Определение химической эксергии

Рассмотрим в качестве окружающей среды атмосферу, в которой при­сутствуют О₂ и N₂. Эти вещества называют веществами отсчета: если в рас­сматриваемой системе существуют эти вещества, то их приводят к состоя­нию отсчета, т.е. к состоянию окружающей среды.

Термодинамические основы определения эксергии

Работа открытой системы, полученная в любом изотермическом процес­се равна изменению энергии Гиббса (-ΔG)

G = Н - ТS

ΔG = ΔН - ТΔS- SΔТ

С другой стороны ТΔS = ΔН - VΔР + δА_Н

-VΔР + δА_Н = -ΔG - SΔТ

ΔТ = 0, тогда ΔG= -VΔР + δА_Н

н — немеханическая работа

Y - вещество отсчета, j— > идеальный газ. При общем давлении в системе Р_с парциальное давление j-го компонента в системе Р_cj парциальное давле­ние окружающей среды

Рассмотрим переход при постоянной температуре одного моля вещества j из состояния Р_cj в состояние Р'_cj

 

В окр. В рассм. Среде системе

Рассмотрим энтропию и энтальпию:

Для неидеальных газов рассматривают не парциальные давления, а фугитивность, таким образом, при переводе 1 моль вещества отсчета j рассмат­риваемой системы к его состоянию равновесия с окружающей средой, со­вершается работа:

Если то А>0

Если то А<0

Величину работы называют мольной химической эксергией вещества отсчета j.

Если в системе содержатся вещества, которых в окружающей среде нет, то согласно методу Шаргута с этими веществами проводят реакции деваль­вации.

Реакции девальвации — это химическая реакция, вследствие которой ве­щество превращается в вещество отсчета. Это превращение возможно осу­ществить с участием другого вещества из окружающей среды, которое назы­вается дополнительным веществом отсчета.

Дополнительное вещество отсчета используется в том состоянии, в ко­тором оно находится в окружающей среде. Окружающая среда рассматрива­ется как бесконечный ресурс вещества и энергии.

Для реакции девальвации ΔG рассматривается как работа девальвации при температуре окружающей среды.

Для веществ системы ΔG берется их парциальных давлениях в системе для дополнительных веществ отсчета, берутся их парциальные давления и агрегатные состояния в окружающей среде.

 

Эксергический КПД

С точки зрения ТД-ского совершенства технологический процесс дол­жен иметь минимальные эксергические потери и потери способность совер­шать работу. Для совершенных производств суммарная эксергия потоков на выходе близка к эксергии потоков на входе, т.е. работоспособность системы не теряется, а эксергический КПД определяется как:

 

Т.к. значения эксергии велики, то разность между ними может быть не­значительна и КПД для различных процессов не различаются, поэтому мож­но вычислить КПД с учетом транзитной эксергии:

 

 

Однако значение транзитной эксергии сложно вычислить, поэтому в не­которых случаях рассчитывают транзитные КПД, где в числителе учитывает­ся прирост эксергии в результате технологического процесса, а в знаменателе убыль эксергии некоторых видов:

 

КПД целевые лучше всего отражают уровень организации производства, а предварительный анализ всех составляющих эксергии позволяет избежать формального подхода.

Грамотная интерпретация эксергического КПД позволяет установить не­которые потери работоспособности. Например, использовать эксергию про­дуктов процесса, снизить потери на трение, потери от избытка реагента, по­высить степень термоизолированности системы. Эксергический анализ про­водят с учетом эксергических факторов, что является основой эксерго-экономического анализа.

При эксерго-экономическом анализе определяют стоимость единицы эксергии и рассчитывают эксерго-экономические критерии, затем проводят их оптимизацию ищут их максимум и минимум.