9.6. Степень термодинамического совершенства технологических процессов

Применение прогрессивных энергосберегающих технологических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудования являются важными задачами химического производства.

При разработке высокоэффективных и малоэнергоемких технологий и оборудования большое значение имеют вопросы использования вторичных ресурсов и утилизации побочных энергоресурсов, под которыми понимают неиспользованный в технологическом процессе энергетический потенциал всех продуктов и отходов. Например, применение котлов-утилизаторов, которые позволяют использовать теплоту отходящих газов для производства пара или подогрева воды. Другим примером может служить использование теплоты, полученной за счет охлаждения химически очищенной водой элементов, расположенных в высокотемпературной зоне (например, печи). При этом охлаждаемые поверхности используются в качестве испарителей для получения водяного пара.

Первым шагом по пути модернизации любого процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими вариантами процессов, предназначенных для данной цели.

Объективная оценка степени энергетического совершенства любого технологического процесса и агрегата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа.

Простейшим из них является энергетический метод - на основе первого закона термодинамики. Например, энергетический баланс тепловой установки (рис. 9.4) можно записать следующим образом:

Q₁ = Q₂ + Q_n

где Qn - энергия, которая не используется в технологической системе.

Рис. 9.4. Схема тепловых потоков

Если предположить, что Qn = 0, а Q2= Q1 то тепловой (энергетический) коэффициент полезного действия (КПД) η = Q2/Q1 = 1. Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет технологически оформлен, при правильном подсчете всех

энергетических потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к еди-

нице, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного уравнения энергетического баланса неясно, используется энергия где-то или нет.

Таким образом, энергетический баланс не дает полной информации, преж-

де всего о качественных изменениях, происходящих в системе. При составлении энергетического баланса невозможно объективно учесть вторичные энергоресурсы (ВЭР). Если ВЭР вычесть из суммы общих энергозатрат, то расход энергозатрат будет заниженным, а если их вообще не учитывать, то энергозатраты получаются сильно завышенными. Кроме того, при комплексном производстве невозможно правильно распределить затраты энергии на различные виды продукции.

Для оценки степени совершенства технологического процесса следует использовать энергетический анализ на основе второго закона термодинамики и степень совершенства процесса понимать как степень его обратимости.

В обратимом процессе сумма энергии потоков, подведенных к системе, равна сумме потоков энергии, отведенных от нее:

тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе

В любом реальном процессе вследствие его необратимости

и тогда

Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффициент полезного действия (ηe) всегда меньше единицы, на величину эксергетических потерь (∆D)

∆D =

По существу, является суммой всех энергетических затрат на осуществление данного процесса, а- обобщенная валовая производительность агрегата.

Таким образом, η_e отражает степень совершенства любого процесса: будь то производство энергии или другой технологический процесс.

В табл. 9.12 приведены значения энергетических (тепловых) и эксергетических коэффициентов полезного действия электрических машин и тепловых установок.

Таблица 9.12. Сравнение энергетических и эксергетических КПД

Вид установки (машины)	Энергетический, η0	Эксергетический, ηe
Электродвигатель	0,85 - 0,95	0,90
Электрогенератор	0,96 - 0,99	0,98
Паровой котел	0,88 - 0,92	0,49
Газовая печь	0,60 - 0,85	0,13
Печь на жидком топливе	0,45 - 0,70	0,11

Из таблицы видно, что менее совершенными являются тепловые процессы, для которых значения эксергетических коэффициентов полезного действия в 2-5 раз ниже энергетических коэффициентов полезного действия. Для того чтобы составить эксергетический баланс типового химико-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды энергии:

- теплового процесса [Е_q ];

- вещества [Е_b];

- химическая [Е_х];

- нулевая [Е₀].

Схема эксергетического баланса показана на рис. 9.5. Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно записать в следующем виде:

Рис. 9.5. Схема эксергетического баланса

В общем виде эксергетический коэффициент полезного действия . Если = 0, то= 0, тог- да уравнение эксергетического баланса примет вид:

и

Для приближенной оценки степени совершенства процессов можно использовать эксергетические потери, которые делятся на внутренние и внешние:

- внутренние потери эксергии связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (потери при дросселировании, трении, при наличии гидравлических сопротивлений);

- внешние потери эксергии связаны с условиями сопряжения системы с окружа-

ющей средой (выброс продуктов производства в окружающую среду, плохая изоляция системы и т.д.).

Внутренние потери чаше всего связаны с несовершенством машин и аппаратов, а внешние - с несоответствием между процессом и условиями его проведения.

Практическое значение такого разделения эксергетических потерь связано с раз-

личными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.

Ниже приводится пример использования эксергетических потерь для оценки степени совершенства типового технологического процесса и его технологического оформления.

Пример 9.9. Условия проведения процесса в реакторе:

- сырье поступает в реактор при температуре t₁ = 195 °С;

- продукты реакции выходят из реактора с температурой t₂ = 185 С;

- исходная температура сырья t_исх = 30 °С;

- теплоемкость сырья и продуктов реакции не меняется;

- епловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;

- конечная температура продуктов реакции t_кон = 30 °С;

- емпература сухого насыщенного пара t_п = 200 °С;

- процесс конденсации пара изотермический;

- количество тепла, необходимое для нагревания сырья от t_исх до t₁ равно 1 МДж;

- температура в котле-утилизаторе t_ку = 150 °С;

- потери эксергии в реакторе для всех схем одинаковы.

Решение: Так как потери эксергии в реакторе одинаковы, для оценки технологических схем достаточно определить потери эксергии за счет теплообмена в теплообменниках (D_∆T).

Расчет производится по формулам:

где Т₀ = 298 К; Q - теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Т_a к другому - со средней температурой Т_б.

Теплота, необходимая для нагревания сырья, по условию равна 1 МДж, теплоту, необходимую для охлаждения продуктов реакции от t₂ до t_кон, определяют по формуле:

Q_охл = mc(t^к – t^н)

где t^н и t^к - температуры теплоносителя на входе и выходе.

Так как теплоемкость (с) и масса (m) продуктов реакции равны теплоемкости и массе сырья, то произведение m∙с можно определить по формуле

Q_нагр = mc(t₁+t_исх) = 1,

Откуда mc = 1/(t₁ - t_исх).

Тогда количество теплоты на охлаждение

Q_охл = mc(t₂ - t_исх) = (t₂ - t_исх)/ (t₁ - t_исх) = 0,939 МДж.

Отметим, что сумма ΣQ = Q_нагр + Q_охл = 1 + 0,939 = 1,939 МДж сохраняется постоянной во всех схемах.

Рассчитаем потери эксергии для первого варианта технологической схемы (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Технологическая схема 1: T₁ и T₂ - теплообменники;

t_вн и t_вк - начальная и конечная температура охлаждающей воды

Потери эксергии в теплообменнике T₁ равны

где Q^T1 = Q_нагр = 1 МДж.

Средняя температура сырья

Т_с = (t_исх + t₁)/2 + 273 = (30 +195)/2 + 273 = 386 К.

Температура греюшего пара не меняется, так как идет процесс конденсации пара

Т_п = t_п + 273 = 200 + 273 = 473 К;

В теплообменнике Т₂

где Q^T2 = Q_охл = 0,939 МДж.

Средняя температура продуктов реакции

= (t₂ + t_кон)/2 + 273 = 1852+ 30 + 273 = 380 К,

а средняя температура воды

= (20 + 35)/2 +273 = 300К;

= 298∙0,939 (380 – 300)/(380∙300) = 0,196 МДж.

Общие потери эксергии по первой схеме равняются:

= 0,142 + 0,196 = 0,338 МДж.

Потери эксергии, отнесенные к сумме теплот на нагревание и охлаждение продуктов реакции (D_c) сырья, равны

= (0,338/1,939)∙100 = 17,4%

Второй вариант технологической схемы включает котел-утилизатор и возмож-

ность использования теплоты конденсата водяного пара для подогрева исходно-

го сырья (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Технологическая схема 2

Для расчета потерь эксергии необходимо определить количество передаваемой в каждом теплообменнике теплоты и температуры t₃ и t₄.

Как следует из условий, общее количество теплоты, передаваемой в теплообмен-

никах T₁ и T₂, равно 1 МДж. Принимаем, что распределение теплоты по этим теп

лообменникам прямо пропорционально количеству теплоты, отдаваемой килограммом конденсирующегося пара при его охлаждении от t_п до температуры конденсата на выходе из теплообменника T₁ – (t_к), т.е. Q₂/Q₁ = 3/1.

Считая, что теплоносители в теплообменнике T₁ движутся противотоком, примем T_к на десять градусов выше, чем температура другого теплоносителя на входе (t_исх).

T_к = t_исх+ 10 = 30+ 10 = 40 °С.

Для 1 кг пара теплота конденсации, по справочным данным, составляет при

200 °С 1938 кДж/кг; теплота охлаждения конденсата

(t_н - t_к) = 4,19∙(200 - 40) = 670 кДж/кг.

Отсюда, количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике, составит:

в теплообменнике Т₁ - = 670 кДж/кг;

в теплообменнике Т₂ - =1938 кДж/кг.

Определяем температуру t₃ из уравнения:

t₃ = t_исх + = 30 + 0,25(185 - 30) = 71°С.

Потери эксергии в теплообменнике T₁ определяем из уравнения:

где +273 = (200+40)/2 + 273 = 393 К - усредненная температура конденсата;+ 273 = (30+71)/2 + 273 = 323 К - усредненная температура сырья.

Отсюда следует, что

298∙0.25(393 – 323)/(393∙323) = 0,041 МДж.

Потери эксергии в теплообменнике Т₂

где =t_П + 273 = 200 + 273 = 473 К;

= (t₃+t₁)/2+ 273 = (71 +195)/2 + 273 = 406 К.

Отсюда следует, что

= 298∙0,75 (473 – 406)/(473∙406) = 0,078 МДж

Примем температуру t₄ на 20 °С выше, чем температура воды в котле-утилизато-

ре, т.е. t₄ = t_ку + 20 = 170 °С. Тогда количество теплоты, передаваемое в каждом тепюобменнике Т₃ и Т₄, будет равно соответственно

= m с (t₂ – t₄) = (185 - 170)/(195 – 30) = 0,091 МДж,

= m с (t₄ - t_кон) = (170 - 30)/(195 – 30) = 0,848 МДж.

Проверяем общую сумму теплот

= 0,25+0,75+0,091+0,848 = 1,939 МДж

Потери эксергии в теплообменнике Т₃

где = (t₂ + t₄)/2 + 273 = (185 + 170)/2 = 450К,

= t_ку + 273 = 150 + 273 = 423 К,

= 298∙0,091(450 – 423)/( 450∙423) = 0,004 МДж

Потери эксергии в теплообменнике Т₄

где = (t₄+t_кон)/2 + 273 = (170 + 30)/2 + 273 = 373K,

= (t_вн+t_вк)/2 +273 = (20 + 35)/2+ 273 = 300 К,

= 298∙0,848(373 – 300)/(373∙300) = 0,165 МДж

Общая сумма потерь эксергии во второй схеме равна

= 0,041 + 0,078 + 0,004 + 0,165 = 0,288 МДж

Отношение потерь эксергии во второй схеме

= (0,288/1,939)100% = 14,8%

Как показали расчеты, более совершенной с точки зрения использования энергии является второй вариант технологической схемы.

Необходимо отметить, что реальные схемы утилизации тепла сложнее и могут быть многоступенчатыми (рис. 9.8).

Существуют три группы методов экономии энергетических ресурсов:

1) Методы, связанные с увеличением поверхностей аппарата, времени протекания реакции, использованием более активных катализаторов, что позволяет приблизиться к равновесному состоянию на выходе из аппарата.

2) Методы, основанные на изменении технологического режима и не связанные с изменением технологической схемы, что может привести к увеличению габаритов аппарата.

3) Методы, требующие наряду с приемами, изложенными выше, изменение технологической схемы.

При разработке технологической схемы необходимо производить совместный анализ энергетического и эксергетического балансов с целью установления уровня возврата и возможности использования электрической, тепловой и меха

нической энергии с существенным сокращением потребляемой извне энергии.

Кроме того, при выборе относительного варианта технологической схемы должны быть учтены технико-экономические показатели.

a б

Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций:

а - с холодным байпасом; б - с отводом тепла реакции в выносном аппарате; в - с отводом тепла непосредственно из реактора; г - с предварительным подогревом реактивов; 1 - реактор; 2 - теплообменник; 3 - холодильник; 4 - аппарат для использования тепла реакции; 5 - подогреватель реагентов