Пути экономии энергетических ресурсов в тепломассообменных процессах и установках

Тепломассообменные процессы, используемые в различных отраслях промышленности вносят как правило значительный вклад в энергоёмкость выпускаемой продукции. Рассмотрим возможности энергосбережения в одном из наиболее энергоёмких процессов разделения смесей – ректификации. Широко различаются масштабы ректификационных установок – от крупнейших ректификационных колонн нефте- и газо-переработки до малых установок в производствах фармацевтических препаратов, реактивов и особо чистых веществ.

Снижение расхода энергии на ректификацию возможно, как с помощью целенаправленной оптимизации процесса, так и на основе применения специаль­ных энергосберегающих схем.

Выбор оптимальных условий ректификации. На все основные показатели ректификации, в том числе и на расход энергии, существенно влияет правильный выбор условий проведения процесса – давления и температуры.

Понижение температуры и давления ректифи­кации вызывает, как правило, увеличение коэффи­циента разделения и дает возможность сократить потоки по ко­лоннам и, соответственно, расход энергии на испа­рение, а также число единиц переноса (ЧЕП).

Понижение температуры также позволя­ет использовать для обогрева испарителей тепло­носитель с более низкими параметрами, то есть более дешевый, в том числе дешевое отбросное тепло. Таким образом, желательно понижение давления и температуры ректификации. Одна­ко при этом для охлаждения конденсатора по­требуется хладоагент с более низкой температу­рой, что может практически ограничивать ниж­ний предел температуры и давления в ректифи­кационной колонне. Кроме этого при изменении давления и температуры процесса необходимо учитывать их влияние на гид­родинамические и кинетические параметры рек­тификации.

Выбор коэффициента избытка флегмы.Другой путь экономии энергии при ректификации может быть основан на сокращении избытка флегмы. Увеличе­ние флегмового числа позволяет решать задачу раз­деления при меньшем числе единиц переноса, то есть при меньшей высоте колонны. Применение более эффективных контактных устройств, то есть сни­жение величины высоты единицы переноса (ВЕП), позволит ог­раничиваться меньшим избытком флегмы при разумной высоте ко­лонн.

Нередко в качестве критерия оптимизации при определении опти­мальной величины коэффициента избытка флег­мы принимают минимальный объем ректификаци­онной колонны или пропорциональную объему величину произведения числа единиц переноса на поток по колонне.

Указанные выше подходы к выбору значения коэффициента избытка флегмы не отвечают зада­че энергосбережения при ректификации. При вы­боре коэффициента избытка флегмы более обосно­ванным представляется использование в качестве критерия оптимизации такого показателя, как при­веденные затраты. В этом случае положение опти­мума, то есть минимума затрат, будет зависеть от соотношения между стоимостью оборудования и стоимостью энергозатрат, по мере возрастания пос­ледних оптимум сдвигается в область меньших зна­чений избытка флегмы.

Ректификация с рекомпрессией паров (с тепловым насосом).Принципиальная схема ректификации с рекомпрессией пара (с тепловым насосом) изображена на Рис 7.1. Поток пара из верха колонны сжима­ют в газодувке (компрессоре низкого давления) до такого давления, чтобы он мог служить нагревате­лем в испарителе-конденсаторе 4. Отдавая тепло на испарение содержимого испарителя, пары конден­сируются и образуют флегму, которая после дрос­селирования поступает на орошение колонны. Часть конденсата отбирается в ка­честве дисстиллата - продукта ректификации. Та­ким образом, в отличие от обычной схемы ректи­фикации отсутствует дефлегматор - он совмеща­ется с испарителем.

1- ректификационная колонна; 2- машина для сжатия паров; 3 - привод (мотор);

4- конденсатор-испаритель; . 5- вспомогательный(пусковой) испаритель с внешним обогревом

Рис. 7.1. Принципиальная схема ректификации с рекомпрессией пара

Колонна снабжена также вспомогательным ис­парителем 5 с внешним обогревом для пуска и в случае необходимости.

В данной схеме энергия расходуется не на ис­парение жидкости, как при обычной ректифика­ции, а на повышение потенциала потока паров, выходящего из колонны, что даст большую эконо­мию.

Расход энергии на сжатие паров будет тем боль­ше, чем больше разница температур в верхнем и нижнем сечениях колонны. Разность температур зависит от типа кон­тактных устройств колонны и режима ее работы.

Схема ректификации с рекомпрессией пара может дать значительную экономию расхода энергии до 3-4 раз по сравнению с обычной схе­мой обогрева ректификационных колонн.

На примере ректификации смеси бутан - изобутан эксергетический КПД установки с тепловым насосом по расчетам в 2,5 раза выше чем в случае обычной ректификации с паровым обогревом.

Для установки ректификации метанола – сырца затраты на энергоносители на единицу продукции уменьшаются в два раза.

По оценке зарубежных специалистов инвести­ции на переоборудование ректификационной ус­тановки по схеме с рекомпрессией пара окупаются за 1.5 года.

Рис. 7.2. Схема ректификации с вспомогательным циклом

Схема с рекомпрессией пара широко и успеш­но применяется в криогенной технике при ректи­фикации сжиженных газов.

Если нежелательно подвергать сжатию пары ректифицируемого вещества, рекомендуется схе­ма с вспомогательным циклом, представленная на Рисунке 7.2. Однако, выбор вспомогательного теплоносителя с нужными физическими свойствами может пред­ставлять известные трудности.

Многокорпусная ректификация.Использование теплосодержания потока паров, выходящих из ректификационной колонны, воз­можно и по схеме многокорпусной ректифика­ции, аналогичной хорошо известным установкам многокорпусной выпарки. Для этого процесс рек­тификации необходимо осуществлять в двух или большем числе корпусов при различном давлении и температуре с таким расчетом, чтобы пары, вы­ходящие из одной колонны-корпуса, могли служить греющим потоком для другой колонны-корпуса. В этом случае испаритель следующего корпуса слу­жит одновременно конденсатором предыдущего корпуса, работающего при более высоком давле­нии. Принципиальная схема двухкорпусной ректификации изображена на Рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема двухкорпусной ректификации

Технологическая связь по перерабаты­ваемым потокам может быть различной - либо это независимо параллельно работающие колонны, как на схеме Рис. 7.3, либо последовательные ступе­ни ректификации, возможна и ректификация раз­ных продуктов.

Число колонн-корпусов в принципе может быть более 2-х и зависит от разности температур греющего агента, поступающего на обогрев высо­котемпературного первого корпуса, и температу­ры хладоагента, используемого для охлаждения конденсатора последнего низкотемпературного корпуса. Учитывая, что повышение температуры, как пра­вило, вызывает уменьшение коэффициента разде­ления при ректификации, увеличение числа кор­пусов свыше 2-3-х вряд ли рационально, даже если последний (низкотемпературный) корпус работа­ет под вакуумом.

При многокорпусной ректификации тепло­носитель со стороны расходуется только на обо­грев 1-го корпуса, остальные корпуса обогреваются соковым паром. Экономия энергии при этом про­порциональна числу корпусов и в грубом при­ближении кратна этому числу, но в действитель­ности несколько меньше, так как оптимальные температурные условия можно поддерживать только в одном корпусе.