Теоретические основы энерготехнологии химических производств

давлении р\ и температуре Т\ (изобарно-изотермическое движение по изобаре Аг А2 вр ,^-диаграмме и по изотерме A0-Aj в Г,5-диаграмме).

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью (двухфазная система), называется влажным насыщенным паром, характеризующимся некоторой степенью сухости - X. По мере подвода теплоты к системе количество пара увеличивается, а количество жидкости - уменьшается. При этом па­ раметр сухости пара, равный в точке А, нулю, вместе с ростом удельного объема и энтропии системы также будет увеличиваться. В точке А2 испа­ рится последняя капля жидкой фазы системы, параметр сухости достиг­ нет значения единицы, а пар из влажного насыщенного состояния перей­ дет в сухое насыщенное состояние. Термодинамическая система из двух­ фазной вновь станет однофазной. Количество теплоты, необходимой для полного испарения жидкой фазы и перевода термодинамической системы из точки А] в точку А2,называется теплотой парообразования и равно q2 или г (площадь поля s "2-A2-Ai-5 'i).

При дальнейшем подводе теплоты к однофазной газовой системе процесс будет, идти по изобаре р и а сухой насыщенный пар будет пере­ греваться. Поэтому пар, параметры которого превышают параметры сухого насыщенного пара, называется перегретым паром, а его свойст­ ва приближаются к свойствам идеального газа. Количество теплоты, необходимой для перевода системы из точки А2 в точку Аз, равно <у3 (площадь поля 5 "2-А2-А3-53).

Если рассмотреть процесс парообразования при более высоком дав­ лении (р2)у то можно заметить, что с увеличением давления температура кипения, удельный объем и энтропия жидкости увеличиваются. Напро­ тив, с увеличением давления уменьшаются удельный объем и энтропия системы, при которой она достигает сухого насыщенного состояния. Точ­ кой, где отсутствует понятие влажного насыщенного пара, а жидкая фаза напрямую превращается в сухой насыщенный пар, является критическая точка - К. Выше критической точки жидкость сразу превращается в пере­ гретый пар, минуя насыщенное состояние.

Как видно из диаграммы, линия, отделяющая двухфазную область от однофазных^имеет достаточно сложную форму, поэтому основные термо­ динамические параметры для этой линии берутся из таблиц теплофизическчх свойств воды и водяного пара. В этих таблицах термодинамические параметры с одним штрихом относятся к жидкости, нагретой до темпера-

туры кипения (h'f s' V’и т.п.), а параметры с двумя штрихами (Л", s", V'' H

т.п.) - к сухому насыщенному пару. Вход в таблицу производится либо по давлению в системе, либо по температуре.

Так как жидкая вода и перегретый водяной пар очень широко приме­ няются в технике, то их свойства достаточно хорошо изучены и сведены в таблицы. Вход в таблицы осуществляется по температуре и давлению од­ новременно. Более того, рассчитать термодинамические параметры одно­ фазной системы (жидкость или пар), как правило, нетрудно, т.к. в первом приближении можно принимать, что свойства однофазной системы при­ ближаются к свойствам идеальной системы. Например, энтропия и эн­ тальпия перегретого пара может быть рассчитана по формулам:

В отличие от однофазной системы, двухфазная система требует осо­ бого подхода, т.к. процесс испарение является изобарно-изотермическим, т.е. температура и давление остаются постоянными, а изменяется только удельный объем системы.

Так как процесс испарения чистых жидкостей является изобарно­ изотермическим, то изменение всех термодинамических параметров от степени сухости пара происходит по линейному закону, т.к. параметры, которые в основном создают нелинейности системы (температура и дав­ л ен и е)^ изменяются. Таким образом, термодинамические параметры для точки Ах или Вху имеющие заданную степень сухости пара (х), можно рассчитать по формулам:

vx = v'+jr(v"-v'),

А, = А’+дс(А"-А’)= Л’+хг,

J , = S’+X(5"-J ') =i4-X— .

Ts

Следует отметить, что абсолютные значения hx и sx не являются ис­ тинными (могут отличаться для различных справочных данных), а рас­ считываются относительно некоторой начальной точки. Это связано с

Если необходимо рассчитать количество тепла, требуемое для дос­ тижения параметров влажного пара (точки Ах), то:

Эти уравнения являются основными для проведения расчетов процессов парообразования и конденсации.

/ . / / . Использование низкопотенциальных источников тепла. Эксергия

Известно, что большинство существующих химических технологий яв­ ляются весьма энергоемкими. Как правило, для проведения технологических процессов в основном используются высокопотенциальные источники энер­ гии (имеющие высокую температуру), т.к. известно, что с увеличением тем­ пературы увеличивается движущая сила теплопередачи и соответственно снижается размер теплообменного оборудования. Однако, согласно второму закону термодинамики, при их использовании обязательно будут оставаться “тепловые отходы” в виде относительно низкопотенциальных тепловых по­ токов. Обычно энерготехнологические схемы производств достаточно со­ вершенны в плане использования вторичных энергоресурсов, о чем свиде­ тельствуют относительно низкие температуры “сбросных” тепловых пото­ ков. Но если учесть величину данных потоков, то количество “тепловых от­ ходов” бывает достаточно велико. Примером могут быть градирни (кон­ тактные испарительные теплообменники) химических заводов или ТЭС, ко­ торые рассеивают в окружающую среду многие мегаватты низкопотенци­ ального тепла. Однако на химических предприятиях также существуют сбросные тепловые потоки, имеющие относительно высокий потенциал. На­ пример, печь первичного риформинга в технологии аммиака выбрасывает

дымовые газы с температурой 200-300°С и с расходом 350000-420000 нм3/ч, а в производстве фталевого ангидрида существуют тепловые отходы с тем­ пературой 300-400°С и расходом до 40000 нм3/ч и т.д. Как видно, темпера­ тура этих тепловых потоков достаточно высока, и тепловую энергию этих тепловых "отходов" еще можно утилизировать, однако для указанных тех­ нологий они являются отходами, т.е. на существующем уровне техники (Технологии) их тепловая энергия не утилизируется.

В связи со значительным и регулярным ростом ценена энергоносите­ ли особенно важно совершенствовать энерготехнологические схемы су­ ществующих технологий в сторону увеличения степени использования вторичных энергоресурсов (существующих “тепловых отходов"). Однако при утилизации низкопотенциальных энергетических потоков образуются еще более низкопотенциальные тепловые потоки, тепло которых в конце концов должно быть отдано окружающей среде - безграничному источ­ нику или "стоку" энергии. Таким образом, несмотря на различие техно­ логических схем и ассортимент производимых продуктов, совершенство­ вание существующих технологических схем заключается в приближении параметров их выходных потоков к параметрам окружающей среды как по температуре, так и по составу.

Однако при совершенствовании и разработке новых технологиче­ ских схем может возникнуть вопрос, какую энергию необходимо ис­ пользовать в первую очередь: тепловую энергию большого потока, имеющего низкую температуру, или тепловую энергию малого потока, имеющего относительно высокую температуру,или избыточное давление потоков, или технологические сдувки? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо в первую очередь количественно сравнить такие различные потери между собой.

Для решения подобных задач можно использовать единый критерий, характеризующий не только количество энергии, но и ее качество - ее потенциал. Этот параметр называется пэксергия,\ В общем смысле

эксергия есть максимальная работа, которую может совершить рабочее тело (вещество) в обратимом процессе с окружающей средой, используемой в качестве источника даровой теплоты, если в конце этого процесса все участвующие в нем виды материи переходят в состояние термодинамического равновесия со всеми компонентами окружающей среды. Физический смысл эксергии проиллюстрирован на рис.1.27.

эксергия, характеризуемая энтропией (внутренняя энергия, энергия излучения, термомеханическая, химическая).

В свою очередь эксергию, характеризуемую энтропией, можно разде­ лить на следующие виды:

эксергия вещества в замкнутом объеме, состоящая из термомеха­ нической (физической), химической (нулевой) и эксергии излучения;

эксергия потока вещества, состоящая из термомеханической и хи­ мической эксергии;

эксергия потока энергии, состоящая из эксергии теплового потока^ и эксергии излучения.

Таким образом, если система содержит Н2, который в окружающей среде находится в виде Н20, то к эксергии системы необходимо добавить работу, которую можно получить при переходе Н2 в Н20. Методики более детального расчета эксергии системы приведены в специальной литера­ туре, например [7].

Таким образом, используя эксергию как универсальный параметр, можно сравнивать такие несравнимые виды потерь, как потери теплоты с потоком дымовых газов или с хладагентом и потери горючих газов со сдувками и т.п. После сравнения значений потерь эксергии для конкрет­ ной технологии можно будет правильно оценить и выбрать варианты и пути совершенствования этой технологии.

Так как понятие “потенциальности” или "эксергии" потока связано с тем, какую полезную работу еще может совершить данный поток за счет изменения его параметров, то естественно, эта величина будет связана с материалом потока. В настоящее время широко известен способ утилиза­ ции низкопотенциальных энергетических потоков, заключающийся в пе­ редаче тепловой энергии в изотермическом процессе к веществам при их кипении. Примером таких установок могут быть холодильные мащины, которые, работая по обратному циклу, повышают потенциал тепла, отня­ того в морозильной камере при отрицательных температурах, до пара­ метров, обеспечивающих надежную теплоотдачу в окружающую среду (положительные температуры).

Основные требования к выбору агентов, которые могут позволить утилизировать низкопотенциальное тепло, следующие:

низкое давление конденсации для облегчения конструкции ком­ прессора, увеличения его механического КПД и др.;

-давление испарения больше 1 атм, но близко к этому значению i целях устранения подсоса наружного воздуха;

-большая удельная хладопроизводительность, малая теплоемкость

жидкости для уменьшения потерь при дросселировании; - малый удельный объем пара при использовании поршневых ком

прессоров или большой удельный объем пара при использовании турбо компрессоров;

-невысокая вязкость для улучшения теплопередачи и снижения гид­ равлических потерь (очень малая вязкость также нежелательна из-за воз­ можности утечек);

-при использовании поршневых компрессоров агент и масло не должны взаимно растворяться;

-взрывобезопасное», негорючесть, нетоксичность;

-химическая стабильность и коррозионная пассивность;

-недефицитность и низкая стоимость.

Из большого количества агентов, использующихся в качестве рабочих тел, наибольшее распространение получил большой ряд фреонов и аммиак. Именно эти агенты широко используются в холодильных машинах.

Существуют два основных способа направления использования энер­ гии, поглощенной жидкостью (хладагентом):

-преобразование ее в механическую энергию (паровые двигатели, турбины);

-повышение ее тепловых параметров для использования в качестве теплоносителя (тепловые насосы).

Первый способ использования энергии является наиболее распро­ страненным, т.к. на этом принципе основаны практически все паросило­ вые установки. В зависимости от степени перегретости рабочего тела, ис­ пользуемого для получения механической энергии, рассматривают цикл на насыщенном паре и цикл на перегретом паре. Данные циклы в виде Г,5-диаграмм представлены на рис. 1.28.

Как видно на рисунке, жидкий агент с параметрами точки 1 подогре­ вается до точки 2 , после чего начинает кипеть (/>=const) до тех пор, пока не образуется сухой насыщенный пар (точка 5). Затем пар подается в ма­ шину в качестве рабочего тела. В машине пар частично конденсируется и выходит из нее во влажном виде. Совершивший механическую работу по­ ток является “тепловым отходом", поэтому, как правило, оставшееся теп­