Применение основных физических законов к изучению процессов химической технологии

Так, на законах сохранения массы и энергии основаны материальный и энергетический балансы. Для большинства процессов весьма важное значение имеют законы, характеризующие условия равновесия процессов, а также законы, описывающие изменения в системах, не находящихся в равновесии.

Материальный баланс. По закону сохранения массы, количество веществ, поступающих на переработку (), равно количеству веществ, получаемых в результате переработки (), т. е. приход вещества равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материального баланса:

Для периодических процессов материальный баланс составляется на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени, например за 1 ч.

Материальный баланс можно составить для одного аппарата, для его части или для группы аппаратов. В то же время материальный баланс может быть составлен для всех перерабатываемых веществ или только для одного из компонентов.

Рассмотрим, например, фильтрование суспензии. В результате фильтрования получаются осадок и фильтрат. В данном случае перерабатываемый материал состоит из двух компонентов: твердого вещества и жидкости. Уравнение материального баланса можно составить либо для общего количества суспензии, либо для твердого вещества, либо для жидкости. Из этих трех уравнений независимыми будут только два. Так, уравнение материального баланса для общего количества суспензии получится, если сложить почленно уравнения материального баланса для твердого вещества и для жидкости.

Энергетический баланс. По закону сохранения энергии, количество энергии, введенной в процесс, равно количеству ее, полученному в результате проведения процесса, т. е. приход энергии равен расходу ее.

Энергия может вводиться в процесс и отводиться вместе с участвующими в нем веществами или отдельно от них. Энергия, вводимая и отводимая с веществами, состоит из внутренней, потенциальной и кинетической энергии этих веществ.

К энергии, вводимой и отводимой из процесса отдельно от участвующих в нем веществ, относятся: тепло, подводимое в аппарат путем его обогрева через стейку или электрическим током; механическая работа, затрачиваемая в насосе или компрессоре, а также тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду.

Наиболее общим выражением энергетического баланса применительно к процессам химической технологии является обобщенное уравнение Бернулли (рассмотрим позже, в разделе гидравлики).