Принципы расчета химической эксергии

Система обладает эксергией, если она находится в неравновесном состоянии по отношению к окружающей среде. В зависимости от параметров, по которым существует неравновесность (температура, давление, химические потенциалы) можно выделить различные составляющие эксергии. Обычно выделяют термомеханическую и химическую эксергии системы. Первая обуславливается различием температуры и давления в системе и окружающей среде, а вторая различием химического состава и химических потенциалов в системе и окружающей среде. Расчет термомеханической составляющей может быть проведен строго исходя из законов термодинамики (вывод расчетных уравнений приведен в разделе 4) в то время как расчет химической составляющей затруднен по причине неравновесности самой окружающей среды, непостоянства ее химического состава и параметров Т, р. Поэтому при расчете химической эксергии необходимо использовать понятие об условных моделях окружающей среды (модель ОС) и реакции девальвации.

Расчет химической эксергии производится по реакции девальвации, которая является процессом обесценивания вещества до веществ отсчета окружающей среды. Впервые предложенный Шаргутом [3], метод реакции девальвации является основным способом расчета химической эксергии. Для проведения реакции девальвации обычно необходимо привлечение веществ отсчета из ОС (например, кислорода для сжигания). Затрачиваемая работа на их извлечение и приведение к концентрациям, необходимым по уравнению реакции девальвации, является концентрационной эксергией дополнительных веществ отсчета. Под общей концентрационной или просто концентрационной эксергией понимают сумму концентрационных эксергий всех веществ отсчета. Процесс девальвации вещества можно изобразить с помощью схемы девальвации. На рис. 5.1 приведена обобщенная схема девальвации произвольного вещества по Шаргуту [3]. В первом процессе температура и давление Т, Р вещества становятся равными Т₀, Р_0. Изменение эксергии в этом случае равно термомеханической эксергии вещества. Второй процесс соответствует реакции девальвации, в которой кроме вещества участвуют дополнительные вещества отсчета. Работа по их извлечению из ОС определяется в третьем процессе. В четвертом процессе полученные результирующие вещества отсчета разбавляются до их концентрации в окружающей среде. Например, углеводороды состава C_xH_y девальвируются до СО₂ и Н₂О, которые являются результирующими веществами отсчета. Необходимый для реакции сгорания кислород О₂ извлекают в нужном количестве из ОС затрачивая работу. Уравнение девальвации для углеводорода C_xH_y имеет вид:

C_xH_y + (x+y)O₂ ® x CO₂ +y/2 H₂O

Рис. 5.1: Обобщенная схема девальвации по Шаргуту.

Т,р - температура и давление вещества, Т₀, Р₀ - температура и давление ОС.

Эксергия соединения А с реакцией девальвации

где В_к - дополнительные вещества отсчета,

С_m - результирующие вещества отсчета,

b_k,c_m - соответствующие стехиометрические коэффициенты, будет равна

где термомеханическая эксергия,

- эксергия химической девальвации

- концентрационная эксергия веществ отсчета.

Шаргут предложил использовать в качестве ОС идеализированную модель окружающей среды, которая строится на следующих принципах:

1. Для каждого элемента из всех его соединений в природе выбирается

одно наиболее распространенное вещество отсчета, содержащее

этот элемент. Вещество отсчета должно быть наиболее

девальвированным, то есть обладать наименьшим значением

эксергии.

2. Совокупность всех веществ отсчета является условной окружающей

средой с определенным химическим составом.

3. Параметрами модели ОС являются температура Т₀, давление р₀ и

химический состав. Температура, давление и концентрации

веществ отсчета принимаются равными их средним значениям в

природной ОС.

4. Принятые таким образом параметры окружающей среды являются

условным нулевым уровнем отсчета для эксергии, а эксергия ОС

принимается равной нулю.

С усложнением модели ОС путем введения в нее гидросферы, написание реакций девальвации и расчеты по ней стали затруднительны. Поэтому используется также понятие стандартной эксергии простых веществ. Произведя расчет химических эксергий простых веществ в рамках выбранной модели ОС, присваиваются эти значения простым веществам как новый уровень отсчета. Тем самым изменяют принятое в химической термодинамике стандартное состояние. Энергия Гиббса в такой системе отсчета становится равной эксергии вещества. Формально, расчет ведут по формуле:

где - стандартные значения эксергий простых веществ;

- число молекул (атомов) простых веществ в молекуле вещества.

Такой подход к расчету эксергии упрощает процедуру расчета, так как значения стандартных эксергий простых веществ легко табулировать.

Схема девальвации веществ состава С_aH_bO_cN_dS_e.

Обобщенное уравнение девальвации веществ состава С_аН_bO_cN_dS_e имеет вид:

Схема девальвации представлена на рисунке 5.3, а расчетные соотношения для соответствующих процессов приведены ниже.

1. Расчет термической эксергии вещества

(5-1)

где Т₀ = 298,15 К, С_р - теплоемкость С_aH_bO_cN_dS_e.

2. Расчет эксергии девальвации.

(5 -2)

1. Расчет концентрационной эксергии дополнительных веществ отсчета

(5 -3)

2. Расчет концентрационной эксергии результирующих веществ отсчета

(5-4)

Рис.5.3. Схема девальвации веществ состава С_аН_bO_cN_dS_e

Так как величины , относятся к давлению , то суммарное выражение эксергии вещества С_аН_bO_cN_dS_e

Дата добавления: 2015-06-27