Влияние гидродинамического режима движения жидких потоков без и с протеканием быстрой химической реакции на внешний теплообмен в трубчатых каналах

Захаров В.П., Минскер К.С.

В процессе сернокислотного алкилирования изопарафинов олефинами, наряду с основной реакцией протекают побочные процессы, приводящие к получению тяжелых углеводородов. К таким процессам можно отнести реакцию полимеризации с получением высокомолекулярных продуктов, реакцию деструктивного алкилирования, реакции, протекающие с образованием нормальных парафинов, нафтенов, автоалкилирования изопарафинов и др. [1]. Это в значительной степени отражается на выходе и качестве алкилата.

При движении жидких потоков в трубчатых каналах распространение тепла в основном происходит за счет теплопроводности и вынужденной конвекции. Перенос тепла тем интенсивнее, чем более турбулентно движется жидкий поток в трубчатых аппаратах струйного типа, т.е. чем энергичнее осуществляется перемешивание жидкости. Для интенсификации конвективного теплообмена желательно, чтобы тепловой пограничный слой был возможно тоньше [1]. С развитием турбулентности потока пограничный слой становится настолько тонким, что конвекция начинает оказывать преобладающее влияние на теплообмен. Это особенно актуально при проведении быстрых экзотермических химических реакций в реакторах нового типа - трубчатых турбулентных аппаратах, работающих в режиме квазиидеального вытеснения в турбулентных потоках [2], отличающихся от известных типов аппаратов смешения и вытеснения.

Трубчатые аппараты характеризуются тем, что в них можно формировать любые гидродинамические режимы движения потоков: ламинарный (Re<2300), переходный (2500<Re<7000) и турбулентный (Re>35000) (рис. 1), отличающиеся  различной интенсивностью тепло- и массообменных процессов.

Целью работы являлся анализ  эффективности теплообмена в однотрубных и кожухотрубных аппаратах при движении жидких потоков  без и с протеканием быстрой экзотермической химической  реакции при различных гидродинамических режимах.

При проведении быстрых экзотермических химических реакций (kі102±1 л/мольЧс) в трубчатых аппаратах струйного типа любой конструкции задача расчета при внешнем теплосъеме упрощается, ибо съем тепла в зоне реакции практически невозможен, так как характерное время реакции tх<0,1-0,001 и зона реакции Lх<1 мм. Поэтому внешний теплосъем реализуется только после завершения быстрого химического процесса, и трубчатые аппараты в производстве работают практически как теплообменники, что определяет дополнительный приоритет в выборе трубчатой конструкции реакторов при проведении весьма быстрых химических процессов по сравнению с объемными аппаратами смешения [3].

В общем случае, внешний теплосъем зависит от тепловых (удельной теплоемкости Ср, теплопроводности l, коэффициента объемного расширения b) и физико-химических свойств (плотности r, вязкости m), а также режима течения жидкого потока (скорости движения V, коэффициента турбулентной диффузии Dт, критерия Re) и геометрических параметров трубчатого аппарата (его радиуса R, длины L,  конструкции). 

При включении внешнего охлаждения при любом режиме движения жидких потоков (в предположении, что температура внутренней стенки трубчатого аппарата Тх постоянна) перепад температуры DТ=Тм-Тр по длине зоны охлаждения Lохл в аппарате от максимальной температуры Тм до требуемой температуры в аппарате Тр определяется соотношением (1) [4]:

.      (1)

Здесь Тм=Т0 при течении жидких потоков без химической реакции и Тм=Т0+DТад в случае протекания быстрой химической реакции; Т0 – начальная температура жидких потоков, подаваемых в трубчатый аппарат; DТад – адиабатический подъем температуры в зоне реакции; a-коэффициент теплоотдачи (Вт/м2Чград).

Решая (1) относительно Lохл, можно оценить минимальную длину зоны охлаждения при внешнем теплосъеме, необходимую для поддержания в трубчатом аппарате заданной температуры Тр:

                 (2)

При расчете эффективности теплосъема в реальных условиях определяющее значение имеет коэффициент теплоотдачи a, зависящий от гидродинамического режима работы аппарата: ламинарный, переходный, турбулентный.

При ламинарном режиме течения жидкости в трубчатых каналах (Re<2300) [1]:

(3)

где mх, lх, Срх – вязкость, теплопроводность и теплоемкость потока при температуре стенки Тх.

При переходном режиме (Re~2500-7000) [5]:

                      (5)

откуда

              (6)

При турбулентном режиме течения жидкости в трубчатых каналах (Re>35000) [5]:

                               (7)

и

            (8)

При переходе от ламинарного к турбулентному режиму течения жидких потоков при условии постоянства производительности процесса W (выбрано W=VЧpЧR2=10,3 м3/ч), длина зоны охлаждения заметно уменьшается (рис. 1).

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки