Введение к работе
Актуальность темы. Общеизвестно, что энергообеспечение является основой устойчивого развития общества. Во всех странах наблюдается тенденция непрерывного роста энергопотребления. При этом около 87% мирового потребления энергоресурсов приходится на углеродсодержащее топливо. Следствием этого являются глобальные проблемы исчерпания легкодоступных запасов нефти и природного газа (удобных и эффективных видов топлива) и увеличения воздействия топливной энергетики на окружающую среду. Последнее обусловлено ростом выбросов парниковых газов, главным образом С02, ведущих к потеплению климата и изменению соотношения О2/СО2 в атмосфере, что критично для биосферы. В связи с этим вопросы энергосбережения и эффективного использования углеводородного топлива сохраняют первостепенное значение.
Термодинамика различает два вида потерь энергии - потери количества энергии, определяемые по первому закону термодинамики, и потери качества энергии, характеризуемые вторым законом. К первому типу относятся потери, связанные с переходом энергии в окружающую среду. Для количественного выражения потерь качества энергии введена особая термодинамическая функция - эксергия (потенциальная работоспособность энергии), определяемая через классические термодинамические функции как Е = Н - T0S, где Т0 - температура окружающей среды. Самые большие потери эксергии приходятся на неравновесные химические процессы: сжигание топлива в энергоустановках, окислительная конверсия природного газа, многочисленные другие окислительные и восстановительные химические процессы со значительным тепловым эффектом.
Таким образом, разработка радикальных способов снижения потерь эксергии в неравновесных химических процессах является актуальной проблемой.
Цель работы. Одно из общепризнанных направлений снижения потерь химической эксергии - это развитие процессов электрохимического преобразования энергии. Другим перспективным направлением может стать использование сопряженных каталитических и механических процессов. Из основных положений термодинамики вытекает, что если заданным образом непрерывно менять давление и температуру вдоль траектории химической реакции, отводя от системы энергию в виде механической работы, то в идеале можно на каждом участке пути реакции обеспечить минимальную величину химического сродства и получение работы реакции без потерь эксергии. Указанная квазиравновесная траектория реакции будет являться адиабатой-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |
изоэнтропой реакции [1,2]. Первый этап в теоретической разработке этого вопроса должен состоять в построении таких траекторий для промышленно важных процессов и исследовании реалистичных способов приближения к ним
Целью диссертационной работы является развитие и конкретизация данной концепции. В задачи работы входило:
-
Разработка методики построения адиабат-изоэнтроп для систем с несколькими реакциями, а также реакционных смесей реальных газов.
-
Исследование семейств адиабатно-изоэнтропных траекторий применительно к конкретным процессам паровой и углекислотной конверсии метана и синтеза аммиака.
-
Исследование сходимости реальных ступенчатых приближений к идеальным непрерывным траекториям.
-
Использование результатов термодинамического анализа для выработки рекомендаций по синтезу энергосберегающих технологических схем конверсии природного газа.
Научная новизна.
Разработана методика численного расчета адиабатно-изоэнтропных траекторий газофазных химических превращений в системах с несколькими реакциями и в системах, отклоняющихся от законов идеальных газов.
Построены семейства адиабатно-изоэнтропных траекторий для процессов паровой конверсии метана, углекислотной конверсии метана и синтеза аммиака из азотоводородной смеси.
Выведен критерий смены знака производных от давления и температуры по химической переменной (переменной Де Донде) в адиабатно-изоэнтропном процессе в зависимости от соотношения теплового и объемного эффектов реакции.
На примере паровой конверсии метана исследована сходимость к равновесной траектории ступенчатых траекторий, состоящих из чередующихся стадий адиабатической компрессии реакционной смеси и каталитического превращения в адиабатических условиях.
Оценена термодинамическая эффективность каталитического парциального окисления метана кислородом до смеси СО и водорода. Показано, что при изменении глубины окисления метана, с увеличением атомного соотношения О/С в смеси от 1 до 4,
наиболее неравновесной является именно первая ступень окисления (0/С=1).
Практическое значение.
На основе результатов термодинамического анализа предложена энергосберегающая технологическая схема получения водорода паровой конверсией метана без использования трубчатой печи. Энергосберегающий эффект в предложенной схеме достигается за счет отвода эксергии от транзитного потока водяного пара.
Рассмотрена схема интеграции процесса паровой конверсии метана в современную парогазовую тепловую энергоустановку с газовой и паровой турбинами. В интегрированной схеме реализуется каскадный четырехступенчатый принцип использования высокопотенциальной энергии топлива.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 15 Международном конгрессе по химической технологии, CHISA, 2002 г. (Прага); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения», 2002 г. (Москва). На основе результатов работы диссертантом прочитано несколько лекций для сотрудников нефтеперерабатывающего предприятия - ОАО Орскнефтеоргсинтез.
Часть работы выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом РФФИ 01-02-17028
Публикация. По материалам диссертации опубликовано 5 работ и получен 1 патент.