Теоретические исследования кинетики процесса нагрева водно-спиртовой смеси в конденсаторе теплового насоса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Энергетика

УДК 663.5:531.1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ВОДНО-СПИРТОВОЙ СМЕСИ В КОНДЕНСАТОРЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА Е.С. Бунин, Ю.Н. Смолко

В статье приведено математическое описание зависимостей теплофизических свойств водно-спиртовой смеси от её концентрации, температуры и давления над поверхностью, а также описание оригинальной конструкции ректификационной установки с тепловым насосом, повышающей энергоэффективность процесса ректификации

Ключевые слова: теплонасосная установка, плотность, теплоемкость, теплопроводность, кинетика нагрева

Перегонка и ректификация спирта являются заключительной технологической стадией

спиртового производства, определяющей качество продукта. На этой стадии на спиртовых заводах расходуется до 70 % энергоресурсов и воды. Поэтому всегда актуальными являются задачи по совершенствованию технологии и аппаратуры

ректификации для максимальной экономии тепла, электроэнергии и воды.

Низкая энергоэффективность процесса

ректификации в условиях промышленного производства обусловлена высоким расходом энергии на производство греющего пара, потерями энергии паров спирта с охлаждающими средами, необходимостью предварительного подогрева

исходной смеси необоротными теплоносителями, которые отводятся вместе с тепловыми потерями в окружающую среду, кроме того неблагоприятно влияя на экологическую обстановку.

Сокращения затрат энергетических и материальных ресурсов как в условиях крупных промышленных предприятий, так и в условиях миниспиртзаводов, где вопросы экономии стоят особенно остро, можно добиться использованием тепловых насосов в отдельных технологических стадиях процесса, связанных с нагревом и охлаждением перерабатываемого продукта.

Технологический процесс производства спирта предусматривает различные температурные режимы. Однако, интервал температур в процессе производства составляет в большинстве операций от 20 до 80оС, в некоторых - до 96...115°С (клейстеризация труднодоступных для воздействия воды и тепла крахмальных гранул, 110 - 115°С -стерилизация дефектного сырья перед приготовлением сусла). Известно, что в интервале температур от 20 до 80оС работа тепловых насосов наиболее эффективна, а значит, их внедрение должно улучшить производственный процесс.

Говоря о кинетике нагрева, мы подразумеваем скорость изменения температуры нагреваемого

Бунин Евгений Сергеевич - ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент тел. (908) 146-28-39

Смолко Юрий Николаевич - ВГУИТ, аспирант, тел. (920) 427-04-40

вещества. Повышение скорости нагрева является одним из способов интенсификации процесса и, как следствие, улучшения его энергоэффективности.

Для увеличения скорости нагрева водно-спиртовой смеси и повышения качества рекуперации тепла в процессе ректификации предлагается использовать оригинальную конструкцию ректификационной установки с тепловым насосом, представленную на рисунке 1.

Данная установка включает в себя

ректификационную колонну КР, работающую под разрежением 53,3 кПа с целью снижения температуры кипения водно-спиртовой смеси,

повышения качества получаемого спирта,

сокращения затрат энергии на нагрев и улучшения условий работы теплового насоса, дефлегматор, представляющий собой пластинчатый

теплообменник, являющийся одновременно испарителем И в составе теплового насоса. Для обеспечения необходимого разрежения служит водокольцевой вакуумный насос ВВН, соединенный с ректификационной колонной КР через испаритель и сепаратор жидкости СЖ, в котором от атмосферного воздуха отделяются частицы флегмы и пары спирта с последующим возвращением в куб колонны через трехходовой регулировочный вентиль В3.

С помощью насоса Н обеспечивается подача исходной водно-спиртовой смеси в куб колонны и её циркуляция через пластинчатые теплообменники КД2 и КД3. Расход водно-спиртовой смеси при её подаче регулируется вентилем В1, а при её циркуляции - вентилем В2.

Структурная схема используемого теплового насоса включает в себя компрессор КМ, конденсатор КД1 для предварительного подогрева исходной водно-спиртовой смеси, конденсатор КД2, размещенный непосредственно в кубе ректификационной колонны, конденсатор КД3 для дальнейшего нагрева водно-спиртовой смеси, дроссель Д и испаритель И.

Рабочей жидкостью теплового насоса является фреон Я-134а.

Рис. 1. Упрощенная схема завершающей стадии разделения водно-спиртовой смеси на высококипящий (вода) и низкокипящий (спирт) компоненты с использованием теплового насоса

Установка работает следующим образом.

Исходная водно-спиртовая смесь при температуре 20оС подается насосом Н через конденсаторы КД1 и КД3 теплового насоса в конденсатор КД2, заполняя кубовое пространство ректификационной колонны КР. Проходя через конденсатор КД1, водно-спиртовая смесь предварительно подогревается перегретыми парами фреона с температурой 93оС, полученными в процессе адиабатного сжатия в компрессоре КМ. В результате теплообмена перегретые пары фреона охлаждаются до температуры 82оС, соответствующей температуре кипения слабо концентрированной водно-спиртовой смеси при разрежении 53,3 кПа, необходимой для наиболее полного удаления низкокипящего компонента смеси. В конденсаторе КД2 происходит теплообмен между насыщенными парами фреона и водноспиртовой смесью, в результате которого фреон полностью конденсируется, образуя жидкую фазу с температурой 82оС.

Далее жидкий фреон поступает в конденсатор КД3, где происходит дальнейшее нагревание исходной водно-спиртовой смеси, предварительно нагретой в конденсаторе КД1. В результате теплообмена происходит переохлаждение жидкой фазы до температуры 63оС. (При необходимости дальнейшего нагрева водно-спиртовой смеси, улучшения условий теплообмена может быть обеспечена циркуляция водно-спиртовой смеси открытием вентиля В2). Далее переохлажденный фреон поступает в дроссель Д, в котором осуществляется адиабатное расширение и снижение температуры фреона перед входом в испаритель И до 55оС. В испарителе И происходит конденсация паров спирта при температуре 63,2оС. За счет этого фреон нагревается и закипает при температуре 55оС, а в дальнейшем перегревается до температуры 63оС. Перегретые пары фреона с температурой 63оС подаются в компрессор КМ, в котором адиабатно сжимаются, разогреваясь до температуры 93оС, после чего цикл теплообмена повторяется заново.

Исследования кинетики процесса нагрева водно-спиртовой смеси невозможны без знания конструкции аппарата, в котором происходит теплообмен. В рассматриваемой ректификационной установке теплообмен между фреоном и водноспиртовой смесью осуществляется в конденсаторах теплового насоса пластинчатого типа. Рассмотрим схему теплового взаимодействия фреона и водноспиртовой смеси через стенку греющей поверхности конденсатора (рис. 2). Примем ряд допущений:

1. Толщина стенки греющей поверхности 5 бесконечно мала и имеет постоянную температуру, равную температуре фреона.

2. Удельное термическое сопротивление теплоотдачи от греющей среды к рассматриваемому телу значительно больше удельного термического сопротивления переносу теплоты теплопроводностью внутри тела от его поверхности к середине.

Фреон Водно-спиртодая смесь

Стенка греющей поверхности

Рис. 2. Схема теплового взаимодействия фреона и водноспиртовой смеси через стенку греющей поверхности

С учетом последнего допущения водноспиртовую смесь можно рассматривать как термически тонкое тело, температура внутри которого успевает выровняться за счет интенсивного переноса тепла теплопроводностью, то есть значение температуры такого тела будет зависеть только от времени, и не будет зависеть от координат. [1]

Возьмем некий объем V водно-спиртовой смеси, расположенный между двумя греющими поверхностями конденсатора. Этот объем V нагревается с одинаковой скоростью Мйт. За время йт объем смеси примет количество теплоты:

dQt.cc = cpV(dt/dт) йт (1)

Одновременно та же теплота отдается фреоном через греющую поверхность, площадью .Р:

dQфр а^^фр tecc) йт , (2)

где tфр = tесс кон.,

4сс - температура водно-спиртовой смеси в любой момент времени.

По закону сохранения энергии:

сГ(^т^* = аР(Ф “ tвccУ* (3)

Отсюда скорость изменения температуры:

= 0(^20 = Ц!(!ф^—^есс). (4)

dт cpV (cp)1V

Таким образом, мы приходим к выводу, что кинетика нагрева водно-спиртовой смеси в значительной мере зависит от её теплофизических параметров Я, с, р.

Из литературных источников [2] известно, что плотность р, удельная теплоемкость с и теплопроводность Л зависят от температурыГ и концентрации С водно-спиртовой смеси.

Установим характер этих зависимостей, построив по имеющимся данным графики

изменения вышеуказанных величин с приведением их к математическому описанию (рис. 3, 4, 5).

1000

950

900

850

800

750

700

1000 950 900 ' 850 - 800 750 700

V* #Г

Зй' 4£Г

% масс.

ОС

Рис. 3. Зависимость плотности водно-спиртовой смеси от её концентрации и температуры

Математически полученная поверхность может быть представлена с достаточной степенью приближения в виде формулы:

_ 1003,4 -2,574 ■ Т-12,138 ■ С + 0,128 ■ С2 -2,34-10-4 ■ С3 (5) Р_ 1 - 2,27 10-3 ■ Т-1,08 10-2 ■ С +1,11 ■Ю-4 ■ С2

% масс.

С

Рис. 5. Зависимость теплопроводности водно-спиртовой смеси от её концентрации и температуры

Однако, кроме теплофизических параметров, скорость нагрева водно-спиртовой смеси зависит также и от начальной температуры теплоносителя (фреона) при входе последнего в конденсатор, которая определяет температуру кипения водноспиртовой смеси. Она, в свою очередь, зависит от концентрации водно-спиртовой смеси, а в общем случае и от давления над её поверхностью (рис.6).

5)

Рис. 4. Зависимость удельной теплоемкостиводно-спиртовой смеси от её концентрации и температуры

Зависимость удельной теплоемкости водноспиртовой смеси от её концентрации и температуры определим соотношением:

с = 4,235 - 4,31-10"3-Т+3,26-10"3-С+3,683-Т2 - 2,487-•10"4-С2+1,532-10"4-Т-С (6)

Уравнение поверхности, представленной на рисунке 5, характеризующее теплопроводность водно-спиртовой смеси, запишем в виде:

X = 0,557+3,32-10"3-Т - 6,21-10"3-С - 3,46е5-Т2 +

+2,112е"5-С2 +1,366е"5-Т-С+1,39 е"7-Т3 + 3,241е8-С3-3,91е"7-Т-С2 +1,51е-7-Т2-С (7)

100 90 80 70 -60 Ц) .

40

кПа

70

• . . .

- ■ л\ч\

20 о 7о 0

100

90

80

70

60

50

40

/ Р = 10 .ЗкПа

\ Р = 80 кПа

\ Р = 53 3 кПа

Р = 26 7 кПа

1 2 3 4 50 6 7 8 9 К

С

% масс.

Рис. 6. Зависимость температуры кипения водноспиртовой смеси от содержания спирта и давления над её поверхностью

Т

С

Температура кипения водно-спиртовой смеси:

Ткми=145,457-9,97/иС-4545,66/Р+0,5477(/иС)2+ +127394,8/Р2+17,976(/иС)/Р+8,138-10-4(/иС)3--1419459,7/Р3-2,66(/пС)/Р2+0,0258(/пС)2/Р (8)

По характеру графиков, представленных на рисунке 6, можно сделать вывод, что скорость изменения температуры нагрева водно-спиртовой смеси по мере уменьшения концентрации спирта будет возрастать медленнее скорости нагрева исходной водно-спиртовой смеси.

В результате проведения теоретических исследований установлено, что кинетика нагрева водно-спиртовой смеси является сложной функцией, нелинейно зависящей от большого количества параметров; вследствие этого, для более точного

определения характера изменения скорости нагрева смеси, требуется проведение обширных экспериментальных исследований.

* Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» по гос. контракту № 16.516.11.6028 от 23.04.11 г.

Литература

1. Баскаков, А.П. Теплотехника [Текст] / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт. - 2-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.: ил.

2.Стабников, В.Н. Этиловый спирт [Текст] /

В.Н.Стабников,И.М. Ройтер, Т.Б. Процюк. - М.:

Пищепромиздат, 1979. - 267с.

Воронежский государственный университет инженерных технологий

THEORETICAL RESEARCHES OF HEATINGKINETICS AQUEOUS-ETHANOL MIX IN THE THERMAL PUMPCONDENSER E.S. Bunin, Yu.N. Smolko

This article is included the mathematical description heat-physical propertiesof an aqueous-ethanolmix dependingon temperature and pressure over a surface, and the description of an original design of distillation plant with the thermal pump raising power efficiency of rectificationprocess

Key words: heatpump installation, density, thermal capacity, heat conductivity, heating kinetics