автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Выпарная кристаллизация веществ из водных растворов с использованием тепловых насосов

Введение.,.

Основные обозначения.

Глава 1. Анализ литературных данных по вопросам использования тепловых насосов в технологических процессах и кристаллизации веществ из растворов.

1.1. Историческая справка.

1.2. Классификация тепловых насосов.

1.3. Основные типы тепловых насосов.

1.3.1. Парокомпрессионные тепловые насосы.

1.3.2. Абсорбционные тепловые насосы.

1.3.3. Термоэлектрические тепловые насосы.

1.4. Термодинамические основы и критерии оценки эффективности тепловых насосов.

1.5. Рабочие тела компрессионных тепловых насосов с зшшушм обратным циклом.

1.6. Аппаратурное оформление установок с тепловыми насосами.

1.7. Применение тепловых насосов в различных технологических процессах.

1.7.1. Применение тепловых насосов при выпаривании.

1.7.2. Использование тепловых насосов в процессе ректификации.

1.7.3. Применение тепловых насосов в процессах сущки.

1.8. Сопоставление технологических установок, снабженных тепловыми насосами, с установками, питаемыми от котельных.

1.9. Основные особенности процессов выпарной и вакуумвьшарной кристаллизацЕМ.

1.9.1. Вьшарная кристаллизация.

1.9.2. Вакуумная кристаллизация.

1.10. Выводы.

Глава 2. Выпарная кристаллизация веществ из водных растворов с механическим сжатием вторичных паров.

2.1. Схемы установок и принцип их работы.

2.2. Теоретическое рассмотрение процесса.

2.3. Анализ влияния различных факторов на процесс разделения

Глава 3. Выпарная кристаллизация с использованием пароструйного инжектора.

3.1. Схемы установок и принцип их работы.

3.2. Теоретическое рассмотрение процесса.

3.3. Анализ влияния различных факторов на процесс разделения.

Глава 4. Выпарная кристаллизация с использованием промежуточного теплоносителя.

4.1. Схемы установки и принцип их работы.ПО

4.2. Теоретическое рассмотрение процесса.

4.3. Анализ влияния различных факторов на процесс разделения.

Глава 5. Сопоставление различных вариантов осуществления процесса выпарной кристаллизации.

5.1. Критерии оценки рассматриваемых процессов.

5.2. Результаты сопоставления рассматриваемых процессов.

Выводы.

Важными задачами химической и других отраслей промышленности являются снижение энергоемкости технологических процессов, а также рациональное использование различных низкопотевоисиальных источников тепла. К таким источникам следует отнести нагретые отходящие, паровые и газообразные потоки (вторичные пары выпарных установок, маточные растворы, отработанные абсорбенты, хладоагенты, сушильные агенты, пары и кубовые остатки дистилляционных и ректификационных установок, теплоносители рекуперативных и оросительных теплообменников и др.). Решение этих двух важных задач имеет не только экономическое, но и экологическое значение. Так, уменьшение энергоемкости технологических процессов соответственно снижает загрязнение окружающей среды при производстве тепловой и других видов энергии. Более полное использование тепла отходящих потоков уменьшает тепловое загрязнение окружающей среды, а также расход свежей воды на охлаждение данных потоков. Одним из возможных путей решения отмеченных выше задач является более широкое использование тепловых насосов при проведении различных технологических процессов.

В данной диссертационной работе рассмотрены различные аспекты применения тепловых насосов при осуществлении процесса выпарной кристашшзации. Этот процесс в настоящее время пшроко используется для выделения различных веществ из их водных растворов. Для реализации данного процесса затрачивается довольно большое количество тепловой энергии, что существенно отражается на его технико-экономических показателях.

В рамках данной работы нами был произведен теоретический анализ процесса выпарной кристаллизации с использованием различных тепловых насосов. При этом предложен ряд технологических схем данного процесса. 5

Дано их теоретическое описание, а также проанализировано влияние различных технологических параметров на эффективность выделения солей из их водных растворов с использованием различных вариантов выпарной кристаллизации.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе диссертации дан анализ имеюпщхся литературных данных по общим вопросам применения тепловых насосов в различных энергетических и химико-технологических установках. Во второй и третьей главах рассмотрены особенности применения тепловых насосов с открытым циклом по рабочему телу в выпарных кристаллизационных установках с механическим и инжекционным сжатием вторичных паров. Четвертая глава диссертации посвящена использованию в выпарной кристаллизации тепловых насосов с замкнутым контуром по рабочему телу. В пятой главе приведены результаты сопоставления различных вариантов осуществления процесса выпарной кристаллизации с тепловыми насосами между собой и обычной выпарной кристаллизацией.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ с - удельная теплоемкость;

О - поток, расход пара;

Во - поток, расход свежего пара;

Е - поток, экстра-пара;

Л- поток, масса исходной смеси; - поверхность теплообмена; л - поверхность теплопередачи кристаллизатора;

- поток, конденсата; /• - теплосодержание, энтальпия вторичного пара, /п - теплосодержание, энтальпия греющего пара; ?н - теплосодержание насыщенного пара; Л- поток, масса кристаллической фазы; к - коэффиинент теплопередачи; М- поток, масса маточника; Мб - молекулярная масса безводной соли; Мг - молекулярная масса кристаллогидрата; Л/Л- мопщость компрессора; Пс - степень сжатия пара; Р - давление;

А1 - давление в кристаллизаторе;

Р2 - давление пара после сжатия;

О - поток, количество передаваемого тепла;

2н - поток, подводимого в кристаллизатор тепла;

Л и и о - удельный тепловой поток; г - теплота парообразования; Гкр - теплота кристаллизащш; 5-энтропия; - температура; к - температура кипения раствора; кв - температура кипения чистого растворителя, вода; и - коэффициент инжекции;

Ж- поток, масса вторичного пара;

X - концентрация раствора, вещества;

5к - температурная депрессия; в - температура вторичного пара; конденсата;

- весовая доля кристаллов в суспензии; £к, (р, Л-коэффициенты преобразования энергии; ц - коэффициент извлечения.

Аппараты:

А - абсорбер;

С - сепаратор пара;

В - воздуходувка;

В А - вьшарной шишрат;

Л5АГ- вьшарной кристаллизатор;

ВВ - дроссельный вентиль;

Я-испаритель;

АГ-компрессор;

КО - конденсатор паров;

Я - аппарат для насыщения пара;

ПИ - паровой инжектор;

ЯГ - паро-генератор;

РК - рекгификационная колонна;

Г - теплообменник;

ТК - турбокомпрессор;

Ф - фильтр, сепаратор суспензии.

Индексы:

А-- растворенное вещество; в -- растворитель, вода; 5- безводная соль; г-- кристаллогидрат; Е- эвтектика Р-- исходный раствор; К— кристаллическая фаза; М - маточник; н-- насыщенный; п--пар; р--раствор.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны три варианта процесса выпарной кристаллизации веществ из их водных растворов с использованием тепловых насосов открьп-ого и закрытого типов.

2. Для всех этих вариантов получены теоретические зависимости, описывающие процесс разделения. Полученные зависимости могут быть непосредственно использованы при разработке рассматриваемых процессов и позволяют установить наиболее оптимальные параметры их проведения.

3. Используя полученные зависимости, выполнен анализ влияния различных параметров на ход процесса кристаллизации солей из их водных растворов.

4. Произведено сопоставление рассматриваемых вариантов выпарной кристаллизации между собой и с традиционным процессом без использования тепловых насосов. Показано, что применение тепловых насосов при реализации выпарной кристаллизации позволяет существенно улучшить технико-экономические показатели данного процесса.

1. Thomson W. On the economy of the heating or cooling of buildings by means of currents of air. //Proc. Glasgow Phil. Soc. 1852, V 111, N 12, p 666 675.

2. Haldam J.G.N. The heat pump an economical method of producing low grade head from electricity. // I.E.E. Journal, June 1930, V.68, p.666 - 676.

3. Рей Д.А., Макмайкл Д. Тепловые насосы.-// М. Энергоиздат, 1982,220с.

4. Гельперин Н.И. Тепловой насос.//Л.: Госнаучтехиздат, 1931,152с.

5. ЯнговсьсийЕ.И., Левин Л.А. Промьппленные тепловые насосы. 11-М.: .Энергоиздат, 1989,128с.

6. Чечеткин А В., Занемонец Н.А. Теплотехника. //М.: Высшая школа, 1986, 344с.

7. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. // М.: Машиностроение, 1972, 672с.

8. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. //М.: Химия, 1981, 812с.

9. Орехов И.И., Тимофеевский Л.С., Караван СВ. Абсорбционные преобразователи теплоты. //Л.: Химия, 1989, 208с.

10. Розенфельд Л.М., Ткачев А.Г. Холодильные машины и аппараты. // М.: Государственное издательство торговой литературы, 1955, 584с.

11. Чернобыльский ИИ, и др. Машины и аппараты химических производств. //М.: Машиностроение, 1975, 456с.

12. ПлановскийА.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. //М.:: Химия, 1972, 196с.

13. Копьев С.Ф. Теплофикация. //М.-Л.: Государственное издательство строительной литературы, 1940, 300с.

14. Каганов М.А., Привин М.Р. Термоэлектрические тепловые насосы. // Л: 1970, 176с

15. Шпенке Д. Отопление и охлаждение помеп1;ений посредствомтеплонасосов. //М.:Д969, 204с.

16. Култыгин Я.Б., Митрясов П.В., Новиков А.Г., Плетнев A.B. Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии. //Л.: 1989,114с.

17. Мартыновский B.C., Мельцер Л.З. Энергетический анализ тепловых насосов. // Киев: Труды ОТИП и ХП, 1955, т. 6, 73с.

18. Чумак ИГ. Холодильные установки. //М.: 1991, 312с.

19. Бэр Т.Д. Техническая термодинамика. //М.: Энергия, 1977, 518с.

20. Бродянский В.М. ЭксергетичесшФ метод термодинамического анализа. // М.: Энергия, 1973, 294с.

21. Barmvell J., Morris СР. Hydrocarbon Processing. July. 1982, P. 117-119c.

22. New Energy Conservation Technologies and Their Comercialisation. Proc. of an Intern. Conference. //Berlin, 6-10 April, 1981,1161c.

23. Frederick E. BecKer, Alexandra I. Zakak. Recovering energy by mecanical vapor recompression. // Chem. Eng. Progr., 1985, 81, № 7, 45 49c.

24. Aylott W., Bertay A., Fikus P., Gecraert В., Macor В., Pauts J., Saulo A. Energy Savings and Process Heat Recovery in Electroheat Plants. // Electrowarme bitem. В 6 № 12, 1986, 38c.

25. CarlD. Spangler. Heat pump fractionation process. US. 7.07. 81. Patent № 4 277268, (B 01 D 3/14).

26. Eisa M.A.R., Best R., Diggory P.J., Holland F.A. Heat pump assisted distillation. A feasibihty study on absorption heat pump assisted distillation systems. // hit. J. Energy Res., 1987,11, № 2, 179 191c.

27. Nakaiwa Masary, Oowa Masary, Akiya Takaji, Sato Masahito. Катаку гидзюцу кэнкодзе хококу // J. Nat. Chem. Lab. Ihd., 1989, 84, № 9, 535-547c.

28. Ludeket H., Gelb H. Wirtschaftliche Einsatzbereiche von Wamepumpen -und Mehrstufenschaltungen in der Rektifziertechnik.//Chem. Ing. Techn., 1986, 58, № 11, 847-855c.

29. Szybiak R. О pewnym zastosowaniu pompy ciepla. // Przem. chem, 1956, 12, №2,115-118c.

30. Takiyama Hiroshi, Nake Yuji, O'shima Eiji, Yamamoto Takeshi. Кагаку Когаку ромбунето. 1991, 17, № 1,157 165c.

31. Финелт С. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1979, № 2, 87 91с.

32. Quadri G.P. Use heat ршпр for Р-Р splitter. Part. 2 Process optimisation. Hydrocarbon Process., 1981, № 3,147 - 151c.

33. Розен A.M. Производство тяжелой воды методом ректификации аммиака с тепловым насосом. Опыт пуска промышленной установки. // Хим. пром. 1995, № 5, 207- 216с.

34. Meszaros I., Fonyo Z. Design strategy for heat ршпр assisted distillation system. // J. Heat Recov. syst. 1986, 6, № 6, 469 476c.

35. Brousse E., Mozkowicz P., Paux J.P. Modelisation et simulation d'une coloime a distiller avec CM V: coupeage du compresseur. Entropie. 1989, 25, № 149, 27 33c.

36. Brothers S. Heat pumps for distillation columns. // Chem. Eng. Progr. 1990, 86, № 6, 60 65c.

37. Swain R.L.B. Vapor compression distillation system. US. 03.09.1985. Patent № 424047 (B 01 D 3/42).

38. Ahlberg D.T., Polysar L. Distillation apparatus. Canad. 11.12.1984. Patent № 389083 (B 01 3/32).

39. Freshwater D.C. The heat ршпр in multi-component distillation. // Brit. Chem. Engng. 1961, 6, № 6, 388 -391c.

40. Carl D. Spangler. Heat pump fractionation process. US. 07.07.1981. Patent № 42772268 (B 01 D 3/14).

41. Fahmi M F., Mostafa H. A. Distillation with optimum vapour compression. // Chem Eng. Res. and Des. 1983, 61, № 666, 391 392c.

42. Brousse E., Capucci A., Claudel В., Stamatopoulos A., Wang S.y. Systeme colonne a distiller pompe a chaleur a recompression directe des vapeurs.//

43. Rev. gtn them. 1982, 21 № 246 247, 509 - 519,.482c.

44. Шалапатова E., Кименов Г., Въячев Г., Емануилов А. Термодинамичен анализ на топливе помпа при ректификационна уредба за етилов алкахол. Пловдив: Науч. тр.//Висш. инст. хран. и вкус. пром. 1987, 34, № 11, 309-3 16с.

45. Nakaiwa Masaru, Owa Masaru, Akiva Takaji, Kawasaki Sigetake, Lueprasitsakul Veerapot, Takamatsu Takeichiro. An evaluation method for a distillation column with a heat pump. // World Congr. 3 Chem. Eng., Tokyo, sept. 2-25. 1986, V. 1, 735-738c.

46. Supranto S., Ishwar Chandra, Unde M.B., Diggory P. J., Holland F. A. Heat ump assisted distillation fractional. // Int. J. Energy Res. 1986,10, №2, 145 161c.

47. Istvan Meszaros, Zsolt Fonyo. A hoszivattyu korfolyamat es as alapveto kapesolasi modok jellemzese. //Magy. Kem. Lapja. 1987, 42, № 4, 137 -144c.

48. Brousse E., Claudel В., Jallut С. Modelling and optimization of the steady state operation of a vapour recompression distillation column. // Chem. Eng. Sei. 1985,40, № 11, 2073 2078c.

49. Gopichand S., Omideyi Т.О., Kasprzycki J., Devotta S. The economies of heat pump assisted distillation system-2. Analysis of ethanol water mixtures. // J. Heat Recov. Systems. 1984, 4, № 46, 271 - 280c.

50. Omideyi Т.О., Parande M., Kasprzycki J., Devitta S. The economics of heat pump assisted distillation systems, 3. A comparative analysis on three alcohol mixtures. // J. Heat. Recov. Syst. 1984, 4, № 4,281 286c.

51. Jacques Sterlini. Procede pour la rectification de melanges binaires avec pompe de chaleur et moeeus pour sa mise en oeuvre. Cem. Cie electro -mecamque. //Demende fr. 12.02.82, № 8017313 (B 01 D 3/34).

52. Wei S. Moglichkeiten zur Energieeinsparung bei der Destillation. Teil 2: Einsatz von Warmepumpen. // Chem. Techn. 1980, 32, № 11, 563 567c.

53. Martinon J. Economies d'energie dans les separations par distillation. // Rev. Gen. them. 1976, 15, № 1796 999 1001, 963, 961, 997c.

54. Davidson W.F., Campagn W.V.I. Save by absorption heat pumping. // Hydrocarbon Process. 1987, 66, № 12, 30 31c.

55. O' Neil P.S., Wisz M. W., Ragi E.G., Page E.H., Antonelli R. Vapor recompression systems with high efficiency components. // Chem. Eng, Progr. 1985, 81, №7, 57-62c.

56. Jaganathau R., Dodda S., Suprauto S., Diggory P.J., Holland F.A. Heat pump assisted distillation. 4: Classified references for heat pump assisted distillation systems from 1945 to February 1986. // Int. Energy Res. 1987, 11, №36, 327-332c.

57. Brad Yundt. Troubleshooting V C evaporators. // Chem. Eng. (USA), 1984, 91, №26, 46-55c.

58. Weimer L.D., Dolf H.R., Austin D.A. A systems engineering approach to vapor recompression evaporators. // Chem. Eng. Progr., 1980, 76, № 116, 70 77c.

59. Perlov E. Narancic, Tripalo B. Application of the heat pump in chemical industry, //fjiac. xeM. npymr. Beorpa/i. 1980, 45, № 1 - 2, 69.

60. Wimmerstedt R. Mechanical vapor recompression applied to separation processes. 1. Evaporation. //J. Separ. Process Technol., 1985, № 6,1 8c.

61. Pierce J., Byrnes D. Mechanical vapor compression reduces steam consumption by 80%. // Chem. Process. (USA), 1981, 44, № 6, 39 40c.

62. Jim Carr, Jerome A. Bacchetti. Vapor recompression evaporator halves plant steam load. // Chem. Process. (USA), 1983,46, № 46, 80 81c.

63. Energiesprendes Eindichverfahren fiir wa rige Losungen. Ind. Anz. 1980, 102, №60-61, 26-27c.

64. Heimo Valimaki. Haihdututusmenetekna Ja Laitteisto. // OHHjmHZPiH. 10.08.83. Patent № 63680, ( B 01 D 1/00).

65. Beesley A.H., Rhinesmith R.D. Energy conservation by vapor compressionevaporation. // Chem. Eng. Progr., 1980, 76, № 8, 37 41c.

66. Paul Franzen. Mehrstufige Verdampfaranlage mit Kombiniertem Brudsverdichter und Warmetransformator zur Ruckgewinnung der in den Bruden enthaltenden Warme. // ФРГ. 05.11.81. Патент № 3016406, (В Ol D 1/28, В Ol D 1/26).

67. Donald C. Erickson. High сор absoфtion heat pumped evaporation method and apparatus. US. 11.07.89. Patent № 4846240, (BOl D 1/06, F 25 В 15/00).

68. Вьшарная установка с тепловым насосом. // Франция. 05. 10. 79. Заявка № 78063566 (В 01 D 1/00).

69. Jacobs D. Abwarmenutzung durch den Einsatz von Brudenverdicatem. // Chem. Techn.(BRD), 1981, 10, Xo 4, 323 - 328c.

70. Накан Ostman, Oy Ekono. Satt vid aterkompressionsindunstning av en Losning-Tapa undelleenpuristushaihdutettaessa Liuosta. // Финляндия. 10.05.84. Патент № 65375 (В Ol В 1/26).

71. Гельперин Н.И„ Шур В.А. Оценка условий эффективности применения выпарных установок с тепловым насосом. // Хим. пром. 1985, N° 8, 3 8-42с.

72. Обпщй курс процессов и аппаратов химической технологии. Книга 2. Под общей редакцией Айнпгтейна В.Г. // М.: Химия, 2000, 1760с.

73. Sylla Я, Abas S.R, Tai K.W.,Devota S., Watson F.A., Holland F,P. The potential for Heat pump in drying and Dehumidification system. 1. Theoretical considerations. // Intem. Joum. energy research. 1982, 6, № 4. с

74. Prasertsan S., P. Saen Saby. Heat pump olrying of agricultural materials. // Drying Technol. 1998, 16, № 1 - 2, 235 - 250c.

75. Кан К.Д. Рабочие вещества для компрессионных тепловых насосов. // Холодильная техника. 1988, № 5, 36с.

76. Холодильная техника. Энциклопедический справочник. //М.: Восторг издат, 1960, Т.1., 544с.148

77. Томановская В.Ф., Колотова Б.Е. Фреоны. Свойства и применение. // Л.: Химия, 1970, 182с.

78. Теплофизические свойства веществ и материалов. //М.: Издательство стандартов, 1975. Вып. 8., 130с

79. Сакун И.А. Винтовые компрессоры. Основы теории, расчет, конструкции. // Л,: Машиностроение. 1970, 400с.

80. Малин Д.У. Кристаллизация, М.: Металлургия 1965, 342с.

81. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности, М.: Химия, 1968, 304с.

82. Бемфорт A.B. Промьппленная кристаллизация, М.: Химия, 1969, 240с.

83. Тодее О.М., Себалло В.А., Гольцикер А.Д. Массовая кристаллизация из растворов. Л.: Химия, 1984, 232с.

84. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники фракционной кристаллизации, М.; Химия, 1986, 304с.

85. Карасев В.В. Разделение бинарных смесей методом сочетания процессов кристаллизации и ректификации. // Канд. дис. МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1977, 200с.

86. Конде Шейк Мохамед. Разделение бинарных смесей путем сочетания процессов дистилляции, ректификации и фракционной кристаллизации. //Канд. дис. МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1992, 202с.