Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

Порядок расчётов на эксергия-концентрация диаграмме

Рассмотрим порядок некоторых расчетов на e, ξ -диаграмме для смеси N₂ – О₂. Положение точек, нужных для снятия величин с диаграммы, показано на рис.2-9.

Рис. 2-9.

Охлаждение и ожижение смеси данного состава.

Минимальная работа изменения состоянии равна, как и для чистого вещества, разности значений е в начальной и конечной точках процесса при ξ=idem. Например, для воздуха (ξ=0,79) минимальная работа охлаждения от Т_ос=273K доТ=120K при давлении 1 кгс/см² равна Δе=е₁₀–е₀=2970 кДж/моль, при охлаждении до температуры насыщения Δе=е₈–е₀=4935 кДж/моль, а при охлаждении до полной конденсации Δе=е₉–е₀=2970 кДж/моль.

Для чистого кислорода (ξ=0) эти величины равны соответственно е₁₁–е₁, е₄–е₁, е₆–е₁. Аналогично определяется минимальная работа и при других давлениях и концентрациях, причем начальное и конечное давления могут быть и различными. Например, минимальная работа, необходимая для перевода в жидкость при давлении в 1 кгс/см² воздуха с давлением 5 кгс/см² и температурой Т_ос, равна е₉–е_0'= 21140 – 3500 = 17640 кДж/моль. Эта работа меньше, чем е₉–е₀, так как воздух, сжатый до 5 кгс/см², обладает некоторым собственным запасом эксергии.

Те же результаты для чистых веществ или смеси, имеющей постоянный состав (например, для воздуха), можно получить и по i, e - диаграмме соответствующего чистого вещества или смеси данного состава. Но преимущество e, ξ - диаграммы в том, что она одинаково пригодна для всех концентраций от ξ=0 до ξ=1.

Разделение смеси.

В этом случае обратимая работа l определяется посредством простого построения на е, ξ - диаграмме. Величина суммарной эксергии продуктов разделения находится по правилу, используемому для расчета количества тепла в i, ξ - диаграмме, т.е. как ордината точки пересечения прямой, соединяющей точки, соответствующие состояниям продуктов разделения, с вертикальной прямой ξ=idem заданной концентрации смеси. Расстояние по ординате ξ_см от точки пересечения до точки, соответствующей состояния исходной смеси, равно l. Например, для разделения воздуха на чистые кислород и азот при P=P_ос и Т=Т_ос минимальная работа равна е₁₂–е₀=1242 кДж/моль воздуха, а при Р=5 кгс/см² и той же температуре Δ_е= е₃–_е0'. Таким же способом определяется величина минимальной работы и для случаев, когда продукты разделения имеют любые температуры и давления, отличные от параметров разделяемой смеси, или находятся в другом агрегатном состоянии.

Например, работа, необходимая для разделения воздуха, находящегося в нулевом состоянии, на жидкий кислород (ξ=0,01; точка К) и газообразный азот (ξ=0,98; точка А), равна е₁₄–е₀=9621 кДж/моль исходного воздуха.

В приведенных примерах величина минимальной работы, которая определялась по e, ξ - диаграмме, относилась к единице расхода разделяемой смеси. Свойства e, ξ -диаграммы позволяют получить величину этой работы, отнесенную к единице расхода любого из получаемых продуктов. Необходимое для этого построение показано на рис. 2-10.

Рис. 2-10.

Следующая страница: Примеры разделения смеси