1 Основы техно-химических расчетов

Все химико-технологические процессы можно условно разбить на две основные группы:

1. Процессы, которые сопровождаются глубоким изменением ка­чественного состава перерабатываемых материалов. В основе этих процессов лежат химические и физико-химические методы переработ­ки сырья. К ним относятся сжигание топлива, окисление гудронов, гидроочистка, получение металлов, все виды синтезов и т.д. Материальный и тепловой расчет этих процессов основан на стехиометрических соотношениях при взаимодействии пе­рерабатываемых материалов.

2. Процессы, при которых изменяются только количественные соотношения компонентов, входящих в состав перерабатываемого сырья. В основе этих процессов лежат физико-химические и физико-механические методы переработки. Сюда относятся сушка, выпарива­ние, ректификация, кристаллизация, конденсация и т.д. Материальный и тепловой расчет этих процессов основан на законах газового состояния и фазо­вых равновесий.

Резкой границы между этими двумя группами провести нельзя, так как имеется целый ряд физико-химических процессов, при которых перерабатываемое сырье подвергается глубоким качественным изме­нениям, хотя и не меняет состава и количества своих компонентов (например, при адсорбционных методах переработки сырья).

Расчеты технологических процессов, в результате которых про­исходит химическое изменение вещества, основаны на стехиометрических законах: законе постоянства состава и законе кратных отноше­ний. Согласно закону постоянства состава, любое вещество, независи­мо от способа его получения, имеет вполне определенный постоянный состав. Закон кратных отношений состоит в том, что при образовании какого-либо простого или сложного вещества элементы входят в моле­кулу последнего в количествах, равных или кратных их атомному весу. Если вещества вступают в реакцию в газообразном состоянии, то при одинаковых температурах и давлении они могут соединяться только в объемах, которые относятся между собой как целые числа.

В основу любого техно-химического расчета положены два основных закона природы: закон сохранения веса (массы) вещества и закон сохранения энергии, которые впервые были сформулированы М.В. Ломоносовым. На первом законе базируются все материальные расчеты, т.е. составление материальных балансов производственных процессов; второй закон служит основой всякого энергетического, в том числе и теплового, расчета, т.е. для составления теплового баланса производственных процессов.

Закон сохранения веса (массы) вещества состоит в том, что в замкнутой системе тел вес (масса) вещества остается постоянным, неза­висимо от тех изменений, которые происходят с веществом в этой си­стеме. Количество вещества, входящего в аппарат, должно быть равно количеству вещества, выходящего из аппарата. Таким образом, закон сохранения веса вещества принимает следующую простую формули­ровку: вес исходных продуктов процесса должен быть равен весу его конечных продуктов. Это и является основой при составлении матери­ального баланса процесса или аппарата. Следовательно, необходимо учитывать вес каждого компонента, поступающего в данный аппарат (приход), и вес каждого компонента, уходящего из аппарата (расход). При этом сумма прихода компонентов должна быть равна сумме рас­хода их независимо от того, каким изменениям они подверглись при прохождении через аппарат.

Закон сохранения веса (массы) вещества не является абсолютно точным, так как любое химическое взаимодействие между веществами А, В... сопровождается так называемым дефектом массы Δm:

А + В + ... = D + E... + Δm,

где Δm - дефект массы, т.е. "потеря" веса вещества за счет выде­лившегося при данной реакции тепла.

Однако учитывать дефект массы при химических реакциях для производственных процессов не имеет смысла, т.к. величина его ни­чтожно мала. Дефект массы имеет существенное значение при расчетах ядерных процессов, где он является основой составления энергетиче­ского баланса.

Закон сохранения энергии формулируется так: в замкнутой систе­ме сумма всех видов энергии постоянна, энергия не может ни исчезнуть бесследно, ни возникнуть из ничего; она может только перейти в экви­валентное количество другого вида энергии. Так как тепло представля­ет собой один из видов энергии, то этот закон можно сформулировать следующим образом: приход тепла в данном замкнутом цикле произ­водства должен быть равен его расходу в этом цикле.

Всякое вещество в процессе производства претерпевает различ­ные изменения. Но какие бы изменения с веществом ни происходили, они протекают по вполне определенным законам, детальным рассмот­рением которых занимаются химия, физика, термодинамика, гидрав­лика и т.д. Без знания законов, на основании которых происходят хи­мические и физические превращения веществ в процессе их обработки, сколько-нибудь серьезные расчеты вести невозможно.

Прежде чем приступить к составлению материального и теплово­го балансов любого технологического процесса, к подсчету расходных коэффициентов, выхода продуктов или полупродуктов и т.п., необхо­димо ясно представить себе ход этого процесса, а, следовательно, и те закономерности, которым он подчиняется.

На основе этих закономерностей строится методика расчета, ко­торая зависит не только от рода производства, но также от способа пе­реработки и качества сырья, от режима работы аппаратов и других конкретных условий производства.