11 Анализ химико-технологических систем. Основные правила ресурсосбережения

11.1 Процедура анализа систем

С целью разработки способов экономии энергетических ресурсов функционирующих или вновь создаваемых процессов химической технологии предлагается общий порядок действий, вытекающий из концепции оптимизации потоков и движущих сил систем. Он заключается в минимизации производства энтропии систем и сводится к последовательности следующих основных этапов:

1. Расчет материального баланса процесса и отдельных его стадий.

2. Расчет энергетического баланса – поступления, выхода и накопления энергии – в соответствие с первым законом термодинамики.

3. Расчет фазовых и химических равновесий для всех стадий процесса, в том числе расчет энергии Гиббса.

4. Эксергетический анализ процесса и его стадий, включая расчет эксергетичсского КПД, потерь эксергии на различных стадиях, доли внешних потерь эксергии, анализ величин и качества энергетических ресурсов, целесообразности их использования. Оценка потерь вследствие внутренней термодинамической необратимости процессов.

5. Эксергетическая оптимизация процесса.

6. Разработка технических решений, позволяющих реализовать на практике оптимальные параметры процесса.

Следует отметить, что описанная последовательность действий предполагает получение приемлемого результата только на базе глубокого понимания физико-химических основ процесса совместно с использованием широких возможностей компьютерных программ для моделирования и оптимизации химико – технологических систем, таких, как Aspen HYSYS, UniSim и других.

11.2 Эвристические правила экономии материальных и энергетических ресурсов

Общий подход анализа систем предусматривает комплексное решение проблемы ресурсосбережения. В повседневной практике обычно не представляется возможностей для проведения всестороннего исследования. И тогда на помощь инженеру – технологу приходят правила, которым следует придерживаться. Вот основные из них:

1. Движущая сила любого процесса должна быть близка к нулю на всем его протяжении, то есть во всех точках аппарата и в любой момент времени.

2. Стремитесь, чтобы движущая сила была равномерной: тогда можно сэкономить не только энергетические ресурсы, но и капитальные затраты.

3. Тормозите процесс везде, где это возможно, а затем постепенно снимайте торможение. Иными словами, если не знаете, как экономить энергию, попробуйте для начала провести процесс путем, противоположным привычному «здравому смыслу».

4. Если химическая реакция протекает с выделением тепла, необходимо ее начинать при повышенной (не при пониженной) температуре (рис.49).

Рисунок 49 - Термодинамически обратимые пути химически обратимых реакций, протекающих при противодействии, при максимальном использовании энергии Гиббса и минимальном потреблении энергии.

а – экзотермическя реакция, б – эндотермическая реакция,

в – реакция, протекающая с уменьшением объема,

г – реакция, протекающая с увеличением объема

Если реакция протекает с поглощением тепла, необходимо начинать се при пониженной (не при повышенной) температуре.

Если реакция протекает с увеличением объема, начинайте её при повышенном (не при пониженном) давлении.

Если реакция протекает с уменьшением объема, се следует начинать при пониженном (не при повышенном) давлении.

Эти правила хотя и противоречат принципу Ле Шателье, они следуют из второго закона термодинамики.

5. В случае проведения химической реакции до полного ее завершения затраты энергетических ресурсов особенно велики. Поэтому часто выгодно не стремиться довести реакцию до конца, а лучше рециркулировать потоки.

6. Старайтесь не смешивать потоки с разными температурами или потоки, имеющие разные составы и давления. Если можете, лучше ничего не смешивайте.

7. Увеличение скорости процесса часто приводит к увеличению затрат энергетических ресурсов.

8. Используйте тот источник тепла, который имеет минимальную температуру.

9. Наилучший химический аппарат – это противоточный аппарат с полным вытеснением потоков.

10. На основании результатов анализа реального процесса постройте его идеальную модель, соответствующую несуществующему квазистатическому обратимому процессу и путем их сопоставления попробуйте усовершенствовать исследуемый процесс и уменьшить затраты энергетических ресурсов.

11. Наилучший энергосберегающий аппарат – это аппарат, в котором все потоки вещества и энергии вводятся и выводятся по всей его высоте (или длине).

12. Любой процесс, проводимый «с запасом», то есть с избытком реагентов, с чрезмерной степенью превращения, требует избыточных затрат энергетических ресурсов.