разное

Рациональное энергоиспользование в низкотемпературных технологиях

Способы энеросбережения в выпарных аппаратах поверхностного типа

Выпарные аппараты получили широкое применение для концентрирования растворов солей и нелетучих жидкостей в химической, пищевой промышленности, промышленности минеральных удобрений. Удале­ние влаги из растворов в аппаратах большой производительности требует очень значительных энерге­тических затрат, связанных с подогревом и испарением больших масс жидкости.

На современных крупных предприятиях выпаривание ведут в многокорпусных (многоступенчатых) уста­новках непрерывного действия. При этом происходит использование образующегося над раствором так называемого вторичного пара каждого корпуса в последующих корпусах с более низким давлением в качестве греющего или с передачей части вторичного пара (экстра-пара) другим тепловым потребите­лям. Раствор в таких установках перетекает из корпуса в корпус, выпариваясь при этом частично в каж­дом корпусе до определенной концентрации.

Экономия энергии в выпарных установках может достигаться следующими основными способами:

Использованием теплоты вторичного пара в многоступенчатых выпарных установках;

Применением сжатия паров при помощи струйного эжектора или механического компрессора,

Подогревом раствора, направляемого на выпарку вторичным паром или конденсатом.

Кроме того, возможно использование теплоты вторичных энергетических ресурсов, получаемых при вы­паривании (вторичный пар, конденсат) в теплоснабжении или других технологических установках (внеш­нее использование теплоты). Теоретически возможно также использование теплоты концентрированно­го раствора, однако это не всегда можно осуществить на практике.

В технологических схемах для концентрирования растворов существенную экономию пара дает приме­нение многокорпусных выпарных установок. При этом образующийся вторичный пар из первого корпуса направляется в качестве греющего во второй, из второго - в третий и т. д. В результате расход греющего пара на установку от внешнего источника снижается и может быть рассчитан по формуле

W

D = — , (9)

Пф

Где W - количество растворителя, удаленного из раствора; П - количество корпусов выпарных аппара­тов, включенных последовательно по пару; ф - поправочный коэффициент для учета увеличения тепло­вых потерь при увеличении числа корпусов. Для трех-четырехкорпусных установок ф = 0,9, для пяти - шестикорпусных установок ф = 0,85.

Такое техническое решение не удается реализовать в малотоннажных производствах по технико - экономическим соображениям. У аппаратов малой производительности существенно выше удельный расход металла на их изготовление. Поэтому снижение затрат на греющий пар при увеличении числа корпусов будет сопровождать более заметным ростом стоимости самой установки. Регенеративный по­догрев исходного раствора конденсатом греющего пара позволяет снизить расход последнего не более чем на 5-10 %, поэтому основным решением для однокорпусных выпарных установок является внешнее энергоиспользование, например отпуск вторичного пара в качестве теплоносителя внешним потребите­лям.

Для экономии греющего пара в схеме выпарной установки можно использовать паровой эжектор или механический компрессор. При этом вторичный пар сжимается с помощью пара высоких параметров или за счет подвода механической энергии до давления, которое обеспечивает необходимую темпера­туру конденсации в 1-м корпусе. Эжектор или компрессор можно устанавливать за любым корпусом ус­тановки. Чем ниже давление всасываемого пара, тем полнее утилизация теплоты, но больше требуется энергии на сжатие. Место установки ступени сжатия должно определяться на основании технико - экономических расчетов. Имеются сведения, что установка парового эжектора в трехкорпусной выпар­ной установке позволяет добиться такой же экономии пара, как установка еще одного дополнительного корпуса.

Применение механического компрессора более выгодно, чем использование парового эжектора из-за низкого КПД последнего. Кроме того, в схеме с применением парового эжектора невозможна полная утилизация теплоты, так как дополнительное количество пара, полученное от парового котла, должно быть сконденсировано.

Правильный выбор типовой схемы выпарной установки позволяет существенно снизить теплопотребле - ние на процесс выпаривания. Наиболее распространенные схемы установок с поверхностными аппара­тами приведены на рис 13.

В установках с нуль-корпусом (рис.13, г) кроме направляемого в него пара высоких параметров, в пер­вый корпус можно подавать пар более низкого давления. Этот пар может поступать не от ТЭЦ или ко­тельной, а от котлов-утилизаторов, использующих теплоту вторичных ресурсов, которые могут полу­чаться на данном предприятии. В результате решается задача замещения части первичного топлива вторичными энергоресурсами (ВЭР).

Применение противоточных схем (рис.13 ж) способствует замедлению процесса отложения солей на поверхностях нагрева и, как следствие, уменьшению тепловых потерь через наружные поверхности ап­паратов. Но для перемещения раствора из корпуса в корпус, в отличие от прямоточных установок, необ­ходимо использовать насосы. Более того, в этих установках практически исключена возможность реге­неративного подогрева раствора, поэтому снижение тепловых потерь сопровождается увеличением расхода электроэнергии на установку. Окончательный вывод о целесообразности такого решения можно сделать только на основе технико-экономического сравнения вариантов.

А - прямоточная с конденсатором; б - прямоточная с противодавлением; в - с ухудшенным вакуумом; г - с нуль - корпусом; д - двухстадийная, с обогревом корпуса второй стадии острым паром; е - двухстадийная с обогревом корпуса второй стадии вторичным паром первой ступени; ж - противоточная; з - с параллельным током; и - с отбо­ром экстра-пара; к - со смешенным током.

Установки с отбором экстра-пара (рис.13) относятся к классу энерготехнологических поскольку кроме решения чисто технологической задачи - повышения концентрации раствора они служат одновременно и источником теплоты (экстра-пар) для внешних потребителей.

Для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, которое осуществляют практически до температуры кипения обычно используют теплоту конденсата греющего пара из первого корпуса и конденсата вторичного пара из последующих корпусов. Тем самым обеспечивается регенера­тивное (внутреннее) использование теплоты в схеме, что ведет к снижению расхода греющего пара от ТЭЦ или котельной на установку. Такое решение позволяет снизить расход греющего пара, направляе-

Мого на однокорпусную установку на 5-15 %. В том случае, если применяется многокорпусная установка, подогрев исходного раствора приводит к еще более значительной экономии пара. В частности, в четырехкорпусной установке для экономии греюще­го пара от ТЭЦ или котельной может достигать (5 - 15)-Пф = 18 - 54 %.

Применение схем с конденсатором за последней ступенью (рис.13 а, давление пара в конденсаторе 0,01 - 0,02 МПа) по­зволяет подавать в первый корпус пар более низкого давления, нежели в установках с противодавлением. Это расширяет воз­можности использования вторичных энергоресурсов для выпар - ► ной установки, в частности пара от котлов-утилизаторов. В то же

Самое время установки с противодавлением (рис 13 б) могут служить источником пара из последней ступени для внешних потребителей, работающих при более низ­ком давлении.

При анализе действующих схем выпарных установок важно принимать во внимание, что решения об использовании схем с одноступенчатыми выпарными установками принимались в период, когда доля энергоресурсов в себестоимости продукции не превышала 5% и с технико-экономической точки зрения могли быть оправданными. В настоящее время, вследствие опережающего роста тарифов на энергоре­сурсы в этих же производствах доля энергоресурсов в стоимости продукции достигает 30%, 40% и бо­лее. Поэтому перспективным является переход к схемам с несколькими ступенями выпаривания.

Способы энергосбережения в выпарных аппаратах с погружными горелками

Если процесс выпаривания осуществляется в выпарных аппаратах с погружными горелками, в которых теплоноситель - продукты сгорания топлива непосредственно контактируют с выпариваемым раствором, а их температура на выходе из аппарата практически равна температуре раствора, применение много­корпусных установок с последовательным включением аппаратов по теплоносителю вообще бессмыс­ленно. Вся теплота продуктов сгорания, затраченная на испарение, уносится из аппарата образующейся в процессе выпаривания парогазовой смесью. На предварительный подогрев раствора может быть из­расходовано не более 10-15% теплоты этой смеси. Для внешнего энергоиспользования она имеет не­достаточно высокий потенциал. Ее температура обычно составляет 85-95°С. В системах отопления тре­буется вода с расчетной температурой до 110-150°С. Конечно, этого уровня температур достаточно для систем горячего водоснабжения. Согласно действующим нормативам температура сантехнической го­рячей воды 55°С. В моечных машинах машиностроительных, ликероводочных и других заводов - 60­80°С. Но затраты теплоты на горячее водоснабжение для санитарно-технических целей обычно не пре­вышают 2-3 % от затрат на отопление и вентиляцию. Возможности использования горячей воды в тех­нологии тоже ограничены. Поэтому на кафедре Тепломассообменных процессов и установок МЭИ была разработана схема, позволяющая вести процесс выпаривания при непосредственном контакте продук­тов сгорания с упариваемым раствором так, чтобы парогазовая смесь на выходе из аппарата имела бо­лее высокую температуру. Для этого было предложено выходное сопло горелки не погружать в раствор, а располагать его выше уровня раствора на расстоянии, достаточном для поддержания не барботажно - го, а струйного режима течения продуктов сгорания в газожидкостном пространстве. Меняя указанное расстояние, можно устанавливать любую необходимую температуру парогазовой смеси. Расход топлива на упаривание раствора при этом выше, чем в обычных аппаратах с погружными горелками, но с учетом замещения внешних источников теплоты для горячего водоснабжения, отопления и вентиляции исполь­зование теплоты сгорания топлива оказывается более эффективным. Действительно,
где Q-i - теплота растворения; Q2- теплота парогазовой смеси, израсходованная на получение горячей воды; B - расход топлива; Q[J - низшая теплота сгорания топлива.

Схема установки приведена на рис.14. Холодная вода, поступающая в водоподогреватель из обратной линии систем отопления, вентиляции или горячего водоснабжения, проходит сначала скрубберную часть, где нагревается до 85.95 оС при непосредственном контакте с парогазовой смесью и затем - ре­куперативную, в которой теплообмен осуществляется через теплопередающую стенку. Температура па­рогазовой смеси за рекуперативной зоной поддерживается на уровне, достаточном для предупреждения конденсации пара, чтобы снизить опасность разрушения поверхности вследствие коррозии. Конденса­ция пара из парогазовой смеси происходит в скрубберной зоне. Температура уходящих газов на выходе из нее зависит от уровня температуры воды, поступающей в водоподогреватель, и может опускаться до 35 °С. При этом эффективность использования теплоты топлива достигает 90-95 %.

Способы энергосбережения в ректификационных установках

Ректификационные установки широко применяются при получении продуктов переработки нефти, в хи­мической промышленности и в пищевых производствах (производство спирта). Разделение жидких сме­сей является очень энергоемким процессом. По опытным данным нефтеперерабатывающие заводы на переработку нефти и производство нефтепродуктов потребляют в виде топлива, теплоты и электроэнер­гии 8-12% объема перерабатываемой нефти.

В технологических схемах с ректификационными колоннами (см. рис.15) также возникает проблема ис­пользования низкопотенциальной теплоты. Вторичными энергетическими ресурсами в ректификацион­ных установках являются теплота паров низкокипящих компонентов, уходящих из верхней части колон­ны, а также теплота кубового остатка.

Расход теплоты на предварительный подогрев исходной смеси, поступающей на ректификацию, мал по сравнению с тем количеством теплоты, которое отводится с охлаждающей водой из конденсатора флегмы и конденсатора готового продукта. Более того, для предварительного подогрева смеси вполне достаточно теплоты конденсата греющего пара. В этих условиях важным способом экономии топлива является внешнее энергоиспользование. Например, на ликероводочных заводах встречаются схемы, в которых охлаждающая вода нагревается в конденсаторах флегмы и готового продукта до 65 °С и ис­пользуется затем в моечных машинах, в системах горячего водоснабжения санитарно-технического на­значения и др.

1 - ректификационная колонна; 2 - куб; 3 - конденсатор флегмы; 4 - дефлегматор; 5 - конденсатор готового продукта; 6 - сборник готового продукта (дистиллята); 7 - водоподогреватель; 8 - насос циркуляционный

Схема ректификационной установки для регенерации растворов органических растворителей показана на рис.15. Отработанный раствор в количестве GF при температуре tF поступает на разделение в колон­ну, куб которой обогревается паром. Расход пара D0, энтальпия h0. Пары летучих компонентов из колон­ны охлаждаются последовательно в конденсаторе флегмы 3 и конденсаторе готового продукта 5, между которыми установлен дефлегматор 4 для отделения жидкой фазы - флегмы в количестве GR, возвра­щаемой на орошение колонны. Дистиллят в количестве D при температуре tD направляется в сборный бак 6 и возвращается в технологический цикл.

Нагретая в конденсаторах флегмы и готового продукта вода направляется в систему горячего водо­снабжения и обеспечивает работу моечных машин. Часть горячей воды, после дополнительного подог­рева паром ТЭЦ или котельной в водоподогревателе 7 направляется в систему отопления.

Уравнение теплового баланса установки можно представить в виде

D0 (h0 - Ск )л = GD • cD • tD - GF • cF • tF + Gw • cw ' tw +

+ ^в • cов • сов (ов2 - ^в1 ) + Z Q<* ,

Где t - температура конденсата греющего пара; ск, cD, cF, cw, сов - удельные теплоемкости конденсата греющего пара, дистиллята, исходной смеси, кубового остатка и охлаждающей воды; ^в1 и W - темпе­ратуры охлаждающей воды до и после конденсаторов. Так как G^ сов ^ов-^в) = (GR^G^^-h™), где h^ - энтальпия и G^2 сов (t0в2-t0в1)=GR(hп2-cD tD), понятно, что расход греющего пара тем больше, чем больше флегмовое число R=Gr/Gd. Обычно R = 3-4. Поэтому на получение 1 т дистиллята расходуется несколь­ко тонн греющего пара, большая часть теплоты которого (до 85%) передается охлаждающей воде в кон­денсаторах. Тепло этой воды часто сбрасывается в окружающую среду через градирню. Это тепло мо­жет быть полезно использовано либо напрямую для работы моечных машин и горячего водоснабжения, как это показано на рис.15, или после повышения его потенциала путем дополнительного подогрева ли­бо с помощью теплового насоса. В этом случае теряется не более 15% теплоты через наружные по­верхности аппаратов и трубопроводов.

А Б В

Рис.16. Принципиальные схемы разделения близкокипящих смесей

А - обычная схема; б - схема с тепловым насосом на верхнем продукте; в - схема с тепловым насосом на нижнем продукте; I - разделяемая смесь; II - верхний продукт; III - нижний продукт; 1 - колонна; 2 - дефлегматор; 3 - рибойлер; 4 - компрессор, 5 - дроссель.

В тех установках, где подогрев куба колонны осуществляется паром с относительно низкой температу­рой, можно использовать для этой цели предварительно сжатые механическим компрессором или паро­вым эжектором пары, уходящие из верхней части колонны, т. е. использовать схемы с тепловым насо­сом. Примеры применения таких схем приведены на рис.16 [5].