Лекция 12

На прошлой лекции речь шла о научных основах разработки (построения) эффективных ХТС. Для решения этой проблемы необходимо провести синтез и анализ ХТС. Начнем с анализа ХТС.

Анализ хтс

Анализ ХТС заключается в получении информации о состоянии ХТС, показателях ее эффективности, о влиянии на эти показатели химической схемы, структуры технологических связей, режимов работы элементов и подсистем, условий эксплуатации. Необходимо, как уже говорили, исследовать новые свойства, которые могут появиться при синтезе ХТС.

Анализ ХТС осуществляется при разработке и проектировании нового химического производства, при эксплуатации действующего производства, для сравнения различных вариантов реализации процесса, при модернизации и реконструкции производств.

Количественную информацию о параметрах потоков и состоянии элементов о значениях выходных параметров и показатели работы ХТС можно получить при решении материальных и энергетических балансов. Расчеты балансов составляют технологический анализ работы ХТС.

Основы расчёта материального баланса химико-технологической системы

Материальный баланс составляет основу технологического анализа химико-технологической системы (ХТС). ХТС, как правило, изобилует множеством элементов и связей. Поэтому описание и анализ ХТС проводится с позиции системного подхода. В соответствии с принципами системного анализа при расчёте сложной системы в ней выделяют масштабные подсистемы. В своей совокупности они образуют иерархическую структуру ХТС. Простейшим фрагментом структуры является единичная технологическая операция, осуществляемая в элементе (аппарате) ХТС (низший масштабный уровень). Несколько элементов ХТС, выполняющих вместе преобразование материального потока, могут составить реакционный узел или систему химических реакторов, систему разделения и т. д. (подсистемы второго масштабного уровня). Совокупность подсистем второго уровня формирует систему более высокого масштаба вплоть до ХТС производства в целом.

Расчёты материальных балансов от отдельных элементов до ХТС в целом позволяют определить состав и количество многокомпонентной смеси, расходные коэффициенты по сырью, количество отходов, примерную себестоимость продукта, а также выявить узкие места в производстве, где происходят основные технологические потери. По существу расчёты материальных балансов ХТС или ее отдельных частей представляют собой "бухгалтерский учёт" химически реагирующей системы.

1. Общий вид уравнений материального баланса

Материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений с учётом состава исходного сырья, степени превращения, селективности, потерь сырья и готового продукта.

Материальный баланс основан на законе сохранения массы веществ и рассчитывается между входными и выходными потоками технологической системы с учётом протекающих в ней процессов. В соответствии с законом сохранения массы для каждого элемента ХТС, подсистемы или системы в целом в стационарном состоянии масса всех веществ, вошедших в систему, равна массе всех веществ, выходящих из неё:

, (1)

где G_{j, вх}, G_{k, вых} – массы соответственно входных и выходных потоков; K, L – их количества; j, k – нумерация потоков.

Кроме баланса по всем потокам веществам, используют баланс по отдельным компонентам. Для i-го вещества

, (2)

где G_i,ист  i-го вещества в элементе.

Источником вещества является химическая реакция. Если вещество образуется, то G_i,ист > 0. Если G_i,ист < 0, то вещество расходуется. Если в элементе происходит ряд превращений вещества, то

, (3)

где G_i,j  изменения количества iго вещества в r-м превращении; У  общее число превращений (уравнений химических реакций).

Несколько превращений вещества может происходить при протекании сложной реакции (параллельная, последовательная или параллельно-последовательная схемы превращений)

Химические превращения протекают в реакционном элементе (реактор, реакторный узел). Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями. Они должны быть стехиометрически независимыми; их количество строго определяется (У= В-Э), При этом целесообразно выбирать такие уравнения, чтобы в левой части их стояло одно и то же исходное вещество, ключевое; тогда изменения количеств всех веществ в химическом превращении определяют через степени превращения ключевого вещества в стехиометрических уравнениях (см. радел

«стехиометрические соотношения»).