5.1.4. Определение величины эксергетического кпд перегрева­теля паров шихты в отделении дегидрирования изопропилбензола

Перегреватель представляет собой кожухотрубный теплообменник, в трубное пространство которого поступает контактный газ. Пары шихты проходят в межтрубном пространстве.

Режим работы

Начальная температура контактного газа - Т₁=819К (546°С).

Количество контактного газа - 12000 кг/ч.

Состав контактного газа: кг/ч массовые доли

изопропилбензола - 1560 0,13;

α-метилстирола - 1440 0,12;

водяного пара - 9000 0,75.

Конечная температура контактного газа определяется из уравне­ния теплового баланса.

Начальная температура шихты - Т₃=423К (150°С).

Конечная температура шихты - Т4=763К (490°С).

Количество шихты, поступающей в перегреватель - 4000 кг/ч,

в том числе: изопропилбензола - 3000 кг/ч;

водяного пара - 1000 кг/ч.

Давление в межтрубном пространстве - 1,8 ата.

Расчет

1. Для составления теплового баланса перегревателя необходимо предварительно вычислить значения теплосодержаний потоков теплоно­сителей.

2. Теплосодержание паров шихты на входе в аппарат составит:

i₃ = 96,7·0,75 + 661,8·0,25 = 237,97 ккал/кг = 997,09 кДж/кг.

где 96,7 - теплосодержание ИПБ при температуре Т₃; 661,8 - теплосодержание водяного пара при температуре Т₃ (10, с.259); 0,75 и 0,25 - массовые доли ИПБ и водяного пара в шихте.

3. Теплосодержание паров шихты на выходе из аппарата:

i₄ = 280,57·0,75 + 827,8·0,25 = 417,37 ккал/кг = 1749 кДж/кг,

здесь 280,57 - теплосодержание ИПБ при температуре Т₄; 827,80 - теплосодержание водяного пара при температуре Т₄.

4.Теплосодержание контактного газа при температуре входа в перегреватель определится как:

i₁ = 316,9·0,13 + 300,9·0,12 + 856,6·0,75 = 719 ккал/кг, или i₁ = 3012,6 кДж/кг,

где 316,9 и 300,9 - соответственно теплосодержания ИПБ и α-метилстирола при температуре Т₁= 819 К, ккал/кг; 856,6 - тепло­содержание водяного пара при той же температуре, ккал/кг.

5. Составляем уравнение теплового баланса перегревателя без учета потерь тепла в окружающую среду.

Тепло, отданное при охлаждении контактного газа от температу­ры Т₁ до температуры Т₂, затрачивается на перегрев паров шихты от температуры Т₃ до температуры Т₄:

12000 · (719 - i₂) = 4000 · (417,37 - 237,97) ккал/ч, или

12000 · (3012,6 - i₂) = 4000 · (1748,80 - 997,09) кДж/ч.

Из полученного балансового уравнения выражаем величину тепло­содержания контактного газа на выходе из перегревателя:

ккал/кг или 2755,5 кДж/кг.

Для определения температуры контактного газа на выходе из пе­регревателя вычисляем значения теплосодержаний при нескольких тем­пературах, начиная с 703К. Результаты расчетов сводим в табл.5.6

На основании рассчитанных данных строим график зависимости теплосодержания контактного газа от температуры i = f(T).

С помощью графика (рис. 5.6) по вычисленному ранее значению теплосодержания i₂ находим температуру Т₂, с которой контактный газ уходит из перегре-

вателя, она составляет величину – 70°К. Таблица 5.6. Теплосодержание контактного газа Температура Теплосодержание К °С ккал/кг кДж/кг 703 723 743 763 430 450 470 490 658,00 668,13 678,75 689,37 2757,02 2799,46 2843,96 2888,46	Рис. 5.6. Зависимость теплосодержания от температуры
Определение эксергетического КПД перегревателя. Условная схема изменения параметров потоков в перегревателе приведена на рис. 5.7. 1. Предварительно вычисляем значения энтропий для контактного газа и шихты. Энтропия контактного газа при температуре Т1=819К (546°С)	Рис. 5.7. Изменение параметров потоков в перегревателе

s₁ = 1,2583·0,13 + 1,2326·0,12 + 2,0798·0,75 =1,8714 ккал/(кг·град) = 7,84 кДж/(кг·К),

где 1,2583 - энтропия изопропилбензола [8, с.354], ккал/(кг·град); 1,2326 - энтропия α-метилстирола [8, с.354], ккал/(кг·град); 2,0798 - энтропия водяного пара [10, с.259], ккал/(кг·град) (найдена экстраполяцией данных Вукаловича); 0,13; 0,12; 0,75 - массовые доли ИПБ, α-метилстирола и водяного пара.

2. Энтропия контактного газа при температуре Т₂=705К (432°С)

s₂ = 1,1625·0,13 + 1,1445·0,12 + 2,0067·0,75 = 1,7934 ккал/кг = 7,51 кДж/(кг·К),

здесь 1,1625 - энтропия изопропилбензола, ккал/(кг·град); 1,1445 - энтропия α‑метилстирола, ккал/(кг·град); 2,0067 - энтро­пия водяного пара, ккал/(кг·град).

3. Определим величины энтропии шихты при температуре Т₃=423К (150°С)

s₄ = 1,2118·0,75 + 2,0407·0,25 = 1,4189 ккал/(кг·град) = 5,94 кДж/(кг·К),

где 1,2118 - энтропия изопропилбензола, ккал/(кг·град); 2,0407 - энтропия α‑метилстирола, ккал/(кг·град).

4. Эксергия тепла, отданного контактным газом, при его охлаж­дении от температуры Т₁ до температуры Т₂, превращается в эксергию холодного потока, повышая его температуру от значения Т₃ до Т₄, часть эксергии горячего потока при этом необратимо превращается в анергию (потери энергии).

5. Вычислим эксергию тепла, отданного горячим потоком:

Е₁ = 12000 · [719-659,2-298 · (1,8714-1,7934)] = 438672 ккал/ч = 509736.8 Вт,

здесь 719 и 659,2 - теплосодержание контактного газа при тем­пературах Т₁ и Т₂, ккал/кг; 1,8714 и 1,7934 - энтропии контактного газа при температурах Т₁ и Т₂, ккал/(кг·град); 298 - температура окружающей среды, К.

6. Эксергия тепла, воспринятого холодным потоком,

Е₂ = 4000 · [417,37-237,97-298 · (1,2118-1,1127)] =599472.8 ккал/ч = 696587.4 Вт.

7. Следовательно, эксергетический КПД рассматриваемого тепло­обменника составляет величину .