CC BY
48
выхлопными газами газовой турбины. Дополнительно вычисляются термодинамические переменные и работа процессов сжатия и расширения рабочего тела в турбине.
Показано, что результаты моделирования работы газовой турбины с достаточной точностью (для практических расчетов) отражают результаты эксперимента [2].
По моделям каталитических реакторов получения метана из синтез-газа установлены оптимальные условия работы каталитических реакторов, обеспечивающих производство 20 тысяч тонн метанола в год.
Выводы.
1. Проведены обширные экспериментальные исследования процесса получения синтез-газа в газовых турбинах.
2. Построена математическая модель газотурбинной установки и показана ее адекватность результатам проведенных экспериментов.
3. По модели рассчитаны основные конструкционные параметры газовой турбины и режимы ее эксплуатации.
4. Определены оптимальные режимы работы турбины, обеспечивающие безуглеродный режим работы установки при селективности по синтез-газу 88-90 %.
Список литературы
1. Караханов Э. А. Синтез-газ как альтернатива нефти // Соросовский Образовательный журнал, 1997, № 6
2. Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл Горение // Изд. «Физмат», 2003 г.
3 .Шелдон Р. А. Химические продукты на основе синтез-газа // Перевод с англ., «Химия», 1987
УДК 621.577:66065.5
М.Е. Уваров, Г.А. Носов, В.М. Мясоеденков.
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ИЗ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Considered technological schemes processes of puritication of substances from admixtures method their crystallization with employment of calorific pumps.
Рассмотрены технологические схемы процесса очистки веществ от примесей путем их перекристаллизации с использованием тепловых насосов.
Процесс перекристаллизации веществ из растворов широко применяют в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности для разделения и очистки веществ от примесей. При этом используется целый ряд технологических схем проведения данного процесса, выбор которых зависит от состава исходного вещества, физико-химических свойств растворителя, требований к конечным продуктам разделения и других факторов [1, 2]. В случаях относительно невысоких требований к очищаемым продуктам используют более простые схемы однократной перекристаллизации [3]. При высоких же требованиях к чистоте получаемых продуктов применяются схемы многократной перекристаллизации с различной организацией потоков [4].
В общем случае процесс перекристаллизации включает в себя следующие стадии: растворение исходного (загрязненного) вещества в растворителе с получением раствора определенной концентрации, кристаллизацию вещества из раствора, разделение (сепарацию) полученной суспензии, промывку отделенных кристаллов чистым рас-
творителем, извлечение (регенерацию) растворителя из отделенного маточника [1 - 4]. Иногда технологические схемы включают в себя также дополнительные стадии извлечения целевого компонента из обработанных маточников и отделение (отдувку) остатков растворителя от кристаллов очищаемого продукта.
На проведение процесса перекристаллизации затрачивается довольно значительное количество тепловой и других видов энергии, что, естественно, отражается на себестоимости получаемых продуктов. Эти затраты связаны в основном с необходимостью подвода и отвода теплоты на стадиях растворения и кристаллизации, а также с проведением стадий регенерации отработанных растворителей и перекристаллизацией маточников с целью дополнительного извлечения из них целевых компонентов.
Целью наших исследований является разработка энергосберегающих вариантов проведения кристаллизационной очистки веществ от примесей. При решении данной задачи могут быть использованы различные приемы: оптимизация технологических режимов на отдельных стадиях разделения, рекуперативный теплообмен между внутренними и внешними потоками, а также использование различных тепловых насосов.
Как показали исследования [5, 6], использование тепловых насосов при проведении различных технологических процессов является наиболее эффективным способом энергосбережения.
Одна из наиболее простых схем перекристаллизации веществ с использованием теплового насоса закрытого типа представлена на рис.1. Процесс осуществляется следующим образом. Исходное вещество Рт в твердом состоянии с концентрацией основного компонента хт при температуре ¿т, поступает на стадию растворения Н, куда подается растворитель Я с концентрацией при температуре В результате растворения получается раствор Р с концентрацией х^, который при температуре ^ передается на стадию кристаллизации Кр.
Рис. 1 Принципиальная схема однократной перекристаллизации с использованием теплового насоса
В результате охлаждения раствора на стадии Кр до температуры ¿ф ниже точки его насыщения происходит процесс кристаллизации. При этом образуется суспензия, состоящая из кристаллической фазы К состава хк и маточника М состава хм. Полученная суспензия далее направляется на стадию сепарации Ф, где производится отделение кристаллической фазы £ от маточника Ь. Сепарация Ф может осуществляться с помощью фильтров или фильтрующих центрифуг.
р
■ / 2
■ /
1 А —►
¡3-14 ¡1 ¡2 /
Рис.2. Изображение цикла работы теплового насоса на диаграмме состояния промежуточного
теплоносителя
Заметим, что полностью отделить кристаллы от маточной жидкости на стадии сепарации обычно не удается из-за действия адсорбционных и капиллярных сил [2]. Поэтому потоки К и £, а также потоки М и Ь могут несколько отличаться друг от друга.
Как известно [1, 2], при растворении большинства веществ имеет место поглощение теплоты, связанное с разрушением кристаллической решетки, а при кристаллизации обычно наблюдается выделение скрытой теплоты фазового превращения. Поэтому на стадии растворения Н необходимо подводить количество теплоты Qн, а на стадии кристаллизации Кр отводить количество теплоты Qо. Величина тепловых потоков Qн и Qо зависят от производительности установки по исходному продукту Е, расходу растворителя Я, температур ¿Т, ^ и ¿ф, теплоты фазовых превращений, теплоемкости очищаемого вещества и растворителя. Эти потоки могут быть установлены с использованием уравнений материального Qн и Qо и теплового балансов.
Расчеты процесса перекристаллизации различных веществ показали, что тепловые потоки Qн и Qо по своей величине обычно близки между собой. Поэтому хотелось бы теплоту Qо, выделяющуюся на стадии кристаллизации, использовать при проведении стадии растворения. Однако это при обычной организации процесса разделения не возможно из-за разности температурных потенциалов потоков Qн и Qо. Изменение температурных потенциалов данных потоков возможно при использовании тепловых насосов.
В схеме, показанной на (рис.1), для преобразования тепловой энергии (изменения температурных потенциалов) потоков Qн и Qо используется тепловой насос закрытого типа, в контуре которого циркулирует промежуточный теплоноситель (рабочее тело) Ох. Изображение цикла работы такого теплового насоса на диаграмме состояния теплоносителя ¡-р показано на рис.2. Теплоноситель Ох с энтальпией при температуре ¿х1 и давлении р\ в парожидкостном состоянии поступает на стадию кристаллизации, где в результате теплообмена с кристаллизующимся раствором происходит испарение теплоносителя, и его энтальпия достигает значения ¡1. При этом раствор Е охлаждается до заданной температуры ¿ф.
На выходе из кристаллизатора насыщенные пары теплоносителя Ох подаются в компрессор ТК, где сжимаются от давления р1 до давления р2. При этом температура пара теплоносителя повышается от ¿1 до ¿2, а его теплосодержание изменяется от ¡1 до ¡2 (рис. 2). После сжатия теплоноситель Ох поступает на стадию растворения Н, где в результате его охлаждения и полной конденсации выделяется теплота Qн, необходимая для проведения процесса растворения вещества ЕТ в растворителе Я. Сконденсирован-
ный теплоноситель с параметрами точки 3 (рис.2) проходит дроссельный вентиль ДВ. При этом его давление изменяется от р2 до р1 . Полученная парожидкостная смесь снова направляется на стадию кристаллизации.
Расход промежуточного теплоносителя Gx, циркулирующего в контуре теплового насоса, составляет.
Ох =0н /(/1-/2) . (1)
В свою очередь величину теплового потока можно определить из уравнения теплового баланса стадии растворения
Qн=Fт(rр-стtт )+Реф -Яс^к , (2)
где Гр, сТ и ¿Т-теплота растворения, теплоемкость и температура исходного вещества РТ; ся и -теплоемкость и температура растворения Я; ср и ¿Р -теплоемкость и температура полученного раствора Р.
Затраты энергии на сжатие паров теплоносителя Ох от давления р1 до давления р2 в турбокомпрессоре составляет
^=ах(/2-/1)/Пад (3)
где Пад -адиабатический коэффициент полезного действия компрессора.
Степень сжатия паров пс=р2/р1, а также расход энергии N зависят от величины потоков Qн и Qо, а также от разности температур между нагревающими и охлаждающими потоками (температурного напора на стадиях Н и Кр).
Эффективность использования теплового насоса для проведения процесса перекристаллизации может быть оценена с использованием коэффициента преобразования энергии [6], который представляет собой отношение затрат энергии в обычном процессе с затратами при использовании теплового насоса.
В рамках данной работы были рассмотрены и другие более сложные схемы процесса перекристаллизации: с промывкой кристаллической фазы, с регенерацией растворителей и с дополнительными стадиями извлечения целевых компонентов из отделенных маточников. Был проведен также анализ влияния различных технологических параметров (температура, давление, удельные расходы потоков и др.) на технико-экономические показатели процесса перекристаллизации с использованием тепловых насосов.
Список литературы.
1. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности. М.: Химия, 1968. 304с.
2. Гельперин Н.И. Основы техники фракционной кристаллизации/ Н.И.Гельперин, Г.А.Носов.- М.: Химия, 1986.- 304с.
3. Горштейн Г.И. Циклы однократной кристаллизации. //Труды ИРЕА, Вып.20. 1951. С.64-77.
4. Горштейн Г.И. Циклы многократной кристаллизации. //Труды ИРЕА, Вып.20. 1951. С.96-109.
5. Янтовский Е.И.Промышленные тепловые насосы/ Е.И.Янтовский,Л.А.Левин. М.: Энергоиздат, 1989.- 128с.
6. Носов Г.А., Мясоеденков В.М. Контактная кристаллизация из водных растворов с использованием теплового насоса. // Хим. технология. 2006. №1. С.32-38.
