là một trong những
môn học phục vụ tốt cho việc học tập, ngiên cứu khoa học. Bởi nó giúp phần nào
các kỹ sư thực phẩm trong tương lai có thể giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể :
công nghệ, thiết kế, chế tao,tìm hiểu kết cấu và nguyên lý làm việc của một thiết bị
trong quá trình sản xuất hóa thực phẩm.
Với đề tài : “ Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi
cồn nồng độ 94% khối lượng, lưu lượng 8000kg/ngày bằng nước mát 30 ’’.
Em chọn thiết kế thiệt bị trao đổi nhiệt ống chùm dạng nằm ngang, vừa có nhiều
ưu điểm lại phù hợp với công nghệ chưng cất cồn. Qúa trình ngưng tụ cồn là quá
trình quan trọng trong công nghệ sản xuất cồn, bởi lẽ là quá trình ngưng tụ sản
phẩm từ dạng hơi về dạng lỏng trước khi xả ra ngoài và hồi lưu chất lỏng về tháp
chưng để tăng hiệu suất
Trong quá trình làm đề tài dù có nhiều cố gắng nhưng về kiến thức chuyên môn
còn chưa sâu khó tránh khỏi việc sai sót,rất mong các thầy góp ý kiến để giúp em
hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất.
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 1
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Em xin chân thành cảm ơn !

Phần I: TỔNG QUAN CHUNG
1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỒN
1.1 Tình hình sản xuất cồn
Hầu hết các nước dùng cồn để pha chế rượu và các nhu cầu khác như : y tế nhiên
liệu và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác.
Theo tình hình phát triển của mỗi nước ,tỷ lệ dùng cồn rất đa dạng và khác nhau.
Rượu và các đồ uống có rượu chiếm 1 vị trí đáng kể trong công nghệ thực phẩm.
Chúng đa dạng tùy theo truyền thống hay thị yếu của người tiêu dung mà các nhà
sản xuất làm ra các loại rượu mang tên khác nhau.
Ngành công nghiệp rượu của Việt Nam ra đời và hoạt động độc lập từ rất lâu, với
vị trí là một nghề thủ công truyền thống. Nhiều làng nghề truyền thống đã nổi tiếng
khắp cả nước. Các loại rượu truyền thống như rượu nếp, rượu cẩm, rượu cần được
nấu bằng phương pháp thủ công cũng phổ biến không kém các loại rượu sản xuất
công nghiệp.
Năm 1858, khi những người Pháp đặt chân lần đầu tiên đến Việt Nam, ngành công
nghiệp sản xuất rượu trải qua nhiều thay đổi lớn.
Năm 1933 một số làng nghề truyền thống sản xuất rượu vẫn tiếp tục phát triển như
ở làng Vân (Bắc Giang), Làng Văn Điển (Hà Nội) và một số làng nghề mới phát
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 2
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
triển thêm như Xuân Lai (Sóc Sơn – Hà Nội), Quan Đình (Từ Sơn – Bắc Ninh), Đỗ
Xá (Hải Dương) .v.v…
Tuy vậy cồn của các nhà máy của nước ta làm ra chưa đạt TCVN-71 song TCVN
-71 về cồn rượu của nước ta cũng thuộc loại thấp so với các nước tiên tiến trên thế
giới. Hiện tại Việt Nam có 3 cơ sở làm ra cồn loại 1 thỏa mãn TCVN-71 đó là công
ty bia Đồng Xuân Phú Thọ,công ty rượu Hà Nội và Bình Tây
Trước tình hình đó,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 líc cồn tinh khiết.Muốn có cồn tinh thiết và chất lượng ca chúng ta

phải có hệ thống chưng luyện, ngưng tụ tốt và biết cách sử dụng nó
Ngày nay sản xuất còn đang là một thị yếu trên thị trường trong và ngoài nước bởi
nó dần được thay thế nguyên liệu xăng trên hầu hết các nước trên thế giới
1.2. Ứng dụng của cồn
Cồn 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 rượu metylic, dễ cháy, không
màu, là một trong các rượu thông thường có trong thành phần của đồ uống chứa
cồn. Trong cách nói dân dã, thông thường nó được nhắc đến một cách đơn giản
là rượu.
Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc
trưng, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 ), dễ bay hơi
(sôi ở nhiệt độ 78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn, Tan
trong ete và clorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có
màu xanh da trời. Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi 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 ancol khác nhau. Ngoài ra cồn còn được dung
trong công 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…
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 3
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Cồn nói chung có rất nhiều ứng dụng trong thực tế tuy nhiên không chỉ là sản
phẩm thực phẩm mà một mặt khác cồn còn là 1 sản phẩm có nguy cơ độc hại cao
đối với cơ thể con người. Vì vậy chúng ta phải biết khai thác và sử dụng có mục
đích hợp lý.
2.VÀI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với đó là yêu cầu về kỹ thuật của các

sản phẩm càng cao.Vì thế các phương pháp nâng cao độ tinh khiết không ngưng
được nâng cao và đổi mới hàng ngày như : cô đặc, chưng cất, hấp thụ, trích ly…
Tùy theo đặc tính sản phẩm yêu cầu mà ta chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ
etanol-nước hệ 2 cấu tử để tách cồn và nước, nâng cao nồng độ cồn ta dung
phương pháp chưng cất
Chưng cất là quá trình dung để tách các cấu tử của hõn hợp lỏng cũng như hỗn hợp
khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp
Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ lên xuống. Vì nhiệt
độ càng lên cao càng thấp nên hơi đi từ dưới lên trên qua các đĩa sẽ làm cấu tử có
nhiệt độ sôi cao sẽ bị ngưng tụ lại và cuối cùng trên đỉnh tháp thu được hỗn hợp
hầu hết cấu tử dễ bay hơi. Hơi qua khỏi tháp sẽ bị thiết bị ngưng tụ hoàn toàn,
lượng lỏng ngưng tụ sẽ có 1 phần bị hồi lưu quay lại tháp.
Chất lỏng đi từ trên xuống gặp hơi từ dưới lên có nhiệt độ cao nên 1 phần cấu tử
nhẹ dễ bay hơi. Do đó càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng cao cuối
cùng sản phẩm đáy thu được hoàn toàn là cấu tủ nặng. Hỗn hợp này thu được ở
đáy tháp sau đó đưa vào thùng chứa sản phẩm đáy
Như vậy tháp đã thực hiện quá trình chưng tách 2 cấu tử thành 2 sản phẩm cồn và
nước riêng biệt nhờ quá trình chưng và luyện
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 4
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
2.1 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn
Chú thích:
1 thùng chứa hỗn hợp dầu 7 thiết bị làm sạch sản phẩm đỉnh
2 bơm 8 thùng chứa sản phẩm đỉnh
3 thùng cao vị 9 thiết bị gia nhiệt đáy tháp
4 thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 thùng chứa sản phẩm đáy
5 tháp chưng luyện 11 thiết bị tháo nước ngưng
6 thiết bị ngưng tụ hồi lưu
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 5

Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp cồn-nước 94% cồn 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) quá trình này được theo dõi bởi đồng hồ lưu lượng . Tại
thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (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 là 30 nhiệt độ ra là 45. Một phần chất
lỏng được ngưng đi qua thiết bị làm nguội (7) còn một phần được hồi lưu về tháp ở
đĩa trên cùng
Chất lỏng đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , 1 phần cấu tử có
nhiệt độ sôi 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,một phần được qua thiết bị làm nguội sau đó đưa vào bình
chứa
Hệ thống làm việc liên tục cho etanol ở đỉnh tháp
3 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT
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
Căn cứ theo phương pháp làm việc người ta chia làm các loại thiết bị sau:

ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 6
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
1. Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề
mặt phân cách ( bề mặt truyền nhiệt ):
-Loại có vỏ bọc
-Loại ống
-Loại tấm
-Loại xoắn ốc
-Loại ống gân
2. Loại đệm: Qúa trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn và
tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau. Thoạt tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp
xúc với bề mặt vật rắn ,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
3.Loại trực tiếp(hỗn hợp):Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau
4 Một số loại ống trao đổi nhiệt
3.1 Ống xoắn ruột gà
Cấu tạo: 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 ngoài ống- Đường kính của ống xoắn ruột gà thường
không quá 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
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 7
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
-có thể điều chỉnh bề mặt truyền nhiệt bằng cách: lắp nhiều cụm ống xoắn có cùng
đường kính hay đường kính khác nhau

-dễ kiểm tra và sửa chữa
-xoắn nên có tính đàn hồn nên khắc phục sự cố giãn nở tốt
Nhược điểm:
-khó làm sạch bên trong của ống ruột gà
-năng suất không lớn lắm
-lưu thể đi bên trong phải sạch hơn lưu thể bên ngoài
3.2 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 ngoài, quá 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
Nhược điểm:
-việc bịt kín khó khăn và đắt tiền
-không chịu áp suất lớn
3.3 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
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 8
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị

Thiết bị ngưng tụ kiểu ống lồngống
Ưu điểm:
-chịu được áp suất lớn
- cấu tạo đơn giản
-có khả năng làm sạch bề mặt truyền nhiệt trong ống

Nhược điểm:
-chiếm nhiều không gian hơn so với ống chum
- chỉ phù hợp truyền nhiệt lỏng lỏng
3.4 Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản:
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
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.Môi chất
làm lạnh và nước giải nhiệt được bố trí đi xen kẽ nhau. Cấu tạo gợn sóng có tác
dụng làm rối dòng 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:
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 9
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
-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.
-Hiệu quả trao đổi nhiệt cao.
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 các phụ tùng thay thế và sữa chữa không
sẵn có.
-Khả năng rò rỉ đường nước khá lớn
4 THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG CHÙM
4.1 Giới thiệu
Với đặc tính kết cấu của nó,thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm diện tích trao đổi
rất lớn, có thể tới hàng trăm hàng nghìn mét vông , hệ số trao đổi nhiệt cao. Bởi
vậy nó được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ hóa chất và thực phẩm .

Chúng đều tuân theo một nguyên tắc cấu tạo là : gồm chùm ống lắp vào vỉ ống
được bọc ngoài bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy. trong thiết bị có hai không
gian riêng biệt: một không gian gồm khoảng trống bên trong vỏ không bị ống
chiếm chỗ ( khoảng không gian giũa vác vỉ ống) và không gian gồm phần rỗng ở
trong các ống và hai không gian giới hạn giữa vỉ ống với nắp (không gian trong
ống). trong mỗi không 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 sau đây : loại nắp cứng và loại nắp mềm
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 10
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
4.2 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. 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 lòng ống.Toàn bộ bó ống được đặt
trong vỏ trụ.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 11
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động tổng quát thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.
4.3 Cấu tạo chung của thiết bị trao đổi nhiệt
Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
4.3.1 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
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 12
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
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 nhôm.
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 ngoài ống
4.3.2 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 tròn , được khoan lỗ theo
kiểu bố trí thích hợp va soi rãnh để cố định ống ,lắp mặt đệm , bulong mặt bích …
Trong quá trình gia công phải đảm bảo mối nối giữa ống và mặt sàng kín tránh rò
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
môi trường bên ngoài,khi xảy ra rò rỉ sẽ nhanh chóng được phát hiện. trong trường
hợp ngay cả lưu chất rò rỉ ra bên ngoài cũng không được phép trộn lẫn vào nhau thì
sử dụng 3 mặt sàng nối tiếp nhau. Khi đó, các chất nếu các lưu chất rò rỉ là các chất
độc hại hay quý hiếm thì cần được thu hồi hay xử lý đúng quy trình.
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 13
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Ngoài 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.

4.3.3 Vỏ và cửa lưu chất vào ra
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 ngoài ống vào và ra khỏi
thiết bị, chúng thường có tiết diện tròn 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 dòng đặt sát ngay dưới cửa vào. Mục
đích : chuyển hướng chuyển động của dòng lưu thể vào có vận tốc lớn có thể ảnh
hưởng đến phần đầu của ống trao đổi nhiệt. các ảnh hưởng của dòng có vận tốc lớn
đập trực tiếp vào phần đầu ống trao đổi nhiệt gây ra hiện tượng xói mòn 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 không gian thích hợp bố trí lắp đặt.
Tiết diện vỏ và sơ đồ bố trí tâm chắn dòng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 14
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
4.3.4 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
soát dòng lưu chất chảy chạy phía trong ống thường là các chất có tính ăn mòn cao
hơn, vì vậy khoang đầu và đầu dẫn lưu chất thườngđược chế tạo từ vật liệu hợp
kim. Để giảm chi phí chế tạo, có thể chỉ tráng 1 lớp hợp kim bên ngoài các bộ phận
này mà không nhất thiết phải chế tạo toàn bộ chi tiết bằng hợp kim
4.3.5 Nắp
Nắp của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm là tấm hình tròn(có thể là 1 chỏm cầu)
được lắp với mặt bích của khoang đầu bằng bu long . 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
4.3.6 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 vòng đệm,không quá gây khó khăn cho việc chế tạo và không làm ảnh
hưởng đến chi phí chế tạo,vận hành và bảo dưỡng. Một số dạng tấm chia khoang
tiêu biểu:
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 15
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
4.3.7 Vách ngăn
Chức năng:
-tạo cơ cấu để định vị ống tra đổi nhiệt ở vị trí thích hợp khi nắp đặt cuxg như khi
vận hành, giữ cho bó ống không bị rung do chuyển động xoáy củ lưu chất
-định hướng chuyển động của lưu chất phía ngoài ống truyền nhiệt qua lại theo
phương vuông 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 tròn 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 còn 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 dòng
chảy tự do qua cửa sổ giữa vách ngăn và vỏ ngoài phải sắp xỉ bằng tiết diện dòng
chảy vuông góc chùm ống tạo ra giữa hai vách ngăn liên tiếp. với dòng 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 dòng chảy phía ngoài
Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thông dụng ( dạng hình viên
phân đơn )
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 16

Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Một số kiểu hình dạng và cách bố trí vách ngăn, chùm ống thông dụng (dạng hình
viên phân kép)
Kiểu vách ngăn, cách bố trí vách ngăn và chùm ống sẽ làm thay đổi tốc độ cục bộ và
hướng dòng chảy ngoài ống. Một số sơ đồ dòng chảy tương ứng với kiểu và cách bố trí
vách ngăn thông dụng được minh họa trong hình vẽ sau:
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 17
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
4.4 Một số lưu ý về vấn đề kỹ thuật
4.4.1.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.
4.4.2 Một số giải pháp điển hình
+ vành bù giãn nở trên vỏ bình
Biện pháp này là tạo ra một vành bù giãn nở nhiệt trên vỏ của thiết bị trao đổi
nhiệt. tuy nhiên kết cấu này chỉ thích hợp với các thiết bị trao đổi nhiệt có kích
thước nhỏ và hoạt động trong điều kiện áp suất thấp
+ ống hình chữ U

Kết cấu này cho phép chùm ống và than thiết bị giãn nở một cách độc lập nhờ đó
không gây ra ứng suất dư do sự co kéo giữa các bộ phận. tuy nhiên gây ra một số
hạn chế : không cho phép thay thế một cách riêng rẽ các ống trao đổi nhiệt, không
vệ sinh được đoạn cong của ống khi bảo dưỡng điều này không thể chấp nhận
trong một số ứng dụng
+ đầu ống tự do
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 18
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Một đầu được ngoàm chặt cùng vỏ thiết bị còn đầu kia của chùm ống được thả tự
do được đưa vào sử dụng. tùy ứng dụng mà có kết cấu khác nhau
Kết cấu đơn giản của thiết bị loại này là mặt sàng ống phía đầu tự do và mặt bích
phải đủ nhỏ để có thể chuyển động tư do trong vòng vỏ thiết bị. kết cấu này cho
phép dễ làm sạch lòng ống và thay thế ống một cách độc lập mà không cần phải
đưa chùm ống ra khỏi vỏ thiết bị. tuy nhiên kết cấu này có nhược điểm: số ống
trong thiết bị bị giảm đi so với thiết bị khác có cùng đường kính vỏ( dành không
gian cho đầu bích tự do)
4.4.3. Một số yêu cầu kỹ thuật khác
*mối ghép bích
Được dùng phổ biến trong các thiết bị sản xuất hóa chất và dầu mỏ cũng như ở các
đường ống dẫn lỏng hoặc khí.
Yêu cầu:
1,các mối ghép bích phải thật kín ở áp suất và nhiệt độ của môi trường nhất là thiết
bị hoặc đường ống có chứa các chất độc và chất dễ cháy
2,mối ghép bích phải bền và lâu hỏng
3,thuận tiện tháo nhanh,nắp nhanh
4,đảm bảo chế tạo hàng loạt
5,giá thành rẻ
Các loại mặt bích : mặt bích đúc,mặt bích hàn hay mặt bích rèn liền với thân …
Độ kín mối ghép do vật đệm quyết định,đệm được làm bằng vặt liệu mềm, dễ biến
dạng, căn cứ vào nhiệt độ, áp suất,tính chất môi trường chọn vật liệu thỏa mãn yêu

cầu
Yêu cầu vật đệm:
1,đủ độ dẻo và dễ bị biến dạng khi bị nén
2,trong thời gian làm việc độ dẻo không bị biến đổi
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 19
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
3,bền đối với môi trường trong thiết bị hay đường ống
Nhận xét khi thiết kế mặt bích:
-số lượng bu lông ở bích phải là bội số của 4
-đệm bịt kín cần đặt rống lên đến gần bu long
-áp suất càng lớn thì đệm càng hẹp
*thân hình trụ:
Là thiết bị phổ biến để chế tạo các thiết bị hóa chất và dầu mỏ làm việc ở áp suất
dư lên đến 10N/m
2
hoặc ở áp suất khí quyển và ở chân không
Chú ý khi chế tạo:
-tổng chiều dài các mối hàn khi hàn là nhỏ nhất
-các mối hàn dọc hay ngang cần phải giáp mối
*đáy và nắp:
Là 2 chi tiết cùng với thân tạo nên thiết bị, hình dạng của thiết bị phụ thuộc vào
nhiệm vụ của nó,áp suất làm việc và phương pháp chế tạo
Đối với thiết bị hàn, đáy và nắp hàn vào thân hay ghép bằng mặt bích,còn thiết bị
đúc thì đáy và nắp đúc liền hay nắp được ghép với thân bằng mặt bích
Đáy và nắp thường dùng trong các thiết bị hóa chất có dạng cầu,enip,nón… đối với
các thiết bị làm việc ở áp suất thường nên dùng đáy và nắp thẳng vì chế tạo đơn
giản giá rẻ,đáy và nắp hình elip hợp lý nhất của thiết bị trụ hay nồi hơi chế tạo
bằng phương pháp dập,dùng trong trường hợp áp suất dư không nhỏ hơn 1 N/m
2

*vỉ ống
Một trong các chi tiết cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm để giữ chặt 2 đầu
ống
Theo hình dáng chia ra vỉ ống hình tròn,hình vuông,hình vành khăn…phổ biến hơn
cả là vỉ ống hình tròn phẳng,hình cầu hoặc elip…cấu tạo từ phôi tấm,ngoài ra có
thể đục,vật liệu phải bền với cứng hơn vật liệu làm ống
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 20
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
*tai đỡ và chân
Việc lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nơi đặt thiết bị,tỷ lệ chiều
cao,đường kính thiết bị,khối lượng thiết bị…
Thiết bị ở vị trí đặt tai đỡ cần ốp thêm một tấm kim loại để tăng cứng sau đó mới
hàn vào tai đỡ
PHẦN 2 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ỐNG
CHÙM
2.1 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
Ở đây ta chọn thiết kế ống chùm nằm ngang, ống truyền nhiệt mm
được làm bằng vật liệu X18H10T. Chọn ống truyền nhiệt dài L= 1,2m.
Tác nhân làm lạnh là nước lạnh công nghiệp, có nhiệt độ đầu vào t
đ
= 30
o
C, thông
thường nhiệt độ đầu ra sẽ trong khoảng 40
o
50
÷
C. ta chọn t
c
= 45

o
C. Do ngưng tụ
hoàn toàn lượng hơi cồn thành lỏng ở cùng nhiệt độ ngưng là t
2
= 78,2
o
C.
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 21
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Do kết cấu thiết bị nên ta cho hơi alcol đi vào khoảng không gian ngoài ống, nước
lạnh công nghiệp đi trong ống, thiết bị làm việc ở áp suất thường
2.1.1.Hiệu số truyền nhiệt trung bình.
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu vào:
1ngđ
Chênh lệch nhiệt độ tại đầu ra:
t
2
=t
2
-t
c
=78,2-45=33,2
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hơi cồn và nước làm lạnh là:
C
t
t
tt
t
O
tb

2,40
2,33
2,48
ln
2,332,48
ln
2
1
21
=
−
=
∆
∆
∆−∆
=∆
Nhiệt độ trung bình của nước là:
Cttt
o
tbhcn
382,402,78 =−=∆−=
Theo đề bài ta có G
y
=8000kg/ngày và nồng độ alcol trong hỗn hợp hơi : a
p
=0,94
phần khối lượng thiết bị làm việc ở áp suất thường
Lượng nhiệt bỏ ra để ngưng tụ hoàn toàn hơi cồn thành lỏng là:
Q = G
y

.r (r: ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi cồn)
=
W85658925100
86400
8000
=×
Trong đó r là ẩn nhiệt ngưng tụ ra khỏi đỉnh tháp
r=22110
3
=925100
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 22
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Ta xác định có hệ số truyền nhiệt K là:
21
11
1
αα
+∑+
=
r
K
W.m
C
o
.
2
2.1.2 Hệ số cấp nhiệt phía nước.
Khối lượng riêng của nước tại nhiệt độ 38
C
o

là:
00,993
=
ρ

kg/m
3
(tra bảng I.2 trang
9 sthc tập 1)
Độ nhớt của nước tại nhiệt độ 38
C
o
là:
3
106814,0
−
×=
µ
N.S/m
2
(tra bảng I.101
trang 92 sthc tập 1)
Hệ số dẫn nhiệt của nước tại nhiệt độ 38
C
o
là:
628,0=
n
λ
W/m.độ (tra bảng I.129

trang 133 sthc tâp 1).
Nhiệt dung riêng của nước tại nhiệt độ 38
C
o
là: C
4172=
p
J/kg.độ (tra bảng I.149
trang 169 sthc tập 1).
Chuẩn số Prandlt của nước là:
527,4
628,0
106814,04172
Pr
3
=
××
=
×
=
−
λ
µ
p
C
Ta có:
µ
ρω
××
=

d
Re

ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 23
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
Trong đó
ω
: vận tốc của nước chảy trong ống.
n
/ (d
2
)
v=lưu lượng m
3
/s
f:tiết diện dòng chảy (m/s)
n:số ống
G
n
:nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ (kg/s)
d:đường kính trong của thiết bị
chọn chế độ dòng chảy trong thiết bị truyền nhiệt R>10 000 nên hệ số cấp nhiệt
của nước được xác định theo phương trình:
Nu = 0,021
25,0
43,08,0
Pr
Pr
PrRe







××××
T
k
ε
Trong đó: Re=12000

k
: hệ số điều chỉnh tính đến ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài L và đường kính
ống
1=
k
ε
vì
50.60
02,0
2,1
>==
d
L

Thay số vào ta được :

25,025,0
43,08,0
Pr

527,4
7,73
Pr
527,4
)527,4()12000(1






=






××××
TT
Từ công thức:
d
Nud
Nu
λ
α
λ
α
×
=⇒

×
=
2
W/m
2
.độ
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 24
Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồ án 1: Quá trình thiết bị
25,025,0
2
Pr
527,4
18,2314628,0
Pr
527,4
02,0
7,73






×=×







=
×
=
TT
d
Nu
λ
α
W/m
2
.độ
2.1.3.Hệ số cấp nhiệt phía hơi
1
α
25,0
1
28,1






×∆
××=
dt
r
A
α
trong đó, D: đường kính ngoài của ống.

A: hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng cồn:
( )
1
2
1
Thcm
ttt
+=
t
1T
: nhiệt độ tường phía hơi,
C
o
t
hc
: nhiệt độ hơi ngưng tụ,
o
C
1Thc
ttt +=∆
- chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và tường.
tb:
hệ số phụ thuộc vào cách sắp xếp ống và số ống trên mỗi dãy đứng, trị số tra theo
đồ thị trên hình 1.13 trang41-qttb tập 3 ta có -
tb
=0.85
Tổng trở nhiệt
r
∑
.

21
rrr ++=∑
λ
δ

m
2
.độ/W
Trong đó : r
1
r
2
nhiệt trở của cặn bẩn bám vào 2 bên thành ống phía hơi và phía
nước lạnh
m
2
.độ/w
ĐẶNG THỊ THÙY TRANG Page 25