Понимание изменения температуры в процессе перемешивания Стрим

Изобарических и адиабатических смешивания нереактивный технологических потоков может дать температура на выходе потока, либо между ними, больше или меньше, чем входной температуры потока. В данной статье используется программа моделирования для изучения температуры сценариев изменения в смешивании нормальных алканов.

Рассмотрим смешивания горячей процесс поток, имеющий температуру T ^ ^ к югу, и при давлении P, с процессом холодного потока B, при температуре T ^ югу B ^ и давления P (рис. 1). Нереактивный смешивания, с незначительным тепла решения, осуществляется в изобарических и адиабатических условиях, т. е. давление смеси остается на P и нет тепла, или получили от окружающей среды. Будет равновесной температуры смешанного потока C, T ^ C ^ к югу, быть:

А. выше, чем T ^ ^ к югу

B. ниже, чем T ^ югу B ^

C. где-то между T ^ ^ к югу и к югу T ^ B ^

D. любой из вышеперечисленных?

Общие понятия о такого рода смешения - разделяют многие инженеров-технологов, а также химического машиностроения студенты в том, что смешанного потока температура всегда будет между теми, отдельных технологических потоков, т. е. T ^ ^ к югу C ^ Однако, это не всегда верно. Даже без каких-либо эндотермических и экзотермических химических реакций и незначительное тепло решения, к югу T ^ C ^ может составлять от (T ^ ^ к югу T > T ^ ^ к югу, к югу T ^ B ^) или ниже (T ^ югу C ^

Смешанного потока температура, T ^ C ^ к югу, зависит от фазовых равновесий соображения, например, относительное распределение компонентов на разных этапах в равновесии при заданных условиях процесса, наряду с массой и энергетических балансов. Иными словами, равновесие смешанного потока температура зависит от типа вида, состава, температуры, давления, фазы (или состояние), не идеального поведения, а относительное количество технологических потоков быть смешанным. В связи с этим, скрытая теплота фазового перехода и / или теплота смешения технологических потоков играет существенную роль в определении (T ^ ^ к югу T ^ к югу C ^> T ^ ^ к югу, к югу T ^ B ^) или (T ^ C ^ к югу

Благодаря набору иллюстративных расчетов, эта статья показывает, что правильный ответ на поставленный выше вопрос: "Д - любой из выше". Она представляет собой полный набор результатов (полученных с помощью моделирования HYSYS процессом разработки программного обеспечения), чтобы оценить изменение температуры при адиабатическом и изобарических смешивания технологических потоков, не связанных с реактивных систем. Процесс потоки чистого н-алканов, начиная от метана (CH4, обозначим через C ^ 1 к югу ^) к-додекана (C ^ подпункта 12 ^ H ^ ^ 26 к югу, обозначим через С югу ^ 12 ^), которые отсутствие реакции на температуру и давление рассматриваемых условиях. Бинарной смеси н-алканов изучаются для того, чтобы сохранить расчет простой, однако принцип может быть расширен до более сложных многокомпонентных смесей.

Прогнозных значений выбранных свойств nalkanes приведены в таблице. Заметим, что при P = 1 атм (101,3 кПа) и в температурном диапазоне 0-100 ° C, C ^ 1 ^ к югу существует в виде газа, C ^ 2 ^ к югу к югу C ^ ^ 4 существуют в виде паров, C ^ ^ 5 подпункта к югу C ^ 7 ^ в виде жидкости или пара, а C ^ ^ 8 югу до C ^ ^ 12 к югу в виде жидкости.

Расчет изменения температуры

Прежде чем взглянуть на результаты моделирования, целесообразно рассмотреть основные расчеты для изменения температуры в результате адиабатических и изобарических смешения двух технологических потоков. Некоторые упрощающие предположения сделаны здесь, для более точной и строгой методики, можно ознакомиться в учебниках по химической термодинамике инженерно-массовых и энергетических балансов, например работах. 1-6.

Предположим, что т ^ ^ к югу кг поток, который существует в виде паров при T ^ ^ к югу и С, смешивается с м ^ к югу B ^ кг потока B, которая существует в виде жидкости при T ^ ^ к югу B и P , в результате чего поток C выход, состоящий из паров и / или жидкой фазах. Чтобы упростить математическое представление, как входе потоки считаются при той же температуре, T ^ к югу в ^ (= T ^ югу = T ^ югу B ^). Хотя под давлением проводится в P в изобарических смешивания потоков и B, температура на выходе C смешанного потока, массы т ^ к югу C ^ (= ^ м к югу ^ ^ м к югу B ^), обозначим Tout (= T ^ C ^ к югу). Для адиабатического смешения (т. е. Q = 0) с незначительным теплоты смешения, полной энтальпии на выходе потока равна сумме энтальпий входе потоков, следовательно, энтальпия на выходе смеси, м ^ к югу C ^ H ^ C ^ к югу, является м ^ к югу ^ H ^ ^ к югу м ^ к югу B ^ H ^ B ^ к югу, где H ^ ^ к югу и к югу H ^ B ^ являются средства массовой энтальпии (в Дж / кг ), при T ^ к югу в ^ и P, ручьев и B, соответственно.

Предположим, что в равновесии, е ^ ^ к югу массовая доля паров конденсируется и / или / ^ к югу B ^ массовая доля жидкости B испаряется. Численные значения / ^ ^ к югу и к югу F ^ B ^ он может определить с пар-жидкость расчеты равновесия вспышки. Использование (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу и (H ^ югу V ^) ^ к югу B ^ для обозначения скрытая теплота испарения (в Дж / кг) и B в T ^ к югу в работе, энергия выпустила на / ^ ^ к югу м ^ ^ к югу кг пара IS-F ^ ^ к югу м ^ ^ к югу (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу и энергии, поглощенной е ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ кг жидкого Б е ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ (H ^ югу V ^) ^ ^ B к югу. Таким образом, чистое количество энергии, выделяющейся (или поглощается) равна е ^ ^ к югу м ^ ^ к югу (H ^ югу V ^) ^ к югу ^ - е ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ (H ^ к югу V ^) ^ ^ B к югу. Это выпустила (или поглощается) энергии определяет величину увеличения (или уменьшение) температуры на выходе, T ^ ^ выход сабвуфера.

Средняя удельная теплоемкость (в J/kg- ° C) в жидкой и паровой фаз обозначим C югу ^ рЬ ^ и C ^ рУ ^ к югу, соответственно. Изменение (увеличение или уменьшение) температуры, T, в результате смешения потоков и B определяется формулой. 1 ниже.

Получение 1 включает итерационные расчеты, так как T ^ ^ выход сабвуфера, а также к югу C ^ рУ ^ и C ^ ^ рЬ к югу, которые необходимы для оценки е ^ ^ к югу и к югу е ^ В ^. Знак к югу ^.

Обратите внимание, что фазы, фактически находящихся в выходе потока также зависит от относительного содержания А и Б, м ^ ^ к югу и к югу м ^ В ^. Например, когда м ^ к югу ^ [гораздо больше, чем т] ^ ^ к югу B, выход потока, вероятно, будет одной паровой фазы потока, и наоборот. Кроме того, для смешивания-алканов считается здесь, если оба входа потоки были либо жидкости или пара, выход потока будет также жидкости или пара, соответственно. Это обобщение о фазах, однако, не может быть оправдано для некоторых систем, таких, как эвтектических смесей.

Результаты моделирования

Пример результатов для изменения температуры из-за смешивания представлены на: C ^ 1 ^ к югу C ^ п ^ к югу смесей при 20 ° С и 1 атм; C ^ югу п ^ C ^ ^ 12 к югу смесей при 20 ° С и 1 атм; C ^ 1 ^ к югу C ^ ^ 8 югу смеси при 0-100 ° С при 1 атм: C ^ 3 югу ^ C ^ ^ 12 к югу смеси при 0-100 ° С и 1 атм, а C ^ ^ 1 к югу C ^ п ^ к югу смесей при 20 ° С и давлении 2, 5 и 10 атм. Все численные результаты были получены при использовании HYSYS Пенг-Робинсон (7) уравнение состояния.

Влияние состава: Добавление CH ^ ^ 4 подпункта к югу C ^ 2 ^ C югу через ^ ^ 12

2 представлены прогнозы на изменение температуры, когда C ^ 1 ^ к югу (потока) при 20 ° С и 1 атм смешивается индивидуально с каждым из C ^ 2 югу ^ C ^ к югу 12 ^ (поток B), а также при 20 ° С и 1 атм. Температура каждой смеси с C ^ 1 к югу ^ C ^ 2 ^ к югу к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 12 к югу, уменьшается на всех концентраций C ^ 1 к югу ^.

Для C ^ 1 к югу ^ C ^ 2 ^ к югу, к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 4 к югу и к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 4 югу смесей, снижение температуры малы, так как C ^ 2 ^ к югу, C ^ ^ 3 к югу и к югу C ^ 4 ^ являются газа или пара при 20 ° С и 1 атм. Для этих газовой фазы смеси, предсказал снижение температуры составляет менее 0,4 ° C, что связано с не-idealities, например, эффект теплового смешивания.

Существует значительное снижение температуры, когда C ^ 1 ^ к югу смешивается с C югу ^ 5 ^ и тяжелее н-алканов. Крупнейших понижение температуры для C ^ 1 к югу ^ C ^ ^ 5 югу смеси, но его величина уменьшается для смесей с тяжелым н-алканов. из-за низкого давления пара (P ^ югу V ^) при 20 ° C. Каждая из кривых на рис 2 имеет минимум, который смещается вправо (в сторону высоких массовых долей C ^ 1 к югу ^) с увеличением числа углеродных н-алканов. Максимальное снижение температуры уменьшается с увеличением числа углеродных обусловлено более низкими P ^ V ^ к югу. Понижением температуры для C ^ 1 к югу ^ C ^ 11 ^ к югу и к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей, по прогнозам, будет меньше, чем 1 ° C для всех концентраций C ^ 1 к югу ^.

Понижении температуры (например, отрицательные ^> е ^ ^ к югу м ^ ^ к югу (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу. Поскольку C ^ 5 ^ к югу до C ^ ^ 12 к югу существовать как жидкостей при 20 ° С и 1 атм, смешение C ^ 1 к югу ^ с ^ C югу 5-12 ^ приводит к их испарения, что приводит к высоким значением е ^ ^ к югу B для C ^ 1 к югу ^ C ^ ^ 5 югу до C ^ 1 ^ к югу C ^ ^ 12 к югу смесей. Так как / ^ к югу B ^ непосредственно связано с давлением пара, небольшие изменения температуры C ^ 1 к югу ^ C ^ 11 ^ к югу и к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей, относятся к сравнительно низким давлением паров С ^ 11 ^ к югу и к югу C ^ 12 ^ 20 ° C.

Влияние состава: Добавление C ^ ^ 12 к югу к югу C ^ 1 ^ C югу через ^ ^ 11

Прогнозы на рисунке 3 представляют собой изменения в температуре, когда C ^ ^ 12 к югу смешивается индивидуально с каждым из C ^ 1 к югу ^ C ^ к югу ^ 11 при 20 ° С и 1 атм. С чистого C югу ^ 12 ^ существует в виде жидкости при этих условиях (с очень низким давлением паров 0,02 кПа), она помечена как поток B и C ^ 2 ^ к югу к югу C ^ 12 ^ как поток А.

Существует повышение температуры только на C ^ 2 югу ^ C ^ 12 ^ к югу, к югу C ^ 3 ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 4 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей при всех концентраций C югу ^ 12 ^. Для всех остальных C югу ^ 12 ^ алканов смесей, изменение температуры гораздо меньше, и отрицательным, что связано с последствиями неидеальности. Например, снижение температуры C ^ 1 к югу ^ C ^ ^ 12 к югу газожидкостной смеси составляет менее 0,5 ° C. Кроме того, смешивание C югу ^ 12 ^ с C югу ^ 5 ^ вызвало небольшое снижение температуры, которое было меньше 1 ° C на C югу ^ 5 ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 11 ^ C ^ подпункт 12 ^ смесей и менее 0,5 ° С в течение C ^ 7 югу ^ C ^ ^ 12 к югу к югу C ^ 11 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей.

Для C ^ 2 югу ^ C ^ подпункта 12 ^ C ^ 3 югу ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 4 ^ C ^ ^ 12 к югу смеси, температуры с изменением тенденций на рисунке 3, напротив тех, на рисунке 2 . Повышение температуры является крупнейшим по югу C ^ 4 ^ C ^ ^ 12 к югу смеси, и ее величина уменьшается на C ^ 2 югу ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 3 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей, которые могут быть отнесены к более низкой растворимости C ^ 2 подпункта \ и C ^ 3 ^ к югу в C югу ^ 12 ^ в этих условиях. Кривых C ^ 2 югу ^ C ^ 12 ^ к югу, к югу C ^ 3 ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 4 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей на рисунке 3, максимум, который смещается вправо ( в сторону больших массовых долей C югу ^ 12 ^), а углерод число легких трехсторонних уменьшается.

Повышение температуры (например, положительные к югу ^ (H ^ югу V ^) ^ к югу ^> е ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ (H ^ югу V ^) ^ ^ B к югу. Поскольку C ^ 2 югу ^ C ^ 3 ^ к югу и к югу C ^ 4 ^ существуют как пара при 20 ° С и 1 атм, они конденсируются в относительно нелетучих C югу ^ 12 ^, что дает относительно высокие значения Ф ^ ^ к югу наряду с меньшим значением F ^ югу B ^ для C ^ 2 югу ^ C ^ подпункта 12 ^ C ^ 3 югу ^ C ^ 12 ^ к югу и к югу C ^ 4 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей.

Влияние температуры (0-100 ° C)

Рассмотрим теперь влияние температуры входного потока, T ^ к югу в работе, по изменению температуры T, при Р = 1 атм. Результаты для двух смесей, C ^ 1 ^ к югу C ^ ^ 8 к югу и к югу C ^ 3 ^ C ^ ^ 12 к югу, на 0-100 ° С приведены на рисунках 4 и 5 соответственно. Как отмечалось ранее, при 20 ° С и 1 атм, смешивая C ^ 1 ^ к югу с C югу ^ ^ 8 дает отрицательный T, в то время как смешивание C ^ 3 ^ к югу с C югу ^ 12 ^ дает положительный

На рисунке 4, для C ^ 1 ^ к югу C ^ ^ 8 югу смеси, T ^ к югу в работе увеличивается величина Увеличение T ^ ^ к югу в подразумевает меньшую растворимость C ^ 1 к югу ^ в С ^ к югу 8 ^, а также повышение давления пара к югу C ^ 8 ^. Это означает, что величина е ^ ^ к югу м ^ ^ к югу (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу в формуле. 1 уменьшается с ростом T ^ к югу в работе, в то время, что / ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу B возрастает. Сочетание этих двух эффектов приводит к снижению температуры на перемешивание.

Результаты C ^ 3 югу ^ C ^ ^ 12 к югу смеси показано на рисунке 5 выявить весьма интересные тенденции. C ^ 3 югу ^ C ^ ^ 12 к югу смесь оказывает негативное ^ 0 ° C. Тем не менее, прогнозы на более высоких T ^ ^ к югу в 40-100 ° C показывают две вершины: минимальный и максимальный. На этих высших T ^ ^ к югу в значениях, T положителен для C югу ^ 12 ^ богатых смесей, а отрицательный к югу C ^ 3 ^ богатых смесей. На самом высоком T ^ ^ к югу в 100 ° C, величина

Поведение на более высоких T ^ ^ к югу в 40-100 ° C можно объяснить следующим образом. Для надежности, C ^ 3 ^ к югу (пара) обозначается как поток и C ^ ^ 12 к югу (жидкости), а поток B. Для C югу ^ 12 ^ богатых смесей, все или почти все из C ^ 3 подпункта ^ добавил, как пар конденсируется на C югу ^ 12 ^ богатых жидкой фазы, с высоким значением е ^ ^ к югу. Это приводит к югу е ^ ^ ^ м к югу ^ (H ^ югу V ^) ^ к югу ^> е ^ к югу B ^ м ^ к югу B ^ (H ^ югу V ^) B, что соответствует положительной в формуле. 1. Для C ^ 3 югу ^ богатой смеси, а с другой стороны, значительная часть C югу ^ 12 ^ е ^ ^ к югу B, испаряется из-за его повышенного давления паров при высоких температурах, например, что / ^ к югу B ^ м ^ ^ к югу B (H ^ югу V ^) ^ к югу B ^> е ^ ^ к югу м ^ ^ к югу (H ^ югу V ^) ^ ^ к югу и, следовательно, T является отрицательным.

Влияние давления (1-10 атм)

Рисунок 6 иллюстрирует влияние давления на ). Эти результаты можно сравнить с результатами для C ^ 1 к югу ^ C ^ п ^ к югу смесей при P = 1 атм на рисунке 2, которые показывают снижение температуры для смесей C ^ 1 к югу и ^ C ^ 5 ^ к югу -C ^ 10 ^ к югу. Как показано в таблице, при 20 ° С и 1 атм, C ^ 1 ^ к югу существует в виде газа, C ^ 2 ^ к югу к югу C ^ ^ 4, как пары, а C ^ 5 ^ к югу до C ^ ^ 12 к югу, как жидкостей. Как уже упоминалось ранее, при 20 ° С и 1 атм, C ^ 1 ^ к югу C ^ 2 ^ к югу, к югу C ^ 1 ^ C ^ 3 ^ к югу и к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 4 югу смесей, а также C ^ 1 ^ к югу C ^ 11 ^ к югу и к югу C ^ 1 ^ C ^ ^ 12 к югу смесей, не вызывает каких-либо существенных изменений в температуре. На рисунке 2 также показывает, что наибольшая

При 20 ° С и 5 атм (рис. 6а). крупнейших Отметим, что на рисунке 2, C ^ 1 ^ к югу C ^ ^ 4 югу смеси не произошло существенных изменений температуры на 1 атм. Различие в поведении объясняется C ^ ^ 4 югу переживает этап перехода от паров при 1 атм в жидкости при 5 атм. По сравнению с результатами на рисунке 2. Величины изменения температуры C ^ 1 к югу ^-C ^ 5 ^ к югу смесей при 5 атм меньше, чем на 1 атм. Это связано с изменением как F ^ ^ к югу и к югу F ^ B ^, а также снижение

При температуре 20 ° C и 10 атм (рис. 6, b), крупнейший Еще раз, C ^ 1 ^ к югу C ^ 2 ^ к югу смеси не было никаких существенных изменений в температуре, которая похожа на результаты в 1 атм (рис. 2) и 5 атм (рис. 6а). Тем не менее, C ^ 3 ^ к югу претерпевает фазовый переход при 20 ° C из паров в 5 атм жидкости при 10 атм. Величины ^ ^ к югу B, а также снижение

Заключительные замечания

Компьютерное моделирование для смешивания 2 нереагирующих н-алканов потоков в изобарических и адиабатических условиях показывают, что температура на выходе потока равновесия может быть выше, ниже или примерно такой же, как входной поток температуры (ы). То есть, равновесной температуры смеси не всегда должны быть между температурой в отдельных потоков.

Для не-реактивных систем без значительного тепла смешивания, изменения температуры в процессе смешения он может пренебречь, если нет фазовых превращений. Тем не менее, даже для не-реактивной системы, изменения температуры могут быть значительными, когда компоненты проходят этап преобразования в процессе смешения. Среди параметров, влияющих на повышение температуры или снижения температуры и давления входе технологических потоков, а также их композиций, давление пара, энтальпии, скрытая исцеляет от испарения, конкретных возможностей, тепла и т. д.

Хотя случаев, рассмотренных в данной статье, касаются только пар-жидкость фазовые превращения, аналогичные изменения температуры может также возникнуть в смешивания жидких и твердых потоков (например, при плавлении или замораживания) и паров и твердых потоков (например, в сублимации или ущербности).

ЛИТЕРАТУРА

1. Фелдер, Р. М. и Р. В. Руссо. "Элементарные принципы химических процессов", третье издание, John Wiley, Хобокен, штат Нью-Джерси (2000).

2. Полинг, BE, и др.., "Свойства газов и жидкостей", пятое издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (2000).

3. Рейд, RC, и др.., "Свойства газов и жидкостей", 4 изд., McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1987).

4. Сандлер, С. И., "Химическая термодинамика и техники", третье издание, John Wiley, Хобокен, штат Нью-Джерси (1998).

5. Смит, J. М., и др.. "Введение в химической термодинамике инженерия," (шестое издание, McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (2000).

6. Уолас, С. М. Фазовые равновесия в химической технологии ", Butterworth-Heinemann (Elsevier), Берлингтон, М. (1985).

7. Пэн, D.-Y., Д. Б. Робинсон ", два постоянных уравнения состояния." Промышленный

Дхармендра Tiwary

HYPROTECH LTD., Aspen Technology, INC

Анил К. Mehrotra

Университет Калгари

Дхармендра Tiwary настоящее время инженер-технолог с канадскими природных ресурсов Ltd (CNRL, Suite 1800, 324 - 8 Avenue SW, Calgary, AB, Канада, T2P 2Z2; Электронная почта: <A HREF = "mailto: dharmendra.tiwary @ cnrl. ком "> dharmendra.tiwary @ <cnrl.com />). До прихода в CNRL, он был старшим консультантом сотрудников Aspentech (Калгари, провинция Альберта), а также инженер-технолог в нефтезаводах Индийская нефтяная корпорация Ltd (Панипате, Индия). Он является профессиональным инженером зарегистрированных в Ассоциации профессиональных инженеров, геологов

Анил К. Mehrotra профессор химической технологии и директор Центра по экологической инженерии исследований и образования (CEERE) в Шулиха техническая школа в Univ. Калгари (2500 университет Драйв NW, Calgary, AB, Канада, T2N 1N4, E-почта: <a href="mailto:mehrotra@ucalgary.ca"> mehrotra@ucalgary.ca </ A>). Его исследовательские интересы включают транспортные и теплофизические свойства битумов и тяжелых нефтей парафины сырой, кинетика осаждения воска и восстановления загрязненных почв. Он является профессиональным инженером зарегистрированных в Ассоциации профессиональных инженеров, геологов