- 1- CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA CHIMICA Lezioni di IMPIANTI CHIMICI 1 Progettazione di apparecchiature di scambio di calore e di materia PARTE 2d – CONDENSATORI E RIBOLLITORI Prof.ing. GIUSEPPE TOLA - 2 - CONDENSAZIONE APPLICAZIONI PIU’ COMUNI: - IMPIANTI DI POTENZA => => Vapore uscente dalla turbina - INDUSTRIA DI PROCESSO => => Reattori chimici e biologici => Colonne di distillazione => Rimozione di condensabili da gas - REFRIGERAZIONE E CONDIZIONAMENTO DELL’ARIA. APPARECCHIATURE: - Condensatori fascio tubiero. Condensazione sia all’interno che all’esterno dei tubi. - Condensatori “air-cooled”. Condensazione all’interno dei tubi. - Condensatori a piastre. - Condensatori a contatto diretto. Refrigerante posto a diretto contatto con il vapore condensante. - 3 - CONDENSATORI A FASCIO TUBIERO Orizzontali o verticali con diverse configurazioni in dipendenza delle caratteristiche del processo. • Costruzione simile a quella degli scambiatori senza cambio di fase ma con l B =D s • I tipi piu’ utilizzati sono quelli orizzontali con condensazione lato mantello e quelli verticali con condensazione lato tubi. • Le apparecchiature orizzontali con condensazione nei tubi sono raramente utilizzate come condensatori di processo mentre sono preferiti come riscaldatori e vaporizzatori quando il mezzo riscaldante è vapore condensante. Condensatori verticali con condensazione lato mantello. Es. condensatori-ribollitori a termosifone per vaporizzare (nei tubi) il fondo di colonne di distillazione. - 4 - Condensatori verticali con condensazione lato tubi. Es. condensazione di vapori organici con richiesta di perdite di carico basse per il fluido condensante. • Non sempre adattabile al “lay-out” dell’impianto. • Possibili problemi di pulizia lato mantello. • Progettazione molto flessibile ed efficiente. Condensatori orizzontali con condensazione lato tubi. Es. condensazione di vapori ad alta pressione. Particolarmente sensibili all’inclinazione perche’ possono dar luogo a fenomeni di “flooding”. Devono essere evitati i multipli passaggi (eventualmente utilizzando tubi a U) lato tubi per il pericolo della separazione del condensato all’estremita’ del fascio e conseguente incerta distribuzione dei flussi nei successivi passaggi. - 5 - Condensatori orizzontali con condensazione lato mantello. • E-shell => e’ il piu’ utilizzato nell’industria petrolifera ed e’ il piu’ economico. Ha relativamente alta perdita di carico. • X-shell => utilizzato per avere basse perdite di carico e con piu’ passaggi lato tubi per approssimare meglio la controcorrente. I maggiori svantaggi risiedono nel costo del distributore. • J-shell => utilizzato per la condensazione di idrocarburi quando e’ richiesta una bassa perdita di carico. Impossibile ottenere una buona approssimazione della controcorrente. - 6 - MECCANISMI DI CONDENSAZIONE Il meccanismo più frequente è del tipo a film anche se Il meccanismo più conveniente, in termini di coefficiente di trasferimento, è del tipo a goccia La condensazione a goccia puo’ essere ottenuta con aggiunta di promotori e/o trattamenti superficiali FILM GOCCE BULK (NEBBIA - 7 - COEFFICIENTI DI TRASFERIMENTO DI CALORE Condensazione controllata dalla gravità (interno e esterno di tubi verticali, piastre verticali) => Teoria di Nusselt (1916) film di condensato in flusso laminare. ( ) 3 1 3 / 1 2 Re 47 . 1 − ( ( ¸ ( ¸ − = µ ρ ρ ρ g k h v L L L c k L = conduttivita’ termica del condensato,W/mC ρ L = densita’ del condensato, kg/m 3 ρ v = densita’ del vapore, kg/m 3 µ = viscosita’ del condensato, Ns/m 2 g = accelerazione di gravita’, 9.81 m/s 2 Calcolo della velocita’ e di Re (per il film di condensato) v = w c A p ρ Re = vρL c µ - 8 - A p => area di passaggio L c => lunghezza caratteristica = d e = 4A p /P P => perimetro bagnato Re = w c ρ4A p A p ρµ P = 4 w c µ P = 4Γ f µ Γ f = w c /P = portata di condensato su perimetro bagnato (unita’ di larghezza della superficie) o t c f d N w π = Γ => esterno tubi verticali i t c f d N w π = Γ => interno tubi verticali Relazione valida per Re < 30 Per Re >30, l’equazione sottostima h c (risultati conservativi) Per la Condensazione di acqua un valore tipico conservativo, per vapore privo di aria, e’: h c = 8000 W/m 2 C - 9 - Condensazione all’esterno di tubi orizzontali. Per un singolo tubo: t c f L w = Γ con L t = lunghezza del tubo h c =1.51k L ρ L ρ L − ρ v ( ) g µ 2 ¸ ( ¸ ( ( 1/ 3 Re − 1 3 Fascio di tubi il condensato delle file superiori interferisce con quello delle file inferiori t t c f N L w = Γ h c =1.51k L ρ L ρ L − ρ v ( ) g µ 2 ¸ ( ¸ ( ( 1/ 3 Re − 1 3 N r − 1 6 N t = numero totale di tubi del fascio N r = numero medio di tubi in una fila verticale (=2/3N r,max ) Condensazione all’interno di tubi orizzontali - 10 - Possono verificarsi due diversi tipi di flusso: stratificato, che si verifica con basse portate di condensato e vapore, o anulare, che si verifica ad elevate portate di vapore e basse portate di condensato. Flusso stratificato (teoria di Nusselt): ( ) 3 1 3 / 1 2 Re 2 . 1 − ( ( ¸ ( ¸ − = µ ρ ρ ρ g k h v L L L c Flusso anulare (corr. Boyko-Kruzhilin) | | ¹ | \ | + = 2 2 / 1 2 2 / 1 1 J J h h l c con J =1+ ρ L − ρ v ρ v ¸ ( ¸ ( x x = frazione in massa di vapore presente 1, 2 condizioni di ingresso e uscita h l e’ il coefficiente lato tubo valutato per flusso monofase del condensato al punto 2 (cioe’ il - 11 - coefficiente che si otterrebbe se il condensato fluisse da solo nel tubo) 43 . 0 8 . 0 Pr Re 021 . 0 | | ¹ | \ | = i L l d k h Nel caso di vapore saturo in ingresso, totalmente condensato all’uscita, si avrebbe: | | | | ¹ | \ | + = 2 1 v L l c h h ρ ρ Nel dimensionamento si utilizza solitamente il valore piu’ grande tra flusso stratificato e anulare - 12 - DESURRISCALDAMENTO E SOTTORAFFREDDAMENTO In questi casi, per entita’ di desurriscaldamento e/o sottoraffreddamento apprezzabili, l’apparecchiatura puo’ essere dimensionata (cfr. Kern) considerandola come composta da due o tre unita’ indipendenti in serie utilizzando nella equazione di progetto le seguenti grandezze medie pesate: U c = U c A c ∑ A c ∑ ∆t = Q q ∆t ∑ U D = Q q U D ∑ CONDENSAZIONE DI MISCELE “La condensazione non e’ isoterma” Es. a. condensazione totale di miscela multicomponente; b. condensazione parziale di miscela multicomponente con tutti i componenti teoricamente condensabili; c. condensazione da un gas incondensabile. - 13 - a. Condensazione totale di miscela multicomponente: Correlazioni per componente puro e fattore di sicurezza (0.7-0.8) b. Condensazione parziale: - metodi approssimati - metodi analitici Regola indicativa: - non-condensabili <0.5%. Si ignora la presenza di incondensabili e si usano i metodi per condensazione totale; - non condensabili >70%. Si considera il trasferimento di calore come dovuto alla sola convezione forzata ma includendo nel carico termico totale il calore latente di condensazione; - non-condensabili tra 0.5 e 70%. Si considerano entrambi i meccanismi di trasferimento. - 14 - PERDITE DI CARICO – FLUSSO BIFASICO La presenza di flusso bifasico rende difficile la valutazione delle perdite di carico in modo accurato. E’ pratica progettuale comune utilizzare i metodi per flusso monofasico e applicare un fattore (0.4-0.5) per tener conto della variazione nella velocita’ del vapore, ovvero si puo’ considerare una portata massica media di vapore, valutata moltiplicando la portata in ingresso per un parametro (Gloyer 1970) dipendente dal rapporto tra vapore entrante e uscente e dal rapporto tra le differenze di temperatura alle estremita’. - 15 - GENERAZIONE DI VAPORE processo di scambio termico con cambiamento di fase Es. - Produzione di energia elettrica con turbine a vapore - Processi di distillazione - Concentrazione di miscele acquose Classificazione delle apparecchiature: - funzione / applicazione - meccanismo di trasferimento FUNZIONE - Caldaia (boiler), nome generico di apparecchiatura che genera vapore - Generatore di vapore (steam generator), termine usualmente utilizzato per impianti di potenza - Ribollitore (reboiler), scambiatori che vaporizzano (in parte) il liquido di fondo delle colonne di distillazione - 16 - - Evaporatore (evaporator) scambiatore per concentrare un liquido vaporizzando l’acqua o il solvente. MECCANISMO DI TRASFERIMENTO DI CALORE - senza ebollizione a nuclei - ebollizione a nuclei - riduzione di pressione (flashing) - contatto diretto con un fluido caldo SORGENTE DI CALORE • combustibile • calore di scarto di processo sotto forma di gas caldo • vapore condensante FORME GEOMETRICHE • fasci di tubi orizzontali o verticali • serpentini elicoidali - 17 - • piatti piani orientati verticalmente CIRCOLAZIONE • ebollizione in “pool” • circolazione naturale • circolazione forzata - 18 - Ribollitori a circolazione forzata (fascio tubiero o piastre) Fluidi sporcanti e viscosi e quando e’ necessaria una elevata velocita’ di circolazione e/o un limitato aumento di temperatura per minimizzare la degradazione termica dei composti. Ribollitore Kettle (in pool) Scambiatore orizzontale a fascio tubiero con ebollizione lato mantello. Circolazione del fluido solitamente di tipo naturale. Diametro del mantello 0.6-3 m. Lunghezza dei tubi 2.4-12 m. Tubi preferibilmente a U. Percentuale di vaporizzazione fino a 80%. Ribollitori a termosifone verticale (fascio tubiero o piastre) Fascio tubiero con vaporizzazione all’interno dei tubi. Lunghezza dei tubi 2.5-5 m. Grado di vaporizzazione l’8-30% - 19 - rapporto di ricircolazione (liquido ricircolato/vapore generato) >3 (fino a 20 nelle applicazioni sotto vuoto) Ribollitori a termosifone orizzontale Presentano solitamente un diaframma trasversale per dividere il liquido e viene lasciato un certo spazio tra il fascio di tubi e la parte superiore del mantello. Alto rapporto di ricircolazione Cambiamento di fase => nel fluido (nucleazione omogenea) => in siti di nucleazione sulla superficie scaldante (cavità) o nel fluido stesso (particelle sospese) - 20 - EBOLLIZIONE IN POOL - 21 - Flusso Critico Equazione di Zuber (modificata per il caso di fascio di tubi): q c = 0.131λ σg ρ L − ρ v ( ) ρ v 2 [ ] 1 4 K b N t P t d 0 | \ | ¹ | | 1 0.131 q c = massimo flusso critico, W/m 2 g = accelerazione di gravita’, 9.81 m/s 2 K b = costante, 0.41-0.44 N t = numero di tubi del fascio P t = passo dei tubi d 0 = diametro esterno dei tubi Equazione di Mostinski: q c = 3.67∗10 4 P c P P c ( ) 0.35 1− P P c ( ) ¸ ( ¸ ( 0.9 - 22 - EBOLLIZIONE CONVETTIVA Vapore Vapore + bolle trascinate Anulare+ trascinamento Anulare A bolle Liquido Convezione Convezione Ebollizione a Nuclei Convettivo attraverso film liquido - 23 - EBOLLIZIONE IN POOL Nuclei Correlazione di Foster e Zuber: h nb = 0.00122 k L 0.79 C pL 0.45 ρ L 0.49 σ 0.5 µ L 0.29 λ 0.24 ρ v 0.24 ¸ ( ¸ ( T w − T s ( ) 0.24 p w − p s ( ) 0.75 h nb = coefficiente di ebollizione a nuclei in “pool”, W/m 2 C k L = conduttivita’ termica del liquido, W/mC C pL = calore specifico del liquido, J/kgC ρ L = densita’ del liquido, kg/m 3 µ L = viscosita’ del liquido, Ns/m 2 λ = calore latente, J/kg ρ v = densita’ del vapore, kg/m 3 σ = tensione superficiale, N/m T w = temperatura di parete, C T s = temperatura di saturazione del liquido bollente, C P w = pressione di saturazione corrispondente alla T w , N/m 2 P s = pressione di saturazione corrispondente alla T s , N/m 2 - 24 - Equazione di Mostinski: h nb = 0.104P c 069 q 0.7 1.8 P P c ( ) 0.17 + 4 P P c ( ) 1.2 +10 P P c ( ) 10 ¸ ( ¸ ( P = pressione operativa, bar P c = pressione critica del liquido, bar q = h nb (T w -T s ) = flusso di calore, W/m 2 - 25 - Ebollizione a film. Equazione di Bromley: h fb = 0.62k k v 3 ρ v ρ L − ρ v ( ) gλ µ v d 0 T w − T s ( ) ¸ ( ¸ ( 1/ 4 dove d 0 va espresso in metri MISCELE Per miscele con intervallo di ebollizione >5C : (h nb ) mix = (h nb ) puro f m f m = exp[-0.0083(T bo -T bi )]. T bo = temperatura della miscela di vapori uscenti, C T bi = temperatura del liquido entrante, C Valori di flusso < 0.7q c Kettle q < 38.000 W/m 2 - 26 - EBOLLIZIONE CONVETTIVA. Metodo di Chen (eboll. convettiva satura) (h cb ) = (h fc ' ) + (h nb ' ). h fc ' = h fc f c . f c = f(1/X tt ) 1 X tt = x 1− x ¸ ( ¸ ( 0.9 ρ L ρ v ¸ ( ¸ ( 0.5 µ v µ L ¸ ( ¸ ( 0.1 x = percentuale in peso di vapore. ' nb h = h nb f s f s = f(N ReL ) Re L = 1− x ( )Gd i µ L