CC BY
15
УДК 661.53:66.042.2
Представлет результати експе-риментальних дослиджень абсорб-цшно-холодильних установок (АХУ) блоку вторинног конденсаци агрега-тiв синтезу амiаку сери АМ - 1360. Запропоноваш техшчш ршення, що забезпечують збшьшення холодо-продуктивностi АХУ та знижують температуру вторинног конденсаци з метою тдвищення енергоефектив-ностi агрегату синтезу в щлому
З ПИТАННЯ П1ДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ЕКСПЛУАТАЦП АБСОРБЦ1ЙНО - ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВОК АГРЕГАТ1В СИНТЕЗУ АМ1АКУ
А.К. Баб^ченко
Кандидат техшчних наук*
В. I. Тошинський
Доктор техшчних наук Нацюнальний техшчний ушверситет «Хармвський полiтехнiчний
шститут»
вул. Фрунзе, 21, м.Хармв, 61002
Вступ i постановка завдання дослщження
Широке застосування водоамiачних абсорбцiйних холодильних установок (АХУ), зокрема, у блощ вто-ринно1 конденсаци агрегапв синтезу серii АМ - 1360 пов'язане з можливктю утилiзацii низько потенцiйноi теплоти матерiальних потоюв, що забезпечуе тдви-щення енергоефективносп цих агрегатiв. Основне при-значення АХУ полягае в охолодженнi циркуляцшного газу у випарниках до температури вторинноi конденса-цii амiаку не вище регламентноi (0°С).
Попереднiми дослщженнями [1] встановлено, що ефективнiсть експлуатацп АХУ внаслiдок застосування водяного охолодження абсорбера, повiтряноi конденсацii амiачноi пари пiсля дефлегматора та по-вiтряного охолодження циркуляцiйного газу у блощ первинноi конденсацii вiддiлення синтезу суттево залежить вщ коливань температури атмосферного повиря, збiльшення якоi тдвищуе енергоефектив-нiсть АХУ Незважаючи на таке тдвищення, тобто збiльшення теплового коефвденту з 0,42 до 0,54 за рахунок збшьшення холодопродуктивностi з тдви-щенням температури атмосферного повиря з - 5°С до 30°С внаслiдок зменшення кратностi циркуляцii
розчишв, температура циркуляцiйного газу (температура вторинноi конденсацii) на виходi випарника АХУ зб^ьшуеться з - 8°С до 5°С, що вище встанов-леноi регламентом норми i призводить, як вщомо [2], до збшьшення навантаження на вiдцентровий три-корпусний з приводом ввд паровоi турбши компресор стиску циркуляцiйного газу i свiжоi азотно-водневоi сумiшi. Останне вщбиваеться на пiдвищеннi витрат природного газу i глибоко знесоленоi води для вироб-ництва водяноi пари тиском 10,5 МПа у додатковому паровому котл^ а отже, i знижеш енергоефективностi агрегату синтезу. При цьому, юльюсш залежностi [2] впливу температури вторинноi конденсацii на вказанi вище витрати свщчать, що для такого потужного агрегату вш доволi суттевий i зменшення ii навггь на 1°С дозволяе знизити витрати природного газу i глибоко знесоленоi води вiдповiдно на 307354 м3 i 3000 т на рж. З урахуванням вартостi природного газу на поточний рж 2400 грн. за 1 тис. м3 забезпечуеться економiчний ефект бiля 750 тис. грн.
Таким чином, зниження температури вторинноi конденсаци за рахунок тдвищення холодопродуктив-ност вимагае одночасного зменшення кратносп цир-куляцii розчинiв i температури кипiння холодоагенту у
випарниках АХУ. Проте, неможливкть виконання тако! умови за кнуючого енерготехнологiчного оформлення АХУ висувае вимогу його удосконалення, що i станови-ла предмет подальших дослiджень
Результати дослiджень та ¡х обговорення
Дослiдження проводились у промислових умовах експериментально-аналиичним методом у вщповщ-ностi з алгоритмом, викладанням у робот [1], окремi результати яких, що вщбивають основнi показники ефективносп експлуатацii АХУ блоку вторинно! кон-денсацii, представленi у табл. 1.
Аналiз результатiв, представлених у табл. 1, дозволив встановити основш юльюсш залежностi для кратноси циркуляцп f, яка визначаеться наступним ствввдношення [3]:
f = (%дф Ч*);
4). Отже, ефектившсть роботи абсорбера в значнiй мiрi визначае не тiльки холодопродуктивнiсть АХУ, але i тиск у випарнику. При цьому зменшення чи хоча б стабШзащя тиску вимагае зниження у линш перiод його питомого теплового навантаження qA , яке визначаеться рiвнянням [3]:
qA=i8l- ^+- ^ ;
(2)
де 181,131 - вiдповiдно ентальпiя пари холодоа-генту i слабкого розчину на входi абсорбера, кДж/кг; i4 - ентальтя мiцного розчину на виходi абсорбера, кДж/кг.
Аналiз рiвняння (2) свщчить, що величини f i qA дещо взаемозалежнi i збiльшення, наприклад кратно-стi циркуляцп f, призводить до тдвищення питомо! теплоти qA (див. рис. 5 Б), яка також збшьшуеться внаслiдок тдвищення температури слабкого розчину на входi абсорбера (рис. 6).
(1)
де £,ДФ - концентрацiя амiаку у водоамiачнiй парi з дефлегматора, кг/кг; (£,г -£,а) - зона дегазацп, тобто рiзниця конденсацiй амiаку у мщному £,г i слабкому £,а водоамiачних розчинах, кг/кг.
Згiдно рiвняння (1) величина кратност циркуляцii зменшуеться з ростом зони дегазацп, що шюструеться залежнiстю, наведенiй на рис. 1. Шдвищення остан-ньо! у свою чергу вщбуваеться за рахунок зростання концентрацп мiцного розчину £,г, яка збшьшуеться (рис. 2) з тдвищенням тиску в абсорберi, який майже вщповщае тиску у випарнику i зростае з пiдвищенням температури циркуляцшного газу на входi випарни-ка у лiтнiй перiод (рис. 3). Таке тдвищення тиску у тдсумку i призводить в основному до збiльшення температури кипiння холодоагенту у випарнику (рис.
■о
н о
'Е 13 £
13 12 11 10 9 8 7
5,5 6,5 7,5 8,5 9,5
Зона дегазаци (*10-2), кг/кг
Рисунок 1. Залежжсть кратностi циркуляцп f вiд зони дегазацп розчижв (£,г-£,0)10-2
Таблиця 1
Основы показники ефективносп експлуатацп промисловоТ АХУ блоку вторинноТ конденсацп.
од 'ч о х О О О о я, Питома теплота, кДж/кг и и
в р н и к я я ^ го О р о г о н Я а « '3 а р т н е ц н о К
№ режиму '3 к £ к р и ц л т о '3 ат р И т Л т О в и т к £ о р п о д о л о Х Витрата холодоагенту, т/год Концентращя холодоагенту нг випарника, кг/кг Тиск конденсацй, МПа Тиск абсорбцй, МПа нс е д н о к 'о н н и р о н в а р у т а р е п м еТ и о п о г о н р е с о а н а а р у т а р е п м емТ випарника а р о ато и ф и т к ^ а ар о ато р е н е г абсорбера конденсатора н н ш '3 Ф е о к « и и о л п епТ •-.о о\ к с я а Ю Л т О '3 § ю го о а
1 7,66 3,27 10,82 0,998 1,58 0,29 5 30 1089,4 2077,0 1998,6 1152,2 0,5436 1,74 0,396
2 8,44 3,14 10,34 0,996 1,46 0,25 3 25 1093,5 2153,6 2082,4 1198,3 0,5077 1,1 0,365
3 11,25 2,61 8,66 0,9956 1,40 0,24 -6 10 1085,2 2476,2 2363,1 1277,9 0,4391 2,07 0,354
4 12,85 2,46 7,87 0,9933 1,20 0,20 -8 -5 1127,1 2677,4 2606,1 1303,1 0,4214 2,65 0,338
5 13,00 2,46 7,79 0,9943 1,22 0,20 -8 -4 1139,6 2694,1 2622,9 1298,9 0,4225 2,25 0,335
6 8,79 2,79 9,48 0,93 1,20 0,25 -1 20 1060,0 2216,5 2120,1 1227,6 0,4785 2,09 0,371
7 11,28 2,29 7,85 0,9967 1,69 0,19 -6 26 1051,6 2656,4 2459,5 1156,4 0,3951 2,47 0,325
8 11,06 2,46 8,25 0,993 1,30 0,16 -11 10 1076,4 2625,6 2517,3 1241,5 0,4101 1,52 0,325
Примака: повшстю вихщш даш по режимах експлуатацй АХУ наведен! в робот 1]
0,2 0,25 0,3!
Тиск абсорбцп, МПа
Рисунок 2. Залежнiсть концентраци мщного розчину вiд тиску абсорбцп
0,3
§ 43 0,255
с д
10 15 20 25
Тимпирктурк циркулящйносо скзу нк ВХОП1 випяпттика. °С
Рисунок 3. Залежнють тиску у випарнику вiд його теплового навантаження
а
£
а
н
г
О
0 -4 -8 -12 -16 -20
qг = ^ - i2+^2- ч)+qR qк = ^ - i6
мiцного розчину на виходi тепло обмiнника розчинiв i рщ-кого амiаку з конденсатора кДж/кг; qR = - ii) - пито-ма теплота дефлегмацп, кДж/кг; i41 - питома ентальтя мiцного розчину на виходi де-флегматора, кДж/кг.
При цьому, зменшення qK обумовлено збiльшенням концентраци холодоагенту £,5 на виходi дефлегматора з тдвищенням тиску i температури конденсацп внаслiдок зростання температури атмосферного повггря. За таких умов (зменшення qK i qr) та постшност теплопiдводу теплоти Q до генератора i тепловiдводу з конденсатора i вiдбуваeться зростання кiлькостi холодоагенту до ви-парника, а отже i холодопродуктивностi АХУ.
0,15 0,19 0,23 0,27
Тиск у випкрнику, МПк
Рисунок 4. Залежнють температури кипшня холодоагенту вщ тиску у випарнику
За таких умов тдвищуеться температура розчину на виходi абсорбера (рис. 7), концентращя мiцного розчину зменшуеться (рис. 8), а кратшсть циркуляцii збiльшуeться.
Проведенi дослiдження свщчать, що прийнята за проектом схема АХУ з дефлегмащею пари мщним розчином до його надходження у теплообмшник розчинiв недоцiльна особливо у линш перiод у зв'яз-ку iз зростанням теплового навантаження абсорбера на величину теплоти дефлегмацп за рахунок подачi слабкого розчину пiдвищеноi температури.
Зменшення кратноси циркуляцii впливае i на зниження питомого теплового навантаження гене-ратора-ректифiкатора qr (рис. 5А) та конденсатора qK (рис. 5В), що пiдтверджуеться рiвняннями [3]:
2700
й ^ г
й Та
& »2500
й
я
Ц2300
-
с -
с
I ¡2100
1 а
к /
♦
А
о 1200
н
с н
к =
1100
♦ < ♦ /
♦ В ♦
9 11
Кратшсть циркуляци
13
(3)
(4)
Рисунок 5. Залежнють питомоТ теплоти генератора-ректифiкатора (А), абсорбера (Б) i конденсатора (В) вщ кратностi циркуляцiТ розчинiв
Отримання пiдвищеноi концентрацii холодоагенту iз зб^ьшенням тиску конденсацii також сприяе зро-станню питомоi холодопродуктивностi випарника за рахунок зростання ентальпп пари ^ на виходi випарника, яка визначаеться за формулою [4]:
ц = iк-(1-^5>/К (5)
де 15, 12, 14, 16 - вiдповiдно питомi ентальпil пари амiа-ку на виходi дефлегматора, слабкого розчину з генератора,
де 1к
ентальпiя пари чистого холодоагенту на
виходi з випарника, кДж/кг; К - тангенс кута нахилу
7
iзотерми в област волого1 пари, залежить вщ темпера-тури та тиску i визначаеться по таблицям [4].
Аналiз лiтератури [3 - 5] свщчить, що отримання в проце« ректифiкацii чистого холодоагенту може бути реалiзовано за схемою ректифiкацii пари частиною рiдкого холодоагенту, вiд-веденого з конденсатору.
При цьому за рахунок цiеi частини рщкого холодоагенту збшьшуеться питома теплота, що выводиться, конденсатора, яка розраховуеться за рiвнянням:
qкl = (1+ X)/qк (6)
де X = qR / qK1 - юльюсть рiдини, що выводиться з конденсатора на ректифiкацiю.
2700 2600 2500 2400 2300 2500 2100 2000 1200
< ► > /
♦ ►
48 50 52 54 53 58
Температура слабкого розчину на вход1 абсорбера, °С
Рисунок 6. ЗалежжствпитомоТ тбероти абсорбера вiд температури слабкого розчину на входi
&
40 38 36 331 32
1900 2100 2300 2500 2700
Питома теплота абсорбера, кДж/кг
Рис. 7. Залежжсть температури мщного розчину на виходi абсорбера вщ питомоТ його теплоти
.3
И
0,4 - ♦ ♦
0,32 - ♦ 0Л ♦
1900 2100 2300 2р00 2700
Питома теплота абсорбера, кДж/кг
Рис. 8. Залежжсть концентрацп мiцного розчину вщ питомоТ теплоти абсорбера
Недолш такоi схеми пов'язаний з необхщшстю установки конденсатора вище ректифiкацiйноi колони генератора ректифiкатора або включенням до схеми насосу рвдкого холодоагенту для часткового вiдбору його з конденсатора i подачi в ректифiкатор може бути усунений за
рахунок рiзницi тискiв в генераторi-ректифiкаторi i кон-денсаторi, що достатньо легко забезпечуеться встановлен-ням помiж цими апаратами струменевого компресора [6] робоча пара для якого може бути отримана за рахунок утилiзацii низькопотнцiйноi теплоти вiдпрцьованоi во-дяноi пари турбiни компресора технолопчного повiтря [7]. Проте, отримання чистого холодоагенту за тдвище-ного тиску конденсацп, а отже i бiльш високоi температур конденсацii вимагае для збшьшення питомоi холодопро-дуктивносп q0 додаткового перехолодження рiдкого холодоагенту, що тдтверджуеться рiвнянням:
qo = i8- i6l (7)
де i61 - питома ентальтя рiдкого холодоагенту на входi парового переохолодника, кДж/кг.
Висновки
Таким чином, проведет дослвдження та аналiз лиера-тури дозволили встановити, що удосконалення енерготех-нологiчного оформлення з метою зниження температури вторинно! конденсацп в умовах тдвищено! температури атмосферного повиря вимагае виключення 3i схеми АХУ дефлегмацп пари холодоагенту мiцним розчином, про-ведення ректифiкацii пари холодоагенту тд пiдвищеним тиском частиною рвдкого холодоагенту з конденсатора з додатковим переохолодженням рщкого холодоагенту на входi парового переохолодника. Подальше визначення юльюсних показникiв пiдвищення енергоефективностi АХУ за рахунок запропонованих техшчних рiшень дасть можливгсть зробити висновок про економiчну ефектив-нiсть та доцiльнiсть впровадження.
Лiтература
1. Бабиченко А.К., Тошинский В.И., Бабиченко Ю.А. Исследование энергетической эффективности абсорбционно-хо-лодильных установок крупнотоннажных агрегатов синтеза аммиака // Вюник Нацiонального техшчного унiверсигегу «ХП1». - Харкiв: НТУ «ХП1». - 2007. - № 32. - с. 66 - 73.
2. Бабиченко А.К., Ефимов В.Т. Влияние температуры вторичной конденсации на экономические показатели работы агрегатов синтеза аммиака большой мощности // Вопросы химии и химической технологии. - 1986. - Вып. 80. - с. 113 - 117.
3. Холодильные машины: Учебн. для студентов вузов по специальности «Техника и физика низких температур»/А.В. Бараненко, Н.Х. Бухарин, В.И. Пахарев и др./Под общ. Ред. Л.С. Тимофеевского -СПб.: Политехника, 1997.-922 с.
4. Розинфельд Л.М., Ткачев А.Г., Гуревич Е.С. Примеры и расчеты холодильных машин и аппаратов. - М.: Гостро-гиздат, 1960. - 238 с.
5. Кошкин Н.Н., Сакун И.А., Бамбушек Е.М. и др. Холодильные машины. Учебн. для вузов по специальности «Холодильные машины и установки». - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1985. - 510 с.
6. Соколов Е., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 350 с.
7. Установка для виробництва амiаку. Патент № 34437. Украша. МПК (2006)F25B 15/2, F25B 49/00, С01С1/00 / Бабiченко А.К., Тошинський В.1. - № 200803380, заявл. 17.03.2008; Опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.
