Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
Глава V. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ
ПРОЦЕССАХ И ТЕХНОЛОГИЯХ
Низкотемпературные технологии переработки исходного
сырья и материалов широко распространены в настоящее время в
России в нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической,
легкой отраслях промышленности и в машиностроении. Потребление
ТЭР этими установками доходит до 12 % от общего объема,
потребляемого в промышленности.
Низкий КПД сушильных, выпарных, дистилляционных и
ректификационных установок ведет к неоправданному увеличению
доли энергозатрат в структуре себестоимости производимого
продукта. Повышение эффективности работы таких установок в
настоящее время является актуальной задачей национальной
экономики.
Энергосбережение в сушильных установках
Тепловая сушка относится к наиболее энергоемким
технологиям. Затраты ТЭР на сушку составляют около 12 % всех
затрат энергии в промышленности и сельском хозяйстве.
Актуальность энергосбережения в сушильных установках (СУ)
определяется широким распространением процесса и низким КПД
(30-35 %).
Типы сушильных установок:
- конвективные (94 %, обеспечивается непосредственный
контакт материала, предназначенного для сушки, с сушильным
агентом – нагретым воздухом, топочными газами);
- контактные (4 %, теплота от сушильного агента к
высушиваемому материалу передается через стенку);
- радиационные (1 %);
- прочие (1 %, диэлектрические (в полях высокой частоты),
сублимационные (в замороженном состоянии под вакуумом)).
Процесс конвективной тепловой сушки состоит из трех
стадий:
1) подготовительная (используют аппараты подготовки
сушильного агента и высушиваемому материала): предварительный
нагрев; пенообразование; дробление; воздействие ПАВ;
81
виброобработка, имеющие целью снижение энергии связи влаги со
скелетом материала;
2) основная (используется одна или несколько сушильных
камер);
3) заключительная (утилизация ВЭР, улавливание пыли), ког-
да утилизируемая теплота с помощью рекуперативных, регенеративных или контактных теплообменников используется для нагрева воздуха, подаваемого в топочную камеру, теплофикационной или технологической воды, предварительного нагрева материала, подвергающегося сушке.
Сушка определяется статикой и кинетикой процесса.
Статика сушки − материальный и тепловой балансы сушилки,
позволяющие определять расходы сушильного агента и теплоты,
экономичность сушилки.
Кинетика сушки − изменение во времени среднеинтегральных
значений влагосодержания и температуры материала. С помощью значений кинетики определяют продолжительность сушки и габариты
установки.
Энергосберегающие мероприятия подразделяются следующим
образом:
1) теплотехнологические:
- теплотехнические – выбор тепловой схемы (рис. 13), режим-
ных параметров сушки: температуры, скорости и влагосодержания сушильного агента, режимов работы установки, коэффициента рециркуляции; управление конечным влагосодержанием сушильного агента);
- конструктивно-технологические (оптимизация числа зон
промежуточного подогрева сушильного агента, выбор направления
взаимного движения сушильного агента и высушиваемого материала,
совершенствование систем подвода теплоты, улучшение аэродинамики в сушильной камере);
2) кинетические:
- интенсификация внутреннего тепло- и массообмена (повыше-
ние температуры материала в первом периоде сушки, снижение
термодиффузионной составляющей потока массы влаги при ее
разнонаправленности с диффузионной составляющей, использование
ПАВ и внешних полей − электрических, магнитных, звуковых;
- интенсификация внешнего тепло- и массообмена (повышение
температурного напора, движущей силы массообмена, коэффициента
теплоотдачи к высушиваемому материалу, увеличение поверхности
тепло- и массообмена);
82
- кинетическая оптимизация (управление профилем скорости,
температурой и влагосодержанием сушильного агента на входе; ли-
Рис. 13. Принципиальные схемы конвективных сушильных установок
типа сушильный агент
−
воздух, в которых часть отработавшего
воздуха: а – возвращается в зону перед подогревателем (весь
сушильный агент (свежий и отработавший) нагревается
до температуры на входе в сушилку); б – подается в зону после
подогревателя, где смешивается со свежим нагретым воздухом
и далее подается в сушилку; П
С
−
сушильная камера
−
подогреватель;
неаризация кинетики сушки изменением формы сушильной камеры,
активизация взаимодействия сушильного агента и высушиваемого
материала, реверсия);
3) прочие:
- использование нетрадиционных и возобновляемых
источников энергии, заменяющих органическое топливо (солнечные,
ветровые установки для сушки растительных материалов);
- использование прерывистых режимов подвода тепла за счет
радиационного излучения;
- использование в качестве сушильного агента паров
растворителя, водяного пара атмосферного давления.
Из анализа тепловых балансов конвективных сушилок
известно, что наибольшие потери теплоты обусловлены отходящим
сушильным агентом и потерями в окружающую среду.
Наиболее распространена первая схема (рис. 13а), требующая
подогрева всего сушильного агента, но до более низких температур.
Рециркуляция части сушильного агента (рис. 13б) сокращает расходы
уходящего сушильного агента в десятки раз.
Тангенс угла наклона кривых процессов смещения свежего и
83
отработанного сушильных агентов АD и АD΄ (рис. 14а,б) пропорционален удельным энергозатратам q.
Рис. 14. Изменение состояния сушильного агента в сушилках
с рециркуляцией
Равномерное распределение сушильного агента в поперечном
сечении камеры, выравнивание его профиля скорости ведут к
устранению неравномерности сушки, уменьшению габаритов камеры,
капитальных и энергозатрат на сушку.
Энергосбережение в выпарных аппаратах
Выпарные аппараты применяются для концентрирования
растворов солей и нелетучих жидкостей в химической, пищевой
отраслях промышленности и в производстве минеральных удобрений.
Выпаривание ведут в многокорпусных установках непрерыв-
ного действия (рис. 15). Это обеспечивает использование в качестве
греющего пара вторичного пара, образующегося в каждом корпусе
над раствором, в последующих корпусах с более низким давлением
или передачу части вторичного пара (экстрапара) другим тепловым
потребителям.
Способы экономии энергии в выпарных установках:
1) использование теплоты вторичного пара в многокорпусных
установках;
2) применение сжатия паров струйным эжектором или
компрессором;
3) подогрев раствора, направляемого на выпарку, вторичным
паром или конденсатом;
84
сат).
прямоточная
ϕ
⋅=n
W
D
4) внешнее теплоиспользование ВЭР (вторичный пар, конден-
Рис. 15. Схемы выпарных установок: а
с конденсатором; б
в
−
с ухудшенным вакуумом; г − с нуль-корпусом; д − двухста-
дийная с обогревом корпуса второй стадии острым паром;
е
−
двухстадийная, с обогревом корпуса второй стадии вторичным
паром первой ступени; ж
током; и
Классификация по давлению вторичного пара в последнем
корпусе: под разрежением; под избыточным давлением.
В результате использования теплоты вторичного пара расход
пара от внешнего источника снижается и может быть рассчитан по
следующей формуле:
−
с отбором экстрапара; к − со смешанным током
−
прямоточная с противодавлением;
−
противоточная; з − с параллельным
,
85
−
где D − расход греющего пара;
ϕ
ϕ
W − количество растворителя, удаленного из раствора;
n − количество корпусов;
− поправочный коэффициент, учитывающий увеличение
теплопотерь при увеличении числа корпусов.
Если n = 3÷4, то
= 0,9, для n = 5÷6 ϕ = 0,85.
Применение противоточных схем замедляет отложение солей
на поверхностях нагрева, что уменьшает теплопотери через наружные
поверхности. Однако такая схема требует, в отличие от прямоточных,
применения перекачивающих устройств, в связи с чем растут затраты
на электроэнергию. Окончательный выбор схемы основан на техникоэкономическом сравнении вариантов.
Установки с отбором вторичного пара для внешних
потребителей относятся к числу энерготехнологических, так как
решают технологическую задачу и служат источником теплоты.
Энергосбережение в ректификационных установках
Ректификационные установки широко применяются в нефте-
перерабатывающей, химической и пищевой отраслях промышленности. Нефтеперерабатывающие заводы потребляют в виде топлива,
теплоты и электроэнергии 8-12 % объема перерабатываемой нефти.
Вторичные энергетические ресурсы ректификационных
установок (ВЭР РУ) перечислены ниже:
- теплота паров низкокипящих компонентов, уходящих из
верхней части колонны;
- теплота кубового остатка.
Возможность энерготехнологического комбинирования с
целью регенеративного энергосбережения в РУ показана на рис. 16.
Отработанный раствор в количестве G
при температуре tF по-
F
ступает на разделение в колонну, куб которой обогревается паром,
расход которого D
и энтальпия h0. Пары летучих компонентов из ко-
0
лонны охлаждаются последовательно в конденсаторе флегмы 3 и конденсаторе готового продукта 5, между которыми установлен дефлегматор 4 для отделения жидкой фазы (флегмы) в количестве G
возвращаемой на орошение колонны. Дистиллят в количестве G
температуре t
направляется в сборный бак 6 и возвращается на
D
при
D
R
рецикл.
,
86
( )
∑
+−
++−=
ocOBOBOB
OBWWWF
FFDDD
QttСGtC
GtCGtCGhD
12
00
η
DR
GGR =
Рис. 16. Схема ректификационной установки для регенерации
органических растворителей: 1
2
−
куб; 3 − конденсатор флегмы; 4 − дефлегматор; 5 − конденсатор
готового продукта; 6
7
−
водонагреватель; 8 − насос циркуляционный
−
сборник готового продукта (дистиллята);
−
ректификационная колонна;
Нагретая в конденсаторах флегмы и готового продукта вода поступает
в систему горячего водоснабжения и обеспечивает работу моечных
машин. Часть горячей воды после дополнительного подогрева паром
ТЭЦ или котельной в водоподогревателе 7 отводится в систему
отопления.
Тепловой баланс РУ:
,
где коэффициент η характеризует эффективность теплообменника;
− флегмовое число (R = 3÷4).
Таким образом, на получение 1 т дистиллята расходуется
несколько тонн греющего пара, большая часть теплоты которого (до
85 %) передается охлаждающей воде в конденсаторах. Теплота этой
воды часто сбрасывается в окружающую среду через градирню. Это
тепло может быть с пользой использовано либо напрямую в моечных
87
машинах и горячем водоснабжении, либо после дополнительного
подогрева в системе отопления. В этом случае через наружные
поверхности аппаратов и труб теряется не более 15 % теплоты.
В настоящее время мероприятия по экономии топлива и
энергии становятся крайне актуальными и необходимыми.
Основными процессами разделения на индивидуальные компоненты
жидких, газо- и паровых смесей являются ректификация, абсорбция и
экстракция.
В нефтепереработке ректификация используется в основном
для разделения углеводородной смеси на фракции. Причем по снижению энергозатрат процесс ректификации значительно превосходит все
остальные процессы.
Основными источниками энергосбережения при ректификации
являются: снижение флегмового числа за счет повышения КПД колонны, использования тепла паров верха колонны, использование
комплексов со связанными тепловыми потоками (минимизация
энергозатрат), совмещенные (с абсорбцией, экстракцией и химической
реакцией) процессы, рекуперация тепла и холода, снижение
гидравлического сопротивления колонн, изменение
последовательности разделения очистки сырья и теплоносителей от
дисперсной фазы.
Создание модернизированного блока разделения этаноламинов
с новыми колонными аппаратами, оснащенными насадкой оригинальной конструкции приводит к появлению ряда новых качеств:
- мягкие условия синтеза (низкая температура, низкое давле-
ние, отсутствие воды) улучшают качество этаноламинов и снижают
энергозатраты на их производство;
- гибкость технологии позволяет регулировать соотношение
выпуска МЭА (в диапазоне 10-50 %), ДЭА (в диапазоне 40-80 %) и
ТЭА (в диапазоне 15-40 %);
- аппаратурное оформление реакторного узла обеспечивает
высокую тепловую устойчивость реактора в регламентном режиме и в
аварийных ситуациях;
- технология экологически безопасна;
- качество этаноламинов полностью отвечает мировым стан-
дартам;
- полномасштабная опытно-промышленная проверка техноло-
гии;
88
- сохранение рентабельности производства при значительном
сближении цен на сырье и этаноламины, а также при значительном
снижении загрузки производственных мощностей.
Изобретение относится к конструкциям регулярных насадок,
предназначенных для проведения тепломассообменных процессов в
системе газ (пар)–жидкость и может найти применение в химической,
нефтяной, газовой и ряде других смежных отраслей промышленности,
в частности, в процессах ректификации, абсорбции.
Известна регулярная насадка для тепломассообменных аппара-
тов, набранная в виде стопки набивочных элементов, установленных
друг на друга с параллельным смещением граней и образующих по
высоте колонны связки, проходящие параллельно оси колонны.
Основным недостатком существующей регулярной насадки
является образование между корпусом аппарата и слоем насадки
полостей, которые при данной конструкции насадки невозможно
полностью заполнить предложенной конструкцией блоков даже с
меньшим числом пластин. Необходимым является упрощение
конструкции насадки, снижение трудозатрат на ее изготовление,
повышение эффективности массообмена. Техническая задача
решается тем, что регулярная насадка для тепломассообменных
аппаратов состоит из пакетов, набранных из гофрированных листов и
установленных один над другим слоями, в которой центральный пакет
в слое выполнен в виде цилиндра, а остальные пакеты размещены в
виде долей коаксиальных цилиндров, при этом гофры листов
расположены под углом к горизонту, а в смежных листах пакета
выполнены перекрестно.
Регулярная насадка работает следующим образом. Жидкая
фаза через распределительное устройство равномерно подается на
верхний торец насадки и стекает в виде пленки по поверхности
гофрированных листов 1, взаимодействуя с восходящим потоком газа
(пара). Форма пакетов позволяет равномерно распределить регулярную насадку в слое независимо от диаметров колонного аппарата. При
этом насадка занимает все его свободное сечение, не образуя пустот
между слоем насадки и стенкой колонны (аппарата). Пакеты 2, 3
выполнены таким образом, что практически отсутствует обмен
фазами между цилиндрами одного слоя, а это, в свою очередь,
предотвращает преимущественное перемещение жидкости к стенкам
аппарата. Геометрический размер пакетов может быть выбран исходя
из размеров люка-лаза, в который насадка будет подаваться для
укладки.
89
Гофрированное выполнение листов увеличивает поверхность
контакта фаз, а также повышает устойчивость насадки к
механическим воздействиям, что позволяет использовать данную
насадку в колонных аппаратах большой высоты без дополнительного
секционирования, предотвращающего разрушение нижних слоев
насадки. Перекрестное расположение гофр в смежных листах
обеспечивает равномерное распределение листов в пакетах, а также
перераспределяет фазы внутри пакета. Насадка обладает малым
гидравлическим сопротивлением.
Тепловые насосы, их назначение и основные типы
Тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее
передать теплоту от более холодного тела к более нагретому телу за
счет использования дополнительной энергии (чаще всего –
механической). Применение тепловых насосов – один из важных
путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов.
Тепловые насосы могут использовать как теплоту, вырабо-
танную в различных технических устройствах, так и теплоту природных источников – воздуха, воды естественных водоемов, грунта.
Тепловые насосы в настоящее время применяются главным
образом для нагрева теплоносителя для систем отопления, вентиляции
и горячего водоснабжения зданий. Однако их можно использовать и
для технологических целей.
Тепловые насосы различаются прежде всего по способу пре-
образования теплоты. Поскольку тепловые насосы и холодильные
установки имеют одинаковый принцип действия, то типы тепловых
насосов совпадают с типами холодильных установок. Имеются парои газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные, термоэлектрические тепловые насосы.
Другой важный вид классификации тепловых насосов – по
типу источника энергии, использующегося для преобразования теплоты. Это могут быть: электродвигатель, газовая турбина, двигатели
внутреннего сгорания, механическая энергия струи пара и т.д.
Часто тепловые насосы разделяют по виду рабочего агента
(фреоновые, аммиачные, воздушные и др.) и типу теплоносителей,
отдающих и воспринимающих теплоту (воздух–воздух, вода–воздух,
вода–вода и т.д.).
Наибольшее распространение в настоящее время получили
парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве
90