ПЕРЕЛІК ДИСЦИПЛІН:
  • Адміністративне право
  • Арбітражний процес
  • Архітектура
  • Астрологія
  • Астрономія
  • Банківська справа
  • Безпека життєдіяльності
  • Біографії
  • Біологія
  • Біологія і хімія
  • Ботаніка та сільське гос-во
  • Бухгалтерський облік і аудит
  • Валютні відносини
  • Ветеринарія
  • Військова кафедра
  • Географія
  • Геодезія
  • Геологія
  • Етика
  • Держава і право
  • Цивільне право і процес
  • Діловодство
  • Гроші та кредит
  • Природничі науки
  • Журналістика
  • Екологія
  • Видавнича справа та поліграфія
  • Інвестиції
  • Іноземна мова
  • Інформатика
  • Інформатика, програмування
  • Історичні особистості
  • Історія
  • Історія техніки
  • Кибернетика
  • Комунікації і зв'язок
  • Комп'ютерні науки
  • Косметологія
  • Короткий зміст творів
  • Криміналістика
  • Кримінологія
  • Криптология
  • Кулінарія
  • Культура і мистецтво
  • Культурологія
  • Російська література
  • Література і російська мова
  • Логіка
  • Логістика
  • Маркетинг
  • Математика
  • Медицина, здоров'я
  • Медичні науки
  • Міжнародне публічне право
  • Міжнародне приватне право
  • Міжнародні відносини
  • Менеджмент
  • Металургія
  • Москвоведение
  • Мовознавство
  • Музика
  • Муніципальне право
  • Податки, оподаткування
  •  
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

         
     
    Вплив гідродинамічного режиму руху рідких потоків без і з протіканням швидкої хімічної реакції на зовнішній теплообмін
         

     

    Біологія і хімія

    Вплив гідродинамічного режиму руху рідких потоків без і з протіканням швидкої хімічної реакції на зовнішній теплообмін у трубчастих каналах

    Захаров В.П., Мінскер К.С.

    В процесі сірчанокислотного алкілування ізопарафінов олефінамі, поряд з основною реакцією протікають побічні процеси, що призводять до отримання важких вуглеводнів. До таких процесів можна віднести реакцію полімеризації з отриманням високомолекулярних продуктів, реакцію деструктивного алкілування, реакції, що протікають з утворенням нормальних парафінів, нафтенів, автоалкілірованія ізопарафінов та ін [1]. Це в значній мірі відбивається на виході і як алкілата.

    При русі рідких потоків у трубчастих каналах розповсюдження тепла в основному відбувається за рахунок теплопровідності і вимушеної конвекції. Перенесення тепла тим інтенсивніше, ніж більш турбулентному рухається рідкий потік в трубчастих апаратах струминного типу, тобто чим енергійніше здійснюється перемішування рідини. Для інтенсифікації конвективного теплообміну бажано, щоб теплової прикордонний шар був можливо тонше [1]. З розвитком турбулентності потоку прикордонний шар стає настільки тонкою, що конвекція починає робити переважний вплив на теплообмін. Це особливо актуально при проведенні швидких екзотермічні хімічних реакцій в реакторах нового типу - трубчастих турбулентних апаратах, що працюють в режимі квазіідеального витіснення в турбулентних потоках [2], що відрізняються від відомих типів апаратів змішування і витіснення.

    Трубчасті апарати характеризуються тим, що в них можна формувати будь-які гідродинамічні режими руху потоків: ламінарний (Re <2300), перехідний (2500 35000) (рис. 1), що відрізняються різною інтенсивністю тепло-та масообмінних процесів.

    Метою роботи був аналіз ефективності теплообміну в однотрубних і кожухотрубні апаратах при русі рідких потоків без і з протіканням швидкої екзотермічної хімічної реакції при різних гідродинамічних режимах.

    При проведення швидких екзотермічні хімічних реакцій (kі102 ± 1 л/мольЧс) в трубчастих апаратах струминного типу будь-якої конструкції завдання розрахунку при зовнішньому теплос'еме спрощується, бо з'їм тепла в зоні реакції практично неможливий, тому що характерний час реакції TХ <0,1-0,001 і зона реакції Lх <1 мм. Тому зовнішній знімання тепла реалізується тільки після завершення швидкого хімічного процесу, і трубчасті апарати у виробництві працюють практично як теплообмінники, що визначає додатковий пріоритет у виборі трубчастою конструкції реакторів при проведенні дуже швидких хімічних процесів в порівнянні з об'ємними апаратами змішання [3].

    В загальному випадку, зовнішній знімання тепла залежить від теплових (питомої теплоємності СР, теплопровідності l, коефіцієнта об'ємного розширення b) і фізико-хімічних властивостей (r щільності, в'язкості m), а також режиму течії рідкого потоку (швидкості руху V, коефіцієнта турбулентної дифузії Dт, критерію Re) і геометричних параметрів трубчастого апарату (його радіуса R, довжини L, конструкції).

    При включенні зовнішнього охолодження при будь-якому режимі руху рідких потоків (у припущенні, що температура внутрішньої стінки трубчастого апарату Тх постійна) перепад температури DТ = Тм-Тр по довжині зони охолодження Lохл в апараті від максимальної температури Тм до потрібної температури в апараті Тр визначається співвідношенням (1) [4]:

    . (1)

    Тут Тм = Т0 при перебігу рідких потоків без хімічної реакції і Тм = Т0 + DТад у випадку протікання швидкої хімічної реакції; Т0 - початкова температура рідких потоків, подаються в трубчастий апарат; DТад - Адіабатичний підйом температури в зоні реакції; a-коефіцієнт тепловіддачі (Вт/м2Чград).

    Вирішуючи (1) щодо Lохл, можна оцінити мінімальну довжину зони охолодження при зовнішньому теплос'еме, необхідну для підтримки в трубчастих апараті заданої температури Тр:

    (2)

    При розрахунку ефективності теплос'ема в реальних умовах визначальне значення має коефіцієнт тепловіддачі a, що залежить від гідродинамічного режиму роботи апарату: ламінарний, перехідний, турбулентний.

    При ламінарному режимі течії рідини в трубчастих каналах (Re <2300) [1]:

    (3)

    де MХ, Lх, Срх - в'язкість, теплопровідність і теплоємність потоку при температурі стінки Тх.

    При перехідному режимі (Re ~ 2500-7000) [5]:

     (5)

    звідки

    (6)

    При турбулентному режимі течії рідини в трубчастих каналах (Re> 35000) [5]:

    (7)

    і

    (8)

    При переході від ламінарного до турбулентному режимом течії рідких потоків при умові постійних продуктивності процесу W (вибрана W = VЧpЧR2 = 10,3 м3/ч), довжина зони охолодження помітно зменшується (рис. 1).

    Як слідство, і це важливо, збільшення чисельних значень Re з 2300 до 4Ч104 при постійній продуктивності процесу призводить до зниження обсягу трубчастих теплообмінних апаратів, в Зокрема, для води в 1000 разів, для Хлоретилу (при протіканні швидкої хімічної реакції гідрохлорірованія етилену в трубчастих апараті [2]) в 300 разів. При нестійкому (перехідному) режимі роботи трубчастих апаратів необхідна довжина зони охолодження Lохл різко зростає навіть в порівнянні з ламінарним режимом течії рідких потоків, що завжди слід мати на увазі при експлуатації теплообмінної апаратури. Крім того, при проведенні швидких хімічних процесів (катіонна полімеризація ізобутілену, нейтралізація кислих середовищ та ін) в трубчастих апаратах довжина зони реакції Lхім, як правило, не перевищує декількох см., а часто і часткою см. (для гідрохлорірованія етилену Lхім »10-4 м). Для здійснення подібних процесів можна рекомендувати використання трубчастих апаратів з співвідношенням L/R <100, що визначає підвищення ефективності зовнішнього теплообміну (коефіцієнта тепловіддачі) до 1,65 разів [1].


    Рис. 1 Залежність довжини зони охолодження Lохл і коефіцієнта тепловіддачі a від гідродинамічного режиму робота трубчастого апарату: для води (г) (теплообмін) і Хлоретилу (·) (теплообмін після протікання хімічної реакції рідиннофазної гідрохлорірованія етилену) при постійній продуктивності (10,34 м3/ч). (Тм = 374 К; Т0 = 278 К; Тр = 293 К; Тх = 283 К).

    Додатковим перевагою роботи теплообмінної апаратури при зовнішньому теплос'еме в трубчастих каналах при турбулентному режимі є можливість формування у апараті автомодельного режиму руху рідких потоків по відношенню до Re [1, 6].

    В автомодельного режимі роботи трубчастих апаратів осредненние характеристики турбулентного потоку (Турбулентна енергія К, її дисипації e, коефіцієнт турбулентної дифузії Dт тощо) не залежать від значень в'язкості рухається потоку, що створює сприятливі умови для здійснення як швидких хімічних, так і теплообмінних процесів. Помітного зниження значення Re, при якому настає Автомодельний режим руху рідини, можна досягти, використовуючи трубчасті апарати дифузор-конфузорной конструкції [3].

    Крім того, використання дифузор-конфузорной конструкції трубчастою теплообмінної апаратури, що працює у високо турбулентному режимі, у порівнянні з гладкими трубами дозволяє в 1,5-2,5 разів зменшити поверхню теплообміну [7]. Ця особливість дозволяє з високою ефективністю і помітною економією енергоресурсів використані трубчасті апарати, що працюють в турбулентному режимі, в якості теплообмінників для охолодження або нагрівання рідких потоків, у тому числі і в умовах турбулентного руху високов'язких рідких середовищ (розчини полімерів, хлорування бутилкаучуку та ін) при достатньо низьких значеннях критерію Рейнольдса (Re <950 ± 50).

    З рівнянь (2), (4), (6) і (8) видно, що довжина зони охолодження Lохл, а значить, і технологічність апаратів при всіх режимах руху потоків знижується при зменшенні радіусу апарату R, що небажано, бо знижується продуктивність процесу в цілому.

    В метою радикального поліпшення параметрів, необхідних для ефективного протікання теплообмінних процесів при зовнішньому теплос'еме, можливо використовувати кожухотрубні апарати, що складаються з пучка N труб малого діаметру, омивані холодоагентом.

    Тоді для кожухотрубні апаратів при ламінарному режимі течії рідини маємо:

    (9)

    при перехідному режимі течії рідини в трубчастих каналах:

    (10)

    при турбулентному режимі течії рідини:

    (11)

    Дроблення потоку при використанні кожухотрубні апаратів на N потоків при збереженні перетину труб S в порівнянні з однотрубних апаратом при однаковій продуктивності процесу дозволяє різко (в десятки разів) зменшити протяжність зони охолодження Lохл, що робить процес теплообміну вельми технологічним і технічно простим. Наприклад, при охолодженні води (умови з рис. 1) у однотрубної апараті з R = 0,2 м при ламінарному режимі течії потоків (Re = 2300) довжина зони охолодження дорівнює 324,2 м і за турбулентному режимі (Re = 35000) - 167,3 м; для кожухотрубного теплообмінного апарата з N = 400 і R = 0,01 м Lохл зменшується до 5,4 м і 4,6 м, відповідно, тобто в 40-60 разів.

    Таким чином, при технологічному оформленні теплообмінних процесів, в тому числі і при протіканні досить швидких екзотермічні хімічних реакцій в трубчастих каналах, необхідно формувати турбулентний режим руху потоків. Це забезпечує суттєве зниження габаритів і металоємності теплообмінної апаратури поряд зі значним збільшенням продуктивності процесу. Додаткові переваги (в першу чергу, за рахунок зменшення Lохл) забезпечуються при використанні кожухотрубні теплообмінних апаратів з числом трубчастих каналів N.

    Список літератури

    Касаткін А.Г. Основні процеси та апарати хімічної технології. М.: Хімія, 1971. 784 с.

    Берлін А.А., Мінскер К.С., Дюма К.М. Нові уніфіковані енерго-та ресурсозберігаючі високопродуктивні технології підвищеної екологічної чистоти на основі трубчастих турбулентних реакторів. М.: НІІТЕХІМ, 1996. 188 с.

    Берлін А.А., Мінскер К.С., Захаров В.П.// Доповіді АН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.

    Берлін А.А., Мінскер К.С.// Доповіді АН. 1997. Т. 355. № 3. С. 346-348.

    Флореа О., Смігельскій О. Розрахунки з процесів та апаратів хімічної технології. М.: Хімія, 1977. 448 с.

    Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретична фізика. Т. 6: Гідродинаміка. М.: Наука. 1988. С. 184-193.

    Дрейцер Г.А.// Теплоенергетика. 1995. № 3. С. 11-18.

    Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.bashedu.ru

         
     
         
    Реферат Банк
     
    Рефераты
     
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

     

     
     
     
      Все права защищены. Reff.net.ua - українські реферати !