بخشی از مقاله
چکیده
برای بدست آوردن دی وینیل بنزن طی واکنش دی هیدروژناسیون دی اتیل بنزن هم ماده اولیه و هم محصول هردو به دما حساسند و فعالیت شیمیایی بالایی دارند، لذا کنترل دما در فرآیند تا رسیدن مواد اولیه به راکتور اهمیت ویژه ای پیدا میکند. در این فرآیند ابتدا دی اتیل بنزن به کمک یک تبخیرکن پوسته-لوله به فاز گازی منتقل شده و جهت به دما رساندن بخارات بدست آمده تا رسیدن جریان به راکتور برای کنترل سریع و راحت دما از یک مبدل حرارتی الکتریکی در مسیر جریان استفاده میشود.
با توجه به فاز گازی مواد ورودی به مبدل حرارتی، سطح انتقال حرارت در مبدل با تغییرات چگالی و توربولنسی جریان گاز داخل آن مرتبط بوده و در نتیجه محاسبه گرمای منتقل شونده به لولههای مبدل حرارتی توسط المنتهای حرارتی با توجه به هریک از این پارامترها باید بدرستی انجام شود. عوامل متعددی بر روی این پارامترها دخیل هستند که در صورت نادیده گرفتن آنها محاسبات با خطا روبرو میشود.
بنابراین در این مقاله استراتژی برای انجام محاسبات ارائه شده که طی آن طراحی مبدل حرارتی با دقت قابل توجهی امکانپذیر میشود. ثابت در نظر گرفتن سطح انتقال حرارت طبق یک استاندارد مشخص و استفاده از عدد ماخ یا همان نسبت سرعت جریان خوراک ورودی به سرعت صوت در محاسبه تغییر فشار جریان تراکمپذیر در مبدل حرارتی برای محاسبه صحیح گرمای منتقل شونده به المنتهای حرارتی از جمله ویژگیهای این استراتژی در طراحی است که طی آن خطای محاسبه سطح انتقال حرارت در مبدل به حداقل میرسد.
-1 مقدمه
در طراحی تبخیرکن ها موازنه جرم و انرژی بین خوراک ورودی بصورت مایع و محصول خروجی کاملا بصورت بخار - یعنی جزء مایع خروجی معادل با صفر - بطور همزمان باید انجام شود تا گرمای منتقل شونده از تبخیرکن به سیال ورودی به آن محاسبه شود. سپس با در اختیار داشتن گرمای منتقل شونده این امکان بوجود می آید تا سطح انتقال حرارت محاسبه شده و به ازای یک قطر مشخص برای لوله ها، طول و ابعاد صحیح لوله ها محاسبه شود .[1]
این درحالی است که برای طراحی مبدل حرارتی الکتریکی که پس از تبخیرکن قرار می گیرد، طبق روش حل ارائه شده در این مقاله برای محاسبه پارامترهای مورد نظر ابتدا یک طول مشخص برای لوله های مبدل حرارتی به ازای یک قطر مشخص و استاندارد برای انتخاب شده و سپس گرمای منتقل شونده به لوله ها توسط المنت های حرارتی باید محاسبه شود .[2] باتوجه به اینکه جریان ورودی به مبدل حرارتی یک جریان تراکم پذیر است، تغییرات فشار و توربولنسی جریان درون خط لوله مبدل اهمیت زیادی داشته که هریک نیز بترتیب با شاخص عدد ماخ - Ma - و عدد رینولدز - Re - قابل ارزیابی هستند.
همچنین شیب انتقال حرارت از نوع رسانشی به انتقال حرارت جابجایی روی سطح انتقال حرارت یا همان عدد نوسلت - Nu - بعنوان تابعی از توربولنسی جریان برای مشخص کردن بخشی از جریان تراکم پذیر که انتقال حرارت در آن با مکانیسم جابجایی بعنوان مکانیسم اصلی رخ می دهد در محاسبات اهمیت دارد. ازینرو ضریب آدیاباتیک - - ϒ که عبارت است از ظرفیت گرمای ویژه در فشار ثابت به ظرفیت گرمای ویژه در حجم ثابت و به نوعی بیانگر میزان تراکم پذیری سیال تحت شرایط دمایی مشخص است و همچنین سرعت جرمی - G - بعنوان معیاری از دبی جرمی سیال ورودی متناسب با سرعت عبور آن درون لوله مبدل حرارتی هریک پارامترهای مهمی در محاسبات بشمار می روند .[3-5]
-2 روش طراحی مبدل
در فرآیند تولید دی وینیل بنزن همانطور که در شکل1 نمایش داده شده است، ابتدا خوراک به کمک یک مبدل حرارتی تبخیرکن پوسته- لوله - Ev-101,102 - به فاز گازی تبدیل شده و سپس دمای بخارات بدست آمده با استفاده از یک مبدل حرارتی الکتریکی به دمای موردنظر رسانده می شود .[6] با این فرض که سیال خروجی از تبخیرکن کاملا بصورت گاز درآمده و با دمای T1 وارد لوله مبدل حرارتی می شود، دمای جریان خروجی از مبدل که لوله ای با قطر D و به طول L است در شرایط آدیاباتیک قرار است به دمای T2 رسانده شود.
این جریان می توانست بصورت ایزنتروپیک برای نازل همگرا- واگرا نیز درنظر گرفته شود، ولی به دلیل پیچیده شدن محاسبات به جهت تغییرات فشار و چگالی گاز در هر مقطع عرضی با توجه به تغییرات توربولنسی جریان از این کار صرفه نظر می شود. بنابراین جریان از نوع جریان اصطکاکی آدیاباتیک در لوله با قطر ثابت درنظر گرفته می شود .[7]
معادله پیوستگی برای این جریان عبارت است از: - 01 - با موازنه انرژی مکانیکی درون لوله×ای با ضریب اطصکاک f و با فرض ثابت ماندن چگالی با توجه به ثابت بودن حجم لوله خواهیم داشت: - 02 - همانطور که ذکر شد برای جریان تراکم پذیر با توجه به قانون گازهای کامل PV = nRT یا بعبارتی و ثابت بودن حجم لوله می توان با ثابت درنظر گرفتن چگالی گاز، فشار درون لوله را متغیر درنظر گرفت و برای هر نقطه ای فشار و سرعت جرمی متناظر با آن فشار را محاسبه کرد.
بنابراین با قرار دادن پارامتر dhfs درون معادله موازنه انرژی مکانیکی و تغییر فشار بجای تغییر چگالی به شکل بهتری از معادله موازنه انرژی مکانیکی برای جریان تراکم پذیر به شکل زیر می رسیم. بهرحال ذکر این نکته نیز بجاست که چگالی با توجه به قانون گازهای کامل با تغییر فشار و حتی با ثابت بودن حجم می تواند متغیر فرض شود که بعدا به آن اشاره می شود.
