1. Теоретические основы составления балансов хтп.

Материальные и тепловой балансы используют для расчёта ХТП.

В зависимости от типа ХТС способы составления балансов различаются.

Общим является то, что они описаны на законах сохранения (массы, энергии, импульса).

1.1. Классификация хтс:

• Закрыты и открытые (поточные);

• Периодические и непрерывные;

• Стационарные (постоянные во времени) и нестационарные;

• Гомогенные и гетерогенные.

Причины необходимости составления балансов:

• Для анализа работы отдельных аппаратов, отдельных стадий и всей технологической схемы в целом;

• Для проектирования аппаратов, реакторов и новых производств;

• Для расчёта основных технологических показателей (расходные коэффициенты по сырью, пару, материалу, воде, энергии, выход продукта, степень превращения).

1.2. Законы сохранения в закрытой системе означают, что сумма масс, энергии и импульса внутри системы остаются неизменными, независимо от того, какие процессы внутри неё происходят, т.е. отсутствует обмен веществом, энергией и импульсом системы с окружающей средой.

Закон сохранения массы.

• Для системы в которой нет ХР.

1. В системе одна фаза и несколько компонентов.

С умма масс компонентов равна массе системы.

2. Система имеет 1 компонент, несколько фаз.

С умма масс фаз равна массе системы.

3. С истема имеет несколько фаз и несколько компонентов.

x ₁, y₁, z₁ - концентрация, доля компонента в фазе.

Масса системы равна сумме масс всех фаз.

• Закрытая система в которой протекает ХР.

Е сли в системе осуществляется ХР, то закону сохранения подчиняются не компоненты, а химические элементы.

г де _i – стехиометрические коэффициенты.

Закон сохранения энергии в закрытой системе.

В нутренняя энергия изолированной системы постоянная.

Для закрытой системы энтальпия постоянна.

Законы сохранения в открытых (поточных) системах.

Все системы в которых осуществляются ХТП - поточные.

Покоящаяся (закрытая) система - частный, идеальные случай поточной.

1 .3. Поток - пространственное премещение какой - либо величины()во времени. С учётом стационарности (нестационарности) его величину можно записать:

Обычно оперируют удельной величиной - плотностью потока - векторная величина направление которого совпадает с направлением движения потока, а величина равна значению величины потока, протекающего через еденичное сечение.

В иды потоков.

В технологии любую систему, например, химический реактор, можно однозначно охарактеризовать четырьмя видами потоков: массы, компонента, энтальпии, импульса.

П оток компонента - частный случай потока массы.

П оток энтальпии - энергетическая характеристика системы, переходящее в единицу времени количество энтальпии, отнесённое к единице массы вещества.

П оток импульса (количество движения) - характеризуется значением переходящего в единицу времени импульса.

Каждый из выше перечисленных потоков имеет несколько характеристик: конвективная составляющая потока, диффузионная (основная), переходящий поток и источник или сток.

К онвективный поток - некоторая однозначно характеризуемая обобщённой плотностью (Г) множество частиц, какой - либо силы из одного места пространства в другое.

К онвективный

Диффузионный

Переходящий поток

О сновной (диффузионный) поток (в чистом виде только внутри твёрдого тела).П лотность диффузионного потока пропорциональна градиенту (С/x) величины на участке диффузии.

Переходящий поток.

Зависимости, выведенные для основного и конвективного потоков, действительны только в дограничной поверхности. В этих пределах функция изменения (концентрации и плотности) неразрывна. Явная форма зависимости, описывающей поток на межфазной поверхности не может быть записана с помощью непрерывной функции, поэтому для описания потока между фазами пользуются эмпирическими формулами. Опыт показывает, что поток между фазами пропорционален площади контакта фаз и разности соответственно концентраций, температур или скоростей внутренней фазы.

Источник или сток.

В определённых точках пространства могут существовать источники или стоки, вносящие изменения в систему. В случае потока компонентов могут появляться новые компоненты и исчезнуть исходные реагенты.

G_m - количество вещества, образующееся (израсходованное) в ходе ХР.

G

для потоков

_m массы

_i_R компонента

_i_RH энтальпии

-grad  импульса

в случае поточных систем законы сохранения представляются в виде уравнений неразрывности потока.

Поток массы.

П о оси х.

П о оси y и z также

С огласно законам сохранения сумма накопления или убыли вещества, движущегося в трёх направлениях должно быть равна убыли или накоплению в единице объёма в момент времени.

Д ивергенция плотности потока равна местным изменениям в единице времени.

В

Уравнения Дамкеллера для потоков.

соответствии с характеристиками потока уравнение неразрывности можно записать:

О ни представляют собой общие уравнения сохранения для поточных систем.

1.4. Рассмотрим поточную систему в которой отсутствует ХР (на примере потока массы).предположим, что в системе поток вещества движется только по оси х. Система гомогенна и скорость соответствует турбулентному режиму.

т.к. турбулентный режим;

т.к. гомогенная система;

т.к. ХР отсутствует;

т.к. стационарное движение потока, т.е. во времени не изменяется.