دانلود تحقیق در مورد مبدلهای حرارتی و کاربرد آنها در 90 صفحه در قالب ورد 

مبدلهای ریبویلر( Reboiler ) دسته ای از مبدلهای حرارتی می باشند که به منظور ایجاد گرمایش در طبقات تحتانی ستون ها (Column) و برجهای تقطیر(Distillation Tower) مورد استفاده قرار می گیرند. در واقع سیالی که در فرم مایع و به صورت سنگین در این طبقات جمع می شوند به نقطه جوش رسانده و به بخار تبدیل می نماید. این بخار جهت ادامه عملیات تقطیر به سطوح مورد نظر در برج برگشت داده می شود.
استفاده از این تجهیزات در کنار برجهای تقطیر کاملاً مرسوم و متداول بوده، گرچه روشهای دیگری بدین منظور از قبیل سیستم تأمین بخار خارجی، پیش گرمایش و یا سیستم های گرمایش داخلی نیز بکار گرفته می شود.

مبدل های Thermosyphon

در این ریبویلرها سیال بخار شونده تحت نیروی پیشرانه که ناشی از اختلاف دانسیته (چگالی) سیال خروجی و ورودی می باشد به صورت طبیعی و بدون نیاز به پمپ بین برج تقطیر و ریبویلر در جریان می باشد. این عملکرد بی شباهت به پمپ هایی که با هوا کار می کند (Air Lift) نمی باشد.

در واقع این پمپ ها با عبور هوا از درون یک لوله به لوله ای با قطر داخلی بیشتر و ایجاد حباب هوا و در نهایت خروج آن و رسیدن به سطح بالاتر از سطح مخزن به علت اختلاف دانسیته، باعث مکش سیال و خروج آب همراه با حباب هوا از لوله ای دیگر می گردد.

ساختار کلی این تجهیزات در قالب یک مبدل پوسته- لوله ی با ترکیب بندی عمودی و افقی می باشد. در نوع عمودی سیال درون لوله به بخار تبدیل می گردد و در حالی که در نوع افقی تبخیر درون پوسته اتفاق می افتد. گرچه قانون بسیار ساده ای در انتخاب ساختار عمودی یا افقی وجود دارد عوامل دیگری نیز در این انتخاب بی تأثیر نمی باشند. این قانون بیان می دارد در صورتی که ویسکوزیته سیال زیر ۰٫۵(cp) باشد، از نوع پیکربندی عمودی استفاده گردیده در غیر اینصورت نوع افقی توجیه بیشتری دارد.

البته به خاطر اینکه ریبویلرها همراستا با سطح زیرین برجها قرار می گیرند نوع افقی مزایای بیشتری از قبیل سطح حرارتی بیشتر، سهولت پاکیزگی در اثر رسوب درون لوله، انعطاف پذیری بیشتری برای اپراتور برای دبی بیشتر سیال و نیز قرارگیری خروجی سیال بخار شده در سطح پایین تر از نوع عمودی دارد. ساختار جریان سیال (Flow Pattern) برای جریان برگشتی به برج تا حد قابل توجهی در انتخاب ریبویلر تأثیر گذار است. بطور تجربی نسبت میزان بخار شدن در ریبویلرهای ترموسیفون را تا حد ۳۰% می بایست نگه داشت تا در میزان انتقال حرارت مورد نیاز خللی بوجود نیاید. چنین محدودیتی در مبدل های کتری شکل و نیز در نوع جریان اجباری 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.