مبدل حرارتی
مبدل حرارتی یکی از پرکاربردترین تجهیزات در صنایع گوناگون است که باعث تبادل حرارت بین دو سیال با دمای متفاوت می‌گردد تا یکی از آنها به دمای پایینتر یا بالاتر برسد.
مبدل حرارتی (Heat Exchanger) وسیله است که گرما را بین سیال‌هایی که در دستگاه و سیستم های گوناگون وجود دارند، منتقل می‌کند و جهت انتقال حرارت بهینه و مؤثر بین دو یا چند سیال مورداستفاده قرار می‌گیرد. این سیال‌ها ممکن است مایع و یا گاز باشند مانند آب، گاز، روغن، هوا و بسیاری از مایعات و گازهای دیگر.
مبدل حرارتی یا مبدل گرمایی وسیله گرمایشی است که در صنایع مختلف ازجمله خودروسازی، پالایشگاه ها، صنایع غذایی، برج های خنک کننده، بخار سازهای هسته‌ای، سیستم های برودتی و تهویه مطبوع، صنایع نفت و گاز و غیره کاربرد دارد.
نقش مبدل های حرارتی در صنعت
مبدل های حرارتی صنعتی، تجهیزاتی در صنایع هستند که برای تبادل یا انتقال گرما از یک محیط به محیط دیگر طراحی شده اند. این تبادل گرما ممکن است به منظور گرم کردن و سرد کردن سایر تجهیزات در صنعت باشد. بسیاری از فرآیندهای صنعتی نیاز به درجه خاصی از دما برای عملکرد دارند و نباید در طول عملکرد زیاد داغ شوند. علاوه بر این مبدل‌های حرارتی برای جذب و انتقال بخار و دود خروجی فرایندهای صنعتی، به کار می‌روند. در واقع مبدل‌ها از این دود و بخار برای کنترل دمای سایر بخش‌ها استفاده میکنند و باعث صرفه جویی انرژی و کاهش آلایندگی محیط زیست کارخانه ها می شوند.
مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله:
مبدل حرارتی پوسته و لوله یکی از رایج‌ترین نوع مبدل های حرارتی است که از یک و تعدادی لوله موازی هم تشکیل شده که داخل یک لوله بزرگتر قرار گرفته‌اند. حرارت از سیال داخل لوله‌های کوچکتر به سیالی که در لوله بزرگتر و اطراف این لوله‌های کوچک در جریان است، منتقل میشود. انتقال حرارت در این سیستم ممکن است تک فاز یا دو فاز و جریان سیال آن همسو، خلاف جهت، متقاطع و ترکیبی باشد. مبدل های حرارتی دو لوله‌ای و مبدل‌های حرارتی لوله‌ای مارپیچ جزو مبدل های پوسته و لوله هستند که در خنک کردن روغن، تولید بخار و پیش گرمایش از آنها استفاده می شود.
تلفات انرژی
مبدل حرارتی از جمله بهترین تجهیزات برای کاهش تلفات انرژی هستند. دو مدل از چرخه های باز پس گیری و باز تولید انرژی از جمله نمونه های استفاده از این تجهیز برای باز گردانی انرژی لازم به چرخه است. در حالت باز پس گیری دو سیال سرد و گرم در دو لوله متفاوت و در جهت مخالف، همزمان جریان پیدا می کنند. تماس غیر مستقیم این دو لوله موجب انتقال حرارت بین آن ها می شود. چرخه باز تولید نیز همانند چرخه باز پس گیری است که تفاوت آن غیر همزمان بودن دو جریان و همچنین حضور تنها یک لوله در مسیر است.
در چرخه باز تولید تنها از یک لوله استفاده می شود. ابتدا یکی از سیال ها در لوله جریان پیدا می کند و سپس سیال دوم جریان پیدا کرده تا انرژی مورد نیاز را از طریق تماس با لوله کسب کند. چرخه باز تولید یکی از چرخه های کلید در موتور استرلینگ می باشد.
جنس مبدل های حرارتی از چیست؟
مبدل‌هاي حرارتي غالباً از جنس فولاد، تيتانيوم، مس، برنز، فولاد ضد زنگ، آلومينيوم يا چدن هستند.
مبدل‌هاي حرارتي را مي‌توان بنابه جهت ورود جريان هوا در آنها به چند دسته تقسيم كرد:
مبدل حرارتي با جريان موازي- در اين نوع مبدل هر دو سيال از يك طرف وارد مبدل مي‌شوند و مسير را موازي با يكديگر طي مي‌كنند.
مبدل حرارتي با جريان مخالف- در اين نوع مبدل، سيال‌ها از دو جهت مخالف وارد مبدل مي‌شوند
مبدل حرارتي با جريان عرضي- سيال‌ها بطور عمودي به يكديگر برخورد مي‌كنند.
طراحی مبدل های حرارتی و یا مبدل های گرمایی
در زمینه ساخت انواع مختلف مبدل های حرارتی صنایع زیادی فعال هستند و همچنین در مورد طراحی مبدل های حرارتی در دانشکده ها و یا دانشگاه ها با عناوین مختلف دروس هایی ارایه میشود.
معمولا برای طراحی مبدل های حرارتی از نرم افزار های Aspen B-jac و HTFS استفاده میکنند. معمولا محاسباتی که به مبدل های حرارتی مربوط میشود بسیار طولانی و یا خسته کننده میباشد.
اجزاء مختلف مبدل ها
مبدل‌های حرارتی موجود در صنایع و کارخانجات به خصوص صنعت پتروشیمی، معمولا از نوع پوسته و لوله می‌باشند. از مزایای این مبدل‌ها می‌توان به سطح تماس زیاد در حجم کم، طرح مکانیکی خوب و توزیع یکنواخت فشار و راحتی تمیز کردن آنها اشاره کرد. می‌توان گفت که ساختمان مبدل‌ها شامل تعدادی لوله است که در داخل یک استوانه قرار می‌گیرند، و دو سیال مورد نطر که یکی سرد و دیگری گرم است، بدون اینکه بطور مستقیم با یکدیگربرخورد کنند از طریق دیواره فلزی لوله‌ها با یکدیگر تبادل حرارت خواهند کرد. به عبارت دیگر یکی از این دو سیال در لوله‌ها و دیگری در اطراف لوله‌ها، درون پوسته جریان خواهد داشت.
چگالی گاز طبیعی
چگالی گاز متان ۵۵ صدم است، ولی با توجه به ترکیبات سنگینتر همراه گاز طبیعی، چگالی آن می‌تواند به حدود ۶۵صدم نیز برسد؛ بنابراین گاز طبیعی از هوا سبکتر بوده و در صورت نشت از خطوط لوله یا سایر اجزاء شبکه گاز یا لوله‌کشی وسائل گاز سوز در منازل به سمت بالا حرکت می‌کند و در مکان‌های مسقف قسمت زیادی از گاز نشت شده در زیر سقف تجمع می‌کند.
اما سبکتر بودن گاز طبیعی با عث نمی شود که همه گاز نشت یافته از یک محل به سمت بالا برود بلکه بخشی از گاز نیز، به ویژه در صورتی که عناصر تشکیل دهنده هوا با آن اختلاط کامل پیدا کنند، به همراه هوا به اطراف نیز پراکنده میشود؛ و چون غلظتهای پائین گاز در هوا خطرناکتر است قابلیت انفجار در اطراف محل نشت نیز وجود دارد.
گاز طبیعی بعد از هیدروژن پاک‌ترین نوع سوخت فسیلی برای طبیعت است. زیرا عمدتاً دی‌اکسیدکربن و بخار آب تولید می‌کند. علاوه بر این متان یکی از مواد خام اصلی برای ساخت حلال‌ها و دیگر مواد شیمیایی ارگانیک است. پروپان و بوتان نیز از گاز طبیعی استخراج می‌شوند. گاز نفتی مایع شده (Liquefied Petroleum Gas) یا (LPG) اصولاً همان پروپان است و اغلب به جای گاز طبیعی در مناطق فاقد خطوط لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
گاز طبیعی غالباً ناخالصی‌هایی چون دی‌اکسیدکربن (گاز اسیدی)، سولفید هیدروژن (گاز ترش) و آب و همچنین نیتروژن، هلیوم و سایر گازهای نادر را به همراه دارد. دی‌اکسید را به حوزه‌های نفتی قدیمی تخلیه شده تزریق میکنند تا تولید آنها افزایش یابد. نیتروژن نیز گازی است قابل تزریق به حوزه‌های نفتی و هلیوم در صنایع الکترونیک تارتل موارد استفاده ارزشمند و فراوان دارد.
سولفید هیدروژن (H2S) بسیار سمی است و مقادیر بسیار ناچیز آن نیز می‌تواند کشنده و مهلک باشد. سولفید هیدروژن بسیار خورنده و فرساینده است و می‌تواند به لوله‌ها، اتصالات و شیرهای چاه آسیب و خسارت وارد کند؛ بنابراین قبل از انتقال گاز طبیعی به خطوط لوله، سولفید هیدروژن جداسازی شده و دی‌اکسید کربن و آب آن نیز از طریق آب‌زدایی یا نمک‌گیری گرفته میشود.
سوختن گاز طبیعی
گاز طبیعی در صورتی که به‌طور کامل خشک و فاقد مواد زائد باشد و هوای کافی به آن برسد، با شعله آبی می‌سوزد و در غیر اینصورت شعله‌های قرمز، نارنجی، زرد یا سبز حاصل خواهد شد.
ارزش حرارتی گاز طبیعی
هر متر مکعب گاز طبیعی به صورت متوسط هشت هزار و ششصد کیلو کالری ارزش حرارتی دارد، امّا این مقدار اسمی است و ارزش حرارتی دقیق گاز طبیعی هر میدان گازی، تابع ترکیبات آن بوده و به‌طور کلی هر چه درصد متان در گاز طبیعی بیشتر باشد ارزش حرارتی آن پائین تر است .
ارزش یک متر مکعب گاز طبیعی در شرایط استاندارد تقریباً به اندازه یک لیتر بنزین می باشد. مصرف یک بخاری گازی در هر ساعت از نیم تا یک و نیم متر مکعب گاز طبیعی میباشد. گازی که در منازل، محل‌های کسب و کار و بخش‌های صنعتی استفاده میشود در واقع متان خالص است که گازی بی‌رنگ و بی‌بو و با شعله‌های کم‌رنگ و به نسبت روشن می باشد.
دلایل مطلوبیت ویژه گاز طبیعی
تقاضای جهانی انرژی طی دویست سال اخیر به دلیل نگرانی های زیست محیطی به سمت سوخت‌هایی با محتوای کربن کمتر متمایل شده‌است. طی این مدت انرژی مورد نیاز انسان از چوب (با محتوای کربن ۲۵/۱ نسبت به هیدروژن موجود در آن) به زغال‌سنگ سپس به نفت و در حال حاضر به گاز طبیعی (گاز متان با میزان کربن ۶۵٪) تغییر نموده و در این راستا سهم گاز طبیعی به عنوان سوخت در حال افزایش است.
گاز طبیعی منبع انرژی تقریباً پاکیزه، فراوان و ارزان قیمتی است که هم‌اکنون نیز به مقیاس وسیع برای مصارف صنعتی و خانگی به کار رفته و در طی دهه‌های آینده بهره‌برداری از آن گسترش خواهد یافت. در توسعه اقتصادی جهان، مناطق و کشورهای مختلف، به دلیل منابع و ذخایر عظیم در دسترس و توسعه تکنولوژی‌های خلاق، باعث کاهش هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه‌ها و در نتیجه بهبود اقتصاد پروژه‌های توسعه و انتقال گاز شده است. همچنین تلاش جهانی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و گاز CO2 مزیت استفاده از گاز طبیعی در مقایسه با سایر سوخت‌ها را نشان می‌دهد.
دولت‌ها و صاحبان صنایع امروزه به دنبال آن دسته از حامل های انرژی هستند که آلاینده‌های کمتری تولید میکنند. به همین دلیل جهان به گاز طبیعی روی آورده است. در واقع گاز طبیعی در هر واحد انرژی حدود ۲۴ درصد نسبت به نفت خام و ۴۲ درصد نسبت به زغال‌سنگ گازهای آلاینده کمتری تولید می‌کند و این بیان‌گر آن است که می‌توان انرژی بیشتری مصرف و در مقایسه با نفت خام و زغال‌سنگ، آلاینده‌های کمتری تولید کرد.
مصرف گاز طبیعی در دهه ۱۹۹۰ در اروپا به شدت افزایش یافته، به‌طوری‌که در آلمان ۳۰ درصد، در ایتالیا ۵۰ درصد و در انگلیس ۱۰۰ درصد رشد داشته است و در مقابل تولید گاز آلاینده CO2، به همین نسبت کاهش یافته. هر چند انتشار CO2 و ذرات معلق در مقایسه با زغال‌سنگ و نفت قابل چشم پوشی است. لیکن مقادیر معتنابهی از NOx انتشار می‌یابد که نیازمند بررسی و مطالعات بیشتر آثار و تبعات آن در محیط زیست می باشد.
صنعت پتروشیمی:
صنعت پتروشیمی، (به انگلیسی: Petrochemical industry) بخشی از صنایع شیمیایی است که فراورده‌های شیمیایی را از نفت یا گاز طبیعی تولید می‌کند. البته برخی از ترکیبات شیمیایی ساخته‌شده از نفت و گاز از سایر سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ یا منابع تجدیدپذیر مانند ذرت، میوه خرما یا نیشکر نیز به‌دست می آیند.
امروزه فراورده های نفتی علاوه بر مصرف در زمینه سوخت وسایل نقلیه، روغن موتور و غیره در تهیه بسیاری از قطعات مورد نیاز ساخت وسائل نقلیه، نقش ارزنده‌ای دارد. فراورده های نفتی در تهیه سوخت موشک های هدایت کننده، فضانوردها و ماهواره ها و حتی در ساخت بسیاری از قطعات داخلی آنها کاربرد اساسی دارد. ماده اولیه بیشتر داروها و حتی آنتی‌بیوتیک‌ها از ترکیبات نفتی مشتق میشود.
دید کلی صنایع پتروشیمی، بخشی از صنایع شیمیایی است که فراورده‌های شیمیایی را از مواد خام حاصل از نفت یا گاز طبیعی تولید می‌کند. تا پیش از وارد شدن نفت به مفهوم امروزی در زندگی انسان، مواد شیمیایی مورد نیاز، بر اثر تغییر و تبدیل صنایع گیاهی و جانوری به‌دست می‌آمد. اما در اوایل قرن بیستم نفت خام و گاز طبیعی به عنوان ماده اولیه برای تهیه بسیاری از ترکیبات مورد نیاز انسان، اهمیت حیاتی و روزافزونی پیدا کرده‌است.
صنایع گوناگون پتروشیمی
نفت و مشتقات آن نه تنها در برآوردن نیازهای انسان در زمینه سوخت، انرژی و الیاف نقشی بنیادی دارد، بلکه پیدایش و تکامل صنایع گوناگون مهمی را موجب شد که به پاره‌ای از آنها اشاره میشود.
همزمان با پالایش نفت خام، کاربرد موتورهای درون سوز جنبه عمومی به خود گرفت و میلیون‌ها ماشین بنزین سوز به بازار عرضه شد.
امروزه فراورده‌های نفتی علاوه بر مصرف در زمینه سوخت وسایل نقلیه، روغن موتور و …، در تهیه بسیاری از قطعات مورد نیاز ساخت وسایط نقلیه، نقش ارزنده ای دارد و تلاش بر این است تا بدنه اتومبیل را از مواد پلاستیکی که آنها را از پلیمریزاسیون ترکیبات نفتی می‌توان بدست آورد، بسازند.
فراورده های نفتی در تهیه سوخت موشک‌های هدایت‌کننده فضانوردها و ماهواره ها و حتی در ساخت بسیاری از قطعات داخلی آنها کاربرد اساسی دارد.
ماده اولیه بیشتر داروها و حتی آنتی بیوتیک ها از ترکیبات نفتی مشتق میشود. به ویژه تقریباً تمام مواد پاک کننده، باکتری‌کش ها و …، از مشتقات نفتی و محصولات پتروشیمی می باشد.
ترکیبات نفت خام و فراورده‌های نفتی
اتم های کربن و هیدروژن به‌طور حیرت‌آوری می‌توانند ضمن ترکیب شدن با یکدیگر، تعداد فوق‌العاده زیادی از ترکیبات هیدروکربنی زنجیری و حلقوی آروماتیکی را به وجود آورند، به طوری که تا کنون هیدروکربنی که در ساختار مولکولی آن ۶۰ اتم کربن شرکت داشته باشد، ردیابی شده‌است. از طرفی با افزایش تعداد اتم‌های کربن بر تعداد ایزومرهای هیدروکربنی نیز افزوده می شود.
به‌طور مثال هیدروکربنی که ۳۰ اتم کربن داشته باشد، می‌تواند بیش از چهار میلیارد ترکیب هیدروکربنی ایزومر تشکیل دهد. علاوه بر این، با توجه به اینکه در نفت خام، ترکیبات هیدروکربنی سیر شده نیز فراوانند، تعداد ترکیب های موجود در آن، فوق‌العاده زیاد و گوناگون است. این گوناگونی با شرکت اتم‌های دیگر مانند گوگرد، نیتروژن و اکسیژن در زنجیر هیدروکربن‌ها به مراتب بیشتر میشود.
ترکیبات عمده موجود در نفت خام
ترکیبات عمده موجود در نفت خام عبارتند از: هیدروکربن‌های سیر شده زنجیری به فرمول کلی CnH2n+2، هیدروکربن‌های سیر شده حلقوی به فرمول عمومی CnH2n که اصطلاحاً آن را نفتن گویند و هیدروکربن های سیرنشده زنجیری اتیلن و استیلن. هر چه درصد تشکیل دهنده‌های نفت در دماهای پایین بیشتر باشد، مرغوبیت آن بیشتر است. گازهای طبیعی، بخش گازی شکل مواد نفتی است که همراه با نفت خام در مخازن زیرزمینی وجود دارد یا از تقطیر نفت خام در پایینتر از 200C بدست می‌آید. گازهای طبیعی، مخلوطی طبیعی از گازهای متان (قسمت عمده حدود ۸۵ درصد) پروپان، بوتان، منو اکسید کربن و هیدروژن (گاز سنتز) همراه با مقداری دوده است.
مصرف عمده آن در کشورهای غیر صنعتی به عنوان یک ماده سوختی است؛ ولی در کشورهای صنعتی از آن در تهیه بسیاری از فراورده های شیمیایی و صنعتی بسیار مفید و ضروری استفاده می کنند.
