tìm hiểu và tính toán các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học cụ thể là tính toán các thiết bị truyền nhiệt và thiết kế tháp chưng luyện

LỜI MỞ ĐẦU
Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng trên
cơ sở khoa học tự nhiên và kỹ thuật. Đặc điểm của lĩnh vực này là nghiên cứu những quy
luật hoạt động của các quá trình để định ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sản
xuất. Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho các kỹ sư khả năng tính toán,
thiết kế thiết bị, khả năng vận hành, cải tiến hoặc đề xuất những thiết bị thích ứng nhất
cho một công nghệ cụ thể, với năng suất cao.
Như chúng ta đã biết kỹ thuật công nghệ hóa học bao gồm nhiều quá trình khác
nhau và được thực hiện trong các dạng thiết bị khác nhau. Trong đó nguyên vật liệu
thông qua các tác động tương tác về mặt vật lý, hóa lý và hóa học sẽ biến đổi chuyển hóa
để thành sản phẩm. Cùng với sự biến đổi về chất có sự thay đổi về năng lượng và động
lượng.
Vì vậy đối tượng của kỹ thuật công nghệ hóa học là các quá trình và thiết bị. Qua
nghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các quá
trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản xuất các sản phẩm hóa học, sẽ tạo
điều kiện cải tiến quá trình cũ, cải tiến thiết bị, nhằm đổi mới công nghệ để tăng nhanh
sản lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm. Mặt khác nghiên cứu quá trình và thiết bị cũng
nhằm tiến hành cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất, áp dụng kỹ thuật tiên
tiến, nhằm giảm mức sử dụng nguyên vật liệu, chi phí chất đốt, năng lượng để đạt hiệu
quả kinh tế cao nhất.
Khác với các quá trình vật lý, quá trình hóa học làm thay làm biến đổi hoàn toàn
cấu tạo và thành phần hóa học hay tính chất hóa học của vật chất. Trong công nghệ hóa
học gồm nhiều phương pháp sản xuất rất khác nhau song nhìn chung các quá trình chế
biến đều được thực hiện bởi các quá trình vật lý, hóa lý giống nhau như lắng, lọc, đun
nóng, làm nguội, chưng luyện, hấp thụ, chiết, sấy khô, đông lạnh….
Các quá trình đều được tiến hành trong thiết bị. Vì vậy, các thiết bị trong nhà máy
hóa chất thực phẩm cũng nhiều loại, nhiều kiểu, song khi đảm nhận cùng nhiệm vụ thì
cũng có cùng nguyên tắc cấu tạo.
Page 1
Dựa trên những kiến thức đã học bài đồ án này đi sâu vào việc tìm hiểu và tính
toán các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học cụ thể là tính toán các thiết bị

truyền nhiệt và thiết kế tháp chưng luyện với những thông số đặt ra trước đó.
Page 2
NỘI DUNG
PHẦN I: TRUYỀN NHIỆT
I. Tổng quan về quá trình truyền nhiệt
1. Các khái niệm và các phương thức truyền nhiệt
Trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp hóa học và thực phẩm nhiều quá trình
cần tiến hành ở nhiệt độ xác định thì vận tốc của quá trình và chất lượng sản phẩm mới
được đảm bảo. Để giữ được nhiệt độ của quá trình theo yêu cầu người ta tiến hành các
quá trình làm nguội, đun nóng, ngưng tụ,… Đó là các quá trình nhiệt.
Truyền nhiệt là sự truyền năng lượng dưới dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.
Qúa trình truyền nhiệt diễn ra theo hướng nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ
thấp hơn.
Quá trình truyền nhiệt gồm:
- Truyền nhiệt ổn định: nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian, không thay đổi theo
thời gian. Chỉ xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục.
- Truyền nhiệt không ổn định: nhiệt độ thay đổi cả theo không gian và thời gian.
Xảy ra trong các thiết bị làm việc gián đoạn hay trong giai đoạn đầu và cuối của quá trình
liên tục.
Nhiệt được truyền từ vật này đến vật khác theo 3 phương thức: dẫn nhiệt, nhiệt đối
lưu, bức xạ nhiệt.
• Dẫn nhiệt: Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này đến phần tử khác của vật
chất khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau. Thường thì quá trình này chỉ xảy ra trong vật
thể rắn. các phần tử có nhiệt độ cao hơn, có dao động mạnh hơn va chạm vào các phần
tử lân cận, truyền cho chúng một phần động năng của mình và cứ như thế động năng
được truyền đi mọi phía của vật thể.
• Nhiệt đối lưu: nhiệt đối lưu là hiện tượng truyền nhiệt do các phần tử chất lỏng hoặc khí
đổi chỗ cho nhau. Hiện tượng đỏi chỗ của các phần tử khí hoặc lỏng này xảy ra do chúng
có nhiệt đọ khác nhau nên khối lượng riêng khác nhau.
• Nhiệt bức xạ: là quá trình truyền nhiệt bằng dạng sóng điện từ, nghĩa là nhiệt năng biến

thành tia bức xạ truyền đi, khi gặp các vật thể nào đó một phần năng lượng nhiệt sẽ bị vật
thể đó hấp phụ, một phần bị phản xạ lại và một phần xuyên qua vật thể.
Page 3
2.Các thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt giữa
các chất mang nhiệt. trong kĩ thuật thiết bị trao đỏi nhiệt dược sử dụng rộng rãi và đóng
vai trò quan trọng trong các quá trình công nghệ.
Theo phương pháp làm việc người ta có thể chia thiết bị trao đổi nhiệt thành 3
loại:
• Trao đổi nhiệt trực tiếp: hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau
• Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn 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, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt
lạnh.
• Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác thông qua bề mặt
phân cách và trao đổi nhiệt gián tiếp( bề mặt truyền nhiệt). dựa vào cấu tạo của bề mặt
trao đổi nhiệt ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại chính sau đây:
- Loại có vỏ bọc.
- Loại ống.
- Loại tấm.
- Loại xoắn ốc.
- Loại ống gân.
3. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống
Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống là loại thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp được sử dụng
phổ biến trong công nghiệp.
• Loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp với nhau, mỗi đoạn
có 2 ống lồng vào nhau, ống trong của đoạn này nối với ống trong của đoạn khác, ống
ngoài của đoạn này nối với óng ngoài của đoạn khác.
Page 4

Chất tải nhiệt II đi trong ống trong từ dưới lên còn chất tải nhiệt I đi trong ống
ngoài từ trên xuống, khi năng suất lớn ta đặt nhiều dayc làm việc song song.
Ưu điểm của loại này là hệ số truyền nhiệt lớn, cấu tạo đơn giản, nhưng cồng kềnh
và tốn nhiều kim loại.
• Loại thiết bị ống chùm: thiết bị loại này được sử dụng phổ biến trong công nghệ hóa chất,
nó có ưu điểm là kết cấu gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn.
II. TÍNH TOÁN
Đề bài: Tính toán và chọn thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống dùng dầu
diezen để đun nóng dầu thô trong hai trường hợp:
+ ống trong là ống tròn trơn
+ ống trong là ống tròn, mặt ngoài có gân dọc
khi biết các thông số cho trong bảng 1.1 và bảng 1.2
Bảng 1.1: Số liệu ban đầu
Thông số Dầu thô Diezen
Nhiệt độ đầu vào (
o
C) 25 290
Nhiệt độ đầu ra (
o
C) Cần tính 140
Tỷ khối d
4
20
0,89 0,80
Page 5
Độ nhớt (cst)
20
o
C
40

o
C
100
o
C
200
o
C
250
o
C
300
o
C
6,45
3,94
1,45
0,52
0,41
0,31
1,15
0,89
0,49
0,31
0,24
0,18

Lưu lượng Dầu thô là 95100 kg/h lưu lượng Diezen là 78100 kg/h
Bài làm:
1. Xác định tải nhiệt Q

Ta gọi chất tải nhiệt nóng Diezen là dòng 1 có nhiệt độ dòng vào là T
11
, nhiệt độ dòng ra
là T
12
.
Chất tải nhiệt lạnh Dầu thô là dòng 2 có nhiệt độ dòng vào là T
21
, nhiệt độ dòng ra là T
22
.
Chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ, chất tải nhiệt lạnh đi trong không gian giữa 2 ống.
Để xác định tải nhiệt Q ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt giữa 2 chất tải nhiệt:
( ) ( )
21221211
21 TTTT
HHGHHGQ −=−=
η
(1)
Trong đó:
Q là tải nhiệt hay lượng nhiệt trao đổi [W] hay [kW]
G
1
, G
2
là lưu lượng chất tải nhiệt nóng và lạnh [kg/giờ]
11
T
H
,

12
T
H
là entanpy của chất tải nhiệt nóng ở nhiệt độ
11
T
và
12
T
[kJ/kg]
21
T
H
,
22
T
H
là entanpy của chất tải nhiệt lạnh ở nhiệt độ
21
T
và
22
T
[kJ/kg]
η
là hệ số hiệu chỉnh hay hệ số sử dụng nhiệt
( )
97,095,0 ÷=η
Theo yêu cầu: G1= 78100 kg/giờ G2= 95100 kg/giờ
Hệ số sử dụng nhiệt: chọn

95,0=η
Page 6
Xác định entanpy: Coi các chất tải nhiệt là các phân đoạn dầu mỏ, dùng đồ thị hình 3.23
(trang 83-
[7]) ta tìm được các giá trị entanpy của các phân đoạn dầu mỏ khi biết tỷ trọng
d và nhiệt độ

kgkJkgkcalHH
T
/92,740/177
563
11
=≈=
kgkJkgkcalHH
T
/14,318/76
413
12
=≈=
kg/kJ23,50kg/kcal12HH
298T
21
=≈=
Từ các số liệu trên áp dụng công thức (1) ta được :
Q= 78100.(740,92- 318,14). 0,95= 31368162,1 KJ/h
Q= 31368162,1 KJ/h= 8713,38 KW
Cũng từ công thức 1, ta tính được
22
T
H

và từ đó tìm được
22
T
( )
23,50.95100 31368162,1
22
−==
T
HQ
kgkJH
T
/07,380
22
=
Tra bảng entanpy ta được T
22
= 447K hay 174
0
C
2. Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Trước hết ta phải chọn chiều của chất tải nhiệt. Trong thực tế, người ta thường chọn thiết
bị trao đổi nhiệt làm việc theo nguyên lý ngược chiều. Khi đó thường có lợi ích kinh tế
cao hơn. Trong trường hợp này, ta cũng chọn thiết bị trao đổi nhiệt có 2 dòng chất tải
nhiệt chuyển động ngược chiều.
Page 7
KT 116447563
max
=−=∆
KT 115298413
min

=−=∆
Ta dùng hiệu nhiệt độ trung bình logarit. Áp dụng công thức
min
max
minmax
min
max
minmax
tb
T
T
lg3,2
TT
T
T
ln
tT
T
∆
∆
∆−∆
=
∆
∆
∆−∆
=∆
Như vậy ta có:
KT
tb
63,115

115
116
lg3,2
115116
=
−
=∆
KT
tb
63,115=∆
3. Xác định hệ số truyền nhiệt
Khi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt loại “ống lồng ống”, các ống trao đổi nhiệt có thể là
các ống tròn trơn hoặc có gân dọc. Ta có thể sử dụng một số công thức sau để tính hệ số
truyền nhiệt K.
Khi ống không có gân, bề mặt ống sạch:
[ ]
KK
t
t
2
21
W/m
11
1
αλ
δ
α
++
=
(3)

Khi ống không có gân, bề mặt ống bẩn:
Page 8
[ ]
KW/m
11
1
K
2
22
2
1
1
t
t
1
α
+
λ
δ
+
λ
δ
+
λ
δ
+
α
=
(4)
Khi ống có gân, bề mặt ống sạch:

[ ]
K
F
F
K
t
t
2
2
1
'
21
W/m
11
1
αλ
δ
α
++
=
(5)
[ ]
K
F
F
K
t
t
2
2

1
'
22
2
1
1
1
W/m
11
1
αλ
δ
λ
δ
λ
δ
α
++++
=
Khi ống có gân, bề mặt ống bẩn:
(6)
Trong công thức từ (3) đến (6):
k là hệ số truyền nhiệt [
Km/W
2
]
1
α
là hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt chảy trong ống nhỏ đến bề mặt trong của ống nhỏ [
Km/W

2
].
2
α
là hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ đến chất tải nhiệt chảy giữa 2 ống [
Km/W
2
].
21t
,, δδδ
lần lượt là chiều dày của ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài
của ống nhỏ [
m
]
Page 9
21t
,, λλλ
lần lượt là hệ số dẫn nhiệt ống nhỏ, của lớp bẩn bám trên bề mặt trong và ngoài
của ống nhỏ [
mK/W
]
21
F,F
lần lượt là diện tích toàn bộ bề mặt trong và bề mặt ngoài của ống nhỏ (có gân).
Trên thực tế, phải tính toán thiết bị trao đổi nhiệt đảm bảo yêu cầu vận hành trong mọi
điều kiện nên thường sử dụng công thức 4 và 6 để tính toán hệ số truyền nhiệt. Đây là các
công thức xác định hệ số truyền nhiệt khi bề mặt bị bám bẩn, hệ số truyền nhiệt giảm đi.
a, tìm F
1
, F

2
.
Việc tìm F
1
và F
2
liên quan đến TB TĐN cụ thể, do vậy ta phải chọn sơ bộ TB TĐN. Để
chọn sơ bộ TB TĐN ta phải tính được bề mặt trao đổi nhiệt giả định cần thiết. Muốn thể
ta giả định hệ số truyền nhiệt K.
Trên cơ sở số liệu chất tải nhiệt đã chọn, ta giả sử K = 295 W/m
2
K. Biết
Kt
tb
63,115=∆
,
biết K = 295 W/m
2
K, ta tính được bề mặt trao đổi nhiệt theo công thức
tb
tK
Q
F
∆
=
(7)
2
3
25644,255
63,115.295

10. 8713,38
mF ≈==
chọn F
sb
= 256 m
2
Trong thực tế có loại thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống có bề mặt trao đổi nhiệt là
30 m
2
với các đặc tính: đường kính ống trong d = 48x4 mm, đường kính ống ngoài D =
89 x 5 mm, nhiệt độ làm việc tối đa là 723 K, áp suất làm việc tối đa là 25 at.
+) Vậy Với F=256m
2
, thì cần 9 thiết bị loại 30m
2
là đủ.
Khi đó ta có: số ống N= 256.28/30 =238,9 ≈ 239 ống. Chọn N=240 ống
Thiết bị chia làm 4 ngăn, mỗi ngăn 2 hành trình, suy ra số ống mỗi hành trình là 240/8
=30 ống
Page 10
• Với loại thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt ống không có gân: thiết bị có 4 ngăn mỗi ngăn có 2
hành trình với 60 ống, mỗi hành trình có 30 ống trao đổi nhiệt.
• Với loại thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt ống có gân:
- Hệ số thêm gân khi có 20 gân là
3,4
=
ϕ
- Hệ số thêm gân khi có 24 gân là
5
=ϕ

Với ống không có gân F = F
1
= 256 m
2
Với ống có gân dọc F
1
= 256 m
2
Ống có 20 gân
2
12
8,1100256.3,4. mFF ===
ϕ
≈1101 m
2
Ống có 24 gân
2
12
1280256.5. mFF ===
ϕ
b). Tính
1
α
: hệ số cấp nhiệt từ chất tải nhiệt nóng đi trong ống nhỏ đến bề mặt trong của
ống.
Chọn ống là ống thép
Ta có thể sử dụng các công thức sau để tính
1
α
nếu dòng chảy rối.

25,0
1,
1
43,0
1
8,0
1
1
1
Pr
Pr
.PrRe021,0








=
t
d
λ
α
(8)
Hay:
45,0
t
t

4,0
1
8,0
1
1
1
d
D
.PrRe
d
027,0








λ
=α
(9)
Trong đó:
1
λ
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, [W/mK]
d
t
: đường kính trong của ống nhỏ, [m] (d
t

= 0,04 m)
Page 11
D
t
: đường kính trong của ống ngoài, [m] (D
t
= 0,079 m)
Các thông số nhiệt vật lý được tính ở nhiệt độ trung bình của Diesel.
Re
1
và Pr
1
là chuẩn số Reynold và chuẩn số Prandt khi các thông số vật lý được
tính ở nhiệt độ trung bình.
Trong tính toán, vì chuẩn số Pr ít thay đổi theo nhiệt độ nên có thể coi.
1
Pr
Pr
1,t
1
=
Nhiệt độ trung bình phía Diesel:
1tb
T
K
TT
T
tb
488
2

413563
2
1211
1
=
+
=
+
=
(215
0
C)
Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình:
1
λ
có thể tính theo công thức (10):
( )
1tb
28 8
277
1
T.00047,01
d
1346,0
−=λ
với
( )
293000725,0
293
277

28 8
277
−−= Tdd


( )
293288000725,08,0
288
277
−−=d
= 0,804
( )
129,0488.00047,01
804,0
1346,0
1
=−=
λ
[W/mK]
129,0
1
=λ
Page 12
[W/mK]
Tính chuẩn số Reynold (Re
1
):
1
Re
được tính theo công thức:

1
t1
1
d
Re
υ
ω
=
Với
1
ω
là vận tốc diesel chảy trong ống, [m/s]
1
υ
là độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình, [m
2
/s]
Vận tốc dòng diesel được tính:
11tb
1
1
f.3600
G
ρ
=ω
1tb
ρ
là khối lượng riêng của diesel ở nhiệt độ trung bình 488 K.
Biết
293

277
d
= 0,8. Tính
( )
293T000725,0dd
293
277
48 8
277
−−=
( )
659,0293488000725,08,0
48 8
277
=−−=d
Coi tỷ khối bằng trọng lượng riêng nên:
659
1
=
tb
ρ
kg/m
3
1
f
là tiết diện cắt ngang của các ống trong 1 hành trình.
Page 13
Thiết bị có 4 ngăn, 240 ống, mỗi ngăn có 2 hành trình, mỗi hành trình có 30 ống
(N
l

= 30).
( )
03768,030
4
04,0.14,3
4
2
1
2
1
=== N
d
f
t
π
m
2
Do vậy:
8737,0
03768,0.659.3600
78100
1
==
ω
m/s
8737,0
1
=
ω
m/s

Độ nhớt động học của diesel ở nhiệt độ trung bình
Từ bảng giá trị độ nhớt theo nhiệt độ, ta vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ đồ
thị ta sẽ tìm được giá trị độ nhớt ở một nhiệt độ nào đó.
Từ đồ thị, ta xác định độ nhớt động học ở 215
0
C:
27,027,0
1
== cSt
υ
.10
-6
m
2
/s
Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ bất kỳ khi biết độ nhớt ở 2 nhiệt độ khác
theo công thức:
273T
273T
lgnlg
1
2
2
1
−
−
=
υ
υ
Biết T

1
, T
2
,
1
υ
,
2
υ
, ta xác định được n. Sau đó ta tính ngược lại để xác định được độ nhớt
tại một nhiệt độ nào đó.
Ví dụ:
Page 14
Ở
K373T
1
=
có
49,0
1
=
υ

K523T
2
=
có
24,0
2
=

υ
273373
273523
lg
24,0
49,0
lg
−
−
= n
779,0
=→
n
Vậy ở nhiệt độ
K488T
1tb
=
ta có:
273373
273488
lg779,0
49,0
lg
−
−
=
υ
27,0
=→
υ

cSt
Từ các số liệu đã cho ta tính được chuẩn số Reynold:
10000037,129437
10.27,0
04,0.8737,0
Re
6
1
>==
−
037,129437Re
1
=
Vậy dòng là dòng chảy rối
- Tính chuẩn số Prandt:
Chuẩn số Pr được xác định theo công thức:
λ
ρυ
.
Pr
C
=
Với:
C
là nhiệt dung riêng, [J/kg.K]
( ) ( )
488.0034,0762,0
804,0
1
.0034,0762,0

1
1
288
277
1
+=+=
tb
T
d
C
=2,7 [J/kg.K]
Page 15
7241,3
129,0
659.10.7,2.10.27,0
Pr
36
1
111
1
===
−
λ
ρυ
C
Tính
1
α
:
Áp dụng công thức(8), ta có:

25,0
1,
1
43,0
1
8,0
1
1
1
Pr
Pr
.PrRe021,0








=
t
d
λ
α
33,14657241,3037,129437
04,0
129,0
021,0
43,08,0

1
==
α
W/m
2
K
33,1465
1
=
α
W/m
2
K
c) Tính
2
α
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ống nhỏ đến dầu thô.
Nếu dòng chảy rối, có thể sử dụng công thức 8 hoặc 9 để tính
2
α
, trong đó các tính chất
vật lý là của dầu thô ở nhiệt độ trung bình.
- Nhiệt độ trung bình của dầu thô
2tb
T
5,372
2
298447
2
2221

2
=
+
=
+
=
TT
T
tb
K
- Hệ số dẫn nhiệt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình
2tb
T
Page 16
( )
2tb
28 8
277
2
T.00047,01
d
1346,0
−=λ
( ) ( )
894,0293288000725,089,0293000725,0
293
277
28 8
277
=−−=−−=

Tdd
( )
1242,05,372.00047,01
894,0
1346,0
2
=−=
λ
W/mK
1242,0
2
=
λ
W/mK
- Tính tiêu chuẩn Reynold
2
Re
2
Re
được tính theo công thức 11
2
tb2
2
D
Re
υ
ω
=
(11)
Với

2
ω
là vận tốc dòng dầu thô chảy trong tiết diện hình vành khăn giữa 2 ống,
[m/s]

2
υ
là độ nhớt của dầu thô ở nhiệt độ trung bình. [m2/s]

tb
D
là đường kính tương đương của hình vành khăn, [m].
+ Đường kính tương đương được xác định theo công thức:
031,0048,0079,0dDD
nttb
=−=−=
m
+ Vận tốc dòng dầu thô
Page 17
22tb
2
2
f.3600
G
ρ
=ω
Trong đó:
2tb
ρ
là khối lượng riêng của dầu thô ở nhiệt độ trung bình

2tb
T
( ) ( )
2935,372000725,089,02935,372000725,0
293
277
5,372
277
−−=−−= dd
832,0
5,372
277
=
d
Coi tỷ trọng bằng khối lượng riêng nên
832
2
=
tb
ρ
kg/m
3
2
f
là tiết diện hình vành khăn, tính theo công thức:
( )
( )
0927,0048,0079,0
4
14,3

.30
4
222
2
2
=−=−=
nt
dDNf
π
m
2
Do vậy
3425,0
0927,0.832.3600
95100
2
==
ω
m/s
Độ nhớt động học của dầu thô ở nhiệt độ trung bình:
Từ số liệu độ nhớt theo nhiệt độ, vẽ đồ thị độ nhớt phụ thuộc t
Ta cũng có thể xác định độ nhớt ở một nhiệt độ trung bình từ công thức 11.4
Ở
K313T
1
=
có
94,3
1
=

υ
Page 18

KT 373
2
=
có
45,1
2
=
υ
273313
273373
lg
45,1
94,3
lg
−
−
= n
091.1
=→
n
Vậy ở nhiệt độ
KT
tb
5,372
2
=
ta có:

273313
2735,372
lg091,1
94,3
lg
−
−
=
υ
458,1
=→
υ
Vậy:
6
2
10.458,1
−
=
υ
m
2
/s
+ Từ số liệu tính được, ta xác định được chuẩn số Reynold.
24,7282
10.458,1
031,0.3425,0
Re
6
2
==

−
24,7282Re
2
=
Như vậy, dầu thô chảy ở chế độ quá độ, ở chế độ này, ta có thể sử dụng công thức gần
đúng sau
25,0
2t
2
43,0
2
t
2
102
Pr
Pr
Pr
D
k








λ
ε=α
(13) V.44-tr 17-[2]

0
k
là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold
1
ε
là hệ số phụ thuộc chuẩn số Reynold và tỷ số giữa chiều dài và đường kính ống
(l/d)
Page 19
Với
24,7282Re
2
=
thì
31,24
0
=k
[16 – Sổ tay T2]
Với thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống đã chọn, chiều dài ống thường là l=6,5 m.
Như vậy tỷ số l/d >50. Do vậy
1
1
=ε
- Tính chuẩn số Prandt
Theo công thức 12 ta có:
2
222
2
C
Pr
λ

ρυ
=
Vì nhiệt dung riêng C
2
được tính theo công thức:
( ) ( )
15,25,372.0034,0762,0
489,0
1
.0034,0762,0
1
2
28 8
277
2
=+=+=
tb
T
d
C
kJ/kgK
Do vậy:
21
1242,0
832.10.15,2.10.458,1
Pr
36
2
==
−

21Pr
2
=
- Tính
2
α
: do dòng chảy quá độ nên sử dụng công thức 13, coi Pr là ít thay đổi theo nhiệt
độ:
66,36021
031,0
1242,0
.1.31,24
43,0
2
==
α
W/m
2
K
66,360
2
=
α
Page 20
W/m
2
K
d) Tính
'
2

α
: hệ số cấp nhiệt từ bề mặt ngoài của ống nhỏ có gân đến dầu thô
Khi ống có gân, có thể xác định hệ số cấp nhiệt theo công thức:






δ−β
+α=α
S
h2
1
tg
Với
g
α
là hệ số cấp nhiệt khi ống có gân [W/m
2
K]

t
α
là hệ số cấp nhiệt khi ống không có gân [W/m
2
K]
h là chiêu cao gân, [m] (h=0,013 m)
δ
là chiều dày gân, [m] (

δ
=0,001 m)
S
là bước gân, [m]
β
là hệ số phụ thuộc vào tích số (m.h) với m được tính theo công thức:
t
t
.
2
m
λδ
α
=
Bước gân S được tính theo công thức:
n
d
S
π
=
Với ống có 20 gân, d = 0,048 m thì:
m0075,0
20
048,0.14,3
S
==
Page 21
Với ống có 24 gân, d = 0,048 m thì:
m0063,0
24

048,0.14,3
S ==
Tìm
β
:
66,360
2
==
αα
t
W/m
2
K
δ
=0,001 m
7,51
t
=λ
là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu chế tạo gân (dùng thép các bon, tra ở 372,5 K
hoặc 99,5
0
C , bảng XII.7 Trang 313 Sổ tay T2)
Từ đó tính m:
12,118
7,51.001,0
66,360.2
==m
Do vậy m.h = 1,53556
tính
β

theo công thức:
hm
hmth
.
).(
=
β
với với x= m.h
vậy
5935,0
=
β
Ống 20 gân:






−
+=






−
+=
0075,0

001,05935,0.013,0.2
166,360
2
1'
22
S
h
δβ
αα
62,1054'
2
=
α
W/m
2
K
Ống 24 gân:






−
+=
0063,0
001,05935,0.013,0.2
166,360'
2
α

8,1186'
2
=
α
Page 22
W/m
2
K
Theo một số tác giả, nếu số hạng
δα
λ
2
2
> 5 thì nên sử dụng bề mặt có cánh:
Trong trường hợp này:
5697,286
001,0.66,360
7,51.2
>=
vậy nên dùng ống có gân ngoài
e. Tính hệ số truyền nhiệt K
Sau khi lựa chọn sơ bộ thiết bị và tính toán 1 số thông số, ta biết được:
δ
t
=0,004m ;
t
= 51,7W/mK (thépcacbon , T= 372,5 K) ; α
1
=
33,1465

W/ m
2
K ; α
2
=
360,66 W/m
2
K;
α
’
2
=
62,1054
W/m
2
K( 20 gân) ; α
’
2
=
8,1186
W/m
2
K (24 gân)
F
1
=256m
2
, F
2
=1101 m

2
(20 gân) ; F
2
=1280m
2
(24 gân)
Cho trở nhiệt dầu thô là (m
2
.k/w)
Trở nhiệt của diezen: (m
2
.k/w)
Theo các công thức (3) đến (6) ta tính được hệ số truyền nhiệt K ứng với các trường hợp
cụ thể:
+ Khi ống không có gân, bề mặt sạch:
[ ]
KW/m
11
1
K
2
2t
t
1
α
+
λ
δ
+
α

=
[ ]
KK
2
W/m09,283
66,360
1
7,51
004,0
33,1465
1
1
=
++
=
Page 23
Sai lệch 4,037% so với K giả sử (K
giả sử
=295)
+ Khi ống không có gân, bề mặt bẩn:
[ ]
KW/m
11
1
K
2
22
2
1
1

t
t
1
α
+
λ
δ
+
λ
δ
+
λ
δ
+
α
=
[ ]
KK
2
W/m95,188
66,360
1
00123,000053,0
7,51
004,0
33,1465
1
1
' =
++++

=
+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống sạch:
-
[ ]
KK
2
W/m11,1020
1101
256
62,1054
1
7,51
004,0
33,1465
1
1
1 =
++
=
ống 20 gân:
- ống 24 gân:
[ ]
KK
2
W/m2,1077
1280
256
8,1186
1
7,51

004,0
33,1465
1
1
2 =
++
=
+ Khi ống trong có gân dọc mặt ngoài, bề mặt ống bẩn:
- ống 20 gân:
[ ]
KK
2
W/m93,364
1101
256
.
62,1054
1
00053,000123,0
7,51
004,0
33,1465
1
1
1' =
++++
=
- ống 24 gân:
[ ]
KK

2
W/m98,371
1280
256
.
8,1186
1
00053,000123,0
7,51
004,0
33,1465
1
1
2' =
++++
=
Page 24
4. Xác định bề mặt trao đổi nhiệt (F)
Để xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F ta dùng biểu thức (15):
tb
tK
Q
F
∆
=
(15) với
Thiết bị trao đổi nhiệt phải đảm bảo nhiệt lượng trao đổi ngay cả trong trường hợp ống
trao đổi nhiệt bị bẩn. Do vậy phải sử dụng các hệ số truyền nhiệt K khi bề mặt ống bị
bẩn. Do diện tích trao đổi nhiệt F này là diện tích trao đổi nhiệt tối thiểu cần phải có.
a, Khi ống không có gân, bề mặt ống bị bẩn

81,398
63,115.95,188
3^10.8713,38
' ==F
m
2
b, Khi ống có gân, bề mặt ống bị bẩn
- ống có 20 gân
49,206
63,115.93,364
3^10.8713,38
' ==F
m
2
- ống có 24 gân
58,202
63,115.98,371
3^10.8713,38
' ==F
m
2
5. Chọn thiết bị trao đổi nhiệt
a, Khi ống không có gân
Bề mặt trao đổi nhiệt tối thiểu là F’ = 398,81 m
2
. Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu
ống lồng ống như đã chọn sơ bộ (F = 30 m
2
) thì số thiết bị cần sử dụng là:
Để đảm bảo yêu cầu ta sẽ sử dụng 14 thiết bị (z’ = 14). Hai thiết bị này có thể lắp nối tiếp

b, Khi bề mặt ngoài của ống có gân
- ống có 20 gân:
Diện tích tối thiểu là 206,49 m
2
Page 25