автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка энергосберегающих и экологически прогрессивных направлений производства минеральных удобрений на основе высокоэффективных тепловых схем и интенсификации тепломассообмена

11а правах рукописи

ШЕЛГИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ЯКОВЛЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ПРОГРЕССИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПРОИЗВОДСТЗА МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

Специальность 05.14.04. - Промышленная те..

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997 г.

Работа выполнена в Московском энергетическом ипешгузе Техническом университете).

Официальные оппонсшм: 'Заслуженный ленicjii. науки и k:\iiiimi |'<1>.

академик МАХ, доыор ючинчсскич наук, профессор Леончик Н И

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам, г. Москва, Ленинский проспект, 55

Защита состоится 28 ноября 1997 года в 15 часов в аудитории Г-410 на заседании диссертационного совета Д.053.16.12 в Московском энергешческом институте (техническом университете) по адресу: г.Москва, Красноказарменная ул , л 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскою термического института (технического университета).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Совет МЭИ

Член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Назмеев Ю Г.

Академик АПЭ, член-корреспондент МАИ. доктор технических наук, профессор Пермяков Б.А.

Автореферат разослан октября 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В Д.Портов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность проведения работ по рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов в одной из самых энергоемких отраслей промышленности, которой является химическая, обуславливается низкой степенью преобразования энергии в химико-технологических системах, малоэффективным использованием энергоресурсов выделяющихся в технологических процессах, что приводит к неоправданно высокой энергоемкости единицы промышленной продукции. Вопросы теории и практики энергосбережения в теплотехнологии и химико-технологических системах рассматриваются в работах Попырина Л.С., Мелентъева Л.А., Ключникова А.Д., Доброхотова НИ., Кафарова В.В., Мухленова И.П. и др.

Несмотря на то, что по многим отдельным вопросам теоретического исследования и практической реализации проблем повышения эффективности использования ТЭР на промышленных предприятиях получены существенные результаты, технико-экономические показатели химических производств крайне низки. Решение проблемы эффективного энергосбережения на предприятиях химической промышленности возможно только на основе комплексного использования ТЭР в теплотехнологических и теплоэнергетических системах предприятия, интенсификации технологических процессов, использования высокоэффективного энергОматериалосберегающего оборудования, чему и посвящается данная работа с использованием имеющихся научных и практических достижений.

Настоящая работа выполнялась на кафедре Промышленных теплоэнергетических систем МЭИ(ТУ) в рамках общесоюзных научно-технических профамм ГКНТ СССР в 19&0-1986 гг. и 1986-1990 гг. 0.01.11, в соответствии с Координационным планом АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика", заданий Государственных межвузовских комплексных научно-технических программ "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики (1990-95 гг), и является частью проводимых в стране исследований, направленных на повышение эффективности производств и создание новых прогрессивных технологий.

Целью работы является:

разработка высокоэффективных, органически связанных теплотехнологических систем и систем теплохладоснабжения предприятий по производству минеральных удобрений на основе энергоэкономичных схем, интенсификации теплотехнических и теплотехнологических процессов, создания энергоматериалосберегающего оборудования;

- обоснование результативности предлагаемого комплексного подхода к решению проблем энергосбережения на примере АО "Воскресенские минудобрения".

Для достижения поставленной цели работа проводится в следующих направлениях:

- проведение структурного и термодинамического анализа эффективности использования энергоносителей в теплотехнологических системах производств: слабой азотной кислоты, экстракционной фосфорной кислоты, серной кислоты, аммофоса в органической взаимосвязи с теплоэнергетической системой рассматриваемого предприятия для определения резервов экономии ГЭР;

- теоретическое и экспериментальное обоснование возможностей интенсификации технологических процессов и тепломассопереноса в теплотехнологических установках;

- разработка теплотехнических способов интенсификации технологических процессов;

- аналитическое и экспериментальное исследование гидродинамических и термодинамических характеристик замкнутых испарительно-конденсационных систем, функционирующих по принципу тепловых труб и термосифонов, позволяющих реализовать теплотехнические способы интенсификации технологических процессов;

- разработка высокоэффективных тепловых схем юплотсхнолошчсских систем в органической взаимосвязи с системами теплохладоснабжения предприятия;

- разработка энергоматериалосберегающего оборудования на основе полученных теоретических и экспериментальных результатов для реализации синтезированных систем.

Новые научные результаты. Разработана методология создания рациональных теплотехнологических и теплоэнергетических систем промышленных предприятий с конкретным алгоритмом поиска высокоэффективных решений по энергосбережению.

Впервые проведен комплексный анализ энергоиспользования на предприятии в органической взаимосвязи теплотехнологических и теплоэнергетических систем, на основе которого получены новые результаты, выявившие значительные резервы экономии ТЭР.

Разработаны и обоснованы нов'ые тепловые схемы теплотехнологических систем и систем теплохладоснабжения предприятия с высокими энергосберегающими показателями.

Разработаны новые теплотехические принципы значительной интенсификации технологических процессов и тепломассопереноса в теплотехнологических установках.

Составлены математические модели и получены новые аналитические расчетные соотношения на основе решения системы дифференциальных уравнений движения и неразрывности в частных производных для определения гидродинамических характеристик парового потока в каналах с испарением и конденсацией замкнутых испарительно-конденсационных систем. Впервые показано влияние условий теплоподвода и теплосъема на рабочие и предельные характеристики замкнутых испарительно-конденсационных систем.

Получены и обобщены новые экспериментальные данные для определения коэффициентов теплоотдачи при неразвитом пузырьковом кипении в гсрмосифонах. Определено шшямие гемпершурио! о уровня и тепловых нагрузок на термодинамические характеристики термосифонов в области ()1 конвективною шнлообмепа до развиюю музмрьковою режима кипения.

Получены и обобщены новые экспериментальные данные для определения коэффициентов теплопередачи в конденсационной зоне тепловых труб с пористой структурой. Показано значительное влияние режимных параметров и геометрических размеров пористой структуры на термо- и гидродинамические характеристики тепловых труб.

Разработана методика и получены расчетные соотношения по минимизации геометрических размеров тепловых труб для заданных тепловых нагрузок и располагаемых температурных перепадов, определенных внешними условиями сопряженного теплообмена.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения разработанной методологии, результатов теоретических и экспериментальных исследований для решения практических задач по созданию рациональных теплотехнологических систем различных производств и систем теплохладоснабжения на промышленных предприятиях.

Разработанные теплотехнические принципы интенсификации тепломассопереноса в технологических процессах, мет оды терморегулирования и термостатирования в теплотехнологических установках могут быть широко использованы в различных отраслях промышленности.

Полученные теоретические и экспериментальные расчетные соотношения используются при разработке высокоэффективного

энергоматериалосберегающего оборудования.

Научно-технические разработки реализованы

- в созданной 1епло1ехноло1 нчсской усншонкс с промсжуючным теплоносителем для регенерации теплоты сжатого воздуха в нрои шодс! неслабой азотной кислоты на АО "Воскресенские мииудобрения",

- в опытно-промышленных образцах систем терморегулирования экстракторов производства экстракционной фосфорной кислоты на опытных установках филиала НИУИФ в г. Поскресснскс.

- в опытно-промышленной теплотехнологической у с иконке для производства серной кислоты на АС) "Воскресенские мииудобрения":

- в разра6о1анной системе нафена воздуха и рои шодсI венныч помещений для районов крайнего севера по заданию ВИНО "Союзпромгаз",

- в разработанной отраслевой методике теплового и г идродинамического расчет 1срмосж)юмно1 о юшюоОмснинкл но ик;ну 11срмсI нк'рш Мипчермета СССР (угверждено 25 мая 1988 юда),

- и рафаГнпаннмх смсюма.ч оОсснсчепин юнлоимч и юмперш\рнмч режимов ряда специальных автономных объектов.

Теоретические, экспериментальные и методические разработки, проводимые автором в течение последних двадцати пяти лег, могут быть использованы при дальнейшем совершенствовании имеющейся в разработке новой техники и технологии различных производств, используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, инженеров и магистров

Разработка методологии создания рациональных теплотечнологическич систем в органической взаимосвязи с системами геплохладоснабжекия предприятия с конкретным алгоритмом поиска эффективных решений по энергосбережению, разработка тепловых схем и теплотехнических принципов интенсификации теилотехнологических процессов рассмотренных производств, научные гипотезы, теоретические предпосылки, направления и методы аналитических и экспериментальных исследований, аналитические решения и экспериментальные исследования приведенные в четвертой главе, а также все работы по анализу и совершенствованию теплотехнологической системы пропзводава аммофоса

и системы теплохладоснабжения предприятия выполнены автором самостоятельно.

Экспериментальные исследования, приведенные в пятой главе, анализы энергоиспользования в производствах слабой азотной кислоты, экстракционной фосфорной кислоты, серной кислоты, анализы тепловых нагрузок системы теплоснабжения предприятия, вычислительные исследования проведения под непосредственным руководством его аспирантами: Дудкиным В.И., Киряковой О.Н., Шориным В.Л., ФилннойО.В., Борисовым К.Б. и дипломантами: Корчагиной М.В., Кирюткиным А.Г., за что автор выражает им искреннюю благодарность. Кроме того, автор выражает глубокую признательность главному энергетику АО "Воскресенские минудобрения" Кузьмину Н.М. за активное содействие при выполнении данной работы и сотрудникам НИУИФ , принимавшим участие в обсуждении результатов работы.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, расчетных, экспериментальных и промышленных исследований докладывались и обсуждались: на первой международной конференции по тепловым трубам, Штутгард, ФРГ, 1973 г.; на межвузовском научном семинаре МВТУ, МЛТИ, МЭИ, 1976 г.; на совместном заседании секции "Теплофизические и массообменные свойства веществ" Научного Совета Госкомитета по науке и технике СМ СССР "Массотеплоперенос в технологических процессах" и подсекции "Тепловые трубы" Научного Совета ДН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика", г.Минск, 1977 г.; на 36-м Национальном конгрессе Италии по теплотехнике, Виареджио, Италия, 1981 г.; на Всесоюзной конференции "Проблемы энергетики теплотехнологии", Москва, 1987 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Ресурсосберегающее оборудование на базе тепловых труб", г.Киев, 1987 г.; на межвузовской конференции "Новые технологические средства для снижения энергозапрат", г.Кутаиси, 1990 г.; на научно-техническом совещании "Применение тепловых труб в системах использования нетрадиционных и вторичных источников энергии", г.Батуми, 1990 г.; на первом семинаре-совещании "Учет тепловой энергии и теплоносителей", Главгосэнергонадзор, г.Самара, 1995 г.; на Второй международной научно-технической конференции "11овые методы и средства экономии энсргоресурсов и экологические проблемы энергетики", Москва, 1995 г

Публикации. Научные положения, выводы и рекомендации изложены в 38 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит ич введения, пяти глав, заключения, приложения общим объемом 277 с границ, в том числе 104 рисунка на 83 страницах, список литературы состоит из 283 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и пути ее достижения, основные положения выносимые на защиту.

В первой главе дается общая характеристика энергоиспользования на предприятиях химической промышленности. Из обзора литературных данных по энергопотреблению ряда химических заводов показывается малоэффективное использование тепловой энергии в теплотехнологических системах различных производств и теплоэнергетической системе предприятия, приводящее к значительным ее потерям. Проводится анализ современного состояния работ по энергосбережению. Показывается, чю разработка новых и совершенствование действующих отдельных теплотехнологических систем различных производств ведется разными отраслевыми организациями без комплексного подхода к использованию ТЭР в теплотехнологических системах и системах теплохладоснабжения предприятия, что приводит к значительным потерям тепловой энергии.

Для примера, на рис. 1 приводится тепловой баланс химического завода по производству минеральных удобрений АО "Воскресенские минудобрения".

Из рисунка видно, что потери тепловой энергии превышают ее поступление от промышленной ТЭЦ и котельной предприятия

Во второй главе проводится анализ резервов ■шергорссурс»». выделяющихся и техноло! ических процессах, для комплексною использования в энергосистеме предприятия. В постановке задачи определяются основы разрабатываемой методологии создания рациональных теплотехнологических систем и систем теплохладоснабжения предприятия химической промышленности, включающей следующие папы

- сфуктурнмй и термодинамический анаши химико-1схт)ло1 нчсскнх систем, объединяющихся в единую энергосистему предприятия,

- определение необходимых юилопы-х н юмиерапрних релимон ноигшш процессов в технологиях с целью их интенсификации.

- установление минимально необходимых потребностей в энер! (»ресурсах для проведения процессов;

Тепловой баланс предприятия, ГДж/год, 1992 г. Вход Выход

Технология

Теплота

технологич.

процессов

Природни" га: Топливо технологич. Котельная

ТЭЦ

12%

956

24%

У

5

п о

о -л

о

\ I

16%

■уч

ш.

4&Й

5

Сторонним организациям

конденсат няТЭЦ Общепит,хоз.цех

л др>

итопление.псн-тиляция,rop.no-доснабжение

Потери теплоты

Рис. 1

- определение количества и качества энергоресурсов, выделяющихся в технологиях;

- технико-экономический анализ эффективности использования в самой технологии энергоресурсов, выделяющихся в технологических процессах;

- определение необходимого дополнительного количества энергоресурсов соответствующего качества на единицу продукции;

- анализ потребностей в энергоресурсах для систем теплохладоснабжения предприятия;

- синтез теплотехнологических систем каждой технологии на основе эффективной регенерации внутренних энергоресурсов;

- технико-экономический анализ с целью выбора дополнительных источников энергии, обусловленного недостатком отдельных ее видов и потенциала;

- разработка систем теплохладоснабжения предприятия на основе рационального использования избыточных энергоресурсов технологий;

- оптимизация теплотехнологических и теплоэнергетических систем;

исследование процессов и создание методик расчета высокоэффективного оборудования, позволяющего реализовать разработанные системы;

- разработка оборудования;

- исследование надежности и управляемости систем.

Проводится анализ энергоиспользования в теплотехнологических системах одних из основных производств химических заводов, выпускающих минеральные удобрения: слабой азотной кислоты, экстракционной фосфорной кислоты, серной кислоты контактным методом, аммофоса, а также общий анализ потребностей предприятия в тепловой энергии.

Для оценки эффективности энергоиспользования в рассматриваемых производствах используются:

- эксергетический коэффициент в виде:

I Е I + I Н з ф - , (I)

АЕ + IЕ 2

где:

1Е1 - сумма эксергетических потоков, полученных в системе

и полезно используемых за ее пределами; £ Е 2 - сумма эксергетических потоков, потребляемых системой

от сторонних источников энергии; X Е з - сумма эксергетических потоков, полезно

используемых внутри системы; Д Е - разность между эксергетическими потоками,

вносимыми в систему с сырьем, полуфабрикатами и т.п. и транзитным эксергетическим потоком;

- термический КПД в виде:

X С} подв - £ О пот - . (2) X У ПОДВ

где: X 0 подв, X 0 пот - подведенная теплота и потери теплоты;

- натуральные показатели в виде затрат условного топлива на единицу готовой продукции. Принимается, что на отпуск 1 кВт • ч электроэнергии расходуется 325 г.у.т., на отпуск4,19 ГДж (1 Гкал)теплоты-0,178т.у.т.

Производство слабой азотной кислоты основано на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией полученных оксидов азота водой. В процессе получения одной тонны 100%-ной азотной кислоты выделяется 6686 МДж теплоты. Запатентованные в последнее время варианты технологических схем отличаются прежде всего тем, как именно используется теплота, выделяющаяся в процессе производства. Существует несколько схем производств слабой азотной кислоты: под единым давлением 0,716 МПа и при различных давлениях на стадиях конверсии и абсорбции (АК - 72, АК -72М). Каждая схема имеет свои преимущества и недостатки. Теплотехнологнческая схема производства слабой азотной кислоты под единым давлением предо аплени на рис.2. Очищенный атмосферный воздух сжимается в компрессорной группе типа ГТТ-3 и далее смешивается с аммиаком. Воздушно-аммиачная смесь после фильтрации поступает на катализаторные сетки контактного аппарата, где происходит реакция окисления аммиака с образованием оксида азота при температуре 850-900°С.

Далее нитрозные газы охлаждаются в котле-утилизаторе до 250°С и поступают в холодильники, где происходит конденсация водяных паров, дальнейшее окисление N0 в N02 и частичное образование кислоты. После сепарации 42 - 47%-ная кислота поступает в абсорбционную колонну на контактные тарелки с соответствующей концентрацией кислоты. Нитрозные газы подаются в нижнюю часть абсорбционной колонны. Полученная 58-60 %-ная азотная кислота после отбеливания подается на склад. Непрореагировавшне нитрозные газы после абсорбционной колонны поступают в камеру подготовки газов, где нагреваются до 500°С топочными газами, полученными при сжигании природного газа, и далее проходят каталитическую очистку. После очистки газ с температурой около 700°С проходит через турбину и с температурой 400°С поступает в котел-утилизатор.

На рис. 3 представлена диаграмма теплового баланса действующего производства в пересчете на 100% НЫОз. Из диаграммы видно, что в результате химических реакций в системе выделяется 40,2% теплоты от общего поступления и около половины выбрасывается в окружающую среду.

Тсплотехнологическая схема произволе та слабой тот ной кисло 11.1

Рис 2

- 13-

Диаграмма теплового баланса производства азотной кислоты под единым давлением

Кон-

Аммиак ХОБ ден-сат

Л Ж Г6,7£

Теплота сжигания природного газа

Теплота химических

реакций Воздух

яЖ

lU.^ МДя/т Ю0£ HN03 10056

Прод.Продукционный парИовыш. кислота давлен.

о | ot р "nf п сис-

J'b"' TftMfi

7,4% Рис.3

Потери теплоты

JO.JSS

Сравнительный анализ величин потоков химической эксергии и термомеханической показывает, что химическая во мною раз превышает термомеханическую. Это приводит к тому, что, например, любые изменения ')ффс1с1иям0сш иснолмопания Iсилоном эпсрпш пракшчсски не luiumoi на величину коэффициента "г|->" определяемым соотношением (1).Поэтому, расчеты проводятся с использованием только термомеханической эксергии.

Расчеты по уравнению "Г' для действующего производства пол единым давлением днеi значение î]i т 0,30; для АК-72 r|t 0,37; для АК-72 M г|> 0,40. Теоретически достижимая величина "!]»", раечтапная по уравнению "I" при полном полезном использовании Д Е с учетом потерь эксергии из-за необратимости рассматриваемых технологических процессов, для производства под единым давлением составляет 0,77.

Производство фосфорной кислоты в промышленных масштабах осуществляется экстракционным и электротермическим методами. Наиболее распространенным является экстракционный, т.к. термический метод требует значительного расходования электроэнергии, что приводит к увеличению стоимости кислоты более чем в два раза.

Экстрационной метод производства фосфорной основан на обменном разложении кислоты природного сырья в присутствии сильных кислот Основным сырьем для получения фосфорной кислоты являются природные фосфаты (апатиты и фосфориты).

На рис. 4 представлен материальный потоковый граф производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК).

Материальный потоковый граф производства экстракционной фосфорной кислоты

Гис 1

В экстрактор "1" поступаем сырье (фосфаш), серная киежпа, иода, пульпа, рециркулирующая через вакуумный испаритель (ВИ) или струйный охладитель реакционных масс (СОРМ) "2" и рециркулирующая фосфорная кислота (24% Рг 05 ) через фильтр "3". Другая часть фосфорной кислоты с фильтра "3" подается на упарку в выпарной аппарат "4". Фосфорная кисло га после упарки (54% Р2 05) выводится на склад. Выпаренная вла1а конденсируется в поверхностном конденсаторе "5" и конденсат поступает на фильтр "3". На этот же фильтр подается промывочная вода, и выводшея с фильтра твердый осадок - фосфогнпс.

Для поддержания необходимых тепловых и температурных режимов в экстракторе" 1", где выделяется 37,1 ГДж/ч теплоты при производительности 110 тыс. т/год Р2О5, используются ВИ или СОРМ "2". В результате испарения влаги температура рециркулирующей пульпы понижается на 3-5 градусов и таким образом поддерживается необходимая температура в экстракторе. Часть теплоты с выпаренной влагой через поверхностный конденсатор и систему абсорбции выбрасывается в окружающую среду (ОС), другая часть с фосфорной кислотой поступает на фильтр "3", где отделяется фосфогипс. Сюда же, подается теплота из энергосистемы предприятия для подогрева промывочной воды. После фильтра часть теплоты с рециркулирующей фосфорной кислотой возвращается в экстрактор "1", другая часть фосфорной кислотой поступает в выпарной аппарат "4", где происходит выпаривание воды с подводом дополнительного количества теплоты от внешнего источника. Основная часть подведенной теплоты с парами влаги поступает в поверхностный конденсатор "5" и выбрасывается в окружающую среду через водооборотный цикл.

Существуют различные формы сульфата кальция и скорости их взаимопревращений в растворах фосфорной кислоты. В соответствии с температурными и тепловыми режимами различают три основных режима: дигидратаый, полугидратный и ангидритный. Па рис. 5 представлена диаграмма, показывающая степень разложения фосфата серной кислотой в зависимости от времени и температуры, а также температурных условий на кристаллизацию сульфата кальция. Как видно из рис. 5 при увеличении температуры экстракции скорость разложения апатита серной кислотой резко возрастает, что приводит к значительному увеличению производительности. При переходе с дигидратного способа производства на полугидратный (рис.6) мощность действующих технологичлиниеских линий возможно увеличить в 1,3 - 1,5 раза. Но возникают проблемы, связанные со значительным возрастанием энергозатрат в действующих теплотехнологических системах на термостатирование экстрактора и на очистку парогазовых выбросов. Кроме того, проблемой полугидратной технологии является склонность полугидрата сульфата кальция к оводнению до гипса, что приводит к его поздней полной кристаллизации после экстрактора и, следовательно, быстрому зарастанию осадком технологического оборудования. Поэтому в мировой практике широкое распроарапенис получили комбинированные полугидратно-дигидра! ные циклы.

Зависимость степени разложения фосфата кальция серной кислотой от времени и температуры

80 60 40 20

60 120 180 240 300

Рис. 5

Рис. 6

На рис. 7 представлен тепловой баланс производства ')ФК производительностью 110 тыс. г./год в пересчете на 100% Рг 0.\ из которого видны значительные потери тепловой энергии.

Тепловой баланс производства ЭФК

Теплота с сырьем

Теплота от TiJij,

Теплота химических реакций

7%

«Я S

I29.U4 т

ГДж/ч

\ 14% 1

\ / 100 %

Теплота с конденсатом

Теплота с продуктом

Теплота с tocforuncoM

Потери теплоты в окружающую среду

Рис. 7

На действующих производствах эксергетический коэффициент полезного использования энергоносителей для отделения экстракции расчитанный по

уравнению "1" Г|э ~ 0, тогда как максимально достижимый Т) э =0,26.

Теплотехнологическая схема промышленного производства серной кислоты контактным методом представлена на рис.8. Комовая сера поступает в бункер-плавитель с паровыми регистрами, где происходит ее плавление. Далее жидкая сера после фильтрации через форсунки подается в печь. Необходимый для процесса сжигания осушенный и подогретый воздух подается в печь. Образующийся в печи сернистый газ при температуре 109(? С охлаждается в котле-утилизаторе (КУ) до 430 - 450°С и поступает на первый слой контактного аппарата (КА). Окисление сернистого ангидрида происходит в пятислойном контактном аппарате в две ступени с промежуточной абсорбцией 80л в первом многогидратном абсорбере, после которого отработанный газ поступает на вторую ступень

TeiuunvMKijioi ичсскпя схема прои шо.'ц-ша ccpiinit kihuoii.i

Рис. 8

контактного аппарата. Проходя четвертый и пятый слои КЛ, rai после охлаждения до 190° С поступает во второй моногидратный абсорбер.

На рис. 9 представлен тепловой баланс производства серной кислоты производительнотью1515 т/сутки (моногидрат).

Диаграмма теплового баланса производства серной кислоты

46,75?,-теплптп сжигания соры

потери теплоты < через подообо-ротны',' цикл

397700 ИДж/ч 100 %

22,ЗХ-то11Лота абсорбции; 12,и%-теплота реакции окисления 50г г 50з ;

С,74да-теплота разбавления кислоты; о ,4д>-подо«ценняя эл. мощность;

'¿,4%-теплота воздуха с глмго!1;

I,3%-теплота реакции осушки воздуха; I,^-теплота с речной подо"; 0,1с£-теилоти с комоиой серой

£

0.3/р-гютерн теплоты через изоляцию; 3,К-гаэ о атмосферу;

1,^%-стоки ХНС л ЯУ; С,03^-шлпм сери

I,^-теплота г продув ционмоЧ кислоюП

теилота шрп^атыпаемого п;зря

Рис. 9

Как показывает общий анализ производства, основные шмери тепловой энергии связаны с процессом абсорбции.

Термический КПД такой системы, рассчитанный по уравнению "2".

равен Т|1 = 0,54. Абсорбция осуществляется при температурах 60 - 90"С, что значительно затрудняет использование тепло!ы из-»а ее' низкою потенциала.

Аммофос (N114 112 14)4 ) - универсальное удобрение, широко используемое на всех почвах под технические, овощные и другие сельскохозяйственные культуры как при самостоятельном внесении в почву,

так и в качестве компонента смешанных и сложно-смсша........ удобрений

ТеплоIехноло! ическая схема произволеIна аммофоса нредоавлена на рис 10.

Тсижмехножч ичсская схема ироишодеша аммофоса

Рис. 10

Вследствие экзотермической реакции нейтрализации фосфорной и серной кислот аммиаком, температура частично нейтрализованной кислоты (пульпы) достигает в первом нейтрализаторе 114°С, во втором 125°С, при этом выделяется 19,188 ГДж/ч теплоты при производительности 276,2 тыс. т/год (51% Р2О5). Газообразный аммиак подается в нейтрализаторы с температурой 85° С. В нейтрализаторах поддерживается разряжение 50 -150 Па. Кислая пульпа плотностью 1670 кг/м3 поступает в аммонизатор-гранулятор, который может быть совмещен с сушильным барабаном (СБ). Температура шихты в аммонизаторе-грануляторе не более 105°С. Сушка влажных гранул производится топочными газами, полученными при сжигании природного газа в топке. Регулирование температуры топочных газов перед сушильным барабаном (до 550°С) производится разбавлением вторичным воздухом. Температура парогазовой смеси (ПГС) из СБ 130° С, а материала - 100°С. Соковый пар (С П.) после нейтрализации, аммонизации, грануляции и ПГС, после сушильного барабана поступает в систему абсорбции. Температура в различных башнях абсорбции находится в пределах 60 - 80°С. Температура газов на входе в абсорбер - до 115°С, а на выходе - до 90° С. После абсорберов ПГС выбрасывается в атмосферу. На рис. 11 представлен тепловой баланс производства аммофоса производительностью 276,2 тыс.т/год (51% Р2О5).

Тепловой баланс производства аммофоса

¿¡ход

Топлотп п сырьем

с воздухом, водой

с продуктами сгорания природного газ я

Теплота

химических

реакция

ш ) сЗЗ% \ 1

)

36% ) '->4,(4 ГДк/ч

4о£ 100 %

"V* О/п Ъ

Но S

у.

Выход

Теплота с соковым пиром и парогазовой смесью в окружающую среду (ОС;

'Геплотп и 0с через ЬОД Прочие потери теплоты Теплота с продуктом

Рис. I 1

Термический КПД такой системы Г)1 -■= 0,02, если считать теплоту с продуктом как полезно использованную. На основе графика температурного соответствия охлаждаемых и нагреваемых тепловых потоков показывается , что теоретически возможно непосредственно регенерировать в теплотехнологическую систему 10,44 ГДж/ч теплоты и 27,13 ГДж/ч передавать в систему теплоснабжения предприятия.

Анализ потребностей предприятия в теплоэнергетических ресурсах на технологические нужды, отопление, вентиляцию, вспомогательные службы показывает, что суммарное количество теплоты, необходимое предприятию составляет 5283963 ГДж/год. Количество теплоты, которое выделяется в технологических процессах рассматриваемых производств в диапоэоне 80 -860°С, составляет 9639740 ГДж/год. В последующих главах рассматриваются вопросы энергосбережения и экологии на основе комплексного использования ТЭР.

В третьей главе рассматриваются вопросы повышения энергетической эффективности производственных систем на основе энергосберегающих тепловых схем и технологических процессов.

В производстве слабой азотной кислоты показывается, что значительные потери тепловой энергии и дополнительные затраты ТЭР связаны с абсорбцией оксидов азота водой и каталитической очисткой хвостовых газов. Расход природного газа на каталитическую очистку хвостовых газов составляет 175,3 м3 /т 100% НЫОз или для рассматриваемой технологической линии производительностью 120 тыс. т/год 100% NN0 21,04 млн. м 3/год. С понижением температуры интенсивность процесса абсорбции резко возрасте!. Проведенный аналтн показывает, чю при обеспечении температуры реагирующей среды на верхних контактных тарелках около 4°С, выход оксидов азота в хвостовом газе уменьшается но сравнению с базовым вариантом почти в 10 раз и близок к 11ДК.

Для поддержания температуры внутри абсорбционной колонны, при которой процесс абсорбции ннляеюя наиболее шисисшшмм. сущссшутощне способы отвода теплоты и конструкции зон реакции неприюдны гю двум причинам: первая - источник холода должен имен, ¡смпер.ц-уру 274 -77Х К. чю не может бып» реализовано с помощью лейсшукнцих иодооОорошых циклов; вторая - сравнительно низкий конвективный коэффициет теплоотдачи при вынужденном течении охлаждающей жидкости в змеевиках. Поэтому необходим переход к принципиально новым сиаемам терморегулирования. Как показывают расчеты, для получения необходимой) холода на основе избы I очных -жсртрссурсо»

рассматриваемой технологии реальным является использование абсорбционной холодильной машины типа АБХМ-6000 с доработкой испарителя для обеспечения соответствующего распределения температуры по высоте колонны и создание новых контактных тарелок абсорбционной колонны, обеспечивающих значительно более интенсивный теплоотвод.

Схемное и конструктивное решения приведены в пятой главе диссертационной работы. При термостатировании абсорбционной колонны по соответствующему температурному графику, потребление энергоносителей сокращается на 4800 МДж/т 100% HNOi или на 5,6 • 10е Гдж/год в системе, где используется природный газ на очистку хвостовых газов, т.е. на 74%.

В производстве экстракционной фосфорной кислоты разработанные методы ведения технологических процессов являются энергоемкими и экологически несовершенными. Кроме того, они не позволяют эффективно использовать теплоту, выделяющуюся в технологических процессах как в самой теплотехнологической системе, так и в системе теплоснабжения предприятия из-за снижения температурного уровня тепловой энергии до 30 - 40° С. Перспективным является применение тепловых труб (термосифонов) в системах терморегулирования реакторов [3], позволяющих исключить использование вакуум-испарителей (ВИ) или СОРМ, что приводит и к исключению потребления электроэнергии на рециркуляцию пульпы через ВИ или СОРМ (4,18 млн. кВт- ч/год) и к сокращению выбросов фтора и его соединений на 10950 т/год. При упаривании ЭФК показывается перспективность использования компримирования вторичного пара, что более чем на 70% сокращает потребление первичного топлива. В целом, по отделениям экстракции и упаривания разработанные мероприятия позволяют сократить потребление первичного топлива на 32% и дополнительно на рассматриваемом предприятии от действующих четырех производств передавать в систему теплоснабжения предприятия 1,08 млн. ГДж/год теплоты с температурным уровнем 90°С и выше.

В производстве серной кислоты основные потери тепловой энергии (36,j5%) происходят в процессе абсорбции. Из-за низкой температуры абсорбции экономически малоэффективным является использование выделяющейся теплоты экзотермической реакции. В мировой практике, к примеру, фирма Monsanto (США), реализован процесс горячей абсорбции при температуре 140 - 160°С с получением насыщенного пара 0,4 - 0,6 МПа, используя кожухотрубчатые теплообменники. Существенным недостатком

такого производства являются: снижение надежности работы абсорберов и перекачивающих насосов при высокой температуре, большая вероятность попадания кислоты в питательную воду (особенно в в предпусковой и пусковой режимы), что сдерживает широкое применение этого способа Наиболее интересными являются работы, проводимые сотрудниками МХ'ГИ им. Менделеева по образованию и конденсации паров серной кислоты при высоких температурах. Триоксид серы взаимодействует с парами воды при температуре 200-250°С, образуются пары серной кислоты, которые конденсируются на холодных поверхностях. Скорость реакции образования серной кислоты увеличивается в 1,3-1,5 раза. При этом возникает проблема более интенсивного теплоотвода и исключения возможности попадания парров серной кислоты в водяной пар. В пятой главе диссертации решается эта проблема [ 5 ].

При реализации процессов получения паров серной кислоты и последующей их конденсацией на холодных поверхностях, при производительности технологической линии 1515 т. моногидрата в сутки, дополнительно вырабатывается насыщенный пар (82,8 ГДж/ч) с давлением 0,4 - 0,6 МПа. Часть этого пара регенерируется на плавление серы (38,35 ГДж/ч), на паровой обогрев сборника серы и серопроводов (2,23 ГДж/ч), другая часть (42,22 ГДж/ч) поступает в общую систему пароснабжения предприятия. Коэффициент использования тепловой энергии при модернизации системы возрастает с 0,54 до 0,78, что приводит к сокращению потребления первичного топлива на выработку тепловой энергии на 30 тыс.т.у.т./год и соответствующему сокращению выбросов в атмосферу вредных примесей при сжигании природного топлива.

В производстве аммофоса, как показывает анализ теплотехнологической системы (рис.11), теоретически возможно непосредственно регенерировать в теплотехнологическую систему 10,44 ГДж/ч теплоты и 27,13 ГДж/'ч передавать в систему теплоснабжения предприятия. В диссертационной работе с учетом компановки и обвязки оборудования разработана новая тепловая схема технологической системы и оборудования, позволяющих реализовать разработанные предложения, что приводит к сокращению потребления природного газа на 2,2 млн.м 3 /год и расходу топлива для системы теплоснабжения предприятия на 12,3 тыс.т.у.т./год при модернизации одной технологической линии производительностью 276,2 тыс.т/год (51 % Р2О5).

Кроме сокращения вредных газовых выбросов в атмосферу из-за уменьшения использования природного топлива за счет использования теплоты сокового пара нейтрализации, аммонизации и парогазовой смеси после сушильного барабана температура абсорбции снижается с 70 до 30° С.

что приводит к более глубокой абсорбции фтора и аммиака. Сокращение их выбросов в атмосферу ожидается на 33,9 т/год и 173,4 т/год соответственно.

Проведенный анализ возможностей использования избыточной теплоты технологических процессов в системах теплохладоснабжения рассматриваемого предприятия показывает, что количество и качество этой теплоты позволяет полностью покрывать потребности предприятия в тепловой энергии на технологию, отопление, вентиляцию и хозяйственно-бытовое горячее водоснабжение, при реализации разработанных в диссертационной работе предложений по рассмотренным технологиям и переходе системы горячего водоснабжения на температурный график 90/40 вместо традиционного 150/70. Как показал опыт использования таких систем в России и зарубежом (в частности в Норвегии) они являются перспективными. Экономия топлива только на отопительно-вентиляционные системы и хозяйственно-бытовое горячее водоснабжение на рассматриваемом предприятии составит 52 550 т.у.т./год. В диссертационной работе предлагается система теплохладоснабжения предприятия на основе рационального использования избыточных энергоресурсов технологии и приводится фрагмент этой системы с использованием ВЭР производства аммофоса. На рис.12 представлен тепловой баланс рассматриваемого предприятия по производству минеральных удобрений при реализации разработанных предложений в данной диссертационной работе. Из теплового баланса и проведенного анализа производств следует, что количества ВЭР технологий с соответствующим потенциалом вполне достаточно для замещения промышленной ТЭЦ и котельной при обеспечении предприятия в тепловой энергии. Теплопотребление сокращается на 38%. Котельная используется как резервная, а ТЭЦ обеспечивает теплоснабжение сторонних организаций.

В четвертой главе рассматриваются теоретические предпосылки интенсификации тепломассопереноса в энергосберегающих теплотехнологических установках. Показывается перспективность использования тепловых труб, как высокоэффективных теплопередающнх устройств в системах терморегулирования технологических процессов и при утилизации ВЭР технологий. Проводится обзор работ по теории тепловых труб, функционирующих по принципу замкнутых испарителыю-конденсационных систем. Рассматриваются тепловые трубы с капилллярными структурами, в которых возврат жидкости из зоны конденсации в зону испарения осуществляется под действием капиллярных сил, и гладкостенные тепловые трубы, где возврат жидкости осуществляется

под действием гравитационных сил (термосифоны) Одним из основных условий работоспособности тепловых труб является условие, при котром сумма потерь давлений в паровой и жидкостной фазах не должна преш.нпап, максимальный перепад давления развиваемый движущимися силами.

Тепловой баланс перепек*!ииною иредпрпятя

11рмр I а < Топливо

Теплота технологических процессов Тсхноло!

91,3 1, 6,7 £

103955"4о 1СС ГДж/год СЧ /<>

14,ЗЙ 14,7?, м, 4:7

~ ----

Потери Термич Отопл Общепит

теплоты обессол Вентил Хот цех Темюлш ни

волы ГВС и др

Рис.12

Отсутствие ряда расчетных соотношений, позволяющих определять рабочие и предельные характеристики тепловых труб, определило направление теоретических и экспериментальных исследований тепломассопереноса в рассматриваемых замкнутых испарительно-конденсационных системах, проведенных в диссертационной работе. Гидродинамические характеристики парового потока в зонах испарения и конденсации тепловых труб исследовались рядом ученых, но все они ограничивались только случаем равномерного теплоподвода или теплосъема по зонам и при решении поставленной задачи использовали численные методы. На рис 13

показана система координат используемая в дальнейшем для плоских каналов (а) и для цилиндрических (б). Рассматривается ламинарное течение несжимаемого пара с постоянными физическими свойствами.

Уравнения движения и неразрывности для рассматриваемого течения:

сЮ сШ 1 с!Р с!ги к аи сЗ2 и

с)х с!у р dx dx2 у dY dy2

(3)

dV dV и— + V-

dx dy

1 dP d2V К dV dгV V :---+У ( - +--+--К— )

Р йу

Зх2

у dy dy:

У

dU (1 ( у V )

— +--— = О

г1х у

(4)

(5)

где:

К = 0 - для плоского канала;

К = 1 - для цилиндрического канала.

Для случая распределения удельной тепловой нагрузки вдоль зон испарения и конденсации по зависимости ц - q ф(х), неизменности физических свойств и с учетом движения стенок, граничными условиями, которыми должны удовлетворять скорости пара вдоль оси и вдоль координаты "у", являются:

Система координат для плоских каналов Ьи Ьк

тип

41 (х)

11111

00

Система координат для цилиндрических каналоп >11111

К У х У х

0 и0(х) и0(Х)

N

111111

(Г>) Рис. 13

дня плоскою капала:

у =• 0; У= ±\Ли ф1(х); Цш ф2(х)

У =6, \/= Т VII.' ф I (X), и I 1)(1.'ф4(\)

х = 0;

Ь; и-=0

для цилиндрического канала: <1И

у =0; У = 0,

= О

иу

К')

(7)

(8)

СП

у - И ; V - + V» ф1(х); I] = 1 и» фг(х) (10)

х =0; х = Ь ; и = 0 , (11)

где согласно выбранным системам координат соотношения (6),(70.(10) соответствуют условиям у поверхности фазового перехода; соотношение (9) - на оси цилиндрического канала; (8),(11) - на торцах трубы. Для цилиндрического канала предполагается постоянство теплоподвода или теплосъема по периметру канала. и» - скорость движения стенки, причем, знак "плюс" при V« соответствует условию, когда направления вектора скорости стенки и аксиальной координаты совпадают. Знак "минус" -противоположному направлению вектора скорости стенки. Функции распределения удельной тепловой нагрузки по зонам и изменения скорое [ и

стенки по длине зон ф|(х); ф2 (х); фч(х); ф-Цх) определяются в ходе

решения системы уравнений движения и неразрывности. Верхние знаки при скорости пара Vo , согласно выбранным системам координат, соответствуют зоне испарения, нижние - зоне конденсации. Скорость Vo определяется из следующего выражения: qi

Voi =-, (12)

pr

где: i - номер стенки для плоского канала.

Система координат преобразуется к безразмерному виду: для испарителя : х = х/ L и (13)

для конденсатора: х = 1 - х/ Lk (14)

для плоского канала: Т| = у/5 (15)

для цилиндрического - Г| = y/R (16)

Начало координат для плоского канала находится на стороне, которая определяется номером "1" и для определенности принимается, что I Vol | 2 I V02 I, для цилиндрического канала на оси трубы. Вводится безразмерная скоростная функция: для плоского канала: V

f = --(17)

± Voi • ф1(х) для цилиндрического канала:

V Т)

f=---- (18)

+ Vo • <pi(x)

Подставляя соотношения (13) - (18) в (3),(4), дифференцируя (3) по "г)", а (4) по "х", сравнивая полученные соотношения при смешанных производных от давления, получаем следующие интегро-дифференциальные уравнения четвертого порядка к примеру для плоского канала:

X XX

jf(f)i(x)dX +Ren [ f(pi(x)/f(pi(x)dx —f (pi(X)Jf([)i(x)d>f ] =0 (19)

0 0 0 Для решения уравнения (19) используется метод теории возмущений, где возмущающим параметром является Ren и предполагается, что функция f может быть представлена в виде следующего ряда:

N

f = £ Renf i l|/.i (20)

i=o

где: VJ/i - функция зависит только от координаты "х",

f i - зависит только от координаты "r|'\Vj/t> =■■ I. Решение проводится для |Ren I <1, что соответствует области удельных тепловых нагрузок до 10 Вт/мг , которая охватывает основную часть реальных нагрузок. В результате теоретических исследований показывается, что интегро-дифференциальное уравнение (19) решается в квадратурах с

использованием ряда (20) при условии, что ф(х) - хп, где "п" любое положительное число. К примеру, для п = 0 удельный тепловой поток равномерен по длинам зон испарения и конденсации. Случаи при п > 0 соответствует концентрации удельного теплового потока к транспортной зоне. В результате решения поставленной задачи получены следующие соотношения для градиента давления в паровой фазе: для плоского канала:

dP /v L ИД 2 х "Ч X2

-=Р(- jRen [(6Bi + 12^ + бВз)--fCiRen---

dx \ ö2 / n+1 2n+1

n + 1 £2 n+4 + 1

-Ren-Bi2+ Ren-(4Bi + + 2Вг)-C2Re2n--] , (21)

n+1 n+1 2nH

где: 8 Uui 5 U02 V02

Bi -T- -........ ; B2 -T : ^ I (

L и.к Voi Lh.k V01 V01

для цилиндрического канала: dP /VLh.A 2 x x? " + <

__ = pl_----J Rer [ 16-----l2Rer ....... -

dX \ R! / nil nil

3n+2 2n+l

-0,889 Re':К3"'1-------- - 0,0493ReJ, xч'•••,, ] (22)

(n+l)2 (nil)'

В уравнениях (21) и (22) Ren и Rer отличаются характерным размером: в

первом случае используется "5 ", во втором - R (рис.13). На основе уравнений (21) и (22) получены полные перепады давлений в паровом потоке тепловых труб для зон с испарением и конденсацией, а также в ходе решения получены расчетные соотношения для касательных напряжений на границе раздела паровой и жидкостной фаз. В диссертационной работе показывается значительное влияние условий теплоподвода и теплосъема, режимных параметров, а также геометрии каналов на гидравлические характеристики парового потока. На рис. 14 представлено сравнение полученных результатов в диссертационной работе с экспериментальными данными Quaile J., Levi Е. для цилиндрического канала с равномерным отсосом жидкости ( п = 0), иммитирующем зону конденсации тепловой трубы. Из рисунка видно хорошее совпадение с результатами эксперимента в рассматриваемом диапозоне Rer.

Сравнение с экспериментальными результатами

2AP/pU2 2

О

-2

-4

-6

-8

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Rer

0 - эксперимент Quaile J., Levi Е.; "— " - теоретический расчет;

1 - Quaile J., Levi Е.; 2 -BusseC.A.;3 - White Е.М., Kinney R.; 4 - данная работа.

Рис.14

На рис.15 и 16 представлено сравнение результатов расчета по полученным уравнениям в данной диссертационной работе с результатами численного счета проведенного Мотулевичем В.П. и Сергиевским О Д. для частного случая, когда исследовалось влияние движения стенок на касательные напряжения в плоских каналах. Как видно из рисунков, имеется достаточно хорошее совпадение полученных аналитических решений с численным счетом.

Влияние движения стенки на касательные напряжения у подвижной стснки

Д - численный счет (Мотулевич В.П., Сергиевский "Э.Д.) --данная работа

Рис.15

Как указывалось ранее, одним из основных условий работоспособности тепловых труб, с точки зрения гидродинамики течения пара и жидкости, является условие , при котором суммарные потери давления по пару и жидкости не превышают максимально возможного перепада давлений, развиваемого движущимися силами.

мах

ДРдвс > £ДРж + 1ДРп (23)

Специфические требования к зонам испарения, транспорта и конденсации различны. Внешние геометрические размеры зон испарения и конденсации определяются условиями внешнего теплообмена, характеристиками

движущих сил, свойствами теплоносителя, располагаемым перепадом температур между стенками испарителя и конденсатора, конструктивными условиями сопряжения с источником и стоком теплоты и т.п. В диссертационной работе на основе термодинамических и гидродинамических условий работоспособности тепловых труб разработана методика оптимизации их геометрических размеров. Получены расчетные соотношения на примерах тепловых труб с пористой структурой и кольцевым зазором для возврата жидкости из конденсационной зоны в испарительную

Влияние движения стенки на касательные напряжения у противоположной неподвижной стенки

Хул

Д - численный счет(Мотулевич В.П., Сергиевский Э.Д.) --данная работа

Рис.16

При использовании тепловых труб в системах терморегулирования различных технологических установок необходимо расчитывать их теплопередающие характеристики и в переходные режимы работы (пуск, останов и т.п.). Использование гладкостенных тепловых труб (термосифонов) в этих условиях осложняется отсутствием расчетных соотношений коэффициентов теплоотдачи в зонах испарения в диапозоне режимов от конвективного до развитого пузырькового кипения. В диссертационной работе проводится экспериментальное исследование

теплоотдачи в испарительной части термосифонов для рассматриваемой области тепловых нагрузок. Приводится описание экспсримсн цшмюй установки и методики проведения эксперимента. В результате проведенных экспериментальных исследований покапывается влияние ра (личных режимных параметров на интенсивность теплоотдачи и получена следующая эмпирическая зависимость:

Nn -0.0786 Re"' Ртж'3. (М)

I ДС К I ' I I V < |> |>* " I .!■

Nu ---------; Re -----. Ргж , 1

Хж рпА.ж a (t р,. )'

а = q / (Тст - Тж).

Область проведенных исследований в данной работе соответствует 0,8 < Re i 4000; 0,004 < Рп ^ 0,1 МПа: теплоноситель - вода. Уравнение (24) хорошо обобщает полученные результаты экспериментов в доверительном интервале ± 20% [ 12 ].

При расчете рабочих характеристик тепловых труб с пористой структурой требуется определение коэффициентов теплообмена между конденсирующимся паром и стенкой конструкции через пористую структуру, смоченную теплоносителем. Аналитическое решение с получением расчетного соотношения для определения коэффициентов теплообмена в зоне конденсации осложняется многими факторами, которые необходимо учитывать: скачок температур фазового перехода, особенно при низких давлениях; динамическое взаимодействие парового потока с жидкостью, приводящее к волнообразованию на поверхности пар-жидкое■■>. контактное сопротивление пористой структуры, а также между скелетом пористой структуры и стенкой конструкции, которое изменяется в зависимости от температурного уровня; режим течения жидкости и т.п. Отсутствие расчетных соотношений, учитывающих многие перечисленные факторы и определило экспериментальное исследование теплообмена в зонах конденсации тепловых труб. На основе методов теории подобия уравнения движения, неразрывности и энергии для жидкости и пара приводятся к безразмерному виду и определяется искомая структура уравнения [ 15,11 ]. В диссертационной работе приводится описание экспериментальной установки, методики проведения эксперимента, конструкций тепловых труб и пористых структур. В результате обобщения

экспериментальных данных ( с теплоносителями: вода, этиловый спирт) получено следующее соотношение:

/ Гк /тг„2\-о,59 St =С Не"'' КиаЧ Ргж 3 Ыр"(- ) (- ) , (25)

УГФ,

где: для

Ыр > 1000; п = 0,48; с = 3,5 Ыр < 1000; п = 0,83; с = 2,2

а О И ' j Рп И St =-; Ие =--; Ки =-; % =--,

Срж рж и* (_1п з) Г к Срж (Тп - Тст) О

где:

Гк, Рп, Гф - площади конденсации, проходного сечения для пара и жидкости

Ч

( Тп - Тст)

Уравнение (25) хорошо обобщает полученные результаты автором диссертации и других исследователей в интервале ± 20 % [11].

В пятой главе на основе полученных в диссертационной работе расчетных соотношений и использования известных уравнений тепломассообмена и гидродинамики составлены математические модели, произведены расчеты и дается описание энергосберегающего и экологически прогрессивного оборудования для реализации разработанных предложений по отдельным производствам. Для производства азотной кислоты приводится принципиальная схема отвода теплоты из реакционной зоны абсорбционной колонны с использованием абсобрбционнон холодильной машины. Представлены результаты расчетно-проектных работ по конструкции контактных тарелок для реакционных зон с высокими теплопередагощими свойствами, позволяющими обеспечивать необходимое распределение температуры по высоте абсорбционной колонны. Приводится описание теплообменника функционирующего по принципу термосифонов для утилизации теплоты сжатого воздуха на подогрев питательной воды [ 7 ] и успешно прошедшего опытно-промышленные испытания. Для производства экстракционной фосфорной кислоты разработана система терморегулирования экстрактора на основе тепловых труб и дается описание новой конструкции экстрактора с предлагаемой

системой терморегулирования [ 3 ]. Для производства серной кислоты проведены расчеты и разработана конструкция опытно-промышленной установки позволяющей эффектино использовать теплоту образования серной кислоты для дополнительного производства пара [ 5 ]. Предложены конструкции теплообменников на термосифонах для

утилизации теплоты сокового пара в производстве аммофоса.

В приложении представлены тепловые балансы рассматриваемых производств по элементам и в целом по каждому производству, а также результаты экспериментальных исследований.

Основные обозначения:

к, е - проницаемость и пористость пористой структуры; <1 - удельный тепловой поток; Г - поверхность; К, г - радиус, с к - коэффицисш 1спл1)()1 дачи, Г - 1смнсра1у|)а, ) - теплом) фантою перехода. V - юплоноп поток; и, V - скорости; ц, V - динамическая и кинетическая вязкость, [.,1 -длина; с! - диаметр; о- поверхностное натяжение; р- давление; р- плотность.

Заключение и выводы

Основные результаты , полученные в данной раГхмс: 1. На основе анализа энергоиспользования па преднрияшях химической промышленности установлены основные 1срмодинамическис, теплотехнологические, эксплуатационные факторы, вызывающие низкий уровень энергетической эффективности тсилотехнологии конкретных производств (азотной кислоты, экстракционной фосфорном кисши ы. серной кислоты контактным методом. аммофоса), нмянлеим исючмикп значительных потерь тепловой энергии в технологических процессах.

2. Впервые разработана общая методология и конкретный алгоритм создания рационально связанных теплотехнологических и теплоэнергетических систем промышленных предприятий производства минеральных удобрений на основе энергосберегающих тепловых схем теплотехнологических систем и систем теплохладоснабжения предприятия, интенсификации тепломассообмена в технологических процессах, создания энергоматериалосберегающего оборудования нового поколения.

3. Разработаны оригинальные теплотехнические способы интенсификации тепломассообмена в технологии ( в том числе при абсорбции, экстракции и

т.п.), позволяющие на действующем предприятии сократить потребление топлива (природного газа) в технологических процессах в целом по предприятию на 66%, а в производстве слабой азотной кислоты более чем в 3 раза.

4. На основе решения системы дифференциальных уравнений движения и неразрывности при сложных граничных условиях получены новые аналитические зависимости для определения потерь давления в каналах с испарением и конденсацией замкнутых испарительно-конденсацнонных систем. Показано значительное влияние ряда факторов сопряженного теплообмена (условий внешнего распределения тепловых нагрузок по поверхности зон испарения и конденсации, теплофизических свойств теплоносителя, температурного уровня и т.п.) на гидродинамические характеристики замкнутых испарительно-конденсацнонных систем.

5. На основе экспериментальных исследований получены новые данные по определению коэффициента теплоотдачи при неразвитом пузырьковом кипении в термосифонах и коэффициента теплопередачи в конденсационной зоне тепловых труб с пористой структурой.

6. Разработана оригинальная методика минимизации геометрических размеров тепловых труб для заданных тепловых нагрузок и располагаемых температурных перепадов, определяемых внешними условиями сопряженного теплообмена.

7. Результаты исследований использованы:

- при проведении структурного и термодинамического анализа теплотехнологических систем производств слабой азотной кислоты, экстракционной кислоты, серной кислоты контактным методом, аммофоса;

- при разработке новых теплотехнологических систем рассмотренных производств;

- при разработке единой системы теплохладоснабжения предприятия на основе ВЭР для централизованного обеспечения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, термического обессоливания воды, производства холода;

- при разработке и реализации нового ресурсосберегающего оборудования;

- при разработке отраслевой методики расчета теплотехнических аппаратов на основе термосифонов.

8. Реализация результатов работы применительно только к одному предприятию химической промышленности (АО Воскресенские минудобрения) показывает возможность:

- в производстве слабой азотной кислоты для технологической линии производительностью 120 тыс.т 100% HNOi / год полностью исключить потребление природного газа (21 млн. м3 /год, что приводит к сокращению энергоемкости технологической продукции более чем на 70%, сократим, выбросы окислов азота в атмосферу на 8044 г/год; регенерировать в теплотехнологическую систему 37 440 ГДж/год теплоты,

- в производстве экстракционной фосфорной кислоты для технологической линии производительностью 110 тыс.т 100% / юд в отделении экстракции сократить потребление электроэнергии на 4,18 млн кВт.ч/год, дополнительно передать в систему теплоснабжения предприятия 270 000 ГДж/год, сократить выбросы фтора и его соединений в атмосферу на 10 950 т/год;

- в производстве серной кислоты контактным методом для технологической линии производительностью 1515 т 100% НгБСи/суткн дополнительно производить пар (662 400 ГДж/год) с давлением до 0.6 МПа и температурой до 158° С для регенеративного и внешнего теплоиспользования;

- в производстве аммофоса для техноло! ической линии производительностью 276,2 тыс.т. 51% РгО/год сократить потребление природного газа на 15% (2,2 млн. м3/год), сократить выбросы в атмосферу фтора на 33,9 т/год, аммиака - на 173,4 т/год, передать в систему теплоснабжения предприятия дополнительно 195 300 ГДж/год теплоты;

- использовать единую систему теплоснабжения предприятия на основе ВЭР технологий, что позволяет полностью обеспечивать тепловой энергией (10% от общего теплового баланса) системы отопления (761 876 ГДж/год), вентиляции (484 563 ГДж/год), горячего водоснабжения (301 081 ГДж/год),

- сократить потери тепловой энергии в целом по предприяшю на 38% (581 870 ГДж/год) от общего теплового баланса;

- полностью перевести работу промышленной ТЭЦ предприятия на теплоснабжение сторонних организаций, а котельную использовать как резервную.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шелгинский А.Я. Основные направления андания рациональных комбинированных энерготехнологических систем предприятий химической промышленности.//Промышленная энергстика,№10, 1990г.-с.4-6

2. Шелгинский А.Я. Разработка энергосберегающих направлений технического прогресса в химической мроммник-шюсш па оснот*

эффективного регенеративного и внешнего теплоиспользования.//Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики: Тез.докл. Второй междун. конф. - М., 1995 г. - с.264-265.

3. Темяшова ОН., Удыма П.Г., Шелгинский А.Я. Совершенствование системы энергообеспечения цеха по производству фосфорной кислоты//Тр. Ин-та/ Москов.энергет. институт.- Вып. 198,1989 г. -с. 43-47.

4. Дудкин В.И., Шелгинский А.Я. Оценка эффективности производства слабой азотной кислоты // Эксергетический метод анализа и его применение: Тез.докл. 4-ой школы-семинара по эксергии. - Николаев,1990 г. - с.5.

5. Филина О.В., Шелгинский А.Я., Шорин В.Л. Использование теплоты абсорбции в производстве серной кислоты // Промышленная энергетика, №5, 1997 г. - с.34-36.

6. Шелгинский А.Я., Борисов К.Б. Разработка рациональной схемы регенерации теплоты пара вторичного вскипания вакуум-выпарного аппарата// Межвузовский научный сборник. -Саратов, 1993. - с.97-100.

7. Дудкин В.И., Шелгинский А.Я. Применение тепловых труб в энерготехнологических системах производства слабой азотной кислоты// Ресурсосберегающее оборудование на базе тепловых труб: Тез.докл. Всесоюз.науч.-техн. Конф. - Киев, 1987 - с.56-57.

8. Болошевич М.В., Дудкин В.И., Шелгинский А.Я. Разработка контактного аппарата с эффективной системой терморегулирования// Новые технологические средства для снижния энергозатрат: Тез.докл. Межвуз. Науч,-техн. Конф. - Кутаиси, 1990. - с. 11-12.

9. Шелгинский А.Я. Течение пара в плоских тепловых трубах при сложных граничных условиях// Тепловые трубы: теория и практика: Материалы Междунар.школы-семинара (май, 1990г.).-Минск, 1990,- 4.1.- с.46-48.

10. Шелгинский А. Среднетемпературные тепловые трубы.// Труды XXXVI Национального конгресса Италии по теплотехнике. - Виареджио, 1981, Т.1, -с. 739-752 (на итальянском языке).

11.Казароза К., Латрофа Е., Шелгинский А. Гейзер-эффект в двухфазных термосифонах.// Международный журнал "Тепло- и массоперенос, 1983, Т.26, №6, -с.933-941 (на английском языке).

12. Сасин В.Я., Шелгинский А.Я. Основны инженерных методов расчета тепловых труб,//Тр. Ин-та/Моск.энерг. ин-т. - Вып.198.,1974 г. - с.89-98.

13. Шелгинский А.Я., Кирюткин А.Г. Ламинарное течение пара в низкотемпературных тепловых трубах.//Тр. Ин-та/Моск.энерг.ин-т. - Вып. 294., 1976. -с.96-98.

14. Сасин В.Я., Шелгинский Д.Я. Интенсивное п> iciiiioMaccooÔMciui в конденсационной части тепловых трубок.//Инж.физ.журнал. 1973 г.,Т.25.№3. -с.436-439.

15. Корчагина М.В., Шелгинский А.Я. К исследованию течения пара в низкотемпературных тепловых трубах.// Ииж.физ.журиал,1986 г.,Т.50,№2. - с. 222-226.

16. Верба М.И., Сасин В.Я., Шелгинский А.Я. Методика расчета тепловых труб в области умеренных температур.// Инж.физ.журнал, 1972 г.,Т.23. №4.-с. 597 - 605.

17. Способ работы теплообменной установки с промежуточным теплоносителем: А с. 1603170 МКИ F28 Д 15/02,Дудкин В.И., Остроумов М.А., Сидоров C.B., Шелгинский А.Я. - Зс.:ил.

18. Тепловая труба: Ас. 1455219 МКИ F28 Д 15/02 / Остроумов MA. Галактионов В В., Дудкин В.И., Сидоров C.B., Шелгинский А.Я - 2с : ил

Печ. л. ¿ $

Тираж <¡00 Заказ ш

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13,