Использование фреонового теплового насоса для рекуперации энергии в процессе ректификации воды под вакуумом

Следующим этапом повышения эффективности каскада РУ может быть замена тарельчатых контактных устройств на новые высокоэффективные контактные устройства, разрабатываемые в РХТУ им. Д.И. Менделеева - регулярную рулонную ленточно-винтовую насадку (РЛВН) [4], которая обладает значительно более высокой пропускной способностью по сравнению с нерегулярной и при этом имеет большую эффективность разделения по сравнению с колпачковыми тарелками.

Для испытаний РЛВН в РХТУ создан лабораторный стенд с чиллером, позволяющий достигать высоких значений потоков, а также изменять диаметр от 50 до 150 мм и от 150 до 300 мм , а также высоту колонны от 1 до 3 м(см. рис. 2). Эксперименты проводятся с использованием воды природного изотопного состава, а изотопный анализ проводится на приборе LGR-500 производства Los-Gatos Research Inc. (США), обеспечивающем измерение концентрации дейтерия от 1 до 4000 ppm.

Для испытаний использовали специально изготовленные образцы регулярной рулонной ленточно-винтовой насадки высотой 100 см, внешний вид одного из которых представлен на рис. 2.. Образцы изготавливались из нержавеющей тканевой сетки с размером ячейки 0,2 мм, для изготовления которой использовали проволоку из стали марки 12Х18Н10Т толщиной 0,12 мм. Характеристики РЛВН: ширина полосы сетки - 40 мм, высота гофра - 5 мм, угол наклона гофра - 45о, намотка с зазором между витками - 3 мм, удельный

вес насадки - 570 кг/м3, свободный объем - 0,92875, удельная поверхность - 1055 м2/м3. Приизгоовлении блока намотка гофрированной сетки проводилась до диаметра на 5-10 м меньше, чем диаметр колонны, а для плотной установки блока по его высоте через каждые 20 см были размещены «юбочки» из нержавеющей сетки. Перед началом испытаний насадка была протравлена в «царской водке».

Испытания РЛВН проводили в РХТУ им. Д.И. Менделеева на колоннах диаметром от 60 мм до 250 мм с высотой насадочной части 1 м при давлении 0,02 МПа. Для всех исследованных образцов была получена предельная пропускная способность -(7000+20) кг/м2-ч, а при удельной нагрузке (5000+20) кг/м2-ч значение высоты эквивалентной теоретической ступени разделения (ВЭТС) при увеличении диаметра колонны от 60 мм до 250 мм изменилось от (15+1) до (20+1) см. При этом следует отметить, что увеличение диаметра более, чем в 4 раза привело к росту ВЭТС всего в 1,3 раза.

Исследование слияния плотности упаковки насадки проводили в колонне диаметром 250 мм с использованием блока РЛВН без «юбочки» с диаметром намотки гофрированной ленты, точно соответствующим диаметру царги. Сопоставление результатов эксперимента показали, что при плотной упаковке было получено значение ВЭТС, равное (27+1) см, что в сопоставимых условиях примерно в 1,3 раза выше, чем для блоков с «юбочкой».

Рис. 2. Лабораторный стенд в РХТУ им Д.И. Менделеева: 1 - колонна диаметром 250 мм, высотой 3 м; 2 - испаритель; 3 - конденсатор; 4 - вакуумная система; 5 - чиллер; 6 - автоматизированный блок управления; 7 - фрагмент блока РЛВН; 8 - распределитель орошения

По нашему мнению, это можно объяснить пристеночным эффектом, который уменьшается при использовании насадки в «юбочками» которые играют роль своеобразных перераспределителей орошения, направляя поток жидкой воды от стенок колонны к слою насадки.

Достоверность полученных результатов обусловливается тем, что в данных экспериментах массообменные характеристики процесса определялись по результатам изотопного анализа не только в системе Н2О - HDO, но и в системе Н216О - Н218О, при этом различия в значениях ВЭТС для этих двух систем не превышали 3 - 5 %.

Следует также отметить, что полученные в результате лабораторных испытаний значения ВЭТС для РЛВН в сопоставимых условиях были примерно в 2,5 - 3 раза ниже, чем для тарельчатых контактных устройств.

Таким образом, по предварительной оценке с использованием данных лабораторных испытаний,

замена колпачковых тарелок в колонне 4 на рулонно-винтовую насадку позволит исключить из каскада колонны 5 и 6-1 с получением отвала вверху колонны 4 с концентрацией дейтерия не более 0,1 ат.%. После проведения испытаний на реальных тяжеловодных растворах лучшие образцы РЛВН будут рекомендованы для модернизации существующего каскада депротизации

тяжеловодного теплоносителя и создания установки для получения кондиционной тяжелой воды на ФГУП «ПО «Маяк».

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 14.580.21.0001 от 01.12.2014 г. «Разработка и создание эффективных аппаратов-разделителей для получения кондиционной (с концентрацией 99,8%) тяжелой воды на ФГУП «ПО «Маяк» (идентификатор проекта

RFMEF158014X0001).

Магомедбеков Эльдар Парпачевич, к.х.н., доцент,, заведующий кафедрой химии высоких энергий и радиоэкологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Белкин Дмитрий Юрьевич, главный инженер ФГУП «Производственное объединение «Маяк», Россия, Озерск.

Растунова Ирина Леонидовна, к.т.н., доцент, доцент кафедры технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

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

Литература

1. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Розенкевич М.Б., Райтман А.А., Сахаровский Ю.А., Хорошилов А.В. Разделение изотопов биогенных элементов в двухфазных системах. М.: ИздАТ, 2003. 376 с.

2. Новоселов В.Н., Носач Ю.Ф., Ентяков Б.Н. Атомное сердце России. Челябинск: Автограф. 2014. 528 с.

3. Магомедбеков Э.П., Баранов С.В., Белкин Д.Ю., Розенкевич М.Б., Растунова И.Л. Тяжелая вода -свойства, получение, и применение в ядерной отрасли // Сб. докл. V Междунар. конф. «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами» IHISM'14. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2015. С. 57 -76.

4. Регулярная ленточно-винтовая насадка: Пат. № 139117 Рос. Федерация. № 2012149534/05; заявл. 21.11.2012; опубл. 10.04.2014. Бюл. № 10.

Magomedbekov Eldar Parpachevich 1, Belkin Dmitry Yur'evich 2, Rastunova Irina Leonidovna*1, Selivanenko Igor Lvovich

1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

2 Production Association "Mayak", Ozersk, Russia. * e-mail: kolts@muctr.ru

HEAVY WATER COOLANT DEPROIATION AT THE PA "MAYAK" BY THE WATER VACUUM DISTILLATION METHOD

Abstract

The results of the research and prospects of using the regular and unregular contact devices to improve the efficiency of the heavy water deprotiation process at PA "Mayak" are presented.

Key words: water rectification; regular roll belt-screw packing; deprotiation.

УДК 66.012.37

И. Л. Селиваненко, Г. Н. Разумовский*, С. С. Тюрин

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9 * e-mail: rgn91@yandex.ru

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФРЕОНОВОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В ПРОЦЕССЕ РЕКТИФИКАЦИИ ВОДЫ ПОД ВАКУУМОМ

Представлены результаты использования фреонового теплового насоса в установке ректификации воды под вакуумом. Полученные результаты показали, что использование теплового насоса в рабочем режиме 1 позволяет уменьшить общее потребление электроэнергии в 2,88 раза, а в рабочем режиме 2 в 3,13 раза, соответственно.

Ключевые слова: ректификация воды, насадочная колонна, тепловой насос, рекуперативная схема, коэффициент преобразования

Ректификация воды является основным и наиболее простым способом для получения воды, обедненной по тяжелым изотопам водорода и кислорода, тяжелокислородной воды Н2180, а также является основным способом очистки воды от трития на предприятиях ядерно-топливного цикла. Достоинствами данного метода являются доступность сырьевых ресурсов, простота оборудования, отсутствие коррозионных проблем, отсутствие токсичности, горючести и взрывоопасности. Основные недостатки метода заключаются в высокой энергоемкости процесса и низком коэффициенте разделения, что требует переработки больших потоков воды и значительно влияет на стоимость продуктов [1].

В целях оптимизации процесса, ректификацию воды проводят при давлении ниже атмосферного, что позволяет понизить температуру процесса и увеличить коэффициент разделения. При этом энергетические затраты на осуществление процесса не уменьшаются, а даже немного увеличиваются, поскольку удельная теплота испарения воды незначительно зависит от изменения давления. Оптимальное давление ректификации воды для колонн с нерегулярной насадкой составляет 0,240,25 атм [2]. Например, при давлении 0,25 атм, удельная теплота испарения воды составляет 2346,1 кДж/кг [3, стр. 7]. Это означает, что для создания потока водяного пара по колонне 100 кг/ч, в куб колонны, без учета тепловых потерь, теоретически требуется подвести тепловой поток 66 кВт. Соответственно, в конденсаторе колонны требуется отвести такое же количество тепла, выделяющегося при конденсации пара. Обычно это делается при помощи оборотной воды, охлаждаемой в чиллерной установке, или в градирне. В обоих случаях тепло конденсации пара сбрасывается в атмосферу. Затраты электроэнергии в чиллерной установке обычно составляют 30 % от отводимых тепловых потоков. Таким образом, суммарные затраты электроэнергии на испарение-конденсацию при потоке воды в ректификационной колонне 100 кг/час составляют 86 кВт*час. С учетом тепловых потерь 5-10 %, эта цифра соответственно увеличивается.

На сегодняшний день в целях снижения расхода электроэнергии при ректификации воды актуальной задачей является разработка и применение схем рекуперации тепла с использованием теплового насоса. Теоретическое описание таких схем можно встретить в литературе, но на практике их принцип реализован только в выпарных установках [2].

Нами была разработана установка ректификации воды под вакуумом с использованием теплового насоса на основе распространенного в настоящий момент фреона Я134а. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Принцип действия установки следующий. Ректификационная колонна (1) высотой 3 м и диаметром 300 мм заполнена нерегулярной спирально-призматической насадкой 3*3*0,2 мм. Водяной пар, выходящий из колонны, конденсируется в теплообменнике (5) и отдает тепло воде промежуточного контура охлаждения. В теплообменнике-испарителе (12) это тепло расходуется на испарение жидкого фреона, поступающего из дросселя (11). Испаренный фреон, несущий в себе тепло фазового перехода жидкость-пар, сжимается компрессором (8), в результате чего происходит повышение температуры фреона. Предохладитель (9) служит для снятия лишнего тепла для поддержания теплового энергетического баланса между кубом (2) и конденсатором колонны (5). Фреон, охлажденный в предохладителе (9), конденсируется в теплообменнике-конденсаторе (10), отдавая тепло воде промежуточного контура обогрева, циркулирующей по змеевикам куба (2). За счет этого тепла и происходит дальнейшее испарение воды в кубе (2). Сконденсированный фреон из теплообменника-конденсатора (10) затем проходит через дроссель (11), за счет чего фреон расширяется до исходного давления и охлаждается. Для того, чтобы такой тепловой цикл заработал, необходимо, чтобы в конденсаторе колонны (5) появился пар. Поэтому запуск колонны осуществляется при помощи ТЭНов (4) и сторонней охлаждающей воды. После прогрева колонны ТЭНы (4) отключают и колонна переходит в режим работы с замкнутым тепловым циклом.