Роль процесса кипения в химическом производстве

Процесс кипения является одним из основных процессов химической технологии. Кипение играет ключевую роль в таких энергоёмких процессах как перегонка и ректификация, на которые приходится значительная доля энергетических и капитальных затрат на химических предприятиях.

Так, капиталовложения в ректификационное оборудование достигают в среднем 20% от сметной стоимости нефтеперерабатывающих и химических заводов. Энергетические затраты на процессы разделения составляют 50 % и выше от себестоимости продукции. Причём, среди процессов разделения доминирующую роль играет ректификация, ее количественная доля (по тоннажу разделяемых веществ) составляет около 90 %.

Несмотря на внедрение новых энергосберегающих методов разделения растворов (например, мембранных, кристаллизационных), полностью отказаться от вышеперечисленных процессов не представляется возможным, особенно в крупнотоннажных производствах.

Минимизировать затраты возможно только при наличии точных методов расчёта процесса теплоотдачи, которые позволят правильно спроектировать аппарат и выбрать оптимальный режим его работы. Это требует более детального исследования процесса пузырькового кипения растворов жидкостей и совершенствования методов расчёта теплоотдачи при кипении таких растворов. Таким образом, тема работы является актуальной.

Особенности кипения многокомпонентных жидкостей

При кипении смесей взаимно растворимых жидкостей зависимость коэффициента теплоотдачи от режимных параметров и свойств смеси значительно сложнее, чем при кипении однокомпонентных жидкостей. При кипении смесей жидкостей, не образующих азеотропных составов, зависимость коэффициента теплоотдачи от концентрации низкокипящего компонента смеси имеет один экстремум – минимум (рис. 1).

При кипении азеотропных смесей на кривой α = f(x) можно наблюдать несколько экстремальных точек – максимум в районе концентрации азеотропного состава и два минимума, соответственно слева и справа от него (рис. 2).

Как видно из графиков, коэффициент теплоотдачи при кипении смеси может быть в несколько раз меньше его аддитивного значения. Поэтому использование в инженерных расчётах аддитивного значения коэффициента теплоотдачи может привести к ошибкам в выборе аппарата.

Использование для расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении бинарной смеси критериальных уравнений для расчёта коэффициентов теплоотдачи чистых жидкостей (таких как уравнения Кутателадзе) с подстановкой в них физико-химических свойств смеси данной концентрации, также не дает удовлетворительных результатов.

Существующие методы расчёта коэффициента теплоотдачи при кипении бинарных смесей не могут быть признанными удовлетворительными для инженерных расчётов, поскольку либо требуют в качестве исходных данных величины, которые не содержатся в справочниках и могут быть определены только экспериментально, либо содержат поправочные коэффициенты, которые могут быть рассчитаны только на основе экспериментальных данных.

Схема процесса испарения квазиизолированной частицы жидкости

Качественно иной подход предлагает Попов Д. М., рассматривая процесс кипения растворов на основе понятия псевдоравновесного процесса. Схема псевдоравновесного процесса предусматривает наличие приграничной области, где сосредоточена вся необратимость, связанная с неравенством температуры, давления и химических потенциалов.

В то же время основная часть системы находится в псевдоравновесном состоянии в том смысле, что для неё наблюдаются одинаковые равновесные значения этих переменных в любой своей части. Основная равновесная масса может обмениваться с приграничной областью веществом и энергией, причём в стационарных условиях параметры ее состояния остаются постоянными.

Это возможно, если обмен с приграничной областью осуществляется равновесными частицами жидкости и пара, что предполагает наличие некоторого релаксационного механизма в приграничной области.

Поскольку время с момента образования пузырька до его отрыва очень мало (составляет около 10-2 с), процесс формирования пузырька пара можно рассматривать как равновесный процесс фазового превращения в закрытой системе, а порцию жидкости, из которой образуется пузырёк, можно назвать квазиизолированной частицей жидкости. Такие частицы поступают из основной массы жидкости в приграничную область, где происходит фазовое превращение. Состав образующихся пузырьков соответствует составу квазиизолированных частиц жидкости и не равновесен основной массе жидкости, поскольку, как было отмечено выше, процесс протекает в закрытой системе. Поэтому после процесса формирования пузырька пара протекает процесс релаксации, то есть пузырёк пара приходит в состояние равновесия с основной массой жидкости.

Рассмотрим испарение частицы жидкости с помощью диаграммы Т–х,у на примере системы метанол-вода. Пусть состав основной массы жидкости равен z. В процессе формирования пузырька пара брутто-состав изолированной двухфазной системы не меняется и остаётся равным z, а температура двухфазной системы меняется от Тх (при которой начинается испарения квазиизолированной частицы жидкости) до Ту (при которой вся квазиизолированная частица превратилась в пар).

Линия, характеризующая данный процесс, обозначена латинской буквой F. В дальнейшем образовавшийся пузырёк приходит в равновесие с основной массой жидкости (этот процесс обозначен буквой R). В каждый момент времени в приграничной области имеются пузырьки с различной степенью превращения. Они образуют ансамбль, характеризующийся некоторой средней температурой T*, которая может быть приравнена к средней арифметической между Тх и Ту.

Сопоставление экспериментальных и расчётных значений

Алгоритм расчёта коэффициентов теплоотдачи при кипении растворов жидкостей, который в дальнейшем будем именовать стандартным, сводится к определению частных коэффициентов теплоотдачи ?F и ?R. Искомый коэффициент рассчитывается приведённому выше уравнению. В качестве исходной информации кроме состава раствора и тепловой нагрузки использованы значения коэффициентов теплоотдачи индивидуальных компонентов при заданных условиях кипения раствора, а также температуры насыщения жидкости и пара для заданного состава и давления.

Из 27-и исследованных систем 20 практически полностью удовлетворяют предложенному методу расчёта:

Удовлетворительными считались значения, отклоняющиеся от экспериментальных не более чем на 30%. Выбор такого предала точности обусловлен, тем, что именно такова, по мнению многих авторов, воспроизводимость эксперимента. Кроме того, такую точность дают и общеизвестные формулы для однокомпонентных жидкостей. Большие различия (до 30-50%) наблюдаются для водных растворов метанола, этанола, пропанола, этиленгликоля и глицерина в области малых концентраций спиртов.

Следовательно, разделение процесса теплоотдачи при кипении бинарных смесей на две составляющие: стадию формирования пузырька и стадию его релаксации, является в основном верным, но не решает проблем водных растворов.

Особенности создания ледового покрытия

Работа посвящена анализу действующей и созданию новой технологической схемы получения очищенной воды для заливки спортивного льда и сделана с использованием математического моделирования и экономического анализа.

В крытых спортивных комплексах, таких, как “Дворец спорта “Мегаспорт” на Ходынском поле, вода используется для создания ледового покрытия арены. Требования разных видов спорта к качеству льда определяют состав технологической схемы водоподготовки.

Ледовое покрытие имеет сложную многослойную структуру. Верхний тончайший слой – сверхмягкий, для улучшения скольжения. Нижние слои – предельно твердые и прочные для предотвращения врезания конька в лед. Для создания такого ледового покрытия используется вода четырех типов, причем глубина очистки воды возрастает, к ней предъявляются все более жесткие требования при переходе от 1-го к 4-му типу.

Три стадии водоподготовки

Типовая технологическая схема водоподготовки, включает три стадии:

• Первая стадия - предварительной очистки воды – для удаления грубых примесей, а также части соединений хлора, растворенного железа и органики.
• Вторая стадия - получения очищенной воды - является основной для создания качественного льда. В ней происходит практически полное очищение воды от всех солей и других соединений.
• Третья стадия - глубокая очистка воды - позволяет удалить растворенные газы и оставшиеся примеси.

В качестве исходного сырья в схеме водоподготовки “Дворца спорта “Мегаспорт” на Ходынском поле используется вода городского водопровода г. Москвы. Мониторинг сырья, производившийся в течение 2006-2007, показал достаточно высокое качество и стабильность параметров водопроводной воды.

Анализ работы узлов схемы водоподготовки позволил оценить эффективность очистки воды на отдельных аппаратах.

Модификация схемы водоподготовки

Для снижения затрат и уменьшения себестоимости продукта, на основании анализа работы отдельных узлов была проведена модификация схемы водоподготовки и исключена часть оборудования.

Данная схема реализована в “Дворце спорта “Мегаспорт” на Ходынском поле. Использование модернизированной схемы привело к общему сокращению стоимости оборудования на 25% и снижению себестоимости с 2283 до 1849 рублей за кв.м.

Несмотря на то, что модернизированная схема водоподготовки полностью обеспечивает потребности Дворца спорта “Мегаспорт”, нами были рассмотрены другие возможности снижения затрат на водоподготовку за счет использования в качестве дополнительного сырья на стадии обратного осмоса концентрата и воды из ледовой стружки. Использование концентрата и воды из ледовой стружки в установках обратного осмоса приводит к увеличению концентрации примесей в потоке питания. Для решения проблем устойчивой работы схемы водоподготовки была разработана математическая модель работы узла обратного осмоса как полунепрерывного процесса.

На основании материального баланса нестационарного процесса была получена зависимость времени работы узла обратного осмоса с емкостью смешения от концентрации питания по i – ому компоненту. Это позволило рассчитать текущее значение концентрации фильтрата и получить выражение для средней предельной концентрации фильтрата в зависимости от периода работы контура T. Расчеты были сделаны на основе данных работы отделения водоподготовки ледового комплекса «Дворец спорта «Мегаспорт».

Согласно сделанным расчетам наиболее оптимальным режимом работы усовершенствованного варианта схемы водоподготовки является следующий:

Для работы этой схемы необходимо дополнительное оборудование: емкость смешения, центробежный насос и теплообменник для подогрева воды из ледовой стружки для ускорения ее таяния. С другой стороны из-за значительного уменьшения объема воды, поступающего на водоподготовку, стало возможно сократить часть оборудования.

Средние предельные концентрации всех индикаторов в фильтрате при любых значениях степени отбора растворителя меньше соответствующих нормативов для воды требуемого типа, кроме параметра «остаточный хлор». На практике эта концентрация снижается до требуемого уровня благодаря применению открытой емкости смешения.

Ниже представлена усовершенствованная схема водоподготовки, основанная на использовании в узле обратного осмоса всех видов дополнительного сырья.

Таким образом, в данной работе на основании проведенного техно-экономического анализа выяснено, что наиболее эффективными вариантами являются следующие:

• Схема водоподготовки, модернизированная путем исключения ряда оборудования из типовой схемы водоподготовки. Экономический эффект - 3789225 руб
• Усовершенствованная схема, в которой концентрат узла обратного осмоса и вода из ледовой стружки используется в качестве дополнительного сырья узла обратного осомоса. Экономический эффект - 3911971

Каждая из этих схем обеспечивает глубокую очистку сырья и требуемое качество продукта.

Однако, сравнивая экономические показатели, следует сделать вывод, о преимуществе усовершенствованной технологической схемы водоподготовки.

Были проведены испытания данной схемы водоподготовки в ледовом комплексе «Дворец спорта «Мегаспорт», которые показали полное соответствие рассчитанных и полученных на практике результатов, а также соответствие фильтата всем требуемым нормативам, поэтому именно усовершенствованную схему водоподготовки предложено внедрять для производства высококачественного льда в крытых спортивных комплексах.