آشنایی با مبدلهای ریبویلر

[P O U R I A]

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.
مهمترین فاکتور در طراحی این تجهیزات، انتخاب صحیح نوع پیکربندی متناسب با نوع سرویس و کاربرد آنها می باشد. اکثر طرحهای مورد استفاده از لحاظ ساختاری به صورت مبدل های پوسته لوله ای (Shell&Tube) بوده و ممکن است در بعضی کاربردها از ترکیب بندی های خاص دیگری نیز استفاده شود.
عوامل متعددی در انتخاب نوع ریبویلرها وجود دارد که می توان به طور کلی به موارد زیر اشاره کرد:
• نوع و سایز فضایی که جهت نصب در نظر گرفته شده است
• نوع جریان سیال (Flow Pattern)
• نسبت میزان بخار تولیدی به میزان مایع ورودی
• رسوب پذیری سیال و ویسکوزیته آن
• همگرایی دما در ورودی و خروجی
• سطح مایع درون برج

با در نظر گرفتن موارد فوق و نیز تجارب طراحان و بهره برداران این تجهیزات عمدتاً می توان ساختار ریبویلرها را به شرح زیر انتخاب نمود:
- عبور سیال به صورت اجباری (Forced) یا به صورت طبیعی (Natural) باشد
- بخار شدن درون تیوب صورت گیرد یا درون پوسته مبدل
- جریان از نوع Once-Through یا به صورت پروسسی باشد
- مبدل از نوع تک پوسته ای یا چندگانه باشد
- قرارگیری عمودی یا افقی باشد

اولین دسته بندی ریبویلرها را می توان به صورت کلی به این ترتیب در نظر گرفت:
• جریان اجباری در دو نوع افقی و عمودی
• جریان طبیعی : مبدلهای (Thermosyphon)
باندل داخلی درون برج (Stab in)
نوع کتری شکل(Kettle)

جریان اجباری
عبور جریان در این گونه ریبویلرها به صورت اجباری و تحت فشار یک پمپ می باشد. عملیات گرمایش نیز به دو صورت تبادل گرما در یک مبدل حرارتی ( به واسطه عبور جریان گرم در لوله مبدل) و یا به صورت حرارت مستقیم (در اثر سوختن سوختهای فسیلی) صورت می پذیرد.
در حالی که از روش حرارت مستقیم استفاده شود، سیال پروسسی از درون مسیر لوله ای کوره جریان پیدا می کند که خود شامل دو ناحیه که در یکی از آنها تبادل گرما به صورت همرفت (Convection) و در دیگری به صورت تابش مستقیم (Radiation) صورت می پذیرد، می باشد. این جریان با فشار مستقیم پمپ از ناحیه انتهای برج تقطیر به سمت کوره هدایت شده و نهایتاً پس از گرمایش به طبقات فوقانی برج انتقال داده 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.

ملاحظات پیکربندی مناسب پیکربندی نامناسب کم بودن میزان نسبت مایع به بخار مورد نیاز Recirculating Kettle Once-through بالا بودن میزان نسبت مایع به بخار مورد نیاز Once-through Recirculating سیستمهای با بخارپذیری نسبتاً کم Recirculating سیستمهای با بخارپذیری نسبتاً بالا Once-through Recirculating سایز وduty زیاد مبدل طراحی شده Horizontal Vertical مبدل های کوچک و کم توان Vertical Stab-in خطرناک بودن بروز نشتی Stab-in استفاده از متریال خاص Stab-in نیاز شدید به همگرا شدن دماها Spiral-plate Plate-fin Shell-and-tube وجود ذرات جامد در سیال Kettle Spiral-plate Plate-fin پایدار نبودن سیال از لحاظ خصوصیات ترمال Recirculating (no baffle) Kettle Once through وجود فضای محدود نصب تجهیزات Vertical Horizontal وجود فضای کافی نصب تجهیزات Horizontal در کاربردهای دماهای بالا Fired heaters بالا بودن فلاکس حرارتی Forced circulation Flooded bundles Natural circulation در جدول زیر خصوصیات، مزایا و معایب انواع ریبویلرها به اختصار لیست شده است: معایب مزایا نوع · نیاز به لوله کشی و فضای سبز بیشتر · هزینه بالای ساخت · بروز رسوب با جریان های رسوب زا · زمان ماندگاری بالا در ناحیه تبادل گرما · راحتی تعمیرات و نگهداری · داشتن فضای کافی جهت ایجاد بخار · ارتفاع کم Skirt (تکیه گاه) · کارکرد با جریان با ویسکوزیته بالاتر از ۰٫۵ CP · راحتی کنترل بدون محدودیت در نسبت بخار به مایع Kettle · نگهداری دشوارتر و پرهزینه تر · ارتفاع زیاد نگهدارنده (Skirt) · کنترلی در چرخه جریان (Circulation)وجود ندارد درجه تحت کنترل بودن به صورت متوسط لوله کشی ساده و فشرده به راحتی رسوب نمی گیرد هزینه ساخت کم نوع عمودی (Once-through) · جمع شدن اجزائ با نقطه جوش بالا در خط تغذیه (دما ممکن است مقداری بالاتر از مایع تحتانی برج باشد) · ارتفاع زیاد سطح مایع ممکن است ظرفیت ریبویلرها را کاهش دهد. · راحت تر رسوب می پذیرد · هزینه نگهداری زیاد کنترل پذیری مناسب لوله کشی ماده و فشرده هزینه ساخت کم نوع عمودی (جریان طبیعی) · هیچگونه کنترل در چرخه جریان (Circulation) وجود ندارد · درجه تحت کنترل بودن به صورت متوسط · لوله کشی ساده و فشرده · به راحتی رسوب نمی پذیرد · ارتفاع کم تکیه گاه (Skirt) افت فشار کم تر · امکان استفاده از تیوبهای بلندتر هزینه ساخت کم نوع افقی (Once-through) · فضا و لوله کشی بیشتر از نوع عمودی مورد نیاز است · راحت تر از نوع عمودی رسوب می پذیرد · هزینه بیشتر جهت پمپ و لوله کشی آن مورد نیاز است. · هزینه بهره برداری بیشتر · فضای بیشتر جهت نصب مورد نیاز · جمع شدن اجراء با نقطه جوش بالا · در خط تغذیه (دما ممکن است مقداری بالاتر از مایع تحتانی برج باشد) · راحتی تعمیرات و نگهداری · ارتفاع کم تکیه گاه(Skit) · افت فشار کم تر · امکان استفاده از تیوبهای بلندتر · هزینه ساخت کمتر از نوع(Kettle) نوع افقی (جریان طبیعی)

 

[P O U R I A]

 

[P O U R I A]

در شکل ۱۰ چیدمان شماتیک قرارگیری مبدل های ریبویلرو نیز نحوه لوله کشی به این تجهیزات در کنار برجهای تقطیر به نمایش گذاشته شده است.
قسمت (A مربوط به مبدل کتری شکل بوده که در آن سیال در فاز مایع از قسمت انتهایی برج تقطیر به انتهای مبدل هدایت می شود، تبادل حرارت با گرمای ایجاد شده بواسطه عبور سیال گرم از درون لوله ها منجر به بخار قسمتی از مایع ورودی و خروج آن از بالاترین نقطه مبدل و رسیدن به برج تقطیر می گردد. با سر ریز آن قسمت از مایع که به بخار تبدیل نشده است، از روی ورق جداکننده ای که به آن بفل سر ریز(Overflow-Baffle) نیز گفته می شود، سیال در انتهای مبدل جمع شده و نهایتاً به عنوان محصول انتهایی از چرخه یاد شده خارج می گردد.
شکل C , B مبدلهای ریبویلر افقی و عمودی را به تصویر می کشد. در این مبدلها نیز سیال در فاز مایع از انتهای برج به مبدل هدایت شده و تبدیل به سیال دو فازی می گردد. همانطور که در تصویر مشاهده می شود، نیازی به پمپ جهت به جریان درآوردن سیال نبوده بلکه بوسیله مکش ایجاد شده که قبلاً به آن اشاره گردید سیال درون این چرخه به صورت طبیعی در جریان است. ارتفاع ورودی به برج باید به اندازه ای باشد که به میزان کافی فضای جدایش فاز مایع از گاز وجود داشته باشد. در این صورت فاز گاز به طبقات بالایی و فاز مایع به انتهای برج هدایت می شود. مقداری از مایع خارج شده از ریبویلر دوباره در چرخه گرمایش توسط خود ریبویلر قرار می گیرد، در حالی که مابقی از انتهای برج به عنوان محصول تحتانی برج تقطیر استخراج می گردد. بجز ملاحظاتی نظیر گرانروی (کمتر از ۰٫۵ cp ) و نیز میزان درصد بخار شدن ( کمتر از ۳۰% ) که استفاده از ترموسیفون های عمودی را در اولویت قرار می دهد، ارتفاع و فضای کافی جهت برقراری نیروی مکش نیز تأثیر گذار می باشد. در واقع می بایست ارتفاع معادل فشار (Head) به میزانی باشد که بر افت فشار درون خطوط لوله و نیز میزان نیروی رانش خط تغذیه فائق آید. در مبدلهای عمودی بالاترین نقطه سر تیوبها باید با حد ( LLL ) یا پایین ترین سطح مایع هم راستا باشد؛ در حالی که در نوع دیگر ( افقی ) حد (LLL ) از خط مرکز مبدل حداقل به اندازه ۳ فوت بالاتر باید باشد.
(شکل(D : تفاوت ساختار قرارگیری مبدل های جریان اجباری (Forced Circulation) با مبدل های پیشین در نوع به جریان انداختن سیال به وسیله پمپ می باشد. معمولاً مهمترین عامل انتخاب این نوع پیکربندی گرانروی زیاد سیال مورد استفاده بوده و محدودیتی در ارتفاع نصب این تجهیزات وجود ندارد. در طراحی این گونه ریبویلرها کاهش افت فشار چندان حیاتی نبوده و معمولاً برای فائق آمدن بر افت فشارهای زیاد کاربرد مطلوبی دارند.
شکل E وF نوع دیگری از مبدل های ریبویلر را به عنوان یک بار گذر یا (Once through) به نمایش می گذارد. مایع خارج شده از سینی های تحتانی برج به مبدل انتقال داده شده و پس از اعمال گرمایش به ناحیه ای از برج برگشت داده می شود. در این عملیات سیال مورد نظر تنها یک بار در چرخه گرمایش شرکت کرده در نتیجه مایعی که همراه با گاز برگشت داده می شود در انتهای برج به عنوان محصول نهایی سنگین خارج می شود. به علت ماهیت اشاره شده نوع لوله کشی با انواع پیشین متفاوت خواهد بود.

 

[P O U R I A]

در شکل ۱۱ بفل ها و جداکننده ها در برج که به منظور هدایت و نیز جداسازی دو فاز سیالی مایع و گاز به کار گرفته می شوند را نمایش می دهد. این پیکربندی ها در مبدل های جریان طبیعی و نیز در مبدل های جریان اجباری کاربرد دارند.
در قسمت (A که مربوط به مبدل یک بارگذر می باشد و نیز در قسمت (B هیچ گونه بفلی برای جدایش سیال استفاده نشده است.
در مبدل های ترموسیفون اگر سطح مایع درون قسمت تحتانی برج به میزان مشخصی ثابت نگهداشته شود، کارایی بهتری حاصل می شود و این امر به واسطه استفاده از بفل های جداکننده امکان پذیر می باشد. لذا در قسمت C الیF انواع چیدمان قرارگیری بفلها در انتهای برج تقطیر جهت رسیدن به سطح ثابت سیال در حالت مایع را می توان مشاهده نمود. در قسمت (F سوراخی درون بفل در نظر گرفته شده که بر اساس نظر تعدادی از متخصصان کارایی چندانی ندارد.