На головну

Ступінь термодинамічної досконалості технологічних процесів

  1.  A) Вплив сили кислоти і підстави, що утворюють сіль, на ступінь її гідролізу
  2.  Автоматизація технологічних процесів
  3.  Автоматизація технологічних процесів тваринництва
  4.  Автоматизація технологічних процесів. Аналіз і синтез механізмів.
  5.  Алгоритмізація обчислювальних ПРОЦЕСІВ
  6.  Алгоритмізація основних видів обчислювальних процесів
  7.  Аналіз процесів в довгих лініях

Застосування прогресивних енергозберігаючих технологічних схем і підвищення енерготехнологічної ефективності обладнання є важливими завданнями хімічного виробництва.

При розробці високоефективних і малоенергоємних технологій і обладнання велике значення мають питання використання вторинних ресурсів і утилізації побічних енергоресурсів, під якими розуміють невикористаний в технологічному процесі енергетичний потенціал всіх продуктів і відходів. Наприклад, застосування котлів-утилізаторів, які дозволяють використовувати теплоту газів, що відходять для виробництва пари або підігріву води. Іншим прикладом може служити використання теплоти, отриманої за рахунок охолодження хімічно очищеною водою елементів, розташованих в високотемпературної зоні (наприклад, печі). При цьому охолоджуються поверхні використовуються як випарники для отримання водяної пари.

Першим кроком на шляху модернізації будь-якого процесу є аналіз ступеня його досконалості і зіставлення його з іншими варіантами процесів, призначених для однієї мети.

Об'єктивна оцінка ступеня енергетичного досконалості будь-якого технологічного процесу і агрегату може бути зроблена лише на основі термодинамічної аналізу.

Найпростішим з них є енергетичний метод - на основі першого закону термодинаміки. Наприклад, енергетичний баланс теплової установки (рис. 9.4) можна записати в такий спосіб: Q1= Q2+ Qn,

де - Qn - Це енергія, яка не використовується в технологічній системі.

 Мал. 9.4

Якщо припустити, що

Qn= 0, а Q2= Q1,

то теплової (енергетичний) коефіцієнт корисної дії (ККД)

Відомо, що будь-який процес, незалежно від того, як він буде технологічно оформлений, при правильному підрахунку всіх енергетичних потоків має коефіцієнт корисної дії близький до одиниці, і немає сенсу в його вдосконаленні. Крім того, з даного рівняння енергетичного балансу неясно, використовується енергія Q2 десь чи ні.

Таким чином, енергетичний баланс не дає повної інформації, перш за все про якісні зміни, що відбуваються в системі. При складанні енергетичного балансу неможливо об'єктивно врахувати вторинні енергоресурси (ВЕР). Якщо ВЕР відняти від суми загальних енерговитрат, то витрата енерговитрат буде заниженим, а якщо їх взагалі не враховувати, то енерговитрати виходять сильно завищеними. Крім того, при комплексному виробництві неможливо правильно розподілити витрати енергії на різні види продукції.

Для оцінки ступеня досконалості технологічного процесу слід використовувати енергетичний аналіз на основі другого закону термодинаміки і ступінь досконалості процесу розуміти як ступінь його оборотності.

В оборотному процесі сума енергії потоків, підведених до системи, дорівнює сумі потоків енергії, відведених від неї:

,

тоді коефіцієнт корисної дії в оборотному процесі дорівнює

.

У будь-якому реальному процесі внаслідок його незворотності

і тоді

.

Таким чином, в реальних процесах ексергетичний коефіцієнт корисної дії (hе) Завжди менше одиниці, на величину ексергетичної втрат (DD)

.

По суті,  є сумою всіх енергетичних витрат на здійснення даного процесу, а  - Узагальнена валова продуктивність агрегату.

Таким чином, hе відображає ступінь досконалості будь-якого процесу: будь то виробництво енергії або інший технологічний процес.

У табл. 9.12 наведені значення енергетичних (теплових) і ексергетичної коефіцієнтів корисної дії електричних машин і теплових установок.

Таблиця 9.12. Порівняння енергетичних і ексергетичної ККД

 Вид установки (машини)  Енергетичний, hq  Ексергетичний, hе
 електродвигун  0,85-0,95  0,90
 електрогенератор  0,96-0,99  0,98
 Паровий котел  0,88-0,92  0,49
 Газова піч  0,60-0,85  0,13
 Пекти на рідкому паливі  0,45-0,70  0,11

З табл. 9.12 видно, що менш досконалими є теплові процеси, для яких значення ексергетичної коефіцієнтів корисної дії в 2-5 разів нижче енергетичних коефіцієнтів корисної дії.

Для того, щоб скласти ексергетичний баланс типового хіміко-технологічного процесу, необхідно перерахувати основні види ексергії:

- Ексергія теплового процесу [Eq];

- Ексергія речовини [Eв];

- Ексергія хімічна [Ex];

- Ексергія нульова [E0].

Тоді ексергетичний баланс можна зобразити так, як це показано на рис. 9.5.

Мал. 9.5

Для такої системи рівняння ексергетичного балансу можна записати в наступному вигляді:

.

У загальному вигляді ексергетичний коефіцієнт корисної дії дорівнює

.

якщо  , то  , Тоді рівняння ексергетичного балансу запишеться наступним чином:

;

;

и .

Для наближеної оцінки ступеня досконалості процесів можна використовувати ексергетичної втрати.

Ексергетичної втрати діляться на внутрішні і зовнішні:

- Внутрішні втрати ексергії пов'язані з необоротністю процесів, що протікають всередині системи (втрати при дроселюванні, терті, при наявності гідравлічних опорів);

- Зовнішні втрати ексергії пов'язані з умовами сполучення системи з навколишнім середовищем (викид продуктів виробництва в навколишнє середовище, погана ізоляція системи і т. Д.).

Внутрішні втрати найчастіше пов'язані з недосконалістю машин і апаратів, а зовнішні - з невідповідністю між процесом і умовами його проведення.

Практичне значення такого поділу ексергетичної втрат пов'язано з різними способами зменшення внутрішніх і зовнішніх втрат.

Нижче наводиться приклад використання ексергетичної втрат для оцінки ступеня досконалості типового технологічного процесу і його технологічного оформлення.

приклад 9.8. Умови проведення процесу в реакторі:

- Сировина надходить в реактор при температурі t1= 195 ° С;

- Продукти реакції виходять з реактора з температурою t2= 185 °С;

- Вихідна температура сировини tвих= 30 ° С;

- Теплоємність сировини і продуктів реакції не змінюється;

- Тепловими втратами в навколишнє середовище нехтуємо;

- Кінцева температура продуктів реакції tкон= 30 ° С;

- Температура сухого насиченої пари tп= 200 ° С;

- Процес конденсації пари ізотермічний;

- Кількість тепла, необхідне для нагрівання сировини від tвих до t1, Дорівнює 1 МДж;

- Температура в котлі утилізаторі tку= 150 ° С;

- Втрати ексергії в реакторі для всіх схем однакові.

Рішення: Так як втрати ексергії в реакторі однакові, для оцінки технологічних схем досить визначити втрати ексергії за рахунок теплообміну в теплообмінниках (DDT).

Розрахунок проводиться за формулами:

 ...;

;

де Т0= 298К;

Q - Теплота, що передається від одного теплоносія з середньою температурою Ta до іншого - із середньою температурою Тб.

Теплота, необхідна для нагрівання сировини, за умовою дорівнює
 1МДж, теплоту, необхідну для охолодження продуктів реакції від t2 до tкон, Визначають за формулою

де tн и tк - Температури теплоносія на вході і виході.

Так як теплоємність (с) І маса (m) Продуктів реакції рівні теплоємності і масі сировини, то твір  можна визначити за формулою

 звідки

 , МДж / К.

Тоді кількість теплоти на охолодження одно

 МДж.

Відзначимо, що сума  МДж зберігається сталою у всіх схемах.

Розрахуємо втрати ексергії для першого варіанту технологічної схеми (рис. 9.6).

Втрати ексергії в теплообміннику Т1 рівні

,

де  МДж,

середня температура сировини дорівнює

 К.

 Мал. 9.6. Технологічна схема 1: T1 и Т2 - теплообмінники

Температура пари, що гріє не змінюється, так як йде процес конденсації пари

Тп=tп+273 = 200 + 273 = 473K;

 МДж.

В теплообміннику Т2

,

де  МДж.

Середня температура продуктів реакції дорівнює

 К,

а середня температура води

 До;

 МДж.

Загальні втрати ексергії за першою схемою дорівнюють:

 МДж.

Втрати ексергії, віднесені до суми теплот на нагрівання та охолодження продуктів реакції (Dе) Сировини, рівні

.

Другий варіант технологічної схеми включає котел-утилізатор і можливість використання теплоти конденсату водяної пари для підігріву вихідної сировини (рис. 9.7).

Для розрахунку втрат ексергії необхідно визначити кількість переданої в кожному теплообміннику теплоти і температури t3 и t4.

 Мал. 9.7. Технологічна схема 2

Як випливає з умов, загальна кількість теплоти, переданої в теплообмінниках Т1 и Т2, Дорівнює 1 МДж. Приймаємо, що розподіл теплоти за цими теплообмінникам прямо пропорційно кількості теплоти, що віддається кілограмом конденсується пара при його охолодженні від (tn) До температури конденсату на виході з теплообмінника

Т1- (tк), Т. Е. .

Вважаючи, що теплоносії в теплообміннику Т1 рухаються протитечією, приймемо tк на десять градусів вище, ніж температура іншого теплоносія на вході (tвих).

Tк=tвих+ 10 = 30 + 10 = 40 ° С.

Для 1 кг пара теплота конденсації, за довідковими даними, становить при 200 ° С - 1938 кДж / кг; теплота охолодження конденсату

 кДж / кг.

Звідси, кількість теплоти, що передається в кожному теплообміннику, складе:

в теплообміннику Т1 -  кДж / кг;

в теплообміннику T2 -  кДж / кг.

визначаємо температуру t3 з рівняння:

 ° С.

Втрати ексергії в теплообміннику Т1 визначаємо з рівняння:

,

де  К - усереднена температура конденсату;

 К - усереднена температура сировини.

Звідси слідує що

 МДж.

Втрати ексергії в теплообміннику Т2

,

де  До;

 К.

Звідси слідує що

 МДж.

приймемо температуру t4 на 20 оЗ вище, ніж температура води в котлі-утилізатори, т. Е. t4=tку+ 20 = 170 ° С. Тоді кількість теплоти, що передається в кожному теплообміннику Т3 и Т4, Дорівнюватиме відповідно

 МДж;

 МДж.

Перевіряємо загальну суму теплот:

 МДж.

Втрати ексергії в теплообміннику Т3

,

де

 До;

 До;

 МДж

Втрати ексергії в теплообміннику Т4:

,

де

 До;

 До;

 МДж.

Загальна сума втрат ексергії в другій сумі дорівнює

Ставлення втрат ексергії в другій схемі

 Мал. 9.8. Схеми використання тепла реакцій: а - З холодним байпасом; б - З відведенням тепла реакції в виносному апараті; в - З відведенням тепла безпосередньо з реактора; г - З попереднім підігрівом реактивів; 1 - реактор; 2 - теплообмінник; 3 - холодильник; 4 - апарат для використання тепла реакції; 5 - підігрівач реагентів

Як показали розрахунки, більш досконалої з точки зору використання енергії є другий варіант технологічної схеми.

Необхідно відзначити, що реальні схеми утилізації тепла складніше і можуть бути багатоступінчатими.

Існує три групи методів економії енергетичних ресурсів:

1. Методи, пов'язані зі збільшенням поверхонь апарату, часу протікання реакції, використанням більш активних каталізаторів, що дозволяє наблизитися до рівноважного стану на виході з апарату.

2. Методи, засновані на зміні технологічного режиму і не пов'язані зі зміною технологічної схеми, що може привести до збільшення габаритів апарату.

3. Методи, що вимагають поряд з прийомами, викладеними вище, зміна технологічної схеми.

При розробці технологічної схеми необхідно проводити спільний аналіз енергетичного і ексергетичного балансів з метою встановлення рівня повернення і можливості використання електричної, теплової та механічної енергії з істотним скороченням споживаної ззовні енергії. Крім того, при виборі відносного варіанту технологічної схеми повинні бути враховані техніко-економічні показники.





 Загальне рівняння балансу маси |  Практичний матеріальний баланс |  Фізико-хімічні основи технологічного процесу |  Г л а в а 8 |  Основні положення хімічної кінетики |  Розрахунок ідеальних реакторів |  Визначення обсягів апарату |  Загальне рівняння балансу енергії |  Практичний тепловий баланс |  Розрахунок ентальпій і теплоємність |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати