Материальные и энергетические балансы химического производства

Исходные данные для всех количественных расчетов, производимых при организации нового производства или оценке эффективности действующего основываются на материальных и энергетических балансах. Эти балансы составляются с использованием материальных потоковых графов, отражающих перемещение и трансформацию всех материальных участков технологического процесса. Любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков, участвующих в нем, компонентов сырья, промежуточных и побочных продуктов, готового продуктов и отходов.

Материальным потоком называется графическое отображение движения и изменения веществ, участвующих в химическом процессе. Материальный поток выражается в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в которой отражены природа вещества, направления его перемещения, изменения агрегатного состояния и химического состава.

Материально- потоковый граф

Сырье 1 А В отходы

В Д

Аппарат В целевой продукт

С

Сырье 2 С Д побочный продукт

Д А

А, В, С, Д - компоненты сырья, участвующие в ходе химического процесса

Например, процесс обжига железного колчедана при степени превращения 1.0 и избытке воздуха сверх стехиометрического МПГ имеет вид:

FeS₂ +П Fe₂O₃

Колчедан огарок

Печь обжига

О₂+N₂ O₂,N₂ ,SO₂

Воздух обжиговый газ

На основе МПГ составляется материальный баланс, служащий основой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс– вещественное выражение закона сохранения массы: масса веществ, поступивших на технологическую операцию(приход) равна массе веществ, получившихся в этой операции(расход)

Mприх. =Мрасх.

Материальный баланс составляется на единицу массы целевого продукта или на отдельный аппарат. Результаты представляются в виде таблицы.

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

 

Приход Расход

Вещество кг М Вещество кг М

Сырье 1 Целевой продукт

А ВС

В Побочный продукт

Сырье 2 АД

С Отходы

Д ВД

Потери

Итого 1 Итого 1

М- массовая доля

В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии: в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Наиболее распространенным видом энергетического баланса является тепловой баланс.

Qприх =Qрасх

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций ΔН, теплоты фазовых переходов (Q₁), теплосодержание веществ, участвующих в процессе (Q₂), теплота, подводимая в аппарат извне (Q₃), тепловые потери.

Δ Н+ Q₁+Q₂ +Q₃ = Δ H+ Q´₁+ Q´₂+ Q´₃+Qп

где индекс ´ относится к статьям расхода.

Тепловые вклады в баланс рассчитываются по известным формулам.

Тепловой эффект химической реакции

Δ Н= Σ Δ Н прод.реакции - ΣΔ Н исх. веществ

Значения энтальпий берутся из таблиц.

Теплосодержание веществ

Q₂= m*c *t

m-масса вещества; с - его теплоемкость; t –температура.

Теплота физических переходов

Q₁ = m* g

g- удельная теплота соответствующих фазовых переходов; m –масса вещества.

Подвод и отвод тепла в систему рассчитывается по потере тепла теплоносителя

Q₃ = m*c*(t_п-t_k)

m- масса теплоносителя; с- теплоемкость теплоносителя; t_{k t п} –конечная и начальная температура теплоносителя

и по формуле теплопередачи через стенку

Q₃ = K * F (t_т - t_пр ) *τ

K – коэффициент теплопередачи; F-поверхность теплообмена; t – температура теплоносителя обогреваемого аппарата; t –температура подогреваемого продукта; τ -время.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу 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 температурного режима процесса.

8. Основные закономерности химической технологии