Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm để ngưng tụ hơi cồn nồng độ 96% khối lượng, lưu lượng 30000kgngày

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN............................................................................................4
1.1 TỔNG QUAN VỀ CỒN......................................................................................................4
1.1.1 Tình hình sản xuất, nhu cầu sử dụng cồn.............................................................4
1.1.2 Tính chất và ứng dụng của cồn............................................................................5
1.2 QUY TRÌNH SẢN XUẤT CỒN...........................................................................................6
1.2.1 Khái quát về công nghệ cồn etanol......................................................................6
1.2.2 Sơ đồ thiết bị chưng cất cồn................................................................................8
1.2.3 Thuyết minh quy trình sản xuất...........................................................................9
1.2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt........................................................................................10
1.2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm...............................................................15
1.2.6 Lưu ý về kỹ thuật...............................................................................................25
1.2.7 Một số u cầu kỹ thuật khác............................................................................27
1.2.8 Bố trí dịng chảy trong thiết bị...........................................................................29
CHƯƠNG 2 TÍNH TỐN THIẾT BỊ...........................................................................30
2.1 TÍNH TỐN TRUYỀN NHIỆT..........................................................................................30
2.1.1 Hiệu số nhiệt độ trung bình...............................................................................31
2.1.2 Xác định hệ số dẫn nhiệt phía nước ..................................................................32
2.1.3 Tính tổng nhiệt trở.............................................................................................34
2.1.4 Hệ số cấp nhiệt phía hơi ...................................................................................35
2.1.5 Nhiệt tải riêng q1 (W/m2)...................................................................................35
2.2 TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.........................................................................................38
2.2.1 Số ống truyền nhiệt............................................................................................38
2.2.2 Chia ngăn trong thiết bị.....................................................................................39
2.2.3 Cách sắp xếp vỉ ống...........................................................................................39
2.2.4 Đường kính trong của thiết bị............................................................................40
2.2.5 Xác định độ dày vỏ ngoài của thiết bị...............................................................40

ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
2.3 TÍNH TỐN CÁC BỘ PHẬN KHÁC..................................................................................40
2.3.1 Mặt bích............................................................................................................40
2.3.2 Đáy và nắp thiết bị.............................................................................................41
2.3.3 Kích thước trong của ống dẫn nước...................................................................43
2.3.4 Ống dẫn hơi cồn vào..........................................................................................43
2.3.5 Đường kính của ống cồn lỏng ra.......................................................................43
2.3.6 Ống tháo khí không ngưng................................................................................44
KẾT LUẬN...................................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................47

2


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

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 ngun 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 96% khối lượng,
lưu lượng 30000kg/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 chum nằm
ngang với ưu điểm là 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 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.

3


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

1 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

4


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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 khô” hoặc “rượu quốc lủi” đều còn 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 ngô, 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 (sơi ở
nhiệt độ 78,39℃), hóa rắn ở -114,15℃, tan vô 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 sôi cao

5


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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 hịa 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. Ngồi ra cồn cịn 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, …
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 cơng 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 lỗng 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.

6


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
Xử lý dịch lên men: Công 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 nguyên liệu cho những chu trình sản xuất sản phẩm từ phụ
phẩm cơng 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.

7


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
1.2.2 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

8

ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
6

Thiết bị ngưng tụ hồi lưu

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.

9


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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

10


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

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:
o Đơn giản, dễ chế tạo;
o Có thể dùng trao đổi nhiệt lỏng-lỏng, lỏng-hơi;
o 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:

11


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
o Khó làm sạch bên trong của ống ruột gà nên chất lỏng đi trong đó phải là
loại không;
o Gây bám bẩn;
o Năng suất thiết bị khơng lớn lắm;

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

12


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
- 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.

13


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
 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 mơi 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:
14

ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
- 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 cơng 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 ngồi 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

15


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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.
Ngoài 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 quá 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.

16


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
 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 ngoài bằng vỏ hình trụ, hai đầu có nắp đậy. Trong
thiết bị có hai khơng gian riêng biệt: một khơng 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 khơng 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).

17


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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

18


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

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 nhôm.

19


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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 công 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 môi 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

20


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
khoang chứa lưu chất trong lòng ống nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mịn 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 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 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 khơng làm tổn thất áp suất dịng
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

21


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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 thườngđược 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 khơng 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

22


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

 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 củ 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 trịn, 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 ngồi 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 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 dịng chảy phía ngồi.

23


ĐỒ ÁN QTTB CNTP I

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

24

ĐỒ ÁN QTTB CNTP I
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.
1.2.6.2 Một số giải pháp điển hình
 Vành bù giãn nở trên vỏ thiết bị
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 khơng 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
Một đầu được ngồm chặt cùng vỏ thiết bị cịn 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 khơng gian cho đầu bích tự do).

25