лекции / все лекции по охт
.pdf•В системе можно выделить совокупность аппаратов подсистему, например, реакторный узел (обведен пунктирной линией a). Отдельный аппарат или подсистему будем называть "расчётным элементом ХТС" или просто элементом. В элемент входят потоки ("входные потоки") и выходят их него ("выходные потоки"). Расчётным элементом может быть ХТС в целом (обведён пунктирной линией b). В выделенном элементе входные потоки преобразуются в выходные в результате протекания химических превращений, массообменных и других процессов.
•Материальный баланс может быть составлен для любого элемента - каждого аппарата,
•подсистемы или ХТС в целом.
ПРИМЕРЫ СОСТАВЛЕНИЯ БАЛАНСОВ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ХТС
Рис. 2. Расчётные элементы ХТС:
а смеситель, b делитель, с реактор
Смеситель ( а) объединяет два потока: |
|
G1 + G2 = G3 |
(4) |
G i,1+ G i,2 = G i,3 |
i = 1, ..., B |
|
(5) |
Здесь индексы 1 и 2 относятся к двум входным потокам, индекс 3 – к выходному; индекс i нумерация компонентов потока; В – число компонентов.
•Делитель простой (b) разделяет поток на два или более потоков без изменения состава.
•G 1 = G 2 + G 3
•Допустим, что один из двух выходящих из делителя потоков (пусть это будет 2-й поток) составляет долю входного потока:
• G2 = G1, |
G3 = (1 )G1 |
(6) |
• Соответственно все компоненты разделятся по потокам:
• |
Gi,2 = Gi,1, |
Gi,3 = (1 )Gi,1 i = 1, ..., B |
(7) |
|
и |
Gi,1 = Gi,2 + Gi,3 |
|
•Концентрации компонентов в потоках на входе и выходе из простого делителя не изменяются. Такие балансовые уравнения можно получить, если использовать массовые, мольные или объёмные потоки.
Делитель сложный
•Делитель сложный также разделяет потоки, но распределение компонентов между выходящими потоками будет разным. К сложному делителю можно отнести массообменные аппараты (конденсаторы, абсорберы, адсорберы, ректификационные колонны, фильтры).
•В этом случае дополнительно задаются долями i для каждого компонента, которые определяют, какая часть i-го компонента во входном потоке перешла, например, в выходящий поток 2, так что
• G2,i = iG1,i |
G3,i = (1 i) G1,i |
•Коэффициенты i находят на основе физико-химических данных о межфазном равновесии разделяемых систем.
Реактор
•Реактор (с) осуществляет химическое превращение во входящем потоке и принципиально меняет его состав. Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями, которые показывают, в каких соотношениях вещества вступают в реакцию и определяют количественные изменения состава реакционной смеси.
•Простая реакция будет описываться одним стехиометрическим уравнением:
• AA + BB + … = RR + SS + …+ Qp (- Hp), |
(1) |
•Соотношение между количествами превращённых веществ N, также выраженных в молях,
NА |
|
NВ |
|
NR |
|
NS |
|
(2) |
|
|
|
|
|
||||
νА |
νВ |
νR |
νS |
|
||||
•Зная количество одного из веществ после химического превращения, или степень превращения можно определить, как мы уже знаем, количества всех компонентов смеси. Например, если NA – количество оставшегося исходного вещества, то
• Ni
= Ni,0
– |
ν |
i |
(NA,0 |
– NA), |
или |
|
|
|
|||||
ν |
|
|
||||
|
A |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
N |
N |
|
|
i |
N |
x |
|
|
|
||||||
|
|
|
|||||
i |
i,0 |
|
|
|
|
А,0 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
(3)
(4)
•Для исходных веществ стехиометрические коэффициенты принимаются отрицательными, а для продуктов – положительными.
•Сложная реакция описывается несколькими стехиометрическими уравнениями. Их называют частными реакциями.
•Для более простого расчета сложной реакции её представляют системой стехиометрических уравнений, в которых:
•левая часть содержит одно и то же ключевое исходное вещество; правая часть только продукты. Например для удобства расчетов лучше перейти от:
системы СН4 + Н2О = СО + 3Н2; СО + Н2О = СО2 + Н2 (1)
• к системе СН4 + Н2О = СО + 3Н2; СН4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2 (2), для которой общая степень превращения метана:
x= x1 + x2
• В общем случае j-реакций
N |
i |
N |
i,0 |
|
|
Уνi,j
j νА,j NА,0 хА, j
(5)
СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ХТС В ЦЕЛОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БРУТТО-УРАВНЕНИЯ
•Пример: В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:
•окисление аммиака
• |
4NН3 + 5О2 |
= 4NО + 6Н2О |
|
|
(1) |
•(для простоты объяснения полагаем, что NН3 полностью окисляется до NО),
•окисление оксида азота
• |
2NО + О2 |
= 2NО2 |
(2) |
|
|
|
|
• абсорбция диоксида азота |
|
|
|
• |
3NО2 + Н2О = 2НNО3 + NО |
|
|
|
|
|
(3) |
•Умножим первое из них на 1, второе - на 3, третье - на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (бруттоуравнение)
• 4NН3 + 8О2 = 4НNО3 + 4Н2О |
(4) |
•Конечно, такая реакция неизвестна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом. Видно,
что 1 моль НNО3 образуется из одного моля аммиака и двух молей кислорода. Умножим стехиометрические коэффициенты в (4) на мольные массы соответствующих компонентов (NН3 - 17, О2 - 32, НNО3 - 63, Н2О - 18) и получим
68NН3 + 256О2 = 252НNО3 + 72Н2О
Из этого уравнения видно, что для производства 252 кг НNО3 надо затратить 68 кг NН3, а на 1т (1000 кг) НNО3 пойдет 68 1000/252 = 270 кг аммиака.
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО
(ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО) БАЛАНСА
•В основу энергетического) баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому приход тепла или энергии в данном процессе равен его расходу в том же процессе (т.е. как и в материальном балансе, приход равен расходу). В общем виде:
q |
q |
||
k |
k, вх |
l |
l, вых |
|
|
||
•Для каждого элемента или подсистемы ХТС, в которой протекают экзо или эндотермические процессы:
q |
q |
q |
j,ист |
||
k |
i,k,вх |
l |
i, l,вых |
j |
|
|
|
|
|||