CC BY
28
УДК 662.621.9
Смирнова Е.Е., Ильина С.И., Кузнецова И.К.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ ВЫПАРКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Смирнова Елизавета Евгеньевна, студентка 3 курса факультета инженерной химии. Россия, Москва. Smimova.Liza97@yandex.ru;
Ильина Светлана Игоревна,доцент, кандидат технических наук; Кузнецова Ирина Константиновна, доцент кандидат технических наук Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Рассмотрены различные варианты технологических схем с применением тепловых насосов в выпарных установках. Сделан вывод о необходимости пересчета эффективности с учетом современных цен на энергоносители и оборудование, так как применение тепловых насосов достаточно энергоемко. Ключевые слова: выпарка, тепловой насос, энергосбережение, греющий пар
SAVING ENERGY IN THE PROCESS RESIDUE WITH THE USE OF HEAT PUMPS
Smirnova E. E., Ilyina S. I., Kuznetsov I. K.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Various variants of technological schemes with the use of heat pumps in evaporators are considered. The conclusion is made about the need to recalculate the efficiency taking into account the modern prices for energy and equipment, as the use of heat pumps is quite energy-intensive. Keywords: residue, heat pump, energy saving, heating steam
Проблемы, с экологией, к сожалению, увеличиваются с каждым годом. Основной урон окружающей среде наносят сточные воды, выбросы в атмосферу продуктов горения, нерациональное чрезмерное использование полезных ископаемых. Решить эту проблему можно, сведя использование полезных ископаемых к минимуму, что, как следствие, позволит сэкономить природные ресурсы, а так же снизить выбросы загрязнений. Эта идея в основном затрагивает отрасли энергетики, экономики и экологической защиты. Особое внимание приковано к химической промышленности, как к крупному потребителю данных ресурсов, к таким энергоемким процессам как сушка, выпарка, ректификация и т.д.
Во многих странах разрабатываются схемы с использованием эффективного энергосберегающего оборудования для данных процессов.
Концентрирование растворов методом выпаривания - один из наиболее распространенных технологических процессов в химической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. Большое значение выпарные установки приобретают в связи с проблемой защиты окружающей среды от загрязнений промышленными отходами. Выпаривание - крайне энергоемкий процесс, на процессы выпаривания расходуется огромное количество теплоты. Для уменьшения расхода греющего пара обычно используют многокорпусные выпарные установки или тепловые насосы [1].
В сравнении с многокорпусной выпарной установкой при использовании полного теплового насоса снижаются габариты установки, расход металла, уменьшаются производственные площади,
управление процессом становится проще и дешевле [2].
Выпаривание - процесс концентрирования жидких растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как при температурах ниже температур кипения испарение происходит только с поверхности жидкости.
Выпаривание иногда применяют также для выделения растворителя в чистом виде : при опреснении морской воды выпариванием образующийся из нее водяной пар конденсируют и полученную воду используют для питьевых или технических целей [3].
Из-за значительной энергоемкости процесса выпаривания важным является выбор теплоносителя и его использование. Решить проблему экономии теплоносителя можно лишь тогда, когда за счет 1 кг греющего пара удалять больше 0,9 кг вторичного. Это возможно при условии использования вторичного пара в качестве греющего. Однако непосредственное использование вторичного пара в том же выпарном аппарате невозможно, так как необходимо соблюдать условие теплопередачи: температура греющего пара должна быть больше температуры кипения. Поэтому есть 2 варианта:
1. Понизить температуру кипения раствора, т.е. использовать вторичный пар одного выпарного аппарата для обогрева другого аппарата, работающего при пониженном давлении, где температура кипения раствора меньше температуры конденсации вторичного пара. Этот метод используется в многокорпусных выпарных установках, где давление от корпуса к корпусу понижается, и вторичный пар
предыдущего корпуса может служить греющим для следующего;
2. Повысить давление и соответственно температуру конденсации вторичного пара до значения греющего. Такое повышение происходит при сжатии вторичного пара в компрессоре или инжекторе[2].
Второй способ экономии греющего пара за счет использования образующегося при выпаривании вторичного пара в качестве греющего в том же выпарном аппарате, может заменить многокорпусную установка.
На практике реализуется несколько схем выпарки с использованием теплового насоса.
Выпарной аппарат с полным тепловым насосом.
Полный тепловой насос используется для сжатия всего вторичного пара, полученного в выпарном аппарате и использования этого пара в качестве греющего.
1тт- Х-н
Р™- V
Ж 111: рВ1
Бн)
Выпарные аппараты с частичным тепловым насосом
Сэкономить греющий пар можно также при помощи инжектора.
По варианту технологической схемы (рис.2) сжимается и затем используется в качестве греющего не весь вторичный пар, а лишь часть его. Сжатие осуществляется в инжекторе за счет подачи потока пара высокого давления.
Область применения выпарных аппаратов с инжектором крайне узка. Опыт работы показал, что такой способ экономии греющего пара способен конкурировать с использование турбокомпрессора при степенях сжатия вторичного пара не более 1,5-2,0. При этом коэффициент инжекции может достигать значения 0,6, что связано с большим расходом пара высокого давления [6].
Рис. 1. Схема выпарного аппарата с полным тепловым насосом [4]: 1-выпарной аппарат, 2-турбокомпрессор 1-
Ргр - давление греющего пара;
рвт - давление вторичного пара в выпарном аппарате;
^овд - температура конденсации
1н - темература исходного раствора, поступающего в первый теплообменник;
Ц - температура греющего пара при давлении 6,4 ат;
Б0 - расход свежего (дополнительного) потока пара;
Бгр - расход греющего пара;
Сн - исходный расход раствора поступающего в трубное пространство выпарного аппарата;
Ск - конечный расход раствора выходящего в трубное пространство выпарного аппарата;
W - расход вторичного пара;
Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что при выпаривании с полным тепловым насосом на каждый килограмм свежего греющего пара выпаривается более 5 кг вторичного. Однако экономия греющего пара в определенной степени приводит к дополнительному расходу энергии на сжатие вторичного пара в компрессоре[4].
Работа выпарной установки с полным тепловым насосом всегда экономически эффективнее, нежели без него. Но область применения полных тепловых насосов ограничена специфичными характеристиками работы турбокомпрессоров: высокими
производительностями при сравнительно небольших степенях сжатия[5].
Рис. 2. Схема выпарного аппарата с инжектором [4]: Выпарной аппарат, 2- инжектор. Ргр - давление греющего пара;
рвт - давление вторичного пара в выпарном аппарате;
- температура конденсации
1н - темература исходного раствора, поступающего в первый теплообменник;
1гр - температура греющего пара при давлении 6,4 ат;
Б0 - расход свежего (дополнительного) потока пара;
Бгр - расход греющего пара;
Сн - исходный расход раствора поступающего в трубное пространство выпарного аппарата;
Ск - конечный расход раствора выходящего в трубное пространство выпарного аппарата;
W - расход вторичного пара;
Повышение эффективности выпарных установок с тепловым насосом за счет утилизации теплоты.
Необходимость экономии энергетических затрат, греющего пара вынуждает к поиску и разработку вариантов утилизации теплоты при функционировании выпарных установок. Независимо от схемы работы выпарных установок, возможна непосредственная утилизация теплоты отводимых конденсата и упаренного раствора - для подогрева исходного. Явление самоиспарения может быть использовано для подогрева упариваемого раствора и для получения дополнительного потока пара при дросселировании конденсата греющего пара [2].
Рис. 3. Схема выпарной установки с тепловым насосом и утилизацией теплоты конденсата и упаренного раствора
[4]
1- Выпарной аппарат, 2-дроссельный вентиль, 3- сепаратор, 4-турбокомпрессор, 5,6- сепаратор
Pгр - давление греющего пара; pвт - давление вторичного пара в выпарном аппарате; ^онд - температура конденсации ^ - темература исходного раствора, поступающего в первый теплообменник; - температура греющего пара при давлении 6,4 ат; - температура исходного раствора поступающего в первый теплообменник; V - температура раствора поступающего во второй теплообменник D0 - расход свежего (дополнительного) потока пара; Dгр - расход греющего пара; Gн - исходный расход раствора поступающего в трубное пространство выпарного аппарата; Gк - конечный расход раствора выходящего в трубное пространство выпарного аппарата;
W - расход вторичного пара;
Заключение
На основании произведенного обзора литературы можно сделать вывод, что процесс выпаривания с тепловым насосом тоже является весьма энергоемким, поэтому вопрос о целесообразности применения того или иного варианта выпаривания с тепловым насосом решается на основании техноэкономического расчета.
При выборе оптимальной схемы целесообразно учитывать как физико-химические свойства раствора, так и количества разделяемых компонентов.
Список литературы
1. Применение тепловых насосов в ректификационных установках / В.М. Ящук, О. А. Залипаева, Д. С. Филимонова// ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ. 2014 №1(128). С 133-136.
2. Айнштейн В. Г., Захаров М. К., Носов Г. А., и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологию. // М.: Химия, 1999 - 1 кн., 2000-2 кн., 1760 стр.
3. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. // Учебник для ВУЗОВ. // 1973 г. 347 стр.
4. Лыскова М. В. Дипломная работа на тему: « Техно-экономический анализ работы выпарных аппаратов с тепловым насосом». 2006
5. Айнштейн В. Г., Захаров М. К., Носов Г. А. Оптимизация полного теплового насоса в процессах химической технологии. // Хим. пром.,2001, №1, с.18-27
6. Захаров М. К. Сравнение эффективности применения различных вариантов теплового насоса. // Хим. пром., 2002, №8, с. 10-16
