книги / Эксергетические расчеты технических систем

ской необратимости процессов разделения, в том числе процессов абсорб­ ции и ректификации. Эти методы заключаются в использовании много­ поточных и многоступенчатых схем с подводом и отводом энергии и вещества по всей высоте массообменных аппаратов, соблюдении принципа «противо­ действия», что в конечном счете позволяет вести процесс вблизи равновесной линии с получением максимальной полезной работы (либо с минимальной затратой работы) [91].

§3. Химические реакции

Втабл. 6.3 приведены данные об эксергетическом КПД

различных химических процессов. При производстве химических продуктсв большая часть потерь (60—90 %) обусловлена термодинамической необрати­ мостью химических реакций (табл. 6.4—6.9). Необратимость может быть уменьшена проведением реакции в топливном элементе или «ящике» ВантГоффа (для газофазных реакций). Общий принцип снижения потерь эксергии при химических реакциях, согласно принципу Ле Шателье — Брауна,— проведение их в условиях, противоположных тем, которые обеспечивают максимальный выход полезного продукта. В этих условиях удается исполь­ зовать часть убыли энергии Гиббса, которая неизбежна при любой химиче­ ской реакции, для получения полезной термомеханической работы, а следо­ вательно увеличить эксергетический КПД химической реакции.

,Эксергетический КПД газофазных реакций типа СО + Н20 = С02 + Н2

может изменяться от 40 до 70 % в зависимости от выбора условий проведе­ ния реакции.

Чтобы удовлетворить противоположные требования (максимальный вы­ ход полезного продукта и минимальные потери эксергии), реакции прово­ дятся ступенчато с постепенным снятием «противодействия» при минимальной движущей силе, т. е. в пределе обратимым (квазистатическим) путем. В част­ ности, рекомендуется соблюдать следующие правила проведения химических

8.Теплоту реакции отводить при прямом контакте, т. е. продуктами* реакции.

9.При отводе теплоты реакции ее продуктами следует стремиться к тому,,

чтобы она отводилась концентрированными парами, а не парогазовой сме­ сью или жидкостью, теплота которых всегда используется хуже из-за более

высокой, энтропии.

10. При прочих равных условиях вести процесс в среде с меньшей теп­ лоемкостью. Такая среда при одинаковой теплоте реакции нагревается до. более высоких температур, соответственно увеличивается и ее эксергия.

И. Стремиться вести процесс в аппаратах полного вытеснения, т. е. без перемешивания исходных продуктов с продуктами реакции. В последнем слу­ чае (аппарат полного смешения) перемешивание приводит к потере движущей силы и сопровождается соответствующим ростом энтропии и уменьшением эксергии. Это указывает на то, что для экономии энергии полезно уменьше­ ние движущей силы, но не «растрата» ее впустую.

12. Применять газожидкостные реакторы противоточного типа. Они, вы­ годнее прямоточных, так как в последних движущая сила распределена край­ не неравномерно — процесс далек от равновесия на входе реагентов в ап­

парат и близок к равновесию на выходе. Поэтому в прямоточном аппарате для увеличения степени превращения приходится сильно поднимать необра­ тимость (движущую силу), например за счет избытка одного из реагентов. В противоточных аппаратах во многих случаях этого не требуется, достаточ­ но лишь увеличить время или поверхность контакта.

§ 4. Электрохимические системы

Особенности протекания электрохимических процессов

При электрохимических процессах наблюдается пря­ мое превращение энергии химического взаимодействия в электроэнергию, ли­ бо электроэнергии в энергию химического взаимодействия. Окисление и восста­ новление веществ в электрохимических процессах разделены пространственно: на аноде происходят процессы окисления вещества, на катоде — восстанов­ ления. Равновесие и скорость процессов определяются скачком потенциала между граничащими фазами.

Изменением потенциала на границе раздела фаз можно изменить не толь­ ко в тысячи и десятки тысяч раз скорость реакции, но и природу ее продук­ тов. Основная особенность электрохимических процессов состоит во влиянии на них электрического поля.

Эксергетические КПД электрохимических процессов и устройств

КПД электрохимических устройств рассчитываются как отношение выходящих из устройств полезных потоков эксергии к входящим в него или первоначально запасенных в нем!

при внешнем теплообмене и потери с неиспользуемыми продуктами, к внут­ ренним — потери при поляризации электродов, омические, в побочных ре­ акциях на аноде и катоде, от взаимной диффузии между анодной и катодной зонами, от наличия токов утечки, от смешения реагентов, от трения, от внут­ реннего тепло- и массообмена.

где ДU = | U — £эдс[; U — напряжение элемента.

Потери эксергии в* побочных реакциях рассчитываются по соотношению

где ei — эксергии компонентов побочных реакций; Д#< — энтальпии побоч­ ных реакций; тес— эксергетические температурные функции.

Потери эксергии при наличии токов утечки в батареях электрохимиче­

где Ц7ут — снижение мощности батарей химических источников тока (ХИТ), электролизеров из-за наличия токов утечки [57]; т — время.

где ДЯСИ, Д<SCM— изменение энтальпии и энтропии в процессе смешения ре­ агентов.

Для обратимых электрохимических элементов при силе тока / -► 0 по­ тери от поляризации и омические также стремятся к нулю, напряжение хи­ мического источника тока — к ЭДС, электролизера — к теоретическому на­ пряжению разложения, а электрическая работа, полученная в элементах ХИТ, накопленная в аккумуляторе или затраченная в электролизере,— к энергии Гиббса.

Формулы для расчета эксергетических КПД обратимых электрохимиче­ ских элементов представлены в табл. 6.10. При выводе формул принято, что эксергия механической формы энергии равна нулю. Расчеты КПД для раз­ личных реакций представлены в табл. 6.11—6.13.

По эксергетическим КПД ц' (в которых не учитывается полезный эф­ фект эксергии продуктов реакции) элементов электрохимических генераторов электроэнергии (ЭХГ) и ХИТ можно оценить термодинамическое совершен­ ство элемента, эксергия продуктов реакции которого не используется. А со­

поставление значений г\е с ^ Для электролизных систем, представленных в табл. 6.11, показывает, что если не учитывается термодинамическая цен­ ность исходного реагента, то эффективность электролизера завышается, а если не используется побочный продукт электролиза, то занижается.

Эксергетический КПД идеальной электрохимической энергоустановки (ЭХЭУ) и ее элементов (Я«) всегда равен единице *.

— * Встречающиеся в литературе значения КПД ЭХЭУ больше единицы — это коэффи­ циенты преобразования энергии (КПЭ), которые не могут рассматриваться как КПД (см. § 4

гл. 5).