IV. Материальные и тепловые балансы производства

Для количественной оценки процессов, сравнения отдельных способов производства, а также выбора реакци­онных и других аппаратов проводятся технологические расчеты. С этой целью составляются материальный, энер­гетический и экономический балансы, которые отража­ют количественные изменения, происходящие в процессе, и позволяют определить его характеристики: расходный коэффициент, коэффициент использования сырья и энер­гии, количество производимых продуктов, основные раз­меры аппаратов для проектирования новых производств, транспортные устройства и др.

Организация нового химического производства или оценка эффективности действующего, предполагает составление технико-экономического доклада, в котором устанавливается оптимальная мощность производства и другие показатели, ха­рактеризующие его деятельность. При этом исходные данные для всех количественных расчетов основываются на матери­альном и энергетическом балансах. Эти балансы составляют­ся с использованием материально-потоковых графов, отража­ющих перемещение и трансформацию всех материальных уча­стников технологического процесса. В ходе химического про­изводства происходит непрерывное перемещение и изменение природы принимающих в нем участие веществ (компонентов процесса). Поэтому любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков уча­ствующих в нем компонентов сырья, промежуточных и по­бочных продуктов, целевого продукта и отходов производства.

Материальным потоком называется графическое отобра­жение движения и изменения веществ, участвующих в хими­ко-технологическом процессе. Материальный поток выражает­ся в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, то есть графической схемы, в которой отражены природа вещества, направление его перемещения, изменение агрегатного состоя­ния и химического состава. В МПГ различают «узлы», то есть аппараты имашины, и «ребра» — перемещающиеся в процессе вещества. На рис. 1 представлен фрагмент подобного матери­ально-потокового графа, где А, В, С и D — компоненты сырья, участвующие в превращениях в ходе химико-технологическо­го процесса.

Рис. 1. Материально-потоковый граф

 

Например, для процесса обжига железного колчедана при степени превращения равной 1, 0 и избытке воздуха сверх стехиометрического количества, МПГ имеет вид:

 

 

где П — инертные примеси (порода), не подвергающиеся из­менениям в ходе химико-технологического процесса обжи­га.

Материальные потоки могут быть трёх видов:

—расходящиеся, в которых число продуктов в результате процесса возрастает (например, электролиз водного раствора хлорида натрия);

—сходящиеся, в которых число продуктов в результате про­цесса уменьшается (например, синтез аммиака);

—перекрещивающиеся, в которых число продуктов в резуль­тате процесса не изменяется явно (например, приведенный выше обжиг колчедана).

На основе анализа материально-потокового графа составля­ется материальный баланс данного процесса, служащий осно­вой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс представляет вещественное выраже­ние закона сохранения массы применительно к химико-техно­логическому процессу: масса веществ, поступивших на техно­логическую операцию (приход) равна массе веществ, получен­ных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнения баланса ∑ m_приход=∑ m_расход.

Статьями прихода и расхода в материальном балансе являют­ся массы полезного компонента сырья (m₁), примесей в сырье (m₂), целевого продукта (m₃), побочных продуктов (m₄), отходов производства (m₅) и потерь (m₆), постудивших в производство или на данную операцию:

m₁+ m₂+ m₃+ m₄+ m₅+ m₆

Материальный баланс составляется на единицу массы целе­вого продукта или на отдельный аппарат (реактор) и выражает­ся в массовых единицах (кг, т) или массовых долях (μ ). Для пе­риодических процессов материальный баланс составляется на одну операцию, для непрерывных процессов — на единицу вре­мени. Результаты расчета материального баланса оформляют­ся в таблицу. Например, для процесса, представленного в виде МПГ, таблица материального баланса имеет вид:

Таблица 1

Приход	Расход
Вещество	кг	μ	Вещество	кг	μ
Сырье 1			Целевой продукт
А			ВС
В			Побочный продукт
Сырье 2			AD
С			Отходы
D			BD
			Потери
Итого		1, 0			1, 0

 

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.

Расчет энергетического (теплового) баланса ХТП. В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Частным и наиболее распространенным в химическом производстве видом энергетического баланса является тепловой баланс: приход тепла в данной технологической операции равен расходу тепла в ней, что записывается в форме уравнения теплового баланса.

∑ Qприход=∑ Qрасход

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций Δ Н, теплоты фазовых переходов (Q₁), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q₂), теплота, подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата (Q₃), тепловые потери (Q₄) в данной технологической операции:

Δ Н+ Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄= Δ Н¹+ Q₁¹+ Q₂¹+ Q₃¹+ Q₄¹,

где индекс (1) относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам. Тепловой эффект химической реакции по формуле:

Δ Н= ∑ Δ Н_{продукты реакции} - ∑ Δ Н_{исходные вещества},

в которой значения энтальпии продуктов реакции и исходных
веществ берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ рассчитывают по формуле:

Q₂=m*c*t,

где m – масса вещества,

c – его теплоемкость,

t – температура.

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле:

Q₁=m*q,

где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации),

m – масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем по формуле:

Q₃=m*С(t_н-t_к),

 

где m – масса вещества,

С –теплоемкость теплоносителя,

t_н, t_к – начальная и конечная температура теплоносителя,

и по формуле теплопередачи через стенку:

 

Q₃=К_т*F(t_т-t_пр)*τ,

где К_т – коэффициент теплопередачи,

F –поверхность теплообмена,

t_т –температура теплоносителя, обогревающего аппарат

t_пр – температура подогреваемого продукта

τ – время.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу производимого продукта или на цикл рабо­ты аппарата. Данные теплового баланса используются для оп­ределения расхода теплоносителя и хладагента, расчета повер­хности греющих и охлаждающих элементов и подбора опти­мального теплового режима процесса.

 

V. Примеры расчетов

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Higher costs. Рост издержек производства
2. III/18. Понятие и виды издержек производства.
3. А. По разделу: «Рабовладельческий способ производства».
4. Аграрные отношения и их специфика. Земля как основной фактор сельскохозяйственного производства
5. Административное судопроизводство в Российской Федерации. Структура Кодекса административного судопроизводства РФ.
6. Административный процесс:понятие, особенности. Административные процедуры и административные производства.
7. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ ЖИВОТНОВОДСТВА
8. Анализ специализации и концентрации производства на предприятии
9. Базовыми ресурсами, которые образуют обязательное условие любого даже самого простого производства, являются
10. БИОТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЖИВЫХ КОРМОВ
11. В современной экономической теории выделяют следующие факторы производства