Способ охлаждения стенки химического реактора Советский патент 1992 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к области химической промышленности и может быть использовано при охлаждении стенок химических реакторов, внутри которых ведутся процессы, сопровождающиеся выделением тепла.

Известен способ охлаждения стенки химического реактора, включающий регулируемую подачу на наружную поверхность стенки реактора и отвод от нее потока теплоносителя.

Недостатком способа является низкая интенсивность теплосъема,что обусловлено уменьшением коэффициента теплоотдачи от стенки за счет потерь в образующемся тепловом погранслое. Следствием такого уменьшения коэффициента теплоотдачи является лимитирование производительности реактора, так как увеличение расхода реакторов и увеличение суммарного теплового коэффициента реакции возможно до ограниченной в способе возможности теплоот- вода.

Известен способ охлаждения стенки химического реактора до заданной температуры путем регулируемой подачи на ее наружную поверхность потока теплоносителя, содержащего гетерогенные включения, например пузырьки неконденсирующегося газа, и последующего его отвода.

Несмотря на достигаемое частичное разрушение структуры и турбулизацию потока, известный способ обладает ограниченными возможностями по теплосьему и требует дополнительному затрат на компенсацию гидросопротивления,связанного с потерей энергии на турбулизацию всего потока. В целом недостатки способа снижают эффективность охлаждения.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена и сокращение энергозатрат.

Указанная цель достигается тем. что согласно способу охлаждения стенки химического реактора до заданной температуры путем регулируемой подачи на ее наружную

СП

С

VJ

О

со

поверхность потока теплоносителя, содержащего пузырьки неконденсирующегося газа и последующего его отвода, газ предварительно растворяют в теплоносителе, а в процессе подачи потока на нее давление в теплоносителе периодически снижают. Величину периодического снижения давления Рмин выбирают из условия

0,5 (+1),

0)

PST 1 Гзт

где Ср - концентрация растворенного газа;

к - растворимость газа;

PST - давление насыщенных паров теплоносителя при заданной температуре стенки.

Концентрацию растворенного газа Ср обеспечивают при этом из условия

0,01 СР-(Р°-РМИИ)- о 75(2)

AT

где Ро - исходное давление потока;

Рмин - минимальное давление при снижении;

рп - плотность неконденсирующегося газа в потоке.

Период снижения давления при этом выбирают равным 0,1-10 с.

Предварительное растворение газа и периодическое снижение давления потока полученного раствора при его подаче на поверхность охлаждаемой стенки приводит к периодическому образованию у стенки в фазе снижения давления слоя жидкости пересыщенного газом относительно его равновесных термодинамических параметров (давления и температуры). При этом в ука занном слое происходит периодическое выделение растворенного газа в виде свободных пузырьков.

Поскольку такое образование пузырьков происходит непосредственно внутри теплового погранслоя, оно путем эффективного периодического разрушения погранслоя резко повышает интенсивность теплопереноса от стенки в поток.

Пузырьки при этом не загромождают все сечение канала, а их образование только в погранслое не приводит к увеличению потерь на гидравлическое сопротивление.

При оптимальных условиях ведения процесса (образовании пузырьков только в погранслое) кажущаяся вязкость погранслоя уменьшается, что приводит в соответствии с известными зависимостями к уменьшению потерь на трение у охлаждаемой стенки.

Выбор величин снижения давления и исходной концентрации в соответствии с зависимостями (1) и (2) позволяет обеспечить получение положительного эффекта

-

0

(определяет режимные границы использования способа).

Ограничение правой части зависимости (1) определяется теоретически по известным зависимостям. Так, например, равновесные условия для газонасыщенной

жидкости определяются уравнением

р

Рравн. PST + -Ј .

/С

Образование пузырьков в газонасыщенном нагретом потоке возможности исходя из этого условия при давлении

РМИН PST +

СЕ

К

15 или

0

(1 +

PST V кРз/ .

Как показывают эксперименты ограничение слева в зависимости (1) с точки зрения интенсивности теплоотвода or стенки действительно имеет место и может характеризоваться величиной

РМИН

0.1

25

30

35

40

50

ST

С физической точки зрения, полученный в экспериментах результат может быть объяснен тем, что, начиная с некоторого слишком сильного снижения давления, оно уже не приводит к увеличению количества жидкости вскипающей на стенке (процесс переносится из погранслоя в поток).

Кроме того, при этом лимитирование теплоотдачи происходит и из-за перехода к пленочному кипению (в экспериментах, начиная с Рмин -0,5 PST).

Зависимость (2) определяет объемное содержание газовой фазы в погранслое.

Как известно из условия максимальной укладки сфер, максимальное газосодержание пузырькового слоя жидкости не может превышать 0,75, Выделившаяся в единице объема часть газа при снижении давления определяется выражением

Д Свыд Ср - (Ро - Рмин) К

45 и занимает часть объема А Свыд//Эп

Поэтому условие ограничения правой части зависимости (2) может быть установлено теоретически:

АСвыд/Ат 0,75.

Как показывают эксперименты, существенное улучшение теплосъема при незначительных потерях на гидросопротивление обеспечивается при

О 01 СР (Ро Рмин) К

Ат Максимальные интенсивности теплоотдачи

при некотором снижениигидросопротивле- ния получены при

мин

0,95

PST Ср (Ре - РМИН)- .

Необходимость ограничения диапазона периодов пульсаций (снижений) давления обуславливается общефизическими рассуждениями. Чрезмерное увеличение периода приводит к уменьшению за время процесса циклов периодического разруше- ния погранслоя пузырьками и снижению интенсивности теплоотвода, а чрезмерное уменьшение периода может привести к тому, что последующее снижение давления будет осуществлено при наличии у стенки неудаленных от нее пузырьков. При этом фаза контактного перегрева погранслоя выпадает из процесса, а интенсивность газовыделения (и турбулизация) резко снижается.

Минимальное время, потребное на удаление пузырьков от стенки на толщину погранслоя (минимальный период), зависит от вязкости жидкости, скорости потока, состояния стенки и т.п.

Экспериментально получено, что эффективность способа обеспечивается при выборе периода снижения давления, равного 0,1-10 с.

Следует отметить, что при снижении давления с периодом 0,1-0,01 с интенсификация теплоотдачи продолжает сохраняться на некотором уровне (ниже оптимального), что очевидно обусловлено пульсационным механизмом интенсификации теплообмена.

На чертеже показана схема установки, реализующей способ охлаждения стенки химического реактора.

Установка содержит химический реактор для получения n-ксилола с датчиками температуры, соединенными с блоком управления.

Стенки рабочей емкости 1 химического реактора (при работе должны иметь температуру 100°С) снабжены кожухом 2 на- ружного охлаждения с трубопроводами подачи и отвода теплоносителя (воды), соединенными с циркуляционным насосом.

В трубопроводе подачи размещены регуляторы расхода, соединенные с блоком управления, и эжектор-смеситель, соединенный с трубопроводом подачи газа (воздуха) с дроссельной шайбой.

В отводящем трубопроводе размещен ротационный пульсатор с приводом, обес- печивающим снижение давления (увеличение проходного сечения пульсатора) с периодом Т 1,0 с. В конце отводящего трубопровода установлен охладитель воды,

слив из которог соединен с входом цирку ляционного насоса. Установка снабжена штуцерами подачи воды от постороннего источника и ее слива.

Установка работает следующим образом.

После загрузки реагентов в реактор и начала экзотермической реакции в объеме реактора по показаниям датчиков включают подачу воды в кожух от насоса (или от штуцера) под давлением 4 ати.

В процессе движения воды в смесителе- эжекторе (при давлении в диффузоре смесителя 1 ати и давлении в зоне всасывания 1 эта) диспергируют воздух, подаваемый по трубопроводу, что приводит к насыщению воды воздухом. Соотношение расходов жидкости и воздуха в смеситель обеспечивается при этом автоматически вследствие незначительности изменения коэффициента эжекции в рабочем диапазоне эжектора- смесителя.

Привод, вращая роторный пульсатор, обеспечивает увеличение площади проходного сечения пульсатора один раз в секунду с 0,8x10 м2 до м , что приводит к падению давления в объеме кожуха с 1 ати до 0,1 ати. Поскольку в рабочем состоянии температура стенки реактора равна 110°С, такое снижение давления вызывает периодическое газовыделение в погранслое у наружной поверхности стенок реактора и интенсифицирует процесс охлаждения. При этом обеспечивается возможность увеличения расхода реагентов в реактор (за счет возможности большого теплосъема при данном расходе воды).

Нагретая вода после пульсатора поступает в охладитель (градирню), затем в насос.

При разомкнутой схеме вода подается от штуцера и сливается через штуцер.

Регулирование расхода воды осуществляется регуляторами от блока управления по сигналам датчиков.

Использование изобретения в химической промышленности путем интенсификации теплоотвода без увеличения расхода охладителя позволит повысить производительность химических аппаратов (например, при хлорировании n-ксилола) при снижении затрат.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения стенки химического реактора до заданной температуры путем регулируемой подачи на ее наружную поверхность потока теплоносителя, содержащего пузырьки неконденсирующегося газа, и последующего его отвода, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и сокращения энергозатрат,

перед подачей на стенку газ предварительно растворяют в теплоносителе, а в процессе подачи на стенку потока давление в теплоносителе периодически снижают, при этом величину снижения давления и концентрацию растворенного газа выбирают в соответствии с зависимостями

мин

+ 1):

Рзт К PST Ср (Ро - Рмин) К рп

где Рмин - минимальное давление при его снижении;

Ср - концентрация растворенного газа;

PST - давление насыщенных паров теплоносителя при заданной температуре стенки;

АС - растворимость газа;

Ро - исходное давление в потоке;

рп - плотность газа в потоке.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что период снижения давления выбирают равным 0,1-10,0 с.

Использование: химическая промышленность. Сущность изобретения: перед подачей на наружную поверхность стенки реактора потока теплоносителя в последнем растворяют неконденсирующийся газ, а в процессе подачи потока давление в теплоносителе периодически снижают, что вызывает газовыделение в пограничном слое у поверхности стенок реактора. 1 э.п. ф-лы, 1 ил