Влияние нестационарного движения парожидкостных потоков

на эффективность работы массообменных аппаратов

Значительный рост мощностей технологических установок привел к появлению ряда проблем, связанных с оптимальным использованием внешних и внутренних энергетических ресурсов, в наибольшей степени определяющих эффективность производства.

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность занимает первое, а химическая — второе место по потреблению тепла, что составляет соответственно 12,6 и 11,0% от общего потребления тепла в народном хозяйстве России.

Такие высокие показатели потребления тепла обусловлены низким качеством преобразования энергии в химикотехнологических системах, неправильной организацией химикотехнологических процессов, наличием больших потерь энергии и низкой степенью рекуперации тепла.

В результате энергетического кризиса 1973;1980 гг. в США эксплуатационные затраты возросли на 157%, тогда как стоимость оборудования — на 68%. Цены на нефть повысились на 570%, а на мировом рынке — на 1200%.

Все это явилось толчком для многочисленных исследований, направленных на повышение эффективности потребления и преобразования энергии в массообменных аппаратах химических производств с использованием нетрадиционных методов (например, нестационарное движение фаз в ректификационных колоннах и т. д.).

Наиболее неэкономичным по потреблению энергии из типовых процессов химической технологии являются процессы разделения. Большая часть затрат (55,9%) приходится на дистилляцию нефти и разделение продуктов вторичной переработки, включая пиролиз. Свыше 65% энергии, расходуемой на ректификацию, потребляется нефтеперерабатывающей промышленностью, до 29% - химической, свыше 5% - газоперерабатывающей. Эффективность полезного использования тепла в процессах ректификации составляет всего 5−10%.

Приближение работы ректификационной колонны к идеальным условиям заключается в увеличении числа контактных устройств с применением на каждом из них миниконденсатора, так что нисходящий поток орошения непрерывно увеличивается, а тепло снимается при все более высоком потенциале. Однако увеличение числа контактных устройств имеет экономические ограничения.

Помимо конечного рабочего числа ступеней контакта, потери тепла определяются конечной разностью температур и перепадом давления по высоте колонны, что вызывает рост температуры куба и давления паров.

Можно выделить две основные группы способов экономии энергии: не требующие и требующие реконструкции аппаратов.

К первой группе можно отнести следующие известные способы: оптимизация орошения и давления; уменьшение разности температур при испарении сырья и конденсации продуктов; повышение эффективности массообмена и снижение гидравлических сопротивлений; углубление отбора тепла отходящих потоков; улучшение теплоизоляции.

Оптимизация орошения состоит в поддержании расходов флегмы, обеспечивающих лишь минимально допустимую чистоту целевых продуктов.

Снижение энергозатрат при оптимизации орошения (только за счет поддержания оптимального флегмового числа) составляет тот же порядок, что и при замене контактных устройств — до 13%.

Подача флегмы и питания в колонну с определенной циклической закономерностью позволяет снизить энергозатраты более чем на 20%.

Возможность снижения энергозатрат при ректификации под вакуумом в ряде случаев зависит от состояния паровых эжекторов. Повышение избыточного давления приводит к перерасходам тепла на нагрев сырья. Перерасход пара в этих случаях сопоставим с перерасходом тепла при повышенном давлении.

В современных условиях более выгодно не только использование кипятильников, но и их дублирование, что позволяет проводить очистку их от загрязнений без остановки колонны. Снижение энергозатрат при уменьшении разности температур в кипятильнике и конденсаторе обусловлено использованием пара меньшей температуры (вторичного), т. е. более дешевого, или съемом тепла (в конденсаторе) при большей температуре для его рекуперации.

Относительно небольшая разность температур (соответственно, стоимости подводимого тепла до и после модернизации) ограничивает применение этих методов.

При наличии нескольких ректификационных колонн применяют каскадирование тепла, т. е. большая часть дистиллята высокотемпературной колонны конденсируется в кипятильнике низкотемпературной колонны, полностью заменяя пар. Экономический эффект зависит от разности температур в кипятильнике и флегмового числа.

Наряду с каскадированием тепла используется каскадирование охлаждающей воды, т. е. вода последовательно пропускается через конденсаторы с повышающейся температурой, что позволяет снизить затраты электроэнергии на рециркуляцию воды и привод вентилятора градирни.

Основной предпосылкой проработки альтернативных вариантов является максимальное использование тепла экзотермических процессов с привлечением внешней энергии лишь в тех случаях, когда капитальные затраты на ее экономию не окупаются. Большие флегмовые числа обусловливают непроизводительные потери тепла, однако излишнее приближение к равновесному состоянию может вызвать экономически неоправданное увеличение числа ступеней контакта и торможение процесса.

Тепловой насос рассматривается как основной метод повышения температуры низкопотенциального тепла. Преимущественное распространение получил цикл с рекомпрессией паров.

Экономичность цикла заключается в том, что потребление энергии извне составляет 5−10% от затрат, необходимых для независимой выработки тепла требуемых параметров.

Тепловые насосы нашли применение в колонне разделения пропан-пропиленовой фракции. На одной из установок разделения бутана (7,4 т/ч) и пропана (5 т/ч) экономия энергозатрат от использования теплового насоса составила 44%, при извлечении гексана (22,7 т/ч) на установке изомеризации прямогонной нефти — 70%.

Экономичность тепловых насосов повышается при наличии дешевых источников энергии для привода компрессора, это требует проработки альтернативных вариантов утилизации низкотемпературного тепла, например каскадной схемы или выработки пара.

При существующем уровне цен на энергию — 10 долл/Гкал (у нас порядка 50−80 тыс. р/Гкал), а в ближайшие годы (по прогнозам) составит 16−20 долл/Гкал — вопрос экономии энергозатрат на проведение процесса тепломассопередачи является одним из актуальных.