Συντάχθηκε 25-05-2026 13:03
Τόπος: Γ3 - Κτίριο Γ3, Γ3.1.17
Έναρξη: 28/05/2026 11:00
Λήξη: 28/05/2026 12:00
ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Ημερομηνία: Πέμπτη, 28 Μαΐου 2026, 11:00
Αίθουσα: Γ3.1.17
Ονοματεπώνυμο: ΒΙΛΤΑΝΙΩΤΗ ΡΟΔΟΠΗ
Θέμα: Σχεδιασμός Συσκευών Διεργασίας: Ανάπτυξη ενός υπολογιστικού εργαλείου για την εκτίμηση μεγεθών και μεταβλητών λειτουργίας
Title: Process Equipment Design: Development of a calculation tool for estimating sizes and key operation variables
Εξεταστική Επιτροπή
- ΙΨΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής (επιβλέπων)
- ΚΟΝΣΟΛΑΚΗΣ ΜΙΧΑΗΛ, Καθηγητής
- ΚΟΜΝΙΤΣΑΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ, Καθηγητής
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον προκαταρκτικό σχεδιασμό και την αξιολόγηση της απόδοσης βασικού εξοπλισμού διεργασιών, μέσω της ανάπτυξης ενός υπολογιστικού πλαισίου για την εκτίμηση κρίσιμων παραμέτρων σχεδιασμού. Στόχος της μελέτης είναι η διαμόρφωση μιας συστηματικής μεθοδολογίας που να επιτρέπει, ήδη από τα αρχικά στάδια ανάπτυξης μιας διεργασίας, τον αξιόπιστο προσδιορισμό γεωμετρικών χαρακτηριστικών, λειτουργικών συνθηκών και ενεργειακών απαιτήσεων. Για τον σκοπό αυτό αξιοποιούνται θεωρητικά μοντέλα, εμπειρικές συσχετίσεις και δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας, ενώ η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων επιτρέπει τη διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων και λειτουργικών συνθηκών στη συμπεριφορά του εξοπλισμού. Η ανάλυση των δοχείων διαχωρισμού βασίζεται στις αρχές της μηχανικής ρευστών και της φυσικής πολυφασικών συστημάτων. Η διαστασιολόγηση κατακόρυφων και οριζόντιων διαχωριστών αερίου–υγρού πραγματοποιείται με γνώμονα την εξασφάλιση επαρκούς χρόνου παραμονής και κατάλληλων ταχυτήτων ροής, ώστε να αποφεύγεται η συμπαράσυρση σταγονιδίων και να επιτυγχάνεται αποτελεσματικός διαχωρισμός των φάσεων. Για τον προσδιορισμό της κρίσιμης ταχύτητας εφαρμόζονται εμπειρικές συσχετίσεις, ενώ παράλληλα επιβάλλονται γεωμετρικοί περιορισμοί που διασφαλίζουν τη λειτουργική επάρκεια του εξοπλισμού. Στους διαχωριστές υγρού–υγρού, η μελέτη επικεντρώνεται στη δυναμική καθίζησης και ανόδου των σταγονιδίων σύμφωνα με τον νόμο του Stokes, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορές πυκνότητας και ιξώδους των δύο φάσεων. Μέσω κατάλληλων αδιάστατων παραμέτρων εκτιμάται η διασκορπισμένη φάση και προσδιορίζονται ο απαιτούμενος χρόνος διαχωρισμού και οι διαστάσεις του δοχείου. Ο προκαταρκτικός σχεδιασμός εναλλακτών θερμότητας βασίζεται στην εφαρμογή ενεργειακών ισοζυγίων και στη χρήση της λογαριθμικής μέσης διαφοράς θερμοκρασίας, σε συνδυασμό με διορθωτικούς συντελεστές για μη ιδανικές συνθήκες ροής. Η μεθοδολογία επιτρέπει τον υπολογισμό της απαιτούμενης επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας, λαμβάνοντας υπόψη τον συνολικό συντελεστή μεταφοράς και τις θερμικές αντιστάσεις των επιμέρους φάσεων. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάλυση πολυζωνικών θερμικών διεργασιών, όπως η εξάτμιση και η υπερθέρμανση, όπου αναδεικνύεται η σημασία της ξεχωριστής αντιμετώπισης κάθε θερμικού σταδίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η περιοχή υπερθέρμανσης επηρεάζει σημαντικά το συνολικό μέγεθος του εναλλάκτη, λόγω των χαμηλών συντελεστών μεταφοράς θερμότητας στην αέρια φάση και της περιορισμένης θερμοκρασιακής διαφοράς. Η θερμοδυναμική ανάλυση των συμπιεστών πραγματοποιείται μέσω σύγκρισης ιδανικών ισεντροπικών και πραγματικών διεργασιών συμπίεσης, επιτρέποντας την εκτίμηση του απαιτούμενου έργου και της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης. Η ενσωμάτωση της απόδοσης τόσο του συμπιεστή όσο και του κινητήρα οδηγεί σε πιο ρεαλιστική προσέγγιση της απαιτούμενης ισχύος λειτουργίας. Παράλληλα, εξετάζεται η χρήση πολυσταδιακής συμπίεσης με ενδιάμεση ψύξη, η οποία συμβάλλει στη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης και της θερμοκρασίας εκφόρτισης. Η ανάλυση καταδεικνύει τη σημαντική επίδραση του λόγου συμπίεσης, των συνθηκών εισόδου και των φυσικών ιδιοτήτων του αερίου στις ενεργειακές απαιτήσεις και στη συνολική λειτουργία του εξοπλισμού. Ο σχεδιασμός αναδευόμενων δοχείων προσεγγίζεται μέσω γεωμετρικών αναλογιών και αδιάστατων αριθμών που περιγράφουν τη ροή και την κατανάλωση ισχύος. Ο αριθμός Reynolds και ο αριθμός ισχύος χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό του καθεστώτος ροής και τον υπολογισμό της απαιτούμενης ισχύος ανάδευσης, ενώ εξετάζεται και η επίδραση του ιξώδους στη μετάβαση μεταξύ στρωτής και τυρβώδους ροής. Επιπλέον, η εκτίμηση του χρόνου ανάμιξης αποτελεί βασικό κριτήριο αξιολόγησης της αποδοτικότητας της διεργασίας. Η μελέτη δείχνει ότι η αύξηση του ιξώδους συνεπάγεται σε υψηλότερες ενεργειακές απαιτήσεις και μεταβολή του μηχανισμού ανάμιξης, γεγονός που καθιστά κρίσιμη την κατάλληλη επιλογή αναδευτήρα και γεωμετρίας δοχείου.
Abstract
This thesis presents the preliminary design and performance evaluation of key process equipment commonly encountered in chemical engineering and industrial processing systems. The main objective is the development of a structured computational and engineering framework capable of estimating essential design parameters, operating conditions, and approximate equipment requirements during the early stages of process development. The methodology combines theoretical models, engineering correlations, and data obtained from literature and practical calculations in order to provide reliable preliminary design estimations. The study begins with the analysis and design of phase-separation vessels, including vertical and horizontal gas–liquid separators as well as liquid–liquid separation vessels (decanters). The design methodology is based on the fundamental principles of multiphase flow and fluid mechanics, taking into account parameters such as residence time, droplet settling velocity, density differences between phases, and flow behavior inside the vessel. Established engineering correlations and design equations are employed to estimate the main vessel dimensions and the operating constraints required for efficient phase separation. Computational examples are also presented to demonstrate the design procedure and to examine the influence of varying operating conditions on separator performance. The work then focuses on the preliminary design of heat exchangers, with emphasis on shell-and-tube heat exchanger configurations widely used in industrial thermal processes. The analysis is founded on fundamental heat transfer principles, including overall energy balances, the logarithmic mean temperature difference (LMTD), and correction factors that account for non-ideal flow arrangements. These methods are applied to estimate the required heat transfer area and evaluate the thermal performance of the exchanger. A detailed case study involving the heating and vaporization of ethylbenzene is included to illustrate the practical implementation of the proposed design methodology and the associated thermal calculations. Subsequently, the thesis examines the thermodynamic analysis and preliminary design considerations of compressors. The study evaluates compression work, shaft power requirements, and total energy consumption under different operating conditions by comparing ideal isentropic compression with real compression behavior. Particular attention is given to multistage compression systems with intercooling, which are commonly used to improve efficiency and reduce power demand in industrial applications. The analysis highlights the effect of pressure ratio, inlet conditions, and gas properties on compressor performance and provides guidance for the selection of suitable compressor configurations. The final part of the study addresses the preliminary design of agitated vessels used in mixing, reaction, and mass transfer operations. The analysis includes the evaluation of geometric design ratios, impeller power consumption, and mixing time estimations using dimensionless correlations and flow characterization methods. Emphasis is placed on the influence of fluid viscosity, flow regime, and impeller type on mixing efficiency and energy requirements. The results demonstrate the significant impact of fluid properties on the hydrodynamic behavior and operational performance of stirred systems. Overall, this thesis establishes a coherent and technically supported framework for the preliminary design and evaluation of major process equipment. By combining theoretical analysis with computational implementation, the proposed methodology provides useful engineering guidance for the estimation of key design parameters and supports decision-making during the early stages of process and equipment development.
