ВУЗ:
Составители:
3
Семинар 1 . Химико-технологические системы (ХТС) Расчёты ма-
териального и теплового балансов ХТС
Любое химическое производство представляет собой совокупность
большого числа взаимосвязанных технологических аппаратов, предназна-
ченных для выполнения требуемого физико-химического преобразования
исходного сырья. Наибольший экономический эффект получается при оп-
тимизации не отдельных аппаратов, а их совокупности, например, в преде-
лах
цеха или даже производства, так как оптимальные значения критерия
функционирования всего производства не являются аддитивными функ-
циями оптимальных значений критериев функционирования каждого ап-
парата. Поэтому в химической технологии рассматривают химико-
технологические системы.
Химико-технологическая система – это совокупность взаимосвя-
занных технологическими потоками и действующих как одно целое аппа-
ратов, в которых осуществляется
определенная последовательность техно-
логических операций (подготовка сырья, химические превращения, выде-
ление целевых продуктов).
Элемент системы – самостоятельная и условно неделимая единица.
В химической технологии – аппарат, в котором протекает процесс (иногда
совокупность или часть аппарата).
Подсистема – группа элементов, обладающая определенной целост-
ностью и целенаправленностью. Это самостоятельно функционирующая
часть системы. Например, совокупность трех элементов химико-
технологической системы –
ректификационной колонны, подогревателя и
сепаратора - образует систему дистилляции и подсистему сложной хими-
ко-технологической системы производства карбамида.
Связь между элементами, между данной системой и окружающей
средой осуществляется с помощью физических потоков и отражает пере-
нос потоком вещества, теплоты, энергии от элемента к элементу. В ХТС
выделяют физические потоки двух видов: технологические
и условные.
Технологические обеспечивают взаимосвязь элементов между со-
бой, между системой и окружающей средой.
Условные потоки отображают рассеивание (потери) вещества или
энергии ХТС в окружающую среду, а также возмущающие воздействия
(материальные или энергетические) внешней среды на ХТС.
Кроме того, рассматривают внешние и внутренние источники (сто-
ки) вещества или энергии системы
.
Внешние источники вещества (энергии) соответствуют материаль-
ным и энергетическим физическим потокам, поступающим в систему.
Внешние стоки направлены от системы и соответствуют материаль-
ным и энергетическим потокам, образующимся в результате функциониро-
вания системы.
4
Внутренний материальный источник соответствует количеству
компонента, вступившего в химическую реакцию.
Внутренний материальный сток соответствует количеству компо-
нента, образующегося в химической реакции.
Внутренний тепловой источник (сток) отвечает количеству тепла,
выделившегося или поглотившегося в ходе химической реакции.
Для связи этих потоков используется система уравнений балансов
ХТС.
Установление балансов, т.е. определение выхода
основного и побоч-
ного продуктов, расходных коэффициентов по сырью, производственных
потерь, позволяет производить расчеты оборудования, коммуникаций, оце-
нить экономическую эффективность и целесообразность процесса.
Баланс материальных потоков носит название материального ба-
ланса. Баланс энергетических (тепловых) потоков – это тепловой баланс.
В основе балансов лежат законы сохранения массы вещества и энер-
гии, а также стехиометрические соотношения.
Материальный баланс может быть представлен уравнением:
∑G = ∑G
’
+ G
пот
, (1)
где ∑G – масса (или количество молей) всех видов сырья и материалов,
поступающих на переработку; ∑G
’
– масса (или количество молей) про-
дуктов; G
пот
- масса (или количество молей) производственных потерь.
Составляют материальный баланс по уравнению основной суммар-
ной реакции с учетом побочных реакций на единицу массы основного про-
дукта (кг, т) или на единицу времени (ч, сут).
Выделяют два вида балансов – теоретический и практический.
Теоретический материальный баланс рассчитывают на основании
стехиометрического уравнения реакции, а
в практическом материальном
балансе учитывается состав исходного сырья и готовой продукции, избы-
ток одного из компонентов сырья, степень превращения, потери и т.д.
На основе материального баланса составляют тепловой, позволяю-
щий определить потребность в топливе, размеры теплообменных поверх-
ностей, расход теплоты, хладагентов и т.д.
1. Расчеты расходных коэффициентов
Расходные коэффициенты
– это величины, характеризующие расход
различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу
выработанной продукции. Особенно важны расходные коэффициенты сы-
рья, т.к. для большинства химических производств они определяют на 60-
70 % себестоимость продукции.
Задача 1
Рассчитать расход алунитовой руды (3 Al
2
O
3
.
K
2
O
.
4 SO
3
.
6 H
2
O), со-
держащей 23 % (масс.) Al
2
O
3
, для получения 1 т алюминия, если потери Al
на всех производственных стадиях – 12 % (масс.). Для получения алюми-
ния из алунита производят обжиг руды при 550-580
0
C:
3Al
2
O
3
.
K
2
O
.
4SO
3
.
6H
2
O → 3Al
2
O
3
+ K
2
SO
4
+3SO
2
+ 2O
2
+ 6H
2
O,
