Лекция 7 Эксергетический баланс. Классификация химических реакторов план лекции
1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНСЫ
Эксергетический баланс. Эксергетический КПД
Классификация химических реакторов.
Математическая модель реактора идеального смешения перидического и непрерывного действия.
При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для количественной оценки протекающих операций, а также для определения оптимальных значений параметров технологического процесса. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло-и массопередачи и химической кинетики, поэтому расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетически-
ми расчетами, для этого составляют материальный и энергетический балансы.
Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества ΣBприх равен его расходу Σ Bрасх .
Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде
ΣBприх = ΣBрасх .
Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.
Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Он может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, т.е. материальный баланс носит приближенный характер. Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. При этом учет массы веществ производится отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз, поэтому, в общем виде, материальные балансы выражаются обычно в виде уравнения
Вт + Вж + Вг = Вт′ + Вж′ + Вг′ , (1)
где Вт, Вж, Вг – массы твердых, жидких и газообразных веществ, поступающих в производство или на анную операцию в единицу времени;
В′т, В′ж, В′г – массы получаемых продуктов.
Иногда при проведении практических расчетов могут не приниматься во внимание отдельные фазы (твердая, жидкая или газообразная) либо в одной какой-либо фазе учитывается существование нескольких разных веществ, поэтому уравнение (1) соответственно упрощается или усложняется. При проектировании обычно задаются массой целевого продукта.
ство энергии, введенной в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу.
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СВЯЗАНЫ С ЗАТРАТОЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ – ТЕПЛОВОЙ, МЕХАНИЧЕСКОЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ. ПОСКОЛЬКУ В ЭТИХ ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ ИМЕЕТ НАИБОЛЬШЕЕ ЗНАЧЕНИЕ, ДЛЯ НИХ ОБЫЧНО СОСТАВЛЯЮТ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС.
В ЭТОМ СЛУЧАЕ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ФОРМУЛИРУЕТСЯ ТАК: ПРИХОД ТЕПЛА В ДАННОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ОПЕРАЦИИ ΣQПPИX ДОЛЖЕН
БЫТЬ РАВЕН РАСХОДУ ТЕПЛА В ТОЙ ЖЕ ОПЕРАЦИИ ΣQPACX, Т.Е.
ΣQПPИX = ΣQPACX (2)
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СОСТАВЛЯЮТ ПО ДАННЫМ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ФИЗИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ, ПРОТЕКАЮЩИХ В АППАРАТЕ, А ТАКЖЕ С УЧЕТОМ ПОДВОДА ИЛИ ОТВОДА ТЕПЛА. В ОБЩЕМ ВИДЕ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВЫРАЖАЮТ УРАВНЕНИЕМ:
QТ + QЖ + QГ + QФ + QР + QП = Q′Т + Q′Ж + Q′Г + Q′Ф + Q′Р + Q′П , (3)
ГДЕ QТ, QЖ, QГ – ТЕПЛО, ВНОСИМОЕ С ПОСТУПАЮЩИМИ В АППАРАТ ТВЕРДЫМИ, ЖИДКИ-
МИ И ГАЗООБРАЗНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ;
Q′Т, Q′Ж, Q′Г – ТЕПЛО, УНОСИМОЕ ВЫХОДЯЩИМИ МАТЕРИАЛАМИ;
QФ, Q′Ф – ТЕПЛО, ВЫДЕЛЯЕМОЕ И ПОГЛОЩЕННОЕ ПРИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРО-
ЦЕССАХ;
QР, Q′Р – ТЕПЛО ЭКЗО- И ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ;
QП, Q′П – ТЕПЛО, ПОДВОДИМОЕ В АППАРАТ ИЗВНЕ И ВЫВОДИМОЕ ИЗ НЕГО.
НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИВЕДЕННЫХ СТАТЕЙ ПРИХОДА (ИЛИ РАСХОДА) МОГУТ ОТСУТСТВОВАТЬ, ТОГДА УРАВНЕНИЕ (3) СООТВЕТСТВЕННО УПРОЩАЕТСЯ.
Балансовые уравнения, базирующиеся на законах сохранения и превращения массы и энергии, дополняют эксергетическим балансом, основанным на одновременном учете первого и второго начал термодинамики.
Уравнение эксергетического баланса в общем виде имеет следующий вид:
Σ Е`= ΣЕ``+D
где Σ Е`и ΣЕ – входящие и выходящие потоки эксергии D – потоки эксергии
Разность между приходом и расходом эксергии представляет собой потери эксергии вследствие необратимого теплообмена:
D =(E1 – E2) – (E4 – E1)
Эти потери можно рассчитать без определения эксергии потоков, зная только энтропии теплоносителей:
D1 = T0 ΔS = T0 (S4 – S3)- (S1 - S2)
Для эксергии неприменим общий закон сохранения: сумма эксергии всех элементов системы в ходе процесса уменьшается;
только при отсутствии потерь (в обратимом процессе) сумма эксергии до и после процесса остается постоянной; в каждом необратимом процессе эксергия преобразуется в энергию.
называется эксергетическим КПД, который всегда меньше единицы. Эксергетический КПД показывает степень приближения системы к идеальной. Для идеального процесса, где потери эксергии отсутствуют, n e, = 1, или 100%. Если же подведенная эксергия полностью теряется в процессе, то ne = 0.