علم انتقال گرما یا انتقال حرارت Heat transfer به تحلیل آهنگ انتقال گرما در سیستم میپردازد. انتقال انرژی از طریقشارش گرما را نمیتوان مستقیماً اندازهگیری کرد ولی این انتقال چون به یک کمیت قابل اندازهگیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است.
شرط انتقال حرارت خود به خودی، اختلاف دما است. اگر دو سیستم در حال ارتباط با یکدیگر هم دما نباشند، گرما از ناحیهٔ پر دما (گرم) به ناحیهٔ کم دما (سرد) جریان مییابد و این جریان تا زمانی ادامه مییابد که دو سیستم همدما شوند. چونگرما به دلیل وجود گرادیان دمایی شارش مییابد، دانستن توزیع دما ضروری است.انتقال حرارت از جسم گرمتر به جسم سردتر و بالعکس به دلیل افزایش آنتروپی سیستم، خود به خودی است.
مسئلهٔ توزیع دما و شارش گرما در بسیاری از شاخههای علوم مهندسی مطرح است. مثلاً در طراحی دیگهای بخار، چگالندهها (کْندانسورها)، مبدلهای حرارتی و رادیاتورها تحلیل انتقال گرما برای محاسبهٔ اندازهٔ آنها لازم است.
جزوه انتقال حرارت دانشگاه صنعتی شریف در ۱۰۵ صفحه به کوشش آقایان مهندس سیامک کاظم زاده حنانی و مهدی کارزار جدی نگارش شده است. مباحث زیر در این جزوه پوشش داده شده است:
- مقدمه
- انتقال حرارت هدایتی
- انتقال حرارت دو بعدی
- انتقال حرارت هدایت_ناپایدار و گذرا
- انتقال حرارت جابجایی(جریان داخلی)
- انتقال حرارت تابشی
نویسنده : سیامک کاظم زاده، مهدی کارزار
زبان : فارسی
ناشر : دانشگاه شریف
تاریخ انتشار : 1384
تعداد صفحات :105
حجم فایل : 2.73 مگابایت
- فرآیند نمکزدایی و جداکردن موثر فاز پراکنده آب نمک از فاز نفتی پیوسته، فرآیندی مطلوب است که از روشهای گوناگونی نیز برخوردار است. به طور مثال، گرانشی، تعلیق شکن، عملکرد حرارتی و منعقد سازی الکترواستاتیکی روشهایی هستند که برای جداسازی آب نمک از نفت خام به کار برده میشوند.
-
هر کدام از این روشها مزیتها و مضراتی دارند. در این مطالعه سعی شده است که علاوه بر آشنایی با روشهای مختلف جداسازی آب نمک از نفت خام بر اساس آخرین تحقیقات انجام شده، روش جدید جداسازی آب نمک از نفت خام بوسیله نانو ساختارها ارائه شود. نانو ساختار ها در علوم مختلف کاربردهای گسترده ایی دارند. یکی از ویژگیهای این نانو ساختارها قابلیت جذب بسیار بالای آنها است. یکی از روشهای معمول برای حذف ترکیبات حاوی نمک استفاده از جاذبها است. امروزه استفاده از نانو ساختارها به عنوان جاذب در علوم مختلف توسعه یافته است. نانو مواد سلیسی از معمول ترین نانو جاذبهای به کار برده شده در زمینه جذب هستند. برخلاف دیگر روشهایی جداسازی نمک از نفت خام که در حال حاضر به کار برده میشوند، این روش ساده، ارزان، و با قابلیت خوب حذف نمک از نفت خام است.١.مقدمه
قیمت نفت خام صادراتی وابسته به کیفیت آن است. بعنوان مثال هر پی. پی.ام افزایش آب و رسوبات نمکی موجود در نفت حدود ٠,٨٥ تا ١.٣ دلار کاهش قیمت را در بر خواهد داشت. این میزان به طور مثال بین ٠.١ تا ٣ درصد وزنی یا ١٠ پوند بازای هر ١٠٠٠ بشکه و یا حداکثر مجاز آب ٠.١٥یا ٠.١ تا %١٠ حجمی وحداکثر مجاز نمک ٢٩ گرم در متر مکعب است. بنابراین انجام تحقیقات جهت خالص سازی و افزایش کیفیت نفت خام لازم و ضروری است. دو پارامتر برای مشخص کردن کیفیت نفت وجود دارند، یکی دانسیته نفت خام که وابسته به مقدار پارافین، آسفالتین و دیگر هیدرو کربن های موجود در آن بوده و با واحد استاندارد آمریکایی API نمایش داده میشود که بالاتر بودن آن نشان دهنده سبکتر بودن نفت خام است و پایینتر بودن آن نشان دهنده سنگینتر بودن نفت خام است. پارامتر دیگر درصد رسوبات نمکی و آب همراه نفت است که با پارامتر BS&W مشخص میشود. بیشتر میدانهای نفتی دنیا، نفت تولیدیشان با مقدار قابل توجهی آب نمک همراه است و در حال حاضر در ایران در اغلب چاهها نفت تولیدی، همراه با مقادیری آب نیز است. لازم است به منظور بالا بردن کیفیت نفت خام، آب نمک و در نتیجه نمک را از آن جدا کرد. هر روشی که موجب حذف آب، نمک، شن و ناخالصی های دیگر از نفت خام شود، تصفیه نفت خام نامیده میشود. تمامی روشهای تصفیه نفت دارای یک هدف مشترک است و آن ایجاد شرایط و محیطی مناسب برای جداسازی آب نمک از نفت خام توسط نیروی ثقل است[٣-١]. فرایند نمکزدایی که معمولاً پس از آب زدایی یا شکست امولسیون آب در نفت خام صورت میگیرد شامل مراحل زیر است :
١- اضافه کردن آب رقیق (یا با نمک کمتر) به نفت خام: مخلوط کردن این آب رقیق با نفت خام برای رقیق سازی قطرات آب نمک در نفت خام انجام میگیرد. برای جداسازی آب نمک از نفت خام، آب زدایی (تصفیه یا خارج سازی امولسیونها) رقیق سازی صورت میگیرد. شرح کلی فرایند نمکزدایی به این ترتیب است که قبل از فرایند نمکزدایی ممکن است مخازنی برای گرفتن آب آزاد همراه نفت وجود داشته باشد. این مخازن ممکن است یک تانک ساده یا جدا کننده های سه فازی به صورت افقی یا عمودی باشند. اگر زمان اقامت برای این مخازن به درستی محاسبه گردد، آب آزاد همراه نفت، به راحتی در پایین این مخزن جمع شده و جدا میگردد. همچنین گازهای همراه نفت، از بالای این مخازن خارج میشود. اگر دما و فشار این مخازن به درستی تنظیم شود گاز تشکیل شده به آسانی جدا و خارج میگردد[٣].٢- استفاده از سیستم گرمایش: در مرحله بعدی، در برخی سیستم ها، نفت را گرم مینمایند. حرارت دادن نفت، در مبدلهای صفحه ای، مبدلهای پوسته لوله ویا کوره ها (مستقیم یا غیرمستقیم) انجام میگیرد. معمولاً نفت را تا دمای حدود ٨٠-٦٠ درجۀ سانتیگراد را گرم میکنند. گرم کردن نفت علاوه بر اینکه اختلاط نفت و آب و انحلال نفت در آب را آسان مینماید، باعث کاهش ویسکوزیته نفت نیز میگردد. در اثر این میزان گرم کردن مقدار ویسکوزیته حدود ٥ سنتی استوک کاهش مییابد. همانطور که قبلاً ذکر شد، نمک های موجود در نفت به دو شکل محلول در آب یا کریستالی وجود دارد. برای اینکه کلیه نمکهای موجود در نفت درون آب محلول گردند نفت را پس از گرم کردن با آب رقیق کننده توسط تجهیزات اختلاط مخلوط مینمایند بدین ترتیب کلیه نمک ها به صورت محلول در نفت در می آید. در واقع با این عمل در صورت حذف کامل آب نمک، نمک موجود در نفت هم حذف خواهد شد[٣].٣- تزریق مواد شیمیایی: بعد از تزریق آب رقیق کننده، این آب باید با نفت به خوبی مخلوط شود. برای مخلوط کردن نفت و آب معمولاً از یک شیر اختلاط استفاده میشود. با استفاده از این شیر میتوان به راحتی میزان مخلوط شدن آب و نفت را کنترل کرد. قبل از این شیر، مواد شکننده امولسیون به نفت تزریق میگردد. این مواد باعث بهم چسبیدن قطرات بسیار ریز آب معلق در نفت به یکدیگر میشود. در مراحل بعدی، نفت وارد مخازن نمکزدا میشود. بر حسب خواص نفت ممکن است از تکنولوژی متفاوتی استفاده شود[٣].٢. روشهای صنعتی جداسازی نمک از نفت خام
برای جداسازی آب نمک از نفت خام از ٧ روش کلی استفاده میشود. این روشها عبارتند از: روش ثقلی، روش اضافه کردن آب شیرین به نام آب شستشو، روش حرارتی، استفاده از مواد شیمیایی تعلیق شکن، روش مکانیکی، روش الکتریکی و روشترکیبی واضح است که روشهای ثقلی و حرارتی، نسبت به روشهای دیگر هزینه کمتری دارند. با توجه به ویژگیهایی که نفتهای خام در هر منطقه دارند، برای جداسازی نمک از نفت خام مجموعه ای از روشهای فوق را به کار میگیرند.٢ . ١. جداسازی آب نمک از نفت خام با روش ثقلی
این روش معمولاً در مخازن ته نشین کننده، تانکهای شستشو و یا در داخل مخازن جدا کننده آب آزاد صورت میگیرد. قطرات آب نمک وقتی درون فاز پیوسته نفت حرکت میکنند، تحت تاثیر نیروی وزن قرار میگیرند. با افزایش قطر ذرات، کاهش ویسکوزیته فاز نفت و افزایش اختلاف دانسیته آب نمک با نفت خام سرعت ته نشینی افزایش مییابد. با پیوستن ذرات ریز آب به هم و تشکیل قطرات بزرگتر، آب سریعتر و راحت تر ته نشین میشود، این عمل را ائتلاف میگویند[٤].٢ . ٢. جداسازی آب نمک از نفت خام با روش حرارتی
همان طور که در بخش بررسی روش ثقلی گفته شد، حرارت دادن نفت باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه باعث افزایش سرعت ته نشینی قطرات آب میشود. علاوه بر این مسئله گرم کردن فیلم امولسیونی اطراف قطرات آب را پاره نموده و باعث میشود قطرات آب به یکدیگر بچسبند. باید توجه داشت که اگر نفت خام بیش از اندازه گرم شود، هیدروکربنهای سبک و فرار موجود در نفت، تبخیر شده و از آن خارج میشوند. این کار موجب هدر رفتن ترکیبات مفید نفت خام و کاهش API نفت میشود که نتیجه آن کاهش قیمت نفت است. معمولاً دمای گرم کردن بین C º٨٠-٦٠ میباشد. گرم کردن نفت با استفاده از کوره های مستقیم یا کوره های غیرمستقیم و یا با پیشگرمکن های غیرمستقیم انجام میگیرد. [٥]٢ . ٣. نمکزدایی به روش اضافه کردن آب شیرین
نمکزدایی و آب زدایی از نفت خام فرایند مهمی است، که طی این فرآیند ترکیبهای نامطلوب نفت قبل از اینکه به واحد اصلی برسند جدا میشوند. مخلوط کردن آب شیرین با نفت خام برای رقیق سازی قطرات آب نمک در نفت خام انجام میگیرد. برای جداسازی آب نمک از نفت خام، آب زدایی ها (تصفیه یا خارج سازی امولسیون) این رقیق سازی صورت میگیرد. شایان ذکر است که بوجود آوردن تغییر در عمل یک سیستم نمک زدا دشوار میباشد و بهتر این است که یک حالت توازن و حد وسط به وجود آید. یک تعادل (توازن) مطلوب باید در مدت زمانی که پارامترهای بهینه سازی انتقال نمک همچون شدت مخلوط شدن، خصوصیات آب شستشو و خوراک امولسین کننده شیمیایی کنترل میشوند، حفظ شود. برای بهینه کردن فرایند نمک زدایی باید به طور پیوسته شرایط متفاوتی اعمال شود. عمل اصلی یک دستگاه نمک زدا جدا کردن نمک و آب نمک از نفت خام میباشد. علاوه بر نمک و آب نمک، دیگر مواد زائد موجود در نفت، همچون گل و لای، زنگ و. .. را نیز باید جدا کرد. چون وقتی این مواد در سطح های انتقال حرارت قرار بگیرند میتوانند باعث خوردگی و خرابی دستگاه ها شوند. همچنین علاوه بر مواد ذکر شده در بالا ممکن است فلزهایی نیز وجود داشته باشد که میتوان از آن ها به عنوان کاتالیزورهای غیرفعال در فرایند تصفیه استفاده کرد. [٣]شکل١: شماتیکی از نمکزدای بوسیله اضافهکردن آبشیرین[٣]٢ . ٤. جداسازیآبنمک از نفت خام با استفاده از مواد تعلیق شکنبرای تصفیه شیمیایی نفت خام از مواد شیمیایی شکننده امولسیون ها استفاده میشود. این مواد تحت عنوان اسامی تجاری مختلفی در دنیا فروخته میشوند. عملکرد این مواد به گونه ای است که باعث میشوند غشاء نازک اطراف قطرات امولسیونی آب پاره شود، در واقع تعلیق شکنها فعال کنندۀ سطح هستند. این مواد عوامل امولسیونی آب را خنثی میکنند. البته باید توجه داشت که تزریق بیش از حد این مواد، باعث تولید مواد امولسیونی جدید میشود، که بعدها در فرایند تصفیه پساب مشکلات فراوانی ایجاد میکند. لذا در تعیین نرخ تزریق این مواد باید محاسبات دقیقی صورت بگیرد. اگر امولسیونهای تشکیل شده، ضعیف باشند تنها با نیروهای مکانیکی میتوان آنها را خنثی کرد و عمل ائتلاف را انجام داد. ولی چنین شرایطی معمولاً به ندرت اتفاق می افتد، لذا در اکثر شرایط باید مواد تعلیق شکن را به سیستم تزریق کرد. این مواد در آب نمک نامحلول بوده و در نفت به شدت محلول هستند. به همین دلیل به سرعت میتوانند در فاز نفتی حرکت کنند و به سطح ذرات برسند. با این کار قطرات آب نمک راحت تر بهم چسبیده و تشکیل ذرات بزرگتر را میدهند[٩-٦].
مقدار تزریق این مواد به نوع نفت و میزان مواد امولسیون ساز مانند آسفالتینها، پارافین ها، اسیدهای آلی، نمکهای فلزی و غیره بستگی دارد. خواص نفت خام و نوع مواد امولسیونی تاثیر فراوانی بر روی انتخاب نوع مواد تعلیق شکن مصرفی دارد. به طور معمول، نفتهای سنگین نسبت به نفتهای سبک به مواد شیمیایی بیشتری احتیاج دارند. سولفیدهای آهن، خاک رس و گل های حفاری به راحتی با آب شسته شده و از نفت جدا میشوند. ولی مواد پارافینی و آسفالتی برای اینکه سطح امولسیونی آنها شکسته شود حتما به موادشیمیایی احتیاج دارند. باید توجه داشت که هرگونه تغییری در فرایند نمکزدایی مثل تغییر جریان، تغییر شرایط دمایی و فشاری، تغییر فصل و... بر روی میزان تزریق این مواد تاثیر میگذارد، لذا مقدار تزریق این مواد متناسب با شرایط متغیر خواهد بود. تزریق این مواد قبل از پمپ ها موجب اختلاط بهتر آنها با نفت خام میشود و تشکیل امولسیون در پمپ را به حداقل میرساند. در حال حاضر نمکزدایی از نفت خام بدون استفاده از این مواد، صرف نظر از کلیه تکنولوژی های موجود، غیرممکن است.
٢ . ٥. جداسازیآب نمک از نفت خام با روشهای مکانیکی
در این روش معمولاً از مخازن ثقلی که داخل آنها صفحات کنگره دار قرار گرفته استفاده میشود وجود این صفحات باعث بالا بردن سطح تماس و تجمع بهتر قطرات آب نمک میشود. در واقع از اختلاف نیروی برشی بین آب و نفت برای جداسازی آب نمک از نفت استفاده میشود. قانون ثقلی استوک را برای زیاد شدن سطح تماس به کار میگیرند. این فرایند به شدت به زمان وابسته است. اگر نوسانات فشار و سرعت از حدی زیادتر شوند، قطرات آب دیگر توانایی ندارند بهم بچسبند و اتصال بین آنها قبل از تکمیل شدن عمل ائتلاف شکسته میشود. در حالت کلی، اگر دو مایع مخلوط نشدنی با هم ترکیب شده باشند، تماس بین ذرات در حالت عادی بندرت موجب به هم پیوستن آنها به یکدیگر میشود. [٨]٢ . ٦. جداسازی آب نمک از نفت خام با روش الکتریکی
یکی از روش ها برای نمکزدایی و دهیدراته کردن، نمکزدایی الکتریکی است. تجهیزات مورد استفاده در این روش شامل یک شیر اختلاط ویژه و مخزن نمک زدا است که تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار دارد. مخزن نمکزدای الکتریکی معمولاً به صورت افقی قرار میگیرد. [١٠]در ابتدای فرآیند آب شستشو از یک شیر اختلاط ویژه عبور میکند و ضمن عبور این آب از شیر، آب به صورت قطرات بسیار ریز در آمده و در داخل نفت پخش میشود. این امر باعث کاهش غلظت نمک در آب خواهد شد. در ادامه مخلوط آب و نفت به درون مخزن نمک زدا هدایت میشود. در مخزن نمک زدا یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا وجود دارد. این میدان باعث ترکیب چند قطره آب و تشکیل قطرات بزرگتر و سنگین تری از آب را فراهم می آورد. این قطرات بزرگتر تحت تاثیر نیروی گرانش به سمت پایین حرکت کرده و از سیستم خارج میشوند. از جریان متناوب با ولتاژبالا (AC) یا جریان مستقیم (DC) برای جداسازی قطرات آب نمک از نفت خام استفاده میشود. با اپتیمم سازی فرآیند میتوان زمان انعقاد قطرات را کاهش داد. در یک سیستم فیزیکی از آنجا که مولکولهای آب قطبی هستند، تصفیه کننده های الکتریکی با ایجاد ولتاژ بالا، باعث القاء دو قطبی القائی در این مولکولها شده و در نتیجه این مولکولها سریعتر به هم میچسبند و قطرات آب بزرگتری را تشکیل و که منجر به افزایش سرعت ته نشینی میشود[١٣-١٠]شکل ٢: نمای شماتیک از نحوه قرار گرفتن الکترودها در تکنولوژی برق دوگانه[١٠]امروزه استفاده از این نمک گیرهای برقی (نمکزدا یا آبزدا) یکی از بهترین، موثرترین و اقتصادی ترین روشها در جدا کردن آب نمک از نفت میباشد. این مخازن ممکن است با برق متناوب، برق مستقیم و یا برق دوگانه کار کنند. جریان برق ورودی به این دستگاهها توسط یک ترانسفورماتور به برقی با جریان ولتاژ بالا (١٠ هزار تا ٣٥ هزار ولت) تبدیل میشود. در الکترودهایی که برق متناوب دارند، جریان با ولتاژ زیاد به یکی از الکترودها وصل شده و الکترود دیگر به زمین متصل است. ولی در نوع برق مستقیم، جریان متناوب با ولتاژ زیاد با استفاده از دیودها به جریان مستقیم تبدیل میشود. در نمکزدا های برق دو گانه از هر دو جریان متناوب و مستقیم و الکترودهای عمومی استفاده میشود.٢ . ٧. روش ترکیبی
برای بالا بردن میزان جداسازی، از تلفیق دو یا چند روش بالا (مکانیکی، تعلیق شکن، حرارتی، تهنشینی و الکتریکی) استفاده میشود. بعنوان مثال از روش مکانیکی میتوان قبل یا بعد از ترکیبی از چند روش تهنشینی و تزریق مواد شیمیایی و نیروی میدان الکتریکی استفاده کرد. چنان که از فیلتراسیون قبل از ورود نفت به نمکزدا که ترکیب چند روش فوق الذکر را دارا میباشد میتوان استفاده کرد و یا از دستگاه سانتریفوژ برای بیشتر جداسازی آب و نمک همرا ه با نفت قبل یا بعد از نمکزدا استفاده میشود. شکل ٣ نمایی کامل از ترکیب مراحل یا روشهای بالا را نشان میدهد [٤و١٤].شکل ٣: نمایی از روش ترکیبی در یک نمک زدای[١٤]تزریق دیمولسیفایر مناسب و مقدار مناسب آن برای تشکیل لایه بین آب و نفت که نیروی الکتریکی بتواند تاثیر خود را داشته باشد از شرایط لازم برای بهتر کار کردن این سیستم (ترکیبی) میباشد.٣. جداسازی آبنمک از نفت خام با استفاده از نانو جاذبها
یکی از روشهایی نوینی که امروزه در تمام زمینه ها از آن استفاده میشود استفاده از نانو تکنولوژی است. با توجه به توسعه روز افزون فنانوری نانو به نظر میرسد که نانو جاذبها در فرآیند جداسازی نمک از نفت خام مثمر ثمر باشند.(نیکخواه، محمد و عبدالحسین جهانمیری، ١٣٩٢) بر روی بهبود عملکرد امولسیون زدای از نفت خام با استفاده از نانو ذرات سیلیکا (SiNP) تحقیقکردند[١٥]. آنها نشان دادند که ذرات نانو سلیکا در فرآیند جداسازی نمک از نفت خام مؤثر است. همانطور که در شکل ٤ مشخص است در این تحقیق از انواع مختلف نانو سلیکا برای جداسازی آب نمک استفاده شده، اما نمونه ایکه با پلیوینیل الکل پوشش داده شدهاست، بهترینکارایی را نسبت به بقیه ذرات درغلظت برابر دارا است. دلیل این امر اندازه نانو ذره استفاده شده است که برای نمونه مورد آزمایش ١٢ نانومتر است. با افزایش اندازه نانو ذرات پایداری امولسیون کم میشود و هچنین با افزایش قدرت آبدوستی نانو ذره درصد آب جدا شده افزایش پیدا میکند که این مقدار برای نانو ذره با پوشش پلی ونیل الکل بیشترین است [١٥].این روش در حال تکمیل وگسترش است. معمولا این روش برای جداسازی آب نمک از نفتهای سنگین که دارای امولسیون پایدار هستند، موثر میباشد.شکل ٤: درصد آب جدا شده در غلظت ٠,٠١ درصد وزنی در دمای ٦٥ درجه بعد از ٤ ساعت[١٥].٤. بحث و نتیجه گیریبا توجه به تحقیقات انجام شده در رابطه با انواع روشهای نمکزدای، یکی از بهترین روشهای که در صنعت استفاده میشود روش ترکیبی میباشد، اما از معایب این روش هزینه بالای آن میباشد. جداسازی با استفاده از مواد تعلیق شکن در مورد نفتهای سنگین موثر میباشد. روش جداسازی آب نمک از نفتخام با استفاده از نانو جاذبها یک روش نسبتا جدید است. این روش قابلیت تجاری سازی دارد. با توجه به جستجوهای انجام شده نانو ذرات سلیکا درصد آب نمک همراه نفت خام را نسبت به روشهای معمول تا بیش از ١٢,٥% کاهش می دهد[١٥]. حال اگر بتوان توسط روش های موجود چندین نانو جاذب را با هم هیبرید کرد این توانایی برای نانو جاذبها به وجود خواهد آمد که بتوانند تا بیش از ٥٠% درصد عمل نمکزدایی از نفت خام را انجام داد. با توجه به توسعۀ روز افزون نانو تکنولوژی، این امید وجود دارد که با بهره گیری از این روش در مقایسه با سایر روشهای هزینه بری که در حال حاضر نمکزدایی از نفت خام را انجام میدهند، از هزینه ها به مقدار چشم گیری کاسته شود. به طوری که از هزینه های بسیار زیادی که صرف تامین انرژی های به کار برده شده جهت نمکزدایی از نفت خام می شود جلوگیری کرد.
مراجع
- H.K.Abdel-Aal,MohamedAggour,M.A.Fahim."Petroleum and Gas Field Processing"(Marcel Dekker Chemical Industries)
- James H. Gary, Glenn E. Handwerk "petroleum refining-technology and economics"
- Separate styling brine of oil in the desaltingcompany
- Sams, G.W., and Warren, K.W.; "New methods of application of electrostatic fields"; NATCO Group, Inc., April ٢٠٠٤
- Stasiuk, E. N., Schramm, L. L.,“ The influence of solvent and demulsifier additions on nascent froth formation during flotation recovery of Bitumen from Athabasca oil Fuel sands”, Processing Technology, Vol. ٧٣, pp. ٩٥-١٠٤,٢٠٠١
- Eotvos, R.,"Influence of temperature on interfacial films", Annalen der Physik,Vol. ٢٧, pp. ٤٤٨-٤٦٠, ١٨٨٦
- Tsouris, C., Shin, W.T., Yiacoumi, S., “Pumping, spraying, and mixing of fluids by electric fields”, Can. J. Chem. Eng, Vol,٧٦, pp. ٥٨٩–٥٩٩, ١٩٩٨
- Parker. S.P," Encyclopedia of Chemistry", McGraw-Hill, USA, ١٩٨٢
- Binks, B. P., Whitby, C. P., "Temperature-dependent stability of water-in-undecanol emulsions ", Colloids and surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, Vol,٢٢٤, pp.٢٤١-٢٥٣, ٢٠٠٣
- Miksis, M.J., “Shape of a drop in an electric field”, Phys. Fluids, Vol,٢٤, pp. ١٩٦٧-١٩٧٢, ١٩٨١
- Feng, J.Q, Scott, T.C, "A computational analysis of electro hydrodynamics of a leaky dielectric drop in an electric field", J. Fluid Mech, Vol,٣١١, pp. ٢٨٩-٣٢٦, ١٩٩٦
- Taylor, G.I, "Disintegration of water drops in an electric field",Proc. Roy. Soc. A, Vol. ٢٨٠, pp. ٣٨٣-/٣٩٧, ١٩٦٤
- Yuan.Y, Han.M, Wang.D, Jin.Y," Iquid phase residence time distribution for a two-phase countercurrent flow in a packed column with a novel internal", Chemical Engineering and Processing, Vol. ٤٣, pp,١٤٦٩-١٤٧٤
- http://www.alfalaval.com/separation/customers/sebhc١r.htm
- نیکخواه، محمد و عبدالحسین جهانمیری، ١٣٩٢، بهبود عملکرد امولسیون زدایی نفت خام به وسیله استفاده از نانو ذرات سیلیکا، سومین همایش ملی کاربردهای شیمی در فناوریهای نوین http://www.civilica.com/Paper-CAAT٠٣-CAAT٠٣_١٤٥.htm

دانلود حزوه ی ترمودینامیک 2
اساتید درس : دکتر تقی خانی و دکتر بزرگ کهری
دانشگاه صنعتی شریف
سر فصل ها:
- رابطه ی بین انتقال حرارت و ترمودینامیک
- انتقال حرارت هدایتی
- انتقال حرارت در حالت غیر یکنواخت
- انتقال حرارت جابجایی
- جابجای اجباری
- جابجایی آزاد
منبع : گروه آموزشی آلم
فرمت فایل : rar

دانلود جزوه ی مکانیک سیالات 2
استاد درس: دکتر محسن اصغری
دانشکاه صنعتی شریف
منبع : گروه آموزشی آلم
فرمت فایل :rar
کندانسورها نیز همچون اواپراتورها وسایل انتقال حرارت می باشند که در آنها حرارت بخار مبرد داغ از طریق سطوح لوله ها به عامل تقطیر(مثلا هوا یا آب) منتقل شده و در اثر بخار مبرد ابتدا تا دمای اشباع سرد و سپس به مایع تبدیل میشود.
با وجودی که بعضی از سیستم های دمای پایین گاهی از آب نمک یا مبردهای انبساط مستقیم به عنوان عامل تقطیر استفاده میکنند ولی در اکثر موارد هوا یا آب و یا ترکیبی از آنها به کار برده میشود.
به طور کلی کندانسورها بر سه نوع می باشند:
1. کندانسور خنک شونده با هوا
2. کندانسور خنک شونده با آب
3. کندانسور تبخیری
در کندانسورهای هوایی از هوا به عنوان عامل تقطیر استفاده میکنند در حالی که در کندانسورهای آبی برای تقطیر مبرد از آب استفاده میشود.در هر دو کندانسور فوق الذکر حرارت دفع شده به وسیله مبرد،دمای عامل تقطیر را افزایش میدهد. در کندانسورهای تبخیری،هم هوا و هم آب مورد استفاده قرار میگیرد.گرچه در کندانسورهای تبخیری ، هوای عبوری مقداری افزایش می یابد اما تقطیر مبرد عمدتا از تبخیر آب پاشیده شده بر روی کندانسور ناشی میشود و وظیفه هوا افزایش شدت تبخیر با دفع بخار آب حاصل از تحول تبخیر میباشد.
بار کندانسور
مقدار حرارت دفع شده در کندانسور مجموع حرارت جذب شده در اواپراتور و حرارت معادل کار تراکمی کمپرسور است و هر گونه جذب حرارت از محیط به وسیله بخار مکش نیز قسمتی از بار کندانسور را تشکیل میدهد. با توجه به این که کار تراکمی به ازای واحد ظرفیت تبرید به نسبت تراکم بستگی دارد، مقدار حرارت دفع شده در کندانسور به ازای واحد ظرفیت تبرید، با شرایط کاری سیستم تغییر میکند. همچنین مقدار حرارت تراکمی تا اندازه ای به طرح کمپرسور بستگی دارد و در کمپرسورهای بسته که با جریان بخار مکش خنک میشوند به دلیل جذب حرارت اضافی به وسیله گاز مبرد از موتور ، حرارت تراکمی از کمپرسورهای باز بیشتر میباشد. بعضی از تولید کنندگان کمپرسورها کل حرارت دفع شده به وسیله کمپرسور را در کاتالوگ محصول ارائه شده کارخانه قید میکنند.با دسترسی به چنین جداولی میتوان اطلاعات تهیه شده در آنها را به عنوان مبنای محاسبه و انتخاب کندانسور در نظر گرفت. در صورتی که حرارت تولید شده به وسیله کمپرسور در دست نباشد میتوان با ضرب نمودن ظرفیت آن در ضریبی مناسب از جداول بار کندانسوررا تخمین زد.
کندانسورهای هوایی
جریان هوا در یک کندانسور هوایی ممکن است به صورت طبیعی، یا به وسیله فن یا دمنده انجام شود. در صورتی که جریان هوا طبیعی باشد ، مقدار هوای جریان یافته در کندانسور کم بوده و سطح تقطیر نسبتا بیشتری لازم است.این کندانسورها به دلیل ظرفیت کمشان فقط در کاربردهای کوچک و عمدتا در یخچالها و فریزرهای خانگی مورد استفاده قرار میگیرند.
کندانسورهای با جریان طبیعی هوا که در یخچالهای خانگی به کار میروند معمولان از نوع صفحه ای یا لوله ای پره دار هستند. در صورت استفاده از لوله های پره دار برای کاهش مقومت در مقابل جریان آزاد هوا، معمولا پره ها را با فاصله زیاد تری نسبت به هم قرار میدهند. زیاد بودن فاصله پره ها همچنین امکان کثیف شدن کندانسور در اثر ورود کثافات را تقلیل میدهد.
کندانسورهای صفحه ای در پشت یخچال ها ساخته میشوند به طوری که جریانی از هوای محیط بر سطوح آنها ایجاد شود در حالی که در کندانسور های لوله ای پره دار در پشت یخچال یا تحت زاویه ای در زیر آن نصب میگردد. بدون توجه به نوع یا محل نصب کندانسور ، بایستی یخچال به نحوی استقرار یابد که هوا بتواند آزادانه از روی کندانسور جریان داشته باشد. همچنین بایستی حتی الامکان از قرار دادن یخچال در محیط کرم مثلا در مجاورت اجاق گاز خود داری گردد.کندانسورهای هوای با کنوکسیون اجباری را که به فن یا دمنده مجهز میباشند میتوان بر اساس محل نصب شان به دو گروه تقسیم نمود:
۱. کندانسورهای نصب شده روی شاسی
2. کندانسورهای که دور از کمپرسور نصب میشوند
کندانسورهای هوای نصب شده بر روی شاسی کندانسورهایی هستند که با کمپرسور و محرک آن بر روی شاسی مشترکی نصب شده و جزء مکمل واحد نقطیر خنک شونده با هوا میباشند. کندانسور نصب شده در دور از کمپرسور ، معمولا به طور جداگانه و با فاصله از کمپرسور نصب شده و میتوان آن را در داخل یا بیرون فضا قرار داد. در صورتی که کندانسور در داخل فضا نصب شده باشد ، برای جریان مناسب هوای بیرون از کندانسور بایستی امکاناتی ایجاد نمود و چنان چه کندانسور در محل گرمی مثلا زیر شیروانی یا موتورخانه قرار گرفته باشد، بایستی برای رساندن هوا به کندانسور و تخلیه هوای گرم محیط، کانال هایی مورد استفاده قرار گیرند و چون مقدار هوای لازم زیاد میباشد تنها، کندانسورهای کوچک در داخل فضا قرار میگیرد.کندانسورهای واقع در فضای بیرون ، ممکن است بر روی زمین ، روی بام یا دیوار نصب شوند ولی معمولا آنها را روی بام نصب مینمایند.کندانسورهای واقع در فضای باز باید چنان نصب شوند که هوای گرم تابستان کار فن را مختل نکرده و به آن کمک کند و در صورتی که چنین استقراری میسر نباشد بایستی از منحرف کنندهای باد در خروجی کندانسور استفاده نمود. کندانسورهای هوایی در طرح های مختلف قائم و افقی و در اندازه های کمتر از یک کیلو وات تا 500 کیلو وات و بیشتر تولید میشوند. بعضی از این کندانسورها با دو یا چند مدار تبرید جداگانه طراحی شده است و میتوان از آنها برای چند سیستم تبرید مختلف با مبرد های گوناگون استفاده نمود. در بعضی از این کندانسورها که به مدار مادون سرد کن مایع مجهز هستند برای اطمینان از کار موثر مدار مادون سرد کن نباید از مخزن ذخیره مایع استفاده گردد ولی چنان چه از مخزن مایع برای تخلیه فشار مورد استفاده میشود بایستی آن را در بالا دست مدار مادون سرد کن قرار داد.
سیستم های تبرید با کندانسور آبی
سیستم های که از کندانسور های آبی استفاده میکنند به دو دسته تقسیم میشوند:
1. سیستم های دفع آب
2. سیستم های با گردش مجدد آب
در سیستم های دفع آب معمولا آب خنک کن از آب شهر تامین میشود و پس از عبور از کندانسور به فاضلاب تخلیه میشود. در حالی که در سیستم های با گردش مجدد، آب خروجی از کندانسورخنک شده و مجددا از داخل کندانسور عبور میکند. طبیعتا در مواردی که کندانسور به فاضلاب تخلیه میشود، وفور هزینه آب فاکتور های اساسی در تایین مقدار آب عبوری به ازای واحد حرارتی کندانسور میباشند. به طور کلی موازنه اقتصادی بین هزینه های آب و ظرفیت به این ترتیب است که دبی آب0.025 لیتر بر ثانیه به ازای هر کیلو وات ظرفیت تبرید را تجویز مینماید. هزینه زیاد آب همراه با محدودیت وجود فاضلاب و منابع آب فصلی ، در خیلی از مناطق، سیستم های فاضلابی را به ظرفیت های کوچک محدود نموده است. هنگامی که آب خنک کننده در کندنسور جریان میابد، بایستی قدرت لازم برای جریان آن را در تعین دبی آب ، مد نظر قرار داد. تجربه نشان میدهد دبی 0.045 تا 0.06 لیتر در ثانیه به ازای هر کیلو وات بار کندانسور ، اقتصادی ترین موازنه بین توان لازم کمپرسور و پمپ را فراهم مینماید. در مواردی که آب لازم برای سیستم فاضلابی از چاه یا بعضی منبع دیگر نظیر رودخانه ، دریاچه ، استخر و غیره تامین میشود برای تعیین دبی بهینه آب ، هزینه آب وتوان لازم پمپ در نظر گرفته میشوند. مدار آب کندانسور تا حد زیادی به وسیله مقدار آب جریان یافته ، تعیین میشود. از آنجا که انتقال حرارت تابعی از زمان میباشد، هر گاه مقدار کمی آب بخواهد افزایش دمای زیادی در کندانسور داشته باشد، بایستی زمان تماس آن با مبرد تقطیر شونده بیشتر از هنگامی باشد که دبی آب بیشتر و افزایش دمای آن کمتر است. بنابراین با کم شدن دبی آب ،تعداد مدارهای آب کندانسور کمتر ولی طولانی تر خواهد شد. به طوری که آب به مدت کافی در کندانسور می ماند و مقدار حرارت لازم را جذب می نماید. از طرف دیگر، با افزایش دبی و تقلیل افزایش دمای آب، تعداد مدارها بیشتر و طول آنها کوتاه تر میشود تا حداقل افت فشار وجود داشته باشد.در طرح مدارآب کندانسور، بایستی به سرعت وافت فشار آب درعبور از کندانسورتوجه ویژه مبذول نمود. در تمام موارد حداقل سرعت مجاز، سرعتی است که جریان آشفته وضریب انتقال حرارت بالایی تولید نماید.به لحاظ اینکه افت فشار تابعی از سرعت آب میباشد، افت فشار با افزایش سرعت آب، افزایش می یابد وبه همین دلیل حداکثر سرعت مجاز معمولا با حداکثر افت فشار مجاز تعیین میشود ولی در سیستم های فاضلابی که آب شهر با فشار از داخل کندانسور عبور می کند به دلیل درهم بودن جریان وفشاراصلی زیادآب شهر، افت فشار در کندانسور بحرانی نمی باشد. در چنین مواردی بری حصول ضریب انتقال حرارت بیشتر سرعت های بالا تر توصیه می شود. ولی هنگامی که آب به وسیله یک پمپ به گردش در می آید، افت فشار زیاد در کندانسور،هد پمپ وتوان آن برای به گردش درآوردن آب را افزایش می دهد. بنبراین در سیستم های با جریان مجدد آب، سرعت بهینه سرعتی است که اقتصادی ترین موازنه بین ضرب انتقال حرارت وهد پمپاژ را فراهم نماید.
شدت رسوب
فاکتور دیگری که بایستی درانتخاب کندانسورهای آبی در نظر گرفته شود، رسوب بر روی لوله است. رسوب گذاری روی لوله ها که عمدتا ناشی ازمواد معدنی است نه تنها ضریب انتقال حرارت سمت آب لوله را کاهش میدهد بلکه با محدودتر نمودن قطر لوله، مقدار آب جریانی را نیز کاهش می دهد که هر دو باعث افزایش شدید فشار تقطیر می شوند.
به طور کلی شدت رسوب گذاری لوله ها به چند چیز بستگی دارد:
1. کیفیت آب مصرفی با توجه به نا خالصی های موجود در آن
2. دمای تقطیر
3. فاصله زمانی تمیز نمودن لوله با توجه به زمان کار.
اکثر تولید کنندگان کندانسورهای آبی، ظرفیت محصولات خود را بر اساس لوله های تمیز و چندین مرحله رسوب گذاری بر طبق ضرایب جداول برای انواع مختلف آبها ارائه می کنند.این ضرایب شاخصی از کاهش ضریب انتقال حرارت ناشی از رسوب جرم بر روی لوله ها هستند. در انتخاب کندانسورهای آبی بایستی همواره حداقل ضریب رسوب 0.0005 را به کار برد و تحت هیچ شرایتی نباید آن را بر اساس لوله های تمیز انتخاب نمود. در صورتی که درجه حرارت تقطیر پایین باشد (دمای خروجی آب کمتر از 38) و لوله های کندانسور زود به زود تمیز شوند ضرایب رسوب بسته به مورد حداقل مقدار قید شده در جداول خواهند بود.
کندانسورهای آبی
کندانسورهای آبی بر سه نوع میباشند:
1. کندانسورهای دو لوله ای
2. کندانسورهای پوسته و کویل
3. کندانسورهای پوسته و لوله
همان طوری که از اسم کندانسورهای دو لوله ای پیداست، این کندانسورها از دو لوله که یکی از آنها در داخل دیگری قرار می گیرند تشکیل می شوند. در این کندانسورها آب از لوله داخلی و مبرد در خلاف جهت آن از فضای بین لوله داخلی و خارجی جریان می یابد به این ترتیب مبرد علاوه بر خنک شدن به وسیله آب کمی هم به وسیله هوا خنک می شود.غیر همسو بودن سیال ها در تمام مبدل ها مطلوب است زیرا موجب افزایش اختلاف دمای متوسط می شود و شدت انتقال حرارت را افزایش می دهد.
کندانسورهای دو لوله ای به شیرهای کنترل آب مجهز هستند و کندانسورهای تقویت کننده ای را برای استفاده با کندانسورهای هوایی در طول زمان بارهای پیک فراهم می نمایند، زیرا شیر آب را می توان طوری تنظیم نمود که با افزایش فشار تقطیر به حد از پیش تعیین شده ای باز شده و اجازه دهد آب بیشتری از کندانسور جریان یابد. به این ترتیب مقدار آب مصرف شده در مقایسه باصرفه جویی در توان مصرفی به دلیل افزایش راندمان کمپرسور، نسبتا کمتر می گردد.
کندانسورهای پوسته و کویل از یک یا چند کویل لوله ای یا لوله ای پره دارکه در داخل پوسته ای فولادی قرار گرفته اند ساخته می شود. در این کندانسور آب از داخل کویل جریان دارد و بخار مبرد داغ از بالا وارد پوسته می شود و در گذر از اطراف کویل های آب با سطح آنها تماس می یابد و تقطیر می شود. مایع مبرد حاصل در ته پوسته کندانسور که اغلب به عنوان مخزن ذخیره مایع عمل می نماید جمع می شود. بایستی توجه داشت که سیستم بیش از حد با مبرد پر نشود زیرا تجمع اضافی مایع در کندانسور قسمت بیشتری از سطح تقطیر را می پوشاند و باعث افزایش درجه حرارت و فشار خروجی مبرد می شود.بیشتر کندانسورهای پوسته و کویل به مدار آب دو نیمه مجهز هستند که در سیستم های فاضلابی به طور سری و در سیستمهای با چرخش مجدد آب به طور موازی به یکدیگر متصل می شوند. به طور کلی کندانسورهای پوسته و کویل در سیستم های کوچک تا ظرفیت kw 35 مورد استفاده قرار می گیرند و با عبور دادن محلول های شیمیایی مجاز از کویل های آب تمیز می شوند. کندانسورهای پوسته و لوله از تعدادی لوله مستقیم و موازی هم که به وسیله لوله ها در محل خود نگه داشته می شوند و در داخل پوسته فولادی استوانه ای شکلی قرار می گیرند تشکیل شده است و از نظر ساختمان مشابه آب سرد کن های مایع پوسته و لوله تر می باشند. آب خنک کننده از داخل لوله های که ممکن است فولادی یا مسی باشند جریان می یابد در حالی که مبرد در داخل پوسته فولادی ما بین صفحه لوله ها قرار می گیرد. آب از فضای ما بین صفحه لوله ها و صفحات انتهایی جریان می یابد و صفحات انتهایی برای هدایت جریان آب تقسیم بندی شده اند. نحوه تقسیم بندی صفحات انتهایی به ترتیبی است که تعداد گذرهای آب در داخل کندانسور از یک طرف آن به طرف دیگر را قبل از خروج از کندانسور تعیین می کند.تعداد گذرها حداقل 2 و حداکثر 20 می باشد. به ازای تعداد کل لوله معلوم، تعداد لوله ها در هر گذر با تعداد گذرها به طور معکوس تغییر می کند. برای مثال اگر فرض کنیم کندانسور کلا 40 لوله داشته باشد تعداد لوله های هر پاس در آرایش دو گذره 20 عددو در آرایش 4 گذره 10 عدد خواهد بود.شایان توجه است که به ازای تعداد کل لوله و مقدار جریانی برابر، در کندانسور 4 گذره سرعت آب دو برابر و افت فشار هشت برابر کندانسور دو گذره خواهد بود. به دلیل زیاد بودن سرعت آب در کندانسور چهار گذره ضریب انتقال حرارت بیشتر و به ازای ظرفیت انتقال حرارت کمتری لازم خواهد بود ولی به دلیل افت فشار بیشتر توان لازم برای جریان دادن آب بیشتر می شود. بنابراین شاید بهترین انتخاب برای سیستم های فاضلابی کندانسورهای چهار گذره و برای سیستم های با چرخش مجدد آب کندانسورهای دو گذره باشد.
مطالب بالا صرفا برای تشریح اصول طراحی است و به این معنی نیست که کندانسورهای چهار گذره در سیستم های با چرخش مجدد آب مناسب نیستند.
کندانسورهای پوسته و لوله از ظرفیت های هفت تا صدها کیلو وات، با قطر پوسته از صد تا 1500 میلی متر و با طول 1000 تا 6500 میلی متر ساخته می شوند.تعداد و قطر لوله ها به قطر پوسته بستگی دارد و قطر لوله ها معمولا از 16 تا 50 میلی متر و تعداد آنها از چند عدد(مثلا شش یا هشت)تا هزاران عدد و بیشتر تغییر می کند. صفحات انتهایی کندانسورها قابل باز شدن هستند تا تمیز کردن مکانیکی لوله های آب میسر باشد.کندانسورهای پوسته و لوله در بالا به مخزنی برای توزیع آب در لوله ها و در پایین به تشتکی برای جمع کردن آن مجهز است. هر یک از لوله ها در بالا به توزیع کننده ای که به آب حرکت چرخشی داده و باعث خیس شدن یکنواخت لوله میگردد، مجهزاند. بخار داغ مبرد معمولا از یک طرف پوسته که در بالا و وسط کندانسور قرار دارد وارد شده و مایع حاصل از پایین پوسته خارج می شود. ارتفاع این کندانسورها از 4 تا 6 متر تغییر می کند.چون لوله های کندانسورهای ایستاده به صورت مکانیکی و حتی در حال کار سیستم نیز قابل تمیز شدن هستند برای کاربردهای با آب املاح دار و یا سایر شرایط کاری با شدت رسوب زیاد مناسب هستند.
کندانسورهای تبخیری
یک کندانسور تبخیری در اصل وسیله ای برای صرفه جویی در مصرف آب است و در واقع ترکیبی از کندانسور آبی و برج خنک کن می باشد که به صورت یک دستگاه ساخته شده است. همان طوری که قبلا بیان شده است در کندانسورهای تبخیری هم از آب و هم از هوا استفاده می شود و آب از تشتک پایینی کندانسور به نازل های آن پمپ شده و بعد از پاشیده شدن بر روی کویل کندانسور به تشتک می ریزد. هوا نیز به وسیله دمنده ای که در بالای کندانسور قرار گرفته از پایین کندانسور مکیده شده و از بالای آن خارج می شود. در بعضی دیگر هریک موتوری جداگانه دارند. قطره گیر های واقع در بالای نازل ها از ورود قطرات آب به دمنده جلوگیری می کنند. نوع دیگری از کندانسور تبخیری که در آن دمنده در قسمت بالا و محل ورودی هوای کندانسور نصب شده است. هر چند تحولات ترمودینامیکی واقعی که در کندانسورهای تبخیری انجام می شوند قدری پیچیده اند، لکن تحول اصلی در این کندانسورها تحول سرمایش تبخیری می باشد. در این تحول آب به علت پاشش و وزش هوا از روی سطوح خیس شده کندانسور، تبخیر شده و منبع حرارتی آن صرفا مبرد تقطیر شونده در کویل کندانسور می باشد.تبرید ایجاد شده به ازای تبخیر واحد جرم آب تقریبا 2260 کیلو ژول است. کل حرارت دفع شده در کندانسور به وسیله مبرد، نهایتا به صورت حرارت محسوس یا نهان (رطوبت) با هوای خروجی از کندانسور خارج می شود. به لحاظ این که با عبور هوا از کندانسور دما و مقدار رطوبت آن افزایش می یابد، مؤثر بودن کندانسور تا اندازه ای به دمای مرطوب هوای ورودی بستگی دارد و با پایین بودن آن کندانسور مؤثر خواهد بود.