طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با Aspen B-JACDesign of Industrial Heat Exchangers with Aspen B-JAC Book

مقدمه‌ای از کتاب طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با Aspen B-JAC

امروزه استفاده از کامپيوتر به عنوان جزئي جدا‌نشدني از علوم مهندسي مطرح مي‌باشد. طراحي و ارزيابي واحدهاي توليدي و طراحي تجهيزات فرآيندي، بدون استفاده از کامپيوتر، با توجه به پيچيدگي روز‌افزون فرآيندهاي توليدي، هم‌چنين دامنه‌ي محدود تجارب و اطلاعات فردي، امري غير ممکن است. کاربرد نرم‌افزارهاي کامپيوتري در زمينه‌هاي مهندسي فرآيند به ويژه صنايع نفت، گاز، پتروشيمي، صنايع دارويي و معدني، بيش از گذشته اهميت يافته و تسلط بر اين نرم‌افزارها به عنوان يكي از مهارت‌هاي اساسي هر مهندس طراح به شمار مي‌رود.

در اثر حاضر نرم‌ افزار Aspen B-JAC که يكي از معتبرترين نرم‌ افزارهاي موجود در زمينه‌ي طراحي مكانيكي و فرآيندي مبدل‌هاي حرارتي مي‌باشد، به جامعه‌ي مهندسي کشور معرفي مي‌گردد. اين نرم‌افزار امكان طراحي فرآيندي و مكانيكي مبدل‌هاي حرارتي و تهيه‌ي نقشه‌هاي ساخت، ارزيابي و عيب‌يابي مبدل‌هاي موجود، شبيه‌سازي مبدل‌هاي موجود و برآورد فني و اقتصادي ساخت يك مبدل خاص را فراهم مي‌آورد. ساختار كتاب به گونه‌اي تدوين يافته است تا خواننده علاوه بر آشنايي با مباني تئوري انتقال حرارت و نكات فني طراحي مبدل‌هاي حرارتي، به تدريج با مباحث مربوط به طراحي مبدل نيز آشنا شده و نكات فني هر يك را بياموزد. پس از آموزش مباني تئوري و فني طراحي، با ارائه‌ي مثال‌هاي متعدد، به طراحي عملي چندين مبدل حرارتي پرداخته و استفاده از نرم‌ افزار ASPEN B-JAC به طور كامل آموزش داده مي‌شود.

اين كتاب را مي‌توان در دوره‌هاي ترمي به عنوان يكي از مراجع درسي جهت آموزش طراحي مبدل‌هاي حرارتي در درس انتقال حرارت پيشرفته‌ي رشته‌هاي مهندسي شيمي و مكانيك ارائه نمود. هم‌چنين با توجه به اين كه تمامي مطالب مورد نياز در خود كتاب گنجانده شده است، مي‌تواند به صورت يك مرجع خودآموز جهت دانشجويان، مهندسين طراح، صنايع فرآيندي و صنايع سازنده‌ي تجهيزات مورد استفاده قرار گيرد. در فصل اول و دوم کتاب حاضر، ابتدا کلياتي راجع به اصول انتقال حرارت و مبدل‌هاي حرارتي آورده شده است. در فصل‌هاي بعد ويژگي‌ها و معيار‌هاي طراحي مبدل‌هاي پوسته‌-‌لوله به عنوان پرکاربردترين مبدل‌ صنعتي با جزئيات بيشتري ارائه شده و نكات مهم طراحي مبدل و سيستم‌هاي كنترلي آن و طراحي آن با نرم‌افزار Aspen B-JAC به تفصيل شرح داده شده‌اند. در انتها به بررسي كولرهاي هوايي پرداخته شده و طراحي اين نوع مبدل‌ها به تفصيل تشريح شده ‌است.

فهرست مطالب کتاب طراحی مبدل های حرارتی صنعتی با Aspen B-JAC

فصل اول: كلیات

• 1-1- آشنایی با مفاهیم انتقال حرارت
• 1-1-1- انتقال حرارت به روش هدایت
• 1-1-2- انتقال حرارت به روش جابه‌جایی
• 1-1-3- انتقال حرارت به روش تشعشع
• 1-2- مفاهیم جوشش و میعان
• 1-2-1- جوشش
• 1-2-2- میعان
• 1-3- اعداد بی‌بعد در انتقال حرارت
• 1-4- تعیین ضرایب انتقال حرارت
• 1-5- مبدل‌های حرارتی و انواع آن
• 1-5-1- بر اساس نوع و سطح تماس سیال سرد و گرم
• 1-5-2- بر اساس جهت جریان سیال سرد و گرم
• 1-5-3- بر اساس مکانیزم انتقال حرارت بین سیال سرد و گرم
• 1-5-4- بر اساس ساختمان مکانیکی آن‌ها
• 1-6- جرم‌گرفتگی
• 1-6-1- مکانیزم‌های جرم‌گرفتگی
• 1-6-2- راه حل‌های ممكن برای رفع و یا جلوگیری از جرم‌گرفتگی
• 1-6-2-1- روش شیمیایی
• 1-6-2-2- روش‌های مكانیكی

فصل دوم: اصول انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی

• 2-1- معادله‌ی کلی انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی
• 2-2- مقادیر تجربی برای ضرایب انتقال حرارت کلی در مبدل‌ها
• 2-3- اختلاف دمای متوسط لگاریتمی LMTD
• 2-4- اصول طراحی مبدل‌های حرارتی
• 2-4-1- تعیین ویژگی‌ها و شرایط فرآیندی
• 2-4-2- طراحی حرارتی و هیدرولیکی
• 2-4-2-الف- طراحی حرارتی
• 2-4-2-ب- طراحی هیدرولیکی

فصل سوم: مبدل‌های پوسته و لوله

• 3-1- مقدمه
• 3-2- اجزای مختلف مبدل‌های پوسته‌-‌لوله
• 3-2-1- پوسته
• 3-2-2- لوله‌ها
• 3-2-3- صفحه‌لوله
• 3-2-4- آرایش لوله‌ها
• 3-2-5- بافل‌ها
• 3-2-5-1- بافل‌های عرضی
• 3-2-5-2- بافل طولی
• 3-2-5-3- بافل نگه‌دارنده
• 3-2-5-4- بافل صفحه برخورد
• 3-2-6- میله‌های مهار و فاصله‌انداز بافل‌ها
• 3-2-7- دسته‌لوله
• 3-2-8- اتصالات انبساطی
• 3-3- انواع مبدل‌های پوسته-‌لوله
• 3-3-1- مبدل با صفحه‌ی نگه‌دارنده‌ی ثابت لوله‌ها
• 3-3-2- مبدل با درپوش شناور‌-‌صفحه‌ی نگه‌دارنده‌ی‌ شناور لوله‌ها
• 3-3-3- مبدل با خم U‌شکل لوله‌ها
• 3-3-4- مبدل Kettle Reboiler
• 3-3-5- انواع مبدل‌های پوسته-لوله بر اساس تقسیم‌بندی TEMA
• 3-3-5-1- کلگی جلو
• 3-3-5-2- پوسته
• 3-3-5-3- کلگی عقب
• 3-4- طراحی مبدل‌های حرارتی پوسته‌-‌لوله
• 3-4-1- ملاحظات کلی در طراحی مبدل‌های پوسته‌ـ‌لوله
• 3-4-1-1- مکان مناسب سیال: پوسته یا لوله
• 3-4-1-2- سرعت سیال در پوسته و لوله
• 3-4-1-3- دمای جریان‌ها
• 3-4-1-4- افت فشار
• 3-4-1-5- خواص فیزیکی سیال
• 3-4-2- محاسبه‌ی ضریب کلی انتقال حرارت در حالت بدون جرم‌گرفتگی
• 3-4-3- محاسبه‌ی ضریب کلی انتقال حرارت در حالت جرم‌گرفتگی
• 3-4-4- محاسبات سیال سمت لوله‌ (بدون تغییر فاز)
• 3-4-4-1- ضریب انتقال حرارت
• 3-4-4-1-الف- جریان درهم
• 3-4-4-1-ب- جریان لایه‌ای
• 3-4-4-1-ج- جریان گذرا
• 3-4-4-1- فاکتور انتقال حرارت
• 3-4-4-2- افت فشار در سمت لوله
• 3-4-5- محاسبات سیال سمت پوسته (بدون تغییر فاز)
• 3-4-5-1- الگوی جریان
• 3-4-5-2- روش‌های طراحی در سمت پوسته
• 3-4-5-2- الف- روش Kern
• 3-4-5-2- ب- روش Bell
• 3-4-5-3- ابعاد پوسته و دسته‌لوله
• 3-4-5-4- تأثیر جرم‌گرفتگی بر روی افت فشار
• 3-4-5-5- محدودیت‌های میزان افت فشار
• 3-4-6- دستورالعمل طراحی مبدل‌های پوسته‌-‌لوله
• 3-4-7- مثال

فصل چهارم: آشنایی با ASPEN Hetran

• 4-1- مقدمه
• 4-2- معرفی منو‌های نرم‌افزار
• 4-3- نحوه‌ی كار نرم‌افزار Hetran در حالت Design

فصل پنجم: طراحی، شبیه‌سازی و ارزیابی مبدل‌های حرارتی مایع‌–‌مایع

• 5-1- مثال اول: طراحی یك مبدل خنك‌كننده
• 5-1-1- تعریف مسأله
• 5-1-2- طراحی
• 5-1-3- ارزیابی
• 5-1-4- شبیه‌سازی
• 5-2- مثال دوم: طراحی مبدل پیش‌‌گرم‌كن جریان نفتا
• 5-2-1- تعریف مسأله
• 5-2-2- طراحی

فصل ششم: اتصال نرم‌ افزار ASPEN Plus و نرم‌افزار‌های Hetran و Aerotan

• 6-1- مقدمه
• 6-2- مسأله‌ی اول: طراحی مبدل پیش‌گرم‌كن خوراك
• 6-3- مسأله‌ی دوم: طراحی دقیق یك مبدل با Hetran

فصل هفتم: مسائل متفرقه در مبدل‌های حرارتی

• 7-1- مقدمه
• 7-2- كنترل مبدل‌های حرارتی
• 7-2-1- اساس كنترل مبدل
• 7-2-2- مبدل مایع‌-‌مایع
• 7-2-2-1- كنترل پس‌خور دما
• 7-2-2-2- استفاده از شیر‌های سه‌راهه
• 7-2-2-2- الف- بهینه‌سازی مصرف سیال سرد‌‌كننده
• 7-2-2-2-ب- بالانس کردن شیر سه‌راهه
• 7-2-2-3- استفاده از دو شیر دو‌راهه به جای یک شیر سه‌راهه
• 7-2-2-4- استفاده از كنترل زنجیره‌ای در مبدل‌های مایع‌-‌مایع
• 7-2-2-5- استفاده از كنترلر پیش‌خور در مبدل‌های مایع‌-‌مایع
• 7-2-2-6- حالت‌های خاص کنترل مبدل‌های مایع‌-‌مایع
• 7-2-3- استفاده از بخار در مبدل‌ها
• 7-2-3-1- حداقل فشار بخار در مبدل
• 7-2-3-2- تنظیم دبی جریان مایع چگالیده
• 7-2-3-3- کنترل‌کننده‌های سطح مایع
• 7-2-3-4- کنترل دمای فرآیند توسط جریان کنارگذر
• 7-2-3-5- استفاده از کنترل‌کننده‌ی زنجیره‌ای در مبدل‌های بخار
• 7-2-3-6- گرم‌کن‌های موازی و مشکلات معمول آن
• 7-2-4- کنترل چگالنده
• 7-3- مشکلات رایج در مبدل‌ها و رفع آن‌ها
• 7-3-1- طراحی مكانیكی
• 7-3-1-الف- تجزیه و تحلیل تنش‌ها
• 7-3-1-ب- تنش‌های حرارتی
• 7-3-2- ارتعاشات در مبدل‌ها
• 7-3-3- روش‌های جلوگیری از ارتعاشات
• 7-3-4- خوردگی و سائیدگی
• 7-3-4- الف- خوردگی یك‌نواخت
• 7-3-4-ب- خوردگی شیاری
• 7-3-5- رسوب‌گرفتگی
• 7-3-6- تمیز كردن مبدل‌ها
• 7-3-7- پدیده‌ی Stall
• 7-4- ملاحظات انتخاب جنس اجزای مبدل

فصل هشتم: طراحی ریبویلر‌ها

• 8-1- دسته‌بندی ریبویلرها
• 8-1-1- ریبویلرهای گردش طبیعی
• 8-1-1-1- ترموسیفون عمودی
• 8-1-1-2- ترموسیفون افقی
• 8-1-1-3- ریبویلرهای kettle
• 8-1-1-4- ترموسیفون یك‌بار گذر
• 8-1-1-5- ریبویلرهای داخلی
• 8-1-2- ریبویلرهای گردش اجباری
• 8-1-2-1- ریبویلرهای Pump-Through
• 8-1-2-2- ریبویلرهای كوره‌ای
• 8-2- طراحی انواع مختلف ریبویلر‌ها
• 8-2-1- طراحی ریبویلر ترموسیفون عمودی
• 8-2-1-1- نرخ گردش
• 8-2-1-2- نكات عمومی برای طراحی ریبویلرهای ترموسیفون عمودی
• 8-2-1-3- طراحی ریبویلر ترموسیفون عمودی-‌روش Fair
• 8-2-1-4– مثال اول: طراحی ریبویلر ترموسیفون عمودی به روش Kern
• 8-2-1-5- طراحی ریبویلر ترموسیفون عمودی-‌روش ساده‌شده‌ی Hajek
• 8-2-1-6– مثال دوم: طراحی ریبویلر ترموسیفون عمودی به روش Hajek
• 8-2-1-7- مثال سوم: ریبویلر برج جداكننده‌ی سیكلو‌هگزان
• 8-2-2- طراحی ریبویلر افقی kettle
• 8-2-2-1- روش طراحی پیشنهادی توسط Kern
• 8-2-2-2- پوسته‌های ریبویلر Kettle افقی
• 8-2-2-3- فضای خالی ریبویلر Kettle افقی
• 8-2-2-4- روش‌های دیگر طراحی ریبویلرهای Kettle افقی
• 8-2-2-5- مثال چهارم: تبخیر‌كننده‌ی نوع Kettle‌–‌بخار داخل لوله‌ها
• 8-3- طراحی ریبویلر و كندانسور با نرم‌افزار Hetran
• 8-3-1- مثال اول: طراحی یک ریبویلر نوع کتل با B-JAC
• 8-3-2- مثال دوم: طراحی یک ریبویلر نوع ترموسیفون با B-JAC
• 8-3-3- مثال سوم: طراحی یک کندانسور با B-JAC

فصل نهم: طراحی كولرهای هوایی به كمك Aerotran

• 9-1- كلیات
• 9-1-1- مقدمه
• 9-1-2- جریان هوا
• 9-1-3- كولرهای هوایی مكشی
• 9-1-4- كولرهای هوایی دمشی
• 9-2- آشنایی با اجزای كولرهای هوایی
• 9-2-1- لوله‌ها
• 9-2-2- پره‌ها
• 9-2-3- فن و محرك آن
• 9-2-4- كلگی
• 9-2-5- پایه و سازه‌های اصلی و جانبی آن
• 9-2-6- توری محافط فن
• 9-3- روش محاسبات و طراحی حرارتی كولرهای هوایی
• 9-3-1- ملاحظات طراحی
• 9-3-2- روش طراحی
• 9-3-3- مثال طراحی
• 9-4- آشنایی با محیط نرم‌افزار Aerotran
• 9-4-1- روش‌های محاسباتی نرم‌افزار
• 9-4-2- ورود به نرم‌افزار
• 9-4-3- وارد كردن داده‌ها
• 9-4-3-1- تعریف مسأله
• 9-4-3-2- اطلاعات فرآیندی
• 9-4-3-3- داده‌های خواص فیزیكی
• 9-4-3-4- ابعاد و ساختار مبدل
• 9-4-3-5- داده‌های طراحی
• 9-4-3-6- تنظیمات برنامه
• 9-4-4- نتایج
• 9-4-4-1- خلاصه‌ی وضعیت طراحی
• 9-4-4-2- خلاصه‌ی وضعیت حرارتی
• 9-4-4-3- خلاصه‌ی وضعیت مكانیكی
• 9-4-4-4- جزئیات محاسبات
• 9-5- مثال‌های كاربردی
• 9-5-1- مثال اول: شبیه‌سازی كولر هوایی جهت كندانس جریان بالادستی برج جدا‌كننده‌ی بوتان
• 9-5-2- مثال دوم: شبیه‌سازی مبدل بازیافت حرارتی از گازهای حاصل از احتراق
• 9-6- سیستم‌های كنترل فرآیندی
• 9-7- برآورد هزینه