Глава 1. Материальный баланс (МБ).
1.1. Основные понятия и определения. Разновидности МБ.
Для того, чтобы определить размеры любых технологических аппаратов и параметры процессов необходимо выполнить технологические расчеты.
Эти расчеты необходимы при проектировании новых, реконструкции и оптимизации существующих процессов и аппаратов.
Основу этих технологических расчетов составляют материальные и тепловые расчеты (наряду с расчетами: химических реакций, массообменных процессов, гидро-, аэродинамики и пр.).
Определение материальных потоков и МБ необходимо для конструкторских расчетов как нового оборудования, так и при анализе эффективности работы существующего оборудования и существующих процессов.
Назначение МБ:
для проверки правильности определения удельного расхода исходных компонентов и удельного выхода продуктов процесса (для химиков, технологов, теплотехников);
для формирования исходной базы при составлении тепловых балансов установок в целом или отдельных их элементов.
МБ основаны на законе сохранения масс в технологических процессах, в т.ч. высокотемпературных.
МБ может быть выражен в аналитической (уравнение) и табличной формах и в графическом виде.
В самом общем виде МБ может быть представлен уравнением, в левую часть которого входит масса всех видов сырья и материалов, поступающих в аппарат (процесс) М’, правую – масса получаемых (целевых) продуктов – М” и производственные потери (побочные продукты, отходы) – Мпот:
М’ = М” + Мпот.
МБ составляется по уравнению основной суммарной химической реакции с учетом побочных (промежуточных) реакций согласно закону сохранения вещества.
ПРИХОД – общая масса всех поступающих в аппарат материалов; должен быть равен РАСХОДу – общей массе выходящих материалов.
МБ чаще всего составляется в абсолютных единицах – в единицах количества вещества (кг, т; моль или м3 – для газов), отнесенных к единицам времени (с, ч, сутки, цикл) – чаще всего используется для непрерывных процессов.
Определение массы вводимых и получаемых продуктов производится отдельно для каждой из фаз (твердой, жидкой и газообразной):
М’г + М’ж + М’тв = М”г + М”ж + М”тв
Исходного сырья,
конечного продукта,
топлива.
Кроме абсолютных величин МБ может быть составлен в относительных величинах (так называемые расходные коэффициенты – обозначение mi) – чаще всего используются для периодических процессов:
Данные расчета МБ чаще всего сводятся в таблицы (нагляднее и легче проверяется точность расчетов).
Последовательность записи статей баланса: в первую очередь записываются и рассчитываются статьи связанные с исходным материалом (сырье и его компоненты – приход, конечный и побочный продукт – расход); далее статьи – источник энергии, и, наконец – все остальные статьи.
Пример представления МБ в табличном виде. Таблица 1.1
№ п/п
|
Приход
|
Обозначение
|
кг
|
м3
|
%
|
№ п/п
|
Приход
|
Обозначение
|
кг
|
м3
|
%
|
1
|
|
|
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
2
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=
|
|
|
|
|
|
|
Итого:
|
M
|
V
|
100
|
=
|
|
Итого:
|
M
|
V
|
100
|
Графическая форма представления МБ используется для того, чтобы наглядно показать распределение материальных потоков (графики, диаграммы, гистограммы).
Разновидности:
I. Теоретический и практический МБ.
В зависимости от способов задания исходных материалов (сырья)
для компонентов (смеси);
для веществ (хим. реакция – в основном);
для элементов (горение – в основном).
В зависимости от разновидности процесса:
для идеальных процессов;
для равновесных процессов;
для неравновесных (необратимых) процессов.
В зависимости от способа задачи исходных данных (постановка задачи):
задаются исходные компоненты и химическая реакция между ними;
задаются состав исходных компонентов и состав конечных продуктов процесса.
Рассмотрим разновидности МБ более подробно.
1.2. Группа I. Теоретический и практический МБ.
Теоретический МБ рассчитывается на основе химической реакции. При этом достаточно знать: 1) уравнение химической реакции;
молекулярные массы компонентов.
Практический МБ учитывает состав сырья и конечного продукта, степень превращения (сырья в продукт), побочные реакции, потери сырья и конечного продукта на различных стадиях процесса.
Рассмотрим пример расчета расходных коэффициентов
Определить расходные коэффициенты для процесса выплавки чугуна, содержащего 92% Fe из железной руды при условии, что руда не содержит пустой породы и примесей:
шпатовый железняк FeCO3. = 56 + 12 + 3*16 = 116
лимонит 2Fe2O3 3H2O =2*(2*56 + 3*16) + 3*(2*1+16) = 374
ретит 2Fe2O3 2H2O. =2*(2*56 + 3*16) + 2*(2*1+16) = 356
красный железняк Fe2O3. = 2*56 + 3*16 = 160
магнитный железняк Fe3O4. = 3*56 + 4*16 = 232
Какие это расходные коэффициенты (теоретические или практические)?
Решение: из 1 кмоля руды можно получить 1 кмоль Fe , т.е. для случая a из 116 кг FeCO3 получится 56 кг Fe. Однако у нас чугун (92% Fe), следовательно для его получения требуется 92 % (или 0,92) от потребного количества.
Тогда вычисляются теоретические расходные коэффициенты:
В случае, если в состав руды входит и пустая порода (что на практике чаще всего и случается) – составляется практический МБ.
Например, если в руде содержится 10% примесей, вычисляются практические расходные коэффициенты:
1.3. Группа II. Зависимость МБ от способов задания исходных материалов (сырья)
МБ составляется в зависимости от способа задания:
МБ для компонентов
Рассмотрим на примере печи сталеплавильного производства (на окончательной стадии) – в относительных единицах кг/кг технол. продукта.
mi= Mi / MТП – удельные (относительные) расходы (слева) и выходы (справа) компонентов, т.е массы отдельных компонентов Mi делятся на массу технологического продукта MТП.
mТС+ mТ+ mОК+ mВ+ mОБ = 1+ mШО+ mУН+ mГО (1.1)
Приходная часть (слева) – удельные расходы компонентов на входе в аппарат:
mТС – технологическое сырье (стальные болванки);
mТ – топливо;
mОК – окислитель;
mВ – восстановитель;
mОБ – износ обмуровки(футеровки ) печи.
Расходная часть (справа) – удельные расходы компонентов на выходе из аппарата:
MТП / MТП = 1 – технологический продукт;
mШО – шлаковые отходы;
mУН – продукты уноса;
mГО – газовые отходы.
Обычно принимают mОБ, mУН 0 (если не оговорено обратное!).
Из уравнения (1.1) можно определить mТ , если известны все остальные mi.
Часто вместо уравнения (1.1) используется два независимых уравнения МБ:
для компонентов технологического процесса (кг/кг технологического продукта) ;
для компонентов топочного процесса (кг/кг топлива или кг/м3 топлива) .
+ =1+ + + (1.2)
1+ = + + (1.3)
индекс «техн» относится к технологическому процессу.
индекс «топ» относится к топочному процессу.
– удельный расход (выход) продуктов горения;
– газовые отходы технологического процесса (газовыделение).
Уравнения (1) (3) – уравнения МБ по компонентам – наиболее общий и наименее детализированный уровень представления МБ.
Рассмотрим частный случай – электротермические, гелиотермические и автотермические процессы, в которых источниками энергии для обеспечения процесса являются электричество, солнечная энергия и энергия, выделяемая в ходе самого процесса.
В этих процессах – нет топлива нет процесса горения, следовательно, и топочный процесс отсутствует.
Тогда все компоненты уравнения (1.3) равны 0 , и уравнение (1.1) переходит в уравнение (1.2).
МБ по веществам.
Уравнения МБ по веществам, входящим в компоненты технологического и топочного процессов в общем виде могут быть представлены в следующем виде:
(1.4)
(1.5)
и – удельные расходы i-х исходных веществ, вводимых в технологический и топочный процессы, соответственно;
и – удельные расходы (выходы) j-х продуктов, входящих в состав продуктов технологического и топочного процессов, соответственно.
То есть в данном случае мы можем определить состав продуктов технологического процесса (при определенных условиях – хим. реакция и т.п.).
Таким образом, МБ по веществам – менее общий и более детализированный уровень представления МБ.
Пример: расчет процесса горения топлива.
МБ для химических элементов.
Для определения неизвестных слагаемых в уравнениях (1.4) и (1.5) могут использованы уравнения МБ для химических элементов, из которых состоят вещества, входящие в компоненты. Для составления этих уравнений необходимо знание химических реакций процессов.
В общем виде эти уравнения МБ можно записать в следующем виде:
; (1.6)
, (1.7)
где , – число атомов k-го элемента, входящего в состав молекулы i-го исходного вещества и j-го продукта реакции.
k, iи, jп – молекулярные массы k-го элемента, i-го исходного вещества и j-го продукта реакции [кг/моль].
Для газов вместо и будут и – удельные объемные расходы, а вместо iи, и jп будут и - молярные объемы [м3/моль].
В уравнениях (1.6) и (1.7) и – удельные расходы исходных веществ и удельные выходы продуктов реакции (процесса) [моль/ед. технол. продукта] – «техн» или [моль/ед. топлива] – «топ».
Для газов и , соответственно.
Do'stlaringiz bilan baham: |