Реферат: Термодинамическая оптимизация процессов разделения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Кафедра: ТКА

Реферат на тему:

«Термодинамическая оптимизация процессовразделения».

Выполнил: Барбот А.В.

Москва, 2004 г.

Содержание:

TOC o «1-3» h z

1. Введение. PAGEREF _Toc68269723 h 3

2. Классификация процессов разделения. PAGEREF _Toc68269724 h 4

3. Термодинамическое описание систем разделения. PAGEREF _Toc68269725 h 5

4. Постановка задач оптимизации.PAGEREF _Toc68269726 h 11

5. Заключение.PAGEREF _Toc68269727 h 13

6. Список литературы… PAGEREF _Toc68269728 h 14

1.

Процессы разделения являются едва ли не самыми энергоемкими иочень разнообразными по своему конструктивному исполнению: мембранные,абсорбционно- и адсорбционно-десорбционные процессы, ректификация,центрифугирование, выпарка, вымораживание, и пр. Оценка минимальной энергии,потребной для разделения смеси того или иного состава, представляет большойинтерес. Такую оценку работы разделения дают методы обратимой термодинамики,однако обратимые оценки очень грубы, поэтому важно приблизить оценки креальности за счет учета конечной продолжительности процессов или заданнойинтенсивности, что позволяет учесть значения коэффициентов тепло- имассопереноса и связанные с из увеличением затраты. При этом желательносохранить то преимущество обратимых оценок, что они не зависят отконструктивного оформления процесса [1].

Способом решения задачи оптимизации технологического процесса врежиме реального времени является её разбиение на два уровня. На первом(верхнем) проводится статическая оптимизация в соответствии с выбраннымкритерием по его математической модели, а на втором (нижнем) — нахождениеоптимальных настроек управляющих устройств (например, ПИ-регуляторов) на основелинеаризованной в окрестности рабочей точки динамической модели. Взаимодействиемежду уровнями заключается в выдаче верхним уровнем оптимальных режимныхпараметров в качестве задания нижнему уровню.

Для построения такой системы необходимо знать предельныевозможности процесса и соответствующий им режим при тех или иных значенияхизменяющихся факторов. В качестве предельных возможностей ниже понимаетсямаксимальная производительность оптимизируемого процесса разделения призаданных составах потоков и затратах энергии или, что то же самое минимумрасхода энергии для заданной производительности и составах.

С этой точки зрения представляет большой интерес оценкаминимальной энергии, требуемой для разделения смеси того или иного состава.Если она известна, то можно оценить совершенство существующих технологий иконструкций аппаратов, используемых для разделения смесей.

Такую оценку дают методы обратимой термодинамики. В частности, длясмесей, близких по своим свойствам к идеальным газам, в изотермических процессахтакую оценку дает обратимая работа разделения.

В одних процессахразделения потребляемая энергия представляет собой механическую работу (например, в мембранных),в других используют тепловую энергию (например, в ректификации). Обратимаяоценка для затрат тепла в этом процессе может быть найдена через обратимуюоценку для работы разделения и КПД Карно.

Недостатком обратимых оценок является то, что они очень занижены, реальные затраты энергии могут оказатьсясущественно большими. Обратимые оценки соответствуют сколь угодно малойинтенсивности процессов, значит и сколь угодно малой производительности. Они неучитывают кинетических факторов (коэффициентов тепло- и массопереноса,зависящих от конструкции и размеров аппарата). Более того, зависимость реальныхзатрат энергии для разделения исходной смеси на смеси с фиксированнымисоставами от состава исходной смеси может иметь качественно иной вид, чем обратимая оценка. Например, приразделении двухкомпонентной смеси на чистые компоненты при малой концентрацииодного из них обратимая оценка работы разделения будет стремиться к нулю, в товремя как реальные затраты энергии могут быть весьма значительны. Поэтому важно приблизить оценки к реальностиза счет учета конечной продолжительности процессов или заданной ихинтенсивности, что позволит учесть значения коэффициентов тепло- имассопереноса и связанные с их изменением затраты.

При нахождении оценок, учитывающих заданную интенсивностьпроцесса, желательно сохранить то преимущество обратимых оценок, что они лишькосвенно зависят от конструктивного оформления процесса. Такая задача характерна для термодинамики конечноговремени, исследующей предельные возможности термодинамических процессов сучетом ограничений на их продолжительность.

Получение оценок предельных возможностей процессов разделения сненулевой производительностью позволяет:

·

cвязать эффективность процесса с его режимными и конструктивнымипараметрами;

·

выяснитькакой из способов разделения с той или иной точки зрения предпочтительнее;

·

найтимаксимально возможную производительность процесса и режим, ей соответствующий;

·

синтезироватьсистему автоматического управления, поддерживающую показатели эффективностипроцесса (производительность, удельные затраты энергии) на уровне выбранныхоптимальных значений.2.

Процессы разделения являются процессамихимической технологии. Также как и в процессах химической технологии среди нихможно выделить пять основных групп [2].

Первая группа — гидромеханическиепроцессы, скорость которых определяется законами гидродинамики. К ним относятсяосаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием силытяжести, центробежной силы или сил электрического поля, фильтрование жидкостейили газов под действием разности давлений.

Вторая группа – тепловые процессы, скорость которых определяетсязаконами теплопередачи. В эту группу входят процессы выпаривания, конденсации идр.

Третья группа – массообменные (диффузионные) процессы. Скоростьэтих процессов определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую,т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся абсорбция,адсорбция, ректификация, экстракция, сушка и др.

Четвертая группа – химические процессы, связанные с превращениемвеществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессовопределяется закономерностями химической кинетики.

Пятая группа – механические процессы – включает классификациюсыпучих материалов.

Рассмотрим описанные выше процессы разделения.

1.

Осаждение.К важнейшим техническим способам осаждения относятся: осаждение под действиемсилы тяжести (отстаивание), осаждение под действием центробежной силы иосаждение по действием сил электрического поля.

2.

Фильтрование– разделение суспензий или пылей с помощью пористой перегородки – фильтра,способной задержать взвешенные частицы, находящиеся в жидкости или газе.Различают фильтрование под действием перепада давления и центробежноефильтрование (центрифугирование).

3.

Конденсация– ожижение паров различных веществ путем отвода от них тепла. Различаютповерхностную конденсацию и конденсацию смешением.

4.

Выпаривание– процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаленияжидкого летучего растворителя в виде паров.

5.

Абсорбция– поглощение газов или паров из газовых или паровых смесей жидкимипоглотителями, называемыми абсорбентами. Десорбция – выделение абсорбированныхкомпонентов из жидкости. Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

6.

Ректификация– разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группывеществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкойсмеси.

7.

Экстракция– извлечение одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкостидругой жидкостью, практически не смешивающейся (или частично смешивающейся) спервой. Один из основных (наряду с ректификацией) способов разделения жидкиходнородных смесей.

8.

Сублимация– перенос вещества из твердой фазы в паровую, миную жидкую. Для сублимациихарактерна обратимость процесса. Благодаря этому возможно выделение сублимациейиз смеси твердых веществ одного или нескольких компонентов, а затем в другихусловиях десублимация их, т.е. выделение нужного компонента из паровой фазы вчистом виде.

9.

Адсорбция– поглощение газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ израстворов твердыми поглотителями, называемыми адсорбентами. Особенностьюпроцессов адсорбции являются избирательность и обратимость.

10.

Сушка – процесс удаления влаги из твердыхвлажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

11.

Процессы мембранного разделения смесей,или мембранные процессы — процессы разделения смесей посредствомполупроницаемых мембран (обратный осмос, ультрафильтрацию, испарение черезмембрану, диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов).

12.

Классификация – процесс разделенияоднородного сыпучего материала по размерам кусков (частиц).

Повиду затрачиваемой энергии процессы разделения можно на:

1.

Механическиепроцессы разделения — затрачивается только механическая работа (мембранноеразделение, фильтрование, осаждение);

2.

Термические процессы разделение(ректификация, выпаривание, сублимация, конденсация);

3.

Электрические процессы разделения(некоторые процессы мембранного разделения, осаждение под действиемэлектрического поля);

Вустановках центрифугирования, мембранного разделения, в циклахадсорбции-десорбции, работающих за счет изменения давления, затрачивается только работа (механическоеразделение), в процессах абсорбционно-десорбционных, ректификации и др. — только тепло (термическое разделение). В некоторых случаях число отводимых иподводимых потоков может быть больше (равно m), однако в этих случаях можно,как правило, представить систему разделения как соединение отдельных блоков,каждый из которых имеет структуру, представленную на рис. 1.

3. систем разделения

Типовыезадачи и методы ТВК.

Термодинамика при конечном времени (ТВК) используетсядля анализа, оценки предельных возможностей и выявления направлений совершенствования различных технологических процессов.

К типовым задачам ТВК относитсясоставление балансовых уравнений для вещества, энергии и энтропии внешних поотношению к процессу потоков.

Уравнениятермодинамических балансов – материальных, энергетического и энтропийного- связывают между собой параметрывходных и выходных потоков в стационарном режиме. Балансовые уравнения позволяют выявитьзависимость между параметрами внешних потоков (расходами, концентрациями,температурами, давлениями и т.д.) и количеством производимой в процессе энтропии.В обратимых процессах производство энтропии равно нулю, в необратимых – большенуля. Отсюда следуют ограничения, накладываемые на входные потоки – выделяетсямножество достижимости в пространстве параметров входных и выходных потоков.Если же на систему наложить дополнительное условие заданной среднейинтенсивности или конечной продолжительности, то можно найти минимальновозможное при данных ограничениях производство энтропии (рассеяние энергии). Вреальных системах производство энтропии меньше минимально возможного, чтосужает область достижимости.

Основываясь набалансовых уравнениях, можно исследовать характер зависимостей междутрадиционными показателями эффективности технологического процесса(производительность, КПД, и т.д.) и термодинамическими – количеством рассеянной(диссипированной) энергии и производимой энтропией. Как правило, этизависимости монотонно ухудшаются с ростом диссипации и достигают своихпредельных значений в обратимомпроцессе, что позволяет получить оценки, аналогичные КПД Карно для процессовсамой разной природы.

Производствоэнтропии является мерой степени потери полезной энергии при её преобразовании.Поэтому уменьшение производства энтропии приводит к улучшению процесса иповышению показателей его эффективности – повышению КПД, уменьшениюэнергетических затрат, повышению производительности и т.д., при сохраненииостальных показателей неизменными. Кроме того, при помощи балансовых уравненийможет быть исследована чувствительность показателей эффективности процесса к производству энтропии или связьмежду различными характеристиками процесса.

Составлениебалансовых уравнений.

<img src="/cache/referats/16813/image002.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1036"> конвективно (с потоками) идиффузионно (вследствие диффузии). Обозначим мольный расход веществ вконвективных потоках как <img src="/cache/referats/16813/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> <img src="/cache/referats/16813/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> где j — номер потока. Кроме того, в системе могут происходитьхимические реакции со скоростями <img src="/cache/referats/16813/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (n

=1,2,…),совершаться механическая работа мощностью <img src="/cache/referats/16813/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/16813/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1029">

Рис. 1. Расчетная схема процесса разделения.

Для определённости будемсчитать потоки положительными, если онивходят в систему и отрицательными, если выходят. Работа считается положительной, еслисовершается системой над окружающей средой.

Приведём общий вид балансовых уравнений.

Материальныйбаланс.

Обозначим число молей i-того компонента в системе через <img src="/cache/referats/16813/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1030">i-того компонента всистеме за единицу времени определяется потоками вещества и протекающими в системе химическими реакциями:

Здесь <img src="/cache/referats/16813/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> — мольная доля i-того компонента в j-том потоке, <img src="/cache/referats/16813/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1033">k-тый компонент входит в уравнение n

-тойреакции (<img src="/cache/referats/16813/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> для расходующихсявеществ), <img src="/cache/referats/16813/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1035">n-той реакции.

Энергетическийбаланс.

Изменениеэнергии системы <img src="/cache/referats/16813/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> за единицувремени определяется потоками энергии вносимой и уносимой вместе сконвекционными потоками вещества, изменением энергии за счёт диффузионногообмена веществом, потоками тепла (за счёт теплопроводности, переносаизлучением, хим. реакции):

Здесь: <img src="/cache/referats/16813/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> — удельная энтальпия j-тогоматериального потока, <img src="/cache/referats/16813/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> — поток энергии, приносимый вместе с молем вещества,поступающего диффузно.

Энтропийныйбаланс.

Изменение энтропии системы S происходит вследствиепритока энтропии вместе с веществами, поступающими конвективно и диффузионно,притока и отвода тепла и производства энтропии <img src="/cache/referats/16813/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> неравновесности процессов, происходящих внутри самой системы:

где <img src="/cache/referats/16813/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1042">j-того потока тепла с температурой <img src="/cache/referats/16813/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

Производство энтропии (диссипацияэнергии) заведомо неотрицательно. Отметим, что если рассматриваетсястационарный режим процесса, когда <img src="/cache/referats/16813/image042.gif" v:shapes="_x0000_i1044">, то этиуравнения из дифференциальных превращаются в алгебраические.

При рассмотрении циклического процесса балансы можнозаписать не для каждого момента времени, а за цикл работы установки. Так как вначале и конце цикла состояние системы одинаково, то общее изменение энергии,количества вещества и энтропии за цикл равно нулю. Балансы в этом случае такжесводятся к системе соотношений, связывающих средние за цикл значения слагаемых,стоящих в правых частях уравнений.

Для закрытых систем, состоящих из нескольких равновесныхподсистем, термодинамические балансы имеют форму

где i — номер подсистемы, а индекс «0» относится к системе в целом. В свою очередь <img src="/cache/referats/16813/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><img src="/cache/referats/16813/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1049"><img src="/cache/referats/16813/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

Производствоэнтропии в различных типовых процессах

Поскольку в балансовые уравнениявходит производство энтропии, то, исходя из них, можно получить выражения,позволяющие рассчитать производство энтропии. Рассмотрим несколько конкретныхпримеров выражений для производства энтропии в стационарном режиме.

Статический режим обмена междудвумя термодинамическими подсистемами возможен, если в процессе обменаинтенсивные переменные подсистем неизменны.

Подсистемы,интенсивные переменные которых не изменяются при обмене веществом и энергией,называются термодинамическими резервуарами (источниками бесконечнойёмкости). Каждая из подсистем являетсяравновесной. Именно такие системы будут рассмотрены ниже. Везде предполагается,что смеси веществ представляют собой идеальные растворы. Давление (еслиспециально не оговорено иное) в ходе взаимодействия не изменяется и во всехвзаимодействующих подсистемах одинаково.

Теплообмен.

Пусть происходит обмен тепломмежду двумя резервуарами с температурами<img src="/cache/referats/16813/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> и <img src="/cache/referats/16813/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> (рис. 2).

Рис.2. Схема потоковв процессе теплообмена

Энергетическийи энтропийный балансы в этом случаеимеют вид:

Отсюда получим выражение для производства энтропии:

Изотермическиймассообмен

Пусть дварезервуара обмениваются потоками вещества, состоящего из несколькихкомпонентов. Векторы химических потенциалов в подсистемах равны <img src="/cache/referats/16813/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1056"> и <img src="/cache/referats/16813/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1057"> (рис.3).

Рис.3. Схема потоковв процессе изотермического массобмена

Неизотермическиймассообмен

Подсистемыобмениваются компонентами, причём температуры подсистем различаются (рис.4).

Рис.4. Схема потоковв процессе неизотермического массобмена

где <img src="/cache/referats/16813/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1062">

Изотермическийхимический процесс

Пусть в открытой подсистеме при постоянной температуре происходитнесколько химических реакций вида

со скоростями <img src="/cache/referats/16813/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> Для поддержаниястационарного режима исходные вещества подаются в подсистему, а получаемыеотводятся в требуемых количествах равновесно, т.е. при тех же значенияххимических потенциалов (рис.5).

Рис.5. Схема потоковв системе с химическими превращениями

где <img src="/cache/referats/16813/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1067">n

-той химической реакции.

Тепломассообменс химическими превращениями

Пусть кподсистеме подводятся тепло от источника с температурой <img src="/cache/referats/16813/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1068"> и исходные веществапри температуре <img src="/cache/referats/16813/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1069"><img src="/cache/referats/16813/image090.gif" v:shapes="_x0000_i1070">

Рис.6. Схема потоковв процессе тепломассообмена с химическими превращениями

Необходимоопределить условия организации процесса на каждой из его стадий, когда призаданной интенсивности процессаминимизируется количество производимой энтропии, нахождение минимально возможных значений производства энтропии и соответствующих им функций измененияпараметров процесса (концентраций, температур, давлений).

Посколькупроизводство энтропии обладает свойством аддитивности, то для процесса, идущего в несколько стадий, общее производствоэнтропии равно сумме производства энтропии на каждой из стадий. Для каждойстадии находят минимальное производство энтропии при тех или иных условиях,внешних для данной стадии. Суммируянайденные значения и оптимальным образом подбирая условия на границахстадий, получим минимально-возможноеколичество произведённой энтропии <img src="/cache/referats/16813/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> во всём процессе вцелом.

Определениепредельно возможных значений показателей эффективности. Оценка степенитермодинамического совершенства организации процесса.

Подставив вуравнения балансов минимальновозможное количество произведённой энтропии <img src="/cache/referats/16813/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1074">

Отношениеминимально возможного (при заданной интенсивности процесса) количества производимой энтропии <img src="/cache/referats/16813/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1075"> к фактическому(производимому в реальном процессе) <img src="/cache/referats/16813/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1076"> определяет коэффициенттермодинамического совершенства организации процесса

<img src="/cache/referats/16813/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1077">.

Отношениепредельно-возможного значения обычного показателя эффективности процесса(энергетических и сырьевых затрат, производительности и т.д.) <img src="/cache/referats/16813/image102.gif" v:shapes="_x0000_i1078"> к фактическому <img src="/cache/referats/16813/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1079">

также может использоваться для оценки степени совершенстваорганизации процесса. Это позволяет оценить возможность и целесообразность егодальнейшего улучшения.

Также можносравнить изменение температуры, концентрации, давления в режиме, при которомминимизируется производимая энтропия, с их фактическим изменением в реальномпроцессе. В ряде случаев это позволяет выявить новые способы совершенствованияорганизации процесса (путём изменения конструкции аппаратов, добавления новых точек подвода или отвода веществ, и т.п.).

Если параметры одной подсистемы меняются, какследует изменять параметры другой, чтобыобеспечить максимальную среднюю интенсивность целевого потока (если ставитсязадача о предельной производительности, а не о предельной экономичности призаданной производительности)?

4.

Термическое разделение.

Для системы термическогоразделения (p=0) потокзатрачиваемого на разделения тепла

Первое из слагаемых зависит только от параметров внешнихпотоков и представляет собой обратимые затраты тепла, а второе отражаеткинетику процесса и связанную с ней диссипацию энергии.

Используяобозначение идеального цикла Карно <img src="/cache/referats/16813/image110.gif" v:shapes="_x0000_i1082">

Здесь <img src="/cache/referats/16813/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1084"> — эквивалентнаяобратимая работа, а <img src="/cache/referats/16813/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1085"> — производствоэнтропии.

Механическое разделение.

Рассмотрим систему разделения,использующую работу с интенсивностью p без подвода и отвода тепла (<img src="/cache/referats/16813/image117.gif" v:shapes="_x0000_i1086">

Подводимая для разделениямощность

Первое слагаемое в этом выражении представляет минимальнуюмощность разделения, которая соответствует обратимому процессу (<img src="/cache/referats/16813/image121.gif" v:shapes="_x0000_i1088"><img src="/cache/referats/16813/image123.gif" v:shapes="_x0000_i1089"> и суммарной обратимойработы полного разделения выходных потоков <img src="/cache/referats/16813/image125.gif" v:shapes="_x0000_i1090"><img src="/cache/referats/16813/image127.gif" v:shapes="_x0000_i1091">

Обратимые оценки сильно занижены,реальная работа разделения может оказаться существенно большей. Поэтому важноприблизить оценки к реальности за счет учета конечной продолжительностипроцесса или заданной интенсивности потоков. При этом оценки должны включатькоэффициенты массопереноса и зависеть от продолжительности процесса <img src="/cache/referats/16813/image129.gif" v:shapes="_x0000_i1092">.

Для получения подобных оценок нужно выбрать такое изменениепотоков массоперено

еще рефераты

Еще работы по химии

Портланцемент. Сухой способ производства

Химические реакции. Реакции в растворах электролитов

29 Августа 2013