Параметры состояния потоков. Материальные балансы ХТС: стехиометрический и практический. Методики составления и расчета статей прихода и расхода. Примеры.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ, состояние термодинамич. системы, не изменяющееся во времени и не сопровождающееся переносом через систему в-ва или энергии. Если состояние системы не изменяется во времени, но есть поток в-ва или энергии через систему, состояние системы наз. стационарным. Изолированная система, не обменивающаяся со средой в-вом и энергией, со временем всегда приходит к термодинамическому равновесию и не может самопроизвольно из него выйти. Постепенный переход системы из неравновесного состояния, вызванного внеш. воздействием, в состояние термодинамического равновесия наз. релаксацией. Термодинамическое равновесие включает: термич. равновесие -постоянство т-ры в объеме системы, отсутствие градиентов т-ры; мех. равновесие, при к-ром невозможны никакие макроскопич. перемещения частей системы, т. е. имеется равенство давления в объеме системы; допустимы, однако, движения системы как целого-поступат. движение в поле действия внеш. сил и вращение. В случае гетерог. системы сосуществование термодинамически равновесных фаз наз. фазовым равновесием. Если между компонентами системы происходят хим. р-ции, в состоянии термодинамического равновесия скорости прямых и обратных процессов равны между собой (см. Химическое равновесие). При термодинамическом равновесии в системе прекращаются все необратимые переноса процессы (теплопроводность, диффузия, вязкое течение и т.п.). В системе не наблюдается изменение концентраций реагирующих в-в, для закрытой системы характерно равновесное распределение компонентов между составляющими систему фазами. Параметры состояния, определяющие термодинамическое равновесие, строго говоря, не являются постоянными, а флуктуируют около нек-рыхстатистич. средних значений; обычно эти флуктуации пренебрежимо малы. Принцип равновесия Гиббса. Для k-компонентной r-фазной системы при постоянстве ее внутренней энергии U, объема V и чисел молей компонентов ni (i = 1, 2,..., k) условие термодинамического равновесия заключается в том, что при всех возможных изменениях параметров состояния энтропия 5 системы остается неизменной или уменьшается. Иными словами, энтропия изо-лир. системы при термодинамическом равновесии имеет условный максимум:

Буква d означает бесконечно малую вариацию величины, в т.ч. флуктуацию, в отличие от знака дифференциала, означающего действительно малое изменение величины в реальном процессе. Знак равенства имеет место при протекании в системе обратимых процессов, знак неравенства-необратимых (в случае изолир. системы). Принцип равновесия можно выразить также через термодинамические потен-циалы-внутр. энергию U, энтальпию H, энергию Гиббса G, энергию Гельмгольца F-при условиях, характеризуемых постоянством соответствующих параметров состояния. Термодинамическому равновесию отвечает условный минимум термодинамич. потенциалов:

Переход системы из одного состояния термодинамического равновесия в другое может происходить через последовательность состояний, каждое из к-рых является также состоянием термодинамического равновесия. Это означает, что параметры состояния в течение всего процесса перехода бесконечно мало отличаются от своих значений при термодинамическом равновесии. Это-равновесный (квазистатический) процесс. Реальные процессы перехода всегда неравновесны; они изучаются химической термодинамикой. Наряду с основным (глобальным) максимумом энтропии и минимумами термодинамич. потенциалов, отвечающими стабильному термодинамическому равновесию, в пространстве параметров состояния возможны локальные максимумы энтропии и минимумы термодинамич. потенциалов. Соответствующие им состояния системы наз. метастабильными равновесиями. Такие состояния, как и состояние стабильного термодинамического равновесия, локально устойчивы, т.е. устойчивы к бесконечно малым изменениям параметров состояния. Но метастабильные состояния термодинамического равновесия могут быть неустойчивыми при нек-рых конечных изменениях параметров. Под локальным термодинамическим равновесием в термодинамике неравновесных процессов подразумевается равновесие в очень малых (элементарных) объемах среды, содержащих все же достаточное число частиц (атомов, молекул, ионов), чтобы состояние этих объемов можно было характеризовать т-рой, давлением, хим. потенциалом и др. термодинамич. потенциалами, но не постоянными, а зависящими от координат и времени. При локальном термодинамическом равновесии элементарных объемов состояние системы в целом неравновесное. Лит.см. при ст. Химическая термодинамика.

Материальный баланс

Аппаратурный состав ХТС рассчитывают на основе уравнений материального баланса, являющихся конкретным выражением закона сохранения массы. Обычно материальный баланс составляют в расчете на единицу массы 100% -го готового продукта. Различают теоретический и практический материальные балансы. Теоретический материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции и известных молекулярных масс реагирующих компонентов. Практический материальный баланс составляют с учетом состава сырья и целевого продукта; при этом учитывают необходимые избытки некоторых компонентов, а также допустимые потери сырья, промежуточных и конечных продуктов, которые неизбежны при периодическом способе организации технологических процессов. Средние значения потерь составляют при фильтровании 1-2%, при сушке 1-10%, при размоле, дроблении и смешении 0.5%, при выпаривании, дистилляции, ректификации 5-15%, при фасовке и упаковке 0.5%.

Существенная особенность технологических систем периодического действия состоит в многостадийности процессов и многооперационности стадий. В процессе смены операций, протекающих в одном и том же аппарате, в общем случае изменяется объем находящейся в нем реакционной массы (могут добавляться реагенты, инертные растворители, может удаляться часть содержимого аппарата). Поэтому расчет оборудования на основе интегрированного материального баланса, составляемого для стадии в целом, часто приводит к завышенным размерам аппаратов. Более правильно составлять материальный баланс для каждой операции и выделять ту из них, которой соответствует максимальный объем реакционной массы. В общем виде уравнение материального баланса принято записывать в виде:

Для получения практических материальных балансов обычно осуществляют экспериментальные исследования процессов синтеза продуктов в лабораторных или опытных цехах научно-исследовательских организаций (АО "Синтез", ИРЕА). Экспериментальный материальный баланс вносится в документ, называемый технологическим регламентом процесса синтеза конкретного продукта.

Определение основных размеров аппаратов стадий ХТС основано на расчете максимальных массовых или объемных загрузок технологических стадий процессов обработки партий продуктов. Поскольку размеры партий заранее не известны, осуществляется пересчет материального баланса из регламента на единицу массы (1т) 100%-го готового продукта. В результате определяется масса или (и) объем реагентов, которые необходимо обработать на каждой стадии системы для того, чтобы получить 1т готового продукта. Эти величины называют материальными индексами стадий и обозначают gj, j=1,...,J для индивидуальных ХТС и gi j, j=1,...J; i=1...I для совмещенных и гибких.

Большинство технологических стадий процессов синтеза продуктов многоассортиментных химических производств реализуется в аппаратах периодического действия и представляют собой упорядоченные последовательности технологических и организационных мероприятий. В процессе смены операций количество находящейся в аппарате массы может меняться, поэтому материальный баланс составляется для каждой операции, а размер аппарата определяется по той из них, которой соответствует максимальная загрузка.

Пример: определение размера аппарата для стадии аммонолиза процесса получения 2-аминоантрахинона (полупродукта для синтеза некоторых красителей). Процесс получения состоит из 4-х технологических стадий: аммонолиза, фильтрования, сушки, регенерации аммиака. Стадия аммонолиза проводится в емкостном реакторе с перемешивающим устройством и включает 5 технологических операций: смешение исходных реагентов, образование медно-аммиачного комплекса (химическая реакция), образование 2-амино-антрахинона (химическая реакция), выделение парогазовой фазы, разбавление оставшейся реакционной массы водой.

CuSO4*5H2O+4NH3=[Cu(NH3)4]SO4+5H2O

C14H11O2Cl+2NH3=C14H13O2N+NH4Cl.

Экспериментально установлено, что выход медно - аммиачного комплекса по 1-й реакции составляет 100(от теоретического, а выход - 2-аминоантрахинона по 2-й - 92.8(, причем 1.4(2-аминоантрахинона переходит в примеси, а 5.8(остается в реакционной массе без изменений. Пооперационный материальный баланс стадии аммонолиза, представленный в таблице, пересчитан на 1т целевого продукта (знак "+" обозначает входящие компоненты, "-" - выходящие).Из таблицы видно, что совокупная масса загрузки и выгрузки составляет 13257 кг, а максимальное количество массы в аппарате за все время реализации стадии составит 9762 кг или 9766 л (разбавление водой происходит после отгонки водно - аммиачной смеси). При номинальном коэффициенте заполнения реактора 0.75 его объем составит 9766/0.75=13022л.

Объем реактора в этом примере рассчитан исходя из предположения, что система выпускает 1т 2-аминоантрахинона. Если реальный размер партии окажется другим, то объем максимальной загрузки аппарата следует вначале умножить на коэффициент W/1000, где W - реальный размер партии готового продукта в кг.

 

Технологическая операция	Компоненты технол. потока	Масса компонента, кг.	Масса потока, кг.	Масса(кг) и объем (л)загрузки при про-ведении операции
1. Смешение исходных веществ	C14H11O2Cl примеси аммиак вода CuSO4(5H2O примеси аммиак вода (возвр.)	+1057.6 +21.4 +288.8 +866.2 +64.7 +1.3 +1011.4 +4045.6	+1079 +1155 +66 +5057	m=7357 V=7750
2. Получение [Cu(NH3)4]SO4	[Cu(NH3)4]SO4 вода	- 59 - 21.8	- 80.8	-//-
3. Получение C14H13O2N	C14H11O2Cl вода аммиак C14H13O2N NH4Cl примеси	- 61.8 - 8290.9 - 112.1 - 1000 - 216.4 - 34.4	- 9681.2	-//-
4. Выделение парогазовой смеси	вода аммиак	- 2462 - 1033	- 3495	m=3862 V=3866
5. Разбавление массы водой	вода	+5900	+5900	m=9762 V=9766

7. ПАРАМЕТРЫ СВОЙСТВ ПОТОКОВ. ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ ХТС. МЕТОДИКИ СОСТАВЛЕНИЯ И РАСЧЕТА СТАТЕЙ ПРИХОДА И РАСХОДА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНТАЛЬПИИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАК­ЦИИ ПО СЛЕДСТВИЮ ИЗ ЗАКОНА ГЕССА.

Материальный и тепловой балансы составляют для анализа работы существующего аппарата, установки, производства или при проектировании нового. Материальный баланс технологического процесса или части его составляют на основании закона сохранения массы вещества, и это означает, что масса веществ, поступающих на технологическую операцию, равна массе полученных веществ.

Расчеты балансов основываются на технико-экономических показателях, рассмотренных в разделе 1. Для процессов, которые можно описать суммарной химической реакцией, материальный баланс складывается их двух частей: левая часть уравнения – приход, правая часть уравнения – расход. Материальный баланс рассчитывается или только по уравнению основной суммарной реакции (упрощенный) или с учетом всех параллельных, побочных реакций и продуктов (полный). Уравнение материального баланса:

Σm_прих= Σm_расх. (2.1)

Σm_прих– Σm_расх = 0,

где Σm_прих– суммарная масса исходных веществ процесса цикла;
Σm_расх – суммарная масса конечных продуктов процесса.

Материальный баланс обычно рассчитывается на единицу полученного продукта (кг, т, м³) или в % на основе данных производства.. Результаты сводят в таблицу. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов и поэтому составляется первым. В результате составления материального баланса можно вычислять практические расходные коэффициенты на сырье.

Тепловой (энергетический) баланс технологического процесса или части его составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна, т.е. приход теплоты должен быть равен расходу его в данном процессе, аппарате, операции. Уравнение теплового баланса:

ΣQ_прих= ΣQ_расх, (2.2)

где Q_прих – сумма теплот Q_1,Q₂, Q_3,; Q₁ – теплота, приносимая входящими в аппарат веществами; Q₂,- теплота экзотермических реакций, протекающих в данном аппарате; Q₃ – теплота, вносимая извне за счет подогрева; ΣQ_расх – сумма теплот Q_4,Q₅, Q_6,; Q₄ – теплота, уносимая выходящими из аппарата продуктами; Q₅ – теплота эндотермических реакций,протекающих в аппарате; Q₆ – потери теплоты в окружающую среду и отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата Уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ +Q₅ + Q₆. (2.3)

Q₁ и Q₄ в технологии называют теплосодержанием материалов и рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него:

Q₁ или Q₄ = m · с · t, (2.4)

Где m – масса вещества (кг, моль) (берут из данных материального баланса); с – средняя теплоемкость этого вещества (берут из справочника); t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно 273К).

Тепловые эффекты химических реакций Q₂ и Q₅ могут быть рассчитаны на основе изобарных теплот образования из элементов различных веществ q⁰_обр, или теплот сгорания, или энтальпии образования веществ ΔН₂₉₈ в стандартных условиях (для массы 1 моль, давление 1.01 –10⁵ Па, температуры 298К). Изменение энтальпии реакции ΔН численно равно тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком:

ΔН = – Q_р (2.5)

Изменение энтальпии реакции находим как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ:

ΔН_р= Σ ΔН_прод– Σ ΔН_исх. (2.6)

Значение ΔН_обрприведено в справочниках термохимических и термодинамических величин.

Подвод теплоты Q₃ можно рассчитать по потере ее теплоносителем. Потери теплоты Q₆ можно рассчитать по изменению теплоты хладоагента или в процентах к массе внесенной теплоты.

Пример 1.

Составьте упрощенный материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена. Состав исходной парогазовой смеси (в % по объему): этилен – 60, водяной пар – 40. Расчет вести на 1 т этилового спирта. Побочные реакции и давление не учитывать

Решение.

Получение этилового спирта прямой гидратацией этилена осуществляется при температуре 560 К и давлении 80·10⁵ Па по реакции, протекающей по уравнению:

СН₂= СН₂ + Н₂О ↔ С₂Н₅ОН + Q_р

Приход. Определяем теоретический расход этилена:

А_т = 28 · 1000/46 = 608.7 кг.

Тогда практический расход этилена с учетом степени превращения его составит:

608.7/0.05 = 12174 кг или 12174 · 22.4/28 = 9739.3 м³.

Находим объем водяного пара в парогазовой смеси:

9739.3 · 40/60 = 6492.8 м³ или 6492.8 · 18/22.4 = 5217.5 кг.

Расход. Определяем, сколько водяного пара израсходовано на гидратацию:

9739.3 · 0.05 = 486.97 м³.

Находим избыток водяного пара (проскок):

6492.8 – 486.97 = 6005.8 м³ или 6005.8 · 18/22.4 = 4826.2 кг.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: