Мал. 9.6. Технологічна схема 1: T 1 та Т 2 – теплообмінники
Температура пари, що гріє, не змінюється, тому що йде процес конденсації пари
Т п = t п +273 = 200 +273 = 473K;
D T 1 T = 298 Ч 1 Ч 473 − Ч 386 = − 0,142 МДж. 473 386
У теплообміннику Т 2
Середня температура продуктів реакції дорівнює
а середня температура води
D T 2 T = 298 0,939 380 300
Загальні втрати ексергії за першою схемою дорівнюють:
D T 1 T + D T 2 T =
0,142 + 0,196 = 0,338 МДж.
Втрати ексергії, віднесені до суми теплот на нагрівання та охолодження продуктів реакції (D е ) сировини, рівні
Другий варіант технологічної схеми включає можливість використання теплоти конденсату водяної пари для підігріву вихідної сировини (рис. 9.7).
Для розрахунку втрат ексергії необхідно визначити кількість теплоти, що передається в кожному теплообміннику, і температури t 3 і t 4 .
Мал. 9.7. Технологічна схема 2
Як випливає з умов, загальна кількість теплоти, що передається в теплообмінниках Т 1 і Т 2 дорівнює 1 МДж. Приймаємо, що розподіл теплоти по цих теплообмінниках прямо пропорційно кількості теплоти, що віддається кілограмом пари, що конденсується при його охолодженні від ( t n ) до температури конденсату на виході з теплообмінника
Вважаючи, що теплоносії в теплообміннику Т 1 рухаються протитечією, приймемо t на десять градусів вище, ніж температура іншого теплоносія на вході (t вих).
T до = t вих +10=30+10=40 °С.
Для 1 кг пари теплота конденсації, за довідковими даними, становить при 200 °С − 1938 кДж/кг; теплота охолодження конденсату
Q ê = 1 Ч C H 2 O ( t − t ê ) = 4,19 Ч ( 200 − 40 ) = 670 кДж/кг.
Звідси кількість теплоти, що передається в кожному теплообміннику, складе:
у теплообміннику Т 1 − Q T 1= 670 кДж/кг;
у теплообміннику T 2 − Q T 2 = 1938 кДж/кг. Визначаємо температуру t 3 із рівняння:
m Ч c = 30 + 0,25 Ч (185 − 30) =
Втрати ексергії в теплообміннику Т 1 визначаємо з рівняння:
D T 1 T = T 0 Ч Q T 1 Ч T ê T 1 − T ñ T 1 , T ê T 1 Ч T ñ T 1
+ 273 = 30 + 71 + 273 = 323 К – усереднена температура сировини.
Звідси слідує що
D T 1 T = 298 0,25 ч
Втрати ексергії у теплообміннику Т 2
T ï Τ 2 Ч T c Τ 2
+ 273 = 200 + 273 = 473К;
+ 273 = 71 + 195 + 273 = 406 К.
Звідси слідує що
D T 2 T = 298 0,75 ч
Приймемо температуру t 4 на 20 про З вище, ніж температура води утилізаторі, тобто t 4 = t ку +20=170 °С. Тоді кількість теплоти, що передається в кожному теплообміннику Т 3 і Т 4 буде дорівнює відповідно
= m Ч c Ч ( t 2 − t 4 )
= m Ч c Ч ( t 4 − t êî í
Ч (170 - 30) = 0,848 МДж.
Перевіряємо загальну суму теплот:
+ Q T 2 + Q T 3 + Q T 4
= 0,25 + 0,75 + 0,091 + 0,848 = 1,939 МДж.
Втрати ексергії у теплообміннику Т 3
T ï Τ 3 Ч T êó Τ 3
+ 273 = 185 + 170 = 450 К;
= t êó + 273 = 150 + 273 = 423К;
D T 3 T = 298 0,091 450 423
Втрати ексергії в теплообміннику Т4:
Τ ï Τ ð 4 − Τ â Τ 4
Τ ï Τ ð 4 Ч T â Τ 4
D T 4 T = 298 0,848 373 300
Загальна сума втрат ексергії у другій сумі дорівнює
D 2 T = D T 1 T + D T 2 T + D T 3 T +
Відношення втрат ексергії у другій схемі
Мал. 9.8. Схеми використання тепла реакцій:
а – з холодним байпасом; б - з відведенням тепла реакції у виносному апараті;
в – із відведенням тепла безпосередньо з реактора; г – з попереднім підігрівом реактивів; 1 –реактор; 2 – теплообмінник; 3 – холодильник; 4 - апарат для використання тепла реакції; 5 – підігрівач реагентів
Як показали розрахунки, досконалішою з погляду використання енергії є другий варіант технологічної схеми.
Слід зазначити, що реальні схеми утилізації тепла складніші і можуть бути багатоступінчастими.
Існує три групи методів економії енергетичних ресурсів:
1. Методи, пов'язані зі збільшенням поверхонь апарату, часу протікання реакції, використанням активніших каталізаторів, що дозволяє наблизитися до рівноважного стану на виході з апарату.
2. Методи, що ґрунтуються на зміні технологічного режиму та не пов'язані зі зміною технологічної схеми, що може призвести до збільшення габаритів апарату.
3. Методи, що вимагають поряд із прийомами, викладеними вище, зміна технологічної схеми.
При розробці технологічної схеми необхідно проводити спільний аналіз енергетичного та ексергетичного балансів з метою встановлення рівня повернення та можливості використання електричної, теплової та механічної енергії з суттєвим скороченням споживаної ззовні енергії. Крім того, при виборі відносного варіанта технологічної схеми мають бути враховані показники.