Підвищення теплового потенціалу вторинних енергоресурсів

Для утилізації низькопотенціальної теплоти різних матеріальних потоків може бути використаний трансформатор теплоти - тепловий насос. Відмінність тепло­вого насосу від звичайних теплообмінників у тому, що останні дозволяють переда­ти теплоту від більш нагрітого потоку до менш нагрітого, у той час як у тепловому насосі теплота передається від більш холодного до більш нагрітого потоку. Такий перенос теплоти здійснюється з витратою певної кількості роботи.

Перші промислові теплові насоси одержали розповсюдження у США у кінці 50-х - початку 60-х років XX століття. Завдяки можливості утилізації низькопотен­ціальної теплоти, що є основним призначенням теплового насоса, їх використання все ширше розповсюджується. Розвиток теплових насосів стає предметом діяльно­сті національних урядових програм та міжнародних організацій.

Відведення енергії у формі теплоти від об'єктів з відносно низькою темпера­турою до приймачів теплоти з більш високою температурою пов'язано з підвищен-

ням теплового потенціалу вторинного джерела енергії, що не може, виходячи з пер­шого закону термодинаміки, відбуватися самодовільно. Для підвищення теплового потенціалу необхідна витрата зовнішньої енергії того або іншого виду: електрич­ної, механічної, хімічної, кінетичної, енергії потоку газу або пари та ін.

Процеси підвищення потенціалу теплоти класифікуються в залежності від стану температурних умов тепловіддавача та теплоприймача по відношенню до температури зовнішнього середовища (293К). У випадку, коли температура теп­ловіддавача нижча за температуру навколишього середовища, а температура теп­лоприймача дорівнює цій температурі, трансформатор теплоти має назву рефре-жератора. Трансформатор теплоти, в якому тепловіддавач функціонує при темпе­ратурах, що перевищують температуру навколишього середовища, має назву теп­лового насоса.

При температурі теплопередавача, нижчою навколишього середовища, а тепло­приймача вищою, трансформатор теплоти здійснює обидві функції - і рефрежерато-ра, і теплового насоса. Такий трансформатор теплоти називається комбінованим.

Теплові насоси широко застосовуються в технологічних установках, пов'яза­них з нагріванням до температур не вище 500К.

Теплонасосні установки в залежності від способу підвищення тиску робочого тіла поділяються на три групи: компресійні, сорбційні та струминні.

Принцип роботи компресійних установок заснований на підвищенні тиску шляхом механічної або термічної дії на робочий агент.

Принцип роботи сорбцІйних установок заснований на підвищенні тиску робо­чого тіла при послідовному здійсненні термохімічної реакції поглинання робочого агента відповідним сорбентом з відведенням теплоти, а потім виділення - десорб­ції - робочого агента з сорбенту, що супроводжується підведенням теплоти. У цих установках використовуються властивості деяких пар речовин змінювати темпера­туру при адіабатному змішуванні. За допомогою процесів сорбції та десорбції у сорбційних установках виконуються функції, аналогічні процесам всмоктування та нагнітання, що здійснюються механічним компресором.

Струминні трансформатори теплоти засновані на використанні кінетичної ене­ргії потоку пари або газу, що підвищують тиск робочого агента. Струмінь пари або газу, що виходить з великою швидкістю із сопла, створює ефект ежекції, в резуль­таті якого відбувається всмоктування, а потім стиснення робочого тіла.

Струминні установки можуть представляти собою як закриті термодинамічні системи, робоче тіло в яких здійснює термодинамічний цикл (установки закритого типу), так і відкриті, в яких процес розімкнений (установки відкритого циклу).

Перспективною галуззю застосування теплових насосів є дистиляційні та ре­ктифікаційні установки.

На спиртових заводах на долю брагоректифікаційних установок припадає біля 65% всієї енергії, що витрачається.

У класичній схемі ректифікації спостерігаються великі втрати енергії від не­зворотності процесу внаслідок великої різниці температур у випарниках та втрати теплоти в конденсаторах.

Використання води зовнішніх джерел для конденсації водно-спиртових парів часто призводить до зменшення кількості флегми та погіршення якості продукту в літню пору року з причини дуже високої температури води.

Для зниження енерговитрат у процесі ректифікації звичайно використовують схеми, наведені на рис. 15.34.

На схемі (рис. 15.34 а) верхній продукт стискується у компресорі 2 та викори­стовується як гріючий агент у кип'ятильнику 4, де він конденсується та після дро­селювання у вигляді флегми повертається до колони або відводиться від неї.

За другим варіантом (рис. 15.34 б) частина кубової рідини використовується як холодагент у дефлегматорі-випарнику 5, створена в ньому пара стискується у компресорі 2 та потрапляє на обігрів колони 1.

Використання кубової рідини, менш концентрованої за летким компонентом як робочої рідини для теплового насоса має перевагу, тому що їй властива більш висока теплота пароутворення у порівнянні з дистилятом, що дозволяє знизити витрату енергії та кількість робочої рідини в компресорі.

На рис. 15.34 в) наведено схему теплового насоса закритого типу з проміжним теплоносієм.

Перевагою ректифікаційних установок порівняно з тепловими насосами є не тільки економія енергії, а й зменшення сумарної поверхні теплообміну.

Застосування теплових насосів у брагоректифікаційних установках ускладню­ється значною різницею температур кипіння кубової рідини та пари верхнього про­дукту. Різниця температур, що спостерігається при розділенні суміші етиловий спирт-вода (біля 27° С), створює певні труднощі для застосування теплового насо­су, який працює за схемою (рис. 15.34 а). У цьому випадку температурна депресія повинна покриватися додатковим стисненням пари, що у свою чергу призводить до значного її перегрівання та додатковим втратам енергії у кип'ятильнику за рахунок збільшення температурного напору. У даному випадку раціонально використову­вати проміжний кип'ятильник, до якого потрапляє рідина з проміжних тарілок ко­лони, а кипіння відбувається за рахунок конденсації стиснених у компресорі парів верхнього продукту (рис. 15.35). Решта теплоти надходить до кип'ятильнику ниж­ньої частини колони з гріючою парою. Створена у додатковому кип'ятильнику пара та невипарена рідина надходить до колони, а сконденсована пара верхнього проду­кту після скиду тиску у дросельному клапані конденсується у конденсаторі та час­тково у вигляді флегми повертається до колони. Чим вищий тиск стискування пари, тим ближче до нижньої частини колони буде знаходитись відбір рідини до проміж­ного кип'ятильника, тим більше енергії буде витрачено на стиснення та менше те­плоти потрапляти з гріючою парою.

Визначення оптимального тиску стискування пари верхнього продукту вима­гає сумісного розрахунку колони та теплового насоса, тому що зі зміною місця відбору змінюється флегмове число та кількість тарілок у колоні.

У Франції в Національному інституті промислової хімії розроблена ректифі­каційна колона з тепловим насосом, що використовує як робоче тіло воду (рис. 15.36 а). Установка проста та не містить додаткового теплообмінника, характеризу-

Рис. 15.34 Принципові схеми використання теплових насосів у ректифікаційних колонах: 1 - колона; 2 - компресор; 3 - дросельний клапан, 4 —- кип'ятильник;

5 - дефлегматор-випарювач

Рис. 15.35 Схема ректифікаційної колони з тепловим насосом і проміжним кип'ятильником; 1 — колона; 2 - компресор; 3 - проміжний кип'ятильник;

4 - дефлегматор; 5 — дросельний клапан

Рис. 15.36 Схеми використання теплового насоса з водою в якості робочого тіла:

1,2- колони; 3 - кип'ятильник; 4 - кондєнсатор-випарювач;

5 - компресор; 6 - дросельний клапан

ється помірними додатковими капіталовкладеннями та швидкою окупністю за ра­хунок додаткової економії енергії. Таке рішення може бути прийнято для колон, в яких різниця між температурою верху та низу незначна та які повинні працювати з великим флегмовим числом. Запропоновано також варіант об'єднання двох колон за допомогою теплового насоса, який використовує воду як робоче тіло (рис. 15.36, б). Робота колон 1 та 2 при різному температурному режимі дозволяє забезпечити необхідний температурний перепад в кип'ятильнику та конденсаторі-випарнику. Тепловий насос з водою в якості робочої рідини може працювати в інтервалі темпе­ратур 80... 250° С.

На одному з хімічних заводів Франції дистиляційна колона для розділення водно-спиртової суміші з річною продуктивністю 10 млн. дал спирту оснащена те­пловим насосом, у якому як робоче тіло використовувалася вода (рис. 15.36 в). При роботі колони без теплового насоса біля 80% теплоти (11,6 т пари за годину) втра­чається на стадії конденсації. За допомогою теплового насоса з електроприводом потужністю 2 МВт ця теплота повністю рекуперується. У результаті на виході з теплового насоса одержують 12,2 т пари за годину (Р=0,26 МПа, t=127° С). На підтримання процесу у колоні витрачається 2,2 т пари за годину, решта пари вико­ристовується для обігріву інших апаратів. Економія первинної енергії складає 3200 т нафти за рік, термін окупності 4,2 роки.

Великий інтерес для процесу ректифікації представляють теплові насоси від­критого циклу (механічна рекомпресія пари -МРП), тому що вони не потребують складного дорогого обладнання та спеціальних робочих рідин.

Такі теплонасосні установки знайшли широке застосування в спиртовій, а та­кож у хімічній промисловості у процесах перегонки та ректифікації.

Регулювання витрати пари в таких установках здійснюється за рахунок зміни швидкості обертання приводного двигуна або за рахунок байпасування частини стисненої пари на вхід компресора. Використання МРП дозволяє також виключити з технологічної схеми велику кількість теплообмінників.

На одному.з найбільших підприємств Франції "Дистелері Варньє де Нарбон" технічною службою Союзу виробників спирту та фірмою "Спейшим" проведені роботи з рекуперації теплоти спиртових парів за допомогою теплового насоса (за схемою рис. 15.34 а). На заводі змонтовано 5 ректифікаційних установок (три-виробництва фірми Пінгріс та дві - фірми Газань та Барбьє), кожна з яких містить епюраційну, спиртову та метанольну колони, загальною продуктивністю 13000 дал спирту за добу. Ректифікації піддається сирець з цукрового буряку, меляси, вина та виноградних вичавок. Витрата пари в залежності від вмісту в сирці метанолу дорі­внює 28... 32 кг/дал. У процесі реконструкції 4 метанольні колони були замінені однією діаметром 1300 мм та висотою 22 м з кожухотрубним кип'ятильником з нержавіючої сталі. Теплонасосна установка включає одноступеневу парову турбі­ну фірми "Вартінгтон'¹ потужністю 350 кВт, зі швидкістю обертання 5000 . Тиск робочої пари 1,4 МПа, температура 250° С. Відпрацьована пара з тиском 0,2 МПа потрапляє до кип'ятильника метанольної колони. Конденсат з кип'ятильника у ви­гляді флегми надходить на верхню тарілку колони. Несконденсована у кип'ятиль­нику пара спрямовується до водяного конденсатора, звідки відбирається метаноль-на фракція, а надлишок конденсату приєднується до флегми.

Для виключення перегріву спиртових парів у процесі стискування до всмок­тувальної комунікації компресора вбризкується водно-спиртовий конденсат із ки­п'ятильника колони. При роботі заводу 220 днів на рік економія палива у перераху­нку на нафту складала 1076 тонн. Термін окупності склав 3 роки.

Фірма "Ле Дістелері де Лоб", що переробляє вино та відходи виноробства на спирт-ректифікат, з метою економії природного палива та заміни його більш деше­вою електроенергією застосувала ректифікаційну установку "Спейшим" продук-

тивністю 15000 дал спирту за добу (рис. 15.37). Рекуперація теплоти відхідних вод­но-спиртових парів здійснюється за допомогою теплонасосної установки. За дани­ми фірми, у порівнянні з установкою прямої дії, для якої експлуатаційні витрати знижуються на 28%, зниження експлуатаційних витрат для установки з тепловим насосом від електродвигуна складає 23%, але капітальні затрати не перевищують 42% від витрат на БРУ прямої дії.

Рис. 15.37 Установка для перегонки вина з тепловим насосом

Тепловий насос з паровою турбіною приводу знижує експлуатаційні витрати на 25%, але капіталовкладення складають 60% у порівнянні з БРУ прямої дії, крім того, використання парової турбіни вимагає значних інвестицій на реконструкцію котельної.

Додаткова витрата свіжої пари у куб колони у кількості 3 т/год зумовлена теп­ловими втратами та різницею температур вина, що надходить на перегонку (33° С) та кубового залишку (75° С).

Для стискування пари використовують центробіжний компресор фірми "Аль-стом-Атлантик Рато" М-45 з двома паралельними турбінами, швидкість обертання -18300 масова витрата - 5000 кг/год, ступінь стиснення - 4,48, тиск всмокту­вання - 0,035 МПа, можливе регулювання витрати до 70% від оптимальної, потуж-

ність електродвигуна - 620 кВт. Економія пари складає біля 40% у порівнянні з класичною схемою, окупність - 3,1 року.

Застосування теплового насоса з водою як робочою рідиною виключає ризик зниження якості ректифікованого спирту за рахунок високого ступеня стиснення водно-спиртових парів та підвищення температури до 145° С та вище, а також ви­ключає можливість попадання мастила підшипників компресора до готового про­дукту, хоча з термодинамічної точки зору безпосередня механічна рекомпресія пари більш переважна.

Треба відзначити, що використання теплових насосів відкритого циклу в Україні стримується відсутністю відповідних компресорів для стиснення парів, у той час як за кордоном є великий асортимент таких машин.

Використання теплонасосних установок в окремих ректифікаційних колонах дає відчутну економію теплоти. Ще більшого ефекту можна досягти, якщо зв'язати ректифікаційні колони у багатоколонній установці за допомогою теплових насосів.

Американська фірма "Ексон Кемікал" розробила ректифікаційну установку, в якій за допомогою теплонасосної установки відкритого циклу утилізується прихо­вана теплота конденсації пари, що виходить з основної колони для обігріву двох додаткових колон (рис. 15.38).

У США запатентовано оригінальну установку для одержання спирту-ректифі-кату, в якій як розділяючий агент є діоксид вуглецю при суперкритичному тиску.

Установка призначена для одержання 400 т спирту за добу, концентрацією 97 мас.% з бражки концентрацією 8,2 мас.% (рис. 15.39).

В екстракційній колоні 1 (Н=29,5 м, d=5,2 м, 90 ситчастих тарілок) під дією рідкого СО₂, що знаходиться поблизу критичної точки (6,5 МПа, 28° С), відбувається виділення етанолу з бражки, кубова рідина містить 6 мас.% С0₂, розчиненого у воді, та 0,25% етанолу від абсолютного алкоголю, введеного до колони. Після проходжен­ня крізь дросельний клапан тиск кубової рідини падає з 6,5 МПа до 1,0 МПа, при цьому розчинність СО₂ у воді знижується з 6% до 2%, тобто можливо рекуперувати 66% діоксиду вуглецю, що знаходиться у кубовій рідині. Газоподібний СО₂, що виді­лився у сепараторі 8, компримується до 6,5 МПа у компресорі 5 та після конденсації у теплообміннику 10 повертається до куба екстракційної колони.

Екстракт з колони 1, що містить невелику кількість води (0,104 мас.%) та 99,75% етанолу, розчиненого у рідкому діоксиді вуглецю, після проходження крізь дросе­льний клапан розширюється до тиску 5,0 МПа та температури 15° С. У результаті створюється двохфазна суміш рідина-пара, яка містить до 25% пари практично чи­стого С0₂. Цією сумішшю живиться дистиляційна колона 2 (Н=7,6 м, d=3,4 м, 7 ситчастих тарілок). Діоксид вуглецю, що виходить з верхньої частини дистиляцій­ної колони стискується у компресорі 6 до тиску екстракції (6,5 МПа, 40° С). Прихо­вана теплота конденсації цих парів використовується для обігріву колони 2, а кон­денсат з температурою 28° С повертається до екстракційної колони. Кубова рідина з колони після проходження дросельного клапана розширюється до тиску 1,0 МПа та температури - 40° С. Потім вона нагрівається до температури 10° С у теплооб­мінниках 10, 11, 12 та надходить до сепаратора 9, пари СО₂, що в ньому виділилися

компримуються у компресорі 5 до 6,5 МПа та після конденсації у теплообміннику 10 повертаються до екстракційної колони. Спиртова рідина, що виходить з сепара­тора 9, розширюється до атмосферного тиску та звільняється від залишку С0₂ у ректифікаційній колоні З (Н=8,5 м, d=l,5 м, 14 ситчастих тарілок).

На стадії екстракції та ректифікації спирту мають місце втрати діоксиду вуг­лецю біля 1,6%. Ці втрати поповнюються діоксидом вуглецю, який виділився на стадії бродіння.

За висновком авторів така установка з енергетичної точки зору переважає кла­сичну схему з механічною рекомпресією пари. Даний метод рекомендовано також для виділення кофеїну з кави.

В НУХТ запропоновані енергозаощаджуючі БРУ з теплонасосними установ­ками відкритого циклу.

На рис. 15.40 наведено БРУ з тепловим насосом на водно-спиртовій парі бра­жної колони.

В одно-спиртова пара з температурою 96... 97° С перегрівається у пароперегрі-вачі 6 до 100° С, після чого стискується у компресорі 7 до тиску 0,25 МПа та темпе­ратури 120...122° С. Компримована пара потрапляє на обігрів епюраційної та спир­тової колон. Надлишок теплоти використовується для перегріву парів у паропсре-грівачі 6 перед їх надходженням до компресора.

Рис. 15.40 Брагоректифікаційна установка з тепловим насосом на водно-спирто­вій парі бражної колони. Колони: 1 - бражна колона; 2 - епюраційна колона; З - спиртова колона; 4 - дефлегматор; 5 - кип'ятильник; 6 - перегрівач пари;

7 - турбокомпресор

Витрати пари на процес брагоректифікації знижуються на 54... 56%, додаткові витрати електроенергії складає 1,05 кВттод/дал.

На рис. 15.41 наведено схему браго ректифікаційної установки з механічною рекомпресією водно-спиртових парів та парів вторинного закипання відхідних рі­динних потоків (БРУМРП).

Для обігріву бражної колони в цій установці використовується теплота відхід­них потоків барди, лютерної води та охолоджуючої води. Вивід вказаних потоків з установки здійснюється крізь відповідні випаровувальні камери, в яких за допомо­гою турбокомпресора підтримується розрідження 0,02 МПа та відповідна цьому тиску температура кипіння - 60° С. Охолоджуюча вода проходить послідовно крізь конденсатори спиртової, епюраційної та бражної колон, де нагрівається до 60...65°С, після чого додатково нагрівається у підігрІвачі 5 конденсатом вторинної пари до температури 78...80°С. У результаті різниці тисків у комунікації охолоджуючої води та у випаровувальній камері відбувається різке закипання води та виділення вто­ринної пари. Барда та лютерна вода потрапляють у відповідні випаровувальні ка­мери, вторинні пари, що виділилися у випаровувальних камерах, стискаються до тиску 0,18... 0,20 МПа та відповідної цьому тиску температури - 117...118° С, після чого використовуються для обігріву бражної колони. Нестача вторинної пари для обігріву бражної колони поповнюється свіжою парою.

Водно-спиртова пара з епюраційної та спиртової колон потрапляє до відповід­них компресорів, де стискується до тиску, що забезпечує підвищення температури на 10...15° С вище, ніж у кубах цих колон. Підтримання необхідного тиску та його регулювання в колонах здійснюється за допомогою вентилів, встановлених на ко­мунікаціях між вихідним патрубком компресора та відповідним конденсатором,

В цій установці здійснюється комплексна утилізація теплоти всіх відхідних матеріальних потоків. Рекуперативне використання пари є найбільш раціональним засобом економії енергоресурсів, тому що теплота, що виділяється при конденса­ції, у сотні разів вища теплоємності рідких потоків. Економія пари на процес дося­гає 80%, а конденсація парових потоків, що виходять з епюраційної та спиртової колон безпосередньо в їх конденсаторах, дозволяє знизити на 90... 92% витрату охолоджуючої води.

У випадку, коли стиснення пари у компресорі теплового насоса призводить до небажаного перегріву, що негативно впливає на якість спирту, роботу теплового насоса організовують таким чином, щоб створюючи розрідження у колоні, змен­шити температуру стиснення.

Впровадження БРУ з тепловими насосами відкритого циклу на водно-спиртовій парі вимагає вибору турбокомпресора, конструкція якого повинна виключати попадан­ня мастила до готового продукту та забезпечувати надійну герметичність системи. Ви­користання як робочого тіла водяної пари дозволяє уникнути цих складностей.

На рис. 15.42 представлено запропоновано в НУХТ схему БРУ з тепловим насосом, як робоче тіло якого використовується пара дефлегматорної води.

Дефлегматорна вода з температурою 65...70° С потрапляє з дефлегматорів епю­раційної та спиртової колон до нижньої частини трубного простору відповідних

Рис. 15.42 Брагоректифікаційна установка з тепловим насосом на

дефлегматорній воді: 1 - спюраційна колона; 2 - спиртова колона;

З - дефлегматор; 4 - випарювач; 5 - кип'ятильник; 6 - перегрівам пари;

7 - турбокомпресор; 8 - барометричний збірник

випарників, верхня частина яких з'єднана з турбокомпресором. За допомогою тур­бокомпресора у трубному просторі випарювачів створюється розрідження 0,012.., 0,013 МПа, при якому температура кипіння води складає 50...51 С. Пари, що виді­лилися в результаті кипіння дефлсгматорної води, стискаються у компресорі до тиску 0,2 МПа та температури 120° С, після чого надходять на обігрів епюраційної коло­ни. Надлишок парів спрямовується до кип'ятильника спиртової колони. Лютерна вода та конденсат парів дефлегматорної води з кип'ятильників спиртової та епюра­ційної колон спрямовуються до міжтрубного простору відповідних випарників, де віддають частину своєї теплоти дефлегматорній воді, що забезпечує її інтенсивне кипіння. Частина лютерної води використовується у пароперегрівачі 6 для забезпе­чення сухого ходу компресора.

Це рішення дозволяє утилізувати теплоту дефлегматорної води, що виводить­ся з установки, використовувати її повторно у процесі ректифікації та тим самим знизити на 28... 30% витрати гріючої пари. Додаткові витрати електроенергії на привід компресора складають 1,28 кВт год/дал.

Основною перевагою теплонасосних установок над традиційним енергозбе­реженням є: можливість утилізації скидної низь ко потенціальної теплоти; викорис­тання більш дешевої електричної енергії замість дорогої теплової, використання замість трубопроводів від котельних електричних кабелів; зменшення негативного впливу технологічних об'єктів на навколишнє середовище.

Застосування теплонасосних установок у технологічних процесах відкриває широкі перспективи використання вторинних енергоресурсів.