Ректификация воды в затопленном слое нерегулярных и регулярных насадок

приведенными параметрами для двух режимов работы: 1. Колонна; 2. Куб; 3. Змеевики куба; 4. ТЭНы; 5. Конденсатор; 6. Змеевики конденсатора; 7. Распределитель орошения; 8. Компрессор; 9. Предохладитель; 10. Конденсатор фреона; 11. Дроссель; 12. Испаритель фреона; 13. Насос контура

обогрева куба; 14. Насос контура охлаждения конденсатора

Таблица 1. Сравнение рабочих параметров процесса при установившихся режимах работы

Параметр Режим 1 Режим 2 Параметр Режим 1 Режим 2

Рфр.вх., бар 5,8 6,1 17, °С 24,5 30,5

1фр.вх., °С 26,0 27,3 18, °С 25,0 27,4

Рфр.вых., бар 28,0 28,9 19, °С 33,0 35,4

1фр.вых., °С 110,0 111,4 Ркуб., атм 0,24 0,32

11, °С 80,0 82,0 1куб., °С 64,0 70,6

12, °С 79,0 82,0 Рконд., атм 0,10 0,13

13, °С 75,0 78,5 1конд., °С 46,0 50,7

14, °С 69,0 71,3 О, кг/ч 80 87

15, °С 78,5 79,9 VI, м3/ч 6,0 6,2

16, °С 20,0 22,7 У2, м3/ч 7,6 6,9

В таблице 1 представлены для сравнения полученные рабочие параметры установки для двух установившихся режимов работы. Ключевым параметром в обоих режимах является температура конденсации фреона 11, поскольку от данного параметра существенно зависит теплообмен между водой в контуре для обогрева куба колонны (2) и конденсирующимся фреоном в теплообменнике-конденсаторе (10). Это, в свою очередь, влияет на поток по колонне водяного пара О и, соответственно, на производительность колонны. Во

избежание конденсации фреона до входа в теплообменник-конденсатор (10), в режиме 1 и 2 использовались минимально допустимые значения параметра ^ при давлениях сжатого парообразного фреона Рфр.вых. на выходе из компрессора.

В режиме 2 температура ^ фреона, поступающего в конденсатор (10), была на 2 °С выше, чем в режиме 1. Это позволило увеличить температуру воды в греющем контуре куба и, таким образом, повысить разность температур между контуром нагрева и кипящей водой, что привело,

соответственно, к росту потока по колонне с 80 до 87 кг/час. Температура воды в контуре охлаждения также поднялась примерно на 2 °С

Дальнейшее повышение температуры ^ возможно путем снижения количества тепла, сбрасываемого в предохладителе за счет снижения скорости вращения вентиляторов радиатора предохладителя. Однако, это приведет к повышению давления Рфр.вых., что может негативно сказаться на ресурсе работы фреонового компрессора.

Для двух режимов работы установки при потребляемой мощности компрессора, равной 25 кВт, были получены следующие результаты. Для обеспечения потока водяного пара по колонне 80 кг/час с учетом 5 % тепловых потерь при режиме 1 в кубе выделяется тепловая мощность 56 кВт, а при режиме 2 для обеспечения потока по колонне 87 кг/ч с учетом 5% тепловых потерь в кубе выделяется мощность 61 кВт. Для конденсации потока пара 80 кг/час и потока 87 кг/ч стандартная чиллерная установка потребляла бы 16 кВт и 17,5 кВт, соответственно. Таким образом, при использовании теплового насоса для режима 1 было получено снижение потребляемой мощности в 2,24 раза, а с учетом затрат на конденсацию - в 2,88 раза. Для режима 2 было получено снижение потребляемой мощности в 2,44 раза, а с учетом затрат на конденсацию - в 3,13 раза.

Дальнейшее увеличение эффективности работы теплового насоса в процессе ректификации воды под вакуумом возможно при отказе от промежуточного водяного контура нагрева в кубе колонны. При этом фреон, выходящий из компрессора, может быть направлен на конденсацию непосредственно в змеевиках куба. Отказ от промежуточного контура нагрева позволит уменьшить требуемую температуру конденсации фреона на 5-6 °С, что приведет к снижению давления фреона и увеличению ресурса работы компрессора, Либо, при сохранении давления фреона, это позволит увеличить разность температур между греющим фреоном и кипящей водой и, таким образом, повысит поток по колонне.

Для повышения эффективности использования энергии также представляет интерес полезное использование тепла, сбрасываемое в предохладителе. Используя предохладитель с водяным охлаждением, можно получать горячую воду для обогрева куба дополнительной ректификационной колонны. В этом случае целесообразно в качестве конденсатора дополнительной колонны использовать радиатор, охлаждаемый воздухом.

Селиваненко Игорь Львович, к.т.н., ведущий научный сотрудник кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Разумовский Григорий Николаевич, аспирант кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Тюрин Семён Сергеевич, студент 5 курса Института материалов современной энергетики и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Райтман А.А., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А., Хорошилов А.В. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. Под общей редакцией д.х.н., профессора Б.М. Андреева. М.: ИздАТ, 2003. 376 с. 2 Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г., Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике: учебное пособие для вузов / - М.: ИздАТ, 2000. 344 с.

3. Бобылев В.Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие /РХТУ

им. Д. И. Менделеева. - М., 2003. 24 с.

4. Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: Студия "Негоциат", 2006. 712 с.

Selivanenko Igor Lvovich, Razumovskii Grigorii Nikolaevich*, Tyurin Semen Sergeevich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: rgn91@yandex.ru

USE OF FREON HEAT PUMP TO ENERGY RECOVERY IN VACUUM WATER DISTILLATION

Abstract

The results of application of freon heat pump unit for vacuum distillation column are presented. The obtained results showed, that use of heat pump allows to reduce total energy consumption by 2,88 times in operation mode 1 and by 3,13 times in operation mode 2, respectively.

Key words: water distillation, packed column, heat pump unit, heat recovery cycle, coefficient of performance.

УДК 66.012.77

Тхет Мьйо Аунг*, П. С. Мосеев

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: thetmyo@mail.ru

РЕКТИФИКАЦИЯ ВОДЫ В ЗАТОПЛЕННОМ СЛОЕ НЕРЕГУЛЯРНЫХ И РЕГУЛЯРНЫХ НАСАДОК

Представлены результаты гидродинамических и массообменных испытаний колонны ректификации воды, работающей в режиме с затопленным слоем насадки. Показано, что зависимость высоты теоретической ступени разделения от нагрузки для режима с затопленным слоем и для пленочного режима имеют противоположную направленность. Минимальное значение ВЭТС для затопленного слоя достигается при максимальном потоке по колонне. Пропускная способность нерегулярных и регулярных насадок в затопленном слое на 30-50 % выше, чем в пленочном режиме.

Ключевые слова: ректификация, насадочная колонна, затопленный слой, пленочный режим, ВЭТС, пропускная способность, нерегулярная насадка

Метод ректификации воды нашел широкое применение для разделения изотопов водорода и кислорода. Этим методом производится практически все количество изотопа кислорода 18О. Также ректификация воды применяется при конечном концентрировании в производстве тяжелой воды из природного сырья, выделении протия и трития из тяжелой воды тяжеловодных реакторов и при очистке от трития воды на предприятиях ядерно-топливного цикла [1].

В последние годы появились задачи и вопросы по очистке воды от дейтерия и трития. Очищенная от дейтерия «легкая» вода нашла применение как биологически активная добавка, снижающая риск онкологических заболеваний. Основным недостатком метода ректификации воды является малый коэффициент разделения и, как следствие, большой объем и высокая стоимость разделительных колонн [2]. При этом, если для процессов концентрирования изотопа (получение Н218О, Б2О, НТО) возможно сокращение объема разделительных аппаратов за счет каскадирования то для процессов очистки воды от дейтерия или трития процесс должен проводиться в одной колонне. Поэтому для процессов очистки единственным способом уменьшения объема и стоимости разделительных колонн является повышение эффективности массообмена и повышение пропускной способности насадки и, как следствие, снижение объема и стоимости ступени разделения.

В процессе разделения изотопов методом ректификации воды в настоящее время используются насадочные колонны, работающие в пленочном режиме.

Для получения высокой эффективности разделения в пленочном режиме необходимо

обеспечить высокоразвитую гидрофильную поверхность насадки, что достигается трудоемкими операциями обработки поверхности насадки, ее загрузки. Кроме того, для этого используются специальные способы запуска колонн и сложные высокоэффективные устройства распределения флегмового потока.

Одним из путей повышения массообмена в колоннах является использование эмульгационного режима (режима затопления). Этот режим был открыт В.В.Кафаровым и Бляхманом [3]. Однако в процессах разделения изотопов ректификацией воды эмульгационный режим в насадочных колоннах ранее не использовался. Поэтому задачей настоящей работы было сравнение гидродинамических и массообменных характеристик некоторых нерегулярных и регулярных насадок в процессе ректификации воды в пленочном и затопленном режимах.

В табл. 1 приведены главные характеристики исследуемых образцов насадки: удельная поверхность насадки а (м/м3), свободный объем Усв (м3/м3), эквивалентный диаметр с1экв (мм).

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Эксперименты по ректификации воды с природным изотопным составом проводились при атмосферном давлении. Для определения эффективности массообмена экспериментально определяли ВЭТС по степени разделения изотопов водорода при достижении стационарного состояния колонны. Изотопный анализ проводили с использованием прибора Т-Ь'ША^-ЕР. Результаты по определению пропускной способности и ВЭТС для различных образцов насадки приведены в табл. 2

Таблица 2. Характеристики исследованных образцов насадок

Тип насадки Материал насадки Размер элемента,мм а, V г св,> d'экв

СПН 2х2х0,2 AISI321 2.0х2,0 3500 0,82 0,94

СПН 3,5х3,5х0,22 AISI321 3,5х3,5 1965 0,905 1,84

РЛВН 5х45 12Х18Н10Т Высота гофра 5 мм, угол наклона 450 1055 0,929 3.5