Проектирование и оборудование предприятий нефтехимии (9)
1 ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Теплообменное оборудование является составной частью любого технологического процесса и служит для теплоподвода или теплосъема на стадиях переработки технологических потоков. Теплообмен может быть осуществлен двумя способами: • Теплопередачей через стенку, разделяющую разнотемпературные потоки, которые по условиям процесса нельзя смешивать. • Смешением двух потоков с различной температурой, например, потоков сырья на входе в реактор. Расчет теплопередачи через стенку требует определить количество тепла и поверхности стенки. Уравнение теплового баланса процесса: Q = Q 1 = Q 2; Q = G 1 C 1 T 1 = G 2 C 2 T 2 Основное уравнение конвективной теплопередачи: Q=S K T
2 Где Q – тепловая нагрузка теплообменного аппарата; G 1, G 2 – массовые расходы горячего и холодного потоков; С 1, С 2 – удельные теплоемкости потоков; T 1, T 2 – разности температур потоков на входе и выходе из зоны теплообмена; S – поверхность теплопередающей стенки; K – коэффициент теплопередачи через стенку; T – средний температурный напор теплообменной системы в целом Величина среднего температурного напора Т определяется температурными характеристиками и формирования потоков в системе: прямотоком или противотоком потоков в системе Т = ( ТБ - ТМ)/ln( ТБ / ТМ) Где ТБ и ТМ – большая и меньшая разность температур между горячим и холодным потоками по краям системы теплообмена.
3 Найдем эту разность. прямоток противоток Горячий поток Tгн Tгк Tхн Tхк Tхн Холодный поток ТБ = ТГН - ТХН ; ТМ = ТГК – ТХК; Холодный поток ТБ = ТГК - ТХН ; ТМ = ТГН – ТХК; Если отношение ТБ / ТМ меньше двух, то Т рассчитывается как: Т = ( ТБ + ТМ)/2 Коэффициент теплопередачи через стенку рассчитывается по формуле: К = 1 / ( 1/ 1 + / + 1/ 2 ) где 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного потоков, определяемые по критериальным уравнениям; и – толщина и коэффициент теплопроводности материала теплопередающей стенки.
4 Расчет теплообмена при смешении проводится по уравнению теплового баланса: QСМ = GСМ CСМ(TСМ) TСМ = Q 1 + Q 2 = G 1 C 1(T 1) T 1 + G 2 C 2(T 2) T 2 Где TСМ , T 1, Т 2 – температуры суммарного, горячего и холодного потоков; GСМ = G 1 + G 2; Ci=ai+bi. T+ci. T 2+di. T 3. Величина ТСМ находится при решении нелинейного уравнения: Ф = QСМ – GСМ CСМ(TСМ) TСМ = 0 Ф T 2 T 1 T
5 ТЕПЛООБМЕН В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ Химические процессы всегда сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Тепловой эффект процесса химического превращения вещества может вызвать заметное изменение температуры в реакционном объеме аппарата. Это изменение влияет на условия равновесия химического процесса (равновесный выход), скорость процесса, степень превращения и состав продуктов реакции. Для определения тепловой устойчивой работы реактора, распределения температур в его реакционном объеме, а также для количественной оценки и обоснования выбора теплового режима и способа теплообмена в нем, необходимо строгое согласование энергетического и материального балансов в расчете реактора. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ 1. Для адиабатического режима работы реактора идеального смешения периодического действия : V CP(d. T/d )=V R (- Hr) Зависимость между изменениями температуры и степенью превращения, T-To=[(- Hr)Co. X/( CP)] и между степенью превращения и предельными температурами: X=(T-To)/(Tмax-To)
6 Где V — объем реактора, м 3; R — скорость реакции, кмоль/(м 3 с); Hr — тепловой эффект реакции, к. Дж/кмоль; — средняя плотность реагирующих веществ, кг/м 3; СР - средняя удельная теплоемкость реагирующих веществ, к. Дж/(кг К); Со — начальная концентрация исходных веществ, кмоль/м 3; Х — степень превращения; То — начальная температура, К ; Т — текущая температура, К; Тмах — предельная температура, К; — время, с. 2. Для адиабатического режима работы реактора идеального смешения непрерывного действия : QР = QКОНВ Теплота реакции (в к. Вт=к. Дж/с): QР = (- Hr)Co. Vо Теплота, переносимая конвективным потоком (в к. Вт=к. Дж/с): QКОНВ= Vо( CP) Т Где Vо - объемная скорость подачи исходных веществ, м 3/с; Т - разность между температурой в реакторе и начальной температурой, К или °С. 3. В случае экзотермической необратимой реакции первого порядка: QР = kо. VCo(- Hr)/[exp(E/(RT)+ kо. V/Vо]
7 Пусть на поверхности катализатора протекает экзотермическая реакция первого порядка с тепловым эффектом Qp. Тогда материальный и тепловой балансы можно выразить уравнениями: Зависимость коэффициентов массо- ( ) и теплоотдачи ( ) зависит от скорости потока и физических свойств реагента выражается следующими полуэмпирическими критериальными уравнениями: Где Sh и Nu – критерии Шервуда и Нуссельта; Re=UL/ - критерий Рейнольдса; Sс= /D – критерий Шмидта; Pr= Cp/ = /aт – критерий Прандтля; А – коэффициент пропорциональности; n, m – показатели степеней; U – скорость потока; L – характерный линейный размер; и aт – коэффициенты тепло- и температуропроводности; – коэффициент кинематической вязкости; – плотность потока; Cp – удельная теплоемкость потока.
8 Для идеальных газов считается, что D a. Т . Тогда из критериальных уравнений следует соотношение: /D= /. Умножив левую и правую части этого соотношения на СР, получим = СР. Определив концентрацию реагента у поверхности по уравнению материального баланса и подставив ее в уравнение теплового баланса, с учетом соотношения = СР получим: Где ТАД – величина адиабатического разогрева, т. е. та температура, на которую разогреется реакционная смесь с концентрацией реагента СО, если произойдет его полное превращение при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Левая часть этого уравнения характеризует теплоотвод (q 1), правая часть – тепловыделение (q 2). Это уравнение удобно решать графически (РИСУНОК ), определяя искомую температуру Tf как абсциссу точки пересечения кривой тепловыделения и прямой теплоотвода. Таким образом, мы проиллюстрировали типичное явление гистерезиса: скорость процесса зависит не только от условий, действующих в данный момент, но и от предыдущего состояния системы.
9 Вывод уравнений теплового баланса основан на методе Шваба-Зельдовича. Для стационарного течения в условиях постоянства давления уравнение сохранения энергии для реактора вытеснения имеет вид: Зависящие от температуры значения энтальпий компонентов ( Hi, ккал/кмоль) рассчитываются через опорные значения по уравнению Частично продифференцировав первое уравнение получим: Умножив уравнение материального баланса на Hi и просуммировав по i, получим:
10 Вычтем это уравнение из предыдущего. Первое слагаемое сократится, а второе преобразуется в следующее уравнение: в котором введена средняя удельная теплоемкость реакционной смеси (Ср): Если процесс протекает в реакторе с теплосъемом, то в уравнениях появляется дополнительный источник: x Sx(Tx–T). Тогда, учитывая, что тепловые эффекты реакций Qj= , получим уравнение теплового баланса для реактора идеального вытеснения: Tj=Qj/Cp с граничными условиями – при l = 0: Т=То
Скачать презентацию Проектирование и оборудование предприятий нефтехимии 9 1
L-Proektir-9.ppt