Термодинамикалық тиімділігін анықтау

                                                    Жоспар

1. Кіріспе

ЭХТЖ мәні мен маңызы

 

2. Негізгі бөлім

1. ЭХТЖ талдау әдістері

2. Термодинамикалық тиімділігін анықтау

 

3. Қорытынды

Қоршаған ортаны қорғау мәселелері

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЭХТЖ–дің ( энергиялық химиялық–технологиялық жүйелердің) жалпы сипаттамасы, мәні мен маңызы.

Зерттеу нысаны ретінде кез келген ЭХТЖ–нің белгілі технологиялық құрылысы және белгіленген параметрлері болады. Өзіне тән ақпараттық дабылы бар кіріс және шығыс айнымалылары арқылы ЭХТЖ–нің қоршаған ортамен қарым–қатынасын және оның қызмет ету (функционирование) нәтижелерін сипаттауға болады (сурет 1.1). Технологиялық құрылым немесе ХТЖ–нің технологиялық топологиясы – элементтердің құрамын және олардың арасындағы өзара байланысты көрсететін жүйені ұйымдастырудың ішкі формасы және құрылымы. Технологиялық құрылысты (технологиялық топология) (G) технологиялық ағынның санымен (Nт.а.) және жеке элементтер (R) арасындағы өзара байланысу заңы арқылы жүретін химиялық–технологиялық процестер (gэ ) өтетін конструкциялық типтің айқын элементтер санымен (Nэ) сипаттауға болады:

 

G=G{Nэ (gэ), R, Nт.а.}                           (1.1)

 

       Химиялық–энерготехнологиялық жүйелер (ХЭТЖ) – жылуды сіңіру және шығару қатысында затты химиялық немесе физикалық өзгертуді жүзеге асыратын, нақты жылутехникалық және жылуэнергетикалық қажет технологиялық көрсеткіштермен талап етілетін жоғарысапалы химиялық өнімді шығаруды, сонымен қатар ТЭЕ–ті эффнетивті қолдануды және ластанудан қоршаған ортаны қорғауды қамтамасыз ететіе процестермен тығыз байланысқан әртүрлі ХТЖ–ң ХТП–і.

ХЭТЖ құрамына жоғарыэффективті аппараттар және химиялық технология машиналар әртүрлі арнайы жылутехнологиялық және  энергетикалық құрылғылармен қатар келесілер кіреді: бу генераторы, пайдаға асыру қазандары, экономайзерлер, турбогенераторлар, газды және булы турбиналар, пештер, адсорбциялық–тоңазытқыштық құрылғылар, жылулық насостар т.с.с. Мысал  болып аммиак, әлсіз азот қышқылы, метанол, фталевті және малеинді ангедрид және т.б. өнімдердің көпсалмақты ХЭТЖ–сі табылады.

ХТЖ параметрлері – әрбір химиялық–технологиялық процесте (ХТП) өтетін физика–химиялық құбылыстардың өту өзгешеліктерін, өту жағдайларын және әрбір ХТП жүйесінің өзіне тән инженерлік–аппараттық жабдықталуын сипаттайтын физикалық және химиялық шама. ХТЖ параметрлері конструкциялық және технологиялық болып бөлінеді.

Сурет 1.1 Зерттеу нысаны ретіндегі ХТЖ сызбасы.

ЭХТЖ–ның конструкциялық параметрлері (Ḱ) – жүйедегі элементтер құрылымының геометриялық сипаттамасы (мысалы, көлем, қима ауданы, құрылғы биіктігі және диаметрі, құрылғының саптама (насадка) қабаттарының өлшемдері). ЭХТЖ–ның технологиялық параметрлері (Ḋ) – жүйе элементтерінде өтетін ХТП–тің механихмі мен кинетикасын, қасиеттерін сипаттайтын физика–химиялық шама (мысалы, химиялық реакциялардың жылдамдық константасы, жылу және масса өткізгіштіктің коэффициенті). Техникалық режим параметрлері (Ẃ) – химиялық өнімге, оның сапасына, ХТП жылдамдығына әсер ететін жүйе элементтері ішіндегі негізгі физика–химиялық факторлар (мысалы, температура, қысым, компонент ағынының орын ауыстыруының гидравликалық шарты, католизатор активтілігі, зат концентрациясы және т.б.).

Жүйенің жағдайы тәуелді:

• ХТЖ технологиядық құрылысы және параметрлеріне;
• элементтердің технологиялық режимінің параметрлеріне;
• кіріс айнымалыларының ХТЖ әсер етуіне;

Жүйе жағдайын көрсететін ЭХТЖ–ның математикалық моделін келесі түрде жазуға болады:

Ỳ=Ḟ(Ẋ, G, Ḱ,Ḋ,Ẃ,τ)                    (1.2)

Мұндағы, Ḟ – ЭХТЖ–ның технологиялық құрылысының өзгешелігіне тәуелді векторлық аргументтердің Ẋ,Ḱ,Ḋ,Ẃ векторлық функциясы. Ḟ векторлық функциясын аналитикалық немесе сандық әдістер көмегімен табуға болады және 1.2 теңдеуін шешетін кейбір функция класына жатады деп есептелінеді.

ЭХТЖ мәні – жұмыс істеу өзгешелігін, басқа жүйелермен ұқсастығы мен айырмашылығын және ХТЖ элементтері арасында немесе қоршаған ортамен, осы жүйенің басқа ХТЖ–мен  әсерін қамтамасыз ететін жүйенің арнайы спецификалық сипаттамасын көрсету. ЭХТЖ–ның әрбір жағдай көрсеткіші келесі талаптарды қанағаттандыру қажет: 1) ХТЖ жағдайына тәуелді арнайы математикалық модель қолданылуымен есептелінетін шама болып есептелу; 2) ХТЖ–ң кез келген бір қасиеті туралы жалпы сандық көрнекі сипаттаманы беру; 3) тәжірибелік нәтижелер негізінде қарапайым жақын шамаларды рұқсат ету.

 

2.1  ЭХТЖ талдау әдістері және оның термодинамикалық тиімділігін анықтау

ЭХТЖ–ның жұмыс істеу сапасын техникалық жағдайды және жүйенің мақсаттарын жүзеге асыру деңгейін анықтайтын қасиеттер жиынтығымен сипаттауға болады.

ЭХТЖ–ның жұмыс істеу сапасын бағалау үшін әртүрлі эффективті критерийлер қолданылады. ЭХТЖ–ның эффективтілік критерийі (ЭК) (ψ) – жұмысты атқарудың алдына қойған мақсатын жүзеге асыру  үшін ХТЖ–ның бейімделу дәрежесін бағалайтын көрсеткіш.

Эффективтілік критерийлері қажет:

• ХТЖ–ның технологиялық режимдерін және оптималды элементтер параметрін анықтауға;
• химиялық өндірістік нысандарды реконструкциялау және жобалау міндеттерін шешудегі ХТЖ–ның альтернативті нұсқасын салыстырмалы бағалауға;
• ХТЖ–ны басқару алгоритімінің сапасына салыстырмалы баға беру және т.б;

ЭХТЖ–ның жұмыс істеу сапасын толық анықтау үшін технологиялық топологияның өзгешеліктерін, жүйенің негізгі қасиетін және жұмыс істеуінің технологиялық режимін, ХТЖ–ның қоршаған ортамен әсерлесу шартын ескеруі тиіс. Жалпы жағдайда ЭК келесідей функционал түрінде болады:

Ψ= ψ(G, Ḱ,Ḋ, Ẋ, Ỳ,Ẃ,Ś)                    (1.3)

Мұндағы, G –технологиялық топология; Ḱ(Ḋ) – конструкциялық (технологиялық) вектор параметрі; Ẋ(Ỳ) – кіріс (шығыс) айнымалылар векторы; Ẃ – элементтердің технологиялық режим параметрлерінің векторы, Ś – жүйенің қасиетін көрсететін вектор. Күрделі ХТЖ–ның ЭК шамасын есептеу арнайы алгоритмдерді өңдеу және тез әсер ететін ЭЕТ–ны (электорнды есептеуіш техниканы) қолдануды талап етеді. Жалпы жағдайда ХТЖ–ның жұмыс істеу процесі автоматталған екі иерархиялық кезеңде жүзеге асады: технологиялық–техникалық процесті әртүрлі автоматталған жүйелер арқылы басқару (ТПАЖБ), шаруашылық–ұйымдастырушылық– әртүрлі автоматталған жүйелер арқылы басқару өндірісін және мекемесін қолдану (АСУО, АСУМ).

     Сонымен, ХТЖ–де зерттелетін кез келген ТО типтік ТО–ның жиынтығынан тұратындығын көрсетеді. Типтік ТО–ларды екі класқа бөледі: негізгі және қосымша. Негізгі технологиялық операторлар (ТО) заттарды, ХТЖ элементтеріндегі энергияны өзгерту барысындағы негізгі химиялық және физикалық айналуларды, яғни өзгерулерді көрсетеді. Қосымша ТО–лар ХТЖ элементіндегі энергия мен заттың өзгерісімен жүретін энергетикалық және фазалық құбылысты көрсетеді. Типтік ТО–ның шартты түрі және классификациясы 1.2 суретте көрсетілген.

Зерттеу мақсатына қарай ХТЖ–ны зерттеу барысында оның әрбір элементін немесе ТО–ны қарапайым анализде бір типтік ТО ретінде (кесте 1.1) немесе күрделі анализде бірнеше типтік ТО жиынтығы ретінде қарастыруға болады.

Сурет 1.2 ХТЖ–ның типтік технологиялық операторларының шартты кескіні мен классификациясы

Реагенттері арасында экзотермиялық реакция өтетін адиобаттық реактор ТО секілді үш типтік ТО–ның жиынтығынан тұрады: жылжыту, химиялық өзгеру және қыздыру. ТО ретінде конденсаторды бу ағынының типтік суыту, агрегаттық күйді өзгерту ТО–ры, ал сұйық ағыны үшін типтік қыздыру ТО ретінде қарастыруға болады.

Кесте 1.1 ХТЖ–ң кейбір элементтеріндегі физика–химиялық өзгертулерді көрсету үшін қолданылатын типтік технологиялық операторлардың қолданылуы.

Типтік ТО	Көрсетілген физика–химиялық құбылыстардың маңызы	ХТЖ–ң әрбір элементіндегі негізгі құбылыстар
Химиялық өзгеру	ТП–ң бір немесе бірнеше затына арналған химиялық реакция	Реакторлар, кристалллизаторлар, автоклавтар, конверторлар, адсорберлер
Фазааралық массаалмасу	Екі кіріс ағын арасындағы фазааралық массаалмасу процесі	Адсорберлер, адсорберлер, экстракторлар, негіздеуге арналған құрылғылар
Жылжыту	Кіріс ағын шығымын механикалық жылжыту	Сұйық қойма, құбыр жүйесінің бөлімдері, шүмек, сорғалап ағатын жылжытқыш
Механикалық бөліну	Кіріс ағынындағы заттардың концентрациясын өзгертпей, бір ағымның механикалық бөліну шығыны	Сұйық қойма, құбыр жүйесінің бөлімдері
Селективті (диффузионды) бөліну	Кіріс ағынындағы концентрацияның өзгеруі болатын зат қоспасының селективті бөлінуі.	Дистилляция бағанасы, ректификация бағанасы, фильтрлер, десорберлер, центрифугалар, кептіргіштер, классификаторлар.
Рекуперативті жылуалмасу	Екі кіріс ағыны арасындағы жылу алмасу.	Рекуперативті жылуалмастырғыштар, тоңазытқыш, қыздырғыштар.
Қыздыру – салқындату	Элемент ішіндегі физика–химиялық өзгерулердің нәтижесіндегі жылуды жеткізу (қайтару).	Реакторлар, конденсатор, буландырғыштар, сепараторлар, пештер, эжекторлар, турбодетандерлер, дросселдер.
Қысылу (кеңейту)	Кейбір заттар ағын қосылысының жоғарлауы (төмендеуі).	Насостар, ауадужкалар, компрессор, эжектор, дроселлдер.
Агрегаттық күйдің өзгеруі	Шығыс ағынының агрегаттық күйінің өзгеруі.	Конденсаторлар, буландырғыш, кептіргіш, буландырғыш аппараттар, балқыту пештері.

 

ХТЖ–ң технологиялық сызбасы – жүйенің әрбір элементі стандартты графикалық кескін ретінде келтірілген, ал технологиялық байланыстар бағытталған сызық ретінде кескінделген, химиялық формула және ТП құрамы жайында қысқаша мәлімет келтірілген және ХТП–ке қатысатын заттардың қасиеттері туралы кейбір ақпарат келтірілген сызба.

        

Сурет 1.3 Аммиак синтезінің ХТЖ–сінің технологиялық сызбасы.

 

Сурет 1.4 Аммиак синтезінің ХТЖ–ң құрылыстық (а) және операторлық (б) сызба нұсқасы. Технологиялық оператордың блок нөмірі аппараттың технологиялық нөміріне сәйкес келеді.

АВ – азотсутекті қоспа; Аг – газ тәріздес аммиак; Аж – сұйық аммиак; В – су; ВП – су буы; ЦГ–циркуляционды газ.

ХТЖ–ның құрылымдық сызбасы – ХТЖ–ның әрбір элементінің бірнеше кіру және шығу жолы блог түрінде кескінделген, ал элементтер арасындағы технологиялық байланыс –бағытталған сызық түрінде келген сызба.

 Жұмыс істеу әдісіне  қарай ХТЖ классификациясы. Жалпы алғанда, белгілі уақыт аралығындағы ХТЖ–ның кіріс және шығыс айнымалыларның өзгеру заңдылығымен, өндірілетін өнім құрамымен сипатталатын жеке ХТЖ ХТП–ң жұмыс істеу қабілетінен шығатын ХТЖ–ның негізгі кластарын айқындайды: үздіксіз және мерзімді; қатаң айқын өнімдерді өндіруге арналған ХТЖ және көпсұрыптамалы өнім өндіруге арналған ХТЖ.

Қатаң айқын өнімдерді өндіруге арналған ХТЖ–ні жұмыс істеу қабілеті бойынша ХТЖ–ның келесі кластарына бөледі: үздіксіз, циклды–үздіксіз және мерзімді–үздііксіз. Үздіксіз ХТЖ – жұмыс істеу әдісі кез келген уақыт интервалында еркін үздіксіз тұрақты өзгеріспен, жеке ХТП және ХТЖ–нің әрбір жеке ауыспалы күйлерінің тұрақтылығымен сипатталатын жүйе.  Үздіксіз ХТЖ құрылғылырдың бірлік көлемімен біртекті өнімнің көп көлемін алуға жанармай–энергетикалық ресурс және шикізатының шығымын қысқартуға, барлық ХТП–ң толық автоматизациялануына мүмкіндік береді.

Үздіксі ХТП–ң мысалы ретінде көпсалмақты ХТЖ, карбомид, капролактам өндірісін келтіруге болады.

Үздіксіз–циклды ХТЖ – кейбір ХТП–ң ауыспалы күйіндегі, жүйешіктер қатарының технологиялық топологиясы кезіндегі тұрақты–еркін үздіксіз өзгерісі немесе уақыттың циклды өзгерісіндегі кіріс немесе күй айнымалыларының тұрақтылығы тән жүйе. Үздіксіз–циклды ХТЖ–ң мысалы болып шикізат немесе өнім адсорбциясы, жүйенің ішкі ТП–ң жылу регенерациясы табылады.

Мерзімді–үздіксіз ХТЖ – кіріс айнымалылары және жеке ХТП пен жалпы ХТЖ–нің ауыспалы жағдайы, жүйенің технологиялық топологиясы уақыт мезетінде периодты (мерзімді) өзгеретін жүйе. Мұндай ХТЖ құрамына үздіксіз, сонымен қатар, мерзімді ХТП кіреді. Мерзімді–үздіксіз ХТЖ–нің мысалы ретінде келесіні келтіруге болады: суспензиядан винил–хлоридты полимеризациялау. Мұндай ХТЖ–де реакторлы блок үздіксіз, ал демономеризациялы технологиялық блоктар және поливинилхлоридты кептіру мерзімді жұмыс істейді.