Energie v chemických procesech. Druhy energie. Celková bilance energie 5/10/2017

Transkript

1 5/0/07 Energie v chemických procesech druhy energie celková bilance energie tepelná bilance chlazení a ohřev v chem. proc. elektrická energie Druhy energie Energie se v chemických procesech vyskytuje v různé formě: teplo, chemická energie, elektrická energie, objemová energie, potenciální energie, kinetická energie, atd. Každý druh energie je zpravidla spojen určitou činností, ale zároveň dochází k jejich vzájemné přeměně např: při čerpání dochází k ohřevu média Druhy energie lze rozdělit podle jejich vazby na tok látek: Energie vázány na protékající látky: potenciální, kinetická, objemová, vnitřní Energie přecházející přes hranice systému: tepelná energie, práce Celková bilance energie Analogicky se zákonem zachování hmoty platí zákon zachování energie. Pro uzavřený systém platí: Σ energie dodané = Σ energie vydaná + akumulace obecně se provádí energetická bilance v ustáleném stavu (tj. akumulace = 0) zvláštní případy (např. najíždění provozu) - neustálený stav uzančně: teplo dodané do systému + kladné práce vykonaná systémem + kladná 3

2 5/0/07 Neustálený stav Zpravidla najíždění nebo odstavování technologických zařízení provedení energetické bilance je nutné - znalost energetické náročnosti (spotřeba energie) - z hlediska časového (jak dlouho potrvá najíždění) pro nedostatek přesných údajů (např. tepelná kapacita výměníku) je výpočet zpravidla založen na odhadech a zkušenostech z podobných provozů. Dosažení provozní teploty je spojeno s nutností instalovat topné elementy do reaktoru (zpravidla elektrické topné články). Při předimenzování zabírají místo během ustáleného provozu, při poddimenzovánítrvá najíždění neúměrně dlouho. 4 Celková bilance energie II Matematické vyjádření zachování energie v ustáleném stavu: Epot Ekin pv U Q Epot Ekin pv U W E E pot kin g m z mv m hmotnost [kg] z,z výška [m] v,v rychlost [m s - ] g gravitační zrychlení [m s - ] p,p tlak [Pa] V,V objem [m 3 ] U,U vnitřní energie [J] Q teplo [J] W práce [J] z termodynamiky pv+u=h a po vztažení na jednotku hmoty kg: v v gz h q gz h w [J kg - ] 5 Srovnání energií v případě teplotních změn je často možné zanedbat E pot a E kin v v gz h q gz h w [J kg doprava do výšky m: E pot = 9,8. = 9,8 J kg - rychlost toku vody m s - : E kin = / = 0,5 J kg - ohřev vody o o C : Δh=c p ΔT = 4, = 480 J kg - - ] Při výpočtu pozor na jednotky! c p (H O) = 4, J kg - K - měrná tepelná kapacita Δh [J kg - ] c p (H O) = 75,38 J mol - K - molární tepelná kapacita Δh [J mol - ] 6

3 5/0/07 entalpie teplo Entalpie - teplo stavová funkce jejíž hodnota závisí na zvoleném standardním stavu standardní stavy: teplota 73,5 K; tlak 0,35 kpa teplota 98,5 K; tlak 0,35 kpa při výpočtech je nutné používat pouze jeden standardní stav pro celý systém nejčastěji počítáme změnu entalpie při - ohřevu/chlazení látky - změně skupenství látky - chemické reakci 7 Bilance entalpie pokud nedochází ke změně skupenství při ohřevu/chlazení látky: h i t t c p, i dt v případě změny skupenství nutno zahrnout výparné teplo: hi hi, hi, c pl, idt hi, vyp( ) t t c pg, i dt ohřev kapaliny změna skupenství (výparné teplo) ohřev plynu v případě směsi počítáme se součtem entalpií jednotlivých složek + směšovací entalpie 8 Bilance entalpie II v případě reakce reakční enthalpie ze slučovacích nebo spalných entalpií zúčastněných látek aa+bb = mm+nn h mh r h r n i i M, sl v h i, sl nh N, sl A, sl B, sl Δh r [J mol - ] množství tepla uvolněné resp. spotřebované během jednoho reakčního obratu tj. závisí na zapsaném tvaru chem. rovnice. i, sp Celková změna entalpie závisí na stupni konverze tj. množství skutečně zreagované látky. n i i ah v h bh 9 3

4 5/0/07 Data 0 Data II e-tabulky Příklad Do výměníku vchází pára rychlostí 30 m/s za tlaku 500 kpa a teploty 00 o C. Kondenzát vychází z výměníku při teplotě 50 o C rychlostí m/s. Výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem činí 3m. Kolik tepla se uvolní z kg páry/kondenzátu. Řešení Data: Entalpie páry 00 o C, 500 kpa = 854,3 kj kg -, entalpie kondenzátu 50 o C je 63,78 kj kg - (std. stav H=0 při 0 o C, 00kPa). ΔE ΔE v v ΔH w gh H w - gh H pot kin q ΔE pot =g(h -h ) = 9,8. (-3) = -7,54 J kg - ΔE kin = ½ (v - v ) = 0,5. ( -30 ) = -449,5 J kg - ΔH= H -H = 63,78-854,3 = -,5 kj kg - q = -7,54-449,5-, = J kg - 4

5 5/0/07 Do výměníku vchází pára rychlostí 30 m/s za tlaku 500 kpa a teploty 00 o C. Kondenzát vychází z výměníku při teplotě 50 o C rychlostí m/s. Výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem činí 3m. Kolik tepla se uvolní z kg páry/kondenzátu. Řešení Data: ΔH f 98,5K (H O (g))= kj mol -, ΔH f 98,5K (H O (l))= -85,830 kj mol - Cp = A + B t + C t + D t 3 + E/t [t= K/000] ΔE pot = -7,54 J kg -, ΔE kin = -449,5 J kg - (viz. řešení.) hi hi, hi, cpl, idt hi, vyp( ) t t c pg, i dt A B C D H O (l) H O (g) E Δh= [At + B*t / + C*t 3 /3 + D*t 4 /4 E/t] t t [kj mol - ] Δh (00C-5C) (H O (g)) = -5,98 kj mol -, Δh (5C-50C) (H O (l)) = +9,5 kj mol - Δh kond, 98,5 = ΔH f 98,5K (H O (l))-δh f 98,5K (H O (g))= - 44,0 kj mol - Δh = ,0+9,5 =-40,48 kj mol - => -48,89 kj kg - Q = , = J kg - t x = 5 o C (98,5K) 3 Příklad chem. reakce

6 5/0/ Doprava tekutin Bernoulliho rovnice - zvláštní případ energetické bilance pro hydrodynamické výpočty. v p v p gh w c gh e ρ ρ dis w c e dis měrná práce čerpadla měrná ztráta mechanické energie pro ideální tekutiny e dis =0 výpočet e dis je zpravidla založen na exp. údajích l e dis λ d j n v ζ j λ součinitel tření materiálu potrubí, l délka potrubí, d průměr potrubí, v rychlost proudění a ζ součinitel místního odporu charakterizující 8 jednotlivé armatury. 6

7 5/0/07 Elektrická energie specifický druh energie s universálním uplatněním snadná doprava nedochází k hmotnostním změnám snadná regulace nezatěžuje provoz nečistotami - ohřev (i ve výbušném prostředí) odporový, obloukový, indukční, dielektrický - pohon čerpadel míchadel aj. výkon/příkon, účinnost - elektrochemické procesy konverze el. energie na chemickou a naopak R = U/I P = U. I R odpor [Ω], U- napětí [V], I- proud [A], P-výkon [W] 9 Příklad 3 Membránový elektrolyzér na výrobu Cl pracuje při napětí 3,3V a proudové hustotě 4kA/m. Plocha elektrody je m. Kolik elektrolyzérů zapojených za sebou je možné připojit ke zdroji o výkonu 50 kw. Řešení I = j. A I elektrolyzeru = = 4000 A x U celk U celk = n. U elektrolyzeru P zdroj = U celk. I n= P zdroj / (U elektrolyzeru.. I) n = / (3, ) =,36 tj. elektrolyzérů 0 Chlazení a ohřev existuje prakticky ve všech chemických provozech destilace, absorpce, desorpce, vymrazovaní, rozpouštění, krystalyzace, sušení atd. použitý způsob ohřevu/chlazení a volba teplosměnného média závisí na typu procesu a rozsahu potřebných teplot Ohřev -přímý tj. teplosměnné médium je v přímém kontaktu s ohřívanou látkou. ideální sdílení tepla, nízké investiční náklady ale dochází k hmotnostním změnám (např. zředění) -nepřímý tj. teplosměnné médium obíhá v odděleném okruhu. náročnější na sdílení tepla, vyšší investice, nedochází k interakci mezi médiem a ohřívanou látkou 7

8 5/0/07 Ohřev spalinami Primární zdroj tepla ze spalování tuhých, kapalných nebo plynných paliv. v technologických procesech se nejčastěji používá plynných paliv zemní plyn, svítiplyn, koksárenský plyn, odpadní plyny z petrochem. výrob aj. základní výhoda je ve snadné regulovatelnosti, minimální tvorbě tuhých odpadů. Možnost přímého kontaktu s ohřívanou látkou ve vybraných výrobách (silikátový průmysl, sušení, žíhání) Při výrobě páry je často používána tzv. kogenerace, kdy je zároveň produkovánapára a elektrická energie. Teplosměnná média Na přenašeče tepla (teplonosné látky) jsou kladeny tyto základní požadavky: přenášejí co největší množství tepla vztažené na jednotku hmotnosti či objemu jsou levné a snadno dostupné jsou chemicky stálé v rozsahu používaných tlaků a teplot nekorodují potrubí nejsou hořlavé, toxické ani výbušné nejsou příliš viskózní dovolují možnost regulace přenášenéhovýkonu. 3 Teplosměnná média-voda nejběžnější, snadno dostupné, netoxické, dobrá tepelná vodivost, vysoká tepelná kapacita, kondenzační teplo vhodná i pro přímý ohřev tam kde je žádoucí ředění (difuzery) vodní pára sytá vodní pára nebo přehřátá vodní pára. Použitelná do teplot 00 o C. vyšší teploty vysoké tlaky (vyšší investiční nároky) horká voda pro ohřev do 00 o C, vyšší teploty vyžadují zvýšený tlak (je popsána aplikace při 355 o C, 8 MPa.) 4 8

9 5/0/07 Teplosměnná média-voda Nároky na kvalitu vody voda do tepelných okruhů musí být demineralizovaná vysoké čistoty ve výměnících protéká chladicí voda trubkami malých průřezů citlivost na tuhé usazeniny (zhoršení přestupu tepla, ucpání trubek) Nejčastější příčina vodní kámen tj. narušení rovnováhy HCO 3- a CO v přítomnosti Ca + za vzniku CaCO 3. Obsah minerálních látek rovněž podporuje růst mikroorganismů (bakterie, řasy, plísně) Nároky na kvalitu vody vzrůstají s požadavkem na dlouhodobý nepřerušovaný provoz. 5 Organické látky Teplosměnná média Při přehřátí dochází k rozkladu za vzniku suspenze uhlíku. Při překročení limitní hodnotyje nutnécelou náplň vyměnit. drahé, Minerální oleje Umožňují ohřev do vyšších teplot bez zvýšení tlaku. Oleje zaručují ochranu proti korozi a rezivění, vysokou únosnost olejového filmu a vynikající mazací vlastnosti, jsou odolné vůči vymývání vodou Speciální směsi např. dowterm (směs difenilu 6,5% a difenyloxidu 73.5%) vykazuje teplotu varu 58 o C za atm. tlaku. Bod tání o C. Nejedovatá směs, netvoří usazeniny, nekorodující. Použití jak v kapalném tak plynném skupenství.. Výparné teplo cca 9x menší než voda. 6 Taveniny solí Teplosměnná média Umožňují ohřev do vysokých teplot až cca 500 o C. (např.: tavenina 40% NaNO, 7% NaNO 3 a 53% KNO 3, se používá v rozsahu teplot v o C) Za vyšších teplot dochází k rozkladu a zvýšení bodu tuhnutí směsi. Nebezpečí nitrace resp. oxidace org. látek, (nevhodné do org. provozů) Taveniny kovů Umožňují ohřev do vysokých teplot až cca 800 o C. (např.: slitiny Pb a Bi, ojediněle Hg nebo tavenina Na) Vysoký koeficient přestupu tepla. Konstrukčně a materiálově velmi náročné. Použití jen pokud není jiná možnost. 7 9

10 5/0/07 Vzduchem Teplosměnná média-chlazení pouze při velkém rozdílu teplot. nízký koeficient přestupu tepla. nízké náklady. Vodou často stačí užitková voda. Při zahřátí nad 50 o C, za vyšších teplot dochází k uvolňování rozpuštěných plynů (snížení teplosměnné plochy) a zvyšuje se riziko tvoření usazenin. Pro vyšší teploty se používají okruhy s upravenou vodou. 8 Čpavek Teplosměnná média-chlazení nejběžnější chladicí médium, používá se po kompresorové i absorpční chlazení, použití až do teplot -70 o C, malé tlaky, vysoký koeficient přestupu tepla, jedovatý, hořlavý až výbušný. SO, freony, CO, metan, etan, etylen, propan freony CF Cl (R-), HCF Cl (R-) negativní vliv na ozónovou vrstvu nahrazeny např. propanem Pro teploty pod -00 o C (např. při zkapalňování vzduchu ) se využívá přímá adiabatická expanze plynů 9 Využití energie v rámci výroby Výroba H (parní reforming) pro výrobu amoniaku CH 4 + H O CO + 3 H H 0 = 06 kj/mol CO + H O CO + H H 0 = = 4 kj/mol N + 3 H NH 3 H 0 = - 46 kj/mol Celková spotřeba energie v procesu parního reformingu je 8,5-3,5 GJ na t NH 3. Údaj odpovídá samostatné jednotce, z níž není předávána energie do jiných jednotek, a která má jako vstupy jen surovinu a palivo. Pokud je odpadní teplo využíváno v sekundárním reformeru výměníkového typu, produkce tepla v procesu nepostačuje na krytí spotřeby páry v procesu a k pohonu všech kompresorů. V tomto případě je tedy nudné dodávat do jednotky energii ze zdrojů mimo jednotku. Je však účelné, aby energie byla dodávána z integrovaného systému zásobování energií závodu. V tomto případě může celková spotřeba energie dosáhnout prakticky dosažitelného minima 36,9 (35, - 37,8) GJ (HHV) tepla na t NH 3. Výrobapáryprovyužitív jinýchvýrobnách Moderní jednotky parního reformingu jsou projektovány tak, že není produkována žádná nadbytečná pára, pokud není z hlediska celého závodu vhodné nadbytečnou páru pro využití v jiných jednotkách vyrábět a doplnit tak bilanci nízkotlaké s středotlaké páry závodu. Přebytečná pára je zpravidla produkována v procesu parního reformingu, v němž je k pohonu kompresoru vzduchu používána plynová turbína, nebo když je pro pohon hlavního kompresoru použit elektrický proud jako hnací síla. Přebytečná pára pak může býtvyužita v jiných jednotkách. Proces parního reformingu s dodávkou tepla spalováním plynu může být projektován tak, aby nebyla produkovánapřebytečná pára, i za podmínek,kdy je pak nutné doprocesudodávatenergii pro pohonstrojů. 30 0

11 5/0/07 Využití energie v rámci výroby Výroba H (parní reforming) pro výrobu amoniaku Zemní plyn ZnO Desulfurace ZnS H O, palivo Primární reformer Spaliny Vzduch, energie Sekundární reformer Teplo Konverze CO Teplo, kondenzát Teplo, energie Odstranění CO CO Metanizace Energie Komprese Energie Syntéza amoniaku Teplo, odpadní plyny NH 3 3