مبدلهای حرارتی و کاربرد آنها

دسته بندي : فنی و مهندسی » مکانیک
مبدلهاي ريبويلر( Reboiler ) دسته اي از مبدلهاي حرارتي مي باشند که به منظور ايجاد گرمايش در طبقات تحتاني ستون ها (Column) و برجهاي تقطير(Distillation Tower) مورد استفاده قرار مي گيرند. در واقع سيالي که در فرم مايع و به صورت سنگين در اين طبقات جمع مي شوند به نقطه جوش رسانده و به بخار تبديل مي نمايد. اين بخار جهت ادامه عمليات تقطير به سطوح مورد نظر در برج برگشت داده مي شود.
استفاده از اين تجهيزات در کنار برجهاي تقطير کاملاً مرسوم و متداول بوده، گرچه روشهاي ديگري بدين منظور از قبيل سيستم تأمين بخار خارجي، پيش گرمايش و يا سيستم هاي گرمايش داخلي نيز بکار گرفته مي شود.
مبدل هاي Thermosyphon

در اين ريبويلرها سيال بخار شونده تحت نيروي پيشرانه که ناشي از اختلاف دانسيته (چگالي) سيال خروجي و ورودي مي باشد به صورت طبيعي و بدون نياز به پمپ بين برج تقطير و ريبويلر در جريان مي باشد. اين عملکرد بي شباهت به پمپ هايي که با هوا کار مي کند (Air Lift) نمي باشد.
در واقع اين پمپ ها با عبور هوا از درون يک لوله به لوله اي با قطر داخلي بيشتر و ايجاد حباب هوا و در نهايت خروج آن و رسيدن به سطح بالاتر از سطح مخزن به علت اختلاف دانسيته، باعث مکش سيال و خروج آب همراه با حباب هوا از لوله اي ديگر مي گردد.
ساختار کلي اين تجهيزات در قالب يک مبدل پوسته- لوله ي با ترکيب بندي عمودي و افقي مي باشد. در نوع عمودي سيال درون لوله به بخار تبديل مي گردد و در حالي که در نوع افقي تبخير درون پوسته اتفاق مي افتد. گرچه قانون بسيار ساده اي در انتخاب ساختار عمودي يا افقي وجود دارد عوامل ديگري نيز در اين انتخاب بي تأثير نمي باشند. اين قانون بيان مي دارد در صورتي که ويسکوزيته سيال زير ۰٫۵(cp) باشد، از نوع پيکربندي عمودي استفاده گرديده در غير اينصورت نوع افقي توجيه بيشتري دارد.
البته به خاطر اينکه ريبويلرها همراستا با سطح زيرين برجها قرار مي گيرند نوع افقي مزاياي بيشتري از قبيل سطح حرارتي بيشتر، سهولت پاکيزگي در اثر رسوب درون لوله، انعطاف پذيري بيشتري براي اپراتور براي دبي بيشتر سيال و نيز قرارگيري خروجي سيال بخار شده در سطح پايين تر از نوع عمودي دارد. ساختار جريان سيال (Flow Pattern) براي جريان برگشتي به برج تا حد قابل توجهي در انتخاب ريبويلر تأثير گذار است. بطور تجربي نسبت ميزان بخار شدن در ريبويلرهاي ترموسيفون را تا حد ۳۰% مي بايست نگه داشت تا در ميزان انتقال حرارت مورد نياز خللي بوجود نيايد. چنين محدوديتي در مبدل هاي کتري شکل و نيز در نوع جريان اجباري وجود ندارد.

یکی از متداول ترین روش های جداسازی است که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. اساس جداسازی اجزا در این روش اختلاف نقطه جوش اجزا است. به عنوان مثال آب دارای نقطه جوش 100 درجه سانتی گراد و الکل دارای نقطه جوش 78 درجه سانتی گراد می‌باشد. اگر محلول آب و الکل حرارت داده شود، به دلیل پایین تر بودن نقطه جوش الکل به مقدار بیشتری در فاز بخار وجود خواهد داشت. بدین ترتیب پس از سرد کردن بخار میتوان الکل نسبتا خالص به دست آورد. بدین ترتیب گرما به عنوان عامل جداکننده دو جز آب و الکل را تقریبا به طور کامل جدا میکند.

برج تقطیر در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. شاید شناخته ترین برج تقطیر مورد استفاده در صنایع برج‌های تقطیر مورد استفاده در صنایع پالایش و پتروشیمی است که محصولات اولیه سبک و سنگین و خورداک صنایع پتروشیمی را تولید می‌کند. فرآیند برج تقطیر در واقع شامل ورودی خوراک و کندانسور و ریبویلر و رفلاکس دارم است. برج تقطیر در هر صنعتی که بتوان مواد را با استفاده از اختلاف نقطه جوش آنها جدا کرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته در صنایع غذایی که برج تقطیر، در دمای بالا باعث آسیب زدن به ماهیت مواد می‌شود از برج تقطیر خلا استفاده می‌شود که مواد در دمای پایین‌تری به نقطه جوش برسند.

برج تقطیر و برج سینی دار هر دو طراحی متفاوتی دارند که در نقاط مشترکی نقاط طراحی مشترکی دارند.

طراحی برج‌های تقطیر سینی دار: طراحی برج‌های تقطیر به دو دسته طراحی فرآیندی و طراحی ابعادی تقسیم می‌شود. از طراحی فرآیندی، به دست آوردن تعداد سینی‌های مورد نیاز واقعی از روش‌های SHORT CUT و یا TRAY BY TRAY بوده و در طراحی ابعادی محاسبه قطر و ارتفاع برج تقطیر و همچنین اجزای داخلی برج‌ها اعم از ارتفاع ناودان‌ها، سطح مقطع محل ریزش مایع، فاصله بین سینی‌ها از یکدیگر و موارد دیگر به دست می‌آید.

طراحی برج‌های تقطیر پرشده: در طراحی برج‌های پرشده مانند برج سینی‌دار ابتدا تعداد سینی‎های مورد نیاز و فاصله مورد نیاز آن به دست می‌آید و در طراحی ابعادی با معادل‌سازی پرکن مورد استفاده با سینی‌ها طراحی ابعادی برج‌های پرشده انجام می‌شود.اجزای اصلی برج تقطیر سینی دار:

اجزای اصلی برج تقطیر:

نازل : محل اتصال لوله های ورودی و خروجی به برج تقطیر را نازل می‌گویند

رفلاکس درام: مخزن رفلاکس برای جمع آوری محصولات سرد شده در بالای برج تقطیر استفاده میشود. محصول ورودی به مخزن رفلاکس مایع یا مخلوطی از مایع و بخار است. اگر کندانسور جزئی باشد محصول مخلوطی از بخار و مایع است. اگر کندانسور کامل باشد محصول به صورت مایع به مخزن وارد می‌شود. مقداری از مخزن رفلاکس به عنوان رفلاکس یا جریان برگشتی به برج باز می‌گردد. به حالتی که همه مایع به برج بر میگردد و هیچ محصولی از بالای برج دریافت نشود، جریان کامل برگشتی و یا total reflux گفته می‌شود.

انواع جداسازها: از Separator ها برای جداسازی فازهای مختلف که در هم مخلوط شده اند استفاده میشود. معمولا عامل اساسی جداسازی فازهای مایع از یکدیگر اختلاف دانسیته مواد است.

ریبویلر ها یا جوش آورها: تجهیزاتی هستند که برای تامین بخار و حرارت مورد نیاز انتهای برج تقطیر استفاده می‌شود. ریبویلر ها اکثرا از نوع مبدل های پوسته و لوله می‌باشند. مایع انتهای ستون تقطیر در ریبویلر گرم شده و به صورت بخار به برج باز میگردد. از بخار آب ، گاز و مایعات دیگر به عنوان ماده واسطه استفاده می‌شود. ریبویلر ها از نظر طریقه عملکرد به دو دسته کلی تقسیم میشوند.

در ریبویلر با گردش اجباری از پمپ برای گردش مایع در مبدل استفاده میشود.

ریبویلر با گردش طبیعی اما نیازی به پمپ برای گردش مایع در مبدل نمی‌باشد. ریبویلر های 1- ریبویلر های کتری مانند Kettle type 2- ریبویلر با دسته لوله در ستون 3- ریبویلر ترموسیفون افقی 4- ریبویلر ترموسیفون عمودی از انواع ریبویلر های گردش طبیعی هستند.

از عوامل موثر در انتخاب ریبویلر های مناسب برای یک سیستم تقطیر میتوان به فضای مورد استفاده ، کل بار حرارتی مورد نیاز ، تمایل به رسوب گذاری ، دمای قابل دسترس و چگونگی رسیدن به این دما اشاره کرد.

پمپ: پمپ ها برای انتقال مایع به ارتفاع زیاد و مایعات با ویسکوزیته بالا استفاده میشود. به این ترتیب میتوان پمپ های در نقاط مختلف واحد برای انتقال مایعات به کار برد. پمپ ها در دو نوع سانتری فیوژ و رفت و برگشتی هستند

کتل (kettle)

مبدل های نوع کتل یا Kettle Type بر اساس تقسیم بندی استاندارد TEMA در دسته بندی نوع K قرار می‌گیرند. اصولا این نوع مبدل ها در صنعت جهت تولید بخار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در واقع مهم ترین مشخصه این مبدل تهیه بخار در حجم زیاد و تغییر فاز بدون تغییرات دمایی است.

یکی از استفاده های رایچ مبدل حرارتی کتل (Kettle) در جهت تامین بخار و فراهم کردن حرارت مورد نیاز برج های تقطیر است. به زبان ساده تر این نوع مبدل های پوسته و لوله به عنوان جوش آورنده (Reboiler) جهت بخار کردن تمام و یا بخشی از مایع پایین برج (محصول Bottom) به کار برده می‌شود. عملکرد درست ریبولر ها در برج تقطیر بسیار حساس است چرا که حرارت مورد نیاز جهت تبخیر از آن گرفته می‌شود.

عموما تیوب های مبدل کتل به صورت U-Type می‌باشد.

پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله که به همراه تیوپ شیت ها وظیفه نگهدارنده لوله‌ها ، اتصال ورودی و خروجی ها و ... را بر عهده دارد .عمل انتقال حرارت نیز در داخل پوسته انجام می‌گیرد. ضخامت پوسته به فشار کار و قطر پوسته بستگی دارد.

در ساخت پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله معمولاً از فولاد یا فولاد ضد زنگ استفاده می‌گردد . چرا که باید انتقال حرارت آن در پایین ترین حد و تحمل فشار آن در بالا ترین حد ممکن باشد روی پوسته مبدل حرارتی پوسته و لوله باید مسیر ورود و خروج آب - قلاب ‌آویز- اتصال تخلیه- محل نصب شیر اطمینان سنسور و... در نظر گرفته شود.

مبدل های حرارتی پوسته و لوله دارای آرایش های مختلف از نظر جریان سیال در سمت پوسته و سمت لوله می باشند و براساس سطح انتقال حرارت ،فشار کار ، افت فشارکویل ،شیوه های ساخت و هزینه کنترل خوردگی و مسائل تمیز کاری، مورد انتخاب و اس