Proiectarea și dimensionarea tehnologică a unui încălzitor pentru amestecul benzen-ciclohexan

Introducere

1. Schimbătoare de căldură-informații generale

Aparatele termice folosite în industria chimică servesc la realizarea unor operații însoțite de trecerea căldurii de la un loc la altul, de la o materie la alta sunt reprezentate de schimbătoarele de căldură. După scopul urmărit, schimbătoarele de căldura au diferite denumiri (Tabel 1.)

Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt aparate care sunt delimitate de două spații pentru circulația celor două substanțe participante la schimbul de căldură. Peretele care desparte cele două spații este suprafața de transmitere a căldurii sau suprafața de încălzire. Există cazuri în care suprafața despărțitoare menționată anterior nu există, iar schimbul de clădură între substanțe se realizează prin contact direct. În cazul acesta, dacă ambele substanțe sunt fluide și formează faze distincte, schimbul de căldură este însoțit și de schimb de materie.

Un schimbător de căldură trebuie să realizeze un schimb cât mai intens de căldură cu o pierdere de presiune cât mai mică pentru fluidul care circulă prin utilaj. O pierdere mare de presiune nu este un inconvenient când fluidul se găsește la presiune ridicată, impusă de alte condiții tehnologice. De obicei însă presiunea lichidelor corespunde înălțimii limitate a rezervorului sau presiunii de pompare și se cere să se găsească o cale de mijloc din punct de vedere economic între realizarea unui schimb bun de căldură și un consum cât mai mic de energie la pompă. [2]

Schimbătoarele de căldură propriu-zise se clasifică în două grupe:

• recuperatoare, în care schimbul de căldură se face de la fluidul cald la fluidul recere, printr-un perete despărțitor, în regim staționar;

• regeneratoare, în care schimbul de căldură se face prin intermediul unui solid care înmagazinează căldură de la fluidul cald și o cedează apoi fluidului rece, în regim nestaționar, periodic.

Tabel 1. Schimbătoare e căldură [2]

Denumirea aparatului Scheme de principiu Scopul

Schimbător de căldură propriu-zis sau recuperator Fluid cald de răcit Fluid rece de încălzit Încălzirea fluidului rece/Răcirea fluidului cald

Preîncălzitor Fluid cald care se răcește Fluid rece de încălzit Încălzirea fluidului rece

Răcitor Fluid cald de răcit Fluid rece care se încălzește Răcirea fluidului cald

Radiator Abur sau apa caldă care se răcește Aer de încălzit Încălzirea aerului

Cazan de abur Gaze de ardere calde care se răcesc

Lichid în fiebere transformat în vapori Obținerea vaporilor

Vaporizatorul instalațiilor frigorifice

Fluid de răcit

Lichid care se vaporizează

Răcirea fluidului

Uscător Aer care se răcește și se umezește Lichid (apă) de vaporizat Uscarea materialelor

Turn de răcire Apă caldă de răcit Apă caldă care se umezește Răcirea apei calde

Condensator de suprafață Abur care se condensează Apă rece care se încălzește Condensarea vaporilor

Condensator de amestec Abur care se condensează Apă rece care se încălzește Condensarea vaporilor

Evaporator Abur care se condensează Lichid (soluție) de vaporizat Concentrarea lichidului (soluției)

Coloana de rectificare Vapori grei de condensat Lichid volatil de vaporizat Separarea unui amestec lichid prin diferență de volatilitate

2. Schimbătoare de căldură tubulare

Cele mai reprezentative și cele mai folosite schimbătoare de căldură sunt cele tubulare, care sunt de asemenea, de mai multe tipuri:

2.1. Schimbătoare de căldură tubulare simple

În forma cea mai simplă, schimbătoarele tubulare sunt construite dintr-un fascicul de tevi fixate (la capete) în găurile a două plăci tubulare; la extremitățile fascicului tubular sunt două camere (de distribuție și de colectare) acoperite cu capace. Fasciculul de țevi este închis într-o manta. Patru racorduri, două la capetele mantalei și câte unul la fiecare capac, pentru intrarea și ieșirea celor două fluide. Prin această construcție se separă, în interiorul aparatului, cele două spații ale unui schimbător de căldură:

• Spațiul dintre țevi și manta;

• Spațiul din interiorul țevilor (împreună cu camera de distribuție și cea de colectare dintre capace și plăcile tubulare).

Când schimbătorul este încălzit cu abur, un racord pentru conducta de aerisire este necesar. În Figura 1. este ilustrată structura explicată mai sus a unui schimbător de căldură tubular, iar în Figura 2. dispunerea țevilor în secțiune transversală a schimbătorului.

Figura 1. Schimbător de căldură tubular

1-manta, 2-țevile fasciculului, 3-plăci tubulare, 4-capace, 5,5’-racorduri în legătură cu spațiul dintre țevi, 6,6’-racorduri în legătură cu spațiul din interiorul țevilor.

Figura 2. Dispunerea țevilor în schimbătorul de căldură tubular

a- În hexagoane concentrice b- În cercuri concentrice

Deși schimbătoarele tubulare simple sunt indicate pentru majoritatea aplicațiilor industriale, se construiesc, totuși numeroase variante îmbunătățite.