Научная статья на тему 'Энергосберегающий тепловой насос в системах промышленного разделения веществ'

Энергосберегающий тепловой насос в системах промышленного разделения веществ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
347
74
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТЕПЛОВОЙ НАСОС / HEAT PUMP / ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ РАЗДЕЛЕНИЯ / TECHNOLOGICAL SEPARATION PROCESSES / РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА / DISTILLATION COLUMN / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / ENERGY SAVINGS

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Красавина Е. О., Плотникова Л. В.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

POWER HEAT PUMP SYSTEMS INDUSTRIAL SEPARATION OF SUBSTANCES

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.

Текст научной работы на тему «Энергосберегающий тепловой насос в системах промышленного разделения веществ»

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: [email protected]; [email protected]

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

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.