Kimyoviy ishlab chiqarishning energetik texnologiyasi texnik termodinamika

1.10. Energiya

Past potentsialli issiqlik manbalaridan foydalanish ma’lumki, mavjud bo’lgan ko’plab kimyoviy texnologiyalar juda energiya talab jarayonlar hisoblanadi. Odatda, ushbu texnologik jarayonlarni amalga oshirish uchun asosan yuqori potentsialga ega (yuqori haroratli) energiya manbalaridan foydalaniladi, chunki harorat ortishi bilan issiqlik uzatishni harakatlantiruvchi kuch ortadi va tegishlicha issiqlik almashinish uskunalarini o’lchamlari kichrayadi. Lekin termodinamikaning ikkinchi qonuniga asosan ulardan foydalanishda albatta past potentsialli issiqlik oqimlari sifatidagi issiqlik chiqindilari qoladi. Odatda ishlab chiqarishlarni energotexnologik sxemalari ikkilamchi energiya resurslaridan foydalanish jihatidan anchayin mukammal hisoblanib, tashlandik issiqlik oqimlarining nisbatan past haroratlari bundan dalolat beradi. Lekin ushbu oqimlar qiymatlarini hisobiga olsak, issiqlik chiqindilari miqdori yuqori bo’ladi.

Bunga kimyoviy zavodlar yoki IESlarning gradirnelarini misol qilish mumkin, ular atrof-muhitga past potentsialli issiqlikni ko’plab megavattlarini tarqatadi.

Lekin kimyoviy ishlab chiqarish korxonalarida shuningdek nisbatan yuqori potentsialga ega tashlandiq issiqlik oqimlari ham mavjud. Masalan ammiak texnologiyasidagi birlamchi riforming pechi atrof- muhitga harorati 200-300 ^oS bo’lgan tutun gazlarini tashlaydi, sarfi esa 350000-420000 nm³/ soatni tashkil etadi, ftalь angidrid ishlab chiqarishda esa harorati 300-400^oS bo’lgan issiqlik chiqindilari va 40000 nm³/soatgacha bo’lgan issiqlik sarflari mavjud.

Ko’rinib turibdiki bu issiqlik oqimlarining harorati ancha yuqori bo’lib, bu oqimlarning issiqlik energiyasini utillash mumkin, lekin berilgan texnologiyalar uchun ularchiqindi hisoblanadi, ya’ni texnikaning ( texnologiyaning) mavjud bosqichida ularni issiqlik energiyasini utillashni imkoni yo’q.

Energiya tashuvchilarni narhi darajada doimiy oshishi munosati bilan mavjud texnologiyalarni energotexnologik sxemalarini ikkilamchi resurlardan ( mavjud issiqlik chiqindilari) foydalanish tomonga takomillashtirish zarur. Lekin potentsiali past bo’lgan issiqlik oqimlarini utillashda potentsiali yana ham past bo’lgan issiqlik oqimlari hosil bo’lib, ularning issiqligi ohir-oqibat cheksiz manba yoki energiya “tashlamasi” bo’lgan atrof-muhitga berilishi kerak.

SHunday qilib, ishlab chiqarilayotgan mahsulot assortimenti va texnologik sxemalarni turli-tumanligiga qaramay, mavjud texnologik sxemalarni takomillashtirishi ulardan chiqayotgan oqimlar parametrlarini ham harorati, ham tarkibi jihatdan atrof*muhit parametrlariga yaqinlashtirishdan iborat.

SHuningdek yangi texnologik sxemalarni ishlab chiqarishda va takomillashtirishda dastlab qaysi energiya turidan, ya’ni harorati past bo’lgan katta oqim energiyasidanmi yoki nisbatan harorati yuqori bo’lgan kichik oqimning issiqlik energiyasidanmi yoki oqimlarning ortiqcha bosimidanmi yoki texnologik purkamalardan foydalanish kerak degan savol tug’iladi.

Bu savolga javob berish uchun turli yo’qotishlarni miqdorini o’zaro taqqoslash kerak.

Bunday masalalarni yechimini topish uchun nafaqat energiyani miqdorini, balkim uning sifatini, ya’ni potentsialini ham belgilovchi yagona kriteriydan foydalanish maqsa dga muvofiq bo’ladi.

Bunday parametr” eksergiya

Bu savolga javob berish uchun turli yo’qotishlarni o’zaro taqqoslash kerak. Bunday masalarni yechimini topish uchun nafaqat energiyani miqdorini, balkim uning sifatini, ya’ni potentsialini ham belgilavchi yagona kriteriydan foydalanish maqsadga muvofiq bo’ladi. Bunday parametr “eksergiya” deyiladi. Umuman olganda eksergiya- bu ishchi jism (modda) atrof- muhit bilan qaytar jarayonda amalga oshiriladigan maksimal ish bo’lib, bu jarayonning so’ngida unda ishtirok etayotgan barcha komponentlari bilan termodinamik muvozanatga erishda, undan tekin energiya manbai sifatida foydalaniladi.

Eksergiyaning fizik ma’nosi 1.21.-rasmda ko’rsatilgan bo’lib, bu yerda qaytar jarayonni maksimal ishini ani qlashdagi atrof-muxitning “yakuniy” holati gorizontal chiziq va 0-soni bilan ifodalangan. Atrof-muhit uchun t_o=20^oC, P_o=0.1MPa ga teng deb shartli ravishda qabul qilingan, lekin t_o qiymati Antarktida uchun 20^oCdan past bo’lishi, tog’li hududlar uchun esa P_o qiymati 0,1 MPa dan kichik bo’lishi kerak. SHunday qilib, eksergiya nafaqat sistemaning, balkim atrof- muhitning ham termodinamik funktsiyasi hisoblanadi.

Tashlama oqimlarning parametrlari atrof- muhitning tegishli parametrlaridan, masalan harorat bo’yicha, yuqori bo’lsa, bunda sistema “issiq” manba (s₁ va s₂) sifatida, atrof- muhit esa “sovuq” manba bo’lib xizmat qiladi va energiya oqimi “issiq” manbadan” sovuq” manba tomon harakatlanadi va ish bajaradi. Tashlama oqimlar harorati atrof-muhit haroratidan past bo’lgan holatda, “issiq” manba sifatida atrof-muhit, sovuq manba sifatida esa tashlama oqimlar hizmat qiladi, ish esa atrof-muhitdan chiqayotgan energiya oqimi hisobiga bajariladi (S₂ va S_k ).

Rasm 1.21. eksergiyaning fizikaviy ma’nosi:

S_o-holat va tarkibini barcha parametrlari bo’yicha atrof-muhit bilan termodinamik muvozanatda bo’lgan sistema holati; S₁,S₂,S₃,S_k-sistemani joriy holati; L₁,L₂,L₃,L_k- jarayon ishi.

Bu hollarda olinadigan maksimal ish turli belgilanishlarga ega bo’ladi,

lekin undan keyingi foydalanishda, belgi muhim ahamiyatga ega bo’lmaydi, faqatgina ishning absolyut qiymati (sistema eksergiyasi) muhim ahamiyatga ega. SHunday qilib, sistema barcha parametrlari bo’yicha, haroratdan tashqari, atrof-muhit bilan termodinamik muvozanat holatida bo’lsa, t_o=20^oC bo’lganda, harorati +60 ^oS bo’lgan sistema eksergiyasi harorati minus -20^oS b eenergiyao’lgan sistema eksergiyasiga teng bo’ladi. Bosim uchun huddi shunday o’xshash holat kuzatiladi:

-entropiya bilan tasiflanmaydigan eksergiya (mexanik, elektrik va hokazo) energiyaning o’zini qiymatiga teng bo’ladi;

-entropiya bilan tavsiflanuvchi eksergiya ( ichki energiya; nurlanish energiyasi, kimyoviy energiya).

O’z navbatida entropiya bilan tasniflanuvchi eksergiya quyidagi turlarga bo’linadi:

• 
  termomexanik (fizikaviy), kimyoviy (nolь energiya) va nurlanish eksergiyasidan tashkil topgan yopiq hajmdagi modda eksergiyasi;
  
• 
  termomexanik va kimyoviy eksergiyadan iborat modda oqimi eksergiyasi;
  
• 
  issiqlik oqimi eksergiyasi va nurlanish eksersidan iborat energiya oqimi eksergiyasi.
  
• 
  SHunday qilib sistema tarkibida atrof-muhitda N₂O ko’rinishida bo’lgan N₂ bo’lsa, sistema eksergiyasiga N₂ni N₂O holatiga o’tishida hosil bo’lgan ishni qo’shish kerak.
  

Sistema eksergiyasining chuqur hisob usuli mahsus adabiyotlarda keltirilgan [7].

SHunday qilib, eksergiyadan universal parametr sifatida foydalanib, tutun gazlar oqimi bilan yoki sovutish agenti bilan yoki yonuvchan gazlarni purkamalari bilan yo’qotilishi kabi solishtirib bo’lmaydigan issiqlik yo’qotishlarni taqqoslash mumkin. Aniq bir texnologiya uchun eksergiya yo’qotishlarini qiymatini solishtirib, mazkur texnologiyani to’g’ri baholash, taqqoslash va uni takomillashtirish usullarini tanlash mumkin.

“Potentsiallik” yoki “ oqim eksergiyasi” degan tushunchalar berilgan oqim parametrlarini o’zgartirish orqali yana qanday foydali ish bajarish mumkinligi bilan bog’liq, bo’lganligi uchun tabiyki, bu qiymat oqim materiali qiymati bilan bog’liq bo’ladi.

Past potentsialga ega issiqlikni utillashga imkon beruvchi agentlarga qo’yidagi talabalar qo’yiladi:

-kompressor konstruktsiyasini yengillashtirish, uning mexanik FIK ni oshirish uchun kondensattsiyalanish bosimi past bo’lishi kerak;

-bug’lanish bosimi 1 atmdan katta, lekin tashqi muhitdan havo so’rilishini oldini olish uchun shu qiymatga yaqin bo’lishi kerak;

-drossellashda yo’qotishlarini kamaytirish uchun suyuqlik past issiqlik sig’imiga ega bo’lishi kerak, ya’ni yuqori solishtirma sovuqlik ishlab chiqarilishi kerak;

-porshenli kompressorlardan foydalanishda bug’ kichik solishtirma hajmli yoki turbokompressorlardan foydalanishda bug’ katta solishtirma hajmli bo’lishi kerak;

-gidravlik yo’qotishlarni kamaytirish va issiqlik uzatishini yaxshilash maqsadida qovishqoqligi kichik bo’lishi kerak (qovishqoqlikgi juda past bo’lishi ham yo’qotishlarni oldini olish uchun maqsadga muvofiq emas);

- porshenli kompressorlardan foydalanishda agent va moy o’zaro erimasligi kerak;

-yonuvchan va portlovchan, toksik bo’lmasligi kerak;

-kimyoviy jihatdan barqaror va korrozion passiv bo’lishi kerak;

-tannarhi past va tanqis bo’lmasligi kerak.

Ishchi jismlar sifatida foydalanuvchi agentlar miqdori ko’pligi tufayli ammiak va freonlar qatori keng tarqalgan. Aynan shu agentlar sovutish mashinalarida foydalaniladi.

Suyuqlik (sovutish agenti) tomonidan yutilgan energiyadan foydalanishni quyidagi asosiy yo’nalishlari mavjud:

-uni mexanik energiyaga aylantirish ( bug’ dvigatellari, turbinalar);

Undan issiqlik tashuvchi sifatida foydalanish uchun issiqlik parametrlarini oshirish (issiqlik nasoslari).

Kimyoviy sanoatda qo’llaniladigan issiqlik nasoslariga issiqlikni utillovchi rektifikatsiya kolonnalarini misol qilish mumkin bo’lib, ular deflegmatorda ajralayotgan issiqlikni utillab, bu issiqlik odatda atrof-muhitga tashlanadi. (rasm1.22)

Rasm1.22. issiqlik nasoslaridan kimyo sanoatida foydalanish.

Rektifikatsiyaion kolonnaning oddiy texnologik sxemasi 1.22.-rasmda keltirilgan bo’lib, kolonna kubiga unda bug’ oqimini hosil qilishi uchun zarur bo’lgan issiqlik Q₁ beriladi, bug’ oqimini kondensatsiyalash issiqligi esa (Q₃) deflegmatordan D odatda atrof-muhitga tashlanadi.

Deflegmatordan tashlanayotgan issiqlikni qisman utillovchi ajratish bo’limining texnologik sxemasi 1.22 –rasmda keltirilgan. Bunda kolonnani yuqori qismidagi bug’li faza ish L hisobiga kompressorda S siqiladi. Siqilishi natijasida gaz harorati ortadi va u issiq holga o’tadi (1.20-rasmdagi 2-3 jarayonni qarang). So’ngra bu gaz issiqlik almashinish apparatiga D₁ berilib, u kolonna kubini issiqlik Q₂ hisobiga isitadi (1.20-rasmdagi 3-4 va 4-5 jarayonlarni qarang), natijada tashqi enegriya Q₁ tejaladi, so’ngra deflegmatorga D₂ uzatib, bu yerda issiqlik Q₃ atmosferaga chiqariladi.

SHunday qilib, 1.22-rasmdagi Q₃ va Q₁ lar 1.22 .b- rasmdagi Q₃ va Q₁ lardan kichik bo’ladi, chunki kalonnaning yuqori qismidan ajratilayotgan bug’larning issiqligini bir qismi kolonna kubini isitish uchun sarflanadi, bu esa kollona ishi zarur bo’lgan issiqlikni tejashga va yuqori texnologik- iqtisodiy ko’rsatkichlarga erishishga imkon beradi.