загрузка...
 
7.4.3. Схема зі струменевим термокомпресором
Повернутись до змісту

7.4.3. Схема зі струменевим термокомпресором

Одним із перспективних напрямів у питаннях реалізації підвищуючої термотрансформації тепла в ректифікаційних установках є використання струменевої термокомпресії [16, 17]. На рисунку 7.11 наведена принципова схема ректифікаційної установки зі струменевим термокомпресором для стиснення пари нижнього продукту.

Рисунок 7.11 – Принципова схема ректифікаційної установки з термокомпресією на нижньому продукті:

 РК – ректифікаційна колона; ДФ – дефлегматор; ТЖ – рідинний теплообмінник; РВ – регулювальний вентиль; СК – струменевий компресор; С – сепаратор; Н – насос; П – підігрівач; В – запірний вентиль на лінії подачі рідини у циркуляційний контур

Принцип дії струменевого термокомпресора базується на використанні  як активного середовища скипаючої при витіканні недогрітої до насичення рідини.

Стиснута у струменевому компресорі пара нижнього продукту після його генерації у дефлегматорі відділяється  сепараторі, з якого насичена рідина відкачується насосом у циркуляційний контур і після підігріву в теплообміннику (підігрівачі) надходить в активне сопло компресора. Перевага струменевої термокомпресії у порівнянні з процесами в класичному пароструменевому ежекторі полягає в досить високій ефективності енергоперетворень для струменевих апаратів. Це зумовлено, головним чином, малими витратами енергії на підвищення тиску малостискуваної рідини, яка використовується  як середовище активного потоку.

Система термокомпресора може працювати і без підігріву циркулюючої рідини за рахунок підведення теплоносія. Проте якщо вказаний теплоносій належить до категорії вторинних енергоресурсів, то його використання знижуватиме загальне енергоспоживання, що необхідне для реалізації даної схеми ректифікаційної установки.

Заповнення контуру термокомпресора рідиною нижнього продукту проводиться шляхом відкриття вентиля В на сполучній лінії з колоною. За необхідності перевиробництва стиснутої сухої пари після термокомпресора по вказаній лінії можна подавати компенсаційний потік рідини для циркуляційного контуру.

Теоретичний цикл струменевого термокомпресора у складі ректифікаційної установки показаний на рисунку 7.12.

Рисунок 7.12 – Зображення процесів в р, і – діаграмі для струменевої термокомпресії середовища нижнього продукту

Розглянемо послідовність процесів у ректифікаційній установці із застосуванням струменевої термокомпресії. Як і для попередніх схем рекомпресії пари нижнього продукту, кубова рідина з масовою витратою  відбирається з колони зі станом точки 1Н. Таким чином, маємо:

1Н - 2 – процес охолодження кубової рідини в теплообміннику ТЖ зовнішнім холодоносієм;

2 - 3 – дроселювання кубової рідини від тиску рН до тиску р0 для реалізації циклу і підтримки необхідної різниці температур у дефлегматорі між середовищами ;

3 - 4 – процес пароутворення кубової рідини у дефлегматорі за рахунок теплоти конденсації верхнього продукту;

?4?+?6???7? – процес змішування пасивного і активного потоків у струменевому компресорі;

7 - 8 – ізоентропійний процес стиснення потоку змішування;

8 – процес механічного розділення парової і рідкої фаз у сепараторі;

1Н - 5 – ізоентропійний процес підвищення тиску рідини нижнього продукту у насосі;

5 - 5* – ізобарний процес нагріву рідини у підігрівачі;

5* - 6 – ізоентропійний процес витікання недогрітої до насичення рідини в активному сопловому апараті.

Відношення тиску змішаного і пасивного потоків залежить від величини  і визначається за формулою

Ступінь розширення активного потоку

підтримується в інтервалі П=10-15.

Дисипація енергії в потоках враховується швидкісними коефіцієнтами: для активного сопла , для пасивного сопла , для камери змішування .

На відміну від рекомпресії пари за допомогою парового ежектора в даному варіанті забезпечується рівність витрат пасивного потоку і потоку, який подається в колону; а також зважаючи на відсутність перегріву пари відпадає необхідність у теплообміннику для охолодження пари.

Визначення енерговитрат, необхідних для реалізації технологічного процесу ректифікації за даною схемою, виконується на основі балансових рівнянь. Для системи у межах контуру «А» на рисунку 7.11 маємо

.  (7.90)

Введемо позначення повних ентальпій:

,           (7.91)

,                (7.92)

.                             (7.93)

З урахуванням вказаних узагальнень рівняння (7.90) набуває вигляду

,                            (7.94)

або

,          (7.95)

де коефіцієнт  враховує компенсацію теплостоків у навколишнє середовище.

У свою чергу, можна записати

          (7.96)

і після підстановки

              (7.97)

На базі рівнянь (7.95) і (7.97) отримаємо вираз для визначення масової витрати рідини у циркуляційному контурі струменевого термокомпресора

.                            (7.98)

Для масової витрати пасивного потоку  коефіцієнт ежекції буде дорівнювати

                                 (7.99)

За умови підтримання заданого коефіцієнта ежекції масовий паровміст на виході із струменевого компресора (стан 8)

.                             (7.100)

Таким чином, основною проблемою при створенні термокомпресора є профілювання струменевого компресора, що забезпечує досконалість процесу витікання скипаючої рідини і досягнення необхідних параметрів насиченої пари у вихідному перетині апарата (стан 8).

Рівняння (7.100) можна перетворити до вигляду

.                         (7.101)

Енергетичний баланс струменевого компресора для адіабатних умов

.

Звідси отримаємо інший вираз для коефіцієнта ежекції

.                          (7.102)

Сумісне розв’язання (7.102) і (7.101) встановлює зв'язок між станами в точках 8 і 5*

.  (7.103)

Масова витрата пари пасивного потоку обчислюється за рівнянням

,                     (7.104)

де  визначається за рівнянням (7.7).

Для проведення оптимізаційних розрахунків за мінімумом енерговитрат можна розглянути пайове співвідношення потужності насоса до загальної величини споживаної енергії для даного схемного рішення ректифікаційної установки

                    (7.105)

Дана частка залежить від вибору кінцевої температури підігріву,  яку можна підтримувати на основі параметрів джерела теплоносія, яке використовується. Недогрів рідини перед активним соплом до стану насичення виражають у відносних величинах для тисків насичення

,                   (7.106)

де  – тиск насичення, який відповідає температурі  для середовища нижнього продукту.

Основним геометричним показником струменевого термокомпресора є відносна величина

,                                   (7.107)

де  – площа перетину циліндричної камери змішування у струменевому компресорі;

 – площа вихідного перетину сопла активного потоку. Згідно з [28] показник  виражається таким рівнянням:

          ,                  (7.108)

де  – площа вхідного перетину сопла активного потоку:

 – відношення швидкостей пасивного і активного потоків у вхідному перетині камери змішування; для розрахунків можна брати ;

 – відношення питомих об'ємів пари пасивного і активного потоків на вході в камеру змішування.

У цілому методика розрахунку геометричних параметрів струменевого термокомпресора базується на модельних дослідженнях і є програмним продуктом авторів винаходу [16].



загрузка...