T = tèñõ + t1		+ 273 =	30 + 195 + 273 = 386 К.
c	2		2

Рис. 9.6. Технологическая схема 1: T1 и Т2 – теплообменники

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

Тп=tп+273=200+273=473K;

DT1T = 298Ч1Ч473 −Ч 386 = − 0,142 МДж. 473 386

В теплообменнике Т2

							TT2	− TT2
		DT2T = T0				ЧQT2 Ч	ï ð		â		,
							T		T
							Tï ð2		ЧTâ	2
	где	QT2 = Q			=	0,939 МДж.
		î õë
	Средняя температура продуктов реакции равна
	ΤñðΤ2 =	t2 + têî í		+ 273 = 185 + 30 +						273 = 380К,
		2
						2
	а средняя температура воды			20 +		35 + 273 = 300 К;
		ΤâΤ2 =
					2	380 − 300
	DT2T = 298Ч0,939 Ч 380 Ч300								= 0,196 МДж.
	Общие потери эксергии по первой схеме равняются:
	е D1T =	DT1T + DT2T =				0,142 + 0,196 = 0,338 МДж.

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

De =	е	D1T	Ч100% =	0,338	Ч100 = 17,4% .
	е			1,939
		Q

227

Второй вариант технологической схемы включает котел-утилизатор и возможность использования теплоты конденсата водяного пара для подогрева исходного сырья (рис. 9.7).

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

Рис. 9.7. Технологическая схема 2

Как следует из условий, общее количество теплоты, передаваемой в теплообменниках Т1 и Т2, равно 1 МДж. Принимаем, что распределение теплоты по этим теплообменникам прямо пропорционально количеству теплоты, отдаваемой килограммом конденсирующегося пара при его охлаждении от (tn) до температуры конденсата на выходе из теплообменника

Т1−(tк), т. е.	Q2	=	3
			1 .
	Q

Считая, что теплоносители в теплообменнике Т1 движутся противотоком, примем tк на десять градусов выше, чем температура другого теплоносителя на входе (tисх).

Tк=tисх+10=30+10=40 °С.

Для 1 кг пара теплота конденсации, по справочным данным, составляет при 200 °С − 1938 кДж/кг; теплота охлаждения конденсата

Qê = 1ЧCH2O ( tí − tê ) = 4,19 Ч( 200 − 40) = 670 кДж/кг.

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

втеплообменнике Т1 − QT1 = 670 кДж/кг;

втеплообменнике T2 − QT2 = 1938 кДж/кг. Определяем температуру t3 из уравнения:

		QT1			°С.
	t3 = tèñõ +	m Чc = 30 + 0,25Ч(185 − 30) =		71

Потери эксергии в теплообменнике Т1 определяем из уравнения:

DT1T = T0 ЧQT1 ЧTêT1 − TñT1 , TêT1 ЧTñT1

228

где

TT1

= tí

+

tê + 273 = 200 +

40 + 273 = 393 К −

усредненная температура

ê

2

2

конденсата;

TT2

=

tèñõ + t3

+ 273 = 30 + 71 + 273 = 323 К − усредненная температура сырья.

ñ

2

2

Отсюда следует, что

393 −

323

DT1T = 298Ч0,25Ч

= 0,041

МДж.

393Ч323

Потери эксергии в теплообменнике Т2

TΤ

2

TΤ2

− TΤ2

2

ï

c

TT2

D

T = T0

ЧQ

Ч

TïΤ2 ЧTcΤ2

,

где

= t

ï

+ 273 = 200 + 273 = 473К;

ï

= t3 + t1

+ 273 = 71+ 195 + 273 = 406 К.

TΤ2

c

2

2

Отсюда следует, что

473 −

406

DT2T = 298Ч0,75Ч

= 0,078

МДж.

473Ч406

Примем температуру t4 на 20 оС выше, чем температура воды в котле-у- тилизаторе, т. е. t4=tку+20=170 °С. Тогда количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике Т3 и Т4, будет равно соответственно

QT3	= m Чc Ч( t2 − t4 )		=	1			Ч(185			− 170) = 0,091МДж;
					195 − 30
QT4	= m Чc Ч( t4 − têî í		)	1					Ч(170 − 30) = 0,848 МДж.
				=
						195 − 30
Проверяем общую сумму теплот:
е Q = QT1	+ QT2 + QT3 + QT4			= 0,25 + 0,75 + 0,091+ 0,848 = 1,939 МДж.
Потери эксергии в теплообменнике Т3
		TΤ						TΤ3 − TΤ3
				ï ð						êó
		D 3T	= T0 ЧQ 3 Ч								,
								TïΤð3 ЧTêóΤ3
где		t2 + t4		+ 273 = 185 + 170 = 450 К;
	TT3 =
	ï ð	2		2
	TêóT3
		= têó + 273 = 150 + 273 = 423К;
						450 − 423
	DT3T = 298Ч0,091Ч 450 Ч423									= 0,004 МДж

Потери эксергии в теплообменнике Т4:

229

TΤ

=Q 0 Ч

4 Ч

ΤïΤð4 − ΤâΤ4

DΤ4T

,

ΤïΤð4 ЧTâΤ4

где

t4 +

têî í

273 = 170 +

30 + 273 =

TΤ4

=

+

373К;

ï ð

2

2

TΤ4

=

tâí

+ tâê

+

273 =

20 +

35 +

273 =

300 К;

â

2

2

373 −

300

DT4T = 298Ч0,848Ч 373Ч300

=

0,165МДж.

Общая сумма потерь эксергии во второй сумме равна

е

D2T = DT1T + DT2T + DT3T +

DT4T =

0,041+ 0,078 +

+ 0,004 + 0,165 =

0,288 Ì Äæ.

Отношение потерь эксергии во второй схеме

е

D2T

=

0,288

Ч100%

=

14,8%

е

Q

1,939

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

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.

Существует три группы методов экономии энергетических ресурсов:

230

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 механической энергии с существенным сокращением потребляемой извне энергии. Кроме того, при выборе относительного варианта технологической схемы должны быть учтены технико-экономические показатели.

231