Энергетический баланс технологических процессов

Научные основы рационального использования энергоресурсов

Рассматриваемые вопросы: научные основы энерго- и ресурсосбережения, эксергия, термомеханическая эксергия, химическая эксергия.

Лекция 4

Возобновляемое органическое топливо

Биосинтез – преобразование солнечной энергии в химическую энергию растений – имеет большие перспективы. Содержание биомассы в атмосфере огромно – 800 млрд. тон. Ежегодно возобновляется 200 млрд. тон. Из этой биомассы тоже можно получить энергию.

Методы получения энергии:

1. сжигание сырья растительного происхождения – дров, соломы и др.;

2. сжигание твердых бытовых отходов городов;

3. использование растительных масел в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;

4. биоконверсия или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях с образлванием биогаза, этанола, бутанола и др.

5. термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, синтез) твердых органических веществ (торфа, дерева и др.) с получением «синтез-газа», искусственного бензина.

Данный вид энергоресурсов является весьма перспективным и на данный момент именно он является основным направлением развития энергетического комплекса Беларуси до 2020. Основные планы связаны с переводом мелких котельных с традиционных на местные виды топлива. Параллельно будет проводиться реконструкция котельных в миниТЭЦ.

Помимо этого получила государственную поддержку программа биотоплива. Растительные масла рапса, редьки и т.д., которые не используют в пищу переэтерифицируют в метиловые эфиры жирных кислот. Получаемое топливо можно использовать в сельскохозяйственной технике. Оно достаточно экологично, т.к. не содержит загрязняющих окружающей среды серы, мышьяка и т.д. Помимо этого в результате переработки остаются глицерин (достаточно высокой чистоты, и комплекс витаминов). Разработкой этого подхода занимаются в НИИ ФХП и в Унихимпроме.

Однако это все имеет местное значение, нет возможности проведения энергоснабжения целых городов и мегаполисов. Большинство европейских стран все больше и больше используют нетрадиционные источники энергии.

Энергетический баланс технологических процессов составляется на основе первого начала термодинамики. Обычно при этом используется соотношение

где - это все энергетические потоки, включая потери энергии в окружающую среду и трансформацию различных форм энергии (теплота - работа - электричество). Энергетический баланс составляется для систем- технических установок с четкими границами.

Для составления теплового баланса необходимы детальные сведения о количестве материальных потоков, их теплоемкости, изменениях температуры, потерях тепла, тепловых эффектах химических процессов, энтальпиях фазовых переходов и т.п.

где М - массовый расход, с - теплоемкость.

Энтальпии фазовых переходов

Энтальпии реакции

Потери тепла в окружающую среду через стенку

Простейший пример - тепловой баланс выпарки

­

® ®

подведенное отведенное

тепло тепло

Баланс:

Если потери невелики << , то . Часто для оценки энергетической эффективности процесса используется тепловой или термический к.п.д. В общем случае

В рассматриваемом выше случае , но это не является еще свидетельством совершенства технологического процесса, поскольку не всегда используются в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и в значительной мере безвозвратно теряется. Это будет обнаружено только после расширения границ системы в энергетическом балансе. Использовать в виде ВЭР труднее поскольку практически всегда снижается качество теплового потока, так как < . Такой процесс без потери качества можно было бы провести в квазистатических условиях при . Только в этом случае качество вторичного тепла будет таким же, как .

Однако проводить реальные технологические процессы в квазистатических условиях чаще всего невозможно, поэтому неизбежно понижается качество тепла, возможность его повторного использования даже при малом изменении количественных характеристик энергии. В реальных процессах и < , что соответствует неравенству S₁< S₂, где S₁, S₂ энтропии теплоносителя и отводимого потока. Это неравенство является следствием второго начала термодинамики.

Из этого следует, что формально снижение энергетических затрат может быть достигнуто уменьшением “производства” энтропии. Но это может достигаться снижением движущей силы технологических процессов, т.е. снижением производительности. Кроме того, снижение движущей силы не обязательно ведет к обратимости протекающих процессов. Причем отсутствие движущих сил для обратимых процессов должно быть на входе - выходе аппаратов, но и в каждой точке.

Таким образом, установление степени энергетического совершенства технологических процессов требует новых подходов, выходящих за пределы традиционного анализа методами феноменологической термодинамики. Выбор таких критериев оправдан только тогда, когда нужно выпустить продукт любой ценой. Химики-технологи обычно стремятся обеспечить условия для “максимального выхода продукта”, “ максимальной степени использования сырья” и в энергетике часто не видят предмета исследования. Однако потери энергии чаще всего связаны с технологией и для рационального использования энергии необходим одновременный анализ и химико-технологических процессов, и энергетики. Научная основа такого анализа - термодинамика. Применение термодинамики плодотворно на любом этапе реализации процесса: при проектировании, при совершенствовании действующих установок.

Классический тепловой (энергетический) баланс позволяет установить основные источники потерь энергии. Применение второго начала значительно расширяет возможности термодинамического анализа и позволяет оценить степень термодинамического совершенства технологических процессов и судить о потенциальных возможностях их совершенствования.

Дата добавления: 2015-06-27