5.1.5. Определение эксергетического кпд кожухотрубного испарителя шихты

Теплоносителем является контактный газ, поступающий после перегревателя в трубное пространство испарителя. Шихта подается в межтрубное пространство.

Режим работы

Количество контактного газа - 12000 кг/ч.

Состав контактного газа - (см. пример 2).

Температура контактного газа на входе - Т₁ = 705К (432°C).

Температура контактного газа на выходе - Т₂ - определяется рас­четом.

Количество шихты на выходе из испарителя - 4000 кг/ч.

Состав шихты - (см. пример 2).

Температура шихты на входе - Т₃ = 293К (20°С).

Температура шихты на выходе - Т₄ = 423К (150°С).

Водяной пар, входящий в состав шихты, поступает при Т₃ = 423К (150°С), причем в процессе теплообмена она не изменяется.

Давление в трубном пространстве теплообменника 1,80 ати. Давление в межтрубном пространстве 1,65 ати.

Расчет

1. Для составления уравнения теплового баланса необходимо вы­яснить число стадий процесса теплообмена.

Прежде всего определяем температуру испарения изопропилбензо­ла.

Состав шихты: кмоль/ч мольные доли

изопропилбензола - 25,00 0,31

водяного пара - 55,55 0,69

Парциальное давление паров изопропилбензола составляет вели­чину

1,65·0,31 = 0,51 атм = 388,8 мм рт.ст.

Это давление соответствует теппературе испарения 401К (128°С).

2. Составляем уравнение теплового баланса. Количество тепла, отданное контактным газом при его охлаждении от температуры Т₁ до температуры Т₂, затрачивается на нагревание шихты до температуры испарения, на собственно испарение и перегрев паров до температуры выхода из испарителя:

или ,

где G₁ и G₂ - соответственно количество контактного газа и изопропилбензола, кг/ч; i₁ и i₂ - теплосодержание контактного га­за, ккал/кг или кДж/кг; ; - теплосодержание жидкого изопро­пилбензола при температуре входа и температуре испарения, ккал/кг или кДж/кг; ; - теплосодержание паров изопропилбензола при температуре испарения и выхода из испарителя, ккал/кг или кДж/кг; - теплосодержание перегретых паров изопропилбензола при Т₄.

Теплосодержание контактного газа i₁ = 659,2 ккал/кг = 2762,05 кДж/кг (см.5.1.4).

3. Определяем величины теплосодержания шихты при соответству­ющих температурах.

Теплосодержание: = 0,462 · 20 = 9,24 ккал/кг = 38,64 кДж/кг,

здесь 0,462 - теплоемкость жидкого изопропилбензола при сред­ней температуре в зоне нагрева, ккал/(кг·град) или 1,932·10³ Дж/(кг·К).

Теплосодержание: = 57,20 ккал/кг = 239,21 кДж/кг.

4. Теплосодержание перегретых паров изопропилбензола (без учета скрытой теплоты испарения) при температуре Т₄ = 423К находим методом интерполяции

400К 500К

10380 ккал/кмоль; 15700 ккал/кмоль;

86,5 ккал/кг; 130,63 ккал/кг;

=86,5+(130-86,5) · 0,23=96,5 ккал/кг = 403,56 кДж/кг.

5. Скрытая теплота испарения изопропилбензола при Т_н=401К составляет 74 ккал/кг или 310,06 кДж/кг.

Она представляет собой разницу теплосодержаний = r.

6. Теплосодержание изопропилбензола при температуре выхода из испарителя Т₄ составляет =141,2 ккал/кг=590,50 кДж/кг.

Пpимечание. В величину теплосодеpжания изопpопилбензола вклю­чена скpытая теплота испаpения, котоpая в спpавочниках обычно не учитывается, так как пpиводятся данные для паpов в области пеpегpева.

7. Решаем уpавнение теплового баланса:

12000 · (569,2 - i₂) = 3000 · (57,2 - 8,9) + 3000 · 74 + 3000 · (96,5 - 86,5)= = 144900 + 222000 + 30000 = 396900 ккал/ч = 461197.8 Вт.

Таким образом, без учета потерь тепла в окружающую среду ко­личество тепла, отданное контактным газом, составляет величину 396900 ккал/ч.

Уравнение теплового баланса в данном случае можно представить в более лаконичной форме, используя величины теплосодержаний изоп­ропилбензола на входе в испаритель и на выходе из него

12000 · (659,2 - i₂) = 3000 · (141,2 - 8,9) = 396900 ккал/ч.

8. Зная тепловую нагрузку аппарата, находим величину теплосо­держания контактного газа на выходе из испарителя:

ккал/кг или i₂=2618,43 кДж/кг.

Найденное значение теплосодержания соответствует температуре Т₂=650К (377°С). Порядок определения температуры контактного газа по величине теплосодержания был подробно рассмотрен ранее (см. при­мер 2).

9. Определяем эксергетический КПД испарителя.

Для того, чтобы составить эксергетический баланс испарителя, предварительно вычисляем значения энтропий контактного газа и ших­ты. Принятая ранее в расчете индексация сохраняется.

Энтропия контактного газа при температуре Т₁=750К составляет s₁=1,7934 ккал/(кг·гpад) или 7,49 кДж/(кг·К) (см. 5.6.2).

Пpи темпеpатуpе Т₂=650К энтропия составит величину

s₂=1,1137·0,13 + 1,0987·0,12 + 1,9669·0,75 = 1,752 ккал/(кг·град) = 7,326 кДж/(кг·К)

где 1,1137 - энтропия изопропилбензола, ккал/(кг·град); 1,0987 - энтропия α‑метилстирола, ккал/(кг·град); 1,9669 - энтропия водяного пара, ккал/(кг·град).

10. Определяем энтропию шихты.

Энтропию жидкого изопропилбензола при 293К определяем по из­вестному значению ее при 298,16К.

= 0,5572 ккал/(кг·град) = 2,3346 кДж/(кг·К).

s₂₉₃= - Δs;

s=0,445·2,3·0,007735=0,0079 ккал/(кг·град).

Следовательно, энтропия шихты при температуре входа Т₃ соста­вит

s₃ = 0,5572 - 0,0079 = 0,5493 ккал/(кг·град)=2,297 кДж/(кг·град).

Энтропия паров изопопилбензола при температуре Т₄=423К.

s₁= 0,8995 ккал/(кг·град) = 3,7617 кДж/(кг·К)

11. Составляем эксергетический баланс испарителя: Е₁=Е₂+ΔЕ.

Эксергия тепла, отданного контактным газом,

Е₁=12000 · [659,2 - 626,12 - 298 · (1,7934 - 1,7517)] = 247840,8 ккал/ч = 287.99 кВт.

Эксергия тепла, воспринятого шихтой

Е₂ = 3000 · [141,2 - 8,9 - 298 · (0,8995 - 0,5497)] = 84178,8 ккал/ч = 97,65 кВт.

Следовательно, величина эксергетического КПД для испарителя составит

%.