1.3.4 Материальный баланс.

Основой технологических расчетов являются расчеты материальных потоков при протекании ХТП. Знание материальных потоков необходимо для проведения конструктивных расчетов производственного оборудования и коммуникаций, оценки экономической эффективности процесса. Самым распространенным видом материальных расчетов является составление материальных балансов. Материальные балансы составляют на основе закона сохранения массы вещества с учетом стехиометрических соотношений. Материальный баланс означает, что общая масса (∑m_i^вх) всех входящих в аппарат (или цех) материалов (приход) равна общей массе (∑m_j^вых) выходящих веществ (расход):

р р

(∑m_i^вх) =(∑m_j^вых) (1.3.30)

i =1 j =1

Число реагентов может изменяться от 1 до р. Расчет обычно выполняют в единицах массы (кг, т), реже – в единицах количества вещества (кмоль, моль).

На производстве обычно составляют материальные балансы для реактора, цеха, завода.

Различают балансы на единицу времени и на единицу продукции.

Материальный баланс на единицу времени составляют чаще всего для непрерывных процессов с целью расчета размеров аппаратов. Диаметра трубопроводов, а также для определения входных и выходных значений концентраций реагирующих веществ. Материальный баланс на единицу продукции составляют как для непрерывных, так и для периодических процессов с целью определения теоретических и практических расходных коэффициентов.

Связь между балансами на единицу времени и единицу продукции определяется производительностью.

Материальные балансы отделения, цеха, производства, завода рассчитывают для определения габаритов складских помещений, для сырья и готовой продукции, расчета трубопроводов и промежуточных емкостей. Одновременно балансы могут быть использованы для сравнения эффективности работы аппаратов, отделений, цехов одинаковой мощности на различных заводах.

Материальный баланс чаще всего представляют в виде таблиц, которые включают приходную и расходную части.

1.3.5 Тепловой баланс.

По данным материального баланса с учетом тепловых эффектов реакций и физических превращений, подвода теплоты извне или отвода ее составляют тепловой баланс, позволяющий определить потребность в топливе, температуру в зоне реакции, площадь теплообменных поверхностей и другие параметры.

Основой теплового баланса является закон сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Для расчета затрат энергии на производство может быть составлен энергетический баланс, учитывающий расход электроэнергии, пара и воды на получение продукта. В общем случае уравнение теплового баланса можно представить в виде:

Q_вх + Q'_ф + Q'_р + Q_нагр = Q_вых + Q"_ф + Q"_р + Q_охл (1.3.31)

здесь Q_вх и Q_вых –соответственно количество теплоты, вносимое в аппарат и выносимое из него жидкими или газообразными веществами; Q'_ф и Q"_ф – теплота физических процессов, происходящих с выделением (') и поглощением (") теплоты; Q'_р и Q"_р – теплота экзотермических (') и эндотермических (") химических реакций; Q_нагр и Q_охл –соответственно количество теплоты, подводимое в аппарат извне для нагрева реакционной смеси отводимое через холодильники для поддержания заданного температурного режима.

На производстве тепловой баланс чаще всего составляют для аппарата с целью определения технологических параметров процесса и условий для обеспечения заданного температурного режима.

Величины Q_вх и Q_вых рассчитываются по уравнениям:

р_вх

Q_вх = ∑m_iс_it_вх,i (1.3.32)

i =1

р_вых

Q_вых = ∑m_j,с_j, t_вых,j (1.3.33)

j =1

здесь m_i, m_j –масса (объем, количество) исходных реагентов и продуктов реакции, прошедших через аппарат в единицу времени укг/с (м³/с, кмоль/с); с_i, с_j – средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж/(кг*К); t_вх,I, t_вых,j – температура входного и выходного потоков, К; р_вх, р_вых – число компонентов, участвующих в процессе.

Теплоты фазовых переходов реагентов в ходе процесса Q'_ф и Q"_ф, которые в зависимости от знака теплового эффекта фазового перехода учитываются в приходной (кристаллизация, сублимация, конденсация) или расходной (испарение, плавление) частях баланса, рассчитывают по уравнению:

n

Q_ф == ∑m_фiq_фi (1.3.34)

i=1

здесь m_фi – масса (объем, количество) i-реагента, участвующего в фазовом переходе, кг/с (м³/с, кмоль/с); q_фi – тепловой эффект фазового перехода i-компонента, кДж/кг.

Теплоту реакции определяют по уравнению:

n

Q_р = ∑m_рiq_рi (1.3.35)

i=1

здесь m_рi – масса (объем, количество) i-реагента, вступившего в реакцию или образовавшегося в ходе реакции, кг/с (м³/с, кмоль/с); q_рi – тепловой эффект реакции, кДж/кг.

Расчет Q_нагр и Q_охл ведут по основному уравнению теплопередачи, согласно которому количество переданной теплоты Q равно:

Q =К_ТFΔТ (1.3.36)

здесь К_Т – коэффициент теплопередачи, вТ/(м²*К); F – площадь поверхности теплообмена, м²; ΔТ – разность температур теплоносителя и реакционной зоны (движущая сила процесса теплопередачи.).

Из уравнения теплового баланса можно рассчитать любой из параметров при известных остальных. Технолога чаще всего интересует Т_вх, Т_к, F.

Тепловой баланс представляют в виде таблиц, имеющих приходные и расходные статьи тепловых потоков.