Решение задач на тему: Термодинамическая оптимизация процессов разделения

Введение

Процессы разделения являются едва ли не самыми энергоемкими и очень разнообразными по своему конструктивному исполнению: мембранные, абсорбционно- и адсорбционно-десорбционные процессы, ректификация, центрифугирование, выпарка, вымораживание, и пр. Оценка минимальной энергии, потребной для разделения смеси того или иного состава, представляет большой интерес. Такую оценку работы разделения дают методы обратимой термодинамики, однако обратимые оценки очень грубы, поэтому важно приблизить оценки к реальности за счет учета конечной продолжительности процессов или заданной интенсивности, что позволяет учесть значения коэффициентов тепло- и массопереноса и связанные с из увеличением затраты. При этом желательно сохранить то преимущество обратимых оценок, что они не зависят от конструктивного оформления процесса [1].

Способом решения задачи оптимизации технологического процесса в режиме реального времени является её разбиение на два уровня. На первом (верхнем) проводится статическая оптимизация в соответствии с выбранным критерием по его математической модели, а на втором (нижнем) - нахождение оптимальных настроек управляющих устройств (например, ПИ-регуляторов) на основе линеаризованной в окрестности рабочей точки динамической модели. Взаимодействие между уровнями заключается в выдаче верхним уровнем оптимальных режимных параметров в качестве задания нижнему уровню.

Для построения такой системы необходимо знать предельные возможности процесса и соответствующий им режим при тех или иных значениях изменяющихся факторов. В качестве предельных возможностей ниже понимается максимальная производительность оптимизируемого процесса разделения при заданных составах потоков и затратах энергии или, что то же самое минимум расхода энергии для заданной производительности и составах.

С этой точки зрения представляет большой интерес оценка минимальной энергии, требуемой для разделения смеси того или иного состава. Если она известна, то можно оценить совершенство существующих технологий и конструкций аппаратов, используемых для разделения смесей.

Такую оценку дают методы обратимой термодинамики. В частности, для смесей, близких по своим свойствам к идеальным газам, в изотермических процессах такую оценку дает обратимая работа разделения.

В одних процессах разделения потребляемая энергия представляет собой механическую работу (например, в мембранных), в других используют тепловую энергию (например, в ректификации). Обратимая оценка для затрат тепла в этом процессе может быть найдена через обратимую оценку для работы разделения и КПД Карно.

Недостатком обратимых оценок является то, что они очень занижены, реальные затраты энергии могут оказаться существенно большими. Обратимые оценки соответствуют сколь угодно малой интенсивности процессов, значит и сколь угодно малой производительности. Они не учитывают кинетических факторов (коэффициентов тепло- и массопереноса, зависящих от конструкции и размеров аппарата). Более того, зависимость реальных затрат энергии для разделения исходной смеси на смеси с фиксированными составами от состава исходной смеси может иметь качественно иной вид, чем обратимая оценка. Например, при разделении двухкомпонентной смеси на чистые компоненты при малой концентрации одного из них обратимая оценка работы разделения будет стремиться к нулю, в то время как реальные затраты энергии могут быть весьма значительны. Поэтому важно приблизить оценки к реальности за счет учета конечной продолжительности процессов или заданной их интенсивности, что позволит учесть значения коэффициентов тепло- и массопереноса и связанные с их изменением затраты.

При нахождении оценок, учитывающих заданную интенсивность процесса, желательно сохранить то преимущество обратимых оценок, что они лишь косвенно зависят от конструктивного оформления процесса. Такая задача характерна для термодинамики конечного времени, исследующей предельные возможности термодинамических процессов с учетом ограничений на их продолжительность.

Получение оценок предельных возможностей процессов разделения с ненулевой производительностью позволяет:

- связать эффективность процесса с его режимными и конструктивными параметрами;

- выяснить какой из способов разделения с той или иной точки зрения предпочтительнее;

- найти максимально возможную производительность процесса и режим, ей соответствующий;

- синтезировать систему автоматического управления, поддерживающую показатели эффективности процесса (производительность, удельные затраты энергии) на уровне выбранных оптимальных значений.

Оглавление

- 1. Введение 3

- Классификация процессов разделения

- Термодинамическое описание систем разделения

- Постановка задач оптимизации

- 5. Заключение. 13

- 6. Список литературы 14

Заключение

Математические методы термодинамики при конечном времени нашли применение во многих областях, при этом достигнуты высокие результаты. Например, математические методы термодинамики при конечном времени используются для оптимизации процессов разделения в ректификационных колоннах [9]. С другой стороны в ряде областей, например посвященных проблематике топливных элементов сделано немного. Таким образом, представляется весьма перспективных использование математических методов термодинамики при конечном времени для решения задач по созданию и оптимизации топливных элементов.

Список литературы

1. В.А.Миронова, С.А.Амелькин, А.М.Цирлин. "Математические методы термодинамики при конечном времени" М.: Химия, 2000

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987. - 496 с.

3. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов. Под ред. Е.Г.Дудникова. - М.; Химия, 1987

4. Амелькин С.А., Андресен Б., Саламон П., Цирлин А.М., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем. Процессы с одним источником. // Известия РАН, Энергетика, - 1998 - №2.

5. Амелькин С.А., Андресен Б., Саламон П., Цирлин А.М., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем с несколькими источниками // Известия Академии наук. Энергетика, - 1999 - №1.

6. Балакирев В.С., Володин В.М., Цирлин А.М. Оптимальное управление процессами химической технологии. - М.: Химия, - 1978.

7. Бошнякович Ф. Техническая термодинамика. - М.:ГЭИ, - 1955.

8. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. -М.: Наука, -- 1966.

9. Анисимов И.В., Бодров В.И., Покровский В.Б.} Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок. - М.: Химия. - 1975.