Технологические расчёты Для оценки экономической эффективности технологических процессов используют уравнения материального и энергетического (теплового) балансов. Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества: во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что: масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате её, - расходу Материальный баланс чаще всего составляют на единицу массы основного продукта; реже для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени (час, сутки, год). Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитывают не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение. Кроме сырья, основных и побочных продуктов баланс учитывает и примеси, поступающие с сырьём. Материальные балансы составляют на основании стехиометрии, которая включает правила составления химических формул и уравнений, опытных данных (лабораторных и пилотных) по исследованию процесса, литературных данных и опыту работы действующих установок (предприятий). Различают экспериментальные и расчётные материальные балансы. Экспериментальный материальный баланс составляют по результатам работы действующей промышленной или лабораторной установки. Расчетный материальный баланс составляют по данным проектного задания в процессе проектирования на основании литературных данных, по известным формулам и уравнениям, представленным в методических указаниях. Баланс состоит из «прихода» – общей массы веществ, поступающих на производство (в аппарат, цех), и «расхода» - общей массы материалов, выходящих из производства (аппарата, цеха). Материальный баланс сводится в массовых единицах в таблицу. При составлении баланса расхождения между приходом и расходом в 2-3% считают приемлемыми. Если расхождения превышают 5%, то надо искать причины расхождения: потери, чистота сырья и продуктов, показания приборов, ошибки в методике расчётов и др. Материальный баланс лежит в основе любого технологического расчета, кроме того он является инструментом контроля производства. Умение составлять материальные балансы 1 необходимо как инженеру-проектировщику, так и инженеру-производственнику. На основании материального баланса определяют целый ряд важнейших техникоэкономических показателей и характеристик технологии. По данным материального баланса определяют объем поставок сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной мощности предприятия; рассчитывают тепловой баланс для определения потребности предприятия в тепле, топливе, хладагентах, величину теплообменных поверхностей; экономические балансы предприятия, выраженные в денежных единицах, себестоимость продукции, рентабельность производства. На основе материального баланса процесса рассчитывают основные показатели (критерии эффективности): степень превращения сырья, селективность, выходы продуктов. Затем приступают к расчёту рабочих размеров аппаратов и оборудования, числа реакторов, складов сырья и готовой продукции и т.д. В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Применительно к энергетическому балансу технологического процесса это означает, что: количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу: Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. Поскольку в этих процессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловой баланс. В этом случае закон сохранения энергии формулируется так: приход тепла в данной производственной операции должен быть равен расходу тепла в той же операции, т.е. При этом должна быть учтена вся теплота, подводимая в аппарат (процесс) и выделяющаяся (поглощающаяся) в результате химической реакции или физического превращения; теплота, вносимая каждым компонентом, как входящим в аппарат (процесс), так и выходящим из него, а также теплообмен с окружающей средой. Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с учетом подвода или отвода тепла. Статьи прихода теплоты: 1) Qф – физическая теплота материалов, поступающих в процесс или аппарат; 2) Qр – теплота, которая выделяется в результате экзотермических реакций; 3) Qф.п. – теплота, которая выделяется в результате физических превращений (конденсации, физической абсорбции, адсорбции, кристаллизации и т.п.); 4) Qо – теплота, подводимая в аппарат (процесс) извне, например, обогрев. Статьи расхода теплоты: 2 1) Q´ф – физическая теплота продуктов, выходящих из аппарата или процесса; 2) Q´р – теплота, которая затрачивается на эндотермические реакции; 3) Q´ф.п. – теплота, которая поглощается в результате физических превращений (плавление, испарение, десорбция и т.п.); 4) Q´o – теплота, которая отводится из аппарата (процесса), например, охлаждение; 5) Q´пот – потери теплоты в окружающую среду. Физическую теплоту материалов обычно подсчитывают по уравнению где m – масса материала; c – удельная теплоёмкость материала; t - температура. Теплоёмкости отдельных газообразных компонентов, участвующих в процессе, для данной температуры Т можно вычислить по формуле где a, b, c литературе. коэффициенты, которые приводятся в соответствующей справочной На практике приходится иметь дело со смесями газов, а также твёрдых и жидких веществ. Теплоёмкость смеси может быть подсчитана по закону аддитивности. Тепловой эффект реакции в стандартных условиях можно определить по закону Гесса как разность между энтальпиями образования всех продуктов реакции и энтальпиями образования всех исходных веществ: Для определения теплового эффекта реакции при заданной температуре обычно пользуются уравнением Кирхгофа: Подвод теплоты в аппарат (обогрев) можно учитывать по потере теплоты теплоносителем, например, для греющей воды где Тн и Тк – начальная и конечная температура воды соответственно; для пара где r – удельная теплота парообразования; 3 или по формуле теплопередачи через греющую поверхность где Кт – общий коэффициент теплопередачи; F – поверхность, через которую осуществляется теплопередача; Тг – температура греющего материала; Тх – температура нагреваемого (холодного) материала; τ – время теплопередачи. По последнему уравнению рассчитывают и потери теплоты в окружающую среду. По данным теплового баланса рассчитывают расход теплоносителей, электроэнергии. 4