Теоретические основы энерготехнологии химических производств

ется обратно в цикл.

В промышленности цикл на насыщенном паре применяется относи­ тельно редко и только там, где перегрев пара выше температуры насыще­ ния связан с определенными трудностями. Это в основном связано с тем, что интенсификация данного -цикла ограничена критической точкой (К), по мере приближения к которой количество тепла, идущего на испарение (линия 2-3), уменьшается, что в свою очередь приведет к увеличению по­ тока рабочего тела и повышению габаритов всего оборудования.

В отличие от цикла на насыщенном паре, при осуществлении цикла на перегретом паре (рис. 1.29) сухой насыщенный пар (точка 3) подается не в машину, а в пароперегреватель для дальнейшего повышения своих параметров и только после этого в машину. По сравнению с циклом на насыщенном паре, цикл на перегретом паре позволяет проводить процесс более интенсивно, т.к. количество утилизированного тепла за цикл значи­ тельно выше (линия 1-2-3). При этом увеличивается также полезная рабо­ та, совершаемая паром (линия 4-5), и после совершения работы есть воз­ можность получить сухой насыщенный пар, не содержащий жидкой фазы, что позволит значительно упростить и удешевить конструкцию машины. Однако по сравнению с циклом на насыщенном паре, количество тепла, которое необходимо отдать в данном цикле окружающей среде (линия 5-

(точка 2) адиабатически сжимается в компрессоре до давления Р2(линия 2- J). При этом его температура увеличивается до Т2 и он переходит в пере­ гретое состояние. Далее происходит процесс охлаждения пара, его конден­ сации и охлаждения жидкости (линия 3-4-5-6). Если охлаждение системы до точки 6 невозможно или невыгодно, то после некоторого охлаждения (до точки 5') давление сбрасывают, и система переходит в адиабатическом процессе до точки б'. Согласно диаграмме, точка 6 ' находится в двухфаз­ ной области и характеризуется некоторой степенью сухости дг6-, т.е. при сбросе давления происходит процесс кипения с образованием паровой фа­ зы. Если процесс охлаждения шел по линии 5-6, то по достижении точки 6 давление жидкости сбрасывается с Р2до Р\ (т.е. система переходит в точку /) и она снова поступает на испарение. Если процесс шел по линии 5-5-6', то по достижении точки 6' система снова поступает на испарение. Однако в этом случае количество тепла, " накачанного" » единицу массы рабочего тела^будет меньше. Как и при прямом способе использования энергии, данная схема может работать и на насыщенном паре, однако при этом бу­ дут наблюдаться те же недостатки и ограничения.

Из вышесказанного следует, что на путь протекания процессов и со­ ответственно на конструкцию установки влияет значительное количество параметров, причем это влияние неоднозначно. Поэтому необходим ин­ дивидуальный подход к проектированию установок утилизации низкопо­ тенциальных энергоресурсов в каждом конкретном случае.

Одним из примеров тепловых насосов, применяемых в химической промышленности, могут быть ректификационные колонны с утилизацией теплоты, выделяемой в дефлегматоре, которая обычно выбрасывается.

На рис. 1.31,а представлена обычная технологическая схема ректифи­ кационной колонны, в куб которой подается теплота QJt необходимая для создания потока пара в колонне, а теплота конденсации потока пара (Qj) из дефлегматора D обычно выбрасывается в атмосферу. Однако это тепло можно утилизировать. Так, на рис. 1.31,6 представлена технологическая схема узла разделения с частичной утилизацией тепла, выбрасываемого в дефлегматоре. В этом случае паровая фаза (в насыщенном состоянии) из верхней части колонны сжимается в компрессоре С за счет работы L. При сжатии температура газа повышается и он пеоеходит в перегретое со­ стояние (процесс 2-3 на рисЛ.30). Далее, этот газ подается в теплообмен­ ник £>/, подогревающий куб колонны за счет теплоты Q2 (процессы 3-4 и 4-5), а затем в дефлегматор D2>где теплота Q3 (процесс 5-6) выбрасывает-

а

Рис.1.31. Пример использования тепловых насосов вхимической промыипенности

ся в атмосферу. Следует учесть, что этот поток имеет повышенное давле­ ние, при адиабатическом сбросе которого поток возможно дополнительно охладить или использовать избыточное давление для транспортировки жидкости или подачи флегмы в колонну.

Таким образом, Qi и Qt на рис. 1.31,а больше, чем Q3 и Qt на рис. 1.31,6, т.к. часть тепла паров, выходящих из верха колонны,использу­ ется для подогрева куба колонны, что позволяет экономить тепло, необ­ ходимое для работы колонны, и достичь лучших технико-экономических показателей.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

2.1. Топливо

По определению Д.И.Менделеева, "топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения теплоты" Горючие ве­ щества, т.е. вещества,способные при повышенных температурах реагиро­ вать с кислородом воздуха с выделением большого количества тепловой

энергии,достаточно распространены и могут встречаться в трех агрегат­ ных состояниях:

-твердые (древесина, торф, уголь и т.п.),

-жидкие (нефть, мазут, бензин и т.п.),

-газообразные (природный газ, коксовый газ и т.п.).

В свою очередь, топливо может быть естественное или природное или искусственное, т.е. получаемое в технологических процессах.

Из человеческого опыта известно, что одни виды топлив при сжига­ нии дают большее количество тепла, а другие - меньшее. Поэтому одной из важнейших характеристик топлива является количество тепла, выде­ ляемого при полном сжигании единицы массы топлива, которое в свою очередь определяется сложностью его химического состава.

Наиболее простой состав имеет газовое топливо, так как только лег­ кие углеводороды (до С5) и горючие газы (Н2, СО и т.п.) могут находить­ ся в газообразном состоянии при обычных условиях и при условиях их добычи. Поэтому основными компонентами газового топлива являются:

СН4, С2Нб, С2Н4, С3Н8, С4Н10, CsHi2, H2S, Н2 и др.

Причем чем ниже температура кипения того или иного углеводорода, тем большее его количество содержится в природном газовом топливе. Так, например, природный газ на 90-98 %об. состоит из метана (СН4), а количество бутана (С4Н10) и высших углеводородов сильно зависит от ме­ сторождения, но, как правило, не превышает 0,5 %об. Более "тяжелый" попутный нефтяной газ имеет похожий состав, однако количество метана в его составе несколько меньше - 60-90 %об., а содержание бутана и высших углеводородов может достигать 3-5 %об.

В отличие от газового топлива, состав которого можно достаточно легко определить с помощью существующих методов анализа, состав твердого и жидкого топлива достаточно сложен и обычно неизвестен. Это связано с тем, что жидкое топливо, как правило, имеет переменный со­ став и содержит весь набор углеводородов от пентана, октана, их гомоло­ гов и до полиароматических углеводородов. Поэтому его характеризуют массовым содержанием образующих элементов, определяемых в резуль­ тате элементного анализа или массовым содержанием фракций, которые испаряются из жидкости в заданных интервалах температур.

Известно, что основными элементами, входящими в состав любого топлива, являются: углерод, водород, сера, азот и кислород. Так как при горении все органические соединения разрушаются и образуются С 02,

H20 , S02 и 1М02, т о принято считать, что для инженерных расчетов нет необходимости точно расшифровывать состав жидкого и твердого топли­ ва, а в качестве состава можно использовать массовое процентное содер­ жание углерода, водорода, серы, азота и кислорода. Кроме горючих ком­ понентов, топливо может содержать негорючие вещества (песок, глина и т.п.) и, в зависимости от способа добычи топлива и хранения, может ха­ рактеризоваться некоторой влажностью. Поэтому состав топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называется рабочим соста­ вом топлива и обозначается индексом "р" или V - real;

С1’ + f f + (У + N1’ + У о,.г, к + Ар + W1' = 100%,

где А1' - зольность топлива, состоящая из смеси минеральных соединений, которые остаются после сгорания топлива. Определяется прокалкой твердого топлива при 800-825°С (жидкого топлива при 500°С) до дости­ жения постоянного веса. В состав золы в основном входят: Si02, AUO3, Fe20 3, CaO, MgO, K20 , Na20 , V20 5, сульфаты и т.д. Иногда зола содержи i радиоактивные изотопы элементов. Кроме того, что зола играет роль бал­ ласта, соединения, входящие в состав золы, могут образовывать легко­ плавкие эвтектические смеси, которые могут плавиться и налипать на стенки котла и на теплопередающие поверхности. Поэтому при отсутст­ вии доступного малозольного топлива высокозольное топливо предвари­ тельно обогащают.

Wр - влажность топлива, определяется высушиванием топлива (дове­ дением до постоянного веса) при 105-1 !0°С. Естественно, влажность иг­ рает отрицательную роль, т.к. часть теплоты горения топлива будет рас­ ходоваться на испарение воды. Поэтому по мере возможности топливо предварительно сушат за счет бросовых источников теплоты.

Сумма Ар и Wp является негорючей частью топлива и называется внешним балластом, т.к. зола и влага не связаны химически с горючими веществами и в принципе могут быть удалены. Напротив, содержащийся в составе топлива кислород и не участвующий в горении азот называются внутренним балластом топлива.

Кроме рабочего состава топлива различают сухой состав топлива (индекс "с" или V - dry):

С1' + н 1' + Ог + N1' + & огг к + л ‘ = 100%,

и беззольно-сухой (горючий) состав топлива (индекс V или "daf - dry - ashfree): c f + H1 + of + Nr + S'orr+K = 100%.

Если говорить о горючем составе топлива, то необходимо отметить еще один параметр, который определяет качество топлива. Этим пара­ метром является выход летучих - Vе Чем выше выход летучих, тем легче топливо зажечь и тем стабильнее оно будет гореть. Выход летучих изме­ ряется в массовых процентах на сухое беззольное состояние топлива по­ сле его прокалки при 850°С в течение 7 минут. Таким образом, "летучие" - это легкие углеводороды, которые испаряются из топлива или образу­ ются при крекинге углеводородов топлива (в этом случае выход летучих характеризует способность топлива к крекингу).

К природным твердым топливам относят: дрова, торф, бурый уголь, сланцы, каменный уголь и антрацит. Как видно из этого ряда, исключая древесину, остальные виды твердых топлив являются ископаемыми. Эти виды топлив являются продуктами разложения органической массы и от торфа к антрациту возраст топлив увеличивается. С увеличением возраста твердого топлива количество углерода увеличивается с '40% у древесины до 93% у антрацита, количество водорода уменьшается с 6 до 2%, а коли­ чество кислорода уменьшается с 42% до 2%, соответственно. При этом количество летучего остатка, т.е. способность топлива к зажиганию и стабильному горению, снижается с 85-90% у древесины до 3-4% у антра­ цита (поэтому древесина легко зажигается и стабильно горит). Количест­ во золы определяется условиями образования топлива и способом его до­ бычи. Ценность угля, кроме того, определяется возможностью его ококсовывания (кокс - топливо, содержащее более 97% углерода), т.к. кокс, например, широко используется в металлургии.

В отличие от твердых топлив, жидкие топлива являются продуктами переработки нефти при температуре до 300-370°С. Сначала из нефти вы­ деляется около 1 % сжиженного газа, а затем остаток разделяют на бензи­ новую, керосиновую и дизельную фракции. Жидкий остаток с температу­ рой кипения более 350-370°С называется мазутом, который далее может использоваться как топливо, а может перерабатываться далее. Обычно глубина переработки нефти определяется техническими и экономически­ ми параметрами. Состав мазута сильно зависит от состава нефти, однако в среднем его состав следующий: C^=84-86%, tf/=10-12%, SF=0,5-4,5%, Ар=0,1-0,2%, ^<1,5% .

Газовое топливо бывает как ископаемое, так и искусственное:

-природный газ (в основном СН4),

-попутный газ, добываемый при добыче нефти (меньше СН4 и больше высших углеводородов),

сжиженный газ, получаемый при переработке нефти (используется

для бытовых целей в составе: 50% пропана и 50% бутана, а зимой - 75 и 25% соответственно),

-коксовый и доменный газы, содержащие как углеводороды, так и СО и Н2,

-биогаз, получаемый при брожении органического топлива.

2.2. Материальный баланс горения топлива

Как было сказано ранее, каким бы сложным ни был состав углеводо­ родного топлива, при его полном сгорании углерод окисляется до С 02, водород - до Н20 и сера - до S02 по следующим уравнениям реакций:

Н2 + 0,5О2 = Н20 С + о 2 = с о 2. s + o 2 = s o 2.

Полное сгорание подразумевает, что кислорода воздуха должно хва­ тить для протекания этих реакций. Поэтому для заданного рабочего со­ става топлива можно легко рассчитать теоретически необходимое для полного сгорания топлива количество кислорода и соответствующий объ­ ем воздуха У°ВОзДунм3/кг:

( 2. 1)

а также объемы образовавшихся продуктов сгорания: С 02, S02 и Н20 (в нм3/кг):

Сумма образовавшегося объема углекислого и сернистого газов на­ зывается объемом сухих трехатомных продуктов сгорания: