Rezolvarea modelului matematic de dimensionar al unui schimbător de căldură

1. TEMA DE PROIECT

1.1. Prezentarea temei de proiect

Să se dimensioneze condensatorul total al instalaţiei de rectificare de mai jos :

Figura nr1. Instalaţia de rectificare al amestecului ternar : benzen – toluen – orto-xilen .

debitul alimentării: F = ( 30000+1500  n ) [t /an] ;

n = 10 ;

• compoziţia alimentării : xF1 = 0,35 ;

xF2 = 0,35 ;

xF3 = 0,3 ;

• compoziţia distilatului la ieşirea din schimbătorul de căldură nr. 4 :

xD2,1 = 0,98 ;

xD2,2 = 0,02 ;

1. Benzen ;

2. Toluen ;

3. O - Xilen ;

• Răcirea se face cu apă având :

• temperatura de intrare : ti = ( 20 + 2•n)°C ;

• temperatura de ieşire : te = ti + 30 ;

• Presiunea de lucru : p = 1 atm. ;

1.2. Referat de literatură

Schimbătoarele de căldură

Schimbătoarele de căldură sunt aparatele termice folosite în industria chimică la realizarea unor operaţii însoţite de trecerea căldurii dintr-un loc în altul , de la o materie la altă materie .

Majoritatea schimbătoarelor de căldură sunt aparate în care sunt delimitate două spaţii pentru circulaţia celor două substanţe participante la schimbul de căldură . Peretele care desparte cele două spaţii este suprafaţa de încălzire (sau de răcire) . Uneori suprafaţa despărţitoare nu există , schimbul de căldură între substanţe realizându-se prin contact direct . Dacă , în aceste din urmă cazuri ,ambele substanţe sunt lichide şi formează faze distincte , schimbul de căldură se realizează simultan cu transferul de materie . Dacă una din substanţe este solidă , schimbul de căldură se realizează – cu excepţia sublimării şi desublimării – fără schimb de substanţă .

Aceste utilaje tehnologice trebuie să realizeze un transfer de căldură cât mai intens cu o pierdere de căldură a fluidului cât mai mică la deplasarea lui prin aparat .O pierdere mare de presiune nu este un inconvenient când fluidul se găseşte la o presiune ridicată ,impusă de alte condiţii tehnologice De obicei , presiunea lichidelor corespunde înălţimii limitate a rezervorului ,sau presiunii de pompare şi se cere să se găsească compromisul cel mai bun posibil ( raţional ) ,din punct de vedere economic , stabilit între un schimb bun de căldură ( de exemplu cel obţinut în ţevi lungi şi subţiri ) şi un consum cât mai mic de energie de pompare .

Schimbătoarele de căldură propriu-zise se pot clasifica în două mari grupe :

a) Recuperatoare de căldură – în care schimbul de căldură se realizează de la fluidul mai cald spre cel mai rece ,printr-un perete despărţitor ,în regim staţionar (permanent ) ;

b) Regeneratoare de căldură – în care schimbul de căldură se realizează prin intermediul unui solid care înmagazinează o cantitate de căldură de la fluidul cald şi o cedează fluidului rece ,în regim nestaţionar , periodic .

Recuperatoare de căldură

Pentru debite mici de fluid ,sunt indicate schimbătoarele de căldură cu una sau mai multe serpentine .Aceste aparate sunt formate dintr-un recipient închis sau deschis ,prin care circulă fluidul rece ( de obicei apa sau saramura ) şi din serpentinele prin care circulă fluidul cald .Aceste schimbătoare de căldură nu se pot folosi în cazul lichidelor ce formează cruste sau depuneri greu de curăţat , în interiorul serpentinei . Transferul termic realizat poate fi îmbunătăţit prin folosirea unor schimbătoare de căldură de tipul celor prezentate mai jos .

Tot pentru debite mici de fluide se pot folosi schimbătoarele de căldură cu ţevi coaxiale . Acestea

se construiesc prin legarea , în serie sau în paralel , a unor elemente compuse din două ţevi coaxiale , prin coturi sau punţi , filetate sau sudate . Aparatul poate fi adaptat cu uşurinţă la nevoile procesului tehnologic pentru care este destinat , schimbând lungimea ţevilor sau numărul elementelor .Un alt avantaj al acestor aparate ,alcătuite din ţevi cu diametre relativ mici , este buna lor rezistenţă la presiune .

Cele mai reprezentative şi totodată , cele mai folosite schimbătoare de căldură sunt cele cu fascicul multitubular .Aceste schimbătoare de căldură sunt de trei tipuri :

a) schimbătoare de căldură tubulare simple . În forma cea mai simplă schimbătoarele de căldură tubulare sunt construite dintr-un fascicul de ţevi fixate –la capete-în găurile a două plăci tubulare .

La extremităţile fasciculului tubular se găsesc două camere ( de distribuţie şi de colectare ) , acoperite cu două capace . Fascicul de ţevi este închis într-o manta . Patru racorduri dintre care două se la capetele mantalei şi câte unul se află pe fiecare capac , pentru intrarea şi ieşirea fiecăruia dintre cele două fluide .Prin realizarea acestei arhitecturi se separă , în interiorul aparatului , cele două spaţii ale unui schimbător de căldură :

1)spaţiul dintre ţevi şi manta ;

2)spaţiul din interiorul ţevilor ( împreună cu camera de distribuţie şi cu cea de colectare dintre capace şi plăcile tubulare ) .Când schimbătorul este încălzit cu abur , un racord pentru conducta de aerisire se va monta în mod obligatoriu .

Deşi schimbătoarele de căldură tubulare simple sunt indicate în majoritatea aplicaţiilor industriale , se construiesc , totuşi , numeroase variante îmbunătăţite .

b) schimbătoarele de căldură cu mai multe treceri prin ţevi - deoarece coeficientul de transfer termic creşte cu creşterea vitezei fluidelor , se construiesc schimbătoare de căldură cu mai multe treceri ,în care fluidul care circulă prin interiorul ţevilor parcurge de mai multe ori aparatul , trecând într-un sens şi apoi în sens contrar prin câte o fracţiune din numărul de ţevi ale fasciculului .Dirijarea lichidului se face prin pereţi despărţitori etanşi , prevăzuţi în camerele de la capetele ţevilor .

În general , când locul permite , se preferă să se monteze mai multe schimbătoare de căldură în serie, fiecare cu un număr mic de treceri , decât un singur schimbător cu mai multe treceri .