Эксергетический анализ. 
Процессы и аппараты химической технологии

В общем случае создание энергосберегающих химических производств ведется по следующим направлениям:

• — оптимизация существующих производств с целью определения наилучших условий процессов как с точки зрения получения нео<�бходимых целевых продуктов, так и энергосбрежения. Это может привести к усовершенствованию отдельных стадий производства, изменению его топологии и в итоге к более рациональному использованию энергии потоков;
• — поиск новых, более совершенных технологических решений при реализации стадий производства, включая введение подсистем рекуперации вторичных энергоресурсов;
• — применение совмещенных процессов с целью рационального объединения источников и стоков энергии внутри технологической схемы.

Вряд ли следует искать единственный метод (способ) эффективного решения перечисленных задач. Более глубокое понимание и изучение отдельных процессов, совершенствование технологии и аппаратурных решений, применение стратегии системного анализа, автоматизация управления отдельными стадиями и производством в целом — все это способствует созданию более совершенных производств.

Высокая эффективность отдельных процессов и стадий еще не гарантирует оптимальности всего производства в силу неаддитивности критерия оптимальности. Энергетическая эффективность производства определяется тем, насколько полно используется подаваемая извне и производимая внутри энергия, т. е. насколько низки непроизводительные потери энергии. Часто при проектировании отдельных элементов схемы не учитывается соотношение энергетических уровней, что исключает эффективное использование вторичных энергоресурсов. Идеальным вариантом организации производства является энергообеспечение за счет экзотермических процессов.

Энергетические потери принято разделять на две группы с точки зрения их распределения:

• — внутренние, связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри системы;
• — внешние, связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой и другими источниками и стоками энергии.

В химическом производстве потери за счет необратимости протекания процессов проявляются вследствие различных причин, например конечных разностей температур и концентраций при массои теплообмене, смешения неравновесных потоков, гидравлического сопротивления и т. д. К внешним потерям относятся те, которые связаны с потерями через тепловую изоляцию с продуктами, энергия которых не используется внутри системы (например, с дистиллятом и кубовым остатком ректификационной колонны, охлаждающей водой или воздухом и т. д.), т. е. в результате неорганизованного теплообмена с окружающей средой.

Эксергетический анализ, основанный на втором начале термодинамики, позволяет оценить степень использования энергии, ее потери, а также получить распределение этих потерь по отдельным аппаратам производства, т. е. выявить наименее эффективные из них. В основе энергетического анализа лежит понятие эксергии. Эксергия системы в данном состоянии определяется количеством энергии, не характеризуемой энтропией, которое может быть получено от системы или передано ей в результате обратимого перехода системы из данного состояния в состояние полного термодинамического равновесия с окружающей средой.

Согласно закону Гюи-Стодолы потери эксергии ДЕ пропорциональны увеличению энтропии системы:

где Т₀ — температура окружающей среды; AS — сумма приращений энтропии.

Практическое преимущество эксергии состоит в том, что ее уменьшение дает величину потерь энергии и позволяет оценить ее по сравнению со всей имеющейся используемой энергией. Использование энергетического анализа основано на составлении энергетического баланса потоков аппарата или системы, куда (для химических производств) включаются физическая составляющая эксергии

и химическая составляющая эксэргии

где АН — энтальпия системы; - химический потенциал, отсчитываемый от состояния равновесия с окружающей средой; N, — число молей i-го компонента технологического потока.

Поскольку все реальные процессы необратимы, баланс для какого-либо элемента схемы записывается с учетом потерь эксергии, т. е. в виде:

где Е_ЛХ — эксергия входного технологического потока; Е_лих — эксергия, преобразованная в полезную работу.

Для количественного сравнения процессов можно воспользоваться энергетическим КПД:

Этот параметр удобен для сравнения однотипных процессов химической технологии, так как свидетельствует о возможностях усовершенствования одного из них за счет снижения необратимости или более эффективного использования продуктов. Применение эксергетического анализа также весьма эффективно при исследовании химико-технологических систем на основе балансов, имеющих большое число источников и стоков энергии. С помощью такого подхода решаются задачи создания энергетически замкнутых химических производств, поскольку имеется возможность оценки как внутренних и внешних потерь, так и потенциалов энергетических потоков. Метод широко используется при расчете теплообменных систем; сравнительной оценке различных способов разделения многокомпонентных смесей; анализе химико-технологических систем и т. д.