Автореферат (1091052), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В частности,зависимости для расчета выхода кристаллического продукта КВ, маточника МВ,дистиллята П и кубового остатка W для варианта, приведенного на рис. 1, имеютвид:В = F −ПП −КВ(1) В =;В (W −КВ )−(W −F ); (2)МВ −WП = F – КВ;(3)W = МВ – П.(4)Количество тепла QИ, подводимое на стадию дистилляции И, и количествотепла QКВ, отводимое со стадии кристаллизации КрВ, можно установить изтепловых балансов данных стадий:QИ = ПhП + WсWtИ – МВcМВtМ2;(5)QКВ = FсFtF + WсWtW1 + КВ(rКВ – cКВtФВ) – МВcМВtФВ.(6)Расход вторичного теплоносителя GП и мощность компрессора тепловогонасоса NД можно определить, используя зависимости:П =И2 −1;(7)Д =П (2 −1 )АД М;(8)где i2 и i3 – энтальпии промежуточного теплоносителя на входе и на выходе изиспарителя И; i1 – энтальпия насыщенных паров теплоносителя при давлении p1;ηАД и ηМ – адиабатический и механический КПД компрессора.Количество тепла QД, которое необходимо подвести в компенсирующийтеплообменник ТК, составляетQД = QП – QК = GП(i1 – i4) – ПrП,(9)где QК – количество тепла, выделяющееся при конденсации паров П вконденсаторе теплового насоса; QП – расход тепла, необходимого на полноеиспарение промежуточного теплоносителя после его дросселирования; i4 –энтальпия парожидкостной смеси, полученной после дросселированияпромежуточного теплоносителя.Аналогичные же зависимости для расчета материальных и тепловыхпотоков были получены и для других рассматриваемых вариантов.Для оценки эффективности применения теплового насоса рассматриваемыхсопряженных процессов нами использовался относительный расход условноготоплива8Т =Но,(10)где BО – расход условного топлива без использования теплового насоса; BН –расход топлива с применением теплового насоса.Величины BО и BН можно определить на основе зависимостей:О = И Т ;(11)Н = д Т + д э ;(12)где bЭ и bТ – затраты условного топлива на производство одного киловаттаэлектрической и тепловой энергии.Анализ рассматриваемых вариантов сопряженных процессов проводилиприменительно к разделению бинарных смесей: бензол–нафталин и вода–масляная кислота [1,6 анализ процессов разделения выполнен вместе с Г.А.Носовым, Д.А.
Поповым, В.И. Бельской]. В качестве вторичного теплоносителяиспользовали воду и некоторые фреоны.Проведенные расчеты для варианта, приведенного на рис. 1, показали, чтопри постоянной концентрации исходной смеси xF и постоянной температуренагрева смеси на стадии дистилляции tИ изменение температуры охлаждениясмеси tФВ на стадии кристаллизации КрВ практически не влияет на выходпродуктов разделения КВ (рис. 2,а) и П.
В то же время изменение даннойтемпературы оказывает довольно сильное влияние на рециркулирующие потокиматочника МВ и кубового остатка W (рис. 2,б). Увеличение потока маточника МВ,поступающего на стадию дистилляции, в свою очередь, приводит ксоответствующему повышению расхода тепла QИ (рис. 2,в), затрачиваемого наиспарение маточника на стадии дистилляции. Характерно, что зависимостиколичества тепла QКВ, отводимого на стадии кристаллизации, от температуры tФВимеют экстремальный вид (рис. 2,г).Повышение количества тепла QИ, затрачиваемого на нагрев и испарениематочника на стадии дистилляции И, приводит к соответствующему увеличениюрасхода промежуточного теплоносителя GП (рис.
3,а) и мощности компрессоратеплового насоса NД (рис. 3,б). При этом снижается удельный расход условноготоплива BН / F (рис. 3,в) и увеличивается относительный расход условноготоплива nТ (рис. 3,г) [1, 6, результаты опубликованы в соавторстве с Г.А.Носовым, Д.А. Поповым и В.И. Бельской].На рассматриваемый процесс разделения сильное влияние оказывает такжеизменение температуры нагрева смеси на стадии дистилляции tИ и состависходной смеси xF.
Повышение температуры tИ приводит к увеличению выходадистиллята П и, соответственно, к уменьшению выхода кристаллической фазы КВ.Понижение температуры tИ приводит к увеличению потока рециркулирующегокубового остатка W и к соответствующему росту потока маточника МВ, а также кувеличению расхода тепла QИ на стадии дистилляции и количества тепла QКВ,9отводимого на стадии кристаллизации. При этом мощность компрессора NД иотносительный расход условного топлива nТ возрастают, а удельный расходусловного топлива BН / F снижается.При увеличении содержания легколетучего компонента в исходной смеси xFвыход кристаллической фазы КВ закономерно снижается, а потоки дистиллята,маточника МВ и кубового остатка W возрастают.
Это приводит к повышениюрасхода тепла на стадии дистилляции QИ и мощности компрессора NД.В диссертации был также выполнен анализ влияния температуры нагревасмеси на стадии дистилляции и охлаждения на стадиях кристаллизации, а такжеконцентрации xF и для других рассматриваемых вариантов.Проведенные исследования показали, что использование тепловых насосовпри разделении рассматриваемых смесей позволяет существенно снизитьэнергетические затраты. Установлено, что энергетическая эффективностьприменения тепловых насосов особенно возрастает при приближениитемпературы охлаждения исходных смесей на стадиях кристаллизации ктемпературе охлаждения эвтектики tЕ. Эффективность разделения такжевозрастает при приближении температуры нагрева смесей на стадиидистилляции tИ к температуре полного испарения рециркулирующих маточников.При этом температуру tИ следует выбирать так, чтобы при разделенииобеспечивалась заданная концентрация легколетучего компонента в дистиллятеy П.В третьей главе рассматриваются варианты разделения при сочетанииодной стадии дистилляции и двух стадий фракционной кристаллизации сиспользованием теплового насоса закрытого типа.
При использовании этихвариантов целевые продукты получаются на стадиях кристаллизации, чтопозволяет более эффективно осуществлять процесс разделения. При этомдистилляция используется в основном для перехода через эвтектическую точку[7, анализ процессов разделения выполнен вместе с Г.А. Носовым и В.И.Бельской].На рис. 4 показана одна из схем такого разделения. В данном вариантеисходная смесь F подается на стадию дистилляции. При этом она перед подачей виспаритель предварительно нагревается в теплообменнике Т2 потоком кубовогоостатка W. Пары дистиллята П со стадии сепарации С проходят последовательночерез конденсатор теплового насоса К и теплообменник Т1 и подаются вохлажденном виде на стадию кристаллизации КрА, где они охлаждаются дотемпературы tФА. После разделения суспензий КА+МА и КВ+МВ на стадиях СА и СВполучаются целевые продукты в виде кристаллических фаз КА и КВ.
МаточникиМА и МВ в виде объединенного потока МΣ возвращаются на стадию дистилляции.100,5450ав400tФВ = tЛW0,49QИ / F, кДж/кгφКВ = КВ/ F4320,4812tЛW1tЛW23435030025010,47200tЕtЕ10,0300бг8,0250123QКВ / F, кДж/кгφW = W/ FtЛW3 tЛW446,012342004,01502,00,0-10tЕ10tФВ, оС30tЛW150 tЛW2 tЛW3tЛW4 70100-10,000tЕ10,00030,000tФВ, оС50,00070,000Рис. 2. Зависимость относительных потоков кристаллической фазы (а), кубового остатка (б), расхода тепла на стадии дистилляции (в)и количества отводимого тепла на стадии кристаллизации (г) от температуры охлаждения tФВ (система бензол–нафталин, xF = 50% бензола): 1– tИ = 100оС; 2 – tИ = 110оС; 3 – tИ = 120оС; 4 – tИ = 130оС.110,200,014а0,1812341234tЛW1tЛW2 tЛW3 tЛW4120,010,160,008BН / FGП / Fв0,0120,140,0060,120,0040,100,0020,08tЕtЛW10tЛW2 tЛW3 tЛW4tЕ350,7б1234г0,6340,525nТNД / F, кДж/кг300,4200,3150,2100,1-10tЕ 0102030оtФВ, С40506070-10tЕ 01020tФВ30, оС40506070Рис.
3. Зависимость потока вторичного теплоносителя (а), мощности компрессора теплового насоса (б), коэффициентапреобразования энергии (в) и относительного расхода условного топлива (г) от температуры охлаждения tФВ (параметры разделения см. рис.2).12Рис. 4. Разделение путем сочетания дистилляции с двумя стадиями кристаллизации с подачей исходной смеси на стадиюдистилляции.13Для всех вариантов такого разделения были также получены всенеобходимые зависимости для расчета материальных и тепловых потоков. Анализтакого процесса проводили применительно к разделению смесей: нафталин–дифенил, вода–пропионовая кислота и бензол-толуол.Проведенные расчеты показали, что изменение температур охлаждениясмесей на стадиях кристаллизации tФА и tФВ при постоянной концентрацииисходной смеси xF и постоянной температуре нагрева смеси на стадиидистилляции tИ не оказывает влияния на выход кристаллов КА и КВ.
Однакоизменениеэтихтемпературоказываетсущественноевлияниенарециркулирующие потоки дистиллята П, кубового остатка W и объединенногоматочника МΣ. С повышением температур tФА и tФВ потоки П, W и МΣ резковозрастают, что приводит к значительному увеличению тепловых потоков QКА иQКВ, отводимых на стадиях кристаллизации КрА и КрВ, и количества тепла QИ,подводимого на стадии дистилляции (рис. 5,а).
В свою очередь, увеличениерасхода тепла QИ приводит к увеличению расхода промежуточного теплоносителяGП, циркулирующего в замкнутом конуре теплового насоса, и к увеличениюмощности компрессора теплового насоса NД. При этом относительный расходусловного топлива nТ уменьшается (рис. 5,б).Различие в характере изменения зависимости относительного расходаусловного топлива для вариантов, представленных во второй и третьей главе,объясняется различными условиями протекания процесса разделения в данныхвариантах.Анализ процесса разделения с использованием двух стадийфракционной кристаллизации показал, что их энергетическая эффективностьсильно зависит от физико-химических и теплофизических свойств разделяемыхсмесей, а также от выбранных значений температуры охлаждения смеси tФА настадии кристаллизации КрА и температуры нагрева смеси tИ на стадиидистилляции.
Было установлено, что при низких значениях температурыохлаждения tФА энергетическая эффективность будет выше у вариантов с подачейисходной смеси F на стадии кристаллизации КрА или КрВ, а при приближениитемпературы tФА к температуре ликвидуса дистиллята tЛП более энергетическивыгодным оказывается вариант с подачей исходной смеси F на стадиюкристаллизации КрА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
