Giáo trình cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học - Trường Cao đẳng Dầu khí (2022)

Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản về quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học cho nghề vận hành thiết bị chế biến dầu khí.

• Tác giả: Ths. Phạm Thị Nụ
• Trường học: Trường Cao Đẳng Dầu Khí
• Chuyên ngành: Vận Hành Thiết Bị Chế Biến Dầu Khí
• Đề tài: Cơ Sở Quá Trình Và Thiết Bị Trong Công Nghệ Hóa Học
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC
• 1.1. Khái niệm về động và tĩnh lực học chất lỏng
• 1.2. Tính chất vật lý của chất lỏng
• 1.3. Chế độ chuyển động của chất lỏng
• 1.4. Trở lực trong ống dẫn chất lỏng
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
• 2.1. Các hình thức truyền nhiệt
• 2.2. Trao đổi nhiệt phức tạp
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT
• 3.1. Khái niệm cơ bản về quá trình truyền chất
• 3.2. Quá trình chưng cất
• 3.3. Quá trình hấp thụ
• 3.4. Quá trình hấp phụ
• 3.5. Quá trình kết tinh
• 3.6. Quá trình sấy khô
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học

Giáo trình cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học là tài liệu quan trọng cho sinh viên ngành vận hành thiết bị chế biến dầu khí. Nó cung cấp kiến thức nền tảng về các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của các thiết bị. Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu trong và ngoài nước, nhằm đảm bảo tính chính xác và cập nhật.

1.1. Mục tiêu của giáo trình cơ sở quá trình

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về các quá trình thủy lực, truyền nhiệt và truyền chất. Điều này giúp sinh viên có khả năng vận hành các thiết bị trong công nghệ hóa học một cách hiệu quả.

1.2. Đối tượng áp dụng giáo trình

Giáo trình này được áp dụng cho sinh viên cao đẳng ngành vận hành thiết bị chế biến dầu khí, nhằm cung cấp kiến thức cần thiết cho việc học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực này.

II. Những thách thức trong việc vận hành thiết bị chế biến dầu khí

Vận hành thiết bị chế biến dầu khí gặp nhiều thách thức, bao gồm việc đảm bảo an toàn, hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Các vấn đề như áp suất, nhiệt độ và tính chất của chất lỏng đều ảnh hưởng đến quá trình vận hành. Do đó, việc nắm vững kiến thức về cơ sở quá trình và thiết bị là rất quan trọng.

2.1. Vấn đề an toàn trong vận hành thiết bị

An toàn là yếu tố hàng đầu trong vận hành thiết bị chế biến dầu khí. Các sự cố có thể xảy ra nếu không tuân thủ quy trình an toàn, dẫn đến thiệt hại về người và tài sản.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến hiệu suất

Điều kiện vận hành như áp suất và nhiệt độ có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của thiết bị. Việc theo dõi và điều chỉnh các thông số này là cần thiết để đảm bảo quá trình chế biến diễn ra suôn sẻ.

III. Phương pháp tối ưu hóa quá trình chế biến dầu khí

Để tối ưu hóa quá trình chế biến dầu khí, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng các thiết bị tiên tiến và quy trình tự động hóa sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

3.1. Ứng dụng công nghệ tự động hóa

Công nghệ tự động hóa giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành, đồng thời nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị chế biến dầu khí.

3.2. Phân tích dữ liệu trong vận hành

Phân tích dữ liệu từ quá trình vận hành giúp nhận diện các vấn đề tiềm ẩn và đưa ra giải pháp kịp thời, từ đó tối ưu hóa quy trình chế biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình trong ngành dầu khí

Giáo trình cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành dầu khí. Sinh viên có thể áp dụng những kiến thức này vào thực tế để giải quyết các vấn đề trong quá trình chế biến dầu khí.

4.1. Thực hành tại các nhà máy chế biến dầu khí

Sinh viên có cơ hội thực hành tại các nhà máy chế biến dầu khí, từ đó áp dụng kiến thức đã học vào thực tế và nâng cao kỹ năng vận hành thiết bị.

4.2. Nghiên cứu và phát triển công nghệ mới

Giáo trình cũng khuyến khích sinh viên tham gia vào các nghiên cứu và phát triển công nghệ mới trong ngành dầu khí, nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững trong sản xuất.

V. Kết luận về tương lai của giáo trình và ngành dầu khí

Giáo trình cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học sẽ tiếp tục được cập nhật và hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành dầu khí. Tương lai của ngành này phụ thuộc vào việc áp dụng công nghệ mới và nâng cao trình độ chuyên môn của nhân lực.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ trong ngành dầu khí

Ngành dầu khí đang chuyển mình với sự phát triển của công nghệ mới, từ đó mở ra nhiều cơ hội cho sinh viên trong việc nghiên cứu và ứng dụng.

5.2. Vai trò của giáo trình trong đào tạo nhân lực

Giáo trình sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo nhân lực chất lượng cao cho ngành dầu khí, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường lao động.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hóa học (Mã môn học: PETR63004) là tài liệu đào tạo chuyên môn kỹ thuật cơ sở do Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) biên soạn và ban hành theo Quyết định số 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 tại Bà Rịa - Vũng Tàu. Ban biên soạn giáo trình gồm Ths. Phạm Thị Nụ (Chủ biên), cùng các tác giả Nguyễn Hữu Thanh, Trần Thu Hằng, Cử nhân Huỳnh Việt Triều và Phạm Công Quang. Môn học có thời lượng 3 tín chỉ (tương đương 45 giờ đào tạo, gồm 42 giờ lý thuyết và 3 giờ kiểm tra), được bố trí giảng dạy sau các môn học nền tảng như Nhiệt kỹ thuật, Hóa lý, Cơ sở điều khiển quá trình và trước môn Sản phẩm dầu mỏ cùng các mô-đun thực hành vận hành phân xưởng.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ qua ba nhóm chuẩn đầu ra:

• Kiến thức (A1 – A5): Trình bày có hệ thống các quy luật thủy lực học, cơ chế truyền nhiệt, các quá trình truyền chất (chưng cất, hấp thụ, hấp phụ, kết tinh, sấy khô), cũng như cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị hóa học – dầu khí điển hình.
• Kỹ năng (B1 – B2): Nhận biết và phân biệt chính xác các thiết bị trên sơ đồ công nghệ sản xuất; thực hiện thành thạo các phép tính kỹ thuật như xác định trở lực đường ống và tính toán hiệu số nhiệt độ trung bình ($\Delta t_{TB}$).
• Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1 – C2): Hình thành tác phong làm việc khoa học, cẩn trọng, kỷ luật kỹ thuật và năng lực phối hợp làm việc nhóm.

Cấu trúc giáo trình gồm 3 chương logic: Thủy lực học (Chương 1), Quá trình truyền nhiệt (Chương 2) và Quá trình truyền chất (Chương 3). Điểm đặc sắc của tài liệu là phương pháp tiếp cận kỹ thuật thực nghiệm: kết hợp chặt chẽ giữa việc diễn giải các định luật vật lý - hóa lý kinh điển với việc phân tích chi tiết cấu tạo cơ khí và nguyên lý vận hành của thiết bị chế biến dầu khí thực tế.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ theo 3 chương chuyên môn chính:

      (Lưu chất & Áp suất)           (Dẫn nhiệt, Đối lưu, Bức xạ)         (Chuyển khối & Tách pha)

• Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học (Thời lượng: 10 giờ)
  Tập trung nghiên cứu tĩnh lực học và động lực học chất lỏng. Các khái niệm then chốt gồm: khối lượng riêng ($\rho$), trọng lượng riêng ($\gamma$), độ chịu nén ép ($\beta_w$), áp suất thủy tĩnh ($P$), áp suất dư ($P_{dư}$), áp suất chân không ($P_{ck}$); các thiết bị đo áp suất (ống Pezomet, áp kế chữ U, áp kế kiểu chén, áp kế vi sai); định luật Pascal và ứng dụng trong máy ép thủy lực; định luật Acsimet và nguyên lý bình thông nhau. Về động lực học, chương cung cấp kiến thức về lưu lượng, vận tốc trung bình ($\omega$), độ nhớt động lực ($\mu$), độ nhớt động học ($\nu$), thí nghiệm Reynolds phân loại chế độ chảy (chảy tầng $Re < 2320$, chảy quá độ $2320 \le Re \le 10000$, chảy rối $Re > 10000$), phương trình Bernoulli và phương pháp tính toán trở lực ma sát ($h_1$), trở lực cục bộ ($h_{cb}$) để chọn đường kính ống dẫn ($d$).

• Chương 2: Tổng quan về quá trình truyền nhiệt (Thời lượng: 10 giờ)
  Khảo sát toàn diện 3 phương thức truyền nhiệt:

  1. Dẫn nhiệt: Nhiệt trường, độ dẫn nhiệt ($\lambda$), định luật Fourier ($dQ = -\lambda \frac{\partial t}{\partial n} dF d\tau$), bảng số liệu độ dẫn nhiệt của kim loại (thép cacbon, thép không gỉ).
  2. Đối lưu nhiệt: Đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, định luật cấp nhiệt Newton ($dQ = \alpha (t_\tau - t) dF d\tau$), hệ số cấp nhiệt ($\alpha$).
  3. Bức xạ nhiệt: Bản chất sóng điện từ, cân bằng năng lượng bức xạ ($Q = Q_H + Q_P + Q_K$ ứng với hệ số hấp thụ $H$, phản xạ $P$, khúc xạ $K$), khái niệm vật đen, vật trắng và vật xám.
     Bên cạnh đó, chương đi sâu vào trao đổi nhiệt phức tạp: truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng một lớp, nhiều lớp và tường ống; xác định hệ số truyền nhiệt ($K, K_T$), nhiệt trở; khảo sát truyền nhiệt biến nhiệt và so sánh hiệu quả truyền nhiệt giữa các chiều dòng chảy (xuôi chiều, ngược chiều, chéo dòng, hỗn hợp), chứng minh ưu thế tiết kiệm chất tải nhiệt của dòng chảy ngược chiều.

• Chương 3: Tổng quan về các quá trình truyền chất (Thời lượng: 25 giờ)
  Trình bày các quá trình chuyển khối và cân bằng pha ($x - y$) qua 5 phân hệ công nghệ:

  1. Chưng cất: Cân bằng lỏng - hơi, dung dịch lý tưởng và thực, nguyên tắc chưng luyện liên tục, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, tỷ số hồi lưu và cấu tạo hệ thống tháp chưng cất.
  2. Hấp thụ: Cơ sở lý thuyết hấp thụ và nhả hấp thụ, dung môi hấp thụ, thiết bị hấp thụ bề mặt (kiểu ống, kiểu vò), hấp thụ màng (kiểu ống, kiểu tấm), tháp hấp thụ (tháp đĩa chóp không có ống chảy chuyền, đĩa xu páp, đĩa sóng hình chữ S).
  3. Hấp phụ: Động học hấp phụ, phân loại hấp phụ, vật liệu xốp mao quản (Than hoạt tính, Zeolit), thiết bị hấp phụ khí loại đứng BTP, lớp hấp phụ hình xuyến, thiết bị nằm ngang và tháp hấp phụ dầu.
  4. Kết tinh: Khái niệm, phương pháp kết tinh, thiết bị cô đặc kết tinh, làm lạnh bằng dung dịch và kết tinh chân không.
  5. Sấy khô: Bản chất quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong vật liệu ẩm, thiết bị sấy bức xạ hồng ngoại, phòng sấy không khí nóng tuần hoàn có đốt nóng giữa chừng và hầm sấy tuy nen với lớp vật liệu di động.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết nền tảng vững chắc thông qua các định luật và mô hình toán học chuẩn mực:

• Hệ thống lý thuyết cơ bản (Fundamental theories): Thuyết chuyển động phân tử và cơ học chất lưu; thuyết trao đổi nhiệt vi phân và tích phân; thuyết cân bằng pha nhiệt động lực học trong hệ đa cấu tử.
• Các nguyên lý cốt lõi (Core principles): Nguyên lý bảo toàn năng lượng dòng chảy ổn định (Phương trình Bernoulli); nguyên lý dẫn nhiệt tiếp xúc (Định luật Fourier); nguyên lý truyền áp suất tĩnh không đổi theo mọi phương (Định luật Pascal); nguyên lý truyền nhiệt ngược chiều tối ưu hóa chênh lệch nhiệt độ; nguyên lý phân chia cấu tử dựa trên độ bay hơi tương đối và tính chọn lọc của dung môi/chất hấp phụ.
• Khung phân tích chuẩn hóa (Essential frameworks): Hệ thống chuẩn số không thứ nguyên xác định chế độ thủy động lực học ($Re$); hệ thống công thức xác định hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$ qua nhiệt trở thành vách; phương pháp tính hiệu số nhiệt độ trung bình logarit ($\Delta t_{TB}$).

Phân hệ kiến thức	Định luật / Khung lý thuyết	Phương trình / Chuẩn số đại diện	Ứng dụng công nghệ
Thủy lực học	Định luật Pascal, PT Bernoulli	$H_{tp} = z + \frac{P}{\rho g} + \frac{\omega^2}{2g} = \text{const}$	Bơm, máy ép, đường ống dẫn lưu chất
Truyền nhiệt	Định luật Fourier, Định luật Newton	$K = \frac{1}{\frac{1}{\alpha_1} + \sum \frac{\delta_i}{\lambda_i} + \frac{1}{\alpha_2}}$	Thiết bị trao đổi nhiệt, tường lò, ống truyền nhiệt
Truyền chất	Cân bằng pha lỏng - hơi, khuếch tán	$Re = \frac{\omega d \rho}{\mu}$; Cân bằng pha $y_M = f(x_M)$	Tháp chưng cất, tháp hấp thụ đĩa chóp, tháp hấp phụ

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tính toán lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng, đường kính ống dẫn theo điều kiện cột áp và trở lực ma sát/cục bộ; tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt $F$ và hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{TB}$; xác định các thông số vận hành tháp chưng luyện (nhiệt độ đáy/đỉnh, áp suất làm việc, tỷ số hồi lưu).
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích trạng thái và chế độ chuyển động của dòng lưu chất (chảy tầng hay chảy xoáy); đánh giá tổn thất năng lượng do ma sát và trở lực cục bộ; phân tích ảnh hưởng của tính chất vật liệu (độ dẫn nhiệt $\lambda$, độ nhám $\varepsilon$, cấu trúc xốp Zeolit) đến hiệu suất quá trình.
• Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Đọc hiểu và phân biệt chính xác ký hiệu, cấu tạo cơ khí, nguyên lý làm việc của các thiết bị tách pha, trao đổi nhiệt, hấp thụ, hấp phụ trên bản vẽ công nghệ P&ID; vận hành đúng quy trình các thiết bị trong phân xưởng chế biến dầu khí.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp tổ chức giảng dạy và học tập theo định hướng phát triển năng lực nghề nghiệp:

• Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach): Áp dụng mô hình dạy học tích cực. Giảng viên sử dụng các bài giảng thuyết trình ngắn gọn kết hợp phương pháp nêu vấn đề kỹ thuật và phát vấn. Giờ học lý thuyết được hỗ trợ bởi thiết bị trình chiếu (Projector), mô hình học tập trực quan và sơ đồ cắt bổ thiết bị.
• Bài tập và nghiên cứu tình huống (Practical exercises & Case studies): Giáo trình tích hợp hệ thống bài tập tính toán định lượng và câu hỏi tình huống thực tế cuối mỗi chương. Tiêu biểu như:
  • Tính toán áp suất tuyệt đối, áp suất dư trong bình kín có gắn áp kế Pezomet hoặc áp kế chữ U.
  • Tính toán nhiệt độ tiếp xúc ($t_3, t_4$) giữa các lớp tường lò đa lớp gồm vữa chịu lửa dày 500 mm ($\lambda_1 = 1\text{ kcal/mh}^\circ\text{C}$) và gạch xây dày 250 mm khi nhiệt độ lò đạt $1300^\circ\text{C}$.
  • So sánh kinh tế - kỹ thuật giữa phương án bố trí dòng chảy xuôi chiều và ngược chiều trong thiết bị làm nguội.
• Quy định tự học và làm việc nhóm (Self-study guidelines): Người học bắt buộc phải đọc trước tài liệu trước khi lên lớp; tổ chức làm việc theo nhóm từ 8 đến 10 học viên. Mỗi thành viên được phân công chịu trách nhiệm nghiên cứu một phần nội dung chuyên đề, cùng thảo luận, tổng hợp và viết báo cáo nhóm. Học viên phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng môn học (vắng quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại).
• Phương pháp đánh giá kết quả (Assessment methods): Thực hiện theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội. Điểm đánh giá gồm 2 phần:
  1. Điểm quá trình (Trọng số 40%): Gồm điểm kiểm tra thường xuyên (hệ số 1, thực hiện sau 10 giờ học theo hình thức hỏi miệng/viết) và điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2, gồm 2 bài kiểm tra tự luận/trắc nghiệm/báo cáo sau 19 giờ và 43 giờ).
  2. Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Thực hiện sau 45 giờ học bằng hình thức thi viết kết hợp tự luận và trắc nghiệm. Thang điểm 10 được quy đổi sang điểm chữ và thang điểm 4 theo quy định đào tạo tín chỉ.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tính kế thừa và cập nhật khoa học: Giáo trình được tái bản, sửa đổi và chuẩn hóa năm 2022 trên cơ sở kế thừa có chọn lọc từ ấn bản nội bộ năm 2017 của Trường Cao đẳng Dầu khí, cập nhật các quy định đào tạo cao đẳng kỹ thuật theo Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH.
• Cấu trúc tinh gọn, hướng mục tiêu: Nội dung môn học được thiết kế cô đọng trong 45 giờ, tập trung trực tiếp vào các hiện tượng vận chuyển (thủy lực, nhiệt, chất) xảy ra phổ biến trong công nghệ chế biến hydrocacbon, loại bỏ các chi tiết cơ khí chế tạo máy thuần túy để tập trung vào cơ chế hoạt động và thông số vận hành.
• Gắn kết thực tiễn ngành Dầu khí (Industry connections): Khác với các giáo trình quá trình - thiết bị dùng chung cho ngành hóa chất, tài liệu này tập trung phân tích sâu các thiết bị chuyên biệt của nhà máy chế biến dầu khí:
  • Hệ thống tháp chưng cất phân đoạn dầu thô có dòng hồi lưu.
  • Các dạng đĩa tiếp xúc pha hiệu năng cao: tháp đĩa chóp không có ống chảy chuyền, đĩa xu páp, tháp đĩa sóng hình chữ S.
  • Các cấu trúc chất hấp phụ chuyên dụng như Than hoạt tính và sàng phân tử Zeolit sử dụng trong phân xưởng xử lý, sấy và tách khí.
  • Yêu cầu người học thực tế khảo sát và đối chiếu nguyên lý thiết bị tại các doanh nghiệp dầu khí trên địa bàn.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên và cấp bậc đào tạo: Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng thuộc nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học thuộc khối kiến thức đại cương và kỹ thuật cơ sở trước khi học môn này, bao gồm:
  • Vẽ kỹ thuật (Mã: MECM52003)
  • Điện kỹ thuật (Mã: ELEI53011)
  • Cơ sở điều khiển quá trình (Mã: AUTM52111)
  • Nhiệt kỹ thuật (Mã: PETR52002)
  • Hóa lý
• Đối với giảng viên: Giáo trình là tài liệu chuẩn để xây dựng đề cương bài giảng chi tiết, lập kế hoạch giảng dạy, biên soạn ngân hàng câu hỏi kiểm tra thường xuyên, đề thi định kỳ và đề thi kết thúc học phần đáp ứng các chuẩn đầu ra A1 – A5 và B1 – B2.
• Đối với kỹ thuật viên và mục đích tham khảo: Tài liệu phục vụ hiệu quả cho các kỹ thuật viên vận hành tại các nhà máy lọc dầu, nhà máy xử lý khí, trạm phân phối khí, hệ thống kho cảng dầu khí cần tra cứu thông số thủy lực, tính toán độ dẫn nhiệt vật liệu hoặc ôn tập nguyên lý cấu tạo các tháp truyền chất công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào?

Giáo trình phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên hệ cao đẳng nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo chuyên ngành kỹ thuật hóa học dầu khí.

2. Cần hoàn thành những môn học nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần tích lũy kiến thức từ các môn học kỹ thuật cơ sở gồm: Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật (ELEI53011), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Nhiệt kỹ thuật (PETR52002) và Hóa lý.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các giáo trình Quá trình & Thiết bị hóa chất thông thường?

Tài liệu được tinh giản để tập trung tối đa vào 3 mảng hiện tượng cốt lõi (thủy lực, truyền nhiệt, truyền chất) gắn liền với dây chuyền lọc hóa dầu; đi sâu vào nguyên lý và hình vẽ giải phẫu của các thiết bị thực tế như tháp đĩa chóp, tháp đĩa xupap, tháp đĩa sóng chữ S, thiết bị hấp phụ Zeolit và thiết bị kết tinh/sấy công nghiệp.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần nghiên cứu trước tài liệu theo đề cương từng chương, tham gia thảo luận nhóm 8–10 người, hoàn thành đầy đủ các bài toán định lượng cuối chương (tính toán chuẩn số Reynolds $Re$, trở lực ống, hệ số truyền nhiệt $K$, hiệu số nhiệt độ $\Delta t_{TB}$) và liên hệ thực tế cấu tạo thiết bị tại các nhà máy sản xuất.

5. Những môn học chuyên môn nào sẽ học tiếp nối sau giáo trình này?

Sau khi hoàn thành môn học PETR63004, sinh viên sẽ học tiếp các mô-đun chuyên môn nghề gồm: Sản phẩm dầu mỏ (PETR53005), Vận hành máy thủy khí I & II (PETR56107, PETR64108), Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (PETR56109), Vận hành thiết bị tách dầu khí (PETR62110), Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (PETR53111), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (PETR56115), Vận hành phân xưởng chế biến dầu I & II (PETR56116, PETR64117) và Vận hành các phân xưởng chế biến khí (PETR56118).

---

Kết luận

Giáo trình Cơ sở Quá trình và Thiết bị trong Công nghệ Hóa học (Mã môn học: PETR63004) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và tính toán kỹ thuật về thủy lực học, truyền nhiệt và truyền chất. Với cấu trúc 3 chương chặt chẽ, tài liệu xác lập lộ trình học tập khoa học: đi từ các định luật cơ bản của chất lưu và nhiệt trường, đến các mô hình chuyển khối phức tạp, làm tiền đề trực tiếp cho 11 mô-đun vận hành phân xưởng chế biến dầu khí chuyên sâu. Việc kết hợp giữa hệ thống hình vẽ mặt cắt thiết bị chi tiết, bảng số liệu thực nghiệm và quy chế đánh giá tín chỉ chuẩn mực tạo nên giá trị học thuật hoàn chỉnh cho chương trình đào tạo nghề vận hành thiết bị dầu khí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 21 − Cánh tay đòn xoay quanh trục O Nguyên lý hoạt động: Khi tác dụng 1 lực Q vào cánh tay đòn, gây nên lực P1 ở pittong nhỏ, áp suất ở xilanh nhỏ là p1 = P1/F1 Theo định luật Pascal, áp suất p1 do pittong nhỏ tác dụng lên chất lỏng được truyền nguyên vẹn tới xilanh lớn cũng là p1 P1 P F Áp lực tác dụng lên bề mặt pittong lớn là: P2 = p1.F2 Suy ra 1 = 1 F1 P2 F2 Ta thấy tỷ lệ F2/F1 càng lớn thì lực P2 càng lớn. Tức tiết diện của pittong T2 lớn gấp bao nhiêu lần so với tiết diện của pittong T2, thì lực P2 của máy ép cũng lớn gấp bấy nhiêu lần. Chính vì thế mà người ta dựa vào định luật Pascal để chế tạo máy nâng vật. ❖ Định luật Acsimet Định luật cho phép ta xác định lực tác dụng lên một vật khi nhúng vật trong chất lỏng hay chất khí.

Nội dung: “Một vật nhúng vào trong chất lỏng (hay khí) nằm yên đều bị chất lỏng (hay khí) đó tác dụng một lực bằng trọng lực phần chất lỏng (hay khí) bị vật chiếm chỗ, lực này hướng lên trên và có điểm đặt tại trọng tâm của khối chất lỏng (hay khí) bị chiếm chỗ. Lực này gọi là lực đẩy Acsimet.” Công thức tính: Pd = 𝛾.17) Trong đó: Pd – Lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật; [N] V – Thể tích của vật, m3 𝜌 – Khối lượng riêng của vật, [kg/m3] 𝛾 – Trọng lượng riêng của chất lỏng, [N/m3] ❖ Sự cân bằng của chất lỏng trong bình thông nhau Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 22 (a) (b) Hình 1. Áp suất ở hai bình thông nhau dạng kín (a) và hở (b) ✓ Đối với bình hình (a): Chất lỏng đồng nhất có khối lượng riêng 𝜌 đựng trong 2 bình ở đáy có ống thông nhau; Tác dụng lên bề mặt chất lỏng ở 2 bình áp suất lần lượt là P01 và P02; Xét tại một điểm trên mặt so sánh O-O ta có: Bình A: P1 = P01 + ρ.h2 − Đối với bình kín: Chất lỏng ở trạng thái cân bằng nên: P1 = P2 tức P01/P02 = h1 - h2. Vậy 1 chất lỏng thông nhau ở 2 bình kín có mức chênh lệch mặt thoáng của chất lỏng trong các bình tỷ lệ thuận với mức chênh lệch áp suất trong các bình đó.

− Đối với bình hở hoặc áp suất bình trên bề mặt bằng nhau: tức P01 = P02; P1 = P2 nên h1= h2. Vậy 1 chất lỏng thông nhau trong 2 bình áp suất bằng nhau thì mức chất lỏng trong các bình nằm trên cùng 1 mặt phẳng. ✓ Đối với hình (b): Chất lỏng không đồng nhất (không tan lẫn vào nhau) có khối lượng riêng 𝜌1 ; 𝜌2 ; đựng trong 2 bình ở đáy có ống thông nhau; Tác dụng lên bề mặt chất lỏng ở 2 bình áp suất lần lượt là P01 = P02 = Pa; Xét tại một điểm trên mặt so sánh O-O ta có: Bình A: P1 = Pa + ρ.h2 1 h2 Khi cân bằng P1 = P2 nên Pa + ρ1.h2; Suy ra = ;  2 h1 Vậy 2 chất lỏng không tan lẫn có khối lượng riêng khác nhau thông nhau trong 2 bình để hở, thì chiều cao mức chất lỏng tính từ mặt chuẩn của 2 bình tỷ lệ nghịch với khối lượng riêng của nó. Động lực học chất lỏng Lưu lượng: Lưu lượng của chất lỏng là lượng chất lỏng chảy qua thiết diện ngang của ống dẫn trong 1 đơn vị thời gian.

Đơn vị tính: [kg/s], [kg/h]; [m3/s], [m3/h], [l/s] (lưu lượng thể tích) Lưu lượng của chất lỏng chỉ được tính khi dòng chất lỏng đã choán đầy ống dẫn. Ở tâm ống có tốc độ lớn nhất, càng gần thành ống tốc độ càng giảm, ở sát thành Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 23 ống tốc độ bằng 0 do chịu ảnh hưởng của ma sát. Trong trường hợp dòng chảy không ổn định, vận tốc còn phụ thuộc vào thời gian. Do đó người ta tính vận tốc trung bình.

Vận tốc trung bình Vận tốc trung bình là vận tốc của chất lỏng chảy trong ống được tính bằng lượng thể tích chất lỏng chảy qua 1 đơn vị thiết diện trong 1 đơn vị thời gian. Công thức tính vận tốc trung bình 𝑉 𝜔= (1.18) 𝐹 Trong đó: V – lưu lượng thể tích chất lỏng, (m3/s); F – Thiết diện ống dẫn, m2 Biểu diễn qua khối lượng m, ta có vận tốc khối lượng là 𝑚 𝑉.ρ – lưu lượng khối lượng của chất lỏng, kg/s Vận tốc chất lỏng có ảnh hưởng đến trở lực của đường ống. Vận tốc càng lớn, trở lực càng tăng, do đó tốn năng lượng của thiết bị vận chuyển chất lỏng hay khí. Ngược lại nếu vận tốc bé thì trở lực bé, nhưng để đảm bảo lưu lượng thì cần đường kính ống lớn, như vậy sẽ làm tăng giá thành xây dựng.

Độ nhớt: Khi chất lỏng thực chuyển động sẽ xảy ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng, vì có ma sát trong. Lực ma sát này gây ra sức cản của chất lỏng đối với chuyển động tương đối của phần tử chất lỏng. Tính chất này của chất lỏng gọi là độ nhớt. Biểu đồ thể hiện chuyển động của các lớp chất lỏng trượt lên nhau Từ biểu đồ cho thấy lớp A chuyển động với vận tốc ω, lớp B chuyển động với vận tốc ω+dω.

Hai lớp chuyển động song song, vận tốc tương đối của lớp sau so với lớp trước là dω, khoảng cách giữa 2 lớp là dn. Công thức tính độ nhớt động lực như sau: S dω μ= ∙ (1.20) F dn Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 24 Trong đó: μ – độ nhớt động lực S – lực ma sát bên trong chất lỏng, N F – diện tích mặt tiếp xúc giữa các lớp chất lỏng. d - gradien vận tốc dn Độ nhớt động học là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng của chất lỏng, được tính bởi công thức: μ  =ρ (1.21) Đơn vị tính của độ nhớt động học là cm2/s hoặc St (Stôc) với (1St = 1 cm2/s). Sức căng bề mặt: Bề mặt chất lỏng được tập hợp bởi các phần tử chất lỏng sát liền với lớp bề mặt tiếp xúc với môi trường xung quanh.

Lớp phần tử này chịu tác dụng của lực hút phân tử bên trong lớn hơn lực hút môi trường xung quanh. Vì vậy trên bề mặt xuất hiện 1 áp lực theo phương pháp tuyến với bề mặt phân giới giữa chất lỏng với môi trường và hướng vào phía trong lòng chất lỏng. Do áp lực này mà chất lỏng có xu hướng thu hẹp bề mặt của nó và để tạo ra bề mặt mới cần tốn 1 công gọi là sức căng bề mặt. Ký hiệu của sức căng bề mặt là: 𝜎 có đơn vị là: N/m 1.

CHẾ ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG 1. Phân loại các chế độ chuyển động của dòng chất lỏng Chất lỏng có hai dạng chuyển động tùy theo tốc độ chảy: chuyển động xoáy và chuyển động dòng (chuyển động thành lớp). Để nghiên cứu chế độ chuyển động của dòng lưu chất, Reynolds đã tiến hành thí nghiệm chứng minh tồn tại hai dạng chảy: Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 25 Hình 1. Thí nghiệm Reynolds nghiên cứu chế độ chảy của dòng chất lỏng Mô tả hiện tượng thí nghiệm: Bằng cách điều chỉnh van 1, vận tốc lưu chất trong ống thuỷ tinh sẽ thay đổi và Reynolds nhận thấy, khi vận tốc nhỏ, dòng mực chuyển động trong ống thuỷ tinh như một sợi chỉ xuyên suốt trong ống.

Tiếp tục tăng vận tốc tới một lúc nào đó dòng mực bắt đầu gợn sóng. Nếu tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì dòng mực hoà trộn hoàn toàn trong nước, tức là không còn thấy dòng mực nữa. Hiện tượng này Reynolds giải thích như sau, khi vận tốc lưu chất còn nhỏ, chất lỏng chuyển động theo từng lớp song song nhau nên dòng mực cũng chuyển động theo đường thẳng. Trường hợp này Reynolds gọi là chế độ chảy tầng (chảy dòng).

Khi vận tốc tăng đến một giới hạn nào đó, các lớp chất lỏng bắt đầu có hiện tượng gợn sóng do đó dòng mực cũng có sự giao động tương ứng và chế độ này gọi là chế độ chảy quá độ. Tiếp tục tăng vận tốc lưu chất thì các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi phương do đó dòng mực bị hoà trộn hoàn toàn trong lưu chất, trường hợp này gọi là chế độ chảy rối (chảy xoáy). Chế độ chảy dòng (Chảy tầng) Giữa tâm dòng vận tốc cực đại, càng gần thành ống, vận tốc càng giảm và có giá trị 0 ở sát thành ống. Vì vậy profil vận tốc là 1 parabol.

Khi tính toán ta dùng vận tốc trung bình. Hình vẽ dưới đây chỉ ra Profil chảy dòng: Hình 1. Profil chảy dòng (chảy tầng) của dòng chất lỏng b. Chế độ chảy rối (Chảy xoáy) Khi tốc độ tăng lên, dòng chảy bị rối nên xuất hiện dòng xoáy.

Các phần tử chuyển động với tốc độ thay đổi cả giá trị lẫn hướng tạo thành 1 parabol tù. Dọc thành ống có lớp biên, ở lớp biên tốc độ giảm dần và bằng 0 ở sát thành ống. Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 26 Hình 1. Profil chảy rối (chảy xoáy) của dòng chất lỏng Với việc nghiên cứu dòng mực chuyển động trong ống khi thay đổi vận tốc của nước Reynolds đã tìm ra một chuẩn số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của lưu chất và được gọi là chuẩn số Reynolds tính theo công thức: 𝜔.22) 𝜇 𝜗 Trong đó:  – khối lượng riêng của lưu chất, kg/m3  – độ nhớt động lực của lưu chất, N.s/m 𝜗 – độ nhớt động học, m2/s  – vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong ống, m/s d – đường kính tương đương, m Reynolds đã chứng minh được rằng nếu: Re < 2320: lưu chất chảy tầng Re = 2320  1000: lưu chất chảy quá độ Re > 10000: lưu chất chảy rối 1.

Dòng ổn định và dòng không ổn định Dòng ốn định là dòng mà trong đó vận tốc, gia tốc, áp suất, độ sâu… không thay đổi theo thời gian, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm ta đang xét. Dòng không ốn định là dòng mà tất cả các đại lượng như vận tốc, gia tốc, áp suất, độ sâu… thay đổi theo thời gian. Thí nghiệm minh họa dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định như sau: Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 27 h P wL Hình 1.