Способ охлаждения стенки химического реактора

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 28 0 7

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТО РСКО МУ С В ИДЕТ ЕЛ Ь СТВУ (21) 4849238/06 (22) 28.04.90 (46) 07.07.92. Бюл. N 25 (71) Научно-исследовательский институт химического машиностроения и Скоропусковский опытный завод (72) Н.А.Бахтинов, М.А.Спирин и Н.Ф.Андреев (53) 621.565.94 (088.8) (56) Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.:

ГНТИХЛ, 1961, с. 388, Патент США hh 4349068, кл. 165-1, опублик. 1980, 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 интенсивностьтеплосъема,чтообусловлено 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 теплоотвода.

„„. Ж „„1746184 Al (54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СТЕНКИ ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА (57) Использование: химическая промышленность, Сущность изобретения: перед подачей на наружную поверхность стенки реактора потока теплоносителя в послед. нем растворяют неконденсирующийся газ, а в процессе подачи потока давление в теплоносителе периодически снижают, что вызывает газовыделение в пограничном слое у поверхности стенок реактора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

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 последующе о 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

1746184 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

05< мин <(Р + 1) (1)

Рзт kК т зт где Ср — концентрация растворенного газа; к — растворимость газа;

Рэт — давление насыщенных паров теплоносителя при заданной температуре стенки, Концентрацию растворенного газа Ср обеспечивают при этом из условия

0,01 < < 0,75, (2)

prx где Ро — исходное давление потока;

Рмин — минимальное давление при снижении; р т — 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 указанном 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 (определяет режимные границы использования способа).

Ограничение правой части зависимости (1) определяется теоретически по извест5 ным зависимостям, Так, например, равновесные условия для газонасыщенной жидкости определяются уравнением

С

Рравн. = Рзт + — Р, К

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

С

Рмин < Рзт + —

К

15 или """ ((1 + — } — ) .

Рзт К Рзт

Как показывают эксперименты ограничение слева в зависимости (1) с точки зрения

20 интенсивности теплоотвода от стенки действительно имеет место и может характери. зоваться величиной

01

Рзт

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 жидЗ0 кости 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 Рзт);

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

Как известно из условия максимальной укладки сфер, максимальное газосодержа40 ние пузырькового слоя жидкости не может превышать 0,75, Выделившаяся в единице объема часть газа при снижении давления определяется выражением

Л Свыд. = Ср — (Ро Рмин) К

45 и занимает часть объема Л Свыд рт

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

Л Свыд// гт < 0,75.

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

55 р Яа Рин} к рп

Максимальные интенсивности теплоотдачи при некотором снижениигидросопротивления получены при

1746184

=095

Рвт

С вЂ” 0,1

Ргт

Необходимость ограничения диапазона периодов пульсаций (снижений) давления обуславливается общефизическими рассуждениями. Чрезмерное увеличение периода приводит к уменьшению за время процесса циклов периодического разрушения погранслоя пузырьками и снижению интенсивности теплоотвода, а черезмерное 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 иэ 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 и-ксилола с датчиками температуры, соединенными с блокбм управления.

Стенки рабочей емкости 1 химического реактора (при работе должны иметь температуру 100 С) снабжены кожухом 2 наружного охлаждения с трубоп роводами подачи и отвода теплоносителя (воды), сое диненными 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 циркуляционного насоса, Установка снабжена штуцерами подачи воды от постороннего источника и ее слива.

5 Установка работает следующим образом.

После загрузки реагентов в реактор и начала экзотермической реакции в объеме реактора по показаниям датчиков включают

10 подачу воды в кожух от насоса (или от штуцера) под давлением 4 ати.

В процессе движения воды в смесителеэжекторе (при давлении в диффузоре смесителя 1 ати и давлении в зоне всасывания 1

15 ата) диспергируют воздух, подаваемый по трубопроводу, что приводит к насыщению воды воздухом. Соотношение расходов жидкости и воздуха в смеситель обеспечивается при этом автоматически вследствие

20 незначительности изменения коэффициента эжекции в рабочем диапазоне эжекторасмесителя. Привод, вращая роторный пульсатор, обеспечивает увеличение площади проход25 ного сечения пульсатора орин раз в.секунду с 0,8х10 м до 4х10 м, что приводит к

2 -4 радению давления в объеме кожуха с 1 ати до 0,1 ати. Поскольку в рабочем состоянии температура стенки реактора равна 110 С, 30 такое снижение давления вызывает периодическое газовыделение в погранслое у наружной поверхности стенок реактора и интенсифицирует процесс охлаждения. При этом обеспечивается возможность увеличе35 ния расхода реагентов в реактор (за счет возможности большого теплосъема при данном расходе воды).

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

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

Регулирование расхода воды осуществляется регуляторами от блока управления по сигналам датчиков, 45 Использование изобретения в химической промышленности путем интенсификации теплоотвода без увеличения расхода охладителя позволит повысить производительность химических аппаратов (напри50 мер, при хлорировании и-ксилола) при снижении затрат.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения стенки химического реактора до заданной температуры

55 путем регулируемой подачи на ее наружную поверхность потока теплоносителя, содержащего пузырьки неконденсирующегося газа, и последующего его отвода, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и сокращения энергозатрат, 1746184

05< Р-< Ь +11.

Рзт K Рзт

< 0,75, Составитель Н.Бактинов

Техред М.Моргентал Корректор M.Äeì÷èê

Редактор Н.Бобкова

Заказ 2386 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 перед подачей на стенку газ предварительно растворяют в теплоносителе, а в процессе подачи на стенку потока давление в твплоносителе периодически снижают, при этом величину снижения давления и концентрацию растворенного газа выбирают в соответствии с зависимостями где Р ин — минимальное давление при его снижении;

Ср — концентрация растворенного газа;

Рзт — давление насыщенных паров теп5 лоносителя при заданной температуре стенки; к — растворимость газа;

Ро — исходное давление в потоке; ртт — плотность газа в потоке, 10 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что период снижения давления выбирают равным 0,1-10,0 с.