З. Понятие о синтезе химико-технологической системы

3.1. Задачи синтеза химико-технологической системы.

Задачи синтеза ХТС заключаются в выборе: а) основных технологи­ческих операций; б) структуры технологических связей; в) параметров технологического режима отдельных элементов и параметров системы, ко­торые должны обеспечить оптимальное функционирование всей системы, создание высокоэффективных производств. При оценке вариантов структу­ры технологических связей в ХТС, одновременно решаются вопросы, отно­сящиеся к выбору технологических и конструкционных параметров элемен­тов ХТС, которые необходимы для согласованной между собой работы эле­ментов. Таким образом, выбранный способ комбинации технологических связей должен обеспечить выполнение принципов, положенных в основу построения ХТС. Конечно, можно попытаться из многообразия типов узлов подобрать такие связи между ними, которые образуют ХТС с необходимы­ми показателями. Но простой подбор не реален, даже с использованием совершенных ЭВМ. Знание теоретических основ химической технологии и человеческий опыт позволяет найти ряд решений наилучших для достижения каких-то показателей ХТС, выполнявших определенные требования к ХТС. Среди них выделим глубину и полноту переработки сырья, минимизацию энергетических и тепловых затрат, минимизацию отходов, оптимальное использование оборудования. Поскольку эти требования должны всегда выполняться, назовем их концепциями создания ХТС.

Приемы, с помощью которых эти требования могут быть осуществлены, представляют собой ряд решений, обоснованных теорией химико-технологических процессов, инженерной проработкой и подтвержденные практи­кой. Набор таких решений называют еще эвристиками.

Конечно, таких решений может быть много. Ниже рассмотрим наиболее распространенные из них, показав примеры их реализации.

3.3. Texнологические концепции создания ХТС.

3.2.1. Глубина переработки сырья в продукты - требование макси­мально возможного выхода полезного продукта. Некоторые решения этой концепции - следующие:

I) Выбор процесса

Например, хлорвинил можно получить в двухстадийном процессе - хлорированием этилена с последующим дегидрохлорированием:

Общий выход хлорвинила из этилена в этом случае не выше 90 %. Е сли выбрать другой процесс - окислительное гидрохлорирование этилена

то в одну стадию можно увеличить выход продукта до 95 %.

2) Избыток одного из реагентов, как правило, более дешевого и доступного. Увеличение выхода достигается, например, вследствие сдви­га равновесия за счет избытка одного из реагентов. Например, в кон­версии метана

По стехиометрии соотношение Н₂О: СН₄ = I: I и равновесная степень превращения СН₄ составляет Хр = 48 % (температура 900°С, давления 30∙10⁵Па). Если взять избыток легкодоступного пара, так чтобы соотношение Н₂О: СН₄ = 4, то будет достигнута при тех же условиях Хр = 94%.

3) Противоточный контакт фаз - известное решение, обеспечивающее максимальную движущую силу процесса. Примеры – противоточное движение двух потоков в теплообменнике, газа и жидкости в абсорбере и т. д.

4) Фракционный рецикл, когда после разделения продукта и непрореагировавшего сырья, последнее возвращается на последующую пере­работку.

3.2.2. Полнота переработки сырья и вспомогательных материалов - требование максимальной степени превращения сырья в полезные продук­ты. Если полезный продукт единственный, то эта концепция и предыдущая совпадают (выход продукта и степень превращения совпадают). Не­которые решения этой концепции.

I) Выбор процесса - наиболее принципиальный и эффективный путь решения. Выше был приведен пример двухстадийной схемы получения хлор­винила. Один из недостатков - наличие побочного продукта НСl и, как следствие, низкое использование хлора в этом процессе. Этилен полу­чают пиролизом нафты. Если изменить условия пиролиза, то можно по­лучить примерно равные количества этилена и ацетилена в этом процес­се. Тогда выделяющийся при хлорировании этилена HCI можно направить на гидрохлорирование ацетилена и также получить хлорвинил (рис.13)

Рис. 13. Получение хлорвинила

В этом процессе обеспечивается полнота переработки С1₂, а также нафты.

2) Регенерация с рециклом - вспомогательный материал после использования в процессе регенерируют и возвращают в процесс. Напри­мер, в схеме очистки азото-водородной смеси от CO₂ (производство аммиака) используют поглотитель - моноэтаноламины (МЭА). После абсорбции СО₂ раствором МЭА, последний направляют в десорбер, где при повышенной температуре десорбируют из него СО₂ и регенерированный МЭА раствор возвращают в абсорбер.

3) Утилизация отходов позволяет получать полезные продукты отходящего потока. При этом выход основного продукта может не изменяться, однако общая степень превращения сырья в полезные продукты будет увеличена.

4) Совмещение производств позволяет превратить один из побоч­ных продуктов в другом химическом производстве, созданном вместе с основным производством. Например, выделенный при МЭА-очистке СО₂можно направить на синтез карбамида, используя полученный аммиак.

3.2.3 Минимизация энергетических и тепловых расходов должна решать задачу экономии энергетических ресурсов. Некоторые решения этой концепции.

1) Регенерация тепла. В ряде случаев для проведения процесса (например, в реакторе) необходимо нагреть поток. Его можно нагреть за счет тепла, выходящего из реактора потока. Такая схема была приведена на примере перекрестной технологической связи. Наиболее эффективно такое решение будет, если реакция экзотермическая.

2) Регенерация энергии. Используется для процессов под давлением. В этом случае сжатые газы направляются на турбину, которая приводит в действие нагнетатель (компрессор), сжимающий исходный поток.

3) Утилизация тепла - тепло (или энергия) потока используются для получения пара в котле-утилизаторе, который поступает в заводскую теплосеть или для каких-либо других целей.

4) Химико-энергетическая система (энерготехнологическая) - ХТС включающая энергетический узел и позволяющая наиболее эффективно использовать энергетический потенциал топливных ресурсов и обеспечивающая автономную по энергии работу химического произ­водства. Примером могут служить производства аммиака и азотной кислоты. Схемы, принципиально демонстрирующие организацию хими­ко-энергетических систем, показаны на рис. 14 и 15.

В производстве аммиака имеется стадия паровой конверсии метана (рис.14), для чего используется пpиpoдный газ (технологический – Г_т). Это эндотермический процесс. Его проводят в трубча­том реакторе (2). В трубках находится катализатор, на котором протекает конверсия природного газа. Создание необходимой тем­пературы процесса - около 800°С - достигается обогревом трубок за счет сгорания природного газа (Гн) в межтрубном пространстве.

Рис. 14. Принципиальная схема энергетического

узла в ХТС производства аммиака: _._

I - паровой котел; 2 - трубчатый реак­тор; 3 - турбокомпрессор высокого дав­ления;.4,6 - паровая турбина; 5 – компрессор природного газа.

Горячие газы после трубчатого конвертора используются для получения пара высоких параметров. Вода для получения пара сначала нагревается в теплообменниках всей технологической схемы произ­водства аммиака, где можно регенерировать тепло процесса, и направляется в паровой котел (I), обогреваемый газами после конвектора.

Получаемый пар используется для привода турбокомпрессора высокого давления(З) и компрессора природного газа (5). Однако собранного тепла не хватает для обеспечения необходимой мощности турбокомпрессоров. Поэтому в топке (I) сжигают дополнительное количество природного газа, покрывая этот дефицит энергии. Таким образом, в технологической схеме производства аммиака появляется энергетический узел выработки пара высоких параметров, обеспечивающий энергией всё производство и максимально использующий тепло всех потоков этого же производства. При соответствующем выборе па­раметров энергетического узла вся химико-технологическая система становится автономной по энергии.

В современном производстве азотную кислоту получают под давлением. После абсорбционной колонны отходящие газы (в основ­ном, азот с небольшим количеством кислорода и остатками оксидов азота) направляются на газовую турбину (2) для использования энергии отходящего газа (рис.15). Но его энергетический по­тенциал не достаточен для того, чтобы компенсировать затраты энергии на сжатие воздуха, поступающего в процесс, потому что часть энергии сжатого воздуха была затрачена на получение азот­ной кислоты, да и объём отходящего потока меньше, чем воздуха.

Компенсируют этот дебаланс увеличением температуры отходя­щих, газов путем сжигания природного газа (СН₄) в горелке (4). Энергия сжатого газа увеличивается за счёт увеличения его температуры и её хватает для того, чтобы газовая турбина (2) могла обеспечить привод необходимой мощности для компрессора (1).

Pис.15. Принципиальная схема энергетического узла в ХТС производства азотной кислоты:

1- воздушный компрессор; 2- газовая турбина; 3- реактор каталитической очистки; 4- горелка; 5- контактный аппарат.

Передача энергии идёт механически, ибо компрессор (4) и турбина (5) находятся на одном валу. В этом производстве высокая температура отходящих газов используется для каталитической очистки отходящих газов от оксидов азота в реакторе(3).

В настоящее время химико - энергетические системы находят в промышленности всё более широкое использование.

3.2.4. Минимизация отходов - одно из решений для создания экологически безвредных производств.

Осуществление этой проблемы непосредственно связано с предыдущими тремя концепциями, и поэтому приведенные выше способы их реализации справедливы для создания безотходных производств.

Помимо этого имеются и свои специфические решения. К ним относятся: санитарная очистка и обезвреживание отходов, замкнутый водооборот и уменьшение вспомогательных потоков.

3.2. Оптимальное использование оборудования направлено на уменьшение затрат на аппаратуру и увеличение эффективности протекающего в ней процесса. Некоторые решения по реализации этой концепции:

1) Интенсификация процесса в аппарате за счет выбора нового процесса (например, использование более активного катализатора), оптимизация режима.

2) Интенсификация процесса в результате улучшения организации процесса в аппарате, что позволяет снизить диффузионные и тепловые сопротивления, а также увеличить движущую силу процес­са.

Примером этого может служить организация газожидкостного процесса. Его можно организовать в барботажном реакторе, в колонне с насадкой и в реакторе в виде трубы, в котором с большой скоростью движется газожидкостной поток. Скорость массопередачи в двухфазном потоке системы зависят от диффузионных сопротивлений фаз, которые определяют величину коэффициента массопередачи - К, и удельной поверхностью массообмена (в единице объема реактора) - S_уд

Интенсивность процесса будет ограничена величиной b S_уд, Для указанных треx процессов эта величина не превышает следующих значений:

Способ организации: b S_уд

Барботаж 0,1- 0,2

Насадочная колонна до 0,5

газожидкостный поток в трубе до 1-1,2

Очевидно, если имеет место быстрая реакция, то необходима более интенсивная организация процесса, например, использование вместо барботажного реактора трубчатого с газожидкостным пото­ком.

3) Организацию технологического процесса покажем на примере узла санитарной очистки газов. Выше была приведена схема процесса с рекуперацией тепла. Она же обычно используется в процессах санитарной очистки газов (рис.16), где поток очищенного газа, например, в каталитическом реакторе (I), нагревается перед реакто­ром в теплообменнике (2) за счет тепла газов, выходящих из реак­тора.

Рис. 16. Принципиальная схема ХТС санитарной очистки газов;

1 - каталитический реактор; 2 - теплообменник;

3 - горелка

При санитарной очистке газов, которые, как правило, содержат не­большое количество примеси, выделяется сравнительно немного теп­ла, и поэтому разность температур в теплообменнике мала. Это приводит к необходимости значительного увеличения поверхности теплообмена и таким образом увеличению размеров теплообменника.

В этом случае рационально частично вести подогрев газа, пос­тупающего на катализатор, путем сжигания топлива в горелке 3. Это позволит уменьшить затраты на теплообменник.

4)Конструкционные решения направлены на выбор или создание ме­нее материалоемкого оборудования.

5) Увеличение единичной мощности позволяет снизить удельные зат­раты на аппаратуру. Действительно, можно принять, что производитель­ность П аппарата примерно пропорциональна его объему, где протека­ет процесс, т.е. пропорциональна его линейному размеру в кубе П~1³, а затраты на аппарат примерно пропорциональны площади поверхности его корпуса, внутренних решеток и пр., т.е. З_ап~1². Таким образом, удельные затраты будут составлять: З_ап /П~П ^-1/3

Легко оценить, что удвоение мощности приводит к уменьшению удельных затрат на аппарат примерно на 20%. Это, грубая оценка. В действи­тельности удвоение мощности приводит к уменьшению удельных затрат на 8 - 15 %.

4. АНАЛИЗ ХИИИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

4.1. Задачи анализа ХТС

Задачи анализа ХТС заключаются в получении сведений о функционировании системы в зависимости от принятой химической схемы, структуры технологических связей между элементами и подсистемами, а так же от конструкционных и технологических параметров, исходя из заданных свойств и показателей функционирования, имеющих оптимальное значение.

Для этого необходимы: а) технологический анализ ХТС - получение технологических показателей температуры, давления, размеров потоков, выхода и селективности, количества отходов и т.д.; б) технико-экономический анализ ХТС - получение экономических критериев оценки эффективности системы - расходных коэффициентов, затрат на производство продуктов и т.д. и, в конечном счете, получение сведений о себестои­мости продукции; в) анализ функционирования системы - устойчивость, надежность, безопасность работы и др.

При этом необходимо учитывать, что ХТС обладает свойствами, не характерными для отдельных её элементов, это обусловлено взаимозависимостью режимов элементов.

Анализ ХТС осуществляется при разработке проектирования системы для определения её эффективности, а также для сравнения различных вариантов реализации процесса с целью выбора из них оптимального. Анализ используется и при модернизации и реконструкции действующих ХТС. Приведенные выше показатели работы ХТС находятся в результате решения систем уравнений материальных и тепловых балансов.

4.2. Материальные тепловые балансы химико-технологических систем

Балансы ХТС передают законы сохранения массы - материальные балансы и энергии - энергетические балансы, в частности тепловые балансы. Балансы ХТС составляются, как правило для стационарных процессов либо для ХТС в целом, либо для отдельных элементов или групп элементов. В последних случаях из схемы «вырезается» элемент или совокупность элементов (рис.17)

Рис. 17 к порядку расчёта ХТС

Выделены: 1- один элемент, 2-группа элементов;

3—ХТС в целом

Подобное выделение отдельных элементов или группы элементов ХТС дает информацию не только об эффективности ХТС в целом, но и её составляющих, что позволяет выявить "узкие места", варьировать параметры элементов или их совокупность и направленно осуществлять ин­тенсификацию ХТС.

Материальный баланс основывается на том, что во всякой замкну­той системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате взаимодействия.

Например, в реактор поступают вещества, массы которых G₁,G₂,G₃,... G_S. В результате взаимодействия получают R продук­тов с массой. G'₁,G'₂,G'₃,... G'_R Уравнение баланса такой системы будет

G₁ + G₂ + G₃ +... G_S = G'₁ + G'₂ + G'₃ +... G'_R

или

(IV 1a)

или (IV.1б)

Тепловой баланс основан на том, что приход теплоты в данном про­цессе равен расходу её в том же процессе. Если принять, например, что в адиабатическом реакторе протекает экзотермическая реакция, то урав­нение теплового баланса будет:

Q_P + G₁H₁ + G₂H₂ + G₃H₃ +... G_SH_S = G'₁H'₁ + G'₂H'₂ + G'₃H'₃ +... G'_RH'_R

или (IV.2a)

или (IV. 2б)

где H_j и H'_i энтальпия веществ, поступивших в реактор и продуктов реакции соответственно

Q_р- теплота химической реакции.

Уравнения (1V.1а),(1V.1б),(1V.2а),(1V.2б) справедливы для разомк­нутых систем. Для замкнутых систем при составлении балансов учитыва­ется наличие рециркуляции технологических потоков.

Тогда в соответствии с рис.11 уравнение баланса будет:

G_П = G₀ + G_R (IV.3)

Соотношение потоков в системах с рециклом, как указывалось, учиты­вает коэффициент рециркуляции – K_R и отношение рециркуляции -R. Тогда, поскольку

K_R = G_П/G₀ и R = G_R/G_П

уравнение баланса принимает вид:

(IV.4a)

или (IV.5)

4.2.1. Балансовое соотношение

Для составления балансов используются стехиометрические, термохи­мические, термодинамические и межфазовые соотношения.

Стехиометрические балансовые соотношения отражают количествен­ные изменения состава системы. Например, в реакции:

2С + О₂ = 2СО

Из трех молей исходных веществ (углерода и кислорода) получа­ется два моля продукта (оксида углерода). Это учитывается при сос­тавлении балансов с помощью стехиометрических коэффициентов

Реагирующие компоненты обозначаются как G₁, G₂,.....,Gi.

Если в смеси имеется S веществ, то J= 1,2....... S. При переносе всех символов в одну часть химического уравнения баланса оно принимает вид:

ν ₁G₁ + ν₂ G₂ +… ν_SG_S = 0 (1V.6а)

где принято для исходных веществ n >0, для продуктов реакций n<0.

Для приведенной выше реакции n=+2, n=+1, n=-2.

Уравнение (1V.6а) записывается в виде:

(1V,6б)

Это уравнение называется стехиометрическим уравнением реакции в

алгебраической форме

Если в системе протекает несколько реакций, например - R с участием S - компонентов, то уравнение (1У.66) запишется следу­ющим образом

(IV.7)

где i –1.2.3…..R; j = 1,2,3 …S, n- стехиометрический коэффициент j –го вещества в i - ой реакции.

Для расчета сложной системы следует использовать минимальное количество уравнений химических реакций, которые отражают количественные изменения системы или состава реагирующей смеси. Исходя из этого необходимо определить какие из реакций стехиометрически зависимы и какие независимы.

Стехиометрически зависимыми химическими реакциями называются такие, стехиометрические уравнения которых могут быть получены как линейные комбинации других стехиометрических уравнений из числа рассматриваемых R - уравнений реакций.

Стехиометрически независимыми называют реакции, ни одно стехиометрических уравнений которых не может быть получено путем линейной комбинации других, и набор этих R уравнений достаточен для

полного и однозначного описания ХТС

Термодинамические балансовые соотношения, поскольку балан­сы составляются для стационарных состояний, дают возможность ко­личественного определения равновесных составов реакционных сме­сей.

Для этого необходимо определение величину изобарно-изотермического потенциала в соответствии с уравнением Гиббса:

(IV.8)

где Н - энтальпия системы; Т - температура; S - энтропия. Это позволят, во-первых, судить о наиболее вероятном пути протекания реакций и, во-вторых, количественно определить равновесный состав реакционной смеси, исходя из константы равновесия реакции, которая может быть найдена из уравнения:

(IV.9.)

где Z⁰ - изменение стандартного изобарно-изотермического потен­циала; R - газовая постоянная; К - константа равновесия, а также из уравнения:

(IV.10.)

Термохимические балансовые соотношения дают сведения об изменении энтальпии при протекания химических реакций в отдельных элементах или во всей ХТС в целом. В конечном счете - о количестве теплоты, выделяющейся при экзотермических реакциях и поглощаемой при эндотермических реакциях, что определяет выбор режимов аппара­туры и структуры ХTC.

Межфазовые балансовые соотношения дают свеаденая о равновесии в гетерогенных системах. Для этого используются правило фаз, законы распределения веществ между фазами, диаграммы фазового равновесия, которые позволяют найти состав фаз я их свойства: агрегатное сос­тояние, температура плавления, кипения, упругость паров и др. Необходимо отметить, что термохимические, термодинамические и межфазовые балансовые соотношения используются только для анализа протекания стехиометрических независимых реакций.

В результате решения приведенных выше балансовых соотношений получают данные, необходимые для составления материальных и тепловых балансов отдельных элементов и ХТС в целом. Такие балансы часто называют энтальпийными, поскольку в них для определения состава реакционных смесей, количество поглощенного или выделенного тепла, в соответствие с первым законом термодинамики исходят из изменения энтальпии системы.

4.3. Примеры балансов

Балансы могут быть оформлены в виде сводных таблиц, в левой части которых перечислены, а затем просуммированы все статья при­хода, в правой - все расходные статьи. Подобные таблицы приводятся как для отдельных элементов, так и для XTС в целом.

4.3.1. Материальный и тепловой балансы узла окисления аммиака в производстве азотной кислоты, состоящего яз контактного аппарата я котла-утилизатора.

В контактном аппарате протекает необратимая экзотермическая реакция:

4NНз + 5 O₂ = 4NО + 6 H₂O + Q

Котел-утилизатор устанавливается с целью использования тепло­ты реакции для производства пара. В нем может происходить частич­ное окисление NО в NО ₂

Таблица 1 Материальный баланс (составлен на 1т 100 % HNO3)

Приход	Расход
№	статья	кг/т HNO3	№	статья	кг/т HNO3
	Аммиак Воздух О2 N2 Влага воздуха Вода			Нитрозные газы: NO2 NO N2 O2 H2O пар Пар
	Всего:	5 617		Всего:	5 617

Достоинством представления балансов в форме таблиц является их простота, наглядность, возможность непосредственного контроля ре­зультатов и их использования для определения показателей процесса. Другим способом является графическое оформление результатов балансов в виде диаграмм, наглядно передающие соотношение между отдельными статьями приходной и расходной частей баланса.

Для быстрого обозрения результатов баланса по отдельным эле­ментам ХТС удобно нанесение на структурную технологическую схему ХТС значений материальных и энергетических потоков.

Таблица 2 Тепловой баланс

Приход	Расход
№	статья	кДж/т HNO3	№	статья	кДж/тHNO3
	С азотно-воздушной смесью Теплота реакции окисления аммиака (в контактном аппарате) Теплота реакции окисления NO и NO2 (в котле-утилизаторе)	635,36   3883,22     638,286		С газами (на выходе из котла –утилизатора) На производство пара В окружающую среду	1390,696 3678,4   87,78
	Всего:	5156,866		Всего	5156,866

4.3.2. Материальный баланс установки термического крекинга газойля (замкнутая система), перерабатывающей 470 т газойля в сутки. При установившемся состоянии из печи крекинга выводятся реакционная смесь, содержащая, масс.%: газа- 4,25; бензина- 17,73; рециркулята- 66,67; крекинг- остатка- 11,35.

В данном случаe решается задача определения количества по­лучаемых продуктов и производительность печи.

Решение: Массовая доля поступившего в реактор сырья от загрузки реактора составляет:

C = G₀/G_П (1V.П)

следовательно:

К_R = (IV.12)

Если обозначить через Сп массовую долю (масс. %} про­дукта, содержащегося в реакционной массе, выходящей из реактора, а через Со – от количества подаваемого свежего сырья, то материальный баланс выражается уравнением:

C₀ = K_RC_П (1У.13)

Коэффициент рециркуляции зависит от отношения рециркуляции,

которое будет:

Откуда

Масс.доля (%) продуктов по свежему сырью составит, %:

Сгаз= 3•4,25 = 12,75

C бенз.=2•17,73 = 53,19

Сост=3• 11,35 =34,05

Отсюда количество получаемых продуктов, т / сут.;

газ: 470 •12,75=60

бензин: 470• 53,19 = 250

остаток: 470 • 34,05 =160

Таблица 3 Материальный баланс установки крекинга

№	Приход	№	Расход
	статья	т/сут		статья	т/сут
	газойль			Газ Бензин остаток
	Всего:			Всего;

Производительность печи:

G_П = К_RG₀, = 3∙470 = 1410 т/сут.

Из приведенных примеров следует, что результаты балансов позволяют рассчитать: расходные коэффициенты, состав и количество получаемых продуктов реакций, выход продуктов, селективность, ма­териальные и энергетические потери или, в конечном счёте, степень использования сырья и энергии, характеризуемую энергетическим коэф­фициентом (энергетический к.п.д.), который равен:

(IV.14)

где Q_пол - полезно затрачиваемая теплота, на осу­ществление целевой реакции,

Q_полн - суммарный расход теплоты.

В приведенном выше примере теплового баланса окисления ам­миака (табл. 2) полезно используемой является теплота идущая на производство пара. Следовательно, в этом случае энергетичес­кий к.п.д. составляет:

Однако энергетический к.п.д., получаемый из энтальпийного ба­ланса, не достаточен для оценки эффективности процесса, поскольку он не всегда вскрывает потенциальные возможности системы.

4.4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКСЕРГИТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ХТС

Информацию, позволяющую более полно обосновать выбор процесса и провести его сравнение с другими, можно получить при применении наряду с энтальпическим, термодинамического анализа, в часности эксергетического.

Эксэргия характеризует полезную работу, которую может совершить система в соответствии со вторым законом термодинамики, согласно которому не все процессы могут протекать в направлении, обратном его естественному ходу. Или, что то же, эксэргия - это энергия, которая при участии заданной окружающей среды, может быть преобразо­вана в другую форму энергии.

Использование эксэргии дает возможность при оценке и сравнении эффективности различных процессов учесть не только количество пото­ков энергии, но и их качество, т.е. способность энергии к соверше­нию полезной работы.

Удельная эксэргия потока вещества, всходя из второго закона термодинамики, будет:

e = H – H₀ - T₀(S – S₀) (IV.15)

где Н,S - энтальпия и энтропия вещества в анализируемом состоя­нии. соответственно;

H₀, S₀~ энтальпия и энтропия вещества в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, соответственно

Т₀- температура окружающей среды.

Из уравнения (IV.15) следует, что величина эксэргии находит­ся с помощью известных параметров состояния - энтальпии и энтропии.

При этом потери эксэргии в адиабатной системе определяются про­изведением температуры окружающей среды на приращение энтропии вследствие необратимости процесса. Они будут равны:.

∆e = T₀(S – S₀) (IV.16)

В качестве примера можно принять теплопередачу и установить для этого процесса зависимость потери эксэргии от температуры. Предположим, что теплый поток А передает тепловую энергию холодному потоку В. Количество передаваемой теплоты для элементарного участка тепло­обменника будет dQ. Из уравнения (1V. 16) учитывая, что S=Q/T, следует, поток А с количеством теплоты передает поток эксэргии, равный

(IV.17)

Холодный поток получает только часть этой величины

(1V.18)

Разница, или что то же потеря эксэргии составит:

(IV.19)

или

(IV.20)

Уравнение (1У.20) показывает, что потеря эксэргии зависит не только от конечной разности температур, но так же от температурного уровня теплопередачи. Весьма интересно, что потери эксергии при той же разности температур при высокой температуре много меньше, чем при низкой. Поэтому, с энергетической точки зрения, выгодно вести процессы при высоких температурах, так как в этом случае до­пустимы значительно большие разности температур, чем при температурах низких.

Критерием термодинамической эффективности процесса служит эксергетический коэффициент полезного действия, который в общем виде может быть представлен как:

(IV.21)

где -произведенная эксергия

- затраченная эксергия

-потери эксергии

Значения эксергетического и энергетического к.п.д., как правило, не совпадают.

Так, например, энтальпийный анализ показал, что энергетический к.п.д. узла окисления аммиака в производстве азотной кислоты составляет 72,I4 %.

Для этого же процесса эксергетический к.п.д. рассчитанный по уравнению (1V.21)

где е₁ – эксергия входящей в аппарат газовой смеси- 63,83х10 ⁵ кДж/т HNО₃;.

е₂- эксэргия нитрозных газов выходящих из котла утилизатора – 21,36 х 10⁵ кДж/т HNO₃,

е₃ - эксергяя пара – 11,83 х10⁵ кДж/т НNO₃ составит:

Таким образом, проведенный эксергетический анализ свидетельствует, что для интенсификации процесса имеются ресурсы большие, чем это следует из анализа энтальпического.

Следовательно, эксергетический анализ дает возможность оценки совершенства процессов и показывает границы их улучшения.

Полученные в результате анализа XTС сведения о материальных и тепловых нагрузках аппаратов системы, эффективности их использования позволяют количественно оценить различные варианты и подойти к созданию систем, в которых наилучшим образом одновременноииспользуется сырье, оборудование и энергия.

В настоящее время наиболее эффективно решается проблема использования энергии в энерготехнологических системах, для которых характерна строгая сбалансированность производства и потребления энергии, основанная на использовании теплоты экзотермических реакций и вторичных энергетических ресурсов.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико- технологических систем. – М.: Химия, 1976.- 344с.

2. Бретшнайдер С., Кавецкий В., Лейко Я., Марцинковский Р. Общие основы химической технологии. - М.: Химия, 1977- 504 с.

3. Нагиев И.Ф. Теория рециркуляции и повышение оптимальности химических процессов. – М.: Наука, 1970- 390 с.

Дата добавления: 2014-12-07