Материальный и Энергетический Баланс.

При проектировании новых производств для анализа работы существующих с целью определения оптимальных значений параметров процесса составляют материальные и энергетические балансы производств.

Материальный Баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса вещества, вступившая во взаимодействие равно массе веществ, образующихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества G_приход равен его расходу G_расход. Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде

G_приход = G_расход

Для периодических процессов МБ составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов за единицу времени для установившегося режима. МБ может быть составлен для всех веществ участвующих в процессе или для одного кого-либо вещества (обычно для основного сырья).

МБ составляют для процесса в целом или для отдельных стадий. Определение массы веществ производится отдельно для твердой, жидкой, газообразной фаз.

G_т+G_г+G_ж= G_т+G_г+G_ж

G_т,G_г,G_ж – массы твердых, газообразных и жидких веществ, поступающих в производство или на данную операцию в ед. времени.

G_т,G_г,G_ж – массы веществ получаемых продуктов производств.

В производственных процессах между компонентом сырья кроме основной реакции, протекают побочные реакции. Кроме того, они возникают за счет примесей. Обычно при составлении МБ не учитывают все реакции, а лишь основные реакции, поэтому

G_приход = G_расход+,

где  - дебаланс ( - дельта )

Энергетический Баланс – составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Или можно сказать так: в основу ЭБ положен закон сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенное в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход энергии равно ее расходу.

Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. Поскольку в этих процессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, то для химико-технологических процессов составляют тепловой баланс

Q_приход = Q_расход

В этом случае закон сохранения энергии формулируется так: приход тепла в данной производственной операции Q_приход равен расходу тепла в той же операции Q_расход.

Тепловой баланс – составляют по данным МБ с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с учетом подвода тепла извне и отвода ее с продуктами реакции, а также потери в окружающую среду через стенки аппарата.

В общем виде тепловой баланс выражают уравнением:

Q_т+Q_ж+Q_г+Q_ф+Q_р+Q_n= Q_т+Q_ж+Q_г+Q_ф+Q_р+Q_n

Q_ф, Q_ф – тепло, выделяемое и поглощаемое при физических процессах.

Q_р, Q_р – тепло, экзотермических и эндотермических реакций.

Q_n – тепло, подводимое в аппарат извне.

Q_n – потери теплоты в окружающую среду

Q_т , Q_ж , Q_г – тепло, вносимое с поступающими в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Q_т, Q_ж, Q_г – тепло, уносимое выходящими веществами.

(Экзо – реакция протекает с выделением энергии, эндо – реакция протекает с поглощением энергии).

Закон Г.И. Гесса (открыл в 1836) – основной закон термохимии. Термохимия – изучает тепловые эффекты химических реакций, а также теплоту образования и разбавления растворов.

Из закона Гесса: если из данных исходных веществ можно получить заданные конечные вещества различными путями, то суммарная теплота на одном каком-нибудь пути равна суммарной теплоте процесса на любом другом пути, т.е. тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний системы, но не зависит от пути перехода.

Q_р = – Н

Н=Н_{продукты} – Н_{исходных продуктов}.

Н – тепловой эффект химической реакции.

Иногда Q_т , Q_ж , Q_г и Q_т, Q_ж, Q_г называют теплосодержанием, каждый в отдельности определяется по формуле:

Q=CTG

C – теплоемкость [Дж/мольК]

Для газообразных продуктов:

Ср=a_o + a₁Ta₂T²

где a_o, a₁, a₂ – табличные коэффициенты (справочник под редакцией Равделя и Понамаревой).

Теплоемкость газовой смеси определяют исходя из закона аддитивности. Аддитивность – это способность складываться целого из его частей

С_{сложное целое}=

где G – масса вещества?

C – теплоемкость

Химическая, принципиальная технологическая схема химико-технологических процессов.

На первом этапе создания и строительства химико-технологического процесса (ХТП) разрабатывается химическая схема производства. Разработка химической схемы базируется на экспериментальных данных. В лабораторных условиях изучают все химические реакции, определяют механизм и кинетику основных побочных реакций, реакций превращения и утилизации отходов производства. В ходе научного поиска определяют пути осуществления химических реакций в промышленных условиях, решаются вопросы аппаратурного инженерного оформления. Критерием окончательного выбора химической системы является экономичность и экологическая безопасность производства.

Химическая схема: Производства эпихлоргидрина.

Основная 2СH₂Cl – CH – CH₂Cl+Ca(OH)₂2CH₂ – CH-CH₂Cl+CaCl₂+H₂O

реакция ОH гидроксид O хлорид

α и β - дихлоргидрин- кальция эпихлогидрин кальция

глицерин

Побочная реакция:

1) СН₂ – СН – СН₂Сl+H₂OCH₂ – CH – CH₂Cl α – моно-хлоргидрин

O OH OH глицерин

эпихлоргидрин

CH₂ – CH – CH₂Cl+H₂OCH₂ – CH – CH₂+HCl

O OH OH OH

Глицерин

Или

HCl+Ca(OH)₂CaCl₂+H₂O

Принципиальная схема:

Принципиальная схема обычно используется в научно-технической и учебной литературе для графического изображения и для описания основных стадий процесса. Общее графическое представление о химико-технологических процессах дает принципиальная схема производства. Строгих правил для оформления принципиальной схемы не установлены, они показывают связь между основными физическими и химическими процессами и операциями, составляющими технологический процесс. Каждый процесс показывают условно в виде кружков или квадратов.

Для более полного и наглядного представления разрабатываются технологические схемы производства. Изображения технологической схемы отличается от изображения принципиальной схемы тем, что в технологической схеме указываются все аппараты (основные и вспомогательные), материальные потоки и тепловая связь между ними.

Аппараты в схеме вычерчивается по ГОСТ 2788-74 – «Обозначения графические условные». Параллельно работающие аппараты изображаются в виде одного аппарата, индексами указывается их общее число. При создании ХТП на стадии проектирования разрабатывается схема контроля и регулирования технологических параметров. Этим занимаются службы КИПиА (контрольно-измерительные приборы и аппараты) проектных институтов или специальное конструкторское бюро.

Технологическая схема включающая схему контроля и автоматизации называется полной технологической схемой.

Описание технологической схемы получения эпихлоргидрина. Процесс производства эпихлоргидрина состоит из двух частей:

1. Дегидрирование – отщепление водорода путем окисления или нагревания.

2. Ректификация – разделение смесей.

Раствор дихлоргидринглицерина (4-5%-ный) подогревается до 60-70С в подогревателе [1] и поступает на верхнюю тарелку реактора [2], куда одновременно подается известковое молоко (раствор Са(ОН)₂). В нижнюю часть реактора подается «острый» пар («острый» пар – когда кипит вода) в количестве, необходимом для проведения реакции и отгонки образующегося эпихлоргидрина в виде азеотропной смеси с водой. Кубовая жидкость, содержащая не прореагировавшую гидроокись кальция и образовавшийся глицерин, выводится из нижней части реактора и направляется на очистку. Образующийся эпихлоргидрин вместе с парами выводится сверху из реактора, конденсируется в конденсаторе [3], разделяется фазоразделителем [4]. Вода, содержащая до 6% эпихлоргидрина, возвращается после фазоразделителя на орошение верхней части реактора. Эпихлоргидрин (85-90%) из фазоразделителя [4] поступает в колонну [5], где производится азеотропная сушка эпихлоргидрина. Вода вместе с низкокипящими примесями, в основном хлористый аллил и 2,3-дихлорпропен, отделяется в виде дистиллята и выводится из системы как отходы. Осушенный эпихлоргидрин из куба колонны [5] поступает на питание колонны [6]. В колонне [6] отделяются высококипящие «тяжелые» примеси, состоящие из 1,2,3-трихлорпропана и -дихлоргидринглицерина. Кубовая жидкость колонны [6] является питанием колонны [9]. В этой колонне в виде дистиллята отбирается товарный 1,2,3-трихлорпропан, а кубовая жидкость в основном содержащая -хлоргидринглицерина, возвращается в реактор [2]. Дистиллят колонны [6] представляет собой предварительно очищенный (98-99%) эпихлоргидрин, который поступает в колонну [7]. Товарный эпихлогидрин концентрацией более 99,5% отбирается из паровой фазы 2-й тарелки, конденсируется в конденсаторе [8] и выводится из системы. Дистиллят колоны [7] содержащий «легкие» примеси и эпихлогидрин, возвращается на питание колонны [5], а кубовая жидкость колонны [7], содержащая «тяжелые» примеси и эпихлогидрин возвращается на питание колонны [6]. Схема с 2-хкратным отделением «легких» и «тяжелых» примесей гарантирует высокую степень чистоты товарного эпихлогидрина.

Эпихлогидрин является важным мономером для эпоксидных смол, синтетического глицерина, ионообменных смол, красок, лаков (около 90% эпоксидных смол получают из эпихлогидрина).

(Цех №16 ЗАО «Каустик», где получают и для чего, для получения глицерина)

Основные закономерности химической технологии.

Любой ХТП состоит из следующих взаимосвязанных процессов (стадий):

1. Подвод реагентов в зону реакций.

2. Химические реакции

3. Отвод продуктов реакции из зоны реакции.

Общая скорость технологического процесса может определяться скоростью одного из 3-х составляющих элементарных процессов, который протекает медленнее других. Эту стадию называют лимитирующей. Подвод реагентов в зону реакции и отвод продуктов из зоны реакции совершается молекулярной диффузией или конверсией и переходом вещества из одной фазы в другую. Если лимитирующей стадией является подвод или отвод реагентов из зоны реакции, то это значит, что процесс происходит в диффузионной области. В этом случае для интенсификации необходимо снять диффузионные ограничения (торможения). Например: турбулизация потока реагентов путем перемешивания, увеличение давления, температуры и концентрации. Если наиболее медленно идут химические реакции, и они лимитируют общую скорость, то говорят, что процесс происходит в кинетической области. Для интенсификации в этом случае повышают температуру и концентрацию реагентов, применяют катализаторы.

В классификации технологических процессов большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим.

Технологическим режимом – называется совокупность основных факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество продукта.