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

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

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

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

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

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)

[ ]
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

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

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

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

= 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

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:

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

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

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

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:

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

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

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

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:

−
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]

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
==
−

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] (

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

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

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

=
[ ]
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

=
+ 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

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

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