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

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:

Перейти на страницу:
1 2 3

Технология выращивания огурцов. Сорт «Водолей»
Технология выращивания огурцов. Сорт «Водолей» Одной из важных отраслей сельского хозяйства является овощеводство. В настоящее время в нашей стране возделывается более 170 видов овощных к ...

В мире насекомых. Возможности существования
Все в мире насекомых удивительно – и разнообразие видов, и гигантская численность, и образ жизни, и непостижимое по сложности и целесообразности строение организмов, и порой необъяснимое по ...

Подробности голубиной жизни
Люди издавна занимались разведением голубей и вывели великое множество пород. Эти прекрасные пернатые выглядят, летают и служат человеку по-разному. Для голубей характерна семейная привязан ...