Введение к работе
Актуальность работы. За последние десятилетия во многих отраслях промышленности выросли производительность и, соответственно, энергопотребление технологических установок, что привело к появлению ряда проблем, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов, в наибольшей степени определяющих эффективность производства. Наиболее неэкономичными по потреблению энергии из основных процессов химической, нефтехимической, газоперерабатывающей, пищевой промышленности являются процессы перегонки и ректификации, на реализацию которых затрачивается в перечисленных отраслях до 56% энергии.
На решение проблемы эффективного использования теплоты в установках по разделению бинарных и многокомпонентных жидкостей направлены работы Александрова И.А., Тимошенко А.В. Демиденко Н.Д., Багатурова С.А., Кафарова В.В., Комиссарова Ю.А., Цирлина A.M., Richardson J. и др. авторов. Несмотря на то, что она решалась достаточно давно, до настоящего времени практически отсутствуют экспериментальные данные об основных закономерностях этого процесса. Недостаточно проработаны научно-технические вопросы, связанные с влиянием концентрации, состава исходного вещества, величины подводимой к установке теплоты на энергоэффективность процесса разделения. Отсутствуют математические модели, являющиеся результатом масштабных экспериментальных исследований, описывающие изменения температуры паровой фазы во времени на различных стадиях технологического процесса перегонки. Теоретические основы этих процессов также пока не разработаны на уровне, обеспечивающем возможность прогностического моделирования характеристик энергоэффективности процессов разделения.
По этим причинам экспериментальные исследования процессов разделения бинарных веществ, направленные на установление основных закономерностей изменения температуры паровой фазы в течение технологического цикла и обоснование возможности уменьшения тепловых затрат в перегонных аппаратах, являются актуальными.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности Национального исследовательского Томского политехнического университета ("Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов"), также по государственному контракту от 19.08.2010 г., №14.740.11.0101.
Цель диссертационной работы - по результатам экспериментальных исследований обосновать возможность снижения энергозатрат на реализацию процессов перегонки и ректификации путем вариативного регулирования тепловых потоков в области фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам в перегонных аппаратах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка способа и методики экспериментальных исследований по изучению изменения температуры паровой фазы и энергоэффективности про-
цесса простой перегонки водных бинарных растворов в установке, моделирующей условия работы дистилляционного аппарата.
Проведение экспериментальных исследований на установке, моделирующей технологический процесс разделения водных бинарных растворов.
Построение по результатам выполненных экспериментальных исследований математической модели, описывающей изменение температуры паровой фазы во времени на всех стадиях процесса перегонки.
Выделение нестационарных режимов и характерных температурных диапазонов паровой фазы для оценки энергоэффективности перегонки.
Уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием полученных в экспериментальных исследованиях результатов.
Объектами исследования являются бинарные смеси: этиловый спирт -вода, ацетон - вода.
Предметом исследования являются технико-экономические характеристики процесса простой перегонки.
Научная новизна работы.
Установлены температурные интервалы, которые характеризуют определенные стадии процесса простой перегонки бинарных жидкостей: разогрев перегоняемого вещества (I); интенсивное увеличение температуры до кипения низ-кокипящего компонента (II); полное испарение низкокипящего компонента (III); испарение высококипящего компонента (IV); охлаждение паров (V). Впервые определено условие и предложена зависимость для границ перехода процесса перегонки из одного интервала в другой.
Впервые найдены зависимости общей длительности перегонки, производительности и удельных затрат теплоты от физических свойств и концентрации исходной смеси, величины подведенной теплоты в различные нестационарные периоды технологического процесса перегонки.
Впервые количественно установлено, что удельные затраты теплоты увеличиваются в процессе простой перегонки по мере получения готового продукта. При достижении выхода готового продукта равного 33% от объема исходного раствора на каждые 1,5% полученного дистиллята удельные затраты повышаются на 1 - 3%. В диапазоне от 33,3% до 66,6% от объема исходной смеси на каждые 1,5% готового продукта удельные затраты возрастают на 3 - 6%.
Впервые получены аналитические выражения для температуры паровой фазы в нестационарных режимах протекания процесса простой перегонки, учитывающие длительность процесса, массогабаритные размеры установки, тепло-физические свойства разделяемой смеси.
Практическая значимость работы.
По результатам выполненных экспериментальных исследований обоснована возможность снижения энергозатрат на перегонку путем вариативного регулирования тепловых потоков в область фазовых переходов и разделения процесса на стадии по характерным температурам. Предложено уточнение метода инженерного теплового расчета испарителя дистилляционного аппарата с использованием экспериментальных результатов и установленных закономерно-
стей изменения температуры паровой фазы в различных нестационарных режимах технологического процесса разделения бинарных водных растворов.
Результаты исследований, а также проведенный на их основе анализ по оценке энергоэффективности процесса разделения смесей используются в проектных расчетах, разработках режимов работы ректификационных аппаратов на ООО «Томскнефтехим» г.Томск и ЗАО «НС-Ойл» г.Ульяновск, а также в учебном процессе по дисциплинам «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий», «Теплофизический эксперимент», «Экстремальные условия теплообмена» для студентов НИ ТПУ направления «Теплоэнергетика».
Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных ошибок, проведенных экспериментов, системой повторяемости опытов при фиксированных значениях основных факторов, использованием малоинерционных средств измерений времени, температуры, а также специальными тестовыми экспериментами.
Личный вклад автора состоит в постановке и планировании экспериментальных исследований; модернизации экспериментальной установки, моделирующей процесс разделения смесей на перегонном аппарате; проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на XIV, XV, XVI, XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2008 -2011 гг.), Международной конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010 г.), Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010 г.), конкурсе научно-исследовательских работ в области энергосбережения в промышленности «ЭВРИКА-2010» (Новочеркасск, 2010 г.), Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2010 г.), Шестнадцатой всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Энергетика: эффективность, надежность, безопасность" (Томск 2010).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, из которых: 3 статьи в периодическом издании по списку ВАК; 11 статей в сборниках всероссийских и международных конференциях, 1 учебное пособие, рекомендованное Сибирским региональным учебно-методическим центром ВПО.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований, содержит 142 страницы, 59 рисунков, 6 таблиц, 10 приложений.
