Среднее значение теплового потока выразится также формулой

q3	=		Q3	.
		τ 5
			− τ 4

Требуемая поверхность теплообмена в этом случае будет равна

S3 = K3q3Tñð .

6-ая и 7-ая стадии. Эти стадии расчету не подлежат, так как их основной параметр – время протекания – задан.

В качестве расчетной, принимают наибольшую поверхность теплообмена из полученных.

Если в реакторе на какой-либо стадии происходит плавление, кристаллизация, испарение или конденсация компонентов реакции, то энтальпии этих процессов должны быть учтены соответствующими слагаемыми в уравнениях теплового баланса.

При проектном расчете реактора необходимо иметь данные о годовой производительности установки, о стехиометрических и кинетических закономерностях процесса и о выходе целевого продукта реакции. Разбивка процесса на стадии и определение времени их протекания входит в задачу такого расчета. Основным результатом проектного расчета является определение основных конструктивных размеров реактора и его теплопередающих поверхностей.

Сложность проектного расчета заключается в зависимости конструктивных размеров аппарата и времен проведения процесса на стадиях 3, 4 и 5. Здесь приходится составлять систему материальных и тепловых балансов совместно для всех трех стадий и решать ее любыми численными методами (чаще всего методом последовательных приближений).

9.7. 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

222

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 одной 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+Qn,

где – Qn – это энергия, которая не используется в технологической системе.

	Если предположить, что
	Qn=0,	а Q2=Q1,
	то тепловой (энергетический) коэффициент
	полезного действия (КПД)
Рис. 9.4	η =	Q2 = 1
		Q1

Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет технологически оформлен, при правильном подсчете всех энергетических потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к единице, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного уравнения энергетического баланса неясно, используется энергия Q2 где-то или нет.

Таким образом, энергетический баланс не дает полной информации, прежде 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:

е Eâõ = е Eâû õ ,

тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе равен

еEâû õ

ηå = е Eâõ = 1.

Влюбом реальном процессе вследствие его необратимости

223

е Eâû õ < е Eâõ

и тогда

еEâû õ

ηe = е Eâõ < 1.

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

D = е Eâõ − е Eâû õ .

По существу, е Eâõ является суммой всех энергетических затрат на

осуществление данного процесса, а е Eâû õ − обобщенная валовая произво-

дительность агрегата.

Таким образом, ηе 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, ηθ	Эксергетический,
			ηе
	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 табл. 9.12 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 хими- ко-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:

−эксергия теплового процесса [Eq];

−эксергия вещества [Eв];

−эксергия химическая [Ex];

−эксергия нулевая [E0].

Тогда эксергетический баланс можно изобразить так, как это показано на рис. 9.5.

224

Рис. 9.5

Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно записать в следующем виде:

е Eqâõ + е Ebâõ + е Exâõ + е Lâõ = е Eqâû õ + е Ebâû õ + е Exâû õ + е Lâû õ + е D .

Вобщем виде эксергетический коэффициент полезного действия равен

еEâû õ

ηe = е Eâõ .

Если е	Eâõ = 0, то е Eâû õ = 0 , тогда уравнение эксергетического ба-
ланса запишется следующим образом:
	е Eâõ = е Eâû õ + е D ;
	е Eâû õ = е Eâõ − е D ;
и	η e = е Eâõ − е D .
	е Eâû õ

Для приближенной оценки степени совершенства процессов можно использовать эксергетические потери.

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

Внутренние потери чаще 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 различными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.

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

Пример 9.8. 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 tисх=30 °С;

−теплоемкость сырья и продуктов реакции не меняется;

−тепловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;

−конечная температура продуктов реакции tкон=30 °С;

−температура сухого насыщенного пара tп=200 °С;

225

−процесс конденсации пара изотермический;

−количество тепла, необходимое для нагревания сырья от tисх до t1, равно 1 МДж;

−температура в котле утилизаторе tку=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:

е D T = DT1T + DT2T + ...;

D Τ = T0 ЧQ ЧTa −ЧÒb ; Òa Òb

где Т0=298К;

Q – теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Ta к другому – со средней температурой Тб.

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

Qî õë = m Чc Ч(tê − tí )

где tн и tк − температуры теплоносителя на входе и выходе.

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

Qí àãð = m Чc Ч( t1 + tèñõ ) = 1									откуда
m Чc =				1			, МДж/К.
	t		− t		èñõ
1
Тогда количество теплоты на охлаждение равно
Qî õë = m Чc Ч( t2 − tèñõ ) =				1				Ч( t2	− tèñõ ) = 0,939 МДж.
		t		− t		èñõ
1

Отметим, что сумма е Q = Qí àãð + Qî õë = 1+ 0,939 = 1,939 МДж сохра-

няется постоянной во всех схемах.

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

Потери эксергии в теплообменнике Т1 равны

DT1T = T0 ЧQT1 ЧTïT1 − TcT1 , TïT1 ЧTcT1

где	QT1 = Qí àãð = 1 МДж,

средняя температура сырья равна

226