Основы проектирования химических производств

СТЕПЕНЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Применение прогрессивных энергосберегающих технолог ических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудова­ния являются важными задачами химического производст ва.

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 высокотемперагурпой зоне (например, печи). При этом охлаж­даемые поверхности используются в качестве испарителей для получе­ния водяного пара.

Первым шагом но 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:

С?, = &+а,

Где ()', — энергия, которая не используется в технологической системе.

Если предположить, что 0п = 0, а

2 = 0/, то тепловой (энергетический) коэффициент полезного действия (КПД) Т| = 02Ю} = 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 единице, 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, 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:

= ££’пых,

9.6. Степень термодинамического совершенство технологических процессов 2 1 I тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе

Гвых

—— = 1 '|£> - ££• ВХ 1-

В любом реальном процессе вследствие его необратимости

X г“» < £ £вх

И тогда V гвых

П = ■ < 1

Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффи­циент полезного действия (г|е) всегда меньше единицы, на величину эксергетических потерь (А/))

Ди = ^ЕВ* - Х^вых.

По существу, £ £“ является суммой всех энергетических затрат на осуществление данного процесса, а ^Г£вых— обобщенная валовая производительность агрегата.

Таким образом, Т]г 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.

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 хи - мико-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:

— теплового процесса [£ ];

— вещества [Еь]

— химическая [Ех]

— нулевая [£0].

+. Агрегат, в котором --------- ►Е£“ых Протекает типовой

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

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

X Е? + XЕ? + XЕ? + 11Г = X Е™ +1ЕГ +XЕГ + X Iм* + X Л

В общем виде эксергетический коэффициент полезного действия

Если ХЯ" = то Х^8“* = тогда уравнение эксергетического баланса запишется следующим образом:

££■“

= ££“ -£Д;

Л« X £вых

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 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 технологическою оформления.

Пример 9.9. Условия проведения процесса н реакторе:

— сырье поступает в реактор при температуре г, = 195 “С;

— продукты реакции выходят ил реактора с температурой Л = 185 С:

— исходная температура сырья /11СЧ - 30 °С;

— теплоемкость сырья и продуктов реакиии не меняется;

— тепловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;

— конечная температура продуктов реакции = 30 °С;

— температура сухого насыщенного пара ({i = 200 °С;

— процесс конденсации пара изотермический;

— количество тепла, необходимое для нагревания сырья от tn<iX до /,, равно I МДж;

— температура в котле-утилизаторе = 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 (.0ЛТ).

Расчет производится по формулам:

ХАч - Dl + Dil + ...;

ОЛТ = Т0 Q

Где Г0 = 298 К; Q — теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Га к другому — со средней температурой 7fi.

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

ЦU = rn-c (tK - г),

Где /н и Vк — 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

Qhu rp = rn-c-(t[ +/исх) = 1,

Откуда

Т-с--—-—, МДж/К.

I — нсх

Тогда количество теплоты на охлаждение

Оохл = т ■ с (/, - /ис<) = - у - • (t2 - (мх) = 0,939 МДж.

*1 1 исх

Отметим, что сумма 10 = <и + е«л = I +0,939 = 1,939 МДж сохраня­ется постоянной во всех схемах.

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

Потери эксергии в теплообменнике Г, равны

Тъ — ТЪ пЪ - т Оъ л с г т’т,; тъ 7

* п * с

Где 0Т' = ф - 1 МДж, средняя температура сырья

Тс = Ь*±Ь. + 273 = 30 + 195 + 273 = 386 К.

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

7; = /л + 273 = 200 + 273 = 473 К;

= 298-1 44773з;з388б6 = -0,142 МДж.

В теплообменнике 7^

ТЪ - ТЪ пЪ _ т ■ Пт2 ■ пр в игЛ ~ у0 £ 'рЬ ’

Где 01} = 0ОХЛ = 0,939 МДж.

Средняя температура продуктов реакции

7$ - ‘2 + /|Ц>" + 273 = 185 + 30 + 273 = 380 К,

А средняя температура ноды

Тъ = 20 35 + 273 = 300 К;

ЗХП - ЗОН

В]} = 298 0,939 У8Ц0 Зд0и = 0,196 МДж.

Обшие потери эксергии по первой схеме равняются:

X = 0,142 + 0,196 = 0,338 МДж.

Потери эксергии, отнесенные к сумме теилот на нагревание и охлаждение продуктов реакции (Д.) сырья, равны

11 0,338

= Т<Г 100% = 100 ~17,4%

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 и гА.

Как следует из условий, общее количество теплоты, передаваемой в теп­лообменниках и Т2, равно 1 МДж. Принимаем, что распределение теплоты по этим теплообменникам прямо пропорционально количеству теплоты, отдаваемой килограммом конденсирующего пара при его охлаждении от (/п) до температуры конденсата на выходе из теплообменника Г, — (/„), т. е.

А/о-VI.

Считая, что теплоносители в теплообмен нике Т движутся противотоком, примем на десять градусов выше, чем температура другого теплоносителя на входе (/ ).

= Ю=30+ 10 = 40°С.

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

£?к = 1 ^,1,0 (/„ - /„) = 4,19 (200 - 40) = 670 кДж/кг.

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

В теплообменнике Тк — (2Т' = 670 кДж/кг; в теплообменнике Т2 — (Я* =1938 кДж/кг.

Определяем температуру г3 из уравнения:

И = ^ = 30 + 0,25. (185 - 30) = 71 "С.

Потери эксергии в теплообменнике Тх определяем из уравнения:

Т П __ т’т,

Да=г,-от'- ^ ^,

Где 771 = 2 + 273 = ^ + = ^ — УсРеДненная температура

Конденсата; Тс1} = + 273 = ^ + 273 = 323 К — усредненная темпе­

Ратура сырья.

Отсюда следует, что

Яоч —

11 = 298 0,25 393 , ззз = °’041 МДж-

Потери эксергии »теплообменнике Г,

Тъ _ тъ

О& = Т0 -<?т>

7:т-> • ет> ' +

2

Где Т„'* = /п + 273 = 200 + 273 = 473 К; 7^ = + 273 = + 273 = 406 К.

Отсюда следует, что

474 - 406

£$ = 298 - 0,75 ^?3 4()6 = 0,078 МДж.

Примем температуру 1А на 20 °С выше, чем температура поды н котле-ути­лизаторе, т. е. /4= (ку + 20 - 170 °С. Тогда количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике 7 и Тл, будет равно соответст венно

<2Т' = т ■ с ■ (/2 - и) = 1951_30 ■ (185 - 170) - 0,091 МДж;

<2Г* = т ■ с ■ {и - /«,„) = ]95!_30- (170 - 30) = 0,848 МДж.

Проверяем общую сумму теплот:

Х(2 = (2Т| +СГ2 +<?Тз + <2Т‘ = 0,25+ 0,75+ 0,091+ 0,848 = 1,939 МДж. Потери эксергии в теплообменнике Т}

Тъ _ тъ - Т ■ Г>ъ. |ГР *у - НУ ТЪ. 7-Тз ’

■ лр 1 ку

Где

7} ^^А+ 273= 185^170 =450К;

Т£ = /ку + 273 = 150 + 273 = 423 К;

450 - 423

Д&. = 298 • 0,091 450 ^23 = 0,004 МДж‘

Потери эксергии в теплообменнике ТА:

ТЪ _ ТЪ

/)т“ = Т О7* • Пр к

"дГ -*0 У 'Т’Т4 . ТТ» * пр в

Где

ГТ4 = + 273 = 170^30 + 273 = 373 к_

77« = -п-н' * /р* + 273 = 20^35 + 273 = 300 К;

Я73 - 300

= 298-0,848- з? з ^ = 0,165 МДж.

Общая сумма потерь эксергии во второй схеме равна £В1г = £>йТ|, + О!1, + Д& + = 0,041 + 0,078 + 0,004 + 0,165 = 0,288 МДж.

Отношение потерь эксергии во второй схеме

^-4^.100%= |4.**.

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

>

Q^ | 'z~vN

©

В г С?2

Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций: а — с холодным байпасом; б — с отводом тепла реакции в выносном аппарат«; в — с отво­дом тепла непосредственно из реактора; г— с предварительным подогревом реактивов; /—реактор; 2 —теплообменник; 3 — холодильник; 4— аппарат для использования тепла реакции; 5— подогреватель реагентов

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