CC BY
176
УДК 621.577
Хоменков А.С., Ильина С.И.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ РЕКТИФИКАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Хоменков Алексей Сергеевич, студент 1 курса магистратуры факультета инженерной химии РХТУ им. Д.И. Менделеева;
Ильина Светлана Игоревна, к.т.н., доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: electis@vandex.ru;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл. 9
Рассмотрены различные варианты технологических схем с применением тепловых насосов в ректификационных установках. Сделан вывод о необходимости пересчета и оценки эффективности с учетом современных цен на энергоносители и оборудование.
Ключевые слова: энергосбережение в процессах ректификации, тепловой насос.
ENERGY SAVING IN DISTILLATION PROCESS WITH HEAT PUMP
Khomenkov A.S., Il'ina S.I.
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper considers different variants of technological schemes with application of heat pumps in distillation units. The conclusion about the necessity of recalculating and evaluating effectiveness in light of modern energy prices and equipment.
Keywords: energy saving in the processes of rectification, heat pump.
С каждым годом возрастает внимание к проблемам, связанным с экологией и охраной природного наследия, так в России 2017 год объявлен годом экологии (указ Президента РФ от 5 января 2016 г. N 7). Одним из решений возникших проблем является уменьшение потребления полезных ископаемых, что одновременно позволит и сохранить природные ресурсы, и снизить загрязнение атмосферы продуктами сжигания органического топлива. Этот аспект лежит в основе развития энергетики, экономики, экологической защиты отдельно взятой страны и мира в целом. Особое внимание приковано к химической промышленности, как к крупному потребителю данных ресурсов, к таким энергоемким процессам как сушка, выпарка, ректификация и т.д.
Во всех развитых странах мира разрабатываются различные схемы с использованием эффективного
энергосберегающего оборудования для данных процессов. Так широкое применение в химической промышленности нашли технологии с использованием тепловых насосов.
Одним из энергоемких процессов является ректификация. В данном процессе с целью рекуперации энергии и повышения энергоэффективности, преимущественно
применяют схемы с тепловыми насосами, где источником низкопотенциального тепла выступают пары дистиллята [1].
Существует несколько различных схем ректификационных установок с тепловыми
насосами. Главное их различие в максимально допустимой разнице температур между верхом и низом колонны и необходимостью использования промежуточного теплоносителя.
Наиболее простой в исполнении и с минимальными капитальными затратами является установка, представленная на рисунке 1.
з
Рис.1. Ректификационная установка с тепловым насосом без промежуточного теплоносителя [1]: 1 - ректификационная колонна, 2 - теплообменник, 3 -компрессор, 4 - насос, 5 - дроссель
Для обеспечения нагрева куба колонны тепловой насос использует низкопотенциальное тепло паров дистиллята. Особенностью данного варианта является отсутствие промежуточного теплоносителя и возможность использования только при незначительной разности температур низа и верха ректификационной колонны (не более 15-20°С).
Существенно снизить энергопотребление позволяет схема с использованием двух тепловых насосов, приведенная на рисунке 2. Такое исполнение позволяет более полно утилизировать тепловую энергию дистиллята, используя ее для нагрева куба ректификационной колонны и разделяемой исходной смеси.
Рис.2. Ректификационная установка с применением промежуточного теплоносителя [1]: 1 - ректификационная колонна, 2 - теплообменник, 3 -компрессор, 4 - насос, 5 - дроссель
Упростить аппаратурное оформление ректификационной установки, снизить
капитальные затраты на установку, повысить ее надежность позволяет применение жидкостно-газового (парового) эжектора в качестве компрессора для повышения теплового потенциала паров дистиллята (рис.3).
При этом эжектор одновременно является дефлегматором паров дистиллята и подогревателем исходной смеси. Нагрев кубовой жидкости в данной схеме также может осуществляться с помощью трубчатой печи, что позволяет использовать данную схему в высокотемпературных процессах разделения применяемых в нефтепереработке.
Рис.3. Ректификационная установка использующая жидкостно-газовый эжектор [1]: 1 - ректификационная колонна, 2 - теплообменник, 3 - многосопловый эжектор, 4 - сепаратор, 5 - насос
Самой распространенной схемой по своей простоте и стоимости реализации является схема с использованием одного парокомпрессионного теплового насоса (рис.4). Сверху колонны пары подаются на линию всасывания компрессора 3, где сжимаются примерно в 1,7-2 раза, при этом температура паров повышается на 30-40°С, что позволяет использовать эту теплоту для нагрева куба колонны. После прохождения куба поток охлаждается в холодильнике оборотной водой и дросселируется до значения давления вверху колонны, при этом температура его снижается. Часть жидкости подается насосом на орошение колонны, а часть в виде дистиллята отправляется в хранилище [2].
Согласно [1] на данной установке возможно получение разности температур между низом и верхом колонны в 25-35°С при высоком термическом КПД тепловых насосов. Основная проблема при проектировании этой схемы состоит в правильном подборе промежуточных
теплоносителей [1]. Но как показывают рассчитанные полученные данные в источниках[2,3] максимальная разность температур, при которой колонна остается экономически эффективной 10-16°С.
При этом анализ параметров и технико-экономических показателей данной схемы на примере разделения смеси пропилен-пропан [3] показал, что экономия эксплуатационных затрат для схемы с тепловым насосом по сравнению с традиционной для производительности 288 тыс.тонн/год составляет 75-77%, при этом срок окупаемости составляет 1,08 и 0,83 года для схем при Р=1,9 МПа и 0,86 МПа соответственно. Оптимальная температура верха и низа колонны принимается равной 24°С и 14°С соответственно.
Рис. 4. Ректификационная установка с последовательным включением тепловых насосов [1]: 1 - ректификационная колонна, 2 - теплообменник, 3 - компрессор, 4 - насос, 5 - дроссель
При моделировании разделения с применением теплового насоса этой же смеси с помощью программы Hysis [2] производительностью 240 тыс. т/год также были определены оптимальные технологические параметры: давление в колонне — 0,94 МПа, температура вверху колонны — 16,1°С, внизу — 33,2°С. Результаты моделирования процесса ректификации с использованием компрессионного теплового насоса показали, что по сравнению с базовым вариантом тепловая нагрузка на конденсатор-холодильник снизилась в 5,5 раза, нагрузка на кипятильник — на 18%, удельные эксплуатационные затраты — более чем в 2 раза. Окупаемость данного решения составит менее 1,7 года.
На основании данных литературных источников был сделан вывод о том, что в качестве наиболее общего критерия, ограничивающего область применения технологических схем с применением тепловых насосов в ректификации, отмечается максимальная разность температур верха и низа ректификационной колонны, равная 30°С. Для высокопроизводительных установок разделения близкокипящих компонентов смеси, эта цифра обычно принимается не более 10°С [2,3,4].
По нашему мнению данное утверждение носит временной характер. Приведенные расчеты были сделаны более 30-ти лет назад, следовательно, ввиду изменяющихся цен на энергоносители, они требуют перепроверки. Кроме того, помимо разности температур в верхней и нижней части колонны, на стоимость оказывает непосредственное влияние производительность. Для окончательной оценки эффективности работы установки с тепловым насосом требуется технико-экономический анализ, учитывающий все виды затрат [5].
Список литературы
1. Ящук В. М., Залипаева О. А., Филимонова Д. С. Применение тепловых насосов в ректификационных установках // ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ. - 2014. - №1(128). - С 133-136.
2. Лебедев Ю. Н., Александров И. А., Зайцева Т. М. Ректификация смесей близкокипящих компонентов с использованием тепловых насосов// Химия и технология топлив и масел. - 2010. -№4(560). - С 10-13.
3. Александров И.А., Ефремов Г.И., Брюзгинов Е.В. Энергосберегающие технологии и оборудование. Применение теплового насоса в процессах ректификации // Энергосбережение и водоподготовка. - 2007. - №1(45). - С 33-36.
4. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М.: Химия, 1981 - с 304.
5. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. - М.: Энергия, 1973. -298с.
