Критерии термодинамического совершенства технологических систем




НазваниеКритерии термодинамического совершенства технологических систем
страница1/8
Дата публикации08.04.2013
Размер0.69 Mb.
ТипДокументы
vbibl.ru > Химия > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8
Сафонов М.С.

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.

Глава 2. Производство энтропии – количественная мера неравновесности процесса

2.1. Второе начало термодинамики

В курсах физической химии обсуждение второго начала термодинамики сосредотачивается на том, что этим законом устанавливается общая направленность макроскопических процессов в природе. Второе начало "запрещает" протекание одних процессов и "разрешает" осуществление противоположно направленных процессов. В настоящем курсе в интерпретации второго начала оттеняется его конструктивное значение для синтеза технологических систем, заключающееся в том, что законом определяется та категория процессов (это – равновесные, или точнее, квазиравновесные процессы), в которых преобразование материальных потоков протекает при наиболее полноценном использовании энергии в ее разных формах.

Будем исходить из формулировки второго начала термодинамики в виде неравенства Клаузиуса

. (2.1)

Вопрос заключается в приспособленной для анализа технологических процессов трактовке этого неравенства. В стационарном режиме процесса происходит изменение состояния совокупного материального потока, проходящего через систему. А именно, состояние каждой перерабатываемой порции вещества изменяется от ее первоначального состояния "1" в виде исходных реагентов до конечного состояния "2" в виде продуктов процесса. В то же время внутреннее состояние технологической системы (состояние "черного ящика" – в соответствии с обобщенной моделью в Главе 1) сохраняется неизменным. Аналогично в периодическом технологическом процессе после завершения полного цикла мы наблюдаем только изменение состояния совокупности произведенных продуктов по отношению к израсходованным исходным реагентам; состояние самой системы по завершении цикла возвращается в первоначальное. Таким образом под в неравенстве (2.1) будем понимать изменение энтропии совокупности рабочих веществ в ходе технологического процесса (соответственно за любой конечный временной интервал – в стационарном процессе и за полный технологический цикл – в периодическом процессе); T – термодинамическая температура, физический смысл которой устанавливается из анализа цикла Карно; – элементарная порция теплоты, передаваемая системе при текущем значении температуры T, вообще говоря, переменной по времени и пространственным координатам. Знак равенства в (2.1) относится к равновесным переходам из состояния "1" в состояние "2"; знак неравенства – к неравновесным.

В данной трактовке неравенства (2.1) существенно используется свойство аддитивности функции энтропии: подразумевается, что S1 и S2есть суммы энтропий, соответственно, исходных веществ и конечных продуктов, взятых в пропорциях, определенных величинами входящих и выходящих материальных потоков (балансовые уравнения будут выписаны в Главе 3). Если речь идет об отдельном технологическом аппарате с единственным входом и единственным выходом материального потока, то S1 и S2 есть просто энтропии выделенной массы рабочей смеси на входе и выходе аппарата.

Приложение неравенства (2.1) к анализу неравновесных процессов требует однозначного истолкования интегрируемой величины . Каждой элементарной порции теплоты здесь ставится в соответствие именно то значение Т, при котором система воспринимает эту порцию теплоты (или отдает в окружающую среду). На рис. 2.1 изображена ситуация, когда в теплообмене системы с внешней средой участвуют три отдельные части системы A, B и C, не находящиеся между собой в тепловом равновесии. Тепловые потоки в эти подсистемы обозначены через , и . В данном случае интеграл от приведенной (нормированной по температуре) теплоты для целой системы представляет собой сумму

,

где TA, TB и TC – мгновенные значения температур соответствующих подсистем. Если между внешней средой и участвующей в теплообмене с ней частью системы поддерживается конечный перепад температуры, то при расчете изменения энтропии в системе соответствующее количество подведенной (отведенной) теплоты необходимо относить именно к температуре системы. При этом изменение энтропии внешней среды в том же процессе будет определятся уже температурой самой среды (см. по этому вопросу раздел 2.2.1).



Рис.2.1. Теплообмен между внешней средой и термически неоднородной системой.

Неравенство (2.1) показывает, что в гипотетическом равновесном процессе , идущем через непрерывную последовательность промежуточных равновесных состояний перерабатываемых веществ, изменение энтропии полностью определяется подводом теплоты от внешнего источника (отводом теплоты во внешнюю среду). Функционирование любой реальной технологической системы сопровождается самопроизвольными неравновесными процессами внутри системы, т.е. действием внутренних источников энтропии, помимо теплообмена с внешней средой. Поэтому при фиксированных начальном и конечном состояниях перерабатываемого вещества, т.е. при фиксированном результирующем изменении его энтропии, интеграл от приведенной теплоты для любого неравновесного перехода будет меньше, чем в равновесном процессе. Разность



характеризует как раз действие внутренних источников энтропии в системе. Таким образом, эквивалентной формой записи второго начала термодинамики будет формулировка Пригожина

, (2.2)

где – производство (генерирование) энтропии внутри системы. Было бы неаккуратно, интерпретируя первое слагаемое правой части (2.2) как меру неравновесности системы, отождествлять второе слагаемое с равновесной составляющей результирующего изменения энтропии, поскольку обмен теплотой с окружающей средой может протекать как квазиравновесно, так и в далеких от равновесия условиях. Точнее говорить о внутрисистемной и межсистемной составляющих в изменении энтропии.

Уже в исходных формулировках второго закона термодинамики содержится указание на особое значение равновесных траекторий преобразования вещества с точки зрения сопутствующего ему преобразования форм энергии. Поясним это на простом примере изотермического процесса, знакомом читателю из курса физической химии. Пусть в технологической установке (например, топливном электрохимическом модуле) в процессе химического превращения веществ производится работа за счет убыли внутренней энергии реагентов и подвода теплоты от внешнего теплоносителя:

. (2.3)

В соответствии с (2.2) при условии Т= const

. (2.4)

Суммируя (2.3) и (2.4), имеем

, (2.5)

где функция Гельмгольца рабочих веществ. Выражения (2.4) и (2.5) показывают, что при заданных начальном и конечном состояниях рабочего вещества (т.е. при заданных изменениях функций состояния S и A чем более далеки условия проведения процесса от равновесных и выше производство энтропии внутри системы, тем меньшее количество теплоты система способна воспринять от внешнего источника и тем меньшая часть изменения энергии Гельмгольца может превратиться в работу.

Выражения (2.3) – (2.5) остаются справедливыми и для противоположно направленного изотермического процесса (например, в электролизере), когда системой потребляется работа для осуществления химического превращения, характеризуемого возрастанием энергии Гельмгольца реагентов. Чем выше производство энтропии в системе, тем большее количество теплоты, в соответствии с уравнением (2.4), потребуется отвести от системы, и тем выше будет, согласно (2.5), затрачиваемая работа.

Отметим, что в рассмотренном примере использовалась упрощенная форма записи первого закона термодинамики (2.3), не учитывающая изменение механической энергии рабочих веществ. Для общего анализа технологических систем, включающего рассмотрение неизотермических процессов и принимающего во внимание изменение механической энергии потоков, потребуется определенная модификация уравнений первого и второго законов термодинамики, которая будет выполнена в Главах 3 и 4.

В химической технологии основными источниками генерации энтропии являются: химические взаимопревращения компонентов; процессы, направленные на выравнивание интенсивных параметров – температуры и химических потенциалов компонентов по объему фаз, включая турбулентное смешение, теплопроводность и молекулярную диффузию, тепловое излучение; диссипация механической энергии за счет трения при перемещении рабочих веществ.

Торопливый читатель может далее сразу перейти к разделу 2.3, принимая как данность центральное уравнение термодинамики неравновесных процессов для скорости производства энтропии. В нижеследующем разделе 2.2 на классических модельных примерах, ассоциирующихся с именами Пригожина (энтропия теплового уравновешивания двух тел) и Вант-Гоффа (модель равновесного ввода в систему и вывода из системы химического вещества через селективно проницаемую мембрану), противопоставлены неравновесные и равновесные варианты необратимых по своей природе процессов – теплового смешения, смешения веществ и превращения веществ. Аккордное и, как представляется автору, нестандартное обсуждение модельных неравновесных систем, которым отводится определенное место и в курсах физической химии, имеет своей целью закрепление понимания студентом закономерностей производства энтропии для каждого типа процессов и принципов приближения к их равновесным траекториям. В традиционном курсе физической химии закономерности производства энтропии неизбежно отодвигаются на второй план, поскольку их приложение выходит за рамки этой учебной дисциплины. В теории технологических процессов эти закономерности приобретают первостепенное значение; задачей технолога является противодействие их проявлению. Хотя конкретные способы такого противодействия технолог выбирает иные, чем манипулирование цилиндрами с поршнями в модельных примерах.
  1   2   3   4   5   6   7   8

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconIv фестиваль «…Путники…Совершенства…»
Оргкомитет фестиваля «…Путники…Совершенства…» спешит сообщить Вам информацию к размышлению и творческим поискам

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconМетодические указания к лабораторной работе по дисциплине «Моделирование систем»
«Моделирование систем», «Моделирование в производственно-технологических системах»

Критерии термодинамического совершенства технологических систем icon«Обеспечение размещения колтюбинговой установки на млсп им. Ю. Корчагина...
Настоящим приглашаем Вас принять участие в открытом двухэтапном гласном тендере на право заключения договора по предмету: «Обеспечение...

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconКурсовая работа по дисциплине «Теоретические основы организации монтажа,...
Специальность: 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconСвами Прабхупада Совершенство йоги FineReader 11
В «Бхагавад-гите» же Шри Кришна, Верховная Личность Бога, учит Арджуну именно тому, как достичь совершенства йоги. Если мы действительно...

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconКритерии оценки перевода с листа Общие критерии оценивания
Неточности: например, неточности передачи смысла на текстовом, фразовом уровне, не искажающие общий смысл

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconПравила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов пб 03-585-03
Настоящие правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов устанавливают требования, направленные на обеспечение...

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconСписок научных работ за период январь 2008
Расчётно-аналитическое исследование возможности использования математической модели термодинамического цикла для термо газодинамического...

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconРезервирование как метод обеспечения надежности технологических систем на стадии их создания
Резервирование применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособности (повышения надежности)...

Критерии термодинамического совершенства технологических систем iconШрила Рупа Госвами утверждает, что хотя Господь Кришна и является...
Им Своего совершенства. Эти три степени совершенства конкретно проявляются следующим образом: на Голоке Вриндаване Он проявляет Свои...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
vbibl.ru
Главная страница