2 Задание

При заданной производительности и основных технологических параметрах, составе сырья или исходной смеси составить и рассчитать материальный и тепловой балансы процесса. Потери тепла в окружающую среду составляют 5% для всех вариантов задания (если потери не оговорены в задании).

3 Методические указания к выполнению курсовой работы

Материальные и тепловые балансы являются основой технологических расчетов химических процессов.

Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основании закона сохранения веса (массы) вещества:

ΣG_исх = ΣG_кон, (3.1)

где ΣG_исх – сумма весов (масс) исходных продуктов процесса; ΣG_кон – сумма весов (масс) конечных продуктов процесса в тех же единицах измерения.

Таким образом, если в какой-либо аппарат или технологический узел поступает G_А кг продукта А, G_В кг продукта В и т.д., а в результате переработки их получается G_С кг продукта С, G_Д кг продукта Д и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов А (G_А' кг), В (G_В' кг) и т.д., то при этом должно сохраниться равенство:

G_А + G_В +…. = G_А' + G_В' + G_С + G_Д +….+ ΔG, (3.1а)

где ΔG – производственные потери продукта.

Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производится отдельно для твердой, жидкой и газообразных фаз согласно уравнению:

G_г + G_ж + G_т.= G_г^' + G_ж^' + G^'_т . (3.1б)

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в одной фазе может содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению уравнения (3.1).

При составлении полного баланса обычно решают систему уравнений (3.1) с несколькими неизвестными. При этом могут быть использованы соответствующие формулы для определения равновесного и фактического выхода продукта, скорости процесса и т. д.

Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе стехиометрического уравнения реакции и молекулярной массы компонентов.

Практический материальный баланс учитывает состав исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери сырья и готового продукта и т. п.

По данным материального баланса можно найти расход сырья и вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха, себестоимость продукта, выходы продукта, объем реакционной зоны, число реакторов, производственные потери.

Результаты этих подсчетов обычно сводят в таблицу материального баланса.

Типовая таблица материального баланса

Приход		Расход
Статья прихода	Количество, кг	Статья расхода	Количество, кг
Продукт А Продукт В	GА GВ	Продукт А (остаток) Продукт В (остаток) Продукт С Продукт Д Производственные потери	GА GВ GС GД ΔG
Итого	G	Итого	G

На основе материального баланса составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоты или хладагентов.

При составлении теплового баланса учитывают тепловые эффекты реакций и физических превращений, подвод теплоты извне, и отвод ее с продуктами реакций, а также через стенки аппарата.

В основе уравнения теплового баланса любого процесса или аппарата лежит закон сохранения энергии, согласно которому количество теплоты (ΣQ'), поступающей в данный процесс, если в последнем нет превращения ее в другой вид энергии, равно количеству теплоты, выделившейся в процессе (ΣQ'').

ΣQ' = ΣQ'' (3.2)

ΣQ' – ΣQ'' = 0 (3.2а)

Тепловой баланс составляют в Дж, кДж, ГДж на одну единицу, 100 или 1000 единиц массы основного сырья, или конечного продукта, или же в форме теплового потока – в Дж/сек (вт).

При составлении теплового баланса необходимо учитывать:

1. теплоту, которую несут с собой входящие и выходящие продукты;

2. теплоту, образующуюся за счет физических и химических превращений, если таковые имеют место в данном процессе;

3. теплоту, теряемую аппаратом в окружающую среду и т.д.

В уравнение теплового баланса входят главным образом следующие величины. В приход: а) теплота (Q₁) входящих в аппарат продуктов; б) теплота (Q₂) физических и химических превращений, протекающих в данном аппарате; в) теплота (Q₃), вносимая за счет посторонних продуктов, не принимающих непосредственного участия в процессе. В расход: г) теплота (Q₄) выходящих из аппарата продуктов; д) потери тепла (Q₅) в окружающую среду. В расходе может быть также и величина Q₂, если она является отрицательной.

Таким образом, уравнение теплового баланса (3.2) принимает вид

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅. (3.2б)

Подсчет каждой из этих величин является одной из главных задач расчета технологического процесса и проектирования химической аппаратуры.

Остановимся коротко на каждой из них

а) Q₁ –теплота входящих в аппарат продуктов – подсчитывается по уравнению

Q₁ = М_Si (3.3)

или же Q₁ = М_S Ĉ_St , (3.3а)

где М_S – количество продуктов, входящих в процесс (кг, м³ или моль); эту величину берут из данных материального баланса, который обычно составляется раньше, чем тепловой;

i – теплосодержание продуктов приданной температуре;

Ĉ_S –средняя теплоемкость продуктов при температуре t поступления их в процесс;

t –температура продуктов при поступлении в процесс.

М_S = М_S1+ М_S2 + М_S3

При подсчете величины Q₁ вопрос сводится к нахождению значений Ĉ_S и t или же i, так как величины М_S1, М_S2, М_S3 обычно известны из материального баланса или из задания.

б) Q₂ – теплота химических и физических превращений, протекающих в данном процессе.

Эта величина включает или теплоту превращения продукта из одного агрегатного состояния в другое или теплоту растворения и т.д., или же, наконец, и то и другое одновременно. Таким образом, в значение Q₂ могут входить несколько величин в зависимости от того, какие химические и физические превращения имеют место в данном процессе. Поэтому при подсчете величины Q₂ необходимо предварительно знать эти превращения. Значение тепловых величин всегда берут из таблиц и диаграмм, где они даются в джоулях для определенных условий и отнесены к определенному количеству вещества. Эти табличные данные нередко приходится пересчитывать для тех условий работы, при которых должен работать рассчитываемый аппарат. Величины, входящие в значение Q₂ могут быть положительными и отрицательными; это обстоятельство всегда необходимо иметь в виду при подстановке этих величин в уравнение теплового баланса. Положительные значения этих величин следует относить к приходу тепла, отрицательные – к расходу.

в) Q₃ – теплота, подающаяся к аппарату извне через его стенки продуктами, не принимающими непосредственного участия в процессе (например, подогрев аппарата горячими газами, сжигание под ним топлива). Эта величина подсчитывается в зависимости от конкретных условий, т.е. от того, какой продукт и в каком виде является здесь носителем тепловой энергии.

г) Q₄ – теплота уходящих из аппарата продуктов – подсчитывается точно так же, как и количество теплоты Q₁.

д) Q₅ – тепловые потери в окружающую среду, которые вызываются теплопроводностью стенок аппарат, переходом тепловой энергии в лучистую и конвекцией.

При составлении теплового баланса довольно часто величиной Q₅ задаются на основе практических данных или же выводят ее как разность:

Q₅ = (Q₁ + Q₂ + Q₃) – Q₄