Расчет производственных площадей

 

Исходные данные:

1. Список устанавливаемого оборудования (см. таб. 3.2)

Таблица 3.2 Спецификация оборудования

Рабочие машины и оборудование	Ккол-во единиц	Производительность единицы	Мощность мотора, кВт		Площадь занятая ед. оборудованием, м3
			На единицу оборудования	всего	Единицей	всего
1	2	3	4	5	6	7
1. Кристаллизатор вакуумный, горизонтальный	22	17,759 т/ч	-	-	8,862х2,004х2 = 17,759 м2	35,518 м2
2. Насос подачи осадительной ванны во всасывающую емкость	22	25 м3/ч	15	30	1,996х0,982=1,96 м2	3,920 м2
3. Насос подачи осадительной ванны во всасывающую емкость	2   2	25 м3/ч	15	30	1,996х0,982=1,96 м2	3,920 м2
4. Центрифуга для отделения маточного раствора от кристаллов	33	2 - 4 т/ч	29,3	58,6	1,670х1,450 = 2,420м2	4,840
5. Бак для сбора маточного раствора с центрифуг	22	-	-	-	Ф 4,800 = 18,086 м2	36,172
6. Центробежный насос подачи осадительной ванны в центрифуги	22	25 м3/ч	15	30	1,996*0,982 = 1,96 м2	3,920м2
7. Центробежный насос для подачи маточного раствора с центрифуг в смесители	22	25 м3/ч	15	30	1,996*0,982 = 1,96 м2	3,920м2
8. Плавильный котел для глауберовой соли	6 5	4 м3/ч	10	50	Ф 1,734 = 2,360 м2 Ф 0,8 = 0,502	11,800 м2
9. Выпарный испаритель – кристаллизатор (циркул. насос)	6 6	250-1400 м3/ч	30,9	185,4	2,010*0,996 = 2,002 м2	12,012 м2
10. Центробежный насос пульпы	66	2 м3/ч	0,8	1,6	0,960*0,580 = 0,557 м2	3,341 м2
				Итого		145,215 м2

 

2. Коэффициент использования площади – 3,5

Расчет:

1. Площадь, занятая под оборудование составляет: 145,215 * 3,5 = 508,253 м³

2. Принимая шаг колонны производственных помещений 12х12 = 144 м², получим число ячеек под оборудование:

 3,5 = 4

3. Принимаем размер площади под оборудование в здании с шагом колонн 12х12, равен:

12х12х4 = 576 м²

4. Обзор анализ литературных источников и патентные исследования по теме 5 проекта

Обзор и анализ литературных источников

Применение тепловых насосов (ТН) в ряде химико-технологических процессов (ХТП), имеющих дело с парами рабочего тела низкого давления приводит [1-4] к значительной экономии энергетических затрат. Дело в том,_/ что повышение давления паров сопровождается ростом температуры конденсации, и становится возможным использовать теплоту их конденсации для испарения того же рабочего тела с более низкой температурой кипения. Затраты энергии на сжатие паров рабочего тела почти на порядок меньше, нежели на производство пара рабочего тела высокого потенциала; поэтому применение ТН экономически выгодно.

ТН особенно перспективны в энергоёмких процессах химической технологии, таких как выпаривание, дистилляция, ректификация, выпарная кристаллизация. Наибольший эффект от ТН возможен в непрерывных крупнотоннажных производствах.

Рассмотрим и оценим эффективность применение различных вариантов ТН на примере модельной схемы непрерывного испарения чистой воды с помощью греющего водяного пара (рисунок 4.1). В кипятильник 1 поступает поток воды W с температурой t₁. Б его трубном пространстве давление равно р; вода там догревается до температуры кипения t, отвечающей р, и целиком переходит во вторичный пар, отводимый сверху. Межтрубное пространство кипятильника обогревается потоком насыщенного водяного пара D более высокого давления Р > р, температурой конденсации Т > t. Конденсат последнего выводится из межтрубного пространства кипятильника.

В аппарате с частичным ТН (ЧТН) лишь часть образующегося в кипятильнике 1 пара сжимается в инжекторе 2 за счёт подачи потока D ₀ пара высокого давления (рисунок 4.1а). Здесь очевидны недоиспользование пара низкого потенциала (поток (W- D _в) отводится с установки) и значительный подвод свежего пара (поток D₀ в инжектор). Тем не менее, как будет показано ниже, этот вариант ТН может при определённых условиях конкурировать с полным ТН (ПТН), изображённым на (рисунок 4.1б). В последнем случае весь образующийся в кипятильнике пар сжимается в турбокомпрессоре 2 до давления греющего пара р и используется для испарения потока подаваемой жидкости W.

Принципиально важным здесь является ответ на вопрос: хватит ли потока вторичного пара W после его сжатия до давления Р. чтобы обеспечить подогрев потока подаваемой жидкости W до температуры кипения при давлении р и полное испарение этого потока.

Ответ на этот вопрос найдём, записав (без учёта теплопотерь в окружающую среду) тепловой баланс для пространственного контура I (кстати, одинакового для всех вариантов ТН, в том числе и для частичного ТН), позволяющий определить необходимый поток греющего пара D:

 

откуда

 

 

Здесь с - теплоёмкость воды (она мало изменяется с температурой; поэтому принята одинаковой для поступающей воды и конденсата); i и h - энтальпии насыщенных паров - вторичного и греющего; r * = i - ct и r ** = = h - сТ - теплоты парообразования (конденсации) вторичного (давление р) и греющего (давление Р) пара, соответственно.

После сжатия в компрессоре пар получается перегретым (рисунок 4.2, т.З на диаграмме Р,р- h, i);

Его температура Т_п больше температуры Т сухого насыщенного пара (т.4).

Энтальпия перегретого пара h " = h + С_п(Т_п - Т), где С_п - теплоёмкость пара, равная 1.98 кДж/(кг К).

Из (1) следует, что при подаче в кипятильник исходной воды с температурой кипения (t ₁ =t), тем более при t < t, поток сжатого пара W меньше необходимого потока греющего пара D, т.к. с ростом давления теплота парообразования (конденсации) понижается - см. рисунок 4.2:. Поэтому для полного испарения потока исходной воды W к сжатому вторичному пару требуется, как правило, добавить дополнительный поток D₊ свежего греющего пара. Его можно найти из теплового баланса узла смешения

 

Анализ формул (2) и (3) показывает, что величина D₊> 0 при t₁<t. При t₁~t величина D₊=0 за счёт теплоты перегрева сжатого пара, хотя его поток W, безусловно, меньше необходимого потока D греющего пара.

Дополнительный поток D₊ может быть уменьшен или совсем исключён путем усовершенствования ТН.

 

Оно заключается в дросселировании конденсата (он находится при давлении Р и температуре кипения Т) греющего пара до давления вторичного пара р; на рисунке 4.2 эта операция изображается вертикалью 5-6. Как видно из рисунка 4.2, в результате дросселирования получается влажный пар (с температурой t), смещённый к состоянию кипящей жидкости при давлении р. Сухой пар (его доля X во влажном паре, иначе - степень сухости последнего, невелика, но заметна) можно направить на сжатие в компрессор 2, добавив к основному потоку W. Это позволяет в значительной мере скомпенсировать дополнительный поток греющего пара D₊. Такой тепловой насос назван нами [14] компенсирующим - КТН. Он отличается от обычного полного ТН наличием дроссельного вентиля 3 и сепаратора 4 {рисунок 4.1в).

Анализ модельной схемы КТН будем вести с обусловленными выше допущениями. Тепловой баланс для пространственного контура I идентичен рассмотренному для схемы на рисунке4. 1б и приводит к выражению (1). Тепловой баланс для пространственного контура II, охватывающего дроссельный вентиль (в нём не происходит изменения энтальпии) и сепаратор, имеет вид:

 

 

Отсюда находим степень сухости пара X и его поток DX, направляемый на сжатие

 

 

В случае самоиспарения перегретой воды величина X реально близка к 0,05; в случае органических жидкостей она может превышать 0,1 [14]

Из материального баланса узла III видно, что в компрессоре теперь сжимается поток пара W + DX. Из теплового баланса узла IV можно найти дополнительный поток пара, необходимый чтобы обеспечить подогрев потока подаваемой жидкости W до температуры кипения при давлении р и полное испарение этого потока:

 

 

Анализ формулы (8) приводит к выводу, что при питании кипятильника водой при температуре кипения получается D₊< 0. Это означает, что в рассматриваемом случае не только не требуется дополнительного пара, но даже появляется возможность отводить некоторое количество пара (-D₊ ≡ Е) стороннему потребителю, как показано штриховой линией на рисунке 4.1в. Либо можно подавать в кипятильник воду ниже температуры кипения в соответствии с формулой (7) при D₊ - 0.

Оптимальный (с точки зрения теплоиспользования) ТН (ОТН) отличается от КТН наличием сепаратора 5(рисунок 4.1г), в котором перегретый пар (после сжатия пара в турбокомпрессоре 2) барботирует через конденсат греющего пара, находящийся при давлении Р и температуре кипения Т, с испарением части конденсата. За счёт этого испарения получаемый поток Д" сухого насыщенного греющего пара становится больше необходимого для проведения данного процесса потока D греющего пара и появляется возможность отводить некоторое количество пара на сторону - поток Е, показанный на рисунке штриховой линией. Либо можно подавать в кипятильник воду, заметно недогретую до температуры кипения.

Поток избытка Е пара высоких параметров и другие материальные потоки этой схемы ТН можно найти на базе материальных (МБ) и тепловых (ТБ) балансов для различных узлов и аппаратов на рисунке 4.1г. Приведём основные вехи технологического расчёта, полагая как и ранее с, С_п = const.

ТБ для контура I, необходимый для определения расхода греющего пара D, совпадает с записанным выше; поэтому D рассчитывается по (1).

МБ для контура II позволяет определить поток насыщенного пара высокого давления D" из сепаратора 5:

 

 

В расчётные уравнения входит температура перегретого пара Т_п после компрессора. Определим её с учётом адиабатического КПД η_ад последнего, используя диаграмму состояния рабочего тела h - s. Найдя по диаграмме (известны состояние пара перед сжатием и давления р,Р) удельную адиабатическую работу сжатия L_ад= h * - i, рассчитываем реальную работу сжатия: L = L _ад /η _ад= h ’’ – i. Откладывая в диаграмме (на кривой Р) энтальпию h " фиксируем точку состояния рабочего тела после сжатия и его параметры, включая Т_п (подробнее см. [14]). Например для водяного пара при t =100 ° C, p = 0.1 МПа, Р = 0,25МПа и η_ад = 0,7 имеем: Т_п = 230 °С. Перегрев при политропном сжатии Т_п- Т = 97 °С; это значит, что реальная теплота перегрева пара C _п (T_n - T) = 190 кДж/кг составляет заметную долю от теплоты парообразования греющего пара г** = 2370 кДж/кг. Эти цифры говорят о вполне значимой добавке пара при использовании и учёте теплоты его перегрева.

Перед сравнением различных вариантов ТН несколько соображений о подходе к оценке их эффективности.

Одним из типичных примеров использования принципа теплового насоса являются машины умеренного охлаждения. Для их оценки и сопоставления введено [15,16,17] понятие о холодильном коэффициенте ε_х, выражающим количество холода, производимого в испарителе, приходящееся на единицу затраченной адиабатической работы:

 

Таблица 4.1

 

Для тепловых насосов, предназначенных для повышения потенциала пара с целью последующей передачи теплоты q при температуре Т_в верхнего источника более целесообразен коэффициент эффективности тепловых насосов (ε), называемый также коэффициентом преобразования. [5]:

 

Коэффициент эффективности ТН ε, как и холодильный коэффициент ε, в определённом смысле характеризует термодинамическое совершенство реализуемого теплового насоса: чем выше ε, тем выгоднее данный вариант теплового насоса. Разумеется, сравнение вариантов ТН следует проводить при одинаковых уровнях и перепадах температур, поскольку ε, как и ε _х в значительной степени зависит не только от перепада температур, но и от их уровня.

 

 

На рисунке 4.4 приведено сравнение коэффициентов эффективности полного ТН (теоретического и реального) в области температур от 100

до 150 °С. В качестве нижнего температурного уровня t _н выбрана температура 100 °С, соответствующая водяному пару, получаемому из воды при атмосферном давлении. Теоретический (для идеального ТН) коэффициент эффективности ТН рассчитывали по формуле, аналогичной для ε_х в случае идеальной холодильной машины:

 

В реальных условиях работы ТН коэффициент эффективности ТН рассчитывается по левой формуле (18), причем работа сжатия 1 кг водяного пара может быть рассчитана с помощью энтальпийно-энтропийной диаграммы h, i - S водяного пара как разность энтальпий конечного и начального состояний (h " - i) или (h * - i)/ η _ад (рисунок 4.5). С учётом механического к.п.д. компрессора η _мех работа сжатия равна:

 

 

При расчётах по формуле (22) принята С_п -1,98 кДж/(кгК); η _ад = 0,78; η _мех =0,9; i = 2676 кДж/кг. Результаты расчёта ε_р при давлениях Р= 2, 3 и 4 ата приведены в таблице 4.1.

Из рисунка4. 4 видно, что коэффициент эффективности реального ТН составляет 65 — 70 % от теоретического коэффициента эффективности ТН, что близко к произведению двух коэффициентов η _ад * η _мех равному 0,702.

С увеличением разности температур (давлений) коэффициент эффективности ТН (коэффициент преобразования) ε_р закономерно уменьшается, оставаясь достаточно высоким.

При оценке эффективности применения ТН необходимо учесть большую стоимость единицы электроэнергии (для работы турбокомпрессора) по сравнению с тепловой в виде греющего пара. По данным различных заводов РФ коэффициент К, равный отношению цен за единицу электроэнергии и тепловой в виде пара давлением до 1 МПа, колеблется в широких пределах (от 3 до 6). С учётом этого соотношения экономический коэффициент эффективности ТН будет в К раз меньше: ε_эк = ε _р / K. Расчёт ε_эк для ПТН и КТН с учётом формулы (22) дает одинаковый результат в расчёте на 1 кг сжимаемого в турбокомпрессоре пара. Однако при сравнении эффективности применения ПТН, КТН и ОТН необходимо учесть долю свежего пара d ≡ D ₊ / D, дополнительно подаваемого, как правило, в аппарат с ПТН и, наоборот, отводимого с установки в случае КТН и ОТН. Тогда экономический коэффициент эффективности ε_эк при работе с ПТН, КТН и ОТН по сравнению с работой кипятильника без ТН может быть рассчитан по формуле:

 

 

Здесь ε_р рассчитывается по формуле (22), но без учёта теплоты перегрева паров, так как последняя учтена при расчётах D ₊ из тепловых балансов узлов смешения (контур II на рисунке 4.1б и контур IV на рисунке 4.1в).

Результаты расчётов ε_эк по формуле (23) совместно с (3), (8) и (12) при условии t ₁ = t, р=0,1 МПа и Р=0,25МПа и различных значениях К представлены на рисунке 4.6.

При работе без ТН подаётся только свежий пар (d = 1) и, естественно, величина ε_эк = 1.

Для частичного теплового насоса экономический коэффициент эффективности не зависит, естественно, от соотношения цен К за единицу электроэнергии и тепловой в виде пара. Он полностью определяется коэффициентом инжекции U = D _в / D_o и возможным отличием цен на пар высокого давления и рабочего, характеризующимся коэффициентом К_п.

 

 

 

На ряде предприятий РФ цена за 1 кг пара при давлениях от 0,3 до 1 МПа одинакова, тогда К_п = 1.

Так как D = D₀ + D _в = D ₀ (1+ U), то D / D_o = 1+ U, a коэффициент преобразования для ЧТН:

 

При U = 0.6 и принятом К_п = 1 на рисунке 4.6 получим горизонтальную линию, пересекающую ε_эк для других вариантов ТН при значениях К > 5,5-5,8. Это свидетельствует, что турбокомпрессоры в схемах ТН выгодно применять при не очень большом соотношении цен за единицу электроэнергии и тепловой (менее 5). При значениях К > 6 в случае одинаковых цен на пар высокого и среднего (рабочего) давлений экономически более выгодным может оказаться частичный ТН.

При К < 5 наиболее выгодным является ОТН. Совсем немного (по величине ε_эк примерно на 1 %) уступает ему КТН и чуть больше - ПТН (примерно на 6%).Однако в последних двух случаях обогрев кипятильника производится перегретым паром, что приводит к ухудшению условий теплопередачи. Поэтому схему ОТН следует считать наиболее целесообразной.

Штриховой линией на рисунке 4.6 показана зависимость ε_эк от К для ПТН без учёта теплоты перегрева паров после сжатия. Видно, что доля последней составляет 5 - 7 % от полной энтальпии пара и пренебрегать ею не следует. Однако для эффективного использования этой теплоты перегрева следует применять полное внутреннее охлаждение паров в сепараторе высокого давления, как это показано на рисунке 4.1г.

Сравнение эффективности применения ТН в процессах выпаривания, дистилляции и ректификации может быть проведено по той же канве.

Задачей данных патентных исследований является поиск информации об энергосберегающих технологиях и оборудовании для энергосбережения в процессах кристаллизации растворов солей и, в частности, сульфатов.

Поиск проведен по материалам, предоставленным в таб. 4.2.

 

Предмет поиска (тема, объект, его составные части)	Цель поиска информации	Страна поиска	Классификационные индексы
					Наименование источника поиска информации
Энергосберегающее оборудование и технологии кристаллизации растворов солей	Снижение энергозатрат на процесс кристаллизации сульфата натрия из осадительной ванны	Россия	Пат. 1752115 РФ, МКН G21F 9/16	Айзенштейн В.Г., Захаров М.К.,Носов Г.А., Оптимизация полного теплового насоса в процессах химической технологии заявка 15.01.2001
Энергосберегающее оборудование и технологии кристаллизации растворов солей	Снижение энергозатрат на процесс кристаллизации сульфата натрия из осадительной ванны	Россия	Пат. 1752115 РФ, МКН G21F 9/16	Айзенштейн В.Г., Захаров М.К.,Носов Г.А., Компенсирующий тепловой насос в химико-технологических процессах. Заявка от 23.03.2000.

 

Предыдущая123456789Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: