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 Тн=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
 %. |
Скачать 32.15 Kb.