2. Общие принципы энергосберегающих технологий.

2.1. Экономия энергоресурсов

Экономия энергоресурсов  важнейшая задача современной техники. Процессы химической технологии в развитых странах используют 1520  всех энергоресурсов. Энергетические затраты в химических производствах могут составлять 1080 от себестоимости продукции. Кроме того, часто сырьем в химико технологических процессах являются потенциальные энергоносители: нефть и ее фракции, уголь, природный газ и т.д. Поэтому все чаще процессы химической технологии рассматривают как процессы “химической энерготехнологии”, подразумевая по этим термином комплексное решение проблем химической переработки и трансформации энергии.

Очень часто при разработке технологических процессов химики на основании исследований химических и фазовых превращений, кинетики превращений и массообменных процессов определяют условия, обеспечивающие “максимальную” степень превращения , степень извлечения, производительность. Снижение энергетических затрат путем уменьшения термодинамической необратимости технологических процессов неизбежно связано с уменьшением их движущей силы и, следовательно, уменьшением скорости и ухудшением технико-экономических показателей. Это противоречие для классической термодинамической оптимизации объективно, но оно может быть устранено с использованием эксергетического анализа, при котором учитывается не только количество энергии, но и ее качество-техническая работоспособность.

Наиболее интересным примером практического применения энергетической оптимизации является создание энерготехнологии производства аммиака.

2.2. Энергетический баланс технологических процессов.

Энергетический баланс технологических процессов составляется на основе первого начала термодинамики. Обычно при этом используется соотношение

где  это все энергетические потоки, включая потери энергии в окружающую среду и трансформацию различных форм энергии ( теплота  работа  электричество). Энергетический баланс составляется для систем технических установок с четкими границами.

Для составления теплового баланса необходимы детальные сведения о количестве материальных потоков, их теплоемкости, изменениях температуры, потерях тепла, тепловых эффектах химических процессов, энтальпиях фазовых переходов и т.п.

где М  массовый расход, с  теплоемкость.

Энтальпии фазовых переходов

Энтальпии реакции

Потери тепла в окружающую среду через стенку

Простейший пример  тепловой баланс выпарки



 

подведенное отведенное

тепло тепло

Баланс:

Если потери невелики  , то . Часто для оценки энергетической эффективности процесса используется тепловой или термический к.п.д. В общем случае

В рассматриваемом выше случае , но это не является еще свидетельством совершенства технологического процесса, поскольку не всегда используются в качестве вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и в значительной мере безвозвратно теряется. Это будет обнаружено только после расширения границ системы в энергетическом балансе. Использовать в виде ВЭР труднее поскольку практически всегда снижается качество теплового потока, так как  . Такой процесс без потери качества можно было бы провести в квазистатических условиях при . Только в этом случае качество вторичного тепла будет таким же, как .

Однако проводить реальные технологические процессы в квазистатических условиях чаще всего невозможно, поэтому неизбежно понижается качество тепла, возможность его повторного использования даже при малом изменении количественных характеристик энергии. В реальных процессах и  , что соответствует неравенству S₁ S₂ , где S₁, S₂ энтропии теплоносителя и отводимого потока. Это неравенство является следствием второго начала термодинамики.

Из этого следует, что формально снижение энергетических затрат может быть достигнуто уменьшением “производства” энтропии. Но это может достигаться снижением движущей силы технологических процессов, т.е. снижением производительности. Кроме того, снижение движущей силы не обязательно ведет к обратимости протекающих процессов. Причем отсутствие движущих сил для обратимых процессов должно быть на входе  выходе аппаратов , но и в каждой точке.

Таким образом, установление степени энергетического совершенства технологических процессов требует новых подходов, выходящих за пределы традиционного анализа методами феноменологической термодинамики. Выбор таких критериев оправдан только тогда, когда нужно выпустить продукт любой ценой. Химики-технологи обычно стремятся обеспечить условия для “максимального выхода продукта”, “ максимальной степени использования сырья” и в энергетике часто не видят предмета исследования. Однако потери энергии чаще всего связаны с технологией и для рационального использования энергии необходим одновременный анализ и химико-технологических процессов, и энергетики. Научная основа такого анализа  термодинамика. Применение термодинамики плодотворно на любом этапе реализации процесса: при проектировании, при совершенствовании действующих установок.

Классический тепловой (энергетический) баланс позволяет установить основные источники потерь энергии. Применение второго начала значительно расширяет возможности термодинамического анализа и позволяет оценить степень термодинамического совершенства технологических процессов и судить о потенциальных возможностях их совершенствавания.