Utilizarea pompelor de căldură în instalații de distilare

Abstract: Conform obiectivelor UE pentru 2030 și stategia națională de dezvoltare MOLDOVA 2020 se urmărește reducerea semnificativă a emisiilor de gaze cu efect de seră și a consumului de energie prin sporirea eficienţei energetice şi utilizarea surselor regenerabile de energie, astfel se propune utilizarea pompelor de căldură în instalații de distilare, instalații care consumă simultan căldură și frig. Utilizarea pompelor de căldură în astfel de instalații ar reduce consumul de energie și emisiile de gaze CO2. Prezentul articol prezintă un studiu asupra metodelor de introducere a pompelor de căldură în instalațiile de distilare.

Cuvinte cheie - pompă de căldură (PC), instalații de distilare (ID), coloană de distilare (CD), energie regenerabilă (ER).

1.Introducere

Conform raportului „Estimarea anuală a energiei 2017 cu proiecții până în 2050” a Energy Information Administration (EIA), consumul total de energie v-a crește cu 5% între 2016 și 2040 iar în cazul unei creșteri economice avansate consumul de energie v-a crește cu11%. Utilizarea gazelor naturale v-a crește mai mult decât alte surse de combustibil în ceea ce privește cantitatea de energie consumată, determinată de cererea din sectoarele industriei și energiei electrice (fig.1.1).

Același raport estimează emisiile de gaze datorită arderii combustibilii fosili (fig. 1.2). În sectorul industrial, creșterea industriei naționale, conduce la creșterea consumului de energie și a emisiilor de gaze.

Conform „Principalelor obiective ale UE pentru 2030” pentru o dezvoltare durabilă, cît și strategia națională de dezvoltare „Moldova 2020” se urmărește reducerea semnificativă a emisiilor de gaze cu efect de seră și a consumului de energie prin sporirea eficienţei energetice şi utilizarea surselor regenerabile de energie. În industria alimentară sunt procese tehnologice care necesită utilizarea concomitentă a căldurii şi frigului, cum ar fi: pasteurizarea, distilarea, sterilizarea, rectificarea etc. Utilizarea în astfel de instalații a pompelor de căldură (PC), care produc concomitent şi căldură şi frig, contribuie la reducerea considerabilă a consumului de energie primară și ca rezultat la reducerea emisiilor poluante.

2.Prcesul de distilare

Distilarea este o metodă de separare a amestecurilor lichide pe baza divizării componentelor amestecului în faze lichide și de vapori. În distilare, vaporii și lichidul sunt trecuți în contracurent unul cu altul printr-un aparat special, cunoscut ca coloană de distilare, în care există mai multe puncte de contact între cele două faze. O parte a lichidului și a vaporilor care părăsesc coloana este recuperată după condensare, în cazul vaporilor, și evaporarea, în cazul lichidului. Această mișcare contracurentă a fazelor este însoțită de schimburi de căldură și de masă, care se desfășoară în fiecare etapă de contact până când fazele sunt în echilibru. Astfel, fluxul ascendent de vapori este îmbogățit continuu cu componentele mai volatile, în timp ce fluxul de lichid descendent este îmbogățit cu componentele mai puțin volatile. Cu o cheltuială de aceeași cantitate de căldură, distilarea permite o extracție și o îmbogățire mai mare în componenta sau grupul de componente necesare.

După modul regimului de lucru se deosebesc instalații de distilare cu funcționare periodică și continuă (fig. 1.3; 1.4).

Fig. 1.3 Schema instalației de distilare cu funcționare periodică

1- cub; 2 - serpantină; 3 - coloana de distilare; 4 - țeavă pentru vaporii ieșiți din coloană; 5 - deflegmator; 6 - țevă pentru întoarcerea flegmei; 7 - țeavă pentru distilat; 8 - condensator -răcitor.

Fig. 1.4 Schema instalației de distilare cu funcționare continuu

1- schimbător de căldură; 2 - partea a coloanei pentru mărirea concentrației; 3 - partea a coloanei pentru micșorarea concentrației; 4 - țeavă pentru vaporii ieșiți din coloană; 5 - deflegmator; 6 - țevă pentru întoarcerea flegmei; 7 - țeavă pentru distilat; 8 - condensator- răcitor.

a)b)c)

Fig. 1.5 Scheme ale instalațiilor de distilare cu PC

3.Includerea pompelor de căldură în distilare

Obiectivul unei pompe de căldură în distilare este de a transporta căldura de la condensator la încălzitor. Deoarece temperatura la încălzitor este mai mare, este necesară pompa de căldură. Există mai multe moduri de a integra o pompă de căldură în distilare: pompă de căldură cu agent frigorific extern (fig. 1.5.a), pompă de căldură cu compresie de vapori concentrați (fig. 1.5.b), pompă de căldură cu expansiunea lichidului (fig. 1.5.c).