Параграф 4. Причины потерь материальных и энергетических ресурсов в технологическом оборудовании. Основные направления использования ВЭР.
Правила эксплуатации оборудования (по пожаро- и взрывоопасности и токсичности) не допускают возможностей утечки материальных потоков в окружающее пространство в условиях штатного функционирования. С этой точки зрения оборудование можно считать системами закрытыми. С термодинамической точки зрения же технологическое оборудование не является закрытой системой. В любом оборудовании осуществляется обмен тепловыми потоками с окружающей средой, который приводит к значительному рассеянию тепловой энергии в окружающую среду.
Передача тепловой энергии возможна при наличии разности температур между телом, тепло отдающим, и телом, воспринимающим тепло. Это означает, что тело, воспринимающее тепло, не может быть нагрето до начальной температуры тела, отдающего тепло. Передача тепла всегда сопровождается снижением температуры теплоносителя. В технологическом оборудовании происходит образование вторичных тепловых потоков с температурным потенциалом ниже, чем у первичных.
В оборудовании разделения происходит образование двух материальных и тепловых потоков. Один из этих тепловых потоков содержит целевой компонент и поступает на переработку в следующее по технологической схеме оборудование. Второй поток, содержащий незначительное количество целевого компонента и тепловой энергии, в большинстве случаев попадает в отходы. В редких случаях осуществляется извлечения остатков целевого вещества из этого потока, и практически никогда не используется тепловая энергия, содержащаяся в этом потоке. В процессах разделения неизбежно попадание части целевого вещества в поток, который далее попадает в отходы, и в редких случаях – в схему рекуперации. Схемы рекуперации, как правило, содержат в своем составе целый ряд процессов разделения. Поэтому любая схема регенерации не позволяет извлечь целевое вещество полностью. Таким образом, за счет этого неизбежны потери перерабатываемых веществ.
Потери материальных и энергетических ресурсов связаны, в значительной степени, с несовершенством используемых в промышленной практике процессов и оборудования. Скорость процессов зависит от величины движущей силы (разности температур или концентрации вещества, концентрации вещества и т. д.). По мере завершения процесса движущая сила его уменьшается, и скорость процесса снижается. В этих условиях эффективность использования оборудования падает. Целесообразность осуществления процессов с экономической точки зрения становится нежелательной. Поэтому ни один из промышленных процессов не проводят до падения движущей силы до нуля. Как следствие, это приводит к неполному использованию сырья.
В таблице 4.1 приведены основные причины, приводящие к потерям тепловых и материальных ресурсов. Как видно из таблицы, причины потерь материальных и энергетических ресурсов в значительной степени совпадают.
Таблица 4.1 ‒ Причины потерь в технологическом оборудовании
| Причины потерь | Потоки | |
| материальные | тепловые | |
| Снижение движущей силы | + | + |
| Обмен с окружающей средой | ‒ | + |
| С потоками разделения | + | + |
| Снижение потенциала | + | + |
| Несовершенство оборудования | + | + |
| С вторичными энергоресурсами | + | + |
В таблице 4.2 приведены сводные данные по использованию водных ресурсов в различных отраслях промышленности, хорошо отражающие неполноту использования (нерациональное использование) ресурсов из-за несовершенства технологического оборудования.
Таблица 4.2 ‒ Структура водопотребления в отраслях промышленности
| Отрасль промышленности | Объем водопотреб-ления | Объем воды на охлаждение (от объема водопотребления) | Объем оборотной воды (от объема водопотребления) |
| км3/год | км3/год | км3/год | |
| Теплоэнергетика | 86,4 | ||
| Черная металлургия | 21,6 | ||
| Цветная металлургия | 1,6 | ||
| Химия | 6,7 | ||
| Нефтехимия и нефтепереработка | 17,1 | 15,2 | |
| Целлюлозно-бумажная промышленность | 3,4 | 0,24 | 0,16 |
Ресурсосбережение ‒ система мер по обеспечению рационального использования ресурсов, удовлетворению прироста потребности в них народного хозяйства, главным образом за счет экономии.
Так как характерной особенностью многих химических производств является наличие значительных тепловых «отходов», то повышение энергетической эффективности таких производств не может быть достигнуто без рационального использования ВЭР.
В зависимости от видов и параметров рабочих тел различают четыре основных направления использования ВЭР:
1) топливное: непосредственное использование горючих компонентов в качестве топлива;
2) тепловое: использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве ВЭР или теплоты и холода, вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках, а также абсорбционных холодильных установках;
3) силовое: использование механической или электрической энергии, вырабатываемой в утилизационных установках за счет ВЭР;
4) комбинированное: использование теплоты, электрической или механической энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР.
ХТС, в которых реализуется комбинированный метод, называют энергохимико-технологическими системами (ЭХТС), позволяющие приблизиться к созданию безотходных технологий как по материалам, так и по энергии. В ЭХТС энергетическое оборудование органически связано с химико-технологическим в единый комплекс, в котором всякому изменению параметров химических процессов должны сопутствовать изменения параметров энергетического оборудования и наоборот. Таким образом, в ЭХТС имеет место такое сочетание технологического и энергетического оборудования, при котором их раздельная работа оказывается невозможной. В этих условиях задача оптимизации ЭХТС сводится к отысканию наиболее эффективного сочетания характеристик и режимов работы химического и энергетического оборудования, обеспечивающих уменьшение затрат топливно-энергетических ресурсов при высоких технологических показателях с учетом капитальных затрат (оптимальный выход продукта, максимальная степень использования сырья и т. д.).
Техническим воплощением подобной оптимизации могут являться способ замкнутого водоснабжения, обеспечение и повышение надежности и рациональная компоновка оборудования химических производств и т. д..
Таким образом, с математической точки зрения, большая часть задач ресурсосбережения является задачами оптимизации, целью которых является нахождение экстремума целевой функции. При этом в целевую функцию должен входить один или несколько критериев, влияющих на протекаемый в ЭХТС процесс. А величина этих критериев должна быть напрямую связана с расходом ресурсов в ЭХТС.
Основным этапом оптимизации ЭХТС является проведение ее термодинамического анализа.