Procese de transfer de căldură - dimensionarea unui condensator de hidrocarburi

SCHIMBATOARE DE CALDURA

Schimbatoarele de caldura sunt aparate (utilaje) in care se realizeaza procese de transfer de caldura intre doua fluide.

CLASIFICARI

Clasificarea schimbatoarelor de caldura se poate face din mai multe puncte de vedere , dintre acestea cele mai importante sunt:

- clasificarea dupa procesul principal de transfer de caldura;

- clasificarea dupa modul de contactare a fluidelor;

- clasificare dupa tipul constructive al aparatului;

Dupa procesul principal de transfer de caldura se deosebesc: preancalzitoare, racitoare, condensatoare, racitoare-condensatoare, refierbatoare, vaporizatoare, cristalizoare, recuperatoare, regeneratoare.

Dupa modul de contactare a fluidelor se deosebesc trei clase de aparate: schimbatoare de caldura de suprafata, schimbatoare de caldura prin contact direct (de amestec) si schimbatoare de caldura cu fluid intermediar stationar.

Dupa tipul constructructiv al aparatului se deosebesc numeroase clase de schimbatoare: schimbatoare “tub in tub”, racitoare si condensatoare cu serpentina scufundata, racitoare si condensatoare cu serpentina stropita cu apa, schimbatoare de caldura cu placi, racitoare si condensatoare cu aer.

Schimbatoarele de caldura cu fascicul tubular in manta sunt cele mai utilizate tipuri de schimbatoare. Ele prezinta o arie specifica de transfer de caldura relativ mare (18 – 40 m2/ m3, in raport cu 4 – 15 m2/ m3 la schimbatoarele tub in tub ) si un consum specific de metal relativ redus (35-80 Kg/m2, in raport cu 175 Kg/m2 la schimbatoarele tub in tub). Un schimbator de caldura cu fascicul tubular in manta se compune dintr-o manta cilindrica prevazuta la extremitati cu flanse, doua capace prevazute cu flanse spre interior, doua placi tubulare care se fixeaza (cu garnituri de etansare) intre flansele mantalei si capacelor si fasciculul de tuburi, mandrinate in placile tubulare. Racordurile (stuturile) pentru fluidul care circula prin tuburi se afla la capace si acest fluid trece in paralel prin toate tuburile , intr-un singur sens. Mantaua contine tot doua racorduri , fluidul corespunzator circuland longitudinal prin spatiul intertubular (sectiune constanta), in contracurent cu lichidul din tuburi. La o condensare de vapori, vaporii intra in partea superioara , iar condensatul este evacuat la partea inferioara (la vaporizare circulatia se face de jos in sus). Pentru fluidele fara transformare de faza, intrarea poate fi jos sau sus, iar iesirea , fie pe partea opusa, fie uneori chiar pe aceeasi parte.

Alegerea trecerii fluidelor prin tuburi sau manta se face dupa urmatoarele criterii, care nu pot fi intotdeauna respectate:

- fluidul cu temperatura mai mare se trece prin tuburi, pentru a se reduce pierderea de caldura catre mediul ambient;

- fluidul cu debit volumic mai mare se trece prin manta;

- fluidul cu presiune mai mare se trece prin tuburi, acestea rezistand la presiune mai usor decat mantaua;

- fluidul pentru care se doreste o cadere de presiune mai mica se trece prin manta;

- fluidul care depune mai multa murdarie pe suprafata tuburilor se trece prin tuburi, pentru ca acestea se curata mai usor in interior, prin demontarea capacelor;

- fluidul mai coroziv se trece prin tuburi, pentru ca acestea pot fi inlocuite sau isolate mai usor;

Cresterea coeficientului de convectie in interiorul tuburilor se poate obtine prin cresterea vitezei fluidului (acest avantaj este insotit de dezavantajul cresterii caderii de presiune). Pentru cresterea vitezei in tuburi, se introduc in camerele de distributie (sub capace) sicane, astfel incat se obtin doua sau mai multe pasuri (treceri ) prin tuburi.

DATE PROIECT

Se cere sa se stabileasca dimensiunile unui condensator de hidrocarburi usoare de tip fascicul tubular in manta, cu condensare partiala, lucrand la presiunea medie de 800 KN/m2 . Componenta amestecului de hidrocarburi intrati cu un debit de 23 000 Kg/h este data mai jos. Vaporii intra in aparat la 900C, amestecul de condensat si vaporii paraseste aparatul la 38 0C. Apa intra cu 180C si iese la 440C.

Componenta vaporilor intrati in aparat

Tabelul 1

Componentul Debitul

Kg/h Masa moleculara

Mi Numar de moli ni

Kmoli Fractia molara

CH4 200 16 12,5 0.030063

C2H6 1250 30 41,67 0,100219

C3H8 4300 44 97,73 0,235046

C4H10 7250 58 125 0,300633

C5H12 100000 72 138,89 0,334039

TOTAL 23000 415,79 1.0

Se verifica intai daca in conditiile de intrare in aparat amestecul de hidrocarburi se gaseste la punctual de roua, utilizandu-se relatia: = (tabelul 2)

Punctul de roua exprima conditiile de presiune si temperatura la care are loc formarea primei picaturi de condensat.

Tabelul 2

Componentul Fractia molalra yi Constanta de echilibru Ki (90 0C, 8,2 Kgf/cm2) Yi/Ki

CH4 0.0300 20 0,0015

C2H6 0,1002 7,5 0,0134

C3H8 0,2350 3,2 0,0734

C4H10 0,3006 1,3 0,2312

C5H12 0,3340 0,55 0,6073

TOTAL 1.0 0.9268

Se imparte domeniul de condensare a amestecului de hidrocarburi in intervale mai mici de temperatura (90,80,70,60,50,40,380C ).

Se calculeaza compozitia fazelor la echilibru, in kmol/100 kmol intrati in aparat pentru fiecare component si la fiecare temperatura admisa (tabelul 3÷8).

In aceste calcule s-a admis ca presiunea ramane constanta in lungul aparatului. In mod normal se admite o cadere de presiune liniara cu temperatura in lungul aparatului, stabilindu-se valoarea presiunii la fiecare interval de temperatura.

Facand uz de relatiile de bilant de materiale si de relatiile de echilibru a fazelor, se poate obtine ecuatia echilibrului de faza lichid-vapori: