Диссертация (1091053), страница 17
Текст из файла (страница 17)
рис. 3.18).136250а3NД / F, кДж/кг200150210015000,06б30,04ВН / F210,02000,10,20,30,40,50,60,70,80,91xFРис. 3.21. Зависимость мощности компрессора теплового насоса (а) и удельногорасхода условного топлива при использовании теплового насоса закрытого типа (б) отконцентрации xF легколетучего компонента в исходной смеси (вариант 3.2, система вода–пропионовая кислота, tИ = 139 оС, tФВ = -29.4 оС): 1 – tФА = -29.4 оС; 2 – tФА = -25 оС; 3 – tФА = 20 оС).1370,6а1nТ20,530,40,6бnТ120,430,200,10,20,30,40,50,60,70,80,91xFРис. 3.22.
Зависимость относительного расхода условного топлива от концентрациилегколетучего компонента в исходной смеси для вариантов с разделением систем вода–пропионовая кислота (а) (параметры разделения см. рис. 3.21) и бензол–толуол (б)(вариант 3.2, tИ = 106 оС, tФВ = -100.6 оС): 1 – tФА = -100.6 оС; 2 – tФА = -90 оС; 3 – tФА = -85 оС).138Глава 4РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ ПУТЕМ СОЧЕТАНИЯ ПРОЦЕССОВДИСТИЛЯЦИИ И ФРАКЦИОННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ОТКРЫТОГО ТИПАКак указывалось в главе 1, в тепловых насосах открытого типа вместовторичного теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре тепловогонасоса, в качестве источников тепла используются нагретые отводимые илирециркулирующие технологические потоки, находящиеся в парообразномсостоянии.4.1.
Схемы разделения и их описаниеВключение теплового насоса открытого типа в технологическую схемуразделения принципиально возможно для всех вариантов разделения,описанных в главах 2 и 3. Ниже нами из-за ограниченного объемадиссертации будут рассмотрены лишь некоторые из них.На рис. 4.1 показана одна из схем сопряженного процесса разделения,состоящего из одной стадии дистилляции и одной стадии фракционнойкристаллизации с применением теплового насоса открытого типа. Этотвариант разделения аналогичен варианту разделения с тепловым насосомзакрытого типа, показанному на рис.
2.1. При использовании данноговарианта разделения исходная смесь F первоначально подается на стадиюкристаллизации КрВ, где охлаждается до температуры tФВ. В результатеобразуется кристаллическая суспензия КВ+МВ, которая далее на стадиисепарации С разделяется на кристаллическую фазу КВ и маточник МВ.Кристаллы КВ отбираются в качестве одного из целевых продуктов.МаточникМВ пропускается через теплообменник Т1, где он нагреваетсяпотоком конденсата дистиллята П до температуры tФВ до температуры tМ1.Далее маточник МВ поступает в теплообменник Т2, где нагреваетсяпотоком кубового остатка W от температуры tМ1 до температуры tМ2. Нагретый139Рис. 4.1 Принципиальная схема разделения путем сочетания однократныхпроцессов дистилляции и кристаллизации с использованием теплового насоса открытоготипа (аналог варианта 2.1).поток маточника МВ направляется в испаритель И, в котором притемпературе tИ происходит его частичное испарение с образованиемпарожидкостной смеси П+W.
После ее разделения на стадии сепарации С,получаются кубовый остаток W и пары дистиллята П. Поток кубовогоостатка W пропускается через теплообменник Т2 и направляется на стадиюкристаллизацииКрВ.ПарыдистиллятаПсжимаютсякомпрессоромтеплового насоса от давления p1 до давления p2 и подаются в качестве140греющего агента на стадию дистилляции. В испарителе И сжатые парыдистиллята П конденсируются, нагревая при этом испаряющийся маточникМВ, после чего конденсат дистиллята П дросселируется от давления p2 додавления p1.
После этого конденсат П поступает в теплообменник Т1 длянагрева маточника МВ. Охлажденный конденсат П отбирается в качествевторого целевого продукта.На рис. 4.2 изображена схема разделения с подачей исходной смеси Fна стадию дистилляции. Она аналогична варианту, показанному на рис. 2.4.В этом случае конденсат дистиллята П после дросселирования пропускаетсячерез теплообменник Т1 и направляется на стадию кристаллизации КрА. Наданной стадии конденсат П охлаждается до температуры tФА, в результатечегообразуетсякристаллическаясуспензияКА+МАразделяемаянакристаллическую фазу КА и маточник МА. Маточник МА направляется черезтеплообменник Т1 на стадию испарения. Кристаллы КА отбираются в качествепервого целевого продукта.
Другой целевой продукт получается в видекубового остатка W со стадии испарения, при этом поток W используется длянагрева исходной смеси F в теплообменнике Т2.В варианте разделения, изображенном на рис. 4.3, используются двестадии кристаллизации. При этом исходная смесь F подается на стадиикристаллизации КрА. Данный вариант аналогичен варианту с закрытымтепловым насосом, изображенному на рис. 3.2. Различие заключается в том,что после стадии дистилляции пары дистиллята П сжимаются компрессоромтеплового насоса ТК от давления p1 до давления p2, после чего подаются дляобогрева процесса испарения. При необходимости сжатые пары П до подачив испаритель И нагреваются в дополнительном теплообменнике ТД.Перегретые пары П конденсируются в испарителе И, испаряя тем самымпоток объединенного маточника МΣ, после чего дросселируются и проходятчерезтеплообменникТ2,нагреваяобъединенныйматочникМΣоттемпературы tМ1 до температуры tМ2.
Далее, также как и в варианте 3.2,конденсат дистиллятаПподается141настадиюкристаллизацииКрА.Рис. 4.2. Принципиальная схема разделения путем сочетания однократныхпроцессов дистилляции и кристаллизации с использованием теплового насоса открытоготипа (аналог варианта 2.4).142Рис. 4.3. Принципиальная схема разделения путем сочетания однократныхпроцессов дистилляции и двух стадий кристаллизации с использованием теплового насосаоткрытого типа (аналог варианта 3.2).1434.2.
Расчетные зависимости для рассматриваемых вариантов разделенияДлярасчетаматериальныхитепловыхпотоковвариантовсиспользованием теплового насоса открытого типа можно использовать такжезависимости, что и описанные выше для разделения смесей с применениемтеплового насоса закрытого типа. Расчет же параметров работы открытыхтепловых насосов будет при этом несколько отличаться от расчета тепловыхнасосов закрытого типа.Вариант 4.1Расчет материальных и тепловых потоков для данного вариантабазируется на основе расчета варианта 2.1.
При этом выход продуктовразделения КВ и П можно определить, используя зависимости (2.3) и (2.4).Рециркулирующие потоки маточника МВ и кубового остатка W можноустановить, используя зависимости (2.7) и (2.8). Количество тепла QКВ,отводимого на стадии кристаллизации КрВ, можно определить из уравнения(2.13). Расход тепла QИ на стадии дистилляции можно установить, используяуравнение (2.14). Температуру маточника МВ после теплообменников Т1 и Т2можно определить, используя уравнения (2.17) и (2.19).Если на стадии сепарации не происходит охлаждения потока W за счеттепловых потерь, то также как и при использовании теплового насосазакрытого типа, можно принять tW = tИ. Если в испарителе И не происходитпереохлаждения дистиллята П, то его температуру можно принять tП1 = tИ.Количество тепла QК, получаемое при конденсации сжатых паровдистиллята П можно определить из уравненияQК = П(hПП – iК),(4.1)где hПП – энтальпия перегретых паров дистиллята П; iК = cПtП – энтальпиясконденсированных паров дистиллята П.Мощность компрессора теплового насоса открытого типа определяетсяпо формуле144Д =(ℎПП −ℎП )АД М,(4.2)где hП – энтальпия паров дистиллята П до сжатия.Вопрос об определении величины энтальпии hПП будет рассмотрендалее в разделе 4.3.Значение ΔQ можно определить, используя зависимостьΔQ = QИ – QК2,(4.3)где QК2 – количество тепла, получаемое при конденсации паров дистиллята П,сжатых до выбранного давления p2.Определить расход условного топлива на проведение процессадистилляции без использования теплового насоса можно по формуле (2.25).При этом расход условного топлива для варианта проведения процессаразделения с тепловым насосом открытого типа можно определить иззависимостиBТ = bЭNД + bТΔQ.Дляопределенияэнергетическойэффективности(4.4)применениятеплового насоса открытого типа при проведении рассматриваемыхсопряженных процессов разделения, также как и для рассмотренных ранеевариантов разделения с тепловым насосом закрытого типа, используетсязависимость (2.27).Вариант 4.2Расчет материальных и тепловых потоков для данного вариантабазируется на основе расчета варианта 2.4.
Для расчета выхода продуктовразделения КА и W можно использовать зависимости (2.37) и (2.38).Рециркулирующие оттоки маточника МА и дистиллята П можно определить,используя уравнения (2.52) и (2.54). Количество тепла QКА, отводимое состадии кристаллизации КрА, можно определить через зависимость (2.53).Количество тепла QИ, которое необходимо подвести для проведения процессадистилляции, можно определить, используя уравнение (2.56). Температурыисходной смеси tF1 и маточника tМ1, поступающих на стадию дистилляции,можно определить, используя зависимости (2.17) и (2.34).145Вариант 4.3Расчет материальных и тепловых потоков для данного вариантасоответственно базируется на основе расчета варианта 3.2.
Для расчетавыхода продуктов разделения КА и КВ можно использовать уравнения (3.3) и(3.4). Потоки маточников на стадиях кристаллизации КрА и КрВ, а такжепотоки дистиллята П и кубового остатка W в данном случае можноопределить (2.29), (2.41), (3.16) и (3.17). Для расчета количества тепла,отводимого на стадиях кристаллизации КрА и КрВ, можно использоватьзависимости (2.32) и (2.47). Количество тепла QИ, подводимое на стадиюдистилляции, можно найти, используя уравнение (3.18). Температуры tМ1, tМ2 иtМ3 объединенного маточника МΣ после объединения, а также послетеплообменников Т1 и Т2, можно определить, используя уравнения (3.14),(3.15) и (3.19).4.3.
Определение значений энтальпии перегретых паров и конденсатовразделяемых смесейКак было замечено выше, для определения количества тепла QК,которое будет выделяться при конденсации сжатых паров теплоносителя,мощности компрессора и других параметров работы теплового насоса,необходимознатьзначенияэнтальпииперегретогопараданноготеплоносителя при различных давлениях.В случае использования водяного пара в качестве теплоносителя втепловых насосах открытого или закрытого типа не возникает трудности сопределениемэнтальпийвовсехточкахрабочегоцикла.Ониустанавливаются из диаграммы или таблицы для водяного пара [208].
Переднами же стояла задача нахождения энтальпий паров и конденсатовразделяемой бинарной смеси.Из зависимостей (4.1) и (4.2) видно, что для расчета параметров работытеплового насоса открытого типа необходимо знать три значения энтальпийиспользуемыхтеплоносителей:hП–146энтальпиянасыщенныхпаровтеплоносителя при давлении p1; hПП – энтальпия перегретых паровтеплоносителя, сжатых до давления p2; iК2 – энтальпия конденсататеплоносителя при давлении p2.Как видно на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
