Критерии термодинамического совершенства технологических систем (стр. 1 )

Критерии термодинамического совершенства технологических систем

Москва 1998

Обозначения основных величин

A – энергия Гельмгольца; Дж

A – площадь сечения трубопровода; м2

Aj – молярная масса (масса 1 моля атомов) i-го химического элемента; кг моль-1

c - удельная теплоемкость; Дж K-1кг-1

– скорость исчезновения эксергии в результате

неравновесных процессов внутри системы; Дж сек-1

– скорость возрастания энтропии в результате неравновесных процессов внутри системы; Дж К-1сек-1

– эксергия; Дж

e  – удельная эксергия; Дж кг-1

G – энергия Гиббса; Дж

g  – удельная энергия Гиббса; Дж кг-1

g – ускорение свободного падения; м сек-2

H – энтальпия; Дж

h  – удельная энтальпия; Дж кг-1

k – число химических элементов, составляющих систему

l – число входов и выходов материальных потоков в системе

– молярная масса компонента B; кг моль-1

m – масса; кг

– массовый расход; кг сек-1

– массовый расход через j-й вход (выход) системы; кг сек-1

– количество молей компонента B; моль

ni – количество молей i-го компонента; моль

ni, j – молярный расход i-го компонента через j-й вход (выход) системы; моль сек-1

p – давление; Па

pi – парциальное давление i-го компонента смеси газов; Па

– равновесное парциальное давление компонента B (при смешении газов или в химической реакции); Па

- равновесное парциальное давление i-го компонента; Па

– теплота; Дж

– скорость подвода теплоты к системе; Дж сек-1

R – газовая постоянная; Дж К-1моль-1

r – радиальная координата; м

S – энтропия; Дж К-1

s – удельная энтропия; Дж К-1кг-1

T – термодинамическая температура; К

– термодинамическая температура окружающей среды; К

t – время; сек

U – внутренняя энергия; Дж

u – удельная внутренняя энергия; Дж кг-1

– полная удельная энергия; Дж кг-1

V – объем; м3

– объемный расход; м3сек-1

– скорость; м сек-1

– работа; Дж

– скорость совершения работы системой (мощность); Дж сек-1
– дополнительная потенциальная работа в единицу времени за счет отводимой от системы теплоты;Дж сек-1

– полная работа системы за единицу времени; Дж сек-1

xB – мольная доля компонента B

z – вертикальная координата; м

– расходный коэффициент по веществу B

– молярная энтальпия реакции (на 1 моль образовавшихся продуктов); Дж моль-1

– прирост энтропии в результате неравновесных процессов внутри системы; Дж К-1

– коэффициент преобразования энергии

– коэффициент преобразования эксергии

– коэффициент преобразования теплоты в работу в термодинамическом цикле; коэффициент полезного действия тепловой машины

– коэффициент преобразования теплоты в работу (или обратного преобразования) идеальной машиной Карно, действующей между источником (стоком) T и окружающей средой

– химический потенциал компонента B; Дж моль-1

– химический потенциал i-го компонента; Дж моль-1

– стехиометрический коэффициент компонента B   в уравнении химической реакции

– плотность; кг м-3

Глава 1. Обобщенный образ технологической системы

Для оценки эффективности функционирования конкретной технологической системы независимо от уровня ее сложности (отдельный аппарат, установка, агрегат в составе производства или производство в целом) целесообразно воспользоваться моделью "черного ящика" с сосредоточенными входами и выходами потоков вещества и энергии. Пусть в системе за каждый технологический цикл – при периодическом режиме работы установки, либо в течение произвольного конечного временного интервала – в стационарном режиме, происходит преобразование массы m исходных веществ, взятых в определенной пропорции, в известные конечные продукты и отходы технологического процесса, масса которых сохраняется равной массе исходных веществ. В ходе процесса выделенная порция исходных веществ переводится из некоторого начального термодинамического состояния "1" в конечное термодинамическое состояние "2". Здесь подразумевается, что как начальное, так и конечное состояния вещества характеризуются достаточно полной совокупностью физико-химических параметров каждого из отдельных материальных потоков, соответственно поступающих и выходящих из системы (химический состав, давление, температура и т. д.).

Так, современный агрегат производства азотной кислоты преобразует суммарный поток исходных веществ – жидкого аммиака, воздуха, питающей воды и природного газа (последний используется в качестве реагента для нейтрализации остаточных количеств оксидов азота на выхлопе установки) в суммарный поток конечных продуктов – концентрированной азотной кислоты (целевой продукт), водяного пара (сопродукт) и сбросовых газов (отходы производства). Химическое преобразование материальных потоков в установке сопровождается значительным по величине переходом энергии из одной формы в другую: высокопотенциальная химическая энергия аммиака и природного газа превращается в тепловую энергию водяного пара и в теплоту, рассеиваемую в окружающую среду.

Тепловая электростанция, работающая на природном газе, преобразует потоки газа, воздуха и питающей воды в материальные потоки водяного пара и дымовых газов и в поток электрической энергии.

Информация о химическом составе и термодинамических параметрах материальных потоков на входе и выходе системы плюс информация о суммарных потоках энергии в виде теплоты или работы, потребляемых (или генерируемых) системой, вполне достаточна, чтобы интегральным образом охарактеризовать эффективность ее функционирования как в отношении полноты использования сырьевых материалов (степени их превращения в целевые продукты), так и в отношении рационального потребления энергоресурсов. Интегральные, основанные на параметрах входов и выходов, характеристики систем играют в технологии двоякую роль. Во-первых, они позволяют ранжировать разнообразные варианты решений одной и той же технологической задачи по эффективности использования материальных и энергетических ресурсов. Во-вторых,

Рис.1.1. Входящие и выходящие потоки в установке для получения азотной кислоты из аммиака; 1 и 2 обозначают начальное и конечное состояния совокупного материального потока через установку.

Рис.1.2. Входящие и выходящие потоки на тепловой электростанции.

поскольку фундаментальные законы природы накладывают строго определенные ограничения на полноту протекания взаимных превращений веществ и форм энергии, интегральные характеристики технологической системы достаточны для того, чтобы, отвлекаясь от всех деталей ее внутренней структуры и механизмов функционирования, оценить степень приближения реальной системы к гипотетическому, по разрешенному законами природы пределу. Такого рода оценки позволяют установить имеющиеся резервы для дальнейшего совершенствования технологических систем различного назначения с целью сбережения природных ресурсов.

Для теории энергосберегающих технологий основополагающее значение имеет следующая постановка вопроса. Пусть некоторая совокупность исходных веществ, природного происхождения или промышленных полупродуктов, перерабатывается в определенные целевые химические продукты и неизбежные производственные отходы. Другими словами, пусть некоторый совокупный материальный поток из исходного состояния "1" преобразуется в известное конечное состояние "2" (как это схематически показано на рис.1.1 и 1.2). Можно ли указать такие траектории проведения процесса , т. е. такие последовательности промежуточных состояний перерабатываемого вещества при его переходе из состояния 1 в состояние 2, которым отвечает наиболее эффективное использование как энергии от внешних источников, так и собственной внутренней энергии исходных реагентов? Термодинамика положительно отвечает на этот вопрос, одновременно предлагая и универсальный критерий эффективности использования энергоресурсов различной природы. Можно сказать, что, в свою очередь, задачей технологии как самостоятельной науки является разработка способов реализации траекторий, близких к оптимальным в указанном смысле.