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

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). 

Как следствие, и это важно, увеличение численных значений Re с 2300 до 4Ч104 при постоянной производительности процесса приводит к снижению объема трубчатых теплообменных аппаратов, в частности, для воды в 1000 раз, для хлорэтила (при протекании быстрой химической реакции гидрохлорирования этилена в трубчатом аппарате [2]) в 300 раз. При неустойчивом (переходном) режиме работы трубчатых аппаратов необходимая длина зоны охлаждения Lохл резко возрастает даже по сравнению с ламинарным режимом течения жидких потоков, что всегда следует иметь в виду при эксплуатации теплообменной аппаратуры. Кроме того, при проведении быстрых химических процессов (катионная полимеризация изобутилена, нейтрализация кислых сред и др.) в трубчатых аппаратах длина зоны реакции Lхим, как правило, не превышает нескольких см., а часто и долей см. (для гидрохлорирования этилена Lхим»10-4 м). Для осуществления подобных процессов можно рекомендовать использование трубчатых аппаратов с соотношением L/R<100, что определяет повышение эффективности внешнего теплообмена (коэффициента теплоотдачи) до 1,65 раз [1].

Рис. 1 Зависимость длины зоны охлаждения Lохл и коэффициента теплоотдачи a от гидродинамического режима работа трубчатого аппарата: для воды (ґ) (теплообмен) и хлорэтила (·) (теплообмен после протекания химической реакции жидкофазного гидрохлорирования этилена) при постоянной производительности (10,34 м3/ч). (Тм=374 К; Т0=278 К; Тр=293 К; Тх=283 К).

Дополнительным преимуществом работы теплообменной аппаратуры при внешнем теплосъеме в трубчатых каналах при турбулентном режиме является возможность формирования в аппарате автомодельного режима движения жидких потоков по отношению к Re [1, 6]. 

В автомодельном режиме работы трубчатых аппаратов осредненные характеристики турбулентного потока (турбулентная энергия К, ее диссипация e, коэффициент турбулентной диффузии Dт и др.) не зависят от значений вязкости движущегося потока, что создает благоприятные условия для осуществления как быстрых химических, так и теплообменных процессов. Заметного снижения значения Re, при котором наступает  автомодельный режим движения жидкости, можно достичь, используя трубчатые аппараты диффузор-конфузорной конструкции [3]. 

Кроме того, использование диффузор-конфузорной конструкции трубчатой теплообменной аппаратуры, работающей в высоко турбулентном режиме, по сравнению с гладкими трубами позволяет в 1,5-2,5 раз уменьшить поверхность теплообмена [7]. Эта особенность позволяет с высокой эффективностью и заметной экономией энергоресурсов использовать трубчатые аппараты, работающие в турбулентном режиме, в качестве теплообменников для охлаждения или нагревания жидких потоков, в том числе и в условиях турбулентного движения высоковязких жидких сред (растворы полимеров, хлорирование бутилкаучука и др.) при достаточно низких значениях критерия Рейнольдса (Re<950±50).

Из уравнений (2), (4), (6) и (8) видно, что длина зоны охлаждения Lохл, а значит, и технологичность аппаратов при всех режимах движения потоков снижается при уменьшении радиуса аппарата R, что нежелательно, ибо снижается производительность процесса в целом. 

В целях радикального улучшения параметров, необходимых для эффективного протекания теплообменных процессов при внешнем теплосъеме, возможно использовать кожухотрубные аппараты, состоящие из пучка N труб малого диаметра, омываемые хладагентом. 

Тогда для кожухотрубных аппаратов при ламинарном режиме течения жидкости имеем:

      (9)

при переходном режиме течения жидкости в трубчатых каналах:

       (10)

при турбулентном режиме течения жидкости:

      (11)

Дробление потока при использовании кожухотрубных аппаратов на N потоков при сохранении сечения труб S по сравнению с однотрубным аппаратом при одинаковой производительности процесса позволяет резко (в десятки раз) уменьшить протяженность зоны охлаждения Lохл, что делает процесс теплообмена весьма технологичным и технически простым. Например, при охлаждении воды (условия из рис. 1) в однотрубном аппарате с R=0,2 м при ламинарном режиме течения потоков (Re=2300) длина зоны охлаждения равна 324,2 м и при турбулентном режиме (Re=35000) – 167,3 м; для кожухотрубного теплообменного аппарата с N=400 и R=0,01 м Lохл уменьшается до 5,4 м и 4,6 м, соответственно, т.е. в 40-60 раз. 

Таким образом, при технологическом оформлении теплообменных процессов, в том числе и при протекании весьма быстрых экзотермических химических реакций в трубчатых каналах, необходимо формировать турбулентный режим движения потоков. Это обеспечивает существенное снижение габаритов и металлоемкости теплообменной аппаратуры наряду со значительным увеличением производительности процесса. Дополнительные преимущества (в первую очередь, за счет уменьшения Lохл) обеспечиваются при использовании кожухотрубных теплообменных аппаратов с числом трубчатых каналов N.

Список литературы

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. 784 с.

Берлин А.А., Минскер К.С., Дюмаев К.М. Новые унифицированные энерго- и ресурсосберегающие высокопроизводительные технологии повышенной экологической чистоты на основе трубчатых турбулентных реакторов. М.: НИИТЭХИМ, 1996. 188 с.

Берлин А.А., Минскер К.С., Захаров В.П. // Доклады АН. 1999. Т. 365. № 3. С. 360-363.

Берлин А.А., Минскер К.С. // Доклады АН. 1997. Т. 355. № 3. С. 346-348.

Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. М.: Химия, 1977. 448 с.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6: Гидродинамика. М.: Наука. 1988. С. 184-193.

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