Теоретические основы энерготехнологии химических производств

УДК 621.1.01 (075.8)+536.24 С21

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент, нач.техн.отдела

ООО "ЛУКойл-ПНОС" Н.П.Углев

Кандидат технических наук, доцент Пермского государст­ венного технического университета В.В.М араков

Саулии Д.В.

С21 Теоретические основы энерготехнологии химических производств: Конспект лекций /Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 1999. 150 с.

ISBN 5-88151-217-0

Этот конспект лекций является учебным пособием для курса "Теоретиче­ ские основы энерготехнологии химических производств", который преподается в Пермском государственном техническом университете (ПГТУ) для студентов химико-технологических специальностей четвертого года обучения.

В соответствии с программой курса в конспекте лекций изложены основы технйческой термодинамики, приведены сведения по теории горения топлив, конструкциям сжигающих устройств, расчету материальных и тепловых балан­ сов, экологическим проблемам сжигания топлив и их решению, оптимизации процессов, связанных с выработкой, потреблением и передачей тепла и т.д.

Стиль и объем изложения материала носят технологическую направлен­ ность и предусматривают наличие у студентов знаний по курсам: "Физическая химия", "Процессы и аппараты химической технологии", "Общая химическая технология" и "Теория технологических процессов".

около 300-340 руб./нм3 или примерно 1,6-1,8 USS/ГДж, что практически равнялось ценам на газ з США (1,8-2,5 Ш$/ГДж). Этот рост цен наряду со значительной энергоемкостью отечественных производств превратил их из высокодоходных в убыточные.

Из сказанного выше следует, что для повышения рентабельности и конкурентоспособности отечественной химической промышленности не­

тилась тенденция на модернизацию существующих технологий с целью снижения их энергоемкости в первую очередь.

В настоящее время на мировом рынке технологий многие инжини­ ринговые фирмы представляют различные варианты модернизации про­ изводств, которые позволяют экономить различное количество энергии. Как правило, производство после такой реконструкции требует более же­ сткой технологической дисциплины, нежели ранее. Кроме того, немало­ важным становится оперативное управление технологией, которое позво­ лит избежать излишних затрат сырья и энергии. При наличии рыночных отношений и изменяющихся цен на сырье и продукцию существуют три требования к управлению производством:

1.Максимальный выпуск продукции (быстрая продажа) применяет­ ся при наличии выгодных условий на поставку большого количества про­ дукции и, как правило, не соответствует оптимальным расходным нормам сырья и энергии.

2.Минимальный выпуск продукции (работа на склад) позволит со­ хранить квалифицированные кадры и получить меньше убытков, связан­ ных с остановкой, пуском и простоем производства при существовании

экономически невыгодных условий на поставку продукции. Величина минимального выпуска продукции, как правило, определяется совершен­ ством энерготехнологической схемы.

3. Минимальная себестоимость продукции (работа на склад и про­ дажу), т.е. работа с минимальными расходными нормами сырья и энер­ гии позволяет получить максимальную прибыль при нормальном режиме эксплуатации производства (без авралов и остановок), однако требует оп­ тимального управления производством.

Естественно, это приводит к тому, что повышенные требования на­ чинают предъявляться к качеству инженерной подготовки технологиче­ ских кадров, которые в будущем будут управлять производством и про­ водить его реконструкцию. Поэтому, наряду с "Общей химической техно­ логией", "Процессами и аппаратами химической технологии", "Экономи­ кой" и др., "Энерготехнология" - общеинженерная дисциплина, изучаю­ щая методы получения, преобразования, передачи и использования энер­ гии и связанные с этим аппараты и устройства, приобретает все боль­ ший вес в цикле общеинженерных дисциплин.

Цель преподавания дисциплины "Энерготехнология" - изучение ос­ новных принципов и методов получения, преобразования, передачи и ис­ пользования энергии и связанных с этим аппаратов и устройств, а также принципов термодинамического анализа и его применения при создании и эксплуатации химико-технологических и энерготехнологических аппа­ ратов и схем различной степени сложности, изучаемых в последующих курсах специальных дисциплин. Данная дисциплина изучается студента­ ми четвертого года обучения химико-технологических специальностей, т.к. она тесно связана со следующими предметами:

"Общая и неорганическая химия" (строение вещества, природа хими­ ческих связей, межмолекулярные взаимодействия);

"Физика" (молекулярно-кинетическая теория газов, теория жидкого и твердого состояния, циклы в идеальном газе);

"Математика" (дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения, системы сложных уравнений);

"Физическая химия" (весь курс);

"Процессы и аппараты химической технологии" (весь курс); "Теория технологических процессов" (весь курс); "Общая химическая технология" (весь курс).

I . ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

/./. Основные понятия и определения

Энергией называется общая мера различных форм движения материи, которые способны превращаться друг в друга. Из ранее изученных курсов известно, что основными видами энергии, которые достаточно широко используются в химической технологии, являются:

-тепловая, применяется для нагрева, сушки, выпарки и т.д.;

-механическая, применяется для перемещения оборудования, мате­ риалов, сырья и т.п.;

-электромагнитная, применяется в промышленности для разложе­

ния, нагрева, совершения механической работы и т .д .;

-химическая, вырабатывается в гальванических элементах, аккуму­ ляторах и т.д. ;

-световая, используется при фотохимических реакциях, фотосинте­ зе и т.д. •

-внутриядерная, выделяется при радиоактивном распаде.

Термодинамика - это наука об энергии и об ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных процессах, проходящих в мак­ роскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Если применить понятие "макроскопические системы" к технологическим системам, то тогда более правильно следует говорить о технической термодинамике, которая изучает закономерности взаимного превращения теплоты и работы, а также свойства тел, участвующих в этом превраще­ нии, и процессов, протекающих в различных аппаратах и технологиче­ ских машинах.

В изучаемых ранее курсах "Физика" и "Физическая химия" было по­ казано, что теплота и работа являются двумя формами передачи энергии от одного тела к другому. Мерой энергии, передаваемой этими двумя эк­ вивалентными формами передачи энергии, в системе СИ является джо­ уль. Однако в большинстве химических технологий часто приходится иметь дело не с массой вещества (кг или м3), а с его потоком или расхо­ дом (кг/с или м3/с), который несет с собой некоторое количество энергии и может за ее счет совершить некоторую работу. Поэтому в технологии большую роль играет не теплота и работа, а количество джоулей переда­ ваемой теплоты или количество джоулей совершаемой работы в единицу

времени (Дж/с или ватт), т.е. поток энергии или мощность. Обмен энер­ гией в форме теплоты или работы может осуществляться только между термодинамическими системами.

Существуют следующие типы термодинамических систем:

1 .Открытые, которые обмениваются веществом с другими система­ ми (рис. 1.2,6),

2. Закрытые, т.е. термодинамические системы, у них обмен вещест­ вом с другими системами отсутствует (рис. 1.2,а).

■Граница

системы

Рис.1.2. Примеры закрытой (а) иоткрытой (б) термодинами­ ческих систем

3.Изолированные или замкнутые, т.е. термодинамические системы не обмениваются с другими системами ни веществом, ни энергией.

4.Адиабатные, т.е. системы, у которых отсутствует теплообмен с другими системами (бывают открытые и закрытые).

Состояние рабочего тела или системы характеризуется величинами, которые называются термодинамическими параметрами состояния. Ос­ новными термодинамическими параметрами состояния, которые наибо­ лее широко используются в технической термодинамике, являются:

температура (7), К давление (Р), Па удельный объем (V), м3/*г

внутренняя энергия ((/), Дж

-энтальпия (//), Дж энтропия (5), Дж/К.

Вупрощенном виде, достаточном для термодинамического анализа большинства технологических систем, состояние рабочего тела может быть однозначно определено тремя параметрами состояния, или иначе,

если заданы любые два термодинамических параметра, то любой третий параметр состояния системы может быть однозначно определен:

Наиболее широко используемое уравнение, которое связывает три основных параметра состояния (Г, р и V), называется уравнением Менде­ леева-Клапейрона:

где Rp= 8,314 кДж/(кмоль-К);

VM- молярный объем идеального газа при нормальных термо­

динамических условиях (VM= 22,4 м3/кмоль).

Следует немного сказать о нормальных условиях, т.е. об условно­ стях, которые широко применяются в химической промышленности. Так, наиболее распространены следующие нормальные условия:

- термодинамические или физические условия, параметры которых

технологии в различных странах мира,в принципе могут быть различны­ ми, поэтому, как правило,эти условия приводятся в технологическом рег­ ламенте или проекте производства или на рабочих чертежах.

В общем виде состояние термодинамической системы, находящейся в равновесии при заданных параметрах состояния p t * Vj+, Г/*, можно изо­ бразить в виде точки (рис. 1.3) •

Однако при подводе или отводе энергии от равновесной термодина­