Расчёты, выполняемые при проектировании

Руководствуясь предварительным вариантом технологической схемы, проектировщик приступает к инженерным расчётам. К ним относятся:

а) материальный расчёт (баланс);

б) расчёт числа единиц и производительности оборудования;

в) энергетический (тепловой) расчёт (баланс).

Материальные расчёты

Материальные расчёты выполняют для каждой стадии процесса в форме материального баланса. Назначение расчёта:

1. определение затрат сырья и вспомогательных материалов для получения заданного количества конечного продукта;

2. объёмов и составов реакционных масс на каждой стадии процесса;

3. числа единиц оборудования;

4. количеств и составов отходов, сточных вод и газовыделений;

5. расходных коэффициентов по сырью, объёма реакционной массы на данной стадии, необходимого для получения 1 т продукта;

6. без материального баланса нельзя посчитать тепловой баланс.

Материальные расчёты стадий, связанных с химическими превращениями, проводят на основании стехиометрических уравнений реакций.

Исходными данными для проведения материального расчёта являются:

1. технологическая схема стадии производства с указанием основных и побочных реакций, степени превращения и выходов от теоретического;

2. состав исходных веществ и состав реакционной массы, поступающей с предыдущей стадии;

3. данные регламента о соотношении реагирующих веществ для стадий, связанных с химическими превращениями, и составе получаемых фракций (потоков) для стадий фильтрации, сушки, ректификации и т.д.

Материальный баланс проводят на основании закона сохранения масс (в кг):

(1)

где и – сумма масс прихода и расхода (в кг).

При выполнении материального расчёта необходимо учитывать все компоненты, загружаемые в аппарат и выходящие из аппарата в ходе процесса (исходные реагенты, продукты реакции, растворители, катализаторы, примеси в исходном сырье и растворителях, примеси, образующиеся в ходе реакций, и т.д.).

Материальный расчёт можно проводить двумя способами:

1-ый способ – расчёт на 1 т готового продукта. При этом получают расходные коэффициенты по сырью, объёмы реакционных масс, приходящиеся на 1 т готового продукта. Данные по реальным загрузкам в аппараты, объёмам реакционных масс, расходам на каждой стадии получают после пересчёта.

При проведении расчёта первоначально определяют общий выход от теоретического для всего процесса:

(2)

где – выход от теоретического на k-ой стадии процесса; N – число стадий химико-технологического процесса.

Используя общий выход и стехиометрическое соотношение конечного продукта и основного сырья, определяют его количество (расходный коэффициент) на первой стадии. Далее с учётом исходных данных проводят последовательно материальный расчёт для всех стадий процесса.

2-ой способ – расчёт на одну операцию для периодического процесса и часовую производительность – для непрерывного. В этом случае получают реальные загрузки в аппараты и объёмы реакционных масс.

При проведении расчёта для периодического процесса вначале обоснованно выбирают объём первого реактора, который считается основным и определяет объём операции. В дальнейшем расчёт проводят последовательно для всех стадий с учётом объёма и производительности оборудования.

Для производства с рециркуляцией сырья, растворителей, промывных вод рецикл учитывается при выполнении материального расчёта, в том числе при определении расходных коэффициентов.

Примеры

1. Рассмотрим самый простой рециркуляционный процесс.

1

2

где 1 и 2 – реакторы, – приходящий поток, – расходный поток, – поток из первого аппарата во второй, – рециркуляционный поток.

2. Рассмотрим другой рециркуляционный процесс и для каждого аппарата составим материальный баланс.

1

2

3

Пунктиром обозначен контур.

Материальный баланс для каждого аппарата:

для первого аппарата

для второго аппарата

для третьего аппарата

Суммируем все три материальных баланса и получаем:

(3)

Выражение (3) – материальный баланс контура.

Результаты расчётов сводятся в таблицу материального баланса (приход и расход). Допускается погрешность (отклонение) – абсолютная и относительная.

(4)

Абсолютная величина погрешности не может быть больше наименьшей составляющей материального баланса.