В статье рассмотрены схема утилизация теплоты дефлегмации в ректификационных установок с промежуточным кипятильником с помощью теплонасосных установок.

Ключевые слова: верхний продукт, греющий пар, механическая мощность, тепловой насос, дополнительная потеря эксергии.

В тех случаях, когда температуры кипения верхнего и нижнего продуктов существенно различаются, применение некоторых предлагаемых схем [1] требует значительно сжатия паров в компрессоре (КМ), что в свою очередь приводит к значительному перегреву паров и дополнительным потерям эксергии в кубе за счет увеличенной разности температур. Здесь следует применять схему ректификационная установка с промежуточным кипятильником (К-К) и теплонасосной установкой (ТНУ), работающей на части верхнего продукта (рис. 1). В К-К2 поступает жидкость с промежуточных тарелок колонны РК и испаряется за счет конденсации части 3’ сжатых в КМ паров верхнего продукта. Образовавшийся в промежуточном кипятильнике пар поступает в колонну РК, а часть 3’ сконденсированных паров верхнего продукта после сброса давления в дроссель-вентиле (ДР) поступает в дефлегматор ДФ. Конденсация части 4’ происходит при смешении с потоком 3’ за счет того, что температура потока 3’ ниже температуры конденсации потока 4’, кроме этого теплота может отводиться потоком воды 8. Флегма 4 возвращается в колонну. Дистиллят 3 удаляется из установки. Недостаточная теплота поступает в К-К1, обогреваемый греющим паром 7. Чем выше давление сжатых паров 3’, тем ближе к нижней части колонны будет находиться отбор жидкости в промежуточный К-К2, тем больше энергии будет затрачиваться на сжатие и меньше теплоты поступать с греющим паром.

Рис. 1. Утилизация теплоты дефлегмации в РУ с промежуточным кипятильником: ТНУ, работающая на части верхнего продукта

Определение оптимального давления сжатия паров верхнего продукта требует совместного расчета колонны и теплового насоса, так как с изменением положения отбора изменяется флегмовое число и количество тарелок в колонне [2].

Тепловой баланс обычной схемы ректификации:

(1)

где -потоки теплоты с исходной смесью; -потоки теплоты с греющим паром в кубе К-К1; -потоки теплоты с водой в дефлегматоре; -потоки теплоты с дистиллятом; -потоки теплоты с кубовым остатком; -потери теплоты в окружающую среду.

Для энергетического сопоставления примем следующие допущения: в схеме с ТНУ состав потоков, их расход и температуры сохраняются, только . Затраты первичной энергии сосредоточены в величине , причем в обычной схеме полный расход топлива:

(2)

где -удельный расход топлива на единицу теплоты, подводимой с греющим паром в куб колонны, кг/ГДж.

В схеме с тепловым насосом:

(3)

где -затраченная на компрессор электроэнергии; -удельный расход топлива на выработку электроэнергии с учетом потерь в электросети, кг/(кВтч); -коэффициент преобразования теплового насоса.

Для суждения о возможной экономии или перерасходе топлива в сопоставляемых схемах вводится относительный расход топлива:

(4)

Для расчета следует по термодинамическим таблицам или диаграммам определить отношение теплоты конденсации паров после компрессора к затраченной на сжатие работе. Приближенно можно рассчитать через идеального цикла Карно с эмпирической поправкой:

(5)

где -температура конденсации паров после компрессора, К; -температура испарения дистиллята, К; -эмпирический коэффициент.

Определим граничное значение , при котором расход топлива для обычной и теплонасосной схем одинаков, т. е. , и следовательно:

(6)

Если , то и получается перерасход топлива, а если и — то его экономия. Если принять и , то и относительный расход топлива можно представить как . Поскольку определяется в основном разностью температур, можно оценить граничное значение этой разности:

Если , то , т. е. при тепловой насос может дать экономию топлива в сравнении с обычной схемой.

В связи с приближенностью оценок и неучетом влияния дополнительных экономических ограничений значение лучше снизить примерно до 60 К.

Для сопоставления теплонасосной и обычной схем их следует рассматривать не изолированно, а совместно с энергетической установкой, снабжающей их энергией. Греющий пар, вырабатываемый теплофикационной установкой, обычно имеет давление 1,2 МПа и температуру около 185℃. Температура кипения в кубе РК обычно не превышает 100℃. Греющий пар перед подачей в теплообменные устройства дросселируется до давления 0,3 МПа, что вызывает существенные потери эксергии. Дополнительные потери эксергии имеют место из-за значительной разности температур конденсирующегося греющего пара и кипящей в кубе жидкости. Эта разность температур составляет более 30 К, если пар конденсируется при давлении 0,3 МПа, а кубовая жидкость кипит при температуре менее 100℃. Вся энергетическая выгода теплового насоса состоит в устранении этих потерь и в утилизации теплоты парообразного верхнего продукта. Пар давлением 1,2 МПа можно преобразовать в механическую мощность с КПД . Эквивалентный тепловой насос, дающий то же количество теплоты с потреблением такой же механической мощности, имеет коэффициент преобразования:

Если температура кипения в кубе 100℃, а температура паров дистиллята 76℃, то после сжатия КМ температура конденсации паров должна быть примерно 115℃, тогда:

Из полученной оценки следует, что тепловой насос дает то же количество теплоты, потребляя вдвое меньше энергии.

Литература:

1. Визиришвили О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. — М.: Изд. МЭИ, 1994.
2. Янтовский Е. И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. — М.: Энергоатомиздат, 1989.