Материальный и Энергетический Баланс

Классификация химико-технологических процессов.

Химико-технологические процессы по характеру протекания процесса во времени, соответствующие аппараты и осуществляемые в них процессы делятся на: периодические и непрерывные.

Периодическими – называют процесс, в котором порция сырья и реагенты загружаются в аппарат, проходят в нем ряд стадий обработки и затем выгружаются все образовавшиеся вещества.

Недостатки этого процесса:

1) непроизводительная потеря времени при загрузочно-разгрузочных операциях.

2) механизация загрузки-выгрузки затруднена из-за отсутствия периодически действующих механизмов большой мощности

3) большая энергоемкость, т.к. сначала повышают температуру и давление, а в конце операции понижают их.

4) аппарат работает с неполной интенсивностью при выводе на режим и другие.

Однако полностью отказаться от периодических процессов нецелесообразно. Они являются незаменимыми для процессов протекающих с малой скоростью. Средняя концентрация реагентов в реакторах периодического действия (реактора смешения) выше, чем в проточных реакторах непрерывного действия, что отражается на интенсивности работы реакторов и влияет на выход продукта.

Непрерывными называются процессы, в которых поступление сырья в аппарат и выпуск продукции происходит непрерывно. Непрерывные процессы не имеют недостатков периодических процессов, нет простоев, технологические процессы протекают одновременно с вспомогательным процессом. В любой точке аппарата концентрация реагентов, температура, давление имеют определенные постоянные значения.

В классификации технологических процессов большое значение имеет необходимый для их оптимизации технологический режим.

Технологическим режимом – называется совокупность основных. факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качества продукта. Для большинства ХТП основным параметром режима являются t, P, применение катализатора и его активность, концентрация взаимодействующих веществ, способ и степень перемешивания реагентов.

При изучении общих закономерностей химической технологии принято делить процессы и соответствующие им реакторы, прежде всего, по агрегатному (фазовому) состоянию взаимодействующих веществ. По этому признаку все системы взаимодействующих веществ и соответствующие им технологические процессы делятся на: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные).

Гомогенными – называются такие процессы, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-либо фазе: (Г, Тв, Ж). В гомогенных системах взаимодействие веществ в реакции происходит обычно быстрее, чем в гетерогенных, механизм всего технологического процесса проще и соответственно управление процессом легче, поэтому технологи на практике часто стремятся к гомогенным процессам, т.е. переводят твердые реагирующие вещества или, по крайней мере, одно из них в жидкое состояние плавлением или растворением.

Гетерогенные процессы включают 2 или большее количество фаз. Существуют следующие 2-хфазовые системы: Г-Ж, Г-Тв, Ж-Ж(несмешивающиеся), Ж-Тв, Тв-Тв. Гетерогенные процессы более распространены в промышленной практике, чем гомогенные.

При проектировании новых производств для анализа работы существующих с целью определения оптимальных значений параметров процесса составляют материальные и энергетические балансы производств.

Материальный Баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса вещества, вступившая во взаимодействие равно массе веществ, образующихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества åG_приход равен его расходу åG_расход. Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде

åG_приход = åG_расход

Для периодических процессов МБ составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов за единицу времени для установившегося режима. МБ может быть составлен для всех веществ участвующих в процессе или для одного кого-либо вещества (обычно для основного сырья).

МБ составляют для процесса в целом или для отдельных стадий. Определение массы веществ производится отдельно для твердой, жидкой, газообразной фаз.

G_т+G_г+G_ж= G¢_т+G¢_г+G¢_ж

G_т,G_г,G_ж – массы твердых, газообразных и жидких веществ, поступающих в производство или на данную операцию в ед. времени.

G¢_т,G¢_г,G¢_ж – массы веществ получаемых продуктов производств.

В производственных процессах между компонентом сырья кроме основной реакции, протекают побочные реакции. Кроме того, они возникают за счет примесей. Обычно при составлении МБ не учитывают все реакции, а лишь основные реакции, поэтому

åG_приход = åG_расход+D,

где D - дебаланс (D - дельта)

Энергетический Баланс – составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Или можно сказать так: в основу ЭБ положен закон сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенное в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход энергии равно ее расходу.

Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. Поскольку в этих процессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, то для химико-технологических процессов составляют тепловой баланс

åQ_приход = åQ_расход

В этом случае закон сохранения энергии формулируется так: приход тепла в данной производственной операции åQ_приход равен расходу тепла в той же операции åQ_расход.

Тепловой баланс – составляют по данным МБ с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с учетом подвода тепла извне и отвода ее с продуктами реакции, а также потери в окружающую среду через стенки аппарата.

В общем виде тепловой баланс выражают уравнением:

Q_т+Q_ж+Q_г+Q_ф+Q_р+Q_n= Q_т¢+Q_ж¢+Q_г¢+Q_ф¢+Q_р¢+Q_n¢

Q_ф¢,Q_ф – тепло, выделяемое и поглощаемое при физических процессах.

Q_р¢, Q_р – тепло, экзотермических и эндотермических реакций.

Q_n – тепло, подводимое в аппарат извне.

Q_n¢ – потери теплоты в окружающую среду

Q_т , Q_ж , Q_г – тепло, вносимое с поступающими в аппарат твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Q_т¢, Q_ж¢, Q_г¢ – тепло, уносимое выходящими веществами.

(Экзо – реакция протекает с выделением энергии, эндо – реакция протекает с поглощением энергии).

Закон Г.И. Гесса (открыл в 1836) – основной закон термохимии. Термохимия – изучает тепловые эффекты химических реакций, а также теплоту образования и разбавления растворов.

Из закона Гесса: если из данных исходных веществ можно получить заданные конечные вещества различными путями, то суммарная теплота на одном каком-нибудь пути равна суммарной теплоте процесса на любом другом пути, т.е. тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояний системы, но не зависит от пути перехода.

Q_р = – DН

DН=åDН_{продукты} – åDН_{исходных продуктов}.

DН – тепловой эффект химической реакции.

Иногда Q_т , Q_ж , Q_г и Q_т¢, Q_ж¢, Q_г¢ называют теплосодержанием, каждый в отдельности определяется по формуле:

Q=C×T×G

C – теплоемкость [Дж/моль×К]

Для газообразных продуктов:

Ср=a_o + a₁T±a₂T²

где a_o, a₁, a₂ – табличные коэффициенты (справочник под редакцией Равделя и Понамаревой).

Теплоемкость газовой смеси определяют исходя из закона аддитивности. Аддитивность – это способность складываться целого из его частей

С_{сложное целое}=

где G – масса вещества?

C – теплоемкость

Химическая, принципиальная технологическая схема химико-технологических процессов.

На первом этапе создания и строительства химико-технологического процесса (ХТП) разрабатывается химическая схема производства. Разработка химической схемы базируется на экспериментальных данных. В лабораторных условиях изучают все химические реакции, определяют механизм и кинетику основных побочных реакций, реакций превращения и утилизации отходов производства. В ходе научного поиска определяют пути осуществления химических реакций в промышленных условиях, решаются вопросы аппаратурного инженерного оформления. Критерием окончательного выбора химической системы является экономичность и экологическая безопасность производства.

Химическая схема: Производства эпихлоргидрина.

Основная 2СH₂Cl – CH – CH₂Cl+Ca(OH)₂®2CH₂ – CH-CH₂Cl+CaCl₂+H₂O

реакция ОH гидроксид O хлорид

α и β - дихлоргидрин- кальция эпихлогидрин кальция

глицерин

Побочная реакция:

1) СН₂ – СН – СН₂Сl+H₂O®CH₂ – CH – CH₂Cl α – моно-хлоргидрин