Вопрос 11. Пути рационального использования энергии.

В химических производствах, потребляющих большие количества энергии, энергетические затраты влияют на технико-экономические показатели процессов. Критерием экономичного использования энергии является «коэффициент использования энергии». Коэффициентом использования энергии называется отношение количества энергии, которое теоретически требуется затратить на получение весовой (или объемной) единицы продукта к количеству практически затраченной энергии. Во многих производствах эти коэффициенты очень низки, что свидетельствует о непроизводительном расходовании энергии. Ограниченность энергетических ресурсов, в ряде случаев высокая стоимость энергии, ставят задачу экономного и рационального ее использования.

На химических предприятиях из всех видов потребляемой энергии первое место принадлежит тепловой энергии. К сожалению, большое количество тепла теряется с удаляемыми из аппаратов продуктами реакции, отходящими газами и в окружающую среду. Степень использования тепла в химико-технологическом процессе выражается тепловым коэффициентом полезного действия h, под которым понимается отношение количества тепла, использованного непосредственно на осуществление основных химических реакций, к общему количеству затраченного тепла. Тепловой к. п. д. является частным случаем коэффициента использования энергии.

Например, в печи для обжига известняка тепло, получаемое от сгорания топлива и внесенное с шихтой, расходуется: 1) на испарение влаги, 2) на разложение карбонатов, 3) с отходящими газами, 4) с выгружаемой известью, 5) через стенки печи в окружающую среду. Вторая статья расхода, характеризующая полезное использование тепла, составляет 64-65% от всего затраченного тепла, т. е. h=64-65%. С отходящими газами теряется 18-20%, с выгружаемой известью 2-5% и в окружающую среду 5-6% тепла. В ряде случаев потери тепла с продуктами реакции значительно больше. Так при производстве карбида кальция более 20% тепла теряется с расплавленным карбидом, выпускаемым из печи.

Тепло продуктов реакции или отходящих газов можно использовать для предварительного нагрева материалов, поступающих в реакционный аппарат. Принципиальная схема такой установки изображена на рис. 1. Реагенты поступают в теплообменник 1, например трубчатый, где нагреваются горячими продуктами, выходящими из реакционного аппарата 2, а затем подаются в реакционный аппарат 2. В описанном примере теплообмен между горячими и холодными продуктами происходит непрерывно через стенки трубок теплообменника. Такого типа теплоиспользующие аппараты называются рекуператорами.

В промышленности для использования тепла продуктов реакции или отходящих газов, кроме рекуператоров, нашли применение так называемые регенераторы.

Регенераторы — периодически действующие камеры, заполненные насадкой (обычно насадкой являются решетки из кирпича). Горячие газы например отходящие печные газы, проходят через насадку регенератора и отдают ей тепло. Для создания непрерывного процесса имеется по крайней мере два регенератора, заполненных насадкой. Схема работы таких регенераторов изображена на рис. 2.

Газы, имеющие высокую температуру, входят в регенератор 1 с насадкой 3, по трубе 4. Заслонки 8 установлены таким образом, что газы проходят через насадку 3 регенератора 1 отдают ей тепло и уходят в атмосферу через трубу 5.         В это же время холодные газы по трубе 6 поступают в регенератор 2, насадка 3 которого предварительно нагрета, отбирают у нее тепло и по трубе 7 идут на использование. Через некоторое время положение заслонок автоматически изменяется (показано на рисунке пунктиром), и тогда через предварительно нагретую насадку регенератора 1 начинают проходить холодные газы, а через охлажденную насадку регенератора 2 — горячие и т.д.

Следует отметить, что рекуператоры и регенераторы применяют также для использования холода на холодильных установках.

Тепло продуктов реакции и отходящих газов применяют для производства пара в так называемых котлах-утилизаторах. Одна из конструкций котлов-утилизаторов изображена на рис. 3. Горячие газы движутся по трубам 1, помещенным в корпусе котла 2. В межтрубном пространстве находится вода, которая поступает через штуцер 3. Образующийся пар, проходя через влагоотделитель 5, выводится из котла через вентиль 4.

Тепло отходящих продуктов на химическом заводе может быть также использовано для сушки, выпарки, дистилляции и других процессов.

Тепловые потери в окружающую среду уменьшают, во-первых, тепловой изоляцией аппаратуры и, во-вторых, конструктивное оформление и габариты аппаратуры выбирают такими, чтобы иметь минимальную поверхность теплоотдачи в окружающую среду.

При рациональном использовании тепловой энергии, экономятся огромные количества топлива. В современных условиях следует подчеркнуть, что нельзя рассматривать топливо только как источник тепловой энергии. Мы должны не забывать, что уголь, торф, сланцы, нефть, природные газы являются ценнейшим и важнейшим сырьем химической промышленности. Задача заключается в комплексном энергохимическом использовании топлива и как сырья для химической промышленности и как источника получения энергии.

Использование электрической энергии рассматривается в специальных курсах электротехники. Однако в химических производствах имеются специфические особенности расходования электроэнергии. Например, в электрохимических процессах средством снижения расхода электрической энергии является устранение омических потерь в контактах и токоподводящих шинах, уменьшение сопротивления электролита за счет повышения его электропроводности и сокращения расстояния между электродами, в ряде случаев уменьшение поляризации электродов и перенапряжения. В электрических печах расход энергии зависит от конструкций печей, качества электродов, сопротивление которых стремятся снизить, силы питающего тока и от ряда других причин.

В процессах, протекающих при высоких давлениях, для снижения расхода электрической энергии, преобразуемой в механическую, стремятся использовать энергию сжатых газов или жидкостей, находящихся под давлением. Примером этого является установка, так называемых агрегатов «мотор—насос—турбина», принцип действия которых изображен на рис. 4. Газ, находящийся под давлением, поступает в башню 1 снизу и соприкасается на насадке с жидкостью. Газ выходит из башни сверху, а жидкость снизу. Рядом с башней находится агрегат «мотор—насос—турбина», в котором мотор 2, колесо турбины 3 и рабочие колеса многоступенчатого насоса 4 имеют общий вал. Насос 4 подает жидкость на орошение башни. Вытекающая из башни жидкость, находящаяся под давлением, попадает на лопатки турбины 3, вращает колесо турбины и теряет энергию. Поскольку колеса турбины и насоса находятся на одном валу, энергия жидкости, таким образом, используется для работы насоса, т.е. для подачи жидкости в башню. Потери энергии компенсируются питанием электрической энергией мотора 2.

Аналогичным образом используется и энергия сжатых газов.