автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Энергоресурсосбережение в технологиях простой перегонки водных бинарных растворов

На правах рукописи

005008638

ФЕОКТИСТОВ Дмитрий Владимирович

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОСТОЙ ПЕРЕГОНКИ ВОДНЫХ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯНВ 2012

Красноярск-2011

005008638

Работа выполнена на кафедре теоретической и промышленн теплотехники Энергетического института Федерального государственно бюджетного образовательного учреждения высшего профессионально образования «Национальный исследовательский Томский политехническ университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

доцент Логинов Владимир Сгепанови

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Скуратов Александр Петрович

доктор технических наук, профессор Иванов Владлен Васильевич

Ведущая организация: Институт теплофизики

им. С.С. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 25 января 2012 года в 16 часов на заседай диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ВПО «Сибирский федеральн университет» по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВПО «Сибирск федеральный университет»

Автореферат разослан «23» декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.М.Чуп

Общая характеристика работы

Актуальность работы. За последние десятилетия во многих отраслях промышленности выросли производительность и, соответственно, энергопотребление технологических установок, что привело к появлению ряда проблем, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов, в наибольшей степени определяющих эффективность производства. Наиболее неэкономичными по потреблению энергии из основных процессов химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой промышленности являются процессы перегонки и ректификации, на реализацию которых затрачивается в перечисленных отраслях до 56% энергии.

На решение проблемы эффективного использования теплоты в установках по разделению бинарных и многокомпонентных жидкостей направлены работы Александрова И.А., Тимошенко A.B. Демиденко Н.Д., Багатурова С.А., Кафарова В.В., Комиссарова Ю.А., Цирлина А.М., Richardson J. и др. авторов. Несмотря на то, что она решалась достаточно давно, до настоящего времени практически отсутствуют экспериментальные данные об основных закономерностях этого процесса. Недостаточно проработаны научно-технические вопросы, связанные с влиянием концентрации, состава исходного вещества, величины подводимой к установке теплоты на энергоэффективность процесса разделения. Отсутствуют математические модели, являющиеся результатом масштабных экспериментальных исследований, описывающие изменения температуры паровой фазы во времени на различных стадиях технологического процесса перегонки. Теоретические основы этих процессов также пока не разработаны на уровне, обеспечивающем возможность прогностического моделирования характеристик энергоэффективности процессов разделения.

По этим причинам экспериментальные исследования процессов разделения бинарных веществ, направленные на установление основных закономерностей изменения температуры паровой фазы в течение технологического цикла и обоснование возможности уменьшения тепловых затрат в перегонных аппаратах, являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности Национального исследовательского Томского политехнического университета ("Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов"), также по государственному контракту от 19.08.2010 г., №14.740.11.0101.

Цель диссертационной работы - по результатам экспериментальных исследований обосновать возможность снижения энергозатрат на реализацию процессов перегонки и ректификации путем вариативного регулирования тепловых потоков в области фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам в перегонных аппаратах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка способа и методики экспериментальных исследований по изучению изменения температуры паровой фазы и энергоэффективности про-

цесса простой перегонки водных бинарных растворов в установке, моделирующей условия работы дистилляционного аппарата.

2. Проведение экспериментальных исследований на установке, моделирующей технологический процесс разделения водных бинарных растворов.

3. Построение по результатам выполненных экспериментальных исследований математической модели, описывающей изменение температуры паровой фазы во времени на всех стадиях процесса перегонки.

4. Выделение нестационарных режимов и характерных температурных диапазонов паровой фазы для оценки энергоэффективности перегонки.

5. Уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием полученных в экспериментальных исследованиях результатов.

Объектами исследования являются бинарные смеси: этиловый спирт -вода, ацетон - вода.

Предметом исследования являются технико-экономические характеристики процесса простой перегонки.

Научная новизна работы.

1. Установлены температурные интервалы, которые характеризуют определенные стадии процесса простой перегонки бинарных жидкостей: разогрев перегоняемого вещества (I); интенсивное увеличение температуры до кипения низ-кокипящего компонента (II); полное испарение низкокипящего компонента (III); испарение высококипящего компонента (IV); охлаждение паров (V). Впервые определено условие и предложена зависимость для границ перехода процесса перегонки из одного интервала в другой.

2. Впервые найдены зависимости общей длительности перегонки, производительности и удельных затрат теплоты от физических свойств и концентрации исходной смеси, величины подведенной теплоты в различные нестационарные периоды технологического процесса перегонки.

3. Впервые количественно установлено, что удельные затраты теплоты увеличиваются в процессе простой перегонки по мере получения готового продукта. При достижении выхода готового продукта равного 33% от объема исходного раствора на каждые 1,5% полученного дистиллята удельные затраты повышаются на 1 - 3%. В диапазоне от 33,3% до 66,6% от объема исходной смеси на каждые 1,5% готового продукта удельные затраты возрастают на 3 - 6%.

4. Впервые получены аналитические выражения для температуры паровой фазы в нестационарных режимах протекания процесса простой перегонки, учитывающие длительность процесса, массогабаритные размеры установки, тепло-физические свойства разделяемой смеси.

Практическая значимость работы.

По результатам выполненных экспериментальных исследований обоснована возможность снижения энергозатрат на перегонку путем вариативного регулирования тепловых потоков в область фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам. Предложено уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием экспериментальных результатов и установленных закономерно-

стей изменения температуры паровой фазы в различных нестационарных режимах технологического процесса разделения бинарных водных растворов.

Результаты исследований, а также проведенный на их основе анализ по оценке энергоэффективности процесса разделения смесей используются в проектных расчетах, разработках режимов работы ректификационных аппаратов на ООО «Томскнефтехим» г.Томск и ЗАО «НС-Ойл» г.Ульяновск, а также в учебном процессе по дисциплинам «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий», «Теплофизический эксперимент», «Экстремальные условия теплообмена» для студентов НИ ТПУ направления «Теплоэнергетика».

Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных ошибок, проведенных экспериментов, системой повторяемости опытов при фиксированных значениях основных факторов, использованием малоинерционных средств измерений времени, температуры, а также специальными тестовыми экспериментами.

Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований; модернизации экспериментальной установки, моделирующей процесс разделения смесей на перегонном аппарате; проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на XIV, XV, XVI, XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 — 2011 гг.), Международной конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010 г.), конкурсе научно-исследовательских работ в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010» (Новочеркасск, 2010 г.), Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2010 г.), Шестнадцатой всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Энергетика: эффективность, надежность, безопасность" (Томск 2010).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых: 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК; 11 статей в сборниках всероссийских и международных конференциях, 1 учебное пособие, рекомендованное Сибирским региональным учебно-методическим центром ВПО.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований, содержит 142 страницы, 59 рисунков, 6 таблиц, 10 приложений.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные решаемые задачи, отражена практическая значимость и новизна полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу работ, направленных на повышение энергоэффективности процессов перегонки и ректификации. Установлено, что большинство публикаций связано с внедрением различных энергосберегающих технологических схем, для реализации которых необходимы значительные капитальные затраты и реконструкция установок. Известны способы повышения эффективности использования теплоты, для осуществления которых не требуется реконструкция аппаратов находящихся в эксплуатации. К таким методам энергосбережения можно отнести оптимизацию орошения и давления, а также уменьшение разности температур при испарении сырья и конденсации продуктов. Как правило, данные способы имеют ограниченную применимость.

Во второй главе приведено описание разработанной экспериментальной установки, моделирующей условия процесса простой перегонки. Установлена область значений размерных факторов, определяющих эффективность разделения: мощность подводимой теплоты, концентрация и состав исходного вещества, а также выходные параметры: температура паровой фазы, производительность, удельные затраты теплоты и длительность технологического процесса. Для решения поставленных задач в соответствии с рекомендациями теории планирования эксперимента, принято проводить исследования по классическому рандомизированному плану с использованием инструментов полного факторного эксперимента на различных этапах работы.

По результатам предварительных экспериментов принята следующая область изменения факторов:

О <Хх < 561,4 Вт; 0 < Х2 < 96 %; Хг = 60 мл, где Х1, Хг, Хъ соответственно: тепловая мощность, подводимая к перегонному аппарату; концентрация исходной бинарной смеси; объем загрузки исходного вещества.

На основании предварительных экспериментов центр плана помещен в точку с координатами:

Х1 = 146,9 Вт.

Для водного раствора этилового спирта:

Х2 = 26,6 %.

Для водного раствора ацетона:

Х2 = 50 %.

В факторном пространстве выбрана область проведения экспериментов со следующими интервалами варьирования относительно нулевых уровней для всех объектов исследования:

АХ1 = 40,7 ... 225,3 Вт.

Для водного раствора этилового спирта:

АХ2 = 16,6 %.

Для водного раствора ацетона:

АХ2 = 13,4 ... 16,6%.

Для проведения экспериментов, моделирующих условия процесса простой перегонки собрана и модернизирована установка АРНП-2 (рис. 1). Измерение нестационарной температуры паровой и жидкой фазы водных бинарных веществ в процессе простой перегонки проводилось с помощью термопар

"хромель-капель", установленных в точке отвода паров дистиллята по патрубку колбы Вюрца (рис.1) и в центре жидкой фазы исходной смеси. Для обработки экспериментальных данных разработана программа в среде Lab View. С целью регистрации процесса использовалась видеосъемка с частотой 50 кадров/с.

Рис. 1 - Экспериментальная установка: 1 - основание (стол); 2 - подъемный столик; 3 - рычаг; 4- мерный цилиндр; 5 - тепловой экран; 6 - спираль нагрева (нагреватель); 7 -охлаждающая емкость (холодильник); В - датчик температуры (платиновый термометр сопротивления); 9 - металлическая трубка; 10 - колба Вюрца; 11 - электронный блок регулирования мощности нагревателя; 12 - тумблер включения вентилятора; 13 - вентилятор; 14 - восьмиканальное устройство измерения температуры УКТ38 - Щ4; 15 - персональный компьютер; 16 - видеокамера.

При проведении экспериментов, использовались шесть различных составов водных бинарных растворов, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Бинарные растворы, используемые при проведении

экспериментальных исследований

Номер состава Легкокипящий компонент (А) Высококипящий компонент (В) Объем А, мл. Объем В, мл.

№1 Ацетон технический высшего сорта (ОКП 24 1811 01 ГОСТ 2768-84) Дистиллированная вода 30 30

№2 40 20

№3 20 40

№4 Этиловый спирт марки «Люкс » (Гост 5962-67) 40 % (об.) 60 0

№5 40 20

№6 30 30

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния величины подведенной теплоты, концентрации и состава исходной смеси на энергоэффективность, и проведен анализ изменения нестационарной температуры паровой фазы в процессе простой перегонки.

По результатам экспериментов получены термограммы паровой фазы простой перегонки бинарных водных растворов. На рис. 2 приведена типичная экспериментальная термограмма. Установлены хорошо идентифицируемые температурные интервалы, характеризующие нестационарные режимы работы диетилляционных аппаратов: I. Разогрев перегоняемого вещества. II. Интенсивное увеличение температуры до кипения низкокипящего компонента. III. Полное испарение низкокипящего компонента. IV. Испарение высококипящего компонента. V. Охлаждение паров.

Рис. 2 - Типичная экспериментальная термограмма: I, II, III, IV, V - интервалы изменения температур паровой фазы.

Графический метод определения границ интервалов дает их грубую первоначальную оценку. Для более точного определения границ перехода процесса перегонки из одного интервала в другой необходимо вычислить скорость изменения температуры паров перегоняемого вещества:

с1т Дг'

где / - температура паровой фазы, °С.

Экстремумы этой скорости будут соответствовать границам перехода из одного интервала в другой.

Результаты исследования скорости изменения температуры паровой фазы в интервалах разогрева (I) и интенсивного увеличения температуры (II) представлены на рис. 3. Сопоставление значений, соответствующих завершению I и П интервалов (1щ- 51,ц) позволяет сделать заключение о том, что увеличение концентрации легкокипящего компонента в исходном растворе в 2 раза при всех прочих адекватных условиях сокращает длительность первого интервала на 10 - 15% и не приводит к заметному изменению продолжительности второго интервала. Проведенные эксперименты показали, что химический состав легко-кипящего компонента водного бинарного раствора является основным фактором, влияющим на значение температуры паровой фазы, при которой происхо-

дит переход из I во II и II в III интервалы. Для однотипного химического состава их значения постоянны. Для водного раствора ацетона и этилового спирта температура смены первого на второй интервал равна 27°С ц 30,4°С , второго на третий 57,6°С и 78,5°С. Стоит отметить, что значение температуры, при которой происходит завершение второго интервала для водного раствора ацетона и этилового спирта сопоставимо со значениями температур кипения ацетона 56°С и этилового спирта 78,3°С. Различие составляет менее 3%. Можно обоснованно предположить, что завершение второго интервала осуществляется в момент достижения паровой фазой температуры кипения легкокипящего компонента, входящего в состав исходной смеси.

Рис. 3 - Зависимости скорости изменения температуры паровой фазы от времени для I и II интервалов процесса простой перегонки водного раствора ацетона: (а) - 33,4% (об.), (б) -50% (об.), (в) - 66,6% (об.); водного раствора этилового спирта: (г) - 20% (об.), (д) - 26,6% (об.),

(е) - 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1 - 40,7; 2 - 76; 3 -121,8; 4 -174,9; 5 - 225,3. 11. и - 51, и - соответственно завершение I и Пинтервалов.

Поскольку для идентичных по химическому составу бинарных водных растворов переход процесса из одного интервала в другой происходит при одинаковых значениях температур паровой фазы, можно сделать вывод о том, что значение теплоты, необходимой для завершения разогрева, зависит только от концентрации. Установлено, что при увеличении концентрации легкокипящего компонента в исходной смеси, уменьшается значение необходимой теплоты для завершения разогрева (рис. 4).

Во всех проведенных экспериментах зарегистрировано уменьшение скорости изменения температуры паровой фазы в режиме разогрева (I) и стабильное ее повышение во II интервале (см. рис. 3). Этот результат можно объяснить следующим образом. Концу первого и началу второго интервала соответствует процесс интенсивного закипания исходной смеси, что ведет к образованию зародышей паровых пузырей, их последующего достижения поверхности и разрушения (зафиксировано во всех экспериментах видеосъемкой). Это приводит к увеличению скорости движения переносимой частицы перегоняемого вещества, а также повышению скорости изменения температуры паровой фазы, что в свою очередь способствует более интенсивному повышению температуры паровой фазы во II интервале по сравнению с I. Первый интервал соответствует разогреву исходной смеси, когда внутренняя энергия молекул и их скорости малы для интенсивного испарения легкокипящего компонента.

0ь»«0ж

с_%

4»

35

м

21 20 ■

1$ »■

5 ■ 0

См.,%

15

55

а

II 20 22

24 2« 2«

б

30 32 34 М за 4* 42

Рис. 4 - Зависимость количества теплоты, необходимой для завершения процесса разогрева от концентрации легкокипящего компонента для водного раствора ацетона (а), этилового спирта при подведенной мощности (б), Вт: 1 -40,7; 2 - 76; 3 - 121,8; 4 - 174,9; 5 - 225,3.

Установлено, что для уменьшения продолжительности интервала разогрева перегоняемого раствора на 10% необходимо увеличить мощность нагрева минимум на 80%, причем соотношение длительности I интервала и подводимой теплоты увеличивается в сторону последней величины на несколько порядков. Определенное влияние на рассматриваемый процесс оказывает химический состав, и концентрация легколетучего компонента в исходной смеси. Однозначно масштабы данных эффектов достаточно сложно оценить в связи с многообразием водных растворов и трудоемкостью эксперимента. Определено, что установленный выше порядок соотношения будет для всех рассматриваемых бинарных водных растворов практически идентичным.

Установлено, что затраты теплоты, необходимые для завершения процес-

са интенсивного увеличения температуры до кипения низкокипящего компонента (II), зависят только от химического состава разделяемого водного раствора. Продолжительность данной стадии не зависит от величины подводимой теплоты и концентрации (рис. 3). Следовательно, во втором интервале технологического цикла можно снижать величину подводимой теплоты до значений, обеспечивающих разделение.

На основании вышеизложенного материала можно сделать заключение о том, что возможно создание специальной системы автоматизации, эффективного управления теплоснабжением промышленных перегонных и ректификационных аппаратов с помощью регулировки количества подведенной теплоты в интервалах разогрева (I) и интенсивного увеличения температуры (II) технологического цикла процесса разделения.

Для оценки эффективности использования теплоты в интервале испарения легкокипящего (III) и высококипящего (IV) компонента проанализирован удельный расход теплоты, необходимый для выхода единицы объема дистиллята:

и _ би.и ПЫУ

« v '

где V - объем дистиллята, м3. Величина конечного объема выхода целевого продукта в каждом эксперименте являлась постоянной величиной, и была равна 66,6% от величины объема исходной смеси.

Результаты исследования изменения удельных затрат теплоты Ъч от величины объема выхода готового продукта представлены на рис. 5.

Количество затраченной теплоты определялось с момента выхода дистиллята в мерный цилиндр (рис. 1), по формуле:

Öh.hiiiiv = N ■ 0,53 • г,

где N- тепловая мощность нагревателя, Вт; 0,53 - величина, учитывающая процент используемой теплоты в аппарате АРНП-2; г - время выхода дистиллята, с.

В результате проведенного анализа зависимостей рис. 5, установлено, что удельные затраты теплоты увеличиваются в процессе простой перегонки по мере получения готового продукта. При достижении выхода готового продукта, равного 33% от объема исходного раствора, на каждые 1,5% полученного дистиллята удельные затраты повышаются на 1 - 3%. В диапазоне получения дистиллята от 33,3% до 66,6% от объема исходной смеси на каждые 1,5% готового продукта Ьч возрастают на 3 - 6%.

Подобная закономерность характерна для всех бинарных водных растворов любой концентрации, что, вероятно, является следствием обогащения высо-кокипящим компонентом исходной бинарной смеси. В результате удельная теплоемкость разделяемого раствора повышается, как и температура кипения. Следовательно, количество необходимой для процесса разделения теплоты увеличивается. Стоит отметить, что по мере выхода готового продукта масса перегоняемого раствора уменьшается, а это в свою очередь, должно было привести к уменьшению удельных затрат теплоты на выход единицы дистиллята. Однако данный эффект не выделен на зависимостях рис. 5. Был сделать вывод, что уменьшение массы разделяемого вещества в процессе простой перегонки оказы-

вает меньшее влияние на величину удельных затрат теплоты, чем увеличение теплоемкости и температуры кипения кубовой жидкости, вследствие увеличения содержания высококипящего компонента.

мм

У.*',!«'

1«М

в 4 в и и а и и » х «

в

2<М 2 Ж ММ 14И

4 в 12 1« И 24 2» 32 3« 4в

2<м 1ЬГ Дж/и5,10* 14*0-

У,м', 10*

I < I 12 Н М » » 31 » « . 4 « .2 1« 20 24 2« 32 « 4в

д е Рис.5 - Зависимости удельного расхода теплоты Ь, от объема выхода готового продукта в процессе перегонки водного раствора ацетона: (а) - 33,4% (об.), (б) - 50% (об.), (в) - 66,6% (об.); водного раствора этилового спирта: (г) - 20% (об.), (ц) - 26,6% (об.), (е) - 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1 -40,7; 2 - 76; 3 -121,8; 4 - 174,9; 5 - 225,3.

Установлено, что при уменьшении подводимой теплоты на 5% удельные затраты снижаются на 2% при прочих адекватных условиях проведения процесса перегонки, что видно из соотношения значений ординат 1<2<3<4<5 на рис. 5 при равных значениях выхода объема дистиллята.

При сопоставлении значений ординат кривых с 1 по 5 (рис. 5) установлено, что при увеличении концентрации легкокипящего компонента в исходной бинарной смеси в 2 раза удельные затраты теплоты при перегонке водного раствора ацетона уменьшаются на 70%, водного раствора этилового спирта на 25%. Данный эффект объясняется тем, что при увеличении концентрации лег-

кокипящего компонента в исходной бинарной смеси уменьшается ее удельная теплоемкость и масса. Последние величины связаны прямой зависимостью с количеством затраченной теплоты в III и IV интервалах.

Стоит отметить, что увеличение количества теплоты, подводимой к аппарату, не оказывает влияния на состав выхода дистиллята при одинаковых начальных условиях разделения. Данный вывод подтверждается результатами проведенного анализа экспериментальных зависимостей температуры паровой фазы от величины объема выхода готового продукта рис. 6.

• 4 • 12 и м и и 32 м « *4аиким2»им«

а б

в г

Рис. 6 - Зависимости температуры паровой фазы от объема выхода готового продукта в процессе перегонки водного раствора ацетона: (а) - 33,4% (об.), (б) - 50% (об.), (в) - 66,6% (об.); водного раствора этилового спирта: (г) - 20% (об.), (д) - 26,6% (об.), (е) - 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1 -40,7; 2 - 76; 3 - 121,8; 4 - 174,9; 5 - 225,3.

По итогам анализа (рис. 5, 6) можно предположить, что в технологическом процессе разделения бинарных веществ на перегонных аппаратах предпочтительнее использовать смеси с большим содержанием легкокипящего компонента при меньшей подведенной тепловой мощности.

По результатам экспериментов получены зависимости производительности от величины объема выхода дистиллята при различной концентрации и величине подводимой теплоты для водных растворов ацетона и этилового спирта (рис. 7).

«', 10'

4 « и к » » а я х «

4 I и М й М Я П М «

и е

Рис. 7 - Зависимости производительности от объема выхода готового продукта в процессе перегонки водного раствора ацетона: (а) - 33,4% (об.), (б) - 50% (об.), (в) - 66,6% (об.);

водного раствора этилового спирта: (г) - 20% (об.), (д) - 26,6% (об.), (е) - 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1 - 40,7; 2 - 76; 3 - 121,8; 4 - 174,9; 5 - 225,3.

Графические зависимости на рис. 7 иллюстрируют, что по мере перегонки исходного вещества, скорость выхода готового продукта уменьшается. Эта закономерность объясняется изменением состава вещества в процессе его разделения.

При сопоставлении значений ординат аппроксимационных кривых 1-5 (рис. 7) идентичных веществ установлено, что при увеличении концентрации лег-кокипящего компонента в исходной смеси в 2 раза, повышается производительность при перегонке водного раствора ацетона на 75%, водного раствора этилового спирта на 36% при прочих равных условиях. Это объясняется тем, что, чем больше обогащена исходная смесь легколетучим компонентом, тем ниже температура выхода единицы объема дистиллята (рис. 6). В связи с этим количество теплоты, необходимой для выхода единицы целевого продукта, уменьшается, так как данная величина находится в прямой зависимости от температуры. Следовательно, повышается доля подведенной энергии, затрачиваемой на массоперенос.

Если разделить всю подводимую теплоту, используемую в дистилляционном аппарате на две части (первая расходуется на нагрев, а вторая - на фазовый переход), то на основании выше изложенного можно утверждать, что в технологическом процессе перегонки по мере продолжительности теплота, затрачиваемая на процесс нагрева, увеличивается, а на фазовый переход - уменьшается. Это приводит к увеличению удельных затрат теплоты на выход дистиллята (рис. 5) и уменьшению производительности (рис. 7).

Кроме того, графические зависимости на рис. 7 иллюстрируют, что с увеличением подводимой теплоты повышается производительность. Стоит отметить что, при повышении величины подводимой теплоты в 5,5 раза, производительность увеличивается в 5 раз, а удельные затраты на выход единицы объема дистиллята - в 2 раза.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что для достижения максимальной производительности в перегонных аппаратах предпочтительнее перегонка смесей с большим содержанием легкокипящего компонента в исходной смеси при максимально-возможной подведенной тепловой мощности.

На практике в ходе эксплуатации промышленных перегонных аппаратов возникают ситуации, связанные с прекращением подвода теплоты, вследствие выхода из строя оборудования, технологической загрузкой исходного вещества. Поскольку паровая фаза достигает высоких температур, то особенно актуальна проблема определения времени остывания и анализ влияния основных факторов на данный процесс.

Экспериментально полученные термограммы охлаждения паровой фазы (V интервала) процесса перегонки представлены на рис. 8. Исследование проводились в условиях достижения предельных температур паровой фазы. Такие условия соответствуют практически полному испарению легколетучего компонента. За начало отсчета времени охлаждения принят момент прекращения подвода теплоты.

Результаты проведенного анализа экспериментальных термограмм на рис. 8, показывают, что при более высоком содержании низкокипящего компонента в исходной смеси, температура паровой фазы имеет меньшие значения в момент начала охлаждения при одинаковых условиях, соответствующих завершению процесса разделения. Это связано с тем, что легкокипящий компонент не полностью испарился из исходной смеси, следовательно, температурный уровень технологического процесса разделения не достиг предела.

При более высокой величине ранее подведенной теплоты к установке в I—IV интервалах, задержка начала падения температуры паровой фазы в режиме охлаждения будет более продолжительной (рис. 8). Стоит отметить, что в данном случае суммарное количество теплоты, выделенное нагревательным элементом в течение 1-ГУ интервалов, будет выше. Следовательно, величина теплоты, аккумулированной элементами установки (?эу , будет больше. За счет этой составляющей температура паровой фазы с течением времени понижается медленнее, что видно при сравнении кривых 1 - 5 на рис. 8. При достижении температуры паровой фазы значений, близких к окружающей среде, влияние описанных выше начальных особенностей охлаждения сглаживается.

а б

в г

Рис. 8 — Термограммы паровой фазы V интервала процесса перегонки водного раствора ацетона: (а) 33,4% (об.), (б) 50% (об.), (в) 66,6% (об.); водного раствора этилового спирта: (г) 20% (об.), (д) 26,6% (об.), (е) 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1 - 40,7; 2 - 76; 3 - 121,8; 4 - 174,9; 5 - 225,3.

Графические зависимости скорости охлаждения паровой фазы (рис. 9) иллюстрируют, что максимальные значения скорости охлаждения (maxi - шах5) будут больше при более высоком содержании низкокипящего компонента в исходной смеси и одинаковых условиях завершения процесса разделения. Это объясняется тем, что с увеличением концентрации низкокипящего компонента в исходной смеси, концентрация кубовой жидкости на момент прекращения подвода теплоты будет выше, следовательно, температура кипения будет меньше. Кроме этого, величина теплоты, аккумулированная элементами установки за I-TV интервалы, будет меньше, что приводит к повышению интенсивности процесса охлаждения. Стоит отметить, что с повышением скорости охлаждения уменьшается длительность V интервала процесса простой перегонки.

в,'С/с

400

1200

1600

'I и'

о зм

900

2100

200 ' 400* МО 800 1000 )2Ю

|.°С/с

1! ) /2

1 Ща !; 5 ->---*

О 400 800 1200 |«00 2000 2400

д е

Рис. 9 - Скорости изменения температуры паровой фазы V интервала процесса перегонки водного раствора ацетона: (а) - 33,4% (об.), (б) - 50% (об.), (в) - 66,6% (об.); водного раствора этилового спирта: (г) - 20% (об.), (д) - 26,6% (об.), (е) - 40% (об.) при подведенной мощности, Вт: 1-40,7; 2 - 76; 3 - 121,8; 4- 174,9; 5-225,3.

В четвертой главе приведены приближенные аналитические зависимости по определению температуры паровой фазы в различных нестационарных режимах процесса перегонки, при выводе которых использованы результаты элементарной теории тепловой инерции тел и систем Г.М. Кондратьева.

Для аналитического определения температуры паровой фазы в режиме разогрева (I) и интенсивного увеличения температуры (П) получено уравнение:

(

+ехр -

/

(1)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2оС); С* - средняя теплоемкость системы "разделяемая смесь - установка", Дж/°С; ^ - поверхность теплообмена, м2; г - время, с; - начальная температура, °С; - температура окружающей среды, °С; Ч'(г) - функция, описывающая изменение температуры паровой фа-

зы, которая в I и II интервалах, определена методом наименьших квадратов в результате обработки данных, полученных при проведении опытов с водными растворами ацетона и этилового спирта. Для первого интервала:

(г )= = я2 • г - а, = 5,1 • 10"* • г - 9,48 • 1СГ3. (2)

где а2 - коэффициент, характеризующий ускорение температуры, °С/с2; <3[ - коэффициент характеризующий тепловую инерцию, °С/с. Для второго интервала:

(г)= — = аг ■ т + д, = -3,66 • 1(Г3 • г + 7,395. (3)

Для аналитического определения температуры паровой фазы в режиме испарения получено уравнение:

'='*///ех Р

+ Qh.UIU

с V w kF ^

1 - ехр!

kFt

С,

(4)

'* JJ

где /„/я - температура, соответствующая началу III интервала, °С; и ш - полезно используемая теплота в интервале испарения низкокипящего и высоко-кипящего компонентов, Вт.

Для аналитического определения температуры паровой фазы в режиме охлаждения получено уравнение:

о+('»■„-'о )ехР

' к Fr"

(5)

■'« /

где кос ~ среднеарифметический коэффициент теплопередачи в режиме охлаждения, Вт/(м2оС); С- средняя теплоемкость системы "кубовая жидкость - установка", Дж/°С; t„0 - начальная температура паровой фазы в режиме охлаждения, °С.

По результатам расчетов изменения температуры паровой фазы в различных нестационарных режимах перегонки установлено, что расхождение значений, полученных по зависимостям (1 - 5) с экспериментальными данными, не превышает 8%.

Используя уравнения 1-5, а также выводы, полученные в данной работе, уточнен метод инженерного теплового расчета испарителя. Приведен пример расчета испарителя выполненного из пучка U-образных труб, для емкостного дистилляциошюго аппарата рис.10. Результаты расчетов продолжительности интервалов: интенсивного увеличения температуры паровой фазы (II), испарения легколетучего компонента (Ш), охлаждения (V) приведены в табл. 2 -3 и рис. 11.

Табл. 2 - Результаты расчетов температуры паровой фазы II интервала

X, с 1 2 3 4 5 6 7 8 9

t, "С 27,39 34,76 42,11 49,43 56,74 64,02 71,28 78,53 85,75

Рис. 10 - Схема однократной дистилляции: 1 - подогреватель; 2 - сепаратор;"' 3 - конденсатор-холодильник; 4 - промежуточная емкость.

Табл. 3 - Результаты расчетов температуры паровой фазы III интервала

г, с 1 2 3 4 5 . 6 7 8 9

л °С 78,28 78,36 78,55 78,83 79,21 . 79,69 80,27 80,94 81,72

г, с 10 11 12 13 14 15 16 17

л °С 82,59 83,56 84,63 85,79 87,05 88,42 89,87 91,4 -

• МО 1М* I4M 32*0 4M*

Рис. 11 - Результаты изменения температуры паровой фазы в режиме охлаждения.

В результате расчетов показана возможность определения длительности интенсивного увеличения температуры (И), испарения (III) и охлаждения (V) технологического процесса перегонки в промышленной установке.

Основные выводы

1. По результатам выполненных экспериментальных исследований выделены температурные интервалы паровой фазы, характеризующие определенные стадии процесса простой перегонки бинарных водных смесей: разогрев перегоняемого вещества (I); интенсивное увеличение температуры до кипения низко-кипящего компонента (II); полное испарение низкокипящего компонента (III); испарение высококипящего компонента (IV); охлаждение паров (V). Экстремумы скорости изменения температуры паров перегоняемого вещества, определяют границы перехода процесса из одного интервала в другой.

2. Химический состав легкокипящего компонента водного бинарного раствора является основным фактором, влияющим на значение температуры паровой фазы, при которой происходит переход из интервала разогрева перегоняемого вещества (I) в интервал интенсивного увеличения температуры до кипения низкокипящего компонента (И) и последующего перехода на стадию полного испарения низкокипящего компонента (П1) в процессе простой перегонки. Для

однотипного химического состава их значения постоянны. Для водного раствора ацетона, этилового спирта температуры перехода из первого во второй интервал соответственно равны 27°С и 30,4°С. Установлено, что завершение второго и третьего интервалов в процессе простой перегонки бинарных веществ осуществляется в момент достижения паровой фазы соответственно температуры кипения легкокипящего компонента, входящего в состав исходной смеси и температуры кипения высококипящего компонента.

3. Для уменьшения продолжительности интервала разогрева перегоняемого раствора (I) на 10% необходимо увеличить мощность нагрева минимум на 80%. Затраты теплоты, необходимые для завершения интервала интенсивного увеличения температуры до кипения низкокипящего компонента (II), зависят только от химического состава разделяемого водного раствора. Продолжительность данной стадии не зависит от величины подводимой теплоты и концентрации.

4. Уменьшение массы разделяемого вещества в процессе простой перегонки оказывает меньшее влияние на величину удельных затрат теплоты, чем увеличение теплоемкости и температуры кипения кубовой жидкости. При уменьшении подводимой теплоты на 5% удельные затраты снижаются на 2% при прочих адекватных условиях проведения процесса перегонки.

5. По мере продолжительности технологического процесса перегонки доля теплоты, затрачиваемой на процесс нагрева, увеличивается, а на фазовый переход - уменьшается. Это приводит к увеличению удельных затрат теплоты на выход дистиллята и уменьшению производительности.

6. Используя зависимости температуры паровой фазы от времени и основные выводы работы, предложено уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя емкостного дистилляционного аппарата в нестационарных режимах протекания процесса перегонки водного бинарного раствора.

Публикации по теме диссертации

Статьи по перечню ВАК:

1. Феоктистов Д.В. Экспериментальные исследования изменения температуры паровой фазы при простой перегонке веществ // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Томск. - Т.317. - С. 48 - 52.

2. Феоктистов Д.В., Логинов B.C. Приближенное аналитическое решение задачи диффузии легколетучего компонента паровой фазы в аппарате простой перегонки // Известия Томского политехнического университета. - 2011. -Томск.-Т.318.-С. 42 - 44.

3. Феоктистов Д.В. Экспериментальная оценка энергоэффективности процесса простой перегонки водного раствора этилового спирта // Энергосбережение и водоподготовка. - 2011. - Москва. - №5. - С. 71 - 74.

Другие публикации:

4. Логинов B.C., Феоктистов Д.В., Высокоморная О.В. Температурное поле гетерогенного ТВЭЛ // Современные техника и технологии. - Томск. - 2007. -Т. 3,- С. 271-274.

5. Логинов B.C., Феоктистов Д.В., Карташова, Т.Б. Оценка нестационарной теплоотдачи при плёночной конденсации пара органической жидкости на

вертикальной стенке // Современные техника и технологии. - Томск. - 2008. - Т. 3.-С. 418-420.

6. Феоктистов Д.В., Логинов B.C. О точности опытного определения среднемассовой теплоёмкости и коэффициента теплопередачи при перегонке бинарной смеси // Теплофизические основы энергетических технологий. -Томск. - 2010. - С. 67-70.

7. Феоктистов Д.В., Логинов B.C. Опытные данные по определению температуры паров при простой перегонке смесей // Современные техника и технологии. - Томск. - 2010. - Т. 3. - С. 214-215.

8. Феоктистов Д.В. Экспериментальная оценка энергоэффективности процесса простой перегонки водного раствора этилового спирта // Сборник научно-исследовательских работ аспирантов финалистов конкурса аспирантов и молодых ученных в области энергосбережения в промышленности. - Новочеркасск.-2010.-С. 197-201.

9. Феоктистов Д.В. Экспериментальная оценка экстенсивного влияния тепловой энергии на процесс перегонки // Сборник всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - Екатеринбург. - 2010. - С. 212 - 214.

10. Феоктистов Д.В. Экспериментальная оценка энергоэффективности процесса простой перегонки водного раствора этилового спирта // Сборник всероссийской научной конференции молодых ученых. "Наука. Технологии. Инновации". - 2010. - Новосибирск. - С. 150 - 154.

11. Feoktistov D.V., Kotsyuba D.N. Increasing of binary substances distillation efficiency by thermal capacity regulation // Сборник всероссийского научно-технического семинара "Энергетика: эффективность, надежность, безопасность". - 2010. - Томск,- С. 242 - 245.

12. Феоктистов Д.В. Экспериментальные исследования изменения температуры паровой фазы в процессе простой перегонки бинарных веществ // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции молодых ученых. 'Тесурсоэффективные технологии для будущих поколений". - 2010. -Томск.-С. 263-265.

13. Феоктистов Д.В. Математическая модель тарельчатой ректификационной установки с учетом продольного и поперечного перемешивания // Современные техника и технологии. - Томск. - 2011. - Т. 3. - С. 345 - 347.

14. Феоктистов Д.В., Логинов B.C. Экспериментальные исследования нестационарного теплового режима перегони ого аппарата // Сборник всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - Екатеринбург. - 2009. - С. 198 - 202.

15. Логинов B.C., Крайнов А.В., Юхнов В.Е., Феоктистов Д.В., Шабушша О.В. Примеры и задачи по тепломассообмену. СПб.: Издательство "Лань". - 2011. - 256 с.

Тираж 120 экз.

Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а

Подписано к печати 19.12.2011. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 1,16.

___Заказ 1913-11 .Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗЛШАЬСТВОЖТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

61 12-5/1952

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Феоктистов Дмитрий Владимирович

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОСТОЙ ПЕРЕГОНКИ

ВОДНЫХ БИНАРНЫХ РАСТВОРОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Логинов B.C.

Красноярск - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5 Глава 1 Основные способы энергосбережения, оценки эффективности

использования теплоты в процессах перегонки и ректификации 11

1.1 Методы снижения энергетических затрат на процессы перегонки и ректификации, не требующие реконструкции установок 12

1.1.1 Термодинамические критерии оптимальности 12

1.1.2 Определение оптимального орошения 13

1.1.3 Уменьшение разности температур и оптимизация давления при испарении сырья и конденсации продуктов в процессе разделения бинарных смесей 17

1.2 Методы снижения энергетических затрат на процессы перегонки и ректификации, требующие реконструкции и модернизации установки 19

1.2.1 Использование потоков теплоты дистиллята, кубового остатка

и греющего теплоносителя 19

1.2.2 Применение каскада теплообменных установок 21

1.2.3 Применение многоколонных установок 22

1.2.4 Реализация близкого к обратимому процессу разделения веществ 23

1.2.5 Использование ступенчатого испарения сырья 24

1.2.6 Применение теплового насоса 25

1.2.7 Повышение эффективности путем модернизации контактных устройств 26 Выводы по первой главе 27

Глава 2 Экспериментальные исследования закономерностей изменения

температуры паровой фазы в процессе перегонки 28

2.1 Планирование экспериментальных исследований 28

2.1.1 Основные размерные параметры воздействия и выходные переменные планируемого эксперимента 28

2.1.2 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований 29

2.1.3 Выбор области изменения основных факторов 31

2.2 Описание экспериментальной установки, моделирующей процесс простой перегонки веществ 33

2.2.1 Устройство и принцип действия экспериментального аппарата 33

2.2.2 Способы и средства регистрации температуры паровой фазы 38

2.2.3 Описание блок схемы и лицевой панели "виртуального" прибора 38

2.2.4 Средства, методы и точность измерения основных параметров 42

2.2.5 Методика проведения исследования закономерностей изменения температуры паровой фазы 45

Глава 3 Анализ результатов экспериментальных исследований и оценка 47 эффективности процесса простой перегонки

3.1 Тепловой баланс исследуемого процесса простой перегонки 47

3.2 Интервалы изменения температуры паровой фазы в технологическом процессе простой перегонки бинарных водных растворов 47

3.3 Исследование интервала разогрева (I) и интенсивного увеличения температуры (II) в процессе перегонки 50

3.4 Исследование энергоэффективности процесса перегонки в III и IV интервалах 59

3.5 Исследование интервала охлаждения (V) паровой фазы технологического процесса разделения бинарных веществ 77 Глава 4 Приближенное аналитическое определение температуры паровой фазы 92

4.1 Приближенное аналитическое определение температуры паровой фазы в режиме разогрева (I) и интенсивного увеличения температуры (II) 92

4.2 Приближенное аналитическое определение температуры паровой фазы в III и IV интервалах 98

4.3 Приближенное аналитическое определение температуры паровой фазы в режиме охлаждения (V) 102

4.4 Уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя 105 технологического процесса однократной перегонки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116

Приложение 1 128

Приложение 2 129

Приложение 3 130

Приложение 4 131

Приложение 5 132

Приложение 6 133

Приложение 7 134

Приложение 8 140

Приложение 9 141

Приложение 10 142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

За последние десятилетия во многих отраслях промышленности выросли производительность и, соответственно, энергопотребление технологических установок [53, 54], что привело к появлению ряда проблем, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов, в наибольшей степени определяющих эффективность производства.

В настоящее время часть научных проектов направлена на повышение эффективности потребления и преобразования энергии в тепломассообменных установках [42]. Наиболее неэкономичными по потреблению энергии из основных процессов химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой промышленности являются процессы перегонки и ректификации, на реализацию которых затрачивается в перечисленных отраслях до 56% энергии [5, 10]. Существуют две основные группы способов экономии энергии: не требующие и требующие реконструкции аппаратов [10].

К первой группе можно отнести следующие известные способы: оптимизация орошения и давления [17]; уменьшение разности температур при испарении сырья и конденсации продуктов [55, 83]; повышение эффективности массообмена и снижение гидравлических сопротивлений [38, 64]; углубление отбора теплоты отходящих потоков [49, 50]; подача флегмы и питания в колонну с определенной цикличностью [5] и др. .

Ко второй группе относятся: дублирование кипятильников, модернизация контактных устройств [27, 43], теплоизоляции [63], каскадирование теплоты [59, 60] и др.

На решение проблемы эффективного использования теплоты в установках по разделению бинарных и многокомпонентных жидкостей направлены работы Александрова И.А., Тимошенко A.B. Демиденко Н.Д., Багатурова С.А., Кафарова В.В., Комиссарова Ю.А., Цирлина A.M.,

5

Richardson J. и др. авторов. Несмотря на то, что она решалась достаточно давно [76, 77], до настоящего времени практически отсутствуют экспериментальные данные об основных закономерностях этого процесса. Недостаточно проработаны научно-технические вопросы, связанные с влиянием концентрации, состава исходного вещества, величины подводимой к установке теплоты на энергоэффективность процесса разделения. Отсутствуют математические модели, являющиеся результатом масштабных экспериментальных исследований, описывающие изменения температуры паровой фазы во времени на различных стадиях технологического процесса перегонки. Теоретические основы этих процессов также пока не разработаны на уровне, обеспечивающем возможность прогностического моделирования характеристик энергоэффективности процессов разделения.

Получение эмпирических динамических характеристик варьированием различных факторов воздействия на промышленных ректификационных колоннах и перегонных аппаратах невозможно. Если использовать активный эксперимент непосредственно на производственном объекте, то зачастую:

1) возможен брак целевого продукта;

2) при длительных переходных процессах в установках на основное возмущение накладываются другие возмущения.

Для устранения данных последствий при изучении тепломассообменных процессов, происходящих при разделении веществ методом перегонки и ректификации, необходимы значительные капиталовложения.

Вследствие вышесказанного, основным инструментом по решению задач рационального использования теплоты при разделении смесей методом ректификации и перегонки является математическое моделирование, основной задачей которого является предсказание качества разделительной способности, производительности при различных условиях эксплуатации, включая возможные изменения аппаратурного оформления и режимов разделения [78]. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о

сложном характере оптимизации технологических процессов при разгонке смесей [46-48]. Для установления закономерностей тепломассопереноса при перегонке необходимо, наряду с численным моделированием, получение систематических опытных данных [47].

По этим причинам экспериментальные исследования процессов разделения бинарных веществ, направленные на установление основных закономерностей изменения температуры паровой фазы в течение технологического цикла и обоснование возможности уменьшения тепловых затрат в перегонных аппаратах, являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности Национального исследовательского Томского политехнического университета ("Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов"), а также по государственному контракту от 19.08.2010 г., №14.740.11.0101.

Цель диссертационной работы - по результатам экспериментальных исследований обосновать возможность снижения энергозатрат на реализацию процессов перегонки и ректификации путем вариативного регулирования тепловых потоков в области фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам в перегонных аппаратах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка способа и методики экспериментальных исследований по изучению изменения температуры паровой фазы и энергоэффективности процесса простой перегонки водных бинарных растворов в установке, моделирующей условия работы дистилляционного аппарата.

2. Проведение экспериментальных исследований на установке, моделирующей технологический процесс разделения водных бинарных растворов.

3. Построение по результатам выполненных экспериментальных исследований математической модели, описывающей изменение температуры паровой фазы во времени на всех стадиях процесса перегонки.

4. Выделение нестационарных режимов и характерных температурных диапазонов паровой фазы для оценки энергоэффективности перегонки.

5. Уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием полученных в экспериментальных исследованиях результатов.

Объектами исследования являются бинарные смеси: этиловый спирт -вода, ацетон - вода.

Предметом исследования являются технико-экономические характеристики процесса простой перегонки.

Научная новизна

1. Установлены температурные интервалы, которые характеризуют определенные стадии процесса простой перегонки бинарных жидкостей: разогрев перегоняемого вещества (I); интенсивное увеличение температуры до кипения низкокипящего компонента (II); полное испарение низкокипящего компонента (III); испарение высококипящего компонента (IV); охлаждение паров (V). Впервые определено условие и предложена зависимость для границ перехода процесса перегонки из одного интервала в другой.

2. Впервые найдены зависимости общей длительности перегонки, производительности и удельных затрат теплоты от физических свойств и концентрации исходной смеси, величины подведенной теплоты в различные нестационарные периоды технологического процесса перегонки.

3. Впервые количественно установлено, что удельные затраты теплоты увеличиваются в процессе простой перегонки по мере получения готового продукта. При достижении выхода готового продукта равного 33% от объема исходного раствора на каждые 1,5% полученного дистиллята удельные затраты повышаются на 1 - 3%. В диапазоне от 33,3% до 66,6% от объема исходной смеси на каждые 1,5% готового продукта удельные затраты возрастают на 3 - 6%.

4. Впервые получены аналитические выражения для температуры паровой фазы в нестационарных режимах протекания процесса простой

перегонки, учитывающие длительность процесса, массогабаритные размеры установки, теплофизические свойства разделяемой смеси.

Практическая значимость работы.

По результатам выполненных экспериментальных исследований обоснована возможность снижения энергозатрат на перегонку путем вариативного регулирования тепловых потоков в область фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам. Предложено уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием экспериментальных результатов и установленных закономерностей изменения температуры паровой фазы в различных нестационарных режимах технологического процесса разделения бинарных водных растворов.

Результаты исследований, а также проведенный на их основе анализ по оценке энергоэффективности процесса разделения смесей используются в проектных расчетах, разработках режимов работы ректификационных аппаратов на ООО «Томскнефтехим» г.Томск и ЗАО «НС-Ойл» г.Ульяновск, а также в учебном процессе по дисциплинам «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий», «Теплофизический эксперимент», «Экстремальные условия теплообмена» для студентов НИ ТПУ направления «Теплоэнергетика».

Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных ошибок, проведенных экспериментов, системой повторяемости опытов при фиксированных значениях основных факторов, использованием малоинерционных средств измерений времени, температуры, а также специальными тестовыми экспериментами.

Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований; модернизации экспериментальной установки, моделирующей процесс разделения смесей на перегонном аппарате; проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на XIV, XV, XVI, XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 - 2011 гг.), Международной конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010 г.), конкурсе научно-исследовательских работ в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010» (Новочеркасск, 2010 г.), Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2010 г.), Шестнадцатой всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Энергетика: эффективность, надежность, безопасность" (Томск 2010).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых: 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК; 11 статей в сборниках всероссийских и международных конференциях, 1 учебное пособие, рекомендованное Сибирским региональным учебно-методическим центром ВПО.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССАХ ПЕРЕГОНКИ И РЕКТИФИКАЦИИ

Проблемы оценки эффективности, энергосбережения и оптимизации, в процессах перегонки и ректификации широко описываются в различных литературных источниках. В химической промышленности, как и в любой другой отрасли, одной из главных задач, на решение которой направлено большое количество научных работ, является снижение себестоимости конечного продукта, определяемое затратами теплоты на технологический процесс [84].

Процессы перегонки и ректификации являются распространенными и энергоемкими, на их проведение затрачивается большая часть энергии. Так, например, на процессы разделения расходуется до 40% всех энергозатрат ликероводочных, нефтеперерабатывающих и др. заводов пищевой и нефтехимической отрасли [86]. В США на ректификацию расходуется более 3% всей произведенной энергии. Расчеты показывают, что в среднем потребление греющего пара на одну атмосферную колонну диаметром 1,4 м и высотой 9,5 м составляет 1,5 т/ч, что приводит к затратам теплоты на пар более 110 тыс. евро в год [119].

Как отмечалось выше, все известные способы энергосбережения в основном связаны с изменением режима работы, схемы, конструкции перегонных и ректификационных аппаратов, которые, требуют определенных капиталовложений [65]. Ниже рассмотрены основные способы энергосбережения и оптимизации процесса перегонки и ректификации бинарных смесей.

1.1 Методы снижения энергетических затрат на процессы перегонки и ректификации, не требующие реконструкции установок

Одним из способов сокращения расхода теплоты на процессы разделения в промышленных аппаратах является определение оптимальных параметров [9]. Для этого должен быть сформулирован критерий оптимальности, достигающий экстремальных значений, с определенными требованиями. Он должен быть единственным, количественным, иметь ясный физический смысл, эффективным с точки зрения достижения цели [64]. Таким образом, выбор критерия оптимальности с учетом совокупности требований представляет сложную комплексную задачу.

1.1.1 Термодинамические критерии оптимальности

В работах [69, 115] в качестве критерия эффективности для �