Теоретические основы энерготехнологии хивических производств

инистерство общего и профессионального образования

Российской  Федерации

Пермский  государственный технический университет

 

 

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ  ХИМИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

 

Конспект  лекций

 

 

 

 

 

 

Пермь  1999 г.

 

УДК 621.1.01(075.8)+536.24

С21

 

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

ISBN

 

Этот конспект лекций является учебным пособием для курса "Теоретические 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 технической термодинамики, приведены сведения по теории горения топлив, конструкциям сжигающих устройств, расчету материальных и тепловых балансов, 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 направленность и предусматривают наличие у студентов знаний по курсам: "Физическая химия", "Процессы и аппараты химической технологии", "Общая химическая технология" и "Теория технологических процессов".

 

 

 

 

УДК 621.1.01(075.8)+536.24

ISBN

© Пермский государственный

технический университет, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 5

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 140

ПРИЛОЖЕНИЯ 141

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что х2.1.1.  Введение.  (1 час)Значение технологической подготовки инженеров химиков-технологов. Виды и источники энергии. Особенности потребления энергии в химической промышленности. Взаимосвязь технологии и энергетики в химических производствах. Проблема экономии энергоресурсов. Задачи термодинамического анализа химико-технологических систем (ХТС) и их элементов1) имическая промышленность является достаточно энергоемкой отраслью экономики. В ценовом выражении энергия может составлять до 60% себестоимости химической продукции. Из всех отраслей экономики на долю химической промышленности приходится более 5% потребляемой электроэнергии и более 6% тепла. Кроме того, существуют технологии, которые используют часть сырья, иногда значительную, на энергетические нужды. Наиболее яркими примерами могут быть агрегаты парового риформинга технологии производства аммиака или метанола, которые вырабатываются из природного газа, воздуха и воды, а тепло, необходимое для протекания эндотермической реакции взаимодействия природного газа с водяным паром, получают за счет сжигания самого природного газа. Согласно регламентным данным, для этих технологий количество природного газа, используемого в качестве топлива, на 15-25% выше, чем количество природного газа, подаваемого в виде сырья. Аналогичные примеры химических технологий есть и в нефтепереработке, нефтехимии, органическом синтезе и т.п.

Сложившаяся в настоящее время ситуация в  химической промышленности осложнена тем, что большинство существующих химических технологий было запроектировано, создано или приобретено еще во времена СССР, т.е. при достаточно дешевой энергии, когда вопросам ее экономии энергии не уделялось должного внимания. В качестве примера можно рассмотреть энергоемкую технологию аммиака.

Согласно  данным, представленным на рис.1.1, видно, что в технологии аммиака зарубежные проектировщики достигли величины общего энергопотребления 8-9 Гкал/т NH₃ еще в начале 70-х годов, а в середине 80-х произошло резкое снижение общего энергопотребления до 7-7,5Гкал/т.NH₃, что было связано с энергетическим кризисом и разработкой новых подходов к проектированию химических производств. Тем не менее, вероятно из-за низких цен на энергоносители, величина общего энергопотребления вновь пускаемых в СССР технологий аммиака составляла 10,0-11,5 Гкал/т NH₃, т.е. на момент пуска они были уже устаревшие.

В связи с  перестройкой, распадом СССР, переходом  экономики на рыночные отношения  и ростом цен на энергоносители ситуация с устаревшими энергоемкими технологиями стала катастрофической. Так, уже в 1997 году, природный газ, продаваемый химическим заводам, имел цену около 300-340 руб./нм³ или примерно 1,6-1,8 US$/ГДж, что практически равнялось ценам на газ в США (1,8-2,5 US$/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 необходимо снизить цену продукции. Так как энергоносители составляют существенную часть в себестоимости продукции большинства химических производств, то в первую очередь необходимо снизить расходные нормы энергоносителей. Именно поэтому в последние годы наметилась тенденция на модернизацию существующих технологий с целью снижения их энергоемкости в первую очередь.

В настоящее  время на мировом рынке технологий многие инжиниринговые фирмы представляют различные варианты модернизации производств, которые позволяют экономить различное количество энергии. Как правило, производство после такой реконструкции требует более жесткой технологической дисциплины, нежели ранее. Кроме того, немаловажным становится оперативное управление технологией, которое позволит 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) применяется при наличии выгодных условий на поставку большого количества продукции и, как правило, не соответствует оптимальным расходным нормам сырья и энергии;
2. Минимальный выпуск продукции (работа на склад) позволит сохранить квалифицированные кадры и получить меньше убытков, связанных с остановкой, пуском и простоем производства при существовании экономически невыгодных условий на поставку продукции. Величина минимального выпуска продукции, как правило, определяется совершенством энерготехнологической схемы;
3. Минимальная себестоимость продукции (работа на склад и продажу), т.е. работа с минимальными расходными нормами сырья и энергии позволяет получить максимальную прибыль при нормальном режиме эксплуатации производства (без авралов и остановок), однако требует оптимального управления производством.

Естественно, это приводит к тому, что повышенные требования начинают предъявляться к качеству инженерной подготовки технологических кадров, которые в будущем будут управлять производством и проводить его реконструкцию. Поэтому, наряду с "Общей химической технологией", "Процессами и аппаратами химической технологии", "Экономикой" и др., "Энерготехнология" – общеинженерная дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования энергии и связанные с этим аппараты и устройства, приобретает все больший вес в цикле общеинженерных дисциплин.

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

"Общая  и неорганическая химия" (строение вещества, природа химических 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).

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1. . Основные понятия и определения

Энергией называется общая мера различных форм движения материи, которые способны превращаться друг в друга. Из ранее изученных курсов известно, что о2) сновными видами энергии, которые достаточно широко используются в химической технологии, являются:

• тепловая, применяется для нагрева, сушки, выпарки и т.д.;
• механическая, применяется для перемещения оборудования, материалов, сырья и т.п.;
• электромагнитная, применяется в промышленности для разложения, нагрева, совершения механической работы и т.д. ;
• химическая,: вырабатывается в гальванических элементах, аккумуляторахаккомуляторы и т.д. ;
• световая, используется при фотохимических реакциях, фотосинтезе и т.д.
• внутриядерная, выделяется при радиоактивномрадиактивный распаде.

Термодинамика - это наука об энергии и об ее свойствах. Она изучает законы превращения энергии в различных процессах, проходящих в макроскопических 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 превращении, и процессов, протекающих в различных аппаратах и технологических машинах.

В изучаемых  ранее курсах "Физика" и "Физическая химия" было показано, что теплота и работа являются двумя формами передачи энергии от одного тела к другому. Мерой энергии, передаваемой этими двумя эквивалентными формами передачи энергии, в системе СИ является джоуль. Однако в большинстве химических технологий часто приходится иметь дело не с массой вещества (кг или м³), а с его потоком или расходом (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 передаваемой теплоты или количество джоулей совершаемой работы в единицу времени (Дж/с или ватт), т.е. поток энергии или мощность. Обмен энергией в форме теплоты или работы может осуществляться только между термодинамическими системами.

Существуют  следующие типы термодинамических систем:

1. Открытые, которые обмениваются веществом с другими системами (рис. 1.2,б);
2. Закрытые, т.е. термодинамические системы, у них обмен веществом с другими системами отсутствует (рис. 1.2,а);
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. Основными термодинамическими параметрами состояния, которые наиболее широко используются в технической термодинамике, являются:

• температура (T), К
• давление (P), Па
• удельный объем (v), м³/кг
• внутренняя энергия (U), Дж
• энтальпия (Н), Дж
• энтропия (S), Дж/К

В упрощенном 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 (T, p и v), называется уравнением Менделеева-Клапейрона:

    (1.1)

для 1кг рабочего тела его можно записать как

pv=RT или p=rRT,    (1.2)

для 1 кмоля рабочего тела:

pv_m=R_mT,      (1.3)

где  R_m = 8,314 кДж/(кмоль×К);

v_m - молярный объем идеального газа при нормальных термодинамических условиях (v_m = 22,4 м³/кмоль).

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

• термодинамические или физические условия, параметры которых совпадают с тройной точкой воды: давление 760 мм.рт.ст или 101,325КПа,  и температура 0^ОС или 273,15К;
• технические условия: давление 735,6 мм.рт.ст или 98,0 КПа,  и температура 15^ОС или 288,15К
• условия для оценки производительности компрессоров: давление 760 мм.рт.ст или 101,325 КПа, и температура 20^ОС или 293,15К