Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний

університет

Конспект лекцій з курсу

„Енерготехнологія хімічних виробництв”

Для студентів за фахом:

6.091603- Хімічна технологія неорганічних речовин

Затверджено

редакційно-видавничою секцією

науково-методичної ради ДДТУ

__________2008р., протокол №__

Дніпродзержинськ

2008

Лекція № 1. Значення курсу та його роль у становленні інженера хіміка-технолога.

1.1	Організаційні питання	10хв
1.2.	Обсяг та задачі курсу	20хв.
1.3	Основні позначення величин та їх розмірність	15хв.
1.4	Енергетичні проблеми та добробут суспільства	45хв

1.1 Ознайомлення з контингентом студентів. Порядок проведення занять, розклад. Відношення до матеріальних цінностей, поведінка на лекціях. Порядок здачі заліків та екзаменів, відвідування лекцій.

2. Термін «хімічна енерготехнологія» в останні роки отримує все більше розповсюдження. Під ним слід розуміти сукупність знань про сумісне виробництво продуктів та енергії в хімічній технології, а також про економні витрати енергетичних ресурсів. Поява хімічної енерготехнології є природним слідства розвитку хімічної технології, що викликаний збільшенням обсягів виробництва хімічних продуктів, зростом одиничної потужності агрегатів і, відповідно, енергетичних затрат. На першому етапі розвитку технології головною задачею є розробка методів виробництва продуктів. На подальших етапах вирішуються задачі поліпшення якості продукту, економного витрачання матеріалів, збільшення продуктивності апаратури. По мірі рішення цих задач виникає проблема економного витрачання енергетичних ресурсів і, в кінцевому рахунку, оптимізація процесу в цілому за економічними критеріями.

Головна задача курсу – забезпечити засвоєння основних принципів термодинамічного аналізу та розвити практичні навички його застосування, необхідні при вивченні конкретних хіміко-технологічних схем різного ступеню складності в подальших курсах загальної хімічної технології та спеціальних дисциплін.

Даний курс має велике прикладне значення, так як передбачає вивчення теоретичних основ та методів економії енергії в хімічній технології та ознайомлення студента з практичними результатами застосування цих методів в хімічній та металургійній промисловості.

Наукову основу для рішення задачі економії енергії дає термодинаміка (предметом якої є дослідження перетворення енергії) і, конкретно, термодинамічний аналіз. Суть його витікає з двох законів термодинаміки, а методи аналізу докладно описані у літературі з технічної термодинаміки. Звичайно інженер-технолог використовує термодинаміку фазових та хімічної рівноваги з метою вибору режиму, який відповідає максимальному виходу продукту або максимальної ступені його видобування, для розрахунку технологічного режиму і технологічної схеми, для розрахунку енергетичних затрат. Однак, термодинамічний аналіз, мета якого зниження енергетичних затрат, більшості хіміків-технологів незнайомий. Тому, природно, що його можливості не використовуються для пошуку способів зниження енергозатрат. Дійсно, до багатьох ідей інженери приходять або інтуїтивно, або завдяки великому практичному досвіду. Однак, невміння застосовувати «термодинамічний метод мислення» приводить до того, що поряд з раціональними, з точки зору енергетики, технічними процесами можуть сусідувати нераціональні процеси.

2. Основні позначення величин.

А	механічна (або електрична) робота
Аn	Енергія (безповоротно втрачена робота)
a	активність
С	теплоємність
Е, е	ексергія, питома ексергія
Е^+,Е^-	відповідно ексергія на вході в систему та на виході з неї
Еа, Еg	ексергія тепла
Етр	«транзитна» ексергія
е^о	ексергія у точці відліку
Ет, ер, ех	відповідно «термічна» ексергія, ексергія тиску та ексергія хімічна
ēх, і	парціальна мольна ексергія
F	поверхня тепло- та масообміну
G	ізобарно-ізометричний потенціал (енергія Гіббса)
Н	ентальпія
К	константа рівноваги
Ка, Кf, Кх, Кр	константи рівноваги, виражені відповідно через активності, летючості, концентрації, та парціальний тиск.
	кінетичний коефіцієнт (коефіцієнт масо- та теплопередачі)
L	кількість рідини, що подається в одиницю часу
N	потужність електроприводів
ni	число молей і-го компоненту
P	тиск
P0	тиск в точці підрахунку
pi	парціальний тиск
Q	потік тепла
S	ентропія
T	абсолютна температура
T0	температура в точці обліку
	внутрішня енергія
V, 	об’єм, питомий об’єм
	швидкість процесу
x, y	відповідність концентрації речовини у рідкій та газовій фазах
 y	середня рушійна сила процесу
, e	«валовий» енергетичний ККД, що дорівнює відношенню суми ексергія потоків на виході з системи до суми ексергія на вході в неї
	«цільовий» («від’ємний») ексергетичний ККД
ei	ексергійний ККД технологічної частини процесу без урахування термохімічної енергії, що вироблена
e, en	ексергійний ККД енергетичної частини
e, эт	ексергійний ККД енерготехнічної схеми
а	«тепловий» ККД, що дорівнює відношенню кількості тепла, що відводиться з системі та корисно використовується , до кількості тепла, підведеного до системи.
i	хімічний потенціал і-го компонента
	швидкість наростання ентропії
=E/H	відносна працездатність
З	приведені затрати
П	коефіцієнт проникності мембрани
Э, Эу	енергетичні затрати, енергетичні питомі затрати

2. Енергетичні проблеми, які були інтересні до недавнього часу лише для вузької групи технологів та управлінців, в теперішній час приймають значення шкали цінностей та дій для всіх людей.

Зв'язок між добробутом суспільства та розвитком енергетики відомий. Енергетика робить вклад в добробут, забезпечуючи такі області споживання, як теплопостачання, освітлення та приготування їжі, а також забезпечує необхідною енергією виробництво та транспорт.

До недавнього часу у співвідношенні «енергетика – добробут» на першому місці стояла переважно ця вигідна сторона. Разом з тим затрати на енергетику, включаючи не тільки грошові та інші ресурси, направлені на отримання та використання енергії, але і витрати, пов’язані з захистом навколишнього середовища та соціально-політичними проблемами, знижує рівень добробуту.

За останній час першочергове значення має саме ці негативні тенденції. По-перше, виникла стійка тенденція до зросту вартості енергії. Так, при енергетичних системах і технологіях, що маються, використання енергії споживача та при схемах її споживання (що склалися) більшість промислово розвинутих країн уже підійшло до тієї межі, коли з подальшим зростом виробництва енергії витрати починають перевищувати прибуток. По-друге, величезна частка тиску на навколишнє середовище, що приходиться на енергопостачання, тепер порушує природні ресурси уже в глобальному масштабі. Серед екологічних проблем, пов’язаних з розвитком енергетики, самою погрожуючою є проблема глобального потеплення. Проблеми забруднення навколишнього середовища та безпеки експлуатації обладнання, що виробляє енергію, які були досі локальними, приймають раціональний або глобальний характер. В теперішній час людство стоїть перед дилемою: з одного боку, без енергії не можна забезпечити матеріальний добробут людини, з другої – збереження існуючих темпів її споживання може призвести до руйнування навколишнього середовища і, як наслідок, до зниження життєвого рівня і навіть до загрози нашого існування.

Для того, що згладити протиріччя між енергетикою, економікою та екологією, необхідно досягти більш правильного розуміння нинішньої ситуації, можливостей та бажаного напряму її розвитку.

В якості рішення проблеми дії енергетики на навколишнє середовище часто пропонують економію енергії. Тут, безумовно, є великі резерви. Так, якщо ККД парових машин в середині пришлого віку складав 3-5%, то сучасні комбіновані системи, що складаються з газової та парової турбін, мають ККД, що сягає 42%, таким чином маємо 10-кратну економію енергії. Поряд з тим практично у всіх країнах світу спостерігається тенденція росту виробництва первісної енергії.

В минулому найбільша доля енергії, яка використовується з промисловими цілями, приходилась на нафту та газ, а їх споживання збільшувалось кожні 15-20років. Якщо така швидкість буде зберігатися в подальшому, то в найближчі 30-40років первісні запаси вичерпаються на 88%. Щодо кам’яного вугілля, то його добича та використання створюють велику кількість екологічних проблем.

Отримання ядерної енергії чи навряд знайде широке застосування, перш ніж будуть створені реактори нового покоління із помітно покращеними характеристиками безпеки і перш, ніж проблема видалення радіоактивних відходів буде вирішена реально, а не на папері.

Для того, щоб піддержувати сучасний рівень добробуту, людству прийдеться перейти на нові системи енергопостачання. Щоб забезпечити економічний розвиток людства без значних витрат, які можуть звести на ньому всі вигоди, треба ще швидше переходити на екологічно більш чисті технології виробництва енергії. Для цього вкрай важливо прискорення досліджень та розробок по використанню перспективних альтернативних джерел енергії.

У світі щорічно спалюється до 10млрд.т. палива в нафтовому еквіваленті (н.е.), з них 50% приходиться на розвинені країни та 50% на інший світ. Якщо б усі країни досягли б рівня життя розвинених країн, то витрати енергії у світі виросли б до 35-40млрд.т. на рік. В цьому випадку виникла би загроза існування всього земного світу з-за надмірного забруднення навколишнього середовища, в тому числі і теплового. В зв’язку з цим розвиток енергетики зараз і в перспективі повинен вирішити дві задачі. Перша – знайти більш ефективні засоби використання існуючих видів палива а друга – розробити нові методи забезпечення людства енергією.