Принцип наилучшего использования энергии

4.3. Принцип наилучшего использования энергии

При организации ХТС энергетические проблемы имеют ресурсосберегающий, экологический и экономический характер. Проблема энергосбережения связана с все возрастающим количеством населения земного шара и опережающим потреблением энергетических ресурсов (рис.  2.1).  При этом в  основном потребляются углеводородные ресурсы: уголь, нефть, газ, которые являются невозобновляемыми. Степень их использования не превышает 45% - отсюда возникают тепловые выбросы, приводящие к нарушению функционирования природных экосистем, изменению климата и Т.п.

Экономический аспект энергетической проблемы связан с тем,

что в себестоимости химической продукции доля энергии составляет

до 60% от затрат на сырье. Поэтому одной из основных задача энергосберегающих  технологий  является  снижение  затрат  энергии  на единицу  продукта и уменьшение тепловыделение  в  окружающую среду. Эти задачи должны решаться за счет внутренних энергетических ресурсов, которыми обладают многие хтс.

Следует  отметить,  что  химическая  технология  обладает  следующими источниками энергии:

- многие химические процессы протекают с выделением большого количества тепла,  которое отводится для поддержания оптимальных температур в реакторе, для регулирования качества продукта или для безопасных условий ведения процесса;

- эндотермические процессы про водятся при высоких температурах,  которые затем  могут являться дополнительным источником тепла;

- в производствах органического синтеза в качестве отходов образуются вещества, способные служить топливом при определенных условиях.

Рекомендуемые материалы

Однако использование энергоресурсов в химических производствах связано с трудностями, основными из которых являются:

- рассредоточенность источников энергии в пространстве, особенно для малотоннажных производств;

- рассредоточенность источников энергии во времени (при периодических проuессах);

- малое количество энергоресурсов на единицу оборудования и в единицу времени;

- значительные потери тепла в окружающую среду;

- трудности использования тепла экзотермических низкотемпературных процессов.

Основным направлением в  повышении энергетической эффективности химических производств является снижение их энергоемкости. Этому способствует:

- перевод производства на непрерывную технологию;

- использование топливного потенциала горючих отходов;

- создание агрегатов большой единичной мощности, позволяющих концентрировать энергию;

- рациональная организация энерготехнологических агрегатов.

В результате анализа эффективности разрабатываемой ХТС путем термодинамического анализа и расчета теплового баланса становятся ясными потенциальные энергетические возможности системы и следующим этапом,  в  соответствии  с  этим,  является рациональное инженерное оформление данного химико-энергетического элемента или системы в целом. Задача этого этапа - снизить затраты энергии на единицу выпускаемого целевого продукта и сократить потери теп­

ла в окружающую среду.

 В зависимости от типа реализуемого процесса для этой цели используют ряд приемов:

1).  Регенерация теплоты - использование тепла отходящих продуктов реакции для нагрева входящих потоков. Для этой цели применяют три основных способа:

- непосредственный теплообмен;

- теплопередача через теплообменную поверхность;

- перенос тепла при помощи тепловых агентов.

Непосредственный теплообмен используется в тех случаях, когда теплообменивающиеся вещества находятся в  разных фазах.  По этому  принципу  работает  большинство  непрерывно  действующих печей: твердый материал, загружаемый в печь, подогревается отходящими газами,  а входящие газы нагреваются теплотой материала, сгоревшего или обожженного в печи. Теплопередача соприкосновением осуществляется также при упарке раствора в аппарате погружного горения (рис. 2.2): горючие газы сгорают в камере сгорания под слоем раствора, который подвергается концентрированию.

 Теплопередачу соприкосновением нельзя использовать, если теплопередающие потоки находятся в одинаковых хорошо смешивающихся фазах или если между их составляющими возможно химическое взаимодействие.  В этих случаях теплопередачу осушествляют через теплообменную поверхность. Это наиболее распространенный случай в  химической промышленности и  поэтому  его  применение отличается большим разнообразием инженерных приемов.

теплопередача  через  стенку  невозможна  при  очень  высоких температурах процесса и сильном коррозионном воздействии теплообменивающихся потоков на оборудование, так  как трудно подобрать материалы. Кроме того, теплопередача через стенку экономически невыгодна, если необходимо устанавливать большие и,  следовательно, дорогостоящие теплообменные поверхности. В этих случаях возможно использование твердых тепловых агентов. Их применение может быть осуществлено в  аппарата,"'(  периодического или непрерывного действия. Наиболее прогрессивными являются аппараты непрерывного действия.

В качестве теплоносителя используют твердый материал небольшого

зернения, движущийся в  системе и периодически нагреваемый или

отдающий  приобретенную  теплоту.  Материал  представляет  собой

гранулы диаметром 8-15  мм, которые нагреваются в верхней камере

непосредственным соприкосновением с горячим газом, свободно па­

дают в нижнюю камеру, передавая здесь тепло газам, которые необходимо  нагреть,  и,  охлажденные,  снова  подаются  подъемником в верхнюю камеру.

Если гранулы сделать из материала, способного быть катализатором, то появляется возможность проведения в нижней камере эндотермических химических реакций. Подобным образом оформлены процессы каталитического крекинга нефтепродуктов, пиролиза этана ит. п.

2). Выбор относительного движения тепловых потоков.

Количество отдаваемого тепла от нагретого вещества к

нагреваемому определяется направлением относительного движения

тепловых потоков. Тепловые потоки, как и в случае массообмена, могут двигаться или в одном направлении (прямоток), или противоположном (противоток). Эти виды движения применяют при любых способах теплообмена.

При прямотоке  можно,  в  конечном  счете,  достигнуть  такой

температуры, которая получается при их смешении.

.

При противотоке из-за высокой интенсивности процесса появляется возможность превысить среднюю температуру. Однако применение противотока не всегда возможно, так как большая интенсивность процесса может повлиять на качество продукта, например, способствуя его разложению или спеканию. Иногда трудно организовать противоток из-за конструктивных особенностей аппарата. Тогда ис­пользуют  смешанный  ток.  Эффект,  получаемый  при  этом,  будет

средним, который достигается при использовании прямотока и противотока.

3).  Рациональное  проведение  процесса  при высоких температурах.

Многие процессы химической технологии про водятся при высоких температурах. Это весьма энергоемкие процессы, поэтому их энергетическому оформлению следует уделять наибольшее внимание.  При их реализации  часто  применяется ряд приёмов.

а)  Снижение тепловых потерь.  Для этой  цели используют внешнюю изоляцию или подачу исходных веществ через пространство, прилегающее к стенкам аппарата.

б) Подогрев газов, поступающих в контактный аппарат, теплом продуктов реакции.

в)  Использование  тепла  для  получения  пара  в  котле­утилизаторе.  Этот прием широко используется  при  организации энерготехнологических систем. Например, в схеме оформления контактного узла окисления аммиака. Процесс окисления аммиака проводится на катализаторе (платиновых сетках) при температуре 900 Q C.

Тепло реакционной смеси используется для получения пара в котле-утилизаторе, что позволяет одновременно про извести «закалку» системы и предотвратить разложение оксида азота. В производстве серной кислоты при обжиге серосодержащего

сырья и переработке сернистого ангидрида в серную кислоту выделяется

от 138·10⁴ до 192·10⁴  ккал тепла на 1 т H 2 S04 (в зависимости

от вида исходного сырья).  Около 60%  общего количества тепла выделяется при обжиге серосодержащего сырья. Температура газов на выходе из печей обжига 800-1000 0 с. Это тепло используется для получения пара в котлах-утилизаторах. В дальнейшем пар применяется качестве  теплоносителя  или  его  энергию  используют  в  турбинах (турбокомпрессоры, электрогенераторы).

г) Рациональное оформление технологического процесса предполагает использование тепла отходящих газов для различных этапов данного процесса. Наиболее наглядно это можно показать на оформлении эндотермического процесса конверсии метана водяным паром .Процесс проводят на никелевом катализаторе при температуре

800-900 0 с в трубчатой печи. Учитывая, что процесс протекает с поглощением тепла и катализатор обладает низкой теплопроводностью, для его осуществления катали­

затор помещают в длинные узкие трубки, расположенные между газовыми горелками в топочной печи. Выходящие из камеры горячие газы поступают в конвективную камеру печи, где помещен блок теплоиспользующего оборудования. Блок включает в себя подогреватели парогазовой смеси, воздуха, топливного газа, пароперегреватель

д).  Регулирование нагрузки реактора. Если в  системе, состоящей из теплообменника и реактора, полное количество тепла, необходимое для нагревания газов до заданной температуры перед входом в  реактор, поставляются газом, по кидающим реакционное пространство, то такая система будет работать автотермично. Это наиболее выгодный режим работы. Его осуществляют в

процессах синтеза аммиака, метанола, конверсии СО и т. п. Интенсивность  потока газа на входе или нагрузка реактора позволяет регулировать температурный режим процесса.

Следует учитывать, что ограничение нагрузки может вызываться необходимостью отрогого соблюдения продолжительности контактирования реагентов с катализатором.

4).  Использование образующихся в системе разности потенциалов. Если процесс протекает с изменением агрегатного  состояния,  необходимо  использовать  теплоту фазового превращения.  Так,  в  процессе  ректификации теплота  конденсации

(при постоянной температуре) менее летучего компонента расходуется на испарение более летучего. Теплота, выделяющаяся в экзотермическом процессе, может использоваться для проведения эндотермической реакции, что имеет место, например, в шахтном конверторе паровоздушной конверсии метана, где протекают реакции:

СН4 + Н2 О ~ СО + 3Н2  - 206,4 кДж,

СН4 + 0,502 = СО + 2Н2  + 34,7 кДж.

Аналогичный прием используется в производстве Формальдегида

СНзОН + 0,502 = НСОН + Н2 О + 156,3 кДж,

СНзОН ~ НСОН + Н2  - 85,3 кДж.

Типичным примером  использования  возникающих  в  системе

разности потенциалов является использование в технологии азотной

кислоты энергии хвостовых газов  после очистки от  оксидов азота

(температура 700 0 С) для привода турбины компрессора, подающего в

систему воздух. Этот прием используется практически во всех многотоннажных энерготехнологических системах, что позволяет повысить экономичность их функционирования.

5).  Разработка энерготехнологических схем (химико­энергетических системХтС). Энерготехнологическая система сочетает производство химической продукции с одновременным получением энергии. При этом уменьшается количество не утилизированного низко потенциального тепла и улучшаются 'экономические показатели процесса.

Структура ХЭС включает реакционное оборудование, осуществляющее целевое химическое превращение, систему выделения товарного продукта, а также жестко связанные с ними узлы преобразования энергии: генераторы водяного пара, высокотемпературные печи, рекуператоры тепла, турбогенераторы и турбокомпрессоры и т. п.

Энергия,  производимая  одновременно с  товарным продуктом, может быть использована как на данном производстве, так и передана стороннему потребителю.

К энерготехнологическим системам следует отнести производство аммиака, азотной кислоты, метанола, серной кислоты и др. Наибольших успехов энерготехнология достигла в азотной промышленности и основном органическом синтезе. Этому способствовала разработка непрерывных процессов на основе агрегатов большой единичной мощности, позволяющих концентрировать энергию.

Реализация систем, включающих агрегаты большой единичной мощности, позволяет:

-снизить  удельные  капитальные  затраты  и уменьшить себестоимость продукции (на 15-20% при удвоении мощности);

- повысить производительность труда;

- уменьшить материалоемкость и сократить производственные площади.

Кроме того,  становится рентабельным использование сложной системы автоматизации и регулирования параметров процесса. Следует, однако, отметить, что данные системы имеют и существенные недостатки:

Рекомендация для Вас - 2 Сущность современных представлений о физике процесса разрушения.

- наличие  жестких  связей  между отдельными  элементами  и

подсистемами;

- возрастает цена времени (вынужденные и незапланированные остановки приводят к большим затратам);

- залповые  выбросы при  продувке  систем  оказывают значительное отрицательное воздействие на окружающую среду;

- требуется высокая степень надежности агрегата;

- конструкционные и технические сложности монтажа агрегата.