مقاله تقطیر مایع و فرآیندهای انتقال حرارت

این مقاله در مورد تقطیر مایع و فرآیندهای انتقال حرارت بوده و به بررسی مکانیزم های حرارتی، فرآیندهای ناپایدار، مایعات کلان و طراحی بهینه تجهیزات در صنایع شیمیایی می پردازد.

مقدمه
تقطیر مایع یکی از بنیادی ترین فرآیندهای جداسازی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی است که بر پایه انتقال حرارت و تبخیر جزئی یک یا چند جز از مایعات بنا شده است. درک دقیق مکانیزم های انتقال حرارت در مایعات کلان، نقش محوری در طراحی بهینه تجهیزات و پیش بینی رفتار فرآیند دارد. روابط و اصول کلاسیکی که در حالت پایدار تعریف شده اند، تنها زمانی کاربرد دارند که دما و جریان حرارتی در طول زمان ثابت باقی بمانند، اما در بسیاری از فرآیندهای واقعی، جریان حرارت و دما با زمان تغییر می کنند و این حالت ها به عنوان فرآیندهای ناپایدار شناخته می شوند. نمونه های متداول این حالت ها شامل گرم کردن یک حجم مشخص مایع در تانک یا فعال شدن ناگهانی یک کوره سرد است که در آن، تغییرات حرارتی ناگهانی و توزیع نامتوازن دما در طول ماده رخ می دهد.

در فرآیندهای ناپایدار، تحلیل انتقال حرارت نیازمند بررسی دقیق تغییرات زمانی دما و جریان گرما است. به عنوان مثال، تغییرات روزانه دمای خورشید روی سطح اجسام مختلف یا سرد کردن فولاد در حمام روغن نمونه هایی از انتقال حرارت حالت ناپایدار هستند. تجهیزات صنعتی متنوعی بر پایه این اصول طراحی می شوند؛ از جمله کوره های اصلاحی در صنعت فولاد، گرم کننده های دانه ای و تجهیزاتی که در فرآیندهای دارای کاتالیست دمای ثابت یا متغیر مورد استفاده قرار می گیرند. در این فرآیندها، دما و زمان هر دو نقش تعیین کننده ای در بازده و کیفیت عملیات دارند.

برای گرم کردن یا خنک کردن مایعات در مقیاس کلان، معمولاً راهکارهایی مانند افزایش چرخه سیال کلان یا استفاده از واسط های انتقال حرارت مناسب به کار گرفته می شوند. انتخاب بین فرآیند کلان و سیستم پیوسته انتقال حرارت تابعی از شرایط عملیاتی و اقتصادی است. عواملی مانند دسترسی محدود به مایع یا واسط حرارتی، ضرورت رعایت زمان واکنش مشخص، محدودیت های اقتصادی در ذخیره یا پردازش حجم های کوچک و نیز سهولت در راه اندازی و تمیزکاری تجهیزات، تصمیم گیری برای به کارگیری فرآیندهای کلان را توجیه می کنند.

برای مطالعه و تحلیل منظم فرآیندهای انتقال حرارت حالت ناپایدار و کلان، اغلب فرآیندها به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: مایعات سردکننده یا گرم کننده و جامدات خنک کننده یا گرم کننده. مایعات کلان و فرآیندهای تقطیر نمونه هایی بارز از دسته اول هستند که در آنها تغییرات دما و نرخ انتقال حرارت در طول زمان به طور مستقیم بر عملکرد فرآیند تأثیر می گذارد. در تحلیل این سیستم ها، مفاهیمی مانند دمای واسط ایزوترمال و غیرایزوترمال، جریان متقابل یا موازی و تأثیر تکان دهنده ها و گردش سیال، به عنوان پارامترهای کلیدی در تعیین زمان و سطح مورد نیاز برای انتقال حرارت مورد توجه قرار می گیرند.

حجم های خنک کننده یا گرم کننده متلاطم، چه جریان متقابل و چه موازی، و همچنین سیستم های دارای مبدل خارجی و مایع اضافه شونده تدریجی، نمونه هایی از پیکربندی های متنوع هستند که برای کنترل دقیق دما و انرژی انتقالی به کار می روند. در این سیستم ها، محاسبه دقیق زمان مورد نیاز برای رسیدن به دمای هدف، تعیین سطح انتقال حرارت و تحلیل تأثیر تکان دهنده ها، از جمله مسائل حیاتی در طراحی و بهره برداری محسوب می شوند. همچنین، در تجهیزات بدون تکان دهنده، گردش طبیعی مایع نقش تعیین کننده ای در توزیع دما و نرخ انتقال حرارت دارد.

جامدات گرم کننده یا خنک کننده نیز شامل دیوارهای با ضخامت متناهی یا نیمه متناهی و بسته های دانه ای هستند که توسط سیالات دارای مقاومت تماسی گرم یا سرد می شوند. در این موارد، توزیع دما و زمان انتقال حرارت با استفاده از روش هایی مانند روش نیومن، تحلیل دیواره های گرم شده از یک یا هر دو طرف و مدل سازی تغییرات متناوب دمای سطح، مورد بررسی قرار می گیرد. به طور کلی، تقطیر مایع و فرآیندهای انتقال حرارت، با توجه به پیچیدگی های حالت ناپایدار و تأثیر پارامترهای متعدد، نیازمند تحلیل دقیق، مدل سازی سیستماتیک و درک عمیق از رفتار حرارتی مایعات و جامدات در طی زمان هستند.

فهرست مطالب
مایعات سرد کننده و گرم کننده    ۳
کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسطه خنک سازی ایزوترمال    ۷
کویل در تانک یا محفظه پوشانده شده، واسط گرم ساز غیر ازوترمال    ۷
کویل در تانک، واسط خنک ساز غیر ایزوترمال    ۸
مبدل خارجی مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، واسط خنک کننده ایزوترمال    ۱۱
مبدل خارجی، مایع تدریجاً اضافه شده ه تانک، واسط خنک کننده ایزوترمال    ۱۲
مبدل خارجی ۲-۱، گرم کردن    ۱۳
مبدل خارجی ۲-۱، مایع تدریجاً اضافه شده به تانک، خنک سازی    ۱۴
حجم های متلاطم خنک کردن و گرم کردن، جریان موازی- جریان متقاطع    ۱۴
مبدل جریان متقابل خارجی، واسط گرم کننده ایزوترمال    ۱۶
مبدل جریان مقابل خارجی، واسط خنک کننده ایزوترمال    ۱۷
مبدل جریان متقابل خارجی، واسط گرم کننده غیر ایزوترمال    ۱۷
مبدل جریان مقابل خارجی، واسط خنک کننده غیر ایزوترمال    ۱۷
مبدل ۲-۱ خارجی، خنک سازی و گرم کردن    ۱۷
مبدل خارجی ۴/۲ گرم کردن و سرد کردن    ۱۸
جامدات خنک کننده و گرم کننده    ۲۴
دیوار با ضخامت متناهی از یک طرف گرم شده    ۳۰
دیوار با ضخامت متناهی، گرم شده از هر دو طرف    ۳۱
شکلهای متناهی و نیمه متناهی گرم شده بوسیله سیال با مقاومت تماسی    ۳۷
روش نیومن برای شکلهای رایج و ترکیبی    ۴۱
توزیع دما- زمان با مقاومت تماسی    ۴۸
تغییر متناوب دمای سطح    ۵۱
بویلرهای بخارساز    ۶۵
کوره های پالایش نفت    ۶۹
عوامل انتقال حرارت تابشی    ۷۵
چاه حرارتی    ۷۶
منبع گرما    ۸۲
سطوح بسته    ۸۷
روشهای طراحی    ۹۱
کاربردها    ۹۴