CC BY
67
УДК 62.681
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
Красавина Е.О., магистрант Плотникова Л.В., канд. техн. наук
Казанский государственный энергетический университет Контакты: krasavina_elenochka1992@bk.ru; mikhailovalv@mail.ru
В статье рассматриваются различные конфигурации систем «ректификационная колонна - тепловой насос» с целью снижения энергопотребления промышленных процессов разделения и повышения их энергоэффективности. Внедрение предлагаемой в статье системы «ректификационная колонна - тепловой насос» открытого типа снизит энергоемкость процесса разделения на 35% по сравнению с традиционной установкой.
Ключевые слова: тепловой насос, промышленные процессы разделения, ректификационная колонна, энергосбережение.
Предмет исследования. Промышленные процессы разделения веществ осуществляются при значительном потреблении энергии, которая необходима для выделения каждого компонента при его многократном испарении и конденсации (рис. 1). Такие процессы, характерные для предприятий химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой отраслей промышленности, осуществляются на ректификационных установках - колоннах сложной конструкции, обладающих большой металлоемкостью.
Разделительные колонны на предприятиях вышеперечисленных отраслей промышленности являются одними из наиболее крупных потребителей тепловой энергии в виде водяного пара, обогревающего кубовые части колонн (кипятильник 3 на рис. 1). В связи с этим актуален вопрос снижения затрат энергии в системах
95
ректификации [1]. Кроме того, в связи со значительными потерями сбросной тепловой энергии колонн в виде отработанного конденсата (выходящего из кипятильника 3 на рис. 1) и нагретой воды (выходящей из дефлегматора 2 на рис. 1) имеют место повышенные затраты сжигаемого топлива на энергогенерирующих установках.
Рис.1. Традиционная схема процессов разделения веществ: 1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор; 3 - кипятильник; I - разделяемая смесь; II - верхний продукт;
III- нижний продукт
Метод. При промышленном разделении веществ образуется низкотемпературная вторичная энергия в виде сбрасываемой теплоты полупродуктов разделения, для использования которой перспективным оборудованием являются тепловые насосы (ТН), позволяющие повысить потенциал теплового потока. Следовательно, организация энергосберегающей системы в промышленных процессах разделения с включением тепловых насосов обеспечит снижение затрат тепловой энергии в системах ректификации.
Можно предложить несколько видов систем разделения с включением тепловых насосов. В традиционной схеме разделения
96
наблюдаются большие потери от необратимости вследствие больших разностей температур в кипятильнике и теплопотери в дефлегматоре. Поэтому в промышленных процессах ректификации возможно снижение энергопотребления за счет организации системы рекуперации сбросной энергии с включением ТН с использованием теплоты сжатого верхнего продукта колонн [2; 3]. В них теплота фазового перехода пара, отбираемого из верней части ректификационной колонны, идет на создание парового потока в нижней части колонны.
Так, одним из вариантов включения теплового насоса в процессы разделения является организация системы «ректификационная колонна - тепловой насос» («РК - ТН») с применением ТН закрытого типа (рис. 2), где используется промежуточный теплоноситель. Температура циркулирующего в системе теплоносителя, с помощью которого передается теплота с низкого уровня в дефлегматоре 2 на более высокий уровень в кипятильнике 5, повышается в компрессоре 4 за счет процесса сжатия. Для возвращения промежуточного теплоносителя в изначальное состояние и осуществления возможности его циркуляции в контуре теплового насоса после конденсатора 5 теплоноситель дросселируется в клапане 3. На рис. 2 дефлегматор 2 колонны 1 выступает в роли испарителя теплового насоса, а кипятильник 5 - в роли конденсатора, в которых и происходят соответствующие процессы испарения и конденсации промежуточного теплоносителя. В данной схеме экономия греющего теплоносителя в кипятильнике достигается за счет использования теплоты верхнего продукта колонны [4], который замещает греющий пар нижней части колонны. Также отсутствуют потери со сбрасываемой теплой водой в дефлегматоре.
97
Рис. 2. Ректификационная колонна с включением теплового насоса закрытого типа: 1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор-испаритель; 3- дроссельный клапан; 4 - компрессор; 5 - кипятильник-конденсатор; I- сырьё; II - верхний продукт; III—
нижний продукт
Систему «РК - ТН» возможно использовать при разделении легких углеводородов «этан-этилен», «пропан-пропилен», смеси «вода-спирт» и т.п.
Включение ТН с промежуточным теплоносителем актуально при реконструкции ректификационных колонн. В случае проектирования новой установки разделения возможна и более экономичная схема с одним теплообменным аппаратом в составе ТН открытого типа [5] (рис. 3). На данной схеме в качестве промежуточного теплоносителя используется нижний продукт колонны III. Конструкция упрощается за счет отсутствия кипятильника ректификационной установки, играющего роль конденсатора в схеме с ТН закрытого типа на рис. 2. Роль кипятильника играет сама колонна 1.
98
Рис. 3. Ректификационная колонна с включением теплового насоса открытого типа:
1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор; 3 - дроссельный клапан;
4 - компрессор; I - разделяемая смесь; II - верхний продукт; III- нижний продукт
Выбор схемы включения теплового насоса зависит от параметров сбросной энергии полупродуктов разделения. Применение всех элементов ТН усложняет и удорожает конструкцию. Следовательно, актуальна задача выбора целесообразного варианта, в связи с чем возникают предпосылки для создания РК новой конструкции, которая позволит снизить энергетические и материальные затраты.
Были проведены расчеты традиционной схемы РК (рис. 1) по соответствующей методике [6; 7], а также проведен расчет установок с включением тепловых насосов закрытого (рис. 2) и открытого (рис. 3) типов на основе дополнения методики расчетом элементов теплового насоса [8; 9]. Расчет установок проводился для веществ «бензол - толуол». В результате были получены данные, приведенные в таблице 1.
99
Таблица 1
Данные, полученные при расчете схем «РК-ТН» закрытого и открытого типа
Параметры работы установки Традиционная схема ректификационной установки Схема установки с ТН закрытого типа Схема установки с ТН открытого типа
Давление Р, МПа - вверху колонны: -после компрессора: 0,9 0,85 3,72 0,18 0,32
Температура ^ °С - вверху колонны: - внизу колонны: 65 100 63 95 60 88
Диаметр колонны DК, м 1,8 1,6 1,2
Высота колонны НК, м 12 10 7
Расход греющего теплоносителя GГР, кг/ч 11120 9500 7215
Экономия тепловой энергии ДQ, МВт - 1,25 3,05
Годовая экономия условного топлива ДВ, ту.т./год - 1345 3282
Как следует из таблицы 1, давление и температура разделяемых веществ в колоннах при схеме установки с тепловым насосом ниже, чем в традиционной схеме. Это обусловлено тем, что в качестве охлаждающего вещества в дефлегматоре и греющего вещества в кипятильнике используются либо фреон, либо сам продукт колонны. Разность температур конденсации в кипятильнике и испарения в дефлегматоре этих веществ ниже, чем разность температур охлаждающей воды и греющего пара в традиционной схеме. Обеспечить такую же разность температур, как в традиционной схеме, невозможно. Это связано с ограниченной степенью повышения давления в компрессоре теплового насоса [10]. Для обеспечения допустимого температурного напора в теплообменных аппаратах теплового насоса необходимо снизить температуры про-
100
дуктов колонны, а именно температуры их фазового перехода. Исходя из уравнений теплового баланса для дефлегматора и кипятильника определены данные температуры: 63°С вверху и 95°С внизу колонны для установки с ТН закрытого типа; 60°С вверху и 88°С внизу колонны для установки с ТН открытого типа, что достигается снижением давления в колонне до 0,85 МПа и 0,18 МПа соответственно.
Далее определяются геометрические размеры колонны по формулам (1)-(2), (4).
Высота колонны Н, м:
Н = Нн +Ь!+Ь2+Ьз (1)
где ^ - высота сепарационной части колонны, м, ^ = 0,6 - 1, 5; h2 - высота нижней части колонны, м, h2 = 0,6 - 1, 5; hз - высота между слоями насадки, м, ^ = 1,5 - 2,0 [7]; НН - высота насадоч-ной части колонны, м:
Нн = 28 •
^ Г w
V ^ у
/ • а
V Г г
V У
Г" Р
' V А
0,19
/1
V/. У
0,038
1§
Л
1 -Л'
(2)
1
где Усв - свободный объем насадки, м3/ м3; ау - удельная по-
3 3 3
верхность насадки, м / м ; рж, рг, /ж, /г - плотность р, кг/м , и
динамический коэффициент вязкости /, Пас, жидкого (ж) и газообразного (г) состояния вещества соответственно; W - скорость движения вещества в колонне, м/с; Ь - расход жидкости, м3/с; Л -безразмерный коэффициент:
101
1 О
А = т--,
Ь
А
где т = 1,35; О - расход газообразного верхнего продукта колонны, кг/с:
О = рг- 0,785 • W • Б2, (3)
где Бк - диаметр колонны, м.
Плотность рг газообразного верхнего продукта колонны в схеме с тепловым насосом ниже, чем в традиционной схеме в связи с более низкими параметрами давления и температуры фазового перехода в колонне. Следовательно, в соответствии с формулой (3), для обеспечения разделения веществ в схеме с тепловым насосом по сравнению с традиционной схемой потребуется меньшее количество вещества в газообразной фазе, что также приведет к уменьшению высоты колонны в соответствии с формулой (2).
Высота насадочной части колонны и ее диаметр связаны следующим соотношением (4):
Нк =1,5 ^ 10 • БК , (4)
из чего следует, что с уменьшением высоты колонны Нк уменьшится и ее диаметр Бк.
Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод, что конструкция с включением теплового насоса по открытому принципу более эффективна: наименьшие затраты тепловой энергии, наибольшая экономия условного топлива, наименьшая металлоемкость.
102
Результаты. Рассчитаны варианты модернизированной установки разделения веществ «бензол - толуол» с включением теплового насоса: «РК - ТН закрытого типа» и «РК - ТН открытого типа». Получены следующие данные: при традиционной схеме расход пара составляет 11120 кг/ч; при использовании варианта схемы «РК - ТН закрытого типа» расход греющего теплоносителя в качестве собственной сбросной энергии верхнего продукта колонны снижается до 9500 кг/ч; при схеме «РК - ТН открытого типа» расход греющего теплоносителя- 7215 кг/ч. Определены габаритные показатели установок: традиционной - диаметр колонны: 1,8 м, высота - 12 м; схемы «РК - ТН закрытого типа» диаметр колонны: 1,6 м, высота - 10 м; схемы «РК - ТН открытого типа» диаметр колонны: 1,2 м, высота - 7 м.
В результате анализа вышеуказанных данных можно сделать вывод о том, что при использовании установки «РК-ТН открытого типа» снижается суммарный расход тепловой энергии в виде греющего теплоносителя при схеме «РК - ТН закрытого типа» на 20% по сравнению с традиционной установкой, при схеме «РК -ТН открытого типа» энергозатраты снижаются на 35%. Этот эффект объясняется отсутствием потерь с конденсатом в кипятильнике колонны и отсутствием потерь нагретой воды в дефлегматоре. Также уменьшаются габаритные размеры самой колонны, а значит, конструкция становится менее металлоемкой, снижаются капитальные затраты.
Практическая значимость. Таким образом, определено направление развития энергосберегающих технологий в промышленных процессах разделения в виде модернизации установки «РК - ТН открытого типа».
Далее для повышения энергоэффективности теплового насоса открытого типа предлагается выполнить установку «РК - ТН» в виде теплообменного аппарата вида «труба в трубе» (рис. 4). Такая конструкция позволит использовать практически всю высоту
103
колонны как испаритель, что повысит энергоэффективность установки [10; 11]. Кроме того, использование различных насадок позволит также подобрать более энергоэффективный вариант.
Рис. 4. Модернизированная установка «ректификационная колонна - тепловой насос» в виде теплообменного аппарата вида «труба в трубе»: 1 - подогреватель смеси; 2 - ректификационная колонна; 3 - теплообменник; 4 - компрессор; 5 - дефлегматор; 6 - детандер; 7 - насадка; 8 - решетка
Таким образом, при использовании принципа теплового насоса будут минимизированы затраты энергии при разделении веществ в различных отраслях промышленности за счет собственных ресурсов энергосбережения на установке разделения.
Источники
1. Захаров М.К., Моханд Аббаси, Зверева Е.Н. Внутреннее энергосбережение и суммарные затраты тепла при ректификации жидких смесей // III Международная научно-техническая конференция «Нестационарные, энерго - и ресурсосберегающие процессы и оборудование химической, нано - и биотехнологии». Материалы конференции. М.: Изд. МГОУ, 2013. С. 248-251.
104
2. Кашипова Л.А., Звегинцев А.А., Красавина Е.О. Трансформаторы теплоты как рекуператоры вторичной энергии в технологических процессах разделения // Шестьдесят девятая всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. Сборник материалов конференции [Электронный ресурс]. Ярославль: Издат. Дом ЯГТУ, 2016. С. 1235.
3. Ящук В.М., Залипаева О.А., Филимонова Д.С. Применение тепловых насосов в ректификационных установках // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. Т. 7. № 1 (128). С. 133-136.
4. Филонова И.И., Плотникова Л.В., Ефремов Г.И. Организация системы утилизации вторичных энергетических ресурсов крупнотоннажного промышленного предприятия на основе трансформаторов теплоты // Вестник московского государственного открытого университета. Серия: «Техника и технология». 2011. № 4. С. 24-28.
5. Плотникова Л.В., Андреева С.А., Ефремов Г.И. Организация энергосберегающей системы утилизации вторичных ресурсов стадии пиролиза в производстве этилена // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №2. С. 9-12.
6. Лаптев А.Г., Конахин А.М., Минеев Н.Г. Теоретические основы и расчет аппаратов разделения гомогенных смесей. Казань: КГЭУ, 2007.
7. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Процессы и аппараты химической технологии: учебное пособие / Ю.А. Комиссаров,; ред. Ю.А. Комиссаров. М.: Химия, 2011.
8. Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. Одесса: Студия «Негоциант», 2006.
9. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989.
10. Александров И.А., Ефремов Г.И., Брюзгинов Е.В. Применение теплового насоса в процессах ректификации // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. № 1. С. 33-36.
11. Ректификационная установка: пат. 2393904 Россия: МПК С1В0Ш 3/14 B01D 3/32 / Г.И. Ефремов, И.А. Александров, Л.В. Плотникова, Г.В. Галибина; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина». - №2009107903/15;заявл. 05.03.2009; опубл. 10.07.2010, Бюл. № 19.
POWER HEAT PUMP SYSTEMS INDUSTRIAL SEPARATION OF SUBSTANCES Krasavina E.O., Plotnikova L.V.
The article discusses the various system configurations distillation column - heat pump"in order to reduce the energy consumption of industrial separation processes and enhance their efficiency. The introduction of the proposed system in the article distillation column -heat pump"open type will reduce the energy intensity of the process of separation by 35% compared with a traditional installation.
Keywords: heat pump, technological separation processes, distillation column, heat pump, energy savings.
Дата поступления 27.11.2016.
105
