Термодинамический анализ процесса ректификации этилового спирта с использованием теплонасосной установки

УДК 62-97

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ ЭТИЛОВОГО СПИРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ

Б.Л. Скрыпников, Ю.Н. Смолко, С.А. Толстов, С.А. Чернопятова

В статье рассматриваются варианты минимально необходимых энергетических затрат на реализацию исследуемого технологического процесса. Проведен эксергетический анализ с целью повышения степени термодинамического совершенства теплотехнологической системы ректификации спирта при использовании теплонасосной установки. Предложена схема использования низкопотенциального тепла

Ключевые слова: эксергия, теплонасосная установка, термодинамическое совершенство

Эксергетический анализ процесса ректификации этилового спирта произведен по методике В.М. Бродянского [1].

Анализу подвергалась технология ректификации спирта без использования теплового насоса с ТЭНами в качестве нагревателя исходного продукта, и технология с тепловым насосом, где в качестве нагревателя использовалось низкопотенциальное тепло отработанной воды.

Исследуемая технология была разделена на ряд контрольных поверхностей (табл. 1), в соответствии с протекающими в ней тепло- и массообменными процессами.

Таблица 1

Контрольные поверхности

№ контрольной поверхности Наименование контрольной поверхности

I Ректификационная колонна

II Сепарирование водно-спиртовой смеси

III Транспорт охлаждающей воды

IV Конденсатор для нагрева водно-спиртовой смеси

V Конденсатор для доохлаждения хладагента

VI Компрессор для хладагента

VII Испаритель

VIII Терморегулирующий вентиль

Схемы с контрольными поверхностями представлены на рис. 1.

В схеме без использования теплового насоса присутствовали две контрольные поверхности: ректификационная колонна с ТЭНами и сепарирование водно-спиртовой смеси (рис. 1, а).

Схема с использованием теплового насоса (рис. 1, в) предназначена для нагрева водноспиртовой смеси (воды, водных растворов и т.п.) и

Скрыпников Борис Леонтьевич - ВГУИТ, инженер, тел. (960) 134-66-58

Смолко Юрий Николаевич - ВГУИТ, аспирант, тел. (920) 427-04-40

Толстов Сергей Анатольевич- ВГУИТ, канд. техн. наук, доцент, тел. (980) 542-78-58

Чернопятова Светлана Александровна - ВГУИТ, аспирант, тел. (951) 553-57-83

дальнейшего использования ее в технологическом процессе, а так же для охлаждения низкопотенциальных источников теплоты (отходящая вода в дефлегматоре, конденсаторе и т.п.).

Установка изготовлена по промышленным стандартам из стандартных комплектующих и предназначена для эксплуатации при нормальной температуре окружающего воздуха. Условия эксплуатации установки соответствует ГОСТ 15150-69.

ТНУ содержит контур хладагента с компрессором, двумя конденсаторами, подключенными через запорную арматуру, способную переключать работу связки конденсаторов в параллельном и одиночном режимах работы, также в установке имеется испаритель.

Схема с тепловым насосом (рис. 1, в) предполагает последовательное охлаждение хладагента в конденсаторах. В первом конденсаторе происходит сбив высокопотенциальной теплоты для дальнейшего нагрева водно-спиртовой смеси, во втором конденсаторе происходит снятие избытка теплоты с последующей отдачей тепла потребителю.

Критерием оценки термодинамического совершенства теплотехнологической системы является эксергетический КПД пэ:

V п Ее,-

л =

э

Ее

Ее

X/1

е[ - суммарная удельная эксергия полезных

3

потоков,

кДж/кг; У е- - суммарная затраченная

удельная эксергия, кДж/кг; Е I) - эксергетические потери, кДж/кг.

Для термодинамического анализа теплотехнологических систем используют следующие виды эк-

сергии [1]: эксергия в потоке вещества е м, относящаяся к видам энергии, имеющим вещество-носитель - материальный поток и эксергию теплового потока

ед, относящаяся к видам энергии, не имеющим вещества-носителя (например, электроэнергия).

Удельная эксергия вещества в потоке включает в себя химическую и физическую эксергию:

з

з

еМ Є ¡.I + еф

Удельная химическая эксергия включает в себя концентрационную ек и реакционную ег , а удельная физическая складывается из деформационной ер и термической е^ эксергии.

Эксергия теплового потока является функцией состояния системы и окружающей среды и зависит

при фиксированном значении Тд только от текущей

температуры потока Т .

Удельная эксергия теплового потока рассчитывается по уравнению:

Рис. 1. Разделение исследуемой теплотехнологической системы на контрольные поверхности: а - схема без использования теплового насоса; в - схема с использованием теплового насоса с разделенным конденсатором 1 - ректификационная колонна; 2 - водокольцевой вакуум-насос; 3 - сепаратор жидкости; 4, 5 - насосы;

6 - конденсатор ректификационной колонны; 7 - емкость для воды; теплонасосная установка: 8 - компрессор; 9 - испаритель; 10, 11 - конденсаторы; 12 - терморегулирующий вентиль; В1-В6 - вентили; 13 - ТЭН Обозначения потоков:-------------------- теплоноситель;-------хладагент; --------- водно-спиртовая смесь

Для процесса ректификации [2] из контрольной поверхности I, содержащую ректификационную колонну и сепаратор жидкости, можно исключить реакционную и деформационную эксергию, а для остальных контрольных поверхностей эксергия вещества в потоке тождественна термической эксергии:

ем1 = eK + ет: eM

Удельная концентрационная эксергия водноспиртовой смеси численно равна энергии Г иббса:

еК = А? = ^Scn^cn + А?в-^в '

где Ag , Аgcn, Age - изменение удельной энергия

Гиббса для водно-спиртовой смеси и ее составляющих, кДж/кг; Хсп, Хв - концентрации составляющих, доли ед.

Удельная термическая эксергия:

ej, = Ai - TqAs ,

где Ai, As - изменение удельной энтальпии и энтропии материального потока, кДж/кг; Гд - температура окружающей среды, К.

ед =Т.дте =Лд{-т/т0^

где - сумма тепловых потоков, кДж/кг; те -

фактор Карно или эксергетическая температурная функция, равная термическому КПД цикла Карно между температурами контрольной поверхности и окружающей среды.

Общая удельная эксергия в контрольных поверхностях, на которые была разделена исследуемая теплотехнологическая системы ректификации водно-спиртовой смеси, состоящая из классических необратимых процессов, уменьшается с течением времени, что связано с диссипацией энергии [1]:

X! ез = X! еп ^ ^ ,

где Уе.у - суммарная эксергия вводимых в контрольную поверхность материальных и энергетических потоков; £еп - суммарная эксергия выводимых из контрольной поверхности полезных материальных и энергетических потоков; V ¿/ - суммарные эксер-гетические потери.

Соотношение (7) для изображенных выше технологических схем ректификации спирта рассматривалось в следующем виде:

е” +Е^+ + ££4 = Ек + Е2 + + Е£>/ + ъве

где слагаемые этих уравнений - эксергия (кДж):

т-М

исходной водно-спиртовой смеси Е ; холодной воды от потребителя еМ ; суммарной электроэнер-

гии для привода насосов и компрессора У /•’” ; электроэнергии для нагрева ТЭНов ; готового спирта ЕК; нагретой воды для потребителя ЕК ;

т^К

лютерной воды Е ; сумма потерь эксергии в результате необратимости процессов, происходящих внутри контрольных поверхностей У 1)[ ; сумма

потерь эксергии во внешнюю среду X Ое .

Уравнение (8) отражает изменение эксергии теплотехнологической системы за счет ввода исходного сырья, подвода воды от потребителя, подвода электроэнергии к ТЭНам в кубе ректификационной колонны; нагрева промежуточных потоков рабочими органами насосов и компрессора, сопряженных с затратами электроэнергии на их привод; покрытия потерь, возникающих вследствие необратимости процессов тепловой обработки сырья и промежуточных продуктов; изменения их теплофизических свойств и концентрации; компенсации потерь, обусловленных действием окружающей среды.

Эксергия, подводимая к системам исходной

т-,и „н

водно-спиртовой смеси Е и холодной воды Е ,

находящихся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, равна нулю, поэтому исключается из баланса.

Блок-схема обмена рассматриваемой теплотехнологической системы материальными, тепловыми и энергетическими потоками с окружающей средой, а также между контрольными поверхностями представлена на рис. 2.

Значения удельной изобарной теплоемкости водно-спиртовой смеси различной концентрации, воды и хладагента находили по справочной литературе [3].

Приращение полезной эксергии спирта-ректификата в исследуемой теплотехнологической системе достигается за счет его нагрева хладагентом, циркулирующем в контуре насос 5 - конденсатор 10 (рис. 1, в), в результате его нагрева ТЭНами в кубе ректификационной колонны (рис. 1, а).

В данной работе учтены внутренние Б1 и

г^е

внешние Б эксергетические потери.

В суммарное количество внутренних эксерге-тических потерь входят потери от конечной разности температур в результате теплообмена между водно-спиртовой смесью и теплоносителями (горячая и холодная вода), между теплоносителями и хладагентом, между хладагентом и водой, отходящей к потребителю; электромеханические, сопряженные с необратимостью механического перемещения промежуточных продуктов и вспомогательных потоков; гидравлические потери, обусловленные внезапным увеличением удельного объема воды при ее поступлении во внутреннюю полость емкости 8, при дросселировании хладагента с помощью терморегулирующего вентиля, в процессе выделения спирта-ректификата в сепараторе жидкости 3.

Потери, обусловленные конечной разностью температур между потоками, определяли по формуле:

пто = ^то

Рис. 2. Схема обмена энергетическими потоками между контрольными поверхностями системы и системы с окружающей средой.

Потоки: ^ - продукты;

- электроэнергии;

- границы контрольных поверхностей

.-.то

где 0 - количество теплоты, переданное от од-

ного потока к другому, кДж; ¥е - среднее значение фактора Карно для двух взаимодействующих потоков.

Гидравлические эксергетические потери определяли по формуле:

£>г=£ЛЯ-,-—

1цх

где Твх - температура, K теплоносителя на входе в

контрольную поверхность; АНг - гидравлические потери, м.

По формуле Дарси-Вейсбаха найдены гидравлические потери при входе теплоносителя в контрольную поверхность:

2

АНг=%-—

где Увх - средняя скорость прохождения потока по сечению подводящего трубопровода, м/с; £ - коэффициент сопротивления.

Электромеханические потери эксергии тождественны мощности приводов оборудования, используемого при перемещении продукта в [4].

е

Внешние потери и связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой. Эти потери обусловлены отличием температуры теплоносителей и хладагента от температуры окружающей среды, несовершенством тепловой изоляции оборудования, сбросом лютерной воды.

Потери эксергии в окружающую среду, обусловленные несовершенством теплоизоляции были найдены по формуле:

Бе =Оиз-те.

где 0из - суммарные потери тепла в окружающую среду через контрольную поверхность, кДж; те -

фактор Карно.

В контрольной поверхности I в сумму внешних потерь также вошла эксергия сбрасываемой лютерной воды (для всех схем) и эксергия охлаждающей воды, отводимой из конденсатора в окружающую среду (для схемы без ТНУ).

Эксергетические потери спирта-ректификата на выходе из теплотехнологической системы при достижении ими термодинамического равновесия с окружающей средой были вычислены по следующей формуле:

О ^ли

ВПр = ^пр _ ^пр ~Т^ - с - Ъ. д—

Тпр

где кпр , Тпр - энтальпия, кДж/кг, и температура, К, спирта-ректификата, с - средняя удельная теплоемкость спирта-ректификакта между его текущим состоянием в момент выхода из системы и в

состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, кДж/(кгК).

Эксергия материальных и энергетических потоков, внутренние и внешние эксергетические потери, рассчитанные по формулам (6 - 13), составили эксергетический баланс теплотехнологических систем ректификации спирта с применением теплонасосной установки (табл. З, 4).

Рис. З. Диаграмма Грассмана-Шаргута для ректификации без ТНУ

Рис. 4. Диаграмма Грассмана-Шаргута для способа с ТНУ

При построении эксергетических диаграмм Грассмана-Шаргута (рис. 3, 4) в качестве абсолют ного эксергетического параметра выбрана эксерге-тическая мощность Е, кДж/ч. Обозначение потоков на рис. 3, 4 представлено в табл. 2.

Полезным потоком на выходе из системы при вычислении эксергетического КПД по формуле (1) считался спирт-ректификат как целевой продукт технологии.

Таблица 2

Обозначения потоков на диаграммах Грассмана-Шаргута

№ потока Наименование потока № потока Наименование потока

1 Исходная водно-спиртовая смесь 13 Охлаждающая вода из испарителя

2 ТЭН 14 Хладагент Я-134а из компрессора в первый конденсатор

3 Охлаждающая вода 14а Хладагент Я-134а из компрессора во второй конденсатор

4 Нагревающая вода 15 Привод насоса

5 Флегма 16 Хладагент Я-134а из первого конденсатора

6 Водно-спиртовая смесь в сепаратор 17 Холодная вода от потребителя

7 Отработанная охлаждающая вода 18 Нагретая вода к потребителю

8 Отработанная нагревающая вода 19 Хладагент Я-134а из второго конденсатора

9 Лютерная вода (внешние потери) 20 Привод компрессора

10 Привод насоса 21 Хладагент Я-134а из испарителя

11 Спирт-ректификат 22 Хладагент Я-134а из терморегулирующего вентиля

і2 П

Эксергетический баланс предлагаемой технологии ректификации

Таблица 3

Контрольная поверхность Подвод эксергии Отвод и потери эксергии

Наименование о" -й: [ц ^ % суммарной эксергии Наименование Обозначе- ние 1 к % суммарной эксергии

і ТЭН Исходная водно-спиртовая смесь Охлаждающая вода 7,2 0 0 59,0 0 0 Внутренние потери Лютерная вода Отработанная охлаждающая вода м Бе11 Бе21 4.1 1.1 1,6 33,6 9,0 13,1

її Привод водокольцевого вакуум -насоса 5,0 41,0 Внутренние потери Внешние потери Готовый спирт Егп1 2,3 0,5 2,6 18,9 4,1 21,3

И Т О Г О: 12,2 100 - - 12,2 100

Эксергетический КПД: 8 '/* =4"/5>-3 =21,3%

Таблица 4

Эксергетический баланс предлагаемой технологии ректификации

Контрольная поверхность Подвод эксергии Отвод и потери эксергии

Наименование 2 ^ сч ^ % суммарной эксергии Наименование Обозна- чение 1 Д к % суммарной эксергии

і Исходная водно-спиртовая смесь 0 0 Лютерная вода 0,2 1,9

її Привод водокольцевого вакуум-насоса 5,0 46,7 Внутренние потери Внешние потери Готовый спирт Мп Егп1 1,8 0,5 2,5 16,8 4,7 23,4

ііі Привод насоса 0,7 6,5 Внутренние потери П‘ш 0,7 6,5

IV Привод насоса 0,9 8,4 Внутренние потери О' IV 0,9 8,4

V Холодная вода от потребителя 0 0 Внутренние потери Нагретая вода Div Е™2 0,5 1,2 ,7 ,2

V! Привод компрессора 4,1 38,4 Внутренние потери Внешние потери О' VI 0,9 0,8 8.4 7.5

VII - - Внутренние потери О' VII 0,1 0,9

VIII - - - Внутренние потери О\ш 0,6 5,6

И Т О Г О: 10,7 100 - - 10,7 100

Эксергетический КПД: 8 гп / \ ' з Лэкс =еИ/2^е* = /= 1 34,6%

Литература

1. Бродянский В.М., Эксергетический анализ и его приложения [Текст] / В.М. Бродянский, В. Фратшер, К. Михалек. - М.: Энергоатомиздат, 1988 - 288 с.

2. Шадрина, Е.М. Эксергетический анализ процесса ректификации бинарной смеси [Текст] / Е.М. Шадрина, А.С. Углов // Химия и химическая технология. - 2011. - Т. 54, вып. 8. - С. 102-104.

3. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] / Н.Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

4. Калашников, Г.В. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов [Текст] / Г.В. Калашников, А.Н. Остриков. - Воронеж: Изд. Воронежского университета, 2001 - 356 с.

5. Сажин, Б.С., Эксергетический метод в химической технологии [Текст] / Б.С. Сажин, А.П. Бу-леков. - М.: Химия, 1992. - 208 с.

Воро нежский государственный университет инженерных технологий

THERMODYNAMIC ANALYSIS DISTILLATION PROCESS ETHANOL

USING HEAT PUMPS

B.L. Skrypnikov, J.N. Smolko, S.A. Tolstov, S.A. Chernopyatova

The article is discusses options for the minimum required energy costs of the investigation process. Energy analysis conducted in order to increase the degree of thermodynamic perfection teplotehnologicheskoy alcohol distillation system using heat pump system. A scheme for use of low-grade heat

Key words: exergy, heat pump system, thermodynamic perfection

Полученный эксергетический КПД системы ректификации без использования парокомпрессионной ТНУ равен 21,3 %. КПД системы с использованием ТНУ 34,6 3 %, что выше. Это свидетельствует о повышении степени термодинамического совершенства теплотехнологической системы ректификации спирта при использовании парокомпрессионного теплового насоса.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» по гос. контракту № 16.516.11.6028 от 23.04.11 г.